成聯(lián)正， 王赟， 張川

1 中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所礦床地球化學(xué)國家重點實驗室， 貴陽 550081 2 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院， 北京 100083 3 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049

0 引言

近年來，隨著常規(guī)能源開采難度的日益加大，頁巖氣資源日益受到重視.以美國為代表的許多國家和地區(qū)，已成功實現(xiàn)頁巖氣的勘探和生產(chǎn)(Loucks and Ruppel, 2007; Alexander et al., 2011; He et al., 2017；區(qū)小毅等，2019).中國頁巖氣資源潛力巨大，儲量居世界前列，主要分布在四川、新疆、重慶及貴州，其中四川盆地的海相頁巖氣已率先實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)，貴州海相頁巖也逐漸成為勘探和研究的熱點(武音茜等,2012; 翟剛毅等,2017；賴富強(qiáng)等，2018).

目前，地震技術(shù)是勘探頁巖氣的主要方法(孫偉家等, 2013)，然而由于中國頁巖氣分布區(qū)的地形地質(zhì)條件復(fù)雜，地震勘探方法的應(yīng)用受到極大限制.和地震勘探相比，電法勘探具有成本低、效率高的優(yōu)勢(張春賀等, 2013)，這讓許多專家和學(xué)者在積極探索電法勘探在頁巖氣勘探中的可行性.到目前為止，已有許多成功將電法勘探應(yīng)用于頁巖氣勘探的實例：張春賀等(2013, 2015)在四川盆地南部筠連地區(qū)進(jìn)行了時頻電磁法勘探試驗工作，認(rèn)為時頻電磁法具有探測富有機(jī)質(zhì)頁巖層系的能力；閔剛等(2014)在黔東北岑鞏地區(qū)開展了音頻大地電磁勘探，確定了變馬沖組下部及牛蹄塘組為主要生氣儲氣地層，并鉆孔驗證了大地電磁勘探和巖石樣品地化分析的組合手段可以較高的分辨確定富集地層的埋深及厚度；周印明等(2015)過對南方碳酸鹽巖發(fā)育區(qū)開展的頁巖氣時頻電磁法勘探工作，認(rèn)為時頻電磁法可以在非常規(guī)油氣勘探中發(fā)揮重要作用；Yang等(2017)采用廣域電磁法對湖南叭巖向斜進(jìn)行了勘查，并鉆孔驗證勘查結(jié)果的正確性；張喬勛等(2017)采用廣域電磁法對贛南某盆地進(jìn)行了勘探，厘清了研究區(qū)地層展布、厚度、埋深等關(guān)鍵信息；孟凡洋等(2018)基于廣域電磁法對渝東北巫山地區(qū)進(jìn)行了頁巖氣有利區(qū)評價，圈定頁巖氣有利區(qū)3個；廖健(2019)利用大地電磁測深圈定了雪峰山地區(qū)頁巖氣藏的優(yōu)勢地段.

與此同時，頁巖的電性，特別是頁巖的復(fù)電阻率研究越來越受到關(guān)注：Yan等(2014)對中國南方富有機(jī)質(zhì)頁巖復(fù)電阻率進(jìn)行大量分析測試后發(fā)現(xiàn)，富有機(jī)質(zhì)頁巖通常呈高極化、低電阻率特征，并指出黃鐵礦是富有機(jī)質(zhì)頁巖產(chǎn)生高極化的主要原因，這些結(jié)論得到了向葵等(2014)、Yu等(2015)、李鵬飛(2015)的進(jìn)一步驗證；Burtman等(2014)建立了等效介質(zhì)理論模型模擬頁巖復(fù)電阻率，認(rèn)為可以通過等效介質(zhì)理論模型估計礦物組成和孔隙體積；Ad?o等(2016)研究Posidonia地區(qū)的頁巖電阻率和成熟度后認(rèn)為頁巖電阻率與成熟度無直接關(guān)系，頁巖電阻率主要由孔隙控制；黃濤等(2016)對昭通兩口井地區(qū)59塊頁巖的復(fù)電阻率進(jìn)行了測量，并分析了頁巖電阻率與飽和水鹽度、總有機(jī)碳(Total Organic Carbon, 簡稱TOC )含量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)頁巖電阻率與飽和水鹽度、TOC含量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系；Wang等(2016)和He等(2017)均對龍馬溪有機(jī)頁巖的復(fù)電阻率進(jìn)行了測試，并分析了頁巖電阻率與TOC含量、黃鐵礦、脆性礦物之間的關(guān)系，認(rèn)為這些地球化學(xué)參數(shù)對頁巖氣儲層的評估有著積極作用.

