四川盆地五峰组—龙马溪组海相页岩气资源潜力巨大，是国内海相页岩气的主要勘探开发区域，近年来部署了大量水平井进行勘探开发^[1-5]。页岩气水平井钻井过程中普遍采用随钻测井工具进行地质导向，利用随钻测井自然伽马曲线指导水平段钻进^[6-8]。但是，入窗前页岩的自然伽马变化不明显，主要目的层自然伽马曲线尖峰多，不同峰的幅值差异小，且使用的随钻测井工具多不相同，并大量采用远端随钻测井工具，无法提供方位伽马数据，且不同测井工具的测量结果差异大，仅依靠随钻自然伽马测井曲线难以满足页岩气井地质导向的需求。为此，笔者采用X射线荧光（XRF）元素录井数据建立基于岩石成分的三端元图版、不同层位的元素交会图版、元素三维显示图版，在钻进过程中利用其判断钻头位置及钻头穿行状态，并建立岩石密度、含气量等关键评价参数的定量计算模型，为页岩气水平井地质导向提供了新的思路和方法。

1.   地层特征

川南地区五峰组—龙马溪组沉积环境为低能还原环境，构造活动不明显，整体为陆棚相。威荣页岩气田主体处于威远构造南缘白马镇向斜，龙马溪组底部埋深3 600.00～3 800.00 m，属于深层页岩气。水平井的主要目的层为五峰组—龙马溪组一段，自下而上划分为9个小层^[9-13]，纵向上页岩颜色差异不大，通过肉眼观察难以区分；电性特征有一定的差异，主要差异集中在①—④小层。揭开④小层后自然伽马测井曲线出现小幅度的尖峰，③小层底部有2个相对稳定的高自然伽马尖峰，自上而下命名为Ⅰ峰和Ⅱ峰，②小层为极高自然伽马峰，称为Ⅲ峰，水平井的主要靶体是Ⅱ峰和Ⅲ峰所在的地层（见图1）。①小层为五峰组地层，自然伽马值明显低于上覆层段。

图  1  川南五峰组—龙马溪组一段地层厚度特征对比

Figure  1.  Comparison of the stratigraphic thickness characteristics of the Wufeng Formation-the 1st member of Longmaxi Formation in southern Sichuan

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.   地质导向技术难点

深层页岩气水平井的钻井技术难点主要集中在入窗和水平段2个阶段。造斜与入窗阶段的重点是准确识别标志层，确保顺利着陆；水平段的关键是明确钻头的穿行状态，通过调整井眼轨迹，确保在优质储层段穿行。因此，落实关键控制点、判别钻头穿行状态，是深层页岩气水平井钻井的重点与难点。

1）标志层特征不明显，难以准确入窗。龙马溪组中上部没有明显的标志层，主要根据物探等资料获得的宏观构造特征来指导定向钻进。龙马溪组一段④小层是造斜与入窗的关键控制点，随钻自然伽马测井仪器容易受到钻井液成分与性能的影响，导致自然伽马值波动大，难以准确识别出标志层，且④小层距离靶点垂向距离仅为18.00～41.00 m，井眼轨迹调整余地较小，定向钻进过程中缺乏控制井眼轨迹的依据。

2）靶体上下自然伽马特征相近，难以判断钻头走向。③小层Ⅱ峰与①小层顶部为水平井靶窗的上下界面，在有方位伽马测井数据的情况下，容易判别出钻头的穿行状态，但威荣页岩气田广泛使用远钻头随钻测井工具，与钻头的距离约14.00～17.00 m，仅能提供随钻综合伽马测井数据，当随钻测量的自然伽马值由高向低变化时，根据常规测井资料不能区分出钻头的穿行状态。如图2所示，A9平台靶心为Ⅲ峰峰尖所在位置，如果钻头偏离峰尖位置，Ⅲ峰上下半幅的常规测井、录井特征几乎完全一致，难以判断钻头是处于Ⅲ峰上半幅还是下半幅，只能在钻穿靶体上下界面后再调整井眼轨迹。

