四川盆地焦石壩地區(qū)龍馬溪組泥頁(yè)巖儲(chǔ)層測(cè)井識(shí)別

嚴(yán)偉 王建波 劉帥 王昆 周依南

中國(guó)石化勘探南方分公司勘探研究院

頁(yè)巖氣是以多種相態(tài)存在并富集于泥頁(yè)巖中的天然氣，巖性多為瀝青質(zhì)或富含有機(jī)質(zhì)的暗黑色泥頁(yè)巖和高碳泥頁(yè)巖，其間或有夾層狀發(fā)育的粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖等［1－4］。頁(yè)巖氣部分天然氣主體上以游離相態(tài)存在于裂縫、孔隙及其他儲(chǔ)集空間，部分以吸附狀態(tài)存在于干酪根、黏土顆粒及孔隙表面，極少量以溶解狀態(tài)儲(chǔ)存于干酪根、夾層狀的粉砂巖等［5］。頁(yè)巖氣的賦存方式使得儲(chǔ)層含氣的測(cè)井響應(yīng)特征面臨新探索。頁(yè)巖氣藏與常規(guī)氣藏相比，具有弱敏感地球物理參數(shù)特征，這就大大增加了地球物理測(cè)井技術(shù)識(shí)別頁(yè)巖氣的難度［6－7］。

吳慶紅等認(rèn)為頁(yè)巖儲(chǔ)層具有“四高二低”特征，并且利用自然伽馬、電阻率、中子孔隙度、聲波時(shí)差和感應(yīng)測(cè)井組合方法識(shí)別頁(yè)巖氣儲(chǔ)層［8］。Lewis等利用自然伽馬、電阻率、密度和巖性密度測(cè)井組合方法找出了含氣頁(yè)巖的典型測(cè)井曲線［9］。Cluff等利用自然伽馬能譜測(cè)井識(shí)別了阿科馬（Arkoma）盆地伍德福德（Woodford）地層的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層［10］。Bowman等研究了密西西比沃斯堡（Fort Worth）盆地巴尼特（Barnett）組的頁(yè)巖層，認(rèn)為聲波與電阻率交會(huì)能夠區(qū)分巖性［11］。充分認(rèn)識(shí)泥頁(yè)巖的測(cè)井響應(yīng)特征，才能有效地識(shí)別泥頁(yè)巖儲(chǔ)層，進(jìn)而對(duì)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層參數(shù)計(jì)算進(jìn)行研究。本文在調(diào)研國(guó)內(nèi)外測(cè)井評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣的基礎(chǔ)上，分析實(shí)際頁(yè)巖氣井資料，總結(jié)涪陵焦石壩海相泥頁(yè)巖地層測(cè)井響應(yīng)特征，探索適合該區(qū)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層識(shí)別的方法，從而更好地進(jìn)行測(cè)井參數(shù)評(píng)價(jià)。

1 泥頁(yè)巖測(cè)井響應(yīng)特征

焦石壩位于重慶市涪陵區(qū)，構(gòu)造位置處于川東高陡褶皺帶包鸞—焦石壩背斜帶，下志留統(tǒng)龍馬溪組是四川盆地及周緣下古生界海相頁(yè)巖氣主要目的層。焦石壩海相頁(yè)巖氣探井JY1井、JY2HF、JY3HF和JY4HF井儲(chǔ)層埋深介于2 300～2 595m，實(shí)驗(yàn)分析JY1井泥頁(yè)巖主要有灰黑色泥巖、黑色碳質(zhì)泥巖、灰黑色碳質(zhì)泥巖、灰黑色粉砂質(zhì)泥巖、灰黑色頁(yè)巖和黑色碳質(zhì)頁(yè)巖6類?？紫抖戎到橛?.17%～7.22%，平均為4.52%，滲透率值介于0.001 6～335.209mD，平均為28.309mD。有機(jī) 碳含量 （TOC）介 于 0.55% ～5.89%，平均為2.54%。總含氣量介于1.18～5.75 m3／t，平均為 3.14m3／t。鏡質(zhì)體反射率（Ro）大于2%。脆性礦物含量介于33.9%～80.3%，平均為56.5%，礦物組分以石英為主，平均占37.3%。

