南方海相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖電性特征及勘探意義

邱亞輝 田媛 孔雅慧 劉可順 周佳興

摘 ?????要：頁(yè)巖氣作為一種清潔環(huán)保的新型能源，具有極大的開(kāi)發(fā)潛力。我國(guó)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)量在世界范圍內(nèi)所占的比重約為15% 左右，尤其是南方地區(qū)成藏條件優(yōu)越，發(fā)育多套海相頁(yè)巖層，每層的有機(jī)質(zhì)含量豐富，是研究頁(yè)巖氣勘探與開(kāi)發(fā)的有利遠(yuǎn)景區(qū)。近年來(lái)，受近地表的地質(zhì)構(gòu)造及地形條件影響，地震勘探的效果不佳。因此，針對(duì)地震頁(yè)巖氣富集層位即“甜點(diǎn)區(qū)”的判斷，基于富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的電性特征展開(kāi)研究，采用儲(chǔ)層描述提取屬性參數(shù)方法，進(jìn)行頁(yè)巖氣儲(chǔ)層解釋電法勘探。

關(guān) ?鍵 ?詞：海相頁(yè)巖;有機(jī)質(zhì);電性特征;屬性參數(shù);電法勘探

中圖分類(lèi)號(hào)：P319.2 ?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）06-1338-05

Abstract： As a clean and environmental friendly new energy， shale gas has great potential for development. China's shale gas reserves account for about 15% of the world's total， especially in the southern region， there are superior reservoir conditions and multiple marine shale formations are developed. The rich organic matter content in each layer is a favorable perspective for the study of shale gas exploration and development. In recent years， under the influence of the geological structure and topographic conditions near the surface， the effect of seismic exploration is not good. Therefore， based on the judgment of the seismic shale gas accumulation horizon， namely the "dessert area"， the study on the electrical characteristics of the organic shale was carried out， and the reservoir description and extraction of attribute parameters were adopted to conduct the electrical exploration of shale gas reservoir interpretation .

Key words： Marine shale; Organic matter; Electrical characteristic; Attribute parameter; Electrical prospecting

以海相沉積為形成機(jī)制的頁(yè)巖氣富集于我國(guó)南方地區(qū)，前人針對(duì)頁(yè)巖氣的勘探與開(kāi)發(fā)展開(kāi)了許多研究，但受到一些地質(zhì)條件影響，勘探效果較差。近年來(lái)，在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層描述方面，電法的屬性參數(shù)提取有較大突破。因此，基于南方地區(qū)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的電法勘探，研究其電性特征與勘探意義，有利于頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)與評(píng)價(jià)，展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。

本文以四川龍馬溪組和貴州筇竹寺組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖為研究對(duì)象，使用地球物理勘電法探研究南方地區(qū)非常規(guī)油氣。在此基礎(chǔ)上，首先進(jìn)行巖石取樣，分別測(cè)量復(fù)電阻率，得到它們的幅頻、相頻特性，其次根據(jù)測(cè)量結(jié)果與擬合圖形，分析巖石礦物成分性質(zhì)，TOC含量和電性特征，最后總結(jié)研究結(jié)果和勘探意義。

1 ?理論與模型

1.1 ?激發(fā)極化原理

激發(fā)極化法[1]是以巖石礦物自身性質(zhì)在電法中的作用為前提，可以有效尋找礦物資源的勘探方法。目前，它不僅廣泛應(yīng)用于金屬礦[2]和水文地質(zhì)勘查中，在油田和煤田勘探[3]中也引起了重視，并取得了一些較好的效果。在激發(fā)極化理論和實(shí)踐中，將巖石或者礦物的激發(fā)極化分為兩種理想類(lèi)型，一種是面極化，一種是體極化。前者形成于致密的金屬礦物和石墨礦物，在極化體與圍巖溶液界面上，或某一個(gè)物體界面上產(chǎn)生的現(xiàn)象，后者是浸染狀的金屬礦物和礦化巖石類(lèi)，以及一些離子導(dǎo)電的巖石產(chǎn)生激發(fā)極化，以較小或微小的極化單元存在于極化體的內(nèi)部。

1.2 ?阻尼最小二乘法

在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，曲線(xiàn)的擬合作用可以對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)，以便作為預(yù)測(cè)的重要手段。其中，阻尼最小二乘法[4]是最常用的一種手段。相比于其它的擬合方法，具有一定的計(jì)算優(yōu)勢(shì)。將阻尼最小二乘法運(yùn)用在曲線(xiàn)擬合中，得到所有數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)點(diǎn)和擬合點(diǎn)（估計(jì)點(diǎn)）之間誤差（垂直距離）的平方和。平方和越小， 表示兩條曲線(xiàn)越接近， 擬合程度越高。結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行二維[5]反演，目的是使賦予初值后擬合的曲線(xiàn)盡可能靠近實(shí)測(cè)的曲線(xiàn)。

