中上揚(yáng)子海相頁巖電阻率異常成因分析

高和群，丁安徐，蔡瀟，何貴松

（中國石化華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院，江蘇揚(yáng)州225007）

中上揚(yáng)子海相頁巖電阻率異常成因分析

高和群，丁安徐，蔡瀟，何貴松

（中國石化華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院，江蘇揚(yáng)州225007）

文中以中上揚(yáng)子地臺(tái)下寒武統(tǒng)及上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)海相頁巖鉆井巖心樣品為代表，從頁巖本身及內(nèi)部液態(tài)流體特征2個(gè)方面，對(duì)造成同一層位頁巖電阻率差異懸殊的原因進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明：受制于導(dǎo)電性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低及頁巖較高的成巖變質(zhì)作用，頁巖成分及液態(tài)流體因素對(duì)電阻率的影響有限；含氣性較好、電阻率較高的頁巖，在掃描電鏡下普遍出現(xiàn)了具有白色光亮環(huán)帶形狀的荷電現(xiàn)象，環(huán)帶與頁巖孔縫密切相關(guān)，均位于不同顆粒接觸部位或微裂隙上；為此，提出了“荷電縫”的概念。進(jìn)一步分析認(rèn)為，荷電縫的普遍存在大大改善了頁巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，降低了頁巖的導(dǎo)電性能，因而它是決定頁巖電阻率的主要因素。頁巖電阻率與孔、滲的正相關(guān)關(guān)系印證了這一現(xiàn)象的存在。

超低電阻率；頁巖導(dǎo)電性；荷電現(xiàn)象；荷電縫；中上揚(yáng)子

0　引言

頁巖氣的勘探在南方海相頁巖地層中取得了較為豐碩的成果和鼓舞人心的成績，尤其是涪陵焦石壩頁巖氣的發(fā)現(xiàn)［1-4］，使頁巖氣進(jìn)入了商業(yè)性開發(fā)時(shí)代。近年來，隨著勘探力度的增加，頁巖氣在中上揚(yáng)子地臺(tái)獲得了一系列重大突破。中上揚(yáng)子頁巖氣主要富集在下寒武統(tǒng)及上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)海相頁巖地層中，在這些層系中均不同程度地發(fā)現(xiàn)了頁巖氣顯示，尤其是下古生界五峰—龍馬溪組，頁巖含氣性最好；然而在沉積、構(gòu)造及水文地質(zhì)條件較為接近的情況下，一些普遍具有較高含氣量的地區(qū)出現(xiàn)了含氣量微弱甚至不含氣的探井，并且這些氣量微弱的探井均表現(xiàn)出了電阻率相對(duì)異常低的共同特征。詳細(xì)分析導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因，厘定頁巖電阻率異常偏低的主控因素，提高鉆井成功率，對(duì)頁巖氣勘探開發(fā)顯得尤為重要。

電阻率是衡量巖石導(dǎo)電性能的指標(biāo)。頁巖的導(dǎo)電性能越好，電阻率越?。环粗?，電阻率則越大。頁巖本身及其內(nèi)部液態(tài)流體特征決定著其電阻率的高低，筆者從這兩大因素進(jìn)行詳細(xì)分析，以期找到控制頁巖電阻率的根本因素，為頁巖氣勘探提供理論參考。

1　方法與分類

在研究區(qū)中揚(yáng)子地臺(tái)上，分別選取了上奧陶—下志留統(tǒng)五峰—龍馬溪組（O3w—S1l）及下寒武統(tǒng)牛蹄塘組共計(jì)9口頁巖氣井鉆井巖心樣品，進(jìn)行電阻率及其相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析，以探尋電阻率異常原因。

按照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY/T 5385—2007巖石電阻率參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測量及計(jì)算方法》，頁巖的電阻率均在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用二極法測得。實(shí)驗(yàn)步驟為：首先鉆取直徑為25 mm、長度在20 mm以上的柱塞樣品，然后在62℃的恒溫箱中烘干24 h，最后將制取的小巖樣柱子在HDTS-Ⅱ型巖石電阻率測試儀上進(jìn)行電阻率測試。

