泥頁巖儲層測井沉積學分析——以泌陽凹陷泌頁HF-1井核桃園組為例

蒲曉強，姜在興，黃 鑫，曹瀚升，祁雅莉

泥頁巖儲層測井沉積學分析——以泌陽凹陷泌頁HF-1井核桃園組為例

蒲曉強1,2，姜在興3，黃 鑫1，曹瀚升1，祁雅莉1

（1. 廣東海洋大學海洋與氣象學院，廣東 湛江 524088；2. 廣東省近海海洋變化與災害預警技術重點實驗室，廣東 湛江 524088；3. 中國地質大學（北京），北京 100083）

【】以泌陽凹陷泌頁HF-1井核桃園組頁巖油儲層為研究對象，分析泥頁巖地層測井的沉積學。通過改進的Δlog方法，建立適合研究區泥頁巖有機質含量的測井計算公式；根據計算的有機質含量，結合礦物組分含量及自然伽馬能譜測井特征，分析沉積環境變化。利用測井資料計算泌陽凹陷泌頁HF-1井核桃園組泥頁巖地層中的TOC，取得較好的效果，計算公式可在本研究區其他未取巖心的井中推廣應用。泌頁HF-1井核桃園組2 390 ~ 2 465 m地層由底部到頂部其沉積環境變化：濕潤多雨的氣候條件下基本一直處于還原環境，但是隨著湖水深度逐漸變淺以及陸源物質輸入的增加，地層中有機碳含量逐漸減少；其中2 432 ~ 2 461 m地層為深水還原環境，陸源物質輸入較少，有利于有機質的堆積和保存，是最有利的頁巖油儲層賦存潛力段。

泥頁巖有機碳層序地層學測井泌陽凹陷

目前，泥頁巖油氣藏已成為全球油氣勘探開發的新亮點。隨著頁巖氣理論研究的深入及勘探開發的迅速發展，頁巖油資源在近年內受到廣泛的關注和高度的重視，國外勘探實踐證實其潛力巨大[1-3]。我國中新生代陸相泥頁巖層系中的頁巖油資源亦有巨大的開發潛力[4-8]。泥頁巖油氣藏評價與常規油氣評價有明顯差異，如何快速而直觀地識別泥頁巖儲集層是用測井技術評價頁巖油氣藏的關鍵。在陸相盆地頁巖油儲層的勘探研究過程中，分析沉積環境時利用測井曲線計算地層有機碳、礦物組分含量等參數有不可替代的優勢[9-11]，可解決泥頁巖地層巖性變化不明顯導致的層序邊界劃分困難等難題，為泥頁巖地層的格架建立、層序邊界劃分、沉積環境恢復、有利區帶預測等工作提供依據[12-14]。

泌陽凹陷是南襄盆地內發育的次級凹陷，屬于小型山間斷陷，面積約1 000 km2，基底最大埋深8 000 m以上，從南向北、從東向西逐漸抬升，整個凹陷在平面上呈扇根部指北的扇形展布，剖面上構成南深北淺的箕狀凹陷，是一小型中新生代“小而肥”的斷陷盆地[15-18]。古近系核桃園組厚2 000 ~ 3 000 m，有縱向上厚度大、橫向上分布較穩定的特征，是泌陽凹陷主要含油氣層段[19]，也是本研究的目的層段。自上而下核桃園組分為核一段、核二段和核三段，為湖盆強烈斷陷期深湖―淺湖沉積環境下沉積的一套細粒沉積物。巖性以深灰色、灰黑色粉砂質頁巖及灰質頁巖為主，包含少量泥質粉砂巖、白云質泥巖等其他巖性。地層有機碳含量豐富，鏡質體反射率（o）值指示烴源巖處于成熟階段和生烴高峰期，為研究區主要烴源巖系之一[20-21]。泌陽凹陷深凹區具備形成頁巖油氣的地質條件[5,20-22]，部署鉆探的泌頁AS-1井及泌頁HF-1井有較高產工業油流，顯示良好的頁巖油氣藏賦存前景[23-26]。本研究以泌陽凹陷泌頁HF-1井核桃園組三段5號頁巖層為例，利用測井曲線計算湖相泥巖中有機質含量，并探討其所指示的沉積環境。

1 測井數據計算泥頁巖有機碳含量

地層中的有機質導致地層電阻率和聲波時差的增大，因此通過電阻率―孔隙度曲線疊合的方法可確定總有機碳（TOC），這種方法也稱為Δlog法。Δlog技術由埃克森（Exxon）和埃索（Esso）公司于1979年開發，適用于碳酸鹽巖和碎屑巖中利用測井資料識別和計算含有機質巖層中的總有機碳含量。Passey[27]給出了利用聲波時差和地層電阻率計算TOC的方法：把非生油巖的聲波和電阻率曲線疊加在一起，用兩條曲線間的間距（Δlog）識別富含有機質的層段；未成熟而富含有機質的巖石中因尚無油氣生成，觀測到的兩條曲線間差異僅由孔隙度曲線響應造成；成熟的烴源巖中因存在烴類，導致電阻率增加，使兩條曲線產生更大差異或間距。利用此方法可計算測井段內地層的TOC連續深度剖面。

