石文睿，张占松，黄梓桑，石元会，廖勇

（1.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室，湖北 武汉 430100；2.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500；3.中石化经纬有限公司，山东 青岛 266000）

0 引言

含气饱和度是页岩气储层评价中十分重要的参数，也是页岩气勘探选区中的一项重要指标[1]。含气饱和度的计算精度直接影响游离气含量的准确计算，同时对产能预测具有十分重要的影响[2-3]。

电法测井是饱和度评价的主流方法，特别是Archie模型[4]。随着储层越来越复杂，后人在Archie模型的基础上进行了发展和完善。针对含泥质砂岩储层，建立了不同的饱和度评价模型，比如层状泥质砂岩模型、Simandoux模型、Indonesian 模型、Total-shale模型、双水模型和有效介质模型等[5]。虽然这些模型是针对含泥质砂岩储层饱和度评价提出的，但其中一些模型在页岩气储层评价中也有所运用，比如在美国Marcellus气田页岩气饱和度评价中运用了Simandoux模型[6]，在中国建南气田页岩气饱和度评价中运用了Totalshale模型[7]。虽然传统的电法测井饱和度模型在这2个气田有较好运用，但是这类模型可能并不适用于低阻页岩气储层的饱和度评价。

根据电性特征，传统油层低阻分为2类：一类是绝对低阻，即电阻率绝对值小于 5 Ω·m[8]；另一类是相对低阻，即同一油水系统内电阻增大系数小于3，甚至小于2[9]。本文所探讨的页岩气储层低阻，是指地层骨架矿物导电造成储层或储层局部电阻率不高于同层或邻层非含气页岩电阻率的一种现象。Simandoux模型和Totalshale模型均基于Archie模型改进及发展而来，而这类模型成立的前提条件是仅有地层水导电，构成地层骨架的矿物不导电，含水饱和度和电阻率之间是唯一的对应关系。低阻页岩气储层可能由于骨架矿物导电，使得这类模型不适用于低阻页岩气储层饱和度评价。

针对涪陵地区五峰组—龙马溪组页岩气储层的低阻现象，本文以该地区焦石坝区块五峰组—龙马溪组页岩为研究对象，根据研究区取心井岩心分析资料、钻井地质资料、测井资料以及录井资料，建立了2种非电法测井含气饱和度方法，并以实例井进行了分析探讨，提高了低阻页岩气储层含气饱和度的计算精度，丰富了现有的饱和度测井计算方法。

1 研究区低阻页岩成因分析

1.1 地质概况

涪陵地区焦石坝区块位于四川盆地川东高陡褶皱带包鸾-焦石坝背斜带北缘，地层厚度分布见图1a，目的层五峰组—龙马溪组发育优质的海相笔石页岩[10-12]。根据研究区钻井地质资料、测井资料、录井资料及岩心观察，该页岩层段自下而上划分为3段9小层（见图1b，GR为自然伽马）。总有机碳质量分数（TOC）主要介于0.5%～8.5%，平均5.0%；热演化程度高，镜质组反射率（Ro）主要介于2.2%～3.8%，平均2.6%；矿物成分以石英和黏土矿物为主。研究区目的层处于有利生气阶段，但该区电阻率呈低阻现象，传统的电法测井饱和度模型不适用于该区块的评价。

图1 涪陵地区焦石坝区块地层厚度分布与划分剖面

1.2 低阻页岩成因分析

油气藏低阻现象的成因有多种，比如黄铁矿或磁铁矿等导电矿物发育、地层水矿化度过高、黏土矿物附加导电、围岩影响等[8，13]。 另外，地质构造作用、沉积环境与沉积相带作用等地质因素也可能对低阻油气藏的形成产生影响[9]。大多时候低阻现象不是单一因素所产生的，可能是多种因素共同作用的结果。

1.2.1 黄铁矿的影响

孙建孟等[14]研究页岩电阻率与黄铁矿质量分数间的关系发现：随着黄铁矿质量分数的增大，页岩电阻率有所下降，但当黄铁矿质量分数很低时，电阻率几乎没有受到影响，黄铁矿产生影响的最低质量分数约在4.0%。这是因为在页岩中黄铁矿呈分散态存在，只有达到一定质量分数时，才能成为连续相，对页岩的导电产生作用。

根据研究区A井五峰组—龙马溪组（2 330～2 415 m）X射线衍射（XRD）组分分析，黄铁矿在目的层广泛发育。进一步分析黄铁矿质量分数分布发现（见图2），黄铁矿质量分数在4.0%以上的占比很少，大多数层段的黄铁矿质量分数小于4.0%。因此，研究区黄铁矿发育是电阻率的影响因素，但并不是最主要的影响因素。

