頁巖氣儲層特征及地球物理預測技術

向 葵，胡文寶，嚴良俊，唐新功，謝興兵

(1.油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室，湖北 武漢 430100；2.非常規油氣湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430100；3.長江大學，湖北 武漢 430100)

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頁巖氣儲層特征及地球物理預測技術

向 葵1，2，3，胡文寶1，2，3，嚴良俊1，2，3，唐新功1，2，3，謝興兵1，2，3

(1.油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室，湖北 武漢 430100；2.非常規油氣湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430100；3.長江大學，湖北 武漢 430100)

為掌握富有機質頁巖的地球物理響應特征，進而為頁巖氣儲層評價奠定基礎，對南方海相頁巖及其圍巖的復電阻率進行了實驗研究。結果認為：頁巖具有不同強度的激發極化效應且極化率參數值高于圍巖地層；其電性響應特征與頁巖的總有機碳含量、礦物成分、熱成熟度等有關。雖然反演的電阻率值比較單一，在油氣勘探中既有低阻也有高阻特征，但極化率參數可以為頁巖氣的評價提供可靠信息，其綜合時間常數和頻率相關系數，可直接進行頁巖氣儲層預測。該研究為應用復電阻率法進行頁巖氣勘探提供了物性基礎，發掘了電性敏感參數，為利用地球物理技術對富有機質頁巖儲層進行評價提供了新思路。

頁巖氣；地球物理技術；地質特征；復電阻率；儲層預測

0 引 言

Curtis對美國5套商業性頁巖氣層的甲烷吸附氣含量、總有機碳含量(TOC)等關鍵參數進行分析研究，認為含氣量與TOC含量密切相關[1]。頁巖氣形成條件、成藏機理和富集規律的研究受到了國內外廣泛重視，并取得了一定的地質認識及勘探成果[2-4]。李新景等結合中國的頁巖氣資源進行分析，認為中國四川盆地發育的多套海相烴源巖是未來頁巖氣資源的勘探方向[5]。姜福杰等針對國外的頁巖氣研究概況和中國的頁巖氣資源潛力進行研究，指出頁巖TOC含量越高越有利于泥頁巖油氣富集[6]。TOC含量是頁巖氣儲層評價的關鍵地質參數，也是物性分析和地球物理勘探的重要技術指標。

1 中國頁巖氣的地質條件與特征

1.1 中國頁巖氣藏地質條件

根據地質背景，中國的頁巖氣發育區可劃分為中東部地區(華北、東北)、南方地區、西北地區以及青藏地區4大區塊(圖1)[8]。中國海相頁巖分布范圍非常廣泛，而且有機質含量高，主要集中在華北地區、南方地區和塔里木盆地；陸相頁巖同樣分布廣泛，主要集中在新疆準噶爾盆地和吐哈盆地、華北地區、鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地和松遼盆地，這些地區不僅具備頁巖氣成藏條件，而且資源儲量豐富，潛力巨大。

圖1 中國潛在的頁巖氣發育區分布示意圖

據美國能源信息署(EIA)發布的頁巖氣報告，中國具有豐富的頁巖氣和頁巖油潛力，主要分布于以下7個遠景區盆地：四川、塔里木、準噶爾、松遼、揚子地臺、江漢和蘇北盆地，其中，南方四川盆地、揚子地臺區和準噶爾盆地頁巖氣資源及其地質特征見表1[7]。

表1 中國部分地區頁巖氣資源和地質特征(改自EIA，2013)

研究表明，四川盆地、鄂爾多斯盆地、中下揚子地區、華北盆地的頁巖氣成藏條件最好，準噶爾盆地、松遼盆地和吐哈盆地較好，柴達木盆地和遼河盆地地質條件較差。現階段，中國的頁巖氣勘探和開采工作主要集中在四川盆地及周邊地區，還包括西北地區、鄂爾多斯等主要盆地。中國南方從震旦系到三疊系，海相地層發育，烴源巖層系以多套黑色頁巖為主，該區域主力烴源巖為下寒武統牛蹄塘組和下志留統龍馬溪組。四川盆地的頁巖氣地質條件和構造演化特點與美國典型盆地相似，均屬于古生界的海相沉積盆地，具有優良的勘探前景。

