長寧地區龍馬溪組頁巖儲層低電阻率成因

王 瀅，何 嘉，寇一龍，周 昊

（1.中國石油川慶鉆探工程有限公司地質勘探開發研究院，四川成都 610051；2.中國石油西南油氣田分公司四川長寧天然氣開發有限責任公司，四川成都 610051）

中國頁巖氣資源已逐步進入大規模開發階段，四川盆地發育多套富有機質黑色頁巖，其下古生界沉積環境好、分布穩定、厚度大、范圍廣，品質與北美具有可比性［1］，具有較大的勘探開發潛力。其中龍馬溪組頁巖氣在威遠-長寧、昭通、涪陵礁石壩等地區形成了規?；a能［2-7］。四川盆地南部長寧地區龍馬溪組頁巖氣資源十分豐富、地質條件良好，2012 年被確定為國家級頁巖氣示范區，長寧地區頁巖氣勘探開發歷經了評層選區、先導試驗、示范區建設、深化評價與規模上產階段4 個階段［8］，實現了頁巖氣規模效益開發。目前，長寧地區在已普遍獲得較高含氣量的井區逐漸出現了含氣量微弱甚至不含氣的新完鉆評價井，研究發現這些微弱氣量的鉆井在龍馬溪組底部均存在低電阻率特征。電阻率間接反映了頁巖儲層的含氣性。最早低電阻率頁巖大規模出現在筇竹寺組，很多井的頁巖層段出現超低電阻率（＜2 Ω·m）特征。目前對頁巖儲層低電阻率成因的研究比較薄弱，中國還處于起步和探索階段。蔣珊等認為有機質石墨化是造成筇竹寺組頁巖超低電阻率的主要原因［9-12］。高和群等認為頁巖層低電阻率的主要影響因素包括高黃鐵礦含量和高黏土礦物含量、高頁巖成熟度、高地層水礦化度、高頁巖頁理（層間裂縫）發育程度等，這幾種影響因素大多同時存在并相互疊加［13-15］。筆者在前人的研究基礎上，基于長寧地區低電阻率頁巖特征，結合地震、構造及斷層期次、測井、巖心實驗等，對長寧地區頁巖儲層低電阻率成因和主要影響因素進行了分析和探討。

1 區域地質概況

長寧地區處在不同構造帶相互疊加、影響的區域，構造變形異常復雜。研究區構造存在兩大構造帶：一是北西西走向的構造帶，以長寧背斜及其東部區域以及北西區域的天宮堂背斜為代表；二是北東走向的構造帶，主要分布在長寧頁巖氣勘探區塊的中部羅場向斜、雙龍向斜，為華鎣山褶皺帶西傾伏段的延伸，平面上呈線狀分布，前后翼傾角較大。

在長寧地區南部，向北西方向的擠壓仍然存在，源自大婁山的北西向擠壓造成山前多條逆沖斷層的發育，斷層由基底高角度向上往北西方向逆沖，在長寧背斜南側的建武向斜北西、南東兩側形成了北東向背斜變形，北東向與北西向雙側擠壓作用的綜合結果，形成了現今短軸狀的建武向斜。在建武向斜的北西前陸方向，滑脫斷層依次出現逆沖或反沖過程，導致推覆褶皺帶的出現，形成了樓東背斜（圖1）。

龍馬溪組是長寧地區頁巖氣勘探開發的主要目的層。龍馬溪組劃分為龍二段和龍一段共上下兩段。在龍一段內部，自下而上可劃分出龍一1亞段和龍一2亞段。在龍一1亞段內部，根據電性特征自下而上劃分出龍一11、龍一12、龍一13、龍一144 個小層（表1）。長寧地區商業頁巖氣井的主力產氣層段為龍一1亞段。

表1 長寧地區龍馬溪組地層劃分Table1 Stratigraphic division of Longmaxi Formation in Changning area