1.1 自然伽馬曲線測(cè)井響應(yīng)特征

自然伽馬測(cè)井反映了巖石所放射出自然伽馬射線的總強(qiáng)度。泥頁(yè)巖地層中黏土對(duì)放射線物性的貢獻(xiàn)很大，各種黏土礦物對(duì)放射線物質(zhì)的貢獻(xiàn)不同。蒙脫石本身不含放射線物質(zhì)，但其陽(yáng)離子交換能力較強(qiáng)，表面積較大，對(duì)放射線物質(zhì)吸收能力強(qiáng)，含有較多的氧化鈾，對(duì)黏土的放射線貢獻(xiàn)最大；伊利石本身含鉀，具有放射性，對(duì)氧化鈾有一定的吸附能力；綠泥石本身無(wú)放射性，其陽(yáng)離子交換能力差，缺乏放射性附著物。JY1井五峰—龍馬溪組一段主要含氣泥頁(yè)巖段（井深2 330.46～2 414.88m）87個(gè)樣品的全巖 X射線衍射顯示黏土礦物含量自上而下有降低的特點(diǎn)，如圖1（左圖），黏土含量介于16.6%～62.8%，平均為40.9%。黏土礦物X射線衍射顯示黏土礦物主要為伊蒙混層，含量介于25.0%～85.0%，平均為54.5%，其次為伊利石，含量介于12.0%～68.0%，平均為39.5%，含少量綠泥石，含量介于1.0%～20.0%，平均為6.0%，如圖1（右圖）所示。圖2為JY1、JY2HF、JY3HF、JY4HF井五峰—龍馬溪組一段泥頁(yè)巖自然伽馬對(duì)比圖，圖中曲線形態(tài)基本一致，從上到下測(cè)井值有逐漸增大趨勢(shì)，這說(shuō)明JY2HF、JY3HF和JY4HF井的黏土礦物組分和含量與JY1井具有極大的相似性。

1.2 自然伽馬能譜測(cè)井曲線響應(yīng)特征

自然伽馬能譜測(cè)井反映了地層巖石中鈾、釷、鉀含量以及產(chǎn)生的伽馬射線總和。自然伽馬能譜測(cè)井能夠提供更加詳細(xì)的伽馬射線信息。如圖3所示，上部黏土巖中鉀和釷的含量高，鈾的含量低（相對(duì)鉀和釷），下部黏土巖中有機(jī)質(zhì)含量增高時(shí)，黏土顆粒對(duì)鈾離子的吸附力增強(qiáng)，黏土的鈾含量明顯升高。4口井的鈾、釷、鉀曲線形態(tài)基本一致，整體上從上到下鈾含量逐漸增大，釷含量和鉀含量逐漸降低。

1.3 電阻率測(cè)井曲線響應(yīng)特征

電阻率測(cè)井曲線的變化是多種因素綜合的結(jié)果，它反映了巖石的礦物成分、熱液蝕變、孔洞和裂縫發(fā)育程度、流體性質(zhì)以及含油氣多少的變化。由于泥頁(yè)巖礦物組分復(fù)雜，當(dāng)?shù)V物組分含量和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，電阻率測(cè)井曲線也會(huì)發(fā)生改變。孔隙內(nèi)的流體性質(zhì)對(duì)電阻率測(cè)井也有較大影響，當(dāng)發(fā)育的網(wǎng)狀裂縫被鉆井濾液充滿時(shí)，電阻率測(cè)井值也會(huì)降低；此外，長(zhǎng)石風(fēng)化為高嶺石、黑云母飾變?yōu)榫G泥石，也可降低巖石的電阻率。有機(jī)質(zhì)成熟度對(duì)電阻率大小也有影響，如圖4所示，電阻率測(cè)井曲線形態(tài)基本一致，泥頁(yè)巖段電阻率整體偏小，上部泥頁(yè)巖電阻率低于下部泥頁(yè)巖電阻率，與下部有機(jī)質(zhì)含量增加有關(guān)。

