嚴偉 王建波 劉帥 王昆 周依南

中國石化勘探南方分公司勘探研究院

頁巖氣是以多種相態(tài)存在并富集于泥頁巖中的天然氣，巖性多為瀝青質或富含有機質的暗黑色泥頁巖和高碳泥頁巖，其間或有夾層狀發(fā)育的粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖等［1－4］。頁巖氣部分天然氣主體上以游離相態(tài)存在于裂縫、孔隙及其他儲集空間，部分以吸附狀態(tài)存在于干酪根、黏土顆粒及孔隙表面，極少量以溶解狀態(tài)儲存于干酪根、夾層狀的粉砂巖等［5］。頁巖氣的賦存方式使得儲層含氣的測井響應特征面臨新探索。頁巖氣藏與常規(guī)氣藏相比，具有弱敏感地球物理參數(shù)特征，這就大大增加了地球物理測井技術識別頁巖氣的難度［6－7］。

吳慶紅等認為頁巖儲層具有“四高二低”特征，并且利用自然伽馬、電阻率、中子孔隙度、聲波時差和感應測井組合方法識別頁巖氣儲層［8］。Lewis等利用自然伽馬、電阻率、密度和巖性密度測井組合方法找出了含氣頁巖的典型測井曲線［9］。Cluff等利用自然伽馬能譜測井識別了阿科馬（Arkoma）盆地伍德福德（Woodford）地層的頁巖氣儲層［10］。Bowman等研究了密西西比沃斯堡（Fort Worth）盆地巴尼特（Barnett）組的頁巖層，認為聲波與電阻率交會能夠區(qū)分巖性［11］。充分認識泥頁巖的測井響應特征，才能有效地識別泥頁巖儲層，進而對泥頁巖儲層參數(shù)計算進行研究。本文在調(diào)研國內(nèi)外測井評價頁巖氣的基礎上，分析實際頁巖氣井資料，總結涪陵焦石壩海相泥頁巖地層測井響應特征，探索適合該區(qū)泥頁巖儲層識別的方法，從而更好地進行測井參數(shù)評價。

1 泥頁巖測井響應特征

焦石壩位于重慶市涪陵區(qū)，構造位置處于川東高陡褶皺帶包鸞—焦石壩背斜帶，下志留統(tǒng)龍馬溪組是四川盆地及周緣下古生界海相頁巖氣主要目的層。焦石壩海相頁巖氣探井JY1井、JY2HF、JY3HF和JY4HF井儲層埋深介于2 300～2 595m，實驗分析JY1井泥頁巖主要有灰黑色泥巖、黑色碳質泥巖、灰黑色碳質泥巖、灰黑色粉砂質泥巖、灰黑色頁巖和黑色碳質頁巖6類?？紫抖戎到橛?.17%～7.22%，平均為4.52%，滲透率值介于0.001 6～335.209mD，平均為28.309mD。有機 碳含量 （TOC）介 于 0.55% ～5.89%，平均為2.54%?？偤瑲饬拷橛?.18～5.75 m3／t，平均為 3.14m3／t。鏡質體反射率（Ro）大于2%。脆性礦物含量介于33.9%～80.3%，平均為56.5%，礦物組分以石英為主，平均占37.3%。

1.1 自然伽馬曲線測井響應特征

自然伽馬測井反映了巖石所放射出自然伽馬射線的總強度。泥頁巖地層中黏土對放射線物性的貢獻很大，各種黏土礦物對放射線物質的貢獻不同。蒙脫石本身不含放射線物質，但其陽離子交換能力較強，表面積較大，對放射線物質吸收能力強，含有較多的氧化鈾，對黏土的放射線貢獻最大；伊利石本身含鉀，具有放射性，對氧化鈾有一定的吸附能力；綠泥石本身無放射性，其陽離子交換能力差，缺乏放射性附著物。JY1井五峰—龍馬溪組一段主要含氣泥頁巖段（井深2 330.46～2 414.88m）87個樣品的全巖 X射線衍射顯示黏土礦物含量自上而下有降低的特點，如圖1（左圖），黏土含量介于16.6%～62.8%，平均為40.9%。黏土礦物X射線衍射顯示黏土礦物主要為伊蒙混層，含量介于25.0%～85.0%，平均為54.5%，其次為伊利石，含量介于12.0%～68.0%，平均為39.5%，含少量綠泥石，含量介于1.0%～20.0%，平均為6.0%，如圖1（右圖）所示。圖2為JY1、JY2HF、JY3HF、JY4HF井五峰—龍馬溪組一段泥頁巖自然伽馬對比圖，圖中曲線形態(tài)基本一致，從上到下測井值有逐漸增大趨勢，這說明JY2HF、JY3HF和JY4HF井的黏土礦物組分和含量與JY1井具有極大的相似性。

