頁巖含氣量的影響因素及預(yù)測*

王莉莎 陳喬 王森 鄭榕

1中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院2中國石油西南油氣田分公司川西北氣礦梓潼采氣作業(yè)區(qū)

頁巖含氣量的影響因素及預(yù)測*

王莉莎1陳喬1王森1鄭榕2

1中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院2中國石油西南油氣田分公司川西北氣礦梓潼采氣作業(yè)區(qū)

目前關(guān)于頁巖含氣量的研究主要針對頁巖氣藏中的吸附氣及游離氣含量。頁巖的含氣量是計(jì)算原地氣量的關(guān)鍵參數(shù)，其對頁巖含氣性評價(jià)、資源量預(yù)測以及勘探開發(fā)有利區(qū)的優(yōu)選具有重要的意義。頁巖含氣量影響因素較多，其中有機(jī)質(zhì)含量的影響最大。利用線性擬合方法計(jì)算頁巖含氣量，所選參數(shù)越多，預(yù)測效果越好。該方法在頁巖氣藏勘探開發(fā)的早期往往會受到參數(shù)的限制，預(yù)測精確度不高。因此，需要建立小數(shù)據(jù)量的非線性含氣量預(yù)測體系，它將成為今后含氣量預(yù)測的重點(diǎn)研究方向。

頁巖氣；含氣量；影響因素；預(yù)測方法

1 頁巖含氣量

頁巖含氣量是指每噸頁巖中所含天然氣折算到標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力（101.325 kPa，25℃）條件下的天然氣總體積，包括吸附氣、游離氣和溶解氣。由于頁巖氣藏中溶解氣含量較小，目前關(guān)于頁巖含氣量的研究主要針對頁巖氣藏中的吸附氣及游離氣含量。游離氣是指以游離狀態(tài)儲存于天然微裂縫和孔隙中的天然氣；吸附氣是指吸附于有機(jī)質(zhì)或伊利石等黏土礦物顆粒表面的天然氣。

2 頁巖含氣的影響因素

由于頁巖儲層具有滲透率低、非均質(zhì)性強(qiáng)、礦物組成復(fù)雜等特點(diǎn)，影響頁巖含氣性的因素眾多。這些影響因素既包括頁巖總有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)質(zhì)成熟度等頁巖固有屬性，也包括頁巖埋深、地層壓力與溫度等外因。

2.1 內(nèi)因

（1）有機(jī)質(zhì)含量?？傆袡C(jī)質(zhì)含量（total organic content，TOC）可以反映出頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度，是頁巖氣聚集最重要的主控因素之一。美國主要頁巖盆地的總有機(jī)碳含量在0.5%～25%之間，目前一般認(rèn)為總有機(jī)碳含量在0.5%以上的頁巖地層才有可能形成頁巖氣藏。從國內(nèi)外的測試結(jié)果來看，有機(jī)質(zhì)含量與頁巖的含氣量正相關(guān)性較好。這是因?yàn)樵谙嗤臍獠販囟群蛪毫ο?，有機(jī)碳含量較高的頁巖具有更多的微孔隙空間，增大了游離氣的儲存空間；此外，有機(jī)質(zhì)吸附甲烷氣體的能力遠(yuǎn)高于無機(jī)質(zhì)等黏土礦物，有機(jī)碳含量的增加將極大地提高吸附氣的含量。

（2）有機(jī)質(zhì)類型。沉積有機(jī)質(zhì)主要由干酪根構(gòu)成，約占沉積有機(jī)物的80%～90%。干酪根是沉積巖中不溶于堿、非氧化型酸和非極性有機(jī)溶劑的分散有機(jī)質(zhì)。不同類型的干酪根由于其自身化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)的不同，具有不同的生烴潛力，形成的產(chǎn)物也不同。干酪根在熱演化程度較高時(shí)均可生成天然氣，但Ⅰ型和Ⅱ型干酪根主要生成油，Ⅲ型干酪根則主要生成氣。另外，干酪根的類型對天然氣的吸附率也有一定影響。

（3）有機(jī)質(zhì)成熟度。有機(jī)質(zhì)成熟度（Maturity of Organic Matter）是指沉積有機(jī)質(zhì)在溫度、時(shí)間等因素的綜合作用下向石油和天然氣演化的程度。頁巖中有機(jī)質(zhì)的成熟度與其生烴潛能相關(guān)性較為密切，是頁巖氣聚集形成的重要指標(biāo)。國際上通常將鏡質(zhì)體反射率（Ro）作為標(biāo)定有機(jī)質(zhì)成熟度的一項(xiàng)獨(dú)立指標(biāo)。

（4）頁巖礦物組成。頁巖的礦物組成一般以石英或黏土礦物為主，黏土礦物包括高嶺石、伊利石、綠泥石、伊蒙混層等，以及少量蒙脫石或不含蒙脫石。國內(nèi)外學(xué)者對于頁巖氣藏的巖石礦物組做了大量研究，表明頁巖的礦物組成在一定程度上決定著頁巖氣藏品質(zhì)的優(yōu)劣，影響頁巖含氣性。

