黄传炎：027-67848580、18986126027
刘一茗：18802785683
侯建湘：13995577053
E-mail : petrolab@cug.edu.cn
通讯地址：湖北省武汉市洪山区鲁磨路388号中国地质大学（武汉）
邮编：430074
论文提交、缴费以及会议服务：
孙佳妮，15201086188，scarlett@aconf.org
重要日期
论文投稿截止时间：2021年6月17日
会议日期：2021年7月9-12日
赞助单位
已赞助名单：
中国地质大学（武汉）《地球科学》编辑部
摘要详情
160 / 2021-06-09 17:04:09
低电阻页岩储层孔隙结构特征及其对储层导电性的控制作用——以川南龙马溪组为例
页岩储层低电阻,孔隙结构,龙马溪组
页岩油气理论与技术
全文录用
四川盆地页岩气资源丰富，仅川南地区龙马溪组页岩气资源潜力即超过15.12×1012m3。对于页岩气井来说，其电阻率一般高于50Ω·m，具有高阻特征。但是近来发现，电阻率低于10Ω·m的低电阻页岩储层在四川盆地内普遍存在，与常规认识相差较大，导致页岩低电阻的原因尚不明确。同时，不同地区的低电阻页岩井的含气性和产量差异巨大，制约了低阻层段甜点的预测。页岩的电阻率受控于岩石骨架及内部流体的导电性，岩石的孔隙结构发育对于岩石内部导电网络的形成具有重要影响作用，孔隙网络的发育特征、复杂程度又会作用于流体发育特征。因此在页岩低电阻的精细划分下，对低电阻页岩开展储层孔隙结构精细表征，分析孔隙结构发育特征及控制因素对页岩电阻率的影响，有利于低电阻页岩开展含气性评价和甜点优选。
本研究选择四川盆地川南地区不同区块的下志留统龙马溪组低电阻页岩，综合运用测井解释、气体吸附、高压压汞、X射线光电子能谱等手段，对电阻率差异明显的不同低电阻页岩样品开展研究。确定了不同页岩低电阻层段发育特征，精细表征了低阻页岩储层的孔隙结构特征及其影响因素，分析了孔隙结构及影响因素对储层电阻率的控制作用，总结出了页岩储层导电网络系统形成模式。相关成果可以为页岩气的选区勘探提供一定的指导。
研究中，首先结合常规油气相对低阻油气层的概念，采用电阻率增大指数RI对不同井的电阻率进行统计和计算，划分低电阻页岩层段。RI<1的为超低电阻储层，1<RI<2的为低电阻储层，RI>2的页岩储层为常规电阻储层。
（1）
式中：RI为页岩气层的电阻率增大指数，无量纲；Rg为龙一1亚段平均电阻率，Ω·m；Rd为龙一2亚段平均电阻率，Ω·m。
通过CO2、N2吸附实验以及高压压汞实验联合表征方法，可以获得页岩自纳米尺度到微米尺度的孔隙分布特征。实验结果表明低电阻页岩储层孔体积主要由微孔和中孔提供，特低电阻率页岩孔隙发育最差，低电阻率页岩孔隙发育次之，常规电阻率页岩孔隙发育较好。低阻页岩中孔较为发育，中孔的孔体积和孔体积占比均大于常规页岩，宏孔发育差。微孔孔体积三类页岩发育相似，但由于总孔体积的减少，RI越高微孔所占比例越大。对不同电阻的页岩来说，比表面积均主要由微孔提供，微孔比表面积占总比表面积65%以上。整体上低电阻率页岩比表面积最大，特低电阻率页岩比表面积次之，常规电阻率页岩比表面积最小。分形维数方面，随电阻率的降低，D1、D2都有逐渐增大的趋势，说明无论大孔隙还是小孔隙，孔隙的复杂程度和孔隙壁面的粗糙程度都在随电阻率的下降而逐渐增加。低电阻页岩储层的孔隙复杂程度、孔壁粗糙程度均高于常规电阻储层。将孔隙结构特征与电阻率的关系进行相关性分析，发现电阻率随孔隙体积的增加逐渐增大，随比表面积的增大出现降低趋势，且随D1的增加明显增大。D2对页岩电阻率的控制作用并不明显。这些现象表明页岩孔隙的发育特征对电阻率有明显的控制作用。D1反映的是页岩内小孔隙的复杂程度和壁面粗糙程度，小孔隙越复杂、越粗糙，越有利于页岩导电网络的形成。比表面积的增加与微、中孔隙的发育有关，小孔隙越发育，页岩储层的比表面越大，孔隙的复杂程度也越容易被体现出来，这解释了电阻率与比表面积之间的负相关关系。
