吳曉光，繆祥禧，王志文，康建云

(中國石化經(jīng)緯有限公司，四川 成都 610100)

0 引 言

四川盆地震旦系至新近系沉積了巨厚的海陸相地層，礦產(chǎn)豐富，尤其是天然氣資源。盆地內(nèi)多旋回構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加改造控制形成了目前盆地內(nèi)復(fù)雜的地質(zhì)條件，在縱向上形成了多套生儲蓋組合以及多層系油氣藏，氣藏類型多樣，深層和淺層、陸相和海相、常規(guī)和非常規(guī)氣藏并存[1-2]。復(fù)雜的地質(zhì)條件以及氣藏多樣性促成了高放射性氣層廣泛發(fā)育。自然伽馬能譜測井技術(shù)直觀準(zhǔn)確識別地層放射性特征的技術(shù)優(yōu)勢使其在高放射性儲層評價(jià)中得到了廣泛應(yīng)用[3-6]。由于缺少能譜測井資料，前期學(xué)者對于四川盆地下二疊統(tǒng)茅二段高自然伽馬溶洞儲層、磨溪構(gòu)造嘉二1亞段碳酸鹽巖儲層的成因和品質(zhì)評價(jià)偏重于地質(zhì)分析以及巖石物理實(shí)驗(yàn)方面的認(rèn)識[7-8]，高放射性儲層的能譜測井特征不甚明確。近年來,在四川盆地陸相碎屑巖、海相碳酸鹽巖、頁巖層等新的勘探層位又相繼發(fā)現(xiàn)了高放射性含氣層位。綜合地質(zhì)背景、能譜測井特征、巖心分析等資料總結(jié)了高放射性儲層成因，通過能譜測井曲線組合特征及交會圖等技術(shù)有效解決了在高放射性儲層識別及評價(jià)方面的諸多難題，為氣田勘探開發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)。

1 自然伽馬能譜測井原理

地層的自然放射性主要來自于鈾(U)、釷(Th)、鉀(K)，地層中鈾、釷、鉀放射性核素在各自衰變時(shí)發(fā)射伽馬射線，將測量的鈾、釷、鉀的伽馬放射性混合譜進(jìn)行譜解析，確定鈾、釷、鉀在地層中的含量(質(zhì)量濃度，下文同)[9]。在石油工業(yè)測井中，鈾和釷含量單位通常使用mg/L(或μg/g)；鉀含量單位通常使用%(或0.01 g/g)。

地層的高伽馬特征一般用來識別黏土巖層，隨著泥質(zhì)含量的上升，碎屑巖和碳酸鹽巖類中的放射性會隨之增高；碳酸鹽巖中的灰?guī)r、白云巖類等放射性均較低，石膏、硬石膏、較純的巖鹽等放射性特別低，鉀鹽類具有高放射性。國內(nèi)外學(xué)者對鈾在沉積巖中的富集機(jī)理和特征進(jìn)行了廣泛研究[9-14]，沉積環(huán)境中的還原條件、高有機(jī)質(zhì)含量是鈾富集的2個(gè)主要有利因素，同時(shí)，黏土礦物及含鐵、含磷礦物等對鈾的富集具有一定的貢獻(xiàn)。沉積巖中釷含量主要與黏土礦物對釷的選擇性吸附及釷在穩(wěn)定礦物中的存在有關(guān)，釷在砂巖和頁巖中含量較高，在碳酸鹽巖中含量低，蒸發(fā)巖中幾乎完全沒有釷[9]。沉積巖中鉀含量主要取決于伊利石、海綠石、長石、鉀云母等含鉀礦物的含量。

2 計(jì)算泥質(zhì)含量

四川盆地已發(fā)現(xiàn)氣層主要賦存在侏羅系及以下層系，儲層成巖演化期長，高放射性儲層發(fā)育普遍，且多呈現(xiàn)出高鈾特征(圖1)，埋深數(shù)百米至數(shù)千米的碎屑巖、碳酸鹽巖儲層孔隙度為2%～14%，個(gè)別碳酸鹽巖儲層孔隙度由于縫洞發(fā)育可達(dá)到15%以上，儲層物性普遍較差，泥漿侵入不明顯。另外，受地層水礦物度、泥漿性能以及巖性等多方面因素影響[15]，自然電位曲線在儲層段異常不明顯，基線易漂移等使其不能準(zhǔn)確計(jì)算泥質(zhì)含量(VSH)。因此，在四川盆地內(nèi)一般采用自然伽馬曲線計(jì)算泥質(zhì)含量，在有能譜測井資料時(shí)，建議在碎屑巖和碳酸鹽巖地層中優(yōu)先選擇與泥質(zhì)含量相關(guān)性最好的無鈾伽馬曲線(KTH)進(jìn)行泥質(zhì)含量計(jì)算，以剔除高鈾的影響，避免將高放射性儲層評價(jià)為泥頁巖層。

