自然伽馬能譜測井在四川盆地礦產資源勘探中的應用

吳曉光，繆祥禧，王志文，康建云

(中國石化經緯有限公司，四川 成都 610100)

0 引 言

四川盆地震旦系至新近系沉積了巨厚的海陸相地層，礦產豐富，尤其是天然氣資源。盆地內多旋回構造運動疊加改造控制形成了目前盆地內復雜的地質條件，在縱向上形成了多套生儲蓋組合以及多層系油氣藏，氣藏類型多樣，深層和淺層、陸相和海相、常規和非常規氣藏并存[1-2]。復雜的地質條件以及氣藏多樣性促成了高放射性氣層廣泛發育。自然伽馬能譜測井技術直觀準確識別地層放射性特征的技術優勢使其在高放射性儲層評價中得到了廣泛應用[3-6]。由于缺少能譜測井資料，前期學者對于四川盆地下二疊統茅二段高自然伽馬溶洞儲層、磨溪構造嘉二1亞段碳酸鹽巖儲層的成因和品質評價偏重于地質分析以及巖石物理實驗方面的認識[7-8]，高放射性儲層的能譜測井特征不甚明確。近年來,在四川盆地陸相碎屑巖、海相碳酸鹽巖、頁巖層等新的勘探層位又相繼發現了高放射性含氣層位。綜合地質背景、能譜測井特征、巖心分析等資料總結了高放射性儲層成因，通過能譜測井曲線組合特征及交會圖等技術有效解決了在高放射性儲層識別及評價方面的諸多難題，為氣田勘探開發提供了科學依據。

1 自然伽馬能譜測井原理

地層的自然放射性主要來自于鈾(U)、釷(Th)、鉀(K)，地層中鈾、釷、鉀放射性核素在各自衰變時發射伽馬射線，將測量的鈾、釷、鉀的伽馬放射性混合譜進行譜解析，確定鈾、釷、鉀在地層中的含量(質量濃度，下文同)[9]。在石油工業測井中，鈾和釷含量單位通常使用mg/L(或μg/g)；鉀含量單位通常使用%(或0.01 g/g)。

地層的高伽馬特征一般用來識別黏土巖層，隨著泥質含量的上升，碎屑巖和碳酸鹽巖類中的放射性會隨之增高；碳酸鹽巖中的灰巖、白云巖類等放射性均較低，石膏、硬石膏、較純的巖鹽等放射性特別低，鉀鹽類具有高放射性。國內外學者對鈾在沉積巖中的富集機理和特征進行了廣泛研究[9-14]，沉積環境中的還原條件、高有機質含量是鈾富集的2個主要有利因素，同時，黏土礦物及含鐵、含磷礦物等對鈾的富集具有一定的貢獻。沉積巖中釷含量主要與黏土礦物對釷的選擇性吸附及釷在穩定礦物中的存在有關，釷在砂巖和頁巖中含量較高，在碳酸鹽巖中含量低，蒸發巖中幾乎完全沒有釷[9]。沉積巖中鉀含量主要取決于伊利石、海綠石、長石、鉀云母等含鉀礦物的含量。

2 計算泥質含量

四川盆地已發現氣層主要賦存在侏羅系及以下層系，儲層成巖演化期長，高放射性儲層發育普遍，且多呈現出高鈾特征(圖1)，埋深數百米至數千米的碎屑巖、碳酸鹽巖儲層孔隙度為2%～14%，個別碳酸鹽巖儲層孔隙度由于縫洞發育可達到15%以上，儲層物性普遍較差，泥漿侵入不明顯。另外，受地層水礦物度、泥漿性能以及巖性等多方面因素影響[15]，自然電位曲線在儲層段異常不明顯，基線易漂移等使其不能準確計算泥質含量(VSH)。因此，在四川盆地內一般采用自然伽馬曲線計算泥質含量，在有能譜測井資料時，建議在碎屑巖和碳酸鹽巖地層中優先選擇與泥質含量相關性最好的無鈾伽馬曲線(KTH)進行泥質含量計算，以剔除高鈾的影響，避免將高放射性儲層評價為泥頁巖層。

圖1 四川盆地地層發育及自然伽馬能譜特征簡圖(據文獻[1]修改)

(1)

式中：VSH為泥質體積含量，%；KTH為無鈾伽馬，API；KTHmax、KTHmin為無鈾伽馬最大值、最小值，API；C為希爾奇常數，通常古近系及新近系地層取值為3.7，老地層取值為2.0。