2.2 外因

外因主要包括頁巖層埋深、壓力、溫度等因素對頁巖含氣性的影響。儲層壓力與埋深直接相關(guān)，埋深是頁巖氣藏經(jīng)濟(jì)價(jià)值的主控因素之一，決定頁巖氣藏開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。在溫度一定的情況下，富有機(jī)質(zhì)頁巖的吸附氣含量隨壓力的升高而增大，當(dāng)壓力增大到一定程度時(shí)，吸附氣含量的增大速度明顯減緩。在相同壓力條件下，溫度的升高導(dǎo)致富有機(jī)質(zhì)頁巖的吸附氣含量降低。

3 含氣量的計(jì)算及預(yù)測

頁巖的含氣量是計(jì)算原地氣量的關(guān)鍵參數(shù)，其對頁巖含氣性評價(jià)、資源量預(yù)測以及勘探開發(fā)有利區(qū)的優(yōu)選具有重要的意義。國內(nèi)外研究者對頁巖含氣量的計(jì)算及預(yù)測開展了大量研究工作。本文中主要介紹地球物理測井法和線性擬合法兩種計(jì)算頁巖含氣量的方法。

3.1 地球物理測井法

地球物理測井技術(shù)是頁巖氣勘探開發(fā)的重要技術(shù)之一，可以對含氣頁巖進(jìn)行識別，對儲層含氣性進(jìn)行有效評價(jià)。

3.1.1 吸附氣含量計(jì)算

頁巖的吸附氣含量可利用蘭格繆爾（Langmuir）等溫線與地球物理測井資料結(jié)合計(jì)算得到。Rick等（2004）提出了應(yīng)用蘭格繆爾等溫線計(jì)算含氣頁巖的吸附氣含量。由于蘭格繆爾曲線是在一定的溫度和有機(jī)碳含量條件下測得的，若想將其與測井資料結(jié)合計(jì)算頁巖吸附氣含量，則需要將曲線校正到相應(yīng)的油藏總有機(jī)碳含量、壓力和溫度下。

對溫度和壓力的校正

對總有機(jī)碳含量的校正

最后，利用經(jīng)過校正后的溫度、壓力及總有機(jī)含量來計(jì)算吸附氣含量

式中Vlt為油藏溫度下的蘭格繆爾體積（scf/t）；plt為油藏溫度下的蘭格繆爾壓力（psia）；TOCiso為得到蘭格繆爾等溫線時(shí)采用的TOC值；TOClg為測井得到的TOC值；p為油藏壓力；c1=0.002 7；c2=0.005；c2和c4為中間過渡變量；T為油藏溫度（℃）；Ti為等溫線溫度（℃）；gc為計(jì)算得到的吸附氣含量（scf/ton）。

3.1.2 游離氣含量計(jì)算

頁巖氣藏中游離氣含量的高低與氣藏的壓力、有效孔隙度及含氣飽和度有密切的關(guān)系。為了便于游離氣含量和吸附氣含量的比較，可利用公式（7）計(jì)算游離氣含量。

式中GCfm為游離氣含量（scf/t）；Bg為氣體在油藏中的體積系數(shù)；φeff為有效孔隙度；Sw為含水飽和度；ρb為地層體積密度（g/cm3）；ψ=32.105 2，為轉(zhuǎn)換常數(shù)。

3.2 線性擬合法

2011年徐波等人通過測量遼河油田東部凹陷各類型泥頁巖的理化參數(shù)，分別對總有機(jī)碳和吸附氣含量的關(guān)系及泥頁巖熱演化程度和吸附氣含量之間的關(guān)系進(jìn)行了一元線性擬合，所得公式如下

式中Q為吸附氣含量（m3/t）；TOC為總有機(jī)碳含量；RO為泥頁巖鏡質(zhì)體反射率（%）。

據(jù)公式（8）計(jì)算遼河油田東部凹陷內(nèi)泥頁巖吸附氣含量為0.77 m3/t；據(jù)公式（9）計(jì)算得到吸附氣含量在0.2～1.2 m3/t范圍內(nèi)，均與實(shí)際測得的0.5～1.2 m3/t的吸附氣含量相吻合。

2012年聶海寬等人通過對四川盆地及其周緣下古生界頁巖氣聚集條件的研究認(rèn)為，頁巖的含氣性主要受有機(jī)碳含量、成熟度、巖石總烴含量、微觀組分、巖石礦物組成、巖石物性參數(shù)等內(nèi)部因素及油藏埋深、壓力等外部因素的影響。分別選取2參數(shù)、6參數(shù)、8參數(shù)與含氣量進(jìn)行多元線性擬合，隨所選參數(shù)的增多回歸系數(shù)增大，回歸計(jì)算更加精確。

4 結(jié)語

（1）頁巖含氣量是頁巖氣藏勘探開發(fā)區(qū)塊優(yōu)選的重要指標(biāo)之一，其影響因素較多，其中有機(jī)質(zhì)含量的影響最大。

（2）目前針對影響頁巖含氣量因素的研究大都為定性研究，隨著頁巖氣藏勘探開發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，開展各影響因素權(quán)重的定量研究十分必要。

（3）利用線性擬合方法計(jì)算頁巖含氣量，所選參數(shù)越多，預(yù)測效果越好。該方法在頁巖氣藏勘探開發(fā)的早期往往會受到參數(shù)的限制，預(yù)測精確度不高。因此，需要建立小數(shù)據(jù)量的非線性含氣量預(yù)測體系，它將成為今后含氣量預(yù)測的重點(diǎn)研究方向。

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.2.001

基金論文：重慶市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（2ZR12FD030）中科院青年創(chuàng)新基金（2ZC12CF010）。