湘鄂西寒武系页岩气评价及研究

田鹏

摘要：湘鄂西寒武系优质页岩勘探开发区域集中于鄂西、桑植-石门地区，在湘鄂西地区的多口井的多个海相地层位获页岩油气显示，揭示了湘鄂西地区泥页岩储层中赋存有丰富的油气资源。现有资料表明，常压井反映出高吸附气占比、高返排、高水平应力差等特征，页岩气井压后普遍低产。因此需要针对常压页岩气储层开展测井地质综合评价研究，建立湘鄂西常压页岩气储层评价技术。

关键词：页岩气；寒武系；电成像；元素测井；TOC；自然伽马能谱

0 引言

湘鄂西地区受多期构造叠加作用影响，地层高陡、断层发育等，湘鄂西地区页岩气保存条件破坏严重。工区储层评价主要面临以下困难：

（1）缺乏由点及面的湘鄂西区块寒武系页岩测井岩石物理特征规律性研究，各主要区块间综合对比分析研究较少。针对寒武系的页岩储层研究较少，缺乏相关的页岩优质储层识别和测井评价研究。

（2）储层电阻率变化范围较大，且与含气性关系不明显。电阻率数值高低，是否与含水饱和度有关，还有待结合试气、岩心分析数据进一步开展研究。

（3）湘鄂西区块纵向页岩层系较多，页岩类型复杂，无标准的解释模型。目前没有建立湘鄂西寒武系页岩评价体系与解释评价标准。通过对湘鄂西地区寒武系页岩储层的研究，形成测井评价体系，对本区的页岩气勘探和水平井开发才能起到巨大的推进作用。

鄂西宜昌地区寒武系出露齐全、连续，且岩石类型多样、化石丰富，是我国寒武系的标准剖面之一，自下而上划分为水井沱组、石牌组，天河板组、石龙洞组、覃家庙组和三游洞组。

1 页岩储层识别

页岩做为一种烃源岩，其生烃、排烃、运移、聚集和保存全部在烃源岩内部完成，页岩既是烃源岩、储层，也是盖层。主要用到下列四种方法来判断页岩发育层段。

1.1 岩心或岩屑识别岩性

湘鄂西地区寒武系有利的页岩气层段主要发育于水井沱组下部地层。根据现场岩心、岩屑的岩性描述，水井沱组主要为呈薄层或块状产出的暗色或黑色细颗粒的沉积岩，它们在化学成分、矿物组成、古生物、结构和沉积构造上丰富多样。含气岩石类型主要为黑色炭质页岩或灰质页岩。这些岩性的矿物成分组成在一定程度上决定了后期的压裂改造。

1.2常规曲线识别岩性技术

由于湘鄂西地区水井沱组页岩气层具有TOC较高、脆性矿物含量高、孔隙度较高等特征，因而页岩气层在自然伽马（或自然伽马能谱）测井、电阻率测井、三孔隙度（声波、中子、岩性密度）测井、元素俘获测井、电成像测井等测井曲线上具有明显的指示。通过这些特征曲线的定性指示特征，在一定程度也能较好地指示页岩气层的发育情况及页岩气层优劣。总体上，水井沱组优质页岩气层段具有“高自然伽马、高铀、相对高声波时差、相对高电阻率，低密度、相对低中子、低无铀伽马”的“四高三低”的测井响应特征。

1.3自然伽马能谱定性识别岩性技术。

自然伽马能谱测井资料能够提供地层的铀、钍、钾的相对含量，以及地层总自然伽马和去铀自然伽马。利用总自然伽马和去铀自然伽马曲线特征可以将富含有机质页岩区分开来。

由于有机质沉积过程中会吸附水体中的铀离子，页岩气储层有机质含量高，自然伽马能谱显示高铀特征，总自然伽马与去铀伽马幅度重叠存在差异，而普通泥岩地层，自然伽马能谱显示铀含量较低，总自然伽马和去铀伽马幅度基本保持等间距。

