焦石壩地區富有機質頁巖與測井參數的響應關系研究

王丹陽，王太玉

中石化東北油氣分公司，吉林 長春 130062

0 引言

焦石壩位于四川盆地東南部涪陵區塊中部，地處重慶市涪陵區東部。該區是中國第一個頁巖氣勘探區，也是最成功的一個地區。本文選擇測試資料最為齊全的焦頁1井為研究對象，運用統計學的基本原理，對焦頁1井的測井及地化測試數據進行分析，研究頁巖氣賦存特征，加深對該區頁巖氣儲層孔隙類型、裂縫構成及形成機制的理解，并對有機碳含量、孔隙度、脆性礦物含量及含氣量的地球物理參數進行定性和定量的分析，了解頁巖氣的地球物理響應特征，對該區的頁巖氣儲層參數進行評價，以便更好地開展對該區頁巖氣資源量的評價。

1 焦石壩地質特征概況

焦石壩地區構造上為川東—鄂西渝東—湘鄂西斷皺構造帶。該地區發育晚震旦世至三疊紀地層，除中晚志留世到石炭世外，各時代地層發育齊全。從震旦紀到早侏羅世發育了廣泛的海相沉積和陸相碎屑沉積，分布面積大，累計最大厚度超過10 km，形成了下震旦統（陡山沱組）、下寒武統（筇竹寺組或水井沱組）、上奧陶統（五峰組）—下志留統（龍馬溪組）、下二疊統（棲霞組）、上二疊統（龍潭組和大隆組）、下侏羅統6套以黑色頁巖為主體特點的富有機質頁巖層系。其中，下古生界的下寒武統、上奧陶統—下志留統海相頁巖主要處于還原—強還原性的深水陸棚環境，分布廣、厚度大、有機質豐富，是中上揚子地區頁巖氣發育的有利層位[1]。

2 頁巖的地層特征

焦石壩從震旦紀—中三疊世沉積的巨厚的海相地層中發育了五套以黑色頁巖為主的烴源巖層系，為上震旦統、下寒武統牛蹄塘組、上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組、下石炭統、上二疊統龍潭組和大隆組，尤其是龍馬溪組和五峰組具有面積大、厚度廣、有機質豐富、高成熟度的特點，與美國東部地區盆地頁巖氣的形成條件較為相似，頁巖氣的資源潛力巨大。

（1）龍馬溪組：志留系龍馬溪組上部（厚11.47 m）發育一套灰黑色泥巖；中部（厚8.3 m）發育黑色碳質泥巖，局部含少量灰黑色粉砂質泥巖；下部（厚57.77 m）為灰黑色灰質泥巖與灰黑色粉砂質泥巖互層，與下伏五峰組地層呈整合接觸關系，為淺水—深水陸棚相沉積。（2）五峰組（厚7.1 m）：奧陶系五峰組發育一套灰黑色碳質泥巖，與下伏澗草溝組地層呈整合接觸關系，主要是一套深水陸棚相沉積，地層沉積厚度相對均勻[（2]圖1）。

3 頁巖氣的地球物理響應參數分析

3.1 烴源巖有機碳含量的測井響應參數

焦石壩地區有機質TOC含量較高，絕大多數大于1.0%，平均有機碳含量為2.42%，有機碳含量超過2%的厚度約為41 m。提取焦頁1井龍馬溪組2 339.33 m 灰黑色頁巖δ13CPDB 為-29.2‰，2 349.23 m黑色碳質頁巖δ13CPDB 為-29.3‰，揭示該套烴源巖以為Ⅰ型為主，低等浮游生物為主要母質來源。

焦頁1井TOC含量與伽瑪值之間存在正相關關系，TOC=0.0128×GR-0.6319，相關系數為0.55（圖2）。干酪根一般是在放射性元素鈾（U）含量較高的還原環境中形成的，因此可以使自然伽瑪測井曲線表現為高值[3]。利用自然伽瑪測井和元素俘獲能譜測井分析鈾（U）、釷（Th）、鉀（K）等主要放射性元素的豐度，可以定量地確定總有機碳含量。

圖 1 焦頁1井測井曲線圖Fig.1 JIAOYE Well 1 logging curves

焦頁1井TOC含量與密度之間存在負相關關系，TOC=-15.476×DEN+42.670，相關系數為-0.914（圖3）。在有機質含量較多的儲層中，其孔隙度往往較高，孔隙中富含的有機質和烴類氣體使地層的密度值降低。另外，干酪根的密度較低，通常介于0.95～1.05 g/cm3之間，會降低地層的體積密度。

焦頁1井TOC含量與中子孔隙度之間存

圖 2 焦頁1井TOC 含量與伽瑪值之間的關系Fig.2 JIAOYE Well 1 relationship between TOC content and gamma

焦頁1井孔隙度與電阻率之間存在負相關關系，孔隙度=-0.016 6×RD+5.237 7，相關系數為-0.39（圖6）。孔隙度越高，其中含有的烴類及流體物質就越多，從而導致地層電阻率降低。

焦頁1井孔隙度與中子孔隙度之間存在正相關關系，孔隙度=0.145 9×CNL2+2.147 6，相關系數為0.47（圖7）。中子測井值反映巖層中的含氫量。含氫物質一般為：水，石油，結晶水和含水砂[5]。實質上，中子密度測井反映的就是地層孔隙度。

圖 4 焦頁1井TOC 含量與中子孔隙度之間的關系Fig.4 JIAOYE Well 1 relationship between TOC content and neutron porosity

焦頁1井孔隙度與聲波時差之間存在正相關在 負 相 關 關 系，TOC=0.016 9×CNL2-0.786 5×CNL+10.537，相關系數為-0.5（圖4）。中子孔隙度偏低說明此時有機質主要以短鏈碳氫化合物為主，位于中等成熟階段或過成熟階段，此時有機質含量較高。