1.2 自然伽馬能譜測井曲線響應特征

自然伽馬能譜測井反映了地層巖石中鈾、釷、鉀含量以及產(chǎn)生的伽馬射線總和。自然伽馬能譜測井能夠提供更加詳細的伽馬射線信息。如圖3所示，上部黏土巖中鉀和釷的含量高，鈾的含量低（相對鉀和釷），下部黏土巖中有機質含量增高時，黏土顆粒對鈾離子的吸附力增強，黏土的鈾含量明顯升高。4口井的鈾、釷、鉀曲線形態(tài)基本一致，整體上從上到下鈾含量逐漸增大，釷含量和鉀含量逐漸降低。

1.3 電阻率測井曲線響應特征

電阻率測井曲線的變化是多種因素綜合的結果，它反映了巖石的礦物成分、熱液蝕變、孔洞和裂縫發(fā)育程度、流體性質以及含油氣多少的變化。由于泥頁巖礦物組分復雜，當?shù)V物組分含量和結構發(fā)生變化時，電阻率測井曲線也會發(fā)生改變?？紫秲?nèi)的流體性質對電阻率測井也有較大影響，當發(fā)育的網(wǎng)狀裂縫被鉆井濾液充滿時，電阻率測井值也會降低；此外，長石風化為高嶺石、黑云母飾變?yōu)榫G泥石，也可降低巖石的電阻率。有機質成熟度對電阻率大小也有影響，如圖4所示，電阻率測井曲線形態(tài)基本一致，泥頁巖段電阻率整體偏小，上部泥頁巖電阻率低于下部泥頁巖電阻率，與下部有機質含量增加有關。

1.4 三孔隙度測井曲線響應特征

1.4.1 聲波測井曲線響應特征

圖1 全巖礦物含量分析圖

圖2 泥頁巖自然伽馬測井曲線圖

聲波測井曲線受巖石的礦物成分、巖石致密程度、巖石結構以及孔隙流體性質等因素影響而表現(xiàn)為不同特征。如圖5為三孔隙度測井曲線圖，圖中聲波曲線形態(tài)相似，從上到下聲波時差有增大趨勢，有機質含量的增加會增大儲層的孔隙度，從而引起聲波時差值升高。

圖3 泥頁巖自然伽馬能譜測井曲線圖

1.4.2 中子測井曲線響應特征

中子測井受地層巖性、流體性質影響較大，并隨著孔隙、裂隙中流體含量的變化而發(fā)生變化。當巖石發(fā)生蝕變時，次生的綠泥石、絹云母等礦物含有大量的結晶水和結構水，常表現(xiàn)出高的中子孔隙度。如圖5，中子曲線形態(tài)相似，從上到下中子測井值有減小趨勢。

圖4 泥頁巖電阻率測井曲線圖

圖5 泥頁巖三孔隙度測井曲線圖

1.4.3 密度測井曲線響應特征

密度測井受組成巖石的礦物成分、孔隙、裂隙、井眼和泥餅的影響。有機質密度較低，當泥頁巖中有機質含量增加時會引起密度降低（如圖5），密度曲線形態(tài)相似，從上到下密度測井值呈減小趨勢。

1.5 PE測井曲線響應特征

巖性—密度測井能得到巖石光電吸收截面指數(shù)（PE），PE區(qū)分巖性的能力較強。不同礦物的PE值差別較大，流體的PE值很小，巖石光電吸收截面指數(shù)受巖石中流體性質和含量的影響很小。因此PE值主要取決于巖石的礦物成分和含量。如圖6所示，PE曲線形態(tài)相似，從上部到下部PE值呈逐漸減小的趨勢。JY1井全巖X射線衍射分析表明，從五峰—龍馬溪組一段頂部到底部石英含量是逐漸增大的，且石英含量在整個實驗分析層段（2 330.46～2 414.88m）占的比重大，含量最高達70.6%，而石英的PE值較低，這會降低測井的PE值。

