自然伽馬能譜測(cè)井論文

1、自然伽馬能譜資料原理及粘土礦物方面應(yīng)用摘要：粘土礦物是儲(chǔ)集層的重要組成部分, 其含量及特性對(duì)油田開(kāi)發(fā)效果有著較大的影響。伽馬射線是原子核衰變裂解時(shí)釋放的射線之一，穿透能力極強(qiáng)，從液體到金屬的大部分物質(zhì)都能穿過(guò)，正是由于具有此特性，使其在石油工業(yè)等方面得到廣泛的應(yīng)用。巖石中主要含有鈾(u)、釷(th)、鉀(k)等放射性元素，在沉積巖中這些放射性元素主要反映泥質(zhì)含量的變化，在火山巖、花崗性風(fēng)化層及某些鹽類沉積，自然伽馬測(cè)量值顯著增高，常做為識(shí)別這類巖石類型的重要曲線標(biāo)志。自然伽馬能譜測(cè)井就是在鉆出的深井中，對(duì)地層的自然(天然)伽馬射線進(jìn)行能譜分析，由不同的能量的伽馬射線強(qiáng)度確定地層中鈾、釷、和鉀的

2、含量及其分布情況，從而評(píng)價(jià)地層的巖性、生油能力以及解決更多的地質(zhì)和油田開(kāi)發(fā)中的問(wèn)題。關(guān)鍵詞：自然伽馬能譜測(cè)井；沉積環(huán)境；生油巖；儲(chǔ)集層；粘土礦物1.引言自然伽馬能譜測(cè)井（natural gamma-ray spectral logging）是按不同能量范圍記錄自然伽馬射線的一種測(cè)井方法。因?yàn)榈貙臃懦龅馁ゑR射線大多數(shù)是由三種放射性同位素鉀、釷、鈾衰變產(chǎn)生的，所以自然伽馬能譜測(cè)井可以給出地層中鉀、釷、鈾的含量。這些數(shù)據(jù)對(duì)于準(zhǔn)確地確定儲(chǔ)集層泥質(zhì)含量、分析沉積環(huán)境和生油條件，以及劃分巖性都是很有用的。此外，在鉀鹽礦床和某些釷變型金礦床也能取得滿意的地質(zhì)效果。為了進(jìn)一步研究?jī)?chǔ)集層的有關(guān)特征，為油田開(kāi)發(fā)生

3、產(chǎn)提供一些基本的參數(shù)，了解儲(chǔ)集層的泥質(zhì)含量以及粘土礦物的種類，有著很現(xiàn)實(shí)的意義。運(yùn)用自然伽馬測(cè)井資料對(duì)儲(chǔ)集層的有關(guān)特征進(jìn)行描述，特別是泥質(zhì)中粘土礦物含量的描述，這對(duì)當(dāng)前的石油生產(chǎn)具有十分重要的意義。對(duì)于沉積巖層而言，由于粘土礦物對(duì)放射性元素有著強(qiáng)烈的吸附作用，沉積巖自然放射性的強(qiáng)弱與粘土礦物的含量密切相關(guān)。因此，可以利用自然伽馬能譜測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)確定沉積巖粘土礦物的類型和成分。2.自然伽馬能譜資料原理自然伽馬能譜測(cè)井能直接測(cè)量地層中u、th、k等元素的含量，以此來(lái)判斷地層性質(zhì)，定量計(jì)算可用于確定泥質(zhì)含量、鑒別高滲透率、碳酸鹽巖裂縫層的劃分和粘土成分的確定；定性分析可用于對(duì)泥質(zhì)地層生油巖特性的識(shí)別和

4、沉積環(huán)境的研究.2.1自然伽馬能譜自然伽馬射線主要是由地層巖石中的238u放射系、232th放射系和40k產(chǎn)生的。原始伽馬射線能譜均呈現(xiàn)離散的線譜形態(tài)，而伽馬射線觸發(fā)伽馬譜儀探測(cè)器后卻得到連續(xù)的譜線，通常把這種連續(xù)譜稱為伽馬實(shí)測(cè)譜或儀器譜。在自然伽馬能譜測(cè)井中，表征238u通常選用u系中214bi發(fā)射的176mev伽馬射線；表征232th選用th系中208tl發(fā)射的262mev伽馬射線；表征k只能用40k唯一的146mev伽馬射線.2.2自然伽馬能譜測(cè)井原理自然伽馬能譜測(cè)井可以同時(shí)做到強(qiáng)度測(cè)量和能譜分析，根據(jù)能量分析確定射線由哪一種核素發(fā)射，依據(jù)強(qiáng)度確定該種核素及其相應(yīng)元素的含量。對(duì)自然伽馬能

