向 葵，胡文寶，嚴(yán)良俊，唐新功，謝興兵

(1.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室，湖北 武漢 430100；2.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430100；3.長江大學(xué)，湖北 武漢 430100)

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頁巖氣儲層特征及地球物理預(yù)測技術(shù)

向 葵1，2，3，胡文寶1，2，3，嚴(yán)良俊1，2，3，唐新功1，2，3，謝興兵1，2，3

(1.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室，湖北 武漢 430100；2.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430100；3.長江大學(xué)，湖北 武漢 430100)

為掌握富有機質(zhì)頁巖的地球物理響應(yīng)特征，進而為頁巖氣儲層評價奠定基礎(chǔ)，對南方海相頁巖及其圍巖的復(fù)電阻率進行了實驗研究。結(jié)果認(rèn)為：頁巖具有不同強度的激發(fā)極化效應(yīng)且極化率參數(shù)值高于圍巖地層；其電性響應(yīng)特征與頁巖的總有機碳含量、礦物成分、熱成熟度等有關(guān)。雖然反演的電阻率值比較單一，在油氣勘探中既有低阻也有高阻特征，但極化率參數(shù)可以為頁巖氣的評價提供可靠信息，其綜合時間常數(shù)和頻率相關(guān)系數(shù)，可直接進行頁巖氣儲層預(yù)測。該研究為應(yīng)用復(fù)電阻率法進行頁巖氣勘探提供了物性基礎(chǔ)，發(fā)掘了電性敏感參數(shù)，為利用地球物理技術(shù)對富有機質(zhì)頁巖儲層進行評價提供了新思路。

頁巖氣；地球物理技術(shù)；地質(zhì)特征；復(fù)電阻率；儲層預(yù)測

0 引 言

Curtis對美國5套商業(yè)性頁巖氣層的甲烷吸附氣含量、總有機碳含量(TOC)等關(guān)鍵參數(shù)進行分析研究，認(rèn)為含氣量與TOC含量密切相關(guān)[1]。頁巖氣形成條件、成藏機理和富集規(guī)律的研究受到了國內(nèi)外廣泛重視，并取得了一定的地質(zhì)認(rèn)識及勘探成果[2-4]。李新景等結(jié)合中國的頁巖氣資源進行分析，認(rèn)為中國四川盆地發(fā)育的多套海相烴源巖是未來頁巖氣資源的勘探方向[5]。姜福杰等針對國外的頁巖氣研究概況和中國的頁巖氣資源潛力進行研究，指出頁巖TOC含量越高越有利于泥頁巖油氣富集[6]。TOC含量是頁巖氣儲層評價的關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)，也是物性分析和地球物理勘探的重要技術(shù)指標(biāo)。

1 中國頁巖氣的地質(zhì)條件與特征

1.1 中國頁巖氣藏地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)背景，中國的頁巖氣發(fā)育區(qū)可劃分為中東部地區(qū)(華北、東北)、南方地區(qū)、西北地區(qū)以及青藏地區(qū)4大區(qū)塊(圖1)[8]。中國海相頁巖分布范圍非常廣泛，而且有機質(zhì)含量高，主要集中在華北地區(qū)、南方地區(qū)和塔里木盆地；陸相頁巖同樣分布廣泛，主要集中在新疆準(zhǔn)噶爾盆地和吐哈盆地、華北地區(qū)、鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地和松遼盆地，這些地區(qū)不僅具備頁巖氣成藏條件，而且資源儲量豐富，潛力巨大。

圖1 中國潛在的頁巖氣發(fā)育區(qū)分布示意圖

據(jù)美國能源信息署(EIA)發(fā)布的頁巖氣報告，中國具有豐富的頁巖氣和頁巖油潛力，主要分布于以下7個遠(yuǎn)景區(qū)盆地：四川、塔里木、準(zhǔn)噶爾、松遼、揚子地臺、江漢和蘇北盆地，其中，南方四川盆地、揚子地臺區(qū)和準(zhǔn)噶爾盆地頁巖氣資源及其地質(zhì)特征見表1[7]。

表1 中國部分地區(qū)頁巖氣資源和地質(zhì)特征(改自EIA，2013)

