頁巖油氣地質(zhì)評價方法和流程

陳桂華 肖鋼 徐強(qiáng) 祝彥賀 陳曉智

中海油研究總院

頁巖氣是一種現(xiàn)實(shí)的非常規(guī)天然氣資源［1－4］。美國2011年頁巖氣產(chǎn)量達(dá)1 800×108m3，大大超過我國當(dāng)年的常規(guī)天然氣年產(chǎn)量，而現(xiàn)在我國頁巖氣年產(chǎn)量尚很低。美國能源部能源信息署（EIA）2010年的評價認(rèn)為：中國頁巖氣技術(shù)可采儲量達(dá)36×1012m3，我國國土資源部發(fā)布的中國頁巖氣技術(shù)可采儲量也達(dá)25×1012m3。因此，如何借鑒頁巖油氣勘探開發(fā)成功項目的地質(zhì)評價方法，快速發(fā)現(xiàn)并評價我國的有利頁巖氣發(fā)育區(qū)就成為一個現(xiàn)實(shí)的問題。為此。筆者基于國內(nèi)外10多個頁巖油氣項目評價的工作實(shí)踐，綜合出了一套適合我國條件的頁巖油氣地質(zhì)評價流程和方法，并以某頁巖油氣盆地的地質(zhì)評價為例來說明其應(yīng)用過程及效果。

1 頁巖油氣地質(zhì)評價方法與流程

通過分析國內(nèi)外10多個頁巖油氣評價項目、查詢相關(guān)資料、向外國公司學(xué)習(xí)以及交流培訓(xùn)［5－13］等方式，綜合了一套頁巖油氣的地質(zhì)評價方法和流程，并利用該套技術(shù)評價了北美、歐洲、澳洲等地多個頁巖油氣項目以及國內(nèi)頁巖氣項目。結(jié)果表明：這套方法和流程應(yīng)用效果很好，對我國頁巖油氣勘探有一定的借鑒意義。頁巖油氣評價流程包括頁巖區(qū)域評價、頁巖評價、頁巖油氣儲量評估（圖1），以下分述之。

1．1 頁巖區(qū)域評價

圖1 頁巖油氣評價流程圖

頁巖區(qū)域評價包括建立地層格架、區(qū)域構(gòu)造演化及古地理演化研究、地理地貌分析，目的是確定盆地內(nèi)是否存在形成富含有機(jī)質(zhì)頁巖的古地理環(huán)境［1－2］?？v向上，弄清富含有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育的層位，明確各頁巖層段分布范圍及區(qū)域沉積的穩(wěn)定性，同時確定區(qū)域構(gòu)造造的穩(wěn)定性即地層傾角變化、褶皺變化、斷裂變化及地貌起伏。也就是說頁巖油氣盡管不像常規(guī)天然氣那樣對保存條件要求苛刻，但頁巖油氣含量要達(dá)到一定豐度，同樣也要求具有一定的保存條件。只有在相對穩(wěn)定的地區(qū)，頁巖油氣才有可能發(fā)育、保存并被有效開發(fā)，該區(qū)被稱為頁巖油氣發(fā)育遠(yuǎn)景區(qū)。一般認(rèn)為寬緩背斜、寬緩向斜和地層連續(xù)整一分布區(qū)為相對穩(wěn)定區(qū)，而新生代盆地發(fā)育區(qū)經(jīng)鉆井資料確認(rèn)的也被認(rèn)為是相對穩(wěn)定區(qū)，都稱為頁巖油氣發(fā)育遠(yuǎn)景區(qū)。而地層抬升出露且地層傾角較大、變質(zhì)巖出露、火山巖覆蓋的地區(qū)則被認(rèn)為是無遠(yuǎn)景區(qū)。這里可以引入一個概念——穩(wěn)定率，即構(gòu)造、沉積及地貌相對穩(wěn)定或平緩的地區(qū)面積與評價區(qū)總面積的比值，利用這一比值可以確定評價區(qū)頁巖油氣遠(yuǎn)景發(fā)育程度。美國頁巖氣盆地幾乎與常規(guī)油氣盆地疊合，大多數(shù)地層平緩，地面起伏不大，區(qū)域評價不是特別重要；但在中國，由于地下地質(zhì)條件復(fù)雜、地表起伏大，區(qū)域評價就顯得相當(dāng)重要。如在四川盆地的東南部，可以劃分出盆地區(qū)、斜坡區(qū)、高陡區(qū)和高原區(qū)，盆地區(qū)和斜坡區(qū)較穩(wěn)定；而相比之下，高陡區(qū)就是一個不穩(wěn)定區(qū)，對頁巖氣保存和開發(fā)都不太有利；而高原區(qū)中相對穩(wěn)定的部分也可算作遠(yuǎn)景區(qū)，不穩(wěn)定的部分就是無遠(yuǎn)景區(qū)［14－15］。