按照上述測試方法，對(duì)中上揚(yáng)子9口頁巖氣井巖心樣品電阻率進(jìn)行了測試，其中RY1井、ZY2井及BY2井的含氣量一般在0.1 cm3/g以下，含氣性微弱，其電阻率均在100 Ω·m以下，表現(xiàn)為超低電阻率異常；其余井的含氣量均在0.5 cm3/g以上，含氣性較好，電阻率值一般在1 000 Ω·m以上，對(duì)應(yīng)的電阻率整體較高（見圖1）。

圖1　中上揚(yáng)子實(shí)測電阻率與含氣量

含氣性微弱和含氣性較好的頁巖氣井，其電阻率值的差別在一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。依此測試統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將二極法電阻率值在150 Ω·m以下的稱為超低電阻率異常，其對(duì)應(yīng)的含氣量值一般在0.1 cm3/g以下，頁巖含氣性較差甚至不含氣；電阻率值在500 Ω·m以上，為高電阻率異常，其對(duì)應(yīng)的含氣量一般在0.5 cm3/g以上，含氣性較好。

頁巖內(nèi)部流體及自身骨架特征決定著頁巖的導(dǎo)電性能，進(jìn)而決定了電阻率的高低。頁巖內(nèi)部流體主要為水和氣，主要用含水率、礦化度、含氣性等來衡量；頁巖骨架通過自身的成分和結(jié)構(gòu)控制其導(dǎo)電性能的高低，對(duì)導(dǎo)電性能做貢獻(xiàn)的成分主要為導(dǎo)電性礦物及其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔、縫。

2　液態(tài)流體對(duì)導(dǎo)電性的影響

采用迪安斯達(dá)克（Dean-Stark）抽提法對(duì)巖樣進(jìn)行了含水率測試。首先讀取抽提出來的水體積，然后換算成水的質(zhì)量，最后根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 50266—2013工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算頁巖中的含水率。為了探尋頁巖含水率對(duì)電阻率的影響程度，分別測定了同一樣品在常溫、60，160，200，250℃下的電阻率。為了探尋礦化度對(duì)頁巖電阻率的影響，采用酒精萃取后高溫加熱的方法，以除去地層水及水中的離子，并分別測量萃取前后頁巖的電阻率。通過對(duì)比萃取前后電阻率的變化情況來衡量礦化度對(duì)頁巖電阻率的影響程度。

頁巖氣井含氣性越好，其對(duì)應(yīng)的電阻率越高、含水率也就越小。也就是說，含水率越高的頁巖氣井，其電阻率越小，含氣性越差（見圖2）。但是，頁巖在不同溫度下烘干后，其電阻率的變化較小，沒有達(dá)到數(shù)量級(jí)的改變（見表1）。所以，雖然含水率對(duì)頁巖電阻率有一定的影響，但這并不是本區(qū)頁巖電阻率異常偏低的主控因素。

圖2　頁巖內(nèi)部流體與其導(dǎo)電性關(guān)系

新鮮的頁巖樣品在酒精萃取后，電阻率均有不同程度的升高，但也未達(dá)到數(shù)量級(jí)變化的程度（見表1），這說明礦化度對(duì)電阻率的影響有限。又因本區(qū)熱演化程度整體較高［5-7］，頁巖層內(nèi)含水率較低，頁巖內(nèi)部液態(tài)流體因素對(duì)電阻率的影響也有限。

3　頁巖骨架對(duì)導(dǎo)電性的影響

對(duì)導(dǎo)電性能有影響的頁巖骨架主要為頁巖內(nèi)部成分，包括導(dǎo)電礦物、有機(jī)質(zhì)及其演化程度、黏土礦物等，頁巖的骨架結(jié)構(gòu)——礦物分布及孔、縫特征，也是影響其導(dǎo)電性能的因素。為此，分別測定了頁巖的礦物組成、鏡質(zhì)體反射率（Ro）、物性等數(shù)據(jù)，將樣品進(jìn)行氬離子拋光，觀察其電鏡下的特征。

