自然伽马能谱测井资料在沉积地层分析中的应用

王俊涛，汪雅菲，耿晓光，周存亭

(安徽省地质调查院，安徽 合肥 230001)

LCO1井为参数井，该井位于临安区块西北角岛石镇西南约1 100 m，构造位置位于下扬子板块宁国墩复背斜宁国墩断裂以南。临安地区大地构造属下扬子板块浙西褶皱带。区块位于宁国墩断裂带(虎月断裂)、昌化—普陀大断裂、学川—湖州大断裂与孝丰—三门湾大断裂(勘探区外)所夹菱形范围内，中部为燕山期火山岩盆地。岛石地区的构造格架受宁国墩断裂控制，地层为宁国墩复向斜南东翼，展布以北东向为主。该区主要钻遇层位厚度在160～270 m，寒武纪地层发育齐全。其中皮园村组上段、荷塘组以及杨柳岗组下段为主要含页岩气层位。LCO1井钻探主要目的为获取目的层页岩气参数，目的层为杨柳岗组下段、荷塘组和皮园村上段。

LCO1井设计井深为2 520.0 m(垂深)，完钻井深为2 328.18 m。全井段进行钻井取心，总进尺为2 319.45 m，心长2 293.8 m，收获率98.89%。地质分层数据见表1。

表1 LCO1井地质分层数据Tab.1 Geological stratification data of LCO1 well

1 常规测井资料数据处理与解释

LC01井完井组合测井1次，测量井段为7.00～2 328.18 m。所测层位自上而下为华严寺组、杨柳岗组、大陈岭组、荷塘组、皮园村组。

1.1 测井资料预处理

1.1.1 测井曲线深度校正

测井原始数据用测井解释软件进行数据格式转换、深度移动等预处理。每次测井组合系列中均附带有自然伽马曲线，深度校正时选用一条自然伽马曲线作基准校深曲线，将其他曲线深度根据自然伽马曲线统一校到基准曲线深度上，以保证所有测井曲线的深度一致性。将校好后的曲线深度与钻井工程深度(如套管下深、测时井深等)相匹配，同时结合录井资料对曲线深度进行检查，确保曲线深度准确无误。

1.1.2 测井资料环境校正

当实际测井条件与仪器刻度的标准条件不同时，就需要对测井资料进行环境校正，以减小测井环境对测井资料的影响程度，使测井信息更加接近于地层实际。根据本井的具体特点，采用以井眼校正为主、其余校正为辅的思路，分别对密度、中子、电阻率、自然伽马等曲线进行了环境校正。校正后的自然伽马、密度、中子和电阻率曲线与校正前的相比，井眼较规则处校正量很小甚至为0，仅在井眼严重扩径处自然伽马曲线有一定的校正量。环境校正只能部分消除井眼环境影响，对于严重扩径处，采用受井眼影响小的曲线进行资料处理。由于声波测井受井眼影响很小，故声波未做环境影响校正。

1.2 常规测井解释模型及参数选取

全井段采用综合分析程序CRA及Shale-Gas程序进行测井资料处理和解释。根据体积模型原理，建立经泥质校正的矿物地层数字处理体积模型。

测井曲线特征及岩屑录井资料显示，地层岩性主要为泥灰岩、硅质泥岩和花岗岩，故在进行测井资料数据处理时，建立的体积模型为：泥灰岩(硅质泥岩或花岗岩)+ 泥岩+孔隙体积=1，即由泥灰岩(硅质泥岩或花岗岩)点、泥岩点和水点构成岩性三角形，用泥岩点的数据对资料进行泥质校正[1]。在处理过程中，用中子—密度交会法计算矿物的相对体积和地层孔隙度，用自然伽马曲线或无铀伽马曲线计算泥质含量，用深侧向电阻率曲线计算储层的含油气饱和度。LC01井岩石骨架参数见表2。

表2 LCO1井地层岩石骨架参数Tab.2 Formation rock frame parameters of LCO1 well

本井岩电参数采用理论值，全井段计算Rwa，Rw≈Rwa=Rtφm/a，取Rwa平均值作为地层水电阻率参考值[2]。处理参数见表3。

表3 LCO1井饱和度参数Tab.3 Saturation parameters of LCO1 well

2 自然伽马能谱测井资料分析

自然伽马测井仅能测量地层中放射性元素的总含量[3]。通过自然伽马能谱测量，能反映不同放射性元素放射出不同能量的伽马射线，从而确定地层中含有何种放射性元素。自然伽马能谱测井主要测量地层中铀(U)、钍(Th)、钾(K)的含量，曲线包括地层总自然伽马、无铀伽马及地层中铀、钍、钾的含量，总自然伽马是铀、钍和钾的总和，无铀伽马是钍和钾的和。利用其测量值可以研究地层特性，包括计算泥质含量、识别高放射性储层、研究沉积环境、评价烃源岩等[4-6]。

