焦石坝地区富有机质页岩与测井参数的响应关系研究

王丹阳，王太玉

中石化东北油气分公司，吉林 长春 130062

0 引言

焦石坝位于四川盆地东南部涪陵区块中部，地处重庆市涪陵区东部。该区是中国第一个页岩气勘探区，也是最成功的一个地区。本文选择测试资料最为齐全的焦页1井为研究对象，运用统计学的基本原理，对焦页1井的测井及地化测试数据进行分析，研究页岩气赋存特征，加深对该区页岩气储层孔隙类型、裂缝构成及形成机制的理解，并对有机碳含量、孔隙度、脆性矿物含量及含气量的地球物理参数进行定性和定量的分析，了解页岩气的地球物理响应特征，对该区的页岩气储层参数进行评价，以便更好地开展对该区页岩气资源量的评价。

1 焦石坝地质特征概况

焦石坝地区构造上为川东—鄂西渝东—湘鄂西断皱构造带。该地区发育晚震旦世至三叠纪地层，除中晚志留世到石炭世外，各时代地层发育齐全。从震旦纪到早侏罗世发育了广泛的海相沉积和陆相碎屑沉积，分布面积大，累计最大厚度超过10 km，形成了下震旦统（陡山沱组）、下寒武统（筇竹寺组或水井沱组）、上奥陶统（五峰组）—下志留统（龙马溪组）、下二叠统（栖霞组）、上二叠统（龙潭组和大隆组）、下侏罗统6套以黑色页岩为主体特点的富有机质页岩层系。其中，下古生界的下寒武统、上奥陶统—下志留统海相页岩主要处于还原—强还原性的深水陆棚环境，分布广、厚度大、有机质丰富，是中上扬子地区页岩气发育的有利层位[1]。

2 页岩的地层特征

焦石坝从震旦纪—中三叠世沉积的巨厚的海相地层中发育了五套以黑色页岩为主的烃源岩层系，为上震旦统、下寒武统牛蹄塘组、上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组、下石炭统、上二叠统龙潭组和大隆组，尤其是龙马溪组和五峰组具有面积大、厚度广、有机质丰富、高成熟度的特点，与美国东部地区盆地页岩气的形成条件较为相似，页岩气的资源潜力巨大。

（1）龙马溪组：志留系龙马溪组上部（厚11.47 m）发育一套灰黑色泥岩；中部（厚8.3 m）发育黑色碳质泥岩，局部含少量灰黑色粉砂质泥岩；下部（厚57.77 m）为灰黑色灰质泥岩与灰黑色粉砂质泥岩互层，与下伏五峰组地层呈整合接触关系，为浅水—深水陆棚相沉积。（2）五峰组（厚7.1 m）：奥陶系五峰组发育一套灰黑色碳质泥岩，与下伏涧草沟组地层呈整合接触关系，主要是一套深水陆棚相沉积，地层沉积厚度相对均匀[（2]图1）。

3 页岩气的地球物理响应参数分析

3.1 烃源岩有机碳含量的测井响应参数

焦石坝地区有机质TOC含量较高，绝大多数大于1.0%，平均有机碳含量为2.42%，有机碳含量超过2%的厚度约为41 m。提取焦页1井龙马溪组2 339.33 m 灰黑色页岩δ13CPDB 为-29.2‰，2 349.23 m黑色碳质页岩δ13CPDB 为-29.3‰，揭示该套烃源岩以为Ⅰ型为主，低等浮游生物为主要母质来源。

焦页1井TOC含量与伽玛值之间存在正相关关系，TOC=0.0128×GR-0.6319，相关系数为0.55（图2）。干酪根一般是在放射性元素铀（U）含量较高的还原环境中形成的，因此可以使自然伽玛测井曲线表现为高值[3]。利用自然伽玛测井和元素俘获能谱测井分析铀（U）、钍（Th）、钾（K）等主要放射性元素的丰度，可以定量地确定总有机碳含量。

图 1 焦页1井测井曲线图Fig.1 JIAOYE Well 1 logging curves

焦页1井TOC含量与密度之间存在负相关关系，TOC=-15.476×DEN+42.670，相关系数为-0.914（图3）。在有机质含量较多的储层中，其孔隙度往往较高，孔隙中富含的有机质和烃类气体使地层的密度值降低。另外，干酪根的密度较低，通常介于0.95～1.05 g/cm3之间，会降低地层的体积密度。

焦页1井TOC含量与中子孔隙度之间存

图 2 焦页1井TOC 含量与伽玛值之间的关系Fig.2 JIAOYE Well 1 relationship between TOC content and gamma

焦页1井孔隙度与电阻率之间存在负相关关系，孔隙度=-0.016 6×RD+5.237 7，相关系数为-0.39（图6）。孔隙度越高，其中含有的烃类及流体物质就越多，从而导致地层电阻率降低。

焦页1井孔隙度与中子孔隙度之间存在正相关关系，孔隙度=0.145 9×CNL2+2.147 6，相关系数为0.47（图7）。中子测井值反映岩层中的含氢量。含氢物质一般为：水，石油，结晶水和含水砂[5]。实质上，中子密度测井反映的就是地层孔隙度。

图 4 焦页1井TOC 含量与中子孔隙度之间的关系Fig.4 JIAOYE Well 1 relationship between TOC content and neutron porosity

焦页1井孔隙度与声波时差之间存在正相关在 负 相 关 关 系，TOC=0.016 9×CNL2-0.786 5×CNL+10.537，相关系数为-0.5（图4）。中子孔隙度偏低说明此时有机质主要以短链碳氢化合物为主，位于中等成熟阶段或过成熟阶段，此时有机质含量较高。

