高精度地层元素测井在页岩油储层评价中的应用——以鄂尔多斯盆地长7段为例

吴　勇，侯雨庭，李会庚，鲜成钢

(1. 中国石油长庆油田分公司勘探部， 陕西西安 710018；2. 斯伦贝谢中国公司电缆测井事业部， 北京 100015 )



高精度地层元素测井在页岩油储层评价中的应用
——以鄂尔多斯盆地长7段为例

吴勇1，侯雨庭1，李会庚2，鲜成钢2

(1. 中国石油长庆油田分公司勘探部， 陕西西安 710018；2. 斯伦贝谢中国公司电缆测井事业部， 北京 100015 )

摘要：利用高精度地层元素测井技术对鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7段油页岩储层进行了针对性评价。在论述长7段油页岩沉积、地质地球化学特征基础上，介绍了高精度地层元素测井的原理及其对油页岩分析的适用性。高精度地层元素测井通过对地层非弹性散射谱和中子俘获谱的分析，解析出地层主要元素，在此基础上对长7段油页岩主要成岩矿物和骨架岩石物理属性进行了计算；借助直接的碳元素含量测量，对地层有机碳含量(TOC)等进行了评价，并对不同方法计算的TOC结果进行了对比。结合高精度地层元素测井、地层密度测井和核磁测井，提出了一种新的非电阻率法页岩油含油饱和度评价方法，评价结果正确性在压裂测试中得到了证实，展示了高精度地层元素测井在页岩油评价中的高效适用性，对其他地区的页岩油评价具有参考意义。

关键词：页岩油； 有机碳含量；地层元素测井；含油饱和度；长7段；鄂尔多斯盆地

近年来，页岩油日益引发国内外石油行业关注。国内专家和学者结合中国实际地质情况进行了大量的理论研究和前沿探索工作[1-6]，指出中国页岩油资源潜力很大，提出要加强包括页岩油测井评价在内的理论和关键技术创新工作[6]。

页岩油是指储存于富有机质页岩地层中的石油，是页岩石油的简称。富有机质页岩既是烃源岩，又是储集岩。页岩油一般在盆地中心大面积连续分布，整体普遍含油，不受构造控制，无明显圈闭界限。鄂尔多斯盆地非常规油气资源丰富，三叠系延长组长7段页岩油具有很大的勘探开发潜力，初步估算页岩油可采资源量达(10～15)×108t[7]。长庆油田近年针对页岩油开展大量室内研究和现场试验工作，取得了较好的效果。

页岩油测井评价研究开展相对较晚，国内外相关文献也较少，目前主要是借鉴页岩气的评价思路和方法。但页岩油有着自身的独特性和复杂性，二者在油气赋存形态和含油气评价方面差异较大。本文结合鄂尔多斯盆地页岩油储层特征，探讨了地层元素测井技术在页岩油评价中的应用，希望能对页岩油地质评价工作有所借鉴。

1 长7段油页岩地质地球化学特征

1.1 沉积与分布

鄂尔多斯盆地延长组长7段油页岩分布范围广，厚度大，主要发育于半深湖—深湖区。晚三叠世延长组沉积期，受印支运动的影响，鄂尔多斯盆地形成了面积大、水域宽的大型内陆淡水湖盆，湖盆在长7段沉积期达到鼎盛，形成了盆地主要的生油母质，以油页岩、页岩、暗色泥岩为主[8]。长7段底部发育油页岩，呈北西—南东向展布，分布范围广，有效面积约为10×104km2(图1)。

1.2 有机地球化学特征

长7段油页岩富含有机质，母质类型总体为Ⅰ型，少量为Ⅱ1型和Ⅱ2型。镜质组反射率Ro为0.85% ～ 1.15%，已达生油高峰阶段；有机碳含量(TOC)主要为6%～22%，最高可达30%～40%；游离烃含量S1平均为5.24mg/g，是泥岩的5 倍以上；热解烃含量S2平均为58.63 mg/g，为泥岩的8倍以上；S1、氯仿沥青“A”含量与TOC值呈很好的正相关关系[6-9]。以上数据表明，长7段油页岩含油率高，有机质丰度和生烃潜力远大于泥岩，不但是最主要的生油岩，也是页岩油主要的储层。

