遼河西部凹陷古近系頁(yè)巖類型及測(cè)井識(shí)別

徐玳笠， 許露露*， 龔志愚， 陳 康， 周向輝， 楊 潔， 文劍航， 任志軍

(1.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430034； 2.湖北省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430034; 3.中國(guó)(武漢)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)中心,湖北 武漢 430015)

頁(yè)巖油氣以游離態(tài)和吸附態(tài)同時(shí)賦存于富含有機(jī)質(zhì)的暗色泥頁(yè)巖及其粉砂質(zhì)泥巖夾層中，是典型的自生自儲(chǔ)型非常規(guī)油氣藏。近幾年的頁(yè)巖油氣鉆探表明，遼河西部凹陷具備形成頁(yè)巖油氣的良好物質(zhì)基礎(chǔ)，油氣資源潛力較大[1-8]。開展遼河西部凹陷頁(yè)巖油氣目標(biāo)評(píng)價(jià)研究，同時(shí)形成頁(yè)巖油氣勘探理論和技術(shù)將有助于遼河油田尋找到新的資源。西部凹陷古近系發(fā)育多種類型的頁(yè)巖，在西部凹陷多年的常規(guī)油氣勘探中，已有許多老井鉆穿古近系頁(yè)巖目的層位，利用這些老井的鉆井巖芯和測(cè)錄井資料對(duì)遼河西部凹陷中古近系頁(yè)巖巖性類型進(jìn)行了劃分，并建立了頁(yè)巖類型的測(cè)井模型。本次研究有助于快速識(shí)別有利的頁(yè)巖，對(duì)西部凹陷頁(yè)巖油氣勘探具有促進(jìn)作用。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

遼河坳陷位于渤海灣盆地東北部，該盆地是在前中生代基底上發(fā)育起來(lái)的中新生代大陸裂谷坳陷。遼河坳陷構(gòu)造演化具有多期型，主要經(jīng)歷了“拱張、裂陷和坳陷”三個(gè)演化階段，主體由北東向主干斷裂和近東西向次級(jí)斷裂組成。遼河坳陷由六個(gè)構(gòu)造單元組成，自西向東依次為西部凸起、西部凹陷、大民屯凹陷、中央凸起、東部凹陷和東部凸起，總體上呈現(xiàn)北東向展布特征(圖1-a)，其中西部凹陷含油氣性最好，凹陷東西被中央凸起和西部凸起所限，面積約2 500 km2。西部凹陷南部地質(zhì)剖面AB顯示，該凹陷為一個(gè)東部陡西部緩的箕狀凹陷，大致可由斜坡帶、洼陷帶、陡坡帶三個(gè)構(gòu)造區(qū)帶組成[9](圖1-b)。

研究區(qū)古近系自下而上分為沙河街組和東營(yíng)組，其中沙河街組依據(jù)巖性組合自下而上可以進(jìn)一步分為四段，沙三段在深陷期沉積，沉積厚度巨大，分布范圍廣，為主要的頁(yè)巖層段。與上覆沙二段呈角度不整合接觸關(guān)系。東營(yíng)組以泥巖為主要巖性，并與砂巖和礫巖呈不等厚互層，與沙河街組呈整合接觸。東營(yíng)組與上覆新近系館陶組呈角度不整合接觸。詳細(xì)的地層分層見表1。

圖1 遼河西部凹陷構(gòu)造位置及地層剖面圖Fig.1 Structural location and stratigraphic profile of western Liaohe Depression

表1 遼河西部凹陷新生代地層層序簡(jiǎn)表[9-10]Table 1 Summary table of Cenozoic stratigraphic of western Liaohe Depression

2 頁(yè)巖類型及礦物組分特征

2.1 頁(yè)巖類型

遼河西部凹陷古近系泥頁(yè)巖類型主要有油頁(yè)巖、暗色泥巖、砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)和白云質(zhì)泥巖，同時(shí)發(fā)育灰?guī)r、白云巖、粉砂巖等多種夾層。以研究區(qū)2口鉆井分析頁(yè)巖的巖性特征，冷94井沙三段發(fā)育深灰色泥巖(圖2-a)，雷37井沙四段發(fā)育灰黑色泥巖(圖2-b)、褐色油頁(yè)巖(圖2-c)、白云質(zhì)泥巖(圖2-d)。

