基于X射線熒光元素錄井的深層頁巖氣精準(zhǔn)地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

唐 誠(chéng)， 王志戰(zhàn)， 陳 明， 王崇敬， 梁 波， 施 強(qiáng)

（1. 中石化西南石油工程有限公司地質(zhì)錄井分公司，四川綿陽 621000；2. 中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；3. 中國(guó)石化西南油氣分公司油氣勘探管理部，四川成都 610041）

四川盆地五峰組—龍馬溪組海相頁巖氣資源潛力巨大，是國(guó)內(nèi)海相頁巖氣的主要勘探開發(fā)區(qū)域，近年來部署了大量水平井進(jìn)行勘探開發(fā)[1-5]。頁巖氣水平井鉆井過程中普遍采用隨鉆測(cè)井工具進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向，利用隨鉆測(cè)井自然伽馬曲線指導(dǎo)水平段鉆進(jìn)[6-8]。但是，入窗前頁巖的自然伽馬變化不明顯，主要目的層自然伽馬曲線尖峰多，不同峰的幅值差異小，且使用的隨鉆測(cè)井工具多不相同，并大量采用遠(yuǎn)端隨鉆測(cè)井工具，無法提供方位伽馬數(shù)據(jù)，且不同測(cè)井工具的測(cè)量結(jié)果差異大，僅依靠隨鉆自然伽馬測(cè)井曲線難以滿足頁巖氣井地質(zhì)導(dǎo)向的需求。為此，筆者采用X射線熒光（XRF）元素錄井?dāng)?shù)據(jù)建立基于巖石成分的三端元圖版、不同層位的元素交會(huì)圖版、元素三維顯示圖版，在鉆進(jìn)過程中利用其判斷鉆頭位置及鉆頭穿行狀態(tài)，并建立巖石密度、含氣量等關(guān)鍵評(píng)價(jià)參數(shù)的定量計(jì)算模型，為頁巖氣水平井地質(zhì)導(dǎo)向提供了新的思路和方法。

1 地層特征

川南地區(qū)五峰組—龍馬溪組沉積環(huán)境為低能還原環(huán)境，構(gòu)造活動(dòng)不明顯，整體為陸棚相。威榮頁巖氣田主體處于威遠(yuǎn)構(gòu)造南緣白馬鎮(zhèn)向斜，龍馬溪組底部埋深3 600.00～3 800.00 m，屬于深層頁巖氣。水平井的主要目的層為五峰組—龍馬溪組一段，自下而上劃分為9個(gè)小層[9-13]，縱向上頁巖顏色差異不大，通過肉眼觀察難以區(qū)分；電性特征有一定的差異，主要差異集中在①—④小層。揭開④小層后自然伽馬測(cè)井曲線出現(xiàn)小幅度的尖峰，③小層底部有2個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的高自然伽馬尖峰，自上而下命名為Ⅰ峰和Ⅱ峰，②小層為極高自然伽馬峰，稱為Ⅲ峰，水平井的主要靶體是Ⅱ峰和Ⅲ峰所在的地層（見圖1）。①小層為五峰組地層，自然伽馬值明顯低于上覆層段。

圖1 川南五峰組—龍馬溪組一段地層厚度特征對(duì)比Fig.1 Comparison of the stratigraphic thickness characteristics of the Wufeng Formation-the 1st member of Longmaxi Formation in southern Sichuan

2 地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)難點(diǎn)

深層頁巖氣水平井的鉆井技術(shù)難點(diǎn)主要集中在入窗和水平段2個(gè)階段。造斜與入窗階段的重點(diǎn)是準(zhǔn)確識(shí)別標(biāo)志層，確保順利著陸；水平段的關(guān)鍵是明確鉆頭的穿行狀態(tài)，通過調(diào)整井眼軌跡，確保在優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層段穿行。因此，落實(shí)關(guān)鍵控制點(diǎn)、判別鉆頭穿行狀態(tài)，是深層頁巖氣水平井鉆井的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

