青海省都蘭縣八寶山盆地三疊紀(jì)頁(yè)巖氣測(cè)井方法研究

陳建洲， 謝 菁， 李 青， 鞏志遠(yuǎn)， 王萬(wàn)慶， 趙勝楠，王琪瑋， 徐永鋒， 晁海德

(1.青海省第四地質(zhì)勘查院，西寧 810029； 2.青海省頁(yè)巖氣資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810029)

0 引言

在青海省柴達(dá)木盆地南、北緣，南、北祁連，青南等地區(qū)開(kāi)展地質(zhì)勘查，發(fā)現(xiàn)志留系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系等地層中賦存巨厚暗色泥頁(yè)巖。通過(guò)2014—2015年度實(shí)施“青海省頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)”項(xiàng)目，在八寶山盆地地質(zhì)調(diào)查中確定的三疊系暗色泥頁(yè)巖段賦存層位、分布情況和采集的有機(jī)地球化學(xué)測(cè)試成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的定量參數(shù)評(píng)價(jià)。目前對(duì)頁(yè)巖氣的測(cè)井解釋國(guó)內(nèi)正處于研究階段，主要是受到頁(yè)巖儲(chǔ)層巖石物理性質(zhì)不穩(wěn)定的約束。三口頁(yè)巖氣井，由4家不同單位承擔(dān)測(cè)井工作，其中物性數(shù)據(jù)、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理等采用了Forward NET、Techlog等不同版本的測(cè)井軟件評(píng)價(jià)，針對(duì)同口井4家單位利用不同軟件、不同測(cè)井公式提供的測(cè)井結(jié)果差異較大。但因受知識(shí)產(chǎn)權(quán)制約，各單位都未提供軟件技術(shù)鑒定文本和處理程序中使用的物理模型及對(duì)應(yīng)的響應(yīng)方程式。因此，結(jié)合頁(yè)巖氣井內(nèi)豐富的參數(shù)實(shí)測(cè)資料、鉆獲巖心、巖礦鑒定、化驗(yàn)、測(cè)試等成果集成了理論依據(jù)充分、物理基礎(chǔ)可靠、可操作性強(qiáng)，適合本區(qū)的三疊系暗色富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖與粉砂巖等薄夾層含氣巖系的綜合定性、定厚、定量評(píng)價(jià)模式，并進(jìn)行了鉆獲巖心樣品化驗(yàn)測(cè)試成果驗(yàn)證和隨機(jī)抽樣，利用規(guī)范[1]中的公式進(jìn)行了人工點(diǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

1 地質(zhì)特征

八寶山盆地位于青海省中部東昆侖山腹地，布爾汗布達(dá)山主脊以南，東昆侖地質(zhì)構(gòu)造帶的昆中結(jié)合帶及其南側(cè)，盆地夾持于昆中及昆南斷裂之間，構(gòu)造線以近東西向?yàn)橹?圖1)。

①-柴達(dá)木北緣斷裂；②-柴南緣斷裂；③-東昆中斷裂帶；④-東昆南斷裂帶；⑤-布青山南坡斷裂；⑥-瑪多-甘德斷裂；⑦-瓦洪山走滑斷裂圖1 東昆侖造山帶東段及鄰區(qū)構(gòu)造單元?jiǎng)澐?據(jù)參考文獻(xiàn)2修編)Figure 1 Tectonic element partitioning for Kunlun orogenic belt eastern sector and neighboring areas (after reference [2]， modified)

盆地內(nèi)地層主要出露中—新元古代、三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)、新近紀(jì)及第四紀(jì)地層。其中上三疊統(tǒng)八寶山組為一套以海陸交互相為主的碎屑巖與火山巖沉積，為本次研究重點(diǎn)對(duì)象，分布面積約800km2，厚度在1 000～1 200m，地層走向分布連續(xù)，厚度變化穩(wěn)定，產(chǎn)狀平緩(傾角10°～20°)。

