页岩气测井电性解析及含气性评价——以四川盆地涪陵地区龙马溪组一段—五峰组为例

张晋言 李淑荣 王利滨 耿 斌 陈 芳 邬俊锋

中国石化胜利石油工程有限公司测井公司

页岩气含气性参数是准确评价页岩气储量、有利区带优选的关键技术指标，主要包括含气饱和度和含气量。根据页岩气赋存方式不同，含气量又分为游离气量和吸附气量及可忽略的微量溶解气。含气性测井评价即在准确求取含气性参数的基础上，结合其他地质因素，对页岩气层做出储集能力和含气丰度评价。2014年6月国土资源部颁布《页岩气资源与储量计算的评价技术规范》,明确规定，总含气量主要由解析法、保压岩心法得到，其中解析法是测量页岩气最直接的方法；吸附气含量可以通过等温吸附实验得到[1]。含气量计算公式中的含气饱和度是一个重要的参数，但规范中对含气饱和度具体的算法和来源未做明确要求。

在上述技术规范实施后近几年的页岩气勘探中，发现计算含气性参数时存在3个突出问题：①富含有机质泥页岩电阻率介于0.1～1 000 Ω g m，分布范围大，去除小于10 Ωgm低值区石墨化严重的页岩干层，页岩气层电阻率高低与含气丰度、物性参数并无明显的对应规律，此时，对于中低电阻率的优质页岩气层，利用电测井信息求取含气饱和度会出现严重偏小的状况；②等温吸附实验获得的吸附气为页岩气层最大吸附能力的反映，但不能等同为地层实际的吸附气量，用此直接计算地层吸附气量会出现较大正偏差；③解析法实验得到的解析气、残余气和损失气，在忽略微量溶解气前提下，如何将总含气量有效区分为游离气和吸附气具有较大难度。因此，亟须对此进行针对性分析研究，形成适应的含气性测井评价技术。

1 测井电性特征及解析

1.1 页岩气储层测井响应特征

四川盆地及其周缘地区的下志留统龙马溪组一段—上奥陶统五峰组，岩性为富含有机质的黑灰色碳质泥岩、碳质页岩，下寒武统牛蹄塘组底部地层岩性则以黑灰色灰质页岩及黑色硅质页岩为主，局部含砂质。2套层系地层中，存在高电阻率（≥100 Ωgm）和中低电阻率（10～100 Ωgm）页岩气层，以及极低电阻率（＜10 Ωgm）页岩干层，而页岩干层一般为严重碳化的褐色页岩或灰黑色页岩。此3类储层的共性是，富含放射性强的铀元素使自然伽马值大于135 API，高有机质含量使体积密度呈现低值（2.46～2.66 g/cm3），当含气丰度增加时，中子呈现数值减小的变化趋势（19.0%↘9.0%）。

中低电阻率页岩气层普遍存在于焦石坝地区龙马溪组一段—五峰组地层中，优质的页岩气层电阻率多介于10～50 Ωgm（图1-b）；高电阻率页岩气层存在于黔北地区龙马溪组一段底部（图1-a）；低电阻率页岩干层则发育于黔江部分地区龙马溪组一段—五峰组、酉阳地区牛蹄塘组，其深侧向电阻率大部分介于0.1～2.0 Ωgm（图1-c、1-d）。

1.2 测井电性影响因素分析

图1 JY1、ZY2、AY1井龙马溪—五峰组及YC1牛蹄塘组泥页岩地层测井特征图

地层电阻率数值的巨大差异给页岩气储层含气性评价造成非常大的困扰。影响页岩气层电阻率的因素有岩性、物性、黏土附加导电、黄铁矿或磁铁矿等导电矿物、地层水矿化度、钻井液侵入、微孔隙或裂缝、有机质成熟度，以及测量方式等，多种影响因素的共同作用使页岩气层具有较高或较低的视电阻率测量值[2-4]。

在充分了解电测井信息测量原理及测量方式的基础上，利用岩心实验资料，结合多井测试信息，深入解析电阻率的主要影响因素，得出页岩气储层电阻率测井相关影响因素汇总表（表1）。分析认为：岩石结构、有机质成熟度和测量方式是作用程度最高的3个主控因素；黏土矿物作为重要作用因素，影响程度次之；地层岩性、脆性矿物、导电矿物、物性、含气及含水性、有机碳含量、裂隙发育则起次要作用。

下面，笔者主要对影响页岩气储层电阻率的主控因素和重要作用因素以及部分起次要作用的因素进行分析。

1.2.1 页岩内部结构

在成像图上高电阻率页岩气层往往表现为块状地层特征，低电阻率页岩气层则表现为水平层理发育的层状特征。块状地层由于流体扩散造成局部富集形成斑点构造和瘤状构造，矿物颗粒也在一定程度上不均匀分布，造成导电离子在传播方向上的结构更复杂，对电流的阻碍作用更大，因而呈现高阻特征；而层状地层，矿物定向排列成层，有利于电流传播，因而电阻率较低[5]。

