昭通頁巖氣區(qū)塊龍馬溪組下段海相頁巖氣儲層沉積微相與測井識別

譚玉涵,崔式濤,牛偉,馬萌,芮昀,廖茂杰,馮俊貴

(1.中國石油集團測井有限公司測井應(yīng)用研究院, 陜西 西安 710077;2.中國石油浙江油田分公司勘探開發(fā)研究院, 浙江 杭州 311122;3.中國石油技術(shù)開發(fā)有限公司, 北京 100028)

0 引 言

在勘探階段,沉積相的研究主要針對大相和亞相,而在油氣田開發(fā)階段,開發(fā)井網(wǎng)完成后,沉積相的研究就必須落實到沉積微相,沉積微相研究對于油氣田開發(fā)具有重大意義[1]。由于油氣田取心井較少,難以直接應(yīng)用巖心資料進行沉積微相劃分,必須充分應(yīng)用各種測井響應(yīng)信息。測井相分析在砂泥巖油氣藏中應(yīng)用多年,在測井曲線的幅度特征、形態(tài)特征等方面識別砂泥巖儲層沉積微相已有較深入的研究,但是利用測井曲線劃分海相儲層的沉積微相研究較少,常規(guī)的測井曲線及其幅度特征、形態(tài)特征已無法識別頁巖氣儲層沉積微相。本文在單井沉積微相分析的基礎(chǔ)上,充分挖掘元素與能譜測井地質(zhì)信息,形成基于礦物含量的沉積微相識別與劃分技術(shù),建立了連續(xù)定量識別頁巖氣儲層沉積微相的方法,明確了昭通頁巖氣藏相帶展布規(guī)律,進一步指導(dǎo)頁巖氣藏的有效開發(fā),提高氣田開發(fā)效益。

1 研究背景

頁巖氣儲層含氣性廣泛,但宏觀非均質(zhì)性強,含氣豐度變化大。不同微相的儲層巖性、物性、孔隙結(jié)構(gòu)差異大,儲集性能、含氣性及產(chǎn)氣能力差異顯著,綜合研究認(rèn)為,頁巖氣儲層沉積相帶控制巖性、巖性主導(dǎo)有機質(zhì)富集、有機質(zhì)又控制天然氣含氣量及產(chǎn)氣能力,因此沉積微相的研究對頁巖氣藏有利儲層的分布預(yù)測具有重要指導(dǎo)意義?？傮w上,中國目前關(guān)于頁巖氣儲層沉積微相的研究尚處于初始探索階段,主要根據(jù)錄井取心、巖心觀察以及能夠反映巖心樣品微觀特征的掃描電鏡、鑄體薄片等資料的分析來完成,不能連續(xù)反映儲層的沉積微相。

測井手段可以獲取的地層信息主要是地層巖石各種物理性質(zhì),具有連續(xù)記錄鉆遇地層各種巖石物理信息的技術(shù)特點[2-3],但是利用常規(guī)測井曲線及其幅度特征、形態(tài)特征難以識別、劃分海相陸棚沉積的頁巖氣藏儲層沉積微相。因此,可通過利用元素、能譜等新測井方法及其測井響應(yīng)與沉積微相的對應(yīng)關(guān)系,建立測井沉積相判別標(biāo)準(zhǔn),識別有利沉積相帶。

2 區(qū)域地質(zhì)沉積概況

昭通頁巖氣示范區(qū)大地構(gòu)造上屬于揚子地塊構(gòu)造域西南邊緣的滇黔北坳陷,主體是威信凹陷的中西部區(qū)域[4-5]。滇黔北地區(qū)地層完整,除前寒武系及第三系外,其余各系均有出露,其中頁巖氣儲層主要發(fā)育在奧陶系、志留系五峰組龍馬溪地層,其發(fā)育一套泥巖為主的陸棚沉積[6-8]。陸棚相沉積物多以暗色和細(xì)粒為特征[9],巖性主要為深灰色、灰黑色、黑色頁巖,含灰泥頁巖,砂質(zhì)泥頁巖,夾灰色、深灰色泥灰?guī)r,粉砂巖,泥質(zhì)粉砂巖,灰質(zhì)粉砂巖等,連續(xù)厚度一般較大,多為200～400 m,發(fā)育水平層理、生物擾動構(gòu)造,從生物化石縱向發(fā)育組合特征來看,五峰組-龍馬溪組下段除了富含筆石化石外,還可見較為豐富的放射蟲和骨針等硅質(zhì)類骨骼生物化石,龍馬溪組上段底棲生物化石較為發(fā)育,水體變淺,水動力增強。認(rèn)為下部水體要明顯深于中部和上部。根據(jù)陸棚的水深和水動力條件,可進一步劃分出淺水陸棚和深水陸棚2種亞相,深水陸棚處于陸棚靠大陸斜坡一側(cè)的風(fēng)暴浪基面以下的淺海區(qū),環(huán)境能量較低,水體安靜,無底棲生物擾動,由灰黑色、黑色泥巖、頁巖、含粉砂頁巖夾紋層狀碳酸鹽巖、粉砂巖薄層組成,黑色頁巖常呈薄層狀,具毫米級紋層狀或片狀頁理構(gòu)造,黃鐵礦常呈星散狀或紋層狀分布,水平紋層發(fā)育,反映了安靜貧氧的滯留水體沉積環(huán)境。

