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沈柏坪, 田伟志, 刘敢强, 余玲, 陈碧. 岩屑伽马能谱录井在川南地区龙马溪组小层卡取中的应用[J]. 录井工程, 2020,31(4): 36-40.
SHEN Boping, TIAN Weizhi, LIU Ganqiang, YU Ling, CHEN Bi. Application of cuttings gamma spectrum logging in the determination of single layers of Longmaxi Formation in Southern Sichuan[J]. Mud Logging Engineering, 2020,31(4): 36-40.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2020.04.006  
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岩屑伽马能谱录井在川南地区龙马溪组小层卡取中的应用
沈柏坪, 田伟志, 刘敢强, 余玲, 陈碧
中国石油长城钻探工程有限公司录井公司

作者简介: 沈柏坪 工程师,1986年生,2010年毕业于西南石油大学资源勘查工程专业,现在中国石油长城钻探录井公司地质检测中心从事岩石化学综合分析与解释工作。通信地址:124010 辽宁省盘锦市兴隆台区石油大街77号。电话:(0427)7852964。E-mail:sbb.gwdc@cnpc.com.cn

收稿日期: 2020-07-17
摘要

川南地区龙马溪组页岩气开采过程中,由于钻井工艺的改进和提升,岩屑较细碎,常规录井技术对页岩的识别效果较差,很难判别龙马溪组小层情况。利用随钻伽马能谱录井中铀(U)、钍(Th)、钾(K)能够指示沉积环境的变化,通过研究铀(U)、钍(Th)、钾(K)、伽马、无铀伽马等参数或参数组合的变化趋势,建立Th/U比值法及伽马与无铀伽马交会法,可以有效识别沉积环境,划分地层。在川南地区志留系龙马溪组页岩气小层划分中的应用结果表明,该方法能够有效地解决现有录井技术的不足,满足了现场生产需求。

关键词: 页岩气; 随钻伽马能谱; 沉积环境; 地层划分
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Application of cuttings gamma spectrum logging in the determination of single layers of Longmaxi Formation in Southern Sichuan
SHEN Boping, TIAN Weizhi, LIU Ganqiang, YU Ling, CHEN Bi
GWDC Mud Logging Company,CNPC,Panjin,Liaoning 124010,China
Abstract

In the extraction of Longmaxi Formation shale gas in Southern Sichuan,the cuttings are relatively finely fragmented due to the improvement of drilling techniques,resulting in poor effect of shale recognition with conventional mud logging technologies and difficulties in distinguishing single layers of Longmaxi Formation. The uranium,thorium and kalium in gamma spectrum logging while drilling can be used to indicate changes in sedimentary environment. By studying variation trend of parameters such as uranium,thorium,kalium,gamma and uranium-free gamma and parameter combinations,thorium/uranium ratio method and gamma-uranium-free gamma intersection method are established to effectively identify sedimentary environment and divide strata. The application in single layer division of Silurian Longmaxi Formation shale gas in Southern Sichuan reveals that this method can effectively solve the shortcomings of existing mud logging technologies,meeting the needs on site.

Keyword: shale gas; gamma spectrum while drilling; sedimentary environment; strata division
0 引言

川南地区志留系龙马溪组发育一套20~260 m灰绿色、黑色页岩, 其底部的高脆性、高TOC黑色页岩为主力开采层[1]。近年来采用“ PDC+油基钻井液+水平井” 的开采工艺进行勘探开发, 在页岩气水平井钻井过程中, 普遍采用随钻自然伽马进行地质导向作业, 由于入窗前随钻自然伽马波动较小, 电性标志层特征不明显, 主要目的层自然伽马曲线尖峰较多, 且不同峰幅度差异较小, 仅仅依靠随钻自然伽马曲线难以满足现场小层判别的需求。尽管前人已建立了元素录井小层划分方法, 可以通过硅(Si)、铝(Al)、钙(Ca)、铁(Fe)等元素组合区分、识别小层, 但对于新的勘探区块, 川南地区龙马溪组龙一1亚段1、2、3小层均表现为低Al、高Si的元素特征, 元素录井在该地区小层识别方面发挥的作用有限。本文通过随钻伽马能谱技术获取的铀(U)、钍(Th)、钾(K)、伽马、无铀伽马等参数, 形成了小层判识的方法, 为页岩气开采过程中小层的识别提供了一种新思路。