5、譜信息利用最為充分的是多功能補(bǔ)償自然伽馬能譜測(cè)井儀，其測(cè)井過(guò)程如圖1所示。 3粘土礦物的結(jié)構(gòu)類型及其性質(zhì)3. 1 粘土礦物的結(jié)構(gòu)類型粘土是由細(xì)的、分散的含水層狀構(gòu)造硅酸鹽礦物和鏈狀硅酸鹽礦物及含水的非晶質(zhì)硅酸鹽礦物組成。粘土礦物是由極小的、層狀構(gòu)造的硅酸鹽組成,其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)( 原子) 在三維空間呈周期性排列。粘土礦物的基本結(jié)構(gòu)是硅氧構(gòu)成的四面體片或八面體,其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。在石油地質(zhì)中, 粘土礦物一般由伊利石、蒙脫石、高嶺石、綠泥石、伊利石與蒙脫石混層以及綠泥石與蒙脫石混層組成。3. 2 粘土礦物的性質(zhì)粘土礦物具有不飽和電荷, 比表面積大。這決定了粘土礦物具有吸附性、離子交換性、膨脹性、分散性、凝

6、聚性和可塑性等特點(diǎn)。其吸附性分為物理性吸附和化學(xué)性吸附, 這一特性決定了其在沉積過(guò)程中會(huì)吸附大量的放射性物質(zhì), 從而導(dǎo)致在地層中由于泥質(zhì)的增加, 造成放射性含量的增加。不同粘土礦物對(duì)放射性元素鈾、釷、鉀的吸附能力不同, 這在自然伽馬能譜測(cè)井中所測(cè)得的鈾、釷、鉀的含量中就有所表現(xiàn), 因此可以利用自然伽馬能譜測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別粘土礦物種類及其含量。要區(qū)分粘土礦物種類及其含量, 首先應(yīng)該知道不同粘土礦物的一些性質(zhì)。4.自然伽馬能譜測(cè)井分析與應(yīng)用自然伽馬能譜測(cè)井資料包括：地層總自然伽馬（gr)，地層無(wú)鈾伽馬(kth)，及地層中鈾(uran)、釷(thor)、鉀(pota)的含量。利用其測(cè)量值可以研究地層特

7、性，計(jì)算泥質(zhì)含量、地層粘土礦物歸類、識(shí)別高自然伽馬放射性儲(chǔ)層、評(píng)價(jià)生油巖等。具體過(guò)程是采用交會(huì)圖技術(shù)，做出地層thk交會(huì)圖，按照給定的thk交會(huì)圖版，歸類粘土礦物，定性識(shí)別粘土礦物。同樣，采用thu交會(huì)，可分析沉積環(huán)境的變化情況。在還原環(huán)境和有機(jī)質(zhì)富集的條件下，可以使泥質(zhì)沉積吸附大量的鈾離子，自然伽馬能譜測(cè)井中鈾曲線代表地層中鈾的含量，因而可用來(lái)評(píng)價(jià)生油巖。4.1評(píng)價(jià)生油層自然伽馬能譜資料中的鈾曲線反映地層中放射性礦物鈾的含量。研究表明，放射性元素鈾與有機(jī)質(zhì)的豐度有很密切的關(guān)系，有機(jī)質(zhì)越富集的地方，能譜曲線中所顯示的鈾含量越高，指示與油氣關(guān)系越密切。根據(jù)這一結(jié)果，分析老27井的自然伽馬能譜資料

