页岩气储层化学元素测井响应机理和实验研究

The exploration and exploitation of shale gas is bound to improve China's energy structure and relieves the pressure on energy demand. It's necessary to deepen the basic theoretical research of shale gas and strength independent innovation in exploration and exploitauon. Shale gas reservoirs have complex and various organic and inorganic minerals, pore structure and gas distribution, strong heterogeneity and anisotropy, and low porosity and permeability, which determines the unique position of chemical element logging in the interpretation and evaluation for shale gas reservoirs. Based on the spectrum responses of chemical element logging to the components and contents in shale gas reservoirs, the project quantitatively analyzes the relative contents of the elements from the measured spectrums, then establishes the mathematical conversion relationship between the relative contents of the elements and their weight contents and the conversion relationship between the weight contents and organic or inorganic component contents based on s series of core analysis data. Finally,on these basis, the project establishes some logging interpretation models of geological parameters in shale gas reservoirs. The innovation point is to improve the response and solving capability of the chemical element logging to organic components and more stratigraphic elements in shale gas reservoirs. The research will lay the theoretical foundation for well logging in effectively evaluating shale gas reservoirs and completion conditions and promote the forming and development of the basic logging theory used for shale gas reservoirs in China.

页岩气的勘探和开发必将改善中国能源结构、缓解能源需求压力。深化页岩气基础理论研究，加大勘探开发的自主创新力度刻不容缓。由于页岩具有机组分和无机矿物组成复杂多变，孔隙结构复杂，气体的分布特征复杂，非均质性和各向异性较强，孔隙度和渗透率较低等特点，这就决定了化学元素测井在页岩气藏测井解释和评价中的独特地位。本课题以页岩气储层中各组分及含量的化学元素测井能谱响应机理研究为基础，从测量能谱中定量解析得到元素相对含量，以一系列的岩心分析实验数据为依据，建立页岩气储层元素相对含量与重量百分含量的转换关系、元素重量百分含量与页岩中各有机组分含量、各无机组分含量之间数学转换关系。创新点是提高化学元素测井的有机组分解决能力和更多地层元素的反应能力。本课题研究将为测井评价有效页岩气储层和完井条件奠定理论基础，促进国内页岩气储层测井基础理论的形成和发展。

由于页岩具有机组分和无机矿物组成复杂多变，孔隙结构复杂，气体的分布特征复杂，非均质性和各向异性较强等特点，这决定了可控源地球元素测井在页岩气储层测井解释和评价中的独特地位。本课题从页岩气储层中各组分及含量的地球元素测井能谱响应机理出发，利用数值模拟和实验相结合方法，深入研究了井眼介质性质和地层性质对获取元素标准谱的影响，以及仪器材料和参数对能谱谱的影响规律；在优化的井眼和地层条件下，得到了溴化镧晶体可控中子源元素仪器的Al、Cl、Fe、Mg、S、Si、Ti、H、Cu、Gd、Mn、Na、Ni、K、Ba等16 种元素标准俘获谱，Al、C、Ca、Fe、Mg、O、S、Si和Ba等9种元素的标准非弹谱；通过构建不同矿物类型的地层，计算获得了可控中子源地球元素测井仪器的元素俘获灵敏度因子和非弹灵敏度因子，其结果与国外同行的灵敏度因子基本相同；通过模型井刻度、数值理论计算和现场测井资料的数据反演分别得到了氧化物闭合模型中的氧化物因子，并通过校正，使得计算的元素氧化物因子与国外同行的结果更为接近；采用架桥法实现了非弹谱和俘获谱的联合解谱，从而得到了非弹谱元素的干重；建立元素含量与矿物重量百分含量之间的数学转换关系，利用多维搜索的BFGS变尺度法与一维搜索的抛物线插值法相结合的最优化算法求解得到矿物重量百分含量；在分析测井资料及岩心资料的基础上，建立多组分测井响应方程组即矿物体积含量的最优化目标函数和约束条件，应用最优化算法求解得到矿物体积含量。本课题为实际仪器正确获取元素标准谱提供理论依据，为国产仪器的实用性以及页岩气储层元素含量、有机组分和无机组份含量的求取提供了基础。