焦石壩地區(qū)富有機(jī)質(zhì)頁巖與測井參數(shù)的響應(yīng)關(guān)系研究

王丹陽，王太玉

中石化東北油氣分公司，吉林 長春 130062

0 引言

焦石壩位于四川盆地東南部涪陵區(qū)塊中部，地處重慶市涪陵區(qū)東部。該區(qū)是中國第一個(gè)頁巖氣勘探區(qū)，也是最成功的一個(gè)地區(qū)。本文選擇測試資料最為齊全的焦頁1井為研究對象，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的基本原理，對焦頁1井的測井及地化測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究頁巖氣賦存特征，加深對該區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層孔隙類型、裂縫構(gòu)成及形成機(jī)制的理解，并對有機(jī)碳含量、孔隙度、脆性礦物含量及含氣量的地球物理參數(shù)進(jìn)行定性和定量的分析，了解頁巖氣的地球物理響應(yīng)特征，對該區(qū)的頁巖氣儲(chǔ)層參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以便更好地開展對該區(qū)頁巖氣資源量的評(píng)價(jià)。

1 焦石壩地質(zhì)特征概況

焦石壩地區(qū)構(gòu)造上為川東—鄂西渝東—湘鄂西斷皺構(gòu)造帶。該地區(qū)發(fā)育晚震旦世至三疊紀(jì)地層，除中晚志留世到石炭世外，各時(shí)代地層發(fā)育齊全。從震旦紀(jì)到早侏羅世發(fā)育了廣泛的海相沉積和陸相碎屑沉積，分布面積大，累計(jì)最大厚度超過10 km，形成了下震旦統(tǒng)（陡山沱組）、下寒武統(tǒng)（筇竹寺組或水井沱組）、上奧陶統(tǒng)（五峰組）—下志留統(tǒng)（龍馬溪組）、下二疊統(tǒng)（棲霞組）、上二疊統(tǒng)（龍?zhí)督M和大隆組）、下侏羅統(tǒng)6套以黑色頁巖為主體特點(diǎn)的富有機(jī)質(zhì)頁巖層系。其中，下古生界的下寒武統(tǒng)、上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)海相頁巖主要處于還原—強(qiáng)還原性的深水陸棚環(huán)境，分布廣、厚度大、有機(jī)質(zhì)豐富，是中上揚(yáng)子地區(qū)頁巖氣發(fā)育的有利層位[1]。

2 頁巖的地層特征

焦石壩從震旦紀(jì)—中三疊世沉積的巨厚的海相地層中發(fā)育了五套以黑色頁巖為主的烴源巖層系，為上震旦統(tǒng)、下寒武統(tǒng)牛蹄塘組、上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組、下石炭統(tǒng)、上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M和大隆組，尤其是龍馬溪組和五峰組具有面積大、厚度廣、有機(jī)質(zhì)豐富、高成熟度的特點(diǎn)，與美國東部地區(qū)盆地頁巖氣的形成條件較為相似，頁巖氣的資源潛力巨大。

（1）龍馬溪組：志留系龍馬溪組上部（厚11.47 m）發(fā)育一套灰黑色泥巖；中部（厚8.3 m）發(fā)育黑色碳質(zhì)泥巖，局部含少量灰黑色粉砂質(zhì)泥巖；下部（厚57.77 m）為灰黑色灰質(zhì)泥巖與灰黑色粉砂質(zhì)泥巖互層，與下伏五峰組地層呈整合接觸關(guān)系，為淺水—深水陸棚相沉積。（2）五峰組（厚7.1 m）：奧陶系五峰組發(fā)育一套灰黑色碳質(zhì)泥巖，與下伏澗草溝組地層呈整合接觸關(guān)系，主要是一套深水陸棚相沉積，地層沉積厚度相對均勻[（2]圖1）。

3 頁巖氣的地球物理響應(yīng)參數(shù)分析

3.1 烴源巖有機(jī)碳含量的測井響應(yīng)參數(shù)

焦石壩地區(qū)有機(jī)質(zhì)TOC含量較高，絕大多數(shù)大于1.0%，平均有機(jī)碳含量為2.42%，有機(jī)碳含量超過2%的厚度約為41 m。提取焦頁1井龍馬溪組2 339.33 m 灰黑色頁巖δ13CPDB 為-29.2‰，2 349.23 m黑色碳質(zhì)頁巖δ13CPDB 為-29.3‰，揭示該套烴源巖以為Ⅰ型為主，低等浮游生物為主要母質(zhì)來源。