2 低電阻率頁巖儲層特征

研究區低阻4 井、低阻2 井在龍馬溪組底部相繼鉆遇頁巖，低阻4井電阻率為10 Ω·m左右，低阻2井自龍一13開始電阻率低于1 Ω·m，含氣性受到極大破壞，低阻2 井封井，低阻4 井日產氣量為19×104m3/d。隨后又相繼鉆了低阻3、低阻H11-5、低阻H9-1等低電阻率井，其中低阻H11-5井和低阻H9-1 井試油為干層。在研究區建武向斜開發井也存在部分水平段低電阻率的現象，日產氣量受影響（均小于25×104m3/d）。低電阻率井的出現嚴重阻礙了頁巖氣的勘探開發。筆者將研究區龍馬溪組底部儲層電阻率為2～20 Ω·m 的定義為低電阻率，底部儲層電阻率低于2 Ω·m 的定義為超低電阻率，有機質石墨化是造成頁巖儲層超低電阻率的主要原因。本次研究主要針對長寧地區頁巖儲層低電阻率的成因進行分析。

2.1 分布特征

研究區頁巖儲層出現低電阻率的評價井主要分布在天宮堂背斜、雙龍-羅場向斜、建武向斜以西（圖1，表2），建武向斜31 口水平井呈局部水平段（平均長度為630 m）低電阻率的特征，日產氣量平均為19×104m3/d。

表2 長寧地區頁巖儲層低電阻率評價井龍13—龍11平均電阻率及日產氣量統計Table2 Average resistivity and daily gas production of Long13-Long11 Sublayers shale reservoirs in low resistivity evaluation wells in Changning area

2.2 電性特征

研究區龍二段電阻率正常，均大于20 Ω·m，從龍一段開始，電阻率逐步降低，自龍一13開始，電阻率呈現大幅度降低，均小于20 Ω·m。其中低阻2、低阻3、低阻9 井自龍一13開始電阻率極低，均為2 Ω·m 左右，甚至更低（表3）。電阻率極低的低阻2井測井電阻率曲線呈顯著的“細脖子型”特征，龍一2電阻率平均為12.82 Ω·m，龍一14電阻率平均為2.59 Ω·m，龍一13至龍一11電阻率基本小于0.3 Ω·m，呈箱狀低阻，電阻率與總有機碳含量（TOC）呈負相關（圖2）。

圖2 低阻2井龍13—龍11電阻率與TOC關系Fig. 2 Relationship between resistivity and average TOC of cores ofLong13-Long11 Sublayers in low resistivity Well2

表3 長寧地區龍馬溪組頁巖儲層低電阻率評價井平均電阻率Table3 Resistivity of Longmaxi Formation shale reservoirs in low resistivity wells in Changning area Ω·m

據數據統計，頁巖儲層龍13—龍11電阻率平均為2 Ω·m 以下的井，均不產氣，龍13—龍11電阻率平均為5 Ω·m 以上的井，具產氣能力（圖3）。其中低阻10 井電阻率高于5 Ω·m，但孔隙度低，含水飽和度高，儲層含氣性差，導致產微氣且產水。

圖3 長寧地區龍13—龍11平均電阻率柱狀圖Fig. 3 Histogram of average resistivity of Long13-Long11 Sublayersin Changning area

2.3 物性特征

2.3.1 孔隙度和含氣性

由評價井平均孔隙度、含氣量和含氣飽和度（表4，圖4—圖6）可知，電阻率與含氣飽和度正相關，相關系數達0.76，說明儲層含氣性影響電阻率?？紫抖鹊陀?.2%，含氣量低于2.0 m3/t，含氣飽和度低于60%的低電阻率井，含氣性被破壞，均不具產氣能力；孔隙度高于4.2%，含氣量高于2.0 m3/t，含氣飽和度高于60%的低電阻率井，含氣性受影響但未被破壞，具產氣能力。

圖6 長寧地區龍13—龍11電阻率與巖心平均含氣飽和度散點圖Fig. 6 Scatter plot of resistivity and average gas

表4 長寧地區評價井物性參數Table4 Physical parameters of evaluation wells in Changning area

圖4 長寧地區龍13—龍11電阻率與巖心平均孔隙度柱狀圖Fig. 4 Histogram of resistivity and average porosity of cores from Long13-Long11 Sublayers in Changning area

