引用本文
屈彦龙. 自然伽马能谱录井技术在川南地区威远构造页岩气勘探中的应用[J]. 录井工程, 2023,34(3): 15-21.
QU Yanlong. Application of natural gamma spectrometry in shale gas logging of Weiyuan structure in southern Sichuan[J]. Mud Logging Engineering, 2023,34(3): 15-21.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2023.03.003  
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自然伽马能谱录井技术在川南地区威远构造页岩气勘探中的应用
屈彦龙
中国石油大庆钻探工程公司地质录井二公司

作者简介：屈彦龙 工程师,1977 年生,1998 年毕业于长春地质学院石油天然气地质勘查专业,现在中国石油大庆钻探工程公司地质录井二公司从事录井技术研发及管理工作。通信地址：138000 吉林省松原市宁江区青年大街789 号。电话：15043886999。E-mail：quyanlong@cnpc.com.cn

收稿日期: 2023-07-19
基金: 中国石油大庆钻探工程公司科技项目“自然伽马能谱录井技术在非常规油气勘探中的应用研究”（编号：dqzt2021lj010）
摘要

在川南地区威远构造页岩气录井作业过程中,受钻井工艺改进和提升的影响,非常规储层岩屑细碎,常规录井技术在岩性识别、地层对比、储层评价等方面存在困难。为此,现场录井过程中引入了自然伽马能谱录井技术,利用该技术中铀（U）、钍（Th）、钾（K）参数来指示沉积环境和储层有机质变化,通过研究铀（U）、钍（Th）、钾（K）、伽马、无U伽马等参数的变化趋势,建立了数值法、趋势法、Th与K交会图板法,可有效识别沉积环境和储层有机质、准确鉴别岩性、及时对比地层并实时评价储层。通过在川南地区威远构造页岩气层岩性识别、小层划分、储层评价中的应用表明,该技术能够有效克服常规录井技术的不足,满足非常规油气勘探现场快速实时解释评价的需求。

关键词: 自然伽马能谱; 页岩气; 岩性识别; 地层划分; 储层评价; 威远构造
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Application of natural gamma spectrometry in shale gas logging of Weiyuan structure in southern Sichuan
QU Yanlong
No.2 Geo-Logging Company of CNPC Daqing Drilling Engineering Company,Songyuan,Jilin 138000,China
Abstract

In the shale gas logging of Weiyuan structure in southern Sichuan, due to the improvement of drilling technology, the fine cuttings from unconventional reservoir rock, it is difficult in lithology identification, stratigraphic correlation and reservoir evaluation by conventional mud logging. Therefore, the natural gamma spectrometry has been introduced into field mud logging. The uranium（U）, thorium（Th）, potassium（K） can be used to indicate the change of sedimentary environment and reservoir organic matter, and by studying the trends of U, Th, K, gamma, uranium -free gamma and other parameters, the numerical method, trend method and Th -K cross -over method can be established to effectively identify sedimentary environment and organic matter, accurately identify lithology, compare strata and evaluate reservoirs in real-time. The application results of lithology discrimination, subzone division and reservoir evaluation of shale gas in Weiyuan structure in southern Sichuan show that this method can effectively solve the shortages of conventional mud logging technology and meet the rapid and real -time interpretation and evaluation of unconventional oil and gas exploration demands.

Keyword: natural gamma spectrometry; shale gas; lithology discrimination; stratigraphic division; reservoir evaluation; Weiyuan structure
0 引言

川南地区威远-龙女寺构造群为在乐山-龙女寺加里东古隆起上形成的一巨型近穹隆状的背斜构造, 呈北东东向展布, 地势北高南低, 北部为威远构造的威Ⅰ 号高点, 南部为威远构造南翼。

川南地区威远构造页岩气主要分布在五峰组-龙马溪组下部层段, 优质页岩主要发育在五峰组-龙马溪组底部地层。五峰组地层岩性为黑色硅质页岩, 顶部见薄层介壳灰岩[1, 2]; 龙马溪组底部地层岩性以灰黑色、黑色页岩互层为主。威远构造有机碳含量在纵向地层上的变化相似, 对比关系良好, 都具有自上而下逐渐变好的特点, 五峰组-龙一1亚段优质页岩段有机碳含量平均值普遍大于2.5%, 其中龙一11小层有机质丰度最高, 是页岩气最富集层段。

