X荧光录井技术的简介

X射线荧光录井简称XRF（X Radial Fluorescence）录井，X射线荧光分析方法在地质矿产资源的勘探中已经有了近50年的应用历史，我国地质录井学者2007年将X射线荧光分析技术引进到石油钻井地质录井中，建立了石油钻井岩屑X射线荧光录井技术流程，为录井岩性识别技术的突破奠定了基础。X射线荧光分析技术的发展受到了中石化部领导和有关部门的关注，于2008年初，正式委托华北石油局开展了《X射线荧光随钻录井技术研究》课题研究，该项技术在鄂尔多斯、塔里木、二连、渤海湾盆地的应用中取得了很好的效果，有效地解决了PDC钻头、气体钻井等钻井条件下的录井技术瓶颈问题，并且随着研究的深入，其在储层物性评价、沉积相研究等诸多方面的作用也初步展露。

1、分析原理

XRF录井技术是建立在两项成熟理论基础上的一项新技术，其理论基础一个是X射线荧光分析理论，另一个是岩石地球化学理论。

                                  图1 X射线录井谱图

   1.1X射线荧光分析原理：XRF分析是由X射线管发出的一次X射线，当施加给X射线管的电压达到某一高度值，X射线管发射的一次X射线的能量足以激发样品所含元素原子的内层电子，被逐出的电子为光电子，同时轨道上形成空穴，原子处于不稳定状态。此时，外层高能级的电子自发向内层跃迁填补空位，使原子恢复到稳定的低能态，同时辐射出具有该元素特征的二次X射线，也就是特征荧光X射线。

XRF录井根据荧光X射线的波长（能量）和强度对被测样品中元素进行定性和定量分析, 它以计数率即荧光强度为纵坐标，以脉冲幅度即通道号，或X光子能量为横坐标，得到能量色散型仪器的荧光光谱图（图1）。

1.2岩石地球化学理论：地球化学原理包括元素在地球中赋存特征和迁移规律等诸多方面，地壳元素丰度研究说明，虽然地壳元素有90多种，但元素的相对平均含量极不均匀，若按克拉克值递减的顺序排列各种元素，则前两种分布广的元素（O（47%），Si）的质量占地壳质量的76.5%，前10种元素（O,Si，Al，Fe，Ca，Na，K，Mg，Ti，Mn）的质量占99.58%，其余元素的质量不过地壳质量的0.5%。

从组成三大岩性的主要矿物类型，进而统计其主要元素种类列表可以看出，Si、Fe、Ca、K、Al、Mg是组成三大岩性常规矿物的主要元素如下表（表1）。

表1  组成三大岩性的主要矿物及所含元素列表
矿物类别	分子式	主要元素	火成岩	沉积岩	变质岩
石英	SiO2	Si、O
长石	(K,Na,Ca)AlSi3O8	K、Na、Ca、Al、Si、O
云母	K(Mg,Fe,Al)3[AlSi3O8][OH]2	K、Mg、Fe、Al、Si、O、H		○
角闪石	(Ca,Na)2-3(Mg,Fe,Al)5[(Si,Al)Si3O11]2[OH]2	Ca、Na、Mg、Fe、Al、Si、O、H
辉石	Ca(Mg,Fe,Al)[(Si,Al)2O6]	Ca、Mg、Fe、Al、Si、O
橄榄石	(Mg,Fe)2[SiO4]	Mg、Fe、Si、O
高岭石	Al4[Si4O10][OH]8	Al、Si、O、H
蒙脱石	(Na,Ca)(H2O)4｛(Al2-x,Mgx)2［(Si,Al)4O10］(OH)2｝	Na、Ca、Al、Mg、Si、O、H
伊利石	K0.75(Al1.75,Mg,Fe)[Si3.5Al0.5O10](OH)2	K、Al、Mg、Fe、Si、O、H
海绿石	(K,Na,Ca)1.2-2(Fe,Al,Mg)4[Si7-7.6Al0.4-1O20][OH]4	K、Na、Ca、Fe、Al、Mg、Si、O、H
绿泥石	(Mg,Fe,Al)3[(Al,Si)4O10][OH]2(Mg,Fe,Al)2[OH]6	Mg、Fe、Al、Si、O、H		○
方解石	CaCO3	Ca、C、O
白云石	CaMg[CO3]2	Ca、Mg、C、O

从上表可以看出不同沉积类型所关注的元素种类不同，在砂泥岩剖面中，主要关注Si、Al、Ca等元素，Si元素反映了砂岩储层的岩石类型，Al元素反映了泥质含量，Ca元素反映了砂岩储层的碳酸盐胶结程度。只有3种元素都准确可靠，才能在储层评价中发挥作用。

