基于自然伽馬能譜的TOC評價研究
——以川東南地區龍馬溪組頁巖為例

冉　偉，劉向君，吳　濤

（西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川成都610500）

基于自然伽馬能譜的TOC評價研究
——以川東南地區龍馬溪組頁巖為例

冉偉*，劉向君，吳濤

（西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川成都610500）

頁巖氣儲層中的總有機碳含量（TOC）反映了頁巖的生烴潛力，是評價頁巖氣藏的一個重要指標。本文以川東南地區下志留統龍馬溪組頁巖為例，從巖芯實測數據出發，通過對自然伽馬能譜與總有機碳含量（TOC）之間的擬合分析，發現釷、鉀與有機碳含量的相關性較好，再結合深度作為基本參數與有機碳進行多元關系擬合，從而得到了計算總有機碳含量（TOC）的經驗公式，對測井資料預測總有機碳含量（TOC）有重要意義。

頁巖；龍馬溪組；自然伽馬能譜；總有機碳含量

1　概述

隨著頁巖氣在美國大規模商業開發的成功，作為一種新型的非常規天然氣資源，頁巖氣已成為全球非常規能源勘探開發的熱點。我國頁巖氣資源儲量高達100×1012m3，約為常規天然氣資源儲量的2倍，折合原油近1000×108t，可采儲量30×1012m3左右，儲量十分龐大［1］。根據我國目前年均消耗天然氣總量，35×1012儲量的頁巖氣可供我國使用250a左右。對頁巖氣的開采能夠有效的緩解我國對外石油進口的高度依賴。

有機碳含量（TOC）是頁巖氣儲層評價中的一個重要參數。頁巖中的有機質不僅是烴類形成的物質基礎，還可為頁巖氣的吸附提供重要載體，此外在有機質轉化為烴類的過程中，形成的有機孔和微裂隙也是頁巖氣賦存的重要場所。通常成熟頁巖中殘余有機質豐度與含氣量表現出正相關性，故有機質豐度在頁巖氣評價中具有重要意義［2］。

受鉆井取心和分析化驗成本的影響，在巖芯資料分析中的有機地球化學評價僅能獲取離散且有限的有機碳含量值，不能完全反映儲層的有機質豐度［3］。頁巖氣測井是開展剖面有機碳（TOC）連續計算的較好的方法。國內外學者先后提出了以下幾種利用常規測井資料獲取頁巖氣儲層有機碳含量（TOC）的方法：Fertle提出自然伽馬能譜測井和巖芯分析資料的線性回歸法評價頁巖地層TOC含量的方法［4］；Passey等總結了前人的研究成果及Exxon/Esso公司測井評價有機碳的應用成果，正式提出了考慮烴源巖熱變質指數—LOM，計算不同成熟度條件下有機碳含量的ΔLgR法［5］；Schmoker（1979）根據密度測井和巖芯分析資料回歸評價頁巖氣儲層TOC含量［6］。

巖石中有機碳會導致多種測井響應，但由于地下情況比較復雜，幾乎每種測井響應都是多種地質因素疊加作用的結果，而不單單是有機碳響應造成［7］。因此，常規巖芯分析資料與測井資料結合，建立有機碳含量（TOC）與這些特征響應的定量關系式，對準確預測有機碳含量（TOC）有重要意義。因此，本文總結前人的研究成果，通過對川東南地區龍馬溪組某井下頁巖的實驗研究，建立自然伽馬能譜與頁巖有機碳含量（TOC）之間的定量關系，為的頁巖氣儲層機碳含量（TOC）評價提供了實驗基礎。

2　實驗與結果

川東南地區（四川盆地東南部）的下志留系龍馬溪組頁巖為海相碎屑巖，發育于淺海陸棚環境，整體上以黏土、粉砂級細粒沉積為主，含有豐富的筆石，黃鐵礦發育；該套頁巖可劃分為上下2段，下段位于高水位體系域，為海侵最大時期的產物，主要為黑色頁巖，是較為有利的勘探目標段；上段為海退體系域，巖性復雜，砂質含量較大，主要為灰色、黃綠色泥質或粉砂質頁巖［8］。本文研究的頁巖樣品采自重慶市下志留系龍馬溪組某井的井下頁巖巖樣。

