沈柏坪 田偉志 劉敢強(qiáng) 余 玲 陳 碧

(中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司錄井公司)

0 引 言

川南地區(qū)志留系龍馬溪組發(fā)育一套20～260 m灰綠色、黑色頁(yè)巖，其底部的高脆性、高TOC黑色頁(yè)巖為主力開(kāi)采層[1]。近年來(lái)采用“PDC+油基鉆井液+水平井”的開(kāi)采工藝進(jìn)行勘探開(kāi)發(fā)，在頁(yè)巖氣水平井鉆井過(guò)程中，普遍采用隨鉆自然伽馬進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向作業(yè)，由于入窗前隨鉆自然伽馬波動(dòng)較小，電性標(biāo)志層特征不明顯，主要目的層自然伽馬曲線尖峰較多，且不同峰幅度差異較小，僅僅依靠隨鉆自然伽馬曲線難以滿足現(xiàn)場(chǎng)小層判別的需求。盡管前人已建立了元素錄井小層劃分方法，可以通過(guò)硅(Si)、鋁(Al)、鈣(Ca)、鐵(Fe)等元素組合區(qū)分、識(shí)別小層，但對(duì)于新的勘探區(qū)塊，川南地區(qū)龍馬溪組龍一1亞段1、2、3小層均表現(xiàn)為低Al、高Si的元素特征，元素錄井在該地區(qū)小層識(shí)別方面發(fā)揮的作用有限。本文通過(guò)隨鉆伽馬能譜技術(shù)獲取的鈾(U)、釷(Th)、鉀(K)、伽馬、無(wú)鈾伽馬等參數(shù)，形成了小層判識(shí)的方法，為頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中小層的識(shí)別提供了一種新思路。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造特征

四川盆地東南地區(qū)位于上揚(yáng)子板塊，受東南部雪峰山推覆帶向北西擠壓和南部黔中古隆起形成的向北構(gòu)造擠壓兩個(gè)方向應(yīng)力影響，形成川東高陡褶皺帶和川南低陡褶皺帶兩個(gè)主要構(gòu)造帶[1]。

晚奧陶世-早志留世，上揚(yáng)子區(qū)受到華夏板塊與揚(yáng)子板塊碰撞的影響，在造山帶前緣形成前陸。晚奧陶世，原是碳酸鹽臺(tái)地相沉積的上揚(yáng)子區(qū)變成了水深面廣的盆地相，沉積了一套厚度不大、巖相穩(wěn)定的暗色泥質(zhì)巖和硅質(zhì)頁(yè)巖。早志留世龍馬溪沉積期，川東南地區(qū)為受古陸圍限的半閉塞滯留海盆沉積，形成川南-鄂西-渝東深水陸棚區(qū)，沉積了一套富有機(jī)質(zhì)，富含筆石、放射蟲(chóng)化石的黑色頁(yè)巖[2-4]。

1.2 頁(yè)巖展布特征

四川盆地東南地區(qū)頁(yè)巖主要分布在五峰組-龍馬溪組下部層段，而優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖則主要發(fā)育在五峰組-龍馬溪組底部地層。五峰組以黑色碳質(zhì)頁(yè)巖或硅質(zhì)頁(yè)巖為主，頁(yè)巖厚度一般在5～10 m之間，頂部發(fā)育了一層厚度0.5～1 m的介殼灰?guī)r；龍馬溪組下部以深灰色-黑色紋層狀碳質(zhì)頁(yè)巖或灰質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖為主。平面上，五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖呈北東-南西向帶狀展布。工區(qū)位于川南地區(qū)的宜賓-瀘州一帶，正好位于沉積中心，頁(yè)巖厚度一般為60～120 m，其中優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖厚20～50 m[1]。