1.4 三孔隙度測(cè)井曲線響應(yīng)特征

1.4.1 聲波測(cè)井曲線響應(yīng)特征

圖1 全巖礦物含量分析圖

圖2 泥頁(yè)巖自然伽馬測(cè)井曲線圖

聲波測(cè)井曲線受巖石的礦物成分、巖石致密程度、巖石結(jié)構(gòu)以及孔隙流體性質(zhì)等因素影響而表現(xiàn)為不同特征。如圖5為三孔隙度測(cè)井曲線圖，圖中聲波曲線形態(tài)相似，從上到下聲波時(shí)差有增大趨勢(shì)，有機(jī)質(zhì)含量的增加會(huì)增大儲(chǔ)層的孔隙度，從而引起聲波時(shí)差值升高。

圖3 泥頁(yè)巖自然伽馬能譜測(cè)井曲線圖

1.4.2 中子測(cè)井曲線響應(yīng)特征

中子測(cè)井受地層巖性、流體性質(zhì)影響較大，并隨著孔隙、裂隙中流體含量的變化而發(fā)生變化。當(dāng)巖石發(fā)生蝕變時(shí)，次生的綠泥石、絹云母等礦物含有大量的結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水，常表現(xiàn)出高的中子孔隙度。如圖5，中子曲線形態(tài)相似，從上到下中子測(cè)井值有減小趨勢(shì)。

圖4 泥頁(yè)巖電阻率測(cè)井曲線圖

圖5 泥頁(yè)巖三孔隙度測(cè)井曲線圖

1.4.3 密度測(cè)井曲線響應(yīng)特征

密度測(cè)井受組成巖石的礦物成分、孔隙、裂隙、井眼和泥餅的影響。有機(jī)質(zhì)密度較低，當(dāng)泥頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)含量增加時(shí)會(huì)引起密度降低（如圖5），密度曲線形態(tài)相似，從上到下密度測(cè)井值呈減小趨勢(shì)。

1.5 PE測(cè)井曲線響應(yīng)特征

巖性—密度測(cè)井能得到巖石光電吸收截面指數(shù)（PE），PE區(qū)分巖性的能力較強(qiáng)。不同礦物的PE值差別較大，流體的PE值很小，巖石光電吸收截面指數(shù)受巖石中流體性質(zhì)和含量的影響很小。因此PE值主要取決于巖石的礦物成分和含量。如圖6所示，PE曲線形態(tài)相似，從上部到下部PE值呈逐漸減小的趨勢(shì)。JY1井全巖X射線衍射分析表明，從五峰—龍馬溪組一段頂部到底部石英含量是逐漸增大的，且石英含量在整個(gè)實(shí)驗(yàn)分析層段（2 330.46～2 414.88m）占的比重大，含量最高達(dá)70.6%，而石英的PE值較低，這會(huì)降低測(cè)井的PE值。

圖6 泥頁(yè)巖PE測(cè)井曲線圖

1.6 ECS測(cè)井曲線響應(yīng)特征

ECS測(cè)井響應(yīng)主要是組成巖石礦物的各種元素百分含量的總體反映，實(shí)際應(yīng)用中主要提供Si、Al、Ca、Fe、Gd、S和Ti等地層元素［12］。其中，Si可指示石英，Ca與方解石和白云石密切相關(guān)，Al與Si可指示長(zhǎng)石，S和Ca可以作為石膏的指示元素，F(xiàn)e與黃鐵礦和赤鐵礦等相關(guān)，Al與黏土含量相關(guān)。圖7為泥頁(yè)巖ECS測(cè)井曲線圖，左起第一道到第八道分別為硅（Si）、深度、鋁（Al）、鈣（Ca）、鐵（Fe）、釓（Gd）、硫（S）、鈦（Ti）。整體上從上到下硅元素含量逐漸增加，鋁元素和鐵元素含量逐漸降低，這與全巖分析礦物含量有較好對(duì)應(yīng)性，鈣元素、釓元素和鈦元素含量整體無(wú)明顯變化規(guī)律，局部硫元素含量接近零。

2 測(cè)井技術(shù)識(shí)別泥頁(yè)巖儲(chǔ)層

2.1 測(cè)井曲線疊合法

常規(guī)測(cè)井組合可以用來(lái)劃分泥頁(yè)巖巖性，根據(jù)前文對(duì)測(cè)井響應(yīng)特征的分析，選取對(duì)泥頁(yè)巖敏感曲線自然伽馬、密度、中子來(lái)識(shí)別泥頁(yè)巖，劃分富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層段。