3 沉積微相類型及其識別標(biāo)準(zhǔn)

3.1 沉積微相類型

昭通頁巖氣區(qū)塊產(chǎn)層為五峰組龍馬溪組的深水陸棚沉積亞相環(huán)境下的富有機質(zhì)泥頁巖段,富含筆石化石,具高自然伽馬值特征的黑色頁巖。依據(jù)暗色泥頁巖段巖石巖性類型、鏡下薄片觀察、礦物含量、Th與U含量之比、有機碳含量等資料,來判斷其沉積環(huán)境以及水體深度的相對變化,并據(jù)此將暗色泥頁巖段劃分為4個沉積微相類型:①灰泥質(zhì)深水陸棚微相,巖性為暗色富灰質(zhì)泥頁巖,鈣質(zhì)含量較高,硅質(zhì)含量相對較低,物性致密,指示相對干旱、偏咸的水體環(huán)境,主要為顏色相對較淺的灰色、深灰色灰?guī)r呈薄層或透鏡體狀夾于灰黑色、黑色泥頁巖中[見圖1(a)],Th/U變化較大,多在1～5之間,代表水體較淺,還原性較差的沉積環(huán)境;②泥質(zhì)深水陸棚微相,處于深水陸棚水體能量較低的海域,發(fā)育黑灰色、灰黑色、黑色泥頁巖,以及發(fā)育反映水體安靜的水平層理[見圖1(b)],礦物中常出現(xiàn)黃鐵礦晶粒,常呈星點狀或紋層狀[見圖1(c)],巖層中含大量的筆石化石,指示了低能、貧氧以及低速欠補償?shù)妮^深水的沉積特征,Th/U在1.5～3.5之間,代表水體較深,水動力較弱的沉積環(huán)境,泥質(zhì)含量較高,伽馬曲線較高。③砂泥質(zhì)深水陸棚微相,巖性以灰黑色粉砂質(zhì)泥巖、泥頁巖為典型特征[見圖1(d)],硅質(zhì)含量較高,主要以陸源硅質(zhì)為主,水動力條件較強,有機質(zhì)含量低,電阻率較高,Th/U常大于3,代表水體較淺,還原性差的沉積環(huán)境。④硅泥質(zhì)深水陸棚微相,巖性為暗色富硅質(zhì)泥頁巖[見圖1(e)],塊狀結(jié)構(gòu),頁理不發(fā)育,主要為隱晶質(zhì)玉髓和黏土級石英,石英多為自生成因,泥質(zhì)相對較少。根據(jù)薄片鑒定可見放射蟲呈星點狀散布于硅質(zhì)巖中[見圖1(f)],含量較少,呈圓形或橢圓形,直徑一般小于0.2 mm,多已被溶蝕呈鑄?？锥?放射蟲可以反映一種清潔、安靜、遠(yuǎn)離陸緣碎屑的海洋環(huán)境,Th/U常小于2,代表水體最深,還原性最強的沉積環(huán)境,自生硅質(zhì)含量較多,有機質(zhì)含量較高。砂泥質(zhì)深水陸棚微相與硅泥質(zhì)深水陸棚微相二者的主要區(qū)別為砂泥質(zhì)深水陸棚微相水體能量略強,含有少量的粉砂,硅質(zhì)礦物多為陸源成因,而硅泥質(zhì)深水陸棚微相中硅質(zhì)礦物多為化學(xué)或生物化學(xué)成因。

圖1 五峰組-龍馬溪組下段頁巖沉積微相標(biāo)志

3.2 不同微相測井識別標(biāo)準(zhǔn)

在各個微相的礦物含量、沉積水體深度,氧化還原環(huán)境的差異,在單井沉積微相分析的基礎(chǔ)上,充分挖掘元素與能譜測井地質(zhì)意義,形成基于礦物含量與沉積環(huán)境的沉積微相測井識別與劃分技術(shù)。