研究表明，四川盆地、鄂爾多斯盆地、中下?lián)P子地區(qū)、華北盆地的頁巖氣成藏條件最好，準(zhǔn)噶爾盆地、松遼盆地和吐哈盆地較好，柴達(dá)木盆地和遼河盆地地質(zhì)條件較差?，F(xiàn)階段，中國的頁巖氣勘探和開采工作主要集中在四川盆地及周邊地區(qū)，還包括西北地區(qū)、鄂爾多斯等主要盆地。中國南方從震旦系到三疊系，海相地層發(fā)育，烴源巖層系以多套黑色頁巖為主，該區(qū)域主力烴源巖為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和下志留統(tǒng)龍馬溪組。四川盆地的頁巖氣地質(zhì)條件和構(gòu)造演化特點與美國典型盆地相似，均屬于古生界的海相沉積盆地，具有優(yōu)良的勘探前景。

1.2 頁巖氣儲層地質(zhì)參數(shù)及特征

目前，中國南方古生界頁巖的特點與美國北部頁巖最接近，代表性的特點包括厚度、高含碳量和富含石英。四川盆地4個主要的富含有機質(zhì)泥頁巖的目標(biāo)為下寒武統(tǒng)筇竹寺組、下志留統(tǒng)龍馬溪組、下二疊統(tǒng)棲霞組和上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，其中，最重要的是下志留統(tǒng)龍馬溪組地層，頁巖有機質(zhì)豐富，含筆石，且為硅質(zhì)頁巖。川、渝、滇、黔、湘、鄂等所屬區(qū)域為上揚子區(qū)，發(fā)育了6套海相頁巖，有機質(zhì)豐富，分別為二疊系龍?zhí)督M、泥盆系羅富組、志留系龍馬溪組、奧陶系五峰組、寒武系筇竹寺組和震旦系陡山沱組。在6套地層中，筇竹寺組和龍馬溪組頁巖層的TOC較高，厚度大，分布廣，而且脆性礦物豐富，節(jié)理和裂縫發(fā)育。

與中國南方頁巖發(fā)育區(qū)相比，準(zhǔn)噶爾盆地雖然不是中國最大的頁巖氣烴源巖區(qū)，但其地質(zhì)構(gòu)造條件相對簡單，頁巖層和有機質(zhì)富集層均有足夠的厚度，平地泉組有機質(zhì)富集凈厚度達(dá)到125 m，TOC平均值為5%，其熱成熟度處在生油窗口，約為0.85%。

2 頁巖氣儲層評價方法

頁巖儲層含氣量主要與TOC含量、有機質(zhì)類型及演化程度有關(guān)，因此，目前主要依據(jù)頁巖儲層厚度、埋深、TOC含量和熱演化程度來優(yōu)選頁巖氣勘探的有利區(qū)域。常規(guī)油氣勘探中以尋找構(gòu)造為主的地震勘探可以準(zhǔn)確地對頁巖儲層的空間分布進行成像，并可為鉆探和儲層改造提供參數(shù)，劉振武等提出了頁巖氣地球物理技術(shù)的研究內(nèi)容和發(fā)展方向[9]。

袁書坤等以美國Marcellus頁巖區(qū)的多波地震資料，應(yīng)用縱波—轉(zhuǎn)換橫波(PP-PSV)聯(lián)合反演方法進行頁巖氣儲層天然微裂縫識別和含氣性檢測，并取得很好的應(yīng)用效果[10]。陳祖慶研究了四川盆地焦石壩地區(qū)海相頁巖地層的巖石物理參數(shù)，通過對伽馬、密度和電阻率等測井結(jié)果以及泊松比、楊氏模量等彈性參數(shù)的分析，研究各參數(shù)與TOC的關(guān)系，并結(jié)合三維地震資料進行疊前地震反演，求出TOC的三維分布，進而實現(xiàn)定量預(yù)測(圖2)[11]。

圖2 焦石壩地區(qū)龍馬溪組—五峰組平均

Lewis等利用常規(guī)的自然伽馬測井、電阻率測井、密度測井等組合方法進行含氣頁巖的識別與評價[12]。常規(guī)測井和ECS測井方法結(jié)合評價有機質(zhì)或泥質(zhì)含量，微電阻率成像測井和聲波掃描測井結(jié)合分析地應(yīng)力、識別泥頁巖裂縫，聲波掃描測井分析地層的機械特性，核磁共振測井評價孔隙度等。Pemper等認(rèn)為這些技術(shù)已經(jīng)成為頁巖氣測井的關(guān)鍵技術(shù)，并成功地應(yīng)用于北美頁巖氣田的評價、勘探和開發(fā)。