圖6 泥頁巖PE測井曲線圖

1.6 ECS測井曲線響應特征

ECS測井響應主要是組成巖石礦物的各種元素百分含量的總體反映，實際應用中主要提供Si、Al、Ca、Fe、Gd、S和Ti等地層元素［12］。其中，Si可指示石英，Ca與方解石和白云石密切相關，Al與Si可指示長石，S和Ca可以作為石膏的指示元素，F(xiàn)e與黃鐵礦和赤鐵礦等相關，Al與黏土含量相關。圖7為泥頁巖ECS測井曲線圖，左起第一道到第八道分別為硅（Si）、深度、鋁（Al）、鈣（Ca）、鐵（Fe）、釓（Gd）、硫（S）、鈦（Ti）。整體上從上到下硅元素含量逐漸增加，鋁元素和鐵元素含量逐漸降低，這與全巖分析礦物含量有較好對應性，鈣元素、釓元素和鈦元素含量整體無明顯變化規(guī)律，局部硫元素含量接近零。

2 測井技術識別泥頁巖儲層

2.1 測井曲線疊合法

常規(guī)測井組合可以用來劃分泥頁巖巖性，根據(jù)前文對測井響應特征的分析，選取對泥頁巖敏感曲線自然伽馬、密度、中子來識別泥頁巖，劃分富有機質泥頁巖層段。

圖7 泥頁巖ECS測井曲線圖

自然伽馬曲線指示地層的泥質含量，能較好地區(qū)分砂巖、泥巖和石灰?guī)r，因此可考慮將自然伽馬曲線定為基線，利用對泥頁巖較為敏感的密度和中子曲線與之疊合，選取灰黑色泥巖為基準巖性。如圖8所示，以井深2 509.63～2 512.25m深灰色粉砂巖下部泥巖為基準巖性，調(diào)整曲線刻度，使疊合的曲線在此重合。第一道和第二道分別為自然伽馬—密度，自然伽馬—中子曲線疊合道，上部粉砂巖段和下部石灰?guī)r段，兩條曲線間隔幅度相對較大，且密度和中子曲線偏向基準線的右邊，稱為“負差異”，在井深2 512.25～2 595.7m段，上部曲線基本重合，下部曲線間隔幅度大，且密度和中子曲線偏向基準線的左邊，稱為“正差異”。將上部曲線重合段定義為非富有機質泥頁巖段，下部曲線呈“正差異”層段定義為富有機質泥頁巖段。自然伽馬—密度曲線疊合識別富有機質泥頁巖層段為井深2 536.0～2 595.7m，厚度59.7m，自然伽馬—中子曲線疊合識別富有機質泥頁巖層段為井深2 538.7～2 595.7m，厚度57.0m。左起第五道為實測總含氣量，第六道為分析有機碳含量，第七道為錄井全烴值，識別的富有機質泥頁巖層段對應的含氣量、有機碳含量和全烴值都較高，且整體上“正差異”大的泥頁巖層段對應的三者值也較高。