3.1骨架成分

用晶體X射線衍射方法，對(duì)樣品全巖及黏土礦物組成進(jìn)行分析；用總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）表征頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度（見表2）。中上揚(yáng)子海相頁巖礦物種類主要由石英、黏土礦物、鉀長石、斜長石、方解石、白云石及黃鐵礦等組成，偶見少量重晶石、菱鐵礦及白鐵礦等礦物，黏土礦物以伊/蒙混層（I/S）、伊利石（I）和綠泥石（C）為主；電阻率較低和較高的井其TOC基本相當(dāng)。

衡量巖石成巖作用的混層比（%S）均在10%以下，說明黏土礦物組成較為單一，屬于有序混層的后成巖階段［8］。從巖石礦物組成、有機(jī)質(zhì)豐度及成巖作用來看，超低電阻率頁巖氣井（RY1，ZY2，BY2）與電阻率較高的頁巖氣井（NY1，LY1，ZY1）基本相當(dāng)，頁巖礦物組成不是造成電阻率兩極分化的主要原因。

中上揚(yáng)子海相頁巖導(dǎo)電性礦物主要為黃鐵礦、黏土礦物以及達(dá)到石墨化程度的有機(jī)質(zhì)［9-12］。電阻率隨黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高有一定的降低，但黃鐵礦在頁巖中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，對(duì)同一層位而言，頁巖的超低電阻率形成的影響有限。

雖然黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，但由于下寒武統(tǒng)及上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)頁巖熱演化程度較高，以伊利石、綠泥石等非導(dǎo)電性礦物為主，所以電阻率隨黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加反而有一定程度的升高。

有機(jī)質(zhì)及其熱演化程度亦是影響頁巖導(dǎo)電性能的一個(gè)重要因素，中上揚(yáng)子頁巖電阻率隨著有機(jī)質(zhì)豐度及其演化程度的升高而降低。

對(duì)于這一現(xiàn)象，王玉滿等［13］認(rèn)為，該區(qū)頁巖有機(jī)質(zhì)高過成熟，處于石墨化階段，有機(jī)質(zhì)碳化使得頁巖電阻率發(fā)生相應(yīng)的改變，造成了本區(qū)超低電阻率現(xiàn)象的產(chǎn)生。Mohammed等［14］認(rèn)為，電阻率隨頁巖有機(jī)質(zhì)演化階段而異：有機(jī)質(zhì)在未成熟階段，孔隙中為導(dǎo)電的地層水所充填，電阻率較低；在生油窗階段，產(chǎn)生的非極性以及極性化合物使得孔隙中地層水減少，頁巖電阻率升高；在高成熟階段，干酪根及先前生成的石油發(fā)生了裂解，頁巖由親油性變?yōu)橛H水性，釋放的顆粒表面變成混合濕潤系統(tǒng)，使得電阻率降低。雖然頁巖成熟度對(duì)電阻率有一定的影響，但有機(jī)質(zhì)在整個(gè)頁巖中的豐度較低，其熱演化程度對(duì)電阻率呈數(shù)量級(jí)差別的影響有限。

3.2骨架結(jié)構(gòu)及荷電現(xiàn)象

分別選取超低電阻率和較高電阻率頁巖氣井樣品，進(jìn)行氬離子拋光，在ZEISS SIGMA型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）下觀察頁巖孔隙結(jié)構(gòu)，然后用Poro PDP-200型覆壓孔隙度-滲透率測試儀進(jìn)行孔隙度及滲透率測試。

在觀察頁巖掃描電鏡特征時(shí)出現(xiàn)了荷電現(xiàn)象——樣品在掃描電鏡下的荷電效應(yīng)，即樣品不導(dǎo)電或?qū)щ姴涣紩r(shí)會(huì)吸收電子而積聚電荷，產(chǎn)生靜電場，干擾入射電子束和二次電子發(fā)射，使圖像產(chǎn)生異常反差、畸變、像散等現(xiàn)象［15-17］。

