昭通页岩气区块龙马溪组下段海相页岩气储层沉积微相与测井识别

2019-05-13谭玉涵崔式涛牛伟马萌芮昀廖茂杰冯俊贵

测井技术 2019年1期

谭玉涵,崔式涛,牛伟,马萌,芮昀,廖茂杰,冯俊贵

(1.中国石油集团测井有限公司测井应用研究院, 陕西西安 710077;2.中国石油浙江油田分公司勘探开发研究院, 浙江杭州 311122;3.中国石油技术开发有限公司, 北京 100028)

0 引言

在勘探阶段,沉积相的研究主要针对大相和亚相,而在油气田开发阶段,开发井网完成后,沉积相的研究就必须落实到沉积微相,沉积微相研究对于油气田开发具有重大意义[1]。由于油气田取心井较少,难以直接应用岩心资料进行沉积微相划分,必须充分应用各种测井响应信息。测井相分析在砂泥岩油气藏中应用多年,在测井曲线的幅度特征、形态特征等方面识别砂泥岩储层沉积微相已有较深入的研究,但是利用测井曲线划分海相储层的沉积微相研究较少,常规的测井曲线及其幅度特征、形态特征已无法识别页岩气储层沉积微相。本文在单井沉积微相分析的基础上,充分挖掘元素与能谱测井地质信息,形成基于矿物含量的沉积微相识别与划分技术,建立了连续定量识别页岩气储层沉积微相的方法,明确了昭通页岩气藏相带展布规律,进一步指导页岩气藏的有效开发,提高气田开发效益。

1 研究背景

页岩气储层含气性广泛,但宏观非均质性强,含气丰度变化大。不同微相的储层岩性、物性、孔隙结构差异大,储集性能、含气性及产气能力差异显著,综合研究认为,页岩气储层沉积相带控制岩性、岩性主导有机质富集、有机质又控制天然气含气量及产气能力,因此沉积微相的研究对页岩气藏有利储层的分布预测具有重要指导意义。总体上,中国目前关于页岩气储层沉积微相的研究尚处于初始探索阶段,主要根据录井取心、岩心观察以及能够反映岩心样品微观特征的扫描电镜、铸体薄片等资料的分析来完成,不能连续反映储层的沉积微相。

测井手段可以获取的地层信息主要是地层岩石各种物理性质,具有连续记录钻遇地层各种岩石物理信息的技术特点[2-3],但是利用常规测井曲线及其幅度特征、形态特征难以识别、划分海相陆棚沉积的页岩气藏储层沉积微相。因此,可通过利用元素、能谱等新测井方法及其测井响应与沉积微相的对应关系,建立测井沉积相判别标准,识别有利沉积相带。

2 区域地质沉积概况

昭通页岩气示范区大地构造上属于扬子地块构造域西南边缘的滇黔北坳陷,主体是威信凹陷的中西部区域[4-5]。滇黔北地区地层完整,除前寒武系及第三系外,其余各系均有出露,其中页岩气储层主要发育在奥陶系、志留系五峰组龙马溪地层,其发育一套泥岩为主的陆棚沉积[6-8]。陆棚相沉积物多以暗色和细粒为特征[9],岩性主要为深灰色、灰黑色、黑色页岩,含灰泥页岩,砂质泥页岩,夹灰色、深灰色泥灰岩,粉砂岩,泥质粉砂岩,灰质粉砂岩等,连续厚度一般较大,多为200～400 m,发育水平层理、生物扰动构造,从生物化石纵向发育组合特征来看,五峰组-龙马溪组下段除了富含笔石化石外,还可见较为丰富的放射虫和骨针等硅质类骨骼生物化石,龙马溪组上段底栖生物化石较为发育,水体变浅,水动力增强。认为下部水体要明显深于中部和上部。根据陆棚的水深和水动力条件,可进一步划分出浅水陆棚和深水陆棚2种亚相,深水陆棚处于陆棚靠大陆斜坡一侧的风暴浪基面以下的浅海区,环境能量较低,水体安静,无底栖生物扰动,由灰黑色、黑色泥岩、页岩、含粉砂页岩夹纹层状碳酸盐岩、粉砂岩薄层组成,黑色页岩常呈薄层状,具毫米级纹层状或片状页理构造,黄铁矿常呈星散状或纹层状分布,水平纹层发育,反映了安静贫氧的滞留水体沉积环境。