圖1 四川盆地地層發(fā)育及自然伽馬能譜特征簡圖(據(jù)文獻(xiàn)[1]修改)

(1)

式中：VSH為泥質(zhì)體積含量，%；KTH為無鈾伽馬，API；KTHmax、KTHmin為無鈾伽馬最大值、最小值，API；C為希爾奇常數(shù)，通常古近系及新近系地層取值為3.7，老地層取值為2.0。

3 識別高放射性儲層

3.1 高放射性致密砂巖氣層

川西地區(qū)馬井氣田陸相中淺層蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)發(fā)育高伽馬砂巖儲層，該氣田位于川西坳陷中段馬井背斜構(gòu)造，西鄰龍門山造山帶，蓬萊鎮(zhèn)組以淺水三角洲沉積為主，水下分流河道沉積微相為最有利的砂體發(fā)育區(qū)。儲層巖性以細(xì)粒巖屑砂巖、長石巖屑砂巖、巖屑長石砂巖和巖屑石英砂巖為主，巖屑以沉積巖碎屑和變質(zhì)巖碎屑為主，可見少量的巖漿巖碎屑及重礦物組分(鋯石、金紅石、電氣石等)，物源主要來自西部的龍門山造山帶[16-17]，巖漿巖巖屑以及重礦物組分是部分砂體出現(xiàn)高放射性特征的物質(zhì)基礎(chǔ)。蓬萊鎮(zhèn)組砂巖物性為中低孔、低滲，需要多層合采才能獲得理想產(chǎn)能，而高伽馬儲層測井特征與泥巖和粉砂巖等非儲層特征區(qū)別不甚明顯，易將其忽視。常規(guī)砂巖儲層表現(xiàn)為低伽馬、低中子、低密度、相對高聲波時(shí)差、較高電阻率。高伽馬儲層特征為高伽馬、低中子、低密度、高聲波時(shí)差、較高電阻率、低無鈾伽馬、高鈾；若砂巖中鉀長石含量高，也可表現(xiàn)為高鉀特征。以MJ103井為例，該井6號層自然伽馬高于正常的泥巖和砂巖，具高鈾特征，分析該層為高伽馬砂體，評價(jià)為氣層(圖2)，該層與其他高伽馬薄層合壓改造測試，日產(chǎn)氣為6 000 m3/d。

圖2 MJ103井高伽馬砂巖儲層測井評價(jià)

3.2 高放射性縫洞型碳酸鹽巖儲層

四川盆地龍門山前帶中段彭州氣田海相雷口坡組四段上亞段發(fā)育潮坪相縫洞型高放射性碳酸鹽巖儲層。雷四上亞段可簡單分為上儲層、隔層和下儲層。上儲層段以藻(殘余藻、藻砂屑)黏結(jié)灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r為主，灰質(zhì)白云巖次之，見少量微-粉晶白云巖和砂屑白云巖，下儲層段以藻(殘余藻)黏結(jié)白云巖、微-粉晶白云巖、灰質(zhì)白云巖為主，見少量云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r和砂屑白云巖。藻(殘余藻)黏結(jié)白云巖、微-粉晶白云巖、藻(殘余藻)砂屑白云巖和含灰質(zhì)白云巖是重要的幾種儲層巖石類型。上下2套儲層之間發(fā)育有一套以(含)白云質(zhì)灰?guī)r、藻屑灰?guī)r等過渡巖性組成的隔層。雷四段白云巖類儲層巖石薄片中可觀察到藻類、藻類紋層以及大量早期大氣淡水溶蝕有關(guān)的鑄?？?、膏?？?、粒間(內(nèi))孔、生物腔體或藻類鑄?？?、小型溶孔、粒內(nèi)孔、擴(kuò)溶縫孔、與藻有關(guān)組構(gòu)孔、部分非組構(gòu)孔洞或微孔隙等結(jié)構(gòu)，溶孔及縫合線內(nèi)可見瀝青充填(圖3)。