1.3 ?頁(yè)巖復(fù)電阻率Cole模型

目前使用最廣泛的反演模型[6]是Cole-Cole，它與復(fù)電阻率的頻譜特性較吻合。Cole[7]公式：

2 ?頁(yè)巖巖樣實(shí)驗(yàn)

2.1 ?實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本文研究的巖石樣品取自一部分四川龍馬溪組和貴州筇竹寺組的巖石，這些巖樣均為取于潛水面上的上揚(yáng)子區(qū)海相頁(yè)巖，采集的所有露頭標(biāo)本都是去除了風(fēng)化面或沒(méi)有風(fēng)化的巖石。目標(biāo)層巖心樣本總共有20塊，龍馬溪組巖樣10塊，筇竹寺組巖樣10塊。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的頻率范圍是0.01～100 Hz，實(shí)驗(yàn)條件是水飽和。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要分為三個(gè)步驟：第一，對(duì)頁(yè)巖樣品進(jìn)行打磨和歸類(lèi)，利用游標(biāo)卡尺對(duì)已經(jīng)處理過(guò)的頁(yè)巖樣品進(jìn)行物性測(cè)量，包括巖心的長(zhǎng)度、直徑等; 第二，對(duì)頁(yè)巖樣品進(jìn)行浸泡使其飽和，以便測(cè)量飽和時(shí)的復(fù)電阻率，浸泡時(shí)間一般為一天以上;第三，用阻抗相位分析儀進(jìn)行復(fù)電阻率的實(shí)驗(yàn)研究，基于測(cè)量結(jié)果成圖得到幅頻和相頻。

2.2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

①龍馬溪組復(fù)電阻率示意圖，如圖1、2所示

②筇竹寺組復(fù)電阻率示意圖，如圖3、4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

龍馬溪組（圖1、2）10塊飽和巖石的電阻率值介于40與160之間，相位值全為負(fù)值，介于-1.6與0之間。當(dāng)頻率逐漸升高時(shí)，電阻率呈緩慢減小趨勢(shì)，相位呈快速減小趨勢(shì)，不同飽和度下巖石曲線(xiàn)的形態(tài)基本一致。

筇竹寺組（圖3、4）10塊飽和巖石的電阻率值介于0與50之間，相位值全為負(fù)值，介于-40與0之間。當(dāng)頻率逐漸升高時(shí)，電阻率呈緩慢減小趨勢(shì)，相位有兩種趨勢(shì)，一種先減小后增大，另一種逐漸增大。這表明在低頻段相位幅值變化很大，體現(xiàn)出一種非常強(qiáng)烈的激發(fā)極化效應(yīng)，也與龍馬溪組形成了鮮明對(duì)比。

3 ?頁(yè)巖復(fù)電阻率電性特征

利用Cole模型基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行反演，得到擬合曲線(xiàn)。通過(guò)擬合過(guò)程可以求取目標(biāo)巖樣的四個(gè)電性參數(shù)，即零頻電阻率r0，時(shí)間常數(shù)t，頻率相關(guān)系數(shù)c和極化率m。根據(jù)四個(gè)頻譜參數(shù)與TOC含量、礦物成分含量的關(guān)系，分析目標(biāo)巖樣富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖復(fù)電阻率的電性特征，有利于油氣預(yù)測(cè)勘探等工程。

3.1 ?基于Cole模型反演

記錄巖樣編號(hào)和測(cè)量的TOC含量，與龍馬溪組、筇竹寺組的反演參數(shù)對(duì)比，如表1、2所示。從龍馬溪組和筇竹寺組巖樣中，各取兩個(gè)巖心樣品，以L(fǎng)52-04和Q28-04為例，反演擬合如圖5、6所示。

龍馬溪組（圖7）的TOC含量越高，零頻電阻率值越高。富含有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖含有導(dǎo)電性能較弱的烴類(lèi)，所以呈現(xiàn)正相關(guān)性。筇竹寺組（圖8）TOC含量越高，零頻電阻率值越低。頁(yè)巖樣品取自南方碳酸鹽海相地層，不含氣體時(shí)通常為低阻地層，含氣體或富含有機(jī)質(zhì)時(shí)表現(xiàn)出高電性特征。