1.2 頁巖氣儲層地質參數及特征

目前，中國南方古生界頁巖的特點與美國北部頁巖最接近，代表性的特點包括厚度、高含碳量和富含石英。四川盆地4個主要的富含有機質泥頁巖的目標為下寒武統筇竹寺組、下志留統龍馬溪組、下二疊統棲霞組和上二疊統龍潭組，其中，最重要的是下志留統龍馬溪組地層，頁巖有機質豐富，含筆石，且為硅質頁巖。川、渝、滇、黔、湘、鄂等所屬區域為上揚子區，發育了6套海相頁巖，有機質豐富，分別為二疊系龍潭組、泥盆系羅富組、志留系龍馬溪組、奧陶系五峰組、寒武系筇竹寺組和震旦系陡山沱組。在6套地層中，筇竹寺組和龍馬溪組頁巖層的TOC較高，厚度大，分布廣，而且脆性礦物豐富，節理和裂縫發育。

與中國南方頁巖發育區相比，準噶爾盆地雖然不是中國最大的頁巖氣烴源巖區，但其地質構造條件相對簡單，頁巖層和有機質富集層均有足夠的厚度，平地泉組有機質富集凈厚度達到125 m，TOC平均值為5%，其熱成熟度處在生油窗口，約為0.85%。

2 頁巖氣儲層評價方法

頁巖儲層含氣量主要與TOC含量、有機質類型及演化程度有關，因此，目前主要依據頁巖儲層厚度、埋深、TOC含量和熱演化程度來優選頁巖氣勘探的有利區域。常規油氣勘探中以尋找構造為主的地震勘探可以準確地對頁巖儲層的空間分布進行成像，并可為鉆探和儲層改造提供參數，劉振武等提出了頁巖氣地球物理技術的研究內容和發展方向[9]。

袁書坤等以美國Marcellus頁巖區的多波地震資料，應用縱波—轉換橫波(PP-PSV)聯合反演方法進行頁巖氣儲層天然微裂縫識別和含氣性檢測，并取得很好的應用效果[10]。陳祖慶研究了四川盆地焦石壩地區海相頁巖地層的巖石物理參數，通過對伽馬、密度和電阻率等測井結果以及泊松比、楊氏模量等彈性參數的分析，研究各參數與TOC的關系，并結合三維地震資料進行疊前地震反演，求出TOC的三維分布，進而實現定量預測(圖2)[11]。

圖2 焦石壩地區龍馬溪組—五峰組平均

Lewis等利用常規的自然伽馬測井、電阻率測井、密度測井等組合方法進行含氣頁巖的識別與評價[12]。常規測井和ECS測井方法結合評價有機質或泥質含量，微電阻率成像測井和聲波掃描測井結合分析地應力、識別泥頁巖裂縫，聲波掃描測井分析地層的機械特性，核磁共振測井評價孔隙度等。Pemper等認為這些技術已經成為頁巖氣測井的關鍵技術，并成功地應用于北美頁巖氣田的評價、勘探和開發。

在以上測井資料的應用過程中，電阻率是一個重要參數，資料顯示有機質對電阻率的影響隨成熟度變化而變化。但在評價過程中，電性參數比較單一，僅僅依靠電阻率一個參數很難對頁巖氣儲層的TOC做出準確評價。

3 頁巖氣儲層復電阻率法預測技術

3.1 復電阻率法及其應用

復電阻率法(CR)也稱頻譜激發極化法(SIP)，國內外研究者在此基礎上完成了大量的物性和理論研究工作。

應用復電阻率法在準格爾盆地某油田進行油氣預測實驗，發現在試驗區油氣田及其上方存在明顯的極化異常，為井位設計提供了地球物理依據，而且預測的極化異常被隨后的鉆探結果所證實。前人為探查安徽沙溪斑巖型銅礦區深部礦體及隱伏礦體，同時為了試驗頻譜激電法在此類礦產探測中的應用效果，在安徽沙溪斑巖銅礦區進行了SIP試驗。結果表明，頻譜激電法在斑巖銅礦探測中可以取得較好的效果，該方法在高電阻率、高極化率的金屬礦的探測中同樣可以發揮重要的作用。應用復電阻率法在安徽某銅鉬礦區進行勘探，反演的IP參數反映出了地下異常地質體的導電性和電極化性質，并可以準確判斷異常的屬性和空間形態。

3.2 頁巖標本的復電阻率響應

以南方海相筇竹寺組和龍馬溪組2套產氣主力為研究對象，在實驗室內進行復電阻率實驗，實驗頻率范圍為0.1～10.0 kHz，獲取頁巖的復電阻率幅值和相位信息，B01、B02和B03為露頭頁巖，W01、W02和W03為頁巖氣井巖心。結果表明，電阻率的幅值隨頻率的增大而減小，低頻段變化相對較快，高頻趨緩，相位幅值隨頻率的升高先增后減或單調遞減，沒有統一的變化規律，頁巖存在不同強弱的激電效應，其中B01和B02變化最為明顯，激發極化效應更強(圖3)。

