頁巖氣評價標(biāo)準(zhǔn)與儲層分類

涂 乙,鄒海燕，孟海平，夏志遠(yuǎn)，李 楠

[1.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司 研究院，廣東 廣州 510240； 2.中國石油 青海油田分公司勘探開發(fā)研究院，甘肅 敦煌 736202； 3.中國石油 新疆油田分公司 百口泉采油廠，新疆 克拉瑪依 834000；4.中國石油 青海油田分公司 采油一廠，青海 茫崖 816499]

頁巖氣評價標(biāo)準(zhǔn)與儲層分類

涂 乙1,鄒海燕2，孟海平3，夏志遠(yuǎn)3，李 楠4

[1.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司 研究院，廣東 廣州 510240； 2.中國石油 青海油田分公司勘探開發(fā)研究院，甘肅 敦煌 736202； 3.中國石油 新疆油田分公司 百口泉采油廠，新疆 克拉瑪依 834000；4.中國石油 青海油田分公司 采油一廠，青海 茫崖 816499]

隨著中國頁巖氣勘探開發(fā)的迅猛發(fā)展，頁巖氣評價標(biāo)準(zhǔn)和儲層分類方法的建立顯得尤為重要。在調(diào)研國內(nèi)外頁巖氣地質(zhì)特點、生氣能力、儲氣能力和易開采性等資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國四川盆地具體地質(zhì)情況，篩選出10個儲層評價參數(shù)，并界定了評價參數(shù)分級分值。隨后，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法定量化各因子之間的大小關(guān)系，計算出了各主、次因子的權(quán)重和頁巖氣儲層質(zhì)量綜合評價因子，從而進(jìn)行了儲層分類。分析發(fā)現(xiàn)，我國四川盆地頁巖氣儲層與美國五大頁巖氣盆地地質(zhì)特點極為相似，并且龍馬溪組和筇竹寺組儲層綜合評價因子分別為0.48和0.45，與美國New Albany頁巖氣盆地儲層評價因子相差不大，開發(fā)潛力巨大。實例證明，儲層分類結(jié)果與實際生產(chǎn)情況吻合度非常高。該評價方法可為我國頁巖氣儲層評價和選區(qū)提供依據(jù)。

指標(biāo)分值；主因子；權(quán)重系數(shù)；評價指標(biāo)；綜合評價因子；儲層分類；頁巖氣

據(jù)勘探資料顯示，我國頁巖氣主要盆地的可采資源量約為23.5×1012m3，資源量十分豐富，略小于美國的28×1012m3。在美國，頁巖氣商業(yè)性開采早已實現(xiàn)，2009年美國頁巖氣產(chǎn)量為889×108m3，高于中國當(dāng)年的常規(guī)天然氣產(chǎn)量830×108m3，美國頁巖氣2010年超過了1 200×108m3，占據(jù)13%～15%的天然氣產(chǎn)量[1-2]。我國四川盆地下古生界泥頁巖分布厚度大，有機質(zhì)含量豐富，且演化程度高、生烴量大，尤其地質(zhì)特征與美國頁巖氣盆地極為相似。近年來，中國對頁巖氣的勘探開發(fā)投入力度加大，特別是四川盆地威201井，經(jīng)過直井壓裂測試，日產(chǎn)氣量上萬方，達(dá)到工業(yè)氣流，這給后續(xù)頁巖氣資源的勘探開發(fā)提供了基礎(chǔ)和信心[1]。

本文主要內(nèi)容“頁巖氣儲層評價”，是頁巖氣后續(xù)開發(fā)評價的基礎(chǔ)，在分析國外頁巖氣勘探開發(fā)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國頁巖氣地質(zhì)背景和成藏特征的實際情況，給出參數(shù)等級指標(biāo)，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，定量各參數(shù)權(quán)重，得出了頁巖氣儲層綜合評價因子，評價結(jié)果符合實際情況，為合理優(yōu)選頁巖氣有利勘探開發(fā)區(qū)提供依據(jù)。

1 頁巖氣地質(zhì)特點

頁巖氣是典型的非常規(guī)天然氣資源，主要以吸附或游離狀態(tài)，儲存在暗色泥頁巖、高碳泥頁巖中。頁巖氣具有自生自儲自保，無氣水邊界，低孔滲，低產(chǎn)或無自然產(chǎn)能等特點，廣泛分布在盆地內(nèi)厚度較大的頁巖烴源巖中，一般要進(jìn)行壓裂改造，才能實現(xiàn)工業(yè)氣流，但開采壽命和生產(chǎn)周期較長[1-5]。頁巖氣成藏的主要因素，包括巖石礦物成分、吸附氣含量、總有機碳含量、含氣量、滲透率、有機質(zhì)成熟度、埋藏深度、有效厚度、孔隙度、地層壓力、溫度等，因此，在頁巖氣儲層評價中，需要定量地考慮這些因素的影響。總結(jié)頁巖氣評價，主要分為生氣能力、儲氣能力和易開采性三方面[4]。頁巖氣影響因素關(guān)系如圖1所示。

