中上扬子海相页岩电阻率异常成因分析

高和群，丁安徐，蔡潇，何贵松

（中国石化华东油气分公司勘探开发研究院，江苏扬州225007）

中上扬子海相页岩电阻率异常成因分析

高和群，丁安徐，蔡潇，何贵松

（中国石化华东油气分公司勘探开发研究院，江苏扬州225007）

文中以中上扬子地台下寒武统及上奥陶统—下志留统海相页岩钻井岩心样品为代表，从页岩本身及内部液态流体特征2个方面，对造成同一层位页岩电阻率差异悬殊的原因进行了系统分析。结果表明：受制于导电性矿物质量分数相对较低及页岩较高的成岩变质作用，页岩成分及液态流体因素对电阻率的影响有限；含气性较好、电阻率较高的页岩，在扫描电镜下普遍出现了具有白色光亮环带形状的荷电现象，环带与页岩孔缝密切相关，均位于不同颗粒接触部位或微裂隙上；为此，提出了“荷电缝”的概念。进一步分析认为，荷电缝的普遍存在大大改善了页岩的微观孔隙结构，降低了页岩的导电性能，因而它是决定页岩电阻率的主要因素。页岩电阻率与孔、渗的正相关关系印证了这一现象的存在。

超低电阻率；页岩导电性；荷电现象；荷电缝；中上扬子

0　引言

页岩气的勘探在南方海相页岩地层中取得了较为丰硕的成果和鼓舞人心的成绩，尤其是涪陵焦石坝页岩气的发现［1-4］，使页岩气进入了商业性开发时代。近年来，随着勘探力度的增加，页岩气在中上扬子地台获得了一系列重大突破。中上扬子页岩气主要富集在下寒武统及上奥陶统—下志留统海相页岩地层中，在这些层系中均不同程度地发现了页岩气显示，尤其是下古生界五峰—龙马溪组，页岩含气性最好；然而在沉积、构造及水文地质条件较为接近的情况下，一些普遍具有较高含气量的地区出现了含气量微弱甚至不含气的探井，并且这些气量微弱的探井均表现出了电阻率相对异常低的共同特征。详细分析导致这一现象的原因，厘定页岩电阻率异常偏低的主控因素，提高钻井成功率，对页岩气勘探开发显得尤为重要。

电阻率是衡量岩石导电性能的指标。页岩的导电性能越好，电阻率越小；反之，电阻率则越大。页岩本身及其内部液态流体特征决定着其电阻率的高低，笔者从这两大因素进行详细分析，以期找到控制页岩电阻率的根本因素，为页岩气勘探提供理论参考。

1　方法与分类

在研究区中扬子地台上，分别选取了上奥陶—下志留统五峰—龙马溪组（O3w—S1l）及下寒武统牛蹄塘组共计9口页岩气井钻井岩心样品，进行电阻率及其相关实验分析，以探寻电阻率异常原因。

按照石油天然气行业标准《SY/T 5385—2007岩石电阻率参数实验室测量及计算方法》，页岩的电阻率均在实验室内采用二极法测得。实验步骤为：首先钻取直径为25 mm、长度在20 mm以上的柱塞样品，然后在62℃的恒温箱中烘干24 h，最后将制取的小岩样柱子在HDTS-Ⅱ型岩石电阻率测试仪上进行电阻率测试。

按照上述测试方法，对中上扬子9口页岩气井岩心样品电阻率进行了测试，其中RY1井、ZY2井及BY2井的含气量一般在0.1 cm3/g以下，含气性微弱，其电阻率均在100 Ω·m以下，表现为超低电阻率异常；其余井的含气量均在0.5 cm3/g以上，含气性较好，电阻率值一般在1 000 Ω·m以上，对应的电阻率整体较高（见图1）。

