頁巖氣縱向評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐值姆椒?/h1>
2012-10-22 02:10:54楊光慶侯讀杰包書景
天然氣工業(yè) 2012年12期
楊光慶 侯讀杰 包書景 馬 寧
1．中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院 2．海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3．中國石化石油勘探開發(fā)研究院
我國目前正處于頁巖氣勘探與開發(fā)的早期［1－3］，因此，建立一套統(tǒng)一可行的頁巖氣資源評(píng)價(jià)方法，全面、客觀地評(píng)價(jià)頁巖氣資源潛力并研究其分布特征顯得尤為迫切。通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)頁巖氣縱向單元資源評(píng)價(jià)方法主要有2種：一種是對(duì)層段內(nèi)所有泥巖進(jìn)行厚度累加，從而計(jì)算出頁巖氣的地質(zhì)資源量，這種方法計(jì)算的資源量往往偏大；另一種是對(duì)連續(xù)厚度大于30m的泥頁巖進(jìn)行厚度統(tǒng)計(jì)，從而得到泥頁巖平面的有效厚度，進(jìn)而計(jì)算出頁巖氣的資源量，這種方法計(jì)算的結(jié)果比較適中，但可能對(duì)開發(fā)缺乏指導(dǎo)意義。對(duì)比前人的成果并結(jié)合實(shí)際研究情況，筆者提出了以含氣泥頁巖層段（系統(tǒng)）作為頁巖氣資源評(píng)價(jià)單元，以致密低滲透巖層作為含氣泥頁巖層段（系統(tǒng)）的頂、底板，據(jù)此來劃分縱向評(píng)價(jià)單元的方法。實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果表明，該方法可操作性強(qiáng)，既可以與工程技術(shù)有效結(jié)合，也可以明確頁巖氣勘探開發(fā)的目的層段，而且能夠獲得相對(duì)客觀、可靠的頁巖氣資源量。
1 國外研究成果及其啟示
基于技術(shù)和成本方面的考慮，國外對(duì)頂、底板的研究歷來比較重視［4－5］。北美一些主要的頁巖氣盆地大都具有“三明治”式的展布特征。以美國福特沃斯盆地著名的Barnett頁巖為例，上Barnett頁巖以 Marble Falls石灰?guī)r為頂板，F(xiàn)orest burg石灰?guī)r作為底板，圖1顯示，頂?shù)装逄帨y(cè)井響應(yīng)特征為低自然伽馬值、高電阻率；而上Barnett頁巖段則顯示為高伽馬值、低電阻率的特征，可以明顯區(qū)分。下Barnett頁巖則是以Forestburg石灰?guī)r和Viola石灰?guī)r分別作為頂、底板，相應(yīng)的頁巖氣藏也位于頂、底板之間的含氣泥頁巖層段內(nèi)，封閉性較好。頂、底板封閉的含氣泥頁巖段為主力產(chǎn)氣層［6］。
具有代表性的還有Marcellus頁巖，上覆為中泥盆統(tǒng)Tully石灰?guī)r，下伏為下泥盆統(tǒng)Onondaga石灰?guī)r，Marcellus頁巖進(jìn)一步被Cherry Valley和Purcell石灰?guī)r分為上、下兩段。具有類似特征的還有位于東得克薩斯州和西路易斯安州的上侏羅統(tǒng)Haynesville頁巖等。在三維空間內(nèi)，頂、底板并非只是頁巖層段內(nèi)的夾層，一定厚度和面積的頂、底板分布可以對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層進(jìn)行有效的保存和分割。
圖1 Barnett頁巖頂?shù)装鍦y(cè)井響應(yīng)特征圖（據(jù)AAPG，2007）
筆者通過文獻(xiàn)調(diào)研［5］，對(duì)全球主要盆地含氣泥頁巖層段（系統(tǒng)）頂、底板的地質(zhì)特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。結(jié)果顯示（表1），世界范圍內(nèi)主要盆地頁巖地層頂、底板巖性以致密的泥頁巖、膏泥巖、膏鹽層、石灰?guī)r、白云巖、火山巖、煤層等為主，屬于非滲透或低滲透巖層。其埋深范圍從1 000m到4 000m均有分布，其中南美洲頁巖埋藏較深，為3 800～4 100m；北非、澳洲和東亞居其次，為2 700～3 000m；淺層主要分布在南亞和西歐，為1 000～1 500m。泥頁巖系統(tǒng)厚度一般不超過150m，最小為15．24m，最大達(dá)112．12m。
2 含氣泥頁巖層段劃分方法
2．1 含氣泥頁巖層段（系統(tǒng)）
含氣泥頁巖層段（系統(tǒng)）是指在鉆井剖面中，由上、下致密層封擋下的同一壓力系統(tǒng)內(nèi)的巖性組合，主要由富有機(jī)碳的泥頁巖及呈夾層狀的粉砂巖、砂巖、碳酸鹽巖組成，或與之可對(duì)應(yīng)的地震剖面及野外地質(zhì)剖面在地層中同一壓力系統(tǒng)內(nèi)的巖性組合（圖2）。含氣泥頁巖層段（系統(tǒng)）主要依據(jù)測(cè)井響應(yīng)特征、巖性組合特征、有機(jī)碳含量、氣測(cè)顯示等資料來進(jìn)行劃分，以富有機(jī)碳的泥頁巖作為含氣頁巖層段頂、底的界限，層段內(nèi)不含明顯的水層，連續(xù)厚度一般不超過100m（水平井＋分段壓裂工藝決定）。
