松遼盆地深層陸相頁巖儲(chǔ)層測井評(píng)價(jià)：以國際大陸科學(xué)鉆探為例

韓雙彪，杜欣，白松濤，王成善

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京，100083；2.中國石油集團(tuán)測井有限公司，陜西 西安，710077；3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083)

經(jīng)過10 多年的頁巖氣勘探開發(fā)和研究，我國頁巖氣產(chǎn)業(yè)取得了矚目的成就[1-3]。2020年，國內(nèi)頁巖氣產(chǎn)量再創(chuàng)新高，達(dá)200×108m3，位居世界前列。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，“雙碳”目標(biāo)被提出，頁巖氣開采迎來了前所未有的機(jī)遇[4-5]。目前，頁巖氣的勘探與開發(fā)逐步邁向深層領(lǐng)域，深層頁巖氣是當(dāng)前頁巖氣勘探開發(fā)的一個(gè)重要方向[6-7]。我國深層頁巖具有分布面積大、保存條件好、頁巖氣資源潛力大的特征，在四川盆地、鄂爾多斯盆地、松遼盆地、渤海灣盆地以及南華北盆地等都分布有資源豐富的深層頁巖氣資源[6]。其中，松遼盆地是我國重要的含油氣盆地，歷經(jīng)了半個(gè)多世紀(jì)的常規(guī)油氣開采，又在該盆地陸相頁巖油氣領(lǐng)域取得了新的突破。目前，在松遼盆地北部、南部均探明存在頁巖油氣[8]，為松遼盆地頁巖油氣勘探開發(fā)指明了新方向。應(yīng)用測井技術(shù)手段評(píng)價(jià)頁巖儲(chǔ)層是一種重要且有效的方法。在頁巖氣勘探開發(fā)的不同階段，測井技術(shù)及其解釋評(píng)價(jià)方法能夠快速、高效地分析儲(chǔ)層以及對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行較準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。我國對(duì)海相頁巖儲(chǔ)層測井評(píng)價(jià)進(jìn)行了大量研究，取得了許多成果，有效地指導(dǎo)和支撐了海相頁巖氣的勘探與開發(fā)，但在陸相頁巖氣測井評(píng)價(jià)方面還處在發(fā)展階段，針對(duì)深層頁巖氣測井評(píng)價(jià)方面的技術(shù)研究有待加強(qiáng)，尚未形成一套適合中國深層陸相頁巖氣儲(chǔ)層測井評(píng)價(jià)方法體系，制約了對(duì)深層陸相頁巖氣儲(chǔ)層巖性、物性、含氣性、脆性以及可壓裂性等特征的有效評(píng)價(jià)。

本文以松遼盆地大陸科學(xué)鉆探井——松科2井沙河子組深層頁巖儲(chǔ)層為研究對(duì)象。該井鉆完井資料、巖心及測井資料齊全，在鉆遇3 350 m以深的沙河子組地層中多次出現(xiàn)氣測異常，且層數(shù)較多，累計(jì)厚度大，甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，顯示出松遼盆地深層具有廣闊的非常規(guī)天然氣資源開發(fā)前景，同時(shí)為研究深層陸相頁巖氣提供了良好的條件。本文作者基于國內(nèi)外針對(duì)陸相頁巖氣測井識(shí)別與評(píng)價(jià)的實(shí)踐，運(yùn)用常規(guī)測井和特殊測井技術(shù)，采用測井曲線疊合法和交會(huì)圖法識(shí)別沙河子組深層頁巖含氣儲(chǔ)層，結(jié)合測井、錄井資料以及巖心實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)對(duì)比分析，預(yù)測解釋含氣頁巖儲(chǔ)層的總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、孔隙度、滲透率、脆性以及總含氣量等參數(shù)，系統(tǒng)地對(duì)松科2井沙河子組深層頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行測井解釋和評(píng)價(jià)，優(yōu)選出有利的頁巖含氣層段，為松遼盆地深層陸相頁巖氣的勘探與開發(fā)提供參考。