自然伽马能谱重叠法就是将测量的总自然伽马和去铀自然伽马曲线进行重叠，若曲线基本重叠，判断为普通泥岩；若曲线不重叠，判断为富含有机质的页岩。

1.4电成像识别岩性技术

在FMI成像测井成果图上，水井沱组页岩气层段，因泥质含量和有机质含量较高，静态图像主体表现为黄色－亮黄色，动态图像主要为明暗相间的互层状特征，局部发育明显的高导矿物及钻井诱导缝。

结合电成像测井资料，利用sCore /iCore岩性剖面成果，结合常规测井曲线、录井资料和取心资料，可知水井沱组底部岩性以硅质页岩、混合型页岩为主，夹薄层钙质页岩。

2 测井资料沉积微相分析研究

2.1 岩石类型

湘鄂西寒武系主要是以海相碳酸盐岩沉积为主，其中下部发育一套海相碎屑岩沉积地层。

寒武系岩石类型有灰岩、云岩、颗粒岩、膏质岩泥页岩等，其中，碎屑岩主要发育于水井沱组和石牌组。海相碳酸盐岩发育于寒武系各个层组，其中，灰岩发育层位主要在岩家河组、水井沱组和天河板组，天河板组为寒武系灰岩主要发育层组。白云岩主要发育于石龙洞组、覃家庙组和三游洞组。岩家河组发育硅质岩，覃家庙组发育膏质岩。覃家庙组和三游洞组发育少量藻云岩，天河板组、覃家庙组和三游洞组发育少量角砾岩，厚度均较薄。

寒武系颜色区分明显，岩家河组和水井沱组地层颜色以深灰-灰黑色为主，反映为还原环境为主的沉积；其上地层颜色多为灰色、浅灰色、灰绿色，总体反映了弱还原环境。

沉积岩的构造特征是沉积时水动力条件的直接反映，又较少受到沉积后各种作用的影响，故沉积构造是判断沉积环境的重要标志之一。ED2井碎屑岩中主要发育水平层理，是较弱的水动力条件下，由悬浮物沉积而成，出现在低能的环境中，为较深水的浅海陆棚沉积。

碳酸岩沉积构造中常见藻纹层理、砂屑层理，均可指示较明确沉积环境。藻纹层理：纹层多为灰色、浅灰色间互，有平行状的、积云和波状的，有的具有明显的叠层构造，岩心断面呈葡萄状结构，反映为局限台地潮坪沉积特征。砂屑层理，常见于白云岩中，砂屑呈薄条带状或脉状，反映水动力作用较强，为浅滩相沉积环境。

2.2 自然伽马能谱测井资料对沉积环境的判别

Th/K、Th/U比值的大小与沉积环境有密切关系，且不同地区的规律有所不同。总体来看，湘鄂西寒武系沉积环境总体处于低能还原环境，中上寒武统沉积水体能量略高，为中低能环境。

粘土矿物类型以伊/蒙间层、伊利石为主，其次为及绿泥石，无高岭石、蒙脱石、蛭石等其他类型粘土矿物，表明寒武系以气候温暖或寒冷少雨、淋滤作用弱的弱碱性沉积环境为主。

2.3 元素测井资料对沉积环境的判别

基于元素剥谱的结果，和对地层可能含有的矿物组分的认识，输入测量得到硅、钙、铁、硫、铝、镁、钾、钠、碳等干重曲线，来反演地层的矿物/岩性剖。水井沱页岩上部：方解石含量较高，平均36.7%；其次是粘土矿物，平均27.5%；再次是石英，平均21.3%；白云石平均低于10%；长石、黄铁矿含量比较低，各平均低于3%。水井沱页岩下部：粘土含量略降低，平均25.3%；方解石含量降低较明显，平均17.3%；白云石平均12.1%；石英含量较高，平均35.1%；长石含量较低；黄铁矿有所增多，平均4.5%。