元素測井可以測量記錄中子源發(fā)射的快中子經(jīng)非彈性散射而被俘獲時釋放出的伽馬射線能譜,利用剝譜技術(shù)得到地層中硅、鈣、鐵、硫、鈦、釓等元素的相對含量,應(yīng)用氧閉合技術(shù)將元素的相對含量轉(zhuǎn)換成元素絕對含量百分比,再利用研究區(qū)的大量巖心分析實驗數(shù)據(jù),建立經(jīng)驗關(guān)系式得到地層礦物含量,進而判斷地層巖性的變化,相對巖心觀察與鏡下薄片鑒定,該技術(shù)可以實現(xiàn)定量劃分巖性。

能譜測井獲得的地層信息中,U元素對海平面升降引起氧化還原環(huán)境的變化較為敏感,而Th元素相對不敏感,故認(rèn)為U值和Th/U值的變化可以反映海平面的升降與沉積環(huán)境的變化。海平面上升,水體深,盆地處于缺氧、還原的沉積環(huán)境,沉積物主要為深海環(huán)境的富有機質(zhì)硅質(zhì)、泥質(zhì)沉積物,U含量的急劇增加、Th/U值降低;相反地,海退可以形成淺水氧化作用較強的水體環(huán)境,在這種環(huán)境中有機質(zhì)沉積較少,碎屑巖、粉砂質(zhì)泥巖和碳酸質(zhì)泥巖較容易形成,反映出過渡海相環(huán)境部分受陸源沉積物供給的影響,此時U含量急劇降低,Th/U值升高到3以上[10]。

利用元素和能譜等測井新技術(shù)所得到的地質(zhì)信息對昭通頁巖氣五峰組龍馬溪組下段處于深水陸棚亞相的儲層進行沉積微相的識別、劃分。采用硅質(zhì)含量、黏土含量、鈣質(zhì)含量、鈾、釷曲線作為參考曲線,共選取16口井64個標(biāo)準(zhǔn)樣本點(不包括Y9井)參與分析,建立了4類沉積微相的測井識別標(biāo)準(zhǔn)及3張交會圖圖版。

利用硅質(zhì)、黏土含量交會圖(見圖2),可以將泥質(zhì)深水陸棚微相、砂泥質(zhì)深水陸棚微相與灰泥質(zhì)、硅泥質(zhì)深水陸棚微相區(qū)分,泥質(zhì)深水陸棚微相與砂泥質(zhì)深水陸棚微相泥質(zhì)含量最高,泥質(zhì)含量主要分布在大于32%的范圍?；夷噘|(zhì)深水陸棚微相,鈣質(zhì)含量最高,普遍高于30%,泥質(zhì)含量基本低于32%,硅質(zhì)含量低于43%,可以較好地與其他3種微相區(qū)分(見圖3)。而在硅質(zhì)含量與釷鈾比交會圖上(見圖4),可以將泥質(zhì)與砂泥質(zhì)深水陸棚微相區(qū)分,砂泥質(zhì)深水陸棚微相釷鈾比在4種微相里最高,多大于3.5。硅泥質(zhì)深水陸棚微相,其泥質(zhì)含量少,基本小于32%,硅質(zhì)含量多,大于43%,在硅質(zhì)含量與釷鈾比交會圖上,硅泥質(zhì)深水陸棚微相釷鈾比小于1.5,代表水體最深,還原性最強的沉積環(huán)境。

圖2 硅質(zhì)含量與黏土含量交會圖

圖3 硅質(zhì)含量與鈣質(zhì)含量交會圖

圖4 硅質(zhì)含量與釷鈾比交會圖

根據(jù)交會圖可以確定:硅泥質(zhì)深水陸棚微相,硅質(zhì)含量>43%,泥質(zhì)含量<32%,Th/U<1.5;泥質(zhì)深水陸棚微相,硅質(zhì)含量>40%,泥質(zhì)含量>32%,鈣質(zhì)含量<30%,Th/U介于1.5～3.5;砂泥質(zhì)深水陸棚微相,硅質(zhì)含量>40%,泥質(zhì)含量>32%,鈣質(zhì)含量<30%,Th/U>3.5;灰泥質(zhì)深水陸棚微相,硅質(zhì)含量<43%,泥質(zhì)含量<32%,鈣質(zhì)含量>30%。

圖5 Y9井單井相

圖5為Y9井五峰組龍馬溪組龍一1段測井沉積微相識別圖,該段取心主要以灰、灰黑、黑色頁巖為主,巖性純,頁理較為發(fā)育。在深度1 405、1 414 m左右處Th/U大于3.5,代表沉積水體較淺的砂泥質(zhì)深水陸棚微相,而在1 416 m之后,泥質(zhì)含量保持在32%以上,而Th/U降低到3.5之下,判別為泥質(zhì)深水陸棚微相,在深度1 427 m處,泥質(zhì)含量降低,低于32%,硅質(zhì)含量上升,Th/U降到1以下,判別為硅泥質(zhì)深水陸棚微相,在1 434 m處,鈣質(zhì)含量上升,大于30%,判別為灰泥質(zhì)深水陸棚微相。識別結(jié)果與巖心、鏡下薄片觀察結(jié)果相符,驗證了該方法的準(zhǔn)確性。

