辽河西部凹陷古近系页岩类型及测井识别

2022-03-12徐玳笠许露露龚志愚周向辉文剑航任志军

资源环境与工程 2022年1期

徐玳笠，许露露*，龚志愚，陈康，周向辉，杨洁，文剑航，任志军

(1.湖北省地质调查院，湖北武汉 430034； 2.湖北省地质勘查工程技术研究中心,湖北武汉 430034; 3.中国(武汉)知识产权保护中心,湖北武汉 430015)

页岩油气以游离态和吸附态同时赋存于富含有机质的暗色泥页岩及其粉砂质泥岩夹层中，是典型的自生自储型非常规油气藏。近几年的页岩油气钻探表明，辽河西部凹陷具备形成页岩油气的良好物质基础，油气资源潜力较大[1-8]。开展辽河西部凹陷页岩油气目标评价研究，同时形成页岩油气勘探理论和技术将有助于辽河油田寻找到新的资源。西部凹陷古近系发育多种类型的页岩，在西部凹陷多年的常规油气勘探中，已有许多老井钻穿古近系页岩目的层位，利用这些老井的钻井岩芯和测录井资料对辽河西部凹陷中古近系页岩岩性类型进行了划分，并建立了页岩类型的测井模型。本次研究有助于快速识别有利的页岩，对西部凹陷页岩油气勘探具有促进作用。

1 区域地质概况

辽河坳陷位于渤海湾盆地东北部，该盆地是在前中生代基底上发育起来的中新生代大陆裂谷坳陷。辽河坳陷构造演化具有多期型，主要经历了“拱张、裂陷和坳陷”三个演化阶段，主体由北东向主干断裂和近东西向次级断裂组成。辽河坳陷由六个构造单元组成，自西向东依次为西部凸起、西部凹陷、大民屯凹陷、中央凸起、东部凹陷和东部凸起，总体上呈现北东向展布特征(图1-a)，其中西部凹陷含油气性最好，凹陷东西被中央凸起和西部凸起所限，面积约2 500 km2。西部凹陷南部地质剖面AB显示，该凹陷为一个东部陡西部缓的箕状凹陷，大致可由斜坡带、洼陷带、陡坡带三个构造区带组成[9](图1-b)。

研究区古近系自下而上分为沙河街组和东营组，其中沙河街组依据岩性组合自下而上可以进一步分为四段，沙三段在深陷期沉积，沉积厚度巨大，分布范围广，为主要的页岩层段。与上覆沙二段呈角度不整合接触关系。东营组以泥岩为主要岩性，并与砂岩和砾岩呈不等厚互层，与沙河街组呈整合接触。东营组与上覆新近系馆陶组呈角度不整合接触。详细的地层分层见表1。

图1 辽河西部凹陷构造位置及地层剖面图Fig.1 Structural location and stratigraphic profile of western Liaohe Depression

表1 辽河西部凹陷新生代地层层序简表[9-10]Table 1 Summary table of Cenozoic stratigraphic of western Liaohe Depression

2 页岩类型及矿物组分特征

2.1 页岩类型

辽河西部凹陷古近系泥页岩类型主要有油页岩、暗色泥岩、砂质泥岩、钙质和白云质泥岩，同时发育灰岩、白云岩、粉砂岩等多种夹层。以研究区2口钻井分析页岩的岩性特征，冷94井沙三段发育深灰色泥岩(图2-a)，雷37井沙四段发育灰黑色泥岩(图2-b)、褐色油页岩(图2-c)、白云质泥岩(图2-d)。

以辽河西部凹陷高升—杜家台地区沙四段岩性分布模式为例，展示各岩性在沉积相带中的分布特征(图3)。从北部高升地区至南部杜家台地区，沙四段由滨湖相滨滩亚相逐渐过渡为雷家地区的浅湖相泥坪亚相，经过曙光地区半深湖相，最后至杜家台地区前扇三角洲亚相、扇三角洲前缘亚相、扇三角洲平原亚相[9,11]。泥质白云岩发育在雷家地区的浅湖相云坪，油页岩发育在曙光低洼带半深湖相，泥页岩等细粒沉积岩类发育在浅湖、半深湖、前扇三角洲、扇三角洲前缘相带中。其中油页岩主要发育在水体稳定的半深湖和深湖相，主要以块状为主，层状页理结构也有发育[9]。

a.冷94井，沙三段，2 723.20 m，深灰色泥岩；b.雷37井，沙四段，2 654.40 m，灰黑色泥岩；c.雷37井，沙四段，2 609.05 m，褐色油页岩；d.雷37井，沙四段，2 640.8 m，白云质泥岩图2 辽河西部凹陷古近系沙河街组泥页岩类型Fig.2 Types of Paleogene Shahejie formation shale in western Liaohe Depression

