页岩岩芯复电阻率频散特征主要影响因素的实验研究

黄　涛，余　刚，王绪本，张　兵，

何展翔2，陈　娟2，朱红锦1

(1.成都理工大学　地球探测与信息技术教育部重点实验室,成都　610059；2.中国石油集团　东方地球物理勘探有限责任公司，涿州　072750)



页岩岩芯复电阻率频散特征主要影响因素的实验研究

黄涛1，余刚2，王绪本1，张兵1，

何展翔2，陈娟2，朱红锦1

(1.成都理工大学地球探测与信息技术教育部重点实验室,成都610059；2.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司，涿州072750)

摘要：影响岩石复电阻率及其频散特性的主要因素有孔隙水盐度、孔隙度、饱和度、渗透率、温度以及各向异性等，对于页岩还与TOC含量密切相关。实验中对昭通地区两口井59块页岩岩芯进行了复电阻率测量，分析了岩芯饱和水盐度、各向异性以及TOC含量对岩芯复电阻率及其频散特性的影响。发现页岩复电阻率和极化率随含盐饱和度增加而减小；在垂直与平行于层界面的方向电阻率与极化率相差较大，各向异性明显；页岩复电阻率与有机碳含量有着负相关性。实验结果为建立页岩储层建模和电磁勘探方法,对页岩储层进行勘探和综合评价提供了有价值的资料。

关键词：复电阻率；极化率；饱和水盐度；各向异性；有机碳

0引言

岩石物性研究作为储层评价的重要理论基础近年受到越来越多的重视，多年来基于岩矿石的成分及分布以及与所含流体的电动力学与化学反应过程提出的复电阻率模型也多达12种[1]。岩石的电阻率在交变电场下呈复数，且随频率的改变而变化，并且与岩石孔隙水盐度、孔隙度、饱和度、渗透率、温度、矿物颗粒大小等多种因素有关，对于页岩还受TOC及黄铁矿等影响[2]。目前关于影响岩石复电阻率的因素及其影响机制研究最有影响的是Revil and colleagues[3-15]。Revil还基于双电层的有效介质理论提出了POLARIS理论描述泥质砂岩(不含黄铁矿)的复电阻率。此外关于复电阻率的研究还有很多如Xavier等[6]研究了不同孔隙水浓度对有机沉积与砂岩电导率的影响，同时国内一些学者也从不同的角度进行了大量的岩石物性研究工作，范宜仁等[7]用电介质极化理论研究砂岩复电阻率与饱和液离子浓度的关系；李建军等[8]研究了岩样复电阻率的影响因素；肖占山等研究了泥质砂岩的频闪特性及其复电阻率模型。但是这些研究大多针对砂岩等多孔介质，关于页岩这类低孔低渗介质复电阻率的研究却不是很多。研究内容也还不够深入全面，目前的研究大致包括：Revil[2]利用斯特恩层极化模型研究了泥页岩石的复电导率的各向异性包括地层因素、孔隙弯曲度、有机碳等多种因素；Veeken 等[10]指出黄铁矿也对油气储层的双电层极化有着积极的作用；余刚等[11]通过南方某井中页岩复电阻率测量得出页岩极化率与有机碳(TOC)和黄铁矿含量有良好的对应关系；张雪芬等[12]分析了页岩气的赋存形式及与粘土矿表面吸附作用；李鹏飞等[13-14]研究岩芯电阻率，极化率与黄铁矿相关；严良俊等[15-16]也对南方页岩研究得出可以用复电阻率法(CR)进行勘探的认识。作者通过总结前人成果主要针对我国南方海相沉积页岩从饱和液盐度、各向异性(平行与垂直于层界面两个不同方向)、有机碳(TOC)含量三个因素进行复电阻率测量研究，并发现有机碳含量与电阻率有着负相关性，希望实验结果为建立页岩储层复电阻率模型，为应用可控源电磁勘探技术，对页岩储层进行勘探和综合评价提供有价值的资料。

1实验方法及极化参数的求取

实验中页岩岩芯来自我国南方海相页岩分布区(昭通地区)A、B两口井。样品直径2.53 cm，长度≧2.5 cm，测量时保证了标本能代表岩(矿)石的固有电磁性质；深度为1 875 m～2 513 m，位于龙马溪组和五峰组；对A井7块页岩岩样用盐度为308 mg/l与盐度为35 g/l的NaCl盐水两次饱和测量，对B井26块井芯分平行于层界面(横向)与垂直层界面方向(纵向)各取26块样品共52块页岩岩样，采用盐度为0.4 g/l与40 g/l的盐水饱和；所有页岩岩样测量时用绝缘胶带包裹，防止因测量过程中水分挥发影响测量结果。表1和表2分别列出了A、B两口井井芯的层位、深度、岩性及TOC含量的数据。