3.2 烴源巖孔隙度的測井響應參數

圖 3 焦頁1井TOC 含量與密度之間的關系Fig.3 JIAOYE Well 1 relationship between TOC content and density

焦頁1井孔隙度與伽瑪值之間存在正相關關系，孔隙度=0.020 1×GR+1.107 0，相關系數為0.445（圖5）。有機質較多的地層中，具有更多的儲集空間，大大地提高了儲層的孔隙度，孔隙中有機質含量的增加使伽瑪值變大[4]。關系，孔隙度=0.184 9×AC-9.671 3，相關系數為0.597（圖8）。頁巖較泥巖致密，聲波時差介于泥巖和砂巖之間。遇到裂縫氣層有周波跳躍反應，或者曲線突然拔高[6]。因此，當有機質含量增加導致孔隙度增加時，其聲波時差值變大。

3.3 烴源巖中脆性礦物含量的測井響應參數

圖 5 焦頁1井孔隙度與伽瑪值之間的關系Fig.5 JIAOYE Well 1 relationship between porosity and gamma

研究區龍馬溪組頁巖的礦物成分較為復雜，以石英、長石、黏土礦物為主，其中粘土礦物含量較多，為研究區龍馬溪組頁巖的主要組成礦物[7]。脆性礦物含量是影響頁巖孔隙和微裂縫發育程度、含氣性及壓裂方式等的重要因素。頁巖中黏土礦物含量越低， 石英、長石、方解石等脆性礦物含量越高，在人工壓裂外力作用下就越容易形成天然裂縫和誘導裂縫，形成網狀結構縫，有利于頁巖氣開采[8]。而高黏土礦物含量的頁巖塑性強，吸收能量，以形成平面裂縫為主，不利于頁巖的體積改造。

焦頁1井脆性礦物含量與中子孔隙度之間存在負相關關系，脆性礦物含量=-2.283 5×CNL+94.296，相關系數為-0.8（圖9）。脆性礦物含量的高低等效于巖石骨架值的大小，而巖石骨架是不含氫的，因此在脆性礦物含量較高的儲層中

圖 6 焦頁1井孔隙度與電阻率之間的關系Fig.6 JIAOYE Well 1 relationship between porosity and resistivity

圖 8 焦頁1井孔隙度與聲波時差之間的關系Fig.8 JIAOYE Well 1 relationship between porosity and interval transit time

焦頁1井含氣量與中子孔隙度之間存在負相關關系，含氣量=2 286.7×CNL2-2.664 5，相關系數為-0.56（圖12）。中子孔隙度偏低說明此時有機質主要以短鏈碳氫化合物為主，此時含氣量較高。

4 結論

通過對焦頁1井的測井和地化數據進行分析，可得到如下結論：

（1）在焦頁1井的TOC地球物理參數中，TOC 含量與密度之間的相關性最好，其次為伽瑪其中子孔隙度較低。

焦頁1井脆性礦物含量與密度之間存在負相關關系，脆性礦物含量=-90.02×DEN+291.66，相關系數為-0.67（圖10）。脆性礦物含量較高的儲層中，發育有較多的孔隙，孔隙內的流體和烴類物質使儲層的密度降低。

3.4 烴源巖中含氣量的測井響應參數

焦頁1井含氣量與密度之間存在負相關關系，含氣量=-17.322×DEN+46.811，相關系數為-0.79（圖11）。含氣量的增加意味著孔隙內烴類和流體物質的增加，因而降低了密度值。值和中子孔隙度。通過對密度、伽瑪值等相關性較好的地球物理參數進行分析，可用來預測有機碳（TOC）的含量。

圖 7 焦頁1井孔隙度與中子孔隙度之間的關系Fig.7 JIAOYE Well 1 relationship between porosity and neutron porosity

圖 9 焦頁1井脆性礦物含量與中子孔隙度之間的關系Fig.9 JIAOYE Well 1 relationship between brittle minerals content and neutron porosity

（2）在焦頁1井的孔隙度地球物理參數中，孔隙度與聲波時差之間的相關性最好，其次為中子孔隙度、伽瑪值和電阻率。在地球物理測井分析當中，可用聲波時差曲線來預測孔隙度，另外，中子孔隙度實際上等效于地層孔隙度，可以對測井結果進行驗證。

圖 10 焦頁1井脆性礦物含量與密度之間的關系Fig.10 JIAOYE Well 1 relationship between brittle minerals content and density

圖 11 焦頁1井含氣量與密度之間的關系Fig.11 JIAOYE Well 1 relationship between gas content and density

圖 12 焦頁1井含氣量與中子孔隙度之間的關系Fig.12 JIAOYE Well 1 relationship between gas content and neutron porosity

（3）在焦頁1井的脆性礦物含量地球物理參數中，脆性礦物含量與中子孔隙度之間的相關性最好，其次為密度。由于頁巖的超致密、低孔低滲的特點，要想實現規模化的工業開采，必須對頁巖儲層進行壓裂作業，其中礦物成分和脆性系數是制定壓裂方案的重要參考參數。通過對中子孔隙度和密度測井曲線的分析，可以對儲層的脆性礦物含量進行預測，以便選擇合適的地理位置進行頁巖氣的開發。

（4）在焦頁1井含氣量地球物理參數中，含氣量與密度之間的相關性最好，其次為中子孔隙度。通過對密度、中子孔隙度等相關性較好的地球物理參數進行分析，可用來預測地層的含氣量。由于含氣頁巖儲層的獨殊性，研究其測井評價技術和方法，分析評價頁巖儲層特征，可為頁巖氣的勘探開發提供有力的技術支撐。