自然伽马能谱测井在富有机质页岩评价和地质导向中的应用

罗胜元,陈孝红,倪方杰

(1.中国地质调查局武汉地质调查中心,湖北武汉430205;2.中石化江汉石油工程有限公司页岩气开采技术服务公司,湖北武汉430223)

0 引 言

鄂西及周缘地区下寒武统水井沱组(∈1s)底部发育一套暗色泥页岩,分布面积大、自然伽马测井值高,作为目前页岩气勘探的主力层系,得到了国内外学者的广泛关注[6-7]。对于水井沱组底部的自然伽马测井,多数情况下仅作为识别地层的一种指标,而对高自然伽马页岩分布特征、地质意义及其在勘探中的应用则研究较少。本文在典型井的水井沱组页岩识别的基础上,探讨自然伽马能谱测井在总有机碳含量(TOC)预测、黏土矿物分析、沉积环境解释、水平井随钻地质导向等方面的应用,为中扬子地区下寒武统页岩气的勘探、研究提供参考。

1 区域概况

1.1 区域地质特征

宜页1井为部署于宜昌市点军区的一口参数井,开孔层位为白垩系石门组,终孔层位为南华系南沱组,完钻井深2 418 m。自1 760.20～1 950.11 m、2 244.00～2 392.12 m分2段取心,全井进行岩屑、气测、钻井液和工程参数综合录井,以及自然伽马、自然电位、井径、井斜、双侧向、声波、中子、密度、井温、流体等标准测井和VSP测井。此外,石牌组底部-灯影组顶部、陡山沱组-南沱组顶部地层还完成了声波扫描成像(SonicScanner)、地层微电阻率扫描成像(FMI)、岩性扫描(LithoScanner)以及核磁共振测井(CMR)。水井沱组具有良好的页岩气形成物质基础,富有机质页岩发育于水井沱组下部,深度为1 820～1 872 m,由上至下细分为Ⅰ～Ⅴ共5个小层段(见图1,表1)。宜页1井黑色页岩段厚度为68.3 m,优质页岩(TOC>2%)厚35.2 mm;总有机碳含量为0.52%～5.96%,平均为2.26%;优质页岩孔隙度为0.96%～3.32%,平均为2.04%。

1.2 页岩测井特征

宜页1井测井显示,自上而下GRSL逐渐增大,对比GRSL曲线和无铀伽马、铀、钍、钾曲线发现,高GRSL峰的出现是以铀元素为主、钾元素为次的富集导致的。依据GRSL值将1 820～1 872 m划分为5段(见表1)。Ⅰ段,进入大套页岩夹泥灰岩,石英含量平均为23.3%,GRSL变化不大,测井曲线呈锯齿状波动。Ⅱ段,进入GRSL第1台阶,灰岩夹层减少,铀明显增大,钍和钾略微下降。Ⅲ段,进入大套页岩层,出现GRSL第2台阶,GRSL和铀明显增大,密度测井值开始降低。Ⅳ段,从GRSL第2台阶底部到次峰下半幅点,为碳质页岩,石英含量平均为42.2%,碳酸盐岩含量平均为25.4%;伴随着GRSL和铀逐渐增大,出现GRSL次高峰,无铀伽马和钾缓慢降低,同时密度值达到最低,声波时差、补偿中子和电阻率测井值缓慢增大,钍波动变化不明显。Ⅴ段,从上部次峰下半幅点处到水井沱组底部峰顶,GRSL迅速增加,碳酸盐岩含量均值为28.8%,钻井岩心中清晰可见“锅底状”灰岩透镜体,GRSL主要受铀控制,两者形态极为接近,且与钾、铀正相关,密度和电阻率呈迅速下降趋势。

图1 宜页1井水井沱组富有机质页岩测井响应*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

表1 鄂西水井沱组下段页岩储层划分及其测井特征

泥页岩钍和钾含量与地壳中放射性元素丰度相当,钍范围为(5.19～17.19)×10-6(平均为12.22×10-6),钾范围为0.99%～4.19%(平均为2.74%)。上部第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ小层铀含量平均为5.75×10-6,钍铀比值平均为3.03;下部第Ⅳ、Ⅴ小层富有机质页岩段铀的含量明显增大(平均为42.12×10-6),钍铀比值平均为0.29。此外,第Ⅴ小层钾和光电吸收截面指数明显较上部地层偏大。鄂西地区下寒武统水井沱组碳质页岩中富含黄铁矿、磷质结核、硒[8],以及钼、镍等多种金属[9],这可能是光电吸收截面指数偏大的主要原因。