3.2 烃源岩孔隙度的测井响应参数

图 3 焦页1井TOC 含量与密度之间的关系Fig.3 JIAOYE Well 1 relationship between TOC content and density

焦页1井孔隙度与伽玛值之间存在正相关关系，孔隙度=0.020 1×GR+1.107 0，相关系数为0.445（图5）。有机质较多的地层中，具有更多的储集空间，大大地提高了储层的孔隙度，孔隙中有机质含量的增加使伽玛值变大[4]。关系，孔隙度=0.184 9×AC-9.671 3，相关系数为0.597（图8）。页岩较泥岩致密，声波时差介于泥岩和砂岩之间。遇到裂缝气层有周波跳跃反应，或者曲线突然拔高[6]。因此，当有机质含量增加导致孔隙度增加时，其声波时差值变大。

3.3 烃源岩中脆性矿物含量的测井响应参数

图 5 焦页1井孔隙度与伽玛值之间的关系Fig.5 JIAOYE Well 1 relationship between porosity and gamma

研究区龙马溪组页岩的矿物成分较为复杂，以石英、长石、黏土矿物为主，其中粘土矿物含量较多，为研究区龙马溪组页岩的主要组成矿物[7]。脆性矿物含量是影响页岩孔隙和微裂缝发育程度、含气性及压裂方式等的重要因素。页岩中黏土矿物含量越低， 石英、长石、方解石等脆性矿物含量越高，在人工压裂外力作用下就越容易形成天然裂缝和诱导裂缝，形成网状结构缝，有利于页岩气开采[8]。而高黏土矿物含量的页岩塑性强，吸收能量，以形成平面裂缝为主，不利于页岩的体积改造。

焦页1井脆性矿物含量与中子孔隙度之间存在负相关关系，脆性矿物含量=-2.283 5×CNL+94.296，相关系数为-0.8（图9）。脆性矿物含量的高低等效于岩石骨架值的大小，而岩石骨架是不含氢的，因此在脆性矿物含量较高的储层中

图 6 焦页1井孔隙度与电阻率之间的关系Fig.6 JIAOYE Well 1 relationship between porosity and resistivity

图 8 焦页1井孔隙度与声波时差之间的关系Fig.8 JIAOYE Well 1 relationship between porosity and interval transit time

焦页1井含气量与中子孔隙度之间存在负相关关系，含气量=2 286.7×CNL2-2.664 5，相关系数为-0.56（图12）。中子孔隙度偏低说明此时有机质主要以短链碳氢化合物为主，此时含气量较高。

4 结论

通过对焦页1井的测井和地化数据进行分析，可得到如下结论：

（1）在焦页1井的TOC地球物理参数中，TOC 含量与密度之间的相关性最好，其次为伽玛其中子孔隙度较低。

焦页1井脆性矿物含量与密度之间存在负相关关系，脆性矿物含量=-90.02×DEN+291.66，相关系数为-0.67（图10）。脆性矿物含量较高的储层中，发育有较多的孔隙，孔隙内的流体和烃类物质使储层的密度降低。

3.4 烃源岩中含气量的测井响应参数

焦页1井含气量与密度之间存在负相关关系，含气量=-17.322×DEN+46.811，相关系数为-0.79（图11）。含气量的增加意味着孔隙内烃类和流体物质的增加，因而降低了密度值。值和中子孔隙度。通过对密度、伽玛值等相关性较好的地球物理参数进行分析，可用来预测有机碳（TOC）的含量。

图 7 焦页1井孔隙度与中子孔隙度之间的关系Fig.7 JIAOYE Well 1 relationship between porosity and neutron porosity

图 9 焦页1井脆性矿物含量与中子孔隙度之间的关系Fig.9 JIAOYE Well 1 relationship between brittle minerals content and neutron porosity

（2）在焦页1井的孔隙度地球物理参数中，孔隙度与声波时差之间的相关性最好，其次为中子孔隙度、伽玛值和电阻率。在地球物理测井分析当中，可用声波时差曲线来预测孔隙度，另外，中子孔隙度实际上等效于地层孔隙度，可以对测井结果进行验证。

图 10 焦页1井脆性矿物含量与密度之间的关系Fig.10 JIAOYE Well 1 relationship between brittle minerals content and density

图 11 焦页1井含气量与密度之间的关系Fig.11 JIAOYE Well 1 relationship between gas content and density

图 12 焦页1井含气量与中子孔隙度之间的关系Fig.12 JIAOYE Well 1 relationship between gas content and neutron porosity

（3）在焦页1井的脆性矿物含量地球物理参数中，脆性矿物含量与中子孔隙度之间的相关性最好，其次为密度。由于页岩的超致密、低孔低渗的特点，要想实现规模化的工业开采，必须对页岩储层进行压裂作业，其中矿物成分和脆性系数是制定压裂方案的重要参考参数。通过对中子孔隙度和密度测井曲线的分析，可以对储层的脆性矿物含量进行预测，以便选择合适的地理位置进行页岩气的开发。

（4）在焦页1井含气量地球物理参数中，含气量与密度之间的相关性最好，其次为中子孔隙度。通过对密度、中子孔隙度等相关性较好的地球物理参数进行分析，可用来预测地层的含气量。由于含气页岩储层的独殊性，研究其测井评价技术和方法，分析评价页岩储层特征，可为页岩气的勘探开发提供有力的技术支撑。