3 識別高放射性儲層

3.1 高放射性致密砂巖氣層

川西地區馬井氣田陸相中淺層蓬萊鎮組(J3p)發育高伽馬砂巖儲層，該氣田位于川西坳陷中段馬井背斜構造，西鄰龍門山造山帶，蓬萊鎮組以淺水三角洲沉積為主，水下分流河道沉積微相為最有利的砂體發育區。儲層巖性以細粒巖屑砂巖、長石巖屑砂巖、巖屑長石砂巖和巖屑石英砂巖為主，巖屑以沉積巖碎屑和變質巖碎屑為主，可見少量的巖漿巖碎屑及重礦物組分(鋯石、金紅石、電氣石等)，物源主要來自西部的龍門山造山帶[16-17]，巖漿巖巖屑以及重礦物組分是部分砂體出現高放射性特征的物質基礎。蓬萊鎮組砂巖物性為中低孔、低滲，需要多層合采才能獲得理想產能，而高伽馬儲層測井特征與泥巖和粉砂巖等非儲層特征區別不甚明顯，易將其忽視。常規砂巖儲層表現為低伽馬、低中子、低密度、相對高聲波時差、較高電阻率。高伽馬儲層特征為高伽馬、低中子、低密度、高聲波時差、較高電阻率、低無鈾伽馬、高鈾；若砂巖中鉀長石含量高，也可表現為高鉀特征。以MJ103井為例，該井6號層自然伽馬高于正常的泥巖和砂巖，具高鈾特征，分析該層為高伽馬砂體，評價為氣層(圖2)，該層與其他高伽馬薄層合壓改造測試，日產氣為6 000 m3/d。

圖2 MJ103井高伽馬砂巖儲層測井評價

3.2 高放射性縫洞型碳酸鹽巖儲層

四川盆地龍門山前帶中段彭州氣田海相雷口坡組四段上亞段發育潮坪相縫洞型高放射性碳酸鹽巖儲層。雷四上亞段可簡單分為上儲層、隔層和下儲層。上儲層段以藻(殘余藻、藻砂屑)黏結灰巖、云質灰巖為主，灰質白云巖次之，見少量微-粉晶白云巖和砂屑白云巖，下儲層段以藻(殘余藻)黏結白云巖、微-粉晶白云巖、灰質白云巖為主，見少量云質灰巖、灰巖和砂屑白云巖。藻(殘余藻)黏結白云巖、微-粉晶白云巖、藻(殘余藻)砂屑白云巖和含灰質白云巖是重要的幾種儲層巖石類型。上下2套儲層之間發育有一套以(含)白云質灰巖、藻屑灰巖等過渡巖性組成的隔層。雷四段白云巖類儲層巖石薄片中可觀察到藻類、藻類紋層以及大量早期大氣淡水溶蝕有關的鑄模孔、膏模孔、粒間(內)孔、生物腔體或藻類鑄模孔、小型溶孔、粒內孔、擴溶縫孔、與藻有關組構孔、部分非組構孔洞或微孔隙等結構，溶孔及縫合線內可見瀝青充填(圖3)。

2012至2015年前期3口探井(PZ1、YaS1、YS1井)未測量能譜曲線，加之白云巖類儲層自然伽馬值為30～130 API，最高為183 API，低電阻率，略高中子、低密度、略高聲波時差等均表現出與高泥質含量地層類似的響應，一定程度上延緩了氣田的勘探發現進度。基于此，后續多口探井均增加了能譜測井，通過分析巖性及巖石薄片資料與能譜測井特征的對應關系(圖3、4)，確定了高放射性是由地層中的鈾所造成，而非泥質含量高所引起。研究發現，藻類等有機質富集鈾元素是導致雷四段白云巖儲層普遍高放射性的物質基礎和主因。同時，高鈾與溶蝕孔洞及裂縫滲濾通道具有一定正相關聯系；整個儲層段縱向上高放射性分布的不規律性是沉積后巖溶作用、早期大氣水與地層水的混合滲流溶蝕、成巖作用、藻類等有機質演化等多種作用的綜合反映。碳酸鹽巖地層剖面中有效儲層一般發育在高電阻率背景下的相對低電阻率段，同時具有低鈾、低釷、低鉀特征，而彭州雷四段中的低釷、低鉀、高鈾特征段基本對應了低電阻率和相對高孔隙發育段。經統計，白云巖類中，高鈾(大于2 μg/g)特征段巖心孔隙度高于2%(儲層下限)的樣品數量達到了90%以上，因此，可通過白云巖類中的鈾曲線中、高峰特征值判識有效儲層(圖4、5)。

以PZ103井為例，該井雷四下亞段下儲層巖性以灰色藻白云巖、白云巖為主，氣測錄井顯示微弱，全烴最高為0.613%(泥漿比重為1.5)，能譜測井特征整體表現為高自然伽馬、低釷、低鉀、高鈾，自然伽馬為27～112 API，鈾含量為0.6～10.5 μg/g，以6 035.00 m附近為界，6 035.00 m以上自然伽馬和鈾含量普遍中等，局部高尖峰，6 035.00 m以下自然伽馬和鈾含量普遍高值(圖5)。泥質含量采用無鈾伽馬計算，測井共解釋了3層氣層、5層含氣水層，5 990.00～6 071.00 m測試日產氣量為12.65×104m3/d，日產水量為276 m3/d。

