近年来，随着四川盆地及周缘页岩气勘探开发步伐的加快^[1-5]，在发现大型页岩气产区的同时，钻遇异常低电阻率页岩（优质页岩段电阻率低于 10 Ω• m）的井也呈现增多趋势^[6-10]。据不完全统计，下寒武统牛蹄塘组异常低电阻率井主要分布在川南—黔中—黔南地区和黔东北—湘鄂西地区，上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组异常低电阻率井主要分布在川西南—川南、川东南—川东北地区，这类钻井普遍含气性较差，以干井为主，压裂试气产量低或者不产气，揭示出异常低电阻率页岩分布区为高风险勘探区^[7-12]。因此，页岩电阻率异常低的成因成为行业研究的热点，低电阻率页岩的分布预测则成为规避勘探风险的重要依据。

国内学者对海相页岩低电阻率成因开展了大量有益探索^[7-19]。王玉满等认为优质页岩段因有机质炭化普遍出现低-超低电阻率响应，高—过成熟海相页岩电阻率曲线中的“细脖子型”特征是反映其有机质出现炭化物性变差的直接有效证据^[7-10]。王滢等认为长宁地区龙马溪组页岩储层低电阻率成因与断层形成的期次有关，断层附近的页岩储层含水饱和度增高引起电阻率的降低^[14]。侯宇光等认为有机质丰度和成熟度是影响极低电阻率测井的主要因素，极低电阻率测井响应预示着页岩储层品质极可能遭受了巨大的损害^[6]。高和群等认为微观孔隙结构是决定页岩电阻率的主要因素，超微裂缝越发育，电阻率越高^[15]。可见，低电阻率成因复杂，行业内尚未形成共识，但低电阻率页岩已对页岩气勘探开发实践造成了困扰。

基于前人研究基础上，利用四川盆地东南部（以下简称川东南地区）及邻区重点井的钻井、测井、测试等资料，结合激光拉曼、岩心烘干电阻率测定、扫描电镜荷电效应观察、包裹体分析、有机地球化学等实验分析，重点从有机质炭化和保存条件2个方面，对页岩储层低电阻率成因进行了分析，并对影响范围进行预测，以期进一步明确低电阻率成因，为页岩气勘探开发提供参考。

1 低电阻率页岩特征

1.1 低电阻率页岩气井分布特征

研究区处于川、渝、黔三省交汇区域，构造上位于四川盆地东南部、武陵褶皱带和黔西北宽缓褶皱带的北部（图1），经历加里东期以来多期构造运动改造，以燕山期雪峰造山运动对该区影响最为显著，奠定了现今东西分带构造格局，东部背斜宽缓、向斜紧闭，为典型的隔挡式构造带，西部向斜和背斜相间分布，为槽挡过渡带，总体上构造变形强烈，地层剥蚀严重，由东向西具有递进变形特征，页岩赋存状态逐步变好。

该区主要发育上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组和下寒武统牛蹄塘组2套海相页岩气勘探开发层系（图1），2套层系均在不同地区钻遇了异常低电阻率页岩。其中，五峰组—龙马溪组钻遇异常低电阻率页岩的井主要分布在川南美姑—长宁西、古蔺—赤水—江津以及川东南石柱—万县等地区，包括N218，N230，B1，RY1，HY1，YZ1，TY1，LY1，LY4 等 30 余口井（图2），优质页岩段电阻率一般为 2～10 Ω•m，部分井电阻率极低（小于 2 Ω•m）；牛蹄塘组钻遇异常低电阻率页岩的井主要分布在黔中— 黔南—黔北、渝东—湘鄂西等地区，包括 FS1，LY1， BY2，SY1，CS1，EY1等20余口井，优质页岩段电阻率一般小于10 Ω•m，部分井电阻率小于1 Ω•m（图2）。

据不完全统计，异常低电阻率井含气性普遍较差，大多数井未测试，开展过水平井压裂的井测试日产气量一般为 0～1.1×10⁴ m³ /d，获得工业气流的井电阻率最低为7.2 Ω•m，测试日产气量为8×10⁴m³ /d。

