自然伽馬能譜測井在富有機(jī)質(zhì)頁巖評價(jià)和地質(zhì)導(dǎo)向中的應(yīng)用

羅勝元,陳孝紅,倪方杰

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心,湖北武漢430205;2.中石化江漢石油工程有限公司頁巖氣開采技術(shù)服務(wù)公司,湖北武漢430223)

0 引 言

鄂西及周緣地區(qū)下寒武統(tǒng)水井沱組(∈1s)底部發(fā)育一套暗色泥頁巖,分布面積大、自然伽馬測井值高,作為目前頁巖氣勘探的主力層系,得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[6-7]。對于水井沱組底部的自然伽馬測井,多數(shù)情況下僅作為識(shí)別地層的一種指標(biāo),而對高自然伽馬頁巖分布特征、地質(zhì)意義及其在勘探中的應(yīng)用則研究較少。本文在典型井的水井沱組頁巖識(shí)別的基礎(chǔ)上,探討自然伽馬能譜測井在總有機(jī)碳含量(TOC)預(yù)測、黏土礦物分析、沉積環(huán)境解釋、水平井隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向等方面的應(yīng)用,為中揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖氣的勘探、研究提供參考。

1 區(qū)域概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)特征

宜頁1井為部署于宜昌市點(diǎn)軍區(qū)的一口參數(shù)井,開孔層位為白堊系石門組,終孔層位為南華系南沱組,完鉆井深2 418 m。自1 760.20～1 950.11 m、2 244.00～2 392.12 m分2段取心,全井進(jìn)行巖屑、氣測、鉆井液和工程參數(shù)綜合錄井,以及自然伽馬、自然電位、井徑、井斜、雙側(cè)向、聲波、中子、密度、井溫、流體等標(biāo)準(zhǔn)測井和VSP測井。此外,石牌組底部-燈影組頂部、陡山沱組-南沱組頂部地層還完成了聲波掃描成像(SonicScanner)、地層微電阻率掃描成像(FMI)、巖性掃描(LithoScanner)以及核磁共振測井(CMR)。水井沱組具有良好的頁巖氣形成物質(zhì)基礎(chǔ),富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育于水井沱組下部,深度為1 820～1 872 m,由上至下細(xì)分為Ⅰ～Ⅴ共5個(gè)小層段(見圖1,表1)。宜頁1井黑色頁巖段厚度為68.3 m,優(yōu)質(zhì)頁巖(TOC>2%)厚35.2 mm;總有機(jī)碳含量為0.52%～5.96%,平均為2.26%;優(yōu)質(zhì)頁巖孔隙度為0.96%～3.32%,平均為2.04%。

1.2 頁巖測井特征

宜頁1井測井顯示,自上而下GRSL逐漸增大,對比GRSL曲線和無鈾伽馬、鈾、釷、鉀曲線發(fā)現(xiàn),高GRSL峰的出現(xiàn)是以鈾元素為主、鉀元素為次的富集導(dǎo)致的。依據(jù)GRSL值將1 820～1 872 m劃分為5段(見表1)。Ⅰ段,進(jìn)入大套頁巖夾泥灰?guī)r,石英含量平均為23.3%,GRSL變化不大,測井曲線呈鋸齒狀波動(dòng)。Ⅱ段,進(jìn)入GRSL第1臺(tái)階,灰?guī)r夾層減少,鈾明顯增大,釷和鉀略微下降。Ⅲ段,進(jìn)入大套頁巖層,出現(xiàn)GRSL第2臺(tái)階,GRSL和鈾明顯增大,密度測井值開始降低。Ⅳ段,從GRSL第2臺(tái)階底部到次峰下半幅點(diǎn),為碳質(zhì)頁巖,石英含量平均為42.2%,碳酸鹽巖含量平均為25.4%;伴隨著GRSL和鈾逐漸增大,出現(xiàn)GRSL次高峰,無鈾伽馬和鉀緩慢降低,同時(shí)密度值達(dá)到最低,聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子和電阻率測井值緩慢增大,釷波動(dòng)變化不明顯。Ⅴ段,從上部次峰下半幅點(diǎn)處到水井沱組底部峰頂,GRSL迅速增加,碳酸鹽巖含量均值為28.8%,鉆井巖心中清晰可見“鍋底狀”灰?guī)r透鏡體,GRSL主要受鈾控制,兩者形態(tài)極為接近,且與鉀、鈾正相關(guān),密度和電阻率呈迅速下降趨勢。

