摘 要

　　　　　　　——以四川盆地南部地区下寒武统筇竹寺组页岩为例摘　要：寻找一种能够有效表征海相页岩有机质碳化现象的可靠证据，是当前开展古老地层页岩气选区面临

　　　　　　　——以四川盆地南部地区下寒武统筇竹寺组页岩为例

摘　要：寻找一种能够有效表征海相页岩有机质碳化现象的可靠证据，是当前开展古老地层页岩气选区面临的重大科学问题。为此，以钻井岩心、测井和分析化验资料为基础，通过对比分析四川盆地南部地区下寒武统筇竹寺组、下志留统龙马溪组2套富有机质页岩的电性特征，探索研究了筇竹寺组页岩有机质碳化现象及其对页岩气赋存条件的影响。获得以下认识：①电性实验证实，川南地区筇竹寺组富含有机质页岩已出现有机质碳化特征，根据极高成熟度、富有机质页岩的干岩样低电阻率特征和井下超低电阻率测井响应特征，能够直观判断有机质的碳化程度、评价烃源岩质量；②川南南部长宁地区筇竹寺组页岩表现为干样低电阻率和低一超低测井响应特征，有机质已出现严重碳化现象，威远地区筇竹寺组页岩电阻率曲线基本正常，石墨化程度介于龙马溪组和长宁筇竹寺组之间；③中高电阻率页岩在生气潜力、基质孔隙发育程度和对天然气吸附能力等方面明显优于超低电阻率页岩；④川南北部犍为  威远一潼南地区富有机质页岩具有中一高电阻率特征，钻井已获工业气流，为筇竹寺组页岩气勘探开发的有利区。

关键词：四川盆地南部  早寒武世  富有机质  海相页岩  石墨化  电阻率  响应特征  页岩气  选区

Electric property evidences of the carbonification of organic matters in marine shales and its geologic significance：

A case of the Lower Cambrian Qiongzhusi Shale in southern Sichuan Basin

Abstract：Searching for some reliable evidences that can verify the carbonification of organic matters in marine shales is a major scientitle issue of facing play fairway identification in old shale gas plays．Based on core，logging and testing data，an electric property correlation was performed between the two organic rich shale layers in the Lower Cambrian Qiongzhusi Fm and the Lower Silurian Longmaxi Fm in southern Sichuan Basin．The results were used to analyze the carbonification of organic matters in the Qiongzhusi Shale and its influence on gas storage in the shales．The following conclusions were obtained．(1)The electric properties verify the carbonification of organic matters in the Qiongzhusi Shale in the study area．The dry samples from this highly mature organic rich shale show a low resistivity，while showing an ultra-low resistivity on downhole logs．These resistivity values can be used to directly determine the degree of organic matter carbonification and the quality of source rocks．(2)In the Changning area，the Qiongzhusi Shale shows a low resistivitv of dry samples and low to ultra-low resistivity on logs and the organic matters are seriously carbonized，while in the Weiyuan area，the Qiongzhusi Shale shows a basically normal resistivity and its degree of graphitization is between the Longmaxi and Qiongzhusi Fms in the Changning area．(3)The shale with a medium-to-high resistivity is remarkably better than that with an ultra-low resistivity in the respects of gas generation potential．matrix porosity and gas adsorption capacity．(4)Industrial gas flow was tested in the organic shales with a mediumto-high resistivity in the Jianwei-Weiyuan-Tongnan area in the north，where the Qiongzhusi Shale is a favorable shale gas exploration target．

Keywords：southern Sichuan Basin，Early Cambrian，organic rich，marine shale，graphitization，resistivity，response signature，shale gas，play fairway identification

下寒武统筇竹寺组是我国南方海相页岩气勘探开发的重要目的层之一^[1-3]。近几年来，我国地质工作者围绕该套层系开展了烃源岩评价、页岩储层表征和战略选区^[1-9]等研究工作，总体认为：筇竹寺组黑色页岩具有分布广、富有机质页岩集中段厚度大(图1)、岩石脆性好等页岩气赋存的有利条件^[1-7]，但该页岩地层时代老(距今约5．7亿年)，热演化程度极高(Ro介于2.5％～5.0％)，在四川盆地及周边已出现有机质碳化现象，页岩储集条件和含气性明显不及下志留统龙马溪组^[6-8]。另外，寒武系生烃母质以低等浮游藻类为主，不存在高等植物遗骸^[6]，页岩中缺乏镜质体、沥青等物质，导致同一岩样在不同实验室测试的R。值存在较大差异，常常不能反映热演化程度的实际状况，致使筇竹寺组页岩气选区难度大。寻找一种能够有效表征海相页岩有机质碳化现象的可靠证据，揭示有机质碳化对页岩含气性的影响，是当前开展古老地层页岩气选区面临的重大科学问题。