中上揚(yáng)子海相頁巖荷電現(xiàn)象均表現(xiàn)為白色的亮斑，放大后為異常光亮的環(huán)帶型結(jié)構(gòu)，較高電阻率和超低電阻率頁巖氣井樣品表現(xiàn)了不同的特征。前者在掃描電鏡下出現(xiàn)了較為普遍的荷電現(xiàn)象，而后者卻未見或少見這一現(xiàn)象。

在石英、方解石、白云石、長石及黏土等礦物顆粒的邊緣或相互接觸的部位均出現(xiàn)了荷電現(xiàn)象。在掃描電鏡下進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，白色光亮環(huán)帶部位或其邊緣主要為縫寬100 nm左右的顯微裂隙，稱之為“荷電縫”，指的是荷電現(xiàn)象所對(duì)應(yīng)的納米級(jí)超微裂縫，是一種次生縫，縫寬在幾十至數(shù)百納米不等，多為貼?？p，也有可能被有機(jī)質(zhì)充填［18］，主要為成巖作用縫，是礦物顆粒在成巖過程中經(jīng)歷脫水作用所形成的。

礦物顆粒接觸及膠結(jié)方式不同，導(dǎo)致了頁巖電阻率呈兩極化的差別。電阻率異常高的頁巖氣井，礦物顆粒之間以出現(xiàn)荷電縫的孔隙式膠結(jié)為主；電阻率異常低的井，顆粒之間以鑲嵌式緊密接觸為主。所以，荷電縫越發(fā)育的頁巖氣井，電阻率越高，反之，則越低。電阻率與頁巖孔、滲的關(guān)系印證了這一結(jié)論（見圖3），中上揚(yáng)子海相頁巖電阻率隨孔隙度、滲透率的升高而增大，電阻率與頁巖孔、滲具有較好的正相關(guān)性。

圖3　中上揚(yáng)子頁巖電阻率與孔、滲關(guān)系

頁巖電阻率與孔、滲的這一關(guān)系，正是其內(nèi)部孔裂隙發(fā)育程度的標(biāo)志。頁巖孔隙度、滲透率越高，其內(nèi)部孔隙越大、微裂縫越發(fā)育，在顆粒與顆粒的接觸處及微裂隙周圍出現(xiàn)荷電現(xiàn)象的可能性就越大，其宏觀上對(duì)應(yīng)的頁巖電阻率就越高，反之則越低。

成巖作用及頁巖氣保存條件控制著頁巖顆粒的接觸方式［19］。頁巖固結(jié)成巖后，受后期構(gòu)造作用的破壞，孔隙中的氣體釋放造成壓力下降，頁巖骨架得到壓實(shí)，成巖作用進(jìn)一步加強(qiáng)，使得孔隙減小，造成超微裂縫減少，頁巖導(dǎo)電性增強(qiáng)，電阻率降低。

綜合以上分析，頁巖流體和骨架均會(huì)對(duì)頁巖電阻率造成一定影響。中上揚(yáng)子地區(qū)海相頁巖在進(jìn)入高成熟—過成熟階段后，生氣能力逐漸減小以致消失。受后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地殼抬升剝蝕等因素影響，頁巖氣保存條件遭受破壞，氣藏內(nèi)流體（包括天然氣和水分）在不同地區(qū)發(fā)生不同程度的運(yùn)移逸散。隨著壓實(shí)作用的持續(xù)或增強(qiáng)，由于缺少氣體支撐而導(dǎo)致孔隙顯著減小，顆粒間的超微裂縫隨之減少以致呈鑲嵌式接觸，孔徑變?yōu)橐晕⒖诪橹?。含氣飽和度降低，含水飽和度增大，殘余水礦化度增高，導(dǎo)電性增強(qiáng)，最終導(dǎo)致電阻率降低。

頁巖電阻率是頁巖氣保存條件的一種具體體現(xiàn)，頁巖氣保存條件好，則氣藏含氣量高。由于受到氣體的超壓支撐，孔隙保存良好，以中—大孔為主。超微裂縫發(fā)育，含氣飽和度高，導(dǎo)致頁巖導(dǎo)電連續(xù)性的斷裂，表現(xiàn)為高電阻率，反之則相反。

