翟剛毅,魏 斌,向 葵,曾番惠,梁治國

(1.中國地質調查局非常規(guī)油氣地質重點實驗室,北京100083;2.中國石油集團長城鉆探工程有限公司,北京100101;3.油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學),湖北武漢430100)

中國頁巖氣資源豐富且勘探開發(fā)潛力巨大。近年來,隨著我國頁巖氣勘探開發(fā)技術不斷完善,先后形成涪陵、長寧-威遠等國家級頁巖氣勘探開發(fā)示范區(qū),中國頁巖氣勘探開發(fā)迎來新高潮[1-4]。在勘探開發(fā)過程中,頁巖氣儲層的孔隙度、滲透率、礦物成分、總有機碳含量(TOC)、脆性等儲層參數(shù)是優(yōu)選頁巖氣“甜點區(qū)”的地質要素和依據(jù)[5]。TOC是頁巖氣儲層評價的關鍵參數(shù)和有機質豐度指標,也是頁巖含氣量評估的重要依據(jù)[6-7],TOC越高,則頁巖含氣性越強[8-9]。涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組主要發(fā)育硅質類、鈣質類、黏土類和混合類四大類頁巖巖相,其中,硅質類頁巖具有高TOC、高孔隙度及高含氣性特征,為優(yōu)質的頁巖巖相[10],龍馬溪組底部優(yōu)質頁巖硅質膠結,具有高脆性、高孔隙度的特征[11]。石英﹑長石﹑黃鐵礦等屬于脆性礦物,其硅質含量越高,則頁巖脆性越好,脆性指數(shù)越大,易于形成層理縫、構造縫和生烴縫,有利于頁巖氣的開發(fā)[5]。

黃鐵礦作為特征礦物,普遍存在于頁巖中。它對于頁巖氣的生成具有催化作用,并且有利于優(yōu)質頁巖氣富集區(qū)與開發(fā)有利區(qū)的預測[12]。在頁巖氣勘探與開發(fā)中,具有低阻、高極化電性特征的黃鐵礦為電磁勘探方法的應用提供了良好的物性基礎。在巖石電學測量及研究過程中,利用測量儲層巖石低頻段(10-3～102Hz)的復電阻率來研究其激電特征。巖石內部極化導致巖石電阻率頻散[13],不同頻率范圍的巖石頻散機理不同,在觀測頻率較低的條件下,激發(fā)極化效應是巖石頻散的主要原因[14]。對頁巖復電阻率特性及礦物成分研究發(fā)現(xiàn),頁巖普遍含有黃鐵礦,而且會產(chǎn)生較強的激電效應。頁巖低阻高極化的特征為頁巖氣電磁勘探奠定了堅實的基礎,可以將該特征應用于頁巖氣儲層TOC評價[15-17]。徐鳳姣等[18]通過富含黃鐵礦的頁巖電性響應特征來尋找或圈定富有機質頁巖甜點區(qū)。時頻電磁法勘探試驗結果表明,研究區(qū)志留系龍馬溪組-奧陶系五峰組層系具有高極化率的特征,通過高極化率電性異常及多參數(shù)綜合評價,預測了試驗區(qū)兩套目標層系的高TOC分布區(qū)域[19]。

目前,頁巖的高TOC和高脆性及其與激電特征參數(shù)之間的關系仍有待進一步實驗研究,本文通過頁巖氣開采區(qū)的勘探開發(fā)與儲層壓裂改造進行驗證。利用威202-7D井收集的龍馬溪組富有機質頁巖樣品進行復電阻率頻散實驗,并結合理論模型進行分析,反演得到復電阻率參數(shù)。根據(jù)頁巖礦物成分鑒定結果,從頁巖巖相的角度分析礦物組分及含量對頁巖電性參數(shù)的影響,重點分析和研究脆性指數(shù)和黃鐵礦與電阻率、極化率的關系,建立頁巖電阻率和極化率與黏土礦物﹑脆性礦物、TOC以及黃鐵礦之間的關系,為頁巖氣勘探開發(fā)、儲層評價和儲層改造提供物性基礎和依據(jù)。