图  2  A9平台导眼井靶窗测录井特征

Figure  2.  Logging/mud logging characteristics of target window in the pilot hole of Platform A9

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.   精准地质导向技术

元素录井数据携带了丰富的地层信息，为地层识别以及评价参数计算提供了数据基础。利用元素录井数据识别控制点、目的层、钻头穿行状态和评价页岩参数，可为页岩气水平井地质导向提供依据。

3.1   理论基础与时效性分析

3.1.1   精准地质导向理论基础

页岩地层通常具有高自然伽马的特征，但自然伽马是岩石中多种成分的叠加响应，具有较强的多解性^[14-17]。实钻发现，页岩气储层附近存在高放射性的磷灰石、硅质岩和碳质页岩，即优质页岩一般都具有高自然伽马特征，但具有高自然伽马特征的岩石不一定是优质页岩。自然伽马特征的多解性，导致在自然伽马特征相似的井段难以准确判断钻头的位置。XRF元素录井技术可为岩性精细定名、沉积相划分和甜点评价等提供有力的手段^{[13, 17]}，因为该技术能够实时测量岩屑中常见的20余种元素及其含量，构成地层的响应指纹，能够准确反映含气性、岩石密度等信息，从而有效弥补自然伽马的多解性，为准确判断钻头在小层中的穿行位置奠定了理论基础。

3.1.2   时效性对比分析

地质导向钻井对时效性要求较高。旋转导向钻井或近钻头测量工具具有较强的时效性，而远钻头随钻测井工具的时效性相对较差。威荣页岩气田5口井应用了远钻头随钻测井工具，迟到时间为50～70 min，平均钻时为5.50～18.10 min/m。XRF元素录井分析周期按30.00 min计算（包括捞取岩屑、烘烤样品、制样、分析），当钻时在6.00～7.00 min/m时，获得元素分析数据的时间与获得远钻头随钻测井数据的时间基本一致，当钻时大于7.00 min/m时，先获得元素分析数据。5口井中首先获得元素分析数据的井段有12段，元素分析数据与远钻头随钻测井数据基本同时获得的井段有2段，首先获得远钻头随钻测井数据的井段有2段。可见，在绝大部分情况下XRF元素录井的时效性优于远钻头随钻测井工具，能够为地质导向钻井提供时效保证。

3.2   关键控制点识别方法

威荣页岩气田五峰组—龙马溪组一段的9个小层均为深水陆棚相，但可细分为黏土深水陆棚、含钙黏土深水陆棚、钙质黏土质深水陆棚、生物硅质深水陆棚等多个不同的沉积微相^[13]。不同沉积微相的元素富集情况不同，因此纵向上小层不同，元素含量也不同。根据岩石的矿物成分，可将岩相划分为黏土质、钙质和硅质等3类。通过建立XRF元素录井数据与岩石矿物成分之间的计算模型，采用三端元图版，将岩相划分为黏土质、硅质、钙质、混合质^{[13, 17]}，通过区分不同的岩相识别关键控制点。图3所示为威荣页岩气田Y3井的三端元图版。从图3可以看出：Y3井钻遇的⑧–⑨小层为黏土质，主要为黏土深水陆棚相条件下的页岩，进入⑦小层后为混合质，是从黏土深水陆棚向含钙黏土深水陆棚过渡，进入③小层后，逐渐变化为硅质，与生物硅质深水陆棚微相对应。由此可见，应用XRF元素录井的三端元图版能有效区分各个小层，识别出关键控制点。

图  3  Y3井元素三端元图版

Figure  3.  Three-terminal chart of Well Y3

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.3   目的层识别方法

Ⅰ峰、Ⅱ峰和Ⅲ峰3个高自然伽马井段的沉积微相一致或相似，用三端元图版难以区分，同时Ⅰ峰与Ⅱ峰的自然伽马幅值相近，多数井的Ⅲ峰存在副峰，导致各个峰形之间区分难度大。借鉴曲线重叠与曲线交会等测井解释方法^[14]，优选出目的层段的主要元素，研究元素含量以及元素含量比值的交会。根据已钻井的元素数据统计分析Mg，Al，Si，S，Ca和Fe等含量占比较高的元素并优选图版。图4为不同元素含量及不同元素含量比值的交会图版。从图4可以看出，Al–Si元素含量交会图版、Al–Ca元素含量交会图版、Ca与Mg含量比值–Si与Al含量比值交会图版在区分Ⅰ峰、Ⅱ峰和Ⅲ峰方面均有一定的效果，其中Al–Si元素含量交会图版的效果最好。