3 沉积微相类型及其识别标准

3.1 沉积微相类型

昭通页岩气区块产层为五峰组龙马溪组的深水陆棚沉积亚相环境下的富有机质泥页岩段,富含笔石化石,具高自然伽马值特征的黑色页岩。依据暗色泥页岩段岩石岩性类型、镜下薄片观察、矿物含量、Th与U含量之比、有机碳含量等资料,来判断其沉积环境以及水体深度的相对变化,并据此将暗色泥页岩段划分为4个沉积微相类型:①灰泥质深水陆棚微相,岩性为暗色富灰质泥页岩,钙质含量较高,硅质含量相对较低,物性致密,指示相对干旱、偏咸的水体环境,主要为颜色相对较浅的灰色、深灰色灰岩呈薄层或透镜体状夹于灰黑色、黑色泥页岩中[见图1(a)],Th/U变化较大,多在1～5之间,代表水体较浅,还原性较差的沉积环境;②泥质深水陆棚微相,处于深水陆棚水体能量较低的海域,发育黑灰色、灰黑色、黑色泥页岩,以及发育反映水体安静的水平层理[见图1(b)],矿物中常出现黄铁矿晶粒,常呈星点状或纹层状[见图1(c)],岩层中含大量的笔石化石,指示了低能、贫氧以及低速欠补偿的较深水的沉积特征,Th/U在1.5～3.5之间,代表水体较深,水动力较弱的沉积环境,泥质含量较高,伽马曲线较高。③砂泥质深水陆棚微相,岩性以灰黑色粉砂质泥岩、泥页岩为典型特征[见图1(d)],硅质含量较高,主要以陆源硅质为主,水动力条件较强,有机质含量低,电阻率较高,Th/U常大于3,代表水体较浅,还原性差的沉积环境。④硅泥质深水陆棚微相,岩性为暗色富硅质泥页岩[见图1(e)],块状结构,页理不发育,主要为隐晶质玉髓和黏土级石英,石英多为自生成因,泥质相对较少。根据薄片鉴定可见放射虫呈星点状散布于硅质岩中[见图1(f)],含量较少,呈圆形或椭圆形,直径一般小于0.2 mm,多已被溶蚀呈铸模孔洞,放射虫可以反映一种清洁、安静、远离陆缘碎屑的海洋环境,Th/U常小于2,代表水体最深,还原性最强的沉积环境,自生硅质含量较多,有机质含量较高。砂泥质深水陆棚微相与硅泥质深水陆棚微相二者的主要区别为砂泥质深水陆棚微相水体能量略强,含有少量的粉砂,硅质矿物多为陆源成因,而硅泥质深水陆棚微相中硅质矿物多为化学或生物化学成因。

图1 五峰组-龙马溪组下段页岩沉积微相标志

3.2 不同微相测井识别标准

在各个微相的矿物含量、沉积水体深度,氧化还原环境的差异,在单井沉积微相分析的基础上,充分挖掘元素与能谱测井地质意义,形成基于矿物含量与沉积环境的沉积微相测井识别与划分技术。

元素测井可以测量记录中子源发射的快中子经非弹性散射而被俘获时释放出的伽马射线能谱,利用剥谱技术得到地层中硅、钙、铁、硫、钛、钆等元素的相对含量,应用氧闭合技术将元素的相对含量转换成元素绝对含量百分比,再利用研究区的大量岩心分析实验数据,建立经验关系式得到地层矿物含量,进而判断地层岩性的变化,相对岩心观察与镜下薄片鉴定,该技术可以实现定量划分岩性。

能谱测井获得的地层信息中,U元素对海平面升降引起氧化还原环境的变化较为敏感,而Th元素相对不敏感,故认为U值和Th/U值的变化可以反映海平面的升降与沉积环境的变化。海平面上升,水体深,盆地处于缺氧、还原的沉积环境,沉积物主要为深海环境的富有机质硅质、泥质沉积物,U含量的急剧增加、Th/U值降低;相反地,海退可以形成浅水氧化作用较强的水体环境,在这种环境中有机质沉积较少,碎屑岩、粉砂质泥岩和碳酸质泥岩较容易形成,反映出过渡海相环境部分受陆源沉积物供给的影响,此时U含量急剧降低,Th/U值升高到3以上[10]。

利用元素和能谱等测井新技术所得到的地质信息对昭通页岩气五峰组龙马溪组下段处于深水陆棚亚相的储层进行沉积微相的识别、划分。采用硅质含量、黏土含量、钙质含量、铀、钍曲线作为参考曲线,共选取16口井64个标准样本点(不包括Y9井)参与分析,建立了4类沉积微相的测井识别标准及3张交会图图版。