1 区域地质概况
1.1 地质构造特征

四川盆地东南地区位于上扬子板块, 受东南部雪峰山推覆带向北西挤压和南部黔中古隆起形成的向北构造挤压两个方向应力影响, 形成川东高陡褶皱带和川南低陡褶皱带两个主要构造带[1]。

晚奥陶世-早志留世, 上扬子区受到华夏板块与扬子板块碰撞的影响, 在造山带前缘形成前陆。晚奥陶世, 原是碳酸盐台地相沉积的上扬子区变成了水深面广的盆地相, 沉积了一套厚度不大、岩相稳定的暗色泥质岩和硅质页岩。早志留世龙马溪沉积期, 川东南地区为受古陆围限的半闭塞滞留海盆沉积, 形成川南-鄂西-渝东深水陆棚区, 沉积了一套富有机质, 富含笔石、放射虫化石的黑色页岩[2, 3, 4]。

1.2 页岩展布特征

四川盆地东南地区页岩主要分布在五峰组-龙马溪组下部层段, 而优质页岩则主要发育在五峰组-龙马溪组底部地层。五峰组以黑色碳质页岩或硅质页岩为主, 页岩厚度一般在5~10 m之间, 顶部发育了一层厚度0.5~1 m的介壳灰岩; 龙马溪组下部以深灰色-黑色纹层状碳质页岩或灰质页岩、硅质页岩为主。平面上, 五峰组-龙马溪组页岩呈北东-南西向带状展布。工区位于川南地区的宜宾-泸州一带, 正好位于沉积中心, 页岩厚度一般为60~120 m, 其中优质页岩厚20~50 m[1]。

2 岩屑伽马能谱录井

岩屑伽马能谱录井技术是利用能谱分析的方法, 检测岩石样品中天然放射性核素(主要是铀、钍、钾)衰变释放出的不同伽马射线强度, 从而定量检测样品中铀、钍、钾的含量, 实现对地层的综合识别与评价的技术。其特点是岩屑不受钻井液污染影响, 操作简单, 测量参数较多。铀、钍、钾在地层中的分布与地层岩性、有机物的含量及地层水的活动有着密切关系, 其测量值可为油田勘探中正确进行油气评价提供可靠信息。

2.1 岩屑伽马能谱录井技术地质基础

由于铀、钍、钾的地球化学性质不同, 在三大类岩石中其分布和富集规律也有所不同。铀的化学性质活泼, 在自然界中以U6+和U4+离子形式存在。在还原环境中, 铀以U4+离子形式存在, 易富集, 不易流失; 在氧化环境中, 4价铀矿物被氧化为6价铀盐, 常以络阳离子(UO2)2+的形式存在, 并以溶液方式运移。铀元素除了以铀盐形式迁移外, 还通过铀的胶溶体、碎屑悬浮体、有机络合物的形式迁移。进入还原环境时, 6价铀又转化为4价铀而沉积。钍和铀经常是共生的, 化合物以4价为主, 与4价铀关系密切, 常呈类质同象置换。在氧化环境中, 铀与钍发生明显的分离。钍的化合物性质稳定, 运移以机械风化迁移为主。黏土矿物对钍的选择性吸附以及钍在稳定矿物中的存在是控制沉积岩中钍含量的主要因素。钾在水中的溶解度高, 因而钾离子在氧化条件下易于流失, 由于钾离子半径较大, 极化率高, 易于被黏土矿物所吸收而发生富集[5]。因此, 运用Th/U比值可以有效分析地层的沉积环境, 进而对地层进行划分。