1.2 电性特征

海相低电阻率页岩在电性上表现出2类典型特征。一类为深侧向电阻率在优质页岩段突变，曲线呈“细脖子型”特征^[6-10]。以彭水地区CS1井为例，该井下寒武统水井沱组地层总厚度为 210 m，根据岩性和电性特征，自下而上可划分为3段：水一段厚度为33 m，岩性为黑色页岩，总有机碳含量（TOC）相对较低，平均为 1.68%，电性上为低自然伽马、低电阻率特征，自然伽马平均为 96.9 API，电阻率平均为 4.58 Ω•m；水二段为优质页岩段，厚度为 59 m，岩性为黑色页岩，TOC较高，平均为4.6%，电性上为极高自然伽马、极低电阻率特征，电阻率突变为1 Ω•m以下，曲线呈“细脖子型”（图3），自然伽马平均为 469.3 API，电阻率平均为 0.3 Ω•m；水三段厚度为 118 m，岩性为黑色含灰页岩，TOC 较低，平均为 1.24%，电性上为高自然伽马、低电阻率特征，自然伽马平均为 117.1 API，电阻率平均为 6.3 Ω•m。另一类为深侧向电阻率在优质页岩段渐变，曲线呈“漏斗型”特征。以古蔺地区RY1井为例，该井上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组一段（龙一段）厚度为83.5 m，上部⑥—⑨小层 TOC 较低，平均为 1.17%，电性上为高自然伽马、高电阻率特征，自然伽马平均为 157.7 API，电阻率平均为51.2 Ω•m；下部①—⑤小层 TOC较高，平均为3.6%，电性上为高自然伽马、低电阻率特征，由浅到深，电阻率由正常电阻率渐变为低电阻率，曲线呈“漏斗型”特征（图3），且 TOC 越高，电阻率越低，自然伽马平均为 193.3 API，电阻率为 1.8～14.3 Ω•m，平均为5.8 Ω•m。

1.3 物性特征

低电阻率页岩储层物性一般较差，呈孔径小、岩石密度大、孔隙度较低的特征^[7-12]。以 RY1 井为例，该井优质页岩以2～10 nm的介孔、小于2 nm的微孔为主，其中介孔占比为41.6%，微孔占比达36.4%，孔径大于10 nm的占比为22.4%，孔径远小于获得工业气流的 JY10 井[20（] 表1）。同时，RY1 井页岩真密度为 2.75 g/cm³，块密度为 2.64 g/cm³，比 JY10 井相同层位的分别高 0.04 和 0.06 g/cm³；脉冲法孔隙度为 0.15%～2.2%，平均为0.73%，仅为JY10井的22.2%。

1.4 含气性特征

低电阻率页岩储层含气性一般较差^[6-18]，表现出气测显示较差，含气量低，吸附能力弱，产量低的特征。以 RY1井为例，该井在五峰组—龙一段气测显示较差，全烃含量最高为0.7%，C₁含量最高为0.6%，槽面无气泡；岩心浸水实验取心段仅见 1 处针眼状气泡；现场解吸气含量平均为0.06 m³ /t，损失气含量平均为 0.13 m³ /t，残余气含量平均为 0.32 m³ /t，总含气量为 0.35～0.79 m³ /t，平均为 0.51 m³ /t；测井解释优质页岩段总含气量为0.3～1.4 m³ /t，平均为0.7 m³ / t，吸附气占比近 100%。等温吸附实验结果表明，优质页岩段吸附气含量为1.96～2.79 m³ /t，平均为2.38 m³ /t。与JY10井相比，RY1井含气性差，含气量降低 85.6%，吸附能力降低 27.8%，综合评价为干井，未测试。

2 有机质炭化对页岩低电阻率的影响

中国学者针对页岩有机质炭化（即石墨化）开展了大量研究^{[6-12，16-18]}，认为有机质发生石墨化是一个循序渐进的过程^[6]，根据炭化程度，可以划分为未炭化、弱炭化（弱石墨化）和强炭化（石墨化）3个阶段。不同阶段的有机质导电性差异较大^[6]。其中，未炭化阶段页岩中有机质的结构杂乱无序，导电性差；弱炭化阶段为有机质网络形成阶段，具有一定的导电性；进入强炭化阶段，碳层的有序性和结晶度急剧增强，优质页岩显示出超低电阻响应，不含气或微气等显著特征^[6]。

