王 龍 張金川 唐 玄

（ 1中海油研究總院有限責(zé)任公司；2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京） ）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)能源的需求日益增加，以頁巖氣為代表的非常規(guī)能源作為常規(guī)油氣類型的重要補(bǔ)充和接替，越來越得到重視和關(guān)注[1-3]。目前，美國(guó)和加拿大已實(shí)現(xiàn)頁巖氣的商業(yè)開發(fā)。而根據(jù)前期資源評(píng)價(jià)，中國(guó)頁巖氣資源潛力巨大，可采資源量為（11.5～36.1）×1012m3[4-5]。實(shí)現(xiàn)中國(guó)頁巖氣的高效勘探開發(fā)必將從整體上改變中國(guó)的能源格局，緩解中國(guó)能源供應(yīng)不足的局面，優(yōu)化資源結(jié)構(gòu)，保證能源安全，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[6-11]。

與常規(guī)油氣資源不同，頁巖氣賦存于泥頁巖中，要評(píng)價(jià)頁巖氣的資源潛力，需要精細(xì)刻畫其空間展布，獲取總有機(jī)碳含量、成熟度等關(guān)鍵地球化學(xué)指標(biāo)和儲(chǔ)集物性參數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)采樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高，且無法得到整個(gè)泥頁巖層段的連續(xù)地質(zhì)信息。通過測(cè)井資料分析獲得頁巖氣富集層段的參數(shù)，可以為泥頁巖地質(zhì)特征研究提供更加快捷、方便、合理的評(píng)價(jià)參數(shù)值。

本文在研究國(guó)內(nèi)外多種頁巖氣測(cè)井方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)背景和實(shí)際資料，對(duì)有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)成熟度和孔隙度等頁巖氣評(píng)價(jià)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行定量計(jì)算，并以此為基礎(chǔ)對(duì)研究區(qū)頁巖氣地質(zhì)特征進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，以期對(duì)該區(qū)頁巖氣勘探起到一定的指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于華北地臺(tái)西部，為一大型多旋回克拉通疊合盆地，整體為南北翹起、東翼寬緩、西翼高陡的不對(duì)稱向斜[12]。全盆可以劃分為伊盟隆起、西緣逆沖帶、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡、晉西撓褶帶、渭北隆起6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元，下寺灣—云巖地區(qū)位于伊陜斜坡東南部（圖1）。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of the study area

晚三疊世，鄂爾多斯盆地處于坳陷期，形成內(nèi)陸湖盆，沉積延長(zhǎng)組長(zhǎng)10段至長(zhǎng)1段[13-16]。長(zhǎng)7段沉積時(shí)期，盆地坳陷最為強(qiáng)烈，加之氣候濕潤(rùn)，湖盆面積廣，水量充沛。研究區(qū)僅在北緣發(fā)育小規(guī)模三角洲，大部分區(qū)域發(fā)育湖相沉積環(huán)境，南部處于半深湖—深湖還原環(huán)境，暗色泥頁巖非常發(fā)育，沉積厚度大、有機(jī)質(zhì)豐富，具備形成頁巖氣富集優(yōu)質(zhì)層段的條件（圖2）。

圖2 下寺灣—云巖地區(qū)長(zhǎng)7段沉積相圖Fig.2 Sedimentary facies of Chang 7 Member in the Xiasiwan-Yunyan area

2 頁巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)參數(shù)及方法

2.1 有機(jī)碳含量測(cè)井評(píng)價(jià)方法

有機(jī)碳含量（TOC）是評(píng)價(jià)頁巖氣地質(zhì)特征最基礎(chǔ)的參數(shù)之一，可以定量表示烴源巖中有機(jī)質(zhì)的富集程度[17]。巖石中有機(jī)質(zhì)的存在會(huì)引起測(cè)井曲線的明顯響應(yīng)，包括高自然伽馬、高電阻率、高聲波時(shí)差、低密度等。因此，利用不同測(cè)井曲線的差異特征可以估算泥頁巖地層中有機(jī)碳含量（表1）。

表1 有機(jī)碳含量測(cè)井評(píng)價(jià)方法及其優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Logging evaluation method of organic carbon content and its advantages and disadvantages

