自然伽马能谱测井在四川盆地矿产资源勘探中的应用

吴晓光，缪祥禧，王志文，康建云

(中国石化经纬有限公司，四川 成都 610100)

0 引 言

四川盆地震旦系至新近系沉积了巨厚的海陆相地层，矿产丰富，尤其是天然气资源。盆地内多旋回构造运动叠加改造控制形成了目前盆地内复杂的地质条件，在纵向上形成了多套生储盖组合以及多层系油气藏，气藏类型多样，深层和浅层、陆相和海相、常规和非常规气藏并存[1-2]。复杂的地质条件以及气藏多样性促成了高放射性气层广泛发育。自然伽马能谱测井技术直观准确识别地层放射性特征的技术优势使其在高放射性储层评价中得到了广泛应用[3-6]。由于缺少能谱测井资料，前期学者对于四川盆地下二叠统茅二段高自然伽马溶洞储层、磨溪构造嘉二1亚段碳酸盐岩储层的成因和品质评价偏重于地质分析以及岩石物理实验方面的认识[7-8]，高放射性储层的能谱测井特征不甚明确。近年来,在四川盆地陆相碎屑岩、海相碳酸盐岩、页岩层等新的勘探层位又相继发现了高放射性含气层位。综合地质背景、能谱测井特征、岩心分析等资料总结了高放射性储层成因，通过能谱测井曲线组合特征及交会图等技术有效解决了在高放射性储层识别及评价方面的诸多难题，为气田勘探开发提供了科学依据。

1 自然伽马能谱测井原理

地层的自然放射性主要来自于铀(U)、钍(Th)、钾(K)，地层中铀、钍、钾放射性核素在各自衰变时发射伽马射线，将测量的铀、钍、钾的伽马放射性混合谱进行谱解析，确定铀、钍、钾在地层中的含量(质量浓度，下文同)[9]。在石油工业测井中，铀和钍含量单位通常使用mg/L(或μg/g)；钾含量单位通常使用%(或0.01 g/g)。

地层的高伽马特征一般用来识别黏土岩层，随着泥质含量的上升，碎屑岩和碳酸盐岩类中的放射性会随之增高；碳酸盐岩中的灰岩、白云岩类等放射性均较低，石膏、硬石膏、较纯的岩盐等放射性特别低，钾盐类具有高放射性。国内外学者对铀在沉积岩中的富集机理和特征进行了广泛研究[9-14]，沉积环境中的还原条件、高有机质含量是铀富集的2个主要有利因素，同时，黏土矿物及含铁、含磷矿物等对铀的富集具有一定的贡献。沉积岩中钍含量主要与黏土矿物对钍的选择性吸附及钍在稳定矿物中的存在有关，钍在砂岩和页岩中含量较高，在碳酸盐岩中含量低，蒸发岩中几乎完全没有钍[9]。沉积岩中钾含量主要取决于伊利石、海绿石、长石、钾云母等含钾矿物的含量。

2 计算泥质含量

四川盆地已发现气层主要赋存在侏罗系及以下层系，储层成岩演化期长，高放射性储层发育普遍，且多呈现出高铀特征(图1)，埋深数百米至数千米的碎屑岩、碳酸盐岩储层孔隙度为2%～14%，个别碳酸盐岩储层孔隙度由于缝洞发育可达到15%以上，储层物性普遍较差，泥浆侵入不明显。另外，受地层水矿物度、泥浆性能以及岩性等多方面因素影响[15]，自然电位曲线在储层段异常不明显，基线易漂移等使其不能准确计算泥质含量(VSH)。因此，在四川盆地内一般采用自然伽马曲线计算泥质含量，在有能谱测井资料时，建议在碎屑岩和碳酸盐岩地层中优先选择与泥质含量相关性最好的无铀伽马曲线(KTH)进行泥质含量计算，以剔除高铀的影响，避免将高放射性储层评价为泥页岩层。

图1 四川盆地地层发育及自然伽马能谱特征简图(据文献[1]修改)

(1)

式中：VSH为泥质体积含量，%；KTH为无铀伽马，API；KTHmax、KTHmin为无铀伽马最大值、最小值，API；C为希尔奇常数，通常古近系及新近系地层取值为3.7，老地层取值为2.0。