2 自然伽马能谱测井应用

在长期地质作用过程中,含放射性元素的母岩逐渐被风化、沉积、埋藏,放射性元素发生分离、迁移和选择性吸附,其分布具有一定的规律性,与地层岩性、矿物成分、沉积环境和地下水的活动密切相关[10-11]。

2.1 富有机质页岩识别

自然伽马、铀、铀/钾比对富有机质页岩有较好的识别效果[12-13],岩心实测TOC与自然伽马能谱测井交会分析表明(见图2),Ⅰ-Ⅱ小层TOC较低,岩性为有机质欠丰富的钙质泥岩,无铀伽马KTH和GRSL一致,铀含量低。第Ⅲ～Ⅴ小层页岩GRSL大于140 API,铀含量大于7×10-6,铀钾比大于3.0,为优质页岩段,累计厚度达26 m,TOC为2.1%～10.5%,平均值达到5.05%,远大于Ⅰ～Ⅱ小层页岩的TOC数值。高TOC与高铀(10×10-6～110×10-6)、高GRSL值、高铀钾比值的分布一致(见图2)。利用铀钾值预测TOC,相关系数R2为0.83,基本满足测井解释精度要求。页岩中TOC的增大还伴随着体积密度值的减小,但由于Ⅰ～Ⅲ层含有互层或夹层灰岩,对密度测井的影响要远大于对TOC的影响,Ⅳ～Ⅴ层内频繁且不均匀分布的透镜状灰岩同样对密度测井有影响[见图2(d)],利用密度测井预测TOC精度较差。

图2 测井值关系图

2.2 黏土矿物含量计算

地层中泥质含量与钍、钾含量有较好的相关性,钍、钾数值差别越大,说明地层中黏土矿物含量越高(见图1)。宜页1井伽马能谱测井显示,Ⅳ-Ⅴ层优质页岩段自然伽马与去铀伽马曲线变化趋势相似[见图2(a)、图3]。由于Ⅳ～Ⅴ层含有顺层分布的泥质灰岩透镜体,1 870.15～1 870.27 m、1 865.46～1 865.94 m、1 865.05～1 865.17 m段泥灰岩对钍、钾有明显影响,计算黏土含量时应予以去除。采用去铀伽马测井计算宜页1井泥质含量[14],对水井沱组页岩段去铀伽马做直方图统计,得到KTHmax=126 API,KTHmin=15.5 API,利用经验公式计算泥质含量。结果表明,由上至下页岩的泥质含量逐渐降低,Ⅰ、Ⅱ小层泥质含量平均为34.8%,Ⅲ～Ⅴ小层泥质含量降低至28.7%(见图4)。

2.3 黏土矿物类型确定

利用自然伽马能谱测井中铀、钍变化,可半定量划分黏土矿物类型和相对含量。前人的研究表明,铝土矿具有最大的钍钾比,钍钾比值为20～100;高岭土、绿泥石型黏土的钍钾比值为12～20,伊蒙混层的钍钾比值为3.5～12;伊利石、白云母的钍钾比值为2～3.5;钍钾比值为1.5～2的矿物以云母类为主[15-16]。

图3 水井沱组页岩黏土及矿物含量预测

图4为利用黏土矿物分析图版分析得到的水井沱组页岩黏土矿物含量,其中钾含量为1.5%～3.5%,钍含量为14×10-6～40×10-6。测井资料分析页岩黏土组份表明,水井沱组中伊利石、绿泥石、伊蒙混层交错分布,主要以伊/蒙混层和伊利石为主,还含有少量绿泥石,不含蒙脱石。绿泥石含量能明显区分开,由Ⅰ小层至Ⅳ小层,图解数据点在绿泥石范围内逐渐左偏,有明显减小的趋势;伊利石含量随深度变化复杂,在第Ⅴ小层含量达到最大。上述分析与岩心化验结果一致。

图4 自然伽马能谱测井定量计算黏土矿水体还原程度物含量(据参考文献[15],有修改)