1.3 岩石学特征

由图2可知：长7段油页岩夹层富集，其中的粉砂质泥岩、粉砂岩或凝灰岩类等夹层虽然单层厚度较薄，但孔隙度和渗透率等物性条件相对较好。富有机质油页岩生油能力强，生成的原油经过极短距离运移即可进入夹层聚集。夹层的岩性较脆，储层改造有利，易形成页岩油流。测试结果也证明，夹层是原油赋存富集的有利场所，层数多、厚度薄、物性好、脆性强的夹层是页岩油勘探开发的有利目标。

长7段油页岩矿物成分及储集空间类型与结构比较复杂。邹才能等[6]利用纳米 CT、扫描电镜和透射电子显微镜等高分辨率观测设备对长7段油页岩内部孔隙和矿物成分进行了研究表明，长7段油页岩黏土矿物主要为伊/蒙混层、伊利石和绿泥石；石英、钾长石、斜长石等碎屑矿物，以及白云石、方解石、铁白云石、菱铁矿等碳酸盐矿物也非常发育；这些矿物呈纹层状与黏土矿物叠合分布，使得长7段油页岩层理发育，常见(碳酸盐—石英—长石)—黏土矿物—(有机质—黄铁矿)的“三元”结构(图3)，或黏土矿物—(有机质—黄铁矿)、(碳酸盐—石英—长石)—(有机质—黄铁矿)的“二元”结构；储集空间包括微米级孔喉、纳米级孔喉和微裂缝，以纳米级孔喉为主，微米级孔喉和微裂缝次之。

2 常规测井评价及局限

长7段油页岩常规测井表现为典型的烃源岩特征，高自然伽马(HSGR)、高含铀(HSGR与HCGR差值)，高声波时差(DTCO)、高电阻率(AT90)、低密度(RHOZ)和高中子孔隙度(TNPH)(图4)。前人开展了大量研究工作，形成了烃源岩有机质含量测井评价等方法[3, 10-11]。

与常规储层相比，油页岩矿物组分及孔隙结构更为复杂，导电机理和渗流机理也不明确，这使得常规测井手段在油页岩评价上面临很多挑战，如有机质含量的确定与校正，准确的岩性和岩石骨架参数确定等。目前常规测井评价油页岩以定性或半定量为主，TOC含量、泥质含量和孔隙度计算多利用本地区岩心回归的经验公式，具有较大的局限性，偏差较大；饱和度和渗透率计算仍参照常规储层解释模型，基本处在定性阶段；岩性评价也是以简单的砂泥剖面为主，无法给出详细的岩石矿物组分变化。

因此，要想从测井角度全面认识和评价油页岩，必须加大测井新方法的采集力度，寻求有效的测井方法或测井组合。

3 高精度地层元素测井

高精度地层元素测井为描述复杂油藏，特别是页岩气、页岩油等非常规油气藏提供了一种重要的新手段[12]。这一测井技术主要是利用高能中子与地层元素发生的非弹性散射，以及热中子被地层俘获时产生的伽马射线，对伽马能谱进行测量，解析出地层岩石中主要化学元素，并利用这些特征元素回归出地层主要矿物成分及含量。

该测井使用高性能大尺寸溴化镧(LaBr3∶Ce)晶体伽马光子探测器和脉冲中子发射技术，保证了能谱测量的质量，使输出的地层化学元素种类和测量精度都大大提高。高精度地层元素测井技术能独立定量确定TOC，这改变了过往测井评价只能通过间接手段、根据经验关系回归确定TOC的现状，对非常规油气和常规油气的评价具有重要的作用。