1 地質(zhì)概況

布置松科2井是松遼盆地大陸科學(xué)鉆探工程第二階段任務(wù)。科鉆井位于中央坳陷區(qū)的徐家圍子斷陷宋站鼻狀構(gòu)造帶上[9-11]，完鉆井深7 018 m，獲取了完整的沙河子組地層巖心。氣測錄井顯示，松科2 井沙河子組3 350 m 深地層中出現(xiàn)氣測異常層段118 層，累計(jì)厚度達(dá)268 m，氣測異常層段全烴和甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯呈高值，顯示出較高的含氣性[11-12](圖1，其中，φ為體積分?jǐn)?shù)，w為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。松科2 井所處的徐家圍子斷陷分布面積廣，地層厚度大，斷陷呈南北展布，沉積地層主要包括下白堊統(tǒng)火石嶺組、沙河子組、營城組、登婁庫組和泉頭組等(圖1)。沙河子組形成于斷陷的鼎盛時(shí)期，發(fā)育有平原沼澤、半深湖—湖相、扇三角洲以及辮狀河三角洲等陸相沉積類型，以湖相細(xì)粒碎屑沉積為主[12]。沙河子組非常規(guī)天然氣儲(chǔ)層分布面積廣，儲(chǔ)量豐富，勘探起步較晚，是松遼盆地深層重要的油氣開發(fā)層位。

本文選取沙河子組3 700～4 500 m 層段的頁巖含氣儲(chǔ)層為研究對(duì)象。該層段巖性以黑色、灰黑色砂泥巖混層為主，發(fā)育有砂巖、粉砂巖、頁巖、礫巖，夾有煤層等。頁巖儲(chǔ)層較為致密，有機(jī)質(zhì)豐度高，以陸源輸入的腐殖型有機(jī)質(zhì)為主，在熱演化階段更傾向于生成烴類氣體，干酪根類型主要是II2型和Ⅲ型，有機(jī)質(zhì)進(jìn)入高成熟階段和過成熟階段[13]。沙河子組頁巖主要由黏土礦物、石英和斜長石等礦物組成，黏土礦物以伊蒙混層和伊利石為主，脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)以石英和方解石為主，還有鉀長石、菱鐵礦、黃鐵礦等。沙河子組3 700～4 500 m層段的頁巖儲(chǔ)層多次出現(xiàn)氣測異常，基于測井?dāng)?shù)據(jù)解釋結(jié)果顯示，部分頁巖層段平均w(TOC)在2%以上，頁巖儲(chǔ)層總含氣量在1.79～2.57 m3/t之間，具有頁巖氣勘探開發(fā)的潛力。本文結(jié)合測井?dāng)?shù)據(jù)和巖心資料，開展沙河子組3 700～4 500 m 層段的頁巖儲(chǔ)層測井評(píng)價(jià)，對(duì)深層頁巖氣的勘探與開發(fā)具有重要價(jià)值。

2 頁巖儲(chǔ)層測井識(shí)別

含氣頁巖儲(chǔ)層的測井響應(yīng)特征明顯，與普通頁巖層相比，含氣頁巖儲(chǔ)層在測井曲線上通常表現(xiàn)為“高自然伽馬、高電阻率、高補(bǔ)償中子、高聲波、低密度、低光電吸收截面指數(shù)”的“四高兩低”特征[14-16]。松科2 井沙河子組主要以砂巖、粉砂巖、頁巖為主，通過測井曲線疊合法和交會(huì)圖法可以初步識(shí)別出頁巖含氣儲(chǔ)層。

2.1 測井曲線疊合法

常規(guī)測井曲線的疊合可以有效地識(shí)別出地層巖性。選取對(duì)頁巖敏感的自然伽馬(GR)、無鈾伽馬(KTH)、電阻率(RT)、深側(cè)向電阻率(RLLD)、聲波時(shí)差(AC)、補(bǔ)償中子(CNL)、密度(DEN)等參數(shù)，進(jìn)行組合分析以識(shí)別頁巖和劃分頁巖含氣層。

沙河子組頁巖儲(chǔ)層具有自然伽馬高、聲波時(shí)差高、密度高、深淺側(cè)向電阻率偏低的特點(diǎn)，通過對(duì)測井曲線的疊合，觀察不同巖性和含氣層段的幅度差異，從而定性識(shí)別出頁巖氣儲(chǔ)層[17]。松科2井沙河子組頁巖測井曲線疊合圖(4 050～4 150 m)如圖2所示，RT-AC 曲線反相重疊顯示出曲線分離的特征，在頁巖含氣層段電阻率和聲波時(shí)差都偏大。AC-DEN，GR-DEN和GR-AC曲線疊合正偏差明顯，在氣測異常層段正偏差明顯增大，表明頁巖層段含有烴類氣體。同時(shí)，在陣列聲波測井曲線中，泊松比-體積模量曲線反向交會(huì)刻度在頁巖含氣層段出現(xiàn)包絡(luò)交會(huì)，當(dāng)頁巖層含氣時(shí)，泊松比和體積模量都會(huì)相應(yīng)地減小[18-19]。波速比-縱波時(shí)差曲線疊合也出現(xiàn)包絡(luò)交會(huì)，在含氣層段縱波時(shí)差增大，縱橫波速度比減小，波速比-縱波時(shí)差曲線疊合出現(xiàn)的包絡(luò)面積越大，含氣飽和度越高[20]。

