應(yīng)用測井方法計(jì)算泥頁巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

陳柯童，劉華，魯雪松，田華，張寶收，蘆慧，喬柱

（1.中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國石油天然氣集團(tuán)公司盆地構(gòu)造與油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；4.塔里木油田勘探開發(fā)研究院，新疆 庫爾勒 841000；5.東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

應(yīng)用測井方法計(jì)算泥頁巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

陳柯童1，2，劉華1，魯雪松2，3，田華2，3，張寶收4，蘆慧2，5，喬柱1，2

（1.中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國石油天然氣集團(tuán)公司盆地構(gòu)造與油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；4.塔里木油田勘探開發(fā)研究院，新疆 庫爾勒 841000；5.東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）是評價(jià)頁巖氣資源潛力的重要參數(shù)之一。利用測井信息的特殊響應(yīng)，可以快速識別井下泥頁巖地層。依據(jù)大量的實(shí)測數(shù)據(jù)，結(jié)合測井方法計(jì)算泥頁巖TOC，可以有效地篩選富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層段。以塔里木盆地2口井為例，探討測井方法計(jì)算TOC的適用性。研究認(rèn)為：經(jīng)典的△lg R法對高—過成熟階段的海相泥頁巖TOC的計(jì)算并不適用，對中等成熟階段的陸相泥頁巖TOC的計(jì)算具有一定的適用性；對海相、陸相泥頁巖利用U曲線法計(jì)算TOC具有很好的應(yīng)用效果；在缺乏成熟度數(shù)據(jù)的非高—過成熟階段的泥頁巖層段，使用△lg R與U曲線組合法計(jì)算TOC，可以提高計(jì)算值的精確度。

頁巖氣；測井響應(yīng)；有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)；△lg R法；U曲線法；塔里木盆地

0　引言

頁巖氣資源是現(xiàn)在非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)的新熱點(diǎn)［1-3］。我國目前針對頁巖氣的鉆井?dāng)?shù)量有限，對頁巖氣的資源潛力評價(jià)主要從露頭地質(zhì)調(diào)查和老資料復(fù)查等基礎(chǔ)著手，評價(jià)主要包括頁巖的生烴能力、儲(chǔ)集能力和頁巖氣易開采性3個(gè)方面。頁巖中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）反映其有機(jī)質(zhì)豐度和生烴能力，也是評價(jià)頁巖氣資源的一項(xiàng)重要參數(shù)［4-6］。通常采用實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行常規(guī)的TOC分析，由取樣等因素影響得到的是離散的TOC數(shù)據(jù)點(diǎn)。在實(shí)際地質(zhì)條件下，富有機(jī)質(zhì)頁巖通常并不是一整套厚的純泥巖或頁巖，往往含有薄的砂巖、粉砂巖或碳酸鹽巖夾層，具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，單純的采用離散的TOC分析化驗(yàn)數(shù)據(jù)難以表征整個(gè)巖層TOC的平均分布，進(jìn)而會(huì)影響資源量計(jì)算的準(zhǔn)確性［7］。

針對井下不同巖性特征和流體性質(zhì)，其測井信息具有不同的響應(yīng)特征，可以用測井資料來定性地識別富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層段［8］。通過建立不同測井曲線響應(yīng)特征與有機(jī)質(zhì)含量之間的定量關(guān)系，擬合相應(yīng)的測井解釋模型，計(jì)算出縱向連續(xù)的TOC曲線，這樣就可以彌補(bǔ)實(shí)測TOC數(shù)據(jù)分散的不足。自20世紀(jì)80年代以來，已有不少的國內(nèi)外學(xué)者利用連續(xù)高分辨率測井資料在烴源巖評價(jià)以及TOC計(jì)算方法上作出大量研究，并在部分地區(qū)得到良好應(yīng)用與推廣［9-17］。本文主要在前人理論方法的基礎(chǔ)上，探討測井方法計(jì)算泥頁巖TOC在塔里木盆地的應(yīng)用效果。