結(jié)論2： TOC與極化率關(guān)系明顯。

龍馬溪組（圖9）和筇竹寺組（圖10）關(guān)系趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為T(mén)OC含量越高時(shí)極化率越高，TOC含量越低時(shí)極化率越低。頁(yè)巖氣藏中含有氣體（以吸附態(tài)或游離態(tài)存在）與頁(yè)巖中的TOC（總有機(jī)碳）含量呈現(xiàn)出正相關(guān)，也可以解釋為頁(yè)巖氣中發(fā)育的頁(yè)巖地層具有高極化率特征。

結(jié)論3：TOC與時(shí)間常數(shù)關(guān)系不明顯。

兩者的TOC含量與時(shí)間常數(shù)的關(guān)系均比較復(fù)雜。龍馬溪組（圖11）時(shí)間常數(shù)與TOC的比值較接近，當(dāng)TOC含量越高，時(shí)間常數(shù)卻一直保持為2。筇竹寺組（圖12）時(shí)間常數(shù)與TOC的比值不接近，當(dāng)TOC含量越高，時(shí)間常數(shù)整體偏低，個(gè)別異常偏高。

結(jié)論4：TOC與頻率相關(guān)系數(shù)關(guān)系不明顯。

兩者的TOC含量與頻率相關(guān)系數(shù)的關(guān)系均比較復(fù)雜。龍馬溪組（圖13）TOC含量越高，頻率相關(guān)系數(shù)趨于0.2且保持不變。筇竹寺組（圖14）TOC含量越高，頻率相關(guān)系數(shù)整體偏低，個(gè)別異常偏高。

3.3 ?礦物成分含量對(duì)電性特征的影響

（1）受導(dǎo)電礦物成分含量的影響，考慮礦物的脆性因素，分析頁(yè)巖的電性參數(shù)問(wèn)題。測(cè)量頁(yè)巖樣品的礦物成分示意圖，如圖15、16所示。

從圖中可以看出，龍馬溪組（圖15）普遍含有石英和黏土類(lèi)礦物，且含量較高。筇竹寺組（圖16）含有較多黏土和石英類(lèi)礦物，且含有黃鐵礦，成分含量比龍馬溪組的地層高。

（2）基于礦物成分影響結(jié)果，進(jìn)一步研究黃鐵礦與TOC的關(guān)系，從而判斷電性特征，如圖17、18所示。

從圖中可以看出，兩者的關(guān)系呈正相關(guān)（圖17、18）。黃鐵礦的含量影響著極化率的變化，是巖石發(fā)生明顯激電效應(yīng)的重要原因之一。

結(jié)論：

黏土類(lèi)含量低，且黃鐵礦含量也較低，其電阻率值較高。除導(dǎo)電礦物和不導(dǎo)電礦物參數(shù)外，巖石的孔隙度、滲透率等結(jié)構(gòu)也會(huì)影響礦物的電阻率值。根據(jù)離子導(dǎo)體激發(fā)極化理論，巖石中含有少量的黏土礦物有利于觀測(cè)明顯的激電效應(yīng)，但頁(yè)巖的黏土礦物成分含量較多，有些甚至在10%以上，這會(huì)導(dǎo)致孔隙度和導(dǎo)電率較低，從而降低激發(fā)極化效應(yīng)。

4 ?結(jié) 論

針對(duì)龍馬溪組和筇竹寺組地層的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖展開(kāi)電性研究，不僅有利于四川、貴州的頁(yè)巖氣勘探，產(chǎn)生重要的參考價(jià)值，對(duì)我國(guó)南方海相頁(yè)巖氣的研究工作更具有重大勘探意義。

（1）南方海相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的電性研究是對(duì)我國(guó)頁(yè)巖氣勘探的知識(shí)填充，既有前人奠定的基礎(chǔ)，又有利于后輩學(xué)者的進(jìn)一步探討。通過(guò)對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的電性研究，驗(yàn)證了激發(fā)極化、阻尼最小二乘法和Cole模型的適用性。

（2）在評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣的儲(chǔ)層方面，電性特征的研究提供了重要參數(shù)依據(jù)。基于測(cè)量結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)總有機(jī)碳含量和零頻電阻率、極化率存在較強(qiáng)的相關(guān)性，與時(shí)間常數(shù)、頻率相關(guān)系數(shù)的相關(guān)性較弱，礦物成分含量也與零頻電阻率、極化率有關(guān)，對(duì)頻譜響應(yīng)有一定影響。

（3）電法研究作為頁(yè)巖氣勘探的一種補(bǔ)充和嘗試，近年來(lái)取得了很大進(jìn)展，電法參數(shù)在儲(chǔ)層描述中也取得了較大突破，充分體現(xiàn)了電法勘探的極大潛力。同時(shí)，通過(guò)南方海相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖電性特征研究，可以提高我國(guó)頁(yè)巖氣勘探與開(kāi)發(fā)的工作效率，緩解我國(guó)目前的能源壓力。

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