韓雙彪，杜欣，白松濤，王成善

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京，100083；2.中國石油集團(tuán)測井有限公司，陜西 西安，710077；3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083)

經(jīng)過10 多年的頁巖氣勘探開發(fā)和研究，我國頁巖氣產(chǎn)業(yè)取得了矚目的成就[1-3]。2020年，國內(nèi)頁巖氣產(chǎn)量再創(chuàng)新高，達(dá)200×108m3，位居世界前列。隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，“雙碳”目標(biāo)被提出，頁巖氣開采迎來了前所未有的機(jī)遇[4-5]。目前，頁巖氣的勘探與開發(fā)逐步邁向深層領(lǐng)域，深層頁巖氣是當(dāng)前頁巖氣勘探開發(fā)的一個重要方向[6-7]。我國深層頁巖具有分布面積大、保存條件好、頁巖氣資源潛力大的特征，在四川盆地、鄂爾多斯盆地、松遼盆地、渤海灣盆地以及南華北盆地等都分布有資源豐富的深層頁巖氣資源[6]。其中，松遼盆地是我國重要的含油氣盆地，歷經(jīng)了半個多世紀(jì)的常規(guī)油氣開采，又在該盆地陸相頁巖油氣領(lǐng)域取得了新的突破。目前，在松遼盆地北部、南部均探明存在頁巖油氣[8]，為松遼盆地頁巖油氣勘探開發(fā)指明了新方向。應(yīng)用測井技術(shù)手段評價(jià)頁巖儲層是一種重要且有效的方法。在頁巖氣勘探開發(fā)的不同階段，測井技術(shù)及其解釋評價(jià)方法能夠快速、高效地分析儲層以及對儲層進(jìn)行較準(zhǔn)確評價(jià)。我國對海相頁巖儲層測井評價(jià)進(jìn)行了大量研究，取得了許多成果，有效地指導(dǎo)和支撐了海相頁巖氣的勘探與開發(fā)，但在陸相頁巖氣測井評價(jià)方面還處在發(fā)展階段，針對深層頁巖氣測井評價(jià)方面的技術(shù)研究有待加強(qiáng)，尚未形成一套適合中國深層陸相頁巖氣儲層測井評價(jià)方法體系，制約了對深層陸相頁巖氣儲層巖性、物性、含氣性、脆性以及可壓裂性等特征的有效評價(jià)。

本文以松遼盆地大陸科學(xué)鉆探井——松科2井沙河子組深層頁巖儲層為研究對象。該井鉆完井資料、巖心及測井資料齊全，在鉆遇3 350 m以深的沙河子組地層中多次出現(xiàn)氣測異常，且層數(shù)較多，累計(jì)厚度大，甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，顯示出松遼盆地深層具有廣闊的非常規(guī)天然氣資源開發(fā)前景，同時(shí)為研究深層陸相頁巖氣提供了良好的條件。本文作者基于國內(nèi)外針對陸相頁巖氣測井識別與評價(jià)的實(shí)踐，運(yùn)用常規(guī)測井和特殊測井技術(shù)，采用測井曲線疊合法和交會圖法識別沙河子組深層頁巖含氣儲層，結(jié)合測井、錄井資料以及巖心實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)對比分析，預(yù)測解釋含氣頁巖儲層的總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、孔隙度、滲透率、脆性以及總含氣量等參數(shù)，系統(tǒng)地對松科2井沙河子組深層頁巖儲層進(jìn)行測井解釋和評價(jià)，優(yōu)選出有利的頁巖含氣層段，為松遼盆地深層陸相頁巖氣的勘探與開發(fā)提供參考。

1 地質(zhì)概況

布置松科2井是松遼盆地大陸科學(xué)鉆探工程第二階段任務(wù)?？沏@井位于中央坳陷區(qū)的徐家圍子斷陷宋站鼻狀構(gòu)造帶上[9-11]，完鉆井深7 018 m，獲取了完整的沙河子組地層巖心。氣測錄井顯示，松科2 井沙河子組3 350 m 深地層中出現(xiàn)氣測異常層段118 層，累計(jì)厚度達(dá)268 m，氣測異常層段全烴和甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯呈高值，顯示出較高的含氣性[11-12](圖1，其中，φ為體積分?jǐn)?shù)，w為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。松科2 井所處的徐家圍子斷陷分布面積廣，地層厚度大，斷陷呈南北展布，沉積地層主要包括下白堊統(tǒng)火石嶺組、沙河子組、營城組、登婁庫組和泉頭組等(圖1)。沙河子組形成于斷陷的鼎盛時(shí)期，發(fā)育有平原沼澤、半深湖—湖相、扇三角洲以及辮狀河三角洲等陸相沉積類型，以湖相細(xì)粒碎屑沉積為主[12]。沙河子組非常規(guī)天然氣儲層分布面積廣，儲量豐富，勘探起步較晚，是松遼盆地深層重要的油氣開發(fā)層位。