图1　中上扬子实测电阻率与含气量

含气性微弱和含气性较好的页岩气井，其电阻率值的差别在一个数量级以上。依此测试统计结果，将二极法电阻率值在150 Ω·m以下的称为超低电阻率异常，其对应的含气量值一般在0.1 cm3/g以下，页岩含气性较差甚至不含气；电阻率值在500 Ω·m以上，为高电阻率异常，其对应的含气量一般在0.5 cm3/g以上，含气性较好。

页岩内部流体及自身骨架特征决定着页岩的导电性能，进而决定了电阻率的高低。页岩内部流体主要为水和气，主要用含水率、矿化度、含气性等来衡量；页岩骨架通过自身的成分和结构控制其导电性能的高低，对导电性能做贡献的成分主要为导电性矿物及其结构内部的孔、缝。

2　液态流体对导电性的影响

采用迪安斯达克（Dean-Stark）抽提法对岩样进行了含水率测试。首先读取抽提出来的水体积，然后换算成水的质量，最后根据国家标准《GB/T 50266—2013工程岩体试验方法标准》计算页岩中的含水率。为了探寻页岩含水率对电阻率的影响程度，分别测定了同一样品在常温、60，160，200，250℃下的电阻率。为了探寻矿化度对页岩电阻率的影响，采用酒精萃取后高温加热的方法，以除去地层水及水中的离子，并分别测量萃取前后页岩的电阻率。通过对比萃取前后电阻率的变化情况来衡量矿化度对页岩电阻率的影响程度。

页岩气井含气性越好，其对应的电阻率越高、含水率也就越小。也就是说，含水率越高的页岩气井，其电阻率越小，含气性越差（见图2）。但是，页岩在不同温度下烘干后，其电阻率的变化较小，没有达到数量级的改变（见表1）。所以，虽然含水率对页岩电阻率有一定的影响，但这并不是本区页岩电阻率异常偏低的主控因素。

图2　页岩内部流体与其导电性关系

新鲜的页岩样品在酒精萃取后，电阻率均有不同程度的升高，但也未达到数量级变化的程度（见表1），这说明矿化度对电阻率的影响有限。又因本区热演化程度整体较高［5-7］，页岩层内含水率较低，页岩内部液态流体因素对电阻率的影响也有限。

3　页岩骨架对导电性的影响

对导电性能有影响的页岩骨架主要为页岩内部成分，包括导电矿物、有机质及其演化程度、黏土矿物等，页岩的骨架结构——矿物分布及孔、缝特征，也是影响其导电性能的因素。为此，分别测定了页岩的矿物组成、镜质体反射率（Ro）、物性等数据，将样品进行氩离子抛光，观察其电镜下的特征。

3.1骨架成分

用晶体X射线衍射方法，对样品全岩及黏土矿物组成进行分析；用总有机碳质量分数（TOC）表征页岩的有机质丰度（见表2）。中上扬子海相页岩矿物种类主要由石英、黏土矿物、钾长石、斜长石、方解石、白云石及黄铁矿等组成，偶见少量重晶石、菱铁矿及白铁矿等矿物，黏土矿物以伊/蒙混层（I/S）、伊利石（I）和绿泥石（C）为主；电阻率较低和较高的井其TOC基本相当。

衡量岩石成岩作用的混层比（%S）均在10%以下，说明黏土矿物组成较为单一，属于有序混层的后成岩阶段［8］。从岩石矿物组成、有机质丰度及成岩作用来看，超低电阻率页岩气井（RY1，ZY2，BY2）与电阻率较高的页岩气井（NY1，LY1，ZY1）基本相当，页岩矿物组成不是造成电阻率两极分化的主要原因。

中上扬子海相页岩导电性矿物主要为黄铁矿、黏土矿物以及达到石墨化程度的有机质［9-12］。电阻率随黄铁矿质量分数的升高有一定的降低，但黄铁矿在页岩中的质量分数较低，对同一层位而言，页岩的超低电阻率形成的影响有限。