1．2 頁巖評價

頁巖氣是指以吸附和游離狀態(tài)（有時有少量溶解狀態(tài)）存于低孔隙度、低滲透率、富含有機(jī)質(zhì)頁巖層中的天然氣。頁巖氣藏的生烴、排烴、運(yùn)移、聚集和保存全部在烴源巖內(nèi)部完成，其勘探、開發(fā)、研究對象為單一的頁巖［1－2］。頁巖氣藏具有生烴的唯一性即頁巖中的有機(jī)質(zhì)演化生成的油氣是頁巖氣的唯一來源，儲氣的多樣性即儲集空間的多樣性和地下狀態(tài)的多樣性，富氣的變化性即影響頁巖氣含量的因素復(fù)雜而多變，供氣的改造性即只有能進(jìn)行有效改造的儲層才具有經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)頁巖氣的可能。既然頁巖氣開發(fā)不像人們想象中的那么簡單，那么在鉆井資料不是很豐富的條件下如何能發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效的頁巖氣分布區(qū)呢？頁巖評價就是為滿足鉆井資料不是很豐富、但又要快速鎖定一定勘探地區(qū)的要求而被提出來的。頁巖評價的目的是確定頁巖油氣發(fā)育的有利區(qū)。通過綜合分析北美各大頁巖油氣區(qū)的勘探實(shí)踐并考慮國內(nèi)頁巖氣區(qū)的特征，認(rèn)為頁巖評價內(nèi)容一般可以概括為“五度”，即頁巖埋藏深度、頁巖油氣儲層厚度、頁巖中有機(jī)質(zhì)豐度、頁巖中有機(jī)質(zhì)熱演化程度及頁巖強(qiáng)度（脆性度）。

1）頁巖的埋藏深度。雖然頁巖油氣的保存條件沒有常規(guī)圈閉油氣藏要求的那么高，但只有在一定的深度埋藏才具有一定的含油氣豐度，一般認(rèn)為盆地中心區(qū)或盆地斜坡區(qū)含氣頁巖的埋藏深度較有利。通過大量實(shí)例研究認(rèn)為，頁巖氣發(fā)育區(qū)頁巖的埋深要大于800m，而頁巖油發(fā)育區(qū)頁巖的埋深要大于1 500m，不同的盆地會有所差異。

2）頁巖油氣儲層的厚度。富含有機(jī)質(zhì)頁巖厚度要達(dá)到一定規(guī)模才有利于水平井壓裂開發(fā)，一般有效厚度要大于15m，頁巖中有機(jī)質(zhì)豐度低的頁巖厚度要超過30m，且區(qū)域上要連續(xù)穩(wěn)定分布才為有利區(qū)。