2.1 有机质强炭化

川东南地区及邻区寒武系牛蹄塘组页岩普遍经历较大的埋深和较长时期的热演化，有机质成熟度较高，R_o主要为 2.5%～4.5%，黔中隆起及周缘超过 5.5%。研究区牛蹄塘组页岩气井电阻率与页岩 R_o 具有明显的相关性，川中—川南—川东南地区、黔北—黔东南地区、宜昌地区 Ro为 2.5%～3.5%，优质页岩电阻率正常，为 19～1 084 Ω•m；滇北—黔中— 黔南地区、鄂西—渝东地区 R_o为 3.5%～5.5%，优质页岩电阻率异常低，为0.05～4.2 Ω•m。川东南地区及邻区牛蹄塘组优质页岩电阻率与页岩R_o呈明显负相关（图4），Ro 越高，页岩电阻率越低；当 R_o 大于 3.5%时，电阻率低于10 Ω•m；R_o大于4.0%的页岩电阻率低于2 Ω•m。分析认为过高的成熟度将导致有机质碳层的有序性增强，结晶度增高，发生石墨化，导电性增强，形成极低电阻率；同时热成熟度达到 3.5%是发生石墨化的关键，这与侯宇光等提出的有机质强炭化（石墨化）的热成熟度门限值为 3.5% 的观点一致^[6-10]。

2.2 有机质弱炭化

古蔺地区RY1井五峰组—龙一段电阻率由上而下逐渐降低，与 TOC 变化特征呈明显负相关关系 （图5），表明有机质是导致电阻率降低的原因之一。该井从优质页岩段选取了 7 块样品，分别在华东油气分公司实验中心（简称华东实验中心）和中国石化石油勘探开发研究院无锡实验中心（简称无锡实验中心）开展 R_o测定，两家实验中心测得的 R_o（等效镜质组反射率）结果差别不大（图6），华东实验中心实测R_o为2.33%～2.88%，平均为2.63%；无锡实验中心实测 R_o为 2.45%～2.66%，平均为 2.56%。测定结果表明，RY1 井五峰组—龙一段页岩处于过成熟早期阶段，未达到有机质强炭化的热成熟度门限值。激光拉曼光谱是一种非弹性散射光谱，能够反映含碳物质向石墨转变过程中结构的变化^[12]。RY1井优质页岩有机质拉曼光谱特征揭示D峰与G峰的峰间距为267.8 cm^-1 （图7a），峰高比为0.75，D峰半高宽为 90.1 cm^-1，根据刘德汉公式^[21] 计算拉曼 Ro为 3.17%，说明固体沥青演化程度处于碳沥青阶段，有机碳发生了弱炭化，但石墨结构形成量有限。

