多功能岩心元素扫描仪的研发与应用

程豪华 谢元军 余寒雷 李三明 王振华

(中石化经纬有限公司华北测控公司)

0 引 言

岩心样品包含着地层岩性及所含油气水的完整信息，是重要的实物地质资料，充分挖掘利用岩心信息，有利于更全面认识地层、油气水和油藏情况。获取岩心元素数据的传统方法是，先取一定量的岩心样品，粉碎压成样片，放到元素分析仪中检测，这样的操作不仅效率低，还破坏了岩心的完整性[1-2]。

本文介绍的多功能岩心元素扫描仪是专门针对岩心样品研发的一款仪器，它能满足单次检测长度不超过60 cm，全直径不大于15 cm的岩心样或剖切过的岩心检测需求；仪器样品单点分析不少于17种元素，包括Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ba、Ti、Mn、V、Fe、Ni、Sr、Zr，单点分析时间小于2 min。仪器优势是整体连续无损元素检测，可小间距自动检测，大幅提高了岩心元素检测精度。应用该仪器能够增加录井工程的服务项目，还可提高元素录井检测作业的效率，有助于老岩心样品快速扫描形成元素数据库，为油田老井复查等“挖潜增效”项目提供服务，避免岩心资料的浪费。

1 仪器系统组成

1.1 硬件系统

岩心元素扫描仪由中石化经纬有限公司华北测控公司研制生产，该仪器包括计算机、仪器主机和真空泵3部分(图1)。计算机用来操作软件系统，实现对仪器主机与真空泵的控制以及元素数据的采集分析；仪器主机主要包括激发与检测系统、样品位移系统等，实现对岩心样品的元素检测；真空泵用来实现检测样品的真空环境。

图1 岩心元素扫描仪主机和真空泵示意

激发与检测系统包括X射线产生装置与XRF光谱仪系统。X射线产生装置用于产生激发样品的X射线，包括高压电源与X射线管；XRF光谱仪用来检测样品的XRF信号并进行分析转换，同时将数据传给计算机进行含量分析。

样品位移系统包括水平与垂直两个方向的位移功能，由两个步进电机、水平和垂直滑轨、水平位移传感器、垂直位移传感器及控制电路等组成。一方面用来调整岩心检测点与探测器之间的距离，保证样品点检测距离的一致性；另一方面在完成一个检测点后用来对样品进行水平位移，进行下一个检测点的检测。位移系统的存在，使样品在样品腔内按照操作设置间距自动移动，实现了岩心样品元素含量的无损、多点、自动检测。

1.2 软件系统

岩心元素扫描仪软件系统包括参数设置与谱图显示界面模块、系统控制模块和数据采集与处理模块。

参数设置与谱图显示界面模块包括主显示界面、各部件参数设置界面、扫描参数设置界面、标定设置界面、检测队列设置界面，主要用来设置仪器各部分参数以及显示仪器状态参数与检测谱图数据。

系统控制模块包括位移台控制模块、真空泵电磁阀控制模块、X射线管和探测器控制模块，主要用来控制仪器系统中各部件的协同工作，获取样品的元素分析数据。

数据采集与处理模块包括谱图数据计算处理模块、标定系统计算处理模块，主要用来对谱图数据进行计算处理，形成元素含量数据并存入数据库。

仪器操作使用时先打开样品腔封闭门，将样品放到“V”型托盘后固定到“V”型样品槽；在软件控制下，将进行水平初始位置和垂直方向样品表面与探头之间的准确定位；之后软件启动真空泵将样品腔体抽成真空环境，再启动高压电源供给X射线管对样品X射线激发，启动探测器开展X射线荧光检测，仪器按照预设的间距移动样品自动逐点检测。在整个检测过程中，可通过摄像头对样品进行监视，必要时调整检测点以避开不规整的检测面。