虽然黏土矿物质量分数较高，但由于下寒武统及上奥陶统—下志留统页岩热演化程度较高，以伊利石、绿泥石等非导电性矿物为主，所以电阻率随黏土矿物质量分数的增加反而有一定程度的升高。

有机质及其热演化程度亦是影响页岩导电性能的一个重要因素，中上扬子页岩电阻率随着有机质丰度及其演化程度的升高而降低。

对于这一现象，王玉满等［13］认为，该区页岩有机质高过成熟，处于石墨化阶段，有机质碳化使得页岩电阻率发生相应的改变，造成了本区超低电阻率现象的产生。Mohammed等［14］认为，电阻率随页岩有机质演化阶段而异：有机质在未成熟阶段，孔隙中为导电的地层水所充填，电阻率较低；在生油窗阶段，产生的非极性以及极性化合物使得孔隙中地层水减少，页岩电阻率升高；在高成熟阶段，干酪根及先前生成的石油发生了裂解，页岩由亲油性变为亲水性，释放的颗粒表面变成混合湿润系统，使得电阻率降低。虽然页岩成熟度对电阻率有一定的影响，但有机质在整个页岩中的丰度较低，其热演化程度对电阻率呈数量级差别的影响有限。

3.2骨架结构及荷电现象

分别选取超低电阻率和较高电阻率页岩气井样品，进行氩离子抛光，在ZEISS SIGMA型场发射扫描电子显微镜（SEM）下观察页岩孔隙结构，然后用Poro PDP-200型覆压孔隙度-渗透率测试仪进行孔隙度及渗透率测试。

在观察页岩扫描电镜特征时出现了荷电现象——样品在扫描电镜下的荷电效应，即样品不导电或导电不良时会吸收电子而积聚电荷，产生静电场，干扰入射电子束和二次电子发射，使图像产生异常反差、畸变、像散等现象［15-17］。

中上扬子海相页岩荷电现象均表现为白色的亮斑，放大后为异常光亮的环带型结构，较高电阻率和超低电阻率页岩气井样品表现了不同的特征。前者在扫描电镜下出现了较为普遍的荷电现象，而后者却未见或少见这一现象。

在石英、方解石、白云石、长石及黏土等矿物颗粒的边缘或相互接触的部位均出现了荷电现象。在扫描电镜下进一步观察发现，白色光亮环带部位或其边缘主要为缝宽100 nm左右的显微裂隙，称之为“荷电缝”，指的是荷电现象所对应的纳米级超微裂缝，是一种次生缝，缝宽在几十至数百纳米不等，多为贴粒缝，也有可能被有机质充填［18］，主要为成岩作用缝，是矿物颗粒在成岩过程中经历脱水作用所形成的。

矿物颗粒接触及胶结方式不同，导致了页岩电阻率呈两极化的差别。电阻率异常高的页岩气井，矿物颗粒之间以出现荷电缝的孔隙式胶结为主；电阻率异常低的井，颗粒之间以镶嵌式紧密接触为主。所以，荷电缝越发育的页岩气井，电阻率越高，反之，则越低。电阻率与页岩孔、渗的关系印证了这一结论（见图3），中上扬子海相页岩电阻率随孔隙度、渗透率的升高而增大，电阻率与页岩孔、渗具有较好的正相关性。

图3　中上扬子页岩电阻率与孔、渗关系

页岩电阻率与孔、渗的这一关系，正是其内部孔裂隙发育程度的标志。页岩孔隙度、渗透率越高，其内部孔隙越大、微裂缝越发育，在颗粒与颗粒的接触处及微裂隙周围出现荷电现象的可能性就越大，其宏观上对应的页岩电阻率就越高，反之则越低。

成岩作用及页岩气保存条件控制着页岩颗粒的接触方式［19］。页岩固结成岩后，受后期构造作用的破坏，孔隙中的气体释放造成压力下降，页岩骨架得到压实，成岩作用进一步加强，使得孔隙减小，造成超微裂缝减少，页岩导电性增强，电阻率降低。

