地层元素测井在三塘湖盆地页岩油评价中的应用

第15卷第3期新疆石油天然气Vol.15No.32019年9月
Xinjiang Oil &Gas
Sept.2019
文章编号：1673—2677（2019）03—022-06
地层元素测井在三塘湖盆地页岩油
评价中的应用
张
鑫1，郑佳奎2，吴
都3，李红燕1
（1.中国石油吐哈油田井下公司，新疆鄯善838202；2.中国石油吐哈油田勘探公司，新疆鄯善838202；
3.中国石油集团测井有限公司吐哈事业部，新疆哈密839009）
摘
要：针对三塘湖盆地二叠系芦草沟组页岩油岩性识别及储层“甜点”划分难的现状，在岩心
全岩X 衍射矿物含量统计分析的基础上，通过对地层元素（GEM ）测井适应性分析，优选了符合芦草沟组岩石矿物组分的解释模型，优化了符合区域地质特征的处理参数，为地层元素测井的推广应用奠定基础。

利用GEM 测井处理解释得到的各种矿物含量，在芦草沟组复杂岩性中识别出凝灰岩类优势岩性，分析结果与岩心分析矿物含量较为吻合，同时，在岩石骨架计算的基础上，利用刚性矿物含量分析，对地层“脆性”矿物含量开展评价，为试油压裂层段的选取提供依据，有效解决了优势岩性及储层“甜点”的识别难题，地层元素测井技术在芦草沟组页岩油评价中取得了较好的应用效果。

关键词：地层元素测井；三塘湖盆地；芦草沟组；页岩油；储层评价中图分类号：P631.8
文献标识码：A
收稿日期：2019-06-26修改日期：2019-07-11
作者简介：张
鑫（1979-），男，工程师，从事石油测试及井下作业工作。

三塘湖盆地MLA 和LUA 两口井在二叠系芦草沟组地层共连续钻取了416m 的岩心，通过宏观岩心观察结合岩石薄片鉴定、全岩X 衍射以及岩石矿物能谱等微观分析表明，地层岩性主要为凝灰岩、碳酸盐岩、陆源碎屑岩以及凝灰质、碳酸盐、陆源碎屑的混杂沉积，三种岩石成分含量常常均小于50%［1］
，岩石成分复杂导致岩性分类及识别难度大；通过分不同岩性对孔隙度、渗透率统计分析表明，凝灰质含量越高，储层物性越好，沉凝灰岩、凝灰岩、白云质凝灰岩及凝灰质白云岩为主要的储集层，而岩心分析TOC 含量大于2%的岩性主要为泥岩、灰质泥岩以及凝灰质泥岩，为主要的烃源岩，纵向上储集层与烃源岩呈纹层状交互发育，呈源储一体的页岩油特征［2］，纵向上岩性和物性的强非均质性，给“甜点”储层的识别及划分带来较大
困难。

为此引入了地层元素（GEM ）、核磁共振（MRT ）等特殊测井项目，基本解决了岩性识别、“甜点”储层划分等技术难题，尤其是利用GEM 测井解释矿物含量，开展了岩性识别、储层“脆性”评价、区域地层对比以及岩石骨架计算等技术攻关及应用，在有利相带分析、试油压裂层段的优选等方面取得了良好的应用效果。

1
GEM 测井适应性分析及解释模型
优化
1.1
GEM 测井适应性分析
三塘湖盆地二叠系芦草沟组以细粒沉积为
主［3］，早期研究采用岩石薄片鉴定进行岩性定名，同一岩样不同研究单位定名有所差异，主要是由
张鑫，等：地层元素测井在三塘湖盆地页岩油评价中的应用
第15卷第3期于薄片鉴定的精度难以满足泥级成分的鉴别［4］。

