川南海相页岩成熟度与电性特征关系分析

油气地球物理
2018年4月
PETROLEUM GEOPHYSICS
第16卷第2期
收稿日期：2017-12-05；改回日期：2018-01-26作者简介：汤家林，男，硕士研究生，地球探测与信息技术专业，主要研究方向为油气电磁法勘探。

基金项目：国家自然科学重点基金资助项目“基于地震电磁属性的页岩气储层预测与监测方法研究”（U1262206）。

四川盆地内的海相页岩是实现“十三五”页岩气储量、产量持续稳定增长、未来最具有开采前景的页岩层[1]。

但是以龙马溪组为代表的川南海相页岩，在电阻率和评估总有机碳含量（TOC ）的关系却表现为反比的关系[2]。

对于常规地层来说，地层水作为基本的导电单元，如果地层中充填的是具有一定矿化度的水，地层的电阻率将会极大降低；页岩层是非
常规储层，其内部的烃流体是不导电的，随着页岩层烃类气体的增加而取代地层水，页岩层的电阻率将会升高。

同时，页岩的电阻率取决于矿物的组成成分，如黏土矿物、黄铁矿等；黏土导电往往在地层水充填的情况下，若岩石具有一定的水饱和度，黏土的导电影响相比地层水的则变得很微小；黄铁矿富有机质页岩中一般普遍存在，但是考虑到黄铁矿的含
川南海相页岩成熟度与电性特征关系分析
汤家林，张明明
（成都理工大学地球勘探与信息技术教育部重点实验室，四川成都610059）
摘要：电阻率测井已经成为页岩气测井中不可缺少的一种方法，有机质碳化以及页岩的形成环境均会导致电阻率测井方法在评估总有机碳含量（TOC ）上出现偏差。

针对页岩成熟度对页岩气测井电阻率的影响，采用X 衍射、有机地化测试及岩石学参数测试等手段，建立了页岩成熟度与电性特征关系。

研究结果表明，川南龙马溪组海相页岩具有超高的成熟度，当页岩TOC>1.5%时，页岩沉积为强水动力条件，页岩成熟度随TOC 含量的升高而升高；页岩的碳化现象导致电阻率降低，TOC 与电阻率呈明显的负相关关系。

研究结果为川南龙马溪组海相页岩气电阻率测井和电磁法勘探提供了实验数据支持。

关键词：海相页岩；成熟度；电性特征；龙马溪组
Analysis of the relation between the maturity and electrical properties
of marine shale in south of Sichuan
TANG Jia-lin,ZHANG Ming-ming
(Key Lab.of Earth Exploration &Information Techniques of Ministry of Education,Chengdu University of Technology,
Chengdu Sichuan 610059,China )
Abstract:The resistivity log has become an indispensable method in the shale gas log.The organic carbonaceous formation and shale formation environment will cause the deviation of in assessing TOC content with the resistivity log method.In view of the impact of the shale maturity on the resistivity of the shale gas log,the X-ray diffraction,organic geochemical testing and petrology parameter testing are used to establish the relation of the shale maturity and electrical characteristics.The results show that the marine shale of the Longmaxi Formation of the south of Si-chuan has an extremely high level of the maturity.When the TOC of the shale is above 1.5%and the shale sedi-mented under strong hydrodynamic conditions,the shale maturity increases along with the increase of TOC con-tent.The carbonization of shale results in a decrease in resistivity,with a significant negative correlation between the TOC and the resistivity.The results provide experimental data for the marine shale gas resistivity log and elec-tromagnetic exploration in the Longmaxi Formation of the south of Sichuan.
Key words:marine shale,maturity,electrical property characteristics and Longmaxi Formation
第16卷第2期汤家林，等：川南海相页岩成熟度与电性特征关系分析·67·
量较低（质量分数比例一般小于10%），密度相对比
黏土、干酪根、脆性矿物、碳酸盐等要大很多，在页岩
中所占体积更小，无法达到连通状态，对页岩的导电
贡献不大。