川南地区威远构造页岩气录井中, 受钻井新技术应用的影响, 页岩、灰岩等非常规储集岩岩屑细碎, 导致常规录井技术在岩性识别、地层对比、储层评价等方面存在困难。X射线荧光元素录井技术对硅、钙、镁、铝、铁等元素较为敏感, 但存在对放射性元素不敏感的缺点。因此, 现场录井过程中引入了自然伽马能谱录井技术来应对上述录井作业难题。

1 自然伽马能谱录井技术简介

自然伽马能谱录井技术是从测井仪器小型化演变而来, 应用于录井现场, 通过岩屑、岩心样品的自然伽马能谱分析, 弥补X射线荧光元素录井技术对放射性元素不敏感的缺点, 目前主要应用于非常规油气录井地层对比、岩性识别及辅助进行储层评价。

1.1 技术原理

自然伽马能谱录井技术是根据铀（U）、钍（Th）、钾（K）的自然伽马能谱特征, 用能谱分析方法将测量到的U、Th、K的伽马射线的混合谱进行谱解析, 从而确定岩样中U、Th、K含量的一种录井技术。该技术定量测定地质样品中的U、Th、K含量是基于这3种核素的原始γ 谱的差异性, γ 仪器的高能区（大于500 keV）能够明显区分原始γ 射线主要特征峰（全能峰）。不同的放射性核素衰变产生的γ 射线有不同的特征能量, 因此可以利用U、Th、K的γ 射线强度, 通过计算得出U、Th、K的比活度。

该技术特点是能够为非常规油气勘探开发提供更有效的解释评价参数。自然伽马能谱录井技术最大的优势在于可随钻进行测量, 能及时准确地解释地层岩性变化, 实现岩性准确识别、地层精准卡取, 为水平井地质导向提供支持。

1.2 技术适用性

自然伽马能谱录井技术测量的参数有总伽马剂量率、能谱伽马、无U伽马以及U、Th、K含量和自然伽马能谱录井TOC（简称能谱TOC）值。对川南地区Z 201H35-2井获取的522个岩屑样品进行自然伽马能谱分析, 将分析数据分别与测井伽马和随钻伽马数据进行回归分析[3, 4], 发现自然伽马能谱录井技术总伽马剂量率和能谱伽马与测井伽马、随钻伽马回归相关性较好（图1、图2、图3、图4）, 表明其适用性较强。

图1 总伽马剂量率与测井伽马关系

图2 总伽马剂量率与随钻伽马关系

图3 能谱伽马与测井伽马关系

图4 能谱伽马与随钻伽马关系

2 自然伽马能谱录井技术应用方法
2.1 自然伽马能谱岩性识别方法

自然伽马能谱录井技术识别岩性是基于不同岩石和矿物中放射性核素的种类和含量不同, 利用无U伽马、Th与K交会图板进行岩性识别[5, 6]。

2.1.1 无U伽马岩性识别方法

测井伽马和随钻伽马反映的是地层中总的放射性元素（U、Th、K）的放射性, 而无U伽马不包含U元素, 只反映Th和K元素的放射性, 因其与地层中泥质含量的关系比较稳定, 从而可以进行岩性识别（图5）。

图5 不同岩性无U伽马曲线特征

（1）在砂岩、泥岩、页岩层剖面中, 纯砂岩层的无U伽马值较低, 而泥岩、页岩层的数值较高, 泥质砂岩、粉砂岩层的数值则介于两者中间, 并随着泥质含量的增加, 无U伽马曲线幅度值增大。

（2）在碳酸盐岩层剖面中, 纯石灰岩、纯白云岩层无U伽马值最低, 而泥岩、页岩层的数值较高, 泥质白云岩、泥质石灰岩、泥灰岩则介于二者之间, 且随泥质含量增加, 无U伽马曲线幅度值增大。