本文選取沙河子組3 700～4 500 m 層段的頁巖含氣儲層為研究對象。該層段巖性以黑色、灰黑色砂泥巖混層為主，發(fā)育有砂巖、粉砂巖、頁巖、礫巖，夾有煤層等。頁巖儲層較為致密，有機(jī)質(zhì)豐度高，以陸源輸入的腐殖型有機(jī)質(zhì)為主，在熱演化階段更傾向于生成烴類氣體，干酪根類型主要是II2型和Ⅲ型，有機(jī)質(zhì)進(jìn)入高成熟階段和過成熟階段[13]。沙河子組頁巖主要由黏土礦物、石英和斜長石等礦物組成，黏土礦物以伊蒙混層和伊利石為主，脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)以石英和方解石為主，還有鉀長石、菱鐵礦、黃鐵礦等。沙河子組3 700～4 500 m層段的頁巖儲層多次出現(xiàn)氣測異常，基于測井?dāng)?shù)據(jù)解釋結(jié)果顯示，部分頁巖層段平均w(TOC)在2%以上，頁巖儲層總含氣量在1.79～2.57 m3/t之間，具有頁巖氣勘探開發(fā)的潛力。本文結(jié)合測井?dāng)?shù)據(jù)和巖心資料，開展沙河子組3 700～4 500 m 層段的頁巖儲層測井評價(jià)，對深層頁巖氣的勘探與開發(fā)具有重要價(jià)值。

2 頁巖儲層測井識別

含氣頁巖儲層的測井響應(yīng)特征明顯，與普通頁巖層相比，含氣頁巖儲層在測井曲線上通常表現(xiàn)為“高自然伽馬、高電阻率、高補(bǔ)償中子、高聲波、低密度、低光電吸收截面指數(shù)”的“四高兩低”特征[14-16]。松科2 井沙河子組主要以砂巖、粉砂巖、頁巖為主，通過測井曲線疊合法和交會圖法可以初步識別出頁巖含氣儲層。

2.1 測井曲線疊合法

常規(guī)測井曲線的疊合可以有效地識別出地層巖性。選取對頁巖敏感的自然伽馬(GR)、無鈾伽馬(KTH)、電阻率(RT)、深側(cè)向電阻率(RLLD)、聲波時(shí)差(AC)、補(bǔ)償中子(CNL)、密度(DEN)等參數(shù)，進(jìn)行組合分析以識別頁巖和劃分頁巖含氣層。

沙河子組頁巖儲層具有自然伽馬高、聲波時(shí)差高、密度高、深淺側(cè)向電阻率偏低的特點(diǎn)，通過對測井曲線的疊合，觀察不同巖性和含氣層段的幅度差異，從而定性識別出頁巖氣儲層[17]。松科2井沙河子組頁巖測井曲線疊合圖(4 050～4 150 m)如圖2所示，RT-AC 曲線反相重疊顯示出曲線分離的特征，在頁巖含氣層段電阻率和聲波時(shí)差都偏大。AC-DEN，GR-DEN和GR-AC曲線疊合正偏差明顯，在氣測異常層段正偏差明顯增大，表明頁巖層段含有烴類氣體。同時(shí)，在陣列聲波測井曲線中，泊松比-體積模量曲線反向交會刻度在頁巖含氣層段出現(xiàn)包絡(luò)交會，當(dāng)頁巖層含氣時(shí)，泊松比和體積模量都會相應(yīng)地減小[18-19]。波速比-縱波時(shí)差曲線疊合也出現(xiàn)包絡(luò)交會，在含氣層段縱波時(shí)差增大，縱橫波速度比減小，波速比-縱波時(shí)差曲線疊合出現(xiàn)的包絡(luò)面積越大，含氣飽和度越高[20]。