本研究借鑒Δlog法計算研究區（圖1）泥巖有機碳含量，并根據地區特點進行修改，具體過程：1）對孔隙度曲線和電阻率曲線重新刻度，其中電阻率曲線采用對數刻度，孔隙度測井曲線設置為與電阻率曲線變化反相關，孔隙度曲線可根據實際情況及應用效果選擇聲波、中子或密度測井曲線；2）將孔隙度曲線和電阻率曲線統一刻度到4個單位一個記錄道內顯示，選擇兩條曲線重合或平行變化段為基線。兩條曲線的差值即為Δlog，差值大小與TOC的數值有相關關系；3）由Δlog與巖心分析的TOC數據回歸分析得到TOC計算公式，然后利用此公式計算目的井段的TOC，與巖心分析TOC數據比較驗證，評價計算的實際效果。在巖心分析數據比較豐富的泌頁HF-1井中，孔隙度曲線選用聲波AC，電阻率曲線選用深側向RT。以測井計算TOC結果與巖心分析TOC間的相關性為指標，經多次比較調整后最終確定曲線刻度，聲波曲線刻度：450 ~ 40 μs/m；電阻率曲線刻度：0.1 ~ 1 000.0 Ω?m，并將兩條曲線放入同一繪圖道得Δlog（圖2中陰影部分）。對Δlog與巖心分析TOC含量進行回歸分析，得由Δlog計算TOC的公式：TOC = 3.043 × ΔlogLLD-AC+ 2.4655（= 0.91）。實際操作過程中還需排除擴徑、縮徑、地層邊界等環境異常井段數據及偏離整體數據較遠的異常值等異常數據。例如深度2 430 m處，巖心分析數據與測井計算數據偏離程度較大，井徑CAL曲線顯示，此處井眼擴徑明顯，可能導致測井數據失真，因此剔除此處異常數據。用上述公式算得的TOC含量與巖心分析TOC含量分布趨勢基本吻合（圖2），兩者相關性較佳（圖3），說明此公式在本井中的計算效果較佳。將此公式應用于其他具有巖心分析TOC資料的井中進行進一步驗證，發現測井曲線計算TOC與巖心分析TOC含量基本吻合（圖4），由此可判斷該解釋模型對本研究區有較好的代表性和實際應用價值，可推廣至本研究區其他非取心井，用于計算泥巖中TOC的含量。

圖1 研究區位置

第2道是所有的巖心分析數據，第3道是剔除部分異常數據后的分析數據

圖3 泌頁HF-1井巖心分析與測井計算的TOC對比

圖4 應用TOC計算公式在其他具有TOC巖心分析資料的井中驗證計算效果

2 湖相地層沉積環境分析

算得的TOC數據結合測井數據可用于沉積環境分析。沉積物中有機質分布主要與沉積物供給和湖（海）平面的升降或水體深度有關，當可容空間迅速增大時，沉積物供給不足，相對較高湖平面和相對較低的沉積速率，以及較深水體背景下的還原環境均有利于有機質保存，因此有機碳含量通常較高；當可容空間減小時，沉積環境由還原逐漸轉為氧化，同時沉積物向盆內的進積作用導致沉積速率增大，使陸源物質對沉積物中有機質起稀釋作用，有機碳含量通常隨之減少[28-30]。Creaney等[28]研究海相烴源巖TOC含量隨體系域的變化特征時發現，最大海泛面處往往TOC含量最大；最大海泛面之上，由于高水位體系域的進積作用，沉積物被稀釋，有機碳含量降低；在該海泛面之下，由于前一個水進體系域沉積速率較高，TOC含量也降低。伴隨著向最大海泛面方向TOC含量的增加，有機質類型由腐植型向腐泥型過渡，也變得以海洋來源為主，更有利于油氣形成。可見沉積物中TOC含量通常是隨水深的加深而增加的。

湖相沉積物中，TOC分布特征與海相沉積物相似。湖泊沉積物中TOC含量增加，反映這一時期湖區降水增加，地表徑流增大，湖區植被繁盛，是湖泊維持較高水位的體現，代表暖濕的氣候環境；反之當沉積物中TOC含量顯著下降，則該時期湖區降水減少，湖區植被退縮，沉積物在陸上暴露或接近水面，總體上是低水位表現，因此代表冷干的氣候環境[31-32]。據此，綜合可反映沉積環境氧化還原狀態的釷鈾比值[33-34]、反映沉積水動力條件的釷鉀比值[34]、反映陸源物質輸入特征的礦物含量變化數據，可判斷沉積物沉積時的環境特征。U元素在沉積過程中受氧化還原反應和有機質吸附作用，通常在還原環境和富有機質地層中富集；Th元素在自然界中化學性質較穩定，一般不受成巖作用和地球化學作用影響；K元素在碎屑巖中與粒度大小成反比。利用這些元素的地球化學特征和差異性質可構造參數指標來反映沉積環境，例如釷鈾比值可體現水體氧化還原性，釷鉀比則可指示水體動力環境特征。