3）頁巖中的有機(jī)質(zhì)豐度。研究表明，頁巖中的吸附天然氣主要是有機(jī)質(zhì)吸附的天然氣。頁巖中的有機(jī)質(zhì)含量要達(dá)到一定指標(biāo)才有形成豐富油氣的基礎(chǔ)，也才有利于有機(jī)質(zhì)吸附一定量的天然氣，同時也有利于有機(jī)質(zhì)熱演化生烴過程中一定量有機(jī)質(zhì)顆粒內(nèi)孔隙的形成。Jarvie等的研究認(rèn)為（2007），頁巖中的孔隙以有機(jī)質(zhì)生烴形成的孔隙為主，并為頁巖中游離油氣提供儲集空間，總有機(jī)碳含量（TOC）為7%的頁巖，有機(jī)質(zhì)體積為14%，但經(jīng)過熱演化完全成熟生烴后，由于碳的丟失而形成4．9%的有機(jī)質(zhì)內(nèi)孔隙。美國頁巖油氣發(fā)育區(qū)TOC一般大于2%，最好的超過2．5%。

4）頁巖中有機(jī)質(zhì)的熱演化程度。有機(jī)質(zhì)熱演化成熟度（Ro）應(yīng)在生油氣窗范圍之內(nèi)才能形成一定量的油氣，美國頁巖油發(fā)育區(qū)的Ro為0．7%～1．5%，頁巖氣發(fā)育區(qū)的Ro為1．1%～3．5%。雖然也有生物成因的頁巖氣［9，14－15］，但因其含氣豐度極低，經(jīng)濟(jì)性不是很好。

5）頁巖強(qiáng)度（脆性度）。脆性的頁巖才有利于水平井壓裂改造頁巖儲層形成人造裂縫，增加泄油氣體積，因此，人們稱頁巖氣為“人造氣藏”。頁巖中的脆性礦物如石英、方解石、長石等含量要大于30%，而黏土含量要小于40%。并非所有頁巖都能成為頁巖油氣藏，這里有一個值得注意的問題是：上述標(biāo)準(zhǔn)和概念是相對的。世界上沒有一個完全一樣的頁巖油氣盆地，不同盆地其標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的。另外，隨著技術(shù)水平的提高，原來被認(rèn)為是不經(jīng)濟(jì)的地區(qū)將變得經(jīng)濟(jì)有效，但要樹立在烴源巖中勘探開發(fā)油氣的理念。

頁巖評價是一種非常規(guī)油氣評價，同時也是連續(xù)性油氣藏評價，與常規(guī)油氣評價不同的地方在于有機(jī)質(zhì)豐度及類型、有機(jī)質(zhì)成熟度和頁巖脆性度評價。

1．3 頁巖油氣儲量評估

頁巖油氣儲量評估可以確定形成頁巖油氣的核心區(qū)或“甜點(diǎn)”區(qū)。核心區(qū)應(yīng)該是經(jīng)過試驗(yàn)性開采后證明有經(jīng)濟(jì)性而確定的區(qū)域，“甜點(diǎn)”區(qū)應(yīng)具有有機(jī)質(zhì)含量高、有機(jī)質(zhì)演化形成的孔隙發(fā)育等有利條件，這樣的話，儲層中的含油氣量就較高。頁巖存在天然裂縫、其他成因的孔隙發(fā)育、一定的巖性體、構(gòu)造撓曲和低幅構(gòu)造等都是形成頁巖油氣“甜點(diǎn)”區(qū)的有利條件。