2.2 測井參數(shù)交會圖法

針對松科2井深層陸相頁巖儲層，選取對頁巖響應(yīng)敏感的參數(shù)進(jìn)行交會識別。選取的參數(shù)有自然伽馬、深淺側(cè)向電阻率、聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子和密度等，如圖3所示。頁巖相較于砂巖、砂礫巖，自然伽馬值較高、電阻率高，聲波時(shí)差值、密度偏低。含氣頁巖與普通頁巖相比，電阻率明顯偏高，密度偏高，聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子則相對偏低(表1)。相比于海相、海陸過渡相頁巖含氣儲層，沙河子組深層陸相頁巖含氣儲層的自然伽馬值較低，GR在72～116 API之間；地層電阻率也偏低，多分布在6～132 Ω·m范圍內(nèi)。根據(jù)松科2井沙河子組頁巖交會識別圖版，發(fā)現(xiàn)自然伽馬、電阻率、密度對含氣頁巖儲層識別效果明顯，聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子等的識別效果次之(圖4)。

表1 沙河子組不同巖性測井參數(shù)響應(yīng)特征Table 1 Response characteristics of logging parameters of different lithology in Shahezi formation

3 頁巖儲層測井解釋

3.1 總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)預(yù)測

總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(TOC))是反映有機(jī)質(zhì)豐度的核心指標(biāo)，是頁巖氣藏形成的重要地質(zhì)條件之一，作為衡量生烴潛力和生烴量的關(guān)鍵參數(shù)。w(TOC)反映了烴源巖的生烴潛力，對頁巖含氣量有直接影響[21-23]。結(jié)合松科2井沙河子組頁巖巖心和測井?dāng)?shù)據(jù)資料，對巖心實(shí)驗(yàn)w(TOC)進(jìn)行分析，采用DeltaLogR 模型計(jì)算w(TOC)以及采用元素俘獲測井?dāng)?shù)據(jù)回歸分析w(TOC)。采用DeltaLogR 模型計(jì)算w(TOC)公式如下[24]：

式中：w(TOC)為總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Rt為實(shí)測電阻率，Ω·m；Rsh為非烴源巖層對應(yīng)電阻率測井值，Ω·m；K為疊合系數(shù)，研究區(qū)K=0.02；tAC為聲波時(shí)差測井值，μs/m；tACsh為非烴源巖層對應(yīng)的聲波時(shí)差測井值，μs/m；LOM為有機(jī)質(zhì)成熟度指數(shù)，研究區(qū)LOM=12。

用DeltaLogR 模型計(jì)算w(TOC)，研究區(qū)沙河子組頁巖儲層K為0.02，LOM為12。采用DeltaLogR 模型計(jì)算所得w(TOC)曲線和實(shí)驗(yàn)巖心分析所得w(TOC)曲線對比顯示(圖5)，采用DeltaLogR 模型計(jì)算所得w(TOC)與實(shí)測巖心所得w(TOC)存在較大差別，吻合度較低。由于傳統(tǒng)的DeltaLogR 模型計(jì)算w(TOC)中的不確定參數(shù)較多，在復(fù)雜儲層礦物成分、黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)、顆粒間壓實(shí)程度等影響下，聲波時(shí)差變化較大，電阻率也易受黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，不能有效地反映有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)引起的變化趨勢，存在一定的局限性和經(jīng)驗(yàn)性[25]。而采用元素回歸分析所得w(TOC)與實(shí)驗(yàn)巖心測試結(jié)果對比顯示其吻合度較高，可以用來預(yù)測沙河子組頁巖的總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(圖5)，其中，T2為核磁共振測井中的橫向弛豫時(shí)間。元素回歸分析w(TOC)具體方法[26]如下：

式中：w(TOC)為總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；w(Fe)，w(Si)和w(Ca)分別為鐵、硅和鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

元素回歸w(TOC)分析結(jié)果顯示，研究區(qū)沙河子組3 700～4 500 m層段的w(TOC)局部呈高值，最高可達(dá)17.70%。其中，3 750～3 850 m 和4 000～4 150 m 的層段平均w(TOC)在2%以上，頁巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，具有頁巖氣勘探開發(fā)的潛力。