2.2 測井參數(shù)交會(huì)圖法

針對(duì)松科2井深層陸相頁巖儲(chǔ)層，選取對(duì)頁巖響應(yīng)敏感的參數(shù)進(jìn)行交會(huì)識(shí)別。選取的參數(shù)有自然伽馬、深淺側(cè)向電阻率、聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子和密度等，如圖3所示。頁巖相較于砂巖、砂礫巖，自然伽馬值較高、電阻率高，聲波時(shí)差值、密度偏低。含氣頁巖與普通頁巖相比，電阻率明顯偏高，密度偏高，聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子則相對(duì)偏低(表1)。相比于海相、海陸過渡相頁巖含氣儲(chǔ)層，沙河子組深層陸相頁巖含氣儲(chǔ)層的自然伽馬值較低，GR在72～116 API之間；地層電阻率也偏低，多分布在6～132 Ω·m范圍內(nèi)。根據(jù)松科2井沙河子組頁巖交會(huì)識(shí)別圖版，發(fā)現(xiàn)自然伽馬、電阻率、密度對(duì)含氣頁巖儲(chǔ)層識(shí)別效果明顯，聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子等的識(shí)別效果次之(圖4)。

表1 沙河子組不同巖性測井參數(shù)響應(yīng)特征Table 1 Response characteristics of logging parameters of different lithology in Shahezi formation

3 頁巖儲(chǔ)層測井解釋

3.1 總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)預(yù)測

總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(TOC))是反映有機(jī)質(zhì)豐度的核心指標(biāo)，是頁巖氣藏形成的重要地質(zhì)條件之一，作為衡量生烴潛力和生烴量的關(guān)鍵參數(shù)。w(TOC)反映了烴源巖的生烴潛力，對(duì)頁巖含氣量有直接影響[21-23]。結(jié)合松科2井沙河子組頁巖巖心和測井?dāng)?shù)據(jù)資料，對(duì)巖心實(shí)驗(yàn)w(TOC)進(jìn)行分析，采用DeltaLogR 模型計(jì)算w(TOC)以及采用元素俘獲測井?dāng)?shù)據(jù)回歸分析w(TOC)。采用DeltaLogR 模型計(jì)算w(TOC)公式如下[24]：

式中：w(TOC)為總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Rt為實(shí)測電阻率，Ω·m；Rsh為非烴源巖層對(duì)應(yīng)電阻率測井值，Ω·m；K為疊合系數(shù)，研究區(qū)K=0.02；tAC為聲波時(shí)差測井值，μs/m；tACsh為非烴源巖層對(duì)應(yīng)的聲波時(shí)差測井值，μs/m；LOM為有機(jī)質(zhì)成熟度指數(shù)，研究區(qū)LOM=12。

用DeltaLogR 模型計(jì)算w(TOC)，研究區(qū)沙河子組頁巖儲(chǔ)層K為0.02，LOM為12。采用DeltaLogR 模型計(jì)算所得w(TOC)曲線和實(shí)驗(yàn)巖心分析所得w(TOC)曲線對(duì)比顯示(圖5)，采用DeltaLogR 模型計(jì)算所得w(TOC)與實(shí)測巖心所得w(TOC)存在較大差別，吻合度較低。由于傳統(tǒng)的DeltaLogR 模型計(jì)算w(TOC)中的不確定參數(shù)較多，在復(fù)雜儲(chǔ)層礦物成分、黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)、顆粒間壓實(shí)程度等影響下，聲波時(shí)差變化較大，電阻率也易受黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，不能有效地反映有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)引起的變化趨勢，存在一定的局限性和經(jīng)驗(yàn)性[25]。而采用元素回歸分析所得w(TOC)與實(shí)驗(yàn)巖心測試結(jié)果對(duì)比顯示其吻合度較高，可以用來預(yù)測沙河子組頁巖的總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(圖5)，其中，T2為核磁共振測井中的橫向弛豫時(shí)間。元素回歸分析w(TOC)具體方法[26]如下：

式中：w(TOC)為總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；w(Fe)，w(Si)和w(Ca)分別為鐵、硅和鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

元素回歸w(TOC)分析結(jié)果顯示，研究區(qū)沙河子組3 700～4 500 m層段的w(TOC)局部呈高值，最高可達(dá)17.70%。其中，3 750～3 850 m 和4 000～4 150 m 的層段平均w(TOC)在2%以上，頁巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，具有頁巖氣勘探開發(fā)的潛力。

