特色錄井技術在川渝頁巖氣開發中的應用

文冉，陳軼林，舒贏，鄭科

1.中國石油西南油氣田分公司 工程技術研究院（四川 成都 610017）

2.中國石油川慶鉆探工程有限公司 地質勘探開發研究院（四川 成都 610017）

1 特色錄井理論基礎

目前，充氣鉆井、旋轉導向工具、PDC 鉆頭等新型鉆井技術已廣泛應用于頁巖氣勘探開發。因巖屑相對較小，使得地層巖性難以識別，頁巖氣水平井導向無法準確實現[1-4]，隨鉆儲層解釋的難度較大。因此，在四川和重慶的頁巖氣勘探開發中，經常使用XRF 元素測井和自然伽馬射線光譜測井技術。

1.1 自然伽馬能譜錄井

巖石中一般都含有放射性元素，主要是鈾、釷、鉀。巖石的輻射強度和其半衰期有關。238U 的半衰期為4.5×109a，223Th的半衰期為1.42×1010a，40K的半衰期為1.25×109a，半衰期長的元素其能量譜越強[5]。不同巖石礦物中放射性差異很大。黏土質巖石中鉀和鍶的含量較高，而鈾的相對含量較低。在無氧還原環境中形成的巖石，鈾的含量會隨之增加。這種差異使自然伽馬光譜錄井得以實現。根據實驗室對鈾、釷和鉀伽馬能量的測量，發現了能量為1.46 MeV 的發射40 K 的單色伽馬射線。U 系統，Th系統及其衰變發射多能伽馬射線，其中Th系統在2.62 MeV 處具有明顯的峰值。它可用作鑭系統的特征光譜，也可作為鈾系的特征譜[6]。

1.2 XRF元素錄井

X 射線（XRF）元素錄井主要基于元素分析，可以在儲層礦物成分分析、孔隙度和脆性指數判斷中發揮較好作用。它通過X射線數量來記錄熒光的能量和強度，定量分析Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ba、Mn、Ti、Fe、Ni、Sr、V、Zr共17種元素，可作為識別地層巖性的基本依據。

2 特色錄井資料應用

由于XRF 元素錄井和自然伽馬射線光譜錄井巖石樣品的直接測量，因此數值變化僅與巖性有關，是一種定性化的分析手段。只要選樣準備，不受巖石尺寸、鉆井參數和鉆井液等因素的限制。所以用來識別巖性礦物劃分地層，判別頁巖氣的有效儲層。

2.1 識別巖性劃分地層

XRF 單元錄井巖性解釋方法利用井深分析了單元含量、單元比和定量巖性含量曲線的變化特征和變化趨勢，得出最終解釋結果：①不同巖性元素錄井的特征明顯不同,易于識別，如玄武巖為0.35＜Fe/Si＜0.55 且Ca/( Na ＋K)＜4.00，而沉積巖Fe/Si＜0.35 或Fe/Si＞0.5；②在川渝地層中，可以根據（Al+Si+Fe）和（Ca+Mg+S）的組合確定碎屑巖、碳酸鹽巖、硫酸鹽巖和過渡巖。其中( Al＋Si＋Fe)＞31%的為碎屑巖，( Al＋Si＋Fe)＜8%且（Ca＋Mg＋S）＜36%為碳酸鹽巖，而(Al＋Si＋Fe)＜5%且（Ca＋Mg＋S）＞36%則為硫酸鹽巖。進一步可根據（Si＋K＋Ca）和Si/Al、（Al＋Si＋Fe＋K）和（Ca+S）/Mg 識別砂巖、泥（頁）巖、石膏、白云石、石灰巖及其過渡巖。

2.2 判別頁巖氣儲層

根據Al、Si、Ca 和Mg 元素的含量不同，可以初步確定頁巖的差異。Si、Ca、Mg元素含量高，頁巖層脆，游離氣含量高;Al元素含量較高，頁巖層吸附能力強，吸附氣體含量可能較高,據此可初步區分頁巖氣儲層。自然伽馬能譜曲線上鉀和鍶含量低，鈾含量高，可初步判定為富含有機碳的頁巖氣藏。在龍馬溪組的頁巖中，可以根據鉀、銻含量高、鈾含量低，來判定中上部的普通頁巖。根據鉀和鍶含量低，總伽馬γ劑量率和鈾含量，且在自然伽馬能譜曲線上，它具有高伽馬、高鈾、低鉀和低焓的特點，來判定下部富含有機碳的優質頁巖儲層[7]。