LC01井自然伽马能谱测井1次，测量井段为7.00～2 328.18 m。

2.1 测井评价沉积地层步骤

测井评价沉积地层步骤如图1所示。

图1 测井评价沉积地层步骤Fig.1 Process of well logging evaluation of sedimentary strata

2.2 泥质含量计算

在自然伽马能谱测井资料中，以钾含量、钍含量及其无铀伽马与泥质含量的关系最好，铀含量与泥质含量关系最差。高铀会指示渗透性良好的储集层。因此，可以同时利用钾、钍及无铀伽马曲线或根据地质情况选择其中1条曲线，计算地层泥质含量。当用多种方法同时计算时，应选择各种方法中的最小值为结果。

本井主要选择自然伽马曲线计算泥质含量。

2.3 寻找高放射性储集层

纯砂岩和碳酸盐岩的放射性元素含量都较低，但对于某些渗透性砂岩和碳酸盐岩地层，由于水中含有易溶的铀元素，并随水运移，在某些适宜条件下沉淀，形成具有高放射性渗透层，即高伽马储层，此时可用自然伽马能谱测井进行划分。通过分析，本井不存在高放射性储集层。

2.4 岩性识别

通常纯砂岩或碳酸盐岩的放射性含量较低，纯泥岩的放射性较高，某些岩石由于含有特定放射性物质，其放射性更高，如铝土矿，利用此特性可以定性识别岩性。本井灰岩、泥灰岩的U、Th、K为低值，与砂泥岩地层有区别。

2.5 黏土类型判别

一般来讲，在绝大多数黏土矿物中，钾和钍的含量高，而铀的含量相对较低，因此，根据Th/K值，可大致确定黏土类型[7]。

Th/K比值在25.0以上为重钍矿，在12.0～25.0为高岭石，在3.5～12.0且钾值小于2.0的为蒙脱石，在3.5～12.0且钾值大于2.0的为伊蒙混层，在2.0～3.5为伊利石，在1.5～2.0为云母，在0.8～1.5为海绿石，在0.5～0.8为长石，小于0.5为钾蒸发岩。

在LCO1井组合测量井段，分层位做了Th-K交会图(图2—图6)。从图中可以看出，华严寺组黏土矿物类型为蒙脱石和伊蒙混层；杨柳岗组黏土矿物类型为蒙脱石、伊利石和伊蒙混层；大陈岭组少量数据点指示黏土矿物类型为蒙脱石和伊利石，含少量伊蒙混层和云母；荷塘组黏土矿物类型为蒙脱石、伊蒙混层、伊利石和海绿石，含云母；皮园村组井段短，数据点少，有限资料指示该组黏土矿物类型为蒙脱石；白垩系矿物类型为伊蒙混层，含伊利石。

图2 LCO1井钍—钾交会图(华严寺组)Fig.2 Thorium-Potam crossing map of LCO1 well(Huayanshi Group)

2.6 沉积环境分析

一般情况下，高能环境下的钍含量比低能环境下高，低能环境下铀和钾含量较高。另外，铀含量与氧化还原环境有关，还原环境有机质含量高、铀含量高，氧化环境下钍含量比较高。钍、钾含量还与黏土关系密切[8-9]。

图3 LCO1井钍—钾交会图(杨柳岗组)Fig.3 Thorium-Potassium intersection diagram of LCO1 well(Yangliugang Group)

图4 LCO1井钍—钾交会图(大陈岭组)Fig.4 Thorium-Potassium intersection diagram of LCO1 well(Dachenling Group)

图5 LCO1井 钍—钾交会图(荷塘组)Fig.5 Thorium-Potassium crossing map of LCO1 well(Hetang Group)

图6 LCO1井钍—钾交会图(皮园村组)Fig.6 Thorium-Potam crossing map of LCO1 well(Piyuancun Group)

Th/K比值主要反映沉积能量大小，比值在10以上为高能环境，10～6为亚高能环境，6～3为低能环境[10-12]。

Th/U主要反映化学相，氧化环境下Th/U比值高，还原环境下Th/U比值低。据经验统计：Th/K比值大于7时，主要为陆相泥岩和铝土矿，属风化完全、有氧化和淋滤作用的陆相沉积；Th/K比值为2～7，一般为氧化—还原过渡带的沉积环境；Th/K比值小于2，为强还原环境的海相沉积，岩性为黑色海相泥岩、石灰岩及磷酸盐岩[13-16]。