表1　A井页岩岩心取芯层位和深度一览表Tab.1　core layer and depth of well A

表2　B井页岩岩心取芯层位和深度一览表Tab.2　core layer and depth of well B

复电阻率测量使用的是Solartron-1260A型阻抗相位分析仪，以0.015 ppm分辨率从10 μHz跨越到32 MHz；实验测量频率为0.01 Hz到10 000 Hz，每个频率数量级扫频10个，共扫频61个，保证有足够的频点反映测量岩芯信息。测量方式为对称四极(图1),其中：AB极为供电电极，MN为测量电极，ABMN通过BNC接头的连线与Solartron-1260A阻抗分析仪连接好。整个测量过程通过对应软件ZPLOT设定频点依次激发相应交流电信号,MN通过供电回路的取样电阻获得供电电流并读取岩心标本实部Z′(ω)与虚部Z″(ω)阻抗值，然后计算得到所测页岩样每个频点的阻抗幅值Z(ω)、相位φ(ω)以及电阻率ρ(ω)等，计算公式如下：

(1)

图1　测量装置示意图Fig.1　Measuring device schematic diagram

(2)

ρ(ω)=Z(ω)*π*(D/2)2/L

(3)

式中：d和L分别是岩样的直径和长度。

页岩属于多相极化介质，并且随频率的变化，高低频存在不同的极化模式，低频时主要为岩石矿物颗粒和流体引起的IP效应，高频时(>1 000 Hz)电磁感应效应占主导；传统的单Cole-Cole模型难以完全表征页岩样品的复电阻率特征，因此这里采用两个Cole-Cole模型的组合来表征页岩样品的复电阻率特征，模型表达式为式(4)。

(4)

式中：ρ0为岩样的直流电阻率；m1、τ1、c1和m2、τ2、c2分别表示低频段IP极化模式的激电参数与电磁感应极化的激电参数。用该模型对实测的岩样复电阻率测量数据进行拟合(式(3))，可以反演得到岩样的两种极化模式的充电率(极化率)、时间常数和频率相关系数，并且为了减小电磁感应影响，同时又保证有足够的数据点进行拟合。我们只对1 000 Hz以下的数据进行反演并采用ρ0、m1作为结果进行分析。经过验证，该模型反演的激发极化参数与实测的复电阻率拟合较好(图2)，图2中47 V和51 V电阻率和相位均方根误差分别仅为0.202/0.491、0.205/0.495。更多关于该模型的合理性与精确性以及与其他模型对比参考文献[27]已做详细论述。

图2　岩样实测复电阻率、相位曲线与双cole-cole模型反演拟合结果对比Fig.2　The measured rock resistivity and phase curve contrast with the double cole-cole(a)电阻率拟合;(b)相位拟合

2饱和水盐度对页岩复电阻率的影响

一般情况下，孔隙水电阻率对岩石电阻率有着控制作用，还对岩石极化特性产生影响。由于文中页岩样属于海相沉积，试验中对部分页岩用两种浓度的NaCl溶液进行抽真空加压饱和测量。图3给出了A井417B号样品在两种盐度饱和液饱和情况下的频谱曲线，表现为同向电阻率(实部)与复电阻率变化规律相同，且随饱和水盐度增大而减小；异向电阻率(虚部)与相位变化规律基本相同，幅值也随饱和水盐度增大而减小。

图3　417B号页岩不同饱和水盐度下的频散特性曲线Fig.3　Number 417 B shale of dispersion characteristic curve under different salt saturation(a)复电阻率幅值频散曲线；(b)相位频散曲线；(c)同向电阻率频散曲线；(d)异向电阻率频散曲线

417B号页岩不同饱和水盐度下的频散特性可以用低频下岩石的导电特性进行分析，低频下岩石的复电导率σ(ω)或者复电阻率ρ(ω)，可由两部分组成：①孔隙流体的电导率σbulk与频率无关，与孔隙流体的离子迁移有关，且可用阿尔奇公式求得σbulk=σw/F，其中σw是孔隙水电导率，F是地层因素；②孔隙流体与岩石矿物颗粒界面的表面电导率σsurf，与阳离子交换性质有关，是有效表面积、表面电荷密度以及离子迁移率的函数以及频率的函数，低频时这种极化效应即为激发极化。且σsurf=σsurf′(ω)+σsurf″(ω)，其中σsurf′(ω)、σsurf″(ω)是表面电导率的实部与虚部。因此实际测量的复电导率σ(ω)(复电阻率ρ(ω)=1/σ(ω))可以由同向电导(实部)σ′(ω)和异向电导(虚部)σ″(ω)表示：

