应用测井方法计算泥页岩有机碳质量分数

陈柯童，刘华，鲁雪松，田华，张宝收，芦慧，乔柱

（1.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东 青岛 266580；2.中国石油天然气集团公司盆地构造与油气成藏重点实验室，北京 100083；3.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；4.塔里木油田勘探开发研究院，新疆 库尔勒 841000；5.东北石油大学地球科学学院，黑龙江 大庆 163318）

应用测井方法计算泥页岩有机碳质量分数

陈柯童1，2，刘华1，鲁雪松2，3，田华2，3，张宝收4，芦慧2，5，乔柱1，2

（1.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东 青岛 266580；2.中国石油天然气集团公司盆地构造与油气成藏重点实验室，北京 100083；3.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；4.塔里木油田勘探开发研究院，新疆 库尔勒 841000；5.东北石油大学地球科学学院，黑龙江 大庆 163318）

有机碳质量分数（TOC）是评价页岩气资源潜力的重要参数之一。利用测井信息的特殊响应，可以快速识别井下泥页岩地层。依据大量的实测数据，结合测井方法计算泥页岩TOC，可以有效地筛选富有机质泥页岩层段。以塔里木盆地2口井为例，探讨测井方法计算TOC的适用性。研究认为：经典的△lg R法对高—过成熟阶段的海相泥页岩TOC的计算并不适用，对中等成熟阶段的陆相泥页岩TOC的计算具有一定的适用性；对海相、陆相泥页岩利用U曲线法计算TOC具有很好的应用效果；在缺乏成熟度数据的非高—过成熟阶段的泥页岩层段，使用△lg R与U曲线组合法计算TOC，可以提高计算值的精确度。

页岩气；测井响应；有机碳质量分数；△lg R法；U曲线法；塔里木盆地

0　引言

页岩气资源是现在非常规天然气勘探开发的新热点［1-3］。我国目前针对页岩气的钻井数量有限，对页岩气的资源潜力评价主要从露头地质调查和老资料复查等基础着手，评价主要包括页岩的生烃能力、储集能力和页岩气易开采性3个方面。页岩中有机碳质量分数（TOC）反映其有机质丰度和生烃能力，也是评价页岩气资源的一项重要参数［4-6］。通常采用实验手段进行常规的TOC分析，由取样等因素影响得到的是离散的TOC数据点。在实际地质条件下，富有机质页岩通常并不是一整套厚的纯泥岩或页岩，往往含有薄的砂岩、粉砂岩或碳酸盐岩夹层，具有较强的非均质性，单纯的采用离散的TOC分析化验数据难以表征整个岩层TOC的平均分布，进而会影响资源量计算的准确性［7］。

针对井下不同岩性特征和流体性质，其测井信息具有不同的响应特征，可以用测井资料来定性地识别富有机质泥页岩层段［8］。通过建立不同测井曲线响应特征与有机质含量之间的定量关系，拟合相应的测井解释模型，计算出纵向连续的TOC曲线，这样就可以弥补实测TOC数据分散的不足。自20世纪80年代以来，已有不少的国内外学者利用连续高分辨率测井资料在烃源岩评价以及TOC计算方法上作出大量研究，并在部分地区得到良好应用与推广［9-17］。本文主要在前人理论方法的基础上，探讨测井方法计算泥页岩TOC在塔里木盆地的应用效果。

1　泥页岩测井响应特征

利用测井曲线的形态和曲线值的相对大小，可以快速直观的识别井下不同岩性（见表1）。识别泥页岩层段常用的测井曲线主要包括：自然电位、自然伽马、地层密度、补偿中子、声波时差、电阻率、井径和光电吸收截面指数等。干酪根一般具有特殊的物理性质，在测井曲线上主要表现为“三高两低”的响应特征，即极高的自然伽马、高声波时差、高电阻率、低密度、低光电吸收截面指数，同时井径表现为扩径。富有机质页岩的测井响应特征与普通页岩有所不同，主要表现出极高的自然伽马，局部高值的电阻率，以及低的光电吸收截面指数，这是由局部高丰度的干酪根造成的。