8、如圖1所示，在泥巖出油層段鈾含量大于310-6。對(duì)沒(méi)有自然伽馬能譜資料的樊41井、羅42井、大93井等進(jìn)行分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在地質(zhì)錄井或井壁取心資料中，反映的巖性為泥巖與油頁(yè)巖或油泥巖互層，或者距油頁(yè)巖或油泥巖距離較近，是較好的生油層。4.2確定地層巖性由于地層中天然放射性核素的分布具有一定的規(guī)律性，因此，利用自然伽馬能譜測(cè)井可以確定地層的巖性，特別是對(duì)于一些復(fù)雜地層的巖性識(shí)別，自然伽馬能譜測(cè)井將優(yōu)于其它測(cè)井方法。4.2.1利用thu交會(huì)圖劃分巖性一般情況下，地層中的釷(th)含量隨巖石的粒度變細(xì)而增加，利用釷值可以把地層中的砂巖、粉砂巖和泥巖等劃分得很清楚，因此th是一個(gè)識(shí)別巖性的較好參數(shù)。此外

9、，在地層原始沉積的過(guò)程中，鈾(u)的含量與地下水的溶解和遷移程度有關(guān)，而油氣藏的形成與地下水的活動(dòng)也有關(guān)系，并且油氣藏的形成還要求有良好的封閉條件，因此油氣藏的形成與u有一定的關(guān)系，為此，利用thu交會(huì)圖可以更準(zhǔn)確地區(qū)分巖石的巖性。4.2.2利用thk交會(huì)圖劃分巖性在地層中，鉀(k)的含量也與巖性有關(guān)。一般情況下，鉀的含量隨巖石的粒度變細(xì)而增加。此外，在碳酸鹽中鉀含量較多，這是由于碳酸鹽在形成過(guò)程中的淋濾作用而造成的。為此，利用thk交會(huì)圖也可以區(qū)分巖石的巖性。4.3粘土礦物類型的識(shí)別組成巖石礦物的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)，在溫度、壓力、水體ph值等的作用下，在不斷變化。處在地面上的風(fēng)化作用首先破壞

10、巖石的晶體結(jié)構(gòu)，繼而破壞巖石的化學(xué)結(jié)構(gòu)，在搬運(yùn)過(guò)程中被分選和沉積。在風(fēng)化搬運(yùn)沉積的過(guò)程中，影響化學(xué)環(huán)境的因素主要是水和溫度的作用，在此過(guò)程中，大部分暴露的堿金屬和堿土金屬被溶解，土族元素氧化物一般不被溶解，而是成為膠體進(jìn)入水中，氧化硅的溶解受ph值和溫度的控制，但它大部分是以石英晶體的形式存在，組成砂粒。氧化鋁在堿性和酸性環(huán)境下極易溶于水中，而大部分則以膠體的形式進(jìn)入水中。這些膠體和真溶液進(jìn)入湖海之中，在入口處，氧化硅、氧化鋁等的膠體的電荷被中和而沉積成泥巖。而各種物質(zhì)的沉積都需要一定的溫度、ph值、化學(xué)成分、氣候等條件。在蒸發(fā)過(guò)程中，可形成蒸發(fā)沉積巖；在潮濕氣候下，淋濾作用較強(qiáng)，堿金屬和堿土

11、金屬被水溶液帶走，在三角洲平原及其上游各相，多形成高嶺土或高釷鉀比泥巖沉積。干旱氣候下各相沉積的泥巖含堿量較高，釷鉀比較低，以伊蒙混層和伊利石為主。因此在能譜分析總的釷鉀交會(huì)中，釷鉀比大于12的是高嶺土型粘土，35一12是伊蒙混層，235是伊利石型粘土，12是云母型粘土等。如慶古2井石炭一二疊系煤系地層，屬潮濕環(huán)境下的平原沼澤相沉積，該井在錄井中發(fā)現(xiàn)多層純的鋁土礦層，在進(jìn)行釷鉀交會(huì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，泥巖釷鉀比普遍較高，多數(shù)在9左右，高的可達(dá)20以上。粘土礦物以高嶺石為主，而且有不同程度的伊蒙混層化。視地層水電阻率是上部地層的近十倍。濮深8井和明8井釷鉀比都在45左右，是典型的瀉湖相沉積環(huán)境，具有高礦化度