泌頁HF-1井2 390 ~ 2 465 m的巖性為細粒泥質巖，自然伽馬（GR）值較高，無法通過常規方法判斷沉積環境變化。而TOC含量隨深度由深到淺整體呈逐漸遞減變化趨勢，可反映沉積水深逐漸變淺的變化趨勢（圖5）。巖性成分也表現出較明顯的特征，由深到淺碳酸鹽含量逐漸降低，泥質和硅質含量增加，指示隨著水深變淺，內源沉積物質逐漸相對減少，而陸源物質的輸入量相對逐漸增加。TOC與碳酸鹽含量呈明顯的正相關關系，反映在深水環境下，陸源物質輸入量相對較少，有利于有機質的沉積和保存，導致源自湖內生物等的鈣質碳酸鹽含量及有機質輸入量較高；水深變淺，陸源物質輸入增加，整體對碳酸鹽和有機質有明顯的稀釋作用。自然GR能譜測井曲線（圖5）也反映了相應的環境特征，此段地層的釷鈾比值整體較低，大部分小于7，指示了一種弱氧化―還原環境。小部分釷鈾比數值甚至小于3，指示了一種比較強的還原環境。釷鈾比與TOC剖面基本呈相反的鏡像變化特征，表明還原環境有利于有機質的保存；但在整個深度段釷鈾比并無顯著的變化趨勢，說明相對于水深變化，氧化還原狀態保持相對穩定狀態，對有機質含量變化的影響較小。釷鉀比值為6 ~ 20，大部分大于8，較高的釷鉀比值表明沉積物沉積過程中經歷了較強的淋濾作用，帶走了化學性質比較活潑的K元素，指示了一種濕潤多雨的氣候環境。釷鉀比的高峰值在整個井段多數同步出現TOC的高峰值，也表明較強降水條件下的強淋濾作用有利于K元素的溶出，同時也是導致水深加深和有機碳含量增加的外在因素。釷鉀比整體變化趨勢不明顯，并未表現出隨水深（或TOC含量）變化的相應變化趨勢，推測是由于入湖物質的搬運距離相對較短，不同時期沉積物遭受風化淋濾作用的分化特征不明顯，釷鉀比值的變化受母巖物質來源的影響仍然較大所導致。文獻中對泌頁HF-1井巖心地球化學分析數據提取的古環境指標，也與有機碳的分布有較好的耦合關系[35-36]，指示了相似的以古氣候和陸源物質輸入為主要控制因素的環境變化特征。

綜合可知，泌頁HF-1井2 390 ~ 2 465 m地層沉積環境為：濕潤多雨的氣候條件下，母巖區經受了較強的風化淋慮作用，隨著湖水深度逐漸變淺，陸源物質輸入量和搬運距離隨之增加；陸源物質的搬運距離整體相對較短，仍然保留了母巖的部分成分信息；整段地層基本處于還原環境，這也可由巖心X衍射數據中含量較多的黃鐵礦和菱鐵礦說明，部分深度地層有機碳含量較高，為較強的還原環境，也有部分深度的地層處于弱氧化環境，主要為粉砂巖或泥質粉砂巖夾層，推測為濁流沉積造成，需進一步深入研究。其中2 432 ~ 2 461 m地層有整個研究井段最高的TOC值，推測該地層為深水還原環境，陸源物質輸入較少，有利于有機質的堆積和保存，是最有利的頁巖油儲層賦存潛力段。

圖5 泌頁HF-1井目的層段綜合沉積環境分析

3 結論

1）利用測井資料以改進的Δlog法計算泌陽凹陷泌頁HF-1井核桃園組泥頁巖地層中的TOC，效果較佳，計算公式可在本研究區其他未取巖心的井中推廣應用。不同的研究區域及地層應結合實際情況重新利用巖心數據對測井計算結果進行刻度。

2）泌頁HF-1井2 390 ~ 2 465 m核桃園組沉積環境為：在濕潤多雨的氣候條件下基本處于還原環境，隨湖水深度逐漸變淺，陸源物質輸入增加，有機碳含量則逐漸減少。其中2 432 ~ 2 461 m地層為深水還原環境，陸源物質輸入較少，有利于有機質堆積和保存，是最有利的頁巖油儲層賦存潛力段。在泥頁巖地層中，利用測井計算的有機碳含量可反映水深變化，結合礦物含量及GR能譜等數據，可綜合判斷地層沉積時的沉積環境，在泥頁巖地層層序地層學分析及沉積環境分析中有重要參考價值。

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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

國家自然科學青年基金項目“珠江口地區盆地幕式沉降事件特征及其與板塊運動事件的關系”（41606065）；廣東海洋大學創新強校項目（GDOU2016050241和GDOU2014050201）

蒲曉強（1974－），男，博士，副教授，主要從事海洋地質學研究。Email：puxq2005@gdou.edu.cn

蒲曉強, 姜在興, 黃鑫, 等. 泥頁巖儲層測井沉積學分析——以泌陽凹陷泌頁HF-1井核桃園組為例[J]. 廣東海洋大學學報, 2019, 39(5): 115-120.

（責任編輯：劉慶穎）