1 頁巖礦物成分及物性特征

研究區(qū)位于四川盆地南部的威遠地區(qū),屬于川中隆起區(qū)川西南低陡褶皺帶,包括川南古坳中隆低陡構造區(qū)帶、川西南中古斜坡低陡構造區(qū)帶、川中川南過渡帶、川西南以及川東部分地區(qū)[20]。

本次采樣目的層為威遠地區(qū)龍馬溪組,巖樣來自威202-7D資料井,屬于頁巖氣勘探開發(fā)層位。研究區(qū)富有機質頁巖厚度僅為40m,主要包括4類巖相。基于頁巖巖相分析的結果選取5塊具有代表性的樣品,其基本物性參數(shù)如表1所示。實驗條件為常溫差壓清水飽和、常溫常壓鹽水飽和及地層條件下(地層溫度和壓力條件下)鹽水飽和,在不同礦化度、不同溫度和壓力條件下對頁巖樣本進行復電阻率實驗,測量頻率范圍為0.01～10000.00Hz,通過X射線衍射實驗分析頁巖的礦物成分,5塊頁巖巖樣礦物成分及含量如圖1所示。

圖1 5塊頁巖巖樣礦物成分及含量

表1 頁巖巖樣基本物性參數(shù)

實驗數(shù)據(jù)表明,頁巖礦物成分主要為黏土礦物、石英、長石、方解石、白云石、斜長石及黃鐵礦。按巖石礦物成分將頁巖礦物類型分為黏土礦物、碳酸鹽礦物(方解石和白云石)、脆性礦物(石英﹑鉀長石﹑斜長石﹑黃鐵礦)。黏土礦物含量平均值為37.6%(25.6%～52.4%),石英含量平均值為27.0%(22.1%～38.1%),長石(鉀長石和斜長石)含量平均值為3.2%(1.4%～4.5%),黃鐵礦含量平均值為4.1%(2.9%～5.4%),碳酸鹽礦物含量平均值為28.9%(6.6%～44.9%),脆性礦物含量平均值為33.5%(27.9%～41.4%)。龍馬溪組頁巖樣品中黏土礦物含量相對較高,其余依次為石英、白云石、方解石,長石含量最少,5塊頁巖巖樣中4塊含黃鐵礦,其最高含量為5.4%,最低含量為2.9%。作為電子導電礦物,黃鐵礦的含量是影響頁巖激電特性的重要因素。

如圖2所示,頁巖W1結構致密,成分以泥質為主,孔隙極不發(fā)育,面孔率少;頁巖W2結構致密,以泥質為主,含少量碳酸鹽、碎屑顆粒,孔隙極不發(fā)育,部分黃鐵礦零星分布;頁巖W3結構致密,成分以白云石為主,泥質次之,含少量黃鐵礦、碎屑顆粒,炭質條帶不規(guī)則分布,巖石孔隙極不發(fā)育,面孔率少,巖石中球粒狀黃鐵礦集合體零星分布,局部球粒狀黃鐵礦較富集,多數(shù)晶粒表面被泥質包裹;頁巖W4巖石結構致密,成分以白云石為主,含少量泥質、黃鐵礦、碎屑顆粒,炭質條帶分布不規(guī)則,巖石孔隙極不發(fā)育,面孔率少,巖石中黃鐵礦含量較高,呈球粒狀、草莓狀及單晶狀。

圖2 龍馬溪組頁巖孔隙及黃鐵礦發(fā)育特征(掃描電鏡結果)