2012至2015年前期3口探井(PZ1、YaS1、YS1井)未測量能譜曲線，加之白云巖類儲層自然伽馬值為30～130 API，最高為183 API，低電阻率，略高中子、低密度、略高聲波時(shí)差等均表現(xiàn)出與高泥質(zhì)含量地層類似的響應(yīng)，一定程度上延緩了氣田的勘探發(fā)現(xiàn)進(jìn)度?；诖耍罄m(xù)多口探井均增加了能譜測井，通過分析巖性及巖石薄片資料與能譜測井特征的對應(yīng)關(guān)系(圖3、4)，確定了高放射性是由地層中的鈾所造成，而非泥質(zhì)含量高所引起。研究發(fā)現(xiàn)，藻類等有機(jī)質(zhì)富集鈾元素是導(dǎo)致雷四段白云巖儲層普遍高放射性的物質(zhì)基礎(chǔ)和主因。同時(shí)，高鈾與溶蝕孔洞及裂縫滲濾通道具有一定正相關(guān)聯(lián)系；整個(gè)儲層段縱向上高放射性分布的不規(guī)律性是沉積后巖溶作用、早期大氣水與地層水的混合滲流溶蝕、成巖作用、藻類等有機(jī)質(zhì)演化等多種作用的綜合反映。碳酸鹽巖地層剖面中有效儲層一般發(fā)育在高電阻率背景下的相對低電阻率段，同時(shí)具有低鈾、低釷、低鉀特征，而彭州雷四段中的低釷、低鉀、高鈾特征段基本對應(yīng)了低電阻率和相對高孔隙發(fā)育段。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，白云巖類中，高鈾(大于2 μg/g)特征段巖心孔隙度高于2%(儲層下限)的樣品數(shù)量達(dá)到了90%以上，因此，可通過白云巖類中的鈾曲線中、高峰特征值判識有效儲層(圖4、5)。

以PZ103井為例，該井雷四下亞段下儲層巖性以灰色藻白云巖、白云巖為主，氣測錄井顯示微弱，全烴最高為0.613%(泥漿比重為1.5)，能譜測井特征整體表現(xiàn)為高自然伽馬、低釷、低鉀、高鈾，自然伽馬為27～112 API，鈾含量為0.6～10.5 μg/g，以6 035.00 m附近為界，6 035.00 m以上自然伽馬和鈾含量普遍中等，局部高尖峰，6 035.00 m以下自然伽馬和鈾含量普遍高值(圖5)。泥質(zhì)含量采用無鈾伽馬計(jì)算，測井共解釋了3層氣層、5層含氣水層，5 990.00～6 071.00 m測試日產(chǎn)氣量為12.65×104m3/d，日產(chǎn)水量為276 m3/d。

圖5 PZ103井雷四上亞段能譜曲線特征及測井解釋成果

3.3 高放射性頁巖氣層

頁巖氣儲層測井評價(jià)涉及了礦物組分、地球化學(xué)參數(shù)、物性參數(shù)、含氣性和可壓裂性等多方面評價(jià)，實(shí)驗(yàn)分析表明頁巖孔隙空間(有機(jī)孔)以及吸附氣含量大小均與總有機(jī)碳(TOC)含量呈明顯的正相關(guān)。近年來，四川盆地迎來了頁巖氣勘探開發(fā)高峰，川東南深水陸棚環(huán)境下沉積的志留系龍馬溪組一段(S1l1)優(yōu)質(zhì)海相黑色頁巖層理發(fā)育，富含有機(jī)質(zhì)，成熟度高，脆性礦物含量高，厚度較大，分布穩(wěn)定[21]。中石化涪陵頁巖氣田、威榮頁巖氣田、永川氣田、中石油長寧、威遠(yuǎn)頁巖氣田均以龍馬溪組一段底部優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層為主要目的層，目前上述氣田均已形成商業(yè)開發(fā)。

有機(jī)頁巖形成過程中往往伴隨著鈾元素富集，高含量有機(jī)質(zhì)復(fù)合作用、缺氧的沉積環(huán)境條件、無機(jī)礦物(含鐵礦物、黏土礦物和含磷礦物)的吸附、微生物的非代謝性吸附作用等多重因素共同作用，造成了現(xiàn)今川南地區(qū)龍馬溪組底部海相有機(jī)頁巖高放射性、高鈾特征[14]。威遠(yuǎn)X井龍馬溪組一段底頁巖鈾含量最高為44.7 μg/g，巖心實(shí)測TOC含量與鈾含量具有良好正相關(guān)關(guān)系(圖6)，因此，可通過鈾曲線單因素?cái)M合計(jì)算TOC含量。頁巖層中黏土含量與無鈾伽馬具有相對較好的相關(guān)性，但是受有機(jī)質(zhì)含量影響，在TOC含量較高井段，采用無鈾伽馬計(jì)算的泥質(zhì)含量偏高。因此，有機(jī)頁巖層段不建議單獨(dú)采用無鈾伽馬曲線進(jìn)行泥質(zhì)含量計(jì)算。

