低阻頁巖氣儲層的測井解釋評價

楊小兵, 張樹東, 張志剛, 劉　靜, 鄧　霞

(中國石油川慶鉆探工程有限公司 測井公司，重慶 400021)

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低阻頁巖氣儲層的測井解釋評價

楊小兵, 張樹東, 張志剛, 劉靜, 鄧霞

(中國石油川慶鉆探工程有限公司 測井公司，重慶 400021)

[摘要]為正確解釋評價區域頁巖氣儲層，探討了低電阻率頁巖氣儲層的形成機理。結合大量區域頁巖地層的測井特征和地質特點，主要分析了黏土含量、黃鐵礦含量、頁巖中有機質的成熟度、地層可動水及礦化度、頁理(層理、裂縫)等對頁巖氣地層電阻率的影響，結果表明形成低電阻率頁巖儲層的原因多，不同區塊低電阻率頁巖儲層的形成機理不同，在實際頁巖氣井的綜合解釋評價中得到應用和檢驗。低阻頁巖儲層的形成機理和影響因素有“五高”，即：黏土含量高、地層水礦化度高、有機質成熟度高、黃鐵礦含量高、頁理(層理、裂縫)發育程度高，同時這些影響因素大多相互疊加。

[關鍵詞]頁巖氣；測井解釋評價；低阻頁巖；影響因素

頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以游離和吸附狀態為主要存在方式的天然氣聚集。中國頁巖氣資源廣泛分布于陸相、海相盆地[1]，目前，四川盆地頁巖氣開發重點在海相龍馬溪組，并在焦石壩、長寧-威遠等區塊取得較大的進展。

應用測井資料不僅可以評價頁巖氣的物性參數、巖石成分、總有機碳含量、吸附氣、游離氣含量[2]，同時用于識別頁巖氣儲層的地層各向異性、計算巖石力學參數和脆性指數等。

測井電阻率資料是計算頁巖氣含氣量必不可少的測井資料，測井電阻率的高低間接反映了頁巖儲層的含氣量，但頁巖層的低電阻率特征與頁巖的含氣量大小關系復雜。

國內常鉆遇到大量的低阻常規油氣層，在長寧-威遠國家頁巖氣開發示范區、渝東南地區，無論是志留系龍馬溪組還是寒武系筇竹寺組底部的頁巖儲層，均遇到了較多的頁巖儲層也表現出明顯的低電阻率特征，其電阻率測井值大多<10 Ω·m，在筇竹寺組部分井的頁巖層段測井電阻率甚至<1.0 Ω·m，對該類頁巖地層的測井解釋評價變得十分困難。

在常規油氣儲層中應用測井資料分析低阻油氣層已有大量的文獻，形成了較為成熟的評價技術。但頁巖氣儲層的綜合測井評價技術在國內還處于起步和探索階段，對于遇到的低阻頁巖氣儲層的測井解釋更是一個難題。通過對頁巖氣儲層的跟蹤解釋研究，對低阻頁巖儲層的成因和影響因素進行了分析和探討，并成功解釋評價了區域低阻頁巖氣儲層。

1頁巖氣儲層的測井特征

與常規的砂巖儲層具有明顯的差異，海相頁巖地層具有以下測井特征：在水基泥漿鉆井情況下井徑一般出現擴徑現象，在高含有機質井段自然伽馬異常高值，無鈾伽馬低值，雙側向中、低值，并隨粉砂質、灰質含量增高，電阻率增大，負差異不明顯或呈正差異；補償聲波時差高值、補償中子降低、補償密度低值，低光電截面指數，在高含有機質井段光電截面指數和補償密度明顯低異常[3](圖1)。

測井資料可以定性識別頁巖氣儲層：異常高的放射性元素U測井值，對應為有機質含量高層段，具有良好的生烴能力且吸附氣含量高；游離氣含量在裂縫和孔隙發育段高；高聲波、低密度、高電阻率的頁巖層段含氣飽和度高于普通的頁巖[3](圖1)。

圖1　S1井頁巖儲層測井圖Fig.1　Logging of the shale reservoir in Well S1

2低電阻率頁巖儲層的影響因素

頁巖儲層與常規的砂巖儲層對比，具有明顯黏土含量高、礦物的粒度細、有效孔隙不發育和特低的滲透率特點。低阻頁巖儲層的影響因素多，包括儲層黏土含量高、黃鐵礦含量高、有機質過高成熟度和地層可動水、鉆井液低阻侵入、地層異常高壓、成巖和生烴時地層水驅排不徹底、地層位于構造復雜帶油氣二次運移造成頁巖含氣飽和度偏低等。通過測井資料的綜合分析，結合區域地質特征，重點分析低阻頁巖儲層的主要影響因素，并綜合解釋評價低阻頁巖氣儲層。

