页岩气储层特征及地球物理预测技术

向 葵，胡文宝，严良俊，唐新功，谢兴兵

(1.油气资源与勘探技术教育部重点实验室，湖北 武汉 430100；2.非常规油气湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430100；3.长江大学，湖北 武汉 430100)



页岩气储层特征及地球物理预测技术

向 葵1，2，3，胡文宝1，2，3，严良俊1，2，3，唐新功1，2，3，谢兴兵1，2，3

(1.油气资源与勘探技术教育部重点实验室，湖北 武汉 430100；2.非常规油气湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430100；3.长江大学，湖北 武汉 430100)

为掌握富有机质页岩的地球物理响应特征，进而为页岩气储层评价奠定基础，对南方海相页岩及其围岩的复电阻率进行了实验研究。结果认为：页岩具有不同强度的激发极化效应且极化率参数值高于围岩地层；其电性响应特征与页岩的总有机碳含量、矿物成分、热成熟度等有关。虽然反演的电阻率值比较单一，在油气勘探中既有低阻也有高阻特征，但极化率参数可以为页岩气的评价提供可靠信息，其综合时间常数和频率相关系数，可直接进行页岩气储层预测。该研究为应用复电阻率法进行页岩气勘探提供了物性基础，发掘了电性敏感参数，为利用地球物理技术对富有机质页岩储层进行评价提供了新思路。

页岩气；地球物理技术；地质特征；复电阻率；储层预测

0 引 言

Curtis对美国5套商业性页岩气层的甲烷吸附气含量、总有机碳含量(TOC)等关键参数进行分析研究，认为含气量与TOC含量密切相关[1]。页岩气形成条件、成藏机理和富集规律的研究受到了国内外广泛重视，并取得了一定的地质认识及勘探成果[2-4]。李新景等结合中国的页岩气资源进行分析，认为中国四川盆地发育的多套海相烃源岩是未来页岩气资源的勘探方向[5]。姜福杰等针对国外的页岩气研究概况和中国的页岩气资源潜力进行研究，指出页岩TOC含量越高越有利于泥页岩油气富集[6]。TOC含量是页岩气储层评价的关键地质参数，也是物性分析和地球物理勘探的重要技术指标。

1 中国页岩气的地质条件与特征

1.1 中国页岩气藏地质条件

根据地质背景，中国的页岩气发育区可划分为中东部地区(华北、东北)、南方地区、西北地区以及青藏地区4大区块(图1)[8]。中国海相页岩分布范围非常广泛，而且有机质含量高，主要集中在华北地区、南方地区和塔里木盆地；陆相页岩同样分布广泛，主要集中在新疆准噶尔盆地和吐哈盆地、华北地区、鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地和松辽盆地，这些地区不仅具备页岩气成藏条件，而且资源储量丰富，潜力巨大。

图1 中国潜在的页岩气发育区分布示意图

据美国能源信息署(EIA)发布的页岩气报告，中国具有丰富的页岩气和页岩油潜力，主要分布于以下7个远景区盆地：四川、塔里木、准噶尔、松辽、扬子地台、江汉和苏北盆地，其中，南方四川盆地、扬子地台区和准噶尔盆地页岩气资源及其地质特征见表1[7]。

表1 中国部分地区页岩气资源和地质特征(改自EIA，2013)

研究表明，四川盆地、鄂尔多斯盆地、中下扬子地区、华北盆地的页岩气成藏条件最好，准噶尔盆地、松辽盆地和吐哈盆地较好，柴达木盆地和辽河盆地地质条件较差。现阶段，中国的页岩气勘探和开采工作主要集中在四川盆地及周边地区，还包括西北地区、鄂尔多斯等主要盆地。中国南方从震旦系到三叠系，海相地层发育，烃源岩层系以多套黑色页岩为主，该区域主力烃源岩为下寒武统牛蹄塘组和下志留统龙马溪组。四川盆地的页岩气地质条件和构造演化特点与美国典型盆地相似，均属于古生界的海相沉积盆地，具有优良的勘探前景。

