基于X射線熒光元素錄井的深層頁巖氣精準地質導向技術

唐 誠， 王志戰， 陳 明， 王崇敬， 梁 波， 施 強

（1. 中石化西南石油工程有限公司地質錄井分公司，四川綿陽 621000；2. 中國石化石油工程技術研究院，北京 100101；3. 中國石化西南油氣分公司油氣勘探管理部，四川成都 610041）

四川盆地五峰組—龍馬溪組海相頁巖氣資源潛力巨大，是國內海相頁巖氣的主要勘探開發區域，近年來部署了大量水平井進行勘探開發[1-5]。頁巖氣水平井鉆井過程中普遍采用隨鉆測井工具進行地質導向，利用隨鉆測井自然伽馬曲線指導水平段鉆進[6-8]。但是，入窗前頁巖的自然伽馬變化不明顯，主要目的層自然伽馬曲線尖峰多，不同峰的幅值差異小，且使用的隨鉆測井工具多不相同，并大量采用遠端隨鉆測井工具，無法提供方位伽馬數據，且不同測井工具的測量結果差異大，僅依靠隨鉆自然伽馬測井曲線難以滿足頁巖氣井地質導向的需求。為此，筆者采用X射線熒光（XRF）元素錄井數據建立基于巖石成分的三端元圖版、不同層位的元素交會圖版、元素三維顯示圖版，在鉆進過程中利用其判斷鉆頭位置及鉆頭穿行狀態，并建立巖石密度、含氣量等關鍵評價參數的定量計算模型，為頁巖氣水平井地質導向提供了新的思路和方法。

1 地層特征

川南地區五峰組—龍馬溪組沉積環境為低能還原環境，構造活動不明顯，整體為陸棚相。威榮頁巖氣田主體處于威遠構造南緣白馬鎮向斜，龍馬溪組底部埋深3 600.00～3 800.00 m，屬于深層頁巖氣。水平井的主要目的層為五峰組—龍馬溪組一段，自下而上劃分為9個小層[9-13]，縱向上頁巖顏色差異不大，通過肉眼觀察難以區分；電性特征有一定的差異，主要差異集中在①—④小層。揭開④小層后自然伽馬測井曲線出現小幅度的尖峰，③小層底部有2個相對穩定的高自然伽馬尖峰，自上而下命名為Ⅰ峰和Ⅱ峰，②小層為極高自然伽馬峰，稱為Ⅲ峰，水平井的主要靶體是Ⅱ峰和Ⅲ峰所在的地層（見圖1）。①小層為五峰組地層，自然伽馬值明顯低于上覆層段。

圖1 川南五峰組—龍馬溪組一段地層厚度特征對比Fig.1 Comparison of the stratigraphic thickness characteristics of the Wufeng Formation-the 1st member of Longmaxi Formation in southern Sichuan

2 地質導向技術難點

深層頁巖氣水平井的鉆井技術難點主要集中在入窗和水平段2個階段。造斜與入窗階段的重點是準確識別標志層，確保順利著陸；水平段的關鍵是明確鉆頭的穿行狀態，通過調整井眼軌跡，確保在優質儲層段穿行。因此，落實關鍵控制點、判別鉆頭穿行狀態，是深層頁巖氣水平井鉆井的重點與難點。

1）標志層特征不明顯，難以準確入窗。龍馬溪組中上部沒有明顯的標志層，主要根據物探等資料獲得的宏觀構造特征來指導定向鉆進。龍馬溪組一段④小層是造斜與入窗的關鍵控制點，隨鉆自然伽馬測井儀器容易受到鉆井液成分與性能的影響，導致自然伽馬值波動大，難以準確識別出標志層，且④小層距離靶點垂向距離僅為18.00～41.00 m，井眼軌跡調整余地較小，定向鉆進過程中缺乏控制井眼軌跡的依據。