目前，岩性识别采用全岩X 衍射、岩石矿物能谱，结合薄片鉴定以及场发射扫描电镜分析资料，综合确定其岩性。

全岩X 衍射分析数据统计表明，岩石主要成分为长石、石英、方解石、白云石、粘土以及黄铁矿，岩石中石英和长石类矿物以凝灰岩的形式赋存［5］，白云石和方解石等碳酸盐岩占一定比例，剩余的粘土和黄铁矿等其他矿物基本为陆源碎屑岩，故岩石定名采用凝灰岩（石英和长石）含量、碳酸盐岩（白云石和方解石）含量，以及陆源碎屑岩（粘土和其他矿物）含量，建立岩石三端元分类图版［1］，地质上基本解决了岩石精确定名问题。

但是，岩石成分的复杂性及纵向非均质性，以及有机质的存在给非取心段岩性识别带来极大的困难，利用常规组合测井曲线很难建立有效的岩
性识别方法和图版。

图1
LUA 井P 2l 全岩X 衍射矿物百分含量统计图地层元素测井（GEM ）在测量地层元素含量（干重比）的基础上，通过氧化物闭合模型可得到地层中的矿物含量，结合三塘湖盆地芦草沟组建立的凝灰岩、碳酸盐岩和陆源碎屑岩三端元岩石图版，不仅能解决芦草沟组复杂岩性识别难题，而且在储层“脆性”评价、有利相带研究等方面推广应用表明，该技术非常适合在三塘湖地区二叠系页岩油评价中应用。

1.2
测井处理解释模型优化
GEM 测井能够测量镁、铝、硅、硫、钾、钙、钛、锰、铁和钆等近十种元素，其中镁元素是区分白云岩和灰岩的重要指示元素，铝元素是页岩油地层中粘土成分的重要指示元素，钾元素含量可用于长石矿物的分类与评价，硫元素测量可用来确定富含有机质页岩中黄铁矿的含量［6］。

GEM 测井利用测量的元素分析矿物含量时，
计算所需要的参数，默认使用实验室采集的大量岩样取得的平均值，为了更接近三塘湖芦草沟组沉积环境和矿物种类，选择合理的矿物解释模型和优选参数，本文对MLA 和LUA 两口井芦草沟组连续取心段的全岩X 衍射分析数据进行了统计，图1为LUA 井连续取心段660个岩样全岩X 衍射分析矿物含量百分比图，据此主要选择输出的矿物有石英、钾长石、钙长石、白云石、方解石、伊利石、绿泥石、黄铁矿共8种矿物。

另外为了得到芦草沟组最为准确的解释结果，利用MLA 井取芯分析的矿物体积百分含量，对GEM 元素测井的解释进行了刻度，图2为MLA 井全岩X 衍射分析矿物含量与GEM 测井解释矿物含量标定对比图，通过优化各测井曲线的质量和重要性设置曲线权重，从而保证计算结果更加符合芦草沟组岩性特征。

2
GEM 测井在储层评价中的应用
2.1
沉积环境分析
地层中的元素具有稳定的化学性质，对环境
变化敏感且记录和保存有丰富的地质信息，据此来研究地层的沉积环境、保存条件、成矿作用及演化模式［7］。

三塘湖盆地芦草沟组地层岩性混杂且纵向非均质性极强，利用地层元素测井测量得到的近10种元素，通过处理解释出八种岩石矿物，利
用这些矿物含量包含丰富的地质沉积演化信息，深入开展了沉积环境的研究。

利用地层元素测井（GEM ）处理得出的不同矿物含量高低，可分析地层沉积环境。

图3为条湖凹陷GEM 测井矿物含量多井对比图，从图中看出，利用白云石、方解石和黏土矿物含量，纵向上芦草沟组二段可划分为三个不同的沉积时期，芦二下段黏土矿物含量较高，白云石和方解石含量低于15%，反映地层为水体较深的还原沉积环境［8］；芦二中段黏土矿物含量低于10%，而白云石和方解石含量在30%～60%之间，反映地层为水体较浅的咸化湖相沉积环境；芦二上段黏土矿物含量逐渐增加，而白云石和方解石含量有降低的趋势，反映水进沉积体系，基本上由盐湖环境向淡水变化。

