第六届非常规油气地质评价暨新能源学术研讨会
6th Symposium on Unconventional Oil and Gas Geological Evaluation and New Energy

198 / 2021-06-15 08:39:44

页岩储层低电阻的成因及其对含气性的控制

龙马溪组,低电阻页岩,孔隙结构,含气性

全体主题

作为重要的低碳清洁能源，页岩气已成为全球油气勘探中重要接替勘探目标之一。我国的页岩气勘探已经取得重大进展，四川盆地及周缘上奥陶—下志留统五峰—龙马溪组页岩已经形成了工业化开发体系。对比北美地区形成于稳定克拉通背景下的富有机质页岩，中国南方主力页岩气产层奥陶—志留系经历了多旋回的复杂构造演化和热事件，导致其出现了大量的勘探异常现象，页岩储层低电阻率便是其中最突出的异常特征之一。近两年勘探中，在深水陆棚沉积、高有机碳含量、地层厚度大、岩性稳定的龙马溪组深层页岩中广泛钻遇了页岩电阻率低异常现象，电阻率低于1Ω·m的页岩频频出现，且不同低电阻页岩的含气性和产量差异巨大，高产、低产、无产均有分布。这一问题的存在极大地制约了川南龙马溪组深层页岩气藏的勘探选区和开发部署。因此，开展页岩低电阻的相关研究已迫在眉睫。解决页岩低电阻的成因机制问题，确定低电阻成因对页岩储层孔隙结构发育和含气性的控制作用，对解释低电阻页岩的含气性、产量差异将具有重要意义。

针对以上问题，本研究基于页岩气研究已有成果和认识，以四川盆地龙马溪组低电阻海相页岩为研究对象，通过深入剖析低阻页岩岩石组构特征和差异性，阐明了页岩低阻的形成机理及控制因素；通过孔隙结构定性、定量表征，结合低阻成因研究，揭示了低电阻页岩储层孔隙发育的差异性及其原因；通过综合低电阻成因、低阻页岩孔隙结构发育差异等因素，确定了低电阻页岩储层含气性的影响因素。相关研究成果对完善海相页岩气成藏机理与富集规律、指导低阻页岩气勘探开发具有重要理论和现实意义。

通过岩电实验、X射线衍射、透射电镜、X射线光电子能谱等系列实验，本研究首先明确了页岩低电阻的成因机制。导致页岩低电阻的原因主要可分为三类，分别为地层水、有机质石墨化及导电矿物。地层水是导致常规储层和非常规储层岩石电阻率降低的重要因素之一，对于龙马溪组海相页岩来说，地层含水饱和度从10%增加到90%，页岩岩石电阻率可以降低为原来的六分之一到八分之一，具有明显的电阻率降低作用。有机质石墨化大多出现于拉曼成熟度高于3.2%的过成熟页岩中，过成熟阶段有机质中的碳结构不断趋于有序，会呈现出类层状类石墨结构，电子可以在这种结构中快速通过，因而使得几近绝缘的有机质具有导电性。石墨化有机质组分可以通过高分辨率透射电镜下干酪根样品中的层状晶格结构来进行判识，同时还可以利用X射线光电子能谱分析对石墨化有机质的结合能进行分析，定量确定有机质中石墨化的程度。矿物组分对电阻率的影响主要体现在两个方面，一是导电矿物黄铁矿对岩石电阻率的影响。作为页岩中电导率最高的矿物，层状、集合体状的黄铁矿会对局部的岩石电阻率降低起到明显作用，导致测井电阻率曲线出现尖刺状下降。另一方面是粘土矿物对页岩电阻率的影响，粘土矿物电阻率较长石、石英、碳酸盐等骨架矿物低2~3个数量级，但仍有10⁶Ω·m的电阻率，但粘土矿物具有的阳离子交换能力及束缚水吸附能力导致其在地层条件下也可以对离子导电网络做出贡献，对岩石电阻率起到降低作用。根据岩石物理组构特征建立页岩电阻率的表征方程，并对不同地区进行分析，结果显示，长宁西双龙罗场地区的低电阻页岩成因主要以有机质石墨化为主，而泸州大安区块低电阻页岩成因以地层水为主，石墨化的影响程度不明显。

页岩低电阻的成因对储层的孔隙发育及含气性均具有重要控制作用。相比于常规电阻页岩，低电阻页岩的储层孔体积发育偏小，而比表面积的发育明显更优。低电阻页岩的微孔孔体积及比表面积的占比更高，且随电阻率的下降，比表面积有增大的趋势。利用分形维数对低阻页岩储层进行表征，用D1与D2分别表征小孔隙（孔径小于7.5nm）和大孔隙（孔径大于7.5nm）的复杂程度与孔壁粗糙程度。结果显示随着电阻率的降低，小孔隙的复杂程度与孔壁粗糙程度明显增大，而大孔隙的变化不明显。这种现象是因为在有机质过成熟发生石墨化的阶段，有机质脆性增强，在地层压力的破坏下有机质孔发生坍塌，孔径不断减小，增加了微孔占比和孔隙发育复杂程度。另一方面粘土矿物的演化也会导致粘土矿物晶间孔减小，进一步导致页岩储层孔径整体缩小。这种储层孔隙发育空间的变化会进一步反映到含气性上。高含水导致的低电阻页岩往往含气性较差，高含量的地层水占据了气体赋存的空间和孔壁表面吸附位，不利于页岩气的赋存。有机质石墨化导致的低电阻页岩部分仍具有较高的含气性，是由于其储层孔隙发育仍较好，且高石墨化程度有利于页岩气的吸附。高粘土导致的低电阻页岩含气性往往与地层水饱和度相关，当高粘土、高含水同时存在时，含气性往往不佳。高黄铁矿导致的低电阻页岩与含气性的相关性不强，其含气性差异大多由孔隙发育、保存条件、构造破坏等因素相关。

综上所述，川南地区龙马溪组页岩低电阻率的主控因素为地层水矿化度、有机质石墨化、粘土矿物。相比于常规电阻页岩，低电阻页岩孔体积往往更小，而比表面积发育较大。对于含气性来说，高含水、高粘土、高石墨化均不利于低电阻页岩中游离气的赋存，但部分低电阻页岩在高孔隙、中低含水的条件下仍可具有较好的含气性。