圖5 長寧地區龍13—龍11電阻率與巖心平均含氣量柱狀圖Fig. 5 Histogram of resistivity and average gas content of cores from Long13-Long11 Sublayers in Changning area

2.3.2 錄井全烴含量

長寧地區不具產氣能力的低電阻率井的全烴含量均低于2%，變化范圍為0.19%～1.62%，平均為0.78%。具產氣能力的低電阻率井全烴含量高于2%，變化范圍為2.36%～13.9%，平均為6.58%。具產氣能力的正常電阻率井全烴含量高于2%，變化范圍為2.11%～16.08%，平均為7.388%（圖7）。

圖7 長寧地區龍13—龍11平均全烴含量散點圖Fig. 7 Scatter plot of average total hydrocarbon ofsaturation of cores from Long13-Long11 Sublayers in Changning area Long13-Long11 Sublayers in Changning area

3 低電阻率成因分析

3.1 與距斷層距離有關

研究區已鉆水平井顯示，水平段越靠近斷層，電阻率有下降的趨勢（圖8），斷層是引起電阻率降低的主要因素。常9H16-4 井位于寧39 號斷層下盤，在寧39 號斷層消失處，斷距較小，為25 m，為正常電阻率井，水平段電阻率由65 Ω·m 降低至31 Ω·m，平均為51 Ω·m，越靠近斷層，電阻率越低，相關系數為0.929 5。常H28-2井位于寧39號斷層下盤，在寧39 號斷層中部，斷距較大，為110 m，水平段電阻率由50 Ω·m 降低至13 Ω·m，平均為29 Ω·m，越靠近斷層，電阻率越低，其中有350 m 水平段電阻率低于20 Ω·m，電阻率與井至斷層距離呈明顯正相關，相關系數為0.973 1。寧39號下盤水平井電阻率分布表明，越靠近斷層，電阻率越低，斷距影響電阻率基值和低電阻率波及范圍，斷距越大，電阻率基值越低，低電阻率波及范圍越大。

圖8 低電阻率水平井的分布及電阻率與距斷層距離關系Fig. 8 Relationship between resistivity and distance to faults

研究區斷層下盤對電阻率的影響大于上盤，如羅場向斜與建武向斜之間，褶皺強烈，構造受斷層控制，區內發育北東向斷裂體系，多條斷層斷距大、延伸長。其中羅7 號斷層最大斷距為510 m，寧175號斷層最大斷距為200 m（圖9）。羅7 號、寧175 號斷層下盤受擠壓應力集中，含氣性破壞較嚴重，導致頁巖儲層低電阻率，下盤低阻2 井巖心掃描電鏡下有機孔不發育，孔隙度較低，為1.19%（圖10）。羅7 號斷層下盤低阻3、低阻4 井巖心照片可見明顯強應力作用下形成的擦痕及復雜網狀縫等（圖11），下盤低阻3 井距羅7 號斷層斷距510 m 處長度為1 000 m，電阻率為1.93 Ω·m，下盤低阻H11-5 井距離寧175 號斷層斷距200 m 處長度為800 m，電阻率為1 Ω·m，試油均為干層；上盤受擠壓有張力釋放，受力相對較小，可能存在下盤天然氣向上盤運移，電阻率相對更高。常17 井位于寧175 號、羅7 號斷層的上盤，電阻率為22.63 Ω·m，為正常電阻率井，弱擠壓作用，有利于原生孔隙保留，巖心掃描電鏡下有機孔發育，巖心孔隙度為4.2%（圖12），測試日產氣量為11.12×104m3/d，自2019 年5 月投產以來，已累積產氣量為6 165.21×104m3，產氣情況較好。

圖9 過羅7、寧175號斷層地震剖面Fig. 9 Seismic profile of Luo7 and Ning175 faults

圖10 低阻2井巖心掃描電鏡下有機孔分布Fig. 10 SEM images of organic pores in low resistivity Well2

圖11 羅7號斷層下盤低電阻率井巖心照片Fig. 11 Core photos of low resistivity wells in footwall of Luo7 fault