圖1 宜頁1井水井沱組富有機(jī)質(zhì)頁巖測井響應(yīng)*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

表1 鄂西水井沱組下段頁巖儲(chǔ)層劃分及其測井特征

泥頁巖釷和鉀含量與地殼中放射性元素豐度相當(dāng),釷范圍為(5.19～17.19)×10-6(平均為12.22×10-6),鉀范圍為0.99%～4.19%(平均為2.74%)。上部第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ小層鈾含量平均為5.75×10-6,釷鈾比值平均為3.03;下部第Ⅳ、Ⅴ小層富有機(jī)質(zhì)頁巖段鈾的含量明顯增大(平均為42.12×10-6),釷鈾比值平均為0.29。此外,第Ⅴ小層鉀和光電吸收截面指數(shù)明顯較上部地層偏大。鄂西地區(qū)下寒武統(tǒng)水井沱組碳質(zhì)頁巖中富含黃鐵礦、磷質(zhì)結(jié)核、硒[8],以及鉬、鎳等多種金屬[9],這可能是光電吸收截面指數(shù)偏大的主要原因。

2 自然伽馬能譜測井應(yīng)用

在長期地質(zhì)作用過程中,含放射性元素的母巖逐漸被風(fēng)化、沉積、埋藏,放射性元素發(fā)生分離、遷移和選擇性吸附,其分布具有一定的規(guī)律性,與地層巖性、礦物成分、沉積環(huán)境和地下水的活動(dòng)密切相關(guān)[10-11]。

2.1 富有機(jī)質(zhì)頁巖識(shí)別

自然伽馬、鈾、鈾/鉀比對富有機(jī)質(zhì)頁巖有較好的識(shí)別效果[12-13],巖心實(shí)測TOC與自然伽馬能譜測井交會(huì)分析表明(見圖2),Ⅰ-Ⅱ小層TOC較低,巖性為有機(jī)質(zhì)欠豐富的鈣質(zhì)泥巖,無鈾伽馬KTH和GRSL一致,鈾含量低。第Ⅲ～Ⅴ小層頁巖GRSL大于140 API,鈾含量大于7×10-6,鈾鉀比大于3.0,為優(yōu)質(zhì)頁巖段,累計(jì)厚度達(dá)26 m,TOC為2.1%～10.5%,平均值達(dá)到5.05%,遠(yuǎn)大于Ⅰ～Ⅱ小層頁巖的TOC數(shù)值。高TOC與高鈾(10×10-6～110×10-6)、高GRSL值、高鈾鉀比值的分布一致(見圖2)。利用鈾鉀值預(yù)測TOC,相關(guān)系數(shù)R2為0.83,基本滿足測井解釋精度要求。頁巖中TOC的增大還伴隨著體積密度值的減小,但由于Ⅰ～Ⅲ層含有互層或夾層灰?guī)r,對密度測井的影響要遠(yuǎn)大于對TOC的影響,Ⅳ～Ⅴ層內(nèi)頻繁且不均勻分布的透鏡狀灰?guī)r同樣對密度測井有影響[見圖2(d)],利用密度測井預(yù)測TOC精度較差。

圖2 測井值關(guān)系圖

2.2 黏土礦物含量計(jì)算

地層中泥質(zhì)含量與釷、鉀含量有較好的相關(guān)性,釷、鉀數(shù)值差別越大,說明地層中黏土礦物含量越高(見圖1)。宜頁1井伽馬能譜測井顯示,Ⅳ-Ⅴ層優(yōu)質(zhì)頁巖段自然伽馬與去鈾伽馬曲線變化趨勢相似[見圖2(a)、圖3]。由于Ⅳ～Ⅴ層含有順層分布的泥質(zhì)灰?guī)r透鏡體,1 870.15～1 870.27 m、1 865.46～1 865.94 m、1 865.05～1 865.17 m段泥灰?guī)r對釷、鉀有明顯影響,計(jì)算黏土含量時(shí)應(yīng)予以去除。采用去鈾伽馬測井計(jì)算宜頁1井泥質(zhì)含量[14],對水井沱組頁巖段去鈾伽馬做直方圖統(tǒng)計(jì),得到KTHmax=126 API,KTHmin=15.5 API,利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算泥質(zhì)含量。結(jié)果表明,由上至下頁巖的泥質(zhì)含量逐漸降低,Ⅰ、Ⅱ小層泥質(zhì)含量平均為34.8%,Ⅲ～Ⅴ小層泥質(zhì)含量降低至28.7%(見圖4)。