3 识别高放射性储层

3.1 高放射性致密砂岩气层

川西地区马井气田陆相中浅层蓬莱镇组(J3p)发育高伽马砂岩储层，该气田位于川西坳陷中段马井背斜构造，西邻龙门山造山带，蓬莱镇组以浅水三角洲沉积为主，水下分流河道沉积微相为最有利的砂体发育区。储层岩性以细粒岩屑砂岩、长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩和岩屑石英砂岩为主，岩屑以沉积岩碎屑和变质岩碎屑为主，可见少量的岩浆岩碎屑及重矿物组分(锆石、金红石、电气石等)，物源主要来自西部的龙门山造山带[16-17]，岩浆岩岩屑以及重矿物组分是部分砂体出现高放射性特征的物质基础。蓬莱镇组砂岩物性为中低孔、低渗，需要多层合采才能获得理想产能，而高伽马储层测井特征与泥岩和粉砂岩等非储层特征区别不甚明显，易将其忽视。常规砂岩储层表现为低伽马、低中子、低密度、相对高声波时差、较高电阻率。高伽马储层特征为高伽马、低中子、低密度、高声波时差、较高电阻率、低无铀伽马、高铀；若砂岩中钾长石含量高，也可表现为高钾特征。以MJ103井为例，该井6号层自然伽马高于正常的泥岩和砂岩，具高铀特征，分析该层为高伽马砂体，评价为气层(图2)，该层与其他高伽马薄层合压改造测试，日产气为6 000 m3/d。

图2 MJ103井高伽马砂岩储层测井评价

3.2 高放射性缝洞型碳酸盐岩储层

四川盆地龙门山前带中段彭州气田海相雷口坡组四段上亚段发育潮坪相缝洞型高放射性碳酸盐岩储层。雷四上亚段可简单分为上储层、隔层和下储层。上储层段以藻(残余藻、藻砂屑)黏结灰岩、云质灰岩为主，灰质白云岩次之，见少量微-粉晶白云岩和砂屑白云岩，下储层段以藻(残余藻)黏结白云岩、微-粉晶白云岩、灰质白云岩为主，见少量云质灰岩、灰岩和砂屑白云岩。藻(残余藻)黏结白云岩、微-粉晶白云岩、藻(残余藻)砂屑白云岩和含灰质白云岩是重要的几种储层岩石类型。上下2套储层之间发育有一套以(含)白云质灰岩、藻屑灰岩等过渡岩性组成的隔层。雷四段白云岩类储层岩石薄片中可观察到藻类、藻类纹层以及大量早期大气淡水溶蚀有关的铸模孔、膏模孔、粒间(内)孔、生物腔体或藻类铸模孔、小型溶孔、粒内孔、扩溶缝孔、与藻有关组构孔、部分非组构孔洞或微孔隙等结构，溶孔及缝合线内可见沥青充填(图3)。

2012至2015年前期3口探井(PZ1、YaS1、YS1井)未测量能谱曲线，加之白云岩类储层自然伽马值为30～130 API，最高为183 API，低电阻率，略高中子、低密度、略高声波时差等均表现出与高泥质含量地层类似的响应，一定程度上延缓了气田的勘探发现进度。基于此，后续多口探井均增加了能谱测井，通过分析岩性及岩石薄片资料与能谱测井特征的对应关系(图3、4)，确定了高放射性是由地层中的铀所造成，而非泥质含量高所引起。研究发现，藻类等有机质富集铀元素是导致雷四段白云岩储层普遍高放射性的物质基础和主因。同时，高铀与溶蚀孔洞及裂缝渗滤通道具有一定正相关联系；整个储层段纵向上高放射性分布的不规律性是沉积后岩溶作用、早期大气水与地层水的混合渗流溶蚀、成岩作用、藻类等有机质演化等多种作用的综合反映。碳酸盐岩地层剖面中有效储层一般发育在高电阻率背景下的相对低电阻率段，同时具有低铀、低钍、低钾特征，而彭州雷四段中的低钍、低钾、高铀特征段基本对应了低电阻率和相对高孔隙发育段。经统计，白云岩类中，高铀(大于2 μg/g)特征段岩心孔隙度高于2%(储层下限)的样品数量达到了90%以上，因此，可通过白云岩类中的铀曲线中、高峰特征值判识有效储层(图4、5)。

以PZ103井为例，该井雷四下亚段下储层岩性以灰色藻白云岩、白云岩为主，气测录井显示微弱，全烃最高为0.613%(泥浆比重为1.5)，能谱测井特征整体表现为高自然伽马、低钍、低钾、高铀，自然伽马为27～112 API，铀含量为0.6～10.5 μg/g，以6 035.00 m附近为界，6 035.00 m以上自然伽马和铀含量普遍中等，局部高尖峰，6 035.00 m以下自然伽马和铀含量普遍高值(图5)。泥质含量采用无铀伽马计算，测井共解释了3层气层、5层含气水层，5 990.00～6 071.00 m测试日产气量为12.65×104m3/d，日产水量为276 m3/d。