2 頁巖氣儲層評價

頁巖氣儲層評價方法有很多，本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行頁巖氣儲層劃分與評價，主要是利用北美東部地區(qū)和四川盆地各影響儲層質(zhì)量的參數(shù)，進(jìn)行整體上頁巖氣儲層的評價，分析我國四川盆地頁巖氣儲層開采潛力，參數(shù)對比數(shù)據(jù)見表1所示。

根據(jù)張金川等人編寫的《頁巖氣資源潛力評價方法和有利區(qū)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)研究》手冊以及調(diào)研國內(nèi)外勘探開發(fā)資料顯示[6-8]，頁巖氣選區(qū)準(zhǔn)則應(yīng)具有一定的儲量豐度、經(jīng)濟性和可采性?？偨Y(jié)為以下基本評價標(biāo)準(zhǔn)：①有機碳含量>0.3%；②成熟度(Ro)≥0.4%；③埋藏深度<4 500 m；④富有機質(zhì)泥頁巖集中發(fā)育，有效厚度>9 m；⑤含氣量>0.5 m3/t；⑥粘土礦物含量>30%，脆性礦物含量>45%；⑦孔隙度>1%；⑧滲透率>0.001×10-3μm2。

2.1 灰色關(guān)聯(lián)分析法

該方法是一種預(yù)測算法，根據(jù)灰色系統(tǒng)理論和方法，對各子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行定量分析，近年在儲層的評價方面多有應(yīng)用[9-10]。在實例應(yīng)用過程中，首先選定母序列，其次是子序列，隨后計算關(guān)聯(lián)系數(shù)、關(guān)聯(lián)度、權(quán)重系數(shù)，最后確定綜合評價因子。

2.2 評價指標(biāo)

總結(jié)頁巖氣地質(zhì)特點和影響因素的基礎(chǔ)上，歸納篩選出有機碳含量(TOC)、有機質(zhì)成熟度(Ro)、有效厚度(H)、儲量豐度(M)、孔隙度(Φ)、含氣量(V)、吸附氣含量(N)、儲層壓力(p)、埋藏深度(D)和粘土礦物含量(S)10個因素作為綜合評價頁巖氣儲層的指標(biāo)[11-12]。通過統(tǒng)計國內(nèi)外頁巖氣各指標(biāo)取值范圍，結(jié)合實際頁巖氣勘探情況，建立了頁巖氣選區(qū)評價參數(shù)指標(biāo)，指標(biāo)參數(shù)越多越能綜合考慮各項因子對選區(qū)的影響，頁巖氣的選區(qū)應(yīng)該圍繞如下9個參數(shù)來展開(表2)。

圖1 頁巖氣各影響因素之間的關(guān)系Fig.1 Relationship among factors influencing shale gas development(地理位置包括平原、丘陵、高原、高山、沙漠、戈壁、湖沼等，依次開采難度變大。)

盆地名稱密執(zhí)安地盆阿巴拉契亞地盆伊利諾斯地盆福特沃斯地盆圣胡安地盆四川地盆盆地類型克拉通地盆前陸地盆克拉通地盆前陸地盆前陸地盆前陸地盆頁巖名稱AntrimOhioNewAlbanyBarnettLewis龍馬溪組筇竹寺組TOC/%0.30～24.000～4.701.00～25.004.500.45～2.502.480.34～2.80Ro/%0.40～0.600.40～1.300.40～1.001.00～1.301.60～1.881.20～2.881.83～3.23有效厚度/m21～379～3115～3015～6061～9135～8050～200儲量豐度/(108m3·km-2)0.66～1.640.55～1.090.76～1.093.28～4.370.87～5.460.87～2.450.74～1.52孔隙度/%9.04.710.0～14.04.0～5.03.0～5.52.0～4.52.0～4.5含氣量/(m3·t-1)1.13～2.831.69～2.831.13～2.268.50～9.910.42～1.271.92～3.450.43～0.86吸附氣含量/%705040～602060～8527～6038～64儲層壓力/psi400500～2000300～6003000～40001000～15005000～80003000～6000埋藏深度/m180～720600～1500180～14701950～2550900～18002300～41002700～3600氣體成因類型熱解氣、生物氣熱解氣生物氣熱解氣熱解氣熱解氣熱解氣粘土礦物含量/%30～4235～504135～4428～555325～36產(chǎn)水量/(m3·d-1)0.79～79.4900.79～79.4900——產(chǎn)氣量/(103m3·d-1)1.13～14.160.85～14.160.28～1.422.83～28.322.83～5.66——采收率/%20～6010～2010～208～155～15——單井儲量/(104m3)566～3398425～1699425～16991416～42481699～5663——

