泥页岩储层测井沉积学分析——以泌阳凹陷泌页HF-1井核桃园组为例

蒲晓强，姜在兴，黄 鑫，曹瀚升，祁雅莉

泥页岩储层测井沉积学分析——以泌阳凹陷泌页HF-1井核桃园组为例

蒲晓强1,2，姜在兴3，黄 鑫1，曹瀚升1，祁雅莉1

（1. 广东海洋大学海洋与气象学院，广东 湛江 524088；2. 广东省近海海洋变化与灾害预警技术重点实验室，广东 湛江 524088；3. 中国地质大学（北京），北京 100083）

【】以泌阳凹陷泌页HF-1井核桃园组页岩油储层为研究对象，分析泥页岩地层测井的沉积学。通过改进的Δlog方法，建立适合研究区泥页岩有机质含量的测井计算公式；根据计算的有机质含量，结合矿物组分含量及自然伽马能谱测井特征，分析沉积环境变化。利用测井资料计算泌阳凹陷泌页HF-1井核桃园组泥页岩地层中的TOC，取得较好的效果，计算公式可在本研究区其他未取岩心的井中推广应用。泌页HF-1井核桃园组2 390 ~ 2 465 m地层由底部到顶部其沉积环境变化：湿润多雨的气候条件下基本一直处于还原环境，但是随着湖水深度逐渐变浅以及陆源物质输入的增加，地层中有机碳含量逐渐减少；其中2 432 ~ 2 461 m地层为深水还原环境，陆源物质输入较少，有利于有机质的堆积和保存，是最有利的页岩油储层赋存潜力段。

泥页岩有机碳层序地层学测井泌阳凹陷

目前，泥页岩油气藏已成为全球油气勘探开发的新亮点。随着页岩气理论研究的深入及勘探开发的迅速发展，页岩油资源在近年内受到广泛的关注和高度的重视，国外勘探实践证实其潜力巨大[1-3]。我国中新生代陆相泥页岩层系中的页岩油资源亦有巨大的开发潜力[4-8]。泥页岩油气藏评价与常规油气评价有明显差异，如何快速而直观地识别泥页岩储集层是用测井技术评价页岩油气藏的关键。在陆相盆地页岩油储层的勘探研究过程中，分析沉积环境时利用测井曲线计算地层有机碳、矿物组分含量等参数有不可替代的优势[9-11]，可解决泥页岩地层岩性变化不明显导致的层序边界划分困难等难题，为泥页岩地层的格架建立、层序边界划分、沉积环境恢复、有利区带预测等工作提供依据[12-14]。

泌阳凹陷是南襄盆地内发育的次级凹陷，属于小型山间断陷，面积约1 000 km2，基底最大埋深8 000 m以上，从南向北、从东向西逐渐抬升，整个凹陷在平面上呈扇根部指北的扇形展布，剖面上构成南深北浅的箕状凹陷，是一小型中新生代“小而肥”的断陷盆地[15-18]。古近系核桃园组厚2 000 ~ 3 000 m，有纵向上厚度大、横向上分布较稳定的特征，是泌阳凹陷主要含油气层段[19]，也是本研究的目的层段。自上而下核桃园组分为核一段、核二段和核三段，为湖盆强烈断陷期深湖―浅湖沉积环境下沉积的一套细粒沉积物。岩性以深灰色、灰黑色粉砂质页岩及灰质页岩为主，包含少量泥质粉砂岩、白云质泥岩等其他岩性。地层有机碳含量丰富，镜质体反射率（o）值指示烃源岩处于成熟阶段和生烃高峰期，为研究区主要烃源岩系之一[20-21]。泌阳凹陷深凹区具备形成页岩油气的地质条件[5,20-22]，部署钻探的泌页AS-1井及泌页HF-1井有较高产工业油流，显示良好的页岩油气藏赋存前景[23-26]。本研究以泌阳凹陷泌页HF-1井核桃园组三段5号页岩层为例，利用测井曲线计算湖相泥岩中有机质含量，并探讨其所指示的沉积环境。

