南方海相富有機質頁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：頁巖氣作為一種清潔環保的新型能源，具有極大的開發潛力。我國的頁巖氣儲量在世界范圍內所占的比重約為15% 左右，尤其是南方地區成藏條件優越，發育多套海相頁巖層，每層的有機質含量豐富，是研究頁巖氣勘探與開發的有利遠景區。近年來，受近地表的地質構造及地形條件影響，地震勘探的效果不佳。因此，針對地震頁巖氣富集層位即“甜點區”的判斷，基于富有機質頁巖的電性特征展開研究，采用儲層描述提取屬性參數方法，進行頁巖氣儲層解釋電法勘探。

關 ?鍵 ?詞：海相頁巖;有機質;電性特征;屬性參數;電法勘探

中圖分類號：P319.2 ?????文獻標識碼： A ??????文章編號： 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制的頁巖氣富集于我國南方地區，前人針對頁巖氣的勘探與開發展開了許多研究，但受到一些地質條件影響，勘探效果較差。近年來，在頁巖氣儲層描述方面，電法的屬性參數提取有較大突破。因此，基于南方地區富有機質頁巖的電法勘探，研究其電性特征與勘探意義，有利于頁巖氣的勘探開發與評價，展現了良好的應用前景。

本文以四川龍馬溪組和貴州筇竹寺組富有機質頁巖為研究對象，使用地球物理勘電法探研究南方地區非常規油氣。在此基礎上，首先進行巖石取樣，分別測量復電阻率，得到它們的幅頻、相頻特性，其次根據測量結果與擬合圖形，分析巖石礦物成分性質，TOC含量和電性特征，最后總結研究結果和勘探意義。

1 ?理論與模型

1.1 ?激發極化原理

激發極化法[1]是以巖石礦物自身性質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，它不僅廣泛應用于金屬礦[2]和水文地質勘查中，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。在激發極化理論和實踐中，將巖石或者礦物的激發極化分為兩種理想類型，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，或某一個物體界面上產生的現象，后者是浸染狀的金屬礦物和礦化巖石類，以及一些離子導電的巖石產生激發極化，以較小或微小的極化單元存在于極化體的內部。

1.2 ?阻尼最小二乘法

在實驗測量中，曲線的擬合作用可以對測量結果進行系統評價，以便作為預測的重要手段。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，具有一定的計算優勢。將阻尼最小二乘法運用在曲線擬合中，得到所有數據的實測點和擬合點（估計點）之間誤差（垂直距離）的平方和。平方和越小， 表示兩條曲線越接近， 擬合程度越高。結合本次實驗進行二維[5]反演，目的是使賦予初值后擬合的曲線盡可能靠近實測的曲線。

1.3 ?頁巖復電阻率Cole模型

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

2 ?頁巖巖樣實驗

2.1 ?實驗過程

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子區海相頁巖，采集的所有露頭標本都是去除了風化面或沒有風化的巖石。目標層巖心樣本總共有20塊，龍馬溪組巖樣10塊，筇竹寺組巖樣10塊。實驗測量的頻率范圍是0.01～100 Hz，實驗條件是水飽和。

實驗過程主要分為三個步驟：第一，對頁巖樣品進行打磨和歸類，利用游標卡尺對已經處理過的頁巖樣品進行物性測量，包括巖心的長度、直徑等; 第二，對頁巖樣品進行浸泡使其飽和，以便測量飽和時的復電阻率，浸泡時間一般為一天以上;第三，用阻抗相位分析儀進行復電阻率的實驗研究，基于測量結果成圖得到幅頻和相頻。

2.2 ?實驗結果

①龍馬溪組復電阻率示意圖，如圖1、2所示

②筇竹寺組復電阻率示意圖，如圖3、4所示。

實驗結論：

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，相位值全為負值，介于-1.6與0之間。當頻率逐漸升高時，電阻率呈緩慢減小趨勢，相位呈快速減小趨勢，不同飽和度下巖石曲線的形態基本一致。

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，相位值全為負值，介于-40與0之間。當頻率逐漸升高時，電阻率呈緩慢減小趨勢，相位有兩種趨勢，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，體現出一種非常強烈的激發極化效應，也與龍馬溪組形成了鮮明對比。