2）靶體上下自然伽馬特征相近，難以判斷鉆頭走向。③小層Ⅱ峰與①小層頂部為水平井靶窗的上下界面，在有方位伽馬測井數據的情況下，容易判別出鉆頭的穿行狀態，但威榮頁巖氣田廣泛使用遠鉆頭隨鉆測井工具，與鉆頭的距離約14.00～17.00 m，僅能提供隨鉆綜合伽馬測井數據，當隨鉆測量的自然伽馬值由高向低變化時，根據常規測井資料不能區分出鉆頭的穿行狀態。如圖2所示，A9平臺靶心為Ⅲ峰峰尖所在位置，如果鉆頭偏離峰尖位置，Ⅲ峰上下半幅的常規測井、錄井特征幾乎完全一致，難以判斷鉆頭是處于Ⅲ峰上半幅還是下半幅，只能在鉆穿靶體上下界面后再調整井眼軌跡。

圖2 A9平臺導眼井靶窗測錄井特征Fig.2 Logging/mud logging characteristics of target window in the pilot hole of Platform A9

3 精準地質導向技術

元素錄井數據攜帶了豐富的地層信息，為地層識別以及評價參數計算提供了數據基礎。利用元素錄井數據識別控制點、目的層、鉆頭穿行狀態和評價頁巖參數，可為頁巖氣水平井地質導向提供依據。

3.1 理論基礎與時效性分析

3.1.1 精準地質導向理論基礎

頁巖地層通常具有高自然伽馬的特征，但自然伽馬是巖石中多種成分的疊加響應，具有較強的多解性[14-17]。實鉆發現，頁巖氣儲層附近存在高放射性的磷灰石、硅質巖和碳質頁巖，即優質頁巖一般都具有高自然伽馬特征，但具有高自然伽馬特征的巖石不一定是優質頁巖。自然伽馬特征的多解性，導致在自然伽馬特征相似的井段難以準確判斷鉆頭的位置。XRF元素錄井技術可為巖性精細定名、沉積相劃分和甜點評價等提供有力的手段[13,17]，因為該技術能夠實時測量巖屑中常見的20余種元素及其含量，構成地層的響應指紋，能夠準確反映含氣性、巖石密度等信息，從而有效彌補自然伽馬的多解性，為準確判斷鉆頭在小層中的穿行位置奠定了理論基礎。

3.1.2 時效性對比分析

地質導向鉆井對時效性要求較高。旋轉導向鉆井或近鉆頭測量工具具有較強的時效性，而遠鉆頭隨鉆測井工具的時效性相對較差。威榮頁巖氣田5口井應用了遠鉆頭隨鉆測井工具，遲到時間為50～70 min，平均鉆時為5.50～18.10 min/m。XRF元素錄井分析周期按30.00 min計算（包括撈取巖屑、烘烤樣品、制樣、分析），當鉆時在6.00～7.00 min/m時，獲得元素分析數據的時間與獲得遠鉆頭隨鉆測井數據的時間基本一致，當鉆時大于7.00 min/m時，先獲得元素分析數據。5口井中首先獲得元素分析數據的井段有12段，元素分析數據與遠鉆頭隨鉆測井數據基本同時獲得的井段有2段，首先獲得遠鉆頭隨鉆測井數據的井段有2段。可見，在絕大部分情況下XRF元素錄井的時效性優于遠鉆頭隨鉆測井工具，能夠為地質導向鉆井提供時效保證。

3.2 關鍵控制點識別方法

威榮頁巖氣田五峰組—龍馬溪組一段的9個小層均為深水陸棚相，但可細分為黏土深水陸棚、含鈣黏土深水陸棚、鈣質黏土質深水陸棚、生物硅質深水陸棚等多個不同的沉積微相[13]。不同沉積微相的元素富集情況不同，因此縱向上小層不同，元素含量也不同。根據巖石的礦物成分，可將巖相劃分為黏土質、鈣質和硅質等3類。通過建立XRF元素錄井數據與巖石礦物成分之間的計算模型，采用三端元圖版，將巖相劃分為黏土質、硅質、鈣質、混合質[13,17]，通過區分不同的巖相識別關鍵控制點。圖3所示為威榮頁巖氣田Y3井的三端元圖版。從圖3可以看出：Y3井鉆遇的⑧-⑨小層為黏土質，主要為黏土深水陸棚相條件下的頁巖，進入⑦小層后為混合質，是從黏土深水陸棚向含鈣黏土深水陸棚過渡，進入③小層后，逐漸變化為硅質，與生物硅質深水陸棚微相對應。由此可見，應用XRF元素錄井的三端元圖版能有效區分各個小層，識別出關鍵控制點。