武隆地区武隆向斜北翼由浅到深钻探了 PD1， LY2，LY4 等 3 口页岩气井，测井解释页岩电阻率随埋深增大呈减小趋势（图8，表2）。PD1井页岩埋深为 979 m，五峰组—龙一段优质页岩电阻率较高，为 118.9～877.6 Ω•m，平均为 401.8 Ω•m，①—③小层电阻率平均为 417.6 Ω•m；LY2 井页岩埋深为 2 497 m，优质页岩电阻率为 10.8～72.4 Ω•m，平均为 23.3 Ω•m，①—③小层电阻率平均为20.1 Ω•m，是PD1井的4.8%。LY4井页岩埋深为4 025 m，优质页岩电阻率为2.3～30.0 Ω•m，平均为5.6 Ω•m，①—③小层电阻率异常低，平均为 3.4 Ω•m，是 PD1 井的 0.8%。 PD1 井由于埋深较浅，含气量相对较低，平均为 3.2 m³ /t，水平井压裂测试获日产气量为1.1×10⁴ m³ /d，累积产气量已超 400×10⁴ m³，实现了浅层页岩气勘探突破；LY2井优质页岩含气量平均为5.7 m³ /t，水平井压裂测试获日产气量为 9.2×10⁴ m³ /d，累积产气量已超 2 000×10⁴ m³ ，具备较好的常压页岩气开采潜力； LY4井优质页岩含气量平均为 2.9 m³ /t，水平井压裂测试仅获日产气量为 1×10⁴ m³ /d，试气试采效果较差。前期研究认为盆外残留向斜具有“向核更甜”的规律，表现为埋深越大、离剥蚀边界越远，含气量越高的特点^[2，22-25]，LY4 井靠近向斜核部却出现低电阻率，含气量降低，与前期认识不符，这也影响了该区勘探进程。为了揭示有机质炭化对该区电阻率的影响，开展 Ro和激光拉曼实验，结果表明：PD1井 R_o为 2.76%；LY2 井 R_o为 2.89%，其优质页岩 D 峰与 G 峰的峰高比为 0.65（图7b），拉曼 R_o为 3.44%；LY4井 R_o 为 2.95%，优质页岩 D 峰与 G 峰的峰高比为 0.69（图7c—7d），拉曼 R_o为 3.37%；结果显示 3 口井相距较近（15 km 以内），经历的古埋深和古地温大致相当，均未达到有机质强炭化的热成熟度门限值，R_o随现今埋深增大呈增大趋势，但总体差异不大，D峰与G 峰的峰高比也随埋深增大而增大，有机碳逐步发生了弱炭化。PD1井优质页岩的电阻率与TOC相关性差，LY2井优质页岩的电阻率与TOC呈弱相关性， LY4 井优质页岩的电阻率与 TOC 呈明显负相关性 （图5），表明有机质弱炭化对电阻率造成了一定影响，这可能是导致武隆向斜优质页岩电阻率随埋深增加而减小的原因之一。

3 保存条件对页岩低电阻率的影响

页岩电阻率主要由 2 个方面因素决定：一是岩石骨架，二是孔隙结构及流体^[6]。有机质炭化、石墨化可导致岩石骨架导电性增强，而保存条件则会影响页岩孔隙结构和地层流体，进而影响电阻率。

3.1 地层流体改变影响电阻率

3.1.1 地层水与电阻率的关系

为了揭示地层水对页岩电阻率的影响，选取 15 件正常电阻率井（NY1和PY1）和低电阻率井（RY1） 的优质页岩段岩心开展烘干电阻率实验，将每件岩心切割为 2份，划分为 2组，分别设定不同的实验条件，第1组在55℃下烘烤24 h进行电阻率测定，第2 组在 150℃下烘烤 24 h 进行电阻率测定。结果显示：NY1井第 1组样品的电阻率平均为 397 Ω•m，是测井电阻率的 22.3 倍；第 2 组样品的电阻率平均为 1 247 Ω·m，是测井电阻率的 65.6倍（图9）。PY1井第1组样品的电阻率平均为1 276 Ω•m，是测井电阻率的 21.2 倍；第 2 组样品的电阻率平均为 2 702 Ω• m，是测井电阻率的42.2倍。RY1井第1组样品的电阻率平均为 17 Ω•m，是测井电阻率的 2.8倍；第 2组样品的电阻率平均为 30 Ω•m，是测井电阻率的 5.1 倍。实验结果表明：RY1井的测井电阻率比 NY1和 PY1 井的低 1 个数量级，加热烘烤后电阻率比 NY1 和 PY1 井的电阻率低 1～2 个数量级；同时 3 口井的岩心烘烤后的电阻率均有大幅提升，说明地层水的存在明显影响页岩电阻率，且随着实验温度升高，地层水减少，含水率和含水饱和度降低，导电性下降，电阻率增大。