表1　不同岩性测井响应特征

2　△lg R法计算TOC

△lg R方法是利用声波时差和电阻率等测井曲线识别和计算烃源岩层总有机碳的一种方法。这种方法假设富含有机碳的岩石由岩石骨架、固体有机质和孔隙流体3部分组成。而非烃源岩仅由岩石骨架和孔隙流体2部分组成。该方法认为，在富有机质岩石中，高含量的有机物质通常具有低声波速度和高声波时差的测井响应，而开始成熟的泥页岩以及生成的烃类流体会造成电阻率测井值的升高［18-19］。利用岩石对孔隙度测井（一般是声波测井）和电阻率测井这种特殊的响应特征，可以初步识别烃源岩层与非烃源岩层，利用计算公式，可以得到整个岩层的TOC变化曲线。

具体步骤为：将声波时差测井曲线反向叠加在电阻率曲线上，每一个电阻率刻度对应164 μs/m声波时差单位。在细粒非烃源岩层段，在保持两坐标刻度对应的条件下，通过平移某一测井曲线，使声波时差曲线与电阻率曲线重合，把这2条曲线重合的部分确定为基线，基线对应的声波时差值或电阻率值定为基线值。在非烃源岩层段，声波时差曲线与电阻率曲线相互重合或者平行。但在烃源岩层段，由于高含量的低密度和低速度（高声波时差）的干酪根以及生成烃类流体的存在，会造成声波时差和电阻率曲线出现分离，这2条曲线分离的幅度差定义为△lgR。在没有油气生成未成熟的富含有机质的岩石中，2条曲线之间的差异仅仅由声波时差曲线响应造成；在成熟的烃源岩中，烃类的生成会使地层中的电阻率增加，使分离的2条曲线间距增大［9］（见图1）。

图1　△lg R测井解释理论模型

根据声波时差、电阻率曲线叠加计算△lg R：式中：△lg R为2条曲线间的分离幅度差；R为实测电阻率值，Ω·m；Rb为基线对应的电阻率值，Ω·m；△t为实测的声波时差值，μs/m；△tb为基线对应的声波时差值，μs/m；K为声波时差和电阻率的叠合系数，即每一个电阻率刻度对应的声波时差比值，取决于声波时差单位（K=0.006 1）。

Passey等经过大量数据统计分析后，认为TOC与△lg R值是线性关系，并且是成熟度的函数，并提出了计算TOC的经验公式：

式中：LOM为热变指数（反映有机质成熟度的参数，可以从埋藏史和热史评价或者大量的样品中分析得到）。

LOM=7对应于生油干酪根成熟作用的开始，LOM=12对应于生油干酪根过成熟作用的开始。如果成熟度可以确定或估计，便可通过公式计算总TOC。

虽然该方法是利用测井资料识别和计算含有机质岩层总有机质碳的经典方法，但也存在以下缺点：1）基线的选择常带有一定的主观因素，通常一口井可能有多个基线，需要分段选取与计算［20-21］。2）与源岩无关的△lg R幅度差可能出现，如烃类储层、很差的井眼条件、火成岩和蒸发岩等，但这种异常的层段较易识别和剔除。3）如果LOM估计不准确，计算的总有机碳质量分数就会存在一定的误差［21］，只能反映TOC垂向变化幅度。4）在高—过成熟的含气页岩层段，计算得到的TOC与实测值相比往往偏低［22］。

塔里木盆地是全国页岩气资源潜力调查评价的重点地区，其目标层系主要为寒武—奥陶系海相泥页岩和侏罗系陆相煤系页岩［23］。为了验证△lg R法在塔里木盆地泥页岩TOC计算中的适用性，选取具有连续实测有机碳数据的YD2井、YN2井为例。YD2井寒武—奥陶系泥页岩埋深在3 000～5 000 m，实测镜质体反射率Ro范围在1.50%～3.20%，属于高—过成熟泥页岩。YN2井侏罗系暗色泥页岩埋深在3 800～4 450 m，实测Ro范围在0.78%～1.15%，属于中等成熟阶段。