2.1.2 Th与K交会图板岩性识别方法

基于川南地区威远构造Z 201井区自然伽马能谱录井数据, 建立了 Th与K交会岩性识别图板（图6）, 实现了岩性精准识别。从图板中可见, 泥（页）岩层通常放射性元素含量较高, 因此Th、K含量一般较高, 且Th> K; 砂岩层通常为低放射性地层, Th、K 含量值均较低, 且K> Th; 灰岩层Th、K含量均为最低。

图6 Th与K交会岩性识别图板

2.2 自然伽马能谱地层划分方法

基于川南地区威远构造5口井的岩屑样品自然伽马能谱录井资料, 根据能谱伽马、无U伽马、U、Th、K参数变化趋势, 以及U/K、U/Th、Th/K参数比值的变化特征, 建立了川南地区威远构造自然伽马能谱录井地层划分标准（表1）, 对应的自然伽马能谱录井地层划分曲线如图7所示。

表1 川南地区威远构造自然伽马能谱录井地层划分标准

图7 自然伽马能谱录井地层划分曲线

2.3 自然伽马能谱页岩气储层评价方法

2.3.1 自然伽马能谱录井TOC求取

川南地区页岩气层富含有机质（有机碳含量一般> 2%, 甚至高达25%）, 有机质含量往往与页岩的生气率和吸附气量成正比, 因此岩石热解分析参数总有机碳含量（TOC）是评价页岩气含量的重要参数之一。TOC虽然可通过现有的岩石热解录井分析来获取, 但在实际录井中, 尤其是在采用PDC钻头和油基钻井液条件下, 页岩岩屑呈糊状, 导致清洗和选样难度较大, 分析周期长。而自然伽马能谱录井U参数与岩石热解录井TOC参数相关性好, 可采用二者线性回归公式计算得出页岩气层的有机碳含量, 即为自然伽马能谱录井TOC。该技术可对岩样直接进行检测, 操作简便, 在随钻过程中能进行快速准确的储层评价, 结合气测录井可进行泥（页）岩层解释评价。自然伽马能谱录井U参数与岩石热解录井TOC参数关系式如下：

TOC=0.35U-0.0505

根据岩石热解录井TOC参数评价页岩气层的标准, 建立了能谱TOC与U含量交会页岩气层评价图板（图8）, 从图板可见：当U含量> 8 μ g/g、能谱TOC> 3%时, 为Ⅰ 类层; 当U含量介于6~8 μ g/g之间、能谱TOC介于2%~3%之间, 为Ⅱ 类层; 当U含量< 6 μ g/g、能谱TOC< 2%时, 为Ⅲ 类层。

图8 能谱TOC与U含量交会页岩气层评价图板

2.3.2 相对泥质含量的求取

自然伽马能谱录井对岩样中的泥质含量和碳酸盐含量反映较灵敏, 可以用来评价储层物性。沉积岩中黏土矿物的天然放射性随泥质含量的增加而增强, 泥质主要由黏土矿物组成, 黏土矿物含有不饱和电荷, 比表面积大, 具有较大的吸附性, 在沉积过程中会吸附大量的放射性物质, 从而导致在地层中随泥质含量增加放射性强度也增加。因此, 可利用地层中无U伽马值来求取储层相对泥质含量[7, 8, 9, 10], 其计算公式如下：

V泥质=100（GR-GRmin）/（GRmax-GRmin）

式中：V泥质为相对泥质含量, %; GR为无U伽马值, API; GRmin为无U伽马最小值, API; GRmax为无U伽马最大值, API。

基于川南地区Z 26井无U伽马数据进行相对泥质含量的计算, 如图9所示, 相对泥质含量（V泥质）与元素录井分析数据中反映泥质含量的Al+Fe元素曲线吻合度较好, 与反映脆性的Si+Ca+Mg元素曲线呈负相关, 因此可以用来评价储层物性。

