沈柏坪 田偉志 劉敢強 余 玲 陳 碧

(中國石油長城鉆探工程有限公司錄井公司)

0 引 言

川南地區(qū)志留系龍馬溪組發(fā)育一套20～260 m灰綠色、黑色頁巖，其底部的高脆性、高TOC黑色頁巖為主力開采層[1]。近年來采用“PDC+油基鉆井液+水平井”的開采工藝進行勘探開發(fā)，在頁巖氣水平井鉆井過程中，普遍采用隨鉆自然伽馬進行地質(zhì)導向作業(yè)，由于入窗前隨鉆自然伽馬波動較小，電性標志層特征不明顯，主要目的層自然伽馬曲線尖峰較多，且不同峰幅度差異較小，僅僅依靠隨鉆自然伽馬曲線難以滿足現(xiàn)場小層判別的需求。盡管前人已建立了元素錄井小層劃分方法，可以通過硅(Si)、鋁(Al)、鈣(Ca)、鐵(Fe)等元素組合區(qū)分、識別小層，但對于新的勘探區(qū)塊，川南地區(qū)龍馬溪組龍一1亞段1、2、3小層均表現(xiàn)為低Al、高Si的元素特征，元素錄井在該地區(qū)小層識別方面發(fā)揮的作用有限。本文通過隨鉆伽馬能譜技術(shù)獲取的鈾(U)、釷(Th)、鉀(K)、伽馬、無鈾伽馬等參數(shù)，形成了小層判識的方法，為頁巖氣開采過程中小層的識別提供了一種新思路。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造特征

四川盆地東南地區(qū)位于上揚子板塊，受東南部雪峰山推覆帶向北西擠壓和南部黔中古隆起形成的向北構(gòu)造擠壓兩個方向應力影響，形成川東高陡褶皺帶和川南低陡褶皺帶兩個主要構(gòu)造帶[1]。

晚奧陶世-早志留世，上揚子區(qū)受到華夏板塊與揚子板塊碰撞的影響，在造山帶前緣形成前陸。晚奧陶世，原是碳酸鹽臺地相沉積的上揚子區(qū)變成了水深面廣的盆地相，沉積了一套厚度不大、巖相穩(wěn)定的暗色泥質(zhì)巖和硅質(zhì)頁巖。早志留世龍馬溪沉積期，川東南地區(qū)為受古陸圍限的半閉塞滯留海盆沉積，形成川南-鄂西-渝東深水陸棚區(qū)，沉積了一套富有機質(zhì)，富含筆石、放射蟲化石的黑色頁巖[2-4]。

1.2 頁巖展布特征

四川盆地東南地區(qū)頁巖主要分布在五峰組-龍馬溪組下部層段，而優(yōu)質(zhì)頁巖則主要發(fā)育在五峰組-龍馬溪組底部地層。五峰組以黑色碳質(zhì)頁巖或硅質(zhì)頁巖為主，頁巖厚度一般在5～10 m之間，頂部發(fā)育了一層厚度0.5～1 m的介殼灰?guī)r；龍馬溪組下部以深灰色-黑色紋層狀碳質(zhì)頁巖或灰質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖為主。平面上，五峰組-龍馬溪組頁巖呈北東-南西向帶狀展布。工區(qū)位于川南地區(qū)的宜賓-瀘州一帶，正好位于沉積中心，頁巖厚度一般為60～120 m，其中優(yōu)質(zhì)頁巖厚20～50 m[1]。

2 巖屑伽馬能譜錄井

巖屑伽馬能譜錄井技術(shù)是利用能譜分析的方法，檢測巖石樣品中天然放射性核素(主要是鈾、釷、鉀)衰變釋放出的不同伽馬射線強度，從而定量檢測樣品中鈾、釷、鉀的含量，實現(xiàn)對地層的綜合識別與評價的技術(shù)。其特點是巖屑不受鉆井液污染影響，操作簡單，測量參數(shù)較多。鈾、釷、鉀在地層中的分布與地層巖性、有機物的含量及地層水的活動有著密切關(guān)系，其測量值可為油田勘探中正確進行油氣評價提供可靠信息。

2.1 巖屑伽馬能譜錄井技術(shù)地質(zhì)基礎(chǔ)