在以上測井資料的應(yīng)用過程中，電阻率是一個重要參數(shù)，資料顯示有機質(zhì)對電阻率的影響隨成熟度變化而變化。但在評價過程中，電性參數(shù)比較單一，僅僅依靠電阻率一個參數(shù)很難對頁巖氣儲層的TOC做出準(zhǔn)確評價。

3 頁巖氣儲層復(fù)電阻率法預(yù)測技術(shù)

3.1 復(fù)電阻率法及其應(yīng)用

復(fù)電阻率法(CR)也稱頻譜激發(fā)極化法(SIP)，國內(nèi)外研究者在此基礎(chǔ)上完成了大量的物性和理論研究工作。

應(yīng)用復(fù)電阻率法在準(zhǔn)格爾盆地某油田進行油氣預(yù)測實驗，發(fā)現(xiàn)在試驗區(qū)油氣田及其上方存在明顯的極化異常，為井位設(shè)計提供了地球物理依據(jù)，而且預(yù)測的極化異常被隨后的鉆探結(jié)果所證實。前人為探查安徽沙溪斑巖型銅礦區(qū)深部礦體及隱伏礦體，同時為了試驗頻譜激電法在此類礦產(chǎn)探測中的應(yīng)用效果，在安徽沙溪斑巖銅礦區(qū)進行了SIP試驗。結(jié)果表明，頻譜激電法在斑巖銅礦探測中可以取得較好的效果，該方法在高電阻率、高極化率的金屬礦的探測中同樣可以發(fā)揮重要的作用。應(yīng)用復(fù)電阻率法在安徽某銅鉬礦區(qū)進行勘探，反演的IP參數(shù)反映出了地下異常地質(zhì)體的導(dǎo)電性和電極化性質(zhì)，并可以準(zhǔn)確判斷異常的屬性和空間形態(tài)。

3.2 頁巖標(biāo)本的復(fù)電阻率響應(yīng)

以南方海相筇竹寺組和龍馬溪組2套產(chǎn)氣主力為研究對象，在實驗室內(nèi)進行復(fù)電阻率實驗，實驗頻率范圍為0.1～10.0 kHz，獲取頁巖的復(fù)電阻率幅值和相位信息，B01、B02和B03為露頭頁巖，W01、W02和W03為頁巖氣井巖心。結(jié)果表明，電阻率的幅值隨頻率的增大而減小，低頻段變化相對較快，高頻趨緩，相位幅值隨頻率的升高先增后減或單調(diào)遞減，沒有統(tǒng)一的變化規(guī)律，頁巖存在不同強弱的激電效應(yīng)，其中B01和B02變化最為明顯，激發(fā)極化效應(yīng)更強(圖3)。

圖3 頁巖露頭和井心標(biāo)本復(fù)電阻率幅值和相位曲線

表2為中國南方海相頁巖發(fā)育區(qū)不同層位露頭標(biāo)本的極化率參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果，目的層為筇竹寺組、龍馬溪組和五峰組頁巖，圍巖包含滄浪鋪組砂巖、燈影組白云巖和玄武巖。統(tǒng)計結(jié)果表明，在頁巖地層中，筇竹寺組層為高極化層，龍馬溪組為中高極化層，五峰組為中高極化層，靈犀橋組為低極化層，砂巖和白云巖為低極化層，該特征有利于應(yīng)用極化率參數(shù)進行頁巖氣儲層評價。