注：1 psi=6 894.76 Pa(以下同)。

表2 頁巖氣選區(qū)評價參數(shù)

1) 有機質(zhì)豐度是原始有機碳含量與原始巖石質(zhì)量的比值。有機質(zhì)豐度高低與頁巖氣含量成正比，直接影響頁巖氣含量的大小。對北美地區(qū)頁巖氣儲層研究后，認(rèn)為有商業(yè)價值的頁巖氣藏一般應(yīng)該具備TOC大于2.0%。在中國高演化地區(qū)，原始有機碳含量和殘余有機碳含量存在很大差異。針對Ⅰ型有機質(zhì)頁巖氣藏，成為有效頁巖的條件是殘余有機碳含量≥1.0%。

2) 成熟度是判斷有機質(zhì)是否進(jìn)入熱成熟生氣階段的指標(biāo)。有機質(zhì)進(jìn)入生氣階段(生氣窗)后，氣體含量將迅速增加。美國最大的頁巖氣田Barnett Shale絕大多數(shù)頁巖氣井選擇在Ro≥1.1%地區(qū)打井，可以有效地降低頁巖氣勘探開發(fā)風(fēng)險。

3) 有機質(zhì)頁巖厚度與頁巖氣藏富集程度成正比，是頁巖氣生成和賦存的載體，也是保證有充足的儲滲空間的重要條件。對于直井，頁巖有效厚度應(yīng)大于30 m，對于水平井，由于分段壓裂等技術(shù)的使用，頁巖有效厚度可能低于30 m。除此之外，泥頁巖厚度的大小也直接影響著壓裂改造和頁巖氣資源量。

4) 儲量豐度是探明地質(zhì)儲量與含氣面積的比值，直接決定頁巖氣平面上含氣量密度大小。

5) 頁巖儲層一般為特低孔特低滲——致密儲層。孔隙孔徑大小為微米-納米級，頁巖儲層具有脆性強、構(gòu)造裂縫及微裂縫發(fā)育等特點，因此，孔隙度和相對滲透率相應(yīng)較高，我國的頁巖氣藏孔隙度一般在4%～6%，滲透率小于0.001×10-3μm2，考慮到獲取物性參數(shù)的難易程度，在生產(chǎn)中的貢獻(xiàn)大小，將孔隙度作為物性參數(shù)的代表較為合理。

6) 相對頁巖中的石英和方解石成分，粘土礦物及其他無機成分具有更強的吸附能力，粘土礦物往往具有較高的微孔隙體積和比表面積，吸附性能較強，而且是吸附氣賦存的場所。

7) 儲層壓力、溫度的大小影響著吸附氣和游離氣的含量，隨著壓力增加，吸附氣和游離氣含量都會隨之增大，但是相同壓力下，隨著地層溫度的增加，吸附氣和游離氣含量均會降低。

8) 就易開采性來說，埋深淺更具經(jīng)濟價值。隨著開采技術(shù)的提高，該參數(shù)的影響又帶來一定的變化。我國頁巖氣勘探開發(fā)剛剛起步，開發(fā)技術(shù)和保存條件還不成熟，認(rèn)為埋藏深度1 000～3 000 m可作為有利富集區(qū)，大于3 000 m以上的作為資源潛力區(qū)。隨著水平井技術(shù)的提高，國外對4 000～5 000 m的頁巖氣開采已不成問題，因此，結(jié)合中國頁巖氣開采實踐，認(rèn)為資源潛力區(qū)的界線可加深到4 000 m左右。

9) 按賦存形式劃分，含氣量包括游離氣、吸附氣和溶解氣，按測定過程劃分，含氣量包括損失氣、解吸氣和殘余氣。吸附是頁巖氣賦存的主要方式之一，儲集層頁巖氣含量的高低直接決定頁巖氣井穩(wěn)產(chǎn)期長短。據(jù)統(tǒng)計，吸附氣含量范圍約為20%～85%，對于可采儲層豐富的頁巖氣儲集層，吸附氣含量至少占天然氣總產(chǎn)量的40%左右，是預(yù)測頁巖儲集層產(chǎn)能的關(guān)鍵因素。

