低阻頁巖電阻率主控因素研究

崔瑞康，孫建孟，劉行軍，文曉峰

(1.中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580； 2．中油集團測井公司 長慶分公司，陜西 西安 710065)

0 引言

隨著多年來的勘探與開發，國內外大多數勘探難度相對較低的構造性油氣藏已經被發現并開發，因此勘探對象逐漸轉向以巖性圈閉為主的隱蔽油氣藏，其中低阻油氣藏是其中很重要的一類。低阻油氣藏在我國各油氣田均廣有分布，如渤海灣、準噶爾、塔里木、松遼、四川和吐哈等盆地，均發現了大量的低阻油氣層，對于油氣增儲上產意義重大[1]。無論常規油氣藏中的儲層巖性、物性、電性和含油性“四性”關系，還是非常規頁巖氣藏中的儲層巖性、物性、含氣性、地化特性、可壓裂性、地層壓力及測井屬性的“七性”關系，電阻率測井的作用都十分重要[2-4]。孫建孟等[5]給出了低阻油氣層的定義：油氣層電阻率相對于鄰近水層而言，電阻率值偏低并引起油水層解釋困難的一類油氣層；一些研究人員將頁巖儲層低電阻率原因歸結為高成熟有機質石墨化、黏土礦物附加導電、黃鐵礦導電等原因[6-12]；還有一些研究人員發現儲層孔隙結構變差會導致束縛水飽和度增高，進而形成低阻油氣層[13-14]。王友凈等[15]發現沉積、成巖、油藏特點的綜合影響會形成低阻油層；羅水亮等[16]從地質及工程因素角度對低阻氣層的形成機制進行了深入研究，發現在地質成因方面是由于水動力條件較弱導致地層巖性粒度細、黏土礦物含量高以及束縛水飽和度高，并且地層水礦化度高，孔隙結構復雜等因素進一步降低了氣層電阻率；工程成因是由于鉆井液侵入和地層浸泡時間影響了氣層電阻率；于紅巖、鄭華、林國松等[17-19]研究發現構造作用、沉積環境、成巖機理、古物源、古氣候等因素在宏觀層面影響油氣層電阻率；地層水礦化度、束縛水飽和度、黏土礦物附加導電性以及泥質含量等因素在微觀層面影響油氣層電阻率；羅興平等[20]研究發現在泥質、黏土礦物含量不高時，特殊的黏土礦物組成能夠產生較高的附加導電性和束縛水含量，進而造成油氣層呈現低阻特征。

本文在前人研究的基礎上，全面分析頁巖氣儲層低電阻率的主要影響因素及其導電機制，并結合龍馬溪組低阻頁巖氣儲層的地質資料及測井資料分析與評價低阻頁巖氣儲層，以促進低阻頁巖氣儲層的測井解釋發展，提高頁巖氣含氣量評價的精確度。

1 黏土礦物導電能力分析

黏土、有機質、細粒碎屑等礦物是頁巖的主要組成成分，其中黏土的體積分數可達30%～50%。黏土礦物主要包括蒙脫石、伊利石、綠泥石、高嶺石等(圖 1)。黏土礦物的含量對頁巖電阻率有一定的影響，主要表現在黏土礦物的附加導電性和黏土礦物導致束縛水飽和度增高引起的電阻率降低(圖 2)。圖2中的A、B、C3口井均位于四川南部地區。

黏土礦物中，高嶺石單元晶層中一面為O層，另一面為OH層；O層和OH層可以形成較強的氫鍵,與層之間結合非常緊密，層間距僅為0.72 nm，水分子不容易進入晶層，故高嶺石親水性差，且性能比較穩定。蒙脫石單元晶層兩面都是O層，無法形成氫鍵(層與層之間為分子間力)，層與層之間結合不緊密，水分子容易進入，故蒙脫石具有親水性，并且吸水膨脹。伊利石吸水能力位于蒙脫石和高嶺石之間，親水性僅次于蒙脫石。蒙脫石和伊利石具有多微孔結構，比表面積大，對頁巖中水的分布具有明顯影響。通過分析QEMSCAN(quantitative evaluation of minerals by sacnning electron microscopy)頁巖薄片(圖 3)可知，黏土礦物中以蒙脫石和伊利石為主，所以，頁巖中黏土礦物增加會導致頁巖微孔增多，使束縛水飽和度增加，導電能力增強，電阻率下降。