2 巖屑伽馬能譜錄井

巖屑伽馬能譜錄井技術(shù)是利用能譜分析的方法，檢測(cè)巖石樣品中天然放射性核素(主要是鈾、釷、鉀)衰變釋放出的不同伽馬射線強(qiáng)度，從而定量檢測(cè)樣品中鈾、釷、鉀的含量，實(shí)現(xiàn)對(duì)地層的綜合識(shí)別與評(píng)價(jià)的技術(shù)。其特點(diǎn)是巖屑不受鉆井液污染影響，操作簡(jiǎn)單，測(cè)量參數(shù)較多。鈾、釷、鉀在地層中的分布與地層巖性、有機(jī)物的含量及地層水的活動(dòng)有著密切關(guān)系，其測(cè)量值可為油田勘探中正確進(jìn)行油氣評(píng)價(jià)提供可靠信息。

2.1 巖屑伽馬能譜錄井技術(shù)地質(zhì)基礎(chǔ)

由于鈾、釷、鉀的地球化學(xué)性質(zhì)不同，在三大類巖石中其分布和富集規(guī)律也有所不同。鈾的化學(xué)性質(zhì)活潑，在自然界中以U6+和U4+離子形式存在。在還原環(huán)境中，鈾以U4+離子形式存在，易富集，不易流失；在氧化環(huán)境中，4價(jià)鈾礦物被氧化為6價(jià)鈾鹽，常以絡(luò)陽(yáng)離子(UO2)2+的形式存在，并以溶液方式運(yùn)移。鈾元素除了以鈾鹽形式遷移外，還通過(guò)鈾的膠溶體、碎屑懸浮體、有機(jī)絡(luò)合物的形式遷移。進(jìn)入還原環(huán)境時(shí)，6價(jià)鈾又轉(zhuǎn)化為4價(jià)鈾而沉積。釷和鈾經(jīng)常是共生的，化合物以4價(jià)為主，與4價(jià)鈾關(guān)系密切，常呈類質(zhì)同象置換。在氧化環(huán)境中，鈾與釷發(fā)生明顯的分離。釷的化合物性質(zhì)穩(wěn)定，運(yùn)移以機(jī)械風(fēng)化遷移為主。黏土礦物對(duì)釷的選擇性吸附以及釷在穩(wěn)定礦物中的存在是控制沉積巖中釷含量的主要因素。鉀在水中的溶解度高，因而鉀離子在氧化條件下易于流失，由于鉀離子半徑較大，極化率高，易于被黏土礦物所吸收而發(fā)生富集[5]。因此，運(yùn)用Th/U比值可以有效分析地層的沉積環(huán)境，進(jìn)而對(duì)地層進(jìn)行劃分。

沉積巖中以深海相泥質(zhì)沉積巖放射性最強(qiáng)。泥巖具有較強(qiáng)放射性的原因主要是黏土顆粒細(xì)，沉積時(shí)間長(zhǎng)，有充分的時(shí)間與放射性物質(zhì)接觸，同時(shí)黏土顆粒的表面帶有負(fù)電荷，容易吸附放射性元素。海相泥頁(yè)巖中，有機(jī)物質(zhì)的絡(luò)合作用對(duì)鈾的富集也起著重要作用。有機(jī)物高的地層，往往放射性出現(xiàn)異常高值[6-9]。因此，通過(guò)伽馬與無(wú)鈾伽馬交會(huì)可以識(shí)別有機(jī)質(zhì)含量高的地層，進(jìn)而對(duì)地層進(jìn)行有效劃分。

2.2 巖屑伽馬能譜小層卡取方法研究

研究區(qū)五峰組-龍馬溪組下部頁(yè)巖形成于大陸邊緣凹陷控制的深水陸棚，沉積了一套主要巖性為暗色碳質(zhì)泥頁(yè)巖、含泥質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)泥巖的頁(yè)巖層，生物化石豐富，有機(jī)碳含量1.85%～4.36%，總脆性礦物含量40%～80%。前人根據(jù)筆石演化特征將龍馬溪組分為龍一段、龍二段；龍一段分為龍一1亞段、龍一2亞段；龍一1亞段又分為龍一11、龍一12、龍一13、龍一14四個(gè)小層。通過(guò)有機(jī)碳含量、脆性礦物及產(chǎn)氣量等綜合評(píng)價(jià)，明確了其優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層為龍一11小層，但是在隨鉆過(guò)程中，通過(guò)自然伽馬難以區(qū)分龍一2亞段與龍一1亞段及龍一1亞段各小層。因此，嘗試通過(guò)Th/U比值法、伽馬與無(wú)鈾伽馬交會(huì)法對(duì)各小層進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別與劃分。

