陳桂華 肖鋼 徐強(qiáng) 祝彥賀 陳曉智

中海油研究總院

頁(yè)巖氣是一種現(xiàn)實(shí)的非常規(guī)天然氣資源［1－4］。美國(guó)2011年頁(yè)巖氣產(chǎn)量達(dá)1 800×108m3，大大超過(guò)我國(guó)當(dāng)年的常規(guī)天然氣年產(chǎn)量，而現(xiàn)在我國(guó)頁(yè)巖氣年產(chǎn)量尚很低。美國(guó)能源部能源信息署（EIA）2010年的評(píng)價(jià)認(rèn)為：中國(guó)頁(yè)巖氣技術(shù)可采儲(chǔ)量達(dá)36×1012m3，我國(guó)國(guó)土資源部發(fā)布的中國(guó)頁(yè)巖氣技術(shù)可采儲(chǔ)量也達(dá)25×1012m3。因此，如何借鑒頁(yè)巖油氣勘探開(kāi)發(fā)成功項(xiàng)目的地質(zhì)評(píng)價(jià)方法，快速發(fā)現(xiàn)并評(píng)價(jià)我國(guó)的有利頁(yè)巖氣發(fā)育區(qū)就成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。為此。筆者基于國(guó)內(nèi)外10多個(gè)頁(yè)巖油氣項(xiàng)目評(píng)價(jià)的工作實(shí)踐，綜合出了一套適合我國(guó)條件的頁(yè)巖油氣地質(zhì)評(píng)價(jià)流程和方法，并以某頁(yè)巖油氣盆地的地質(zhì)評(píng)價(jià)為例來(lái)說(shuō)明其應(yīng)用過(guò)程及效果。

1 頁(yè)巖油氣地質(zhì)評(píng)價(jià)方法與流程

通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外10多個(gè)頁(yè)巖油氣評(píng)價(jià)項(xiàng)目、查詢相關(guān)資料、向外國(guó)公司學(xué)習(xí)以及交流培訓(xùn)［5－13］等方式，綜合了一套頁(yè)巖油氣的地質(zhì)評(píng)價(jià)方法和流程，并利用該套技術(shù)評(píng)價(jià)了北美、歐洲、澳洲等地多個(gè)頁(yè)巖油氣項(xiàng)目以及國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣項(xiàng)目。結(jié)果表明：這套方法和流程應(yīng)用效果很好，對(duì)我國(guó)頁(yè)巖油氣勘探有一定的借鑒意義。頁(yè)巖油氣評(píng)價(jià)流程包括頁(yè)巖區(qū)域評(píng)價(jià)、頁(yè)巖評(píng)價(jià)、頁(yè)巖油氣儲(chǔ)量評(píng)估（圖1），以下分述之。

1．1 頁(yè)巖區(qū)域評(píng)價(jià)

圖1 頁(yè)巖油氣評(píng)價(jià)流程圖

頁(yè)巖區(qū)域評(píng)價(jià)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(yè)巖的古地理環(huán)境［1－2］。縱向上，弄清富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育的層位，明確各頁(yè)巖層段分布范圍及區(qū)域沉積的穩(wěn)定性，同時(shí)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(shuō)頁(yè)巖油氣盡管不像常規(guī)天然氣那樣對(duì)保存條件要求苛刻，但頁(yè)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(duì)穩(wěn)定的地區(qū)，頁(yè)巖油氣才有可能發(fā)育、保存并被有效開(kāi)發(fā)，該區(qū)被稱為頁(yè)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(duì)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(duì)穩(wěn)定區(qū)，都稱為頁(yè)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(wú)遠(yuǎn)景區(qū)。這里可以引入一個(gè)概念——穩(wěn)定率，即構(gòu)造、沉積及地貌相對(duì)穩(wěn)定或平緩的地區(qū)面積與評(píng)價(jià)區(qū)總面積的比值，利用這一比值可以確定評(píng)價(jià)區(qū)頁(yè)巖油氣遠(yuǎn)景發(fā)育程度。美國(guó)頁(yè)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(píng)價(jià)不是特別重要；但在中國(guó)，由于地下地質(zhì)條件復(fù)雜、地表起伏大，區(qū)域評(píng)價(jià)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(gè)不穩(wěn)定區(qū)，對(duì)頁(yè)巖氣保存和開(kāi)發(fā)都不太有利；而高原區(qū)中相對(duì)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(wú)遠(yuǎn)景區(qū)［14－15］。

1．2 頁(yè)巖評(píng)價(jià)

