四川盆地五峰-龍馬溪組低阻頁巖含水飽和度測井評價

王立偉, 李生杰, 劉曉雪 , 侯煜菲 , 周城漢 , 向世琦 , 王孟

(1.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室， 北京 102249； 2.中國石油大學(北京)非常規油氣科學技術研究院， 北京 102249； 3.中國石油大學(北京)地球物理學院， 北京 102249)

隨著中國四川盆地頁巖氣資源勘探不斷深入，已探明的頁巖氣藏多具低阻現象，這使得低阻氣藏逐漸成為油氣勘探評價的重點研究對象之一[1]。而儲層含水飽和度的精確計算對于儲層評價和油氣儲量的計算具有重要的現實意義。但由于氣藏低阻現象的存在，常導致基于電法測井的Archie公式及其變式失效[2-3]。為了探索新的含水飽和度計算模型，近年來，中外學者針對頁巖儲層低阻氣藏含水飽和度計算方面開展了大量的研究。石文睿等[4]利用頁巖氣有機質背景值與頁巖氣層實測或計算的總有機碳含量比值，提出一種非電法測井信息計算頁巖層含水飽和度方法，但忽視了總有機碳(total organic carbon，TOC)含量計算精度對含水飽和度計算精度的影響；劉帥等[5]認為Archie公式中計算頁巖儲層的巖電參數的準確求取困難,在很大程度上也會影響所建立的飽和度精度；張晉言等[6]利用體積密度與補償中子曲線或視密度孔隙度與視中子孔隙度重疊提出一種非電法測井信息計算頁巖層含水飽和度方法，未考慮井眼擴徑影響,使得含水飽和度模型適用性變差；宋明星等[7]通過修正Archie公式與Waxman-Smits方程中參數的影響，建立了兩種飽和度計算模型，但仍無法避免低阻因素對飽和度模型的影響。

為了進一步提高含水飽和度模型的計算精度，在深入剖析研究區低阻成因及傳統電法測井局限性的基礎之上，并借鑒前人研究成果，將多個低阻因素耦合入含水飽和度模型之中，運用巖性數據對之進行校正，以適用于四川盆地五峰龍-馬溪組頁巖低阻氣藏段的含水飽和度計算模型，為該區頁巖氣儲量的準確計算提供技術支撐。

1 低阻頁巖測井響應特征

四川盆地及其周緣五峰-龍馬溪組段巖性主要為富有機質的黑灰色碳質泥巖、碳質頁巖，頁巖氣有利富集段厚25～50 m，有機碳高值段主要分布于五峰組黑色頁巖段及龍馬溪組底部黑色頁巖段，其中五峰組黑色頁巖段有機碳含量主要集中在3%～6%，平均3.48%；龍馬溪組底部有機碳含量主要集中于1%～4%，平均值為3.43%。其鏡質體反射率Ro介于2.5%～4.6%，有機質演化程度屬于高成熟-過成熟階段，含氣量為0.3～5.09 m3/t[8]。

測井曲線上，頁巖氣層普遍呈現高自然伽馬、低密度、中低電阻率值特征[9]。根據測井響應的差異從上而下將龍一1亞段分為4小層。測井響應上，龍一1亞段從第3至第1小層，自然伽馬最高，密度、中子偏低(圖1)。

GR為自然伽馬，CAPI；KTH為無鈾伽馬，GAPI；AC為聲波時差，μs/m；DEN為密度，g/cm3；CNL為中子，%；RXO為沖洗帶地層電阻率，Ω·m；RT為地層真電阻率，Ω·m

2 低阻頁巖成因分析

地層電阻率數值的巨大差異是造成頁巖儲層含水飽和度評價的難點所在。影響頁巖氣儲層電阻率變化的主要因素有：地層水礦化度、黏土礦物附加導電、黃鐵礦導電礦物、有機質石墨化、裂縫等[10-12]，多種影響因素聯合作用導致了頁巖氣的低阻。