頁巖電阻率可作為頁巖氣選區(qū)評(píng)價(jià)的重要參數(shù)，在頁巖沉積相帶、礦物組成、有機(jī)地化等條件相似的地區(qū)，可優(yōu)選電阻率高、保存條件好的目標(biāo)作為頁巖氣勘探的有利目標(biāo)區(qū)。

4　結(jié)論

1）含水率、含氣量、溫度、礦化度等流體特征對(duì)頁巖電阻率有一定影響。頁巖電阻率隨含氣量、溫度的升高而增大，隨含水率、礦化度的升高而降低。全巖黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)質(zhì)及熱演化程度等骨架成分是頁巖超低電阻率形成的影響因素，但由于有機(jī)質(zhì)豐度較低，對(duì)電阻率的影響有限。

2）荷電現(xiàn)象在電阻率較高的頁巖中普遍出現(xiàn)。在石英、碳酸鹽巖、長石及黏土等顆粒不完全接觸部位或微裂隙上均能出現(xiàn)呈白色光亮環(huán)帶的荷電現(xiàn)象，提出了荷電縫的概念。

3）荷電現(xiàn)象反映了頁巖顆粒接觸方式的不同，而成巖作用及保存條件又決定著頁巖顆粒的接觸方式。高電阻率頁巖顆粒之間以帶超微裂縫的孔隙式接觸為主，超低電阻率頁巖顆粒以鑲嵌式緊密接觸為主。顆粒接觸方式（骨架結(jié)構(gòu)）是造成中上揚(yáng)子海相頁巖相同層位電阻率差異懸殊的根本原因，超微裂縫大量出現(xiàn)的頁巖，電阻率就高，反之就低。

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（編輯高學(xué)民）

Genetic analysis of abnormal resistivity of Middle-Upper Yangtze marine shales

GAO Hequn，DING Anxu，CAI Xiao，HE Guisong
（Research Institute of Exploration and Development，SINOPEC East China Company，Yangzhou 225007，China）

Taking drilling core samples of Lower Cambrian and Ordovician-Silurian from the Middle-Upper Yangtze craton marine shales as the representatives，the reason of large scalar difference of the same layer marine shale resistivity was analyzed by the shale itself and the internal liquid fluid characteristics.The results show that the influence of shale composition and its internal fluid on the resistivity is limited，because of relatively low content of electrically-conductive minerals and high diagenetic metamorphism of the shales；with a bright girdle，charging phenomenon is found generally in the high gas content resistivity shales under the scanning electron microscope（SEM），and the girdle is closely related to pores and fractures of shale，locating on the contact area of mineral particles or micro fractures；and the concept of"charging fractures"is defined.The further analysis indicates that the general existence of charging fractures has greatly improved the micro pore structure of the shale and reduced the conductivity of the shale，so it is the main controlling factor of the shale resistivity，which is corroborated by the positive correlation between resistivity，porosity and permeability.

ultralow resistivity；electrical conductivity of shale；charging phenomenon；charging fracture；Middle-Upper Yangtze

國家科技重大專項(xiàng)“彭水地區(qū)常壓頁巖氣勘探開發(fā)示范工程項(xiàng)目”課題“彭水地區(qū)常壓頁巖氣富集規(guī)律與目標(biāo)優(yōu)選”（2016ZX05061-001）

TE122.2+3

A

10.6056/dkyqt201605007

2016-01-28；改回日期：2016-06-17。

高和群，男，1983年生，工程師，碩士，2011年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，從事非常規(guī)油氣地質(zhì)及實(shí)驗(yàn)研究工作。E-mail：gaohequn@163.com。

引用格式：高和群，丁安徐，蔡瀟，等.中上揚(yáng)子海相頁巖電阻率異常成因分析［J］.斷塊油氣田，2016，23（5）：578-582.

GAO Hequn，DING Anxu，CAI Xiao，et al.Genetic analysis of abnormal resistivity of Middle-Upper Yangtze marine shales［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（5）：578-582.