尋找與有機(jī)碳含量相關(guān)的單一曲線，通過擬合經(jīng)驗(yàn)公式建立關(guān)系的方法稱為直接關(guān)系法[18]。對(duì)有機(jī)碳含量能夠產(chǎn)生響應(yīng)的測(cè)井曲線包括自然伽馬、聲波時(shí)差、中子密度和電阻率等。由于泥頁巖非均質(zhì)性強(qiáng)，不同層段及不同地區(qū)均存在差異，加之測(cè)井曲線響應(yīng)特征的多解性，導(dǎo)致有機(jī)碳含量與單一測(cè)井曲線之間并不總能建立相關(guān)性較好的線性或非線性關(guān)系。這使得直接關(guān)系法的準(zhǔn)確性及適用范圍均較為有限。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是在相互獨(dú)立的測(cè)井曲線中建立非線性關(guān)系的數(shù)學(xué)運(yùn)算方法，可用于估算有機(jī)碳含量。通過輸入已知的相關(guān)測(cè)井曲線，對(duì)研究區(qū)域分層段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立并修正測(cè)井曲線與有機(jī)碳含量的數(shù)據(jù)模型和經(jīng)驗(yàn)公式。該方法針對(duì)具有一定研究基礎(chǔ)的地區(qū)或局部層段預(yù)測(cè)效果較好，但對(duì)研究程度較低或非均質(zhì)性較強(qiáng)的復(fù)雜地區(qū)泥頁巖層段，預(yù)測(cè)較為困難。另外，不同研究者通過實(shí)際工作會(huì)得到不同的經(jīng)驗(yàn)公式，方法的普適性相對(duì)較差[19-20]。

脈沖中子—伽馬能譜及密度—核磁共振法，均是依據(jù)特殊測(cè)井方法的不同原理，更加精細(xì)地測(cè)量地層中的元素或流體信息，構(gòu)建更為完備的巖石物理模型并推算泥頁巖層段中有機(jī)碳含量的方法。通過這些方法估算有機(jī)碳含量準(zhǔn)確率較高，但均需要進(jìn)行特殊測(cè)井以獲得必要參數(shù)，價(jià)格昂貴，在國(guó)內(nèi)并未普及[21]。本文研究區(qū)內(nèi)的各井均未進(jìn)行過相關(guān)測(cè)井，因此無法應(yīng)用類似方法。

利用不同測(cè)井曲線之間的組合關(guān)系可以估算有機(jī)碳含量，其中以聲波時(shí)差—電阻率組合估算有機(jī)碳含量的ΔlgR法應(yīng)用最為廣泛[22]（圖3）。

通常，有機(jī)質(zhì)相對(duì)于圍巖密度偏低，它對(duì)能量吸收強(qiáng)，導(dǎo)致能量衰減快、傳播速度降低，因此具有聲波時(shí)差大的特點(diǎn)；泥頁巖層段的電阻率曲線并不會(huì)隨著泥質(zhì)含量的增高發(fā)生顯著變化，但當(dāng)泥頁巖孔縫中存在大量烴類時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)電阻率增大的變化特征[13]。據(jù)此，本文提出有機(jī)碳含量經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

圖3 聲波時(shí)差—電阻率曲線關(guān)系Fig.3 AC vs. resistivity curves

式中 Rt——實(shí)測(cè)電阻率，Ω·m；

Δt——實(shí)測(cè)聲波時(shí)差，μs/m；

A、B、C——分別為不同地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

通過對(duì)研究區(qū)內(nèi)30口標(biāo)準(zhǔn)井進(jìn)行相關(guān)性分析，ΔlgR法計(jì)算有機(jī)碳含量與巖心實(shí)測(cè)有機(jī)碳含量相關(guān)性最好，且方法中所需要的聲波時(shí)差和電阻率曲線是常規(guī)的測(cè)井序列，區(qū)內(nèi)各井曲線較全、品質(zhì)較好，是理想的有機(jī)碳含量預(yù)測(cè)方法。但是研究區(qū)長(zhǎng)7段上部為一套連續(xù)沉積的砂巖，下部為含有粉砂質(zhì)的泥頁巖，該套泥頁巖聲波時(shí)差基線不穩(wěn)定且難以確定，故對(duì)理論公式進(jìn)行了一定的修正。利用多元統(tǒng)計(jì)分析，求出適合研究區(qū)的有機(jī)碳含量經(jīng)驗(yàn)公式為：