2 調(diào)查井施工及儲(chǔ)層特征

2.1 調(diào)查井施工

2016—2019年在青海省八寶山盆地進(jìn)行頁(yè)巖氣地質(zhì)調(diào)查，沿盆地中軸線施工了三個(gè)調(diào)查井(圖1)，其中八頁(yè)1井在564m鉆穿三疊系八寶山組及洪水川組,測(cè)井解釋含氣層118.82m，共36層；八頁(yè)2井在1 189.1m鉆穿侏羅系羊曲組，三疊系八寶山組、鬧倉(cāng)尖溝組，測(cè)井解釋出頁(yè)巖氣儲(chǔ)層616.2m，共45層；八頁(yè)3井在1 600m鉆穿侏羅系羊曲組及三疊系八寶山組下段，對(duì)586.00～1 603.50m進(jìn)行測(cè)井解釋，劃分出了頁(yè)巖干層288.36m，共11層。

2.2 儲(chǔ)氣層特征

通過(guò)三口調(diào)查井揭露情況，發(fā)現(xiàn)上三疊統(tǒng)八寶山組為區(qū)內(nèi)主要烴源巖段，其上段總厚度為350.86m，暗色泥頁(yè)巖共47層，累計(jì)厚度253.87m，泥地比達(dá)到72.36%；下段總厚度503.65～591.81m，暗色泥頁(yè)巖累計(jì)厚度為245.16～282.68m，泥地比在47.77%～48.68%。

八寶山組巖性主要為含粉砂細(xì)粒長(zhǎng)石巖屑砂巖、含炭泥巖、含鈣含粉砂泥巖、含泥粉砂巖、含粉砂泥巖、含細(xì)砂粉砂巖等。為進(jìn)一步研究?jī)?chǔ)氣層的特征，對(duì)八頁(yè)2井的氣層進(jìn)行詳細(xì)研究。根據(jù)《頁(yè)巖氣勘查開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)規(guī)程》(國(guó)土資源部)中國(guó)陸上頁(yè)巖氣有利層段/區(qū)確定條件與下限標(biāo)準(zhǔn)對(duì)頁(yè)巖氣層按夾層真厚小于3m的含氣層進(jìn)行合并。共劃分出10段頁(yè)巖氣儲(chǔ)層(表1)。

3 物理基礎(chǔ)與有效參數(shù)選擇

3.1 物理基礎(chǔ)

根據(jù)本工作區(qū)鉆獲巖心巖礦鑒定與測(cè)試的有機(jī)碳含量、化學(xué)元素、頁(yè)巖氣儲(chǔ)層參數(shù)、巖體力學(xué)參數(shù)、各級(jí)含氣量等地球化學(xué)指標(biāo)顯示八頁(yè)2井儲(chǔ)層巖石骨架基質(zhì)粒級(jí)微細(xì)(黏土)，有機(jī)碳含量高，孔隙率大，粒間儲(chǔ)存大量的結(jié)晶水、束縛水及自生自儲(chǔ)天然氣三者都有較高的氫元素含量，疊加后形成高含氫頁(yè)巖氣層，為滿足利用測(cè)井資料準(zhǔn)確定性頁(yè)巖氣層的地質(zhì)任務(wù)，應(yīng)用天然放射性元素鈾、釷、鉀在沉積巖含量與組成巖石巖粒比面積的正相關(guān)關(guān)系作為目前利用自然伽馬參數(shù)將沉積碎屑巖劃分不同粒級(jí)的主要理論依據(jù)(圖2)。據(jù)此不同的地層具有不同的自然放射性強(qiáng)度，這就是應(yīng)用自然伽馬參數(shù)研究和解決頁(yè)巖勘查地質(zhì)問(wèn)題的理論基礎(chǔ)。

表1 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)試成果Table 1 Shale gas reservoir tested results

自然伽馬/API圖2 八頁(yè)2井比表面積-自然伽馬交會(huì)Figure 2 Well BY No.2 specific surface area and gamma-ray log cross plot