圖5 PZ103井雷四上亞段能譜曲線特征及測井解釋成果

3.3 高放射性頁巖氣層

頁巖氣儲層測井評價涉及了礦物組分、地球化學參數、物性參數、含氣性和可壓裂性等多方面評價，實驗分析表明頁巖孔隙空間(有機孔)以及吸附氣含量大小均與總有機碳(TOC)含量呈明顯的正相關。近年來，四川盆地迎來了頁巖氣勘探開發高峰，川東南深水陸棚環境下沉積的志留系龍馬溪組一段(S1l1)優質海相黑色頁巖層理發育，富含有機質，成熟度高，脆性礦物含量高，厚度較大，分布穩定[21]。中石化涪陵頁巖氣田、威榮頁巖氣田、永川氣田、中石油長寧、威遠頁巖氣田均以龍馬溪組一段底部優質頁巖氣儲層為主要目的層，目前上述氣田均已形成商業開發。

有機頁巖形成過程中往往伴隨著鈾元素富集，高含量有機質復合作用、缺氧的沉積環境條件、無機礦物(含鐵礦物、黏土礦物和含磷礦物)的吸附、微生物的非代謝性吸附作用等多重因素共同作用，造成了現今川南地區龍馬溪組底部海相有機頁巖高放射性、高鈾特征[14]。威遠X井龍馬溪組一段底頁巖鈾含量最高為44.7 μg/g，巖心實測TOC含量與鈾含量具有良好正相關關系(圖6)，因此，可通過鈾曲線單因素擬合計算TOC含量。頁巖層中黏土含量與無鈾伽馬具有相對較好的相關性，但是受有機質含量影響，在TOC含量較高井段，采用無鈾伽馬計算的泥質含量偏高。因此，有機頁巖層段不建議單獨采用無鈾伽馬曲線進行泥質含量計算。

圖6 威遠X頁巖氣井測井成果圖

4 其他地質應用

4.1 識別鉀蒸發巖(雜鹵石)

四川盆地三疊系中含豐富的鹽類資源，其中，石鹽及雜鹵石潛在資源量最大。雜鹵石屬于高阻難溶性含鉀、硫酸鹽礦物(K2SO4·MgSO4·2CaSO4·2H2O)，通常與硬石膏、石鹽共生于蒸發巖相。蒸發巖中鈾主要來源于黏土礦物、地層水等。釷主要來源于黏土礦物，鉀主要來源于黏土礦物、鉀鹽礦物、雜鹵石及富含鉀的地層水。

某雜鹵石礦產探采結合井Y-2井位于川中廣安構造，該井鉆遇三疊系雷口坡組-嘉陵江組，錄井巖性有灰質白云巖、白云質灰巖、雜鹵石、硬石膏、鹽巖、綠豆巖等，屬典型蒸發巖相沉積。經高鉀，低鈾、低釷的特征定性識別，后定量估算雜鹵石體積含量。表1為Y-2井能譜測井解釋成果，由測井解釋成果可知：Y-2井共解釋了3層雜鹵石層段，第1層雜鹵石發育最好，第3層次之，第2層含量最低。

表1 Y-2井能譜測井解釋成果Table 1 The results of energy spectrum logging interpretation of Well Y-2

4.2 研究沉積環境

通過自然伽馬能譜測井各曲線的韻律變化以及組合特征可以進行地層對比、地層界面劃分、沉積層序劃分、沉積環境分析等地質研究。高鈾指示缺氧沉積環境和較低沉積速率，釷、鉀高值則指示快速沉積和較高的陸源碎屑供給量。釷鈾比值指示了相應沉積環境和巖石組合類型，釷鈾比值大于7時，為陸相沉積和風化層，氧化環境；釷鈾比值為2～7時為海陸過渡沉積環境；釷鈾比值小于2時，為海相沉積，巖性為黑色海相泥巖、石灰巖及磷酸鹽巖等，強還原環境。郭旭升曾利用能譜曲線特征、巖性特征對川東南地區龍馬溪組-五峰組地層層序進行了劃分和確定，并根據鈾、釷、鉀的分布特征對五峰組-龍馬溪組的海平面變化和沉積環境的氧化還原程度進行了分析。

4.3 確定黏土礦物類型

在絕大多數黏土礦物中，釷、鉀含量高，鈾含量相對低，不同的黏土礦物具有較固定的釷鉀比值。MJ103井釷鉀比交會數據點主要落在蒙脫石、高嶺石、伊蒙混層區域內，雜鹵石礦井Y-2井釷鉀比交會數據點主要落在了蒸發巖特征區間(圖7)，與實際地質條件相符。

圖7 釷鉀比(n)交會圖版確定地層黏土礦物類型

5 結論與認識

(1) 自然伽馬能譜測井在四川盆地高放射性陸相致密碎屑巖、海相碳酸鹽巖、有機頁巖氣層勘探過程中有效地提高了儲層測井識別及評價的準確性。

(2) 川西彭州氣田高放射性縫洞型白云巖類中的鈾中、高峰特征值(大于2 μg/g)可作為識別有效儲層發育段的重要指示。

(3) 四川盆地內一些老氣田面臨老井挖潛，高放射性儲層測井特征的相關研究和結論認識可以為氣田早期未進行能譜測井的老井挖潛工作提供一定的借鑒和科學依據。