综合以上分析，页岩流体和骨架均会对页岩电阻率造成一定影响。中上扬子地区海相页岩在进入高成熟—过成熟阶段后，生气能力逐渐减小以致消失。受后期构造运动、地壳抬升剥蚀等因素影响，页岩气保存条件遭受破坏，气藏内流体（包括天然气和水分）在不同地区发生不同程度的运移逸散。随着压实作用的持续或增强，由于缺少气体支撑而导致孔隙显著减小，颗粒间的超微裂缝随之减少以致呈镶嵌式接触，孔径变为以微孔为主。含气饱和度降低，含水饱和度增大，残余水矿化度增高，导电性增强，最终导致电阻率降低。

页岩电阻率是页岩气保存条件的一种具体体现，页岩气保存条件好，则气藏含气量高。由于受到气体的超压支撑，孔隙保存良好，以中—大孔为主。超微裂缝发育，含气饱和度高，导致页岩导电连续性的断裂，表现为高电阻率，反之则相反。

页岩电阻率可作为页岩气选区评价的重要参数，在页岩沉积相带、矿物组成、有机地化等条件相似的地区，可优选电阻率高、保存条件好的目标作为页岩气勘探的有利目标区。

4　结论

1）含水率、含气量、温度、矿化度等流体特征对页岩电阻率有一定影响。页岩电阻率随含气量、温度的升高而增大，随含水率、矿化度的升高而降低。全岩黄铁矿质量分数、有机质及热演化程度等骨架成分是页岩超低电阻率形成的影响因素，但由于有机质丰度较低，对电阻率的影响有限。

2）荷电现象在电阻率较高的页岩中普遍出现。在石英、碳酸盐岩、长石及黏土等颗粒不完全接触部位或微裂隙上均能出现呈白色光亮环带的荷电现象，提出了荷电缝的概念。

3）荷电现象反映了页岩颗粒接触方式的不同，而成岩作用及保存条件又决定着页岩颗粒的接触方式。高电阻率页岩颗粒之间以带超微裂缝的孔隙式接触为主，超低电阻率页岩颗粒以镶嵌式紧密接触为主。颗粒接触方式（骨架结构）是造成中上扬子海相页岩相同层位电阻率差异悬殊的根本原因，超微裂缝大量出现的页岩，电阻率就高，反之就低。

［1］刘斌，叶军，王胜，等.典型盆外改造区高演化海相页岩勘探前景分析：以城口地区下寒武统页岩为例［J］.断块油气田，2015，22（1）：42-46.

［2］中国石化新闻网.涪陵气田探明储量增至3806亿立方米［EB/OL］.［2015-10-20］.http：//www.sinopecnews.com.cn/news/content/2015/ 10/20/content_1560302.shtml.

［3］梁榜，何生，陈学辉，等.鄂西渝东地区东岳庙段页岩气勘探潜力研究［J］.断块油气田，2015，22（1）：36-41.

［4］郭彤楼，张汉荣.四川盆地焦石坝页岩气田形成与富集高产模式［J］.石油勘探与开发，2014，41（1）：28-36.

［5］张琴，王红岩，拜文华，等.南方海相志留系页岩有机质类型恢复研究［J］.断块油气田，2013，20（2）：154-156.

［6］曾靖珂，潘仁芳，金晓凡，等.页岩储层非均质性分析：以四川长宁地区下志留统龙马溪组为例［J］.断块油气田，2016，23（2）：146-150.

［7］付小东，邱楠生，秦建中，等.中上扬子区海相层系烃源岩硫含量分布与硫同位素组成特征［J］.石油实验地质，2013，35（5）：545-551.

［8］林西生.X射线衍射分析技术及其地质应用［M］.北京：石油工业出版社，1990：119-135.

［9］李金铭.地电场与电法勘探［M］.北京：地质出版社，2005：1-12.