焦頁1井TOC含量與伽瑪值之間存在正相關(guān)關(guān)系，TOC=0.0128×GR-0.6319，相關(guān)系數(shù)為0.55（圖2）。干酪根一般是在放射性元素鈾（U）含量較高的還原環(huán)境中形成的，因此可以使自然伽瑪測井曲線表現(xiàn)為高值[3]。利用自然伽瑪測井和元素俘獲能譜測井分析鈾（U）、釷（Th）、鉀（K）等主要放射性元素的豐度，可以定量地確定總有機(jī)碳含量。

圖 1 焦頁1井測井曲線圖Fig.1 JIAOYE Well 1 logging curves

焦頁1井TOC含量與密度之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，TOC=-15.476×DEN+42.670，相關(guān)系數(shù)為-0.914（圖3）。在有機(jī)質(zhì)含量較多的儲(chǔ)層中，其孔隙度往往較高，孔隙中富含的有機(jī)質(zhì)和烴類氣體使地層的密度值降低。另外，干酪根的密度較低，通常介于0.95～1.05 g/cm3之間，會(huì)降低地層的體積密度。

焦頁1井TOC含量與中子孔隙度之間存

圖 2 焦頁1井TOC 含量與伽瑪值之間的關(guān)系Fig.2 JIAOYE Well 1 relationship between TOC content and gamma

焦頁1井孔隙度與電阻率之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，孔隙度=-0.016 6×RD+5.237 7，相關(guān)系數(shù)為-0.39（圖6）?？紫抖仍礁撸渲泻械臒N類及流體物質(zhì)就越多，從而導(dǎo)致地層電阻率降低。

焦頁1井孔隙度與中子孔隙度之間存在正相關(guān)關(guān)系，孔隙度=0.145 9×CNL2+2.147 6，相關(guān)系數(shù)為0.47（圖7）。中子測井值反映巖層中的含氫量。含氫物質(zhì)一般為：水，石油，結(jié)晶水和含水砂[5]。實(shí)質(zhì)上，中子密度測井反映的就是地層孔隙度。

圖 4 焦頁1井TOC 含量與中子孔隙度之間的關(guān)系Fig.4 JIAOYE Well 1 relationship between TOC content and neutron porosity

焦頁1井孔隙度與聲波時(shí)差之間存在正相關(guān)在 負(fù) 相 關(guān) 關(guān) 系，TOC=0.016 9×CNL2-0.786 5×CNL+10.537，相關(guān)系數(shù)為-0.5（圖4）。中子孔隙度偏低說明此時(shí)有機(jī)質(zhì)主要以短鏈碳?xì)浠衔餅橹?，位于中等成熟階段或過成熟階段，此時(shí)有機(jī)質(zhì)含量較高。

3.2 烴源巖孔隙度的測井響應(yīng)參數(shù)

圖 3 焦頁1井TOC 含量與密度之間的關(guān)系Fig.3 JIAOYE Well 1 relationship between TOC content and density

焦頁1井孔隙度與伽瑪值之間存在正相關(guān)關(guān)系，孔隙度=0.020 1×GR+1.107 0，相關(guān)系數(shù)為0.445（圖5）。有機(jī)質(zhì)較多的地層中，具有更多的儲(chǔ)集空間，大大地提高了儲(chǔ)層的孔隙度，孔隙中有機(jī)質(zhì)含量的增加使伽瑪值變大[4]。關(guān)系，孔隙度=0.184 9×AC-9.671 3，相關(guān)系數(shù)為0.597（圖8）。頁巖較泥巖致密，聲波時(shí)差介于泥巖和砂巖之間。遇到裂縫氣層有周波跳躍反應(yīng)，或者曲線突然拔高[6]。因此，當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量增加導(dǎo)致孔隙度增加時(shí)，其聲波時(shí)差值變大。

3.3 烴源巖中脆性礦物含量的測井響應(yīng)參數(shù)

圖 5 焦頁1井孔隙度與伽瑪值之間的關(guān)系Fig.5 JIAOYE Well 1 relationship between porosity and gamma

研究區(qū)龍馬溪組頁巖的礦物成分較為復(fù)雜，以石英、長石、黏土礦物為主，其中粘土礦物含量較多，為研究區(qū)龍馬溪組頁巖的主要組成礦物[7]。脆性礦物含量是影響頁巖孔隙和微裂縫發(fā)育程度、含氣性及壓裂方式等的重要因素。頁巖中黏土礦物含量越低， 石英、長石、方解石等脆性礦物含量越高，在人工壓裂外力作用下就越容易形成天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)縫，有利于頁巖氣開采[8]。而高黏土礦物含量的頁巖塑性強(qiáng)，吸收能量，以形成平面裂縫為主，不利于頁巖的體積改造。