2.3 黏土礦物類型確定

利用自然伽馬能譜測井中鈾、釷變化,可半定量劃分黏土礦物類型和相對含量。前人的研究表明,鋁土礦具有最大的釷鉀比,釷鉀比值為20～100;高嶺土、綠泥石型黏土的釷鉀比值為12～20,伊蒙混層的釷鉀比值為3.5～12;伊利石、白云母的釷鉀比值為2～3.5;釷鉀比值為1.5～2的礦物以云母類為主[15-16]。

圖3 水井沱組頁巖黏土及礦物含量預(yù)測

圖4為利用黏土礦物分析圖版分析得到的水井沱組頁巖黏土礦物含量,其中鉀含量為1.5%～3.5%,釷含量為14×10-6～40×10-6。測井資料分析頁巖黏土組份表明,水井沱組中伊利石、綠泥石、伊蒙混層交錯(cuò)分布,主要以伊/蒙混層和伊利石為主,還含有少量綠泥石,不含蒙脫石。綠泥石含量能明顯區(qū)分開,由Ⅰ小層至Ⅳ小層,圖解數(shù)據(jù)點(diǎn)在綠泥石范圍內(nèi)逐漸左偏,有明顯減小的趨勢;伊利石含量隨深度變化復(fù)雜,在第Ⅴ小層含量達(dá)到最大。上述分析與巖心化驗(yàn)結(jié)果一致。

圖4 自然伽馬能譜測井定量計(jì)算黏土礦水體還原程度物含量(據(jù)參考文獻(xiàn)[15],有修改)

2.4 沉積環(huán)境解釋

黑色巖系鈾、釷元素相對變化可分析頁巖沉積古地理環(huán)境,由圖5可見,水井沱組頁巖中鈾/釷值范圍為0.11～13.57,平均值位于1附近,表明水井沱組頁巖為正常海洋沉積,熱液活動(dòng)影響弱[17]。與水井沱組頁巖不同,下覆的巖家河組硅質(zhì)頁巖樣品部分落在親熱液成因硅質(zhì)巖區(qū)域內(nèi),這與前人利用主、微量元素的Al-Fe-Mn圖解和Zn-Ni-Co圖解獲得的認(rèn)識(shí)一致[18]。此外,由于鈾對海水氧化還原環(huán)境非常敏感,自生鈾元素含量可作為底層海水古氧相的指標(biāo)[19-20],自生鈾元素含量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式:自生鈾=總鈾—釷/3。當(dāng)自生鈾>12×10-6時(shí),海水為厭氧環(huán)境;12×10-6>自生鈾>5×10-6時(shí),海水為貧氧環(huán)境;自生鈾<5×10-6時(shí),則為氧化環(huán)境。圖5(b)為自生鈾含量的概率百分比,Ⅰ～Ⅱ小層頁巖自生鈾基本小于10×10-6,表現(xiàn)出氧化環(huán)境;Ⅲ～Ⅴ小層厭氧程度逐漸增強(qiáng)。

圖5 鄂西地區(qū)頁巖鈾/釷關(guān)系圖及自生鈾含量百分比圖

根據(jù)上述分析,水井沱組頁巖建造沉積特征是由揚(yáng)子陸棚海古構(gòu)造與古地理?xiàng)l件決定的,研究區(qū)頁巖層系形成經(jīng)歷了“熱水活動(dòng)—上升洋流—缺氧事件”的環(huán)境演化。宜昌地區(qū)遠(yuǎn)離活動(dòng)帶,巖家河組早期沉積的硅質(zhì)頁巖形成于還原水體環(huán)境中,具有熱液成因特點(diǎn);巖家河組晚期云質(zhì)頁巖形成的水體還原程度有減弱的趨勢;在早寒武世全球構(gòu)造拉張背景下,水井沱組Ⅳ～Ⅴ小層富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育在碳酸鹽臺(tái)地前緣緩坡-淺水陸棚環(huán)境,全球范圍內(nèi)的海侵使水體又恢復(fù)到缺氧條件;到早寒武世水井沱組中期,Ⅰ～Ⅲ小層灰色鈣質(zhì)頁巖形成于淺水陸棚內(nèi)緣斜坡相帶,水體含氧量逐漸上升,為弱還原—弱氧化或貧氧狀態(tài)。