3.2 物性特征

3.2.1 孔隙度

頁巖孔隙是儲存油氣的重要空間，頁巖儲層微觀納米級孔隙發(fā)育，孔隙度通常較低。頁巖孔隙度會影響頁巖氣的賦存狀態(tài)，對頁巖氣的儲集性能起著重要的作用[27-28]。計(jì)算頁巖儲層孔隙度，通常采用的方法有單孔隙度測井法、巖心刻度法、中子密度交會法、定骨架密度法等方法[29-31]，考慮到巖層中礦物組分的多樣性，不同礦物組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，以及陸相頁巖孔隙受熱演化過程影響等特點(diǎn)[32]，選擇采用改進(jìn)的變骨架密度法計(jì)算頁巖儲層孔隙度參數(shù)。由元素俘獲能譜測井方法得到黏土礦物、石英、鉀長石、斜長石、方解石、黃鐵礦以及菱鐵礦等礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，計(jì)算巖石的骨架密度，再結(jié)合巖石中的流體密度和測井補(bǔ)償密度計(jì)算巖石孔隙度，具體公式如下[26]：

式中：ρmatrix為巖石的骨架密度，g/cm3；Vi為礦物i的組分體積分?jǐn)?shù)，%；ρi為礦物i的骨架密度，g/cm3。

式中：Φ為巖層孔隙度；ρmatrix為巖石的骨架密度；ρf為巖層中的流體密度，g/cm3；ρDEN為補(bǔ)償密度，g/cm3。

采用變骨架密度法所得計(jì)算結(jié)果顯示，松科2井沙河子組頁巖含氣儲層的孔隙度范圍為0.28%～8.41%，平均為2.04%，整體上孔隙度偏低。與實(shí)驗(yàn)巖心孔隙度相比，采用變骨架密度法測得的孔隙度吻合度較高，能夠反映出松科2井沙河子組深層陸相頁巖儲層在縱向上的孔隙度變化趨勢(圖5)。其中，3 750～3 900 m 層段孔隙度平均值在4%以上，4 300～4 500 m 層段孔隙度平均值為3.5%左右。

結(jié)合巖心核磁共振實(shí)驗(yàn)分析，檢測出飽水和烘干條件下巖樣的T2弛豫時(shí)間，測算出樣品中的含水量，然后測算出孔隙度[33]。利用標(biāo)準(zhǔn)樣品對完全飽和巖樣測得的T2譜進(jìn)行刻度，將信號強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成孔隙度，轉(zhuǎn)換公式如下：

式中：Mi為巖樣第i個T2分量的核磁共振T2譜幅度；Mb為標(biāo)準(zhǔn)樣品T2譜的總幅度；Sb為標(biāo)準(zhǔn)樣品在NMR 數(shù)據(jù)采集時(shí)的掃描次數(shù)；s為巖樣在NMR數(shù)據(jù)采集時(shí)的掃描次數(shù)；Gb為標(biāo)準(zhǔn)樣品在NMR數(shù)據(jù)采集時(shí)的接收增益；g為巖樣在NMR 數(shù)據(jù)采集時(shí)的接收增益；Vb為標(biāo)準(zhǔn)樣品總含水量，cm3；V為巖樣的體積，cm3。

經(jīng)計(jì)算，沙河子組頁巖樣品的孔隙度分布在2.74%～8.45%之間，孔隙度平均值為5.26%。將核磁計(jì)算的孔隙度與實(shí)驗(yàn)巖心孔隙度進(jìn)行對比，核磁計(jì)算的孔隙度與實(shí)驗(yàn)巖心孔隙度吻合度不高。其原因可能是沙河子組陸相頁巖黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，在樣品長時(shí)間飽水下，黏土?xí)?dǎo)致頁巖樣品的核磁孔隙度發(fā)生變化；其次是飽水條件下會影響頁巖孔隙水中吸附態(tài)和自由態(tài)水的比例，而吸附態(tài)和自由態(tài)水的比例主要由孔隙的直徑和形狀決定[34-36]。經(jīng)與實(shí)驗(yàn)巖心孔隙度對比，核磁孔隙度也體現(xiàn)出沙河子組頁巖低孔隙度的特征。