2.1頁巖總有機碳含量（TOC）測試

將采集的龍馬溪組頁巖巖樣打磨成粒徑120目左右，烘干后在透水坩堝中稱量0.2～0.5g左右試樣，并先后浸入稀鹽酸和濃鹽酸，再用蒸餾水沖洗坩堝直至抽濾液中滴加AgNO3溶液無沉淀產生，烘干后就可以進行有機碳含量（TOC）的測試。

有機碳含量（TOC）測試是在美國Leco公司研發的CS230SH碳硫分析儀完成的。試樣在1250℃（1200℃～1400℃）的氧氣流中燃燒，使碳元素被氧化成一氧化碳和二氧化碳，燃燒后的混合氣體經除硫后，剩余的氣體通過二氧化碳紅外檢測池就可以檢測碳含量。

2.2頁巖的自然伽馬能譜測試

自然伽馬能譜測試采用的是RM-2型巖芯伽馬測定儀，將伽馬射線轉換成電脈沖信號，經放大、成型、脈沖幅度分析之后，送入計數器計算出每秒計數率，最后將測量數據傳輸到電腦中。

依照行業標準SY/T 5163-2010，將采集的龍馬溪組頁巖巖樣打磨成粒徑不大于100目左右，烘干后取500g樣品放入標準樣品盒中密封存放，不少于24h，之后就可以進行伽馬能譜測量。

3　試驗結果分析

3.1頁巖的有機碳含量（TOC）分析

對川東南地區龍馬溪組頁巖，通過對48個樣品的定量分析結果可知，有機碳含量為0.274%～4.940%，平均為2.795%。圖1是巖樣中有機碳含量隨深度變化的數據分布圖，從圖中清楚看出，隨著深度的加深，有機碳含量（TOC）逐漸增加，在2800米之后增加緩慢，最后達到最大值。大致能以2700m左右為界，上段巖樣顏色偏灰白，有機碳含量（TOC）較低，平均值為0.475%；下段巖樣顏色偏黑，有機碳含量（TOC）較高，平均值為3.485%。而有機碳含量（TOC）與深度有良好的相關性，相關系數為0.7569。

3.2頁巖的自然伽馬能譜分析

根據自然伽馬能譜測試結果可知，龍馬溪組頁巖井下巖樣測得的鈾元素含量在0.002～0.038ppm之間，平均約為0.013ppm；釷元素含量在0.001～0.082ppm之間，平均約為0.020ppm；鉀元素含量在0%～0.101%之間，平均約為0.024%。

由實驗結果可以得出自然伽馬能譜隨深度的變化，如下圖2、3、4所示。從圖中可以看出，鈾、釷、鉀的含量隨深度增加而逐漸減小，大約在2820m左右最小，之后隨深度的增加而增大。

圖1　不同深度下的有機碳含量

圖2　鈾含量分布圖

圖3　釷含量分布圖

3.3有機碳含量（TOC）與自然伽馬能譜的關系分析

圖4　鉀含量分布圖

基于實驗數據，對川東南地區龍馬溪組頁巖的有機碳含量（TOC）與自然伽馬能譜的相關性進行分析，如下圖所示：隨著鈾（U）含量的增加，有機碳含量（TOC）先減小再增大，而鈾（U）與有機碳含量（TOC）擬合后的相關系數為0.0587，相關性較差。而隨著釷（Th）、鉀（K）含量的增加，有機碳含量（TOC）逐漸減小，它們與有機碳含量（TOC）擬合后的相關系數分別為0.5755、0.5937，相關性較好。