1 测井数据计算泥页岩有机碳含量

地层中的有机质导致地层电阻率和声波时差的增大，因此通过电阻率―孔隙度曲线叠合的方法可确定总有机碳（TOC），这种方法也称为Δlog法。Δlog技术由埃克森（Exxon）和埃索（Esso）公司于1979年开发，适用于碳酸盐岩和碎屑岩中利用测井资料识别和计算含有机质岩层中的总有机碳含量。Passey[27]给出了利用声波时差和地层电阻率计算TOC的方法：把非生油岩的声波和电阻率曲线叠加在一起，用两条曲线间的间距（Δlog）识别富含有机质的层段；未成熟而富含有机质的岩石中因尚无油气生成，观测到的两条曲线间差异仅由孔隙度曲线响应造成；成熟的烃源岩中因存在烃类，导致电阻率增加，使两条曲线产生更大差异或间距。利用此方法可计算测井段内地层的TOC连续深度剖面。

本研究借鉴Δlog法计算研究区（图1）泥岩有机碳含量，并根据地区特点进行修改，具体过程：1）对孔隙度曲线和电阻率曲线重新刻度，其中电阻率曲线采用对数刻度，孔隙度测井曲线设置为与电阻率曲线变化反相关，孔隙度曲线可根据实际情况及应用效果选择声波、中子或密度测井曲线；2）将孔隙度曲线和电阻率曲线统一刻度到4个单位一个记录道内显示，选择两条曲线重合或平行变化段为基线。两条曲线的差值即为Δlog，差值大小与TOC的数值有相关关系；3）由Δlog与岩心分析的TOC数据回归分析得到TOC计算公式，然后利用此公式计算目的井段的TOC，与岩心分析TOC数据比较验证，评价计算的实际效果。在岩心分析数据比较丰富的泌页HF-1井中，孔隙度曲线选用声波AC，电阻率曲线选用深侧向RT。以测井计算TOC结果与岩心分析TOC间的相关性为指标，经多次比较调整后最终确定曲线刻度，声波曲线刻度：450 ~ 40 μs/m；电阻率曲线刻度：0.1 ~ 1 000.0 Ω•m，并将两条曲线放入同一绘图道得Δlog（图2中阴影部分）。对Δlog与岩心分析TOC含量进行回归分析，得由Δlog计算TOC的公式：TOC = 3.043 × ΔlogLLD-AC+ 2.4655（= 0.91）。实际操作过程中还需排除扩径、缩径、地层边界等环境异常井段数据及偏离整体数据较远的异常值等异常数据。例如深度2 430 m处，岩心分析数据与测井计算数据偏离程度较大，井径CAL曲线显示，此处井眼扩径明显，可能导致测井数据失真，因此剔除此处异常数据。用上述公式算得的TOC含量与岩心分析TOC含量分布趋势基本吻合（图2），两者相关性较佳（图3），说明此公式在本井中的计算效果较佳。将此公式应用于其他具有岩心分析TOC资料的井中进行进一步验证，发现测井曲线计算TOC与岩心分析TOC含量基本吻合（图4），由此可判断该解释模型对本研究区有较好的代表性和实际应用价值，可推广至本研究区其他非取心井，用于计算泥岩中TOC的含量。

图1 研究区位置

第2道是所有的岩心分析数据，第3道是剔除部分异常数据后的分析数据

图3 泌页HF-1井岩心分析与测井计算的TOC对比

图4 应用TOC计算公式在其他具有TOC岩心分析资料的井中验证计算效果

2 湖相地层沉积环境分析

算得的TOC数据结合测井数据可用于沉积环境分析。沉积物中有机质分布主要与沉积物供给和湖（海）平面的升降或水体深度有关，当可容空间迅速增大时，沉积物供给不足，相对较高湖平面和相对较低的沉积速率，以及较深水体背景下的还原环境均有利于有机质保存，因此有机碳含量通常较高；当可容空间减小时，沉积环境由还原逐渐转为氧化，同时沉积物向盆内的进积作用导致沉积速率增大，使陆源物质对沉积物中有机质起稀释作用，有机碳含量通常随之减少[28-30]。Creaney等[28]研究海相烃源岩TOC含量随体系域的变化特征时发现，最大海泛面处往往TOC含量最大；最大海泛面之上，由于高水位体系域的进积作用，沉积物被稀释，有机碳含量降低；在该海泛面之下，由于前一个水进体系域沉积速率较高，TOC含量也降低。伴随着向最大海泛面方向TOC含量的增加，有机质类型由腐植型向腐泥型过渡，也变得以海洋来源为主，更有利于油气形成。可见沉积物中TOC含量通常是随水深的加深而增加的。