頁(yè)巖氣是指以吸附和游離狀態(tài)（有時(shí)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(yè)巖層中的天然氣。頁(yè)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(kāi)發(fā)、研究對(duì)象為單一的頁(yè)巖［1－2］。頁(yè)巖氣藏具有生烴的唯一性即頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)演化生成的油氣是頁(yè)巖氣的唯一來(lái)源，儲(chǔ)氣的多樣性即儲(chǔ)集空間的多樣性和地下?tīng)顟B(tài)的多樣性，富氣的變化性即影響頁(yè)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(chǔ)層才具有經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)頁(yè)巖氣的可能。既然頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)不像人們想象中的那么簡(jiǎn)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(yè)巖氣分布區(qū)呢？頁(yè)巖評(píng)價(jià)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(lái)的。頁(yè)巖評(píng)價(jià)的目的是確定頁(yè)巖油氣發(fā)育的有利區(qū)。通過(guò)綜合分析北美各大頁(yè)巖油氣區(qū)的勘探實(shí)踐并考慮國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣區(qū)的特征，認(rèn)為頁(yè)巖評(píng)價(jià)內(nèi)容一般可以概括為“五度”，即頁(yè)巖埋藏深度、頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層厚度、頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)豐度、頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)熱演化程度及頁(yè)巖強(qiáng)度（脆性度）。

1）頁(yè)巖的埋藏深度。雖然頁(yè)巖油氣的保存條件沒(méi)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(yè)巖的埋藏深度較有利。通過(guò)大量實(shí)例研究認(rèn)為，頁(yè)巖氣發(fā)育區(qū)頁(yè)巖的埋深要大于800m，而頁(yè)巖油發(fā)育區(qū)頁(yè)巖的埋深要大于1 500m，不同的盆地會(huì)有所差異。

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

3）頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)豐度。研究表明，頁(yè)巖中的吸附天然氣主要是有機(jī)質(zhì)吸附的天然氣。頁(yè)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(shí)也有利于有機(jī)質(zhì)熱演化生烴過(guò)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(yè)巖中的孔隙以有機(jī)質(zhì)生烴形成的孔隙為主，并為頁(yè)巖中游離油氣提供儲(chǔ)集空間，總有機(jī)碳含量（TOC）為7%的頁(yè)巖，有機(jī)質(zhì)體積為14%，但經(jīng)過(guò)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(guó)頁(yè)巖油氣發(fā)育區(qū)TOC一般大于2%，最好的超過(guò)2．5%。

4）頁(yè)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(guó)頁(yè)巖油發(fā)育區(qū)的Ro為0．7%～1．5%，頁(yè)巖氣發(fā)育區(qū)的Ro為1．1%～3．5%。雖然也有生物成因的頁(yè)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(yè)巖強(qiáng)度（脆性度）。脆性的頁(yè)巖才有利于水平井壓裂改造頁(yè)巖儲(chǔ)層形成人造裂縫，增加泄油氣體積，因此，人們稱頁(yè)巖氣為“人造氣藏”。頁(yè)巖中的脆性礦物如石英、方解石、長(zhǎng)石等含量要大于30%，而黏土含量要小于40%。并非所有頁(yè)巖都能成為頁(yè)巖油氣藏，這里有一個(gè)值得注意的問(wèn)題是：上述標(biāo)準(zhǔn)和概念是相對(duì)的。世界上沒(méi)有一個(gè)完全一樣的頁(yè)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(lái)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(shù)立在烴源巖中勘探開(kāi)發(fā)油氣的理念。

頁(yè)巖評(píng)價(jià)是一種非常規(guī)油氣評(píng)價(jià)，同時(shí)也是連續(xù)性油氣藏評(píng)價(jià)，與常規(guī)油氣評(píng)價(jià)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(yè)巖脆性度評(píng)價(jià)。

1．3 頁(yè)巖油氣儲(chǔ)量評(píng)估

頁(yè)巖油氣儲(chǔ)量評(píng)估可以確定形成頁(yè)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(guò)試驗(yàn)性開(kāi)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(chǔ)層中的含油氣量就較高。頁(yè)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(yè)巖油氣“甜點(diǎn)”區(qū)的有利條件。

頁(yè)巖油氣儲(chǔ)量評(píng)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(yè)巖油氣儲(chǔ)量評(píng)估與常規(guī)油氣儲(chǔ)量評(píng)估有很大不同，由于頁(yè)巖油氣藏是一種連續(xù)性油氣藏，但每個(gè)區(qū)域因地質(zhì)條件的不同儲(chǔ)量參數(shù)又是變化的，如頁(yè)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(chǔ)量評(píng)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(jì)算出每個(gè)井點(diǎn)的單位原始地質(zhì)儲(chǔ)量，再勾繪單位原始地質(zhì)儲(chǔ)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(chǔ)量即可得到總原始地質(zhì)儲(chǔ)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(duì)整個(gè)礦區(qū)進(jìn)行分區(qū)，有鉆井資料的區(qū)域先計(jì)算每個(gè)井點(diǎn)的單位原始地質(zhì)儲(chǔ)量，再乘以該區(qū)面積得到該區(qū)原始地質(zhì)儲(chǔ)量。對(duì)于沒(méi)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(chǔ)量，再乘以該區(qū)面積得到該區(qū)原始地質(zhì)儲(chǔ)量，最后各區(qū)原始地質(zhì)儲(chǔ)量相加即得到總原始地質(zhì)儲(chǔ)量。

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

1．3．1 頁(yè)巖油發(fā)育區(qū)儲(chǔ)量計(jì)算

溶解氣：GIPdis＝OIP×GOR

式中OIP表示單位原始石油地質(zhì)儲(chǔ)量，106m3／km2；A表示面積，1km2；h表示儲(chǔ)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(chǔ)量，106m3／km2；GOR表示原始溶解氣油比。