由于單一的孔隙度計(jì)算方法不能準(zhǔn)確地反映頁巖儲層孔隙度的真實(shí)情況，將變骨架密度法計(jì)算所得孔隙度、實(shí)驗(yàn)巖心孔隙度和巖心核磁孔隙度進(jìn)行綜合對比分析。以實(shí)驗(yàn)巖心孔隙度為基準(zhǔn)，將變骨架密度法計(jì)算所得孔隙度和巖心核磁孔隙度分別與實(shí)驗(yàn)巖心孔隙度擬合對比，結(jié)果顯示變骨架密度法計(jì)算所得孔隙度與實(shí)驗(yàn)巖心孔隙度吻合度最高，故利用測井?dāng)?shù)據(jù)通過變骨架密度法計(jì)算所得的孔隙度確立為沙河子組頁巖儲層孔隙度，計(jì)算結(jié)果顯示在沙河子組3 700～4 500 m 層段，頁巖儲層的孔隙度分布在0.28%～8.45%之間，孔隙度平均值為4.60%。其中在3 750～3 900 m 頁巖含氣層段的孔隙度平均值在4%以上，4 300～4 500 m頁巖含氣層段孔隙度平均值為3.5%左右。

3.2.2 滲透率

滲透率是評價(jià)頁巖儲層滲透能力的關(guān)鍵參數(shù)，采用測井方法準(zhǔn)確計(jì)算頁巖儲層滲透率比較困難。頁巖儲層具有低孔、低滲的致密特性，常規(guī)方法難以準(zhǔn)確計(jì)算其滲透率[31,37-39]。核磁共振測井不受巖石骨架的影響，適用于中低孔隙的巖性，能夠靈敏地反映地層復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)和束縛流體以及可動流體的特征。利用核磁共振測井參數(shù)建立儲集層滲透率模型，可以較好地反映頁巖儲層滲透率特征。本文采用Coates 模型，在確定核磁共振T2 截止值后，通過可動流體和束縛流體體積計(jì)算滲透率[40-41]。Coates模型滲透率計(jì)算公式如下：

式中：K為Coates 模型的核磁滲透率，10-3μm2；Cn1，a和b為模型參數(shù)，由相應(yīng)地區(qū)的巖樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析求得；Φnmr為核磁共振孔隙度，%；Φnmrm為核磁可動流體孔隙度，%；Φnmrb為核磁束縛流體孔隙度，%。

根據(jù)沙河子組頁巖巖樣實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，將核磁共振測量的可動流體孔隙度和束縛流體孔隙度、核磁孔隙度以及常規(guī)滲透率代入Coates模型中，反推出巖樣滲透率系數(shù)，并進(jìn)行系數(shù)優(yōu)化。得出在Coates 模型滲透率計(jì)算公式中，地區(qū)參數(shù)Cn1為4，a為4，b為2。核磁共振測井計(jì)算顯示，沙河子組3 700～4 500 m 層段頁巖儲層的滲透率分布在(0.002～0.509)×10-3μm2之間，平均為0.081×10-3μm2，滲透率整體上偏低，符合沙河子組頁巖儲層超低孔隙度低滲透率的特征。

3.3 脆性分析

脆性對于頁巖氣儲層的可壓裂性具有決定性作用，是評價(jià)儲層巖石力學(xué)特征的一個重要參數(shù)[42]。頁巖的脆性直接影響頁巖儲層在壓裂過程中誘導(dǎo)裂縫的形成，影響頁巖的壓裂效果，在一定程度上決定著頁巖氣的產(chǎn)量[43-44]。對脆性進(jìn)行評價(jià)的方法主要有地球物理測井法、礦物組分分析法、巖石力學(xué)參數(shù)法和壓裂實(shí)驗(yàn)等[45-46]。采用陣列聲波測井、元素俘獲測井和全巖礦物X 射線衍射分析對松科2 井沙河子組頁巖儲層儲層脆性進(jìn)行評價(jià)。

3.3.1 礦物組分分析法

根據(jù)元素俘獲測井以及全巖礦物X 射線衍射分析，沙河子組頁巖儲層礦物組分主要以黏土礦物和石英為主，其次為鉀長石、斜長石、方解石、菱鐵礦和黃鐵礦等。在3 700～4 500 m 層段的頁巖儲層中，黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，為20.4%～64.7%，平均值達(dá)45.61%，主要以伊利石和伊蒙混層為主；石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，為20.9%～57.3%，平均為30.98%；鉀長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～5.3%，平均為0.49%；斜長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%～50.3%，平均為21.42%；方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%～19.6%，平均為1.07%；黃鐵礦和菱鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，部分層段幾乎為0(圖6)。本文采用礦物組分法計(jì)算頁巖儲層的脆性指數(shù)來評價(jià)脆性，以石英、方解石為脆性礦物，其余礦物為黏土礦物、石英、鉀長石、斜長石、菱鐵礦、方解石以及黃鐵礦，計(jì)算公式如下：