川南龙马溪组海相页岩具有超高成熟度，而成
熟度越高的有机质会发生严重的碳化现象，重结晶
演化为石墨矿物，从而增加页岩的电导率。

通过X
衍射，纯石墨矿物在高成熟度的页岩中是不存在
的；而成熟度较高的页岩层会比同一地层成熟度较
低的页岩电阻率低1-2个数量级。

因此，页岩有机
质碳化会导致电阻率测井曲线出现超低电阻率的
响应特征。

本文以龙马溪海相页岩的井心样品为
实验对象，通过X衍射和岩石电阻率测量研究成熟
度和电阻率的特征，探讨两者之间的关系，为川南
龙马溪组页岩有机碳化提供直接的对象，纠正由于
页岩过成熟造成电阻率测井在评估有机碳含量中
出现的偏差，为川南海相页岩气资源战略选区提供
地质依据。

1方法和测试分析
1.1电阻率测量法
岩石复电阻率测量是对岩石施加一个谐变的电
流和电压，然后测量得到岩石的实部和虚部的阻抗
|
|Z、相位||φ。

实验岩样电阻的测量仪器选用了英
国输力强公司生产的1260阻抗（振幅、相位）分析仪
（The1260Impedance/Gain-Phase Analyzer），测量频
率为0.01-10000Hz，每个数量级测量10个频点共61
个点。

为了尽可能降低电极产生的极化效应，不极
化电极采用Cu-CuSO4电极，电极之间的连接采用对
称四极接法，计算岩样电阻率[3]。

设测量的横截面
为A，样品的长度为L，则电阻率和阻抗的关系为
ρsample=||Z A L[]
Ωm（1）
采用Cole-Cole模型来拟合实验的电阻率曲
线，实验测得电阻率、振幅和相位的参数，通过反
演得到页岩样品的电阻率ρ0。

该模型数学表达
式为
ρ()ω=ρ0é
ë
ê
ê
ù
û
ú
ú
1-m
æ
è
ç
ç
ö
ø
÷
÷
1-1
1+()
iωτc
（2）
式中：ρ0为频率为零时的电阻率；m为极化率；τ为时间常数；c为频率相关系数，根据经验c常取0.25。

其中，页岩中黄铁矿颗粒越大，时间常数τ越大。

表1为样品8的反演模型参数。

图1为页岩复电阻测量原理图。

图2为样品3的电阻率实测数据与反演数据对比，拟合误差均在要求精度内（相对百分比误差<5%）。

1.2有机质成熟度测定
南方海相页岩缺乏镜质体而且成熟度也较高，首选沥青体反射率来表征页岩有机质成熟度[4]。

测定仪器为3Y-Leica DMR XP显微光度镜，每个样品测定10个以上不同的沥青颗粒，测定的标准偏差要求精度小于0.05，取其平均值作为沥青反射率值，表2为其测量结果。

11个样品的沥青体反射率值为2.59-2.66，平均值为2.63，处于过成熟期。

表1样品8的反演模型参数
样品
编号
8
电阻率
ρ/（Ω·m）
224.8
极化率
m/%
0.2
时间常数
τ
0.001
频率相关
系数c
0.38
拟合误差
/%
0.41
图1页岩复电阻测量原理图
图2电阻率实测与反演
1000010001001010.10.01
频率/Hz
240
220
200
180
160
140
电
阻
率
/
Ω
∙
m
实测
反演
·68·油气地球物理2018年4月
1.3矿物组成与含量分析
采用日本理学电机公司（Rigaku）生产的D/ MAX2500型X射线衍射仪（X-ray diffractometer）开展页岩矿物成份和含量分析（图3）。

龙马溪组海相页岩碳酸盐岩和长石等其他矿物含量较低，石英含量最高平均值为44.2%，黏土含量次之，平均值为23.7%；可见岩层的脆性很好，有利于后期开采压裂较高的脆性矿物。

2结果分析
2.1TOC与成熟度的关系
川南龙马溪组为海相页岩，海相沥青体主要由海洋低等生物（藻类、菌类及某些海洋低等动物）经腐殖质作用而形成[5]。

在弱水动力条件下，藻类生物繁盛，造成生物大量分解，不但形成大量的有机质，而且还形成强还原环境，有利于有机质的保存；强水动力条件下，水体动荡，形成氧化环境，导致有机质在形成的过程中被降解，有机质含量低[6]。

