文冉，陈轶林，舒赢，郑科

1.中国石油西南油气田分公司 工程技术研究院（四川 成都 610017）

2.中国石油川庆钻探工程有限公司 地质勘探开发研究院（四川 成都 610017）

1 特色录井理论基础

目前，充气钻井、旋转导向工具、PDC 钻头等新型钻井技术已广泛应用于页岩气勘探开发。因岩屑相对较小，使得地层岩性难以识别，页岩气水平井导向无法准确实现[1-4]，随钻储层解释的难度较大。因此，在四川和重庆的页岩气勘探开发中，经常使用XRF 元素测井和自然伽马射线光谱测井技术。

1.1 自然伽马能谱录井

岩石中一般都含有放射性元素，主要是铀、钍、钾。岩石的辐射强度和其半衰期有关。238U 的半衰期为4.5×109a，223Th的半衰期为1.42×1010a，40K的半衰期为1.25×109a，半衰期长的元素其能量谱越强[5]。不同岩石矿物中放射性差异很大。黏土质岩石中钾和锶的含量较高，而铀的相对含量较低。在无氧还原环境中形成的岩石，铀的含量会随之增加。这种差异使自然伽马光谱录井得以实现。根据实验室对铀、钍和钾伽马能量的测量，发现了能量为1.46 MeV 的发射40 K 的单色伽马射线。U 系统，Th系统及其衰变发射多能伽马射线，其中Th系统在2.62 MeV 处具有明显的峰值。它可用作镧系统的特征光谱，也可作为铀系的特征谱[6]。

1.2 XRF元素录井

X 射线（XRF）元素录井主要基于元素分析，可以在储层矿物成分分析、孔隙度和脆性指数判断中发挥较好作用。它通过X射线数量来记录荧光的能量和强度，定量分析Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ba、Mn、Ti、Fe、Ni、Sr、V、Zr共17种元素，可作为识别地层岩性的基本依据。

2 特色录井资料应用

由于XRF 元素录井和自然伽马射线光谱录井岩石样品的直接测量，因此数值变化仅与岩性有关，是一种定性化的分析手段。只要选样准备，不受岩石尺寸、钻井参数和钻井液等因素的限制。所以用来识别岩性矿物划分地层，判别页岩气的有效储层。

2.1 识别岩性划分地层

XRF 单元录井岩性解释方法利用井深分析了单元含量、单元比和定量岩性含量曲线的变化特征和变化趋势，得出最终解释结果：①不同岩性元素录井的特征明显不同,易于识别，如玄武岩为0.35＜Fe/Si＜0.55 且Ca/( Na ＋K)＜4.00，而沉积岩Fe/Si＜0.35 或Fe/Si＞0.5；②在川渝地层中，可以根据（Al+Si+Fe）和（Ca+Mg+S）的组合确定碎屑岩、碳酸盐岩、硫酸盐岩和过渡岩。其中( Al＋Si＋Fe)＞31%的为碎屑岩，( Al＋Si＋Fe)＜8%且（Ca＋Mg＋S）＜36%为碳酸盐岩，而(Al＋Si＋Fe)＜5%且（Ca＋Mg＋S）＞36%则为硫酸盐岩。进一步可根据（Si＋K＋Ca）和Si/Al、（Al＋Si＋Fe＋K）和（Ca+S）/Mg 识别砂岩、泥（页）岩、石膏、白云石、石灰岩及其过渡岩。

2.2 判别页岩气储层

根据Al、Si、Ca 和Mg 元素的含量不同，可以初步确定页岩的差异。Si、Ca、Mg元素含量高，页岩层脆，游离气含量高;Al元素含量较高，页岩层吸附能力强，吸附气体含量可能较高,据此可初步区分页岩气储层。自然伽马能谱曲线上钾和锶含量低，铀含量高，可初步判定为富含有机碳的页岩气藏。在龙马溪组的页岩中，可以根据钾、锑含量高、铀含量低，来判定中上部的普通页岩。根据钾和锶含量低，总伽马γ剂量率和铀含量，且在自然伽马能谱曲线上，它具有高伽马、高铀、低钾和低焓的特点，来判定下部富含有机碳的优质页岩储层[7]。

2.3 评价页岩气储集层

在大陆砂岩储层中，Si元素含量变大，表明储层质量较好;Al元素、Fe元素、Ti元素3种元素含量变大，说明储层质量恶化;不同地区Ca 元素对储层变化的影响差异很大。Si 和Al 元素比的变化表明岩石颗粒尺寸的变化。在一定范围的海相油藏中，S元素含量与溶解孔隙的发育程度正相关。

有机碳的含量是影响页岩吸附气体的主要因素之一。TOC 指数水平标示着吸附气体量在一个数量级的变化，将影响页岩气藏的最终储量。如果有机碳的含量偏低，则吸附气的含量也偏低。虽然TOC 指数可以通过地球化学热分解分析获得，但在现场操作中，PDC 钻头和钻井液使得页岩石碎屑变成糊状，处理起来较困难，使得分析周期变长。利用自然伽马射线光谱计算TOC指数，在减少环境影响下，特别是当页岩层中含有硫化物和有机碳时，黏土矿物对铀元素的吸附性增强，黏土中铀含量明显增加。与岩石地球化学热解法比，这种计算方法更快，结果也更准确。即TOC＝aU＋b 中TOC 表示有机碳含量；U 代表铀含量，a、b 表示区域常数。利用TOC指数和测井U值的核心分析，分析了a和b系数的值，相关系数为0.898。由于自然伽马射线光谱录井技术直接测定岩屑样品操作简便，在页岩气藏TOC指数评价中具有独特的技术优势。

2.4 应用实例

W202H10-3井是水平井，为了确保高质量页岩储层的钻井速度，井的水平段采用自然伽马射线光谱录井来辅助地质导向。在钻井时确定所在的小层，同时初步估算有机碳含量以评估储层。在水平段钻井过程中，自然伽马射线光谱测井数据用于实时地层对比，以确定储层的位置。根据标准层的特征判断水平段轨迹，为实时调整轨迹提供依据。伽马射线光谱测井曲线与钻井时伽马曲线的趋势一致，可在水平段钻井中相互验证。伽马值出现多解的情况下，根据元素和伽马能谱特征可以判断井下具体位置和上下切状态。W202H10-3井的1 500 m水平段解释了第一类储层，长度为1500 m，占水平段的100%（图1）。

通过特色录井及标准井模型计算水平段矿物含量、TOC 含量、含气量，对储层进行评价，为试油 层段的优选分段提供依据（表1、表2）。

图1 W202H10-3 井着陆段随钻跟踪分析图

表1 W202H10-3井特殊录井储层解释成果表

表2 W202H10-3井试泊分段建议表

续表2 W202H10-3井试泊分段建议表

3 结论

XRF 元素测井技术和自然伽马射线测井技术被广泛应用于四川和重庆页岩气的勘探和开发，并在生产实践中得到改进。与传统的测井方法相比，XRF 元素测井和自然伽马光谱录井的组合具有以下优点：

1）井区XRF 元素和自然伽马能谱曲线的对比能准确地识别岩性，快速准确地对地层进行划分。

2）实时地层对比和评估，可以确定现场地质导向目标的自然伽马射线光谱录井数据。通过水平段中优质储层的位置，判断井眼轨迹。XRF 元素录井技术可以及时地校准岩性，为导向师及时调整井眼轨迹提供丰富的依据。并确保箱体钻井率，提高开发效率。

3）自然伽马射线能谱录井资料可用于计算有机碳含量，识别储层中黏土矿物的类型含量，分析黏土矿物的变化，为储层优化提供依据。