圖7 泥頁(yè)巖ECS測(cè)井曲線圖

自然伽馬曲線指示地層的泥質(zhì)含量，能較好地區(qū)分砂巖、泥巖和石灰?guī)r，因此可考慮將自然伽馬曲線定為基線，利用對(duì)泥頁(yè)巖較為敏感的密度和中子曲線與之疊合，選取灰黑色泥巖為基準(zhǔn)巖性。如圖8所示，以井深2 509.63～2 512.25m深灰色粉砂巖下部泥巖為基準(zhǔn)巖性，調(diào)整曲線刻度，使疊合的曲線在此重合。第一道和第二道分別為自然伽馬—密度，自然伽馬—中子曲線疊合道，上部粉砂巖段和下部石灰?guī)r段，兩條曲線間隔幅度相對(duì)較大，且密度和中子曲線偏向基準(zhǔn)線的右邊，稱為“負(fù)差異”，在井深2 512.25～2 595.7m段，上部曲線基本重合，下部曲線間隔幅度大，且密度和中子曲線偏向基準(zhǔn)線的左邊，稱為“正差異”。將上部曲線重合段定義為非富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖段，下部曲線呈“正差異”層段定義為富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖段。自然伽馬—密度曲線疊合識(shí)別富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層段為井深2 536.0～2 595.7m，厚度59.7m，自然伽馬—中子曲線疊合識(shí)別富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層段為井深2 538.7～2 595.7m，厚度57.0m。左起第五道為實(shí)測(cè)總含氣量，第六道為分析有機(jī)碳含量，第七道為錄井全烴值，識(shí)別的富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層段對(duì)應(yīng)的含氣量、有機(jī)碳含量和全烴值都較高，且整體上“正差異”大的泥頁(yè)巖層段對(duì)應(yīng)的三者值也較高。

圖8 JY4井泥頁(yè)巖儲(chǔ)層測(cè)井識(shí)別圖

2.2 交會(huì)圖法

選取敏感曲線自然伽馬、三孔隙度曲線進(jìn)行交會(huì)分析。干酪根密度較低，當(dāng)泥頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)含量增加時(shí)密度會(huì)降低，有機(jī)質(zhì)增加時(shí)會(huì)引起儲(chǔ)層孔隙度增大，孔隙度增大會(huì)引起密度降低。如圖9為實(shí)驗(yàn)分析有機(jī)碳含量與測(cè)井密度值交會(huì)圖，圖9中222個(gè)樣點(diǎn)為JY1和JY2HF井實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，圖中紅線代表密度值為2.61g／cm3，紅線左邊的數(shù)據(jù)點(diǎn)有機(jī)碳含量全部大于1%，除了個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)外，其余的數(shù)據(jù)點(diǎn)有機(jī)碳含量全部大于等于2%，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)有機(jī)碳含量大于等于3%，還有部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)有機(jī)碳含量大于等于4%，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，紅線左邊的數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頁(yè)巖氣層為高—特高頁(yè)巖氣層；紅線右邊數(shù)據(jù)點(diǎn)有機(jī)碳含量基本在全部小于3%，大部分在2%以下，有些小于1%。圖9中數(shù)據(jù)點(diǎn)有機(jī)碳對(duì)應(yīng)的密度值基本小于2.70g／cm3。因此可將密度值為2.61g／cm3作為富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層段劃分的標(biāo)準(zhǔn)，密度值為2.70g／cm3作為泥頁(yè)巖層段劃分的標(biāo)準(zhǔn)。在前面曲線疊合對(duì)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層定性—半定量識(shí)別的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行定量識(shí)別。圖8左起第三道泥頁(yè)巖層段密度測(cè)井值小于2.61g／cm3的富有機(jī)質(zhì)值段在井深2 539.6～2 595.7m，厚度為56.1m，非富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖段在井深2 512.25～2 539.6m，密度測(cè)井值在2.61～2.70 g／cm3之間。密度測(cè)井值劃分的富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖段與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)含氣量、實(shí)驗(yàn)分析有機(jī)碳含量和錄井氣測(cè)值也有較好的對(duì)應(yīng)性。從左起第三道可以看出在井深2 512.25～2 595.7m層段的上部有密度測(cè)井值小于2.61g／cm3的井段，下部有密度測(cè)井值小于2.70g／cm3的井段，這表明單獨(dú)依靠密度測(cè)井曲線還不能夠識(shí)別泥頁(yè)巖和富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，必須結(jié)合其他的識(shí)別方法。