1　泥頁巖測井響應(yīng)特征

利用測井曲線的形態(tài)和曲線值的相對大小，可以快速直觀的識別井下不同巖性（見表1）。識別泥頁巖層段常用的測井曲線主要包括：自然電位、自然伽馬、地層密度、補(bǔ)償中子、聲波時(shí)差、電阻率、井徑和光電吸收截面指數(shù)等。干酪根一般具有特殊的物理性質(zhì)，在測井曲線上主要表現(xiàn)為“三高兩低”的響應(yīng)特征，即極高的自然伽馬、高聲波時(shí)差、高電阻率、低密度、低光電吸收截面指數(shù)，同時(shí)井徑表現(xiàn)為擴(kuò)徑。富有機(jī)質(zhì)頁巖的測井響應(yīng)特征與普通頁巖有所不同，主要表現(xiàn)出極高的自然伽馬，局部高值的電阻率，以及低的光電吸收截面指數(shù)，這是由局部高豐度的干酪根造成的。

表1　不同巖性測井響應(yīng)特征

2　△lg R法計(jì)算TOC

△lg R方法是利用聲波時(shí)差和電阻率等測井曲線識別和計(jì)算烴源巖層總有機(jī)碳的一種方法。這種方法假設(shè)富含有機(jī)碳的巖石由巖石骨架、固體有機(jī)質(zhì)和孔隙流體3部分組成。而非烴源巖僅由巖石骨架和孔隙流體2部分組成。該方法認(rèn)為，在富有機(jī)質(zhì)巖石中，高含量的有機(jī)物質(zhì)通常具有低聲波速度和高聲波時(shí)差的測井響應(yīng)，而開始成熟的泥頁巖以及生成的烴類流體會(huì)造成電阻率測井值的升高［18-19］。利用巖石對孔隙度測井（一般是聲波測井）和電阻率測井這種特殊的響應(yīng)特征，可以初步識別烴源巖層與非烴源巖層，利用計(jì)算公式，可以得到整個(gè)巖層的TOC變化曲線。

具體步驟為：將聲波時(shí)差測井曲線反向疊加在電阻率曲線上，每一個(gè)電阻率刻度對應(yīng)164 μs/m聲波時(shí)差單位。在細(xì)粒非烴源巖層段，在保持兩坐標(biāo)刻度對應(yīng)的條件下，通過平移某一測井曲線，使聲波時(shí)差曲線與電阻率曲線重合，把這2條曲線重合的部分確定為基線，基線對應(yīng)的聲波時(shí)差值或電阻率值定為基線值。在非烴源巖層段，聲波時(shí)差曲線與電阻率曲線相互重合或者平行。但在烴源巖層段，由于高含量的低密度和低速度（高聲波時(shí)差）的干酪根以及生成烴類流體的存在，會(huì)造成聲波時(shí)差和電阻率曲線出現(xiàn)分離，這2條曲線分離的幅度差定義為△lgR。在沒有油氣生成未成熟的富含有機(jī)質(zhì)的巖石中，2條曲線之間的差異僅僅由聲波時(shí)差曲線響應(yīng)造成；在成熟的烴源巖中，烴類的生成會(huì)使地層中的電阻率增加，使分離的2條曲線間距增大［9］（見圖1）。

圖1　△lg R測井解釋理論模型

根據(jù)聲波時(shí)差、電阻率曲線疊加計(jì)算△lg R：式中：△lg R為2條曲線間的分離幅度差；R為實(shí)測電阻率值，Ω·m；Rb為基線對應(yīng)的電阻率值，Ω·m；△t為實(shí)測的聲波時(shí)差值，μs/m；△tb為基線對應(yīng)的聲波時(shí)差值，μs/m；K為聲波時(shí)差和電阻率的疊合系數(shù)，即每一個(gè)電阻率刻度對應(yīng)的聲波時(shí)差比值，取決于聲波時(shí)差單位（K=0.006 1）。

Passey等經(jīng)過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析后，認(rèn)為TOC與△lg R值是線性關(guān)系，并且是成熟度的函數(shù)，并提出了計(jì)算TOC的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：LOM為熱變指數(shù)（反映有機(jī)質(zhì)成熟度的參數(shù)，可以從埋藏史和熱史評價(jià)或者大量的樣品中分析得到）。

LOM=7對應(yīng)于生油干酪根成熟作用的開始，LOM=12對應(yīng)于生油干酪根過成熟作用的開始。如果成熟度可以確定或估計(jì)，便可通過公式計(jì)算總TOC。