图4为TOC和沥青体反射率R o表示的成熟度的关系，分析认为，页岩TOC以百分含量1.5为界限，划分为强水动力环境（TOC<1.5%）和弱水动力环境（TOC> 1.5%）。

当TOC<1.5%时，成熟度与TOC关系不明显；当TOC>1.5时，成熟度随TOC含量的增大而增大，两者呈明显的正相关关系。

由此得出，不同的TOC含量指示可能存在不同的沉积环境，而沉积环境则影响页岩有机碳的成熟演化程度。

2.2电阻率与成熟度
一般认为，海相烃源岩干酪根生成天然气成熟度上限或者其死亡线应该为镜质体反射率3.0%[7]。

但对于南方古生界海相页岩来说，主体R o为2.5%-4.0%，具有很高的成熟度，也具有一定的孔隙度，微纳米孔隙发育，比表面积大，储集物性良好，具有良好的页岩气开发前景[8]。

此次测定的川南龙马溪组井心页岩11个样品也显示，该地层页岩成熟度较高，总体达到碳化的标准。

有机质在演化过程中会生烃排水，页岩孔隙充填的水、不导电的气体会导致电阻率升高；随后有机质发生碳化现象（TOC含量较高，在页岩中占有一定的体质），岩石电阻率减低。

图5为川南龙马溪组海相页岩井心样品的电阻率与成熟度、TOC含量的关系。

拟合曲线显示，电阻率、成熟度与TOC之间均呈明显的负相关关系，电阻率随着成熟度和TOC的增加而降低。

干酪根是不导电的矿物，有机质成熟度随TOC（>1.5%）含量的增加而增高。

因此，影响页岩电阻率的最大因素为有机质的成熟度。

表2页岩中沥青体反射率测定
编号1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
R o沥青体
2.59
2.61
2.63
2.64
2.62
2.65
2.66
2.63
2.64
2.66
2.65
测点数
15
10
10
12
15
15
14
10
13
15
12
标准偏差
0.03
0.04
0.03
0.03
0.03
0.03
0.04
0.03
0.03
0.04
0.02
图3川南龙马溪组页岩矿物成分
图4成熟度与TOC的关系
100
4080
60
20
百分比含量/%
11
9
7
5
3
样
品
编
号
1
黏土矿物石英正长石斜长石方解石白云石黄铁矿TOC
TOC
成
熟
度
2.3电阻率测井指导
Passey 等认为，在测井上电阻率随TOC 含量增
加而增加，并用Δ×log R -TOC 在测井上估算TOC 的含量[9]。

王凯等对鄂尔多斯盆地铜川地区开展电阻率测深发现，油页岩层属于高阻目标层[10]。

而本次研究是具有超高成熟度的川南龙马溪海相页岩，TOC 与电阻率的关系为负相关，由此可见川南龙马溪组页岩层的特殊性，而以往总结的勘探及测井规律在此地区并不适用。

同时发现，川南海相页岩的电阻率与沉积环境密切相关，不同层位的页岩由于TOC 含量的不同而导致成熟度有差异，TOC 的关系也存在不同。

因此，在测井中考虑分段拟合TOC 与电阻率的关系更为科学。

3结论
（1）页岩成熟度的演化受沉积环境的影响表现
为：弱水动力条件下（TOC>%1.5）成熟度随TOC 含量的增加而增大；强水动力条件下（TOC<%1.5）有机碳含量较少，成熟度演化变化不规则；测井电阻率与TOC 的拟合应该考虑层段的位置。

（2）川南龙马溪组海相页岩具有超高的成熟度，电阻率随成熟度的增大而减小；高TOC 贡献了高成熟度，川南海相页岩电阻率与TOC 成反比。

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图5龙马溪组海相页岩电阻率与成熟度、TOC 含量的关系
（b ）电阻率与TOC
电阻率/（Ω∙m ）
TOC
（a ）电阻率与成熟度
电阻率/（Ω∙m ）
成熟度
（编辑：郑桂琴）
第16卷第2期
汤家林，等：川南海相页岩成熟度与电性特征关系分析·69·。