文冉，陳軼林，舒贏，鄭科

1.中國石油西南油氣田分公司 工程技術(shù)研究院（四川 成都 610017）

2.中國石油川慶鉆探工程有限公司 地質(zhì)勘探開發(fā)研究院（四川 成都 610017）

1 特色錄井理論基礎(chǔ)

目前，充氣鉆井、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具、PDC 鉆頭等新型鉆井技術(shù)已廣泛應(yīng)用于頁巖氣勘探開發(fā)。因巖屑相對(duì)較小，使得地層巖性難以識(shí)別，頁巖氣水平井導(dǎo)向無法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)[1-4]，隨鉆儲(chǔ)層解釋的難度較大。因此，在四川和重慶的頁巖氣勘探開發(fā)中，經(jīng)常使用XRF 元素測(cè)井和自然伽馬射線光譜測(cè)井技術(shù)。

1.1 自然伽馬能譜錄井

巖石中一般都含有放射性元素，主要是鈾、釷、鉀。巖石的輻射強(qiáng)度和其半衰期有關(guān)。238U 的半衰期為4.5×109a，223Th的半衰期為1.42×1010a，40K的半衰期為1.25×109a，半衰期長的元素其能量譜越強(qiáng)[5]。不同巖石礦物中放射性差異很大。黏土質(zhì)巖石中鉀和鍶的含量較高，而鈾的相對(duì)含量較低。在無氧還原環(huán)境中形成的巖石，鈾的含量會(huì)隨之增加。這種差異使自然伽馬光譜錄井得以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室對(duì)鈾、釷和鉀伽馬能量的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了能量為1.46 MeV 的發(fā)射40 K 的單色伽馬射線。U 系統(tǒng)，Th系統(tǒng)及其衰變發(fā)射多能伽馬射線，其中Th系統(tǒng)在2.62 MeV 處具有明顯的峰值。它可用作鑭系統(tǒng)的特征光譜，也可作為鈾系的特征譜[6]。

1.2 XRF元素錄井

X 射線（XRF）元素錄井主要基于元素分析，可以在儲(chǔ)層礦物成分分析、孔隙度和脆性指數(shù)判斷中發(fā)揮較好作用。它通過X射線數(shù)量來記錄熒光的能量和強(qiáng)度，定量分析Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ba、Mn、Ti、Fe、Ni、Sr、V、Zr共17種元素，可作為識(shí)別地層巖性的基本依據(jù)。

2 特色錄井資料應(yīng)用

由于XRF 元素錄井和自然伽馬射線光譜錄井巖石樣品的直接測(cè)量，因此數(shù)值變化僅與巖性有關(guān)，是一種定性化的分析手段。只要選樣準(zhǔn)備，不受巖石尺寸、鉆井參數(shù)和鉆井液等因素的限制。所以用來識(shí)別巖性礦物劃分地層，判別頁巖氣的有效儲(chǔ)層。

2.1 識(shí)別巖性劃分地層

XRF 單元錄井巖性解釋方法利用井深分析了單元含量、單元比和定量巖性含量曲線的變化特征和變化趨勢(shì)，得出最終解釋結(jié)果：①不同巖性元素錄井的特征明顯不同,易于識(shí)別，如玄武巖為0.35＜Fe/Si＜0.55 且Ca/( Na ＋K)＜4.00，而沉積巖Fe/Si＜0.35 或Fe/Si＞0.5；②在川渝地層中，可以根據(jù)（Al+Si+Fe）和（Ca+Mg+S）的組合確定碎屑巖、碳酸鹽巖、硫酸鹽巖和過渡巖。其中( Al＋Si＋Fe)＞31%的為碎屑巖，( Al＋Si＋Fe)＜8%且（Ca＋Mg＋S）＜36%為碳酸鹽巖，而(Al＋Si＋Fe)＜5%且（Ca＋Mg＋S）＞36%則為硫酸鹽巖。進(jìn)一步可根據(jù)（Si＋K＋Ca）和Si/Al、（Al＋Si＋Fe＋K）和（Ca+S）/Mg 識(shí)別砂巖、泥（頁）巖、石膏、白云石、石灰?guī)r及其過渡巖。

2.2 判別頁巖氣儲(chǔ)層

根據(jù)Al、Si、Ca 和Mg 元素的含量不同，可以初步確定頁巖的差異。Si、Ca、Mg元素含量高，頁巖層脆，游離氣含量高;Al元素含量較高，頁巖層吸附能力強(qiáng)，吸附氣體含量可能較高,據(jù)此可初步區(qū)分頁巖氣儲(chǔ)層。自然伽馬能譜曲線上鉀和鍶含量低，鈾含量高，可初步判定為富含有機(jī)碳的頁巖氣藏。在龍馬溪組的頁巖中，可以根據(jù)鉀、銻含量高、鈾含量低，來判定中上部的普通頁巖。根據(jù)鉀和鍶含量低，總伽馬γ劑量率和鈾含量，且在自然伽馬能譜曲線上，它具有高伽馬、高鈾、低鉀和低焓的特點(diǎn)，來判定下部富含有機(jī)碳的優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層[7]。