式中：IB為脆性指數(shù)；wqa為石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；wca為方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；wcl為黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；wpy為黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；wsd為菱鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

計(jì)算結(jié)果表明，沙河子組頁巖儲層脆性指數(shù)分布范圍為26.41%～65.04%，脆性指數(shù)平均值為41.28%，頁巖儲層整體上脆性較強(qiáng)，利于后期壓裂造縫和開采。其中，3 800～3 950 m 和4 200～4 350 m 脆性指數(shù)較高，可壓裂性較好。結(jié)合巖心實(shí)測結(jié)果對比分析(圖7)，礦物組分法所得的脆性指數(shù)與巖心實(shí)測的脆性指數(shù)吻合度較高。需注意的是，礦物組分法主要考慮脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，沒有考慮顆粒粒徑和顆粒之間的接觸關(guān)系對脆性的影響。

3.3.2 巖石力學(xué)參數(shù)法

巖石力學(xué)參數(shù)法主要是通過陣列聲波測井得到彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)，建立脆性指數(shù)計(jì)算模型，以評價(jià)頁巖儲層脆性。國內(nèi)外學(xué)者通過對頁巖儲層大量開采后發(fā)現(xiàn)，在一般情況下，彈性模量越高、泊松比越低的頁巖脆性越好，壓裂后更容易形成裂縫[47]。本文采用RICKMAN等[48]得出的歸一化的彈性模量和泊松比等參數(shù)來評價(jià)頁巖儲層脆性指數(shù)，具體計(jì)算公式如下：

式中：IBRi為Rickman 歸一化脆性指數(shù)，%；Es為彈性模量，MPa；Vs為泊松比；Emax為頁巖彈性模量上限，MPa；Emin為頁巖彈性模量下限，MPa；Vmax為頁巖泊松比上限；Vmin為頁巖泊松比下限。

根據(jù)沙河子組頁巖儲層的陣列聲波測井資料，彈性模量的上、下限分別為65 GPa 和15 GPa，泊松比的上、下限為0.36和0.06。經(jīng)計(jì)算，利用測井資料計(jì)算的脆性指數(shù)分布范圍為19.86%～67.87%，脆性指數(shù)平均值為48.43%，隨著深度增加，脆性指數(shù)有逐漸變大的趨勢。

綜合對比分析礦物組分法計(jì)算的脆性指數(shù)、巖心實(shí)測脆性指數(shù)以及巖石學(xué)參數(shù)法計(jì)算的脆性指數(shù)(圖7)，巖石力學(xué)參數(shù)法計(jì)算的脆性指數(shù)與巖心實(shí)測脆性指數(shù)吻合度較高，對比顯示出松科2井沙河子組頁巖儲層整體上脆性較好，其中，3 800～3 950 m和4 200～4 350 m脆性指數(shù)較高，利于后期的壓裂改造，是實(shí)現(xiàn)有效開采的潛力層段。

4 含氣頁巖儲層測井綜合評價(jià)

松科2 井沙河子組3 700～4 500 m 層段的頁巖儲層測井響應(yīng)特征明顯(圖8)。綜合常規(guī)測井和特殊測井響應(yīng)特征分析，含氣頁巖層段具有高自然伽馬、高電阻率、低聲波時(shí)差、低密度、低補(bǔ)償中子等特征。自然伽馬能譜測井顯示，頁巖儲層整體上釷(Th)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較高，釷(Th)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測井值平均值為9.09×10-6，反映了沙河子組頁巖黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的特征；鈾(U)、鉀(K)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)則相對較小，鈾(U)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測井值平均為2.39×10-6，鉀(K)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測井平均值為2.48×10-6。頁巖層的黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，含有砂泥質(zhì)顆粒，比表面積較大，對地層中的放射性元素鈾(U)、釷(Th)、鉀(K)等的吸附性較強(qiáng)，自然伽馬測井和無鈾伽馬測井值也相對砂礫巖偏高。核磁共振測井T2 譜顯示，頁巖層段主要以連續(xù)雙峰型為主，振幅較大，且大部分左峰幅度大于右峰幅度(圖8)。核磁共振測井橫向弛豫時(shí)間T2幾何平均值介于2～3 ms之間，弛豫時(shí)間低于20 ms，反映了頁巖儲層可動流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，孔隙的束縛水質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，孔隙表面以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非均質(zhì)性較強(qiáng)[49-50]。在陣列聲波測井曲線中，泊松比-體積模量以及橫縱波比值-縱波時(shí)差曲線交會顯示，在頁巖含氣層段出現(xiàn)包絡(luò)面交會，指示頁巖儲層具有含氣的特征。

