川南地區龍馬溪組頁巖復電阻率頻譜特征分析

賈將,趙軍,巫振觀,焦世祥,賴強

(1.西南石油大學地球科學與技術學院,四川成都610500;2.中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院,四川成都610051)

0 引 言

作為非常規油氣資源的重要組成部分,頁巖氣資源已逐步成為中國能源供給的重要保障。中國頁巖氣資源儲量豐富,勘探開發前景廣闊,四川盆地是中國頁巖氣資源勘探開發的主戰場[1]。根據中國石油天然氣集團有限公司2017年油氣資源評估,四川盆地4 500 m以淺頁巖氣資源量為21.73×1012m3,目前頁巖氣有利區域面積達2×104km2,可采資源量達10×1012m3[2]。龍馬溪組頁巖是目前四川盆地頁巖氣的主力產層,在威遠-長寧、昭通、涪陵礁石壩等地區已經形成了規?；a能[3-5]。

電阻率是頁巖含氣性的重要指示信息,但由于四川盆地龍馬溪組頁巖低阻現象頻發[6-7],常規單頻電阻率在儲層參數評價中應用效果不夠理想。相比于常規單頻電阻率,復電阻率頻譜蘊含了更多的儲層參數信息[8-9],是近年來電學巖石物理實驗研究的熱點。Xu等[10]將頁巖的復電阻率頻譜(10-2～104Hz)應用到頁巖甜點的參數預測中。翟剛毅等[11]探究了威遠地區頁巖在10-3～102Hz頻帶內復電阻率頻譜與巖相、脆性、礦物含量和黃鐵礦等儲層參數的關系。竇春霞等[12]對龍馬溪組頁巖在0.1 Hz～100.0 kHz范圍內的復電阻率頻譜開展了實驗,探究了水礦化度對頁巖復電阻率頻譜的影響。

巖石內部產生的各種極化現象是巖石復電阻率頻散的成因,不同研究頻段對巖石復電阻率頻譜產生影響的極化機制不相同[13]。該研究針對川南地區10塊龍馬溪組頁巖巖心樣品在40 Hz～110 MHz頻段內的復電阻率頻譜進行了測量,結合巖心核磁共振實驗討論了四川盆地龍馬溪組頁巖的頻譜特性及其與孔隙結構的關系。

1 實驗方案設計

1.1 樣品性質

從野外露頭區域采集了10塊龍馬溪組頁巖柱塞狀樣品,樣品緊密相鄰采集,可以認為它們具有相似的物性。利用樣品取樣處的巖屑進行X射線衍射(X-ray diffraction,XDR)分析,結果如圖1所示,樣品的主要成巖礦物為石英和白云石(分別占比31.02%和23.87%),含少量長石。樣品黏土礦物含量較高,其中以伊利石為主(19.65%),其余黏土礦物含量較少,含量均低于1.00%。根據XDR的分析結果,可以利用體積模型估算出巖石的骨架密度約為2.757 g/cm3。

圖1 樣品的礦物組分及含量

1.2 實驗方案

實驗樣品被分為2組,第1組含有7塊樣品,編號分別為A1～A7,第2組共3塊樣品,編號分別為B1～B3。所有樣品經過自然風干后,用不同濃度的NaCl溶液對第1組樣品浸泡7 d(見表1)。對第2組樣品先抽真空處理48 h,再用礦化度為5 000 mg/L的NaCl溶液在2 000 psi的壓力下進行加壓飽和7 d。

測量第1組樣品在飽和后的復電阻率頻譜,借以分析地層水礦化度對樣品復電阻率頻譜的影響。第2組樣品采用抽真空后加壓飽和的方式,使用的溶液礦化度與第1組中A3樣品的礦化度一致。理論上,抽真空加壓飽和能使水更容易進入微小孔隙,因此,對比第2組樣品與A3樣品的復電阻率特征,可以分析飽和方式對復電阻率頻譜的影響,并幫助了解樣品的孔隙結構特征。所有樣品在進行復電阻率頻譜測量的同時,開展核磁共振T2譜測量,借以分析樣品的孔隙結構特征及其對復電阻率頻譜的影響。

表1 樣品的物性參數信息表

1.3 核磁共振T2譜和復電阻率頻譜測量

在以不同的方式進行飽和后,對樣品進行核磁共振T2譜測量。測量所使用的設備為Magritek公司的2 MHz巖心核磁共振測試儀。對采集的回波數據進行反演分析得到樣品的T2分布譜與核磁共振孔隙度,反演設置的T2時間從0.01 ms 到40 000 ms,共100個對數時間間隔。