3.1.2 保存条件与地层流体、电阻率的关系

古蔺斜坡处于四川盆地南缘东西向构造与北东向构造的转折部位，为向北倾伏的扇形单斜构造，其南部志留系—寒武系出露地表^[26-27]。RY1 井位于古蔺斜坡深部位，处于南北向压扭走滑断层F2断层上盘，与断面的距离为1.6 km，F2断层形成于喜马拉雅晚期，切割寒武系—侏罗系，为通天断层。RY1井方解石脉包裹体均一温度为100～108℃，据此计算裂缝形成时间相对较晚，距今为 10～8 Ma，表明喜马拉雅晚期构造活动强烈，断裂活动持续至今。RY1 井位于 F2 断层的上盘，目的层地震波反射相对杂乱，在喜马拉雅晚期以来压扭走滑作用下，断层封闭性差，导致页岩气沿断裂带向地表逸散；同时断层导致顶板石牛栏组灰岩裂缝发育，加剧垂向散失；最终造成 RY1井五峰组—龙马溪组保存条件严重破坏，早期生成的气体逸散殆尽，束缚水大量残留在地层中，含水饱和度相对增大（95%），页岩电阻率降低。

武隆向斜处于盆外复杂构造带，为残留向斜，其五峰组—龙马溪组已大面积出露地表，LY4 井位于向斜的低部位，井与五级断层的距离为 10 m，在断层附近裂缝发育，构造高部位成岩作用形成的地层水进入断层及附近的裂缝中，导致储层含水率升高，含水饱和度增大（51.2%），这可能是导致该井低电阻率的主要原因。

长宁地区天宫堂背斜、双龙—罗场向斜、建武向斜以西的井也存在低电阻率现象，是因为断层破坏储层含气性，地层水进入断层产生的裂缝中，导致断层下盘附近含水饱和度增大，页岩电阻率降低，同一水平井距断层越近，电阻率越低^[14]。

由此可见，保存条件控制页岩的含气性和含水性，进而影响电阻率。保存条件越差，则页岩含气性越差^{[2，20，22，25，28-29]}，含水率和含水饱和度越高，形成以高含盐束缚水为介质的导电网络，导电性增强，电阻率随之降低（图10），反之则亦反。低电阻率页岩具有较高的束缚水含量，含水饱和度大，整体含水率较高，导电性较强，同时含气性较差。

3.2 孔隙结构改变影响电阻率

3.2.1 孔隙结构与电阻率的关系

低电阻率页岩与正常电阻率页岩相比，孔径小、孔隙度低，储层更致密。根据扫描电镜观察，样品在不导电或导电不良时会发生荷电效应，因吸收电子而积聚电荷，使图像产生异常反差、畸变、像散等现象，表现为环带型亮斑[15（] 图11）。荷电效应产生的环带型亮斑一般位于颗粒与颗粒交接处，可反映不同的颗粒接触方式；亮斑发育说明颗粒间存在纳米级微裂隙，导电性较差，电阻率较高；亮斑不发育说明颗粒间为镶嵌式紧密接触，导电性较好，电阻率降低。NY1井优质页岩的样品在扫描电镜下具有明显的荷电效应（图12a），环带型亮斑占比达 2.34%，对应的电阻率为16 Ω·m，表现为正常电阻率。RY1井优质页岩荷电效应明显较少（图12b），环带型亮斑占比仅为 0.25%，对应的电阻率为 2.9 Ω·m，环带型亮斑占比及电阻率均比NY1井低1个数量级。说明储层物性较差的页岩的颗粒间纳米级微裂隙在压实作用下发生闭合，颗粒与颗粒之间呈镶嵌式紧密接触，电子传导路径畅通，导致形成低电阻率，储层物性好的页岩则相反。

3.2.2 保存条件与储层物性、电阻率的关系

页岩气保存条件越好，压力系数越高，作为主要储集空间的有机质孔隙越发育、孔径越大，储层物性越好^{[20，25，30-31]}。利用氩离子抛光-扫描电镜对川东南地区不同压力系数 4 口井的孔隙发育特征进行观察，结合孔隙及裂隙图像识别分析软件对有机孔的平均孔直径、面孔率、形状因子等情况进行了定量化表征。结果表明，压力系数与有机孔的平均孔直径、面孔率、形状因子呈明显正相关（图13），压力系数越大，对应的平均孔直径、面孔率、孔隙圆度越大。说明保存条件能明显控制储层物性，进而通过储层物性影响电阻率。保存条件好，则孔隙和裂隙受气体超压支撑，得到较好保存，压实作用影响较弱，储层物性较好，基质颗粒间发育大量纳米级微裂隙，导电性较差，电阻率较高。保存条件差，则页岩气逸散，有机孔、无机孔和微裂隙缺少气体支撑，受压实作用而逐渐缩小闭合，储层物性变差，受此影响，基质颗粒间呈镶嵌式紧密接触，导电性增强，电阻率降低，若有机质处于弱炭化阶段，在压实作用下，有机质分布更紧密，单位体积内石墨化结构量相对增大，连通性变好，会导致电阻率进一步降低，且有机质丰度越高，电阻率越低。