前人的研究，對我們了解頁巖的電性特征，促進(jìn)電法在頁巖氣勘探上的應(yīng)用十分有益.然而，到目前為止，頁巖的電性特征尚未廣泛應(yīng)用于頁巖氣的評估，頁巖的電性特征及其機(jī)理研究仍不夠深入(Passey et al., 2010; Hart et al., 2011; Zhu et al., 2011；He et al.,2017)，前人對頁巖電性的研究，主要基于頁巖各向同性假設(shè)進(jìn)行.然而頁巖層理發(fā)育，具有天然的各向異性，其速度各向異性很早就被發(fā)現(xiàn)(Levin,1979; White et al.,1984; Banik, 1987; Jones and Wang, 1981)，并認(rèn)為頁巖層理結(jié)構(gòu)，礦物的優(yōu)選排列和地應(yīng)力作用產(chǎn)生定向排列的裂隙是導(dǎo)致頁巖地震各向異性的三點原因(Vernik and Nur,1992; Johnston and Christensen,1995; 鄧?yán)^新等, 2015).基于頁巖各向異性客觀存在的事實，研究頁巖復(fù)電阻率的各向異性特征，對我們?nèi)媪私忭搸r的電性特征，促進(jìn)電法在頁巖氣勘探上的應(yīng)用具有重要意義.

本文采集了黔東地區(qū)幾種典型的黑色頁巖巖樣，并制作成標(biāo)準(zhǔn)樣本，對其中6塊頁巖測量了三個正交方向(走向、傾向、垂直層理方向)的復(fù)電阻率，分析了其各向異性特征；借助復(fù)Cole-Cole模型采用差分進(jìn)化法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了反演擬合，獲取了頁巖三方向極化率參數(shù)和零頻電阻率參數(shù)，并對三方向電阻率與總有機(jī)碳(TOC)含量、脆性礦物含量、最大鏡質(zhì)組反射率等關(guān)系進(jìn)行了分析.

1 樣品采集和加工

本次實驗頁巖采自黔東前寒武紀(jì)陡山沱組、烏葉組，其在大地構(gòu)造上屬于揚(yáng)子板塊和南華活動帶兩大構(gòu)造單元(圖1).黔北、黔東等地黑色頁巖厚度為20～70 m(Wang and Wang, 2008; Yang et al., 2011)，其中陡山沱組是埃迪卡拉統(tǒng)地層中研究最廣泛的單元之一，其化石記錄保存異常完好(Jiang et al.，2011)，巖性主要為頁巖、泥巖、砂頁巖.烏葉組是由貴州108地質(zhì)隊在1962年命名的，其地層主要由頁巖和板巖組成；黑色炭質(zhì)頁巖主要位于該地層上部和下部(Yang et al., 2011).

圖1 貴州及周緣的大地構(gòu)造位置Fig.1 Tectonic setting of Guizhou Province and adjacent areas

所有頁巖采樣時均在現(xiàn)場標(biāo)記走向x、傾向y、和垂直層理方向z(圖2a)，然后在實驗室沿三個方向加工成立方體(圖2b).由于頁巖的易碎性，實驗室最終加工成功6件；加工成功樣品的詳細(xì)信息見表1.