2 儲層頁巖巖相劃分

龍馬溪組沉積晚期,海平面大幅下降,四川盆地及鄰區(qū)為淺水-半深水陸棚,川南深水水域轉變?yōu)榘肷钏懪?巖相以黏土質頁巖和鈣質黏土質頁巖為主。以硅質礦物(石英和長石)、碳酸鹽礦物(方解石和白云石)和黏土礦物三端元礦物法為基礎,將頁巖劃分為硅質類頁巖、鈣質類頁巖、泥質類頁巖和混合類頁巖四大類。如圖3所示,以礦物成分含量50%為界限,將研究區(qū)泥頁巖劃分為鈣質頁巖(碳酸鹽礦物含量>50%)、泥質頁巖(黏土含量>50%)、硅質頁巖(石英及其它礦物含量>50%)及混合型頁巖[10,21]。其中混合型頁巖又以碳酸鹽礦物含量33%為界限,分為高鈣混合型頁巖(碳酸鹽礦物含量>33%)和低鈣混合型頁巖(碳酸鹽礦物含量≤33%)。

圖3 巖相劃分標準

由圖4可知,龍馬溪組頁巖巖相主要包括低鈣混合型頁巖、高鈣混合型頁巖和硅質頁巖,以鈣質頁巖為主,硅質頁巖相對較少?；谏鲜鰩r相的劃分標準,將5塊巖樣按礦物成分含量實驗結果進行分類,結果如表2所示,研究區(qū)頁巖巖相主要為高鈣混合型頁巖和泥質頁巖,硅質礦物含量較低。

圖4 頁巖氣井龍馬溪組巖石相劃分綜合結果(1ft≈30.48cm)

表2 巖相分類結果

3 頁巖的復電阻率特性

3.1 頁巖復電阻率實驗

本次實驗儀器為AutoLab1000高溫高壓巖石物理設備和1260阻抗分析儀,能夠模擬深度不超過4000m的地層條件下的溫度和壓力。測量方式選用四極測量裝置,A、B兩極為供電電極,M、N兩極為測量電極,在0.01～100000.00Hz頻率范圍內進行復阻抗測量,得到阻抗幅值和相位,并根據(jù)巖心的長度和截面積將阻抗幅值換算成電阻率,測量原理示意如圖5所示。

圖5 巖樣復電阻率測量原理示意

對收集的龍馬溪組地層5塊頁巖巖樣,依次測量其清水飽和、鹽水飽和(濃度40000ppm,1ppm=0.0001%)下復電阻率,最后保持鹽水溶液飽和,根據(jù)巖心深度資料模擬地層條件下的溫度和壓力,觀測不同溫度和壓力下頁巖的復電阻率,模擬的地質條件下溫度和壓力如表3所示。圖6和圖7 為常溫常壓(清水飽和與鹽水飽和)下頁巖復電阻率幅值和相位曲線。圖8為地層條件下頁巖的復電阻率幅值和相位曲線。比較圖6、圖7和圖8 可以發(fā)現(xiàn),頁巖的復電阻率相位在低頻段與高頻段差異明顯,但在低頻段并未表現(xiàn)出較強的激電效應。常溫常壓下頁巖鹽水飽和條件下復電阻率幅值與地層條件下(深度約為2850m)的復電阻率幅值基本一致,相位差異明顯。

表3 根據(jù)巖心深度模擬的地層條件下溫度和壓力

圖6 常溫常壓下頁巖復電阻率幅值與相位變化曲線(清水飽和)

圖7 常溫常壓下頁巖復電阻率幅值與相位變化曲線(鹽水飽和)

圖8 地層條件下頁巖復電阻率幅值與相位變化曲線

3.2 激電模型及頁巖的激電參數(shù)

COLE等[22]最初為描述復介電常數(shù)的頻譜特性提出柯爾-柯爾(Cole-Cole)模型。PELTON等[23]基于大量巖石樣品﹑礦物標本和露頭的研究成果提出了單Cole-Cole模型,在此模型的基礎上將多個Cole-Cole模型以相加、相減或相乘的形式演變出不同類型的模型。PELTON等[23]對激發(fā)機理的理論進行研究發(fā)現(xiàn),巖石和礦物由激電效應引起的復電阻率隨頻率的變化而變化,可以用Cole-Cole模型表示為:

(1)