3.2 物性特征

3.2.1 孔隙度

頁巖孔隙是儲(chǔ)存油氣的重要空間，頁巖儲(chǔ)層微觀納米級(jí)孔隙發(fā)育，孔隙度通常較低。頁巖孔隙度會(huì)影響頁巖氣的賦存狀態(tài)，對(duì)頁巖氣的儲(chǔ)集性能起著重要的作用[27-28]。計(jì)算頁巖儲(chǔ)層孔隙度，通常采用的方法有單孔隙度測井法、巖心刻度法、中子密度交會(huì)法、定骨架密度法等方法[29-31]，考慮到巖層中礦物組分的多樣性，不同礦物組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，以及陸相頁巖孔隙受熱演化過程影響等特點(diǎn)[32]，選擇采用改進(jìn)的變骨架密度法計(jì)算頁巖儲(chǔ)層孔隙度參數(shù)。由元素俘獲能譜測井方法得到黏土礦物、石英、鉀長石、斜長石、方解石、黃鐵礦以及菱鐵礦等礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，計(jì)算巖石的骨架密度，再結(jié)合巖石中的流體密度和測井補(bǔ)償密度計(jì)算巖石孔隙度，具體公式如下[26]：

式中：ρmatrix為巖石的骨架密度，g/cm3；Vi為礦物i的組分體積分?jǐn)?shù)，%；ρi為礦物i的骨架密度，g/cm3。

式中：Φ為巖層孔隙度；ρmatrix為巖石的骨架密度；ρf為巖層中的流體密度，g/cm3；ρDEN為補(bǔ)償密度，g/cm3。

采用變骨架密度法所得計(jì)算結(jié)果顯示，松科2井沙河子組頁巖含氣儲(chǔ)層的孔隙度范圍為0.28%～8.41%，平均為2.04%，整體上孔隙度偏低。與實(shí)驗(yàn)巖心孔隙度相比，采用變骨架密度法測得的孔隙度吻合度較高，能夠反映出松科2井沙河子組深層陸相頁巖儲(chǔ)層在縱向上的孔隙度變化趨勢(圖5)。其中，3 750～3 900 m 層段孔隙度平均值在4%以上，4 300～4 500 m 層段孔隙度平均值為3.5%左右。

結(jié)合巖心核磁共振實(shí)驗(yàn)分析，檢測出飽水和烘干條件下巖樣的T2弛豫時(shí)間，測算出樣品中的含水量，然后測算出孔隙度[33]。利用標(biāo)準(zhǔn)樣品對(duì)完全飽和巖樣測得的T2譜進(jìn)行刻度，將信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成孔隙度，轉(zhuǎn)換公式如下：

式中：Mi為巖樣第i個(gè)T2分量的核磁共振T2譜幅度；Mb為標(biāo)準(zhǔn)樣品T2譜的總幅度；Sb為標(biāo)準(zhǔn)樣品在NMR 數(shù)據(jù)采集時(shí)的掃描次數(shù)；s為巖樣在NMR數(shù)據(jù)采集時(shí)的掃描次數(shù)；Gb為標(biāo)準(zhǔn)樣品在NMR數(shù)據(jù)采集時(shí)的接收增益；g為巖樣在NMR 數(shù)據(jù)采集時(shí)的接收增益；Vb為標(biāo)準(zhǔn)樣品總含水量，cm3；V為巖樣的體積，cm3。

經(jīng)計(jì)算，沙河子組頁巖樣品的孔隙度分布在2.74%～8.45%之間，孔隙度平均值為5.26%。將核磁計(jì)算的孔隙度與實(shí)驗(yàn)巖心孔隙度進(jìn)行對(duì)比，核磁計(jì)算的孔隙度與實(shí)驗(yàn)巖心孔隙度吻合度不高。其原因可能是沙河子組陸相頁巖黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，在樣品長時(shí)間飽水下，黏土?xí)?dǎo)致頁巖樣品的核磁孔隙度發(fā)生變化；其次是飽水條件下會(huì)影響頁巖孔隙水中吸附態(tài)和自由態(tài)水的比例，而吸附態(tài)和自由態(tài)水的比例主要由孔隙的直徑和形狀決定[34-36]。經(jīng)與實(shí)驗(yàn)巖心孔隙度對(duì)比，核磁孔隙度也體現(xiàn)出沙河子組頁巖低孔隙度的特征。

