呂 嶸，張保民，李 芳，田 巍

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢 430205；2.中石化江漢石油工程有限公司測錄井公司，湖北 潛江 433100）

北美頁巖氣開發(fā)推動了全球非常規(guī)天然氣資源的勘探開發(fā)[1-5]，其主要開發(fā)層系是泥盆系。近年來，中國頁巖油氣調(diào)查也取得長足進(jìn)展，尤其是中國南方頁巖氣已在湖北宜昌、貴州正安等地區(qū)取得重大突破，成為我國重要的頁巖氣資源基地，而湖南湘中地區(qū)也是中國南方有望取得突破的潛在頁巖氣資源基地之一。湘中漣源凹陷的油氣勘查工作始于20世紀(jì)60年代，研究成果已證實漣源凹陷頁巖氣資源豐富，頁巖廣泛發(fā)育于泥盆系、石炭系、二疊系和下三疊統(tǒng)之中；但以往的研究內(nèi)容多集中在地球化學(xué)方法、物性特征等方面[6-8]，對頁巖儲層測井評價方法的研究則相對薄弱。

近期在漣源凹陷部署的湘新頁1井，是由中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心承擔(dān)完成的湘中泥盆系的第一口頁巖氣參數(shù)井，在泥盆紀(jì)佘田橋組(D3s)鉆遇良好的頁巖氣，顯示出該套儲層具有較好的頁巖氣資源潛力。為了進(jìn)一步查明湘中泥盆系頁巖氣資源，本文以湘新頁1井測井資料為主，利用單井測井曲線響應(yīng)特征和數(shù)據(jù)處理，對泥盆紀(jì)佘田橋組頁巖儲層進(jìn)行綜合評價，為下一步該井壓裂試氣提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

湘中坳陷大地構(gòu)造上位于華夏褶皺帶北部，西鄰江南雪峰隆起，北靠溈山隆起，南接桂中坳陷，東鄰衡山隆起，是以下古生界變質(zhì)巖系為基底發(fā)展起來的晚古生代-中生代準(zhǔn)地臺型沉積坳陷區(qū)，可進(jìn)一步劃分為漣源凹陷、龍山凸起、邵陽凹陷、關(guān)帝廟凸起和零陵凹陷等五個二級構(gòu)造單元（圖1）。漣源凹陷位于湘中坳陷北端，整體呈北西西向展布，面積約6770 km2，構(gòu)造樣式較復(fù)雜，可進(jìn)一步劃分為西北斷褶帶，中部褶皺帶和東部褶皺帶。

圖1 湘中坳陷構(gòu)造單元劃分圖Fig.1 Division of tectonic units in the Xiangzhong Depression

湘中坳陷中上泥盆統(tǒng)泥頁巖層系是在加里東褶皺基底上發(fā)育起來的，有機質(zhì)主要富集在海侵體系域上部棋梓橋組(D2-3q)和高水位體系域下部佘田橋組。佘田橋組沉積時期，繼承了棋梓橋組晚期臺盆與碳酸鹽臺地相間的沉積格局（圖2），巖性由底部的泥頁巖向上過渡為泥灰?guī)r、泥巖為主，與下伏棋梓橋組呈漸變接觸關(guān)系，向上泥質(zhì)含量增多，具有較好的生烴潛力[9-11]。

圖2 湘中坳陷泥盆紀(jì)佘田橋組沉積相展布圖Fig.2 Sedimentary facies distribution of Devonian Shetianqiao Formation in the Xiangzhong Depression

2 湘新頁1井佘田橋組地層劃分

湘新頁1參數(shù)井部署在漣源凹陷臺盆相區(qū)，鉆遇地層自上而下依次為：下石炭統(tǒng)測水組（C1c）、石磴子組（C1s）、天鵝坪組（C1t）、馬欄邊組（C1m），上泥盆統(tǒng)孟公坳組(D3m)、歐家沖組(D3o)、錫礦山組(D3x)、佘田橋組(D3s)；中泥盆統(tǒng)棋梓橋組(D2-3q)、易家灣組（D2y）。其中，佘田橋組厚度很大，累計達(dá)1461 m（1109 ～ 2570 m 深度）。

結(jié)合巖性與測井響應(yīng)特征，佘田橋組可劃分為上、中、下三段（圖3）：上部（1109-1508 m 深度）以泥巖、灰質(zhì)泥巖為主夾灰?guī)r，伽馬值整體呈現(xiàn)中-高值，為50-90 API，雙側(cè)向電阻率整體呈現(xiàn)為低-中值，為 30-100 Ω?m；中部（1508-2103 m 深度）以泥灰?guī)r為主夾泥質(zhì)灰?guī)r互層，伽馬值整體呈現(xiàn)低-中值，為20-75 API，雙側(cè)向電阻率整體為低-中高值，為30-800 Ω?m，其中1520-1537 m深度為該井佘田橋組純灰?guī)r標(biāo)志段（伽馬值為10API，雙側(cè)向電阻率為5000 Ω?m左右）；下部（2103-2570 m深度）以泥巖、泥頁巖、砂泥巖為主，伽馬值整體呈現(xiàn)中-高值，為50-100 API，雙側(cè)向電阻率曲線呈鋸齒狀，整體為中值，為100 Ω?m左右；其中2486-2567 m深度有一套高伽馬值的頁巖，伽馬值為100-130 API，為該井佘田橋組伽馬最高值處，雙側(cè)向電阻率呈現(xiàn)明顯低值，為4-20 Ω?m，是該井佘田橋組電阻率最低值處。