以遼河西部凹陷高升—杜家臺(tái)地區(qū)沙四段巖性分布模式為例，展示各巖性在沉積相帶中的分布特征(圖3)。從北部高升地區(qū)至南部杜家臺(tái)地區(qū)，沙四段由濱湖相濱灘亞相逐漸過(guò)渡為雷家地區(qū)的淺湖相泥坪亞相，經(jīng)過(guò)曙光地區(qū)半深湖相，最后至杜家臺(tái)地區(qū)前扇三角洲亞相、扇三角洲前緣亞相、扇三角洲平原亞相[9,11]。泥質(zhì)白云巖發(fā)育在雷家地區(qū)的淺湖相云坪，油頁(yè)巖發(fā)育在曙光低洼帶半深湖相，泥頁(yè)巖等細(xì)粒沉積巖類發(fā)育在淺湖、半深湖、前扇三角洲、扇三角洲前緣相帶中。其中油頁(yè)巖主要發(fā)育在水體穩(wěn)定的半深湖和深湖相，主要以塊狀為主，層狀頁(yè)理結(jié)構(gòu)也有發(fā)育[9]。

a.冷94井，沙三段，2 723.20 m，深灰色泥巖；b.雷37井，沙四段，2 654.40 m，灰黑色泥巖；c.雷37井，沙四段，2 609.05 m，褐色油頁(yè)巖；d.雷37井，沙四段，2 640.8 m，白云質(zhì)泥巖圖2 遼河西部凹陷古近系沙河街組泥頁(yè)巖類型Fig.2 Types of Paleogene Shahejie formation shale in western Liaohe Depression

2.2 頁(yè)巖礦物組分特征

研究區(qū)頁(yè)巖全巖礦物組分定量測(cè)試結(jié)果表明(表2),沙四段以淺湖相灰綠色泥巖為主，礦物組分以黏土礦物為主，占比58.4%，石英+長(zhǎng)石含量次之，占比28%，碳酸鹽巖礦物很少，平均含量為9.2%。沙三段以深湖相為主，巖性以暗色泥巖為主，總體上礦物組分以黏土礦物為主，平均含量為49.3%，石英+長(zhǎng)石為輔，含量介于30.5%～56.9%；石英含量比沙四段稍高，從沙四段的19.2%增加到沙三段的31.2%，另外菱鐵礦、菱錳礦、方解石和方沸石發(fā)育[9,12]。沙二段和沙一段以淺湖相為主，巖性以灰白色砂巖、含礫砂巖與灰綠色、部分紫紅和棕紅色泥巖互層為主，礦物組分同樣以黏土礦物為主，相比而言沙二段石英+長(zhǎng)石含量較沙一段更多。

圖3 遼河西部凹陷高升—杜家臺(tái)地區(qū)沙四段巖性分布模式Fig.3 Lithological distribution pattern of S4 of Gaosheng-Dujiatai area in western Liaohe Depression

表2 遼河西部凹陷沙河街組四段—一段頁(yè)巖礦物組成特征[9,12]Table 2 Shale mineral composition of Shahejie Formation from Member 4 to Member 1 in western depression of Liaohe oilfield

3 頁(yè)巖巖性測(cè)井識(shí)別

泥頁(yè)巖的測(cè)井響應(yīng)特征與其他巖性具有明顯差別，通常利用自然電位(SP)、自然伽馬(GR)、密度測(cè)井(DEN)及電阻率測(cè)井(Rt)、井徑(CAL)和聲波曲線(AC)組合可有效地識(shí)別出泥頁(yè)巖段[9,13-19]。通常對(duì)于發(fā)育有大套的泥頁(yè)巖、砂巖和碳酸鹽巖的地層可以應(yīng)用自然電位與自然伽馬組合的方法進(jìn)行巖性的有效識(shí)別[20-22]。由于泥頁(yè)巖中黏土礦物和有機(jī)物質(zhì)對(duì)放射性物質(zhì)具有較強(qiáng)的吸附作用，因此放射性物質(zhì)常伴隨泥巖一起沉積。通常利用自然伽馬測(cè)井由于其對(duì)泥頁(yè)巖較為敏感而呈現(xiàn)高值，而砂巖和碳酸鹽巖自然伽馬測(cè)井響應(yīng)值較低，是由于其中的放射性物質(zhì)含量少。相對(duì)于砂巖和碳酸鹽巖而言，泥頁(yè)巖巖性更為致密，孔滲性較差，鉆井泥漿對(duì)泥頁(yè)巖的侵入較少，自然電位對(duì)致密的泥頁(yè)巖反映一般為低值;鉆井泥漿對(duì)砂巖和碳酸鹽巖等孔縫發(fā)育的巖層侵入較多，兩者形成離子自然電勢(shì)差，自然電位在砂巖和碳酸鹽巖中反映一般為低值。雷家地區(qū)鉆井巖芯中泥頁(yè)巖的測(cè)井表明，自然電位SP<100 mV，自然伽馬測(cè)井響應(yīng)值GR>55 API。但在地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)，在利用自然電位和自然伽馬測(cè)井曲線識(shí)別鉆井巖芯泥巖段時(shí)往往需要結(jié)合井徑測(cè)井和電阻率測(cè)井等其它測(cè)井曲線進(jìn)行綜合分析[9]。

利用自然電位、自然伽馬、巖性密度、電阻率、聲波時(shí)差、井徑六種測(cè)井曲線，運(yùn)用星形圖測(cè)井相研究方法，對(duì)遼河油田西部凹陷雷家地區(qū)發(fā)育的四種頁(yè)巖巖性進(jìn)行了識(shí)別(圖4)。

a.泥巖；b.油頁(yè)巖；c.白云質(zhì)泥巖；d.泥質(zhì)白云巖圖4 不同巖性測(cè)井響應(yīng)星形圖Fig.4 Star diagram of logging response of different lithology