4 不同低电阻率成因影响范围预测

综上所述，有机质炭化和保存条件变差是导致海相页岩低电阻率的主要成因。对于 R_o超过 3.5% 的页岩，有机质强炭化（石墨化）是形成低-极低电阻率的主要因素。对于R_o小于3.5%的页岩，保存条件变差是形成低-极低电阻率的主要因素，弱炭化对低电阻率也有重要影响。在弱炭化阶段，保存条件若遭受破坏，页岩气大量逸散，含水率和含水饱和度将增高，形成以高含盐束缚水为介质的导电网络，导电性增强；同时储层抗压能力大幅减弱，在上覆压实作用下，孔隙和裂隙坍塌闭合，基质颗粒镶嵌式接触，荷电效应减少，有机质被压缩得更紧实，单位体积内石墨化结构量相对增大，连通性变好，导电性进一步增强，最终形成低-极低电阻率。

根据上述低电阻率成因分析，对不同成因的影响范围进行了预测，初步认为：由有机质强炭化导致的低电阻率，其影响范围可能具有区域性（影响范围较大），深埋、高温、火山活动、热液活动等导致有机质强炭化-石墨化，生烃能力枯竭，吸附能力减弱，电阻率降低，物性和含气性变差，因此 R_o大于 3.5% 的区域页岩气勘探开发风险较大。由保存条件变差导致的低电阻率，其影响范围不具有区域性（影响范围较小），靠近泄压区，含气性差，电阻率低，不利于页岩气勘探开发；远离泄压区，含气性变好，电阻率将逐步恢复正常。因此，页岩气勘探开发需尽量避开 R_o大于 3.5% 的强炭化区域和保存条件遭受破坏的区域。

5 结论

异常低电阻率页岩与正常电阻率页岩相比，在电性、物性、含气性等方面具有 3 个典型特征：①电性上表现出电阻率在优质页岩段突变或渐变的特征，曲线呈现“细脖子型”“漏斗型”，电阻率低于 10 Ω•m。②物性上表现出孔径小、岩石密度大、孔隙度较低的特征。③含气性上表现出气测显示较差，含气量低，吸附能力弱，多为干井的特征。

对于 R_o超过 3.5% 的页岩，有机质强炭化（石墨化）是形成低-极低电阻率的主要因素。深埋、高温、火山活动、热液活动等导致有机质成熟度跃过“临界点”之后，有机质发生强炭化-石墨化，生烃能力枯竭，吸附能力减弱，物性和含气性变差，电阻率降低。对于 R_o小于 3.5% 的页岩，保存条件变差是形成低极低电阻率的主要因素，弱炭化对低电阻率也有重要影响。在弱炭化阶段，保存条件若遭受破坏，页岩气大量逸散，含水率和含水饱和度将增高，形成以高含盐束缚水为介质的导电网络，导电性增强；同时储层抗压能力大幅减弱，在上覆压实作用下，孔隙和裂隙坍塌闭合，基质颗粒镶嵌式接触，荷电效应减少，有机质被压缩得更为紧实，单位体积内石墨化结构量相对增大，连通性变好，导电性进一步增强，电阻率显著降低，且有机质丰度越高，电阻率越低。

由有机质强炭化导致的低电阻率，其影响范围可能较大，页岩气勘探开发需尽量避开R_o大于3.5% 的强炭化区域。由保存条件变差导致的低电阻率，其影响范围较小，靠近泄压区，含气性差、电阻率低，不利于页岩气勘探开发。

致谢：中国石化华东油气分公司勘探开发研究院高和群、丁安徐、李小越为本文研究提供了部分实验数据，黄小贞参与了部分图件清绘，在此谨表感谢！

参考文献