青海省都兰县八宝山盆地三叠纪页岩气测井方法研究

陈建洲， 谢 菁， 李 青， 巩志远， 王万庆， 赵胜楠，王琪玮， 徐永锋， 晁海德

(1.青海省第四地质勘查院，西宁 810029； 2.青海省页岩气资源重点实验室，西宁 810029)

0 引言

在青海省柴达木盆地南、北缘，南、北祁连，青南等地区开展地质勘查，发现志留系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系等地层中赋存巨厚暗色泥页岩。通过2014—2015年度实施“青海省页岩气资源潜力评价”项目，在八宝山盆地地质调查中确定的三叠系暗色泥页岩段赋存层位、分布情况和采集的有机地球化学测试成果的基础上，进行了页岩气储层的定量参数评价。目前对页岩气的测井解释国内正处于研究阶段，主要是受到页岩储层岩石物理性质不稳定的约束。三口页岩气井，由4家不同单位承担测井工作，其中物性数据、测井数据处理等采用了Forward NET、Techlog等不同版本的测井软件评价，针对同口井4家单位利用不同软件、不同测井公式提供的测井结果差异较大。但因受知识产权制约，各单位都未提供软件技术鉴定文本和处理程序中使用的物理模型及对应的响应方程式。因此，结合页岩气井内丰富的参数实测资料、钻获岩心、岩矿鉴定、化验、测试等成果集成了理论依据充分、物理基础可靠、可操作性强，适合本区的三叠系暗色富有机质泥页岩与粉砂岩等薄夹层含气岩系的综合定性、定厚、定量评价模式，并进行了钻获岩心样品化验测试成果验证和随机抽样，利用规范[1]中的公式进行了人工点数据验证。

1 地质特征

八宝山盆地位于青海省中部东昆仑山腹地，布尔汗布达山主脊以南，东昆仑地质构造带的昆中结合带及其南侧，盆地夹持于昆中及昆南断裂之间，构造线以近东西向为主(图1)。

①-柴达木北缘断裂；②-柴南缘断裂；③-东昆中断裂带；④-东昆南断裂带；⑤-布青山南坡断裂；⑥-玛多-甘德断裂；⑦-瓦洪山走滑断裂图1 东昆仑造山带东段及邻区构造单元划分(据参考文献2修编)Figure 1 Tectonic element partitioning for Kunlun orogenic belt eastern sector and neighboring areas (after reference [2]， modified)

盆地内地层主要出露中—新元古代、三叠纪、侏罗纪、新近纪及第四纪地层。其中上三叠统八宝山组为一套以海陆交互相为主的碎屑岩与火山岩沉积，为本次研究重点对象，分布面积约800km2，厚度在1 000～1 200m，地层走向分布连续，厚度变化稳定，产状平缓(倾角10°～20°)。

2 调查井施工及储层特征

2.1 调查井施工

2016—2019年在青海省八宝山盆地进行页岩气地质调查，沿盆地中轴线施工了三个调查井(图1)，其中八页1井在564m钻穿三叠系八宝山组及洪水川组,测井解释含气层118.82m，共36层；八页2井在1 189.1m钻穿侏罗系羊曲组，三叠系八宝山组、闹仓尖沟组，测井解释出页岩气储层616.2m，共45层；八页3井在1 600m钻穿侏罗系羊曲组及三叠系八宝山组下段，对586.00～1 603.50m进行测井解释，划分出了页岩干层288.36m，共11层。

2.2 储气层特征

通过三口调查井揭露情况，发现上三叠统八宝山组为区内主要烃源岩段，其上段总厚度为350.86m，暗色泥页岩共47层，累计厚度253.87m，泥地比达到72.36%；下段总厚度503.65～591.81m，暗色泥页岩累计厚度为245.16～282.68m，泥地比在47.77%～48.68%。

八宝山组岩性主要为含粉砂细粒长石岩屑砂岩、含炭泥岩、含钙含粉砂泥岩、含泥粉砂岩、含粉砂泥岩、含细砂粉砂岩等。为进一步研究储气层的特征，对八页2井的气层进行详细研究。根据《页岩气勘查开发相关技术规程》(国土资源部)中国陆上页岩气有利层段/区确定条件与下限标准对页岩气层按夹层真厚小于3m的含气层进行合并。共划分出10段页岩气储层(表1)。