3.2 有效參數(shù)選擇

在3口井中實(shí)測(cè)了聲、電、核、電化學(xué)四種系列，多種不同物性參數(shù)的測(cè)井工作[3]。用規(guī)范[1]規(guī)定的數(shù)學(xué)計(jì)算公式經(jīng)Forward、NET測(cè)井資料處理系統(tǒng)，斯倫貝謝的Techlog軟件的Elan模塊；shale gas模塊等測(cè)井資料專用軟件處理后生成的頁(yè)巖氣礦物成分、有機(jī)碳含量、總含氣量、孔隙率、含泥量、脆性指數(shù)、巖石力學(xué)5項(xiàng)彈性指數(shù)等多種定量評(píng)價(jià)工業(yè)品位指數(shù)曲線，通過(guò)對(duì)每個(gè)系列、每種參數(shù)、每種方法曲線,結(jié)合各種化驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析對(duì)比,找出其在目的層的響應(yīng)特征和關(guān)聯(lián)性，查清了暗色泥頁(yè)巖段發(fā)育層位、厚度、有機(jī)化學(xué)特征、地化指標(biāo)和儲(chǔ)集特征,并對(duì)其含氣性進(jìn)行評(píng)價(jià)。在滿足測(cè)井地質(zhì)任務(wù)的前提下，本論文優(yōu)選了經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理的自然伽馬、電子密度、補(bǔ)償中子、普通聲波與補(bǔ)償聲波、雙側(cè)向電阻率作為有效參數(shù)參與頁(yè)巖儲(chǔ)層的綜合定性、定厚、定量評(píng)價(jià)。

4 區(qū)內(nèi)目的層的測(cè)井響應(yīng)特征

4.1 地質(zhì)-地球物理特征

依據(jù)3口頁(yè)巖氣井揭露的富含有機(jī)質(zhì)暗色泥頁(yè)巖段地質(zhì)單元巖性，參照規(guī)范[4]規(guī)定，綜合確定本盆地頁(yè)巖氣層穩(wěn)定程度屬于不穩(wěn)定型，主要是厚度、骨架礦物成分、巖屑粒度、顏色變化大。針對(duì)特定的地質(zhì)條件，采用了全系列多參數(shù)(方法)綜合測(cè)井手段。依據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)對(duì)測(cè)井地質(zhì)任務(wù)要求規(guī)定，在綜合分析目的層及整個(gè)含氣層巖系有代表性巖層上各種物理量值、曲線幅值、包絡(luò)體圖相特征等物性的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)細(xì)粒級(jí)、深顏色、細(xì)砂巖、頁(yè)巖含有機(jī)質(zhì)目的層；控制盆地各向延展形態(tài)的測(cè)井相；不同地質(zhì)年代統(tǒng)、組、段、界線點(diǎn)確定等3項(xiàng)地質(zhì)任務(wù)與各種物性參數(shù)的關(guān)聯(lián)性。圖3為比較典型的多參數(shù)富氣黑色頁(yè)巖氣層，其中自然伽馬值為119～170API，平均值152API，深側(cè)向視電阻率為66～191Ω·m，中子孔隙度平均值33%，補(bǔ)償聲波時(shí)差為232～319μs/m,平均276μs/m；電子密度平均2.29g/cm3，測(cè)井計(jì)算總含氣量10.06m3/t。

從圖3可以看出，含氣層上部明顯的井徑突變異常顯示有自然裂縫，其中自然伽馬參數(shù)因其與組成巖石的顆粒大小相關(guān)性極強(qiáng)，且受其它鉆井、地質(zhì)環(huán)境干擾因素少，參與巖層定性層次分明、層分辨率高。

圖4中984～998m厚14m；1 048～1 066m，厚16m的兩層厚砂巖體，自然伽馬值只有55API，是八頁(yè)2井地質(zhì)剖面中的最低值，也是粗砂巖體的典型物性特征，其曲線形態(tài)是標(biāo)準(zhǔn)的單參數(shù)測(cè)井相。

圖5表明研究區(qū)地層的系、統(tǒng)、組、段在本盆地一般均有較為明顯的測(cè)井物性特征。

綜上，本區(qū)地質(zhì)-地球物理特征受含氣層骨架礦物成分及孔隙空間充填物變化大等不穩(wěn)定的條件影響而造成地球物理特征較為復(fù)雜，但總的趨勢(shì)是目的層呈現(xiàn)高自然伽馬、高中子孔隙度、低聲波速度、低電阻率、中電子密度。這些巖石物理參數(shù)除用于對(duì)目的層及其他巖層定性，還可用于建立體積模型，建立測(cè)井參數(shù)與相關(guān)評(píng)價(jià)指數(shù)之間的定量計(jì)算方程式，作為計(jì)算TOC、含泥量、總含氣量、孔隙度的定量評(píng)價(jià)指數(shù)。