圖2 (a) 頁巖三方向示意圖.x代表走向，y代表 傾向，z代表垂直層理方向； (b) 加工后頁巖Fig.2 (a) Schematic diagram of three directions. x is the strike direction, y is the dip direction and z is the vertical direction; (b) Photo of processed shale sample

表1 頁巖信息Table 1 Detailed information of shale samples

2 實驗方法和過程

2.1 復(fù)電阻率測量

2.1.1 實測阻容(RC)電路與理論計算結(jié)果對比

本次復(fù)電阻率測量儀器為日本NF公司ZM2371測試儀，測量方式為二極測量.該儀器具備精度高、測量速度快，可直接連接計算機(jī)并同步記錄阻抗振幅、相位的優(yōu)點.為驗證儀器的可靠性，在0.1 Hz～100 kHz范圍內(nèi)，等對數(shù)間距選取61個頻點進(jìn)行測量.設(shè)計一個如圖3所示阻容(RC)檢測電路,其中電阻R0=1000 Ω，R1=470 Ω，R2=51 Ω，電容C=47 μF，則復(fù)阻抗計算公式為

圖3 RC檢測電路Fig.3 RC test circuit

(1)

其中，ω=2πf為角頻率，f為頻率，單位為Hz.

實測和理論計算的振幅譜和相位譜對比如圖4所示.振幅的相對誤差范圍為0.29%～0.9%，平均為0.52%，相位的相對誤差為0.51%～4.74%，平均為2.09%.可以認(rèn)為，本次實驗所選取的測量儀器滿足實驗要求.

圖4 實測值和理論計算值對比 (a) 振幅對比； (b) 相位對比.Fig.4 Comparison of measured result and calculated result (a) Amplitude comparison； (b) Phase comparison.

2.1.2 復(fù)電阻率測量過程

(1)電極選擇

電極的選取是實驗的一個重要環(huán)節(jié)，電極選取不恰當(dāng)可能會造成電極與頁巖標(biāo)本接觸不好，導(dǎo)電能力下降，無法獲取真實有效的實驗數(shù)據(jù)；另外，在交流信號下，如果電極本身電化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定也會造成數(shù)據(jù)異常.本次實驗采用浸泡飽和硫酸銅溶液的海綿為中間媒介加銅片作為測量電極.銅-硫酸銅電極相比于其他電極的優(yōu)勢，前人已做過詳細(xì)論述(程輝, 2010; 向葵等, 2016).

(2)水分條件的控制

巖石的含水量對電阻率有著非常大的影響，巖石在干燥狀態(tài)和飽水狀態(tài)下的電阻率差異可以到一個量級以上(傅良魁, 1982; 李金銘，2005).為盡可能的還原自然條件下頁巖的含水情況，將頁巖用水浸泡24 h后取出，自然風(fēng)干1 h，確保電流不從標(biāo)本表面流過.

(3)測量

準(zhǔn)備工作做好后，按圖5所示的二極裝置進(jìn)行測量.首先測量走向方向復(fù)電阻率，測量頻率設(shè)定為0.1 Hz～100 kHz，對數(shù)等間距取61個頻率點，從電腦上可以直接獲得阻抗振幅和相位，根據(jù)歐姆定律，我們可以得到走向方向復(fù)電阻率，如式(2)所示：

圖5 測量示意圖Fig.5 Schematic diagram of measurement

(2)

其中，Z(iω)為頁巖復(fù)阻抗，S為頁巖樣的橫截面積，L為頁巖樣的長度.本次實驗中，S=L2，故式(2)可以簡化為

ρ(iω)=Z(iω)·L.

(3)

走向復(fù)電阻率測量完成后，依次測量傾向和垂直層理方向的復(fù)電阻率.需要說明的是，本次實驗所有的復(fù)電阻率測量都是在常溫常壓下進(jìn)行的.