σ(ω)=σ′(ω)+iσ″(ω)

(5)

σ′(ω)=(σw/F) + σsurf′(ω)

(6)

σ″(ω)=σsurf″(ω)

(7)

当频率小于1 000 Hz时认为σ′(ω)与频率无关。

因此，①随饱和水盐度变大，饱和水电导率σw越大即孔隙水电导率变大，并且由于离子浓度的增加使得矿物-水表面有更大的离子浓度，阳离子交换量增加，σsurf′(ω)、σsurf″(ω)都变大。因而岩样电导率σ变大电阻率变小(图3(a))，与多数情况下泥质砂岩测量结果相同(泥质砂岩当饱和水离子浓度过大时σsurf″(ω)反而减小，原因是较大的离子浓度抑制了离子的迁移以及让双电层变薄[16](图3(c)～(d)；同时同向电阻率与异向电阻率也都变小；②随饱和水离子浓度增加同向电导率增量远大于异向电导率增量Δσ′≫Δσ″。因此饱和水离子浓度越大电导率虚部σ″(ω)相对于实部σ′(ω)越小，相位φ(ω)=tag-1(σ″/σ′)∝σ″/σ′，由前述可知饱和水离子浓度增大，相位应减小(图3(b))，复电阻率频散(极化率)减小。

图4、图5分别为A井7块页岩在两种不同离子浓度饱和水饱和下的电阻率、极化率，结果表现为随饱和水离子浓度增加，电阻率、极化率都减小。

图4　A井7块页岩样品两种饱和情况下电阻率、极化率对比Fig.4　7 shale samples of resistivity contrast at two saturated situation of well A(a)电阻率对比;(b)极化率对比

图5　B井52块页岩岩样的垂向与水平方向电阻率与极化率Fig.5　52 shale samples of resistivity and chargeability in horizontal and vertical direction of well B(a)水平方向与垂直方向电阻率；(b)水平方向与垂直方向极化率

3各向异性对岩芯复电阻率的影响

通常井中电磁法反映的是地层垂向电阻率，而地面电阻勘探更多的是反映地层水平方向电阻率，因此有必要研究相对于层界面不同方向的电阻率，获取页岩岩样的电阻率各向异性，以便将测井电阻率曲线与地面电磁剖面结合匹配。实验中测量了B井52块页岩岩样的电阻率与极化率值，图6是饱和水盐度为0.4 g/l时垂向和水平方向电阻率与极化率的测量结果。

图6(a)显示了饱和液盐度为0.4 g/l时垂直方向页岩岩样电阻率都一致,大于其水平方向页岩岩样电阻率，垂直方向页岩岩样电阻率平均是水平方向的3.05倍;当饱和液盐度增加到40 g/l时垂直方向电阻率平均是水平方向电阻率的3.18倍。图6(b)是对应岩样的极化率，可以看出与电阻率一样，水平方向极化率也小于垂直方向极化率，垂直方向极化率平均是水平方向极化率的1.55倍，各向异性明显；当饱和液盐度增加到40 g/l时，垂直方向极化率是平均水平方向极化率的1.33倍，表现出了较强的各向异性。页岩本身脆性较大，裂隙裂缝往往沿层界面方向发育，实验中也发现垂直方向取样岩岩在垂直径向分布很多裂隙，而水平取样岩岩则有大量贯穿岩样且平行于径向的裂隙；此外成岩作用使得垂向孔隙结构更复杂，孔隙弯曲率也会更大[2]；受两者共同影响，使得水平方向取样岩岩比垂直方向取样岩岩有更多的自由通道；对比两个方向的孔隙度与渗透率发现，垂向与水平方向孔隙度与渗透率平均值分别为5.4%、0.083*10-6μm2与5.3%、46.009*10-6μm2，两个方向孔隙度差别不大，但是水平方向渗透率远高于垂向，导电性更好电阻率更低。这一点在实测频谱曲线上也可以得到很好地证明(图7)。由图7可知，水平方向实部与虚部电阻率都低于垂向，由虚部电阻率频散曲线可知其相位幅值也低于垂向，对应极化率也小于垂向。