式中:ρ(ω)為復電阻率;ρ0為零頻電阻率;m為極限極化率;τ為時間常數(shù);c為頻率相關系數(shù)(0

4 頁巖激電參數(shù)特征及物性相關性分析

4.1 頁巖的激電參數(shù)特性

在清水、鹽水和地層條件下,5個頁巖巖樣的激電參數(shù)反演結果如表4所示,隨著深度的增加,頁巖的電阻率逐漸增大,極化率差異不明顯,鹽水飽和條件下與地層條件下的電阻率值基本一致,高溫高壓的地層條件(圍壓70MPa,溫度85℃)下極化率值略有增大。5個頁巖巖樣的極化率均小于0.15,未見較強的激發(fā)極化效應。

表4 不同測試條件下不同頁巖巖樣的激電參數(shù)反演結果

圖9為清水測試條件下5個頁巖巖樣激電參數(shù)對比結果的直方顯示,隨著深度的增加,頁巖巖樣W1～W5電阻率逐漸增大,時間常數(shù)逐漸減小,頻率相關系數(shù)無明顯的變化規(guī)律;泥質頁巖巖樣W1、W2極化率較小;鈣質混合型頁巖巖樣W3、W4和W5極化率相對較高;但所有頁巖的極化率值均較低。將礦物成分及鏡下實驗結果相結合,初步分析認為:頁巖孔隙極不發(fā)育,黃鐵礦零星分布,多數(shù)晶粒表面被泥質包裹,連通性較差。因此,弱極化效應與頁巖的低孔隙率和黃鐵礦的零星分布狀態(tài)以及較差的連通性有關。

圖9 清水測試條件下5個頁巖巖樣激電參數(shù)對比結果的直方顯示

4.2 激電參數(shù)與儲層物性參數(shù)相關性分析

基于巖相分析結果和清水條件下電阻率反演結果(表5)研究硅質、鈣質及泥質與電性參數(shù)的關系,重點分析黃鐵礦、TOC、脆性指數(shù)與電阻率、極化率的相關性,計算得到頁巖氣儲層評價的電性敏感參數(shù)。

表5 巖相分析結果和清水條件下電阻率反演結果

4.2.1 巖相特征

根據(jù)巖相劃分標準可知,研究區(qū)巖樣以高鈣混合型頁巖和泥質頁巖為主。R為相關系數(shù),將R2作為判定擬合度好壞的判定系數(shù)。R2的值越接近1,說明擬合程度越好;反之,R2的值越小,說明擬合程度越差。從圖10可以看出:電阻率隨硅質含量的增加而減小,極化率隨硅質含量的增加而減小(圖10a和圖10b);鈣質含量越高,電阻率越大,極化率越大(圖10c 和圖10d);泥質含量越大,電阻率越小,極化率越小(圖10e 和圖10f)。電阻率隨硅質、鈣質、泥質含量的變化較明顯,極化率幅值相對而言變化范圍較小,因此對非電子導電礦物反應不夠靈敏。

圖10 頁巖巖相礦物含量與激電參數(shù)交會結果a 硅質含量與電阻率交會; b 硅質含量與極化率交會; c 鈣質含量與電阻率交會; d 鈣質含量與極化率交會; e 泥質含量與電阻率交會; f 泥質含量與極化率交會

4.2.2 脆性特征

頁巖的礦物成分及含量不僅反映沉積環(huán)境,而且決定了脆性指數(shù)的值,并影響頁巖氣后期壓裂改造和開采方案。脆性作為影響地層可壓裂性的重要因素之一,是重要的巖石力學參數(shù)。巖石中脆性礦物含量越高,則巖石脆性越大,脆性礦物含量影響頁巖基質孔隙度和微裂縫發(fā)育程度、含氣性及壓裂改造方式[24]。由表1可知,研究區(qū)頁巖均含有石英和黏土礦物,且占比較高。脆性礦物平均值為33.48%(27.9%～41.4%),以石英為主,含有少量長石及黃鐵礦。利用頁巖的物性參數(shù),并將白云石視作脆性礦物,提出脆性指數(shù)(B)公式[17]:

B=w1+w2+w3+w4

(2)

式中:w1為石英百分含量;w2為白云石類礦物百分含量;w3為長石類礦物百分含量,包括鉀長石、斜長石等;w4為黃鐵礦百分含量。B的取值范圍為[0,1]。龍馬溪組電阻率隨脆性指數(shù)的增加呈上升趨勢,極化率隨脆性指數(shù)的增加逐漸增大(圖11a和圖11b)。

圖11 頁巖脆性指數(shù)與激電參數(shù)交會結果a 脆性指數(shù)與電阻率交會; b 脆性指數(shù)與極化率交會

4.2.3 黃鐵礦

隨著電子導電礦物黃鐵礦的增加,電阻率減小,極化率增大(圖12)。頁巖中黃鐵礦占比高時,電阻率幅值變化大,反應敏感,但極化率與黃鐵礦含量相關性相對較弱。對微觀結構進行掃描,結果顯示:弱極化與頁巖的低孔隙率、黃鐵礦的零星分布狀態(tài)及連通性有關。

圖12 頁巖黃鐵礦含量與激電參數(shù)交會結果a 黃鐵礦含量與電阻率交會; b 黃鐵礦含量與極化率交會

4.2.4 黏土礦物

電阻率隨黏土礦物增加逐漸降低,極化率隨黏土礦物含量的增加逐漸減小(圖13)。頁巖黏土礦物含量大于20%,雖然黏土礦物含量的增加會增加頁巖的導電性能,但黏土礦物含量的增加并未增強頁巖的激發(fā)極化效應。

圖13 頁巖黏土礦物含量與激電參數(shù)交會結果a 黏土礦物含量與電阻率交會; b 黏土礦物含量與極化率交會

4.2.5 TOC

TOC是儲層評價的重要參數(shù)。研究區(qū)頁巖TOC與黃鐵礦含量具有正相關性(圖14),與頁巖儲層脆性指數(shù)也具有正相關性(圖15)。高TOC、高脆性均與頁巖的沉積環(huán)境密切相關。黃鐵礦作為特征礦物,反映了頁巖的沉積環(huán)境。

圖14 TOC與黃鐵礦含量交會結果

圖15 TOC與脆性指數(shù)交會結果

5 結論

對威遠地區(qū)威202-7D頁巖氣井龍馬溪組頁巖進行不同溫度、壓力和不同礦化度條件下的復電阻率測試,將測試結果與頁巖礦物全巖和掃描電鏡實驗結果相結合,分別從頁巖巖相、礦物成分、脆性、電子導電礦物等多個方面分析和研究儲層及評價參數(shù)與頁巖電阻率、極化率等電性參數(shù)的關系,對頁巖氣儲層評價及后期開發(fā)具有重要指導意義。

1) 研究區(qū)頁巖以泥質頁巖和高鈣混合型頁巖為主。電阻率隨硅質和泥質含量的增加而減小,隨鈣質含量的增加而增大。極化率值小,且幅值變化范圍不大,故對硅質和泥質含量不夠靈敏。

2) 從礦物成分角度分析,電阻率和極化率均與脆性指數(shù)呈現(xiàn)良好的正相關關系,與黏土礦含量呈負相關關系,該電性響應特征對指導頁巖氣開發(fā)及儲層改造具有重要意義。

3) 儲層中頁巖的極化率較低。對礦物成分及電鏡下實驗結果進行分析,初步認為,主要原因是頁巖孔隙極不發(fā)育,而且黃鐵礦零星分布,多數(shù)晶粒表面被泥質包裹導致連通性差。弱極化效應與頁巖的低孔隙率和黃鐵礦的零星分布狀態(tài)及其較差的連通性有關,該特性仍需從微觀實驗和理論方面進一步研究。

4) 本次頁巖氣井頁巖樣品均位于富有機質層位,具有一定的代表性,但因缺少硅質類頁巖,故5塊頁巖巖樣的實驗分析結果既有代表性也存在局限性,研究成果需要通過進一步補充巖樣來驗證。