圖1 研究區礦物含量分布和黏土礦物分布Fig.1 Mineral content distribution and clay mineral distribution map of the study area

圖2 黏土礦物與電阻率關系Fig.2 Clay minerals and resistivity diagram

黏土礦物表面是負電荷，因而當它在地層中時會吸附地層中的陽離子達到電中性，黏土礦物對陽離子的這種吸附作用使得地層中陽離子積聚在黏土礦物表面，造成濃度差。因為濃度差的存在，陽離子存在由高濃度向低濃度擴散的趨勢，并且在擴散到一定厚度時和吸附力達到平衡；此時，黏土礦物表面和地層之間存在電勢差，形成離子雙電子層，并引起陽離子交換作用，形成擴散—吸附電動勢。這就是黏土礦物的附加導電性，通?？梢杂藐栯x子交換容量(CEC)表示黏土礦物附加導電性的強弱。于慶洲[1]研究發現，黏土礦物陽離子交換吸附的電荷中，晶格內的類質同象替代現象產生的電荷占有主要地位。因此，黏土礦物的陽離子交換容量主要由晶格內的類質同象替代決定。蒙脫石中廣泛發育晶格內的類質同象替代，所以陽離子交換容量最大；高嶺石不發育晶格內的類質同象替代，陽離子交換容量最??；伊利石在兩者之間。通過研究發現，部分頁巖氣儲層黏土礦物含量極高，此時黏土礦物的擴散—吸附電動勢對儲層電阻率的影響就至關重要，甚至在部分有機質含量較低的儲層，黏土的附加導電性可以成為主導因素。但是，黃濤[21]、趙文龍[10]等研究發現，黏土礦物含量過高時會引起脆性礦物的減少，在地層的壓實作用下滲透率和孔隙度減小，黏土礦物會充填儲層的原生孔隙，從而破環儲層的導電網絡，使得儲層電阻率上升。

圖3 礦物質定量分析Fig.3 Mineral quantitative analysis diagram

2 有機質過成熟導電能力分析

自生自儲是頁巖氣藏和常規氣藏之間最顯著的區別。頁巖氣層既是產氣的烴源巖層也是儲層，主要特征包括有機質成熟度、豐度和類型等，其中有機質成熟度是評價頁巖氣層的一個重要指標。根據美國頁巖氣主產區泥頁巖成熟度研究成果，頁巖氣產層可以根據有機質成熟度的不同分為過成熟頁巖氣、過—低成熟度混合頁巖氣和低成熟頁巖氣3種[22]。劉天琳等[23]以鏡質體反射率(RO)3.0%和3.5%為界限，將富有機質海相頁巖劃分為未石墨化海相頁巖(RO≤3.0%)、部分石墨化海相頁巖(3.0%3.5%)。

Kethireddy等[24]研究發現，有機質成熟度、導電能力、含量、孔隙度、含氣飽和度及有機質與地層水之間的連通性等都會對頁巖氣儲層電阻率產生重要影響，并且運用數值模擬的方式對有機質的影響進行了定量分析。張建坤等[25]研究發現，不同有機質成熟度會造成頁巖氣儲層的孔隙結構不同，進而影響儲層電阻率產生明顯的差異。

選擇位于四川盆地南部地區的A、B、C井中下古生界龍馬溪組氣層，分別統計電阻率、RO和孔徑分布之間的關系。從圖4、圖5給出的統計結果可以看出：電阻率與RO負相關，RO與小于2 nm的孔徑分布數量負相關。據李楚雄等[26]、邵龍義等[27]、霍培麗等[28]的相關研究，當有機質過成熟時，樣品中的微孔顯著發育，即熱演化程度升高導致微孔更發育，巖石中的介孔及大孔數量減少。

在烴源巖的熱演化過程中，隨著溫度和埋藏深度的不斷增加，熱成熟度升高，有機質會發生降解，隨后有機質會釋放出碳氫化合物并逐漸轉變成含氫量比較低的碳質殘余物，這一過程就是有機質石墨化過程。石墨為良好導體，有機質為不良導體，因此高成熟度儲層電阻率會比較低。Yang A等[29]通過熱解實驗和分析TEM圖像發現，高TOC以及泥巖和有機質樣品成熟度都可導致芳香度的增加和石墨狀組分的存在，從而降低了樣品的電阻率。