图9 Z 26井自然伽马能谱相对泥质含量与元素对应曲线

2.3.3 页岩气储层评价标准的建立

基于上述分析, 建立了基于自然伽马能谱录井参数能谱TOC、U含量、无U伽马、相对泥质含量（V泥质）的川南地区威远构造页岩气储层自然伽马能谱录井评价标准（表2）。

表2 川南地区威远构造页岩气储层自然伽马能谱录井评价标准
3 应用实例及效果

以Z 56-3井为例, 该井为位于川南地区威远构造的一口水平井, 目的层为龙一段。由于地层复杂, 实际钻井过程中钻遇了龙马溪组、五峰组和宝塔组, 应用自然伽马能谱录井技术进行了岩性识别、地层划分及储层评价[11], 为地质导向及时调整井眼轨迹提供了重要依据, 并在投产段簇优选中发挥了重要作用。

3.1 岩性识别

龙一段无U伽马最高（最大值262 API, 最小值19 API, 平均值81.9 API）, 表明该层组页岩发育; 五峰组无U伽马较高（最大值127.8 API, 最小值36.6 API, 平均值66.5 API）, 表明该层组页岩较发育; 宝塔组无U伽马较低（最大值93 API, 最小值16.2 API, 平均值46.0 API）, 且Th与K值均明显低于上部页岩层, 表明该层组灰岩发育。

3.2 地层划分

Z 56-3井随钻过程中, 首先通过常规录井的岩屑颜色、气测全烃值变化进行初步层位判断, 然后进一步应用岩屑自然伽马能谱录井资料对目的层进行精细小层划分, 共分为8个小层（表3）, 并实时对井眼在8个小层中的轨迹位置进行预报, 有效地辅助了地质导向作业, 为后期储层解释评价提供了依据。

表3 Z 56-3井录井小层划分、储层解释成果
3.3 储层评价

Z 56-3井箱体设计为五峰组底界以上4.2~9.2 m。实钻A点3 689 m, 水平段长1 709 m, 自然伽马能谱录井解释箱体长度1 709 m, 箱体钻遇率85.5%, 优质页岩钻遇率100%（图10）。

图10 Z 56-3井录井储层评价图

本井通过自然伽马能谱录井共计解释储层8层（表3）, 累长1 997 m, 其中Ⅰ 类储层长度1 423 m, Ⅱ 类储层长度507 m, Ⅱ -Ⅲ 类储层长度67 m。水平段长度1 709 m, 解释评价储层3层, 其中Ⅰ 类储层2层, 长度1 411 m, 占水平段总长的82.6%; Ⅱ 类储层1层, 长度298 m, 占水平段总长的17.4%。

根据上述解释结论, 对Z 56-3井水平段3 689~5 398 m（累长1709 m）进行了分段试油建议。首先基于无U伽马数据分为7大段, 然后按照能谱TOC进行甜点段的划分, 最后利用相对泥质含量数据确定簇的位置。最终本井共分为23段49簇（60~90 m/段）, 并取得了较好的试油结果。

4 结论

（1）利用自然伽马能谱录井技术获得岩石的放射性参数, 通过放射性参数数值及变化趋势来分析地层沉积环境和储层有机质, 识别岩性、划分地层、评价储层是可行的; （2）通过无U伽马, 以及Th与K交会图板, 可以准确区分页岩和灰岩; （3）通过能谱伽马、无U伽马、U、Th、K数值, 以及U/K、U/Th、Th/K, 可以准确识别划分威远构造龙马溪组龙一2亚段、龙一1亚段4个小层及五峰组、宝塔组地层; （4）通过自然伽马能谱无U伽马、U含量可以计算得出能谱TOC及相对泥质含量, 进而对龙马溪组、五峰组优质页岩层进行评价, 为投产段簇优选发挥重要作用。