沙河子組頁巖儲層為陸相沉積，與海相、海陸過渡相頁巖儲層對比，常規(guī)測井響應(yīng)特征差異明顯(圖9)。以四川盆地東南緣焦石壩奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組海相頁巖儲層和渤海灣盆地冀中坳陷石炭系太原組—二疊系山西組海陸過渡相頁巖儲層為例進(jìn)行對比分析[51-52]，海相頁巖含氣儲層自然伽馬值均大于150 API，鈾(U)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值高于10×10-6，聲波時(shí)差值平均為256 μs/m，密度平均為2.55 g/cm3；電阻率變化范圍較大，整體上較高。海相頁巖含氣儲層在常規(guī)測井曲線響應(yīng)中表現(xiàn)出高自然伽馬測量值、高鈾、高電阻率、高聲波時(shí)差、低無鈾伽馬測量值、低補(bǔ)償中子測量值、低密度、低光電吸收截面指數(shù)等特征[14,53]。海陸過渡相頁巖含氣儲層自然伽馬值平均為128 API，鈾(U)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為8.90×10-6，聲波時(shí)差值平均為265 μs/m，密度平均為2.43 g/cm3，補(bǔ)償中子測量值平均為24.48%；電阻率變化范圍較大，含氣頁巖儲層表現(xiàn)出電阻率高的特征。海陸過渡相頁巖在常規(guī)測井響應(yīng)特征中表現(xiàn)出高自然伽馬、高鈾、高電阻率、高聲波時(shí)差、低補(bǔ)償中子測量值、低密度等的特征。而沙河子組陸相頁巖含氣儲層相較于海相儲層，自然伽馬值、補(bǔ)償中子測量值、鈾(U)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和聲波時(shí)差都偏低，電阻率變化范圍較小，無鈾伽馬值偏高。沙河子組為斷陷湖盆沉積，有機(jī)質(zhì)主要以腐殖型為主，局部為腐殖腐泥型，頁巖主要由黏土礦物、石英和長石等造巖礦物組成，黏土礦物中伊蒙混層質(zhì)量分?jǐn)?shù)高。而奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組頁巖為海相陸棚沉積，有機(jī)質(zhì)來源于海洋浮游生物和藻類等，有機(jī)質(zhì)品質(zhì)較高，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)也明顯比沙河子組頁巖的高，自然伽馬測井值、鈾(U)質(zhì)量分?jǐn)?shù)相應(yīng)偏高。

對比于海相、海陸過渡相頁巖儲層測井響應(yīng)特征與評價(jià)方法，沙河子組深層陸相頁巖巖性識別難度較大，尤其是對于泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的頁巖、粉砂巖、細(xì)砂巖等，需要結(jié)合更多的測井參數(shù)交會識別以及特殊測井技術(shù)方法如電成像、元素俘獲測井等進(jìn)行評價(jià)。在測井資料中，對w(TOC)響應(yīng)較敏感的參數(shù)如電阻率、聲波時(shí)差、鈾、自然伽馬等由于受陸相頁巖儲層礦物成分、黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)、顆粒間壓實(shí)程度等因素影響較大，采用傳統(tǒng)的DeltaLogR 模型計(jì)算w(TOC)不能有效地反映頁巖儲層特征，需要進(jìn)一步采用元素俘獲測井方法進(jìn)行模型擬合分析解釋；對于陸相頁巖的物性，相較于海相、過渡相頁巖儲層，通過測井模型解釋分析難度更大，常規(guī)測井解釋結(jié)果與實(shí)驗(yàn)巖心分析結(jié)果吻合度較低，需要進(jìn)一步結(jié)合特殊測井方法如元素俘獲能譜測井、核磁共振測井等技術(shù)方法進(jìn)行科學(xué)、合理的解釋。