对本井各层组的沉积环境分析如下。

(1)华严寺组，井段为7.00～180.00 m，岩性以灰色泥灰岩为主，夹深灰色灰质泥岩、灰色角砾岩和深灰色硅质泥岩。钍钾比为3.5～11.0，表明沉积能量为亚高能—低能；钍铀比大多数在0.8～5.0，表明本层组为弱还原—弱氧化环境。

(2)杨柳岗组，井段为180.00～1 110.00 m，岩性为灰色泥灰岩、深灰色灰质泥岩、深灰色硅质泥岩、灰色泥岩和灰色角砾岩。钍钾比的主要范围为2.0～12.0，表明水动力条件变化较大，既有高能环境，也有亚高能和低能；钍铀比大多数分布在0.3～7.0，表明本层组以还原环境为主，兼有弱氧化环境。

(3)大陈岭组，井段为1 132.00～1 162.00 m，本组岩性主要为深灰色硅质泥岩。钍钾比为2.0～7.5，表明水动力条件较弱，为低能沉积；钍铀比为小于2的区间，表明本层组为还原环境。

(4)荷塘组，井段为1141.00～1276.00m、1 309.00～1 507.00 m，本组岩性以深灰色硅质泥岩为主，夹灰色泥灰岩和灰岩。钍钾比为0.5～13.0，表明水动力条件变化较大，既有高能环境，也有亚高能和低能；钍铀比值大多数分布在0.2～7.0，表明本层组兼有还原环境和弱氧化环境。

(5)皮园村组，井段为1 276.00～1 309.00 m，本组岩性主要为深灰色硅质泥岩。钍钾比为3.5～12.0，表明水动力条件变化较大；钍铀比大多数分布小于2的区间，表明本层组主要为还原环境。综合特征表明本井地层沉积环境为还原环境沉积。

2.7 烃源岩生烃能力评价

自然伽马能谱测井中铀曲线代表地层中铀的含量。有关研究资料表明，在还原环境和有机质富集的条件下，泥质沉积时会吸附大量的铀离子，有机碳含量与铀含量密切相关，有机碳含量越高，铀含量也越高，有机碳含量与铀含量是一种正相关关系。因此，可以用铀值来评价烃源岩的生烃能力[17-20]。

利用能谱测井曲线对各层组作了烃源岩生烃能力评价，华严寺组铀值峰值在1.0×10-6～4.0×10-6；杨柳岗组铀值多在1.0×10-6～3.0×10-6；大陈岭组铀值多在2×10-6～43.0×10-6；荷塘组1 141.0～1 276.0 m井段铀值多在2.0×10-6～8.0×10-6，1 309.0～1 507.0 m井段铀值多在0.0～6.0×10-6，局部异常高值，超过100×10-6；皮园村组铀值多在6.0×10-6～12.0×10-6。

总体来看，荷塘组地层铀值分布较广，多在小于30×10-6和大于50×10-6，为本井地层烃源岩生烃能力最好的井段；大陈岭组地层铀值多在2×10-6～43.0×10-6，为本井地层烃源岩生烃能力较好的井段；华严寺组铀值最小，在1.0×10-6～9.0×10-6，指示地层有机质丰度低，不具有明显的生油能力；杨柳岗组和皮园村组地层铀值多在1.0×10-6～20.0×10-6，生烃能力较华严寺组强。

3 结论

通过测井资料中的自然伽马能谱分析，研究了区内钻井中富有机质泥页岩的地层特征，探讨了区内富有机质泥页岩的生烃能力。

(1)通过黏土类型判别，钻井中主要富有机质泥页岩华严寺组黏土矿物类型为蒙脱石和伊蒙混层；杨柳岗组黏土矿物类型为蒙脱石、伊利石和伊蒙混层；大陈岭组少量数据点指示黏土矿物类型为蒙脱石和伊利石，含少量伊蒙混层和云母；荷塘组黏土矿物类型为蒙脱石、伊蒙混层、伊利石和海绿石，含云母；皮园村组井段短，数据点少，有限资料指示该组黏土矿物类型为蒙脱石。

(2)通过沉积环境判别，华严寺组为弱还原—弱氧化环境。杨柳岗组以还原环境为主，兼有弱氧化环境。荷塘组兼有还原环境和弱氧化环境。皮园村组主要为还原环境。

(3)通过烃源岩生烃能力评价，华严寺组铀值最小，指示地层有机质丰度低，不具有明显的生油能力；杨柳岗组和皮园村组地层铀值多在1.0×10-6～20.0×10-6，生烃能力较华严寺组强；荷塘组地层铀值分布较广，为本井地层烃源岩生烃能力最好的井段。