由圖1 和表4 可知，研究區所有低電阻率井多位于斷層附近，由此認為頁巖儲層低電阻率原因與斷層有關。大型斷層強烈的破碎作用對頁巖氣保存條件具有明顯的破壞作用，強烈的構造變形造成頁巖氣儲層及頂板和底板裂縫發育，導致頁巖氣散失［16-19］。斷層的擠壓作用破壞儲層含氣性，導致電阻率相對較低。巖心掃描電鏡顯示，正常井常17井有機孔形態總體完整，未發生大規模壓實、坍塌（圖12），而在雙龍-羅場低電阻率井低阻2 井有機孔被斷層擠壓，出現孔隙被壓實，發育大量扁平孔（圖10），孔隙中氣體散失、含水飽和度增高，導致低孔隙度，推測強構造運動對頁巖氣成藏有破壞作用，電阻率偏低。

圖12 常17井巖心掃描電鏡下有機孔分布Fig. 12 SEM images of organic pores in cores from Well Chang17

3.2 與斷層期次有關

研究區五峰組沉積時期地層整體呈西南高、東北低的古地貌特征，后期經歷加里東期、海西期、印支期、燕山期、喜馬拉雅期等多次改造，五峰組-龍馬溪組的斷層非常發育，規模大小不等，斷層走向也呈多組系展布。

加里東期南北向擠壓形成的近東西向斷層影響頁巖儲層含氣性但未造成破壞（圖13）。研究區建武向斜所有低電阻率水平井均分布在加里東期形成的斷層下盤，影響產氣量，斷層上盤頁巖氣富集，高產氣井眾多（圖13，圖14）。

圖13 建武向斜斷層活動期次Fig. 13 Faulting stages in Jianwu syncline

圖14 加里東期斷層天然氣運移模式Fig. 14 Natural gas migration model of Caledonian faults

加里東期研究區建武向斜內斷層下盤附近的頁巖儲層因受斷層影響，部分天然氣運移散失，地層水進入斷層產生的裂縫中，水在近距離向構造低部位聚集，導致斷層下盤附近頁巖儲層低電阻率，井產氣量受損；斷層上盤的頁巖儲層由于應力釋放，在相對構造高部位形成大面積的構造裂縫帶，不同級別的斷層系統在空間上既可以構成復式輸導通道，又可以形成大規模斷縫儲集體，斷層下盤部分天然氣沿著斷層運移至上盤，有利于上盤天然氣的富集，斷層上盤附近實施井均獲得高產氣量。寧56 號斷層下盤附近低電阻率井測試日產氣量平均為20.2×104m3/d，上盤附近水平井測試日產氣量為33.6×104m3/d，通過低電阻率井段長度、電阻率、產能與相鄰正常井對比分析，下盤低電阻率井電阻率小于20 Ω·m 條件下每100 m 水平段長度損失日產氣量約為1.0×104m3/d，單井平均損失日產氣量為6.7×104m3/d，下盤損失的天然氣運移至上盤，致使上盤附近水平井產氣量高。研究區建武向斜所有低電阻率井均受加里東期形成的斷層影響。

喜馬拉雅中晚期形成的北東向斷層破壞頁巖儲層含氣性，如雙龍-羅場向斜的鷹1、鷹2、燈1、燈2、羅7等斷層（圖1），這些斷層均發育在喜馬拉雅中晚期，規模較大，基本都是一級斷層。天宮堂背斜、雙龍-羅場向斜、建武向斜以西所有低電阻率井均與喜馬拉雅中晚期形成的北東向斷層有關。

