黃仁春 王燕 程斯?jié)?劉帥 程麗

中國石化勘探分公司勘探研究院

目前，國內(nèi)外文獻(xiàn)資料中提及的利用不同測井響應(yīng)特征差異估算有機(jī)碳含量（TOC）的方法主要有：①利用鈾含量與TOC之間具有的近似線性關(guān)系估算TOC的自然伽馬能譜法；②利用總伽馬強(qiáng)度估算TOC的伽馬強(qiáng)度法；③建立體積密度和TOC經(jīng)驗(yàn)關(guān)系估算TOC的體積密度法；④利用孔隙度和電阻率疊合的ΔlgR法等計(jì)算評價(jià)TOC含量。筆者在繼承前人理論方法成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合四川盆地焦石壩氣田頁巖氣儲(chǔ)層自身的地質(zhì)特點(diǎn)開展技術(shù)創(chuàng)新，建立多個(gè)TOC測井計(jì)算模型，并利用巖心分析資料對模型進(jìn)行優(yōu)選及精度分析，最終形成了焦石壩氣田區(qū)域經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型。

1 地質(zhì)概況

涪陵焦石壩地區(qū)位于四川盆地川東隔擋式褶皺帶南段石柱復(fù)向斜、方斗山復(fù)背斜和萬縣復(fù)向斜等多個(gè)構(gòu)造單元的結(jié)合部。受雪峰山、大巴山等方向多期構(gòu)造影響，該區(qū)主要發(fā)育北東向和北西向2組斷層［1－3］。焦石壩頁巖氣田位于焦石壩似箱狀斷背斜內(nèi)，構(gòu)造主體變形較弱。上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組的頁巖氣儲(chǔ)層主要巖性為黑色碳質(zhì)筆石頁巖，偶夾薄層粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖或粉砂巖透鏡體及一層含碳質(zhì)泥質(zhì)生屑灰?guī)r或含生屑碳灰質(zhì)泥巖。巖石中富含筆石和放射蟲等化石，常見大量黃鐵礦薄層、條帶或小透鏡體及大量分散分布的黃鐵礦晶粒，水平層理發(fā)育，為深水陸棚亞相間有低密度濁流及碳酸鹽巖碎屑流等環(huán)境沉積。

2 有機(jī)碳含量計(jì)算方法

2.1 改進(jìn)ΔlgR 法

ΔlgR技術(shù)由EXXON／ESSO石油公司推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)得出，該技術(shù)以預(yù)先給定的疊合系數(shù)將算術(shù)坐標(biāo)下的聲波時(shí)差曲線和算術(shù)對數(shù)坐標(biāo)下的電阻率曲線，在非泥頁巖處疊合，并確定為基線位置?；€確定后，2條曲線間的間距在對數(shù)電阻率坐標(biāo)上的讀數(shù)即為ΔlgR。

在ΔlgR法基礎(chǔ)上，根據(jù)焦石壩氣田頁巖氣儲(chǔ)層特征確定電阻率和聲波時(shí)差曲線的基線值，并引入密度曲線值。改進(jìn)后的ΔlgR法表達(dá)式為：

式中TOC為有機(jī)碳含量；R為電阻率測井值，Ω·m；AC為聲波時(shí)差測井值，μs／ft（1ft＝0.304 8m，下同）；DEN為密度測井值，g／cm3；LOM為熱變指數(shù)，可由TOC與ΔlgR關(guān)系圖版求得；K、a、b為地區(qū)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

Passey等［4］指出，ΔlgR方法應(yīng)用限定為LOM＝6.0～10.5（Ro為0.5%～0.9%），超出此限定范圍使用此方法需謹(jǐn)慎，同時(shí)指出上述超出LOM限定范圍的“非Passey”巖石會(huì)使 ΔlgR法得出錯(cuò)誤的結(jié)果［5］。

結(jié)合焦石壩氣田頁巖氣儲(chǔ)層Ro值特征（Ro介于2.42%～3.13%、平均值為2.65%），ΔlgR法求取TOC具有一定的局限性，且計(jì)算值可能比實(shí)際值偏低。