1.2.2 有机质成熟度

在烃源岩热演化进程中，随着热成熟度升高，有机质首先降解为干酪根，在随后的变化过程中干酪根产出氢含量不断增加、分子量逐渐变小的碳氢化合物，最后形成甲烷气，这一进化过程中地层电阻率逐步增加；随着温度增加，干酪根逐渐转变为低氢量的碳质化合物，并最终转换成石墨，石墨均具有良好的导电性[6]，这一过程中地层电阻率逐渐降低直至呈现极低的数值。国外文献提到当页岩中有机质的Ro＞4.5%时，页岩呈低电阻测井值[7]。

表1 页岩气储层电阻率测井相关影响因素分析汇总表

图2为镜质体反射率Ro与深侧向电阻率关系图，Ro介于1.38%～3.01%时与电阻率正相关，包括处于高成熟演化阶段的陆相页岩气层和部分处于过成熟演化阶段的龙马溪—五峰组海相页岩气层；Ro介于3.01%～3.50%时与电阻率基本无相关性，当Ro＞3.50%时与电阻率呈负相关性，主要为高过成熟—极高过成熟阶段石墨化严重的页岩干层。

图2 海陆相页岩镜质组反射率与深侧向电阻率关系图

1.2.3 测量方式

侧向和感应测井的测量原理不同，侧向测井测量的同一地层视电阻率一般大于感应测井测量值。对于水平井和大斜度井测量，感应测井在高阻层界面内出现“极化角”，侵入存在时“极化角”变小，电阻率小于随钻测量[8]；侧向测井可以克服水平井的非常规侵入模式，但是易受延伸到层界面下临层的影响。对于侧向和感应测井，相对低频的侧向测井，中等频率的感应测井受导电矿物和地层水矿化度的影响程度要大得多[9]。

1.2.4 黏土矿物

区域上页岩气层主要岩性为碳质泥岩、碳质页岩，由黏土、石英、少量长石、方解石（少量白云石）、有机质、黄铁矿等矿物组成，相对于其他常规致密储层一般具有较低的电阻率数值。黏土含量主要分布范围为15.6%～62.8%。因黏土含有大量的束缚水和具有较高的阳离子交换能力，导致电阻率降低。图3显示随黏土含量增加地层电阻率总体呈现减小的趋势。

黏土矿物的类型以伊蒙混层、伊利石和绿泥石为主，矿物类型不同导致泥页岩具有不同的电阻率。图1-b中一类、二类页岩气层黏土含量较低（平均33.7%），但黏土类型以伊蒙混层为主，质量比介于70.0%～85.2%的蒙脱石易吸附钻井液中的水而膨胀形成附加导电性，导致低黏土含量的优质页岩气层反而具有更低的电阻率。

图3 龙马溪组—五峰组页岩气层黏土矿物含量与深侧向电阻率关系图

1.2.5 导电矿物

导电矿物黄铁矿靠电子导电，常常被认为是导致地层低阻的重要原因之一。页岩中黄铁矿一般呈分散状或沿层面分布，分散的黄铁矿对高频的感应测井影响较大，而对低频率的双侧向影响较少。图4显示，薄片鉴定黄铁矿含量介于1.6%～3.2%，少量大于4.5%，含量大小与电阻率无密切相关性；黄铁矿含量大于7.0%时，电阻率明显降低[10]。成像测井显示页岩水平层理发育，且黄铁矿多呈斑块状零星分布，少量呈层状分布时电阻率会有尖刺状降低的特征。

图4 龙马溪组—五峰组页岩气层黄铁矿含量与深侧向电阻率关系图

1.2.6 有机碳含量与含气量

烃源岩有机质属于非导电物质，电阻率无限大，根据烃源岩构成体积模型，电阻率随有机碳含量增高而增大；尤其当烃源岩处于生烃高峰阶段，电阻率会因生烃作用而大幅增加。此外，生烃作用会使孔隙系统水的饱和度减小、电阻率增大[11]。当存在地层水时，页岩对甲烷的吸附能力降低，地层电阻率降低，高矿化度地层水可导致电阻率降低[12]。

理论上，烃源岩有机质丰度及含气量高会使地层电阻率增高，但由于有机碳含量数值相对较小，总含气量又包括吸附气和游离气，使得二者对地层电阻率影响较小。图5显示，页岩层有机碳含量介于0.3%～6.8%，解析气量介于0.1～5.2 m3/t，页岩气层电阻率大于页岩干层，但有机碳含量及含气量与测井电阻率之间均不具有密切的相关性。