研究結(jié)果表明，油頁(yè)巖的測(cè)井相響應(yīng)(圖4-b)與白云質(zhì)泥巖測(cè)井相(圖4-c)的星形圖形態(tài)較為相似，而泥巖測(cè)井相(圖4-a)與泥質(zhì)白云巖測(cè)井相(圖4-d)星形圖形態(tài)不同，且各具特點(diǎn)。四類泥頁(yè)巖的SP測(cè)井響應(yīng)值介于85～100 mV，GR介于60～80 API，DEN介于2～2.5 g/cm3，表明這四類泥頁(yè)巖的SP、GR和DEN值基本相當(dāng)。但可以通過(guò)井徑、電阻率和聲波時(shí)差測(cè)井響應(yīng)值的差異來(lái)進(jìn)行有效識(shí)別。泥質(zhì)白云巖的電阻率最大，約為142 Ω·m，聲波時(shí)差最小，約為73.56 μs/ft。泥巖電阻率約為3 Ω·m，具有典型的低電阻率特征，其值明顯小于其他巖性；聲波時(shí)差與其他三類泥頁(yè)巖差異不大，約為106.5 μs/ft；井徑約為13.8 in，其值比其他三類泥頁(yè)巖高(其他三類泥頁(yè)巖約10 in)，表明泥巖有明顯井徑擴(kuò)張現(xiàn)象。油頁(yè)巖和白云質(zhì)泥巖聲波時(shí)差、井徑測(cè)井響應(yīng)值較為接近，油頁(yè)巖的電阻率比白云質(zhì)泥巖電阻率稍高。

綜上所述，利用電阻率小和井徑擴(kuò)大的特點(diǎn)能快速識(shí)別出泥巖，統(tǒng)計(jì)表明1 Ω·m10 in可解釋為泥巖。利用電阻率大和聲波時(shí)差小的特點(diǎn)能快速識(shí)別出泥質(zhì)白云巖，統(tǒng)計(jì)表明50 Ω·m

4 測(cè)井反演

根據(jù)不同巖性測(cè)井響應(yīng)星形圖的研究結(jié)果，對(duì)研究區(qū)曙古165井沙三段中上部有利層段暗色泥巖測(cè)井響應(yīng)進(jìn)行了反演(圖5)。

圖5 研究區(qū)曙古165井沙三段中上部有利層段暗色泥巖測(cè)井響應(yīng)Fig.5 The dark mudstone logging response of favorable strata section of S3 formation of Shugu 165 well in study area

研究區(qū)曙古165井沙三段2 582～2 760 m泥地比約為90%，TOC平均值為1.66%，有機(jī)質(zhì)類型為腐泥型，Ro平均值為0.45%，孔隙度平均值為5%，脆性礦物含量平均值為55%，總含氣量平均值為6.5 m3/t。有利層段發(fā)育暗色泥巖，具有高電阻率、高聲波時(shí)差、井徑大的特點(diǎn)，井徑CAL遠(yuǎn)大于10 in，在30～60 in，測(cè)井曲線能較好地反映沙三段暗色泥巖，證明了上述測(cè)井響應(yīng)星形圖的可靠性。

5 結(jié)論

(1) 遼河西部凹陷古近系泥頁(yè)巖主要包含深灰色泥巖、灰黑色泥巖、褐色油頁(yè)巖、白云質(zhì)泥巖及泥質(zhì)白云巖等幾種類型。

(2) 沙河街組一段—四段均以黏土礦物為主，石英+長(zhǎng)石礦物為輔，碳酸鹽巖礦物較少，暗色泥巖目的層段沙三段總體上以黏土礦物為主，平均含量為49.3%，石英+長(zhǎng)石含量為30.5%～56.9%不等，另外黃鐵礦和方沸石也有發(fā)育。

(3) 遼河西部凹陷沙四段由北部地區(qū)濱湖相濱灘亞相，過(guò)渡為中部地區(qū)淺湖相泥坪亞相—半深湖亞相，最后到南部地區(qū)前扇三角洲亞相、扇三角洲前緣亞相、扇三角洲平原亞相。泥頁(yè)巖及油頁(yè)巖主要發(fā)育在水體穩(wěn)定的半深湖相。

(4) 根據(jù)星形圖測(cè)井相統(tǒng)計(jì)認(rèn)為,1 Ω·m10 in可解釋為泥巖；50 Ω·m

(5) 研究區(qū)曙古165井沙三段有利層段發(fā)育暗色泥巖，具有高電阻率、高聲波時(shí)差、井徑大的特點(diǎn);依據(jù)不同巖性測(cè)井響應(yīng)星形圖，能較好地反演識(shí)別出沙三段暗色泥巖。