頁巖巖芯復(fù)電阻率頻散特征主要影響因素的實驗研究

黃　濤，余　剛，王緒本，張　兵，

何展翔2，陳　娟2，朱紅錦1

(1.成都理工大學　地球探測與信息技術(shù)教育部重點實驗室,成都　610059；2.中國石油集團　東方地球物理勘探有限責任公司，涿州　072750)

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頁巖巖芯復(fù)電阻率頻散特征主要影響因素的實驗研究

黃濤1，余剛2，王緒本1，張兵1，

何展翔2，陳娟2，朱紅錦1

(1.成都理工大學地球探測與信息技術(shù)教育部重點實驗室,成都610059；2.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司，涿州072750)

摘要：影響巖石復(fù)電阻率及其頻散特性的主要因素有孔隙水鹽度、孔隙度、飽和度、滲透率、溫度以及各向異性等，對于頁巖還與TOC含量密切相關(guān)。實驗中對昭通地區(qū)兩口井59塊頁巖巖芯進行了復(fù)電阻率測量，分析了巖芯飽和水鹽度、各向異性以及TOC含量對巖芯復(fù)電阻率及其頻散特性的影響。發(fā)現(xiàn)頁巖復(fù)電阻率和極化率隨含鹽飽和度增加而減小；在垂直與平行于層界面的方向電阻率與極化率相差較大，各向異性明顯；頁巖復(fù)電阻率與有機碳含量有著負相關(guān)性。實驗結(jié)果為建立頁巖儲層建模和電磁勘探方法,對頁巖儲層進行勘探和綜合評價提供了有價值的資料。

關(guān)鍵詞：復(fù)電阻率；極化率；飽和水鹽度；各向異性；有機碳

0引言

巖石物性研究作為儲層評價的重要理論基礎(chǔ)近年受到越來越多的重視，多年來基于巖礦石的成分及分布以及與所含流體的電動力學與化學反應(yīng)過程提出的復(fù)電阻率模型也多達12種[1]。巖石的電阻率在交變電場下呈復(fù)數(shù)，且隨頻率的改變而變化，并且與巖石孔隙水鹽度、孔隙度、飽和度、滲透率、溫度、礦物顆粒大小等多種因素有關(guān)，對于頁巖還受TOC及黃鐵礦等影響[2]。目前關(guān)于影響巖石復(fù)電阻率的因素及其影響機制研究最有影響的是Revil and colleagues[3-15]。Revil還基于雙電層的有效介質(zhì)理論提出了POLARIS理論描述泥質(zhì)砂巖(不含黃鐵礦)的復(fù)電阻率。此外關(guān)于復(fù)電阻率的研究還有很多如Xavier等[6]研究了不同孔隙水濃度對有機沉積與砂巖電導率的影響，同時國內(nèi)一些學者也從不同的角度進行了大量的巖石物性研究工作，范宜仁等[7]用電介質(zhì)極化理論研究砂巖復(fù)電阻率與飽和液離子濃度的關(guān)系；李建軍等[8]研究了巖樣復(fù)電阻率的影響因素；肖占山等研究了泥質(zhì)砂巖的頻閃特性及其復(fù)電阻率模型。但是這些研究大多針對砂巖等多孔介質(zhì)，關(guān)于頁巖這類低孔低滲介質(zhì)復(fù)電阻率的研究卻不是很多。研究內(nèi)容也還不夠深入全面，目前的研究大致包括：Revil[2]利用斯特恩層極化模型研究了泥頁巖石的復(fù)電導率的各向異性包括地層因素、孔隙彎曲度、有機碳等多種因素；Veeken 等[10]指出黃鐵礦也對油氣儲層的雙電層極化有著積極的作用；余剛等[11]通過南方某井中頁巖復(fù)電阻率測量得出頁巖極化率與有機碳(TOC)和黃鐵礦含量有良好的對應(yīng)關(guān)系；張雪芬等[12]分析了頁巖氣的賦存形式及與粘土礦表面吸附作用；李鵬飛等[13-14]研究巖芯電阻率，極化率與黃鐵礦相關(guān)；嚴良俊等[15-16]也對南方頁巖研究得出可以用復(fù)電阻率法(CR)進行勘探的認識。作者通過總結(jié)前人成果主要針對我國南方海相沉積頁巖從飽和液鹽度、各向異性(平行與垂直于層界面兩個不同方向)、有機碳(TOC)含量三個因素進行復(fù)電阻率測量研究，并發(fā)現(xiàn)有機碳含量與電阻率有著負相關(guān)性，希望實驗結(jié)果為建立頁巖儲層復(fù)電阻率模型，為應(yīng)用可控源電磁勘探技術(shù)，對頁巖儲層進行勘探和綜合評價提供有價值的資料。