图5 龙马溪组—五峰组页岩气层有机碳含量、解析气量与深侧向电阻率关系图

以上分析表明，不同区块、不同层系页岩层电阻率的主要影响因素不同。四川盆地及其周缘地区富含有机质的烃源岩，其成岩演化阶段及岩石内部结构的不同是造成电测井响应特征差异的主要原因，页岩内部结构、有机质成熟度、黏土矿物等因素共同作用导致页岩气层普遍表现为中低电阻率。同时，对比其电阻率变化时，还要综合考虑测井电阻率的测量方式。

既然在影响页岩气层电阻率的诸多因素中，含气丰度仅仅作为起次要作用的影响因素，那么，利用电测井信息计算含气饱和度必然会导致偏差，应该寻求能够准确求取含气性参数的其他有效测井信息及方法。

2 含气性测井评价方法

利用岩心刻度测井，将测井信息与实验分析数据建立相关关系，从而获取准确的含气性参数，实现对页岩气层含气性测井评价。

2.1 传统含气性评价方法适应性分析

2.1.1 传统含气饱和度计算方法

国外对于有机质的导电能力、含量、分布形状（层状、分散状）以及有机质内孔隙流通性对页岩层电阻率大小的影响进行了数字模拟[13]。结果表明，使用常规储层的Archie公式计算的含水饱和度与岩心分析结果存在较大误差。

目前国内外大多数公司仍沿用Archie或Simandoux公式计算页岩气含气饱和度。李军等[14]利用双侧向确定页岩微裂缝孔隙度，然后基于页岩气储层有机孔隙、黏土孔隙、碎屑孔隙和微裂缝等“四孔隙”模型估算游离气含量，具有一定创新性，但是，最终仍无法避开电法测井对含气饱和度计算的影响。石文睿等[15]利用页岩气有机质背景值与页岩气层实测或计算的TOC的比值计算页岩层含水饱和度，为利用电法测井信息以外的一种积极尝试，但TOC值为间接计算得到，计算过程中产生可能出现的偏差会影响含气饱和度计算精度。

2.1.2 传统吸附气含量计算方法适应性

等温吸附实验是在饱和甲烷气的理想状态下，通过加压、加温测得岩心吸附气量，用于测定泥页岩样品对天然气的最大吸附能力。国内外普遍采用等温吸附实验并经过温压校正获取的吸附气量，得到的是理论上可以具有的最大吸附气含量，并非页岩气储层真实的吸附气量[16]。张作清等[17]依据等温吸附实验数据，对影响页岩吸附能力的各项因素进行了全面分析，并借鉴KIM方程构建了页岩吸附气含量计算模型，应用效果较好。但仍需利用含水饱和度、孔隙度等参数计算岩层水分的质量分数，由于含水饱和度要通过测井电阻率反演来求取，在中低电阻率页岩气层吸附气含量计算中存在一定的不适应性。

2.2 含气饱和度评价方法改进

研究背景是涪陵龙马溪组一段—五峰组，其优质页岩气以游离气为主，含氢量和中子挖掘效应突出，且游离气饱和度、含气量与有机碳含量具有很好的相关性，体积密度又与地层有机碳含量密切负相关。有机质含量及含气量从上到下逐步增加，中子与密度曲线叠合面积越来越大。基于此，对传统利用电法测井计算含气饱和度的方法进行改进，规避电测井信息，将体积密度与补偿中子曲线或视密度孔隙度与视中子孔隙度重叠，在直观反映地层含气量差异的同时，利用其差值进行岩心刻度测井，形成利用中子—密度非电法测井信息计算游离气含气饱和度的新方法。

将密闭取心分析的岩心游离气含气饱度与密度、中子测井值或视密度孔隙度与视中子孔隙度差值分别进行拟合：

利用中子—密度测井曲线重叠，则可得到利用密度与中子差值计算含气饱和度两种形式的公式（4）、（5），其中的密度与中子差异值EDN，通过相关系数试算得到叠合系数K最佳值，代入公式（6）计算得到。

式中Sg表示游离气饱和度，%；φD、φN表示视密度孔隙度和视中子孔隙度，%；EDN表示密度与中子差异值，无量纲；DEN、DEN基值表示体积密度测井值、体积密度基值，g/cm3；CNL、CNL基值表示补偿中子测井值、补偿中子基值；K表示叠合系数，无量纲；A、A1、B、B1、C、C1、D、E、E1表示系数，无量纲。

2.3 吸附气含气量计算方法改进

等温吸附法是利用某一恒定温度下游离天然气与干酪根表面吸附的天然气的平衡关系来计算吸附气含量的方法。Langmuir等温吸附模型是基于凝聚机理的[16]，而地层温压条件下甲烷处于超临界非凝聚状态，所以Langmuir方程获得的吸附气为地层最大吸附能力的反映，而非地层实际的吸附气含量。因此，需要改进由等温吸附实验获取吸附气量的方式。