頁巖油氣儲量評估的方法很多，這里只介紹一種北美地區(qū)應(yīng)用最廣泛的直接法。頁巖油氣儲量評估與常規(guī)油氣儲量評估有很大不同，由于頁巖油氣藏是一種連續(xù)性油氣藏，但每個區(qū)域因地質(zhì)條件的不同儲量參數(shù)又是變化的，如頁巖厚度、油氣層壓力和溫度、孔隙度等，而依據(jù)掌握鉆井資料程度的不同，儲量評估的方法就有兩種選擇。其一是等值線法：該方法適用于鉆井資料豐富的地區(qū)。先計算出每個井點(diǎn)的單位原始地質(zhì)儲量，再勾繪單位原始地質(zhì)儲量平面分布等值線圖，利用積分法累加各等值線內(nèi)地質(zhì)儲量即可得到總原始地質(zhì)儲量。其二是分區(qū)法：適用于只有少量鉆井資料的地區(qū)。先根據(jù)地質(zhì)特征對整個礦區(qū)進(jìn)行分區(qū)，有鉆井資料的區(qū)域先計算每個井點(diǎn)的單位原始地質(zhì)儲量，再乘以該區(qū)面積得到該區(qū)原始地質(zhì)儲量。對于沒有鉆井資料的地區(qū)，利用地質(zhì)特征類比法，得到該區(qū)單位原始地質(zhì)儲量，再乘以該區(qū)面積得到該區(qū)原始地質(zhì)儲量，最后各區(qū)原始地質(zhì)儲量相加即得到總原始地質(zhì)儲量。

計算單位原始地質(zhì)儲量（儲量面積豐度）采用體積法和含氣量法，單位儲量計算公式如下。

1．3．1 頁巖油發(fā)育區(qū)儲量計算

溶解氣：GIPdis＝OIP×GOR

式中OIP表示單位原始石油地質(zhì)儲量，106m3／km2；A表示面積，1km2；h表示儲層厚度，km；φeff表示有效孔隙度；So表示含油飽和度；Bo表示原始原油體積系數(shù)；GIPdis表示單位溶解氣地質(zhì)儲量，106m3／km2；GOR表示原始溶解氣油比。

1．3．2 頁巖氣發(fā)育區(qū)儲量計算

單位總頁巖氣儲量＝單位游離氣儲量＋單位吸附氣儲量

式中GIPfre表示單位原始游離氣地質(zhì)儲量，106m3／km2；Sg表示含氣飽和度；p表示儲層壓力，psia（1psia＝6．894 8kPa）；T表示儲層溫度，（x＝32＋x℃×1．8）；Z表示天然氣偏差因子；GIPads表示單位原始吸附氣地質(zhì)儲量，106m3／km2表示地層平均體積密度，g／cm3；表示地層平均吸附氣含量，m3／t。

2 某盆地頁巖油氣地質(zhì)評價實(shí)例

某盆地面積大約為2．8×104km2，需要評價的頁巖油氣礦區(qū)位于該盆地的西北部，面積約為2 400km2。

2．1 區(qū)域地層

該盆地中要評價的頁巖沉積在距今約89Ma前的晚白堊世被動大陸邊緣，發(fā)育在一組石灰?guī)r地層之上，為一套穩(wěn)定淺海相富含有機(jī)質(zhì)頁巖，并且是大量商業(yè)性油氣田的烴源巖，上覆為白堊層。該盆地頁巖的厚度受深部構(gòu)造的控制，一般介于30．5～122m，最厚處分布在西部及南部邊緣。同時，埋深從西到東、從北向南不斷增加，深度范圍介于1 219～4 267m。該盆地北部出露了上述頁巖地層，而在盆地的西北部發(fā)育火山巖，整個盆地地層是從北向南傾斜。需要評價的礦區(qū)位于盆地的中部，無論是沉積和構(gòu)造都處在穩(wěn)定區(qū)（圖2）。

圖2 頁巖油氣盆地構(gòu)造、礦區(qū)分布及評價分區(qū)圖

2．2 頁巖評價

2．2．1 構(gòu)造特征

從頁巖頂部構(gòu)造圖來看（圖2），礦區(qū)構(gòu)造簡單，為一個向東南傾斜的單斜構(gòu)造，有幾處輕微撓曲，不發(fā)育大斷層，其儲層頂部埋深介于1 219～3 353m，埋藏深度適中，既有利于頁巖油氣的保存，也有利于頁巖油氣的開發(fā)。

2．2．2 厚度特征

礦區(qū)內(nèi)頁巖總厚度介于61～122m，最厚處位于西部礦區(qū)（達(dá)122m），最薄的部位位于東北礦區(qū)，一般為30．5～46m。一般情況下，頁巖厚度超過15m時才能有效開發(fā)頁巖油氣，礦區(qū)頁巖厚度大于這一下限值，這為利用水平井多段壓裂開發(fā)創(chuàng)造了條件。