經T2譜測量后,立即對樣品開展復電阻率測量,以盡量保證核磁共振和復電阻率測量的樣品具有一致的含水情況。測量復電阻率使用二極法配合阻抗分析儀實現,使用的阻抗分析儀為Agilent 4294A型阻抗分析儀。測量頻率為40 Hz～110 MHz,測量模式為Cp-Rp模式,Cp為測量樣品的等效并聯電容,Rp為等效并聯電阻。利用公式(1)將Cp和Rp轉換為復阻抗及其實部和虛部,并利用樣品尺寸信息轉換為復電阻率的實部和虛部。

(1)

式中,Z*為樣品的復阻抗,Ω;Z′和Z″分別為其實部和虛部;j為虛數單位;ω為角頻率,rad(1)非法定計量單位,1 rad=(180/π)(°),下同/s。

2 數據處理原理與方法

2.1 數據處理原理

采用Cole-Cole模型[14]對樣品的電頻譜數據進行擬合表征。Cole-Cole模型被廣泛用于多孔介質的電頻譜數據擬合,在地球物理領域,模型參數被用來評價儲層參數[15]。

(2)

式中,R*(ω)為樣品的復電阻率,Ω·m;R0為頻率為0時的樣品電阻率,Ω·m;m為極化率;τ為弛豫時間常數,ms;c為頻率系數。

如果電介質的阻抗譜符合Cole-Cole模型表達的規律,那么根據其阻抗譜繪制的Cole-Cole圖(實部與虛部的交會圖)會呈現圓弧特征。在圓弧對應的圓心坐標O(a,b)和半徑r確定的情況下,R0可以從曲線與橫軸的右交點直接得到。

(3)

式中,a和b分別為圓弧對應圓心O的橫縱坐標。

在其他模型參數不變的情況下,不同m值的對應模型曲線與橫軸交于不同的左交點。m可以用弧線的弦長(弧線與橫軸左右交點值之差)與R0的比值得到。

(4)

在其他模型參數不變的情況下,不同的c對應的Cole-Cole模型曲線具有不同的曲率半徑,在弦長不變的情況下,這些曲線對應著不同的弧長。圓弧對應的圓心角與π的比值即為頻率系數。在圓弧對應的圓心坐標O(a,b)和半徑r確定的情況下,可以用下面的公式計算頻率系數。

(5)

R0和m決定了曲線左右交點的位置,c決定了曲線的曲率。這3個參數決定了曲線的形態特征,在這3個參數固定的情況下,弛豫時間的變化并不影響曲線的形態特征。然而,弛豫時間常數決定了圓弧最低點對應的頻率(fc)并與之存在式(6)的關系。

(6)

(7)

圖2 B3樣品的復電阻率頻譜Cole-Cole圖

2.2 數據處理

巖石的復電阻率頻散是因為其在交變電場作用下產生了極化效應,富含黏土頁巖的極化機制是復雜的。如圖2所示,B3樣品測量數據對應的曲線表現出了3個明顯的圓弧形態,考慮到低頻段和高頻段極化對應的圓弧不夠完整,為確保擬合結果的準確性,對中間較為完整的圓弧段進行擬合處理(見圖3),避免首尾不完整頻散特征對分析結果造成影響,數據處理步驟如下。

(1)利用測量數據繪制Cole-Cole圖;

圖3 B1樣品的復電阻率頻譜Cole-Cole圖及擬合結果

(2)利用半圓公式對數據進行擬合,提取圓弧對應的圓心坐標和半徑;

(3)根據圓心坐標和半徑,計算R0和R∞;

(4)根據式(4)～式(7)計算其他Cole-Cole模型參數。

在計算τ時,找到虛部最小值所對應的數據點及其左右相隔10個數據間隔的2個點,分別單獨計算3個τ值,再取其平均值作為最后結果。

3 測量結果分析

3.1 樣品復電阻率頻譜特征

如圖4所示,所有樣品的復電阻率在研究頻段內均呈現出了明顯頻散特征,在1 kHz～1 MHz頻帶的頻散最為明顯。由單一極化機制引起的復電阻率頻散特征表現:隨著頻率的增大,實部電阻率單調遞減而虛部電阻率呈現先減小后增大的趨勢,實部電阻率斜率的極值(減小最快的位置)與虛部電阻率的極小值(曲線形態的谷底位置)相對應。