4.2 綜合推斷解釋模式

運(yùn)用自然伽馬、補(bǔ)償中子、電子密度、補(bǔ)償聲波、電阻率5種有效參數(shù)一般可對(duì)頁(yè)巖氣層做定性識(shí)別。多數(shù)參數(shù)在巖性比較穩(wěn)定、地質(zhì)條件較好時(shí)就可參與(輔助)定性(定量計(jì)算)[5-7]。按照設(shè)計(jì)任務(wù)要求和評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算結(jié)果,參照規(guī)范[1，8]規(guī)定結(jié)合本項(xiàng)目的地質(zhì)、物性特征，擬定了頁(yè)巖氣有利儲(chǔ)層分類參考標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

圖3 八頁(yè)2井820～826m綜合物性Figure 3 Well BY No.2 depth 820～826m segment comprehensive physical properties

圖4 八頁(yè)2井960～1 080m測(cè)井相Figure 4 Well BY No.2 depth 960～1 080m segment logging facies

圖5 八頁(yè)2井不同地層分界點(diǎn)自然伽馬與深側(cè)向 電阻率參數(shù)響應(yīng)特征Figure 5 Different stratigraphic interfaces gamma-ray and deep laterolog resistivity parameters response characteristics in well BY No.2注： 地質(zhì)界線 測(cè)井界線

表2 測(cè)井解釋成果質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

5 資料處理與點(diǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

5.1 資料處理

依據(jù)規(guī)范[1]中處理結(jié)果檢驗(yàn)等要求，應(yīng)用自然伽馬強(qiáng)度與巖石比面積正相關(guān)基礎(chǔ)理論(圖2)、一元回歸法、樣品測(cè)試值與補(bǔ)償中子值交會(huì)圖法、補(bǔ)償中子實(shí)測(cè)值分析法進(jìn)行儲(chǔ)層含泥量、有機(jī)碳含量、總含氣量、總孔隙度4項(xiàng)儲(chǔ)層核心定量指數(shù)的計(jì)算[9-12]，這種解釋方法結(jié)合了八寶山盆地三疊系儲(chǔ)層物性實(shí)測(cè)參數(shù)，并做了數(shù)據(jù)驗(yàn)證，較目前處理解釋方法更具有針對(duì)性。具體計(jì)算及驗(yàn)證方法如下：

1)泥質(zhì)含量計(jì)算。其計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Vsh—泥質(zhì)含量，%；

GR—參與地層自然伽馬值，API；

GRmax—純泥巖自然伽馬值，API；

GRmin—純砂巖層自然伽馬值，API。

2)一元回歸法求有機(jī)碳含量。遵照規(guī)范[1]第6.1.5.1線性回歸法要求，利用八頁(yè)2井八寶山組不同深度點(diǎn)采集的197個(gè)巖樣TOC測(cè)試數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)深度測(cè)井參數(shù)中自然伽馬、聲波時(shí)差、電子密度參數(shù)進(jìn)行一元回歸分析，建立了解釋計(jì)算模型：

TOC=23.87+0.02×GR-0.01×AC

-8.86×DEN

(2)

式中：GR—自然伽馬值，API；

AC—聲波時(shí)差，μs/m；

DEN—電子密度，g/cm3；

R—相關(guān)系數(shù)，取0.78。

在參數(shù)與測(cè)試樣品點(diǎn)對(duì)應(yīng)深度上逐點(diǎn)取值，利用公式(2)計(jì)算TOC值，用已知的TOC測(cè)試成果驗(yàn)證了計(jì)算值，評(píng)定測(cè)井提交成果的質(zhì)量等級(jí)，制作測(cè)井計(jì)算值與測(cè)試值有機(jī)碳交會(huì)圖，如圖6所示。

實(shí)測(cè)/%6 八頁(yè)2井有機(jī)碳計(jì)算值和實(shí)測(cè)值交會(huì)Figure 6 Well BY No.2 computed value and measured value cross plot