2.1高黏土含量

區域上頁巖儲層主要由黏土、石英、少量長石、方解石(少量白云石)、有機質、黃鐵礦等礦物組成，黏土的質量分數一般在15%～40%。在所謂的“甜點”頁巖氣儲層段，黏土含量顯著降低，石英類或碳酸鹽巖礦物含量增加。黏土礦物的主要類型為伊利石、伊蒙混層和綠泥石，不含高嶺石。黏土因含有大量的束縛水和具有較高的陽離子交換能力[4]，導致測井電阻率的降低。圖1中S1井上段測井電阻率為6～10 Ω·m，而頁巖氣層段測井電阻率20～40 Ω·m，解釋處理成果表明：上段非頁巖氣儲層TOC含量低，含氣量低，比下段的頁巖氣儲層段的黏土含量高一倍左右，這是導致上段頁巖儲層低阻的主要原因之一。

2.2高黃鐵礦含量

黃鐵礦常被認為是低阻油氣層的重要原因之一，在海相頁巖氣地層中黃鐵礦含量高。黃鐵礦一般在頁巖中呈分散狀或沿著頁巖層理面分布，分散的黃鐵礦對低頻率的雙側向的影響較少，而對高頻的感應測井影響較大[5]，沿著層理面的黃鐵礦會導致頁巖電阻率呈尖刺狀降低的。圖1中的高電阻率層段為優質頁巖氣層，陣列側向測井薄層分辨率高，在該段見到多處尖刺狀的降低，反映出層間黃鐵礦的大量存在。S2井巖心描述為巖心柱面多見黃鐵礦斑塊零星分布，縫、洞不發育，含氣實驗無顯示。該層段與其他井的黃鐵礦含量相比，平均含量要高近一倍，平均質量分數為7%左右。圖2中巖心分析的黃鐵礦含量與陣列側向的電阻率測井值的高低相關性并不大，因此分析認為高黃鐵礦含量并不是S2井儲層段的極低電阻率形成的根本原因。

2.3高礦化度地層水

高礦化度的地層水對常規儲層的電阻率影響較大，有關這方面的描述見于眾多的文獻。對于頁巖氣儲層由于黏土含量高、巖石顆粒細、孔喉結構復雜、半徑小、有效孔隙不發育，因此通常認為致密頁巖中自由水含量低，以黏土束縛水為主。S2井鉆遇該段地層時地質錄井無油氣顯示，鉆井取心見鹽霜。圖2中電阻率特別低那段密度的降低與頁巖的總有機質含量正相關，補償聲波和補償中子測井值也明顯降低，三孔隙度低值，為一致密的頁巖儲層。本段黃鐵礦的含量與有機質含量不具良好的相關性，也與放射性U元素的異常高含量不具有明顯的相關性。由于含U元素的礦物易于溶解于水和運移，反映地層含一定的水；同時分析下伏白云巖地層的測井值<150 Ω·m，高角度裂縫發育，在區域上為水層特征，見圖3。結合巖心見巖霜，分析認為頁巖地層被下伏白云巖地層高礦化度水所淹，導致特低電阻率。測井解釋處理儲層含氣量低，僅有少量的吸附氣，在該段試油，用兩臺制氮車油管正注氣舉排液，管口出股狀、霧狀褐黃色水，測返排液氯根濃度為44.780 g/L，當初壓裂液氯根濃度為15 g/L左右，密度為1.04 g/cm3，表明地層水礦化度很高。試油成果：微水、微氣。

圖2　S2井頁巖儲層測井處理成果圖Fig.2　Logging interpretation result of the shale reservoir in Well S2

在貴州的部分頁巖氣評價井中富含有機質的筇竹寺組儲層試油，結論為產水和微氣，也印證了地層可動水是導致頁巖地層呈低電阻率特征的原因之一。

2.4高成熟的頁巖有機質導電

頁巖作為烴源巖，有機質的成熟度是評價頁巖氣的一個重要指標。在過成熟的頁巖層段，巖石礦物顆粒晶體排列更加有序一致，黏土礦物伊利石向綠泥石和云母演化，同時干酪根通過熱解和烴類裂解生成干氣，最終殘余物轉化成固體瀝青、石墨等殘渣。國外文獻提到當頁巖中有機質的成熟度——鏡質體反射率Ro>4.5%時，頁巖呈低電阻測井值[6](圖4)。

國外對于有機質的導電能力大小、有機質的含量、分布形狀(層狀、分散狀)以及有機質內孔隙連通性對頁巖層電阻率大小的影響進行了數字模擬，結果表明，使用常規儲層的Archie公式計算的含水飽和度與巖心分析結果存在較大的誤差[7]，因此有機質(干酪根)的導電性必須引起地質學家的重視。