3.3 有利沉積微相的識別

統(tǒng)計處于4種微相內(nèi)的儲層有機質(zhì)含量平均值(見圖6),可以看到處于硅泥質(zhì)深水陸棚微相帶內(nèi)的儲層有機質(zhì)富集程度最高,其次為泥質(zhì)深水陸棚微相。硅泥質(zhì)深水陸棚微相處于水動力最弱,還原性最強的沉積環(huán)境,有機質(zhì)在該環(huán)境下可以得到較好的保存[6],是有機質(zhì)富集的最佳環(huán)境,同時,在有機質(zhì)分解、形成過程中會產(chǎn)生有機酸,在其周圍形成弱酸性環(huán)境,從而有利于SiO2沉淀與交代,易形成自生有機硅質(zhì)礦物,兩者相輔相成,促進了有機質(zhì)在硅泥質(zhì)深水陸棚中的富集。從這一點,可以認(rèn)為自生有機硅質(zhì)礦物的出現(xiàn)對尋找高有機質(zhì)含量儲層起到一定的指示作用。而砂泥質(zhì)深水陸棚微相,其硅質(zhì)礦物多來自陸源碎屑,受陸源沉積物影響較大,水動力條件較強,灰泥質(zhì)深水陸棚微相,沉積水體較淺,受弱氧化環(huán)境影響,鈣質(zhì)含量增大,都不利于有機質(zhì)的富集。

圖6 4種微相中有機質(zhì)含量分布柱狀圖

利用總有機碳含量曲線與硅質(zhì)含量曲線交會,總有機碳含量曲線取反刻度,重疊在硅質(zhì)含量曲線上,當(dāng)總有機碳含量增大,硅質(zhì)含量增大時,即出現(xiàn)包絡(luò)面積,即可識別出有機質(zhì)富集層段,該井在1 430～1 434 m之間總有機碳含量曲線與硅質(zhì)含量曲線出現(xiàn)包絡(luò)面積,為富有機質(zhì)硅泥質(zhì)深水陸棚微相,是五峰組龍馬溪組頁巖氣藏勘探開發(fā)的優(yōu)勢相帶。

4 頁巖氣儲層有利微相帶分布

對昭通地區(qū)五峰組-龍馬溪組龍一1段沉積微相進行了測井識別,制作了沉積微相連井剖面圖(見圖7),總有機碳含量曲線與硅質(zhì)含量曲線出現(xiàn)包絡(luò)面積的相帶即富有機質(zhì)硅泥質(zhì)深水陸棚微相穩(wěn)定分布在研究區(qū)內(nèi)龍馬溪組的龍一11龍一12小層中,該相帶內(nèi)有機質(zhì)含量平均大于3%,頁巖氣儲層品質(zhì)好,且硅質(zhì)含量平均大于40%,脆性高,水力壓裂效果好,易形成復(fù)雜縫網(wǎng),是頁巖氣勘探開發(fā)的最有利的沉積微相。

圖7 黃金壩-紫金凡-大寨連井剖面圖

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)五峰組龍馬溪組下段暗色泥頁巖段巖石類型、鏡下薄片觀察、礦物含量、Th與U含量之比、沉積環(huán)境以及水體深度的相對變化,將暗色泥頁巖段劃分為4個沉積微相類型,即泥質(zhì)、硅泥質(zhì)、砂泥質(zhì)、灰泥質(zhì)深水陸棚微相。

(2)依據(jù)不同沉積微相下儲層的巖性、沉積環(huán)境及水體深度變化對測井響應(yīng)特征的影響,利用新測井技術(shù)元素測井及能譜測井資料識別沉積微相。采用硅質(zhì)含量、鈣質(zhì)含量、黏土含量和釷鈾比曲線總結(jié)不同沉積微相的測井響應(yīng)特征,建立沉積微相的測井識別標(biāo)準(zhǔn)。

(3)根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律,有機質(zhì)主要富集在硅泥質(zhì)深水陸棚微相帶內(nèi),從有機質(zhì)曲線與硅質(zhì)含量曲線交匯面積識別出富有機質(zhì)硅泥質(zhì)深水陸棚微相。

(4)富有機質(zhì)硅泥質(zhì)深水陸棚微相穩(wěn)定發(fā)育在龍馬溪組龍一11龍一12小層中,是頁巖氣藏勘探開發(fā)最有利的沉積微相。