2.2 孔隙度測(cè)井評(píng)價(jià)方法

孔隙度是評(píng)價(jià)儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的最重要指標(biāo)，盡管泥頁巖儲(chǔ)層相對(duì)致密，但其微孔隙十分發(fā)育，同樣具備一定的儲(chǔ)集性能。準(zhǔn)確確定泥頁巖儲(chǔ)層物性參數(shù)的難度很大，前人研究成果較少，適合特殊巖性地層孔隙度測(cè)量的測(cè)井方法并未普及[23-25]。本文仍采用常規(guī)的儲(chǔ)層孔隙度計(jì)算方法，以密度、中子、聲波時(shí)差等常規(guī)測(cè)井方法為基礎(chǔ)，對(duì)泥頁巖儲(chǔ)層孔隙度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

研究區(qū)已有個(gè)別井在長(zhǎng)7段底部泥頁巖壓裂試氣，理論上可認(rèn)為地層中所含流體為天然氣。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的巖石骨架密度，利用聲波時(shí)差方法，對(duì)研究區(qū)30口標(biāo)準(zhǔn)井進(jìn)行孔隙度計(jì)算。計(jì)算公式如下：

式中 φ——純泥頁巖地層孔隙度，%；

Δtf——甲烷聲波時(shí)差，μs/m；

Δtma——地層骨架密度聲波時(shí)差，μs/m；

Δtsand——砂質(zhì)聲波時(shí)差，μs/m；

Vsand——泥頁巖地層中砂質(zhì)含量。

2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度測(cè)井評(píng)價(jià)方法

有機(jī)質(zhì)成熟度是表征有機(jī)質(zhì)熱演化階段的指標(biāo)，可以判斷泥頁巖生烴有效性和產(chǎn)物性質(zhì)，因此也是評(píng)價(jià)頁巖氣潛力的重要地球化學(xué)參數(shù)之一[26]。有機(jī)質(zhì)成熟度通常通過測(cè)定鏡質(zhì)組反射率（Ro）獲得。

前人對(duì)于有機(jī)質(zhì)成熟度的測(cè)井評(píng)價(jià)方法研究較少，且多結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，研究區(qū)缺乏生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)，無法直接應(yīng)用。研究認(rèn)為孔隙度和有機(jī)質(zhì)成熟度均與作用時(shí)間呈線性關(guān)系，二者的不同體現(xiàn)在：孔隙度受上覆地層應(yīng)力等多重因素控制，有機(jī)質(zhì)成熟度則主要受地溫影響，而地溫與埋深大致呈線性關(guān)系[27-28]。因此，理論上孔隙度和有機(jī)質(zhì)成熟度都是埋深與所經(jīng)歷的地質(zhì)時(shí)間的函數(shù)，只是函數(shù)形式有差別。研究區(qū)內(nèi)多口單井泥頁巖樣品實(shí)測(cè)孔隙度與實(shí)測(cè)成熟度指標(biāo)（Ro）擬合關(guān)系良好（圖4）。

圖4 下寺灣—云巖地區(qū)長(zhǎng)7段孔隙度與Ro關(guān)系圖Fig.4 Porosity vs. Ro of Chang 7 Member in Xiasiwan-Yunyan area

通過擬合關(guān)系確定地層孔隙度與成熟度具有相關(guān)關(guān)系，計(jì)算公式如下：

3 頁巖氣地質(zhì)特征測(cè)井評(píng)價(jià)

3.1 下寺灣地區(qū)典型井測(cè)井綜合評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證測(cè)井計(jì)算得到的有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)成熟度及孔隙度模型的準(zhǔn)確性及適用性，選取LP177井作為驗(yàn)證井，對(duì)長(zhǎng)7段進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。整體上看，LP177井測(cè)井計(jì)算有機(jī)碳含量與實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)有機(jī)碳含量相關(guān)性較好，僅在個(gè)別砂質(zhì)含量相對(duì)較高的層段具有一定偏差；測(cè)井計(jì)算孔隙度及有機(jī)質(zhì)成熟度與巖心測(cè)試數(shù)據(jù)相關(guān)性較好。綜合測(cè)井解釋認(rèn)為，LP177井長(zhǎng)7段自然伽馬曲線均值明顯增高，自然電位值整體降低；錄井顯示該套地層巖性主要為黑色泥頁巖，測(cè)井解釋泥質(zhì)含量高；電阻率值增大，感應(yīng)測(cè)井曲線變化明顯，可以作為輔助判斷含油氣性的依據(jù)；聲波時(shí)差曲線較其他層段明顯增大。根據(jù)測(cè)井曲線計(jì)算結(jié)果，LP177井長(zhǎng)7段泥頁巖孔隙度介于2%～4%，TOC均值介于6%～8%，Ro主體介于0.5%～1%之間，與實(shí)測(cè)值匹配關(guān)系良好（圖5）。長(zhǎng)7段底部發(fā)育的厚層泥頁巖各項(xiàng)指標(biāo)顯示良好，可作為重點(diǎn)研究層段。