LOM与Ro之间具有经验关系式［4］：

由式（3）可得到LOM的取值，代入式（2），分别得出2口井泥页岩的TOC。对比实测值与计算值并计算相关系数（R2），发现YD2井相关性较差（R2＜0.400 0），对高实测TOC值页岩段（TOC＞4.0%，大部分埋深大于4 650 m），计算结果整体偏低（见图2a），不具有适用性；YN2井相关系数R2为0.633 0，数据点中间值较为分散，但符合度相对较好（见图2b），有一定的适用性。

图2　计算值与实测值对比

YD2井海相地层岩性比较稳定，声波时差和电阻率曲线形态的变化较平稳，基线的确定较为容易；同时该段地层的镜质体反射率Ro实测数据丰富，并与埋深具有较高的相关性（R2高达0.900 0），成熟度参数LOM的取值误差较低。造成△lg R方法在YD2井适用性差的原因是塔里木盆地海相页岩埋深较大、成熟度高，导致在埋藏后期富有机质泥页岩中已无液态烃类存在，只有少量的气态烃，不足以产生电阻率曲线应有的高值，使△lg R值偏小，从而影响到TOC计算值偏小。该井的试油结果也表明，海相地层中未发现液态烃的存在，只在寒武系地层发现有薄的差气层存在。

3　U曲线法计算TOC

铀（U）与有机质之间关系密切［24-26］。早在20世纪80年代，陈君琪等根据四川盆地取心实测TOC与主要由铀贡献的自然伽马强度进行回归分析，来判断烃源岩的生油条件。Jacobi通过对Barnett页岩研究发现，排除磷酸钙等自生矿物对铀含量造成的影响后，U曲线值与Barnett页岩TOC之间具有很好的线性关系［26］，R2高达0.900 0。李延钧等在四川盆地下古生界海相页岩地层中利用U曲线计算TOC取得了较好的应用效果［16］。通常情况下，页岩一般形成于水体稳定的沉积环境中，在成岩阶段，这种环境沉积水体的底层含有游离氧，处于氧化环境；在沉积界面之下，随着生物残体的腐烂分解，沉积物中的游离氧很快被消耗殆尽，并产生较多的H2S，CH4，CO2等组分，从而在海底软泥层中形成强烈的还原环境。由于其中黏土颗粒和有机质颗粒的吸附作用，在氧化条件下可溶的U6+会被迅速的转变为不可溶的U4+，并被吸附在黏土和有机质颗粒中［26］。海相沉积物中铀的大量沉淀和富集主要在这个阶段完成。这通常导致在富含有机质的泥页岩中显示出较高的放射性特征，并在自然伽马测井曲线上表现出高值。利用铀与有机质的这种关系，拟合U值与TOC之间的关系方程，便可得到纵向连续分布的TOC曲线。以YD2井和YN2井为例，建立U的质量分数w（U）与实测TOC之间关系方程（见图3）。

图3　实测TOC-w（U）关系

从图3可以看出：YD2井海相泥页岩的w（U）较陆相页岩高出很多，并且公式的拟合程度很好，R2达到0.930 0；YN2井陆相页岩的U质量分数相对较低，公式的拟合程度相对偏低，这与页岩沉积环境和有机质类型有关。YN2井陆相煤系页岩中有机质类型主要为Ⅲ型干酪根，YD2井海相页岩有机质类型主要为Ⅰ型、Ⅱ1型干酪根，并且海相页岩的沉积环境相对于陆相更稳定，有机质分布的均一性较强。将拟合方程分别应用以上2口井，便可得到这2口井TOC纵向变化曲线（见图4）。