圖1 體積密度與總有機(jī)碳含量關(guān)系圖版

2.2 體積密度法

Mallick、Schmoker等對印度Assam盆地碳質(zhì)頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度和地層密度的關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)兩者存在反比關(guān)系［5－8］。Decker等證實(shí)頁巖的TOC與體積密度之間具有良好的線性關(guān)系，并建立了Antrim頁巖TOC與體積密度的關(guān)系［9］，發(fā)現(xiàn)頁巖密度值隨總有機(jī)碳含量的降低而減小，兩者相關(guān)系數(shù)為91%（圖1－a）。

其理論依據(jù)在于，泥頁巖中有機(jī)質(zhì)的密度（1.03～1.10g／cm3）明顯低于圍巖基質(zhì)的密度（黏土骨架的密度為2.30～3.10g／cm3），使優(yōu)質(zhì)泥頁巖的巖性密度測井值降低。富含有機(jī)質(zhì)的低孔隙度、低滲透率泥頁巖中，地層巖性密度的變化對應(yīng)于有機(jī)質(zhì)豐度的變化［7－8］。

根據(jù)Decker等［9］對Antrim頁巖礦物學(xué)分析顯示其主要成分黃鐵礦和干酪根是總巖石密度潛在的影響因素（圖2－a）。可知，低密度的頁巖似乎受控于低密度有機(jī)質(zhì)含量的增加量。數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離最佳擬合曲線可能是由密度異常高的黃鐵礦引起的，這一密度比巖石形成的礦物密度高很多。

圖2 頁巖氣儲(chǔ)層礦物成分及密度統(tǒng)計(jì)圖

在借鑒美國東部密執(zhí)安盆地上泥盆統(tǒng)Antrim頁巖研究的基礎(chǔ)上，提出一種假設(shè)，即焦石壩氣田頁巖氣儲(chǔ)層同Antrim頁巖一樣，總有機(jī)碳含量與總地層體積密度之間存在一定的聯(lián)系。這種聯(lián)系的存在使得應(yīng)用測井資料確定頁巖總有機(jī)碳含量成為可能，因?yàn)榈貙芋w積密度可以通過常規(guī)測井儀器精確測得。

由圖1－b可知，有2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)明顯偏離最佳擬合線位置，根據(jù)這2個(gè)點(diǎn)對應(yīng)密度值推測，可能是由密度異常高的黃鐵礦或是由密度異常低的干酪根引起。為證實(shí)這一推測，對焦石壩氣田Y1井頁巖氣儲(chǔ)層X射線衍射全巖分析資料和總有機(jī)碳含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（圖2－b）可知，高密度的黃鐵礦和低密度的干酪根均是五峰組—龍馬溪組頁巖礦物成分的重要組成部分。

在實(shí)際勘探生產(chǎn)過程中，地層巖性密度往往由巖性密度曲線測得。因此，利用巖性密度曲線計(jì)算TOC含量的公式如下：

式中ρ 為 密 度 測 井 值，g／cm3；a、b值 為 地 區(qū) 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

利用焦石壩氣田Y1井173個(gè)巖心實(shí)驗(yàn)分析樣品點(diǎn)（在建立解釋模型時(shí)，應(yīng)注意剔除由礦物成分等因素造成的異常點(diǎn)）。采用最小二乘擬合法，求得焦石壩地區(qū)海相頁巖氣儲(chǔ)層的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為：a＝－15.491、b＝42.708，相關(guān)系數(shù)R＝0.905。

2.3 自然伽馬能譜法

前人研究表明，利用鈾（U）含量可以評價(jià)地層有機(jī)質(zhì)豐度，同時(shí)也指出隨著釷鈾比的減小，有機(jī)碳含量逐漸增大。因此，利用一元回歸分析可以得到自然伽馬能譜測井曲線計(jì)算有機(jī)碳百分含量的公式。

其理論依據(jù)在于，頁巖有機(jī)質(zhì)一般形成于靜水還原環(huán)境中，其中干酪根具有較高放射性元素鈾，同時(shí)隨著泥頁巖顏色的加深，有機(jī)質(zhì)物質(zhì)成分的增加，鈾含量增高，釷、鉀含量相對降低［9］。