3 物理基础与有效参数选择

3.1 物理基础

根据本工作区钻获岩心岩矿鉴定与测试的有机碳含量、化学元素、页岩气储层参数、岩体力学参数、各级含气量等地球化学指标显示八页2井储层岩石骨架基质粒级微细(黏土)，有机碳含量高，孔隙率大，粒间储存大量的结晶水、束缚水及自生自储天然气三者都有较高的氢元素含量，叠加后形成高含氢页岩气层，为满足利用测井资料准确定性页岩气层的地质任务，应用天然放射性元素铀、钍、钾在沉积岩含量与组成岩石岩粒比面积的正相关关系作为目前利用自然伽马参数将沉积碎屑岩划分不同粒级的主要理论依据(图2)。据此不同的地层具有不同的自然放射性强度，这就是应用自然伽马参数研究和解决页岩勘查地质问题的理论基础。

表1 页岩气储层测试成果Table 1 Shale gas reservoir tested results

自然伽马/API图2 八页2井比表面积-自然伽马交会Figure 2 Well BY No.2 specific surface area and gamma-ray log cross plot

3.2 有效参数选择

在3口井中实测了声、电、核、电化学四种系列，多种不同物性参数的测井工作[3]。用规范[1]规定的数学计算公式经Forward、NET测井资料处理系统，斯伦贝谢的Techlog软件的Elan模块；shale gas模块等测井资料专用软件处理后生成的页岩气矿物成分、有机碳含量、总含气量、孔隙率、含泥量、脆性指数、岩石力学5项弹性指数等多种定量评价工业品位指数曲线，通过对每个系列、每种参数、每种方法曲线,结合各种化验测试数据分析对比,找出其在目的层的响应特征和关联性，查清了暗色泥页岩段发育层位、厚度、有机化学特征、地化指标和储集特征,并对其含气性进行评价。在满足测井地质任务的前提下，本论文优选了经济技术合理的自然伽马、电子密度、补偿中子、普通声波与补偿声波、双侧向电阻率作为有效参数参与页岩储层的综合定性、定厚、定量评价。

4 区内目的层的测井响应特征

4.1 地质-地球物理特征

依据3口页岩气井揭露的富含有机质暗色泥页岩段地质单元岩性，参照规范[4]规定，综合确定本盆地页岩气层稳定程度属于不稳定型，主要是厚度、骨架矿物成分、岩屑粒度、颜色变化大。针对特定的地质条件，采用了全系列多参数(方法)综合测井手段。依据地质设计对测井地质任务要求规定，在综合分析目的层及整个含气层岩系有代表性岩层上各种物理量值、曲线幅值、包络体图相特征等物性的基础上，重点调查评价细粒级、深颜色、细砂岩、页岩含有机质目的层；控制盆地各向延展形态的测井相；不同地质年代统、组、段、界线点确定等3项地质任务与各种物性参数的关联性。图3为比较典型的多参数富气黑色页岩气层，其中自然伽马值为119～170API，平均值152API，深侧向视电阻率为66～191Ω·m，中子孔隙度平均值33%，补偿声波时差为232～319μs/m,平均276μs/m；电子密度平均2.29g/cm3，测井计算总含气量10.06m3/t。

从图3可以看出，含气层上部明显的井径突变异常显示有自然裂缝，其中自然伽马参数因其与组成岩石的颗粒大小相关性极强，且受其它钻井、地质环境干扰因素少，参与岩层定性层次分明、层分辨率高。

图4中984～998m厚14m；1 048～1 066m，厚16m的两层厚砂岩体，自然伽马值只有55API，是八页2井地质剖面中的最低值，也是粗砂岩体的典型物性特征，其曲线形态是标准的单参数测井相。

图5表明研究区地层的系、统、组、段在本盆地一般均有较为明显的测井物性特征。

综上，本区地质-地球物理特征受含气层骨架矿物成分及孔隙空间充填物变化大等不稳定的条件影响而造成地球物理特征较为复杂，但总的趋势是目的层呈现高自然伽马、高中子孔隙度、低声波速度、低电阻率、中电子密度。这些岩石物理参数除用于对目的层及其他岩层定性，还可用于建立体积模型，建立测井参数与相关评价指数之间的定量计算方程式，作为计算TOC、含泥量、总含气量、孔隙度的定量评价指数。

4.2 综合推断解释模式

运用自然伽马、补偿中子、电子密度、补偿声波、电阻率5种有效参数一般可对页岩气层做定性识别。多数参数在岩性比较稳定、地质条件较好时就可参与(辅助)定性(定量计算)[5-7]。按照设计任务要求和评价指数计算结果,参照规范[1，8]规定结合本项目的地质、物性特征，拟定了页岩气有利储层分类参考标准如表2所示。

图3 八页2井820～826m综合物性Figure 3 Well BY No.2 depth 820～826m segment comprehensive physical properties

图4 八页2井960～1 080m测井相Figure 4 Well BY No.2 depth 960～1 080m segment logging facies