1）標(biāo)志層特征不明顯，難以準(zhǔn)確入窗。龍馬溪組中上部沒有明顯的標(biāo)志層，主要根據(jù)物探等資料獲得的宏觀構(gòu)造特征來指導(dǎo)定向鉆進(jìn)。龍馬溪組一段④小層是造斜與入窗的關(guān)鍵控制點(diǎn)，隨鉆自然伽馬測(cè)井儀器容易受到鉆井液成分與性能的影響，導(dǎo)致自然伽馬值波動(dòng)大，難以準(zhǔn)確識(shí)別出標(biāo)志層，且④小層距離靶點(diǎn)垂向距離僅為18.00～41.00 m，井眼軌跡調(diào)整余地較小，定向鉆進(jìn)過程中缺乏控制井眼軌跡的依據(jù)。

2）靶體上下自然伽馬特征相近，難以判斷鉆頭走向。③小層Ⅱ峰與①小層頂部為水平井靶窗的上下界面，在有方位伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的情況下，容易判別出鉆頭的穿行狀態(tài)，但威榮頁巖氣田廣泛使用遠(yuǎn)鉆頭隨鉆測(cè)井工具，與鉆頭的距離約14.00～17.00 m，僅能提供隨鉆綜合伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，當(dāng)隨鉆測(cè)量的自然伽馬值由高向低變化時(shí)，根據(jù)常規(guī)測(cè)井資料不能區(qū)分出鉆頭的穿行狀態(tài)。如圖2所示，A9平臺(tái)靶心為Ⅲ峰峰尖所在位置，如果鉆頭偏離峰尖位置，Ⅲ峰上下半幅的常規(guī)測(cè)井、錄井特征幾乎完全一致，難以判斷鉆頭是處于Ⅲ峰上半幅還是下半幅，只能在鉆穿靶體上下界面后再調(diào)整井眼軌跡。

圖2 A9平臺(tái)導(dǎo)眼井靶窗測(cè)錄井特征Fig.2 Logging/mud logging characteristics of target window in the pilot hole of Platform A9

3 精準(zhǔn)地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

元素錄井?dāng)?shù)據(jù)攜帶了豐富的地層信息，為地層識(shí)別以及評(píng)價(jià)參數(shù)計(jì)算提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。利用元素錄井?dāng)?shù)據(jù)識(shí)別控制點(diǎn)、目的層、鉆頭穿行狀態(tài)和評(píng)價(jià)頁巖參數(shù)，可為頁巖氣水平井地質(zhì)導(dǎo)向提供依據(jù)。

3.1 理論基礎(chǔ)與時(shí)效性分析

3.1.1 精準(zhǔn)地質(zhì)導(dǎo)向理論基礎(chǔ)

頁巖地層通常具有高自然伽馬的特征，但自然伽馬是巖石中多種成分的疊加響應(yīng)，具有較強(qiáng)的多解性[14-17]。實(shí)鉆發(fā)現(xiàn)，頁巖氣儲(chǔ)層附近存在高放射性的磷灰石、硅質(zhì)巖和碳質(zhì)頁巖，即優(yōu)質(zhì)頁巖一般都具有高自然伽馬特征，但具有高自然伽馬特征的巖石不一定是優(yōu)質(zhì)頁巖。自然伽馬特征的多解性，導(dǎo)致在自然伽馬特征相似的井段難以準(zhǔn)確判斷鉆頭的位置。XRF元素錄井技術(shù)可為巖性精細(xì)定名、沉積相劃分和甜點(diǎn)評(píng)價(jià)等提供有力的手段[13,17]，因?yàn)樵摷夹g(shù)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量巖屑中常見的20余種元素及其含量，構(gòu)成地層的響應(yīng)指紋，能夠準(zhǔn)確反映含氣性、巖石密度等信息，從而有效彌補(bǔ)自然伽馬的多解性，為準(zhǔn)確判斷鉆頭在小層中的穿行位置奠定了理論基礎(chǔ)。