圖8 JY4井泥頁巖儲層測井識別圖

2.2 交會圖法

選取敏感曲線自然伽馬、三孔隙度曲線進行交會分析。干酪根密度較低，當泥頁巖中有機質含量增加時密度會降低，有機質增加時會引起儲層孔隙度增大，孔隙度增大會引起密度降低。如圖9為實驗分析有機碳含量與測井密度值交會圖，圖9中222個樣點為JY1和JY2HF井實驗分析數(shù)據(jù)，圖中紅線代表密度值為2.61g／cm3，紅線左邊的數(shù)據(jù)點有機碳含量全部大于1%，除了個別數(shù)據(jù)點外，其余的數(shù)據(jù)點有機碳含量全部大于等于2%，絕大部分數(shù)據(jù)點有機碳含量大于等于3%，還有部分數(shù)據(jù)點有機碳含量大于等于4%，按照行業(yè)標準，紅線左邊的數(shù)據(jù)點對應的頁巖氣層為高—特高頁巖氣層；紅線右邊數(shù)據(jù)點有機碳含量基本在全部小于3%，大部分在2%以下，有些小于1%。圖9中數(shù)據(jù)點有機碳對應的密度值基本小于2.70g／cm3。因此可將密度值為2.61g／cm3作為富有機質泥頁巖層段劃分的標準，密度值為2.70g／cm3作為泥頁巖層段劃分的標準。在前面曲線疊合對泥頁巖儲層定性—半定量識別的基礎上，進一步對泥頁巖儲層進行定量識別。圖8左起第三道泥頁巖層段密度測井值小于2.61g／cm3的富有機質值段在井深2 539.6～2 595.7m，厚度為56.1m，非富有機質泥頁巖段在井深2 512.25～2 539.6m，密度測井值在2.61～2.70 g／cm3之間。密度測井值劃分的富有機質泥頁巖段與現(xiàn)場實測含氣量、實驗分析有機碳含量和錄井氣測值也有較好的對應性。從左起第三道可以看出在井深2 512.25～2 595.7m層段的上部有密度測井值小于2.61g／cm3的井段，下部有密度測井值小于2.70g／cm3的井段，這表明單獨依靠密度測井曲線還不能夠識別泥頁巖和富有機質泥頁巖，必須結合其他的識別方法。

圖9 實驗分析有機碳含量與測井密度值交會圖

圖8左起第八道為錄井巖性，錄井資料顯示井段2 482.5～2 486.0m 和2 492.48～2 501.92m 為深灰色泥質粉砂巖，井深2 509.63～2 512.25m為深灰色粉砂巖；井深2 512.25～2 595.78m 為泥頁巖，巖性主要為灰黑色泥巖、灰黑色含粉砂泥巖、灰黑色碳質泥巖、局部含少量深灰色泥云巖；井深2 595.78～2 610.50 m為石灰?guī)r，包含灰色含云灰?guī)r、灰色瘤狀灰?guī)r。測井識別時分為粉砂巖、泥頁巖和石灰?guī)r3大類，提取3種巖性對應的測井值做交會分析，判斷識別效果。

圖10（a）和圖10（b）分別為自然伽馬—中子和自然伽馬—密度交會圖。從圖中可看出自然伽馬能較好將泥頁巖與粉砂巖和石灰?guī)r分開，泥頁巖自然伽馬測井值較高，整體大于150API，粉砂巖的自然伽馬值高于石灰?guī)r自然伽馬值，整體上泥頁巖中子值較石灰?guī)r和粉砂巖高，密度值較石灰?guī)r和粉砂巖低，但都不能較好地將泥頁巖分開；在泥頁巖識別的基礎上進一步識別非富有機質泥頁巖和富有機質泥頁巖。根據(jù)JY4HF井實驗分析的19個有機碳含量樣品值大小劃分非富有機質泥頁巖和富有機質泥頁巖，將分析有機碳含量大于1的層段劃為富有機質泥頁巖段，該層段井深介于2 540.34～2 595.7m，厚度為55.36m；井深2 512.25～2 540.34m為非富有機質層段。如圖10（c）和圖10（d）分別為泥頁巖層段自然伽馬—中子和自然伽馬—密度交會圖，可以看出密度測井值區(qū)分非富有機質泥頁巖和富有機質泥頁巖的效果較好，中子測井值劃分的效果次之，自然伽馬測井值難以區(qū)分二者。

3 結論

1）焦石壩海相泥頁巖儲層穩(wěn)定，測井響應特征明顯，常規(guī)測井曲線具有高伽馬、相對高電阻、高聲波、高鈾，低中子、低密度、低光電吸收截面指數(shù)、低釷、低鉀的“四高五低”特征，非常規(guī)元素測井資料上表現(xiàn)為硅含量增加，鋁含量和鐵含量降低特征。

2）自然伽馬測井曲線與密度（或中子）測井曲線疊合能較好識別泥頁巖儲層，有效區(qū)分富有機質泥頁巖和非富有機質泥頁巖。密度測井曲線對泥頁巖儲層較為敏感，在定性—半定量識別的基礎上，密度測井值能較好識別富有機質泥頁巖儲層，富有機質泥頁巖密度測井值小于2.61g／cm3，非富有機質泥頁巖則介于2.61～2.70g／cm3。

圖10 JY4HF井泥頁巖識別交會圖

3）該成果可為該區(qū)頁巖氣測井參數(shù)計算提供依據(jù)。

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