2.3 評(píng)價(jià)頁巖氣儲(chǔ)集層

在大陸砂巖儲(chǔ)層中，Si元素含量變大，表明儲(chǔ)層質(zhì)量較好;Al元素、Fe元素、Ti元素3種元素含量變大，說明儲(chǔ)層質(zhì)量惡化;不同地區(qū)Ca 元素對(duì)儲(chǔ)層變化的影響差異很大。Si 和Al 元素比的變化表明巖石顆粒尺寸的變化。在一定范圍的海相油藏中，S元素含量與溶解孔隙的發(fā)育程度正相關(guān)。

有機(jī)碳的含量是影響頁巖吸附氣體的主要因素之一。TOC 指數(shù)水平標(biāo)示著吸附氣體量在一個(gè)數(shù)量級(jí)的變化，將影響頁巖氣藏的最終儲(chǔ)量。如果有機(jī)碳的含量偏低，則吸附氣的含量也偏低。雖然TOC 指數(shù)可以通過地球化學(xué)熱分解分析獲得，但在現(xiàn)場(chǎng)操作中，PDC 鉆頭和鉆井液使得頁巖石碎屑變成糊狀，處理起來較困難，使得分析周期變長。利用自然伽馬射線光譜計(jì)算TOC指數(shù)，在減少環(huán)境影響下，特別是當(dāng)頁巖層中含有硫化物和有機(jī)碳時(shí)，黏土礦物對(duì)鈾元素的吸附性增強(qiáng)，黏土中鈾含量明顯增加。與巖石地球化學(xué)熱解法比，這種計(jì)算方法更快，結(jié)果也更準(zhǔn)確。即TOC＝aU＋b 中TOC 表示有機(jī)碳含量；U 代表鈾含量，a、b 表示區(qū)域常數(shù)。利用TOC指數(shù)和測(cè)井U值的核心分析，分析了a和b系數(shù)的值，相關(guān)系數(shù)為0.898。由于自然伽馬射線光譜錄井技術(shù)直接測(cè)定巖屑樣品操作簡(jiǎn)便，在頁巖氣藏TOC指數(shù)評(píng)價(jià)中具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2.4 應(yīng)用實(shí)例

W202H10-3井是水平井，為了確保高質(zhì)量頁巖儲(chǔ)層的鉆井速度，井的水平段采用自然伽馬射線光譜錄井來輔助地質(zhì)導(dǎo)向。在鉆井時(shí)確定所在的小層，同時(shí)初步估算有機(jī)碳含量以評(píng)估儲(chǔ)層。在水平段鉆井過程中，自然伽馬射線光譜測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)用于實(shí)時(shí)地層對(duì)比，以確定儲(chǔ)層的位置。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)層的特征判斷水平段軌跡，為實(shí)時(shí)調(diào)整軌跡提供依據(jù)。伽馬射線光譜測(cè)井曲線與鉆井時(shí)伽馬曲線的趨勢(shì)一致，可在水平段鉆井中相互驗(yàn)證。伽馬值出現(xiàn)多解的情況下，根據(jù)元素和伽馬能譜特征可以判斷井下具體位置和上下切狀態(tài)。W202H10-3井的1 500 m水平段解釋了第一類儲(chǔ)層，長度為1500 m，占水平段的100%（圖1）。

通過特色錄井及標(biāo)準(zhǔn)井模型計(jì)算水平段礦物含量、TOC 含量、含氣量，對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行評(píng)價(jià)，為試油 層段的優(yōu)選分段提供依據(jù)（表1、表2）。

圖1 W202H10-3 井著陸段隨鉆跟蹤分析圖

表1 W202H10-3井特殊錄井儲(chǔ)層解釋成果表

表2 W202H10-3井試泊分段建議表

續(xù)表2 W202H10-3井試泊分段建議表

3 結(jié)論

XRF 元素測(cè)井技術(shù)和自然伽馬射線測(cè)井技術(shù)被廣泛應(yīng)用于四川和重慶頁巖氣的勘探和開發(fā)，并在生產(chǎn)實(shí)踐中得到改進(jìn)。與傳統(tǒng)的測(cè)井方法相比，XRF 元素測(cè)井和自然伽馬光譜錄井的組合具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）井區(qū)XRF 元素和自然伽馬能譜曲線的對(duì)比能準(zhǔn)確地識(shí)別巖性，快速準(zhǔn)確地對(duì)地層進(jìn)行劃分。

2）實(shí)時(shí)地層對(duì)比和評(píng)估，可以確定現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)導(dǎo)向目標(biāo)的自然伽馬射線光譜錄井?dāng)?shù)據(jù)。通過水平段中優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的位置，判斷井眼軌跡。XRF 元素錄井技術(shù)可以及時(shí)地校準(zhǔn)巖性，為導(dǎo)向師及時(shí)調(diào)整井眼軌跡提供豐富的依據(jù)。并確保箱體鉆井率，提高開發(fā)效率。

3）自然伽馬射線能譜錄井資料可用于計(jì)算有機(jī)碳含量，識(shí)別儲(chǔ)層中黏土礦物的類型含量，分析黏土礦物的變化，為儲(chǔ)層優(yōu)化提供依據(jù)。