2.2 礦物組成和含量測量

巖石礦物組成和含量分析采用的是德國布魯克D8-X射線衍射儀進(jìn)行分析，其測量原理是每種礦物晶體都具有特定的X射線衍射圖譜，試樣中某種礦物的含量與其衍射峰的強(qiáng)度成正相關(guān)關(guān)系，沉積巖中黏土礦物總量和常見非黏土礦物含量采用參比強(qiáng)度法測定(中國石油天然氣總公司, 2010).

2.3 TOC測量

總有機(jī)碳含量(TOC)采用中國石油天然氣總公司石油勘探開發(fā)科學(xué)研究院研制的Rock-Eval-Ⅱ型熱解儀進(jìn)行分析，其測試原理是由氫火焰離子化檢測器檢測巖樣在熱解過程中排出的烴，熱解后的殘余有機(jī)質(zhì)加熱氧化生成的二氧化碳，由熱導(dǎo)檢測器檢測(General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People′s Republic of China and China National Standardization Management Committee, 2012).直接測得的原始參數(shù)包括最大熱解峰溫Tmax、可溶烴S1、熱解烴S2和殘余烴S4數(shù)據(jù)，通過分析計算得出TOC含量.

2.4 最大鏡質(zhì)組反射率Ro,max測量

鏡質(zhì)組反射率是指波長546±5 nm(綠光)處，鏡質(zhì)組拋光面的油浸反射光強(qiáng)度對垂直入射光強(qiáng)度的百分比.它是利用光電效應(yīng)原理，通過光電倍增管將反射光強(qiáng)度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鲝?qiáng)度，并與相同條件下已知反射率的標(biāo)樣產(chǎn)生的電流強(qiáng)度相比較而得出(國家能源局, 2012)；原始數(shù)據(jù)包括最小隨機(jī)反射率、最大隨機(jī)反射率、平均隨機(jī)反射率和偏差，平均最大反射率通過分析得出.需要說明的是，本文最大鏡質(zhì)組反射率均指平均最大鏡質(zhì)組反射率.

3 結(jié)果與討論

3.1 測試結(jié)果

我們對6塊頁巖的復(fù)電阻率、礦物含量、TOC含量、最大鏡質(zhì)組反射率Ro, max進(jìn)行了詳細(xì)測量.復(fù)電阻率振幅譜(Amplitude)和相位(Phase)譜如圖6所示，TOC、礦物含量及最大鏡質(zhì)組Ro,max測量結(jié)果見表2.

表2 礦物含量、TOC、Ro, max測量結(jié)果Table 2 Mineral content, TOC content and maximum vitrinite reflectance

3.2 幅頻特征和相頻特征

圖6a為頁巖的幅頻曲線，在測量的0.1 Hz～100 kHz的范圍內(nèi)，6塊頁巖在走向x、傾向y、垂向z的幅頻曲線均呈單調(diào)遞減，符合一般巖石的激發(fā)極化特征(何繼善, 2006).這是因為在交變電流中，頻率f與電流單向供電時間t=1/2f相對應(yīng)，頻率越低，供電時間越長，激電效應(yīng)就越強(qiáng)，疊加的總場幅值(復(fù)電阻率振幅)就越大.相反，頻率越高，極化不充分，復(fù)電阻率振幅就越小.尤其頻率無限大(f→+∞)時，激電效應(yīng)趨于0，這是總場趨于無激電效應(yīng)的一次場，復(fù)電阻率幅值最小.

圖6b為頁巖的相頻曲線，在測量的0.1 Hz～100 kHz的范圍內(nèi)，6塊頁巖相位均為負(fù)值，表明頁巖具有容抗性質(zhì).頻率f→0(T→+∞)相當(dāng)于直流，介質(zhì)受到充分的激發(fā)極化，電壓和電流不存在相位差，相位趨于0；當(dāng)頻率f→+∞(T→0)，介質(zhì)來不及極化，相位也將趨于0，在中間某一個頻率相位取得極小值.本次實驗中，頁巖A和F的垂向z方向完整的顯示了這一規(guī)律，其他頁巖呈現(xiàn)了規(guī)律的一部分，但未出現(xiàn)極小值點，推測極小值點可能出現(xiàn)在測量頻率之外，但因儀器測量范圍所限，未能進(jìn)行驗證.