将拟合公式应用到邻近实测数据较少的井段进行计算，应用效果很好。如根据YD2井拟合公式，应用到TD1井，实测值与计算值的R2可达0.730 0。结合邻近井的实测TOC数据与计算TOC分布曲线，塔里木盆地塔东地区中下奥陶统的黑土凹组和下寒武统的西大山—西山布拉克组是高TOC泥页岩发育的有利层段，库车坳陷侏罗系的克孜勒努尔组泥页岩整体TOC较高。高TOC的富有机质页岩是页岩气产生的物质基础，但页岩气的资源潜力评价还需要考虑埋深、成熟度、储气能力和易开采性等因素［27-28］。

4　△lgR与U曲线组合法计算TOC

在缺乏成熟度数据的井段应用经典的△lg R法计算泥页岩TOC比较困难，而单独使用U曲线对陆相泥页岩TOC进行拟合计算，效果往往不如海相的好，因此可以考虑综合2种参量，针对非高—过成熟的陆相页岩建立二元参数模型进行TOC拟合计算。

仍以YN2井为例，根据实测TOC数据，U曲线数据和确定好的 △lg R值，使用多元统计分析软件（SPSS）对三者进行拟合计算，得到二元线性公式：

应用式（4）计算YN2井的TOC值，并与实测TOC值进行对比分析，发现其R2较单独使用U曲线略有提升，达到0.795 0，拟合程度较好。对YN2井应用组合法作单井图，与单独使用U曲线法的结论基本一致，说明这2种方法都有较好的应用性。

利用测井资料计算TOC还有其他的数学统计方法，比如纯粹利用数学统计规律，借助软件对所有测井曲线进行大量的统计分析，寻求与实测TOC有相关性的曲线进行公式拟合，建立单井TOC与测井曲线的计算模型，并分析计算TOC与实测TOC相关性，剔除异常点及修改相关方程，不断地相互校正，得出相对高相关性公式；最后根据实际条件可将公式应用到沉积条件相近、岩性相同的邻近井段，或者通过分析多因素对岩性和TOC的控制作用，如密度曲线、声波曲线、伽马曲线等，建立二元或多元参数模型对TOC进行拟合计算。这种方法虽然理论性不强，但应用简便，在油田工作中会被经常使用。使用测井方法计算泥页岩TOC，通过TOC的纵向连续分布曲线可以快速简便地识别富有机质泥页岩层段，进而对页岩气的勘探选区起到一定的指导作用。

图4　U曲线计算TOC值单井图

5　结论

1）利用测井信息的特殊响应特征，可以快速识别井下地层岩性特征。经典的△lg R法在塔里木盆地中等成熟阶段的陆相页岩具有一定的适用性，不适用于高—过成熟的海相页岩。

2）页岩中铀的富集主要是由于黏土颗粒和有机物质在成岩过程中对铀的还原和吸附作用。U曲线法在塔里木盆地海相、陆相泥页岩中均得到很好应用。尤其是海相页岩，由于沉积环境的稳定和有机质分布的均一性较强，使得在海相页岩中实测值与计算值相关性很高。

3）使用组合法可以综合考虑多种因素对岩石中TOC的测井响应，并提高计算TOC与实测TOC的相关性。测井方法计算泥页岩TOC不仅可以节约成本，更可以快速简便地得到纵向连续的TOC计算值曲线，消除离散取样对地质分析带来的误差。不同的方法在不同地区和深度具有不同的适用性，实际应用中要具体考虑多种因素的影响，使用多种方法进行拟合计算，并对计算方法进行优选。

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（编辑付丽丽）

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

国家油气重大专项“前陆盆地油气成藏规律、关键技术及目标评价（二期）”（2011ZX05003）；中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目“前陆盆地油气成藏规律研究与关键技术攻关”（2014B-04）

TE132.2

A

10.6056/dkyqt201503017

2014-11-28；改回日期：2015-03-12。

陈柯童，男，1989年生，在读硕士研究生，研究方向为矿产普查与勘探。E-mail：chenketong56@163.com。

引用格式：陈柯童，刘华，鲁雪松，等.应用测井方法计算泥页岩有机碳质量分数［J］.断块油气田，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.