［10］陈新民，李争，冯琼.导电矿物对砂岩储层电阻率的影响研究：以塔里木盆地为例［J］.天然气地球科学，2007，18（5）：689-692.

［11］王树根.矿物的电学性能及其在电工电子材料中的应用［J］.中国矿业，2005，14（2）：11-14.

［12］王建波，冯明刚，严伟，等.焦石坝地区页岩储层可压裂性影响因素及计算方法［J］.断块油气田，2016，23（2）：216-220，225.

［13］王玉满，董大忠，程相志，等.海相页岩有机质碳化的电性证据及其地质意义：以四川盆地南部地区下寒武统筇竹寺组页岩为例［J］.天然气工业，2014，34（8）：1-7.

［14］MOHAMMED A.AL D，STECE C.Niobrara maturity goes up，resistivity goes down；what′s going on［R］.SPE 1922820，2014.

［15］吉元，张虹，史佳新，等.非导电样品荷电效应的吸收电流评价方法［J］.电子显微学报，2014，23（3）：265-268.

［16］唐晓山.荷电效应对扫描电子显微镜图像的影响及其解决方法［J］.湛江师范学院学报，2008，29（6）：33-35.

［17］华佳捷，刘紫薇，林初城，等.场发射扫描电镜中荷电现象研究［J］.电子显微学报，2014，33（3）：226-232.

［18］王晓琦，孙亮，朱如凯，等.利用电子束荷电效应评价致密储集层储集空间：以准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组为例［J］.石油勘探与开发，2015，42（4）：472-480.

［19］刘友祥，俞凌杰，张庆珍，等.川东南龙马溪组页岩的矿物组成与微观储集特征研究［J］.石油实验地质，2015，37（3）：328-333.

（编辑高学民）

Genetic analysis of abnormal resistivity of Middle-Upper Yangtze marine shales

GAO Hequn，DING Anxu，CAI Xiao，HE Guisong
（Research Institute of Exploration and Development，SINOPEC East China Company，Yangzhou 225007，China）

Taking drilling core samples of Lower Cambrian and Ordovician-Silurian from the Middle-Upper Yangtze craton marine shales as the representatives，the reason of large scalar difference of the same layer marine shale resistivity was analyzed by the shale itself and the internal liquid fluid characteristics.The results show that the influence of shale composition and its internal fluid on the resistivity is limited，because of relatively low content of electrically-conductive minerals and high diagenetic metamorphism of the shales；with a bright girdle，charging phenomenon is found generally in the high gas content resistivity shales under the scanning electron microscope（SEM），and the girdle is closely related to pores and fractures of shale，locating on the contact area of mineral particles or micro fractures；and the concept of"charging fractures"is defined.The further analysis indicates that the general existence of charging fractures has greatly improved the micro pore structure of the shale and reduced the conductivity of the shale，so it is the main controlling factor of the shale resistivity，which is corroborated by the positive correlation between resistivity，porosity and permeability.

ultralow resistivity；electrical conductivity of shale；charging phenomenon；charging fracture；Middle-Upper Yangtze

国家科技重大专项“彭水地区常压页岩气勘探开发示范工程项目”课题“彭水地区常压页岩气富集规律与目标优选”（2016ZX05061-001）

TE122.2+3

A

10.6056/dkyqt201605007

2016-01-28；改回日期：2016-06-17。

高和群，男，1983年生，工程师，硕士，2011年毕业于中国矿业大学资源与地球科学学院，从事非常规油气地质及实验研究工作。E-mail：gaohequn@163.com。

引用格式：高和群，丁安徐，蔡潇，等.中上扬子海相页岩电阻率异常成因分析［J］.断块油气田，2016，23（5）：578-582.

GAO Hequn，DING Anxu，CAI Xiao，et al.Genetic analysis of abnormal resistivity of Middle-Upper Yangtze marine shales［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（5）：578-582.