沉积岩中以深海相泥质沉积岩放射性最强。泥岩具有较强放射性的原因主要是黏土颗粒细, 沉积时间长, 有充分的时间与放射性物质接触, 同时黏土颗粒的表面带有负电荷, 容易吸附放射性元素。海相泥页岩中, 有机物质的络合作用对铀的富集也起着重要作用。有机物高的地层, 往往放射性出现异常高值[6, 7, 8, 9]。因此, 通过伽马与无铀伽马交会可以识别有机质含量高的地层, 进而对地层进行有效划分。

2.2 岩屑伽马能谱小层卡取方法研究

研究区五峰组-龙马溪组下部页岩形成于大陆边缘凹陷控制的深水陆棚, 沉积了一套主要岩性为暗色碳质泥页岩、含泥质粉砂岩、钙质泥岩的页岩层, 生物化石丰富, 有机碳含量1.85%~4.36%, 总脆性矿物含量40%~80%。前人根据笔石演化特征将龙马溪组分为龙一段、龙二段; 龙一段分为龙一1亚段、龙一2亚段; 龙一1亚段又分为龙一11、龙一12、龙一13、龙一14四个小层。通过有机碳含量、脆性矿物及产气量等综合评价, 明确了其优质储集层为龙一11小层, 但是在随钻过程中, 通过自然伽马难以区分龙一2亚段与龙一1亚段及龙一1亚段各小层。因此, 尝试通过Th/U比值法、伽马与无铀伽马交会法对各小层进行准确识别与划分。

2.2.1 Th/U比值法

龙马溪组上部页岩较下部页岩颜色浅, 主要原因在于其沉积环境的变化。上部页岩处于弱还原环境, 铀、钍沉积受黏土矿物控制, 含量变化基本一致; 下部页岩处于强还原环境且有机质含量增多, 铀的富集受有机质和黏土含量控制, 有机质对铀的富集有促进作用, 钍含量逐步减少, 铀、钍发生沉积分异。因此, Th/U主要反映沉积环境, 即氧化环境下Th/U比值高, 还原环境下Th/U比值低。全国多地泥页岩研究表明, 当Th/U值大于7时, 主要为陆相沉积的泥岩和铝土矿, 属于风化完全、具有氧化和淋滤作用的陆相沉积; 当Th/U值在2~7之间时, 为氧化-还原过渡沉积环境; 当Th/U值小于2时, 为强还原环境下的海相沉积[10, 11, 12, 13]。

经过多口井分析, 川南地区龙一2亚段页岩Th/U值介于2~7之间, 属于海相弱还原沉积, 龙一1亚段页岩Th/U值基本小于2, 属于海相强还原沉积。通过Th/U值可以划分龙一2亚段和龙一1亚段(图1、表1)。

图1 川南地区龙一段页岩Th与U交会图

表1 川南地区龙一段页岩伽马能谱参数特征

2.2.2 伽马与无铀伽马交会法

在龙马溪组下部地层, 有机物质对铀的富集作用导致铀含量明显异常。因此, 可以根据伽马与无铀伽马来识别优质页岩层段。根据测得的U、Th、K含量, 通过多元线性回归的方法可以合成伽马。

GR=a1·U+a2·Th+a3·K2O+b

式中:a1 、a2 、a3为拟合系数; b为常数。

根据测得的Th、K含量, 通过多元线性回归可以合成无铀伽马。

GR无铀=b1·Th+b2·K2O+c

式中:b1 、b2为拟合系数; c为常数。

通过伽马与无铀伽马曲线的交会, 可以识别有机质含量相对较高的优质页岩层段, 同时也可以对龙一11、龙一12和龙一13小层进行区分。龙一13小层伽马值较高, 与无铀伽马的差值增大, 伽马异常主要由黏土和有机质控制; 龙一12小层, 伽马值降低, 与无铀伽马的差值减小; 龙一11小层, 伽马值升高至最大值, 与无铀伽马的差值最大, 伽马异常高值主要受有机质富集作用影响(图2)。