2.4 沉积环境解释

黑色岩系铀、钍元素相对变化可分析页岩沉积古地理环境,由图5可见,水井沱组页岩中铀/钍值范围为0.11～13.57,平均值位于1附近,表明水井沱组页岩为正常海洋沉积,热液活动影响弱[17]。与水井沱组页岩不同,下覆的岩家河组硅质页岩样品部分落在亲热液成因硅质岩区域内,这与前人利用主、微量元素的Al-Fe-Mn图解和Zn-Ni-Co图解获得的认识一致[18]。此外,由于铀对海水氧化还原环境非常敏感,自生铀元素含量可作为底层海水古氧相的指标[19-20],自生铀元素含量计算的经验公式:自生铀=总铀—钍/3。当自生铀>12×10-6时,海水为厌氧环境;12×10-6>自生铀>5×10-6时,海水为贫氧环境;自生铀<5×10-6时,则为氧化环境。图5(b)为自生铀含量的概率百分比,Ⅰ～Ⅱ小层页岩自生铀基本小于10×10-6,表现出氧化环境;Ⅲ～Ⅴ小层厌氧程度逐渐增强。

图5 鄂西地区页岩铀/钍关系图及自生铀含量百分比图

根据上述分析,水井沱组页岩建造沉积特征是由扬子陆棚海古构造与古地理条件决定的,研究区页岩层系形成经历了“热水活动—上升洋流—缺氧事件”的环境演化。宜昌地区远离活动带,岩家河组早期沉积的硅质页岩形成于还原水体环境中,具有热液成因特点;岩家河组晚期云质页岩形成的水体还原程度有减弱的趋势;在早寒武世全球构造拉张背景下,水井沱组Ⅳ～Ⅴ小层富有机质页岩发育在碳酸盐台地前缘缓坡-浅水陆棚环境,全球范围内的海侵使水体又恢复到缺氧条件;到早寒武世水井沱组中期,Ⅰ～Ⅲ小层灰色钙质页岩形成于浅水陆棚内缘斜坡相带,水体含氧量逐渐上升,为弱还原—弱氧化或贫氧状态。

2.5 随钻自然伽马在水平井地质导向中的应用

地质导向是通过实时计算井眼轨迹,进而调整使之命中靶点目标并在靶窗内有效延伸[22]。利用随钻元素录井及其他资料获得的标志层、岩性组合、电阻率、自然伽马能谱、元素特征等参数[23],与标志井对比,分析预测当前深度的细分层位[22]。宜页1井水井沱组页岩自上至下碳酸盐含量、有机质含量等渐变,电阻率没有突变的标志层(见图1),不能用作定向依据。而地化和元素录井由于岩屑迟到时间、人工捞砂频率的限制,不能及时反映地下信息,可靠性同样较低。海相页岩沉积稳定,水井沱组底部“异常高铀、异常高伽马”页岩横向可对比性强,利用随钻自然伽马进行地质导向最为可行。宜页1HF井为在宜页1井直井井眼的基础上,以水井沱组Ⅳ-Ⅴ小层页岩为目的层的侧钻水平井,在宜页1HF井钻探过程中采用随钻自然伽马进行水平井导向,同时利用岩屑有机地化和元素录井进行钻后验证。水平段轨迹控制通过对比→计算→预测→调整4个步骤完成,根据随钻资料,分析钻遇地层岩性、物性及含气性,并与导眼井进行精细对比,判断钻头所处位置及距离气层顶、底距离,结合地震资料预测钻进方向地层变化,调整地震模型及井眼轨迹,保证在目的层中穿行。

宜页1井水井沱组含气页岩共划分5个标志层(见图6),自上而下:1号标志层位于Ⅲ小层顶部、泥质灰岩底部,自然伽马呈锯齿状微小幅度变化、往下缓慢抬升,气测异常高值明显;2～3号标志层位于Ⅲ、Ⅳ小层界限附近,曲线具钟形双峰特点,自然伽马中幅正异常,2号层为低密度峰底部;4号标志层位于页岩中部次高碳尖部,岩性为灰黑色页岩,电性特征变化明显,曲线呈钟形单峰高尖状,其下为低自然伽马、高密度透镜状泥质灰岩;5号标志层位于富有机质页岩底部最高碳尖部,曲线呈钟形复合高尖单峰状,气测降至基值,岩性由高自然伽马灰黑色页岩变为岩家河组低自然伽马灰色灰岩。