在頻率接近測量頻率的上限和下限時,樣品的實部電阻率并未趨于平緩,依舊保持連續減小的趨勢,但虛部電阻率未再出現極小值。這表明,在研究頻段內,樣品存在3種極化機制,除了1 kHz～1 MHz頻帶最為明顯的頻散特征外,實驗測量還觀測到2種其他頻散機制造成的電阻率頻散特征,但該研究的測量頻帶并未完整覆蓋其作用頻帶。對應的,在利用樣品復電阻率頻譜繪制的Cole-Cole圖上,可以觀測到3段圓弧特征,但首尾兩端的圓弧特征均不完整(見圖5)。Connolly等[16]使用與該研究相同的測量頻帶研究了頁巖的阻抗特征,同樣觀察到了3種極化現象。為了確保研究成果的準確性,該文僅針對樣品復電阻率頻譜中間呈現的完整圓弧段進行擬合,最終擬合結果見表2。

圖4 樣品的復電阻率頻譜特征

圖5 樣品復電阻率頻譜的Cole-Cole圖

表2 樣品復電阻率頻譜擬合結果

3.2 樣品復電阻率頻譜影響因素分析

(1)地層水礦化度和樣品飽和方式。圖6為A組樣品復電阻率頻譜擬合得到的Cole-Cole模型參數與浸泡溶液礦化度的關系,各項參數與礦化度之間均未呈現出明顯的規律。這是由于樣品中的溶液主要為原生的束縛水,浸泡使用不同礦化度的溶液進入頁巖孔隙的空間十分有限。因此,該研究中溶液礦化度對頁巖樣品復電阻率頻譜的影響十分有限。這一點可以從圖7中A3樣品和B組樣品的T2譜分布特征差異得到印證。

圖6 樣品復電阻率頻譜的Cole-Cole模型參數與礦化度的關系

圖7 孔隙水溶液礦化度相同的4塊樣品的T2譜分布

與B組樣品一樣,A3樣品在飽和時使用的溶液礦化度也為5 000 mg/L,但使用的飽和方式不同。A3樣品是通過浸泡的方式對樣品進行飽和,而B組樣品都是在抽真空后用2 000 psi的壓力進行加壓飽和。從圖7可見,通過加壓飽和的B組樣品能獲得更高的含水孔隙度,B組樣品增加的含水孔隙度在T2譜上主要體現在T2>0.4 ms的區域,在T2<0.4 ms的區域,4塊樣品的T2譜形態并無明顯差異。這些部分對應的孔隙流體占有的T2譜分量不受飽和方式的影響,因此,實驗采集的樣品在飽和之前可能含有一定量的黏土束縛水,小于0.4 ms的T2譜主要由這些束縛水產生貢獻。相比于浸泡飽和,加壓飽和可以使水溶液更多地進入頁巖微孔隙,這些孔隙在T2譜上體現為T2>0.4 ms。

(2)含水孔隙度和孔隙結構。B組樣品與A3樣品實驗使用的地層水礦化度一致,從圖5可見,含水孔隙度更小的A3樣品的零頻電阻率R0明顯大于B組樣品,這與常規的巖電實驗規律吻合。此外,A3樣品的虛部極小值也遠小于B組樣品。巖石復電阻率的實部反映了巖石的電阻特征,虛部反映了巖石的電容特性。與巖石的電阻特性一樣,電容特性也隨著樣品含水量的增加而不斷增強。

Jia等[17]對人工純砂巖樣品的復電阻率頻譜數據進行分析,發現不同飽和度條件下樣品的復電阻率頻譜實部(該文使用1 kHz時的復電阻率頻譜實部)與虛部極小值之間呈現接近完美的線性關系,擬合線的斜率與樣品孔隙度和滲透率有關。如圖8所示,該研究使用4塊含水孔隙度各異且礦化度均為5 000 mg/L的樣品的虛部電阻率極小值與R0之間,同樣也具有良好的線性關系。并且,考慮其他礦化度樣品后,這樣的規律依舊存在且形態幾乎不變。因為這些樣品的采集位置十分接近,可以認為他們具有相同的物性特征。因此,含水孔隙度的變化會同步影響巖石復電阻率頻譜的實部和虛部,低頻實部和虛部極小值之間會呈現接近完美的線性相關性。