3.1.2 時(shí)效性對(duì)比分析

地質(zhì)導(dǎo)向鉆井對(duì)時(shí)效性要求較高。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井或近鉆頭測(cè)量工具具有較強(qiáng)的時(shí)效性，而遠(yuǎn)鉆頭隨鉆測(cè)井工具的時(shí)效性相對(duì)較差。威榮頁巖氣田5口井應(yīng)用了遠(yuǎn)鉆頭隨鉆測(cè)井工具，遲到時(shí)間為50～70 min，平均鉆時(shí)為5.50～18.10 min/m。XRF元素錄井分析周期按30.00 min計(jì)算（包括撈取巖屑、烘烤樣品、制樣、分析），當(dāng)鉆時(shí)在6.00～7.00 min/m時(shí)，獲得元素分析數(shù)據(jù)的時(shí)間與獲得遠(yuǎn)鉆頭隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的時(shí)間基本一致，當(dāng)鉆時(shí)大于7.00 min/m時(shí)，先獲得元素分析數(shù)據(jù)。5口井中首先獲得元素分析數(shù)據(jù)的井段有12段，元素分析數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)鉆頭隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)基本同時(shí)獲得的井段有2段，首先獲得遠(yuǎn)鉆頭隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的井段有2段?？梢姡诮^大部分情況下XRF元素錄井的時(shí)效性優(yōu)于遠(yuǎn)鉆頭隨鉆測(cè)井工具，能夠?yàn)榈刭|(zhì)導(dǎo)向鉆井提供時(shí)效保證。

3.2 關(guān)鍵控制點(diǎn)識(shí)別方法

威榮頁巖氣田五峰組—龍馬溪組一段的9個(gè)小層均為深水陸棚相，但可細(xì)分為黏土深水陸棚、含鈣黏土深水陸棚、鈣質(zhì)黏土質(zhì)深水陸棚、生物硅質(zhì)深水陸棚等多個(gè)不同的沉積微相[13]。不同沉積微相的元素富集情況不同，因此縱向上小層不同，元素含量也不同。根據(jù)巖石的礦物成分，可將巖相劃分為黏土質(zhì)、鈣質(zhì)和硅質(zhì)等3類。通過建立XRF元素錄井?dāng)?shù)據(jù)與巖石礦物成分之間的計(jì)算模型，采用三端元圖版，將巖相劃分為黏土質(zhì)、硅質(zhì)、鈣質(zhì)、混合質(zhì)[13,17]，通過區(qū)分不同的巖相識(shí)別關(guān)鍵控制點(diǎn)。圖3所示為威榮頁巖氣田Y3井的三端元圖版。從圖3可以看出：Y3井鉆遇的⑧-⑨小層為黏土質(zhì)，主要為黏土深水陸棚相條件下的頁巖，進(jìn)入⑦小層后為混合質(zhì)，是從黏土深水陸棚向含鈣黏土深水陸棚過渡，進(jìn)入③小層后，逐漸變化為硅質(zhì)，與生物硅質(zhì)深水陸棚微相對(duì)應(yīng)。由此可見，應(yīng)用XRF元素錄井的三端元圖版能有效區(qū)分各個(gè)小層，識(shí)別出關(guān)鍵控制點(diǎn)。

圖3 Y3井元素三端元圖版Fig. 3 Three-terminal chart of Well Y3

3.3 目的層識(shí)別方法

Ⅰ峰、Ⅱ峰和Ⅲ峰3個(gè)高自然伽馬井段的沉積微相一致或相似，用三端元圖版難以區(qū)分，同時(shí)Ⅰ峰與Ⅱ峰的自然伽馬幅值相近，多數(shù)井的Ⅲ峰存在副峰，導(dǎo)致各個(gè)峰形之間區(qū)分難度大。借鑒曲線重疊與曲線交會(huì)等測(cè)井解釋方法[14]，優(yōu)選出目的層段的主要元素，研究元素含量以及元素含量比值的交會(huì)。根據(jù)已鉆井的元素?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析Mg，Al，Si，S，Ca和Fe等含量占比較高的元素并優(yōu)選圖版。圖4為不同元素含量及不同元素含量比值的交會(huì)圖版。從圖4可以看出，Al-Si元素含量交會(huì)圖版、Al-Ca元素含量交會(huì)圖版、Ca與Mg含量比值-Si與Al含量比值交會(huì)圖版在區(qū)分Ⅰ峰、Ⅱ峰和Ⅲ峰方面均有一定的效果，其中Al-Si元素含量交會(huì)圖版的效果最好。