图2 A井五峰组—龙马溪组黄铁矿质量分数统计

1.2.2 黏土矿物的影响

张晋言等[15]研究了焦石坝区块五峰组—龙马溪组页岩低阻成因，认为黏土矿物附加导电是重要的影响因素，即黏土矿物中的蒙皂石吸附钻井液中的水膨胀，形成附加导电性。

从A井五峰组—龙马溪组XRD组分分析数据中，按照黄铁矿质量分数小于4.0%，且孔隙度和TOC尽量相近的原则，选出12组数据。分析发现：当黏土矿物质量分数大于46.0%时，电阻率随黏土矿物质量分数的增加才下降明显；当黏土矿物质量分数小于46.0%时，电阻率变化不明显（见图3）。进一步研究发现，黏土矿物质量分数在46.0%以上的数据点均位于⑧—⑨小层（2 330～2 353 m），优质页岩气层段①—⑤小层（2 377～2 415 m）的黏土矿物质量分数多小于40.0%，但依然存在低阻现象。因此，黏土矿物应不是最主要的影响因素。

图3 页岩电阻率与黏土矿物质量分数的关系

1.2.3 页岩石墨化的影响

研究认为，镜质组反射率增大到一定程度，会造成页岩石墨化，发生由离子向电子导电转化，从而可能导致电阻率降低[15-17]。研究区目的层的Ro在2.20%～3.80%，处于较高阶段。从电阻率（Rt）与Ro的关系可以看出，当Ro大于2.55%后，电阻率随Ro增加呈下降的趋势（见图4）。另外，研究也发现，Ro为2.80%的数据点的电阻率明显低于其他数据点。为探究该点数据明显低的原因，统计了各组Ro数据对应的黄铁矿、黏土矿物质量分数（见表1）。结果发现，各组Ro数据对应的黄铁矿质量分数均小于4.0%，但是Ro为2.80%的数据点的黏土矿物质量分数达到60.0%，明显高于其他数据点。该点应是受黏土矿物附加导电影响，使得电阻率明显低于其他数据点。

图4 页岩电阻率与镜质组反射率的关系

表1 镜质组反射率对应的黄铁矿、黏土矿物质量分数

另外，部分井段的岩心明显碳化、污手。从优质页岩气层段大量含气的情况分析，应是在气藏形成以后页岩逐渐石墨化。结合页岩Rt与Ro的关系，本研究认为，涪陵地区焦石坝区块五峰组—龙马溪组页岩气储层低阻现象的主要影响因素应是页岩石墨化，并且黄铁矿发育及黏土矿物附加导电也会对储层低阻现象产生一定的影响。研究区储层低阻是多种因素共同作用的结果。

2 低阻页岩气储层含气饱和度计算方法

2.1 研究区含气饱和度与常规测井参数关系

前面研究发现，研究区五峰组—龙马溪组页岩由于地层骨架矿物导电，使得Archie类电法测井饱和度模型不适用于该区块饱和度的评价。根据研究区3口井40个岩心分析数据样本，研究了含气饱和度（Sg）与常规测井参数的关系（见图5）。

图5 岩心分析含气饱和度与页岩气储层常规测井参数、孔隙度的相关性分析

研究结果发现：岩心分析含气饱和度除与岩性密度（DEN）具有较好的线性相关外，与测井参数——GR、中子孔隙度（CNL）、声波时差（AC）、Rt，以及储层参数——孔隙度（POR）的相关性均不明显。其中，Sg与DEN的相关指数（R2）为0.61，在含气饱和度计算要求较高的页岩气储层评价中，仅利用DEN拟合的含气饱和度公式显然并不适用。

因此，在常规测井参数拟合效果不理想的情况下，通过研究岩心分析含气饱和度与偶极阵列声波参数、TOC之间的关系，建立了2种含气饱和度计算方法。

2.2 利用横纵波时差比和DEN拟合含气饱和度的方法

受前人研究剩余油饱和度与声波弹性参数关系的启发[18]，考虑研究含气饱和度与偶极阵列声波参数的关系。纵波作为压缩波，在气体中能够传播，当储层含气时，纵波能量明显衰减，使得纵波传播速度大幅减小，则纵波时差大幅增大；横波作为剪切波，在气体中不能传播，遇到气层时变化不大。所以，横纵波时差比（RMSC，横波时差与纵波时差的比值）在储层含气时会下降，并且随含气饱和度的增加而下降明显。