圖6 頁巖復(fù)電阻率測試結(jié)果 (a) 幅頻曲線； (b) 相頻曲線.x代表走向，y代表傾向，z代表垂直層理方向.Fig.6 Test results of complex resistivity of shale samples (a) The amplitude spectrum； (b) The phase spectrum. x is the strike direction, y is the dip direction and z is the vertical direction.

(續(xù))

3.3 復(fù)電阻率各向異性特征

在0.1 Hz～100 kHz內(nèi)，按對數(shù)等間距選取61個頻點，計算各頻點三方向的電阻率各向異性系數(shù)，結(jié)果如圖7所示.從圖7可知，在中低頻階段，λxz和λyz顯著大于λxy，說明在中低頻階段，頁巖垂向電阻率顯著高于走向、傾向電阻率；但隨著頻率增加，λxz、λyz、λxy均單調(diào)較小，甚至趨近于1，說明隨著頻率增加，頁巖電阻率各向異性減小，甚至趨于各向同性.以頁巖A為例詳細(xì)說明.當(dāng)頻率小于1000 Hz時，各向異性系數(shù)λxz、λyz分別大于4和2，意味著在頻率小于1000 Hz時，垂向電阻率比走向電阻率大16倍，比傾向電阻率大4倍以上.當(dāng)頻率繼續(xù)增加，各向異性系數(shù)均減小，特別是當(dāng)頻率達(dá)到100 kHz時，λxz、λyz和λxy接近1，此時頁巖A趨向于各向同性.

圖7 頁巖各向異性系數(shù)Fig.7 Anisotropy coefficient of shale

我們認(rèn)為，頁巖的層理結(jié)構(gòu)是垂向電阻率大于水平的走向和傾向電阻率的主要原因；而走向電阻率和傾向電阻率的差異則可能是由巖石中礦物定向排列或者裂隙定向排列等造成的，其內(nèi)在機(jī)理需要今后進(jìn)一步研究.至于頁巖三方向電阻率差異隨頻率增加而減小，其很大程度上是巖石的容抗特性引起的.我們知道容抗為

(4)

其中，f為頻率，C為電容.

從式(4)可以看出容抗具有通高頻阻低頻的特性.在低頻階段頁巖不同方向復(fù)電阻率的差異是由普通電阻和容抗共同影響的，隨著頻率升高，容抗減小，當(dāng)頻率足夠大時，容抗對復(fù)電阻率大小的影響可以忽略，此時頁巖不同方向復(fù)電阻率的差異僅受普通電阻影響.這可能是頁巖電阻率各向異性隨頻率增加減小的原因.

3.4 復(fù)電阻率模型

為了描述頻率域巖石的復(fù)電阻率頻率特征，國內(nèi)外專家陸續(xù)提出了不同的模型，如Dias模型(Dias, 1972, 2000)、Zonge模型(Zonge et al., 1972)和Cole-Cole模型(Pelton et al., 1978)等.其中Cole-Cole模型因其參數(shù)物理意義比較明確，應(yīng)用最為廣泛.考慮到頁巖是多相極化介質(zhì)，單Cole-Cole模型已經(jīng)不能夠充分描述頁巖的復(fù)電阻率特征(Wang et al., 2016)，本文采用乘積形式的復(fù)Cole-Cole模型對實驗結(jié)果進(jìn)行擬合.乘積形式的復(fù)Cole-Cole模型的表達(dá)式為

(5)

式中：ρ0為零頻電阻率；m1、τ1、c1和m2、τ2、c2分別是表征激電效應(yīng)和電磁響應(yīng)的頻譜參數(shù)：極化率、時間常數(shù)和頻率相關(guān)系數(shù).

