王 龍 張金川 唐 玄

（ 1中海油研究總院有限責任公司；2中國地質大學（北京） ）

0 引言

隨著國民經濟的迅速發(fā)展，現(xiàn)代社會對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)油氣類型的重要補充和接替，越來越得到重視和關注[1-3]。目前，美國和加拿大已實現(xiàn)頁巖氣的商業(yè)開發(fā)。而根據(jù)前期資源評價，中國頁巖氣資源潛力巨大，可采資源量為（11.5～36.1）×1012m3[4-5]。實現(xiàn)中國頁巖氣的高效勘探開發(fā)必將從整體上改變中國的能源格局，緩解中國能源供應不足的局面，優(yōu)化資源結構，保證能源安全，推動經濟發(fā)展[6-11]。

與常規(guī)油氣資源不同，頁巖氣賦存于泥頁巖中，要評價頁巖氣的資源潛力，需要精細刻畫其空間展布，獲取總有機碳含量、成熟度等關鍵地球化學指標和儲集物性參數(shù)?，F(xiàn)場采樣進行實驗分析耗時長、費用高，且無法得到整個泥頁巖層段的連續(xù)地質信息。通過測井資料分析獲得頁巖氣富集層段的參數(shù)，可以為泥頁巖地質特征研究提供更加快捷、方便、合理的評價參數(shù)值。

本文在研究國內外多種頁巖氣測井方法的基礎上，結合研究區(qū)地質背景和實際資料，對有機碳含量、有機質成熟度和孔隙度等頁巖氣評價關鍵指標進行定量計算，并以此為基礎對研究區(qū)頁巖氣地質特征進行分析和評價，以期對該區(qū)頁巖氣勘探起到一定的指導作用。

1 研究區(qū)地質背景

鄂爾多斯盆地位于華北地臺西部，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個一級構造單元，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，形成內陸湖盆，沉積延長組長10段至長1段[13-16]。長7段沉積時期，盆地坳陷最為強烈，加之氣候濕潤，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、有機質豐富，具備形成頁巖氣富集優(yōu)質層段的條件（圖2）。

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

2 頁巖氣測井評價參數(shù)及方法

2.1 有機碳含量測井評價方法

有機碳含量（TOC）是評價頁巖氣地質特征最基礎的參數(shù)之一，可以定量表示烴源巖中有機質的富集程度[17]。巖石中有機質的存在會引起測井曲線的明顯響應，包括高自然伽馬、高電阻率、高聲波時差、低密度等。因此，利用不同測井曲線的差異特征可以估算泥頁巖地層中有機碳含量（表1）。

表1 有機碳含量測井評價方法及其優(yōu)缺點Table 1 Logging evaluation method of organic carbon content and its advantages and disadvantages

尋找與有機碳含量相關的單一曲線，通過擬合經驗公式建立關系的方法稱為直接關系法[18]。對有機碳含量能夠產生響應的測井曲線包括自然伽馬、聲波時差、中子密度和電阻率等。由于泥頁巖非均質性強，不同層段及不同地區(qū)均存在差異，加之測井曲線響應特征的多解性，導致有機碳含量與單一測井曲線之間并不總能建立相關性較好的線性或非線性關系。這使得直接關系法的準確性及適用范圍均較為有限。

神經網絡法是在相互獨立的測井曲線中建立非線性關系的數(shù)學運算方法，可用于估算有機碳含量。通過輸入已知的相關測井曲線，對研究區(qū)域分層段進行統(tǒng)計分析，建立并修正測井曲線與有機碳含量的數(shù)據(jù)模型和經驗公式。該方法針對具有一定研究基礎的地區(qū)或局部層段預測效果較好，但對研究程度較低或非均質性較強的復雜地區(qū)泥頁巖層段，預測較為困難。另外，不同研究者通過實際工作會得到不同的經驗公式，方法的普適性相對較差[19-20]。

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

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

通常，有機質相對于圍巖密度偏低，它對能量吸收強，導致能量衰減快、傳播速度降低，因此具有聲波時差大的特點；泥頁巖層段的電阻率曲線并不會隨著泥質含量的增高發(fā)生顯著變化，但當泥頁巖孔縫中存在大量烴類時，則會出現(xiàn)電阻率增大的變化特征[13]。據(jù)此，本文提出有機碳含量經驗計算公式：

圖3 聲波時差—電阻率曲線關系Fig.3 AC vs. resistivity curves

式中 Rt——實測電阻率，Ω·m；

Δt——實測聲波時差，μs/m；

A、B、C——分別為不同地區(qū)的經驗參數(shù)。

通過對研究區(qū)內30口標準井進行相關性分析，ΔlgR法計算有機碳含量與巖心實測有機碳含量相關性最好，且方法中所需要的聲波時差和電阻率曲線是常規(guī)的測井序列，區(qū)內各井曲線較全、品質較好，是理想的有機碳含量預測方法。但是研究區(qū)長7段上部為一套連續(xù)沉積的砂巖，下部為含有粉砂質的泥頁巖，該套泥頁巖聲波時差基線不穩(wěn)定且難以確定，故對理論公式進行了一定的修正。利用多元統(tǒng)計分析，求出適合研究區(qū)的有機碳含量經驗公式為：