2.3 評價矩陣

將某一個能夠定量地反映被評判事物的性質(zhì)的指標(biāo)按一定順序排列，從而能從數(shù)據(jù)信息分析被評判事物與其影響因素之間的關(guān)系，稱為關(guān)聯(lián)分析的母序列[9]。則母系列為:

(1)

子序列是從一定程度上影響被評判事物性質(zhì)的的各子因素數(shù)據(jù)的有序排列。則有子序列:

(2)

根據(jù)的母、子序列，可構(gòu)成如下的原始數(shù)據(jù)矩陣

(3)

本次研究中將有機碳含量確定為主因素，而其余的9個指標(biāo)分別從某一側(cè)面反映被評價樣品質(zhì)量好壞，可以看作是子因素(表3)。

2.4 評價指標(biāo)定量化

原始數(shù)據(jù)變換處理方法有初值化處理、均值化處

理、極大值標(biāo)準(zhǔn)化及歸一化等[9]。目的是消除原始數(shù)據(jù)物理意義以及量綱間的差異，本部分將采用極大值標(biāo)準(zhǔn)化法，使每項評價分?jǐn)?shù)成為無量綱、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)[13-14]。極大值標(biāo)準(zhǔn)化根據(jù)參數(shù)意義不同，處理方法也有所差異，本文研究過程中分3種情況(表4)。

① 對于正指標(biāo)，即評價數(shù)據(jù)值越大，儲層質(zhì)量越好，如有機碳含量(TOC)、有機質(zhì)成熟度(Ro)、有效厚度(H)、儲量豐度(G)、孔隙度(Φ)，含氣量(V)、吸附氣含量(N)和儲層壓力(p)等，用單個參數(shù)數(shù)據(jù)除以本指標(biāo)的最大值；

② 對于負(fù)指標(biāo)，即評價數(shù)據(jù)值越小，儲層質(zhì)量越好，先用本參數(shù)的極大值減去單項參數(shù)數(shù)據(jù)，用其差值再除以極大值；

③ 對于中值指標(biāo)，即評價數(shù)據(jù)越靠近中值區(qū)間，儲層質(zhì)量越好，如埋藏深度(D)，求取單個參數(shù)數(shù)據(jù)與中間值之差的絕對值，再用最大絕對值與各項指標(biāo)的差值除以最大絕對值。

2.5 求取灰關(guān)聯(lián)度

用標(biāo)準(zhǔn)化后的評價指標(biāo)，通過下式計算出有機碳含量(TOC)與各子因素之間的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)，從而求得各子因素指標(biāo)與主因素指標(biāo)的灰關(guān)聯(lián)度[9]。

1)求取灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

(4)

表3 主因子和子因子評價參數(shù)

表4 評價參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)

式中：

(5)

(6)

(7)

為了避免灰關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異不明顯，和最大絕對差數(shù)值太大而導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真的影響，式中引入分辨系數(shù)ρ，通常ρ∈[0.1，1]，本文取值0.5[9-11]。

2)計算灰關(guān)聯(lián)度

關(guān)聯(lián)度ri,0定義為:

(8)

10個指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度分別為r=(1.000 0，0.509 7，0.567 1，0.599 2，0.745 4，0.555 2，0.656 7，0.538 2，0.549 1，0.689 3)。

關(guān)聯(lián)度的取值范圍在0.1～1。關(guān)聯(lián)度越接近于1，表明子因素對主因素的影響越顯著，反之亦然。

2.6 權(quán)重系數(shù)的確定

衡量各評價指標(biāo)對儲層質(zhì)量的影響程度，就是計算它們相對于有機碳含量(TOC)的權(quán)重值。歸一化處理處理的結(jié)果，即為各評價指標(biāo)在儲層質(zhì)量評價中的權(quán)重大小[9]。歸一化表達(dá)式為:

(9)

10個指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)分別為a=(0.156 0，0.079 5，0.088 5，0.093 5，0.116 3，0.086 6，0.102 5，0.084 0，0.085 7，0.107 5)。

2.7 確定綜合權(quán)衡評價分?jǐn)?shù)和分類標(biāo)準(zhǔn)

將標(biāo)準(zhǔn)化后的單項評價指標(biāo)，與本類的“權(quán)重”相乘，即為單項指標(biāo)的權(quán)衡大小[9-11]。將各個評價指標(biāo)的單項權(quán)衡分?jǐn)?shù)相加，即得到各頁巖氣儲集層的綜合評價分?jǐn)?shù)，命名為“儲層質(zhì)量綜合評價Q因子”，如表5所示。