2.4 电成像沉积微相分析

利用FMI成像资料进行沉积相分析，利用高分辨率FMI成像测井图像特征，结合常规测井、ELAN岩性剖面及sCore/iCore岩性剖面成果，分析了水井沱组-灯影组顶部地层及陡山沱组-南沱组地层的沉积环境。认为灯影组顶部地层为开阔台地；岩家河组为斜坡带沉积；水井沱组底部为深水台盆沉积，从底部往顶部水体变浅，中部为半深水台盆沉积，上部变为斜坡带沉积；南沱组地层为冰川沉积；陡山沱组地层为斜坡带沉积，从底部到顶部水体逐渐变浅。

水井沱组初期水体达到最大海泛面，有利于有机质保存，主要原因为：1)在海平面上升期，河流带来大量陆源碎屑在滨岸带沉积，对相对深水区影响较弱，有利于有机质的保存；2）FMI图像上可见水平纹层厚度薄，见黄铁矿，且有机碳含量及气测均较高，这表明安静低能环境有利于有机质保存。

通过对研究区沉积相和有机碳含量、含气量的综合分析，沉积微相为研究区优质储层的重要控制因素，水井沱组的深水台盆相为优质储层发育的有利相带。

从测井资料横向对比来看水井沱组上部变化较大，水井沱组泥页岩厚度在湘鄂西整体较大，在20-50m。水井沱组一段为稳定的深水台盆沉积相，也是最优质的页岩储层。

3 页岩储层评价

3.1 岩石组分计算

湘鄂西地区水井沱组主要为呈薄层或块状产出的暗色或黑色细颗粒的沉积岩，它们在化学成分、矿物组成、古生物、结构和沉积构造上丰富多样。

Y2井水井沱组74块全岩X衍射和粘土X衍射实验数据，水井沱组页岩主要包括石英、粘土矿物、长石（钾长石、斜长石）、碳酸盐岩（方解石、白云石）、黄铁矿等矿物,少数样品中含少量文石，粘土矿物主要包括伊蒙间层、伊利石、绿泥石。整体上，自下而上石英含量减少，碳酸盐岩含量增加，粘土含量先增加再减少，粘土矿物中伊蒙混层相对含量增加、绿泥石相对含量较少、伊利石相对含量先较少再增加。

据E2井水井沱组XRF分析数据，水井沱组页岩为钙质页岩，整体上，水井沱一段钙质含量较水二段、水三段有所减少。

除了对地层中S，Si，Al，Ca和Fe等主要元素的测量精度外，LithoScanner可以独立地测量得到地层中有机碳（TOC）的含量。

图 YY1井元素扫描测井分析矿物组分成果图

3.2 孔隙度计算

从下寒武统水井沱组取心段样品测试结果来看，页岩孔隙度主要介于4～5%区间范围内，占样品总数的64.8%。水井沱组页岩渗透率值主要介于0.01～0.05×10-3μm²之间，占样品总数的69%，19%的样品渗透率值大于0.1×10-3μm²。

据水井沱组页岩岩心孔隙度、渗透率测试数据，在纵向上：水井沱组水一段物性最好，孔隙度、渗透率平均值分别为3.2%、0.143×10-3μm²，是该地区下寒武统岩家河组-水井沱组最为有利的页岩气勘探开发层段；水二段物性次之，孔隙度、渗透率平均值分别为2.7%、0.070×10-3μm²，是次有利的页岩气勘探开发层段。

3.3 含气饱和度计算

页岩气储层中含气性评价包括含气饱和度以及游离气、吸附气等参数的计算。

由于微裂缝、粘土、岩石结构、成熟度、黄铁矿其他矿物等因素影响，造成电阻率测井数值偏低，难以准确反映页岩含气性。从页岩顶部到底部含气量逐渐增大，而底部含气性最好的页岩储层电阻率增大趋势并不明显，甚至数值有所降低。基于电法测井计算的含气饱和度偏低。