（编辑 唐艳军）

参考文献
[1] 沈柏坪, 田伟志, 刘敢强, 等. 岩屑伽马能谱录井在川南地区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 Baiping, TIAN Weizhi, LIU Ganqiang, et al. Application of cuttings gamma -ray spectrum logging in the small bed determination of Longmaxi Formation in south Sichuan area[J]. Mud Logging Engineering, 2020, 31(4): 36-40. [本文引用:1]
[2] 杜焕福, 王鑫, 刘玉和, 等. 伽马能谱录井技术及其应用[J]. 能源科技, 2013(20): 282, 294.
DU Huanfu, WANG Xin, LIU Yuhe, et al. Gamma spectrum logging technology and its application[J]. Energy Technology, 2013(20): 282, 294. [本文引用:1]
[3] 董兰屏, 庞巨丰. 自然伽马能谱测井原理及其应用[J]. 计量与测试技术, 2009, 36(9): 50-51.
DONG Lanping, PANG Jufeng. Principle and application of natural gamma ray spectroscopy logging[J]. Metrology and Measurement Technique, 2009, 36(9): 50-51. [本文引用:1]
[4] 彭曙光, 潘和平, 王霁霞, 等. 自然伽马列能谱测井在储层评价中的应用[J]. 工程地球物理学报, 2009, 6(4): 480-484.
PENG Shuguang, PAN Heping, WANG Jixia, et al. Application of natural gamma ray spectrometry logs in reservoir evaluation[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 2009, 6(4): 480-484. [本文引用:1]
[5] 庞江平, 杨扬, 谢伟, 等. 自然伽马能谱录井技术在页岩气开发中的应用[J]. 天然气工业, 2017, 37(1): 54-59.
PANG Jiangping, YANG Yang, XIE Wei, et al. Application of natural gamma spectrum logging technology in shale gas development[J]. Natural Gas Industry, 2017, 37(1): 54-59. [本文引用:1]
[6] 蒋裕强, 董大忠, 漆麟, 等. 页岩气储层的基本特征及其评价[J]. 天然气工业, 2010, 30(10): 7-12.
JIANG Yuqiang, DONG Dazhong, QI Lin, et al. Basic characteristics and evaluation of shale gas reservoirs[J]. Natural Gas Industry, 2010, 30(10): 7-12. [本文引用:1]
[7] 黄茜, 刘菁华, 王祝文. 自然伽马能谱测井资料在确定粘土矿物含量中的应用[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2007, 37(增刊): 143-150.
HUANG Qian, LIU Jinghua, WANG Zhuwen. Application of natural gamma spectrometry logging data in determination of clay mineral content[J]. Journal of Jilin University Sciences (Earth Science Edition), 2007, 37(S): 143-150. [本文引用:1]
[8] 石强. 利用自然伽马能谱测井定量计算粘土矿物成分方法初探[J]. 测井技术, 1998, 22(5): 349-352.
SHI Qiang. A preliminary study on the method of quantitative calculation of clay mineral composition using natural gamma spectrometry log[J]. Well Logging Technology, 1998, 22(5): 349-352. [本文引用:1]
[9] 孙建孟, 李召成. 应用自然伽马能谱测井确定粘土矿物类型和含量[J]. 石油大学学报(自然科学版), 1999, 23(4): 29-32.
SUN Jianmeng, LI Zhaocheng. The type and content of clay minerals can be determined by natural gamma ray spectrometry logging[J]. Journal of The University of Petroleum, China, 1999, 23(4): 29-32. [本文引用:1]
[10] 王秀平, 牟传龙, 葛祥英, 等. 四川盆地南部及其周缘龙马溪组黏土矿物的分布特征及其成因[J]. 能源科技, 2017(9): 25-30.
WANG Xiuping, MOU Chuanlong, GE Xiangying, et al. Distribution and genesis of clay minerals of the Longmaxi Formation in southern Sichuan Basin and its periphery[J]. Energy Technology, 2017(9): 25-30. [本文引用:1]
[11] 王观会, 史静, 王博诗, 等. 自然伽马能谱测井在河南油田的应用[J]. 内蒙古石油化工, 2010(19): 76-77.
WANG Guanhui, SHI Jing, WANG Boshi, et al. Application of natural gamma ray spectroscopy logging in Henan Oilfield[J]. Inner Mongolia Petrochemical Industry, 2010(19): 76-77. [本文引用:1]