总体来看，条X 区块芦二段沉积环境经历了从水进、水退，再到水进三个阶段的沉积演化。

2.2
岩性识别及优势岩性划分
三塘湖盆地二叠系页岩油岩性主要分为三大
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类，凝灰岩类、碳酸盐岩类和陆源碎屑岩类，表1为芦草沟组各矿物含量与岩性间的关系表，第一类岩性中石英和长石矿物总含量在50%以上，黏土矿物含量小于25%，剩余的主要白云石和方解石矿物，含量在20%~40%之间，这种凝灰岩类岩性是芦草沟组主要的储集层，储集空间以晶间孔和粒间孔为主，是储层物性、含油性评价的优势岩性。

第二类岩性中白云石和方解石矿物总含量在50%以上，黏土矿物含量小于25%，长英质矿物含量在20%~40%以下，这种凝灰质白云岩或凝灰质灰岩是次要的储层，凝灰岩含量越高，储层物性越好，储集空间以晶内溶孔、微裂缝和局部裂缝溶蚀孔为主，连通性普遍较差，这类岩性重点需要裂缝识别和“脆性”
评价。

第三类岩性中伊利石和绿泥
图2MLA 井P 2l 岩心分析与GEM
测井矿物含量标定图
图3条湖凹陷GEM 测井矿物含量多井对比图
张鑫，等：地层元素测井在三塘湖盆地页岩油评价中的应用
第15卷第3期石等黏土矿物含量大于25%，这种凝灰质泥岩或含灰泥岩类是主要的烃源岩，显微组分中腐泥组
含量普遍大于40%，发育一定的有机孔，这类岩性重点需要岩石脆性和有机碳含量的评价。

表1
三塘湖盆地芦草沟组不同岩性对应矿物含量一览表
岩类
名称
凝灰岩类碳酸
盐岩类混积岩泥岩类
岩石名称沉凝灰岩
白云（灰）质凝灰岩
泥质凝灰岩白云（灰）岩凝灰质白云（灰）岩泥质白云（灰）岩
混积岩
凝灰质（白云质）泥岩
三端元矿物相对含量，%
石英+长石60~7050~6050~60＜2525~40
＜25＜50＜50白云石+方解石
＜2525~40＜25≥60
50~6050~60＜50＜50
黏土及其他
＜25<25
20~25＜25＜2520~25＜25≥25利用GEM 测井处理解释得到的八种矿物含量，在三塘湖盆地条湖凹陷岩性识别中推广应用，图4为条X02H （导眼）井地层元素测井岩石矿物含量识别岩性图，底部3245~3260m 井段伊利石含量在30%以上，岩性主要为凝灰质（灰质）泥岩，
3235~3245m 层段长英质含量大于75%，为沉凝灰岩储层，3160~3245m 层段白云石含量较高，岩性主要为白云岩类为主，3110~3160m 层段方解石含量相对较高，岩性主要为泥质灰岩和凝灰质灰岩，
可见利用地层元素测井识别岩性高效直观。

图4
条X02H （导眼）井地层元素测井岩石矿物含量识别岩性图
2.3
有效烃源岩评价
页岩油储层中有机碳含量（TOC ）是重要的评价参数，常规组合测井计算有机碳含量的方法很多，包括自然伽马能谱法、体积偿密度法、声波时差法、ΔlgＲ法以及黄铁矿含量法，都是利用岩心
分析有机碳含量与测井曲线相互标定，筛选出敏感曲线，通过回归得到经验型公式。

三塘湖盆地芦草沟组通常采用ΔlgＲ法计算地层有机碳含量
（TOC ）［9］
，ΔlgＲ法计算结果与岩心分析TOC 含量
相对吻合。

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地层元素测井计算地层有机碳含量（TOC ）的原理很简单，通过GEM 测井测量并解谱得到地层碳元素含量，即地层的总碳含量（TC ）减去岩石骨架矿物中的无机碳含量（TIC ），即得出地层有机碳
含量（TOC ）［6］。