2.2.1 Th/U比值法

龍馬溪組上部頁(yè)巖較下部頁(yè)巖顏色淺，主要原因在于其沉積環(huán)境的變化。上部頁(yè)巖處于弱還原環(huán)境，鈾、釷沉積受黏土礦物控制，含量變化基本一致；下部頁(yè)巖處于強(qiáng)還原環(huán)境且有機(jī)質(zhì)含量增多，鈾的富集受有機(jī)質(zhì)和黏土含量控制，有機(jī)質(zhì)對(duì)鈾的富集有促進(jìn)作用，釷含量逐步減少，鈾、釷發(fā)生沉積分異。因此，Th/U主要反映沉積環(huán)境，即氧化環(huán)境下Th/U比值高， 還原環(huán)境下Th/U比值低。全國(guó)多地泥頁(yè)巖研究表明，當(dāng)Th/U值大于7時(shí)，主要為陸相沉積的泥巖和鋁土礦，屬于風(fēng)化完全、具有氧化和淋濾作用的陸相沉積；當(dāng)Th/U值在2～7之間時(shí)，為氧化-還原過(guò)渡沉積環(huán)境；當(dāng)Th/U值小于2時(shí)，為強(qiáng)還原環(huán)境下的海相沉積[10-13]。

經(jīng)過(guò)多口井分析，川南地區(qū)龍一2亞段頁(yè)巖Th/U值介于2～7之間，屬于海相弱還原沉積，龍一1亞段頁(yè)巖Th/U值基本小于2，屬于海相強(qiáng)還原沉積。通過(guò)Th/U值可以劃分龍一2亞段和龍一1亞段(圖1、表1)。

圖1 川南地區(qū)龍一段頁(yè)巖Th與U交會(huì)圖

表1 川南地區(qū)龍一段頁(yè)巖伽馬能譜參數(shù)特征

2.2.2 伽馬與無(wú)鈾伽馬交會(huì)法

在龍馬溪組下部地層，有機(jī)物質(zhì)對(duì)鈾的富集作用導(dǎo)致鈾含量明顯異常。因此，可以根據(jù)伽馬與無(wú)鈾伽馬來(lái)識(shí)別優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段。根據(jù)測(cè)得的U、Th、K含量，通過(guò)多元線性回歸的方法可以合成伽馬。

GR=a1·U+a2·Th+a3·K2O+b

式中：a1、a2、a3為擬合系數(shù)；b為常數(shù)。

根據(jù)測(cè)得的Th、K含量，通過(guò)多元線性回歸可以合成無(wú)鈾伽馬。

GR無(wú)鈾=b1·Th+b2·K2O+c

式中：b1、b2為擬合系數(shù)；c為常數(shù)。

通過(guò)伽馬與無(wú)鈾伽馬曲線的交會(huì)，可以識(shí)別有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段，同時(shí)也可以對(duì)龍一11、龍一12和龍一13小層進(jìn)行區(qū)分。龍一13小層伽馬值較高，與無(wú)鈾伽馬的差值增大，伽馬異常主要由黏土和有機(jī)質(zhì)控制；龍一12小層，伽馬值降低，與無(wú)鈾伽馬的差值減??；龍一11小層，伽馬值升高至最大值，與無(wú)鈾伽馬的差值最大，伽馬異常高值主要受有機(jī)質(zhì)富集作用影響(圖2)。

圖2 川南地區(qū)伽馬能譜錄井綜合圖

3 應(yīng)用實(shí)例分析

L井位于川南地區(qū)東部，目的層為龍馬溪組頁(yè)巖。鉆探目的是評(píng)價(jià)L井區(qū)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖埋深、厚度及品質(zhì)、巖石力學(xué)等各項(xiàng)參數(shù)，為水平井鉆探提供資料。該井從3 347 m開(kāi)始進(jìn)行巖屑伽馬能譜錄井。