研究发现，岩心分析含气饱和度与横纵波时差比之间也具有较好的相关性（见图6a），R2为0.63。在含气饱和度与RMSC，DEN均具有较好相关性的前提下，建立了含气饱和度与这两者的多元拟合方法，计算公式为

图6 Sg与RMSC，TOC相关性分析

2.3 基于TOC计算含气饱和度的方法

2.3.1 模型建立

页岩气藏作为“自生、自储”的一类气藏，有机质是页岩骨架的一部分。TOC既是页岩生气潜力的指示参数，又属于能够反映烃源岩有机质丰度的评价指标[19]。研究发现：岩心分析含气饱和度与TOC具有较好的相关性（见图6b），相关指数较高，R2为0.74，因此可以考虑利用TOC计算含气饱和度。

本文以含气饱和度与TOC的关系为基础，在考虑页岩TOC区域背景值的情况下，比照电阻增大系数法建立饱和度方法，计算公式为

式中：Sw为含水饱和度，%；nTOC为TOC饱和度指数；TOCb为页岩TOC区域背景值；TOCt为页岩气储层录井实测或测井计算的TOC。

2.3.2 nTOC确定

参照北美地区及四川盆地建南气田东岳庙段页岩气勘探实例[7，20]，以含气饱和度 50%为界划分页岩气层和含气层，将页岩气层的最小含气饱和度定义为0.5或50%，那么区域页岩气层测录井TOC最小值（TOCt，min）与TOCb的关系为

将式（4）两边求对数，得：

研究区页岩气储层中，气层最小含气饱和度对应的 TOCt，min=0.8%，TOCb=0.2%，则根据式（5）计算得出nTOC=2。

3 实例井验证与讨论

3.1 实例井验证

DA-E井是研究区的一口评价井。该井五峰组—龙马溪组自然伽马曲线呈高值，在130～250 API；深、浅侧向电阻率曲线明显低值显示，在8～75 Ω·m。

运用 Total-shale 模型、式（1）及式（3）分别计算含气饱和度，并与岩心分析含气饱和度进行了对比，结果见图7。

图7 DA-E井计算含气饱和度与岩心分析含气饱和度对比

从图7可以看出，本文建立的2种方法的计算结果均优于Total-shale模型，与岩心分析含气饱和度有更好的匹配。与Total-shale模型相比，基于TOC计算的含气饱和度曲线呈包络线形态，在电阻率异常值降低层段，该方法计算的含气饱和度并没有减小。

3.2 讨论

对比3种方法可以看出，在低阻页岩气储层含气饱和度的评价中，本文建立的2种方法优于传统的电法测井饱和度模型。但是，这2种方法也有一定的适用条件。

1）基于TOC计算含气饱和度的方法虽有很好的应用效果，但是TOC在测井中为间接计算所得，其准确性直接影响最终含气饱和度的计算精度。因此，通过测井资料精确计算TOC，或者通过地化录井仪准确测量获得TOC，则是该方法精确应用的前提。

2）利用RMSC和DEN拟合含气饱和度的方法，与基于TOC计算含气饱和度的方法相比，横波时差、纵波时差和DEN可直接测量，在丰富现有含气饱和度计算方法的同时，能够进一步挖掘偶极阵列声波测井资料的应用潜力。但是，该方法为经验拟合公式，因此有岩心分析含气饱和度数据是其应用的前提。

本文提供的2种方法中，基于TOC计算含气饱和度的方法不属于经验公式类方法，也适用于其他区块低阻页岩气储层含气饱和度评价，可以被广泛应用。

4 结论

1）页岩石墨化是涪陵地区焦石坝区块五峰组—龙马溪组页岩气储层低阻现象的主要成因，并且黄铁矿发育及黏土矿物附加导电也会对储层低阻现象产生一定的影响。研究区页岩气储层低阻是多种因素共同作用的结果。

2）本文建立的2种方法适用于研究区低阻页岩气储层含气饱和度的计算，计算结果更为精确，并与岩心分析含气饱和度有更好的匹配，优于Archie类电法测井饱和度模型在低阻页岩气储层的评价。

3）本文建立的2种含气饱和度计算方法具有相应的应用前提：利用RMSC和DEN拟合含气饱和度的方法适用于有岩心分析含气饱和度数据的区块，具有地区经验性；基于TOC计算含气饱和度的方法适用于TOC能精确获取的区块，并且该方法不受地区经验影响，在页岩气储层具有较好的普适性。