1實驗方法及極化參數(shù)的求取

實驗中頁巖巖芯來自我國南方海相頁巖分布區(qū)(昭通地區(qū))A、B兩口井。樣品直徑2.53 cm，長度≧2.5 cm，測量時保證了標本能代表巖(礦)石的固有電磁性質(zhì)；深度為1 875 m～2 513 m，位于龍馬溪組和五峰組；對A井7塊頁巖巖樣用鹽度為308 mg/l與鹽度為35 g/l的NaCl鹽水兩次飽和測量，對B井26塊井芯分平行于層界面(橫向)與垂直層界面方向(縱向)各取26塊樣品共52塊頁巖巖樣，采用鹽度為0.4 g/l與40 g/l的鹽水飽和；所有頁巖巖樣測量時用絕緣膠帶包裹，防止因測量過程中水分揮發(fā)影響測量結(jié)果。表1和表2分別列出了A、B兩口井井芯的層位、深度、巖性及TOC含量的數(shù)據(jù)。

表1　A井頁巖巖心取芯層位和深度一覽表Tab.1　core layer and depth of well A

表2　B井頁巖巖心取芯層位和深度一覽表Tab.2　core layer and depth of well B

復(fù)電阻率測量使用的是Solartron-1260A型阻抗相位分析儀，以0.015 ppm分辨率從10 μHz跨越到32 MHz；實驗測量頻率為0.01 Hz到10 000 Hz，每個頻率數(shù)量級掃頻10個，共掃頻61個，保證有足夠的頻點反映測量巖芯信息。測量方式為對稱四極(圖1),其中：AB極為供電電極，MN為測量電極，ABMN通過BNC接頭的連線與Solartron-1260A阻抗分析儀連接好。整個測量過程通過對應(yīng)軟件ZPLOT設(shè)定頻點依次激發(fā)相應(yīng)交流電信號,MN通過供電回路的取樣電阻獲得供電電流并讀取巖心標本實部Z′(ω)與虛部Z″(ω)阻抗值，然后計算得到所測頁巖樣每個頻點的阻抗幅值Z(ω)、相位φ(ω)以及電阻率ρ(ω)等，計算公式如下：

(1)

圖1　測量裝置示意圖Fig.1　Measuring device schematic diagram

(2)

ρ(ω)=Z(ω)*π*(D/2)2/L

(3)

式中：d和L分別是巖樣的直徑和長度。

頁巖屬于多相極化介質(zhì)，并且隨頻率的變化，高低頻存在不同的極化模式，低頻時主要為巖石礦物顆粒和流體引起的IP效應(yīng)，高頻時(>1 000 Hz)電磁感應(yīng)效應(yīng)占主導；傳統(tǒng)的單Cole-Cole模型難以完全表征頁巖樣品的復(fù)電阻率特征，因此這里采用兩個Cole-Cole模型的組合來表征頁巖樣品的復(fù)電阻率特征，模型表達式為式(4)。

(4)

式中：ρ0為巖樣的直流電阻率；m1、τ1、c1和m2、τ2、c2分別表示低頻段IP極化模式的激電參數(shù)與電磁感應(yīng)極化的激電參數(shù)。用該模型對實測的巖樣復(fù)電阻率測量數(shù)據(jù)進行擬合(式(3))，可以反演得到巖樣的兩種極化模式的充電率(極化率)、時間常數(shù)和頻率相關(guān)系數(shù)，并且為了減小電磁感應(yīng)影響，同時又保證有足夠的數(shù)據(jù)點進行擬合。我們只對1 000 Hz以下的數(shù)據(jù)進行反演并采用ρ0、m1作為結(jié)果進行分析。經(jīng)過驗證，該模型反演的激發(fā)極化參數(shù)與實測的復(fù)電阻率擬合較好(圖2)，圖2中47 V和51 V電阻率和相位均方根誤差分別僅為0.202/0.491、0.205/0.495。更多關(guān)于該模型的合理性與精確性以及與其他模型對比參考文獻[27]已做詳細論述。