圖4 電阻率與RO之間的統計關系Fig.4 Statistical relationship between resistivity and RO

圖5 RO與孔徑分布之間的統計關系Fig.5 Statistical relationship between RO and aperture distribution

綜上所述，隨著有機質熱演化程度增高，有機質逐漸石墨化、芳香度增加以及小于2 nm的微孔更發育，巖石中的介孔及大孔數量減少，導致儲層電阻率降低。

3 含有機質紋層分布形式與導電能力分析

烴源巖中有足夠數量的有機質，包括可溶有機質和不溶有機質兩部分，足夠數量的有機質是油氣生成的物質基礎，是決定烴源巖生烴能力的主要因素，也是油氣能否聚集成藏的主要控制因素。其中可溶有機物可用于母巖中有機質的輸入和沉積環境的研究，以確定母巖和油源對比，為研究石油成因及石油可能的運移途徑提供豐富的信息。

巖心與測井電阻率統計分析(圖 6)表明： 有機質是否導電對巖心導電性影響最大，泥質和黃鐵礦都具有一定的附加導電性；隨著含量的變化，泥質對導電性的影響較大，黃鐵礦由于分布較為分散，對巖心的電阻率沒有顯著影響。綜合多種尺度的頁巖導電因素影響規律研究，厘定了影響因素排序：導電有機質>低阻薄層>黏土礦物>孔隙水>黃鐵礦。

圖6 巖石各組分對電阻率的影響Fig.6 Influence of various rock components on resistivity

3.1 含有機質紋層分布形式

層理是指巖層中物質的成分、顆粒大小、形狀和顏色在垂直方向發生改變時產生的紋理，當層理足夠小的時候為微層理又可以稱為紋層。通常情況下，紋層的類型和厚度等信息可反映沉積環境的變化[30]，但是紋層中有機質和黏土成層分布對頁巖電阻率也有影響，這對于探究微觀源儲特征及關系從而了解該地區低阻成因機理具有重要意義。

利用偏光顯微鏡、QEMSCAN和熒光顯微鏡可研究紋層形態、厚度及分布特征，利用X射線衍射對紋層內部的礦物組成進行定量分析，利用掃描電鏡可研究紋層內部的礦物充填情況[31]。在熒光顯微鏡下，有機質紋層連續分布(圖 7a)、斷續分布(圖 7b)或者零散分布(圖 7c)；有機質紋層較薄，厚度一般小于0.02 mm。有機質紋層可以分為富有機質紋層和含有機質紋層[32]。在偏光顯微鏡下，多個紋層相互堆疊形成界面不明顯的富有機質層(圖 8a);部分紋層有機質呈塊狀分布，多個紋層相互堆疊形成界面不明顯的含有機質層(圖 8b)；富有機質紋層和含有機質紋層相互堆疊形成遞變層(圖 8c)。

利用X射線衍射分析對含有機質紋層的頁巖薄片中的礦物組成進行定量分析(表1)，利用QEMSCAN技術對頁巖薄片礦物集合體嵌布特征進行分析(圖 9)。該巖樣為龍馬溪組灰黑色炭質泥巖，采樣深度3 084.09 m，測得電阻率為0.1 Ω·m，高阻脆性礦物分布廣泛，發育有黏土紋層、有機質紋層等。將表1的礦物組分含量和圖 9的頁巖薄片進行對比分析,發現薄片含有大量伊利石和長石并含有部分黃鐵礦，頁巖發育有黏土紋層、有機質紋層等，紋層厚度0.1～1 mm，不同紋層之間呈現互層發育。結合李婷婷等[31]的研究成果可知：碳酸鹽紋層以白云石為主，硅質紋層以長石為主，黏土紋層中黏土含量最高，并被有機質充填。從掃描電鏡圖片(圖 10)可以看出黏土紋層發育層間孔，這些孔隙多為有機質充填，這為黏土紋層的導電提供了基礎。經檢測，該巖