由于鈾、釷、鉀的地球化學性質(zhì)不同，在三大類巖石中其分布和富集規(guī)律也有所不同。鈾的化學性質(zhì)活潑，在自然界中以U6+和U4+離子形式存在。在還原環(huán)境中，鈾以U4+離子形式存在，易富集，不易流失；在氧化環(huán)境中，4價鈾礦物被氧化為6價鈾鹽，常以絡陽離子(UO2)2+的形式存在，并以溶液方式運移。鈾元素除了以鈾鹽形式遷移外，還通過鈾的膠溶體、碎屑懸浮體、有機絡合物的形式遷移。進入還原環(huán)境時，6價鈾又轉(zhuǎn)化為4價鈾而沉積。釷和鈾經(jīng)常是共生的，化合物以4價為主，與4價鈾關(guān)系密切，常呈類質(zhì)同象置換。在氧化環(huán)境中，鈾與釷發(fā)生明顯的分離。釷的化合物性質(zhì)穩(wěn)定，運移以機械風化遷移為主。黏土礦物對釷的選擇性吸附以及釷在穩(wěn)定礦物中的存在是控制沉積巖中釷含量的主要因素。鉀在水中的溶解度高，因而鉀離子在氧化條件下易于流失，由于鉀離子半徑較大，極化率高，易于被黏土礦物所吸收而發(fā)生富集[5]。因此，運用Th/U比值可以有效分析地層的沉積環(huán)境，進而對地層進行劃分。

沉積巖中以深海相泥質(zhì)沉積巖放射性最強。泥巖具有較強放射性的原因主要是黏土顆粒細，沉積時間長，有充分的時間與放射性物質(zhì)接觸，同時黏土顆粒的表面帶有負電荷，容易吸附放射性元素。海相泥頁巖中，有機物質(zhì)的絡合作用對鈾的富集也起著重要作用。有機物高的地層，往往放射性出現(xiàn)異常高值[6-9]。因此，通過伽馬與無鈾伽馬交會可以識別有機質(zhì)含量高的地層，進而對地層進行有效劃分。

2.2 巖屑伽馬能譜小層卡取方法研究

研究區(qū)五峰組-龍馬溪組下部頁巖形成于大陸邊緣凹陷控制的深水陸棚，沉積了一套主要巖性為暗色碳質(zhì)泥頁巖、含泥質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)泥巖的頁巖層，生物化石豐富，有機碳含量1.85%～4.36%，總脆性礦物含量40%～80%。前人根據(jù)筆石演化特征將龍馬溪組分為龍一段、龍二段；龍一段分為龍一1亞段、龍一2亞段；龍一1亞段又分為龍一11、龍一12、龍一13、龍一14四個小層。通過有機碳含量、脆性礦物及產(chǎn)氣量等綜合評價，明確了其優(yōu)質(zhì)儲集層為龍一11小層，但是在隨鉆過程中，通過自然伽馬難以區(qū)分龍一2亞段與龍一1亞段及龍一1亞段各小層。因此，嘗試通過Th/U比值法、伽馬與無鈾伽馬交會法對各小層進行準確識別與劃分。

2.2.1 Th/U比值法

龍馬溪組上部頁巖較下部頁巖顏色淺，主要原因在于其沉積環(huán)境的變化。上部頁巖處于弱還原環(huán)境，鈾、釷沉積受黏土礦物控制，含量變化基本一致；下部頁巖處于強還原環(huán)境且有機質(zhì)含量增多，鈾的富集受有機質(zhì)和黏土含量控制，有機質(zhì)對鈾的富集有促進作用，釷含量逐步減少，鈾、釷發(fā)生沉積分異。因此，Th/U主要反映沉積環(huán)境，即氧化環(huán)境下Th/U比值高， 還原環(huán)境下Th/U比值低。全國多地泥頁巖研究表明，當Th/U值大于7時，主要為陸相沉積的泥巖和鋁土礦，屬于風化完全、具有氧化和淋濾作用的陸相沉積；當Th/U值在2～7之間時，為氧化-還原過渡沉積環(huán)境；當Th/U值小于2時，為強還原環(huán)境下的海相沉積[10-13]。

經(jīng)過多口井分析，川南地區(qū)龍一2亞段頁巖Th/U值介于2～7之間，屬于海相弱還原沉積，龍一1亞段頁巖Th/U值基本小于2，屬于海相強還原沉積。通過Th/U值可以劃分龍一2亞段和龍一1亞段(圖1、表1)。

圖1 川南地區(qū)龍一段頁巖Th與U交會圖

表1 川南地區(qū)龍一段頁巖伽馬能譜參數(shù)特征

2.2.2 伽馬與無鈾伽馬交會法

在龍馬溪組下部地層，有機物質(zhì)對鈾的富集作用導致鈾含量明顯異常。因此，可以根據(jù)伽馬與無鈾伽馬來識別優(yōu)質(zhì)頁巖層段。根據(jù)測得的U、Th、K含量，通過多元線性回歸的方法可以合成伽馬。