2.5 隨鉆自然伽馬在水平井地質(zhì)導(dǎo)向中的應(yīng)用

地質(zhì)導(dǎo)向是通過實(shí)時(shí)計(jì)算井眼軌跡,進(jìn)而調(diào)整使之命中靶點(diǎn)目標(biāo)并在靶窗內(nèi)有效延伸[22]。利用隨鉆元素錄井及其他資料獲得的標(biāo)志層、巖性組合、電阻率、自然伽馬能譜、元素特征等參數(shù)[23],與標(biāo)志井對比,分析預(yù)測當(dāng)前深度的細(xì)分層位[22]。宜頁1井水井沱組頁巖自上至下碳酸鹽含量、有機(jī)質(zhì)含量等漸變,電阻率沒有突變的標(biāo)志層(見圖1),不能用作定向依據(jù)。而地化和元素錄井由于巖屑遲到時(shí)間、人工撈砂頻率的限制,不能及時(shí)反映地下信息,可靠性同樣較低。海相頁巖沉積穩(wěn)定,水井沱組底部“異常高鈾、異常高伽馬”頁巖橫向可對比性強(qiáng),利用隨鉆自然伽馬進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向最為可行。宜頁1HF井為在宜頁1井直井井眼的基礎(chǔ)上,以水井沱組Ⅳ-Ⅴ小層頁巖為目的層的側(cè)鉆水平井,在宜頁1HF井鉆探過程中采用隨鉆自然伽馬進(jìn)行水平井導(dǎo)向,同時(shí)利用巖屑有機(jī)地化和元素錄井進(jìn)行鉆后驗(yàn)證。水平段軌跡控制通過對比→計(jì)算→預(yù)測→調(diào)整4個(gè)步驟完成,根據(jù)隨鉆資料,分析鉆遇地層巖性、物性及含氣性,并與導(dǎo)眼井進(jìn)行精細(xì)對比,判斷鉆頭所處位置及距離氣層頂、底距離,結(jié)合地震資料預(yù)測鉆進(jìn)方向地層變化,調(diào)整地震模型及井眼軌跡,保證在目的層中穿行。

宜頁1井水井沱組含氣頁巖共劃分5個(gè)標(biāo)志層(見圖6),自上而下:1號(hào)標(biāo)志層位于Ⅲ小層頂部、泥質(zhì)灰?guī)r底部,自然伽馬呈鋸齒狀微小幅度變化、往下緩慢抬升,氣測異常高值明顯;2～3號(hào)標(biāo)志層位于Ⅲ、Ⅳ小層界限附近,曲線具鐘形雙峰特點(diǎn),自然伽馬中幅正異常,2號(hào)層為低密度峰底部;4號(hào)標(biāo)志層位于頁巖中部次高碳尖部,巖性為灰黑色頁巖,電性特征變化明顯,曲線呈鐘形單峰高尖狀,其下為低自然伽馬、高密度透鏡狀泥質(zhì)灰?guī)r;5號(hào)標(biāo)志層位于富有機(jī)質(zhì)頁巖底部最高碳尖部,曲線呈鐘形復(fù)合高尖單峰狀,氣測降至基值,巖性由高自然伽馬灰黑色頁巖變?yōu)閹r家河組低自然伽馬灰色灰?guī)r。