由于單一的孔隙度計(jì)算方法不能準(zhǔn)確地反映頁巖儲(chǔ)層孔隙度的真實(shí)情況，將變骨架密度法計(jì)算所得孔隙度、實(shí)驗(yàn)巖心孔隙度和巖心核磁孔隙度進(jìn)行綜合對(duì)比分析。以實(shí)驗(yàn)巖心孔隙度為基準(zhǔn)，將變骨架密度法計(jì)算所得孔隙度和巖心核磁孔隙度分別與實(shí)驗(yàn)巖心孔隙度擬合對(duì)比，結(jié)果顯示變骨架密度法計(jì)算所得孔隙度與實(shí)驗(yàn)巖心孔隙度吻合度最高，故利用測井?dāng)?shù)據(jù)通過變骨架密度法計(jì)算所得的孔隙度確立為沙河子組頁巖儲(chǔ)層孔隙度，計(jì)算結(jié)果顯示在沙河子組3 700～4 500 m 層段，頁巖儲(chǔ)層的孔隙度分布在0.28%～8.45%之間，孔隙度平均值為4.60%。其中在3 750～3 900 m 頁巖含氣層段的孔隙度平均值在4%以上，4 300～4 500 m頁巖含氣層段孔隙度平均值為3.5%左右。

3.2.2 滲透率

滲透率是評(píng)價(jià)頁巖儲(chǔ)層滲透能力的關(guān)鍵參數(shù)，采用測井方法準(zhǔn)確計(jì)算頁巖儲(chǔ)層滲透率比較困難。頁巖儲(chǔ)層具有低孔、低滲的致密特性，常規(guī)方法難以準(zhǔn)確計(jì)算其滲透率[31,37-39]。核磁共振測井不受巖石骨架的影響，適用于中低孔隙的巖性，能夠靈敏地反映地層復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)和束縛流體以及可動(dòng)流體的特征。利用核磁共振測井參數(shù)建立儲(chǔ)集層滲透率模型，可以較好地反映頁巖儲(chǔ)層滲透率特征。本文采用Coates 模型，在確定核磁共振T2 截止值后，通過可動(dòng)流體和束縛流體體積計(jì)算滲透率[40-41]。Coates模型滲透率計(jì)算公式如下：

式中：K為Coates 模型的核磁滲透率，10-3μm2；Cn1，a和b為模型參數(shù)，由相應(yīng)地區(qū)的巖樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析求得；Φnmr為核磁共振孔隙度，%；Φnmrm為核磁可動(dòng)流體孔隙度，%；Φnmrb為核磁束縛流體孔隙度，%。

根據(jù)沙河子組頁巖巖樣實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，將核磁共振測量的可動(dòng)流體孔隙度和束縛流體孔隙度、核磁孔隙度以及常規(guī)滲透率代入Coates模型中，反推出巖樣滲透率系數(shù)，并進(jìn)行系數(shù)優(yōu)化。得出在Coates 模型滲透率計(jì)算公式中，地區(qū)參數(shù)Cn1為4，a為4，b為2。核磁共振測井計(jì)算顯示，沙河子組3 700～4 500 m 層段頁巖儲(chǔ)層的滲透率分布在(0.002～0.509)×10-3μm2之間，平均為0.081×10-3μm2，滲透率整體上偏低，符合沙河子組頁巖儲(chǔ)層超低孔隙度低滲透率的特征。

3.3 脆性分析

脆性對(duì)于頁巖氣儲(chǔ)層的可壓裂性具有決定性作用，是評(píng)價(jià)儲(chǔ)層巖石力學(xué)特征的一個(gè)重要參數(shù)[42]。頁巖的脆性直接影響頁巖儲(chǔ)層在壓裂過程中誘導(dǎo)裂縫的形成，影響頁巖的壓裂效果，在一定程度上決定著頁巖氣的產(chǎn)量[43-44]。對(duì)脆性進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法主要有地球物理測井法、礦物組分分析法、巖石力學(xué)參數(shù)法和壓裂實(shí)驗(yàn)等[45-46]。采用陣列聲波測井、元素俘獲測井和全巖礦物X 射線衍射分析對(duì)松科2 井沙河子組頁巖儲(chǔ)層儲(chǔ)層脆性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.3.1 礦物組分分析法

根據(jù)元素俘獲測井以及全巖礦物X 射線衍射分析，沙河子組頁巖儲(chǔ)層礦物組分主要以黏土礦物和石英為主，其次為鉀長石、斜長石、方解石、菱鐵礦和黃鐵礦等。在3 700～4 500 m 層段的頁巖儲(chǔ)層中，黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，為20.4%～64.7%，平均值達(dá)45.61%，主要以伊利石和伊蒙混層為主；石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，為20.9%～57.3%，平均為30.98%；鉀長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～5.3%，平均為0.49%；斜長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%～50.3%，平均為21.42%；方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%～19.6%，平均為1.07%；黃鐵礦和菱鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，部分層段幾乎為0(圖6)。本文采用礦物組分法計(jì)算頁巖儲(chǔ)層的脆性指數(shù)來評(píng)價(jià)脆性，以石英、方解石為脆性礦物，其余礦物為黏土礦物、石英、鉀長石、斜長石、菱鐵礦、方解石以及黃鐵礦，計(jì)算公式如下：