溴化镧晶体伽马光子探测能力强(光脉冲衰减时间比传统的碘化钠(NaI)或锗酸铋(BGO)晶体要快一个数量级)、光输出量大(比NaI高约42%，比BGO高约660%)、高温性能好(200时光输出和分辨率只有少量降低)，显著提高了地层元素测井的分辨率和测量精度，尤其是在井下高温条件下。如图5所示，与BGO探测器能谱测量(红色)相比， LaBr3∶Ce探测器测量的元素标准能谱(蓝色)分辨率更好、更清晰、定义特征更明显，提高了单个测量能谱的解析精度；同时在150℃条件下，LaBr3∶Ce(蓝色)保持了其高性能光输出，而BGO(红色)测量的标准能谱在60℃时光输出性能就已明显下降。另外，配合新的高性能脉冲中子发生器(中子发射量为3×108s-1，是化学中子源的8倍)，可显著提高测井计数率，降低测量统计误差并提高测井速度。高精度地层元素测井测量的元素种类有了很大程度的增加，包括铝、钡、碳、钙、氯、铁、钆、钾、镁、锰、钠、硫、硅、钛、磷，以及铜和镍等金属元素(表1)，测量精度也大大提高。

表1　高精度地层元素测井测量的元素种类和测量方式表

4 油页岩评价方法及实例

4.1 理论依据

在测量的地层元素含量(干重比)基础上可以进一步确定地层矿物组分。铝、铁等元素有助于确定黏土矿物类型和定量分析黏土矿物含量。钾元素含量对井眼环境和氯化钾钻井液的敏感性更小，可用于长石矿物的分类与评价。镁可用于准确区分地层岩石中的白云石和方解石等碳酸盐矿物。改进的硫元素测量可用来确定富含有机质页岩中黄铁矿的含量，以及定量分析硬石膏含量。高精度的地层碳元素测量可以得到连续的TOC曲线。

常见的沉积岩成岩矿物化学构成一般都比较稳定，具有相对固定的化学分子式和物理属性，因此测量的各地层元素在常见成岩矿物中质量百分含量(不含结晶水，亦称作干重比)是固定的(表2)。与X光荧光实验方法(XRF)类似，通过表2中各元素与地层矿物之间的配比关系，可以识别并定量分析地层中的矿物组分，并得到连续深度的地层矿物组分剖面和相关骨架参数。无需岩心刻度，不依赖于经验解释模型，识别矿物种类丰富，精度高。与实验室岩心分析相比，该方法实效性好，地层覆盖率高，便于现场及时决策。

表2　常见地层矿物及其主要元素干重比表(小数单位)

续表

4.2 实例分析

利用高精度地层元素测井在鄂尔多斯盆地某油田C96井对长7段油页岩进行了测井评价。采集的测井项目包括常规组合测井、高精度地层元素测井(Litho Scanner)、增强型核磁测井(CMR)、微电阻率成像(FMI)和声波扫描测井(Sonic Scanner)，后两者主要针对地层沉积环境和岩石力学分析而设计。

4.2.1 地层元素分析

由图6可见，C69井油页岩地层元素以硅为主，干重比为19%～32%，平均为(统计中值)27%；铝和铁次之，平均含量分别为8.2%和4.1%；存在少量钠元素和钾元素，而锰、镁、钙等碳酸盐矿物元素含量相对较低，高钙地层以夹层状态存在。这表明该段地层整体以硅质矿物为主，且为外源碎屑沉积的可能性较大。Fe和S含量、S/Fe、TOC和S含量可以指示还原环境的强弱，对古环境、古气候具有重要的指征意义。Si/Al、 Si/Ti也可用来分析海陆相沉积环境及陆源输入的多少。长7段底部对应Fe、S高值，S/Fe、TOC也是高值，录井岩屑描述主要为褐灰色细砂岩、灰色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、灰黑色泥岩、黑色碳质泥岩，为水体较深的强还原环境，古气候温暖湿润，沉积速度慢，结合FMI成像确定其为深湖—半深湖沉积。黄铁矿和TOC含量整体向上变低，表明向上水体变浅，由深湖—半深湖相过渡为三角洲相，局部水深震荡变化。长7段上部地层钙质含量明显增高，同时TOC含量很低，说明本区烃源岩以长7段底部硅质泥页岩为主。

4.2.2 地层矿物分析

利用表2中各元素和矿物间的关系，对所测地层各元素曲线和地层矿物含量进行同步优化反演，并将计算得出的地层主要矿物成分和含量与实验室岩心分析结果进行对比(图7)。结果显示，长7段油页岩黏土矿物以伊利石为主，含少量绿泥石，骨架矿物以石英为主，含少量长石，主要为钠长石；碳酸盐矿物为白云石、方解石、铁白云石，以白云石为主，方解石和铁白云石含量相对较低；在主要烃源岩段(2055～2075m)，黄铁矿含量较高。

