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2008年第32卷 第2期 中国石油大学学报自然科学版 Joumal of China University of Petroleum Vol. 32 No.2 Apr. 2008 文章编号1673-5005 2008 02-0053-05 利用测井资料确定粘士矿物的方法对比 邢培俊1，2孙建孟3王克文3李召成3吴金龙3 1.中科院地质与地球物理所，北京100029;2.中石油青海油田分公司，甘肃敦煌736202; 3.中国石油大学地球资源与信息学院，山东东营257061 摘要为了准确计算粘土矿物的含量，在缺少自然伽马能谱资料的情况下，利用自然伽马、中子、密度、声波组合参数，通 过多元回归建立了计算粘土矿物的三孔隙度模型，同时利用三孔隙度模型、阳离子交换能力与含氢指数比值CEC/IH 和自然伽马能谱资料3种计算粘土矿物含量的方法对A油田3口井的资料进行了处理，并对处理结果作了对比分析。 结果表明，在缺少自然伽马能谱资料的情况下，可以利用自然伽马、中子、密度、声波测井资料，通过多元回归计算粘土 矿物含量;与岩心资料相比，CEC/IH处理结果较差，三孔隙度模型的计算精度略高于自然伽马能谱资料的分析结果;相 对于CEC/IH交会分析和自然伽马能谱分析，三孔隙度方法简单、可靠，且适用范围较广。 关键词粘土矿物;自然伽马能谱;中子密度交会;阳离子交换能力;含氢指数 中图分类号TE 122.2 文献标识码A Comparison of determination s for clay minerals using log data XING Pei_jun1,2 , SUN Jian-meng3 , WANG Ke-wen3 , LI Zhao-cheng3 , WU Jin-long3 1. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China; 2. Qinghai Oilfield Company, PetroChinα， Dunhuang 736202, Gansu Province, Chinα; 3. F，αculty of Geo-Resource αnd Ination in China University of Petroleum, Dongying 257061 , Shandong Province, China Abstractln order to accurately calculate the clay minerals contents, a three-porosity calculation model of clay minerals con- tents without gamma spectrum data was presented based on the multiple regression of natural gamma, neutron, density, a- coustic welllog data. Welllog data from three wells in A Oilfield were processed by the three-porosity model and other two traditional. s proposed respectively based on ratio of cation exchange capability and hydrogen index CEC/IH and gamma spectrum data, and the results were compared.τhe results indicate that under the condition of lacking gamma spec- trum data, the clay minerals contents can be calculated based on the multiple regression of the natural gamma, neutron, den- sity, acoustic welllog data. Compared with the core analysis results, the error based on CEC/IH is the greatest, and the reli- ability based on three-porosity model is a