式中：IB為脆性指數(shù)；wqa為石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；wca為方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；wcl為黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；wpy為黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；wsd為菱鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

計(jì)算結(jié)果表明，沙河子組頁巖儲(chǔ)層脆性指數(shù)分布范圍為26.41%～65.04%，脆性指數(shù)平均值為41.28%，頁巖儲(chǔ)層整體上脆性較強(qiáng)，利于后期壓裂造縫和開采。其中，3 800～3 950 m 和4 200～4 350 m 脆性指數(shù)較高，可壓裂性較好。結(jié)合巖心實(shí)測結(jié)果對(duì)比分析(圖7)，礦物組分法所得的脆性指數(shù)與巖心實(shí)測的脆性指數(shù)吻合度較高。需注意的是，礦物組分法主要考慮脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，沒有考慮顆粒粒徑和顆粒之間的接觸關(guān)系對(duì)脆性的影響。

3.3.2 巖石力學(xué)參數(shù)法

巖石力學(xué)參數(shù)法主要是通過陣列聲波測井得到彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)，建立脆性指數(shù)計(jì)算模型，以評(píng)價(jià)頁巖儲(chǔ)層脆性。國內(nèi)外學(xué)者通過對(duì)頁巖儲(chǔ)層大量開采后發(fā)現(xiàn)，在一般情況下，彈性模量越高、泊松比越低的頁巖脆性越好，壓裂后更容易形成裂縫[47]。本文采用RICKMAN等[48]得出的歸一化的彈性模量和泊松比等參數(shù)來評(píng)價(jià)頁巖儲(chǔ)層脆性指數(shù)，具體計(jì)算公式如下：

式中：IBRi為Rickman 歸一化脆性指數(shù)，%；Es為彈性模量，MPa；Vs為泊松比；Emax為頁巖彈性模量上限，MPa；Emin為頁巖彈性模量下限，MPa；Vmax為頁巖泊松比上限；Vmin為頁巖泊松比下限。

根據(jù)沙河子組頁巖儲(chǔ)層的陣列聲波測井資料，彈性模量的上、下限分別為65 GPa 和15 GPa，泊松比的上、下限為0.36和0.06。經(jīng)計(jì)算，利用測井資料計(jì)算的脆性指數(shù)分布范圍為19.86%～67.87%，脆性指數(shù)平均值為48.43%，隨著深度增加，脆性指數(shù)有逐漸變大的趨勢。

綜合對(duì)比分析礦物組分法計(jì)算的脆性指數(shù)、巖心實(shí)測脆性指數(shù)以及巖石學(xué)參數(shù)法計(jì)算的脆性指數(shù)(圖7)，巖石力學(xué)參數(shù)法計(jì)算的脆性指數(shù)與巖心實(shí)測脆性指數(shù)吻合度較高，對(duì)比顯示出松科2井沙河子組頁巖儲(chǔ)層整體上脆性較好，其中，3 800～3 950 m和4 200～4 350 m脆性指數(shù)較高，利于后期的壓裂改造，是實(shí)現(xiàn)有效開采的潛力層段。

4 含氣頁巖儲(chǔ)層測井綜合評(píng)價(jià)

松科2 井沙河子組3 700～4 500 m 層段的頁巖儲(chǔ)層測井響應(yīng)特征明顯(圖8)。綜合常規(guī)測井和特殊測井響應(yīng)特征分析，含氣頁巖層段具有高自然伽馬、高電阻率、低聲波時(shí)差、低密度、低補(bǔ)償中子等特征。自然伽馬能譜測井顯示，頁巖儲(chǔ)層整體上釷(Th)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較高，釷(Th)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測井值平均值為9.09×10-6，反映了沙河子組頁巖黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的特征；鈾(U)、鉀(K)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)則相對(duì)較小，鈾(U)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測井值平均為2.39×10-6，鉀(K)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測井平均值為2.48×10-6。頁巖層的黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，含有砂泥質(zhì)顆粒，比表面積較大，對(duì)地層中的放射性元素鈾(U)、釷(Th)、鉀(K)等的吸附性較強(qiáng)，自然伽馬測井和無鈾伽馬測井值也相對(duì)砂礫巖偏高。核磁共振測井T2 譜顯示，頁巖層段主要以連續(xù)雙峰型為主，振幅較大，且大部分左峰幅度大于右峰幅度(圖8)。核磁共振測井橫向弛豫時(shí)間T2幾何平均值介于2～3 ms之間，弛豫時(shí)間低于20 ms，反映了頁巖儲(chǔ)層可動(dòng)流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，孔隙的束縛水質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，孔隙表面以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非均質(zhì)性較強(qiáng)[49-50]。在陣列聲波測井曲線中，泊松比-體積模量以及橫縱波比值-縱波時(shí)差曲線交會(huì)顯示，在頁巖含氣層段出現(xiàn)包絡(luò)面交會(huì)，指示頁巖儲(chǔ)層具有含氣的特征。