在影響地層電阻的因素中，均受到不同導電機理所控制。明確不同影響因素的導電機理，是確定其低阻成因的關鍵。為此，就其影響因素進行如下分析。

2.1 地層水礦化度

針對地層水礦化度對電阻率測井的影響研究最為廣泛，地層水對電阻率的影響主要來自于地層水中可運動離子的導電性，地層水飽和度越高、礦化度越高，地層水導致的巖石電阻率降低現象會越明顯，是由于高飽和度、高礦化度的地層水在頁巖儲層中形成以高含鹽束縛水為介質的導電網絡[7]。長寧頁巖區塊礦化度范圍為19～50 g/L，平均礦化度超過35 g/L，依據地層水中的無機鹽含量劃分，長寧研究區塊地層水類型屬于鹽水型[13]。

2.2 黏土礦物

黏土礦物的導電性則主要來自于兩方面，一方面，黏土礦物由于其晶格發育特征，大多數具有層狀或纖維狀特征，結合水分子的能力較強，會具有較高的束縛水含量；另一方面，黏土礦物還具有較高的陽離子交換能力，這種離子的溝通過程會進一步增強地層的導電性，降低巖石電阻率。四川盆地南部下志留統龍馬溪組黏土礦物含量較高，黏土礦物以綠泥石、伊蒙混層及伊利石，主要集中在25%～50%[14]。

2.3 導電礦物

四川盆地五峰-龍馬溪組頁巖為典型的海相頁巖，黃鐵礦一般在海相頁巖中多見[15]。黃鐵礦對于巖石導電性的降低則具體體現在黃鐵礦本身就是典型的導電礦物，其電阻率遠低于頁巖儲層中其余礦物組分(表1)。黃鐵礦在頁巖中的形態多呈分散狀或沿層理面分布，其中，沿層理面分布的黃鐵礦在電阻率測井上響應顯著，而對于呈分散狀分布的黃鐵礦，由于其含量較低，可以忽略其對地層電阻率的影響。

表1 不同礦物的導電性數據表

2.4 有機質成熟度

隨著有機質熱演化程度的不斷進行，當其進入高過成熟階段，有機質發生降解、裂解等過程，其固體有機質部分或全部轉化為石墨或類石墨物質的地質現象。由于石墨的電導率優于黃鐵礦，可能會造成頁巖電阻率的降低[16]。研究表明，四川盆地及周緣五峰-龍馬溪組有機質熱演化程度較高，處于高成熟-過成熟階段，部分有頁巖氣層段可發生有機質石墨化的現象，導致電阻率測井響應特征上出現低值區[8]。

2.5 裂縫

裂縫也是造成頁巖低阻因素之一，裂縫對電阻率的影響主要考慮裂縫的填充物對電阻率的影響。若裂縫中填充黃鐵礦、高礦化度地層水等導電物質，則對電阻率的影響會十分明顯。同時，裂縫的寬度、裂縫的密度及裂縫的延伸程度對電阻率也具有不同的影響[17]。四川盆地龍馬溪組的頁巖儲層中發育構造縫、層間縫、收縮縫[18]。

3 頁巖含水飽和度

3.1 頁巖含水飽和度特征及影響因素

含水飽和度是評價頁巖儲層含氣性的重要參數之一，高的含水飽和度，往往對應差的含氣性、低的含氣量[19]。通過對四川盆地川南地區的長寧、長寧西、瀘州等研究區塊的多口井的含水飽進行測試并統計，結果顯示，川南地區低電阻頁巖氣井含水飽和度整體偏高，為30%～60%，其中長寧西的寧西A井、長寧的寧A井、瀘州的瀘A井的龍一1亞段平均含水飽和度均為50%以上，最高可達60%，相比對于其余地區的低電阻頁巖井來說，其龍一1亞段平均含水飽和度值也相對較高，為30%～40%(圖2)。