1．3．2 頁(yè)巖氣發(fā)育區(qū)儲(chǔ)量計(jì)算

單位總頁(yè)巖氣儲(chǔ)量＝單位游離氣儲(chǔ)量＋單位吸附氣儲(chǔ)量

式中GIPfre表示單位原始游離氣地質(zhì)儲(chǔ)量，106m3／km2；Sg表示含氣飽和度；p表示儲(chǔ)層壓力，psia（1psia＝6．894 8kPa）；T表示儲(chǔ)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(chǔ)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(yè)巖油氣地質(zhì)評(píng)價(jià)實(shí)例

某盆地面積大約為2．8×104km2，需要評(píng)價(jià)的頁(yè)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(píng)價(jià)的頁(yè)巖沉積在距今約89Ma前的晚白堊世被動(dòng)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(yè)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(yè)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(shí)，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(yè)巖地層，而在盆地的西北部發(fā)育火山巖，整個(gè)盆地地層是從北向南傾斜。需要評(píng)價(jià)的礦區(qū)位于盆地的中部，無(wú)論是沉積和構(gòu)造都處在穩(wěn)定區(qū)（圖2）。

圖2 頁(yè)巖油氣盆地構(gòu)造、礦區(qū)分布及評(píng)價(jià)分區(qū)圖

2．2 頁(yè)巖評(píng)價(jià)

2．2．1 構(gòu)造特征

從頁(yè)巖頂部構(gòu)造圖來(lái)看（圖2），礦區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，為一個(gè)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(chǔ)層頂部埋深介于1 219～3 353m，埋藏深度適中，既有利于頁(yè)巖油氣的保存，也有利于頁(yè)巖油氣的開(kāi)發(fā)。

2．2．2 厚度特征

礦區(qū)內(nèi)頁(yè)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(yè)巖厚度超過(guò)15m時(shí)才能有效開(kāi)發(fā)頁(yè)巖油氣，礦區(qū)頁(yè)巖厚度大于這一下限值，這為利用水平井多段壓裂開(kāi)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(yè)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(guò)了1．5%。

2．2．4 脆性度

脆性礦物含量決定了頁(yè)巖的被改造能力，脆性礦物含量越高頁(yè)巖的脆性度就越高，頁(yè)巖越易被壓裂改造。該盆地頁(yè)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(lái)說(shuō)，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(yè)巖的壓裂改造。

總之，從“五度”來(lái)評(píng)價(jià)，可以快速地認(rèn)為礦區(qū)都處在頁(yè)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(chǔ)量評(píng)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(chǔ)量計(jì)算只能應(yīng)用上述分區(qū)法和類比法。

根據(jù)頁(yè)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(gè)大區(qū)即頁(yè)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(yè)巖油區(qū)分為4個(gè)區(qū)，濕氣區(qū)分為2個(gè)區(qū)，沒(méi)有干氣區(qū)。根據(jù)井點(diǎn)資料和各區(qū)的“五度”特征，計(jì)算代表該區(qū)平均單位頁(yè)巖油、溶解氣和油氣當(dāng)量的地質(zhì)儲(chǔ)量，再根據(jù)各區(qū)面積乘以單位地質(zhì)儲(chǔ)量即得到該區(qū)總的頁(yè)巖油、溶解氣和油氣當(dāng)量的地質(zhì)儲(chǔ)量，同理得氣區(qū)的游離氣、吸附氣和總天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量。通過(guò)一年近300口井鉆探的證實(shí)，上述分區(qū)合理，預(yù)測(cè)儲(chǔ)量與實(shí)際地質(zhì)儲(chǔ)量相差不大。

表1 礦區(qū)分區(qū)特征及單位地質(zhì)儲(chǔ)量表

3 結(jié)論

1）頁(yè)巖油氣評(píng)價(jià)流程包括頁(yè)巖區(qū)域評(píng)價(jià)、頁(yè)巖評(píng)價(jià)、頁(yè)巖油氣儲(chǔ)量評(píng)估。頁(yè)巖區(qū)域評(píng)價(jià)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(yè)巖的古地理環(huán)境。頁(yè)巖評(píng)價(jià)確定頁(yè)巖油氣發(fā)育的有利區(qū)。頁(yè)巖油氣儲(chǔ)量評(píng)估過(guò)程中可以確定形成頁(yè)巖油氣的核心區(qū)或“甜點(diǎn)”區(qū)。

2）頁(yè)巖油氣地質(zhì)評(píng)價(jià)流程和方法與常規(guī)油氣有很大不同，頁(yè)巖油氣區(qū)域評(píng)價(jià)強(qiáng)調(diào)頁(yè)巖的穩(wěn)定性，頁(yè)巖評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)的不同，儲(chǔ)量評(píng)估則體現(xiàn)了連續(xù)油氣藏的特點(diǎn)。

3）“五度”評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定，為頁(yè)巖油氣快速評(píng)價(jià)提供了可能。

4）實(shí)踐證明，所建立的頁(yè)巖油氣評(píng)價(jià)流程和方法便捷有效。

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