1.2 页岩气储层地质参数及特征

目前，中国南方古生界页岩的特点与美国北部页岩最接近，代表性的特点包括厚度、高含碳量和富含石英。四川盆地4个主要的富含有机质泥页岩的目标为下寒武统筇竹寺组、下志留统龙马溪组、下二叠统栖霞组和上二叠统龙潭组，其中，最重要的是下志留统龙马溪组地层，页岩有机质丰富，含笔石，且为硅质页岩。川、渝、滇、黔、湘、鄂等所属区域为上扬子区，发育了6套海相页岩，有机质丰富，分别为二叠系龙潭组、泥盆系罗富组、志留系龙马溪组、奥陶系五峰组、寒武系筇竹寺组和震旦系陡山沱组。在6套地层中，筇竹寺组和龙马溪组页岩层的TOC较高，厚度大，分布广，而且脆性矿物丰富，节理和裂缝发育。

与中国南方页岩发育区相比，准噶尔盆地虽然不是中国最大的页岩气烃源岩区，但其地质构造条件相对简单，页岩层和有机质富集层均有足够的厚度，平地泉组有机质富集净厚度达到125 m，TOC平均值为5%，其热成熟度处在生油窗口，约为0.85%。

2 页岩气储层评价方法

页岩储层含气量主要与TOC含量、有机质类型及演化程度有关，因此，目前主要依据页岩储层厚度、埋深、TOC含量和热演化程度来优选页岩气勘探的有利区域。常规油气勘探中以寻找构造为主的地震勘探可以准确地对页岩储层的空间分布进行成像，并可为钻探和储层改造提供参数，刘振武等提出了页岩气地球物理技术的研究内容和发展方向[9]。

袁书坤等以美国Marcellus页岩区的多波地震资料，应用纵波—转换横波(PP-PSV)联合反演方法进行页岩气储层天然微裂缝识别和含气性检测，并取得很好的应用效果[10]。陈祖庆研究了四川盆地焦石坝地区海相页岩地层的岩石物理参数，通过对伽马、密度和电阻率等测井结果以及泊松比、杨氏模量等弹性参数的分析，研究各参数与TOC的关系，并结合三维地震资料进行叠前地震反演，求出TOC的三维分布，进而实现定量预测(图2)[11]。

图2 焦石坝地区龙马溪组—五峰组平均

Lewis等利用常规的自然伽马测井、电阻率测井、密度测井等组合方法进行含气页岩的识别与评价[12]。常规测井和ECS测井方法结合评价有机质或泥质含量，微电阻率成像测井和声波扫描测井结合分析地应力、识别泥页岩裂缝，声波扫描测井分析地层的机械特性，核磁共振测井评价孔隙度等。Pemper等认为这些技术已经成为页岩气测井的关键技术，并成功地应用于北美页岩气田的评价、勘探和开发。

在以上测井资料的应用过程中，电阻率是一个重要参数，资料显示有机质对电阻率的影响随成熟度变化而变化。但在评价过程中，电性参数比较单一，仅仅依靠电阻率一个参数很难对页岩气储层的TOC做出准确评价。

3 页岩气储层复电阻率法预测技术

3.1 复电阻率法及其应用

复电阻率法(CR)也称频谱激发极化法(SIP)，国内外研究者在此基础上完成了大量的物性和理论研究工作。

应用复电阻率法在准格尔盆地某油田进行油气预测实验，发现在试验区油气田及其上方存在明显的极化异常，为井位设计提供了地球物理依据，而且预测的极化异常被随后的钻探结果所证实。前人为探查安徽沙溪斑岩型铜矿区深部矿体及隐伏矿体，同时为了试验频谱激电法在此类矿产探测中的应用效果，在安徽沙溪斑岩铜矿区进行了SIP试验。结果表明，频谱激电法在斑岩铜矿探测中可以取得较好的效果，该方法在高电阻率、高极化率的金属矿的探测中同样可以发挥重要的作用。应用复电阻率法在安徽某铜钼矿区进行勘探，反演的IP参数反映出了地下异常地质体的导电性和电极化性质，并可以准确判断异常的属性和空间形态。

3.2 页岩标本的复电阻率响应

以南方海相筇竹寺组和龙马溪组2套产气主力为研究对象，在实验室内进行复电阻率实验，实验频率范围为0.1～10.0 kHz，获取页岩的复电阻率幅值和相位信息，B01、B02和B03为露头页岩，W01、W02和W03为页岩气井岩心。结果表明，电阻率的幅值随频率的增大而减小，低频段变化相对较快，高频趋缓，相位幅值随频率的升高先增后减或单调递减，没有统一的变化规律，页岩存在不同强弱的激电效应，其中B01和B02变化最为明显，激发极化效应更强(图3)。