2.3.1 鈾值計(jì)算

利用自然伽馬能譜中的鈾值計(jì)算頁巖氣儲(chǔ)層有機(jī)碳含量，其公式為：

式中ω（U）為鈾曲線值，10－6；a、b為地區(qū)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

利用焦石壩氣田巖心實(shí)驗(yàn)分析資料，采用最小二乘擬合法，求得焦石壩地區(qū)海相頁巖氣的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為：a＝0.238 1、b＝0.201 6，相關(guān)系數(shù)R＝0.672 2。

2.3.2 釷鈾比值計(jì)算

利用自然伽馬能譜中的釷鉀比值計(jì)算頁巖氣儲(chǔ)層有機(jī)碳含量，其公式為：

式中RTh／U為釷、鈾曲線比值；a、b為地區(qū)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

利用焦石壩氣田巖心實(shí)驗(yàn)分析資料，采用最小二乘擬合法，求得該區(qū)海相頁巖氣的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為：a＝－0.899 6、b＝4.221 4，相關(guān)系數(shù)R＝0.638 7。

2.3.3 鈾鉀比值計(jì)算

利用自然伽馬能譜中的鈾鉀比值曲線計(jì)算頁巖氣儲(chǔ)層的有機(jī)碳含量，其公式為：

式中RU／K為鈾、鉀曲線比值；a、b為地區(qū)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

利用焦石壩氣田巖心實(shí)驗(yàn)分析資料，采用最小二乘擬合法，求得該區(qū)海相頁巖氣的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為：a＝0.466 2、b＝0.881，相關(guān)系數(shù)R＝0.686 3。

2.3.4 鈾值與鈾鉀比值的差值計(jì)算

前期研究發(fā)現(xiàn)，鈾值與鈾鉀比值曲線的差值同實(shí)驗(yàn)分析的TOC值具有較好的相關(guān)性。故泥頁巖有機(jī)碳含量同自然伽馬能譜比值曲線系列中ω（U）－RU／K差值的公式為：

式中ω（U）為鈾曲線值；RU／K為釷、鈾比值；a、b為地區(qū)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

利用參數(shù)井巖心實(shí)驗(yàn)分析資料，采用最小二乘擬合法，求得焦石壩地區(qū)海相頁巖氣的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為：a＝0.206 9、b＝0.873 9，相關(guān)系數(shù)R＝0.689 8。

利用自然伽馬能譜法建立的單因素模型可以對海相泥頁巖地層的有機(jī)碳含量進(jìn)行計(jì)算，方法相對快速簡便，但模型相關(guān)系數(shù)R介于0.638 7～0.689 8，均小于0.8，難以滿足測井解釋精度要求（圖3）。

圖3 頁巖氣儲(chǔ)層自然伽馬能譜曲線值與實(shí)驗(yàn)分析TOC關(guān)系圖

2.4 多元擬合法

通過對焦石壩氣田Y1井五峰組—龍馬溪組取心段巖心實(shí)驗(yàn)分析TOC分析數(shù)據(jù)與11條常規(guī)測井曲線進(jìn)行相關(guān)性分析，得到每條曲線對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)（表1）。由表1可知，實(shí)驗(yàn)分析TOC與密度曲線值的相關(guān)性最好，其次為鈾曲線值。

表1 測井曲線值與TOC實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

通過上述相關(guān)分析可知，測井曲線值與TOC實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間存在或正或負(fù)、或弱或強(qiáng)的線性相關(guān)關(guān)系，線參與回歸建模，建立焦石壩地區(qū)TOC多元線性擬合模型：

式中ω（U）為鈾值，10－6；ρ 為密度測井值，g／cm3；a、b、c為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

利用巖心實(shí)驗(yàn)分析資料，采用最小二乘擬合法，求得焦石壩地區(qū)海相頁巖氣儲(chǔ)層的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為：a＝0.049、b＝－13.373、c＝36.735；相關(guān)系數(shù)R＝0.865。

利用多元擬合法建立的多因素模型可以對海相泥頁巖地層的有機(jī)碳含量進(jìn)行計(jì)算，方法相對快速簡便，模型相關(guān)系數(shù)R＝0.865，能滿足解釋精度要求。但在相似解釋精度情況下，巖性密度法比多變量模型更為簡單，且涉及較少測井曲線。