圖2　巖樣實測復(fù)電阻率、相位曲線與雙cole-cole模型反演擬合結(jié)果對比Fig.2　The measured rock resistivity and phase curve contrast with the double cole-cole(a)電阻率擬合;(b)相位擬合

2飽和水鹽度對頁巖復(fù)電阻率的影響

一般情況下，孔隙水電阻率對巖石電阻率有著控制作用，還對巖石極化特性產(chǎn)生影響。由于文中頁巖樣屬于海相沉積，試驗中對部分頁巖用兩種濃度的NaCl溶液進行抽真空加壓飽和測量。圖3給出了A井417B號樣品在兩種鹽度飽和液飽和情況下的頻譜曲線，表現(xiàn)為同向電阻率(實部)與復(fù)電阻率變化規(guī)律相同，且隨飽和水鹽度增大而減?。划愊螂娮杪?虛部)與相位變化規(guī)律基本相同，幅值也隨飽和水鹽度增大而減小。

圖3　417B號頁巖不同飽和水鹽度下的頻散特性曲線Fig.3　Number 417 B shale of dispersion characteristic curve under different salt saturation(a)復(fù)電阻率幅值頻散曲線；(b)相位頻散曲線；(c)同向電阻率頻散曲線；(d)異向電阻率頻散曲線

417B號頁巖不同飽和水鹽度下的頻散特性可以用低頻下巖石的導電特性進行分析，低頻下巖石的復(fù)電導率σ(ω)或者復(fù)電阻率ρ(ω)，可由兩部分組成：①孔隙流體的電導率σbulk與頻率無關(guān)，與孔隙流體的離子遷移有關(guān)，且可用阿爾奇公式求得σbulk=σw/F，其中σw是孔隙水電導率，F(xiàn)是地層因素；②孔隙流體與巖石礦物顆粒界面的表面電導率σsurf，與陽離子交換性質(zhì)有關(guān)，是有效表面積、表面電荷密度以及離子遷移率的函數(shù)以及頻率的函數(shù)，低頻時這種極化效應(yīng)即為激發(fā)極化。且σsurf=σsurf′(ω)+σsurf″(ω)，其中σsurf′(ω)、σsurf″(ω)是表面電導率的實部與虛部。因此實際測量的復(fù)電導率σ(ω)(復(fù)電阻率ρ(ω)=1/σ(ω))可以由同向電導(實部)σ′(ω)和異向電導(虛部)σ″(ω)表示：

σ(ω)=σ′(ω)+iσ″(ω)

(5)

σ′(ω)=(σw/F) + σsurf′(ω)

(6)

σ″(ω)=σsurf″(ω)

(7)

當頻率小于1 000 Hz時認為σ′(ω)與頻率無關(guān)。

因此，①隨飽和水鹽度變大，飽和水電導率σw越大即孔隙水電導率變大，并且由于離子濃度的增加使得礦物-水表面有更大的離子濃度，陽離子交換量增加，σsurf′(ω)、σsurf″(ω)都變大。因而巖樣電導率σ變大電阻率變小(圖3(a))，與多數(shù)情況下泥質(zhì)砂巖測量結(jié)果相同(泥質(zhì)砂巖當飽和水離子濃度過大時σsurf″(ω)反而減小，原因是較大的離子濃度抑制了離子的遷移以及讓雙電層變薄[16](圖3(c)～(d)；同時同向電阻率與異向電阻率也都變小；②隨飽和水離子濃度增加同向電導率增量遠大于異向電導率增量Δσ′?Δσ″。因此飽和水離子濃度越大電導率虛部σ″(ω)相對于實部σ′(ω)越小，相位φ(ω)=tag-1(σ″/σ′)∝σ″/σ′，由前述可知飽和水離子濃度增大，相位應(yīng)減小(圖3(b))，復(fù)電阻率頻散(極化率)減小。