圖9 實(shí)驗(yàn)分析有機(jī)碳含量與測(cè)井密度值交會(huì)圖

圖8左起第八道為錄井巖性，錄井資料顯示井段2 482.5～2 486.0m 和2 492.48～2 501.92m 為深灰色泥質(zhì)粉砂巖，井深2 509.63～2 512.25m為深灰色粉砂巖；井深2 512.25～2 595.78m 為泥頁(yè)巖，巖性主要為灰黑色泥巖、灰黑色含粉砂泥巖、灰黑色碳質(zhì)泥巖、局部含少量深灰色泥云巖；井深2 595.78～2 610.50 m為石灰?guī)r，包含灰色含云灰?guī)r、灰色瘤狀灰?guī)r。測(cè)井識(shí)別時(shí)分為粉砂巖、泥頁(yè)巖和石灰?guī)r3大類，提取3種巖性對(duì)應(yīng)的測(cè)井值做交會(huì)分析，判斷識(shí)別效果。

圖10（a）和圖10（b）分別為自然伽馬—中子和自然伽馬—密度交會(huì)圖。從圖中可看出自然伽馬能較好將泥頁(yè)巖與粉砂巖和石灰?guī)r分開(kāi)，泥頁(yè)巖自然伽馬測(cè)井值較高，整體大于150API，粉砂巖的自然伽馬值高于石灰?guī)r自然伽馬值，整體上泥頁(yè)巖中子值較石灰?guī)r和粉砂巖高，密度值較石灰?guī)r和粉砂巖低，但都不能較好地將泥頁(yè)巖分開(kāi)；在泥頁(yè)巖識(shí)別的基礎(chǔ)上進(jìn)一步識(shí)別非富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖和富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖。根據(jù)JY4HF井實(shí)驗(yàn)分析的19個(gè)有機(jī)碳含量樣品值大小劃分非富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖和富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，將分析有機(jī)碳含量大于1的層段劃為富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖段，該層段井深介于2 540.34～2 595.7m，厚度為55.36m；井深2 512.25～2 540.34m為非富有機(jī)質(zhì)層段。如圖10（c）和圖10（d）分別為泥頁(yè)巖層段自然伽馬—中子和自然伽馬—密度交會(huì)圖，可以看出密度測(cè)井值區(qū)分非富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖和富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的效果較好，中子測(cè)井值劃分的效果次之，自然伽馬測(cè)井值難以區(qū)分二者。

3 結(jié)論

1）焦石壩海相泥頁(yè)巖儲(chǔ)層穩(wěn)定，測(cè)井響應(yīng)特征明顯，常規(guī)測(cè)井曲線具有高伽馬、相對(duì)高電阻、高聲波、高鈾，低中子、低密度、低光電吸收截面指數(shù)、低釷、低鉀的“四高五低”特征，非常規(guī)元素測(cè)井資料上表現(xiàn)為硅含量增加，鋁含量和鐵含量降低特征。

2）自然伽馬測(cè)井曲線與密度（或中子）測(cè)井曲線疊合能較好識(shí)別泥頁(yè)巖儲(chǔ)層，有效區(qū)分富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖和非富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖。密度測(cè)井曲線對(duì)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層較為敏感，在定性—半定量識(shí)別的基礎(chǔ)上，密度測(cè)井值能較好識(shí)別富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層，富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖密度測(cè)井值小于2.61g／cm3，非富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖則介于2.61～2.70g／cm3。

圖10 JY4HF井泥頁(yè)巖識(shí)別交會(huì)圖

3）該成果可為該區(qū)頁(yè)巖氣測(cè)井參數(shù)計(jì)算提供依據(jù)。

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