12、的地層水。4.4計(jì)算泥質(zhì)含量可以用總伽馬計(jì)數(shù)率計(jì)算泥質(zhì)含量，在自然伽馬能譜測(cè)井資料中，通常認(rèn)為鉀含量k、釷含量th及其總和kth與泥質(zhì)含量的關(guān)系最好，鈾含量u與泥質(zhì)含量關(guān)系最差，高鈾會(huì)指示滲透性良好的儲(chǔ)集層。因此，一般情況，可以同時(shí)利用k、th、kth曲線或根據(jù)地質(zhì)情況選其中一條曲線，計(jì)算地層泥質(zhì)含量。4.5尋找高放射性儲(chǔ)層純砂巖和碳酸鹽巖放射性元素含量很低，但有些地層中，由于巖石骨架中含有放射性礦物而明顯呈現(xiàn)高放射性，有些滲透性地層由于地層水活動(dòng)使其放射性礦物增多，引起放射性升高。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為儲(chǔ)集層是低放射性的、泥質(zhì)含量較少的、比較純的巖石，而忽視了高放射性儲(chǔ)層的生產(chǎn)價(jià)值。運(yùn)用自然伽馬能譜測(cè)

13、井中的無(wú)鈾伽馬計(jì)算泥質(zhì)含量，可以彌補(bǔ)常規(guī)方法的不足。準(zhǔn)確識(shí)別高放射性儲(chǔ)層，確定巖性剖面。5.結(jié)論地層中含放射性元素的種類及含量與地層的沉積環(huán)境、沉積以來(lái)的地質(zhì)變化等因素有關(guān)，自然伽馬能譜測(cè)井能確定地層中鈾(u)、釷(111)、鉀(k)含量，是地質(zhì)研究的一項(xiàng)重要資料。它不僅可以研究沉積環(huán)境，判斷裂縫(或高放射性儲(chǔ)層)，還能定量計(jì)算儲(chǔ)層滲透率、粘土礦物含量，在復(fù)雜巖性油氣勘探中為探井解釋提供了精確的解釋依據(jù)。值得說(shuō)明的是，用自然伽馬能譜求取滲透率雖然在國(guó)外已有所應(yīng)用，但國(guó)內(nèi)還沒(méi)有見(jiàn)到有關(guān)方面的研究，本文只是一種嘗試以起到拋磚引玉的作用。并且隨著對(duì)自然伽馬能譜資料研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，該項(xiàng)資料在油

14、氣勘探中必將發(fā)揮更大的作用。 利用自然伽馬能譜測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)來(lái)確定儲(chǔ)集層粘土礦物的成分和含量, 可以為油田的開(kāi)采方案設(shè)計(jì)提供有效的依據(jù)。文中分析得到的結(jié)果基本與實(shí)際分析結(jié)果相吻合, 這也佐證了利用自然伽馬能譜數(shù)據(jù)確定粘土礦物成分和含量的有效性。通過(guò)文中的分析, 我們可以得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):( 1) 沉積巖放射性的強(qiáng)弱與對(duì)放射性元素有強(qiáng)烈吸附作用的粘土礦物的含量有關(guān)。( 2) 運(yùn)用圖版法可以較好地確定粘土的類型和含量, 可以為石油開(kāi)采提供一定的依據(jù)。( 3) 各地區(qū)不同地層粘土礦物與自然伽馬能譜測(cè)井的響應(yīng)關(guān)系不同, 其響應(yīng)關(guān)系與地層成巖過(guò)程中的母巖、地層水放射性的含量有關(guān)。( 4) 通常只根據(jù)自然伽馬能譜測(cè)井讀數(shù)鑒別的結(jié)果存在一定的不確定性, 最好再配合其它資料, 尤其是將巖性密度測(cè)井的pe 與放射性元素含量的比值th/k、u/k、th/u 一起使用。 【參考文獻(xiàn)】1黃隆基，胡慶東自然伽馬能譜測(cè)井薄層響應(yīng)j地球物理學(xué)報(bào)，1997，40（2）：2722782任愛(ài)閣自然伽馬能譜測(cè)井譜解析方法研究d山東東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)，20073李惕碚，吳枚，陸柱國(guó)，等調(diào)制成像射線望