litte higher than that of the based on gamma spectrum. The three-porosity is easy to apply and its applicability is wider than that of the CEC/IH and natural gamma spectrum analysis. Key words clay minerals; natural gamma spectrum; neutron density crossplot; cation exchange capability; hydrogen index 我国油田大部分井都没有自然伽马能谱资料，在 这种情况下探索计算粘土矿物含量的方法对储层评 价研究具有十分重要的意义。典型泥质碎屑储集岩 和或页岩地层常含有数量不等、分布方式不同的各 种粘土矿物，只有极少数含油和或含气砂岩储层基 收稿日期2007-12 -28 基金项目国家自然科学基金资助项目40574030 本上不含粘土矿物[1.3J。最常见的粘土矿物蒙脱石、 伊利石、高岭石和绿泥石在化学成分、骨架密度、光电 吸收截面、含氢指数、阳离子交换能力CEC、伸、铀 和牡含量等基本特性上都显示出很大的差别，利用其 测井特征差异可定量评价主要的粘土矿物。目前，用 作者简介邢培俊1958- ，男汉族，山东安丘人，博士研究生，主要从事地质研究与管理工作。 .54. 中国石油大学学报自然科学版2008年4月 测井资料确定粘土矿物的主要方法是1利用自然 伽马能谱资料，通过多元回归的方法将铀、牡、押含量 与预测的粘土类型联系起来[4-7]或直接应用饵一牡交 会图进行分析;2利用干粘土的阳离子交换能力 CEC与含氢指数IH交会或用其比值来区分粘土矿 物[8-10]。但是我国老油田的许多井根本没有自然伽 马能谱测井资料，在这种情况下计算粘土矿物含量十 分困难。笔者探讨一种利用自然伽马、三孔隙度曲线 建立粘土矿物计算模型的方法，利用实际资料与其他 方法进行对比，以了解此方法的可行性。 1 自然伽马、中子、密度、声波组合参 数回归法 以胜利A油田为例，收集了3口井的岩心和粘 土分析资料，在此基础上通过深入研究蒙脱石、伊利 石、绿泥石/高岭石的基本特性见表1，发现4类 粘土矿物在中子、密度、自然伽马特性上具有较大差 别，而且声波时差也在一定程度上受到粘土矿物的 影响。因此，结合中子、密度、自然伽马、声波进行多 元非线性统计回归，建立了4种矿物的计算模型 简称三孔隙度法。其步骤如下 1首先用粘土矿物总量或某种主要类型的粘 土矿物含量与自然伽马测井相对值曲线进行深度移 动对比来实现深度归位。 2对原始数据进行归一化处理，可得到泥质 含量VSh、中子孔隙度ψN、密度孔隙度Po、声 波孔隙度ψS4个变量，并引人变量向/刷，轨/ψD 伊sl剧。将中子、密度、声波测井值转化为中子孔隙 度、密度孔隙度以及声波孔隙度，可将上述3类数据 无量纲化，从而减小回归分析中因数据属性不同而 产生的差异。中子、密度、声波测井值转化为相应孔 隙度的方法分别为 φN -N__ J..t -J..L_ 0__ -Oh ψ旦旦ψ-一一」王伊o巳.1 N-φNrφNma i“S -J..tr -J..tma i“O Pma -Pr 式中，φNfNma分别为流体、骨架中子归一化处理的 孔隙度，;缸，J..tr，J..tma分别为岩石、流体、骨架声波 时差，μs/m;Pma，Pbρf分别为骨架、岩石、流体密度， glcm 3 。 表1常见粘土矿物的基本特性括号内为平均值 名称 GRI 铀含量牡含量饵含量四Th1密度pl光电吸收截面声波时差.t/IHI CEC/[mmol. API w U/IO- 6 四Th/1O-6 w K/ 2圳Kg.cm-3 P/b.电子-1 μm -1 100 g -1] 蒙脱石150 -200 4.3-7.7 O. 8向 2 0-1.5 3.7 -8.7 2 -2. 5 2.04 364.96 12 80 -150 0.22 2.29 114 伊利石250 -300 8.7 -12.4 10 -25 3.51 -8.3 3.45 10 -40 5.2 1.7-3.5 2.7 -2.9 172.41 12 25 高岭石90 -130 4.4 -7 6 -19 0-0.5 11 -30 2.4 句2.7 1. 83 217.39 36 3 -25 0.33 2.60 9 绿泥石180 - 250 17.4-36 。-8 0-0.3 11 -30 2. 