GR=a1·U+a2·Th+a3·K2O+b

式中：a1、a2、a3為擬合系數(shù)；b為常數(shù)。

根據(jù)測得的Th、K含量，通過多元線性回歸可以合成無鈾伽馬。

GR無鈾=b1·Th+b2·K2O+c

式中：b1、b2為擬合系數(shù)；c為常數(shù)。

通過伽馬與無鈾伽馬曲線的交會，可以識別有機質(zhì)含量相對較高的優(yōu)質(zhì)頁巖層段，同時也可以對龍一11、龍一12和龍一13小層進行區(qū)分。龍一13小層伽馬值較高，與無鈾伽馬的差值增大，伽馬異常主要由黏土和有機質(zhì)控制；龍一12小層，伽馬值降低，與無鈾伽馬的差值減小；龍一11小層，伽馬值升高至最大值，與無鈾伽馬的差值最大，伽馬異常高值主要受有機質(zhì)富集作用影響(圖2)。

圖2 川南地區(qū)伽馬能譜錄井綜合圖

3 應用實例分析

L井位于川南地區(qū)東部，目的層為龍馬溪組頁巖。鉆探目的是評價L井區(qū)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖埋深、厚度及品質(zhì)、巖石力學等各項參數(shù)，為水平井鉆探提供資料。該井從3 347 m開始進行巖屑伽馬能譜錄井。

在龍一2亞段U含量較低，平均值為2.2 μg/g；Th含量較高，平均值為10.3 μg/g；K含量為高值，平均值為2.5%；Th/U為高值，平均值為7.0；無鈾伽馬為低值，平均值為105.9 API；伽馬為低值，平均值為106.8 API(表2、圖3)。

鉆至井深3 423 m，Th/U值明顯減小，由6.5降為1.8，U含量逐漸增加，由1.6 μg/g升至4.0 μg/g，根據(jù)Th/U比值法判定進入龍一14小層。龍一14小層，U含量升高，平均值為4.5 μg/g；Th含量降低，平均值為9.1 μg/g；K含量降低，平均值為1.9%；Th/U降低，平均值為2.3；無鈾伽馬值降低，平均值為89.0 API；伽馬值略微降低，平均值為102.6 API(表2、圖3)。

鉆至井深3 468 m，U含量明顯升高，由2.1 μg/g升至7.0 μg/g，無鈾伽馬值明顯降低，由58.1 API降為43.8 API，伽馬值明顯升高，由59.0 API增至84.4 API。無鈾伽馬與伽馬差值增大，出現(xiàn)分異，根據(jù)伽馬與無鈾伽馬交會法，判定進入龍一13小層。龍一13小層，U含量升高，平均值為8.0 μg/g；Th含量降低，平均值為5.4 μg/g；K含量降低，平均值為1.4%；Th/U降低，平均值為0.9；無鈾伽馬值降低，平均值為59.9 API；伽馬平均值為107.5 API(表2、圖3)。

鉆至井深3 473 m，U含量降低，由8.6 μg/g降至7.8 μg/g，無鈾伽馬值略微降低，為55.3 API，伽馬值降低，由109.1 API降至78.3 API。無鈾伽馬與伽馬差值減小，根據(jù)伽馬與無鈾伽馬交會法，判定進入龍一12小層。龍一12小層，U含量平均值為8.0 μg/g；Th含量略微降低，平均值為5.1 μg/g；K含量降低，平均值為0.9%；Th/U略微降低，平均值為0.7；無鈾伽馬值降低，平均值為44.6 API；伽馬值降低，平均值為98.0 API(表2、圖3)。

鉆至井深3 476 m， U含量明顯升高，由10.5 μg/g升至15.0 μg/g，無鈾伽馬值明顯降低，由35.1 API降為28.1 API，伽馬值明顯升高，由111.4 API增至180.4 API。無鈾伽馬與伽馬差值增大，出現(xiàn)分異，根據(jù)伽馬與無鈾伽馬交會法，判定進入龍一11小層。龍一11小層，U含量平均值為10.7 μg/g；Th含量平均值為5.2 μg/g；K含量平均值為1.0%；Th/U平均值為0.7；無鈾伽馬值降低，平均值為49.2 API；伽馬值升高，平均值為152.9 API(表2、圖3)。

表2 L井龍馬溪組各小層伽馬能譜參數(shù)特征

圖3 L井巖屑伽馬能譜錄井綜合圖

4 結(jié) 論

通過對龍馬溪組地層進行巖屑伽馬能譜分析，得出以下認識：

(1)利用巖屑伽馬能譜技術(shù)獲得巖石的放射性參數(shù)，通過參數(shù)及參數(shù)比值分析沉積環(huán)境，劃分地層是可行的。

(2)通過Th/U比值法可以區(qū)分龍馬溪組龍一2亞段和龍一1亞段。

(3)通過伽馬與無鈾伽馬交會法，結(jié)合Th/U與U的交會情況，可以對龍一1亞段各小層進行識別。