宜頁1HF井1 900～2 450 m入靶段與宜頁1井導(dǎo)眼井層位對比見圖6,5個(gè)標(biāo)志層全部存在,說明甜點(diǎn)段所有小層全部鉆遇。宜頁1HF井自井深2 042 m(Ⅳ小層中部)進(jìn)入水平段,由于地層產(chǎn)狀變陡,于2 046 m左右開始回切,至2 155 m回切至Ⅲ小層;鉆至2 172 m處地質(zhì)參數(shù)發(fā)生明顯變化,隨鉆自然伽馬由154 API下降至108 API,氣測甲烷由11%降至7%,錄井TOC由7.0%下降至5.43%,且硅元素含量下降,鈣元素含量上升,判斷回到Ⅲ小層上部;通過降斜(由86.5°降至78.5°)于2 215 m開始下切,2 313 m隨鉆自然伽馬由111 API升高至156 API,氣測甲烷由6.3%增大至12.5%,表明成功追回Ⅳ小層。2 352 m處井斜由80.9°增至85.0°過程中地質(zhì)參數(shù)發(fā)生較大變化,隨鉆自然伽馬由1 050 API下降至60 API,甲烷含量由10.7%降低至2.8%,TOC由6.2%下降至4.0%,硅元素含量下降,鈣元素含量上升,判斷進(jìn)入巖家河組。分析認(rèn)為該處Ⅳ小層上部地層存在錯(cuò)動(dòng),遂調(diào)整增斜并在2 414 m穿回Ⅴ小層,通過實(shí)鉆跟蹤,保持軌跡在Ⅳ小層下部及Ⅴ小層穿行。

圖6 宜頁1井導(dǎo)眼井與宜頁1HF水平井導(dǎo)向地層對比

宜頁1HF井鉆至3 917 m,水平段AB長1 875 m,其中A靶點(diǎn)對應(yīng)導(dǎo)眼井Ⅳ小層距頁巖底部13.8 m位置,B靶點(diǎn)對應(yīng)導(dǎo)眼井Ⅳ小層距頁巖底部17.4 m位置(見圖7)。水平井鉆探過程中氣測全烴最大為33.89%,平均為14.87%;氣測甲烷最大為29.16%,平均為10.83%;隨鉆自然伽馬為219.8～1 178.7 API(平均456 API),錄井巖屑TOC為3.25%～6.79%(平均5.09%),錄井元素硅含量為43.5%～69.6%,平均為54.8%,該含量為5.9%～28.8%,平均為14.5%。水平井軌跡主要在Ⅳ～Ⅴ小層中穿行,優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率為90.4%。后期測試,宜頁1HF井氣產(chǎn)量為6.02×104m3/d,無阻流量為12.38×104m3/d,油壓和氣量比較穩(wěn)定。

圖7 宜頁1HF水平井井眼軌跡及地層隨鉆分析圖

3 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

(1)宜頁1井水井沱組下部優(yōu)質(zhì)頁巖段Ⅲ～Ⅴ小層TOC大于2%,GRSL大于140 API,鈾含量大于7 mg/L,鈾鉀比大于3.0。利用自然伽馬能譜鈾含量、鈾鉀比可預(yù)測TOC含量,預(yù)測精度較密度測井方法高。

(2)采用去鈾伽馬測井計(jì)算宜頁1井泥質(zhì)含量,揭示黏土類型,Ⅰ、Ⅱ小層泥質(zhì)含量平均為34.8%,Ⅲ～Ⅴ小層泥質(zhì)含量降低至28.7%。水井沱組頁巖以伊/蒙混層和伊利石為主,含有少量綠泥石,且綠泥石隨深度增加有減小趨勢,伊利石含量在第Ⅴ小層達(dá)到最大。

(3)自然伽馬能譜測井鈾、釷元素,以及自生鈾元素含量變化趨勢,揭示巖家河組早期硅質(zhì)頁巖形成于還原水體環(huán)境中,具有熱液成因特點(diǎn);水井沱組Ⅳ～Ⅴ小層有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育在碳酸鹽臺(tái)地前緣緩坡-淺水陸棚相帶缺氧環(huán)境中;Ⅰ～Ⅲ小層灰色鈣質(zhì)頁巖形成于淺水陸棚內(nèi)緣斜坡相帶貧氧環(huán)境中。

(4)依據(jù)水井沱組底部異常高自然伽馬值、橫向可對比性強(qiáng)的特點(diǎn),可解決水平鉆進(jìn)過程中井軌跡控制、儲(chǔ)層識(shí)別等問題,保持軌跡在Ⅳ小層下部及Ⅴ小層優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層中穿行。隨鉆自然伽馬地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)在宜昌地區(qū)的成功應(yīng)用,為加快鄂西地區(qū)寒武系頁巖氣水平井的施工積累了經(jīng)驗(yàn),具有重要意義。