图5 八页2井不同地层分界点自然伽马与深侧向 电阻率参数响应特征Figure 5 Different stratigraphic interfaces gamma-ray and deep laterolog resistivity parameters response characteristics in well BY No.2注： 地质界线 测井界线

表2 测井解释成果质量标准

5 资料处理与点数据验证

5.1 资料处理

依据规范[1]中处理结果检验等要求，应用自然伽马强度与岩石比面积正相关基础理论(图2)、一元回归法、样品测试值与补偿中子值交会图法、补偿中子实测值分析法进行储层含泥量、有机碳含量、总含气量、总孔隙度4项储层核心定量指数的计算[9-12]，这种解释方法结合了八宝山盆地三叠系储层物性实测参数，并做了数据验证，较目前处理解释方法更具有针对性。具体计算及验证方法如下：

1)泥质含量计算。其计算公式如下：

(1)

式中：Vsh—泥质含量，%；

GR—参与地层自然伽马值，API；

GRmax—纯泥岩自然伽马值，API；

GRmin—纯砂岩层自然伽马值，API。

2)一元回归法求有机碳含量。遵照规范[1]第6.1.5.1线性回归法要求，利用八页2井八宝山组不同深度点采集的197个岩样TOC测试数据与对应深度测井参数中自然伽马、声波时差、电子密度参数进行一元回归分析，建立了解释计算模型：

TOC=23.87+0.02×GR-0.01×AC

-8.86×DEN

(2)

式中：GR—自然伽马值，API；

AC—声波时差，μs/m；

DEN—电子密度，g/cm3；

R—相关系数，取0.78。

在参数与测试样品点对应深度上逐点取值，利用公式(2)计算TOC值，用已知的TOC测试成果验证了计算值，评定测井提交成果的质量等级，制作测井计算值与测试值有机碳交会图，如图6所示。

实测/%6 八页2井有机碳计算值和实测值交会Figure 6 Well BY No.2 computed value and measured value cross plot

3)补偿中子与实测总含气量交会图法。按照规程由八页2井78个岩心样品的实验分析数据得到，总含气量与补偿中子具有较好的正相关关系。把这78个岩心实测总含气量与其对应响应深度的补偿中子做线性回归，得出总含气量计算式：

V总含气=0.024 4e0.198 4CNL

(3)

式中：V总含气—总含气量；CNL—补偿中子；R—相关系数，取0.65。

利用公式(3)进行计算的总含气量值与实测含气值对比做交会图，进行精度验证(图7)。

4)总孔隙度。采用实测补偿中子孔隙度实测得到。

图7 补偿中子与总含气量交会Figure 7 Compensated neutron log and total gas content cross plot

5.2 验证数据分析

通过数学回归法拟合和交会图法得到有机碳以及总含气量的数学模型、自然伽马计算含泥量公式，并利用其对编录的八页2井地质剖面上测井提交的不同垂深的页岩气层上随机抽样18个点，在同深度采集各种相关物性参数物理量[13-16]，计算结果详见表3。

表3 计算点数据验证Table 3 Precalculated position data verification

从表3可以看出，其中有机碳含量与斯伦贝谢处理值比较差3.64%，总含气量比较差值为1.09m3/t，泥质含量差值13.78%。因本次验证使用的计算公式与斯伦贝谢公司理论依据、方法不同，而使用比较差值评价法就较为适宜。孔隙率实际测试值与测井计算值差值较大，其造成的原因是多方面的，岩石骨架孔隙种类有多种，各种测试、测井方法由于机理不同，反映孔隙率角度不同，因此所求的孔隙度也不完全相同。八页2井实测泥页岩的孔隙率只有0.353%～1.12% ，大大降低到常规值下限以下，而补偿中子测井计算页岩气层值超过理论值40%左右，又经与总含气量交会图验证，认为补偿中子孔隙率理论依据较充分。

6 结论

1)基本查清了工作区地质—地球物理特征。发现研究区页岩气储层具有与围岩明显差值的高自然伽马异常，厚层粗砂岩层平滑低伽马异常是地层对比的典型标志层，高补偿中子孔隙(约30%)是典型的页岩气储层母岩体页岩小孔隙度大孔隙率的特征。

2)选择的自然伽马、补偿中子、电子密度、补偿声波、电阻率5种有效参数，能基本满足评价阶段测井综合解释要求。

3)建立了适合人工解释的多参数异常层内幅值差值法组合图像特征，目的层定性、定厚与多元线性回归交会图法，点数据计算核心定量评价指数相结合的综合解释模式。

4)建立了测井专用处理软件(国内Forward、NET，国外Techlog)处理成果点数据验证模式。

致谢 本文在撰写过程中得到青海煤炭地质局弓佩章高级工程师的全程指导，在此表示感谢！