利用復(fù)Cole-Cole模型和差分進(jìn)化法(Storn and Price, 1997)對頁巖三方向復(fù)電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合.以頁巖A為例，圖8是三方向測量結(jié)果和反演結(jié)果的對比，從圖中可以看出，除低頻存在一定誤差外，整體擬合程度很高.因此，采用復(fù)Cole-Cole模型描述頁巖復(fù)電阻率是可行的.通過復(fù)Cole-Cole模型反演，我們可以獲得零頻電阻率、極化率、頻率相關(guān)系數(shù)和時間常數(shù)，反演頁巖A的 7個參數(shù)見表3.本次研究，我們只討論在激發(fā)極化法中利用最廣泛的零頻電阻率和極化率m1.從表3可以看出，頁巖A三方向的極化率分別為0.18、0.25、0.35，也表現(xiàn)出明顯的各向異性.這提醒我們在數(shù)據(jù)解釋和利用激發(fā)極化法勘探頁巖氣時，應(yīng)該注意極化率各向異性(Winchen et al.,2009; Kenkel et al.,2012; Kenkel and Kemna, 2017).

圖8 頁巖A三方向的振幅和相位擬合圖 A-x代表頁巖A的走向，A-y代表頁巖A傾向方向，A-z代表頁巖A垂直層理方向.Fig.8 Amplitude and phase fitting diagrams of three directions of shale A A-x represents the strike direction of shale A, A-y represents the dip direction of shale A and A-z represents the vertical direction of shale A.

表3 反演頁巖A的7個參數(shù)Table 3 Seven parameters of shale A to be inverted

此外，為后面分析方便，表4列出了6塊頁巖三方向的零頻電阻率，后文分析電阻率跟頁巖氣儲層參數(shù)(TOC含量，脆性礦物含量，最大鏡質(zhì)組反射率)關(guān)系中所指的電阻率，均指零頻電阻率.

表4 反演的頁巖零頻電阻率(單位：Ωm)Table 4 Inverted zero-frequency resistivity of shale samples (unit: Ωm)

3.5 電阻率與脆性礦物、黏土礦物關(guān)系

脆性礦物和黏土礦物含量是評價頁巖的關(guān)鍵參數(shù)之一，它們不僅影響頁巖氣含量和頁巖的可壓裂性，同時也控制頁巖孔隙特征 (Schettler et al., 1991;Bowker, 2007; Hill et al.，2007; 聶海寬等, 2009; Burtman et al., 2014; He et al., 2017).因此，在利用電法勘探評價頁巖氣儲層時，有必要研究脆性礦物、黏土礦物對電阻率的影響.

圖9a為脆性礦物含量和黏土礦物含量的關(guān)系圖，可以看出脆性礦物和黏土礦物呈現(xiàn)顯著的負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，其決定系數(shù)趨近于1，即電阻率與脆性礦物關(guān)系跟電阻率與黏土礦物關(guān)系是相反的.因此，本節(jié)僅分析脆性礦物含量和電阻率的關(guān)系.圖9b為脆性礦物含量與走向、傾向、垂向電阻率的關(guān)系圖.很明顯，頁巖三方向電阻率與脆性礦物含量之間的線性回歸決定系數(shù)R2最大也僅為0.23，未發(fā)現(xiàn)顯著線性相關(guān)關(guān)系.

圖9 頁巖脆性礦物和黏土礦物、電阻率關(guān)系 (a) 脆性礦物含量和黏土礦物含量關(guān)系； (b) 脆性礦物含量和電阻率關(guān)系.Fig.9 Relationships between brittle minerals content, clay minerals content and resistivity in shale samples (a) Relationship between brittle minerals content and clay minerals content; (b) Relationship between brittle minerals and resistivity.