2．2．3 有機(jī)質(zhì)豐度、類型、成熟度

礦區(qū)內(nèi)頁巖中TOC介于1．00%～7．68%，有機(jī)質(zhì)類型為偏腐泥混合型，北部的Ro為0．8%，而南部的Ro超過了1．5%。

2．2．4 脆性度

脆性礦物含量決定了頁巖的被改造能力，脆性礦物含量越高頁巖的脆性度就越高，頁巖越易被壓裂改造。該盆地頁巖中鈣質(zhì)含量介于49%～64%，石英含量介于8%～16%，黏土含量介于17%～29%。總的來說，從南向北鈣質(zhì)含量增加，而石英和黏土含量減少，但脆性礦物含量都遠(yuǎn)大于30%，黏土含量都遠(yuǎn)小于45%，這一特點(diǎn)有利于頁巖的壓裂改造。

總之，從“五度”來評價，可以快速地認(rèn)為礦區(qū)都處在頁巖油氣有利區(qū)，后期的鉆探結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。

2．3 儲量評估

由于該盆地處在勘探階段，甲方也只提供了5口井的鉆井及生產(chǎn)資料，分布在有限地區(qū)。因此，儲量計算只能應(yīng)用上述分區(qū)法和類比法。

根據(jù)頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度，參考已知油田的油密度和油氣比，先把礦區(qū)劃分成3個大區(qū)即頁巖油區(qū)（Ro介于 0．7%～1．1%），濕氣區(qū)（Ro介于1．1% ～1．5%），干氣區(qū)（Ro＞1．5%）（圖2）。再根據(jù)其他“五度”特征劃分（表1），頁巖油區(qū)分為4個區(qū)，濕氣區(qū)分為2個區(qū)，沒有干氣區(qū)。根據(jù)井點(diǎn)資料和各區(qū)的“五度”特征，計算代表該區(qū)平均單位頁巖油、溶解氣和油氣當(dāng)量的地質(zhì)儲量，再根據(jù)各區(qū)面積乘以單位地質(zhì)儲量即得到該區(qū)總的頁巖油、溶解氣和油氣當(dāng)量的地質(zhì)儲量，同理得氣區(qū)的游離氣、吸附氣和總天然氣地質(zhì)儲量。通過一年近300口井鉆探的證實(shí)，上述分區(qū)合理，預(yù)測儲量與實(shí)際地質(zhì)儲量相差不大。

表1 礦區(qū)分區(qū)特征及單位地質(zhì)儲量表

3 結(jié)論

1）頁巖油氣評價流程包括頁巖區(qū)域評價、頁巖評價、頁巖油氣儲量評估。頁巖區(qū)域評價包括建立地層格架、區(qū)域構(gòu)造演化及古地理演化研究、地理地貌分析，目的是確定盆地內(nèi)是否存在形成富含有機(jī)質(zhì)頁巖的古地理環(huán)境。頁巖評價確定頁巖油氣發(fā)育的有利區(qū)。頁巖油氣儲量評估過程中可以確定形成頁巖油氣的核心區(qū)或“甜點(diǎn)”區(qū)。

2）頁巖油氣地質(zhì)評價流程和方法與常規(guī)油氣有很大不同，頁巖油氣區(qū)域評價強(qiáng)調(diào)頁巖的穩(wěn)定性，頁巖評價中則有有機(jī)質(zhì)豐度及類型、有機(jī)質(zhì)成熟度和脆性度評價的不同，儲量評估則體現(xiàn)了連續(xù)油氣藏的特點(diǎn)。

3）“五度”評價標(biāo)準(zhǔn)的確定，為頁巖油氣快速評價提供了可能。

4）實(shí)踐證明，所建立的頁巖油氣評價流程和方法便捷有效。

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