龙马溪组页岩气复电阻率勘探的理论依据

赵迪斐，郭英海，朱炎铭，毛潇潇，曹　磊，冶正阳，郭晓宇

(1.中国矿业大学(徐州)资源与地球科学学院，江苏徐州 221116；2. 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州221008)



龙马溪组页岩气复电阻率勘探的理论依据

赵迪斐1,2，郭英海1,2，朱炎铭1,2，毛潇潇1，曹磊1,2，冶正阳1,2，郭晓宇1,2

(1.中国矿业大学(徐州)资源与地球科学学院，江苏徐州 221116；2. 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州221008)

摘要：对龙马溪组页岩储层特征和复电阻率特征进行总结，基于实验数据与前人研究成果综合分析龙马溪组黄铁矿与TOC和优质储层的相关关系。结果表明，龙马溪组页岩储层普遍含有黄铁矿，使储层极化特征增强，是复电阻率勘探应用的基础。龙马溪组页岩黄铁矿与TOC、TOC与含气性、黄铁矿与含气性均显示具有较好的正相关关系，下部优质页岩储层具有高TOC、高黄铁矿含量、含气性好的特点，与上部储层相比具有更好的极化特征。莓状黄铁矿内部发育大量有机质纳米孔，周缘孔隙发育较好，与有机质有成因联系。复电阻率法在埋藏深度大、地表形貌复杂、高阻地层发育的四川盆地页岩气勘探中具有探测埋藏深度大、分辨率高、成本低等优势，值得大力研究推广。

关健词：页岩气；复电阻率法；龙马溪组；黄铁矿；优质储层

页岩气是中国重要的非常规能源，自美国成功开展页岩气商业开发以来，全球掀起了页岩气研究和勘探的热潮。中国页岩气资源潜力巨大，页岩气开发对保障中国能源安全具有重要意义[1-3]。目前中国页岩气勘探开发取得了较大的进展，在四川盆地涪陵焦石坝等地区已实现了商业化开采[4-5]，各种新理论、新技术也都得到了充分的利用。地球物理技术作为页岩气储层评价和增产改造的关键技术，将在页岩气勘探开发中发挥更加重要的作用，是评价页岩气关键地质要素的有效手段[6]。

目前，地球物理技术在页岩气勘探开发中的应用主要包括：①利用地震资料进行页岩气储层识别预测、资源评价和区域优选[7-8]；②页岩气储层的测井识别和评价[9-10]；③微地震压裂监测等其他应用[11]。但地震勘探、测井等技术尚不能完全满足页岩气勘探开发的需要，地震勘探主要获取页岩储层的厚度、展布等信息，不能进一步寻找页岩气优质储层，在构造及地形复杂的川东、川南等地区受到一定限制；钻孔测井可以提供丰富的储层信息，但其依赖于钻孔，控制范围有限[12]。检验电法勘探技术在页岩气勘探中的有效性，是当前页岩气勘探起步阶段亟待解决的重要问题之一[13]。

复电阻率勘探(Complex Resistivity, CR)又称频谱激电法，由美国Zonge公司于1972年提出，是一种新型频率域电偶源地面物探方法，实现了从总响应中分离激电响应，目前常应用于有利油气区带圈定、圈闭含油气性评价等[14-15]。龙马溪组页岩是中国最重要的页岩气地层，但四川盆地地表条件复杂、高阻碳酸盐岩层发育、页岩埋藏深度大，常规地球物理手段的效果受到影响；而复电阻率法不受高阻地层屏蔽，可勘探深度大，适合在地形复杂区实施，具有独特优势[16]。前人对页岩复电阻率特性进行了研究，认为黄铁矿是引起页岩较强激电效应的原因[17-19]，但黄铁矿含量变化与总有机碳含量(TOC)是否具有相关性、黄铁矿与有机质含量之间的关系、复电阻率在龙马溪组页岩气勘探中应用的理论基础等问题尚未有确切答案。本文对龙马溪组页岩储层特征及复电阻率特性进行总结，基于龙马溪组下部优质储层与黄铁矿、TOC的相关性论证复电阻率法在龙马溪组页岩储层勘探中应用的理论依据。

1 龙马溪组页岩储层特征

四川盆地龙马溪组分布广泛，与下伏五峰组共同构成优质的页岩气储层。龙马溪组页岩埋藏深度为700～6000m，厚度为70～900m，TOC为0.2%～6.0%，Ro为2.4%～3.6%，达到高成熟—过成熟阶段，干酪根类型以II型为主，渗透率不均一，孔隙度、渗透率均极低[20]，川南地区页岩含气量最高可达0.25m3/t，平均含气量为0.15m3/t[21]。