图5 PZ103井雷四上亚段能谱曲线特征及测井解释成果

3.3 高放射性页岩气层

页岩气储层测井评价涉及了矿物组分、地球化学参数、物性参数、含气性和可压裂性等多方面评价，实验分析表明页岩孔隙空间(有机孔)以及吸附气含量大小均与总有机碳(TOC)含量呈明显的正相关。近年来，四川盆地迎来了页岩气勘探开发高峰，川东南深水陆棚环境下沉积的志留系龙马溪组一段(S1l1)优质海相黑色页岩层理发育，富含有机质，成熟度高，脆性矿物含量高，厚度较大，分布稳定[21]。中石化涪陵页岩气田、威荣页岩气田、永川气田、中石油长宁、威远页岩气田均以龙马溪组一段底部优质页岩气储层为主要目的层，目前上述气田均已形成商业开发。

有机页岩形成过程中往往伴随着铀元素富集，高含量有机质复合作用、缺氧的沉积环境条件、无机矿物(含铁矿物、黏土矿物和含磷矿物)的吸附、微生物的非代谢性吸附作用等多重因素共同作用，造成了现今川南地区龙马溪组底部海相有机页岩高放射性、高铀特征[14]。威远X井龙马溪组一段底页岩铀含量最高为44.7 μg/g，岩心实测TOC含量与铀含量具有良好正相关关系(图6)，因此，可通过铀曲线单因素拟合计算TOC含量。页岩层中黏土含量与无铀伽马具有相对较好的相关性，但是受有机质含量影响，在TOC含量较高井段，采用无铀伽马计算的泥质含量偏高。因此，有机页岩层段不建议单独采用无铀伽马曲线进行泥质含量计算。

图6 威远X页岩气井测井成果图

4 其他地质应用

4.1 识别钾蒸发岩(杂卤石)

四川盆地三叠系中含丰富的盐类资源，其中，石盐及杂卤石潜在资源量最大。杂卤石属于高阻难溶性含钾、硫酸盐矿物(K2SO4·MgSO4·2CaSO4·2H2O)，通常与硬石膏、石盐共生于蒸发岩相。蒸发岩中铀主要来源于黏土矿物、地层水等。钍主要来源于黏土矿物，钾主要来源于黏土矿物、钾盐矿物、杂卤石及富含钾的地层水。

某杂卤石矿产探采结合井Y-2井位于川中广安构造，该井钻遇三叠系雷口坡组-嘉陵江组，录井岩性有灰质白云岩、白云质灰岩、杂卤石、硬石膏、盐岩、绿豆岩等，属典型蒸发岩相沉积。经高钾，低铀、低钍的特征定性识别，后定量估算杂卤石体积含量。表1为Y-2井能谱测井解释成果，由测井解释成果可知：Y-2井共解释了3层杂卤石层段，第1层杂卤石发育最好，第3层次之，第2层含量最低。

表1 Y-2井能谱测井解释成果Table 1 The results of energy spectrum logging interpretation of Well Y-2

4.2 研究沉积环境

通过自然伽马能谱测井各曲线的韵律变化以及组合特征可以进行地层对比、地层界面划分、沉积层序划分、沉积环境分析等地质研究。高铀指示缺氧沉积环境和较低沉积速率，钍、钾高值则指示快速沉积和较高的陆源碎屑供给量。钍铀比值指示了相应沉积环境和岩石组合类型，钍铀比值大于7时，为陆相沉积和风化层，氧化环境；钍铀比值为2～7时为海陆过渡沉积环境；钍铀比值小于2时，为海相沉积，岩性为黑色海相泥岩、石灰岩及磷酸盐岩等，强还原环境。郭旭升曾利用能谱曲线特征、岩性特征对川东南地区龙马溪组-五峰组地层层序进行了划分和确定，并根据铀、钍、钾的分布特征对五峰组-龙马溪组的海平面变化和沉积环境的氧化还原程度进行了分析。

4.3 确定黏土矿物类型

在绝大多数黏土矿物中，钍、钾含量高，铀含量相对低，不同的黏土矿物具有较固定的钍钾比值。MJ103井钍钾比交会数据点主要落在蒙脱石、高岭石、伊蒙混层区域内，杂卤石矿井Y-2井钍钾比交会数据点主要落在了蒸发岩特征区间(图7)，与实际地质条件相符。

图7 钍钾比(n)交会图版确定地层黏土矿物类型

5 结论与认识

(1) 自然伽马能谱测井在四川盆地高放射性陆相致密碎屑岩、海相碳酸盐岩、有机页岩气层勘探过程中有效地提高了储层测井识别及评价的准确性。

(2) 川西彭州气田高放射性缝洞型白云岩类中的铀中、高峰特征值(大于2 μg/g)可作为识别有效储层发育段的重要指示。

(3) 四川盆地内一些老气田面临老井挖潜，高放射性储层测井特征的相关研究和结论认识可以为气田早期未进行能谱测井的老井挖潜工作提供一定的借鉴和科学依据。