雖然該方法是利用測井資料識別和計(jì)算含有機(jī)質(zhì)巖層總有機(jī)質(zhì)碳的經(jīng)典方法，但也存在以下缺點(diǎn)：1）基線的選擇常帶有一定的主觀因素，通常一口井可能有多個(gè)基線，需要分段選取與計(jì)算［20-21］。2）與源巖無關(guān)的△lg R幅度差可能出現(xiàn)，如烴類儲(chǔ)層、很差的井眼條件、火成巖和蒸發(fā)巖等，但這種異常的層段較易識別和剔除。3）如果LOM估計(jì)不準(zhǔn)確，計(jì)算的總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)就會(huì)存在一定的誤差［21］，只能反映TOC垂向變化幅度。4）在高—過成熟的含氣頁巖層段，計(jì)算得到的TOC與實(shí)測值相比往往偏低［22］。

塔里木盆地是全國頁巖氣資源潛力調(diào)查評價(jià)的重點(diǎn)地區(qū)，其目標(biāo)層系主要為寒武—奧陶系海相泥頁巖和侏羅系陸相煤系頁巖［23］。為了驗(yàn)證△lg R法在塔里木盆地泥頁巖TOC計(jì)算中的適用性，選取具有連續(xù)實(shí)測有機(jī)碳數(shù)據(jù)的YD2井、YN2井為例。YD2井寒武—奧陶系泥頁巖埋深在3 000～5 000 m，實(shí)測鏡質(zhì)體反射率Ro范圍在1.50%～3.20%，屬于高—過成熟泥頁巖。YN2井侏羅系暗色泥頁巖埋深在3 800～4 450 m，實(shí)測Ro范圍在0.78%～1.15%，屬于中等成熟階段。

LOM與Ro之間具有經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式［4］：

由式（3）可得到LOM的取值，代入式（2），分別得出2口井泥頁巖的TOC。對比實(shí)測值與計(jì)算值并計(jì)算相關(guān)系數(shù)（R2），發(fā)現(xiàn)YD2井相關(guān)性較差（R2＜0.400 0），對高實(shí)測TOC值頁巖段（TOC＞4.0%，大部分埋深大于4 650 m），計(jì)算結(jié)果整體偏低（見圖2a），不具有適用性；YN2井相關(guān)系數(shù)R2為0.633 0，數(shù)據(jù)點(diǎn)中間值較為分散，但符合度相對較好（見圖2b），有一定的適用性。

圖2　計(jì)算值與實(shí)測值對比

YD2井海相地層巖性比較穩(wěn)定，聲波時(shí)差和電阻率曲線形態(tài)的變化較平穩(wěn)，基線的確定較為容易；同時(shí)該段地層的鏡質(zhì)體反射率Ro實(shí)測數(shù)據(jù)豐富，并與埋深具有較高的相關(guān)性（R2高達(dá)0.900 0），成熟度參數(shù)LOM的取值誤差較低。造成△lg R方法在YD2井適用性差的原因是塔里木盆地海相頁巖埋深較大、成熟度高，導(dǎo)致在埋藏后期富有機(jī)質(zhì)泥頁巖中已無液態(tài)烴類存在，只有少量的氣態(tài)烴，不足以產(chǎn)生電阻率曲線應(yīng)有的高值，使△lg R值偏小，從而影響到TOC計(jì)算值偏小。該井的試油結(jié)果也表明，海相地層中未發(fā)現(xiàn)液態(tài)烴的存在，只在寒武系地層發(fā)現(xiàn)有薄的差氣層存在。

3　U曲線法計(jì)算TOC

鈾（U）與有機(jī)質(zhì)之間關(guān)系密切［24-26］。早在20世紀(jì)80年代，陳君琪等根據(jù)四川盆地取心實(shí)測TOC與主要由鈾貢獻(xiàn)的自然伽馬強(qiáng)度進(jìn)行回歸分析，來判斷烴源巖的生油條件。Jacobi通過對Barnett頁巖研究發(fā)現(xiàn)，排除磷酸鈣等自生礦物對鈾含量造成的影響后，U曲線值與Barnett頁巖TOC之間具有很好的線性關(guān)系［26］，R2高達(dá)0.900 0。李延鈞等在四川盆地下古生界海相頁巖地層中利用U曲線計(jì)算TOC取得了較好的應(yīng)用效果［16］。通常情況下，頁巖一般形成于水體穩(wěn)定的沉積環(huán)境中，在成巖階段，這種環(huán)境沉積水體的底層含有游離氧，處于氧化環(huán)境；在沉積界面之下，隨著生物殘?bào)w的腐爛分解，沉積物中的游離氧很快被消耗殆盡，并產(chǎn)生較多的H2S，CH4，CO2等組分，從而在海底軟泥層中形成強(qiáng)烈的還原環(huán)境。由于其中黏土顆粒和有機(jī)質(zhì)顆粒的吸附作用，在氧化條件下可溶的U6+會(huì)被迅速的轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢扇艿腢4+，并被吸附在黏土和有機(jī)質(zhì)顆粒中［26］。海相沉積物中鈾的大量沉淀和富集主要在這個(gè)階段完成。這通常導(dǎo)致在富含有機(jī)質(zhì)的泥頁巖中顯示出較高的放射性特征，并在自然伽馬測井曲線上表現(xiàn)出高值。利用鈾與有機(jī)質(zhì)的這種關(guān)系，擬合U值與TOC之間的關(guān)系方程，便可得到縱向連續(xù)分布的TOC曲線。以YD2井和YN2井為例，建立U的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（U）與實(shí)測TOC之間關(guān)系方程（見圖3）。