a—龍馬溪組灰黑色含硅質泥巖，采樣深度為3 084.09 m，測得電阻率為0.1 Ω·m，發亮的黏土礦物(沸石)含量較高，呈順層節理，有機質紋層也較為明顯；b—龍馬溪組黑色頁巖，采樣深度為3 931.72 m，測得電阻率為10 Ω·m，由于有機質及黏土礦物分布較混亂，紋層斷續分布；c—龍馬溪組黑色頁巖，采樣深度為4 039.3 m，測得電阻率為15.42 Ω·m，有機質含量較低，紋層零散分布a—a gray-black siliceous mudstone of the Longmaxi Formation with a sampling depth of 3 084.09 m, a resistivity of 0.1 Ω·m, a high content of bright clay minerals (zeolite), bedding joints, and obvious organic lamination; b—black shale of Longmaxi Formation with a sampling depth of 3 931.72 m and a measured resistivity of 10 Ω·m. Due to the disordered distribution of organic matter and clay minerals, the lamina is discontinuous; c—black shale of Longmaxi Formation with sampling depth of 4 039.3 m, measured resistivity of 15.42 Ω·m, low organic matter content and scattered laminae圖7 熒光顯微鏡下有機質紋層分布特征Fig.7 Distribution characteristics of organic lamination under fluorescence microscope

a—龍馬溪組灰黑色含硅質泥巖，采樣深度3 084.09 m，電阻率為0.1 Ω·m，多個紋層相互堆疊，形成界面不明顯的富有機質層；b—龍馬溪組黑色頁巖，采樣深度3 931.72 m，電阻率為10 Ω·m，部分紋層有機質呈塊狀分布，多個紋層相互堆疊，形成界面不明顯的含有機質層；c—龍馬溪組黑色頁巖，采樣深度4 039.3 m，電阻率為15.42 Ω·m，富有機質紋層和含有機質紋層相互堆疊，形成遞變層a—a gray-black siliceous mudstone of the Longmaxi Formation with a sampling depth of 3 084.09 m and a measured resistivity of 0.1 Ω·m. Multiple laminas stack each other to form an organic-rich layer with no obvious interface; b—black shale of Longmaxi Formation with a sampling depth of 3 931.72 m and a measured resistivity of 10 Ω·m. Some laminar organic matter is distributed in blocks, and multiple laminates stack each other to form organic matter bearing layers with no obvious interface; c—black shale of Longmaxi Formation with a sampling depth of 4 039.3 m and a measured resistivity of 15.42 Ω·m. The organic-rich laminae and organic-containing laminae stack each other to form graded layers圖8 偏光顯微鏡下有機質紋層特征Fig.8 Characteristics of organic lamination under polarizing microscope

表1 頁巖薄片礦物組成

心鏡質體反射率RO=2.78%，有機質成熟度較高，表明有機質已經部分石墨化。綜上所述，薄片以硅質紋層和黏土紋層為主，并伴有有機質紋層，這些紋層構成了導電網絡。經過巖樣電阻率實驗可得，巖樣電阻率為0.1 Ω·m，與其余巖心相比為低阻。

3.2 有機質導電能力

通過分割來自頁巖的SEM圖像，結合數值模擬來各自獨立地對其游離擴散方式和有機質的層間空間展布進行研究。這些分割圖像包括非導電顆粒，導電鹽水和有機質。有機質的電阻率隨著成熟度的變化有一個比較寬的波動變化范圍，在107～10-7Ω·m(即從不導電到高導電)來定量研究有機質導電性在巖石電阻系數方面的影響。

圖9 QEMSCAN頁巖薄片Fig.9 QEMSCAN Shale Sections

圖10 被有機質充填的黏土紋層Fig.10 Clay laminae filled with organic matter

假設孔隙空間完全飽和鹽水，且有機質孔隙度被認為是零[24]，圖 11顯示了分散狀和層狀有機質電阻率的敏感性。這些結果表明，對于有機質電阻率較高(高于100 Ω·m)的地層，即低成熟度地層，巖石的電阻率不受有機質存在的影響。然而，隨著有機質連通網絡在巖石中的增加(即有機質由分散狀轉變為層狀)，這個上限將增加到1 000 Ω·m左右。與分散的有機質的電阻率相比，有機質分層的地層電阻率有更大的降幅。這種急劇減少的情況是由于有機質的分層分布使有機質連通網絡得以連接得更好。

圖11 富含有機物的烴源巖電阻率和有機質電阻率的關系曲線Fig.11 Relation between the resistivity of source rocks rich in organic matter and the resistivity of organic matter