2.2 孔隙度測井評價方法

孔隙度是評價儲層儲集性能的最重要指標，盡管泥頁巖儲層相對致密，但其微孔隙十分發(fā)育，同樣具備一定的儲集性能。準確確定泥頁巖儲層物性參數(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量的測井方法并未普及[23-25]。本文仍采用常規(guī)的儲層孔隙度計算方法，以密度、中子、聲波時差等常規(guī)測井方法為基礎，對泥頁巖儲層孔隙度進行評價。

研究區(qū)已有個別井在長7段底部泥頁巖壓裂試氣，理論上可認為地層中所含流體為天然氣。結合實驗室測試的巖石骨架密度，利用聲波時差方法，對研究區(qū)30口標準井進行孔隙度計算。計算公式如下：

式中 φ——純泥頁巖地層孔隙度，%；

Δtf——甲烷聲波時差，μs/m；

Δtma——地層骨架密度聲波時差，μs/m；

Δtsand——砂質聲波時差，μs/m；

Vsand——泥頁巖地層中砂質含量。

2.3 有機質成熟度測井評價方法

有機質成熟度是表征有機質熱演化階段的指標，可以判斷泥頁巖生烴有效性和產物性質，因此也是評價頁巖氣潛力的重要地球化學參數(shù)之一[26]。有機質成熟度通常通過測定鏡質組反射率（Ro）獲得。

前人對于有機質成熟度的測井評價方法研究較少，且多結合實際生產數(shù)據(jù)，研究區(qū)缺乏生產相關數(shù)據(jù)，無法直接應用。研究認為孔隙度和有機質成熟度均與作用時間呈線性關系，二者的不同體現(xiàn)在：孔隙度受上覆地層應力等多重因素控制，有機質成熟度則主要受地溫影響，而地溫與埋深大致呈線性關系[27-28]。因此，理論上孔隙度和有機質成熟度都是埋深與所經歷的地質時間的函數(shù)，只是函數(shù)形式有差別。研究區(qū)內多口單井泥頁巖樣品實測孔隙度與實測成熟度指標（Ro）擬合關系良好（圖4）。

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

通過擬合關系確定地層孔隙度與成熟度具有相關關系，計算公式如下：

3 頁巖氣地質特征測井評價

3.1 下寺灣地區(qū)典型井測井綜合評價

為了驗證測井計算得到的有機碳含量、有機質成熟度及孔隙度模型的準確性及適用性，選取LP177井作為驗證井，對長7段進行綜合評價。整體上看，LP177井測井計算有機碳含量與實驗室實測有機碳含量相關性較好，僅在個別砂質含量相對較高的層段具有一定偏差；測井計算孔隙度及有機質成熟度與巖心測試數(shù)據(jù)相關性較好。綜合測井解釋認為，LP177井長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，測井解釋泥質含量高；電阻率值增大，感應測井曲線變化明顯，可以作為輔助判斷含油氣性的依據(jù)；聲波時差曲線較其他層段明顯增大。根據(jù)測井曲線計算結果，LP177井長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，與實測值匹配關系良好（圖5）。長7段底部發(fā)育的厚層泥頁巖各項指標顯示良好，可作為重點研究層段。

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

3.2 泥頁巖地質特征

通過對研究區(qū)多口單井進行測井評價，得到長7段有機碳含量、孔隙度以及有機質成熟度的平面分布規(guī)律。研究區(qū)長7段TOC變化范圍較大，介于0.5%～6.5%之間，主體大于2%，達到好烴源巖的標準；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7段TOC可達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，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ζ?，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，研究區(qū)北部靠近物源地區(qū)孔隙度達6%以上，靠近南部半深湖—深湖區(qū)域長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7段測井評價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7段測井評價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7段測井評價孔隙度平面圖Fig.8 Porosity plan of Chang 7 Member in Xiasiwan-Yunyan area calculated by logging data

4 結論

在實驗室?guī)r心測試數(shù)據(jù)修正的基礎上，通過測井手段進行頁巖氣地質評價是切實可行的。根據(jù)下寺灣—云巖地區(qū)延長組的地質特點，選擇相應的測井模型計算的研究區(qū)長7段泥頁巖有機碳含量分布于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)對長7段泥頁巖地質條件進行了定量評估，證實長7段是頁巖氣地質條件較好的層系之一。

利用多口鉆井的測井曲線計算的長7段泥頁巖有機碳含量、孔隙度和Ro，預測了研究區(qū)長7段泥頁巖這3個地質參數(shù)的平面分布特征和展布規(guī)律。研究認為研究區(qū)西南側為優(yōu)質泥頁巖的發(fā)育區(qū)，該區(qū)域泥頁巖地質條件優(yōu)越，是頁巖氣勘探開發(fā)的重要區(qū)域。