自然伽馬能譜測井在富有機質頁巖評價和地質導向中的應用

羅勝元,陳孝紅,倪方杰

(1.中國地質調查局武漢地質調查中心,湖北武漢430205;2.中石化江漢石油工程有限公司頁巖氣開采技術服務公司,湖北武漢430223)

0 引 言

鄂西及周緣地區下寒武統水井沱組(∈1s)底部發育一套暗色泥頁巖,分布面積大、自然伽馬測井值高,作為目前頁巖氣勘探的主力層系,得到了國內外學者的廣泛關注[6-7]。對于水井沱組底部的自然伽馬測井,多數情況下僅作為識別地層的一種指標,而對高自然伽馬頁巖分布特征、地質意義及其在勘探中的應用則研究較少。本文在典型井的水井沱組頁巖識別的基礎上,探討自然伽馬能譜測井在總有機碳含量(TOC)預測、黏土礦物分析、沉積環境解釋、水平井隨鉆地質導向等方面的應用,為中揚子地區下寒武統頁巖氣的勘探、研究提供參考。

1 區域概況

1.1 區域地質特征

宜頁1井為部署于宜昌市點軍區的一口參數井,開孔層位為白堊系石門組,終孔層位為南華系南沱組,完鉆井深2 418 m。自1 760.20～1 950.11 m、2 244.00～2 392.12 m分2段取心,全井進行巖屑、氣測、鉆井液和工程參數綜合錄井,以及自然伽馬、自然電位、井徑、井斜、雙側向、聲波、中子、密度、井溫、流體等標準測井和VSP測井。此外,石牌組底部-燈影組頂部、陡山沱組-南沱組頂部地層還完成了聲波掃描成像(SonicScanner)、地層微電阻率掃描成像(FMI)、巖性掃描(LithoScanner)以及核磁共振測井(CMR)。水井沱組具有良好的頁巖氣形成物質基礎,富有機質頁巖發育于水井沱組下部,深度為1 820～1 872 m,由上至下細分為Ⅰ～Ⅴ共5個小層段(見圖1,表1)。宜頁1井黑色頁巖段厚度為68.3 m,優質頁巖(TOC>2%)厚35.2 mm;總有機碳含量為0.52%～5.96%,平均為2.26%;優質頁巖孔隙度為0.96%～3.32%,平均為2.04%。

1.2 頁巖測井特征

宜頁1井測井顯示,自上而下GRSL逐漸增大,對比GRSL曲線和無鈾伽馬、鈾、釷、鉀曲線發現,高GRSL峰的出現是以鈾元素為主、鉀元素為次的富集導致的。依據GRSL值將1 820～1 872 m劃分為5段(見表1)。Ⅰ段,進入大套頁巖夾泥灰巖,石英含量平均為23.3%,GRSL變化不大,測井曲線呈鋸齒狀波動。Ⅱ段,進入GRSL第1臺階,灰巖夾層減少,鈾明顯增大,釷和鉀略微下降。Ⅲ段,進入大套頁巖層,出現GRSL第2臺階,GRSL和鈾明顯增大,密度測井值開始降低。Ⅳ段,從GRSL第2臺階底部到次峰下半幅點,為碳質頁巖,石英含量平均為42.2%,碳酸鹽巖含量平均為25.4%;伴隨著GRSL和鈾逐漸增大,出現GRSL次高峰,無鈾伽馬和鉀緩慢降低,同時密度值達到最低,聲波時差、補償中子和電阻率測井值緩慢增大,釷波動變化不明顯。Ⅴ段,從上部次峰下半幅點處到水井沱組底部峰頂,GRSL迅速增加,碳酸鹽巖含量均值為28.8%,鉆井巖心中清晰可見“鍋底狀”灰巖透鏡體,GRSL主要受鈾控制,兩者形態極為接近,且與鉀、鈾正相關,密度和電阻率呈迅速下降趨勢。

圖1 宜頁1井水井沱組富有機質頁巖測井響應*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

表1 鄂西水井沱組下段頁巖儲層劃分及其測井特征

泥頁巖釷和鉀含量與地殼中放射性元素豐度相當,釷范圍為(5.19～17.19)×10-6(平均為12.22×10-6),鉀范圍為0.99%～4.19%(平均為2.74%)。上部第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ小層鈾含量平均為5.75×10-6,釷鈾比值平均為3.03;下部第Ⅳ、Ⅴ小層富有機質頁巖段鈾的含量明顯增大(平均為42.12×10-6),釷鈾比值平均為0.29。此外,第Ⅴ小層鉀和光電吸收截面指數明顯較上部地層偏大。鄂西地區下寒武統水井沱組碳質頁巖中富含黃鐵礦、磷質結核、硒[8],以及鉬、鎳等多種金屬[9],這可能是光電吸收截面指數偏大的主要原因。