湖相沉积物中，TOC分布特征与海相沉积物相似。湖泊沉积物中TOC含量增加，反映这一时期湖区降水增加，地表径流增大，湖区植被繁盛，是湖泊维持较高水位的体现，代表暖湿的气候环境；反之当沉积物中TOC含量显著下降，则该时期湖区降水减少，湖区植被退缩，沉积物在陆上暴露或接近水面，总体上是低水位表现，因此代表冷干的气候环境[31-32]。据此，综合可反映沉积环境氧化还原状态的钍铀比值[33-34]、反映沉积水动力条件的钍钾比值[34]、反映陆源物质输入特征的矿物含量变化数据，可判断沉积物沉积时的环境特征。U元素在沉积过程中受氧化还原反应和有机质吸附作用，通常在还原环境和富有机质地层中富集；Th元素在自然界中化学性质较稳定，一般不受成岩作用和地球化学作用影响；K元素在碎屑岩中与粒度大小成反比。利用这些元素的地球化学特征和差异性质可构造参数指标来反映沉积环境，例如钍铀比值可体现水体氧化还原性，钍钾比则可指示水体动力环境特征。

泌页HF-1井2 390 ~ 2 465 m的岩性为细粒泥质岩，自然伽马（GR）值较高，无法通过常规方法判断沉积环境变化。而TOC含量随深度由深到浅整体呈逐渐递减变化趋势，可反映沉积水深逐渐变浅的变化趋势（图5）。岩性成分也表现出较明显的特征，由深到浅碳酸盐含量逐渐降低，泥质和硅质含量增加，指示随着水深变浅，内源沉积物质逐渐相对减少，而陆源物质的输入量相对逐渐增加。TOC与碳酸盐含量呈明显的正相关关系，反映在深水环境下，陆源物质输入量相对较少，有利于有机质的沉积和保存，导致源自湖内生物等的钙质碳酸盐含量及有机质输入量较高；水深变浅，陆源物质输入增加，整体对碳酸盐和有机质有明显的稀释作用。自然GR能谱测井曲线（图5）也反映了相应的环境特征，此段地层的钍铀比值整体较低，大部分小于7，指示了一种弱氧化―还原环境。小部分钍铀比数值甚至小于3，指示了一种比较强的还原环境。钍铀比与TOC剖面基本呈相反的镜像变化特征，表明还原环境有利于有机质的保存；但在整个深度段钍铀比并无显著的变化趋势，说明相对于水深变化，氧化还原状态保持相对稳定状态，对有机质含量变化的影响较小。钍钾比值为6 ~ 20，大部分大于8，较高的钍钾比值表明沉积物沉积过程中经历了较强的淋滤作用，带走了化学性质比较活泼的K元素，指示了一种湿润多雨的气候环境。钍钾比的高峰值在整个井段多数同步出现TOC的高峰值，也表明较强降水条件下的强淋滤作用有利于K元素的溶出，同时也是导致水深加深和有机碳含量增加的外在因素。钍钾比整体变化趋势不明显，并未表现出随水深（或TOC含量）变化的相应变化趋势，推测是由于入湖物质的搬运距离相对较短，不同时期沉积物遭受风化淋滤作用的分化特征不明显，钍钾比值的变化受母岩物质来源的影响仍然较大所导致。文献中对泌页HF-1井岩心地球化学分析数据提取的古环境指标，也与有机碳的分布有较好的耦合关系[35-36]，指示了相似的以古气候和陆源物质输入为主要控制因素的环境变化特征。