據區域有關地質資料，中國南方海相頁巖氣開發的重要層位——筇竹寺組在地質歷史中經歷過長時期深埋，最大埋深達到7～9km，Ro值一般為2.7%～4.9%，表明筇竹寺組頁巖處于高過成熟—極高成熟階段，具備出現有機質碳化的地質條件[8]。在云南省德澤地區，寒武系中見到了石墨礦產[9]。S2井附近區域成熟度很高，從圖2中可以見到電阻率最低處也是總有機碳含量最高的層段，取心描述為灰黑色碳質頁巖，碳質分布不均，頁理發育，分析認為有機質過成熟。一般情況下有機質電阻率較高，當它處于過成熟階段時，會向高階無煙煤或石墨演變，高階無煙煤和石墨均具有良好的導電性，因此推測有機質過高成熟度也是該層段特低電阻率的成因之一。

圖3　S2井頁巖段下伏地層常規測井與成像圖Fig.3　Logging and resistivity image of the underlying strata under the shale reservoir of Well S2

圖4　國外某井過成熟度頁巖儲層測井特征Fig.4　Logging of the over-mature shale reservoir in some well abroad

圖5　S3井低阻頁巖氣層段綜合測井與電成像測井特征圖Fig.5　Synthetic logging and resistivity image characters of Well S3 shale gas reservoir

在過成熟地層有機質生烴能力差，如果地層保存條件好，油氣沒有二次運移，同樣為優質的頁巖氣地層。

2.5頁理縫(層間縫)發育的影響

從研究區頁巖鑄體薄片可清晰觀察到的頁巖發育薄互層，在宏觀上存在大量的層間縫。頁巖中的頁理縫主要是頁巖沉積過程中形成的具剝離線理的平行層理紋層面間的縫隙，由一系列薄層頁巖組成。頁理為力學性質薄弱的界面，極易剝離。由于頁巖氣生成過程的巨大壓力，在頁巖層段發育復雜微裂縫。而層間縫一般平行于層間面，主要由于地層受到外力的擠壓，發生滑動，同時在后期被黃鐵礦、黏土、自生礦物等充填或半充填。

在圖5中，S3井高伽馬井段，電阻率低于上下圍巖，通過成像測井資料處理解釋，對應的電成像圖上微細層理(層間縫)明顯更發育。在頁理縫(層間縫)發育層段對應常規電阻率曲線出現明顯電阻率降低，兩者一致性較好，說明頁理縫的存在對電阻率的影響很大。

3低電阻率頁巖氣儲層的測井綜合解釋評價

3.1低電阻率頁巖儲層的綜合分析

目前國內在四川長寧、云南昭通、貴州、渝東南、湖南保靖等區塊鉆遇寒武系筇竹寺組(牛蹄塘組)頁巖地層，盡管底部層段TOC含量相當高，是優質的頁巖氣烴源巖；但保存條件差，測井資料表明井周附近裂縫、斷層發育，頁巖層油氣散失，頁巖層含氣量低，并且以氮氣為主，孔隙裂縫中以水為主，在測井上基本上反映出低電阻率、特低電阻率的特征。

在測井綜合評價低阻頁巖氣儲層時，必須綜合分析頁巖層段的黏土含量、黃鐵礦含量、區域地層水礦化度、有機碳的成熟度、頁巖層理縫等因素對頁巖氣地層電阻率的影響。在中國南方海相頁巖地層具有有機質成熟度高、黃鐵礦含量高、地質構造復雜、油氣易散失等地質特點，這些導致頁巖低電阻率的因素基本上同時存在，并可能疊加。

不同區塊、不同層系頁巖地層的低電阻率的主要影響因素各不相同，只有充分分析頁巖地層的低電阻率的主要影響因素，結合地質、巖心分析和試油資料，才能正確識別出頁巖氣儲層和非頁巖氣儲層。

測井計算S1井低電阻率井段黏土含量高、TOC含量低、含氣量低，地層以束縛水為主，為非頁巖氣儲層。S2井低電阻率井段TOC含量高，黏土含量較低，含氣量低，儲層保存條件差，該段和下伏的白云巖儲層一同被高礦化度地層水所淹，因此不是有利的頁巖氣儲層。