2 自然伽馬能譜測井應用

在長期地質作用過程中,含放射性元素的母巖逐漸被風化、沉積、埋藏,放射性元素發生分離、遷移和選擇性吸附,其分布具有一定的規律性,與地層巖性、礦物成分、沉積環境和地下水的活動密切相關[10-11]。

2.1 富有機質頁巖識別

自然伽馬、鈾、鈾/鉀比對富有機質頁巖有較好的識別效果[12-13],巖心實測TOC與自然伽馬能譜測井交會分析表明(見圖2),Ⅰ-Ⅱ小層TOC較低,巖性為有機質欠豐富的鈣質泥巖,無鈾伽馬KTH和GRSL一致,鈾含量低。第Ⅲ～Ⅴ小層頁巖GRSL大于140 API,鈾含量大于7×10-6,鈾鉀比大于3.0,為優質頁巖段,累計厚度達26 m,TOC為2.1%～10.5%,平均值達到5.05%,遠大于Ⅰ～Ⅱ小層頁巖的TOC數值。高TOC與高鈾(10×10-6～110×10-6)、高GRSL值、高鈾鉀比值的分布一致(見圖2)。利用鈾鉀值預測TOC,相關系數R2為0.83,基本滿足測井解釋精度要求。頁巖中TOC的增大還伴隨著體積密度值的減小,但由于Ⅰ～Ⅲ層含有互層或夾層灰巖,對密度測井的影響要遠大于對TOC的影響,Ⅳ～Ⅴ層內頻繁且不均勻分布的透鏡狀灰巖同樣對密度測井有影響[見圖2(d)],利用密度測井預測TOC精度較差。

圖2 測井值關系圖

2.2 黏土礦物含量計算

地層中泥質含量與釷、鉀含量有較好的相關性,釷、鉀數值差別越大,說明地層中黏土礦物含量越高(見圖1)。宜頁1井伽馬能譜測井顯示,Ⅳ-Ⅴ層優質頁巖段自然伽馬與去鈾伽馬曲線變化趨勢相似[見圖2(a)、圖3]。由于Ⅳ～Ⅴ層含有順層分布的泥質灰巖透鏡體,1 870.15～1 870.27 m、1 865.46～1 865.94 m、1 865.05～1 865.17 m段泥灰巖對釷、鉀有明顯影響,計算黏土含量時應予以去除。采用去鈾伽馬測井計算宜頁1井泥質含量[14],對水井沱組頁巖段去鈾伽馬做直方圖統計,得到KTHmax=126 API,KTHmin=15.5 API,利用經驗公式計算泥質含量。結果表明,由上至下頁巖的泥質含量逐漸降低,Ⅰ、Ⅱ小層泥質含量平均為34.8%,Ⅲ～Ⅴ小層泥質含量降低至28.7%(見圖4)。

2.3 黏土礦物類型確定

利用自然伽馬能譜測井中鈾、釷變化,可半定量劃分黏土礦物類型和相對含量。前人的研究表明,鋁土礦具有最大的釷鉀比,釷鉀比值為20～100;高嶺土、綠泥石型黏土的釷鉀比值為12～20,伊蒙混層的釷鉀比值為3.5～12;伊利石、白云母的釷鉀比值為2～3.5;釷鉀比值為1.5～2的礦物以云母類為主[15-16]。

圖3 水井沱組頁巖黏土及礦物含量預測

圖4為利用黏土礦物分析圖版分析得到的水井沱組頁巖黏土礦物含量,其中鉀含量為1.5%～3.5%,釷含量為14×10-6～40×10-6。測井資料分析頁巖黏土組份表明,水井沱組中伊利石、綠泥石、伊蒙混層交錯分布,主要以伊/蒙混層和伊利石為主,還含有少量綠泥石,不含蒙脫石。綠泥石含量能明顯區分開,由Ⅰ小層至Ⅳ小層,圖解數據點在綠泥石范圍內逐漸左偏,有明顯減小的趨勢;伊利石含量隨深度變化復雜,在第Ⅴ小層含量達到最大。上述分析與巖心化驗結果一致。

圖4 自然伽馬能譜測井定量計算黏土礦水體還原程度物含量(據參考文獻[15],有修改)