圖2 川南地區低電阻頁巖平均含水飽和度

研究發現有機質、黏土礦物及其束縛水孔隙體積是影響含水飽和度的關鍵因素。五峰組-龍馬溪組底部頁巖主要以有機質孔和黏土礦物晶間孔為主。TOC含量越高，有機質孔隙越發育，促使甲烷優先占據賦存空間，使得地層水的賦存空間減少，含水飽和度降低；反之，黏土礦物含量越高，黏土礦物晶間孔越發育，黏土礦物束縛水含量越高，使得總的含水飽和度越高[20]。

3.2 頁巖含水飽和度與電阻率的關系

地層水對電阻率具有普遍性影響，筆者通過對寧西A、合A、黃A及盧A四口井所取巖心先烘干72 h，保證頁巖巖心內的水分完全烘干，并在真空條件下飽水72 h，之后，根據巖心在飽和水前后的質量差，可以計算飽和后巖心的含水飽和度，并通過巖電實驗測得其飽和水時的電阻率值，最后，利用烘箱對巖心分別進行烘干、稱重和電阻率測試，以得到不同含水飽和度下頁巖巖心電阻率。對四組實驗數據進行巖心測量電阻率與含水飽和度回歸分析發現二者呈冪函數相關關系(圖3)，當含水飽和度較低時，電阻率隨飽和度變化幅度較大，當含水飽和度不斷增大時，電阻率值趨于平緩。

圖3 不同地區頁巖電阻率與含水飽和度關系圖

根據圖3顯示出來的特征表明，頁巖電阻率與頁巖的含水飽和度具有普遍的相關性。但是對于不同地區，不同狀態的頁巖來說，電阻率與含水飽和度的相關關系存在明顯差異。對于巖心樣品來說，大致可以劃分為兩類，一類巖心具有受含水飽和度影響電阻率上升迅速的特征，而另一類巖心則具有受含水飽和度影響電阻率變化相對較弱的特征。對第一類巖心來說，黃A井、瀘A井等樣品具有典型特征，隨含水飽和度下降，電阻率迅速上升，且飽和度的下降最高可導致電阻率上升近90%。而對于寧西A井樣品及合A井樣品來說，則屬于典型的第二類樣品，在相同的飽和度下，該類巖石電阻率明顯低于第一類巖石的電阻率，且其電阻率隨含水飽和度的上升并不明顯。這種現象可能指示，在低電阻頁巖巖石中，除地層水之外，頁巖巖石內部組構對巖石導電性的影響是極其明顯的。

4 頁巖含水飽和度測井評價

含水飽和度測井評價，是基于研究區的地質特征，綜合對比分析優選合適的模型，以實現對所研究目標區塊含水飽和度的精準預測。傳統的含水飽和度預測模型有Archie公式、Simandoux公式、雙水模型等電法測井模型，各類模型的使用往往具有一定的經驗性及局限性，針對低阻這一特殊地層，影響含水飽和度的因素也趨于復雜化，使得常規的電法測井模型預測效果變差，為提高研究區含水飽和度的預測精度，通常需要綜合考量各類影響因素的復合影響，從而進行非電法測井模型的研究。對各類模型的適用性做如下分析。

Archie純砂巖的含水飽和度計算模型為

(1)

式(1)中：Sw為含水飽和度；a、b為巖性系數；m為孔隙度指數；n為飽和度指數；Rw為地層水電阻率，Ω·m；Rt為巖石電阻率，Ω·m；φe為有效孔隙度。

Simandoux混合泥質砂巖含水飽和度的求解模型為

(2)

式(2)中：R′t為地層電阻率，Ω·m；Rsh為純泥巖電阻率，Ω·m；Vsh為泥質含量，v/v；a為巖性系數，通常取1；m′為膠結指數，通常取2；n為飽和度指數，通常取2。

雙水模型，又稱為陽離子交換模型，該模型在計算含水飽和度時考慮了黏土束縛水的導電部分。

(3)

式(3)中：Swb為黏土束縛水飽和度，v/v；B為交換陽離子當量電導，S·cm3/mmol·m；Q為巖石陽離子交換容量，mmol/cm3；γ為NaCl活度，無量綱。

