南方海相富有机质页岩电性特征及勘探意义

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摘      要：页岩气作为一种清洁环保的新型能源，具有极大的开发潜力。我国的页岩气储量在世界范围内所占的比重约为15% 左右，尤其是南方地区成藏条件优越，发育多套海相页岩层，每层的有机质含量丰富，是研究页岩气勘探与开发的有利远景区。近年来，受近地表的地质构造及地形条件影响，地震勘探的效果不佳。因此，针对地震页岩气富集层位即“甜点区”的判断，基于富有机质页岩的电性特征展开研究，采用储层描述提取属性参数方法，进行页岩气储层解释电法勘探。

关  键  词：海相页岩;有机质;电性特征;属性参数;电法勘探

中图分类号：P319.2      文献标识码： A       文章编号： 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

以海相沉积为形成机制的页岩气富集于我国南方地区，前人针对页岩气的勘探与开发展开了许多研究，但受到一些地质条件影响，勘探效果较差。近年来，在页岩气储层描述方面，电法的属性参数提取有较大突破。因此，基于南方地区富有机质页岩的电法勘探，研究其电性特征与勘探意义，有利于页岩气的勘探开发与评价，展现了良好的应用前景。

本文以四川龙马溪组和贵州筇竹寺组富有机质页岩为研究对象，使用地球物理勘电法探研究南方地区非常规油气。在此基础上，首先进行岩石取样，分别测量复电阻率，得到它们的幅频、相频特性，其次根据测量结果与拟合图形，分析岩石矿物成分性质，TOC含量和电性特征，最后总结研究结果和勘探意义。

1  理论与模型

1.1  激发极化原理

激发极化法[1]是以岩石矿物自身性质在电法中的作用为前提，可以有效寻找矿物资源的勘探方法。目前，它不仅广泛应用于金属矿[2]和水文地质勘查中，在油田和煤田勘探[3]中也引起了重视，并取得了一些较好的效果。在激发极化理论和实践中，将岩石或者矿物的激发极化分为两种理想类型，一种是面极化，一种是体极化。前者形成于致密的金属矿物和石墨矿物，在极化体与围岩溶液界面上，或某一个物体界面上产生的现象，后者是浸染状的金属矿物和矿化岩石类，以及一些离子导电的岩石产生激发极化，以较小或微小的极化单元存在于极化体的内部。

1.2  阻尼最小二乘法

在实验测量中，曲线的拟合作用可以对测量结果进行系统评价，以便作为预测的重要手段。其中，阻尼最小二乘法[4]是最常用的一种手段。相比于其它的擬合方法，具有一定的计算优势。将阻尼最小二乘法运用在曲线拟合中，得到所有数据的实测点和拟合点（估计点）之间误差（垂直距离）的平方和。平方和越小， 表示两条曲线越接近， 拟合程度越高。结合本次实验进行二维[5]反演，目的是使赋予初值后拟合的曲线尽可能靠近实测的曲线。

1.3  页岩复电阻率Cole模型

目前使用最广泛的反演模型[6]是Cole-Cole，它与复电阻率的频谱特性较吻合。Cole[7]公式：

2  页岩岩样实验

2.1  实验过程

本文研究的岩石样品取自一部分四川龙马溪组和贵州筇竹寺组的岩石，这些岩样均为取于潜水面上的上扬子区海相页岩，采集的所有露头标本都是去除了风化面或没有风化的岩石。目标层岩心样本总共有20块，龙马溪组岩样10块，筇竹寺组岩样10块。实验测量的频率范围是0.01～100 Hz，实验条件是水饱和。

实验过程主要分为三个步骤：第一，对页岩样品进行打磨和归类，利用游标卡尺对已经处理过的页岩样品进行物性测量，包括岩心的长度、直径等; 第二，对页岩样品进行浸泡使其饱和，以便测量饱和时的复电阻率，浸泡时间一般为一天以上;第三，用阻抗相位分析仪进行复电阻率的实验研究，基于测量结果成图得到幅频和相频。

2.2  实验结果

①龙马溪组复电阻率示意图，如图1、2所示

②筇竹寺组复电阻率示意图，如图3、4所示。

实验结论：

龙马溪组（图1、2）10块饱和岩石的电阻率值介于40与160之间，相位值全为负值，介于-1.6与0之间。当频率逐渐升高时，电阻率呈缓慢减小趋势，相位呈快速减小趋势，不同饱和度下岩石曲线的形态基本一致。

筇竹寺组（图3、4）10块饱和岩石的电阻率值介于0与50之间，相位值全为负值，介于-40与0之间。当频率逐渐升高时，电阻率呈缓慢减小趋势，相位有两种趋势，一种先减小后增大，另一种逐渐增大。这表明在低频段相位幅值变化很大，体现出一种非常强烈的激发极化效应，也与龙马溪组形成了鲜明对比。

3  页岩复电阻率电性特征

利用Cole模型基于实验测量结果进行反演，得到拟合曲线。通过拟合过程可以求取目标岩样的四个电性参数，即零频电阻率r0，时间常数t，频率相关系数c和极化率m。根据四个频谱参数与TOC含量、矿物成分含量的关系，分析目标岩样富有机质页岩复电阻率的电性特征，有利于油气预测勘探等工程。