利用硅质、黏土含量交会图(见图2),可以将泥质深水陆棚微相、砂泥质深水陆棚微相与灰泥质、硅泥质深水陆棚微相区分,泥质深水陆棚微相与砂泥质深水陆棚微相泥质含量最高,泥质含量主要分布在大于32%的范围。灰泥质深水陆棚微相,钙质含量最高,普遍高于30%,泥质含量基本低于32%,硅质含量低于43%,可以较好地与其他3种微相区分(见图3)。而在硅质含量与钍铀比交会图上(见图4),可以将泥质与砂泥质深水陆棚微相区分,砂泥质深水陆棚微相钍铀比在4种微相里最高,多大于3.5。硅泥质深水陆棚微相,其泥质含量少,基本小于32%,硅质含量多,大于43%,在硅质含量与钍铀比交会图上,硅泥质深水陆棚微相钍铀比小于1.5,代表水体最深,还原性最强的沉积环境。

图2 硅质含量与黏土含量交会图

图3 硅质含量与钙质含量交会图

图4 硅质含量与钍铀比交会图

根据交会图可以确定:硅泥质深水陆棚微相,硅质含量>43%,泥质含量<32%,Th/U<1.5;泥质深水陆棚微相,硅质含量>40%,泥质含量>32%,钙质含量<30%,Th/U介于1.5～3.5;砂泥质深水陆棚微相,硅质含量>40%,泥质含量>32%,钙质含量<30%,Th/U>3.5;灰泥质深水陆棚微相,硅质含量<43%,泥质含量<32%,钙质含量>30%。

图5 Y9井单井相

图5为Y9井五峰组龙马溪组龙一1段测井沉积微相识别图,该段取心主要以灰、灰黑、黑色页岩为主,岩性纯,页理较为发育。在深度1 405、1 414 m左右处Th/U大于3.5,代表沉积水体较浅的砂泥质深水陆棚微相,而在1 416 m之后,泥质含量保持在32%以上,而Th/U降低到3.5之下,判别为泥质深水陆棚微相,在深度1 427 m处,泥质含量降低,低于32%,硅质含量上升,Th/U降到1以下,判别为硅泥质深水陆棚微相,在1 434 m处,钙质含量上升,大于30%,判别为灰泥质深水陆棚微相。识别结果与岩心、镜下薄片观察结果相符,验证了该方法的准确性。

3.3 有利沉积微相的识别

统计处于4种微相内的储层有机质含量平均值(见图6),可以看到处于硅泥质深水陆棚微相带内的储层有机质富集程度最高,其次为泥质深水陆棚微相。硅泥质深水陆棚微相处于水动力最弱,还原性最强的沉积环境,有机质在该环境下可以得到较好的保存[6],是有机质富集的最佳环境,同时,在有机质分解、形成过程中会产生有机酸,在其周围形成弱酸性环境,从而有利于SiO2沉淀与交代,易形成自生有机硅质矿物,两者相辅相成,促进了有机质在硅泥质深水陆棚中的富集。从这一点,可以认为自生有机硅质矿物的出现对寻找高有机质含量储层起到一定的指示作用。而砂泥质深水陆棚微相,其硅质矿物多来自陆源碎屑,受陆源沉积物影响较大,水动力条件较强,灰泥质深水陆棚微相,沉积水体较浅,受弱氧化环境影响,钙质含量增大,都不利于有机质的富集。

图6 4种微相中有机质含量分布柱状图

利用总有机碳含量曲线与硅质含量曲线交会,总有机碳含量曲线取反刻度,重叠在硅质含量曲线上,当总有机碳含量增大,硅质含量增大时,即出现包络面积,即可识别出有机质富集层段,该井在1 430～1 434 m之间总有机碳含量曲线与硅质含量曲线出现包络面积,为富有机质硅泥质深水陆棚微相,是五峰组龙马溪组页岩气藏勘探开发的优势相带。

4 页岩气储层有利微相带分布

对昭通地区五峰组-龙马溪组龙一1段沉积微相进行了测井识别,制作了沉积微相连井剖面图(见图7),总有机碳含量曲线与硅质含量曲线出现包络面积的相带即富有机质硅泥质深水陆棚微相稳定分布在研究区内龙马溪组的龙一11龙一12小层中,该相带内有机质含量平均大于3%,页岩气储层品质好,且硅质含量平均大于40%,脆性高,水力压裂效果好,易形成复杂缝网,是页岩气勘探开发的最有利的沉积微相。