在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，綜合考慮地質(zhì)、地球化學(xué)

指標(biāo)、地球物理、頁巖發(fā)育規(guī)模、深度、鉆井天然氣顯示以及少量含氣性參數(shù)等參數(shù)[6-7]，再結(jié)合頁巖氣儲集層綜合評價因子Q大小情況確定分類標(biāo)準(zhǔn)，大致分為四類：當(dāng)Q>0.60時，為Ⅰ類儲層，占研究單元總數(shù)的14%；0.51

3 結(jié)論

1) 在美國五大頁巖氣盆地和我國四川盆地勘探開發(fā)地質(zhì)條件、相關(guān)參數(shù)基礎(chǔ)上，選出了影響頁巖氣儲層評價的主要因素，對10項評價參數(shù)作了界定，給出評價參數(shù)分級分?jǐn)?shù)。

2) 灰關(guān)聯(lián)分析法在綜合考慮多因子對儲層的影響的基礎(chǔ)上，能建立各評價因子之間的定量關(guān)系，能有效避免單因素評價儲層時出現(xiàn)評價結(jié)果相互矛盾、存在分歧等問題，能定量地反映各指標(biāo)在儲層評價中的權(quán)重大小，進(jìn)而給出綜合評價因子Q。

表5 頁巖氣儲層質(zhì)量綜合評價分類

3) 我國四川盆地龍馬溪組和筇竹寺組頁巖氣儲層開發(fā)潛力喜人，其綜合評價因子Q與New Albany盆地相差不大，除埋藏深度和儲層壓力外，其余評價指標(biāo)與美國五大頁巖氣盆地參數(shù)基本一致。評價結(jié)果符合實際生產(chǎn)情況，準(zhǔn)確度和可信度高。

符號注釋

t——同一評價指標(biāo)不同頁巖盆地個數(shù)；

n——頁巖盆地個數(shù)；

i——不同評價指標(biāo)個數(shù)，i=0時為母系列；

m——評價指標(biāo)個數(shù)；

ξi,0——不同指標(biāo)灰關(guān)聯(lián)系數(shù)；

ρ——分辨系數(shù)，削弱數(shù)據(jù)失真的影響，通常ρ∈[0.1，1]，本文取值0.5；

ri,0——子序列i與母序列0的灰關(guān)聯(lián)度；

ai——不同指標(biāo)權(quán)重。

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(編輯 董 立)

Evaluationcriteriaandclassificationofshalegasreservoirs

Tu Yi1,Zou Haiyan2,Meng Haiping3,Xia Zhiyuan3,Li Nan4

(1.ShenzhenBranchofCNOOC,Guangzhou,Guangdong510240,China;2.ExplorationandDevelopmentResearchInstitute,PetroChinaQinghaiOilfieldCompany,Dunhuang,Gansu736202,China;3.BaikouquanOilProductionPlant,PetroChinaXinjiangOilfieldCompany,Karamay,Xinjiang834000,China;4.The1stOilProductionPlant,PetroChinaQinghaiOilfieldCompany,Mangya,Qinghai816499,China)

Establishment of shale gas evaluation criteria and reservoir classification methods is important for shale gas exploration and development.Based on investigation and survey of geological features,gas generating capacities,gas storage capacity and recoverability of typical shale gas plays in the world,10 parameters for shale gas reservoir evaluation were selected in combination with the specific geological conditions of Sichuan Basin and their scores for shale gas reservoir classification were also determined.Grey relational analysis method was used to define the relationship between these factors and to calculate the weights of the principle and secondary factors and the comprehensive evaluation factors of shale gas reservoir quality.Shale gas reservoir classification was further performed on the calculation results.Shale gas reservoirs in Sichuan Basin are similar with that in the 5 major shale gas basins in the America.The comprehensive evaluation factors of shale gas reservoirs in the Longmaxi Formation and Qiongzhusi Formation are 0.48 and 0.45 respectively,which are very close to that of New Albany shale gas basin.Case study shows that the reservoir classification results accord well with the practical production situation.This evaluation method can be applied to shale gas reservoir evaluation and selection in China.

index score,main factor,weight coefficient,evaluation index,comprehensive evaluation factor,reservoir classification,shale gas

2013-08-08;

：2013-12-20。

涂乙(1986—)，男，碩士、助理工程師，開發(fā)地質(zhì)儲量評價及儲層建模。E-mail:tuyi200605156@126.com。

國家科技重大專項(2009ZX05038-002)。

0253-9985(2014)01-0153-06

10.11743/ogg20140120

TE122.2

：A