2.3 評價頁巖氣儲集層

在大陸砂巖儲層中，Si元素含量變大，表明儲層質量較好;Al元素、Fe元素、Ti元素3種元素含量變大，說明儲層質量惡化;不同地區Ca 元素對儲層變化的影響差異很大。Si 和Al 元素比的變化表明巖石顆粒尺寸的變化。在一定范圍的海相油藏中，S元素含量與溶解孔隙的發育程度正相關。

有機碳的含量是影響頁巖吸附氣體的主要因素之一。TOC 指數水平標示著吸附氣體量在一個數量級的變化，將影響頁巖氣藏的最終儲量。如果有機碳的含量偏低，則吸附氣的含量也偏低。雖然TOC 指數可以通過地球化學熱分解分析獲得，但在現場操作中，PDC 鉆頭和鉆井液使得頁巖石碎屑變成糊狀，處理起來較困難，使得分析周期變長。利用自然伽馬射線光譜計算TOC指數，在減少環境影響下，特別是當頁巖層中含有硫化物和有機碳時，黏土礦物對鈾元素的吸附性增強，黏土中鈾含量明顯增加。與巖石地球化學熱解法比，這種計算方法更快，結果也更準確。即TOC＝aU＋b 中TOC 表示有機碳含量；U 代表鈾含量，a、b 表示區域常數。利用TOC指數和測井U值的核心分析，分析了a和b系數的值，相關系數為0.898。由于自然伽馬射線光譜錄井技術直接測定巖屑樣品操作簡便，在頁巖氣藏TOC指數評價中具有獨特的技術優勢。

2.4 應用實例

W202H10-3井是水平井，為了確保高質量頁巖儲層的鉆井速度，井的水平段采用自然伽馬射線光譜錄井來輔助地質導向。在鉆井時確定所在的小層，同時初步估算有機碳含量以評估儲層。在水平段鉆井過程中，自然伽馬射線光譜測井數據用于實時地層對比，以確定儲層的位置。根據標準層的特征判斷水平段軌跡，為實時調整軌跡提供依據。伽馬射線光譜測井曲線與鉆井時伽馬曲線的趨勢一致，可在水平段鉆井中相互驗證。伽馬值出現多解的情況下，根據元素和伽馬能譜特征可以判斷井下具體位置和上下切狀態。W202H10-3井的1 500 m水平段解釋了第一類儲層，長度為1500 m，占水平段的100%（圖1）。

通過特色錄井及標準井模型計算水平段礦物含量、TOC 含量、含氣量，對儲層進行評價，為試油 層段的優選分段提供依據（表1、表2）。

圖1 W202H10-3 井著陸段隨鉆跟蹤分析圖

表1 W202H10-3井特殊錄井儲層解釋成果表

表2 W202H10-3井試泊分段建議表

續表2 W202H10-3井試泊分段建議表

3 結論

XRF 元素測井技術和自然伽馬射線測井技術被廣泛應用于四川和重慶頁巖氣的勘探和開發，并在生產實踐中得到改進。與傳統的測井方法相比，XRF 元素測井和自然伽馬光譜錄井的組合具有以下優點：

1）井區XRF 元素和自然伽馬能譜曲線的對比能準確地識別巖性，快速準確地對地層進行劃分。

2）實時地層對比和評估，可以確定現場地質導向目標的自然伽馬射線光譜錄井數據。通過水平段中優質儲層的位置，判斷井眼軌跡。XRF 元素錄井技術可以及時地校準巖性，為導向師及時調整井眼軌跡提供豐富的依據。并確保箱體鉆井率，提高開發效率。

3）自然伽馬射線能譜錄井資料可用于計算有機碳含量，識別儲層中黏土礦物的類型含量，分析黏土礦物的變化，為儲層優化提供依據。