将测井计算结果与实验室X光衍射(XRD)岩心分析数据(图7中红色点状数据)进行对比，测井分析的主要矿物成分与XRD分析结果一致；在具体矿物含量方面，钠长石、钾长石、绿泥石和各碳酸盐矿物含量较吻合。

实验室在岩样制备时，黏土矿物分离不是很彻底，导致石英含量明显偏高，而伊利石含量明显偏低。在数据核查基础上，为客观对比，将石英和伊利石含量进行了加总，加总后的测井分析结果和XRD结果一致。地层元素测井与XRD分析数据的主要差异有两点：一是测井显示地层含少量石膏，XRD未测出；二是黄铁矿含量不一致，尤其在主要烃源岩段(2060～2070m)。黄铁矿含量差异的原因可能有两点：一是测量尺度不同，黄铁矿往往集合存在，测井尺度相对较大(纵向分辨率约为45cm，探测深度约为25cm)，其结果为测量空间内的平均值；XRD分析以岩样为对象，尺度较小，若岩样中黄铁矿富集就使得结果偏高，代表性差；二是XRD分析过程中可能出现数据误差，毕竟黄铁矿含量高达50%的地层非常少见。

4.2.3 TOC评价

高精度地层元素测井TOC评价方法比较直观，无需岩心标定。仪器可以独立测量和输出足够精度的地层碳元素含量，即地层的总碳含量(TC)减去岩石骨架矿物中的无机碳含量(TIC)，即得出地层有机碳含量(TOC)。

用高精度地层元素测井和常规测井分别对C96井长7段油页岩有机碳含量进行了计算。常规测井包括常用的总自然伽马法、密度测井法、声波时差法、ΔlgR法和黄铁矿含量法，都是经验型公式，需要通过岩心标定。

地层元素测井的TOC结果与常规测井方法具有很好的一致性，但无需岩心标定，这在岩心数据缺乏时尤其是新区勘探中非常实用。不同测井TOC评价结果在长7段上部较均质的块状地层与岩心分析结果较一致；底部油页岩层段(2066～2074m)纹层和层理发育，岩心分析和测井观测尺度不一致，导致测井分析结果与岩心对比性较差(图8)。就地质评价而言，若计算每吨地层中所含的有机质总量，笔者认为测井评价的尺度更为适合， TOC结果更合理，更科学。

4.2.4 含油饱和度评价

在含干酪根的油气储层包括页岩油储层中，常规测井评价油气饱和度仍面临很多挑战:一是干酪根的影响和油气基本类似，如对密度、中子、电阻率的影响，依靠这些方法很难将二者区别开来；二是油页岩岩性和孔隙结构很复杂，导致常规测井响应和目的地层属性之间的定量关系不明确，只能依赖岩心实验建立的经验模型，而且不确定参数较多，如准确的岩石骨架参数、电阻率地层因子等。

在C96井页岩油评价中，结合了高精度地层元素测井(Litho Scanner)、核磁测井(CMR)和地层密度测井(RHOB)，建立了包括岩石骨架矿物、黏土矿物及干酪根和地层流体在内的页岩油地层体积解释模型；这些测井方法分别反映地层的不同分量，其响应是简单的体积线性关系，避免了复杂解释模型中不确定性因素的影响(图9)。

(1)

式中φCMR——核磁总孔隙度；

HIoil、HIwa——页岩油和地层水的含氢指数，通常取1；

Voil、Vwa——页岩油、地层水的体积含量。

TOC =TCoilVoil+TCkrVkr

(2)

其中：

TCoil=Xoilρoil

TCkr=Xkrρkr

式中TOC——有机碳含量；

TCoil、TCkr——页岩油和干酪根的碳密度，即单位体积内的碳元素质量，可由实验分析获得或公式计算获得；

Vkr——干酪根的体积含量；

Xoil、Xkr——碳元素在页岩油和干酪根中的质量比；

ρoil、ρkr——页岩油和干酪根的密度。

ρb=ρoilVoil+ρwaVwa+ρkrVkr+ρclVcl+ρmaVma

(3)