2.4 沉積環境解釋

黑色巖系鈾、釷元素相對變化可分析頁巖沉積古地理環境,由圖5可見,水井沱組頁巖中鈾/釷值范圍為0.11～13.57,平均值位于1附近,表明水井沱組頁巖為正常海洋沉積,熱液活動影響弱[17]。與水井沱組頁巖不同,下覆的巖家河組硅質頁巖樣品部分落在親熱液成因硅質巖區域內,這與前人利用主、微量元素的Al-Fe-Mn圖解和Zn-Ni-Co圖解獲得的認識一致[18]。此外,由于鈾對海水氧化還原環境非常敏感,自生鈾元素含量可作為底層海水古氧相的指標[19-20],自生鈾元素含量計算的經驗公式:自生鈾=總鈾—釷/3。當自生鈾>12×10-6時,海水為厭氧環境;12×10-6>自生鈾>5×10-6時,海水為貧氧環境;自生鈾<5×10-6時,則為氧化環境。圖5(b)為自生鈾含量的概率百分比,Ⅰ～Ⅱ小層頁巖自生鈾基本小于10×10-6,表現出氧化環境;Ⅲ～Ⅴ小層厭氧程度逐漸增強。

圖5 鄂西地區頁巖鈾/釷關系圖及自生鈾含量百分比圖

根據上述分析,水井沱組頁巖建造沉積特征是由揚子陸棚海古構造與古地理條件決定的,研究區頁巖層系形成經歷了“熱水活動—上升洋流—缺氧事件”的環境演化。宜昌地區遠離活動帶,巖家河組早期沉積的硅質頁巖形成于還原水體環境中,具有熱液成因特點;巖家河組晚期云質頁巖形成的水體還原程度有減弱的趨勢;在早寒武世全球構造拉張背景下,水井沱組Ⅳ～Ⅴ小層富有機質頁巖發育在碳酸鹽臺地前緣緩坡-淺水陸棚環境,全球范圍內的海侵使水體又恢復到缺氧條件;到早寒武世水井沱組中期,Ⅰ～Ⅲ小層灰色鈣質頁巖形成于淺水陸棚內緣斜坡相帶,水體含氧量逐漸上升,為弱還原—弱氧化或貧氧狀態。

2.5 隨鉆自然伽馬在水平井地質導向中的應用

地質導向是通過實時計算井眼軌跡,進而調整使之命中靶點目標并在靶窗內有效延伸[22]。利用隨鉆元素錄井及其他資料獲得的標志層、巖性組合、電阻率、自然伽馬能譜、元素特征等參數[23],與標志井對比,分析預測當前深度的細分層位[22]。宜頁1井水井沱組頁巖自上至下碳酸鹽含量、有機質含量等漸變,電阻率沒有突變的標志層(見圖1),不能用作定向依據。而地化和元素錄井由于巖屑遲到時間、人工撈砂頻率的限制,不能及時反映地下信息,可靠性同樣較低。海相頁巖沉積穩定,水井沱組底部“異常高鈾、異常高伽馬”頁巖橫向可對比性強,利用隨鉆自然伽馬進行地質導向最為可行。宜頁1HF井為在宜頁1井直井井眼的基礎上,以水井沱組Ⅳ-Ⅴ小層頁巖為目的層的側鉆水平井,在宜頁1HF井鉆探過程中采用隨鉆自然伽馬進行水平井導向,同時利用巖屑有機地化和元素錄井進行鉆后驗證。水平段軌跡控制通過對比→計算→預測→調整4個步驟完成,根據隨鉆資料,分析鉆遇地層巖性、物性及含氣性,并與導眼井進行精細對比,判斷鉆頭所處位置及距離氣層頂、底距離,結合地震資料預測鉆進方向地層變化,調整地震模型及井眼軌跡,保證在目的層中穿行。

宜頁1井水井沱組含氣頁巖共劃分5個標志層(見圖6),自上而下:1號標志層位于Ⅲ小層頂部、泥質灰巖底部,自然伽馬呈鋸齒狀微小幅度變化、往下緩慢抬升,氣測異常高值明顯;2～3號標志層位于Ⅲ、Ⅳ小層界限附近,曲線具鐘形雙峰特點,自然伽馬中幅正異常,2號層為低密度峰底部;4號標志層位于頁巖中部次高碳尖部,巖性為灰黑色頁巖,電性特征變化明顯,曲線呈鐘形單峰高尖狀,其下為低自然伽馬、高密度透鏡狀泥質灰巖;5號標志層位于富有機質頁巖底部最高碳尖部,曲線呈鐘形復合高尖單峰狀,氣測降至基值,巖性由高自然伽馬灰黑色頁巖變為巖家河組低自然伽馬灰色灰巖。