图6　47号岩样水平方向与垂直方向实部(a)和虚部(b)电阻率频散曲线Fig.6　 In-phas eresistivity and quadrature resistivity dispersion curve in horizontal and vertical direction of sample 47(a)实部电阻率频散曲线；(b)虚部电阻率频散曲线

4有机碳含量对岩芯复电阻率的影响

图7是A井7块页岩样分别在饱和液盐度为308 mg/l与35 g/l时电阻率随TOC的变化情况，表现为随TOC含量增加，电阻率降低。图9是B井52块页岩水平方向与垂直方向岩样分别在饱和液盐度为0.4 g/l与40 g/l时电阻率随TOC含量的变化规律：①两个方向的电阻率都表现为随TOC含量增加电阻率值减小的特征，并且对富含有机质(TOC>3%)的岩样电阻率明显低于TOC含量较低的岩样；②页岩电阻率并不是严格地随TOC含量增加而减小，尤其在TOC含量较低时；③在对川南露头页岩样进行测量结果发现，TOC含量与电阻率的相对变化量存在较好的对应关系，但并不是一直负相关，还与页岩在是否完全饱和，与用什么离子浓度饱和液饱和有关。有资料表明，由于有机质的存在会增加阳离子交换量及有效表面积[2-18]，此外有机质的存在还会影响岩样的孔隙结构，会增加孔隙度，从而影响岩样的导电性。页岩电阻率是页岩导电性能的综合反映，因此影响页岩电阻率的因素并非单一有机碳含量，有机碳含量和页岩电阻率并非简单的负相关关系，有关有机碳对页岩电阻率的具体影响机理还需要更多的实验验证。

图7　A井7块岩样TOC与电阻率关系Fig.7　7shale samples of relationship between TOC and resistivity of well A

图8　B井52块岩样TOC与电阻率关系Fig.8　52 shale samples of relationship betweenTOC and resistivity of well B

5结论

1)页岩复电阻率及频散特性受饱和液盐度影响较大。在实验中表现为随饱和水盐度的增加而减小，变化特征与砂岩相似，因此在研究页岩储层的电阻率时，应充分考虑模型中地层水矿化度的影响。与同向电阻率相比，异向电阻率受饱和盐度影响更小。

2)页岩在平行于层界面方向发育着大量裂隙，以及成岩作用影响下垂直方向较水平方向结构更加复杂，渗透率远不如水平方向，电阻率与极化率也更大，各向异性明显。

3)在实验中，页岩的电阻率基本随TOC含量增加而减小，TOC较高的岩样电阻率明显低于TOC较低的岩样，并且不同取样方向的岩样上表现出一致特征。

总之，影响页岩复电阻率的因素还有很多，影响机理也很复杂，这里只是对其中的三个因素进行了定性的讨论分析。实验结果为建立页岩储层复电阻率模型，为应用可控源电磁勘探技术对页岩储层进行勘探和综合评价，提供了有价值的资料。但尚不能定量解释，建立页岩储层复电阻率模型还需更多更深入的研究工作。

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Experiment research of the main influence factors of shale sample complex resistivity dispersion characteristics

HUANG Tao1,YU Gang2,WANG Xu-ben1,ZHANG Bing1,HE Zhan-xiang2,CHEN Juan2,ZHU Hong-jing1

(1.Chengdu university of earth detection and information technology ministry of education key laboratory,Chengdu610059,China;2.Chinese oil group,the east geophysical exploration company，Zhuozhou072750,China)

Abstract:The major influence of rock complex resistivity and the dispersion characteristics are pore water salinity,porosity,permeability,temperature,and anisotropy,etc;and for shale rocks is also closely related to the TOC content.In the experiment we measured 59 shale samples of complex resistivity and analyzed the influence of different salt saturation,anisotropy and the content of TOC on shale complex resistivity and the dispersion property of two wells.We find that the complex resistivity and chargeability of shale decreases with the increase of salt saturation;and has a large difference in the vertical and parallel to the direction of the interface layer,the anisotropy is obvious;Besides,the complex resistivity of shale has negative correlation with the TOC content.The experimental result provides valuable information for establishing the shale reservoir complex resistivity model and explorating and comprehensive evaluating the shale reservoir by electromagnetic prospecting technology.

Key words:complex resistivity；chargeability；salt saturation；the anisotropic；TOC

收稿日期：2015-06-13改回日期：2015-08-07

基金项目:国家重点自然科学基金项目(U1262206)

作者简介：黄涛(1990-)，男，硕士，主要从事岩石物理相关研究，E-mail:2379667769@qq.com。

文章编号：1001-1749(2016)02-0167-08

中图分类号：P 631.3

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.02.04