低阻10 井磷灰石裂變徑跡測量和熱演化史分析表明（圖15），新生代早期距今50～45 Ma 開始緩慢抬升，直至距今30～25 Ma 以來逐漸發生中等速率抬升剝蝕，結合周邊井斷層分布情況認為宮1 號斷層可能在喜馬拉雅早中期，尤其是距今10 Ma 以來發生快速抬升剝蝕，總體導致地表抬升剝蝕量達3 500～4 000 m。宮1 號斷層被鷹1、鷹2 號斷層截斷（圖1），說明鷹1、鷹2 號斷層發育時期更晚，鷹1、鷹2 號斷層可能發生在喜馬拉雅中晚期，破壞性更大。天宮堂背斜評價井距鷹2號斷層距離與電阻率呈明顯正比關系（圖16），相關系數達0.977 9，說明鷹2號斷層影響天宮堂背斜頁巖儲層電阻率。因此天宮堂背斜、雙龍-羅場向斜所有低電阻率井均受喜馬拉雅中晚期形成的北東向的斷層影響。

圖15 低阻10井熱演化史分析（據文獻［19］修改）Fig. 15 Thermal evolution history of low resistivity Well10（Modified by Reference［19］）

圖16 天宮堂背斜評價井距鷹2號斷層距離與電阻率關系Fig. 16 Relationship between distance to Ying2 fault and resistivity of evaluation well in Tiangongtang anticline

3.3 與斷層附近含水飽和度增高有關

對電阻率影響較大的還有一個因素是存在于頁巖氣儲層中的地層水。建武向斜低電阻率井均分布在斷層附近微裂縫發育處（圖17）。斷層附近的井鉆遇的微裂縫較發育，頁巖儲層儲存較多水分，增強導電能力，降低電阻率。從見氣返排率和氣量最高返排率（表5）可知，建武向斜低電阻率水平井返排率明顯高于正常電阻率水平井。天宮堂背斜低阻10 井靠近宮1 號斷層，巖心含水飽和度為61.6%，返排率達103.11%，證實產水（折算日產水量為12.7 m3/d）。由圖6 可知，儲層含氣飽和度與電阻率呈正比，含氣飽和度越高，電阻率越高，低電阻率不產氣井的含水飽和度高，證明了研究區部分井存在低電阻率原因是因為靠近斷層附近的頁巖儲層含水飽和度增高引起電阻率降低。

圖17 建武向斜螞蟻體裂縫預測Fig. 17 Ant-tracking based prediction of fractures in Jianwu syncline

表5 建武向斜水平井見氣返排率和氣量最高返排率Table5 Gas breakthrough flowback rate and maximum gas flowback rate of horizontal wells in Jianwu syncline

4 結論

長寧地區低電阻率評價井電阻率為0.20～15.92 Ω·m，龍二段電阻率正常，均大于20 Ω·m，從龍一段開始，電阻率逐步降低，自龍一1 3開始，電阻率呈現大幅度降低，均小于20 Ω·m。測井電阻率曲線呈顯著的“細脖子型”特征，電阻率與總有機碳含量呈負相關。研究區低電阻率頁巖儲層的產氣能力特征為，電阻率相對較高（＞5 Ω·m），全烴含量正常（＞2%），孔隙度較高（＞4.2%），含氣量較高（＞2.0 m3/t），含氣飽和度高（＞60%）。龍馬溪組頁巖儲層低電阻率成因與斷層有關，斷層的擠壓破壞儲層含氣性，導致低電阻率，斷層下盤對電阻率的影響大于上盤，斷層下盤頁巖儲層易出現低電阻率，斷層上盤電阻率正常。另外與斷層期次有關，建武向斜低電阻率頁巖儲層受加里東期形成的斷層影響，下盤儲層部分天然氣運移散失，地層水進入斷層產生的裂縫中，水在近距離向構造低部位聚集，導致斷層下盤附近頁巖儲層低電阻率，實施井產氣量受損，而上盤儲層天然氣富集，實施井均獲得高產氣量。下盤低電阻率井電阻率小于20 Ω·m 水平井段每100 m 長度損失日產氣量約為1.0×104m3/d，單井平均損失日產氣量為6.7×104m3/d，下盤損失的天然氣運移至上盤，導致上盤附近水平井產氣量高。天宮堂背斜、雙龍-羅場向斜、建武向斜以西所有低電阻率井均受喜馬拉雅中晚期形成的北東向斷層影響。研究區部分井存在低電阻率原因是因為靠近斷層附近的頁巖儲層含水飽和度增高引起電阻率降低。