圖6 威遠(yuǎn)X頁巖氣井測井成果圖

4 其他地質(zhì)應(yīng)用

4.1 識別鉀蒸發(fā)巖(雜鹵石)

四川盆地三疊系中含豐富的鹽類資源，其中，石鹽及雜鹵石潛在資源量最大。雜鹵石屬于高阻難溶性含鉀、硫酸鹽礦物(K2SO4·MgSO4·2CaSO4·2H2O)，通常與硬石膏、石鹽共生于蒸發(fā)巖相。蒸發(fā)巖中鈾主要來源于黏土礦物、地層水等。釷主要來源于黏土礦物，鉀主要來源于黏土礦物、鉀鹽礦物、雜鹵石及富含鉀的地層水。

某雜鹵石礦產(chǎn)探采結(jié)合井Y-2井位于川中廣安構(gòu)造，該井鉆遇三疊系雷口坡組-嘉陵江組，錄井巖性有灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、雜鹵石、硬石膏、鹽巖、綠豆巖等，屬典型蒸發(fā)巖相沉積。經(jīng)高鉀，低鈾、低釷的特征定性識別，后定量估算雜鹵石體積含量。表1為Y-2井能譜測井解釋成果，由測井解釋成果可知：Y-2井共解釋了3層雜鹵石層段，第1層雜鹵石發(fā)育最好，第3層次之，第2層含量最低。

表1 Y-2井能譜測井解釋成果Table 1 The results of energy spectrum logging interpretation of Well Y-2

4.2 研究沉積環(huán)境

通過自然伽馬能譜測井各曲線的韻律變化以及組合特征可以進(jìn)行地層對比、地層界面劃分、沉積層序劃分、沉積環(huán)境分析等地質(zhì)研究。高鈾指示缺氧沉積環(huán)境和較低沉積速率，釷、鉀高值則指示快速沉積和較高的陸源碎屑供給量。釷鈾比值指示了相應(yīng)沉積環(huán)境和巖石組合類型，釷鈾比值大于7時(shí)，為陸相沉積和風(fēng)化層，氧化環(huán)境；釷鈾比值為2～7時(shí)為海陸過渡沉積環(huán)境；釷鈾比值小于2時(shí)，為海相沉積，巖性為黑色海相泥巖、石灰?guī)r及磷酸鹽巖等，強(qiáng)還原環(huán)境。郭旭升曾利用能譜曲線特征、巖性特征對川東南地區(qū)龍馬溪組-五峰組地層層序進(jìn)行了劃分和確定，并根據(jù)鈾、釷、鉀的分布特征對五峰組-龍馬溪組的海平面變化和沉積環(huán)境的氧化還原程度進(jìn)行了分析。

4.3 確定黏土礦物類型

在絕大多數(shù)黏土礦物中，釷、鉀含量高，鈾含量相對低，不同的黏土礦物具有較固定的釷鉀比值。MJ103井釷鉀比交會數(shù)據(jù)點(diǎn)主要落在蒙脫石、高嶺石、伊蒙混層區(qū)域內(nèi)，雜鹵石礦井Y-2井釷鉀比交會數(shù)據(jù)點(diǎn)主要落在了蒸發(fā)巖特征區(qū)間(圖7)，與實(shí)際地質(zhì)條件相符。

圖7 釷鉀比(n)交會圖版確定地層黏土礦物類型

5 結(jié)論與認(rèn)識

(1) 自然伽馬能譜測井在四川盆地高放射性陸相致密碎屑巖、海相碳酸鹽巖、有機(jī)頁巖氣層勘探過程中有效地提高了儲層測井識別及評價(jià)的準(zhǔn)確性。

(2) 川西彭州氣田高放射性縫洞型白云巖類中的鈾中、高峰特征值(大于2 μg/g)可作為識別有效儲層發(fā)育段的重要指示。

(3) 四川盆地內(nèi)一些老氣田面臨老井挖潛，高放射性儲層測井特征的相關(guān)研究和結(jié)論認(rèn)識可以為氣田早期未進(jìn)行能譜測井的老井挖潛工作提供一定的借鑒和科學(xué)依據(jù)。