图  4  元素交会图版

Figure  4.  Effect of element intersection chart

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.4   钻头穿行状态识别方法

常规方法不能区分出Ⅲ峰的不同部位，需要采用更高维度的图版来提高Ⅲ峰峰尖及上、下半幅位置的辨识度。根据主成分分析结果，页岩中Ca，Si和Al元素的含量在一定程度上能反映岩相的变化^{[13, 17-18]}，适合用来开展三维显示图版的研究与应用。根据自然伽马曲线的特征，将整个Ⅲ峰自上而下划分为Ⅲ峰上半幅、峰尖、下半幅A段、下半幅B段等4个不同的部位（见图5（a））：上部为Ⅲ峰上半幅，中部为Ⅲ峰峰尖；由于下半幅较长，将其分为A，B两段，中下部为Ⅲ峰下半幅A段，底部为Ⅲ峰下半幅B段。由于Ⅲ峰峰尖依靠自然伽马值容易识别，因此将其余3段的主要特征元素绘制为三维显示图版，x，y和z轴分别为Al，Ca和Si元素的含量。图5（b）所示为A6井Ⅲ峰Al，Ca和Si元素的三维显示图版，蓝色代表Ⅲ峰上半幅，红色为Ⅲ峰下半幅A段，黑色为Ⅲ峰下半幅B段。从图5（b）可以看出，Ⅲ峰上半幅与下半幅B段有重叠，但Ⅲ峰上半幅与下半幅A段具有较好的区分度。因此，当钻头偏离峰尖位置时，采用元素三维显示图版能够区分钻头进入了Ⅲ峰上半幅还是下半幅A段所在的位置，进而判断出钻头的穿行状态。

图  5  A6井Ⅲ峰元素三维显示图版

Figure  5.  III peak element three-dimensional display chart of Well A6

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.5   关键评价参数定量计算方法

将通过分析XRF元素录井资料获得的岩石成分信息、测井及试验分析的结果进行比对，根据各项参数的基本响应机理，针对需要转换的参数优选出敏感元素及元素组合，进行数学拟合分析，建立元素或元素组合与评价参数之间的数学模型，采用逐步回归方法优选数学模型，确定最佳模型，并建立了威荣气田岩石硅质含量、钙质含量、泥质含量、岩石密度和含气量等5个参数的随钻定量计算模型（见表1）。应用表明，利用XRF元素录井数据计算出的页岩评价参数与ECS测井、常规测井等其他手段的评价结果较为吻合，除钙质含量外，其余参数的相关系数均大于0.70^{[13, 17]}。

表  1  页岩评价参数随钻计算模型

Table  1.  Calculation model of shale evaluation parameters while drilling

评价参数	计算模型	相关系数
含气量	y=f(φ(Fe), φ(S), φ(K))	0.83
岩石密度	y=f((φ(Fe), φ(S), φ(K))	0.80
钙质含量	y=f((φ(Ca),φ(Mg))	0.63
泥质含量	y=f((φ(Ca), φ(Fe), φ(K))	0.72
硅质含量	y=f(φ(Si),φ(Al), φ(Ca), φ(K))	0.71