圖4、圖5分別為A井7塊頁巖在兩種不同離子濃度飽和水飽和下的電阻率、極化率，結(jié)果表現(xiàn)為隨飽和水離子濃度增加，電阻率、極化率都減小。

圖4　A井7塊頁巖樣品兩種飽和情況下電阻率、極化率對比Fig.4　7 shale samples of resistivity contrast at two saturated situation of well A(a)電阻率對比;(b)極化率對比

圖5　B井52塊頁巖巖樣的垂向與水平方向電阻率與極化率Fig.5　52 shale samples of resistivity and chargeability in horizontal and vertical direction of well B(a)水平方向與垂直方向電阻率；(b)水平方向與垂直方向極化率

3各向異性對巖芯復(fù)電阻率的影響

通常井中電磁法反映的是地層垂向電阻率，而地面電阻勘探更多的是反映地層水平方向電阻率，因此有必要研究相對于層界面不同方向的電阻率，獲取頁巖巖樣的電阻率各向異性，以便將測井電阻率曲線與地面電磁剖面結(jié)合匹配。實驗中測量了B井52塊頁巖巖樣的電阻率與極化率值，圖6是飽和水鹽度為0.4 g/l時垂向和水平方向電阻率與極化率的測量結(jié)果。

圖6(a)顯示了飽和液鹽度為0.4 g/l時垂直方向頁巖巖樣電阻率都一致,大于其水平方向頁巖巖樣電阻率，垂直方向頁巖巖樣電阻率平均是水平方向的3.05倍;當飽和液鹽度增加到40 g/l時垂直方向電阻率平均是水平方向電阻率的3.18倍。圖6(b)是對應(yīng)巖樣的極化率，可以看出與電阻率一樣，水平方向極化率也小于垂直方向極化率，垂直方向極化率平均是水平方向極化率的1.55倍，各向異性明顯；當飽和液鹽度增加到40 g/l時，垂直方向極化率是平均水平方向極化率的1.33倍，表現(xiàn)出了較強的各向異性。頁巖本身脆性較大，裂隙裂縫往往沿層界面方向發(fā)育，實驗中也發(fā)現(xiàn)垂直方向取樣巖巖在垂直徑向分布很多裂隙，而水平取樣巖巖則有大量貫穿巖樣且平行于徑向的裂隙；此外成巖作用使得垂向孔隙結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，孔隙彎曲率也會更大[2]；受兩者共同影響，使得水平方向取樣巖巖比垂直方向取樣巖巖有更多的自由通道；對比兩個方向的孔隙度與滲透率發(fā)現(xiàn)，垂向與水平方向孔隙度與滲透率平均值分別為5.4%、0.083*10-6μm2與5.3%、46.009*10-6μm2，兩個方向孔隙度差別不大，但是水平方向滲透率遠高于垂向，導電性更好電阻率更低。這一點在實測頻譜曲線上也可以得到很好地證明(圖7)。由圖7可知，水平方向?qū)嵅颗c虛部電阻率都低于垂向，由虛部電阻率頻散曲線可知其相位幅值也低于垂向，對應(yīng)極化率也小于垂向。

圖6　47號巖樣水平方向與垂直方向?qū)嵅?a)和虛部(b)電阻率頻散曲線Fig.6　 In-phas eresistivity and quadrature resistivity dispersion curve in horizontal and vertical direction of sample 47(a)實部電阻率頻散曲線；(b)虛部電阻率頻散曲線