表2 頁巖及圍巖標(biāo)本極化率參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

3.3 頁巖復(fù)電阻率參數(shù)的勘探意義

中國頁巖氣成藏條件和儲層特征有別于美國，而且國外先進的方法和技術(shù)難以全面解決中國的頁巖氣勘探開發(fā)問題。因此，研究者需要根據(jù)國內(nèi)的頁巖儲層地質(zhì)特征，探討其成藏規(guī)律，尋求有效地的地球物理評價技術(shù)。目前地震勘探和電法勘探是頁巖氣勘探的主要手段，但在現(xiàn)階段技術(shù)不成熟、勘探認(rèn)識程度較低的情況下，亟需發(fā)展地球物理技術(shù)，掌握富有機質(zhì)頁巖的地球物理響應(yīng)特征，有效地定位總有機碳含量的空間分布，為含氣性評價奠定基礎(chǔ)，同時用于指導(dǎo)頁巖氣“甜點”區(qū)預(yù)測、勘探開發(fā)、鉆完井、儲層改造、壓裂。

通過在頁巖發(fā)育地區(qū)采集不同地層的頁巖標(biāo)本(包括井心)進行實驗分析，完成巖心物性參數(shù)測量，重點從頁巖的復(fù)電阻率特性著手，在實驗室條件下對不同地區(qū)和不同地層的頁巖樣品進行復(fù)電阻率測量，反演提取了頁巖的零頻電阻率、極化率、時間常數(shù)和頻率相關(guān)系數(shù)4個復(fù)電阻率參數(shù)。研究結(jié)果表明，筇竹寺組、龍馬溪組和五峰組3個產(chǎn)氣主力地層較圍巖具有更強的激發(fā)極化效應(yīng)，極化率值最敏感，均較大，該響應(yīng)特征為圈定頁巖氣產(chǎn)氣層位提供了物性基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，可結(jié)合頁巖氣儲層的特點，進一步分析研究復(fù)電阻率參數(shù)，尤其是電阻率、極化率參數(shù)與頁巖礦物組分和TOC的內(nèi)在聯(lián)系，為研究頁巖氣儲層的電性響應(yīng)特征和機理奠定基礎(chǔ)。

研究成果為應(yīng)用復(fù)電阻率法進行頁巖氣勘探提供了物性基礎(chǔ)和電性敏感參數(shù)，為利用地球物理技術(shù)對富有機質(zhì)頁巖儲層進行評價提供了新思路。

4 結(jié) 論

(1) 頁巖氣儲層的含氣量跟總有機質(zhì)含碳量、有機質(zhì)類型等多種地質(zhì)要素有關(guān)，中國頁巖氣潛力巨大但地質(zhì)條件比較復(fù)雜，在現(xiàn)階段技術(shù)不成熟、勘探認(rèn)識程度較低的情況下，亟需發(fā)展地球物理技術(shù)，掌握富有機質(zhì)頁巖的地球物理響應(yīng)特征，有效地定位TOC的空間分布，為含氣性評價奠定基礎(chǔ)。

(2) 頁巖作為烴源巖和儲集層所特有的成藏特征，決定了勘探和開采過程中的評價方法有別于常規(guī)儲層，頁巖標(biāo)本電性實驗結(jié)果展示了的頁巖的復(fù)電阻率特性，為頁巖氣地球物理勘探和儲層預(yù)測開拓了新的研究方向。

(3) 復(fù)電阻率頻譜參數(shù)可從不同的角度去評價頁巖氣的激電異常，雖然反演的電阻率值比較單一，在油氣中既有低阻也有高阻特征，但極化率參數(shù)可以為頁巖氣的評價提供可靠信息，再綜合時間常數(shù)和頻率相關(guān)系數(shù)，可直接進行頁巖氣儲層評價。

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編輯 林樹龍

20151023；改回日期：20160105

國家“973”項目“深部油氣儲層綜合地球物理探測和評價方法”(2013CB228605)；國家青年基金項目“中上揚子區(qū)頁巖總有機碳含量與復(fù)電阻率的關(guān)系模型實驗研究”(41404087)；國家自然科學(xué)基金“移動雙極電偶源瞬變電磁成像方法與應(yīng)用基礎(chǔ)研究”(41274082)、“基于GPU的可控源電磁三維各向異性儲層參數(shù)反演”(41274115)和“非均勻地中低頻電磁輻射源探測與反演定位”(41574064)

向葵(1980-)，男，講師，2004年畢業(yè)于長江大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)，2015年畢業(yè)于該校地球探測與信息技術(shù)專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事電磁勘探和巖石物理方面的教學(xué)和研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.02.002

TE122.2

A

1006-6535(2016)02-0005-04