元素录井技术在涪陵页岩气田勘探中的应用*

李昂 袁志华 张玉清 张建平 赵红燕

（1.长江大学2.中国石化集团江汉石油工程有限公司）

元素录井技术在涪陵页岩气田勘探中的应用*

李昂1袁志华1张玉清1张建平2赵红燕2

（1.长江大学2.中国石化集团江汉石油工程有限公司）

以X射线衍射仪（XRD）、X射线荧光仪（XRF）为主要设备的元素录井技术是近年发展起来的一项新的录井技术，能够有效解决特殊钻井条件下的细小或粉末状岩屑识别与描述难题。基于涪陵页岩气田元素录井技术应用实践认识，概括介绍了元素录井技术及其资料在海相页岩气储层岩性识别、储层密度与孔隙度计算、可改造性评价方面应用方法。涪陵页岩气田应用结果显示，元素录井岩屑矿物含量测量与实验室岩心分析结果基本一致，计算的视储层岩石密度、总孔隙度与测井、核磁共振录井处理结果基本接近，已成为页岩气井钻探的必要配套技术。图5表2参10

元素录井XRDXRF涪陵页岩气田勘探应用

0 前言

涪陵页岩气田的初步勘探表明，焦石坝区块志留系龙马溪组下部—奥陶系五峰组富有机质页岩层分布稳定，面积约400 km2，与美国Barnett、Marcellus等页岩气田具有近似的地质特征，以X射线衍射（XRD）、X射线荧光（XRF）为主要设备的元素录井新技术，为该区页岩气储层岩性识别、储层体积密度与孔隙度计算、可改造性评价提供了良好技术支持，已成为页岩气井钻探的必要配套技术。

1 元素录井简介

X射线衍射（XRD）、X射线荧光（XRF）元素录井技术是近年来兴起的一项录井新技术，通常简称为XRD或XRF录井。XRD仪器是目前较权威的矿物含量定量分析测量设备。它的基本工作原理是，X射线投射到晶体中时出现因散射线加强而存在衍射图像，将衍射图像与矿物衍射数据库中的标准X射线衍射图谱对比，能够准确识别出录井岩屑粉末中的矿物成分与含量。在录井现场，XRD能够直接测定石英、钾长石、斜长石、方解石、白云石、黄铁矿、伊利石、高岭石、蒙脱石、绿泥石等多种砂质、泥质和灰质矿物成分。XRF仪器主要基于元素分析，在储层矿物脆性判断方面能起到良好效果。它通过X射线脉冲数来记录元素产生的荧光能量和强度，数值单位为“脉冲/s”，能定量分析Si、Fe、S、P、Cl、K、Ca、Mg、Mn、Ti、Ba和Al等12种元素，可作为地层岩性识别的基础数据。应用这些录井方法能够有效解决细小或粉末状岩屑的录井识别与描述难题[1-2]。

2 识别岩性

2.1 矿物成分分类法

岩石由矿物组成，不同岩性的岩石所含矿物成分及含量不同。页岩气储层中常见矿物为石英、长石、碳酸盐、黄铁矿、伊利石、高岭石等，组成元素主要为Si、Al、Fe、Ca、Mg、K等6种（表1）。因此，通过元素录井实现元素和矿物的测量转换，确定岩石矿物与元素组成，为岩性识别提供依据。

矿物成分分类法识别岩性的核心是利用泥质、砂质、灰质三类成分含量的组合关系识别岩性。在涪陵地区，泥质、砂岩、灰岩的代表元素分别为K、Si、Ca，利用元素含量计算视泥质、砂质、灰质视含量公式[5]:

表1 八种元素和十种矿物的转换系数表[3-4]

式中：

φ（泥质）、φ（砂质）、φ（灰质）—泥质、砂质、灰质视含量，%；

φ（K）、（Si）、φ（Ca）—钾、硅、钙元素质量分数，%；

φ（K）min、φ（Si）min、φ（Ca）min—纯砂岩中钾、硅、钙元素质量分数最小值，%；

（K）max、（Si）max、（Ca）max—纯泥岩钾、硅、钙元素质量分数的最大值，%。

XRF录井计算泥质、砂质、灰质相对百分含量Vsh、Vsand、Vlime公式:

式中：

Vsh、Vsand、Vlime—泥质、砂质、灰质相对百分含量，%；

XRD录井直接通过合并石英、碳酸盐、黏土矿物含量方法确定泥质、砂质、灰质成分的相对百分含量。

2.2 谱图判别法

识别岩性的谱图法主要是根据XRD、XRF谱图特征来识别。在涪陵页岩气田志留系龙马溪组石英样品XRD实验谱图中，横向为衍射角度，纵向为相对强度，每个峰标出的对应的值为晶面间距d。d值满足布拉格定律（Braggs Law），2dsinθ=nλ，θ为衍射角度，λ为X射线波长。石英的XRD曲线出峰较多，可以明显看到7个峰，其中特征非常明显的特征峰的衍射角为26.64°、20.86°，晶面间距为0.335、0.426。图上各峰的衍射角的角度、晶面间距与仪器出厂配备的石英标样X射线衍射数据基本吻合。对岩屑XRF谱图分析发现，相同岩性的XRF谱图具有相似特征，根据这一特征对测量样品的XRF谱图进行相似性分析，可判别测量样品的岩性。

图1 涪陵页岩气田龙马溪组典型石英矿物XRD图谱

3 判断储层可改造性

页岩脆性特征是储层是否易于改造的重要参数[6]，而矿物成分是其主要影响因素之一。统计显示，在其他条件相似的情况下，石英、方解石、菱铁矿3种矿物含量的增大会使储层的抗压强度和弹性模量呈上升趋势，而泊松比则呈下降趋势，有利于储层改造。

录井现场通常是根据岩屑或岩心脆性矿物含量与脆性指数判别。脆性矿物含量估算公式[7]：

式中：

VBRIT—储层脆性矿物质量分数，%；

Vsi—储层石英质（石英、长石）矿物质量分数，%；

Vco3—储层碳酸盐矿物（方解石、白云石）质量分数，%。

式中：

BRIT—储层脆性指数，无量纲；

Vth—储层黏土矿物质量分数，%。

在录井现场，BRIT≥0.5、Vsi+lime≥60，页岩气储层改造被认为是易形成放射状网络裂缝（图2）；BRIT≤0.2、Vsi+lime≤30，页岩气储层改造被认为是易形成单缝[8]。

图2 页岩气储层改造裂缝形成条件示意图

4 孔隙度计算

在利用元素录井仪或其它装置测得岩样矿物含量的前提下，参考矿物和流体标准密度值[9]（表2）可求得岩样的密度，计算公式：

式中：

ρb—视岩屑或岩心体积密度，g/cm3；

ρi—岩样矿物密度，g/cm3；

Vi—岩样矿物相对百分含量，%。

表2 涪陵页岩气田常见矿物和流体密度值（g/cm3）[11]

参照利用密度测井求取储层总孔隙度公式得到视储层孔隙度公式：

式中：

Φx—视储层总孔隙度，%；

Dma—岩石骨架、流体密度值，g/cm3；

涪陵页岩气田Φx、Dma一般分别取2.65、0.56。

值得说明的是，Φx未进行有机质含量校正，不影响现场录井应用。

5 实例分析

涪陵页岩气田位于重庆市东面，在气田南部焦石坝背斜带海相页岩气勘探率先获得突破[10]。元素录井为区内首口页岩气参数井—A井与B、C、D探井（图3）及多口评价井岩性识别、储层可改造性评价和储层总孔隙度等重要参数确定提供了重要技术支持。这里仅以A井为例阐述元素录井技术应用。