表1 世界主要盆地泥頁巖層段頂、底板地質(zhì)特征統(tǒng)計(jì)表
圖2 含氣泥頁巖層段（系統(tǒng)）示意圖
2．2 頂、底板識(shí)別標(biāo)志及含氣泥頁巖層段（系統(tǒng)）劃分原則
2．2．1 頂、底板識(shí)別標(biāo)志
1）巖性以致密的泥頁巖、膏泥巖、膏鹽層、石灰?guī)r、煤等為主，一般為不滲透或低滲透巖層。
2）頂、底板厚度不應(yīng)太小，國外學(xué)者通過計(jì)算認(rèn)為，厚10m左右的連續(xù)隔層即可有效封堵深度為1 200～1 300m的頁巖氣。
3）頂、底板的深度范圍分布較廣（表1），一般情況下，深度增大，壓實(shí)程度變高，對(duì)泥巖的封閉性也會(huì)增強(qiáng)。
4）頂、底板具有區(qū)域性和局部性，一般沿著一定的地層分布，不穿時(shí)；在三維空間上，平面分布連續(xù)、厚度穩(wěn)定的頂、底板對(duì)頁巖氣的封閉效果好。
2．2．2 含氣泥頁巖層段（系統(tǒng)）劃分原則
1）以富含有機(jī)質(zhì)泥頁巖為主的含氣層段，內(nèi)部可以有砂巖類、碳酸鹽巖類夾層，有機(jī)碳含量達(dá)到起算標(biāo)準(zhǔn)（TOC＞0．5%、Ro＞0．5%）的泥頁巖累計(jì)厚度一般大于20m，并占含氣泥頁巖層段厚度的50%以上。
2）頂、底板為致密巖層，內(nèi)部無明顯水層。
3）氣測(cè)曲線上有明顯的異常。
4）伽馬、電阻率、聲波時(shí)差、密度等測(cè)井曲線顯示含氣特征［7－8］。
5）具有一定的壓力異常［9］，在同一個(gè)壓力系統(tǒng)內(nèi)。
若鉆井資料不完備，也可考慮露頭資料，以富含有機(jī)質(zhì)泥頁巖發(fā)育段為目標(biāo)層進(jìn)行評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?。根?jù)此原則，縱向上可劃分為多個(gè)評(píng)價(jià)單元，按層段分別評(píng)價(jià)，具有較強(qiáng)的針對(duì)性。
3 實(shí)例分析
根據(jù)以上方法和原則，筆者對(duì)中國南方某研究區(qū)塊下侏羅統(tǒng)大安寨段進(jìn)行了資源量計(jì)算，首先確定以礦權(quán)區(qū)塊作為平面上的基本評(píng)價(jià)單元，利用測(cè)井資料、含氣性資料及TOC等確定含氣泥頁巖層段的厚度，根據(jù)上述原則和方法確定頂、底板。
實(shí)例井的含氣泥頁巖層段從3 740m到3 802m（圖3）。分別統(tǒng)計(jì)砂巖、石灰?guī)r及泥巖的厚度（表2），按照TOC的3類標(biāo)準(zhǔn)（TOC為0．5%～1．0%、TOC為1．0%～2．0%、TOC大于2．0%）分別統(tǒng)計(jì)每口井含氣泥頁巖層段泥巖的厚度。
圖3 實(shí)例井含氣泥頁巖層段縱向厚度示意圖
表2 實(shí)例井含氣泥頁巖層段厚度統(tǒng)計(jì)表
通過統(tǒng)計(jì)出的每口井含氣頁巖層段的厚度，可以繪制出含氣頁巖層段厚度等值線圖，同時(shí)結(jié)合地震資料追蹤有效層段，控制平面上等值線的走勢(shì)。根據(jù)研究區(qū)塊大安寨段巖石物性分析測(cè)試數(shù)據(jù)，大安寨段頁巖密度平均為2．61g／cm3。根據(jù)實(shí)例井大安寨段實(shí)測(cè)TOC資料及現(xiàn)有的測(cè)井資料進(jìn)行了多元統(tǒng)計(jì)分析擬合，計(jì)算出吸附氣量，繪制TOC等值線圖及吸附氣量等值線圖，計(jì)算出吸附氣資源量；根據(jù)實(shí)測(cè)孔隙度資料、現(xiàn)有的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分別分析擬合、計(jì)算孔隙度，進(jìn)而計(jì)算含水（氣）飽和度和游離氣百分含量，最終得到游離氣資源量；最后計(jì)算出該研究區(qū)不同概率的總資源量（表3）。
表3 研究區(qū)大安寨段頁巖氣總資源量計(jì)算統(tǒng)計(jì)表 108 m3
4 結(jié)論
1）調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國外一些主要頁巖氣盆地在三維空間上具有“三明治”式的分布特征，主力產(chǎn)氣層被致密低滲透的膏泥巖、膏鹽層、石灰?guī)r等隔開。這些致密巖層對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層具有保護(hù)作用。