在碳酸盐岩剖面中，主要关注Ca、Mg、Si等元素，Ca元素反映了灰质含量和灰岩纯度，Mg元素反映了白云质含量和白云岩纯度，Si元素反映了陆源碎屑物含量。只有3种元素都准确可靠，才能在岩性识别和储层评价中发挥作用。

在火成岩剖面中，主要关注Si、Fe、Ti、Na、K、Ca、Mg等元素，这些元素在火成岩的识别、岩石化学计算和岩石类型图版分析中都起着至关重要的作用。

2、应用领域

目前已经研究证实应用有效的领域包括岩性识别、沉积相分析、物性评价等

2.1岩性识别：在砂泥岩剖面中利用Si、Al比值的大小和变化特征来识别砂岩和泥岩，碳酸盐岩剖面中利用Si、Al、Ca、Mg等元素的含量来识别白云岩、石灰岩、砂岩和泥岩，在火成岩剖面利用Ba、Al、Fe的含量来识别火成岩和砂泥岩。

2.2沉积相分析：Mn/Ti和Mn/Al比值是沉积速率的良好指示剂，Al和Ti是陆源的代表性元素，而Mn则是典型的大洋型沉积元素，在沉积作用过程中，沉积物与介质之间存在着复杂的地球化学平衡，不同元素在不同环境中的含量和比值就会存在差异。下面是常用的几种环境判别的元素比值地球化学标志。

地球化学家把(K2O+Na20+CaO)／Al203作为指示化学风化作用强度的一个地球化学指标，比值越小，风化作用越强烈。

Rb/K比值：研究表明，海相沉积物的Rb/K比值往往大于0.05，半咸水沉积物介于0.03至0.05之间，淡水沉积物则往往小于0.03。

B/Ga比值：海相沉积物的B/Ga比值大于4，而淡水沉积物的则小于3，半咸水沉积物的介于二者之间。

Sr/Ba比值：Sr/Ba比值与盐度呈正相关关系，据统计，比值大于1者多为海相沉积，小于1者多为陆相沉积。

此外，Cr、Cu、Ni、V等元素的含量，在海陆环境中也有明显差异，一般情况下，海相沉积物比陆相沉积物高三分至一倍。

2.3物性评价：XRF分析获得的是岩石元素信息，这种分析结果不可能反映颗粒排列方式信息，但假定某地层在形成时沉积物源一致、水体化学性质不变、埋深相当，成岩后生变化过程一样，那么影响孔隙度的主要因素只有颗粒和填隙物（包括胶结物）的含量，而元素分析数据恰恰反映了岩石成分的变化。因此元素分析数据为孔隙度的定量计算提供了理论依据。

沉积学研究也表明，在碎屑岩的形成过程中，“成分成熟度”和“结构成熟度”并存，两者具有正相关关系。所以， “成分成熟度”在一定程度上反映“结构成熟度”，也就是说碎屑岩的元素地球化学特征及演化可反映其结构特征及变化，进一步可以反映其孔隙度大小的变化。

华北油田通过地区某层位大量的岩心实验室分析实验，采用多元回归分方式计算碎屑岩孔隙度。采用公式为：

XPOR=a+bX1+cX2+dX3+eX4……

式中：X1、X2、X3……为与孔隙度相关的元素分析值（脉冲计数或%），a、b、、c、d……为经验系数，XPOR为根据X射线荧光分析元素值多元回归计算的陆源碎屑岩孔隙度。

3、X射线荧光分析技术的局限性

任何分析方法都有其优势，同时也有其技术的局限性。X射线荧光分析技术对于钻井现场的岩石分析，其技术的局限性主要表现在下列几个方面：

1、轻元素由于外层电子结构松弛，荧光产额较低，俄歇现象较为严重。一般当Z＜30时，俄歇电子发射占了优势。较低的荧光产额也严重影响了轻元素分析的灵敏度，对原子序数小于10的轻元素影响尤其大。

2、产生荧光X射线的基本条件是激发电压必须达到该元素某线系所需的临界激发电势，元素的原子序数越大，所需的激发电压越高，因此，元素分析范围和精度受仪器的激发电压的限制。若激发电压小，重元素难以分析；若激发电压大，轻元素就难以分析；若采取变压分析，耗时间太长。

3、基体效应是X射线荧光分析中普遍存在的问题，是元素分析的主要误差来源。石油钻井中，三大成因岩类肯定都能遇到，同一成因岩类其岩石类型也是千差万别，因此基体效应也是随研究区和研究层位不同而表现出极大差异，因此，如何消除或校正基体效应，始终是X射线荧光分析领域中的重要研究课题。

4、元素分析精度受靶材影响，有些靶材适用于轻元素分析。

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