3.1  基于Cole模型反演

记录岩样编号和测量的TOC含量，与龙马溪组、筇竹寺组的反演参数对比，如表1、2所示。从龙马溪组和筇竹寺组岩样中，各取两个岩心样品，以L52-04和Q28-04为例，反演拟合如图5、6所示。

龙马溪组（图7）的TOC含量越高，零频电阻率值越高。富含有机质的页岩含有导电性能较弱的烃类，所以呈现正相关性。筇竹寺组（图8）TOC含量越高，零频电阻率值越低。页岩样品取自南方碳酸盐海相地层，不含气体时通常为低阻地层，含气体或富含有机质时表现出高电性特征。

结论2： TOC与极化率关系明显。

龙马溪组（图9）和筇竹寺组（图10）关系趋势一致，均表现为TOC含量越高时极化率越高，TOC含量越低时极化率越低。页岩气藏中含有气体（以吸附态或游离态存在）与页岩中的TOC（总有机碳）含量呈现出正相关，也可以解释为页岩气中发育的页岩地层具有高极化率特征。

结论3：TOC与时间常数关系不明显。

两者的TOC含量与时间常数的关系均比较复杂。龙马溪组（图11）时间常数与TOC的比值较接近，当TOC含量越高，时间常数却一直保持为2。筇竹寺组（图12）时间常数与TOC的比值不接近，当TOC含量越高，时间常数整体偏低，个别异常偏高。

结论4：TOC与频率相关系数关系不明显。

两者的TOC含量与频率相关系数的关系均比较复杂。龙马溪组（图13）TOC含量越高，频率相关系数趋于0.2且保持不变。筇竹寺组（图14）TOC含量越高，频率相关系数整体偏低，个别异常偏高。

3.3  矿物成分含量对电性特征的影響

（1）受导电矿物成分含量的影响，考虑矿物的脆性因素，分析页岩的电性参数问题。测量页岩样品的矿物成分示意图，如图15、16所示。

从图中可以看出，龙马溪组（图15）普遍含有石英和黏土类矿物，且含量较高。筇竹寺组（图16）含有较多黏土和石英类矿物，且含有黄铁矿，成分含量比龙马溪组的地层高。

（2）基于矿物成分影响结果，进一步研究黄铁矿与TOC的关系，从而判断电性特征，如图17、18所示。

从图中可以看出，两者的关系呈正相关（图17、18）。黄铁矿的含量影响着极化率的变化，是岩石发生明显激电效应的重要原因之一。

结论：

黏土类含量低，且黄铁矿含量也较低，其电阻率值较高。除导电矿物和不导电矿物参数外，岩石的孔隙度、渗透率等结构也会影响矿物的电阻率值。根据离子导体激发极化理论，岩石中含有少量的黏土矿物有利于观测明显的激电效应，但页岩的黏土矿物成分含量较多，有些甚至在10%以上，这会导致孔隙度和导电率较低，从而降低激发极化效应。

4  结 论

针对龙马溪组和筇竹寺组地层的富有机质页岩展开电性研究，不仅有利于四川、贵州的页岩气勘探，产生重要的参考价值，对我国南方海相页岩气的研究工作更具有重大勘探意义。

（1）南方海相富有机质页岩的电性研究是对我国页岩气勘探的知识填充，既有前人奠定的基础，又有利于后辈学者的进一步探讨。通过对富有机质页岩的电性研究，验证了激发极化、阻尼最小二乘法和Cole模型的适用性。

（2）在评价页岩气的储层方面，电性特征的研究提供了重要参数依据。基于测量结果，我们发现总有机碳含量和零频电阻率、极化率存在较强的相关性，与时间常数、频率相关系数的相关性较弱，矿物成分含量也与零频电阻率、极化率有关，对频谱响应有一定影响。

（3）电法研究作为页岩气勘探的一种补充和尝试，近年来取得了很大进展，电法参数在储层描述中也取得了较大突破，充分体现了电法勘探的极大潜力。同时，通过南方海相富有机质页岩电性特征研究，可以提高我国页岩气勘探与开发的工作效率，缓解我国目前的能源压力。

参考文献：

[1] 刘犟，张克银. 四川盆地井研地区麦地坪组-筇竹寺组高分辨率层序地层特征[J]. 成都理工大学学报（自然科学版），2018，45（5）：585-593.

[2] 向葵，胡文宝，严良俊，等. 川黔地区页岩复电阻率的频散特性[J]. 石油地球物理勘探，2014，49（5）：1013-1019.

[3] 符超，李薇薇，李志远，等. 基于Cole-Cole模型的中间极化水平层大地电磁IP效应研究[J]. 地球物理学进展，2016，31（2）：501-507.

[4] 陈帅，李桐林，张镕哲. 考虑激发极化效应的瞬变电磁一维Occam反演[J]. 吉林大学学报（地），2017，47（4）：1278-1285.

[5] 徐凤姣，谢兴兵，周磊，等. 时域电磁法在我国南方富有机质页岩勘探中的可行性分析[J].石油物探，2016，55（2）：294-302.

[6] 吴宇豪，李京谋，李桐林，等. 一种利用频谱激电数据实部和虚部加权反演Cole-Cole模型参数的方法[J]. 地球物理学进展，2017，32（2）：753-761.

[7] 严雪，李佳.核壳结构的锂离子电池硅锗负极材料电化学性能的理论研究[J]. 当代化工，2018，47（9）：1764-1766.

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