圖3 Y3井元素三端元圖版Fig. 3 Three-terminal chart of Well Y3

3.3 目的層識別方法

Ⅰ峰、Ⅱ峰和Ⅲ峰3個高自然伽馬井段的沉積微相一致或相似，用三端元圖版難以區分，同時Ⅰ峰與Ⅱ峰的自然伽馬幅值相近，多數井的Ⅲ峰存在副峰，導致各個峰形之間區分難度大。借鑒曲線重疊與曲線交會等測井解釋方法[14]，優選出目的層段的主要元素，研究元素含量以及元素含量比值的交會。根據已鉆井的元素數據統計分析Mg，Al，Si，S，Ca和Fe等含量占比較高的元素并優選圖版。圖4為不同元素含量及不同元素含量比值的交會圖版。從圖4可以看出，Al-Si元素含量交會圖版、Al-Ca元素含量交會圖版、Ca與Mg含量比值-Si與Al含量比值交會圖版在區分Ⅰ峰、Ⅱ峰和Ⅲ峰方面均有一定的效果，其中Al-Si元素含量交會圖版的效果最好。

3.4 鉆頭穿行狀態識別方法

常規方法不能區分出Ⅲ峰的不同部位，需要采用更高維度的圖版來提高Ⅲ峰峰尖及上、下半幅位置的辨識度。根據主成分分析結果，頁巖中Ca，Si和Al元素的含量在一定程度上能反映巖相的變化[13,17-18]，適合用來開展三維顯示圖版的研究與應用。根據自然伽馬曲線的特征，將整個Ⅲ峰自上而下劃分為Ⅲ峰上半幅、峰尖、下半幅A段、下半幅B段等4個不同的部位（見圖5（a））：上部為Ⅲ峰上半幅，中部為Ⅲ峰峰尖；由于下半幅較長，將其分為A，B兩段，中下部為Ⅲ峰下半幅A段，底部為Ⅲ峰下半幅B段。由于Ⅲ峰峰尖依靠自然伽馬值容易識別，因此將其余3段的主要特征元素繪制為三維顯示圖版，x，y和z軸分別為Al，Ca和Si元素的含量。圖5（b）所示為A6井Ⅲ峰Al，Ca和Si元素的三維顯示圖版，藍色代表Ⅲ峰上半幅，紅色為Ⅲ峰下半幅A段，黑色為Ⅲ峰下半幅B段。從圖5（b）可以看出，Ⅲ峰上半幅與下半幅B段有重疊，但Ⅲ峰上半幅與下半幅A段具有較好的區分度。因此，當鉆頭偏離峰尖位置時，采用元素三維顯示圖版能夠區分鉆頭進入了Ⅲ峰上半幅還是下半幅A段所在的位置，進而判斷出鉆頭的穿行狀態。

3.5 關鍵評價參數定量計算方法

圖4 元素交會圖版Fig. 4 Effect of element intersection chart

將通過分析XRF元素錄井資料獲得的巖石成分信息、測井及試驗分析的結果進行比對，根據各項參數的基本響應機理，針對需要轉換的參數優選出敏感元素及元素組合，進行數學擬合分析，建立元素或元素組合與評價參數之間的數學模型，采用逐步回歸方法優選數學模型，確定最佳模型，并建立了威榮氣田巖石硅質含量、鈣質含量、泥質含量、巖石密度和含氣量等5個參數的隨鉆定量計算模型（見表1）。應用表明，利用XRF元素錄井數據計算出的頁巖評價參數與ECS測井、常規測井等其他手段的評價結果較為吻合，除鈣質含量外，其余參數的相關系數均大于0.70[13,17]。

圖5 A6井Ⅲ峰元素三維顯示圖版Fig. 5 III peak element three-dimensional display chart of Well A6

表 1 頁巖評價參數隨鉆計算模型Table 1 Calculation model of shale evaluation parameters while drilling