2 仪器主要功能特点

2.1 自动调整检测点与探测器之间距离

样品表面与探头之间的距离大小会影响元素的检测值，因此要求其距离与标定时的距离保持一致。同一岩心表面会存在细微的凹凸不平，直径在不同岩性的地方也会有微小的变化，这些情况都会影响检测的准确性。为保证检测的精度，仪器配备了高精度的垂直距离激光传感器，其测量精度在0.001 mm，通过垂直方向的步进电机调整样品表面的垂直距离，使得所有样品检测点的垂直距离都一致，这样保证了检测数值的准确性，距离误差可控制在0.1 mm以内。

2.2 对岩心表面实时视频监视

岩心样品不同于压片样品，其具有非均质性与复杂性。岩心经常含有斑块、砾石、化石等特殊标志物，这些标志物通常指示特殊的沉积环境，具有重要的地质意义，故需在岩心上将特殊标志物位置进行标注，并检测其元素数据。若岩心表面存在裂缝、凹坑等不适合作为检测点的地方，通过标记可以有效避开，避免错误的元素数据影响分析准确性。仪器在样品检测点上部装有高清摄像头，可以实时监控选择岩心测样位置，并可对有地质意义的位置拍照截图留存。

2.3 自动、手动两种检测模式

岩心样品检测可采用自动和手动两种检测方式，针对不同的岩心表面情况进行模式选择。经常使用的是自动检测方式，主要针对比较完整的岩心样品，该模式的检测点是均匀分布，在操作界面输入样品检测间距，等间距水平移动样品进行自动检测。手动检测方式主要针对岩心比较破碎，自动生成的等距检测点不能完全落在有裂缝破碎岩心表面的情形。进行手动检测时，输入岩心样品的起始深度，在软件的摄像头窗口监视岩心样品的表面状况，调整样品到合适的检测位置，软件会自动记录样品井深，在检测完毕后再手动移到下一个位置。

2.4 岩心与岩屑样品双重检测

仪器配有一个“V”型岩心样品托盘与两个底部平坦的岩屑样品架。通过更换不同的样品托盘，使得仪器具有检测岩心与岩屑压片样的双重功能。仪器在检测不同直径的岩心时，通过更换不同厚度的样品托盘来调整岩心样品的高度，使待分析样品的高度位于仪器垂直方向的可调范围内，仪器配有对应10 cm、15 cm及剖切3种岩心的样品托盘。在检测岩屑压制样品时，样品环放置在长立方形顶部带有14孔的样品架上，可一次性连续检测14个样品，相比于常规的元素仪器单次分析一个样品，能够显著地提高检测效率。同时设置双样品架，可在一个样品架工作时，在另一个样品架进行更换摆放，节省操作时间。

仪器位移台水平方向最大位移距离66 cm，设定位移距离60 cm，岩心样品托盘与岩屑样品托盘长度都为60 cm，允许放置的岩心最大长度为60 cm，允许放置的岩屑样品数最多为14个。因此，仪器单次可检测的岩心最大长度为60 cm，可检测的岩屑样品数为14个。

3 仪器现场应用

岩心元素扫描仪已在鄂尔多斯盆地北部某气田完成了3口井的岩心、49口井的岩屑扫描工作。通过仪器检测获取的岩心元素资料，为小层卡取、地层水的识别和气水界面判断提供了有利依据。

3.1 利用岩心元素分析技术精细解释岩性

常规岩屑进行X射线元素分析时，检测精度为岩屑采集间隔[3]，一般为1 m。岩心元素扫描仪实现了对岩心小间距的精细检测，检测精度达1 mm。因此，运用岩心元素数据，可以解释出一些常规手段不易识别的小夹层。

碳酸盐岩地层中大段岩性为白云岩或石灰岩，对碳酸盐岩地层中夹层的识别，有助于确定沉积环境，明确其沉积微相[4-5]。根据不同岩性的特征元素异常升高确定夹层发育情况，如Na、Cl元素含量升高指示盐岩发育，Al、Si元素含量异常升高指示泥岩发育。