結(jié)合常規(guī)測井和特殊測井技術(shù)進(jìn)行解釋分析，能夠較準(zhǔn)確地識別沙河子組頁巖含氣儲層。測井解釋的總含氣量顯示(圖8)，沙河子組3 700～4 500 m 頁巖儲層的總含氣量在1.79～2.57 m3/t 之間，總含氣量平均為2.01 m3/t。在頁巖儲層總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(TOC))、孔隙度、滲透率、脆性指數(shù)及總含氣量分析的基礎(chǔ)上，參照DZ/T 0254—2014“頁巖氣資源儲量計(jì)算與評價(jià)技術(shù)規(guī)范”、Q/SY 1847—2015“頁巖氣測井評價(jià)技術(shù)規(guī)范”以及GB/T 31483—2015“頁巖氣地質(zhì)評價(jià)方法”等標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步結(jié)合松科2 井沙河子組頁巖儲層特征，將w(TOC)大于1%、孔隙度大于2%、滲透率大于0.005×10-3μm2、脆性指數(shù)大于45%以及總含氣量大于1 m3/t作為研究區(qū)含氣頁巖儲層的下限標(biāo)準(zhǔn)，以此對沙河子組3 700～4 500 m 層段頁巖氣儲層進(jìn)行分類與評價(jià)(表2)，篩選出3 722～3 762 m層段、3 820～3 860 m 層段、4 100～4 150 m 層段以及4 400～4 460 m 層段為Ⅰ類含氣儲層，3 890～3 940 m層段、4 220～4 280 m 層段和4 320～4 360 m 層段為II類含氣儲層，儲層具有頁巖氣資源的開發(fā)潛力。

表2 沙河子組頁巖含氣儲層分類表Table 2 Classification of gas-bearing shale reservoir in Shahezi formation

5 結(jié)論

1) 沙河子組3 700～4 500 m 深層陸相頁巖含氣儲層具有自然伽馬高、電阻率高、鈾(U)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低、聲波時(shí)差低、密度低、補(bǔ)償中子測量低等特征。運(yùn)用常規(guī)測井曲線疊合法和交會圖法能夠識別出頁巖及頁巖含氣儲層，其中自然伽馬、電阻率、聲波時(shí)差、中子和密度測井曲線對頁巖層的敏感度較高，識別效果良好。

2) 采用巖心實(shí)驗(yàn)w(TOC)測試、DeltaLogR 模型計(jì)算w(TOC)以及元素俘獲測井?dāng)?shù)據(jù)回歸分析w(TOC)，發(fā)現(xiàn)元素俘獲測井?dāng)?shù)據(jù)回歸計(jì)算的w(TOC)與巖心實(shí)驗(yàn)w(TOC)吻合度更高，其中，在3 750～3 850 m和4 000～4 150 m的層段平均w(TOC)在2%以上，頁巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，具有較強(qiáng)的生烴潛力。

3) 采用變骨架密度法和Coates 模型計(jì)算沙河子組頁巖含氣儲層的孔隙度、滲透率，計(jì)算結(jié)果能夠較準(zhǔn)確反映出松科2井沙河子組深層陸相頁巖儲層在縱向上的孔隙度和滲透率的變化趨勢。沙河子組3 700～4 500 m 頁巖儲層整體上表現(xiàn)為低孔隙度低滲透率的特征。

4) 運(yùn)用礦物組分法和巖石力學(xué)參數(shù)法分析頁巖儲層脆性，據(jù)陣列聲波測井所得數(shù)據(jù)，通過巖石力學(xué)參數(shù)法計(jì)算所得脆性指數(shù)與實(shí)驗(yàn)巖心脆性指數(shù)吻合度較高。脆性指數(shù)分布范圍為19.86%～67.87%，平均為48.43%。隨著深度增加，脆性指數(shù)有逐漸變大的趨勢。

5) 綜合測井?dāng)?shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)巖心數(shù)據(jù)，預(yù)測了沙河子組頁巖儲層的w(TOC)、孔隙度、滲透率、礦物組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、脆性以及總含氣量等，對沙河子組3 700～4 500 m 頁巖儲層進(jìn)行分類，篩選出3 722～3 762 m 層段、3 820～3 860 m 層段、4 100～4 150 m 層段以及4 400～4 460 m 層段為Ⅰ類含氣儲層，3 890～3 940 m 層段、4 220～4 280 m 層段和4 320～4 360 m 層段為II 類含氣儲層，這些儲層具有頁巖氣資源的開發(fā)潛力。