 

研究证实，在烃源岩热演化进程中，随着热成熟度升高，有机质首先降解为干酪根，干酪根在随后的变化过程中产出挥发性不断增强、氢含量不断增加、分子量逐渐变小的碳氢化合物，最后形成甲烷气。随着温度的增加，干酪根不断发生变化，其化学成分也随之改变，逐渐转变成低氢量的碳质残余物，并最终转化为石墨(即碳化) ^[10]。目前，国内外对烃源岩在热演化过程中的碳化现象研究较少，并且缺乏判识有机质碳化的有效地球化学方法。

对筇竹寺组的勘探和研究程度远不及龙马溪组，所钻的页岩气评价井仅4口(编号A、B、H、I)，主要分布在川滇的威远、长宁和镇雄地区，其他揭示寒武系页岩的钻井(编号D、E、F、G、J)皆为常规油气勘探评价井(图1)。鉴于烃源岩碳化呵能导致电测曲线出现低—超低电阻响应特征，笔者以筇竹寺组页岩钻井岩心、测井和分析测试资料为基础，通过对富有机质页岩干样开展电阻率实验测试以获得有机质碳化的直接证据，并以此对井下电阻率测井数据进行标定，进而利用测井电阻率响应对川南不同地区筇竹寺组的有机质碳化现象进行表征；同时结合与龙马溪组电性、岩相、地球化学、吸附能力等相关资料的对比分析，探讨不同程度的有机质碳化现象对页岩气赋存条件的影响，以探寻极高成熟度海相页岩气地质评价的新途径，并据此为筇竹寺组页岩气资源战略选区提供地质依据。

1　页岩有机质碳化研究现状

国内外对烃源岩在热演化过程中的碳化现象研究较少，研究手段局限于镜下观察、干酪根元素分析和测井响应等方面^[10-14]。

镜下观察存在六边形片状结构的石墨晶体是有机质碳化的直接证据，但需要分辨率极高的显微镜设备和岩石样品中具有足够多的石墨片状晶体才可能实现。石墨六边形C—C键长仅为0.142nm，每一网层f司距为0.34nm，而现今高倍扫描显微镜的分辨率一般超过10nm。可见，利用高倍显微镜寻找有机质中的石墨晶体，其难度极大，也不可行。

干酪根元素分析是判断有机质碳化的一条重要途径。陈建平、程克明等学者认为，干酪根的H／C原子比随着有机质生烃演化进程逐渐降低，是一项衡量有机质成熟演化程度的有效指标，当海相烃源岩H／C降低到10％以下(对应Ro>3％)则进入石墨化阶段(即碳化) ^[11-12]。此认识是基于实验模拟得出的推论，且实验模拟Ro最高为3％。因此不能完全反映我国南方海相页岩的实际热成熟状况，也无法解释筇竹寺组页岩有机质的碳化程度。

电阻率测井响应是研究有机质热演化程度的重要依据^[13-15]，也是表征页岩碳化程度的间接证据^[8]。石墨为导电性极强的矿物，其电阻率在常温下为8×10^-6～l3×10^-6W·m。在筇竹寺、龙马溪组等古老地层的富有机质页岩中，有机质体积含量介于2％～20％，多呈分散状、层状或条带状分布，经严重碳化后具有较强的导电性。笔者在开展海相页岩储层表征时，发现长宁地区筇竹寺组底部页岩具有超低电阻测井响应特征(电阻率普遍低于1W·m)，初步认为该现象为有机质碳化的重要证据^[8]。