沙河子組頁巖儲(chǔ)層為陸相沉積，與海相、海陸過渡相頁巖儲(chǔ)層對(duì)比，常規(guī)測井響應(yīng)特征差異明顯(圖9)。以四川盆地東南緣焦石壩奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組海相頁巖儲(chǔ)層和渤海灣盆地冀中坳陷石炭系太原組—二疊系山西組海陸過渡相頁巖儲(chǔ)層為例進(jìn)行對(duì)比分析[51-52]，海相頁巖含氣儲(chǔ)層自然伽馬值均大于150 API，鈾(U)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值高于10×10-6，聲波時(shí)差值平均為256 μs/m，密度平均為2.55 g/cm3；電阻率變化范圍較大，整體上較高。海相頁巖含氣儲(chǔ)層在常規(guī)測井曲線響應(yīng)中表現(xiàn)出高自然伽馬測量值、高鈾、高電阻率、高聲波時(shí)差、低無鈾伽馬測量值、低補(bǔ)償中子測量值、低密度、低光電吸收截面指數(shù)等特征[14,53]。海陸過渡相頁巖含氣儲(chǔ)層自然伽馬值平均為128 API，鈾(U)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為8.90×10-6，聲波時(shí)差值平均為265 μs/m，密度平均為2.43 g/cm3，補(bǔ)償中子測量值平均為24.48%；電阻率變化范圍較大，含氣頁巖儲(chǔ)層表現(xiàn)出電阻率高的特征。海陸過渡相頁巖在常規(guī)測井響應(yīng)特征中表現(xiàn)出高自然伽馬、高鈾、高電阻率、高聲波時(shí)差、低補(bǔ)償中子測量值、低密度等的特征。而沙河子組陸相頁巖含氣儲(chǔ)層相較于海相儲(chǔ)層，自然伽馬值、補(bǔ)償中子測量值、鈾(U)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和聲波時(shí)差都偏低，電阻率變化范圍較小，無鈾伽馬值偏高。沙河子組為斷陷湖盆沉積，有機(jī)質(zhì)主要以腐殖型為主，局部為腐殖腐泥型，頁巖主要由黏土礦物、石英和長石等造巖礦物組成，黏土礦物中伊蒙混層質(zhì)量分?jǐn)?shù)高。而奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組頁巖為海相陸棚沉積，有機(jī)質(zhì)來源于海洋浮游生物和藻類等，有機(jī)質(zhì)品質(zhì)較高，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)也明顯比沙河子組頁巖的高，自然伽馬測井值、鈾(U)質(zhì)量分?jǐn)?shù)相應(yīng)偏高。

對(duì)比于海相、海陸過渡相頁巖儲(chǔ)層測井響應(yīng)特征與評(píng)價(jià)方法，沙河子組深層陸相頁巖巖性識(shí)別難度較大，尤其是對(duì)于泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的頁巖、粉砂巖、細(xì)砂巖等，需要結(jié)合更多的測井參數(shù)交會(huì)識(shí)別以及特殊測井技術(shù)方法如電成像、元素俘獲測井等進(jìn)行評(píng)價(jià)。在測井資料中，對(duì)w(TOC)響應(yīng)較敏感的參數(shù)如電阻率、聲波時(shí)差、鈾、自然伽馬等由于受陸相頁巖儲(chǔ)層礦物成分、黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)、顆粒間壓實(shí)程度等因素影響較大，采用傳統(tǒng)的DeltaLogR 模型計(jì)算w(TOC)不能有效地反映頁巖儲(chǔ)層特征，需要進(jìn)一步采用元素俘獲測井方法進(jìn)行模型擬合分析解釋；對(duì)于陸相頁巖的物性，相較于海相、過渡相頁巖儲(chǔ)層，通過測井模型解釋分析難度更大，常規(guī)測井解釋結(jié)果與實(shí)驗(yàn)巖心分析結(jié)果吻合度較低，需要進(jìn)一步結(jié)合特殊測井方法如元素俘獲能譜測井、核磁共振測井等技術(shù)方法進(jìn)行科學(xué)、合理的解釋。