2.5 體積模型法

在采用上述經(jīng)典方法評價(jià)頁巖氣儲(chǔ)層有機(jī)碳含量之外，參考頁巖油測井評價(jià)方法，結(jié)合焦石壩地區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層實(shí)際情況，探索性地利用巖石物理體積模型法計(jì)算有機(jī)碳含量。該方法在保證解釋精度情況下，提高模型普適性。

頁巖氣儲(chǔ)層一般含有大量的有機(jī)物質(zhì)即干酪根［16－20］。非頁巖氣儲(chǔ)層也含有有機(jī)質(zhì)，但其有機(jī)質(zhì)含量一般都很小。在以黏土成分為主的頁巖里，其骨架的顆粒主要是層狀的黏土礦物，而固體的有機(jī)質(zhì)賦存方式主要有兩種，即分散有機(jī)質(zhì)方式與有機(jī)質(zhì)富集層方式，有機(jī)質(zhì)和黏土沉積混合在一起，而不是充填在它們之間的孔隙中。

因此，在不影響解釋精度前提下，依據(jù)巖心檢測資料為分析基礎(chǔ)并進(jìn)行簡化，建立了測井解釋巖石物理體積模型（圖4－a）。測井解釋巖石物理體積模型將頁巖氣儲(chǔ)層劃分為巖石骨架和孔隙兩大部分，其中巖石骨架分為黏土礦物、脆性礦物和干酪根3部分。黏土礦物主要成分為伊蒙混層和伊利石，因綠泥石和高嶺石在地層中含量很少而選擇在模型中去掉；脆性礦物主要成分為硅質(zhì)礦物和碳酸鹽礦物，黃鐵礦和赤鐵礦因在地層中含量較少，在測井解釋體積模型中并入硅質(zhì)礦物部分；孔隙主要包括游離烴和水，即目前將該區(qū)頁巖儲(chǔ)層體積模型進(jìn)行簡化為“五元體積模型”，即：V硅質(zhì)＋V碳酸鹽巖＋V黏土礦物＋V干酪根＋V孔隙＝1。

圖4 體積模型法計(jì)算有機(jī)碳含量原理圖

頁巖氣儲(chǔ)層各組分的物理性質(zhì)不同，在測井曲線上具有不同的響應(yīng)特征，而測井信息反映的是各種物理性質(zhì)的總和［21－23］。當(dāng)巖石的密度減小時(shí)，可能是孔隙度、有機(jī)質(zhì)或是黏土含量的影響，故無法僅從這一條測井曲線中確定3種組分的變化情況。在這種情況下可再用另外一條曲線來區(qū)分。依據(jù)是有機(jī)質(zhì)引起地層中吸附的鈾含量變化（當(dāng)未測得鈾曲線時(shí)，可參考自然伽馬曲線值）。在相同的巖石成分和類似礦物成分的巖石中，當(dāng)孔隙增大時(shí)，對應(yīng)的巖性密度減小，而鈾值曲線不會(huì)有明顯變化；當(dāng)黏土含量增大時(shí)，對應(yīng)的巖性密度增大，而鈾值曲線不會(huì)有明顯變化；而當(dāng)有機(jī)質(zhì)的含量增大時(shí)，對用的巖性密度減小，鈾值曲線會(huì)明顯增大。

因此，研究在原有頁巖油有機(jī)質(zhì)含量計(jì)算原理基礎(chǔ)上，結(jié)合焦石壩地區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層特征，建立適合研究區(qū)地層特征的計(jì)算頁巖地層有機(jī)質(zhì)含量的體積模型（圖4－b）。該模型首先利用巖性密度和鈾值的參數(shù)對，確定3個(gè)極值點(diǎn)，即100%含有機(jī)質(zhì)、100%含黏土、100%純巖石骨架。這3個(gè)極值點(diǎn)對應(yīng)3個(gè)測井參數(shù)對。計(jì)算方法如下：