3.4 鉆頭穿行狀態(tài)識(shí)別方法

常規(guī)方法不能區(qū)分出Ⅲ峰的不同部位，需要采用更高維度的圖版來提高Ⅲ峰峰尖及上、下半幅位置的辨識(shí)度。根據(jù)主成分分析結(jié)果，頁巖中Ca，Si和Al元素的含量在一定程度上能反映巖相的變化[13,17-18]，適合用來開展三維顯示圖版的研究與應(yīng)用。根據(jù)自然伽馬曲線的特征，將整個(gè)Ⅲ峰自上而下劃分為Ⅲ峰上半幅、峰尖、下半幅A段、下半幅B段等4個(gè)不同的部位（見圖5（a））：上部為Ⅲ峰上半幅，中部為Ⅲ峰峰尖；由于下半幅較長(zhǎng)，將其分為A，B兩段，中下部為Ⅲ峰下半幅A段，底部為Ⅲ峰下半幅B段。由于Ⅲ峰峰尖依靠自然伽馬值容易識(shí)別，因此將其余3段的主要特征元素繪制為三維顯示圖版，x，y和z軸分別為Al，Ca和Si元素的含量。圖5（b）所示為A6井Ⅲ峰Al，Ca和Si元素的三維顯示圖版，藍(lán)色代表Ⅲ峰上半幅，紅色為Ⅲ峰下半幅A段，黑色為Ⅲ峰下半幅B段。從圖5（b）可以看出，Ⅲ峰上半幅與下半幅B段有重疊，但Ⅲ峰上半幅與下半幅A段具有較好的區(qū)分度。因此，當(dāng)鉆頭偏離峰尖位置時(shí)，采用元素三維顯示圖版能夠區(qū)分鉆頭進(jìn)入了Ⅲ峰上半幅還是下半幅A段所在的位置，進(jìn)而判斷出鉆頭的穿行狀態(tài)。

3.5 關(guān)鍵評(píng)價(jià)參數(shù)定量計(jì)算方法

圖4 元素交會(huì)圖版Fig. 4 Effect of element intersection chart

將通過分析XRF元素錄井資料獲得的巖石成分信息、測(cè)井及試驗(yàn)分析的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)各項(xiàng)參數(shù)的基本響應(yīng)機(jī)理，針對(duì)需要轉(zhuǎn)換的參數(shù)優(yōu)選出敏感元素及元素組合，進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合分析，建立元素或元素組合與評(píng)價(jià)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，采用逐步回歸方法優(yōu)選數(shù)學(xué)模型，確定最佳模型，并建立了威榮氣田巖石硅質(zhì)含量、鈣質(zhì)含量、泥質(zhì)含量、巖石密度和含氣量等5個(gè)參數(shù)的隨鉆定量計(jì)算模型（見表1）。應(yīng)用表明，利用XRF元素錄井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算出的頁巖評(píng)價(jià)參數(shù)與ECS測(cè)井、常規(guī)測(cè)井等其他手段的評(píng)價(jià)結(jié)果較為吻合，除鈣質(zhì)含量外，其余參數(shù)的相關(guān)系數(shù)均大于0.70[13,17]。

圖5 A6井Ⅲ峰元素三維顯示圖版Fig. 5 III peak element three-dimensional display chart of Well A6

表 1 頁巖評(píng)價(jià)參數(shù)隨鉆計(jì)算模型Table 1 Calculation model of shale evaluation parameters while drilling

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

基于X射線熒光元素錄井的深層頁巖氣精準(zhǔn)地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)在威榮頁巖氣田進(jìn)行了應(yīng)用，進(jìn)入龍一段地層之后，首先應(yīng)用元素三端元圖版識(shí)別出④小層與③小層，為入窗提供指導(dǎo)；隨鉆自然伽馬與元素交會(huì)圖版結(jié)合區(qū)分Ⅰ峰、Ⅱ峰和Ⅲ峰，確保準(zhǔn)確入窗；進(jìn)入水平段后，采用三維顯示圖版判斷鉆頭穿行狀態(tài)，并利用隨鉆測(cè)井資料定量計(jì)算關(guān)鍵評(píng)價(jià)參數(shù)，指導(dǎo)水平段鉆進(jìn)。2018年以來，該技術(shù)在威榮頁巖氣田應(yīng)用了18口井，多數(shù)井的實(shí)鉆A靶點(diǎn)垂深較設(shè)計(jì)垂深加深4.22～36.49 m，每口井都準(zhǔn)確入窗，14口井水平段靶體鉆遇率100%，4口井準(zhǔn)確判斷出了地層與鉆頭穿行狀態(tài)，但因定向工具的軌跡調(diào)整能力不足，導(dǎo)致部分井段鉆出靶體，18口井的靶體平均鉆遇率達(dá)到了98.06%。