結(jié)合常規(guī)測井和特殊測井技術(shù)進(jìn)行解釋分析，能夠較準(zhǔn)確地識(shí)別沙河子組頁巖含氣儲(chǔ)層。測井解釋的總含氣量顯示(圖8)，沙河子組3 700～4 500 m 頁巖儲(chǔ)層的總含氣量在1.79～2.57 m3/t 之間，總含氣量平均為2.01 m3/t。在頁巖儲(chǔ)層總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(TOC))、孔隙度、滲透率、脆性指數(shù)及總含氣量分析的基礎(chǔ)上，參照DZ/T 0254—2014“頁巖氣資源儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范”、Q/SY 1847—2015“頁巖氣測井評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范”以及GB/T 31483—2015“頁巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)方法”等標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步結(jié)合松科2 井沙河子組頁巖儲(chǔ)層特征，將w(TOC)大于1%、孔隙度大于2%、滲透率大于0.005×10-3μm2、脆性指數(shù)大于45%以及總含氣量大于1 m3/t作為研究區(qū)含氣頁巖儲(chǔ)層的下限標(biāo)準(zhǔn)，以此對(duì)沙河子組3 700～4 500 m 層段頁巖氣儲(chǔ)層進(jìn)行分類與評(píng)價(jià)(表2)，篩選出3 722～3 762 m層段、3 820～3 860 m 層段、4 100～4 150 m 層段以及4 400～4 460 m 層段為Ⅰ類含氣儲(chǔ)層，3 890～3 940 m層段、4 220～4 280 m 層段和4 320～4 360 m 層段為II類含氣儲(chǔ)層，儲(chǔ)層具有頁巖氣資源的開發(fā)潛力。

表2 沙河子組頁巖含氣儲(chǔ)層分類表Table 2 Classification of gas-bearing shale reservoir in Shahezi formation

5 結(jié)論

1) 沙河子組3 700～4 500 m 深層陸相頁巖含氣儲(chǔ)層具有自然伽馬高、電阻率高、鈾(U)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低、聲波時(shí)差低、密度低、補(bǔ)償中子測量低等特征。運(yùn)用常規(guī)測井曲線疊合法和交會(huì)圖法能夠識(shí)別出頁巖及頁巖含氣儲(chǔ)層，其中自然伽馬、電阻率、聲波時(shí)差、中子和密度測井曲線對(duì)頁巖層的敏感度較高，識(shí)別效果良好。

2) 采用巖心實(shí)驗(yàn)w(TOC)測試、DeltaLogR 模型計(jì)算w(TOC)以及元素俘獲測井?dāng)?shù)據(jù)回歸分析w(TOC)，發(fā)現(xiàn)元素俘獲測井?dāng)?shù)據(jù)回歸計(jì)算的w(TOC)與巖心實(shí)驗(yàn)w(TOC)吻合度更高，其中，在3 750～3 850 m和4 000～4 150 m的層段平均w(TOC)在2%以上，頁巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，具有較強(qiáng)的生烴潛力。

3) 采用變骨架密度法和Coates 模型計(jì)算沙河子組頁巖含氣儲(chǔ)層的孔隙度、滲透率，計(jì)算結(jié)果能夠較準(zhǔn)確反映出松科2井沙河子組深層陸相頁巖儲(chǔ)層在縱向上的孔隙度和滲透率的變化趨勢。沙河子組3 700～4 500 m 頁巖儲(chǔ)層整體上表現(xiàn)為低孔隙度低滲透率的特征。

4) 運(yùn)用礦物組分法和巖石力學(xué)參數(shù)法分析頁巖儲(chǔ)層脆性，據(jù)陣列聲波測井所得數(shù)據(jù)，通過巖石力學(xué)參數(shù)法計(jì)算所得脆性指數(shù)與實(shí)驗(yàn)巖心脆性指數(shù)吻合度較高。脆性指數(shù)分布范圍為19.86%～67.87%，平均為48.43%。隨著深度增加，脆性指數(shù)有逐漸變大的趨勢。

5) 綜合測井?dāng)?shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)巖心數(shù)據(jù)，預(yù)測了沙河子組頁巖儲(chǔ)層的w(TOC)、孔隙度、滲透率、礦物組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、脆性以及總含氣量等，對(duì)沙河子組3 700～4 500 m 頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行分類，篩選出3 722～3 762 m 層段、3 820～3 860 m 層段、4 100～4 150 m 層段以及4 400～4 460 m 層段為Ⅰ類含氣儲(chǔ)層，3 890～3 940 m 層段、4 220～4 280 m 層段和4 320～4 360 m 層段為II 類含氣儲(chǔ)層，這些儲(chǔ)層具有頁巖氣資源的開發(fā)潛力。