总之，目前对页岩中于酪根在自然状态下的碳化现象还处于探索阶段，尚缺乏有效判识的直接可靠证据。

2　页岩有机质碳化的电性证据

2．1　干岩样的电阻率实验

海相富有机质页岩由石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿等脆性矿物以及黏土、有机质组成，石英、长石和碳酸盐岩等脆性矿物多呈分散状或层状分布，黄铁矿一般呈星点状分布，有机质在页岩中多呈分散状分布，但随着丰度增加则出现层状或条带状分布，黏土矿物多呈层状分布^[4，16-18]。根据沉积岩岩石物理研究和实践，沉积岩中的脆性矿物骨架颗粒、有机质和烃类一般不导电^[19]，黄铁矿因含量少(质量百分含量一般不超过8％，体积百分含量不超过4％)且分布局限，其导电性可以忽略不计，而赋存于岩石孔隙中的高矿化度地层水则是主要的导电介质^[20]。因此，富有机质页岩干燥样品一般不会出现导电现象，但如果出现有机质石墨化现象则可能有例外。

笔者以川南长宁地区筇竹寺组、龙马溪组黑色页岩为研究对象，在B井筇竹寺组、C井龙马溪组分别挑选有机质丰度不同的页岩样品开展干样电阻率实验测试(前者9个，后者2个)。实验过程如下：首先对样品进行干燥处理，去除所有页岩样品的基质孔隙残留水，然后分别测量十样电阻率、岩矿和TOC。实验测试结果显示(表1、图2)，2套页岩的干样呈现出截然不同的电性特征。

 

 

筇竹寺组页岩9个干样电阻率与TOC具有明显的负相关性。在1733.96～1856.20m段的5个样品，黏土矿物含量为31.1％～44.5％，TOC为0.24％～2.38％，有机质含量总体较少，测试电阻率值介于326.3～731553.1W·m，呈现高阻绝缘特征；在1860.96～1886.40m段的4个样品，黏土矿物含量为24.9％～36.7％，TOC增加至2.71％～6.62％，测试电阻率值下降为6.0～51.4W·m，呈现低电阻特征。这表明，长宁筇竹寺组底部富有机质页岩段干样具有较强的导电能力，导电物质主要是有机质。可见，该区块筇竹寺组已出现有机质严重碳化现象。

C井龙马溪组干样则未出现上述低电阻现象。2个样品的黏土矿物含量分别为16.5％和50.5％，TOC分别为3.4％和2.4％，测试电阻率值则分别为3606.1和41537.3W·m，呈现高阻一绝缘特征。这表明，龙马溪组富有机质页岩段尚未出现有机质碳化现象。

2．2　富有机页岩段的电阻率测井晌应

笔者将长宁B井筇竹寺组9个样品点的井下测井电阻率与干样电阻率进行对比发现，样品点的测井电阻率为0.177～457.93W·m，较干样电阻率整体低2～4个数量级(表1)，但与后者具有显著的正相关性，测井电阻率在2W·m以下则对应的干样电阻率小于100W·m(图3)。另外，9个样品点的测井电阻率与TOC同样具有显著的负相关性，在1860.96～1886.40m(富有机质页岩段)呈现超低电阻特征(电阻率介于0.177～1.347W·m)(表1)。这表明，长宁筇竹寺组井下导电物质主要为有机质和页岩孔缝中地层水，其中拥有高矿化度的地层水是导致测井电阻率整体低于干样电阻率的重要介质。由于筇竹寺组下段为深水陆棚沉积，地层水物理化学性质在整个层段总体稳定，而有机质丰度差异较大，仅在底部高伽马段(192～615 API)较高，这表明长宁筇竹寺组底部出现的异常低电阻测井响应则主要是碳化后的有机质导电所致。可见，利用极高成熟度、富有机质页岩的超低电阻测井响应特征(电阻率小于2W·m)和干岩样低电阻特征(电阻率小于100W·m)，均可以直观判断有机质的碳化程度，进而评价烃源岩的质量。

 

3　页岩有机质碳化电性特征的地质意义

有机质碳化是烃源岩进入极高成熟阶段必然发生的地球化学现象，对高过成熟海相地层的页岩气赋存条件产生不利影响，主要表现为页岩的生气潜力接近衰竭，有机质孔隙减少，有机质对天然气的吸附能力降低。笔者通过对川南地区筇竹寺组和龙马溪组两套页岩有机质碳化的电性特征对比，并结合勘探实践，对筇竹寺组页岩气赋存条件进行粗浅分析和有利区优选，进而获得3点认识。

3．1　川南地区筇竹寺组页岩有机质碳化程度存在南北差异，生气潜力区域变化大

川南及其周边地区筇竹寺组黑色页岩自沉积以后，经历了早期长期深埋和晚期抬升等地质作用过程^[9]，尽管热演化程度高，但受区域差异升降运动影响，北部(犍为—威远—潼南，即F-A-E-D井区)、中部(隆昌—泸州，即G井区以南)和南部(长宁—镇雄—大方，即B-I-J井区)有机质碳化程度可能并不相同，表现为筇竹寺组底部电阻率测井响应存在着明显的差异。