式中ρb——地层密度；

ρwa、ρcl、ρma——地层水、黏土和岩石骨架的密度，可由元素测井得到；

Vcl、Vma——黏土和岩石骨架的体积含量。

Soil=Voil/ (Voil+Vwa)

(4)

式中Soil——地层含油饱和度。

利用上述页岩油地层体积解释模型建立地层各体积分量与测井响应的关系，进行同步优化反演，求出地层各部分的体积含量。

4.3 结果分析与讨论

图10为上述页岩油测井评价方法在C96井的实际应用结果,其中渗透率是基于核磁T2谱反映出的孔隙结构计算得来(未经岩心刻度)；基于密度—核磁—元素测井方法计算得到有效孔隙度；

利用前述测井组合计算得出含油饱和度和地层骨架矿物组分信息。核磁T2谱指示地层孔隙度大小分布和储层质量，分别以变密度(VDL)和波形图形式在图中展现。

根据测井评价结果，C96井长7段页岩油储层(油页岩)有机碳含量高，含油饱和度高；长7段段2亚段(1998～2040m)砂质—粉砂质夹层发育，孔隙度较高，渗透性较好，是较典型的页岩油储层；长7段3亚段(2056～2082m)是本地区主要的烃源岩，常规测井认为含油程度低，物性差，没有经济产能，不具可采性。但高精度地层元素测井评价认为，在烃源岩顶、底两端各有一段大孔隙发育地层，泥质含量相对较低，脆性矿物含量高，连续性较好，可以作为优质页岩油储层。 C96井长7段2003～2021m、2075～2080m两段压裂试油，日产油分别为21.42m3和10.97m3，取得了较好的效果，也更新了对本井和本地区的地质认识。

5 结论

(1)根据鄂尔多斯盆地长7段页岩油储层地质地球化学特点，结合C96井测井实例，对高精度地层元素测井在页岩油储层评价中的应用进行了分析和讨论。

(2)结合核磁测井和地层密度测井发展了一种非电阻率页岩油饱和度评价方法。油田应用的实际情况证明了高精度地层元素测井有助于认识页岩油储层矿物组分、有机碳含量及含油性，准确评价地层孔隙度和可压性，在地质沉积分析方面也有着较好的应用效果。

致谢：本文作者感谢中国石油长庆油田分公司对作者工作的大力支持并同意公开相关数据以供发表；同时也感谢斯伦贝谢中国公司相关技术人员对本文的贡献和帮助。

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Application of High-Precision Formation Elements Logging to Shale Oil Reservoir Evaluation——A Case Study of Seventh Member of

Yanchang Formation, Ordos Basin Wu Yong1, Hou Yuting1, Li Huigeng2, Xian Chenggang2

(1.PetroChinaChangqingOilfieldCompany,Xi’an,Shaanxi710018,China;2.WirelineofSchlumbergerChinaServiceCompany,Beijing100015,China)

Abstract:We used the high-precision formation elements logging technology for evaluation of the shale oil reservoir in the seventh member of Yanchang Formation (Chang 7) in Triassic, Ordos Basin. In addition to discussing the geological and geochemical features of oil shale in Chang 7 Formation, we introduced the principle of the technology and its applicability to oil shale analysis. With inelastic scattering spectra and neutron capture spectra measurements, major formation elements were analyzed; and then key minerals and petrophysical properties of the rock matrix were calculated. By the aid of direct carbon content measurement, we assessed total organic carbon (TOC) of the formation and compared the TOC results with different calculating methods. Combining high-precision formation elements with formation density and nuclear magnetic measurements, we proposed a new method for assessing oil saturation of shale oil without resistivity, and the assessed results were proved in oil test after fracturing stimulation. It was revealed that high-precision formation elements logging was efficient and applicable for shale oil evaluation, and it could be good reference to shale oil evaluation in other areas.

Key words:shale oil; TOC; formation elements logging; oil the saturation; seventh member of Yanchang formation; Ordos Basin.

第一作者简介：吴勇(1973年生)，男，高级工程师，现主要从事油气勘探管理、测井新技术研究、应用与推广等方面的工作。邮箱：wy9_cq@petrochina.com.cn。

中图分类号：TE122

文献标识码:A