圖5　TOC與鈾含量的關系

由上圖擬合公式的相關性系數可知，根據有機碳含量（TOC）與自然伽馬能譜的鈾、釷、鉀的擬合公式預測有機碳含量的精度不高，誤差較大。因此為了提高預測有機碳含量的精度，可進行多元回歸分析。

由于有機碳含量與釷、鉀的相關性相對較好，同時，有機碳含量與深度的相關關系良好。因此，選取自然伽馬能譜中釷元素和鉀元素作為基本參數，同時考慮取樣深度也作為基本參數，因此得到如下公式：

進行多元回歸擬合分析，可以求出公式中系數為a=0.004；b=3.074；c=-18.535；d=-8.333。

因此，川東南某井的有機碳含量的預測公式為：

多元回歸分析中的F=71.472＞F0.01（3，43）=6.641× 10-16，說明擬合公式的相關性十分顯著。

圖6　TOC與釷含量的關系

圖7　TOC與鉀含量的關系

4　結論

（1）對川東南地區某水平井井下龍馬溪組頁巖，隨著深度的加深，有機碳含量（TOC）逐漸增加，在2800米之后增加緩慢，最后達到最大值。大致能以2700m左右為界，上段巖樣顏色偏灰白，有機碳含量（TOC）較低，平均值為0.475%；下段巖樣顏色偏黑，有機碳含量（TOC）較高，平均值為3.485%。而有機碳含量（TOC）與深度有良好的相關性，相關系數為0.7569。

（2）對川東南地區某水平井井下龍馬溪組頁巖，鈾元素含量在 0.002～0.038ppm之間，平均約為0.013ppm；釷元素含量在0.001～0.082ppm之間，平均約為0.020ppm；鉀元素含量在0%～0.101%之間，平均約為0.024%。且鈾、釷、鉀的含量隨深度增加而逐漸減小，大約在2820m左右最小，之后隨深度的增加而增大。

（3）對川東南地區某水平井井下龍馬溪組頁巖，有機碳含量與釷、鉀、深度的相關性相對較好，因此進行多元回歸擬合分析，可以得到計算有機碳含量（TOC）的經驗公式：n（TOC）=0.004ln（H）+3.074Th-18.535K-8.333。

［1］殷鵬飛，柳廣弟，劉成林，等.中美頁巖氣資源評價的現狀及啟示［J］.當代石油石化，2011，31（11）：7-12.

［2］李延鈞，張烈輝，馮媛媛，等.頁巖有機碳含量測井評價方法及其應用［J］.天然氣地球科學，2013，24（1）：169-175.

［3］熊鐳，張超謨，張沖，等.A地區頁巖氣儲層總有機碳含量測井評價方法研究［J］.巖性油氣藏，2014，26（3）：74-78.

［4］Fertle H.Total Organic Carbon Content Determined from Well Logs［G］.SPE Formation Evaluation 15612，1988：407-419.

［5］Passey Q R，Moretti F U，Stroud J D.A Practical Model for Organic Richness from Porosity and Resistivity Logs［G］.AAPG Bulletion，1990，74（12）：1777-1794.

［6］Schmoker J W，Hester T C.Organic Carbon in Bakken Formation，United States Portion of Williston Basin［J］.AAPG Bulletion，1983，67（12）：2165-2174.

［7］胡慧婷，盧雙舫，劉超，等.測井資料計算源巖有機碳含量模型對比及分析［J］.沉積學報，2011，29（6）：1199-1204.

［8］畢赫，姜振學，李鵬，等.渝東南地區黔江凹陷五峰組—龍馬溪組頁巖儲層特征及其對含氣量的影響［J］.天然氣地球科學，2014，25（8）：1275-1282.

TE122

A

1004-5716（2016）03-0050-04

2015-03-21

國家自然科學基金石化基金重點項目（U1262209）資助。

冉偉（1989-），男（漢族），四川廣安人，西南石油大學石油與天然氣工程學院石油與天然氣工程專業在讀碩士研究生，研究方向：巖石力學、非常規油氣開發。