3)補(bǔ)償中子與實(shí)測(cè)總含氣量交會(huì)圖法。按照規(guī)程由八頁(yè)2井78個(gè)巖心樣品的實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)得到，總含氣量與補(bǔ)償中子具有較好的正相關(guān)關(guān)系。把這78個(gè)巖心實(shí)測(cè)總含氣量與其對(duì)應(yīng)響應(yīng)深度的補(bǔ)償中子做線性回歸，得出總含氣量計(jì)算式：

V總含氣=0.024 4e0.198 4CNL

(3)

式中：V總含氣—總含氣量；CNL—補(bǔ)償中子；R—相關(guān)系數(shù)，取0.65。

利用公式(3)進(jìn)行計(jì)算的總含氣量值與實(shí)測(cè)含氣值對(duì)比做交會(huì)圖，進(jìn)行精度驗(yàn)證(圖7)。

4)總孔隙度。采用實(shí)測(cè)補(bǔ)償中子孔隙度實(shí)測(cè)得到。

圖7 補(bǔ)償中子與總含氣量交會(huì)Figure 7 Compensated neutron log and total gas content cross plot

5.2 驗(yàn)證數(shù)據(jù)分析

通過(guò)數(shù)學(xué)回歸法擬合和交會(huì)圖法得到有機(jī)碳以及總含氣量的數(shù)學(xué)模型、自然伽馬計(jì)算含泥量公式，并利用其對(duì)編錄的八頁(yè)2井地質(zhì)剖面上測(cè)井提交的不同垂深的頁(yè)巖氣層上隨機(jī)抽樣18個(gè)點(diǎn)，在同深度采集各種相關(guān)物性參數(shù)物理量[13-16]，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算點(diǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證Table 3 Precalculated position data verification

從表3可以看出，其中有機(jī)碳含量與斯倫貝謝處理值比較差3.64%，總含氣量比較差值為1.09m3/t，泥質(zhì)含量差值13.78%。因本次驗(yàn)證使用的計(jì)算公式與斯倫貝謝公司理論依據(jù)、方法不同，而使用比較差值評(píng)價(jià)法就較為適宜。孔隙率實(shí)際測(cè)試值與測(cè)井計(jì)算值差值較大，其造成的原因是多方面的，巖石骨架孔隙種類有多種，各種測(cè)試、測(cè)井方法由于機(jī)理不同，反映孔隙率角度不同，因此所求的孔隙度也不完全相同。八頁(yè)2井實(shí)測(cè)泥頁(yè)巖的孔隙率只有0.353%～1.12% ，大大降低到常規(guī)值下限以下，而補(bǔ)償中子測(cè)井計(jì)算頁(yè)巖氣層值超過(guò)理論值40%左右，又經(jīng)與總含氣量交會(huì)圖驗(yàn)證，認(rèn)為補(bǔ)償中子孔隙率理論依據(jù)較充分。

6 結(jié)論

1)基本查清了工作區(qū)地質(zhì)—地球物理特征。發(fā)現(xiàn)研究區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有與圍巖明顯差值的高自然伽馬異常，厚層粗砂巖層平滑低伽馬異常是地層對(duì)比的典型標(biāo)志層，高補(bǔ)償中子孔隙(約30%)是典型的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層母巖體頁(yè)巖小孔隙度大孔隙率的特征。

2)選擇的自然伽馬、補(bǔ)償中子、電子密度、補(bǔ)償聲波、電阻率5種有效參數(shù)，能基本滿足評(píng)價(jià)階段測(cè)井綜合解釋要求。

3)建立了適合人工解釋的多參數(shù)異常層內(nèi)幅值差值法組合圖像特征，目的層定性、定厚與多元線性回歸交會(huì)圖法，點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算核心定量評(píng)價(jià)指數(shù)相結(jié)合的綜合解釋模式。

4)建立了測(cè)井專用處理軟件(國(guó)內(nèi)Forward、NET，國(guó)外Techlog)處理成果點(diǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模式。

致謝 本文在撰寫過(guò)程中得到青海煤炭地質(zhì)局弓佩章高級(jí)工程師的全程指導(dǎo)，在此表示感謝！