综合可知，泌页HF-1井2 390 ~ 2 465 m地层沉积环境为：湿润多雨的气候条件下，母岩区经受了较强的风化淋虑作用，随着湖水深度逐渐变浅，陆源物质输入量和搬运距离随之增加；陆源物质的搬运距离整体相对较短，仍然保留了母岩的部分成分信息；整段地层基本处于还原环境，这也可由岩心X衍射数据中含量较多的黄铁矿和菱铁矿说明，部分深度地层有机碳含量较高，为较强的还原环境，也有部分深度的地层处于弱氧化环境，主要为粉砂岩或泥质粉砂岩夹层，推测为浊流沉积造成，需进一步深入研究。其中2 432 ~ 2 461 m地层有整个研究井段最高的TOC值，推测该地层为深水还原环境，陆源物质输入较少，有利于有机质的堆积和保存，是最有利的页岩油储层赋存潜力段。

图5 泌页HF-1井目的层段综合沉积环境分析

3 结论

1）利用测井资料以改进的Δlog法计算泌阳凹陷泌页HF-1井核桃园组泥页岩地层中的TOC，效果较佳，计算公式可在本研究区其他未取岩心的井中推广应用。不同的研究区域及地层应结合实际情况重新利用岩心数据对测井计算结果进行刻度。

2）泌页HF-1井2 390 ~ 2 465 m核桃园组沉积环境为：在湿润多雨的气候条件下基本处于还原环境，随湖水深度逐渐变浅，陆源物质输入增加，有机碳含量则逐渐减少。其中2 432 ~ 2 461 m地层为深水还原环境，陆源物质输入较少，有利于有机质堆积和保存，是最有利的页岩油储层赋存潜力段。在泥页岩地层中，利用测井计算的有机碳含量可反映水深变化，结合矿物含量及GR能谱等数据，可综合判断地层沉积时的沉积环境，在泥页岩地层层序地层学分析及沉积环境分析中有重要参考价值。

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Logging Sedimentology Analysis of Shale Reservoir:A Case Study of Biye HF-1 Well of Hetaoyuan Formation in Biyang Depression

PU Xiao-qiang1,2, JIANG Zai-xing3, HUANG Xin1, CAO Han-sheng1, QI Ya-li1

(1.,,524088,; 2.,524088,; 3.(),100083,)

【】Taking the shale oil reservoir as the research object in Hetaoyuan Formation of BYHF-1 well in Biyang Depression, the sedimentary environment characteristics of shale formation are analyzed by logging data.【】Based on the improved Δlogmethod, a logging calculation formula suitable for shale organic matter content (TOC) is established in the study area. According to the calculated TOC, combined with the mineral component contents and natural gamma ray spectrometry logging characteristics, the changes of sedimentary environment are analyzed.【】Good results are obtained for the calculation of TOC by using logging data in the mudstone shale formation of Hetaoyuan Formation of BYHF-1 well in Biyang Depression. The calculation formula can be applied in other wells without cores in this research area. It is found that the sedimentary environment is basically reducing environment in humid and rainy climates at the section of 2 390-2 465 m Hetaoyuan formation in the BYHF-1 well. As the depth of lake water decreases and the terrigenous input increases, the organic carbon content also drops from bottom to top of studied formation. The formation at depth of 2 432–2 461 m is the most favorable potential member of shale oil reservoir, since it sedimented in deep water reduction environment with a decreasing terrigenous input, which facilitates the concentration and preservation of the organic materials.

Shale; organic carbon; sequence stratigraphy; logging; Biyang Depression

P631

A

1673-9159（2019）05-0115-07

10.3969/j.issn.1673-9159.2019.05.016

2018-10-23

国家自然科学青年基金项目“珠江口地区盆地幕式沉降事件特征及其与板块运动事件的关系”（41606065）；广东海洋大学创新强校项目（GDOU2016050241和GDOU2014050201）

蒲晓强（1974－），男，博士，副教授，主要从事海洋地质学研究。Email：puxq2005@gdou.edu.cn

蒲晓强, 姜在兴, 黄鑫, 等. 泥页岩储层测井沉积学分析——以泌阳凹陷泌页HF-1井核桃园组为例[J]. 广东海洋大学学报, 2019, 39(5): 115-120.

（责任编辑：刘庆颖）