通过岩心分析饱和度和孔隙度的关系来看，利用孔隙度曲线直接计算含气饱和度结果与实测数据吻合度较高。利用测井计算的含水饱和度值代表气藏地层的原始含水饱和度值也是可行的。

4 工区储层测井分类标准

综合岩心实验分析、录井和测井特征，结合试气结果制定了寒武系水井沱组页岩甜点划分依据见表1。

表1寒武系水井沱组页岩气储层解释标准

储层类型	划分依据
Ⅰ类页岩气层	TOC≥4%，Φ≥4.5%，SH≤40%，DEN≤2.55g/cm3，CNL≤24%； GR明显高值，U含量较高，电阻率曲线相对较高且呈变化明显，脆性指数较高，具有较好的气测显示
Ⅱ类页岩气层	2%≤TOC＜4%，3.0%≤Φ＜4.5%，40%＜SH≤50%，2.55g/cm3＜DEN≤2.62g/cm3，12%＜CNL≤24%； 相对Ⅰ类页岩气层段U含量略低，电阻率曲线相对变化较小，脆性指数中等，具有一定气测显示
Ⅲ类页岩气层	1%≤TOC＜2%，2.0%≤Φ＜3.0%，40%＜SH≤50%，2.62g/cm3＜DEN≤2.68g/cm3，15%＜CNL≤18%； 相对Ⅰ类页岩气层段U含量略低，电阻率较低，脆性矿物含量较少，气测显示较弱
Ⅳ类页岩气层	TOC＜1%，Φ＜2.0%，50%＜SH，2.68g/cm3＜DEN，18%＜CNL； U含量低，电阻率较低，脆性矿物含量较少，气测显示较弱

5 应用情况

到目前为止完井解释评价共4口，其中导眼井2口，水平井2口；已试气水平井2口，解释符合率100%（见表2）。

表2已试气水平井解释符合情况表

序 号	井名	水平 段长 (m)	水平段分类气层厚度(m)					水平分 类占比(%)		试气 日常 (104m3/d)	解释 符合 情况
			Ⅰ类	Ⅱ类	Ⅲ类	Ⅳ类	干层	Ⅰ类	Ⅱ类
1	E1HF	1824.0	496.2	739	427.8	93	68	27.2	40.5	10	符合
2	EY1HF	1834.8	1361.6	465.8			7.4	74.2	25.4	17	符合

6 结论及建议

（1）水井沱组页岩主要包括石英、粘土矿物、长石（钾长石、斜长石）、碳酸盐岩（方解石、白云石）、黄铁矿等矿物,少数样品中含少量文石，粘土矿物主要包括伊蒙间层、伊利石、绿泥石。整体上，自下而上石英含量减少，碳酸盐岩含量增加，粘土含量先增加再减少，粘土矿物中伊蒙混层相对含量增加、绿泥石相对含量较少、伊利石相对含量先较少再增加。

（2）相对焦石坝地区JY1井五峰-龙马溪组页岩段矿物组分特征，水井沱组页岩脆性矿物含量与焦石坝龙马溪-五峰组页岩脆性矿物含量基本相当，碳酸盐岩含量明显高于焦石坝地区，表明水井沱组水体明显较浅。

（3）运用能谱、元素、电成像等特殊测井方法，建立了寒武系的测井沉积微相识别技术。

（4）利用TOC与密度的比值，通过岩心分析孔隙度的相关性回归，建立了有机孔隙度的计算方法。

（5）基于岩心刻度测井方法，建立了页岩储层矿物组分、有机碳、孔隙度、含气性和可压裂性等的测井评价模型，并制订了水井沱组测井解释评价标准。截至目前，应用2口井，与试气对比，解释符合率达100%。

参考文献：

[1]雍世和,张超谟.测井数据处理与综合解释[M].东营:石油大学出版社, 1996.

第一作者简介：田鹏（1987—），男，中级工程师，毕业于长江大学，专业方向为地球物理测井。联系电话：[phone]。