76 6.30 179.86 36 10 -40 0.2 25 3对岩心分析数据及上述7个变量进行单相初等变换以及偏回归平方和计算，以决定变量的取 关性分析，构成相关系数矩阵，如表2。对每次引人舍，这样重复进行，直到对所有变量均检验一遍为 的变量进行一次F检验，对相关系数矩阵进行一次止。 表2粘土矿物与测井参数的单相关性分析结果 粘土矿物 VSh 伊D伊N 蒙脱石0.522773 0.883016 0.707637 伊利石-0.03247 0.078848 -0.20473 高岭石-0.50876 -0.73373 -0.52562 绿泥石-0.27206 -0.59684 -0.36554 4根据单相关性分析结果，采用与粘土矿物 相关性最大的若干变量进行多元回归，建立各类粘 土矿物的计算模型。蒙脱石含量VM、伊利石含量 V1、高岭石含量VK、绿泥石含量Vc的计算公式如 下 VM 59.79181 0. 594432PD -1. 85936PN 伊s伊NI伊D伊sl伊D伊sl伊N 0.846462 -0.58358 -0.09179 0.70085 0.053697 -0.25921 -0.11354 0.331928 -0.727 0.715046 -0.12881 -0.73397 -0 50246 0.283827 0.499559 -0.46162 V1 8.380174 -0.360 19PN O. 859 819PN/PD 25.2224ψsl伊NT O. 8; 3 VK 47.594 -0.459 82VSh 0. 75943Po 3.227896PN -7.353 74Ps 8.228 841PNI伊D 129.0861ψsl伊NT O. 866; 4 Vc 11. 66615 0.426382冉一1.21533ψs 3. 605 829Ps -58. 961 1 PsIψN T 0.9; 2 45.0094PsIψ0-26.3683ψsl伊NT 0. 84. 5 第32卷第2期邢培俊，等利用测井资料确定粘土矿物的方法对比 .55 . 式2-5中的样本数N87。 从回归分析结果可以看出，单因素分析的相关 系数低于多因素分析的相关系数，这是由于粘土含 量与各单因素均有关系，且存在不同的相关关系。 2 阳离子交换能力与含氢指数交会法 2.1 粘土矿物含量计算模型 粘土矿物伊利石和绿泥石的CEC值相似，但绿 泥石的含氢指数IH是伊利石的3倍。另一方面，干 粘土中高岭石的CEC值最低，H值最高，而蒙脱石 的CEC值最高，ι值最低。因此，用粘土的CEC值 及干粘土含氢指数IH交会的方法能够识别粘土类 型见图1。参考表1，高岭石对应最大的含氢指 数IH伊利石一蒙脱石连线对应最小的含氢指数 IH蒙脱石点对应最大的CEC值。绿泥石的CEC 值、IH值与高岭石接近，因而可先将高岭石、绿泥石 放在一起处理。按线性关系，假定粘土矿物含量之 和为100，那么高岭石与绿泥石的总含量为 TT 1H一IH，min KC -IH.max-I 6 CEC CECM 蒙脱石 CECj CECK 高岭石 IH，由IH，mBXIH 圄1识别粘土类型的CEC-IH交会图 根据交会图的解释原理，蒙脱石含量线是一组 平行于I-K连线的平行线，那么根据几何知识可求 出P点的CECp值，其表达式为 CEC, -CECv CECpCECIH-IH.min--J --I\ 7 H,min/ I H.max -IH 蒙脱石含量为 cECp -CEC, M -CECM -CEC, 伊利石含量为 V, 1 -VM -VKC 由于高岭石和绿泥石的密度差异较为明显，因 此可用密度来区分高岭石、绿泥石含量。根据测井 体积模型，可估算粘土矿物的平均密度为 ρb -P认1-ψ-VSh -仰f ρa四 VSh 式中，ψ为总孔隙度，可由三孔隙度曲线得到。 应用前一步估算出的飞，VM和VKC根据经验 公式[11可先估算绿泥石的含量为 “ρave 0. 32VM 0. 1飞-2.61 C -O. 16 然后从VKC中扣除Vc得到VK VKC -Vc。 2.2 阳离子交换能力与含氢指数的计算 1阳离子交换能力CECoHill 1979试验证 明，当地层水含盐量稳定时，CEC与粘土水化水质 量和含盐量之间的关系为 1OOB... CEC ， . _ _0 “ 8 0. 084 8Pt-u. O. 22 Pcl 1 -ψ 其中 R.ρmocl -Pcl ----- wt pmacl-1. 式中，Pt为地层水矿化度，通过地层水分析资料获 取，也可以由自然电位测井资料计算得到[叫，mrnoV cm3 ;Pcl为纯粘土点密度值，g/cm3;ρmncl为干粘土密 度，取固定值2.91g/cm 3 ;Bwt 为粘士点的束缚水含 量。 