圖3 頁巖露頭和井心標本復電阻率幅值和相位曲線

表2為中國南方海相頁巖發育區不同層位露頭標本的極化率參數統計結果，目的層為筇竹寺組、龍馬溪組和五峰組頁巖，圍巖包含滄浪鋪組砂巖、燈影組白云巖和玄武巖。統計結果表明，在頁巖地層中，筇竹寺組層為高極化層，龍馬溪組為中高極化層，五峰組為中高極化層，靈犀橋組為低極化層，砂巖和白云巖為低極化層，該特征有利于應用極化率參數進行頁巖氣儲層評價。

表2 頁巖及圍巖標本極化率參數統計結果

3.3 頁巖復電阻率參數的勘探意義

中國頁巖氣成藏條件和儲層特征有別于美國，而且國外先進的方法和技術難以全面解決中國的頁巖氣勘探開發問題。因此，研究者需要根據國內的頁巖儲層地質特征，探討其成藏規律，尋求有效地的地球物理評價技術。目前地震勘探和電法勘探是頁巖氣勘探的主要手段，但在現階段技術不成熟、勘探認識程度較低的情況下，亟需發展地球物理技術，掌握富有機質頁巖的地球物理響應特征，有效地定位總有機碳含量的空間分布，為含氣性評價奠定基礎，同時用于指導頁巖氣“甜點”區預測、勘探開發、鉆完井、儲層改造、壓裂。

通過在頁巖發育地區采集不同地層的頁巖標本(包括井心)進行實驗分析，完成巖心物性參數測量，重點從頁巖的復電阻率特性著手，在實驗室條件下對不同地區和不同地層的頁巖樣品進行復電阻率測量，反演提取了頁巖的零頻電阻率、極化率、時間常數和頻率相關系數4個復電阻率參數。研究結果表明，筇竹寺組、龍馬溪組和五峰組3個產氣主力地層較圍巖具有更強的激發極化效應，極化率值最敏感，均較大，該響應特征為圈定頁巖氣產氣層位提供了物性基礎。在此基礎上，可結合頁巖氣儲層的特點，進一步分析研究復電阻率參數，尤其是電阻率、極化率參數與頁巖礦物組分和TOC的內在聯系，為研究頁巖氣儲層的電性響應特征和機理奠定基礎。

研究成果為應用復電阻率法進行頁巖氣勘探提供了物性基礎和電性敏感參數，為利用地球物理技術對富有機質頁巖儲層進行評價提供了新思路。

4 結 論

(1) 頁巖氣儲層的含氣量跟總有機質含碳量、有機質類型等多種地質要素有關，中國頁巖氣潛力巨大但地質條件比較復雜，在現階段技術不成熟、勘探認識程度較低的情況下，亟需發展地球物理技術，掌握富有機質頁巖的地球物理響應特征，有效地定位TOC的空間分布，為含氣性評價奠定基礎。

(2) 頁巖作為烴源巖和儲集層所特有的成藏特征，決定了勘探和開采過程中的評價方法有別于常規儲層，頁巖標本電性實驗結果展示了的頁巖的復電阻率特性，為頁巖氣地球物理勘探和儲層預測開拓了新的研究方向。

(3) 復電阻率頻譜參數可從不同的角度去評價頁巖氣的激電異常，雖然反演的電阻率值比較單一，在油氣中既有低阻也有高阻特征，但極化率參數可以為頁巖氣的評價提供可靠信息，再綜合時間常數和頻率相關系數，可直接進行頁巖氣儲層評價。

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編輯 林樹龍

20151023；改回日期：20160105

國家“973”項目“深部油氣儲層綜合地球物理探測和評價方法”(2013CB228605)；國家青年基金項目“中上揚子區頁巖總有機碳含量與復電阻率的關系模型實驗研究”(41404087)；國家自然科學基金“移動雙極電偶源瞬變電磁成像方法與應用基礎研究”(41274082)、“基于GPU的可控源電磁三維各向異性儲層參數反演”(41274115)和“非均勻地中低頻電磁輻射源探測與反演定位”(41574064)

向葵(1980-)，男，講師，2004年畢業于長江大學測控技術與儀器專業，2015年畢業于該校地球探測與信息技術專業，獲博士學位，現從事電磁勘探和巖石物理方面的教學和研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.02.002

TE122.2

A

1006-6535(2016)02-0005-04