在龍一2亞段U含量較低，平均值為2.2 μg/g；Th含量較高，平均值為10.3 μg/g；K含量為高值，平均值為2.5%；Th/U為高值，平均值為7.0；無(wú)鈾伽馬為低值，平均值為105.9 API；伽馬為低值，平均值為106.8 API(表2、圖3)。

鉆至井深3 423 m，Th/U值明顯減小，由6.5降為1.8，U含量逐漸增加，由1.6 μg/g升至4.0 μg/g，根據(jù)Th/U比值法判定進(jìn)入龍一14小層。龍一14小層，U含量升高，平均值為4.5 μg/g；Th含量降低，平均值為9.1 μg/g；K含量降低，平均值為1.9%；Th/U降低，平均值為2.3；無(wú)鈾伽馬值降低，平均值為89.0 API；伽馬值略微降低，平均值為102.6 API(表2、圖3)。

鉆至井深3 468 m，U含量明顯升高，由2.1 μg/g升至7.0 μg/g，無(wú)鈾伽馬值明顯降低，由58.1 API降為43.8 API，伽馬值明顯升高，由59.0 API增至84.4 API。無(wú)鈾伽馬與伽馬差值增大，出現(xiàn)分異，根據(jù)伽馬與無(wú)鈾伽馬交會(huì)法，判定進(jìn)入龍一13小層。龍一13小層，U含量升高，平均值為8.0 μg/g；Th含量降低，平均值為5.4 μg/g；K含量降低，平均值為1.4%；Th/U降低，平均值為0.9；無(wú)鈾伽馬值降低，平均值為59.9 API；伽馬平均值為107.5 API(表2、圖3)。

鉆至井深3 473 m，U含量降低，由8.6 μg/g降至7.8 μg/g，無(wú)鈾伽馬值略微降低，為55.3 API，伽馬值降低，由109.1 API降至78.3 API。無(wú)鈾伽馬與伽馬差值減小，根據(jù)伽馬與無(wú)鈾伽馬交會(huì)法，判定進(jìn)入龍一12小層。龍一12小層，U含量平均值為8.0 μg/g；Th含量略微降低，平均值為5.1 μg/g；K含量降低，平均值為0.9%；Th/U略微降低，平均值為0.7；無(wú)鈾伽馬值降低，平均值為44.6 API；伽馬值降低，平均值為98.0 API(表2、圖3)。

鉆至井深3 476 m， U含量明顯升高，由10.5 μg/g升至15.0 μg/g，無(wú)鈾伽馬值明顯降低，由35.1 API降為28.1 API，伽馬值明顯升高，由111.4 API增至180.4 API。無(wú)鈾伽馬與伽馬差值增大，出現(xiàn)分異，根據(jù)伽馬與無(wú)鈾伽馬交會(huì)法，判定進(jìn)入龍一11小層。龍一11小層，U含量平均值為10.7 μg/g；Th含量平均值為5.2 μg/g；K含量平均值為1.0%；Th/U平均值為0.7；無(wú)鈾伽馬值降低，平均值為49.2 API；伽馬值升高，平均值為152.9 API(表2、圖3)。

表2 L井龍馬溪組各小層伽馬能譜參數(shù)特征

圖3 L井巖屑伽馬能譜錄井綜合圖

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)龍馬溪組地層進(jìn)行巖屑伽馬能譜分析，得出以下認(rèn)識(shí)：

(1)利用巖屑伽馬能譜技術(shù)獲得巖石的放射性參數(shù)，通過(guò)參數(shù)及參數(shù)比值分析沉積環(huán)境，劃分地層是可行的。

(2)通過(guò)Th/U比值法可以區(qū)分龍馬溪組龍一2亞段和龍一1亞段。

(3)通過(guò)伽馬與無(wú)鈾伽馬交會(huì)法，結(jié)合Th/U與U的交會(huì)情況，可以對(duì)龍一1亞段各小層進(jìn)行識(shí)別。