根据储层物性，四川盆地龙马溪组一般分为上、下两段。下段页岩TOC更高、脆性更好、厚度适宜，是已得到勘探开发验证的优质页岩储层[22]。龙马溪组优质页岩储层的分布主要受控于沉积环境，龙马溪组沉积于中国南方挤压最强烈的地质历史时期，早期为泥质深水陆棚沉积环境，晚期深水陆棚区减少，形成泥质深—浅水陆棚、泥砂质—砂质—灰质浅水陆棚及台地边缘相共存的沉积格局[23-24]，在不同的沉积相控制下，龙马溪组页岩储层内部特征具有显著差异。

龙马溪组页岩储层矿物组分主要包括脆性矿物与黏土矿物两大类，此外还普遍含有黄铁矿。黄铁矿整体显示出一定的变化规律，底部、下部页岩储层含有更多的黄铁矿，上部页岩黄铁矿平均含量低于下部页岩[22]。以渝东南地区龙马溪组样品为例，X射线衍射(XRD)定量测试显示(表1)，龙马溪组页岩样品中黏土矿物含量最高，主要为伊利石、绿泥石、蒙皂石、伊/蒙混层等；其次为石英，还含有少量方解石、长石等矿物。黄铁矿含量为1.6%～7.6%，下部储层平均约为4.1%。野外剖面观测显示，下部页岩储层中黄铁矿常以层理状、结核状、自形晶状等形貌产出(图1a)，有的充填裂缝(图1b、c)，上部页岩黄铁矿较少。镜下观测显示，龙马溪组页岩基质中黄铁矿主要有聚莓状(图1d)、单莓状、自形晶状(图1e)等多种形态，其中基质中聚莓状黄铁矿最为发育(图1f)，偶见自形晶状黄铁矿，单莓状黄铁矿发育较少。

表1　渝东南地区龙马溪组页岩矿物组分含量表

2 龙马溪组页岩储层复电阻率特性

龙马溪组页岩储层矿物组分主要是石英、方解石等脆性矿物和伊利石、绿泥石等黏土矿物，还普遍含有黄铁矿，黄铁矿作为金属矿物对页岩储层导电性的增加和电极化异常的显现有重要影响，其他成分影响则较小。页岩矿物成分及其含量对其电性影响很大[19]，龙马溪组页岩黏土矿物含量较高，经历了深埋过程和复杂的成岩作用，页岩储层孔隙度、电导率较低，降低了激发极化效应。

李鹏飞等[17]研究认为，富有机质页岩样品的复电阻率具有较强的频散特性，表现为极化率参数的异常；龙马溪组底部页岩具有低电阻率、高极化率的特征，极化率平均达到21.7%，是不含黄铁矿页岩的两倍多，且页岩TOC与极化率具有对应关系，龙马溪组底部高TOC页岩极化率也比其他层段更高。向葵等[19]研究了龙马溪组页岩的频散特性，认为龙马溪组为低电阻率、中高极化层。综上所述，电阻率相对较低、极化率相对较高是龙马溪组页岩重要的复电阻率特征。

3 龙马溪组复电阻率优质储层勘探

页岩常与相邻地层有电阻率上的差异，含气页岩体现为高电阻率和高极化率特征，不含气则表现为低电阻率、低极化率特征。若页岩含有黄铁矿，则其极化特征更明显，黄铁矿是页岩产生较强激发极化效应的原因[17]，使应用复电阻率勘探页岩气储层成为可能。论证黄铁矿含量与页岩的关系，是利用复电阻率进行优质页岩储层勘探的理论基础。

3.1 黄铁矿与TOC相关性

前人研究结果显示，龙马溪组下部页岩具有含量相对较高的黄铁矿，底部最为显著(图2)。页岩TOC与黄铁矿含量变化规律相似，底部较高，向上减少。黔浅1井、酉浅1井综合柱状图也反映出黄铁矿与含气量具有较好的相关性[28]。黄铁矿与TOC的相关性在大量研究成果中得到了验证[25-29]，由图3的数据显示，龙马溪组页岩黄铁矿与TOC相关系数R2为0.3～0.7，说明二者具有一定相关性，黄铁矿与有机质可能具有成因联系，黄铁矿含量可以在一定程度上预测TOC的变化，与前人微黄铁矿颗粒可能与深水条件下有机质富集有因果关系的观点一致[20]。

3.2 富TOC储层与含气性的关系

研究表明，页岩TOC、有机质类型及成熟度、厚度和矿物组成等是评价页岩含气性的主要指标，其中 TOC是最重要的指标，对页岩含气性影响显著[29-32]。TOC与页岩含气性具有较好的正相关关系[25]，这是因为TOC越高，储层比表面积越高，越有利于页岩气储集。寻找富有机碳的优质页岩储层是页岩气勘探的重要任务。