圖3　實(shí)測TOC-w（U）關(guān)系

從圖3可以看出：YD2井海相泥頁巖的w（U）較陸相頁巖高出很多，并且公式的擬合程度很好，R2達(dá)到0.930 0；YN2井陸相頁巖的U質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較低，公式的擬合程度相對偏低，這與頁巖沉積環(huán)境和有機(jī)質(zhì)類型有關(guān)。YN2井陸相煤系頁巖中有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅲ型干酪根，YD2井海相頁巖有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ型、Ⅱ1型干酪根，并且海相頁巖的沉積環(huán)境相對于陸相更穩(wěn)定，有機(jī)質(zhì)分布的均一性較強(qiáng)。將擬合方程分別應(yīng)用以上2口井，便可得到這2口井TOC縱向變化曲線（見圖4）。

將擬合公式應(yīng)用到鄰近實(shí)測數(shù)據(jù)較少的井段進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)用效果很好。如根據(jù)YD2井?dāng)M合公式，應(yīng)用到TD1井，實(shí)測值與計(jì)算值的R2可達(dá)0.730 0。結(jié)合鄰近井的實(shí)測TOC數(shù)據(jù)與計(jì)算TOC分布曲線，塔里木盆地塔東地區(qū)中下奧陶統(tǒng)的黑土凹組和下寒武統(tǒng)的西大山—西山布拉克組是高TOC泥頁巖發(fā)育的有利層段，庫車坳陷侏羅系的克孜勒努爾組泥頁巖整體TOC較高。高TOC的富有機(jī)質(zhì)頁巖是頁巖氣產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，但頁巖氣的資源潛力評價(jià)還需要考慮埋深、成熟度、儲(chǔ)氣能力和易開采性等因素［27-28］。

4　△lgR與U曲線組合法計(jì)算TOC

在缺乏成熟度數(shù)據(jù)的井段應(yīng)用經(jīng)典的△lg R法計(jì)算泥頁巖TOC比較困難，而單獨(dú)使用U曲線對陸相泥頁巖TOC進(jìn)行擬合計(jì)算，效果往往不如海相的好，因此可以考慮綜合2種參量，針對非高—過成熟的陸相頁巖建立二元參數(shù)模型進(jìn)行TOC擬合計(jì)算。

仍以YN2井為例，根據(jù)實(shí)測TOC數(shù)據(jù)，U曲線數(shù)據(jù)和確定好的 △lg R值，使用多元統(tǒng)計(jì)分析軟件（SPSS）對三者進(jìn)行擬合計(jì)算，得到二元線性公式：

應(yīng)用式（4）計(jì)算YN2井的TOC值，并與實(shí)測TOC值進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)其R2較單獨(dú)使用U曲線略有提升，達(dá)到0.795 0，擬合程度較好。對YN2井應(yīng)用組合法作單井圖，與單獨(dú)使用U曲線法的結(jié)論基本一致，說明這2種方法都有較好的應(yīng)用性。