4.1 入窗

T1HF井入窗井段的隨鉆自然伽馬曲線特征與導(dǎo)眼段有明顯差異，導(dǎo)眼段⑥、⑤、④小層底部的自然伽馬曲線均有明顯的臺(tái)階，易于識(shí)別；斜井段隨鉆自然伽馬曲線基本無變化，根據(jù)自然伽馬特征難以判斷層位（見圖6），但根據(jù)該井段的元素三端元圖版實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確區(qū)分（見圖7（a）），及時(shí)采取了增斜措施。應(yīng)用Al-Si元素交會(huì)圖版及時(shí)區(qū)分目的層Ⅰ峰、Ⅱ峰和Ⅲ峰（見圖7（b）），為準(zhǔn)確入窗準(zhǔn)確提供了依據(jù)。

圖6 T1HF井導(dǎo)眼段與斜井段自然伽馬特征對(duì)比Fig.6 Comparison of natural gamma characteristics between pilot section and deviated section in Well T1HF

4.2 水平段

A3井入窗進(jìn)入水平段以后采用遠(yuǎn)鉆頭隨鉆測(cè)井工具進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向，5 130.00～5 160.00 m井段鉆頭位于Ⅲ峰峰尖位置，隨后隨鉆自然伽馬曲線出現(xiàn)了起伏，隨鉆自然伽馬值降低，鉆頭偏離了Ⅲ峰峰尖位置（見圖8）。由于沒有方位伽馬數(shù)據(jù)，難以判斷鉆頭的穿行狀態(tài)，因此采用元素三維顯示圖版判斷鉆頭穿行狀態(tài)。從A3井水平段元素三維顯示圖版（見圖9）可以看出，鉆頭偏離峰尖位置以后，沒有進(jìn)入Ⅲ峰下半幅A段的范圍（綠色為待判斷的5 160.00～5 180.00 m井段元素?cái)?shù)據(jù)）。參數(shù)定量計(jì)算結(jié)果（見圖8）表明，該井段含氣量由9.50 m3/t降至6.40～7.10 m3/t，巖石密度由 2.38 g/cm3升至 2.43 g/cm3，表明儲(chǔ)層的含氣性正在變差。綜合分析三維顯示圖版和參數(shù)定量計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為該井段鉆頭在Ⅲ峰上半幅的位置并有逐漸偏離靶窗的趨勢(shì)，于是采取降斜措施，然后重新回到Ⅲ峰所在的位置，含氣量由3.60 m3/t升至5.20 m3/t，巖石密度由2.53 g/cm3降至2.49 g/cm3，說明鉆頭回到了優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層段，達(dá)到了軌跡優(yōu)化調(diào)整的目的。

圖7 T1HF井三端元圖版和元素交會(huì)圖版Fig.7 Application of three terminal element and element intersection chart in Well T1HF

圖8 A3井水平段參數(shù)定量計(jì)算結(jié)果與軌跡穿行情況Fig. 8 Quantitative calculation results of parameters in horizontal section of Well A3 and track crossing

圖9 A3井水平段元素三維顯示圖版Fig. 9 Element 3D display chart of horizontal section in Well A3

5 結(jié)論與建議

1）X射線熒光元素錄井能提供豐富的地質(zhì)信息，在深層頁巖氣井地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)中能夠彌補(bǔ)自然伽馬的多解性問題，且與遠(yuǎn)鉆頭隨鉆測(cè)井工具相比時(shí)效性更好，為精準(zhǔn)地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)提供了依據(jù)。

2）基于元素錄井建立的三端元圖版、Si-Al交會(huì)圖版、Si-Al-Ca三維顯示圖版以及關(guān)鍵評(píng)價(jià)參數(shù)定量計(jì)算模型，能夠準(zhǔn)確識(shí)別小層，判斷鉆頭在小層中的穿行方向。在威榮頁巖氣田應(yīng)用表明，其具有較好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，可提高深層頁巖氣水平井水平段優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的鉆遇率。

3）隨著深層頁巖氣勘探開發(fā)的深入，新鉆探區(qū)塊的鉆井地質(zhì)條件更趨復(fù)雜，在復(fù)雜構(gòu)造條件下優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的隨鉆識(shí)別與評(píng)價(jià)將面臨新的挑戰(zhàn)，應(yīng)積極探索微幅構(gòu)造、隱蔽斷層的隨鉆定量評(píng)價(jià)方法，不斷提高復(fù)雜區(qū)域深層頁巖氣勘探開發(fā)的技術(shù)水平。