图3 页岩露头和井心标本复电阻率幅值和相位曲线

表2为中国南方海相页岩发育区不同层位露头标本的极化率参数统计结果，目的层为筇竹寺组、龙马溪组和五峰组页岩，围岩包含沧浪铺组砂岩、灯影组白云岩和玄武岩。统计结果表明，在页岩地层中，筇竹寺组层为高极化层，龙马溪组为中高极化层，五峰组为中高极化层，灵犀桥组为低极化层，砂岩和白云岩为低极化层，该特征有利于应用极化率参数进行页岩气储层评价。

表2 页岩及围岩标本极化率参数统计结果

3.3 页岩复电阻率参数的勘探意义

中国页岩气成藏条件和储层特征有别于美国，而且国外先进的方法和技术难以全面解决中国的页岩气勘探开发问题。因此，研究者需要根据国内的页岩储层地质特征，探讨其成藏规律，寻求有效地的地球物理评价技术。目前地震勘探和电法勘探是页岩气勘探的主要手段，但在现阶段技术不成熟、勘探认识程度较低的情况下，亟需发展地球物理技术，掌握富有机质页岩的地球物理响应特征，有效地定位总有机碳含量的空间分布，为含气性评价奠定基础，同时用于指导页岩气“甜点”区预测、勘探开发、钻完井、储层改造、压裂。

通过在页岩发育地区采集不同地层的页岩标本(包括井心)进行实验分析，完成岩心物性参数测量，重点从页岩的复电阻率特性着手，在实验室条件下对不同地区和不同地层的页岩样品进行复电阻率测量，反演提取了页岩的零频电阻率、极化率、时间常数和频率相关系数4个复电阻率参数。研究结果表明，筇竹寺组、龙马溪组和五峰组3个产气主力地层较围岩具有更强的激发极化效应，极化率值最敏感，均较大，该响应特征为圈定页岩气产气层位提供了物性基础。在此基础上，可结合页岩气储层的特点，进一步分析研究复电阻率参数，尤其是电阻率、极化率参数与页岩矿物组分和TOC的内在联系，为研究页岩气储层的电性响应特征和机理奠定基础。

研究成果为应用复电阻率法进行页岩气勘探提供了物性基础和电性敏感参数，为利用地球物理技术对富有机质页岩储层进行评价提供了新思路。

4 结 论

(1) 页岩气储层的含气量跟总有机质含碳量、有机质类型等多种地质要素有关，中国页岩气潜力巨大但地质条件比较复杂，在现阶段技术不成熟、勘探认识程度较低的情况下，亟需发展地球物理技术，掌握富有机质页岩的地球物理响应特征，有效地定位TOC的空间分布，为含气性评价奠定基础。

(2) 页岩作为烃源岩和储集层所特有的成藏特征，决定了勘探和开采过程中的评价方法有别于常规储层，页岩标本电性实验结果展示了的页岩的复电阻率特性，为页岩气地球物理勘探和储层预测开拓了新的研究方向。

(3) 复电阻率频谱参数可从不同的角度去评价页岩气的激电异常，虽然反演的电阻率值比较单一，在油气中既有低阻也有高阻特征，但极化率参数可以为页岩气的评价提供可靠信息，再综合时间常数和频率相关系数，可直接进行页岩气储层评价。

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编辑 林树龙

20151023；改回日期：20160105

国家“973”项目“深部油气储层综合地球物理探测和评价方法”(2013CB228605)；国家青年基金项目“中上扬子区页岩总有机碳含量与复电阻率的关系模型实验研究”(41404087)；国家自然科学基金“移动双极电偶源瞬变电磁成像方法与应用基础研究”(41274082)、“基于GPU的可控源电磁三维各向异性储层参数反演”(41274115)和“非均匀地中低频电磁辐射源探测与反演定位”(41574064)

向葵(1980-)，男，讲师，2004年毕业于长江大学测控技术与仪器专业，2015年毕业于该校地球探测与信息技术专业，获博士学位，现从事电磁勘探和岩石物理方面的教学和研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.02.002

TE122.2

A

1006-6535(2016)02-0005-04