利用測井資料計(jì)算TOC還有其他的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，比如純粹利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，借助軟件對所有測井曲線進(jìn)行大量的統(tǒng)計(jì)分析，尋求與實(shí)測TOC有相關(guān)性的曲線進(jìn)行公式擬合，建立單井TOC與測井曲線的計(jì)算模型，并分析計(jì)算TOC與實(shí)測TOC相關(guān)性，剔除異常點(diǎn)及修改相關(guān)方程，不斷地相互校正，得出相對高相關(guān)性公式；最后根據(jù)實(shí)際條件可將公式應(yīng)用到沉積條件相近、巖性相同的鄰近井段，或者通過分析多因素對巖性和TOC的控制作用，如密度曲線、聲波曲線、伽馬曲線等，建立二元或多元參數(shù)模型對TOC進(jìn)行擬合計(jì)算。這種方法雖然理論性不強(qiáng)，但應(yīng)用簡便，在油田工作中會(huì)被經(jīng)常使用。使用測井方法計(jì)算泥頁巖TOC，通過TOC的縱向連續(xù)分布曲線可以快速簡便地識別富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層段，進(jìn)而對頁巖氣的勘探選區(qū)起到一定的指導(dǎo)作用。

圖4　U曲線計(jì)算TOC值單井圖

5　結(jié)論

1）利用測井信息的特殊響應(yīng)特征，可以快速識別井下地層巖性特征。經(jīng)典的△lg R法在塔里木盆地中等成熟階段的陸相頁巖具有一定的適用性，不適用于高—過成熟的海相頁巖。

2）頁巖中鈾的富集主要是由于黏土顆粒和有機(jī)物質(zhì)在成巖過程中對鈾的還原和吸附作用。U曲線法在塔里木盆地海相、陸相泥頁巖中均得到很好應(yīng)用。尤其是海相頁巖，由于沉積環(huán)境的穩(wěn)定和有機(jī)質(zhì)分布的均一性較強(qiáng)，使得在海相頁巖中實(shí)測值與計(jì)算值相關(guān)性很高。

3）使用組合法可以綜合考慮多種因素對巖石中TOC的測井響應(yīng)，并提高計(jì)算TOC與實(shí)測TOC的相關(guān)性。測井方法計(jì)算泥頁巖TOC不僅可以節(jié)約成本，更可以快速簡便地得到縱向連續(xù)的TOC計(jì)算值曲線，消除離散取樣對地質(zhì)分析帶來的誤差。不同的方法在不同地區(qū)和深度具有不同的適用性，實(shí)際應(yīng)用中要具體考慮多種因素的影響，使用多種方法進(jìn)行擬合計(jì)算，并對計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)選。

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（編輯付麗麗）

Application of logging method for calculating TOC of mud shale

Chen Ketong1，2，Liu Hua1，Lu Xuesong2，3，Tian Hua2，3，Zhang Baoshou4，Lu Hui2，5，Qiao Zhu1，2
（1.School of Geosciences，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.Key Laboratory of Basin Structure and Hydrocarbon Accumulation，CNPC，Beijing 100083，China；3.Research Institute of Petroleum Exploration&Development，PetroChina，Beijing 100083，China；4.Research Institute of Exploration and Development，Tarim Oilfield Company，PetroChina，Korla 841000，China；5.College of Geoscience，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）

Organic carbon mass fraction is one of the most important parameters for evaluation of the shale gas resources potential. Using the logging information，shale layer can be fast recognized.Based on large quantities of measured data，TOC of marine shale is calculated by using logging method and the favorable shale layers which are rich in organic matters are screened effectively. Taking two wells in Tarim Basin as an example，the applicability for TOC calculation is discussed by using logging methods.The study shows that the classic△lgR method is not fit for TOC calculation of high-over mature marine shale and has certain applicability for medium mature continental shale；while TOC calculation by using uranium logging curve has got good results for marine and continental shale.In the non high-over mature shale interval which is lack of maturity data，a combination of△lgR method and uranium logging curve for TOC calculation can improve the accuracy of calculated value.

shale gas；logging response；organic carbon mass fraction；△lgR method；uranium logging curve method；Tarim Basin

國家油氣重大專項(xiàng)“前陸盆地油氣成藏規(guī)律、關(guān)鍵技術(shù)及目標(biāo)評價(jià)（二期）”（2011ZX05003）；中國石油天然氣股份有限公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目“前陸盆地油氣成藏規(guī)律研究與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)”（2014B-04）

TE132.2

A

10.6056/dkyqt201503017

2014-11-28；改回日期：2015-03-12。

陳柯童，男，1989年生，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榈V產(chǎn)普查與勘探。E-mail：chenketong56@163.com。

引用格式：陳柯童，劉華，魯雪松，等.應(yīng)用測井方法計(jì)算泥頁巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)［J］.斷塊油氣田，2015，22（3）：347-352. Chen Ketong，Liu Hua，Lu Xuesong，et al.Application of logging method for calculating TOC of mud shale［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2015，22（3）：347-352.