焦頁1井脆性礦物含量與中子孔隙度之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，脆性礦物含量=-2.283 5×CNL+94.296，相關(guān)系數(shù)為-0.8（圖9）。脆性礦物含量的高低等效于巖石骨架值的大小，而巖石骨架是不含氫的，因此在脆性礦物含量較高的儲(chǔ)層中

圖 6 焦頁1井孔隙度與電阻率之間的關(guān)系Fig.6 JIAOYE Well 1 relationship between porosity and resistivity

圖 8 焦頁1井孔隙度與聲波時(shí)差之間的關(guān)系Fig.8 JIAOYE Well 1 relationship between porosity and interval transit time

焦頁1井含氣量與中子孔隙度之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，含氣量=2 286.7×CNL2-2.664 5，相關(guān)系數(shù)為-0.56（圖12）。中子孔隙度偏低說明此時(shí)有機(jī)質(zhì)主要以短鏈碳?xì)浠衔餅橹?，此時(shí)含氣量較高。

4 結(jié)論

通過對焦頁1井的測井和地化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到如下結(jié)論：

（1）在焦頁1井的TOC地球物理參數(shù)中，TOC 含量與密度之間的相關(guān)性最好，其次為伽瑪其中子孔隙度較低。

焦頁1井脆性礦物含量與密度之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，脆性礦物含量=-90.02×DEN+291.66，相關(guān)系數(shù)為-0.67（圖10）。脆性礦物含量較高的儲(chǔ)層中，發(fā)育有較多的孔隙，孔隙內(nèi)的流體和烴類物質(zhì)使儲(chǔ)層的密度降低。

3.4 烴源巖中含氣量的測井響應(yīng)參數(shù)

焦頁1井含氣量與密度之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，含氣量=-17.322×DEN+46.811，相關(guān)系數(shù)為-0.79（圖11）。含氣量的增加意味著孔隙內(nèi)烴類和流體物質(zhì)的增加，因而降低了密度值。值和中子孔隙度。通過對密度、伽瑪值等相關(guān)性較好的地球物理參數(shù)進(jìn)行分析，可用來預(yù)測有機(jī)碳（TOC）的含量。

圖 7 焦頁1井孔隙度與中子孔隙度之間的關(guān)系Fig.7 JIAOYE Well 1 relationship between porosity and neutron porosity

圖 9 焦頁1井脆性礦物含量與中子孔隙度之間的關(guān)系Fig.9 JIAOYE Well 1 relationship between brittle minerals content and neutron porosity

（2）在焦頁1井的孔隙度地球物理參數(shù)中，孔隙度與聲波時(shí)差之間的相關(guān)性最好，其次為中子孔隙度、伽瑪值和電阻率。在地球物理測井分析當(dāng)中，可用聲波時(shí)差曲線來預(yù)測孔隙度，另外，中子孔隙度實(shí)際上等效于地層孔隙度，可以對測井結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖 10 焦頁1井脆性礦物含量與密度之間的關(guān)系Fig.10 JIAOYE Well 1 relationship between brittle minerals content and density

圖 11 焦頁1井含氣量與密度之間的關(guān)系Fig.11 JIAOYE Well 1 relationship between gas content and density

圖 12 焦頁1井含氣量與中子孔隙度之間的關(guān)系Fig.12 JIAOYE Well 1 relationship between gas content and neutron porosity

（3）在焦頁1井的脆性礦物含量地球物理參數(shù)中，脆性礦物含量與中子孔隙度之間的相關(guān)性最好，其次為密度。由于頁巖的超致密、低孔低滲的特點(diǎn)，要想實(shí)現(xiàn)規(guī)?；墓I(yè)開采，必須對頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂作業(yè)，其中礦物成分和脆性系數(shù)是制定壓裂方案的重要參考參數(shù)。通過對中子孔隙度和密度測井曲線的分析，可以對儲(chǔ)層的脆性礦物含量進(jìn)行預(yù)測，以便選擇合適的地理位置進(jìn)行頁巖氣的開發(fā)。

（4）在焦頁1井含氣量地球物理參數(shù)中，含氣量與密度之間的相關(guān)性最好，其次為中子孔隙度。通過對密度、中子孔隙度等相關(guān)性較好的地球物理參數(shù)進(jìn)行分析，可用來預(yù)測地層的含氣量。由于含氣頁巖儲(chǔ)層的獨(dú)殊性，研究其測井評(píng)價(jià)技術(shù)和方法，分析評(píng)價(jià)頁巖儲(chǔ)層特征，可為頁巖氣的勘探開發(fā)提供有力的技術(shù)支撐。