地层元素测井计算TOC 的优势在
于计算精度高，且无需岩心标定回归，在新区勘探中估算油页岩地层的总有机碳含量（TOC ）具有很大优势，研究生烃潜力的大小非常实用。

2.4
确定岩石骨架值
依据岩石矿物含量计算出准确的骨架密度值，是评价储层物性的前提
［10］。

三塘湖盆地芦草
沟组混积岩的矿物成分极其复杂，由于每种矿物都有对应固定的骨架密度，随着各种矿物含量的变化，岩石骨架密度值是一个变量，例如白云石密度
为2.86~2.93g/cm 3，方解石密度为2.72~2.94g/cm 3，随着白云石和方解石含量增加，补偿密度曲线值增大，粘土的矿物密度为1.5~2.2g/cm 3，随着粘土矿物含量增加，密度值明显减小。

地层元素测井能提供地层中各种矿物组分的含量，根据地层中的矿物类型和含量就可以计算出地层的骨架密度［11］，即地层骨架密度为各种矿物含量与之对应的矿物骨架密度乘积之和。

计算公式为:
ρma =∑i =1m
ρi m i
（1）
式中:ρma 是地层的骨架密度，m 为矿物种类，ρi
是第i 种矿物对应的骨架密度，M i 是第i 种矿物对
应的质量含量。

图5条X02H （导眼）井芦草沟组测井评价综合图
该方法在三塘湖芦草沟组推广取得较好的效果，如图5为条X02H （导眼）井芦草沟组测井曲线综合图，从图中可以看出，利用岩石矿物含量计算出的骨架密度与补偿密度曲线交会，在储层致密的层段骨架密度与补偿密度基本重合，对应核磁共振测井孔隙度较大的层段，补偿密度值明显小于骨架密度，说明该方法基本解决了利用常规测井评价芦草沟组页岩储层物性的难题。

2.5
评价岩石脆性
页岩油的开采过程中，通常需要进行规模压裂改造，才能获得工业产能［12］，岩体的脆性程度越高，越有利于产生大量的压裂裂缝且较长时间内开启，脆性评价成为页岩油储层评价的重要参数之一。

Jarvie 矿物组分法［13］和Ｒickman 弹性参数
张鑫，等：地层元素测井在三塘湖盆地页岩油评价中的应用第15卷第3期
法［14］，是目前油田中最常用的两种岩石脆性评价方法［15］，Jarvie矿物组分法根据页岩矿物组分来表征岩石脆性，认为石英脆性最强，方解石中等，粘土最差，将脆性矿物占总矿物体积之比作为脆性评价指标；Ｒickman弹性参数法根据岩石力学参数表征岩石脆性，一般认为杨氏模量越高，泊松比越低的岩石脆性更强，计算归一化杨氏模量和泊松比平均值，作为脆性指数来评价岩石相对脆性程度。

地层元素测井评价岩石脆性的依据就是矿物组分法，在芦草沟组岩石脆性评价中，将石英、长石、白云石和方解石作为脆性矿物，地层元素测井计算的脆性指数给芦草沟组压裂层段选取，提供了重要的参数依据。

3结论与认识
（1）利用地层元素测井对三塘湖盆地页岩油复杂岩性的识别方法，不仅能有效识别出凝灰岩类优势岩性，而且依据Si/Ca元素比值大小，能指示出岩石矿物组分中长英质含量高低，据此能定性评价岩石脆性。

（2）条湖凹陷下“甜点”储层，在平面上从条X02H向北至条X04、条X05井区，Ca元素的含量相对增大，随之储层物性相对变差，认为条X02H 相对条X04井区更靠近沉积中心，沉积时期的水体相对较深。

（3）利用地层元素测井岩石矿物含量计算岩石混合骨架值和岩石的脆性指数，该方法直观快捷，但受矿物含量解释准确度的影响较大，地层元素测井矿物组合模型优选中，必须用大量岩心分析测定的元素含量、氧化物含量、矿物含量，建立矿物组合经验公式。

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