解析法是测量页岩气最直接的方法，现场解析法实验提供的总含气量由解析气量、残余气量和损失气量3部分构成。页岩气主要包括3部分：游离＋吸附＋溶解，主要为吸附气和游离气，测井评价的目标之一，是要计算出总含气量，以及能够反映页岩气层产能和潜力的游离气与吸附气含量。《页岩气资源与储量计算的评价技术规范》中游离气含量的实质是页岩基质孔隙和夹层孔隙之和与游离气饱和度的乘积。游离气饱和度由公式（4）或公式（5）计算得到。在忽略溶解气的情况下，利用解析法实验测得的总含气量减去上述游离气含量即为页岩气层视吸附气含量（Va吸附）。

因为吸附气含量与页岩层中的有机质有着极其密切的关系，有机质作为吸附气的载体，其TOC高，有机质丰度高，则吸附气含量高。所以，将视吸附气含量Va吸附用于公式（7）的拟合，从而计算得到地层实际的吸附气含量。

式中V吸附表示吸附气含量，m3/t；TOC表示残余有机碳含量，%；Kn、K1表示系数，无量纲。

3 应用实例效果分析

图6为J4井龙马溪—五峰组页岩气层段的非电法及传统方法计算含气饱和度与岩心分析含气饱和度对比图，右起第3道为Simandoux公式、Archie公式计算的含气饱和度，在底部最优页岩气层段数值偏低，其余整体吻合程度相对较高；利用北美页岩游离气含量经验公式反推得到的含气饱和度计算值则较大偏差。右起第4道为岩心分析含气饱和度，以及利用密度二次式（公式1，红色线）、视密度与视中子孔隙度差值二次式（公式3，蓝色线）、密度、中子重叠差异值法（公式5，黑色线）计算的含气饱和度。可以看出，3种非电法测井信息计算含气饱和度与实验分析值吻合程度高。

图7为A1井龙马溪—五峰组页岩气层段测井综合图，第37、39号层中子与密度曲线叠合面积较大，深侧向电阻率分别为540 Ωgm、80 Ωgm，成像测井显示分别为高电阻率块状和低电阻率层状结构；标准T2谱以中短组分为主，核磁总孔隙度分别为3.7%、3.8%，核磁有效孔隙度分别为1.7%、1.8%，核磁时间域分析图上有一定的差谱信号，在100 ms左右，有轻烃显示；计算有机碳含量分别为3.84%、3.90%，总含气量分别为3.53 m3/t、3.50 m3/t，气测显示活跃，均解释为一类页岩气层。但是利用Archie公式和Simandoux公式计算2层含气饱和度相差近30%，其含气饱和度数值完全受控于地层电阻率，而电阻率更多地反映地层结构而非含气性信息，存在较大的不合理性。右起第5道为利用非电法测井信息采用公式（1）、（3）、（5）计算的含气饱和度，数值均在78%左右，与核磁、成像测井反映地层信息相吻合，算法更合理。

图6 J4井非电法及多种方法计算与岩心分析含气饱和度对比图（注：1 in=25.4 mm，下同）

该页岩含气性参数计算方法，在四川盆地及其周缘地区页岩气勘探中进行了广泛应用，先后完成80余口页岩气勘探井的综合评价。图8为J4井测井计算与密闭取心岩样分析含气饱和度关系图，图9为A1井测井计算与实验测定总含气量关系图，其相关系数分别为0.980 7、0.865 9，计算含气性参数与岩心实验分析吻合程度较高。

4 结论

1）页岩气层高、低电阻率并存，其电阻率高低是复杂的导电网络决定的。块状结构往往导致高电阻率，层状结构、伊蒙混层等黏土矿物含量高易导致低电阻率，而碳化程度高的页岩则具有极低的电阻率。电测井信息与物性、导电矿物及含气丰度不具密切相关性。

2）优质、高产页岩气层以游离气为主，中子“挖掘效应”突出；游离气饱和度与有机碳含量具有很好的相关性，体积密度又与地层有机碳含量负相关。利用中子、密度孔隙度及其差值等非电法测井信息计算游离气饱和度，避免了传统计算方法导致的偏差，尤其对于中低电阻率页岩气层，具有更加显著的应用效果。

图7 A1井测井解释与岩心分析地层参数对比图

图8 J4井测井计算与密闭取心岩样分析含气饱和度关系图

图9 A1井测井计算与实验测定总含气量关系图

3）基于岩心实验刻度，游离气饱和度与孔隙度乘积即为游离气含量。在忽略溶解气的情况下，利用解析实验的总含气量减去游离气含量获得视吸附气量（Va吸附），与残余有机碳TOC做进一步拟合，求得页岩气层吸附气含量（V吸附）。据此可获得合理的页岩气含气性测井综合评价成果。