4有機碳含量對巖芯復(fù)電阻率的影響

圖7是A井7塊頁巖樣分別在飽和液鹽度為308 mg/l與35 g/l時電阻率隨TOC的變化情況，表現(xiàn)為隨TOC含量增加，電阻率降低。圖9是B井52塊頁巖水平方向與垂直方向巖樣分別在飽和液鹽度為0.4 g/l與40 g/l時電阻率隨TOC含量的變化規(guī)律：①兩個方向的電阻率都表現(xiàn)為隨TOC含量增加電阻率值減小的特征，并且對富含有機質(zhì)(TOC>3%)的巖樣電阻率明顯低于TOC含量較低的巖樣；②頁巖電阻率并不是嚴格地隨TOC含量增加而減小，尤其在TOC含量較低時；③在對川南露頭頁巖樣進行測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，TOC含量與電阻率的相對變化量存在較好的對應(yīng)關(guān)系，但并不是一直負相關(guān)，還與頁巖在是否完全飽和，與用什么離子濃度飽和液飽和有關(guān)。有資料表明，由于有機質(zhì)的存在會增加陽離子交換量及有效表面積[2-18]，此外有機質(zhì)的存在還會影響巖樣的孔隙結(jié)構(gòu)，會增加孔隙度，從而影響巖樣的導電性。頁巖電阻率是頁巖導電性能的綜合反映，因此影響頁巖電阻率的因素并非單一有機碳含量，有機碳含量和頁巖電阻率并非簡單的負相關(guān)關(guān)系，有關(guān)有機碳對頁巖電阻率的具體影響機理還需要更多的實驗驗證。

圖7　A井7塊巖樣TOC與電阻率關(guān)系Fig.7　7shale samples of relationship between TOC and resistivity of well A

圖8　B井52塊巖樣TOC與電阻率關(guān)系Fig.8　52 shale samples of relationship betweenTOC and resistivity of well B

5結(jié)論

1)頁巖復(fù)電阻率及頻散特性受飽和液鹽度影響較大。在實驗中表現(xiàn)為隨飽和水鹽度的增加而減小，變化特征與砂巖相似，因此在研究頁巖儲層的電阻率時，應(yīng)充分考慮模型中地層水礦化度的影響。與同向電阻率相比，異向電阻率受飽和鹽度影響更小。

2)頁巖在平行于層界面方向發(fā)育著大量裂隙，以及成巖作用影響下垂直方向較水平方向結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，滲透率遠不如水平方向，電阻率與極化率也更大，各向異性明顯。

3)在實驗中，頁巖的電阻率基本隨TOC含量增加而減小，TOC較高的巖樣電阻率明顯低于TOC較低的巖樣，并且不同取樣方向的巖樣上表現(xiàn)出一致特征。

總之，影響頁巖復(fù)電阻率的因素還有很多，影響機理也很復(fù)雜，這里只是對其中的三個因素進行了定性的討論分析。實驗結(jié)果為建立頁巖儲層復(fù)電阻率模型，為應(yīng)用可控源電磁勘探技術(shù)對頁巖儲層進行勘探和綜合評價，提供了有價值的資料。但尚不能定量解釋，建立頁巖儲層復(fù)電阻率模型還需更多更深入的研究工作。

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Experiment research of the main influence factors of shale sample complex resistivity dispersion characteristics

HUANG Tao1,YU Gang2,WANG Xu-ben1,ZHANG Bing1,HE Zhan-xiang2,CHEN Juan2,ZHU Hong-jing1

(1.Chengdu university of earth detection and information technology ministry of education key laboratory,Chengdu610059,China;2.Chinese oil group,the east geophysical exploration company，Zhuozhou072750,China)

Abstract:The major influence of rock complex resistivity and the dispersion characteristics are pore water salinity,porosity,permeability,temperature,and anisotropy,etc;and for shale rocks is also closely related to the TOC content.In the experiment we measured 59 shale samples of complex resistivity and analyzed the influence of different salt saturation,anisotropy and the content of TOC on shale complex resistivity and the dispersion property of two wells.We find that the complex resistivity and chargeability of shale decreases with the increase of salt saturation;and has a large difference in the vertical and parallel to the direction of the interface layer,the anisotropy is obvious;Besides,the complex resistivity of shale has negative correlation with the TOC content.The experimental result provides valuable information for establishing the shale reservoir complex resistivity model and explorating and comprehensive evaluating the shale reservoir by electromagnetic prospecting technology.

Key words:complex resistivity；chargeability；salt saturation；the anisotropic；TOC

收稿日期：2015-06-13改回日期：2015-08-07

基金項目:國家重點自然科學基金項目(U1262206)

作者簡介：黃濤(1990-)，男，碩士，主要從事巖石物理相關(guān)研究，E-mail:2379667769@qq.com。

文章編號：1001-1749(2016)02-0167-08

中圖分類號：P 631.3

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.02.04