圖8 樣品復電阻率頻譜的虛部極小值與R0的相關性

忽略水溶液礦化度的影響,樣品復電阻率頻譜Cole-Cole模型參數與含水孔隙度之間均呈現良好的負相關性(見圖9)。頻率系數c和R∞與核磁共振孔隙度之間呈現了良好負線性相關性,后期可以嘗試利用這2個模型參數進行頁巖的含水孔隙度評價,但是還需要進一步開展針對性的實驗研究。

圖9 樣品復電阻率頻譜的Cole-Cole模型參數與核磁共振孔隙度的關系

(3)孔隙結構。圖6中有2個明顯的異常點值得引起注意,分別是A2樣品(1 000 mg/L)和A5樣品(15 000 mg/L)。A2樣品的R0、m和τ都明顯高于其他樣品,而A5樣品的所有模型參數都分別小于其他樣品。圖9中也能觀察到A2樣品的數據點較為突兀,影響了Cole-Cole模型參數與含水孔隙度的相關性。

圖10為A2、A5和A4(代表其他A組樣品)3塊樣品的核磁共振T2譜,3塊樣品的T2分布均表現出了多峰分布特征,其中又以小于10 ms的低峰特征最為突出,表明樣品的孔隙以微孔為主。A5樣品的T2分布呈現三峰特征且相對靠右,表明其孔徑略大于A組其他樣品,因此,在同樣采用浸泡飽和的方式下,A5樣品獲得了更大的含水飽和度。在圖6中,A5樣品數據點異常是其含水飽和度異常增大造成的,含水孔隙對復電阻率頻譜的影響掩蓋了該研究中水礦化度的影響。

圖10 樣品復電阻率頻譜的Cole-Cole模型參數與核磁共振孔隙度的關系

A2樣品的T2分布呈現了雙峰特征,長T2部分的峰很小。這表明,相比于其他樣品,A2樣品的孔徑小且分布均質性更強,孔隙對應的T2譜集中在小于10 ms的部分。A2樣品的總含水孔隙度大于A4樣品,但T2>10 ms對應的含水孔隙分量卻低于A4樣品。因此,A2樣品對應的R0比其他樣品更高,這是由于其含水孔隙度小和孔徑小共同導致的。忽略A2樣品的影響,圖1中含水孔隙度和τ之間具有良好的負相關性。這表明,含水孔隙度和孔徑分布都會對樣品的弛豫時間產生影響。

A2樣品復電阻率頻譜的弛豫時間常數遠大于其他樣品,而A5樣品的弛豫時間常數遠小于其他樣品。這意味著,弛豫時間常數的大小能夠反映樣品孔徑的大小。Klein等[18]在人工砂巖樣品的電頻譜實驗中也發現了類似的實驗規律。因此,復電阻率頻譜的弛豫時間常數也有望應用于頁巖孔隙結構的評價中,為此需要開展更多的針對性實驗進行深入探索。

綜合看來,完整的中間頻散段對應的極化機制應為界面極化,其響應特征的主要受控因素是含水孔隙度和孔隙結構特征。因此,在研究頻段內的界面極化是龍馬溪組頁巖復電阻率頻散的主要機制。

4 結 論

(1)對從野外露頭密集采集的10塊龍馬溪組頁巖樣品開展40 Hz～110 MHz頻帶的復電阻率頻譜實驗及配套的核磁共振T2譜測量。實驗結果表明,樣品孔隙空間以微孔隙為主,對T2譜中T2<10 ms的區域貢獻突出,樣品或含大量黏土束縛水。抽真空后加壓飽和可以輕微增加樣品的含水孔隙度,增加的含水孔隙在T2譜上主要在0.4～10 ms區間。

(2)樣品在研究頻段內受3種極化機制影響,表現出3段頻散特征。提取頻散特征較為完整的中間頻散段用Cole-Cole模型進行擬合,避免了首尾不完整頻散特征的影響。完整的中間頻散段頻散特征的主要受控因素為含水飽和度和孔徑分布,對應的極化機制應為界面極化。

(3)由于樣品孔隙以微孔為主,實驗使用的飽和方式使樣品的進水量十分有限,地層水礦化度對樣品復電阻率的影響在該實驗中未得以體現。樣品復電阻率頻譜的虛部極小值與R0之間具有良好的線性關系,頻率系數c和R∞與核磁共振孔隙度之間呈現了良好負線性相關性。弛豫時間常數的大小受到樣品孔徑大小和含水孔隙度的共同影響,在孔徑分布變化不大時,弛豫時間常數與含水孔隙度呈負相關關系。