3.2低電阻率頁巖氣儲層的綜合解釋評價

長寧-威遠國家頁巖氣示范區S4井為一典型的低阻頁巖氣儲層(圖6)。在測井解釋井段雙側向大段低阻，電阻率主要在4～15Ω·m之間變化，部分層段<4Ω·m。在紅色框線內的井段無鈾伽馬高值，電阻率降低，補償中子和補償聲波時差值明顯增大，為黏土含量較高的響應特征。該段巖心見大量呈分散狀結核或層狀分布的黃鐵礦，個別頁巖巖心呈千層餅構造，沿層理發育的低角度縫和高角度充填縫較發育，巖心中氯化鹽含量有一定增大，分析儲層段低電阻率的成因為：上段主要為黏土含量偏高，下段黃鐵礦含量高、低角度有效裂縫發育，地層束縛水礦化度高所致。測井解釋處理成果和巖心分析表明該段TOC含量高，頁巖吸附氣和游離氣含量較高，頁巖中的水以束縛水為主，結合地質錄井顯示為氣測異常，測井綜合解釋為頁巖氣層。

在測井解釋的頁巖氣層段，進行大型壓裂改造，在排液占應排液量的39.4%后測試產量為(6.5～7.6)×103m3/d，所排液體pH值為7、密度為1.02g/cm3、Cl-濃度為35.230g/L(壓裂液Cl-濃度為12.490g/L)，出口點火燃燒，火焰呈桔紅色，焰高3.0～4.0m，累計放空氣量0.323×106m3，試油結論為優質頁巖氣儲層。

圖6　S4井低阻頁巖氣測井綜合解釋處理成果與巖心特征圖Fig.6　Logging interpretation and core characters of the shale reservoir in Well S4

在研究過程中，結合部分低電阻率頁巖氣井的試油成果，對四川盆地南部、渝東南、湖南保靖等地區多口低電阻率井進行了測井解釋評價，解釋成果得到了地質學家的認同，試油建議得到采用。

4結 論

形成低電阻率頁巖儲層的影響因素多，測井資料研究表明區域頁巖層低電阻率的主要影響因素為“五高”:高黏土含量、高黃鐵礦含量、高頁巖成熟度、高地層水礦化度、頁巖頁理(層間裂縫)發育程度高等。在海相頁巖儲層中，這幾種影響因素大多同時存在并相互疊加。

不同區塊、不同層系頁巖地層的低電阻率的主要影響因素各不相同，本文所舉的實際例子具有不同的針對性。

電阻率是計算頁巖氣含氣量必不可少的測井資料，測井電阻率的高低間接反映了頁巖儲層的含氣量；但頁巖層的低電阻率特征與頁巖的含氣量大小關系復雜，用電阻率的高低來解釋評價頁巖儲層時需要結合地質、巖心分析和試油資料，才能正確識別出頁巖氣儲層和非頁巖氣儲層。

在掌握了區域頁巖氣地層低電阻率的機理情況下，結合地質錄井、巖心資料綜合解釋評價了多口低阻頁巖氣儲層，試油成果均表明解釋的正確性，為其他區塊低電阻率頁巖地層的測井解釋評價提供了經驗。

隨著測井資料、地質和試油資料的豐富，對低阻頁巖儲層的評價會更深入和更準確，從而為頁巖氣的勘探開發提供更準確的測井解釋成果。

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《成都理工大學學報(自然科學版)》編輯部

[第一作者] 梁利喜(1976-),男,博士,講師,主要從事地質工程、非常規頁巖巖石力學研究, E-mail：361184163@qq.com。

Logging interpretation and evaluation of low resistivity

shale gas reservoirs

YANG Xiao-bing, ZHANG Shu-dong, ZHANG Zhi-gang, LIU Jing, DENG Xia

WellLoggingCo.,CNPCChuanqingDrillingEngineeringLtdCo.,Chongqing400021,China

Abstract:This paper makes an approach to the formation mechanism of the low resistivity shale reservoirs for exactly interpreting the regional shale gas reservoirs. Combined with the synthetic log data and geological characteristics of many regional shale layers, the paper analyzes the influence of the clay content, pyrite content, the organic matter maturity, the reservoir movable water and its degree of mineralization, and the shale lamina(layer lamina, fracture) on the resistivity of the shale gas reservoirs. The result indicates that there are many influential factors to cause low resistivity shale reservoirs. The formation mechanism of the shale reservoir is different in different zones. This conclusion is applied and verified in the synthetic interpretation of shale gas wells. The formation mechanism and influential factors of the low resistivity gas shale reservoirs are “five highness”, namely, high content clay, high degree mineralization of water, over mature organic matter, more pyrite, and more shale lamina (layer lamina, fracture). At the same time，these influential factors are frequently superposition.

Key words:shale gas; logging interpretation; low resistivity shale; influential factor

[基金項目]國家自然科學基金聯合基金重點項目(U1262209)；國家自然科學基金面上項目(51274172)。

[收稿日期]2014-02-14。

[文章編號]1671-9727(2015)06-0700-09

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2015.06.08

[文獻標志碼][分類號] TE122.24; P631.81 A