通過以上研究發現，在有機質導電的前提下(即有機質已經出現石墨化現象)，層狀分布有機質比分散狀有機質更容易導電，并且隨著有機質導電性增強，這種現象越加明顯。這種現象在地層中的具體表現就是有機質在地層中的分布形式。有機質紋層主要有3種分布形式：連續分布(圖 7a)、斷續分布(圖 7b)和零散分布(圖 7c)。連續分布的有機質紋層整個有機質都在地層中呈層狀分布，部分紋層與黏土紋層平行狀分布，或者充填在黏土紋層之中，此時紋層形成的導電網絡最好，對地層電阻率的影響最大；斷續分布的有機質紋層在地層中呈間斷的層狀分布，有機質網絡的連通性較連續分布有機質紋層差，對地層電阻率的影響也較連續分布紋層弱；零散分布的有機質紋層在地層中呈分散狀分布，有機質之間被不導電的骨架礦物間隔，無法形成導電網絡，對地層電阻率的影響最小。

4 頁巖氣儲層低阻成因實例分析

本文針對川南揚子地區下古生界的龍馬溪組出現的低阻現象探討分析。結合研究區相應的地質、測井資料進行處理，利用測井及多井對比的方法分析低阻成因，認識并解釋頁巖儲層的異常低阻現象，以避免因儲層低阻現象造成測井解釋評價的偏差。

圖12是A井龍馬溪組—五峰組的測井解釋成果。經測井資料分析處理發現，在龍一段(3 020.2～3 062 m)和五峰組(3 062～3 102.74 m)出現異常低阻現象，平均電阻率僅為0.1 Ω·m。利用X衍射全巖分析技術對目的層段的46塊巖心計算分析，結果如表2所示。常規測井曲線顯示，龍馬溪—五峰組2 678～3 102.74 m地層自上而下，巖性由泥巖、粉砂質泥巖等向含碳泥巖變化，地層電阻率數值呈下降趨勢，自22 Ω·m最低降至0.1 Ω·m左右，與此相對應的是自然伽馬數值升高，無鈾伽馬數值降低，地層中鈾系元素含量增加；密度、中子曲線數值也呈現

圖12 A井測井解釋成果Fig.12 Logging interpretation results of Well A

表2 巖心礦物分析結果

數值降低趨勢，反映地層有機碳含量、脆性礦物含量呈增加趨勢。本段地層是本井頁巖氣儲層的相對發育層段。

在3 084.09 m處所取巖心為灰黑色碳質泥巖,經X全巖衍射分析，大部分都為高阻的脆性礦物，黏土礦物含量較低，難以在電阻率曲線上表現出大段的低阻特征；導電性極強的黃鐵礦在全巖中含量較少(體積分數低于7%)，且在全巖中零星分布，構不成導電網絡，其所增加的導電性也可以忽略不計。地層中的地層水也是重要的導電介質，但是在各個深度上地層水礦化度變化不大，不可能使上下層段電阻率值出現顯著差異；在巖石物理實驗中發現干巖樣也存在極低阻現象。通過分析發現，該層段巖心有機質含量豐富，并且有機質成熟度較高(3.0%

5 結論

通過對龍馬溪組低阻頁巖氣儲層的地質資料及測井資料分析，并結合熒光照片等實驗數據得出以下成果：①黏土礦物對頁巖儲層電阻率的影響主要為黏土礦物的附加導電性和黏土礦物導致束縛水飽和度增高引起的電阻率降低；②隨著有機質熱演化程度增高，有機質逐漸石墨化、芳香度增加以及小于2 nm的微孔更發育，巖石中的介孔及大孔數量減少，導致儲層電阻率降低；③通過制作薄片或粉末，在偏光顯微鏡、熒光顯微鏡、掃描電鏡以及X衍射全巖分析下對巖心樣品進行有機質分布實驗研究，頁巖發育有機質紋層和黏土紋層，并且黏土紋層常被有機質充填或者和有機質紋層平行分布；④通過提取有機質進行電阻率測量研究，結合儲層的巖性特征、常規物性特征、孔隙的儲集空間特征以及有機質分布形式，發現當有機質成層分布時會顯著降低頁巖的電阻率。

隨著頁巖氣勘探開發的持續發展，越來越多的低阻頁巖儲層被發現，深入認識頁巖儲層低阻成因機理有助于加深對儲層低阻現象的認識，提高測井解釋結果的準確性，進而正確認識含氣性。