圖3 湘新頁1井佘田橋組測井解釋成果圖（1109-2570 m深度）Fig.3 Log interpretation of theShetianqiaoFormation in the XXY1 well (1109-2570 m deep)

佘田橋組底界的灰質(zhì)頁巖與下伏棋梓橋組頂部泥質(zhì)灰?guī)r接觸界面處的電性特征變化特征明顯，表現(xiàn)為雙側(cè)向電阻率值明顯升高、伽馬值明顯下降，據(jù)此可限定佘田橋組底界深度為2570 m。

3 佘田橋組頁巖儲層測井評價

3.1 頁巖儲層的識別

頁巖作為一種烴源巖往往具有極低的孔隙度和基質(zhì)滲透率，其生烴、排烴、運移、聚集和保存均在內(nèi)部完成[12-15]。天然氣可以儲藏在頁巖巖石顆粒之間的孔隙或裂縫中，也可以吸附在頁巖的有機物表面上。

國內(nèi)目前應(yīng)用于頁巖儲層識別的方法主要包括自然伽瑪、雙側(cè)向電阻率、自然電位、聲波時差、密度和補償中子等常規(guī)測井方法，但對于評價頁巖儲層的物性方面需要采用特殊測井技術(shù)，如自然能譜測井、元素俘獲測井、核磁共振測井等[16]。

國內(nèi)外的大量資料表明：含氣頁巖的測井曲線具有明顯的高自然伽馬、高電阻率、低地層體積密度和高聲波時差、高中子孔隙度等特征[17]。同時，結(jié)合自然能譜測井（U，Th，K），有助于準(zhǔn)確、詳細(xì)地劃分巖性，其中頁巖具有較高的U、Th、K含量。

借鑒國內(nèi)外成功經(jīng)驗，本次研究對湘新頁1井開展了組合測井、自然伽馬能譜測井等工作，查明在佘田橋組底部發(fā)育含有機質(zhì)頁巖段（2486.5-2567.6 m深），厚度為81.1 m，該段即為本文開展測井評價的頁巖儲層井段，其中2541.1-2567.6 m深度為優(yōu)質(zhì)頁巖段，厚度為26.5 m （圖4）。

圖4 湘新頁1井頁巖段測井曲線圖（2450-2570 m深度）Fig.4 Logging curve of shale section of the XXY1 well（2450-2570 m deep）

3.2 頁巖儲層的評價參數(shù)及計算

頁巖儲層的評價參數(shù)包括黏土礦物含量、有機碳含量、孔隙度、滲透率、含氣量等，本文主要運用自然伽馬能譜測井、FMI成像測井、核磁共振測井等方法，獲取湘新頁1井佘田橋組頁巖段儲層參數(shù)。

3.2.1 黏土礦物含量

在自然伽馬能譜測井資料中，通常認(rèn)為鉀（K）含量、釷（Th）含量及其總和（KTh）與泥質(zhì)含量的具有較好的線性關(guān)系，鈾含量（U）與泥質(zhì)含量關(guān)系較復(fù)雜，高鈾有時會指示滲透性良好的儲集層[18]。因此，一般情況下，可以同時利用K、Th、K-Th曲線或根據(jù)地質(zhì)情況選其中一條曲線，計算地層泥質(zhì)含量。泥頁巖儲層解釋計算的黏土含量是指地層中的伊蒙混層、伊利石、綠泥石以及高嶺石等黏土礦物總含量，黏土含量的計算精度不但影響著儲層的礦物成分含量計算，還直接影響著儲層孔隙度及儲層脆性參數(shù)的計算精度[19-20]。

一般來講，在絕大多數(shù)黏土礦物中，鉀和釷的含量高，而鈾的含量相對較低，根據(jù)石強[21]提出的黏土礦物含量定量確定原則，Th/K值可大致確定黏土類型，依據(jù)見表1。

表1 各種黏土礦物的Th/K判斷依據(jù)（據(jù)文獻(xiàn)[21]劃分）Table 1 Th / K judgment basis of various clay minerals

基于湘新頁1井自然伽馬能譜測井Th、K數(shù)據(jù)做的佘田橋組黏土礦物Th-K交會圖和直方圖（圖5）可以看出：佘田橋組Th/K值集中在3.5-12之間，黏土礦物成分以蒙脫石為主。

圖5 湘新頁1井佘田橋組Th-K交會圖（a）和直方圖（b）Fig.5 Th-K cross plot (a) and histogram (b) of the ShetianqiaoFormation of XXY 1 well