首先，應(yīng)用體積模型確定有機(jī)質(zhì)體積百分含量：

式中Vker為有機(jī)質(zhì)體積百分含量；Δρk、Δρma、Δρker分別為計(jì)算點(diǎn)、巖石骨架點(diǎn)、有機(jī)質(zhì)極值點(diǎn)的密度值，g／cm3。

然后，將有機(jī)質(zhì)體積百分含量轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳重量百分含量（TOC），公式為：

式中TOC為有機(jī)碳重量百分含量；ρker、ρb分別為有機(jī)質(zhì)密度和體積密度，g／cm3；K為有機(jī)碳轉(zhuǎn)化系數(shù)，該系數(shù)受有機(jī)質(zhì)類型和巖層成巖作用的影響，其取值范圍為1.25～1.57（表2）。

表2 轉(zhuǎn)換系數(shù)K取值表

2.6 高精地層元素能譜測井

上述確定頁巖氣儲(chǔ)層總有機(jī)碳含量（TOC）時(shí)使用的是相對復(fù)雜的、具有解釋性質(zhì)的計(jì)算模型，且都需要結(jié)合多種不同的測井?dāng)?shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)室測試結(jié)果。同時(shí)，不同的解釋方法可能得出不同的解釋結(jié)論，目前，斯倫貝謝公司推出的Litho Scanner即高精地層元素能譜測井，能夠提供獨(dú)立的TOC測量。其原理是根據(jù)能譜測量得到的地層碳元素豐度值減去地層碳酸鹽礦物的碳元素豐度，二者之差即為地層的TOC，其中地層碳酸鹽礦物的碳元素豐度可由Litho Scanner準(zhǔn)確的礦物量化分析確定。高精地層元素能譜測井得到的TOC結(jié)果不受環(huán)境和儲(chǔ)層影響，并可在現(xiàn)場得出連續(xù)深度的測井?dāng)?shù)據(jù)。但高精地層元素能譜測井未在焦石壩氣田測得，該方法的適用性有待進(jìn)一步證實(shí)。

3 對比分析

應(yīng)用上述方法對焦石壩氣田參數(shù)井Y1井進(jìn)行實(shí)際處理（圖5）。處理結(jié)果表明，利用多元擬合法、體積密度法和體積模型法得到的有機(jī)碳含量與巖心分析資料具有更好的相關(guān)性。而體積密度法更為簡單，因此最終優(yōu)選體積密度法作為該頁巖氣儲(chǔ)層有機(jī)碳含量計(jì)算的區(qū)域經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

為進(jìn)一步驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷钠者m性，應(yīng)用該方法對焦石壩氣田重點(diǎn)井的總有機(jī)碳含量開展測井精細(xì)解釋評價(jià)，并利用巖心實(shí)測資料進(jìn)行精度分析?？芍袡C(jī)碳含量測井解釋符合率介于90.5%～91.0%（表3）。

圖5 5種有機(jī)碳含量計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果對比圖

表3 焦石壩氣田頁巖氣儲(chǔ)層評價(jià)參數(shù)巖心分析與測井計(jì)算誤差分析表

4 結(jié)論

1）將ΔlgR法及其改進(jìn)方法、自然伽馬能譜法計(jì)算結(jié)果同巖心分析資料進(jìn)行對比，兩者匹配性較差，其中ΔlgR法及其改進(jìn)法并不適用于Ro值相對較高的海相頁巖氣儲(chǔ)層，而自然伽馬能譜法的模型相關(guān)系數(shù)R介于0.638 7～0.686 3，均小于0.8，難以滿足解釋精度要求。

2）多元擬合法和體積密度法處理解釋精度均較高，能滿足解釋精度要求，但兩者相較之下，體積密度法涉及較少測井系列，方法更為簡單且適用范圍更廣。

3）體積模型法建?；A(chǔ)為巖石物理體積模型，整個(gè)解釋流程雖不依賴于巖心實(shí)驗(yàn)分析資料，但對解釋人員要求較高。

4）盡管高精地層元素能譜測井得到的TOC結(jié)果不受環(huán)境和儲(chǔ)層影響，但由于該方法被國外公司壟斷且價(jià)格昂貴，并且該方法未在焦石壩氣田應(yīng)用，其適用性還有待于進(jìn)一步實(shí)踐驗(yàn)證。

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