宜頁1HF井1 900～2 450 m入靶段與宜頁1井導眼井層位對比見圖6,5個標志層全部存在,說明甜點段所有小層全部鉆遇。宜頁1HF井自井深2 042 m(Ⅳ小層中部)進入水平段,由于地層產狀變陡,于2 046 m左右開始回切,至2 155 m回切至Ⅲ小層;鉆至2 172 m處地質參數發生明顯變化,隨鉆自然伽馬由154 API下降至108 API,氣測甲烷由11%降至7%,錄井TOC由7.0%下降至5.43%,且硅元素含量下降,鈣元素含量上升,判斷回到Ⅲ小層上部;通過降斜(由86.5°降至78.5°)于2 215 m開始下切,2 313 m隨鉆自然伽馬由111 API升高至156 API,氣測甲烷由6.3%增大至12.5%,表明成功追回Ⅳ小層。2 352 m處井斜由80.9°增至85.0°過程中地質參數發生較大變化,隨鉆自然伽馬由1 050 API下降至60 API,甲烷含量由10.7%降低至2.8%,TOC由6.2%下降至4.0%,硅元素含量下降,鈣元素含量上升,判斷進入巖家河組。分析認為該處Ⅳ小層上部地層存在錯動,遂調整增斜并在2 414 m穿回Ⅴ小層,通過實鉆跟蹤,保持軌跡在Ⅳ小層下部及Ⅴ小層穿行。

圖6 宜頁1井導眼井與宜頁1HF水平井導向地層對比

宜頁1HF井鉆至3 917 m,水平段AB長1 875 m,其中A靶點對應導眼井Ⅳ小層距頁巖底部13.8 m位置,B靶點對應導眼井Ⅳ小層距頁巖底部17.4 m位置(見圖7)。水平井鉆探過程中氣測全烴最大為33.89%,平均為14.87%;氣測甲烷最大為29.16%,平均為10.83%;隨鉆自然伽馬為219.8～1 178.7 API(平均456 API),錄井巖屑TOC為3.25%～6.79%(平均5.09%),錄井元素硅含量為43.5%～69.6%,平均為54.8%,該含量為5.9%～28.8%,平均為14.5%。水平井軌跡主要在Ⅳ～Ⅴ小層中穿行,優質儲層鉆遇率為90.4%。后期測試,宜頁1HF井氣產量為6.02×104m3/d,無阻流量為12.38×104m3/d,油壓和氣量比較穩定。

圖7 宜頁1HF水平井井眼軌跡及地層隨鉆分析圖

3 結論及認識

(1)宜頁1井水井沱組下部優質頁巖段Ⅲ～Ⅴ小層TOC大于2%,GRSL大于140 API,鈾含量大于7 mg/L,鈾鉀比大于3.0。利用自然伽馬能譜鈾含量、鈾鉀比可預測TOC含量,預測精度較密度測井方法高。

(2)采用去鈾伽馬測井計算宜頁1井泥質含量,揭示黏土類型,Ⅰ、Ⅱ小層泥質含量平均為34.8%,Ⅲ～Ⅴ小層泥質含量降低至28.7%。水井沱組頁巖以伊/蒙混層和伊利石為主,含有少量綠泥石,且綠泥石隨深度增加有減小趨勢,伊利石含量在第Ⅴ小層達到最大。

(3)自然伽馬能譜測井鈾、釷元素,以及自生鈾元素含量變化趨勢,揭示巖家河組早期硅質頁巖形成于還原水體環境中,具有熱液成因特點;水井沱組Ⅳ～Ⅴ小層有機質頁巖發育在碳酸鹽臺地前緣緩坡-淺水陸棚相帶缺氧環境中;Ⅰ～Ⅲ小層灰色鈣質頁巖形成于淺水陸棚內緣斜坡相帶貧氧環境中。

(4)依據水井沱組底部異常高自然伽馬值、橫向可對比性強的特點,可解決水平鉆進過程中井軌跡控制、儲層識別等問題,保持軌跡在Ⅳ小層下部及Ⅴ小層優質儲層中穿行。隨鉆自然伽馬地質導向技術在宜昌地區的成功應用,為加快鄂西地區寒武系頁巖氣水平井的施工積累了經驗,具有重要意義。