圖5 LP177井長(zhǎng)7段下部泥頁巖段綜合測(cè)井解釋剖面Fig.5 Comprehensive logging interpretation of the lower Chang 7 shale in Well LP177

3.2 泥頁巖地質(zhì)特征

通過對(duì)研究區(qū)多口單井進(jìn)行測(cè)井評(píng)價(jià)，得到長(zhǎng)7段有機(jī)碳含量、孔隙度以及有機(jī)質(zhì)成熟度的平面分布規(guī)律。研究區(qū)長(zhǎng)7段TOC變化范圍較大，介于0.5%～6.5%之間，主體大于2%，達(dá)到好烴源巖的標(biāo)準(zhǔn)；平面上呈東北低西南高的展布特征，高值位于研究區(qū)西南部，其中L79井、L81井附近長(zhǎng)7段TOC可達(dá)6.5%左右(圖6)。Ro值偏低，變化范圍較大，主體介于0.65%～1.25%，處于生油—濕氣階段；平面上看，Ro的分布呈現(xiàn)中部低東西兩端較高的趨勢(shì)，其中高值區(qū)同樣位于西南部L81井附近，最高值約為1.25%(圖7)?？紫抖认鄬?duì)偏低，介于2%～6.7%，大部分地區(qū)孔隙度大于4.5%，平面上呈現(xiàn)北高南低的展布特點(diǎn)，研究區(qū)北部靠近物源地區(qū)孔隙度達(dá)6%以上，靠近南部半深湖—深湖區(qū)域長(zhǎng)7段孔隙度逐漸減小，最小為2.1%(圖8)。

圖6 下寺灣—云巖地區(qū)長(zhǎng)7段測(cè)井評(píng)價(jià)TOC平面圖Fig.6 TOC plan of Chang 7 Member in Xiasiwan-Yunyan area calculated by logging data

圖7 下寺灣—云巖地區(qū)長(zhǎng)7段測(cè)井評(píng)價(jià)Ro平面圖Fig.7 Ro plan of Chang 7 Member in Xiasiwan-Yunyan area calculated by logging data

圖8 下寺灣—云巖地區(qū)長(zhǎng)7段測(cè)井評(píng)價(jià)孔隙度平面圖Fig.8 Porosity plan of Chang 7 Member in Xiasiwan-Yunyan area calculated by logging data

4 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)室?guī)r心測(cè)試數(shù)據(jù)修正的基礎(chǔ)上，通過測(cè)井手段進(jìn)行頁巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)是切實(shí)可行的。根據(jù)下寺灣—云巖地區(qū)延長(zhǎng)組的地質(zhì)特點(diǎn)，選擇相應(yīng)的測(cè)井模型計(jì)算的研究區(qū)長(zhǎng)7段泥頁巖有機(jī)碳含量分布于0.5%～6.5%，Ro分布于0.65%～1.25%，孔隙度分布于2%～6.7%?；谝陨蠀?shù)對(duì)長(zhǎng)7段泥頁巖地質(zhì)條件進(jìn)行了定量評(píng)估，證實(shí)長(zhǎng)7段是頁巖氣地質(zhì)條件較好的層系之一。

利用多口鉆井的測(cè)井曲線計(jì)算的長(zhǎng)7段泥頁巖有機(jī)碳含量、孔隙度和Ro，預(yù)測(cè)了研究區(qū)長(zhǎng)7段泥頁巖這3個(gè)地質(zhì)參數(shù)的平面分布特征和展布規(guī)律。研究認(rèn)為研究區(qū)西南側(cè)為優(yōu)質(zhì)泥頁巖的發(fā)育區(qū)，該區(qū)域泥頁巖地質(zhì)條件優(yōu)越，是頁巖氣勘探開發(fā)的重要區(qū)域。