以上结论说明页岩孔隙结构对岩石电阻率有明显的影响作用。需要注意的是，页岩储层孔隙结构是TOC、石墨化程度、矿物组分等要素共同影响的结果。因此岩石电阻率是孔隙发育特征、矿物组分、石墨化程度等因素共同控制的结果，这些因素之间仍具有更深入的联系。
有机质石墨化一方面增加了页岩有机质的导电能力，另一方面还对有机质孔隙造成影响，对于孔隙发育来说，总孔体积、总比表面积随石墨化程度增高而下降，中、宏孔孔体积随石墨化程度增高而显著降低，微孔孔体积随石墨化程度增高而降低的程度十分有限。比表面积的变化则并不明显。石墨化程度的增高使得D1显著降低，D2增高，表明有机质碳结构的改变虽然未导致微孔储层孔体积出现显著变化，但是却使得小孔隙的发育复杂性及壁面粗糙程度大大增加。大孔隙则出现随着石墨化程度增高孔隙发育简单化的特征。
对于有机质孔来说，有机质石墨化的发生导致有机质的脆性逐渐增高，在上覆地层压力的作用下，有机孔出现坍塌现象。坍塌的过程往往从大孔隙开始，有机质石墨化会先导致宏孔、中孔破坏，使宏孔坍塌成中、微孔，微孔孔径进一步缩小。有机质孔的减小使得原有孔隙沿地应力方向发生挤压、部分坍塌或者完全坍塌，导致原有孔隙壁部分接触面积增大。在石墨化程度较高的有机质中，具有导电性的有机质相接触使得页岩内形成了更多的导电网络。进一步扩大了页岩内导电网络的连通程度，加速了电子在有机质及页岩层中的移动。页岩孔径的减小，小孔隙复杂程度的增高，微孔的占比增加，会导致页岩内吸附位增多，更易于形成束缚水水膜，这种水膜的存在扩大了离子导电的作用。当孔隙空间减小程度较大时，两侧孔隙壁面的水膜存在相互接触的现象，这种现象会进一步增强地层水中的离子导电效应，导致页岩储层电阻率进一步下降。
粘土矿物对孔隙结构也具有控制作用，随着粘土矿物的增加，页岩样品孔体积和比表面积增加。小孔隙表面更加的粗糙和复杂，D1显著增加。粘土矿物表面的氢键、静电吸引和界面能增加了其吸附水分子的能力，将水束缚在孔隙表面，形成较厚的水膜。这些水膜成为了矿物表面离子迁移的主要载体，为离子迁移提供了优势通道，形成复杂的以水为介质的离子导电系统。粘土矿物中又包含多种离子，具有典型的阳离子交换作用，这种复杂的化学结构使得粘土矿物形成离子双电层，矿物表面过剩的负电荷及矿物外界水膜中的离子电层共同作用，进一步降低了岩石的电阻率。且这种降低作用与比表面积和小孔复杂程度显著相关，孔隙越复杂、孔径越小，这种双离子电层越明显，岩石电阻率会越低。
总的来说，粘土矿物、石墨化程度对页岩储层孔隙发育和导电性均具有重要控制作用。并且受其影响的孔隙结构则进一步对页岩内导电网络的形成具有重要影响。石墨化程度决定了有机质的导电能力。粘土矿物影响了束缚水的导电性能。而孔隙结构的发育程度决定了导电网络的连通程度。这些要素共同导致了现今页岩储层电阻率的发育差异性。以孔隙水、粘土矿物、黄铁矿相互作用形成的离子导电系统以及石墨化有机质形成的电子导电系统相互耦合，共同控制了页岩的电阻率，储层孔隙结构越差，岩石低电阻概率越高。
本研究选择四川盆地川南地区不同区块的下志留统龙马溪组低电阻页岩，综合运用测井解释、气体吸附、高压压汞、X射线光电子能谱等手段，对电阻率差异明显的不同低电阻页岩样品开展研究。确定了不同页岩低电阻层段发育特征，精细表征了低阻页岩储层的孔隙结构特征及其影响因素，分析了孔隙结构及影响因素对储层电阻率的控制作用，总结出了页岩储层导电网络系统形成模式。相关成果可以为页岩气的选区勘探提供一定的指导。
研究中，首先结合常规油气相对低阻油气层的概念，采用电阻率增大指数RI对不同井的电阻率进行统计和计算，划分低电阻页岩层段。RI<1的为超低电阻储层，1<RI<2的为低电阻储层，RI>2的页岩储层为常规电阻储层。
式中：RI为页岩气层的电阻率增大指数，无量纲；Rg为龙一1亚段平均电阻率，Ω·m；Rd为龙一2亚段平均电阻率，Ω·m。