頁巖是由脆性礦物、黏土礦物、礦物間孔隙以及孔隙中流體組成的多孔介質(zhì)(劉樹根等,2013).一般情況下，脆性礦物對孔隙的形成有有利，而更多孔隙有利于吸收水分，從而降低頁巖的電阻率 (Wang et al., 2016; Leroy and Revil, 2009).但同時，我們應(yīng)該注意到，脆性礦物的重要組成石英，是一種電阻率極高的礦物，其電阻率超過了106Ωm(李金銘, 2005)，高石英含量巖石通常具有較高的電阻率.因此，頁巖一方面由于脆性礦物較多，其多孔隙可以導(dǎo)致頁巖電阻率低，另一方面又由于脆性礦物(如石英)本身的電阻率高可導(dǎo)致頁巖的高電阻率，這兩種情況同時影響著頁巖最終的電阻率，這使得頁巖電阻率與脆性礦物并不存在簡單的對應(yīng)關(guān)系.

3.6 電阻率與TOC關(guān)系

鑒于總有機(jī)碳含量(TOC)、電祖率分別是評價頁巖儲層的重要參數(shù)(Liu et al.,2019；張豐麒等，2021)和反映頁巖電性特征的重要依據(jù).本節(jié)試圖研究電阻率與TOC之間存在的聯(lián)系.圖10為電阻率ρ0與TOC含量關(guān)系圖.從圖10可以看出，在走向x和傾向y上，頁巖電阻率與TOC呈較顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(其決定系數(shù)R2均大于0.8)，而垂向z電阻率與TOC決定系數(shù)R2小于0.1，不存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系.

圖10 電阻率與TOC關(guān)系Fig.10 Correlation between the TOC content and resistivity of shale samples

通常，巖石中的水是影響巖石電阻率最重要的因素，然而當(dāng)巖石中的水被不導(dǎo)電的油或氣取代時，會造成電阻率升高(Passey et al.,2010)，而總有機(jī)碳含量(TOC)既可作為頁巖氣產(chǎn)氣的基礎(chǔ)條件，又可以作為吸附氣的主要載體，頁巖層中TOC越高越有利于頁巖氣的富集(孟召平等, 2015)，劉樹根等(2013)分析龍馬溪組頁巖TOC和含氣量關(guān)系時也證實了這一點，即TOC含量與含氣量存在較好的正線性相關(guān)關(guān)系.因此，當(dāng)頁巖TOC含量高時，含氣量也可能高，從而導(dǎo)致頁巖電阻率也高，這就是走向和傾向上，頁巖電阻率隨TOC含量增加而增大的原因.然而，在垂向上，TOC含量和電阻率未發(fā)現(xiàn)明顯關(guān)系，其決定系數(shù)僅為0.15.這可能是由于頁巖層理結(jié)構(gòu)引起，即垂向上的層理對電阻率的影響遠(yuǎn)大于TOC的影響，使得該方向上的電阻率與TOC線性相關(guān)關(guān)系不顯著.