2.2 页岩矿物组分特征

研究区页岩全岩矿物组分定量测试结果表明(表2),沙四段以浅湖相灰绿色泥岩为主，矿物组分以黏土矿物为主，占比58.4%，石英+长石含量次之，占比28%，碳酸盐岩矿物很少，平均含量为9.2%。沙三段以深湖相为主，岩性以暗色泥岩为主，总体上矿物组分以黏土矿物为主，平均含量为49.3%，石英+长石为辅，含量介于30.5%～56.9%；石英含量比沙四段稍高，从沙四段的19.2%增加到沙三段的31.2%，另外菱铁矿、菱锰矿、方解石和方沸石发育[9,12]。沙二段和沙一段以浅湖相为主，岩性以灰白色砂岩、含砾砂岩与灰绿色、部分紫红和棕红色泥岩互层为主，矿物组分同样以黏土矿物为主，相比而言沙二段石英+长石含量较沙一段更多。

图3 辽河西部凹陷高升—杜家台地区沙四段岩性分布模式Fig.3 Lithological distribution pattern of S4 of Gaosheng-Dujiatai area in western Liaohe Depression

表2 辽河西部凹陷沙河街组四段—一段页岩矿物组成特征[9,12]Table 2 Shale mineral composition of Shahejie Formation from Member 4 to Member 1 in western depression of Liaohe oilfield

3 页岩岩性测井识别

泥页岩的测井响应特征与其他岩性具有明显差别，通常利用自然电位(SP)、自然伽马(GR)、密度测井(DEN)及电阻率测井(Rt)、井径(CAL)和声波曲线(AC)组合可有效地识别出泥页岩段[9,13-19]。通常对于发育有大套的泥页岩、砂岩和碳酸盐岩的地层可以应用自然电位与自然伽马组合的方法进行岩性的有效识别[20-22]。由于泥页岩中黏土矿物和有机物质对放射性物质具有较强的吸附作用，因此放射性物质常伴随泥岩一起沉积。通常利用自然伽马测井由于其对泥页岩较为敏感而呈现高值，而砂岩和碳酸盐岩自然伽马测井响应值较低，是由于其中的放射性物质含量少。相对于砂岩和碳酸盐岩而言，泥页岩岩性更为致密，孔渗性较差，钻井泥浆对泥页岩的侵入较少，自然电位对致密的泥页岩反映一般为低值;钻井泥浆对砂岩和碳酸盐岩等孔缝发育的岩层侵入较多，两者形成离子自然电势差，自然电位在砂岩和碳酸盐岩中反映一般为低值。雷家地区钻井岩芯中泥页岩的测井表明，自然电位SP<100 mV，自然伽马测井响应值GR>55 API。但在地质条件复杂地区，在利用自然电位和自然伽马测井曲线识别钻井岩芯泥岩段时往往需要结合井径测井和电阻率测井等其它测井曲线进行综合分析[9]。

利用自然电位、自然伽马、岩性密度、电阻率、声波时差、井径六种测井曲线，运用星形图测井相研究方法，对辽河油田西部凹陷雷家地区发育的四种页岩岩性进行了识别(图4)。

a.泥岩；b.油页岩；c.白云质泥岩；d.泥质白云岩图4 不同岩性测井响应星形图Fig.4 Star diagram of logging response of different lithology

研究结果表明，油页岩的测井相响应(图4-b)与白云质泥岩测井相(图4-c)的星形图形态较为相似，而泥岩测井相(图4-a)与泥质白云岩测井相(图4-d)星形图形态不同，且各具特点。四类泥页岩的SP测井响应值介于85～100 mV，GR介于60～80 API，DEN介于2～2.5 g/cm3，表明这四类泥页岩的SP、GR和DEN值基本相当。但可以通过井径、电阻率和声波时差测井响应值的差异来进行有效识别。泥质白云岩的电阻率最大，约为142 Ω·m，声波时差最小，约为73.56 μs/ft。泥岩电阻率约为3 Ω·m，具有典型的低电阻率特征，其值明显小于其他岩性；声波时差与其他三类泥页岩差异不大，约为106.5 μs/ft；井径约为13.8 in，其值比其他三类泥页岩高(其他三类泥页岩约10 in)，表明泥岩有明显井径扩张现象。油页岩和白云质泥岩声波时差、井径测井响应值较为接近，油页岩的电阻率比白云质泥岩电阻率稍高。

综上所述，利用电阻率小和井径扩大的特点能快速识别出泥岩，统计表明1 Ω·m10 in可解释为泥岩。利用电阻率大和声波时差小的特点能快速识别出泥质白云岩，统计表明50 Ω·m

4 测井反演

根据不同岩性测井响应星形图的研究结果，对研究区曙古165井沙三段中上部有利层段暗色泥岩测井响应进行了反演(图5)。

图5 研究区曙古165井沙三段中上部有利层段暗色泥岩测井响应Fig.5 The dark mudstone logging response of favorable strata section of S3 formation of Shugu 165 well in study area

研究区曙古165井沙三段2 582～2 760 m泥地比约为90%，TOC平均值为1.66%，有机质类型为腐泥型，Ro平均值为0.45%，孔隙度平均值为5%，脆性矿物含量平均值为55%，总含气量平均值为6.5 m3/t。有利层段发育暗色泥岩，具有高电阻率、高声波时差、井径大的特点，井径CAL远大于10 in，在30～60 in，测井曲线能较好地反映沙三段暗色泥岩，证明了上述测井响应星形图的可靠性。