2粘土含氢指数IHO IHNcl-Bwt 9 式中，Ncl为纯粘土中子值，由试验分析值得到，或取 经验值28。 3粘土点ρcl，Ncl的确定。斯伦贝谢利用中 子、密度及自然伽马能谱来计算粘土点参数，但是过 程非常繁琐，这里提出一种利用粘土含量反求粘土 点的方法。假设粘土点为ψNcl，ψDcl ，根据中子密 度交会图可以得到任一深度点的有效孔隙度及粘土 含量，其表达式为 |伊Dcl伊N-PNclPD 1 伊ND-I伊Dcl伊Ncl1 伊NψDI cl -1ψNclψDcl l 式中，伊ND为任一深度点的有效孔隙度;伊Ncl，PDcI分别 为粘土点的中子、密度孔隙度;VcI为任一深度点粘 土含量。 根据式10和11，可以反求伊Ncl, PDcI ;根据 体积物理模型得到粘土点的密度值ρcl和中子值 凡，然后计算每个深度点上的CEC和IH值，便可确 定出所存在粘土矿物的类型。 、、盲目，，，， nu 咽i /t‘、 、飞，，， 11 EA /tk 3 自然伽马能谱资料回归法 粘土矿物类型不同，其放射性元素铀、牡、饵的 含量也不同。图2为斯伦贝谢粘土矿物分析图版。 根据图2中粘土矿物的自然伽马能谱等放射性测井 .56. 中国石油大学学报自然科学版2008年4月 响应的差异，可以确定出粘土矿物的类型和含量。 28 20 4 。 饵含量wK/ 图2斯伦贝谢粘土矿物分析图板 3.5 2.0 1.5 0.8 0.5 首先将粘土矿物分析资料采用粘土总量与自然 伽马测井相对值曲线进行深度移动对比的方法实现 深度归位，然后结合自然伽马能谱资料进行逐步线 性回归，本文中对某区的具体回归结果为 VM 60.47ωK -11. 076ωTh 19. 78 wTh/ ωK -60.7879, rO. 84; V 1 36. 1141w K 7.71ωTh -6.3482 w Th/ wK 42.89961, r 0. 71; VK 25.901ω 深度 H/m 10.558 wTh/ωK 80.06443, r 0.84; Vc 1. 542842ωK -1. 36421 w Th - 2.87375 wTh/wK 37.82381, r 0.73. 4 方法对比分析 应用上述3种方法对A油田3口井的资料进行 了实际处理，计算中只考虑伊利石、蒙脱石、高岭石、 绿泥石4类矿物，伊蒙混层、绿一蒙混层按照相应的 混层比转化为各类粘土矿物。处理结果表明，利用 三孔隙度方法得到的粘土矿物模型与岩心分析资料 具有更好的相关性。 图3为利用3种方法计算的粘土矿物对比成果 图。其中第五道为模型计算值与岩心分析值对比， 可以看出，利用自然伽马能谱法与利用三孔隙度法 计算得到的各类粘土矿物含量与岩心分析结果吻合 都比较好，三孔隙度法的平均相对误差为13.7, 自然伽马能谱法的平均相对误差为15.1。因此， 这两种方法都可以简单有效地确定粘土矿物的含 量，但是三孔隙度方法在缺少自然伽马能谱资料的 情况下仍然可以使用。 圄33种粘土矿物计算方法对比成果图 此外，从图中还可以看出，利用CEC与IH交会总之，通过对比分析可以看出，利用自然伽马能 方法处理结果比较差，而且由于在处理时将高岭石谱资料进行多元回归的方法相对简单、可靠，但没有 与绿泥石看作一个点来处理，所以只能求出两种矿自然伽马能谱测井资料时将无法使用。利用CEι 物含量之和，无法确定各自的相对含量。最近有人IH交会法来确定粘土类型，虽然在理论上较为可 引人光电吸收截面尺来确定两者的相对含量是一行，但是由于高岭石和绿泥石的响应特性相似，无法 种较好的方法。把两者区分开，而且实际处理时粘土点ρcI，NcI的 第32卷第2期开F培俊，等利用测井资料确定粘土矿物的方法对比 .57 . 计算十分困难。利用伽马、中子、密度、声波组合参/ 数进行多元回归的方法，不仅脱离了对自然伽马能 谱的依赖，而且具有较好的应用效果，它弥补了元能 谱测井资料的缺陷。 5结论 1在缺少自然伽马能谱资料的情况下，可利 用伽马、中子、密度、声波测井资料通过多元回归计 算粘土矿物含量。 2应用三孔隙度方法计算粘土矿物含量的精 度高于自然伽马能谱分析的结果;利用CEC-IH交会 分析的结果精度最低。 3相对于CEC-IH交会分析和自然伽马能谱 分析，三孔隙度方法简单、可靠，且适用范围较广。 参考文献 [ 1 J 钱峙，李淳，李跃，等.济阳拗陷深层砂岩储层成岩作 用及其阶段划分[J].石油大学学报自然科学版， 1996,202 6-11. 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