從自然伽馬能譜測井曲線（圖6）來看，湘新頁1井佘田橋組底部頁巖段（2486.5-2567.6 m深度）從上到下總自然伽馬曲線幅度升高，KTh曲線下降趨勢明顯，而去鈾伽馬曲線與KTh曲線趨勢一致，主要是因為U系元素在地層中含量升高，導(dǎo)致總的伽馬射線幅度增強，而K、Th含量稍有降低。通過對比自然伽馬能譜測井曲線圖可以判斷，同井段的黏土類礦物含量從上到下呈下降趨勢，本段地層U曲線數(shù)值升高說明了佘田橋組地層中黏土礦物顆粒直徑較小，粒度較細(xì)，吸附了較多的高放射性U。

圖6 湘新頁1井佘田橋組頁巖段自然伽馬能譜測井曲線圖Fig.6 Natural gamma ray spectrum logging curve of the Shetianqiao Formation shale section of the XXY1 well

3.2.2 物性參數(shù)

核磁共振測井方法在頁巖儲層物性參數(shù)（包括粘土孔隙度、有效孔隙度、束縛水孔隙度和可動流體孔隙度、滲透率、孔喉半徑等參數(shù)）計算、儲層流體類型判別中具有獨特的優(yōu)勢。核磁共振測量結(jié)果不受巖石骨架成分的影響，可以準(zhǔn)確提供地層中孔隙度的大小，也可以提供與巖石的孔喉半徑和孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)的區(qū)間孔隙度[22-24]。

利用核磁共振測井方法對湘新頁1井2486.5-2567.6 m頁巖段的44-50號有效小層的物性參數(shù)進(jìn)行了計算（45、47、48層因擴徑數(shù)據(jù)失真剔除），核磁計算的總孔隙度為3.0%-4.5%，平均3.3%；有效孔隙度為1.0%-2.4%，平均1.6%；滲透率為0.01-0.04 md，平均 0.02 md。44、46、49、50 號層（45、47、48層因擴徑排除）的孔隙以黏土束縛流體孔隙為主，毛管束縛流體孔隙度次之，儲層物性較差。雖部分小層因擴徑核磁計算的物性數(shù)據(jù)失真，但各小層的測井解釋結(jié)論是綜合多種方法和參數(shù)評價的結(jié)果，將44、45、46、48、50號層解釋為Ⅲ類頁巖氣層，47、49號層解釋為Ⅱ類頁巖氣層結(jié)論仍較可靠。

3.2.3有機碳含量

有機碳（TOC）含量是反映頁巖有機質(zhì)豐度的指標(biāo)，是頁巖氣聚集最重要的控制因素[25]。測井自然伽瑪能譜的鈾含量與地層中的有機碳含量具有相關(guān)性。

對湘新頁1井佘田橋組2486.5 - 2567.6 m頁巖段做了U含量與錄井實測TOC含量交會圖（圖7），結(jié)果表明該頁巖段U含量與錄井實測TOC含量的相關(guān)性較好，R2=0.7924。湘新頁1井可以用測井U含量數(shù)據(jù)來建立佘田橋組頁巖TOC含量計算模型，建立的TOC含量計算模型公式為：

圖7 湘新頁1井佘田橋組頁巖段測井計算U含量與錄井實測TOC含量交會圖Fig.7 Crossplot of logging calculated U content and logging measured TOC content in shale section of XXY1 well

湘新頁1井2486.5 - 2567.6 m頁巖段利用測井模型計算出的TOC含量平均為1.81%，錄井實測的TOC含量平均為1.73%，二者絕對誤差為0.05%，基本吻合。

表2 湘新頁1井佘田橋組頁巖段核磁共振測井解釋成果表Table 2 Nuclear magnetic resonance logging interpretation results of shale section of XXY 1 well

4 結(jié)論

（1）湘新頁1井佘田橋組地層可劃分為三段：上部1109 – 1508 m段以泥巖、灰質(zhì)泥巖為主夾灰?guī)r，伽馬曲線中-高值，雙側(cè)向電阻率曲線低-中值；中部1508 – 2103 m段以泥灰?guī)r為主夾泥質(zhì)灰?guī)r互層，伽馬曲線低-中值，雙側(cè)向電阻率曲線低-中值；下部2103 – 2570 m段以泥巖、泥頁巖、砂泥巖為主，伽馬曲線中-高值，雙側(cè)向電阻率曲線中值。

（2）湘新頁1井佘田橋組頁巖段自然伽馬能譜測井Th/K值在3.5-12之間，粘土礦物成分以蒙脫石為主；核磁測井計算頁巖孔隙度平均為3.3%，滲透率平均為0.02 md，測井模型計算TOC含量平均為1.81%，錄井實測TOC含量平均為1.73%，二者絕對誤差僅0.05%。

（3）湘新頁1井佘田橋組頁巖段井深2486.5- 2567.6 m，厚度81.1 m，綜合解釋Ⅱ類頁巖氣層2層，Ⅲ類頁巖氣層5層，頁巖儲層測井評價結(jié)果為該井直井壓裂試氣提供了重要依據(jù)。