通过CO2、N2吸附实验以及高压压汞实验联合表征方法，可以获得页岩自纳米尺度到微米尺度的孔隙分布特征。实验结果表明低电阻页岩储层孔体积主要由微孔和中孔提供，特低电阻率页岩孔隙发育最差，低电阻率页岩孔隙发育次之，常规电阻率页岩孔隙发育较好。低阻页岩中孔较为发育，中孔的孔体积和孔体积占比均大于常规页岩，宏孔发育差。微孔孔体积三类页岩发育相似，但由于总孔体积的减少，RI越高微孔所占比例越大。对不同电阻的页岩来说，比表面积均主要由微孔提供，微孔比表面积占总比表面积65%以上。整体上低电阻率页岩比表面积最大，特低电阻率页岩比表面积次之，常规电阻率页岩比表面积最小。分形维数方面，随电阻率的降低，D1、D2都有逐渐增大的趋势，说明无论大孔隙还是小孔隙，孔隙的复杂程度和孔隙壁面的粗糙程度都在随电阻率的下降而逐渐增加。低电阻页岩储层的孔隙复杂程度、孔壁粗糙程度均高于常规电阻储层。将孔隙结构特征与电阻率的关系进行相关性分析，发现电阻率随孔隙体积的增加逐渐增大，随比表面积的增大出现降低趋势，且随D1的增加明显增大。D2对页岩电阻率的控制作用并不明显。这些现象表明页岩孔隙的发育特征对电阻率有明显的控制作用。D1反映的是页岩内小孔隙的复杂程度和壁面粗糙程度，小孔隙越复杂、越粗糙，越有利于页岩导电网络的形成。比表面积的增加与微、中孔隙的发育有关，小孔隙越发育，页岩储层的比表面越大，孔隙的复杂程度也越容易被体现出来，这解释了电阻率与比表面积之间的负相关关系。
以上结论说明页岩孔隙结构对岩石电阻率有明显的影响作用。需要注意的是，页岩储层孔隙结构是TOC、石墨化程度、矿物组分等要素共同影响的结果。因此岩石电阻率是孔隙发育特征、矿物组分、石墨化程度等因素共同控制的结果，这些因素之间仍具有更深入的联系。
有机质石墨化一方面增加了页岩有机质的导电能力，另一方面还对有机质孔隙造成影响，对于孔隙发育来说，总孔体积、总比表面积随石墨化程度增高而下降，中、宏孔孔体积随石墨化程度增高而显著降低，微孔孔体积随石墨化程度增高而降低的程度十分有限。比表面积的变化则并不明显。石墨化程度的增高使得D1显著降低，D2增高，表明有机质碳结构的改变虽然未导致微孔储层孔体积出现显著变化，但是却使得小孔隙的发育复杂性及壁面粗糙程度大大增加。大孔隙则出现随着石墨化程度增高孔隙发育简单化的特征。
对于有机质孔来说，有机质石墨化的发生导致有机质的脆性逐渐增高，在上覆地层压力的作用下，有机孔出现坍塌现象。坍塌的过程往往从大孔隙开始，有机质石墨化会先导致宏孔、中孔破坏，使宏孔坍塌成中、微孔，微孔孔径进一步缩小。有机质孔的减小使得原有孔隙沿地应力方向发生挤压、部分坍塌或者完全坍塌，导致原有孔隙壁部分接触面积增大。在石墨化程度较高的有机质中，具有导电性的有机质相接触使得页岩内形成了更多的导电网络。进一步扩大了页岩内导电网络的连通程度，加速了电子在有机质及页岩层中的移动。页岩孔径的减小，小孔隙复杂程度的增高，微孔的占比增加，会导致页岩内吸附位增多，更易于形成束缚水水膜，这种水膜的存在扩大了离子导电的作用。当孔隙空间减小程度较大时，两侧孔隙壁面的水膜存在相互接触的现象，这种现象会进一步增强地层水中的离子导电效应，导致页岩储层电阻率进一步下降。
粘土矿物对孔隙结构也具有控制作用，随着粘土矿物的增加，页岩样品孔体积和比表面积增加。小孔隙表面更加的粗糙和复杂，D1显著增加。粘土矿物表面的氢键、静电吸引和界面能增加了其吸附水分子的能力，将水束缚在孔隙表面，形成较厚的水膜。这些水膜成为了矿物表面离子迁移的主要载体，为离子迁移提供了优势通道，形成复杂的以水为介质的离子导电系统。粘土矿物中又包含多种离子，具有典型的阳离子交换作用，这种复杂的化学结构使得粘土矿物形成离子双电层，矿物表面过剩的负电荷及矿物外界水膜中的离子电层共同作用，进一步降低了岩石的电阻率。且这种降低作用与比表面积和小孔复杂程度显著相关，孔隙越复杂、孔径越小，这种双离子电层越明显，岩石电阻率会越低。
总的来说，粘土矿物、石墨化程度对页岩储层孔隙发育和导电性均具有重要控制作用。并且受其影响的孔隙结构则进一步对页岩内导电网络的形成具有重要影响。石墨化程度决定了有机质的导电能力。粘土矿物影响了束缚水的导电性能。而孔隙结构的发育程度决定了导电网络的连通程度。这些要素共同导致了现今页岩储层电阻率的发育差异性。以孔隙水、粘土矿物、黄铁矿相互作用形成的离子导电系统以及石墨化有机质形成的电子导电系统相互耦合，共同控制了页岩的电阻率，储层孔隙结构越差，岩石低电阻概率越高。