3.7 電阻率與最大鏡質(zhì)組反射率Ro,max關(guān)系

鏡質(zhì)體反射率是一種穩(wěn)定的、可大量橫向?qū)Ρ鹊挠袡C(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)，應(yīng)用廣泛.同時其與發(fā)生生烴和保存烴過程的地下深度之間存在經(jīng)驗關(guān)系，對油氣勘探至關(guān)重要(Lupoi et al., 2019).基于上述原因，分析電阻率與鏡質(zhì)組反射率關(guān)系，對了解電阻率與頁巖成熟度之間的關(guān)系，可以促進(jìn)電法用于頁巖氣勘探.頁巖三方向電阻率與最大鏡質(zhì)組反射率Ro,max之間的關(guān)系如圖11所示.從圖11可知，傾向y電阻率與最大鏡質(zhì)組反射率Ro,max線性回歸決定系數(shù)R2最大為0.27，走向x決定系數(shù)R2為0.14，垂向z決定系數(shù)R2為0.03，說明頁巖三方向電阻率與最大鏡質(zhì)組反射率Ro,max線性關(guān)系不顯著，即頁巖成熟度與電阻率無明顯線性相關(guān)關(guān)系，這與Ad?o等(2016)的結(jié)論一致.Ad?o認(rèn)為頁巖電阻率主要受孔隙度控制，孔隙度對電阻率主導(dǎo)性的影響使得成熟度對電阻率的影響無法體現(xiàn).筆者認(rèn)為，除Ad?o提到的孔隙度外，頁巖的層理結(jié)構(gòu)，礦物的定向排列等，都是掩蓋成熟度與電阻率關(guān)系的原因，具體機(jī)理仍需今后進(jìn)一步研究.

圖11 電阻率與Ro, max關(guān)系Fig.11 Correlation between Ro, max and resistivity of shale samples

3.8 應(yīng)用潛力

頁巖氣電法勘探的一個關(guān)鍵問題是了解頁巖的電性性質(zhì)(Wang et al.,2016)，而地球介質(zhì)的物理性質(zhì)各向異性是客觀存在且不能忽視(王赟等, 2017).研究頁巖復(fù)電阻率各向異性特征及其與頁巖氣儲層參數(shù)的關(guān)系，可以為我們評估頁巖氣藏提供一種新的思路.一方面，我們可以對頁巖的電性性質(zhì)有更全面的理解，了解頻率對頁巖電阻率各向異性的影響，從而改進(jìn)勘探方法，完善對采集電性數(shù)據(jù)的解釋.另一方面，脆性礦物含量、TOC含量和最大鏡質(zhì)組反射率均是評價頁巖氣藏的重要指標(biāo)，通過研究電阻率與這些頁巖氣儲層參數(shù)的關(guān)系，可以由實驗室測量的電阻率估計TOC含量、脆性礦物含量和鏡質(zhì)組最大反射率，這可以大大降低測試成本.

4 結(jié)論和認(rèn)識

在0.1 Hz～100 kHz范圍內(nèi)，通過對黔東地區(qū)6塊頁巖三個正交方向(走向、傾向、垂直層理方法)復(fù)電阻率、總有機(jī)碳(TOC) 含量、脆性礦物含量和黏土礦物含量、最大鏡質(zhì)組反射率Ro,max的測試與分析，可以取得以下結(jié)論：

(1)頁巖復(fù)電阻率振幅各向異性存在頻率依賴特征，在中低頻階段，頁巖復(fù)電阻率振幅的各向異性明顯，垂向復(fù)電阻率振幅顯著大于走向、傾向復(fù)電阻率振幅，但隨頻率增加，頁巖復(fù)電阻率振幅各向異性差異減小，甚至趨于各向同性.

(2)借助差分進(jìn)化，復(fù)Cole-Cole模型可以很好的擬合測量數(shù)據(jù).

(3) 頁巖走向、傾向電阻率與TOC含量呈較顯著的正線性相關(guān)關(guān)系，其可以在一定程度上反映TOC的含量.

(4) 頁巖電阻率與脆性礦物含量、黏土礦物含量、最大鏡質(zhì)組反射率關(guān)系復(fù)雜，它們之間不存在簡單的線性關(guān)系.

此外，由于頁巖的易碎性及實驗采樣、制樣數(shù)量有限，未能進(jìn)行大量采樣測試，從而總結(jié)出來的規(guī)律，可能與我國頁巖的多樣性和復(fù)雜性不匹配.同時，巖石電阻率的影響因素還有很多，如礦物定向排列、溫度、壓力等，本文的研究僅限于常溫壓條件，更進(jìn)一步的研究有待于今后深入.

致謝感謝中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所肖加飛研究員在野外采樣方面提供的幫助和指導(dǎo).