3.3 黄铁矿与页岩含气性的关系

黄铁矿与页岩含气性也具有正相关关系。通过氩离子抛光—场发射扫描电镜、薄片观测、液氮吸附、能谱等测试，认为二者具有相关性的原因并非在于莓状黄铁矿的吸附性，而是在于以下3点：①莓状黄铁矿微晶间充填有机质，有机质内部发育大量纳米级孔隙(图4)，面孔率显著高于除有机质颗粒外的其他组分，对储层孔隙系统为正贡献；②莓状黄铁矿周缘被证实发育有较好的孔隙(图4)；③黄铁矿与有机质有成因联系，富黄铁矿层段有机质含量高，提供大量有机质纳米孔隙，使页岩储集能力增强。

4 页岩复电阻率勘探前景

四川盆地页岩气勘探开发取得了显著成果，地球物理手段的应用有利于页岩气勘探开发的进一步发展。四川盆地龙马溪组地面地球物理勘探面临一系列困难，其中地表地形复杂对地球物理勘探施工有严重影响。四川盆地东南部是目前页岩气勘探开发的核心区域，但其地形以山地为主，不利于大型工程的开展；高阻碳酸盐岩地层发育，对地震弹性波传递非常不利；加之龙马溪组页岩埋藏深度较大，难以获取深层地层可靠信息。

复电阻率勘探通过探究复视电阻率的形态特征与地下极化体之间的关系反演得到地下极化体异常规模等参数，可为勘探设计提供依据。复电阻率法在四川盆地龙马溪组页岩气勘探中优势明显，工程上具有勘探成本低、周期短、见效快的优点，适用于较为复杂的地形；可以实现较大埋深范围内的高分辨率电阻率成像，对低电阻层分辨率高；在空间域与频率域的高密度测量可以获取更加丰富的地质信息；通过调整装置系数和偶极距等可以进行不同埋深地层的勘探[28]。页岩气储层埋深大展布复杂[34-35]，地球物理方法在页岩气勘探中大有可为[36]，复电阻率法也在四川盆地页岩气勘探中具有广阔前景。

5 结论

(1)龙马溪组页岩储层普遍含有黄铁矿，使储层极性特征增强，有利于复电阻率勘探的应用；龙马溪组下部页岩黄铁矿含量、有机质含量高于上部页岩，具有更强的极性。

(2)龙马溪组页岩黄铁矿与TOC、TOC与含气性、黄铁矿与含气性均具有较好的正相关关系，使依据黄铁矿含量预测TOC的变化成为可能，是龙马溪组应用复电阻率勘探的理论基础；黄铁矿与含气性具有相关性的原因在于莓状黄铁矿内部发育大量有机质纳米孔隙、周缘孔隙发育较好，并与有机质有成因联系，使富黄铁矿层段含气性更好。

(3)复电阻率法在页岩埋藏深度大、地表形貌复杂、高电阻地层发育的四川盆地页岩气勘探中具有独特优势，值得大力发展。

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The Theoretical Basis of Shale Gas Exploration with Complex Resistivity in Longmaxi Formation

Zhao Difei1,2，Guo Yinghai1,2，Zhu Yanming1,2，Mao Xiaoxiao1，Cao Lei1,2，Ye Zhengyang1,2，Guo Xiaoyu1,2

(1. School of Resources and Earth Science, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China;2.KeyLaboratoryofCoalbedMethaneResourcesandReservoirFormationProcess,theMinistryofEducation,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou,Jiangsu221008,China)

Abstract:The characteristics of Longmaxi shale reservoir and complex resistivity were summarized based on the experimental data and previous research reaults to analyze the correlation among pyrite, TOC and excellent pay zone.Results showed that Longmaxi shale reservoirs generally contained pyrite, which enhanced the polarity of reservoir, and can be taken as the basis of shale gas exploration by using complex resistivity.The better positive correlation has been showed in Longmaxi formation between pyrite and TOC, TOC and gas content, pyrite and gas content mutually. Lower quality shale reservoir featured with high TOC, high pyrite content and good gas content, possessing better polarization characteristics compared with the upper reservoir.A large number of organoc nano holes developed in framboidal pyrite, and the surrounding holes were well developed, which should be related to the organic matters. Complex resistivity has advantage of deep depth detection, high resolution and low cost etc.in the exploration of shale gas in Sichuan basin where has deep reservoir depth, complex surface topography, developed high resistance strata, it is worthy of being studied and promoted vigorously.

Key words:Shale gas; Complex resistivity; Longmaxi formaton; Pyrite; high quality reservoir

基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)(2012CB214702); 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室(中国矿业大学)开放基金(2015-007); 中国矿业大学大学生创新训练(201560)。

第一作者简介：赵迪斐(1991年生)，博士，研究方向为非常规油气地质学。邮箱：diffidiffi@126.com。

中图分类号：TE122

文献标识码:A