3 ?頁巖復電阻率電性特征

利用Cole模型基于實驗測量結果進行反演，得到擬合曲線。通過擬合過程可以求取目標巖樣的四個電性參數，即零頻電阻率r0，時間常數t，頻率相關系數c和極化率m。根據四個頻譜參數與TOC含量、礦物成分含量的關系，分析目標巖樣富有機質頁巖復電阻率的電性特征，有利于油氣預測勘探等工程。

3.1 ?基于Cole模型反演

記錄巖樣編號和測量的TOC含量，與龍馬溪組、筇竹寺組的反演參數對比，如表1、2所示。從龍馬溪組和筇竹寺組巖樣中，各取兩個巖心樣品，以L52-04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。富含有機質的頁巖含有導電性能較弱的烴類，所以呈現正相關性。筇竹寺組（圖8）TOC含量越高，零頻電阻率值越低。頁巖樣品取自南方碳酸鹽海相地層，不含氣體時通常為低阻地層，含氣體或富含有機質時表現出高電性特征。

結論2： TOC與極化率關系明顯。

龍馬溪組（圖9）和筇竹寺組（圖10）關系趨勢一致，均表現為TOC含量越高時極化率越高，TOC含量越低時極化率越低。頁巖氣藏中含有氣體（以吸附態或游離態存在）與頁巖中的TOC（總有機碳）含量呈現出正相關，也可以解釋為頁巖氣中發育的頁巖地層具有高極化率特征。

結論3：TOC與時間常數關系不明顯。

兩者的TOC含量與時間常數的關系均比較復雜。龍馬溪組（圖11）時間常數與TOC的比值較接近，當TOC含量越高，時間常數卻一直保持為2。筇竹寺組（圖12）時間常數與TOC的比值不接近，當TOC含量越高，時間常數整體偏低，個別異常偏高。

結論4：TOC與頻率相關系數關系不明顯。

兩者的TOC含量與頻率相關系數的關系均比較復雜。龍馬溪組（圖13）TOC含量越高，頻率相關系數趨于0.2且保持不變。筇竹寺組（圖14）TOC含量越高，頻率相關系數整體偏低，個別異常偏高。

3.3 ?礦物成分含量對電性特征的影響

（1）受導電礦物成分含量的影響，考慮礦物的脆性因素，分析頁巖的電性參數問題。測量頁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礦物，且含量較高。筇竹寺組（圖16）含有較多黏土和石英類礦物，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果，進一步研究黃鐵礦與TOC的關系，從而判斷電性特征，如圖17、18所示。

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

結論：

黏土類含量低，且黃鐵礦含量也較低，其電阻率值較高。除導電礦物和不導電礦物參數外，巖石的孔隙度、滲透率等結構也會影響礦物的電阻率值。根據離子導體激發極化理論，巖石中含有少量的黏土礦物有利于觀測明顯的激電效應，但頁巖的黏土礦物成分含量較多，有些甚至在10%以上，這會導致孔隙度和導電率較低，從而降低激發極化效應。

4 ?結 論

針對龍馬溪組和筇竹寺組地層的富有機質頁巖展開電性研究，不僅有利于四川、貴州的頁巖氣勘探，產生重要的參考價值，對我國南方海相頁巖氣的研究工作更具有重大勘探意義。

（1）南方海相富有機質頁巖的電性研究是對我國頁巖氣勘探的知識填充，既有前人奠定的基礎，又有利于后輩學者的進一步探討。通過對富有機質頁巖的電性研究，驗證了激發極化、阻尼最小二乘法和Cole模型的適用性。

（2）在評價頁巖氣的儲層方面，電性特征的研究提供了重要參數依據。基于測量結果，我們發現總有機碳含量和零頻電阻率、極化率存在較強的相關性，與時間常數、頻率相關系數的相關性較弱，礦物成分含量也與零頻電阻率、極化率有關，對頻譜響應有一定影響。

（3）電法研究作為頁巖氣勘探的一種補充和嘗試，近年來取得了很大進展，電法參數在儲層描述中也取得了較大突破，充分體現了電法勘探的極大潛力。同時，通過南方海相富有機質頁巖電性特征研究，可以提高我國頁巖氣勘探與開發的工作效率，緩解我國目前的能源壓力。

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