目前，揭示筇竹寺组底部页岩的钻井较少，主要分布在北部的犍为威远潼南和南部的长宁镇雄—大方(图1)。为了解北区、中区、南区等不同区块筇竹寺组底部有机质的碳化程度，笔者以A井(龙马溪组和筇竹寺组)、C井(龙马溪组)、B井(筇竹寺组)测井和分析测试资料为基础(图1)，建立3口井2套页岩测井电阻率与有机质丰度关系模板(图4)，对比分析川南龙马溪组(A C井)、威远筇竹寺组(A井)和长宁筇竹寺组(B井)的电阻率响应特征，定性判断三者的有机质碳化程度和生气潜力。

 

3．1．1川南龙马溪组

作为我国海相页岩气的主力产层，其富有机质页岩为含钙质、富硅质、中高有机质丰度的黑色页岩，黏土矿物含量为10％～53％(平均为29％)，与Barnett页岩(平均为25.6％～33％)相近^[1，18]。图4显示，A、C井页岩段电阻率介于20～110W·m，与上Barnett页岩(GR为90～150API，电阻率介于20～100W·m)相当，但低于下Barnett页岩(GR为120～210API，电阻率介于80～200W·m) ^[13-14]，且与有机质丰度大致呈正相关性，即随TOC增大而增大。可见，龙马溪组富有机质页岩段电阻率随有机质丰度的变化趋势与Barnett页岩的电阻率曲线特征相似，反映了处于生烃窗内烃源岩的正常电性特征。钻探和地球化学分析显示，龙马溪组在川南及其周边出现整体含气特征，位于筠连龙马溪组出露区的最浅出气井井深不足300m，泸州、隆昌、长宁等向斜区地层压力系数达到1.4～2.2^[18]，页岩残余有机质生烃潜量(S1+S2)介于0.08～0.50mg／g。这表明，龙马溪组富有机质页岩处于有效生气窗内，有机质未出现明显碳化现象，生气潜力相对较好。C井干样的高阻绝缘特征也说明这一点。

3．1．2长宁筇竹寺组

富有机质页岩为硅质页岩、碳质页岩和粉砂质页岩组合，与龙马溪组在岩相、岩石矿物组成和有机质丰度等方面相近^[8,18,21]，因此两者的电性特征应该具有可对比性，且能反映有机质成熟度的差异。与龙马溪组电性特征相比，B井测井响应为低超低电阻特征(一般低于1W·m)，电阻率与有机质丰度关系呈明显负相关性(出现反转)，即电阻率随TOC增大而降低(图4)。前面论述已证实其有机质已出现严重碳化现象。根据钻探和地球化学分析结果，B井筇竹寺组未获气显示，页岩残余有机质生烃潜量介于0.02～0.04mg／g，氢指数HI介于1～2mg／g。这表明，长宁筇竹寺组总体已处于生气衰竭的极高成熟阶段，生气潜力较龙马溪组差。

目前，与长宁B井具有相似电性特征的钻井还有位于隆昌—泸州、长宁—镇雄—大方地区的G、B、H、1、J等5口井(表2、图l)，富有机质页岩测井电阻率介于0.1～2.0W·m，平均为0.5～0.8W·m，钻探均未获气，均显示有机质出现严重碳化现象。

 

3．1．3威远筇竹寺组

富有机质页岩为中低有机质丰度的粉砂质页岩，黏土含量为19％。受脆性矿物含量高影响，A井测井响应为高阻特征(高于240W·m)，电阻率与TOC关系不明显(图4)。笔者在相关文献中已证实，威远A井筇竹寺组页岩有机质孔隙相对较少且镜下出现塌陷现象，显示有机质碳化迹象^[8]。钻探和实验证实，A井筇竹寺组获工业气流，地层压力系数为1.0，测试含气量为1.0～3.5m²／t，页岩残余有机质生烃潜量介于0.04～0.1mg／g。这表明，威远筇竹寺组热演化程度和生气潜力介于川南龙马溪组和长宁筇竹寺组之间，可能处于生气窗下限附近。

目前，与威远A井具有相似电性特征的钻井还有位于潼南、犍为地区D、E、F共3口老井(表2、图l)，E井为中—高阻井区(60～300W·m)，钻探获气显示，D、F井为中—低阻井区(2～80W·m)。