下载: 导出CSV 

| 显示表格

4.   现场应用

基于X射线荧光元素录井的深层页岩气精准地质导向技术在威荣页岩气田进行了应用，进入龙一段地层之后，首先应用元素三端元图版识别出④小层与③小层，为入窗提供指导；随钻自然伽马与元素交会图版结合区分Ⅰ峰、Ⅱ峰和Ⅲ峰，确保准确入窗；进入水平段后，采用三维显示图版判断钻头穿行状态，并利用随钻测井资料定量计算关键评价参数，指导水平段钻进。2018年以来，该技术在威荣页岩气田应用了18口井，多数井的实钻A靶点垂深较设计垂深加深4.22～36.49 m，每口井都准确入窗，14口井水平段靶体钻遇率100%，4口井准确判断出了地层与钻头穿行状态，但因定向工具的轨迹调整能力不足，导致部分井段钻出靶体，18口井的靶体平均钻遇率达到了98.06%。

4.1   入窗

T1HF井入窗井段的随钻自然伽马曲线特征与导眼段有明显差异，导眼段⑥、⑤、④小层底部的自然伽马曲线均有明显的台阶，易于识别；斜井段随钻自然伽马曲线基本无变化，根据自然伽马特征难以判断层位（见图6），但根据该井段的元素三端元图版实现了准确区分（见图7（a）），及时采取了增斜措施。应用Al–Si元素交会图版及时区分目的层Ⅰ峰、Ⅱ峰和Ⅲ峰（见图7（b）），为准确入窗准确提供了依据。

图  6  T1HF井导眼段与斜井段自然伽马特征对比

Figure  6.  Comparison of natural gamma characteristics between pilot section and deviated section in Well T1HF

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  7  T1HF井三端元图版和元素交会图版

Figure  7.  Application of three terminal element and element intersection chart in Well T1HF

下载: 全尺寸图片 幻灯片

4.2   水平段

A3井入窗进入水平段以后采用远钻头随钻测井工具进行地质导向，5 130.00～5 160.00 m井段钻头位于Ⅲ峰峰尖位置，随后随钻自然伽马曲线出现了起伏，随钻自然伽马值降低，钻头偏离了Ⅲ峰峰尖位置（见图8）。由于没有方位伽马数据，难以判断钻头的穿行状态，因此采用元素三维显示图版判断钻头穿行状态。从A3井水平段元素三维显示图版（见图9）可以看出，钻头偏离峰尖位置以后，没有进入Ⅲ峰下半幅A段的范围（绿色为待判断的5 160.00～5 180.00 m井段元素数据）。参数定量计算结果（见图8）表明，该井段含气量由9.50 m³/t降至6.40～7.10 m³/t，岩石密度由2.38 g/cm³升至2.43 g/cm³，表明储层的含气性正在变差。综合分析三维显示图版和参数定量计算结果，认为该井段钻头在Ⅲ峰上半幅的位置并有逐渐偏离靶窗的趋势，于是采取降斜措施，然后重新回到Ⅲ峰所在的位置，含气量由3.60 m³/t升至5.20 m³/t，岩石密度由2.53 g/cm³降至2.49 g/cm³，说明钻头回到了优质储层段，达到了轨迹优化调整的目的。

图  8  A3井水平段参数定量计算结果与轨迹穿行情况

Figure  8.  Quantitative calculation results of parameters in horizontal section of Well A3 and track crossing

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  9  A3井水平段元素三维显示图版

Figure  9.  Element 3D display chart of horizontal section in Well A3

下载: 全尺寸图片 幻灯片

5.   结论与建议

1）X射线荧光元素录井能提供丰富的地质信息，在深层页岩气井地质导向钻进中能够弥补自然伽马的多解性问题，且与远钻头随钻测井工具相比时效性更好，为精准地质导向钻进提供了依据。

2）基于元素录井建立的三端元图版、Si–Al交会图版、Si–Al–Ca三维显示图版以及关键评价参数定量计算模型，能够准确识别小层，判断钻头在小层中的穿行方向。在威荣页岩气田应用表明，其具有较好的现场应用效果，可提高深层页岩气水平井水平段优质储层的钻遇率。

3）随着深层页岩气勘探开发的深入，新钻探区块的钻井地质条件更趋复杂，在复杂构造条件下优质储层的随钻识别与评价将面临新的挑战，应积极探索微幅构造、隐蔽断层的随钻定量评价方法，不断提高复杂区域深层页岩气勘探开发的技术水平。