图2 川南地区伽马能谱录井综合图

3 应用实例分析

L井位于川南地区东部, 目的层为龙马溪组页岩。钻探目的是评价L井区龙马溪组优质页岩埋深、厚度及品质、岩石力学等各项参数, 为水平井钻探提供资料。该井从3 347 m开始进行岩屑伽马能谱录井。

在龙一2亚段U含量较低, 平均值为2.2 μ g/g; Th含量较高, 平均值为10.3 μ g/g; K含量为高值, 平均值为2.5%; Th/U为高值, 平均值为7.0; 无铀伽马为低值, 平均值为105.9 API; 伽马为低值, 平均值为106.8 API(表2、图3)。

表2 L井龙马溪组各小层伽马能谱参数特征

图3 L井岩屑伽马能谱录井综合图

钻至井深3 423 m, Th/U值明显减小, 由6.5降为1.8, U含量逐渐增加, 由1.6 μ g/g升至4.0 μ g/g, 根据Th/U比值法判定进入龙一14小层。龙一14小层, U含量升高, 平均值为4.5 μ g/g; Th含量降低, 平均值为9.1 μ g/g; K含量降低, 平均值为1.9%; Th/U降低, 平均值为2.3; 无铀伽马值降低, 平均值为89.0 API; 伽马值略微降低, 平均值为102.6 API(表2、图3)。

钻至井深3 468 m, U含量明显升高, 由2.1 μ g/g升至7.0 μ g/g, 无铀伽马值明显降低, 由58.1 API降为43.8 API, 伽马值明显升高, 由59.0 API增至84.4 API。无铀伽马与伽马差值增大, 出现分异, 根据伽马与无铀伽马交会法, 判定进入龙一13小层。龙一13小层, U含量升高, 平均值为8.0 μ g/g; Th含量降低, 平均值为5.4 μ g/g; K含量降低, 平均值为1.4%; Th/U降低, 平均值为0.9; 无铀伽马值降低, 平均值为59.9 API; 伽马平均值为107.5 API(表2、图3)。

钻至井深3 473 m, U含量降低, 由8.6 μ g/g降至7.8 μ g/g, 无铀伽马值略微降低, 为55.3 API, 伽马值降低, 由109.1 API降至78.3 API。无铀伽马与伽马差值减小, 根据伽马与无铀伽马交会法, 判定进入龙一12小层。龙一12小层, U含量平均值为8.0 μ g/g; Th含量略微降低, 平均值为5.1 μ g/g; K含量降低, 平均值为0.9%; Th/U略微降低, 平均值为0.7; 无铀伽马值降低, 平均值为44.6 API; 伽马值降低, 平均值为98.0 API(表2、图3)。

钻至井深3 476 m, U含量明显升高, 由10.5 μ g/g升至15.0 μ g/g, 无铀伽马值明显降低, 由35.1 API降为28.1 API, 伽马值明显升高, 由111.4 API增至180.4 API。无铀伽马与伽马差值增大, 出现分异, 根据伽马与无铀伽马交会法, 判定进入龙一11小层。龙一11小层, U含量平均值为10.7 μ g/g; Th含量平均值为5.2 μ g/g; K含量平均值为1.0%; Th/U平均值为0.7; 无铀伽马值降低, 平均值为49.2 API; 伽马值升高, 平均值为152.9 API(表2、图3)。

4 结论

通过对龙马溪组地层进行岩屑伽马能谱分析, 得出以下认识:

(1)利用岩屑伽马能谱技术获得岩石的放射性参数, 通过参数及参数比值分析沉积环境, 划分地层是可行的。

(2)通过Th/U比值法可以区分龙马溪组龙一2亚段和龙一1亚段。

(3)通过伽马与无铀伽马交会法, 结合Th/U与U的交会情况, 可以对龙一1亚段各小层进行识别。

(编辑 陈 娟)

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