含水飽和度非電法測井評價，在計算含水飽和度時有效的避開了低阻因素對電法測井的影響，并運用巖心數據與非電法測井數據進行校正，從而建立精準的非電法測井評價模型。

4.1 電法測井應用效果

如圖4所示，以瀘C、黃A兩口井為例，建立電阻率-飽和度模型，模擬正常情況、黏土礦物影響。可以看出，3條曲線呈現一個減小的趨勢。將兩口井的測井數據加到模型里，可以分析其低阻的具體成因。

瀘C井的數據加載后如圖4(a)所示，由于瀘C井的地層為泥頁巖，含有泥質，因此與純砂巖地層的紅色的線不會完全一致；黃A井的數據加載后如圖4(b)所示，井數據與伊利石影響下的曲線相一致，由此可知伊利石是造成黃A井低阻的主要原因之一，依據各類電法模型的適用性，故優選雙水模型來進行含水飽和度的預測評價。針對黃A井，將雙水模型計算得到的含水飽和度與實測數據進行對比，如圖5所示，二者趨勢一致，相關性很好，因此可以用該模型來預測含水飽和度與黏土含量之間的關系，針對研究區的高有機質豐度，為了提高含水飽和度的計算精度，也應該將有機質這一低阻因素加入其中，使得預測值更加接近真實數據。

圖4 電阻率-飽和度模型

圖5 黃A井預測含水飽和度與實測飽和度的對比

4.2 非電法測井應用效果

由研究區地化特征以及電阻率-飽和度模型可知，造成四川盆地五峰-龍馬溪組頁巖低阻的成因主要有高含水飽和度、高黏土礦物含量及高有機質豐度。在含水飽和度求解時，常規的電法測井所用的Simandoux方程及雙水模型，兩個模型都沒有考慮地層有機質的影響；非電法測井彌補了常規電法測井在計算含水飽和度的不足之處，將造成頁巖低阻的因子也考慮其中，可表示為

Sw=f(TOC,Vsh,…,AC)

(4)

式(4)中：AC為聲波時差，μs/m。

以寧A井為例，這口井的低阻成因主要是有機質和黏土礦物，據此建立起包含聲波、有機質和黏土礦物在內的含水飽和度計算公式為

Sw=0.317 3+0.003 927AC-0.123 7Vsh-0.091 87TOC

(5)

根據式(5)可以計算含水飽和度，將用新方法計算的含水飽和度與雙水模型計算得到的和實測值進行對比，得到圖6，可以看出，通過新方法得到的含水飽和度值與實測值匹配度較好，因此用此模型計算含水飽和度的效果最佳，推薦適用。

圖6 寧A井多種方法計算與巖心含水飽和度對比

5 結論

(1)低阻頁巖氣層段在測井曲線上具有自然伽馬最高，密度、中子偏低的測井響應特征，針對本研究區的低阻成因主要為高含水飽和度、高黏土礦物含量及高有機質豐度。

(2)四川盆地的低阻頁巖含水飽和度值介于30%～60%，全區內含水飽和度整體偏高；通過開展不同區的巖電實驗可知，低阻頁巖的含水飽和度與電阻率呈冪函數關系，其中瀘A與黃A井電阻率隨含水飽和度的變化幅度較大。

(3)通過綜合運用電法與非電法兩種測井評價方法，針對五峰-龍馬溪組低阻頁巖氣層段的含水飽和度進行求解，經與巖心數據校正發現，非電法測井評價模型，其與巖心數據的匹配度較高，從根本上解決了電法測井評價計算得的含水飽和度數值偏高的現象，同時也為該區低阻頁巖氣藏勘探開發提供了技術支持。

(4)針對低阻氣藏含水飽和度的計算方法研究還需要繼續深化，巖心實驗技術及相關機理分析還需要進一步加深，以建立適用性更高的含水飽和度計算模型。