4 現場應用

基于X射線熒光元素錄井的深層頁巖氣精準地質導向技術在威榮頁巖氣田進行了應用，進入龍一段地層之后，首先應用元素三端元圖版識別出④小層與③小層，為入窗提供指導；隨鉆自然伽馬與元素交會圖版結合區分Ⅰ峰、Ⅱ峰和Ⅲ峰，確保準確入窗；進入水平段后，采用三維顯示圖版判斷鉆頭穿行狀態，并利用隨鉆測井資料定量計算關鍵評價參數，指導水平段鉆進。2018年以來，該技術在威榮頁巖氣田應用了18口井，多數井的實鉆A靶點垂深較設計垂深加深4.22～36.49 m，每口井都準確入窗，14口井水平段靶體鉆遇率100%，4口井準確判斷出了地層與鉆頭穿行狀態，但因定向工具的軌跡調整能力不足，導致部分井段鉆出靶體，18口井的靶體平均鉆遇率達到了98.06%。

4.1 入窗

T1HF井入窗井段的隨鉆自然伽馬曲線特征與導眼段有明顯差異，導眼段⑥、⑤、④小層底部的自然伽馬曲線均有明顯的臺階，易于識別；斜井段隨鉆自然伽馬曲線基本無變化，根據自然伽馬特征難以判斷層位（見圖6），但根據該井段的元素三端元圖版實現了準確區分（見圖7（a）），及時采取了增斜措施。應用Al-Si元素交會圖版及時區分目的層Ⅰ峰、Ⅱ峰和Ⅲ峰（見圖7（b）），為準確入窗準確提供了依據。

圖6 T1HF井導眼段與斜井段自然伽馬特征對比Fig.6 Comparison of natural gamma characteristics between pilot section and deviated section in Well T1HF

4.2 水平段

A3井入窗進入水平段以后采用遠鉆頭隨鉆測井工具進行地質導向，5 130.00～5 160.00 m井段鉆頭位于Ⅲ峰峰尖位置，隨后隨鉆自然伽馬曲線出現了起伏，隨鉆自然伽馬值降低，鉆頭偏離了Ⅲ峰峰尖位置（見圖8）。由于沒有方位伽馬數據，難以判斷鉆頭的穿行狀態，因此采用元素三維顯示圖版判斷鉆頭穿行狀態。從A3井水平段元素三維顯示圖版（見圖9）可以看出，鉆頭偏離峰尖位置以后，沒有進入Ⅲ峰下半幅A段的范圍（綠色為待判斷的5 160.00～5 180.00 m井段元素數據）。參數定量計算結果（見圖8）表明，該井段含氣量由9.50 m3/t降至6.40～7.10 m3/t，巖石密度由 2.38 g/cm3升至 2.43 g/cm3，表明儲層的含氣性正在變差。綜合分析三維顯示圖版和參數定量計算結果，認為該井段鉆頭在Ⅲ峰上半幅的位置并有逐漸偏離靶窗的趨勢，于是采取降斜措施，然后重新回到Ⅲ峰所在的位置，含氣量由3.60 m3/t升至5.20 m3/t，巖石密度由2.53 g/cm3降至2.49 g/cm3，說明鉆頭回到了優質儲層段，達到了軌跡優化調整的目的。

圖7 T1HF井三端元圖版和元素交會圖版Fig.7 Application of three terminal element and element intersection chart in Well T1HF

圖8 A3井水平段參數定量計算結果與軌跡穿行情況Fig. 8 Quantitative calculation results of parameters in horizontal section of Well A3 and track crossing

圖9 A3井水平段元素三維顯示圖版Fig. 9 Element 3D display chart of horizontal section in Well A3

5 結論與建議

1）X射線熒光元素錄井能提供豐富的地質信息，在深層頁巖氣井地質導向鉆進中能夠彌補自然伽馬的多解性問題，且與遠鉆頭隨鉆測井工具相比時效性更好，為精準地質導向鉆進提供了依據。

2）基于元素錄井建立的三端元圖版、Si-Al交會圖版、Si-Al-Ca三維顯示圖版以及關鍵評價參數定量計算模型，能夠準確識別小層，判斷鉆頭在小層中的穿行方向。在威榮頁巖氣田應用表明，其具有較好的現場應用效果，可提高深層頁巖氣水平井水平段優質儲層的鉆遇率。

3）隨著深層頁巖氣勘探開發的深入，新鉆探區塊的鉆井地質條件更趨復雜，在復雜構造條件下優質儲層的隨鉆識別與評價將面臨新的挑戰，應積極探索微幅構造、隱蔽斷層的隨鉆定量評價方法，不斷提高復雜區域深層頁巖氣勘探開發的技術水平。