宜页1HF井1 900～2 450 m入靶段与宜页1井导眼井层位对比见图6,5个标志层全部存在,说明甜点段所有小层全部钻遇。宜页1HF井自井深2 042 m(Ⅳ小层中部)进入水平段,由于地层产状变陡,于2 046 m左右开始回切,至2 155 m回切至Ⅲ小层;钻至2 172 m处地质参数发生明显变化,随钻自然伽马由154 API下降至108 API,气测甲烷由11%降至7%,录井TOC由7.0%下降至5.43%,且硅元素含量下降,钙元素含量上升,判断回到Ⅲ小层上部;通过降斜(由86.5°降至78.5°)于2 215 m开始下切,2 313 m随钻自然伽马由111 API升高至156 API,气测甲烷由6.3%增大至12.5%,表明成功追回Ⅳ小层。2 352 m处井斜由80.9°增至85.0°过程中地质参数发生较大变化,随钻自然伽马由1 050 API下降至60 API,甲烷含量由10.7%降低至2.8%,TOC由6.2%下降至4.0%,硅元素含量下降,钙元素含量上升,判断进入岩家河组。分析认为该处Ⅳ小层上部地层存在错动,遂调整增斜并在2 414 m穿回Ⅴ小层,通过实钻跟踪,保持轨迹在Ⅳ小层下部及Ⅴ小层穿行。

图6 宜页1井导眼井与宜页1HF水平井导向地层对比

宜页1HF井钻至3 917 m,水平段AB长1 875 m,其中A靶点对应导眼井Ⅳ小层距页岩底部13.8 m位置,B靶点对应导眼井Ⅳ小层距页岩底部17.4 m位置(见图7)。水平井钻探过程中气测全烃最大为33.89%,平均为14.87%;气测甲烷最大为29.16%,平均为10.83%;随钻自然伽马为219.8～1 178.7 API(平均456 API),录井岩屑TOC为3.25%～6.79%(平均5.09%),录井元素硅含量为43.5%～69.6%,平均为54.8%,该含量为5.9%～28.8%,平均为14.5%。水平井轨迹主要在Ⅳ～Ⅴ小层中穿行,优质储层钻遇率为90.4%。后期测试,宜页1HF井气产量为6.02×104m3/d,无阻流量为12.38×104m3/d,油压和气量比较稳定。

图7 宜页1HF水平井井眼轨迹及地层随钻分析图

3 结论及认识

(1)宜页1井水井沱组下部优质页岩段Ⅲ～Ⅴ小层TOC大于2%,GRSL大于140 API,铀含量大于7 mg/L,铀钾比大于3.0。利用自然伽马能谱铀含量、铀钾比可预测TOC含量,预测精度较密度测井方法高。

(2)采用去铀伽马测井计算宜页1井泥质含量,揭示黏土类型,Ⅰ、Ⅱ小层泥质含量平均为34.8%,Ⅲ～Ⅴ小层泥质含量降低至28.7%。水井沱组页岩以伊/蒙混层和伊利石为主,含有少量绿泥石,且绿泥石随深度增加有减小趋势,伊利石含量在第Ⅴ小层达到最大。

(3)自然伽马能谱测井铀、钍元素,以及自生铀元素含量变化趋势,揭示岩家河组早期硅质页岩形成于还原水体环境中,具有热液成因特点;水井沱组Ⅳ～Ⅴ小层有机质页岩发育在碳酸盐台地前缘缓坡-浅水陆棚相带缺氧环境中;Ⅰ～Ⅲ小层灰色钙质页岩形成于浅水陆棚内缘斜坡相带贫氧环境中。

(4)依据水井沱组底部异常高自然伽马值、横向可对比性强的特点,可解决水平钻进过程中井轨迹控制、储层识别等问题,保持轨迹在Ⅳ小层下部及Ⅴ小层优质储层中穿行。随钻自然伽马地质导向技术在宜昌地区的成功应用,为加快鄂西地区寒武系页岩气水平井的施工积累了经验,具有重要意义。