如图2所示，A井取心段钻遇下古生界马五6段碳酸盐岩地层，岩性为泥质白云岩或含泥白云岩。岩心元素检测点间隔控制在0.1 m，3 028～3 030 m井段现场录井岩性定名为泥质白云岩，运用岩心元素扫描仪对岩心开展特征元素(Na、Cl、Al、Si)分析，将0.863 m碳酸盐岩(3 028.421～3 029.284 m)划分出4个夹层。

图2 A井岩心元素录井图(3 028～3 030 m)

(1)盐岩夹层：3 028.421～3 028.694 m，厚度0.273 m，Na、Cl元素同时异常升高，Na元素升高6.95%，异常倍数为5.9，Cl元素升高10.27%，异常倍数为5.7。

(2)泥岩夹层：3 028.694～3 028.794 m，厚度0.10 m，Al、Si元素含量同步异常升高，Al元素从0.19%升至7.27%，增长7.08%，Si元素从4.75%升至20.01%，增长15.26%。

(3)盐岩夹层：3 028.794～3 029.184 m，厚度0.39 m，Na、Cl元素同时异常升高，Na元素从1.59%升至8.37%，异常倍数为5.3，Cl元素从3.33%升至12.49%，升高9.16%。

(4)泥岩夹层：3 029.184～3 029.284 m，厚度0.10 m，Al、Si元素含量同步异常升高，Al元素从0.19%升至7.17%，升高6.98%，Si元素从4.79%升至19.65%，升高14.86%。在3 028.50、3 029.00 m位置分别取样进行薄片分析，鉴定成分为盐岩，和元素分析结果一致。

3.2 利用岩心元素分析技术判别气(油)水界面

准确判别气(油)水界面关系到油藏评价、油气储量计算以及布井、射孔方案设计等后续开发工作，本文利用岩心元素分析技术提供了一种判别气(油)水界面的方法。

在油气储层中含的水多为高矿化度的地层水，其中Na+、Cl-两种离子存在最广泛并且占比最大，其他的离子在不同地层水类型中有不同的配比[6]。在普通钻头钻进过程中，由于岩石被钻头破碎，岩石孔隙基本被破坏，返到井口的岩屑经过钻井液的冲刷及采集时清洗，其孔隙中的含有物流失严重。而取心钻进时，岩心能够完整保存其中的孔隙以及孔隙中的地层水，当岩心孔隙中地层水在晾干挥发后，其所含盐类会结晶留在孔隙中，含油气岩心与含水岩心留在孔隙中的盐类含量会有明显差异。通过分析岩心的Na、Cl元素含量值，将Na、Cl元素含量突变的深度作为气水界面或油水界面。

如图3所示，B井取心层段为山1段储层，在井深3 339.364 m处，Na元素从1.71%升至4.60%，Cl元素从3.76%升至8.24%，3 339.364～3 339.942 m井段表现出典型的地层水特征，因而判断该储层的气水界面在3 339.364 m。同时，该层气测全烃值由5.59%下降到0.53%，测井电阻率由50.5 Ω·m下降到16.8 Ω·m，气测和测井的响应特征都验证该层为水层。

图3 B井运用岩心元素数据识别气水界面

4 结 论

岩心元素扫描仪目前在现场已经投入使用，对于样品分析具有以下特点：

(1)该仪器可以实现岩心样品无损、小间距的元素含量分析。

(2)具有自动调整检测点与探测器之间距离、实时视频监视岩心表面和自动、手动两种检测模式。

(3)具有岩心与岩屑样品双重检测的功能。仪器单次岩心检测的最大长度为60 cm，岩屑检测样品最多为14个，极大地提高了现场操作效率。

(4)通过该仪器获取的岩心元素数据，为小层卡取、地层水的识别和气水界面判断提供依据，有利于沉积微相刻画和油气开采时避免射开水层。