图3 涪陵页岩气田A井井位示意图

A井元素录井采用XRD录井仪，从井深1000 m开始录井，录井间距为1 m，到井深2450.0 m结束。

与其同步工作的气测录井于龙马溪组井深2341.0 m开始出现烃类异常显示（图4），至五峰组井深2416.0 m异常显示结束。

图4 A井龙马溪组下部——五峰组页岩储层录井成果图

A井龙马溪组下部—五峰组岩屑录井岩性主要为灰黑色粉砂质泥岩、灰黑色泥岩与碳质泥页岩，自然伽马呈高值显示。2341.0～2416.0 m井段岩心元素录井分析显示，页岩矿物成分以石英和黏土矿物为主，含斜长石、钾长石、方解石、白云石和黄铁矿等。黏土矿物质量分数最小16.6%，最大62.8%，平均40.0%（图5)。黏土矿物以伊蒙混层(I/S)为主，占54.0%，其次为伊利石40.0%；脆性矿物质量分数最小34.0%，最大80.0%，平均56.5%，以石英为主，占68.0%，其次是长石，占16.0%，脆性指数为0.47。依据元素录井矿物成分，2341.0～2416.0 m井段岩性应命名为（富含）硅质页岩，与岩屑岩性命名基本一致。总体上来看，A井龙马溪组—五峰组2341.0～2416.0 m含气页岩储层段脆性指数自上而下逐渐增大。类比北美地区海相页岩气层，龙马溪组—五峰组2341.0～2416.0 m页岩气层脆性矿物含量适中，易压裂改造成功。

A井2341.0～2368 m井段页岩气层元素录井视岩性密度、孔隙度平均值为2.53 g/cm3、6.0%，2368～2416.0 m元素录井视岩性密度、总孔隙度平均值为2.56 g/cm3、4.2%,与实验室岩心分析和测井、核磁共振录井处理结果基本接近，视密度绝对误差小于±0.03 g/cm3，总孔隙度绝对误差小于1.0%，能满足元素录井评价储层需要。

图5 A井2341.0~2416.0 m井段储层矿物分类剖面示意图

A井完钻后，对应龙马溪组2395.0～2410.0 m井段，进行了侧钻水平井，水平段长1008.0 m，分15段进行水力压裂，日产天然气20.3×104m3，储层多级分段压裂改造效果良好，可改造性强。

6 结论

（1）元素录井技术在涪陵页岩气田应用实践证明，能够准确定量测量储层矿物成分，为特殊钻井条件下的录井细小、粉末状岩屑岩性识别提供可靠依据，已成为页岩气井钻探的必要配套技术；

（2）利用元素录井测量的矿物成分含量计算页岩储层视体积密度、总孔隙度有可行性。

（3）文中建立的龙马溪组下部—五峰组矿物、矿物分类剖面可以作为涪陵页岩气田元素录井分析标准剖面。

1朱根庆，李实荣.X射线荧光岩屑元素录井仪器[R].江苏;全国油气田钻探工程技术与装备研讨会文集[C]，2012.

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5蒋裕强，董大忠，漆麟，等.页岩气储层的基本特征及其评价[J].天然气工业，2012，30（10）:7-12.

6董丙响，程远方，刘钰川，等.页岩气储层岩石物理性质[J].西安石油大学学报:自然科学版，2013，28（1）:25-28,36.

7赵靖舟，方朝强，张洁，等.由北美页岩气勘探开发看我国页岩气选区评价[J].西安石油大学学报:自然科学版，2011，26（2）:20-24.

8石文睿，张占松，张智琳，等.偶极阵列声波测井在页岩气储层评价中的应用[J].江汉石油职工大学学报.2013，26（06）:54-57.

9冯爱国，张建平，石元会，等.中扬子地区涪陵区块海相页岩气层特征[J].特种油气藏，2013，20（6）：15-19.

10雍世和，张超谟，高楚桥，等.测井数据处理与综合解释[M].山东：中国石油大学出版社，2007.

（修改回稿日期2014-09-29编辑王晓清）

中国石化石油工程技术服务有限公司科技攻关项目（SG1305）“涪陵地区页岩气试范区石油工程集成技术”，中国石化集团公司工程先导项目（SG12068）“页岩油气藏矿物录井定量分析技术”。

李昂，男，1990年出生，长江大学矿产普查专业在读硕士研究生，专业方向为地球化学。地址：（430100）武汉市蔡甸区大学路特一号。电话：15623022167。E-mail：767424461@qq.com