由此判断，川南海相页岩有机质碳化程度大致可划分为3个级别，可与烃源岩生气潜力的3个不同阶段相对应，即：

1)有效生气窗内(即有机质未出现碳化阶段)电性特征正常，即：电阻率与有机质丰度基本呈正相关，测井电阻率值一般高于20W·m，如川南龙马溪组。

2)生气衰竭阶段(即有机质严重碳化阶段)出现超常低电阻响应，即：电阻率与有机质丰度呈负相关关系(即电性曲线反转)，且测井电阻率值低于2W·m，如川南中南部筇竹寺组。

3)在有效生气窗下限附近(即有机质碳化程度介于1和2之间的过渡阶段)，电性特征基本正常，即电阻率与有机质丰度关系不明显，受岩相影响可能为高阻，也可能为低阻(2～20W·m)，如川南地区北部筇竹寺组。

3．2　中高电阻页岩的富气条件明显优于超低电阻页岩

超低电阻测井响应是高过成熟页岩有机质碳化的典型特征。有关筇竹寺组有机质碳化导致基质孔隙减少(即超低电阻页岩物性较差)的认识，笔者已在相关文献中论述^[8]。这里重点开展中高电阻页岩和超低电阻页岩对天然气吸附能力的对比分析，探讨有机质碳化对高过成熟海相页岩吸附能力的影响。

笔者从长宁B井筇竹寺组和C井龙马溪组分别采集超低电阻页岩样品4个(测井电阻率介于0.11～1.50W·m，TOC介于1.68％～7.93％)和中高电阻率页岩样品5个(测井电阻率介于22.6～45.9W·m，TOC介于0.99％～3.95％)，并委托中国石油勘探开发研究院廊坊分院开展高温高压等温吸附实验。实验仪器为ISO300型等温吸附仪，设置实验温度70℃、最大压力20.22MPa、气体介质为甲烷，保证温压条件与井下基本相当。实验结果显示：2套地层页岩样品的最大吸附量分别为龙马溪组1.38～3.97m³／t、筇竹寺组1.61～5.8m³／t，与TOC均呈线性正相关性(图5)；在有机质类型相似(两者均为腐泥偏腐泥混合型)和有机质丰度(TOC)相同条件下，龙马溪组中高电阻页岩的吸附能力明显高于筇竹寺组超低电阻页岩，前者为后者的1.2～1.25倍。这表明，在高过成熟阶段，随着有机质碳化程度的增强，富有机质页岩对天然气的吸附能力降低。

 

3．3　北部富有机质页岩中一高电阻测井响应区为川南筇竹寺组页岩气有利区

由此可预测川南筇竹寺组富有机质页岩的分布区(图1、表2)。北部的犍为威远—潼南地区具有中—高电阻特征，钻探已获气流，证实页岩气赋存条件相对有利，是筇竹寺组页岩气勘探有利区；中部的隆昌—泸州和南部的长宁—镇雄—大方普遍具有超低电阻特征，钻井未获气显示，证实生气接近枯竭，页岩气赋存条件相对较差，为筇竹寺组页岩气勘探风险区。

4　结论

1)干岩样岩电实验和电阻率测井响应特征证实，川南筇竹寺组富有机质页岩已出现有机质碳化特征，利用极高成熟、富有机质页岩的干岩样低电阻特征和井下超低电阻测井响应特征是直观判断有机质的碳化程度、评价烃源岩质量的有效方法。

2)川南筇竹寺组页岩有机质碳化程度存在南北差异。长宁以南地区筇竹寺组表现为干样低电阻和测井低—超低电阻响应特征，有机质已出现严重碳化现象；威远地区筇竹寺组电阻率曲线基本正常，但已出现碳化，石墨化程度界于川南龙马溪组和长宁筇竹寺组之间。

3)根据筇竹寺组富有机质页岩石墨化的电性特征，中高电阻页岩在页岩生气潜力、基质孔隙发育程度和对天然气吸附能力等方面明显优于超低电阻页岩，研究区北部的犍为威远—潼南地区具有中—高电阻特征，钻井已获气流，为筇竹寺组页岩气勘探有利区。

 

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本文作者：王玉满  董大忠  程相志  黄金亮  王淑芳  王世谦

作者单位：中国石油勘探开发研究院

  中国石油西南油气田公司勘探开发研究院