2）提出了以含氣泥頁巖層段（系統(tǒng)）作為頁巖氣資源評(píng)價(jià)單元，以致密低滲透巖層作為含氣泥頁巖層段（系統(tǒng)）的頂、底板，據(jù)此來劃分縱向評(píng)價(jià)單元的方法，并總結(jié)了頂、底板的劃分原則和識(shí)別標(biāo)志。
3）實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果證明，該方法具有較強(qiáng)的可操作性，既可以與工程技術(shù)有效結(jié)合，也可以明確頁巖氣勘探開發(fā)的目的層段，而且還能夠獲得相對(duì)客觀、可靠的頁巖氣資源量。
［1］張抗，張文長(zhǎng)．中國天然氣統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)中的若干問題探討［J］．天然氣工業(yè)，2012，32（1）：6－11．
［2］雷群，王紅巖，趙群，等．國內(nèi)外非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)現(xiàn)狀及建議［J］．天然氣工業(yè)，2008，28（12）：7－10．
［3］王蘭生，廖仕孟，陳更生，等．中國頁巖氣勘探開發(fā)面臨的問題與對(duì)策［J］．天然氣工業(yè)，2011，31（12）：119－122．
［4］POLLASTRO R M，JARVIE D M，HILL R J，et al．Geologic framework of the Mississippian Barnett Shale，Barnett－Paleozoic total petroleum system，Bend arch – Fort Worth Basin，Texas［J］．AAPG Bulletin，2007，91（4）：405－436．
［5］EIA．EIA world shale gas resources：an initial assessment of 14regions outside the United States April 2011［R］．Washington：U．S．Energy Information Administration，2011．
［6］聶海寬，張金川，張培先，等．福特沃斯盆地Barnett頁巖氣藏特征及啟示［J］．地質(zhì)科技情報(bào)，2009，28（2）：87－93．
［7］潘仁芳，伍媛，宋爭(zhēng)．頁巖氣勘探的地球化學(xué)指標(biāo)及測(cè)井分析方法初探［J］．中國石油勘探，2009（3）：6－9．
［8］侯讀杰，馮子輝．油氣地球化學(xué)［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2011：191－193．
［9］王亞東．如何用測(cè)井聲波時(shí)差曲線計(jì)算地層壓力［J］．錄井工程，2005，16（4）：59－61．
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1．中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院 2．海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3．中國石化石油勘探開發(fā)研究院
我國目前正處于頁巖氣勘探與開發(fā)的早期［1－3］，因此，建立一套統(tǒng)一可行的頁巖氣資源評(píng)價(jià)方法，全面、客觀地評(píng)價(jià)頁巖氣資源潛力并研究其分布特征顯得尤為迫切。通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)頁巖氣縱向單元資源評(píng)價(jià)方法主要有2種：一種是對(duì)層段內(nèi)所有泥巖進(jìn)行厚度累加，從而計(jì)算出頁巖氣的地質(zhì)資源量，這種方法計(jì)算的資源量往往偏大；另一種是對(duì)連續(xù)厚度大于30m的泥頁巖進(jìn)行厚度統(tǒng)計(jì)，從而得到泥頁巖平面的有效厚度，進(jìn)而計(jì)算出頁巖氣的資源量，這種方法計(jì)算的結(jié)果比較適中，但可能對(duì)開發(fā)缺乏指導(dǎo)意義。對(duì)比前人的成果并結(jié)合實(shí)際研究情況，筆者提出了以含氣泥頁巖層段（系統(tǒng)）作為頁巖氣資源評(píng)價(jià)單元，以致密低滲透巖層作為含氣泥頁巖層段（系統(tǒng)）的頂、底板，據(jù)此來劃分縱向評(píng)價(jià)單元的方法。實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果表明，該方法可操作性強(qiáng)，既可以與工程技術(shù)有效結(jié)合，也可以明確頁巖氣勘探開發(fā)的目的層段，而且能夠獲得相對(duì)客觀、可靠的頁巖氣資源量。
1 國外研究成果及其啟示
基于技術(shù)和成本方面的考慮，國外對(duì)頂、底板的研究歷來比較重視［4－5］。北美一些主要的頁巖氣盆地大都具有“三明治”式的展布特征。以美國福特沃斯盆地著名的Barnett頁巖為例，上Barnett頁巖以 Marble Falls石灰?guī)r為頂板，F(xiàn)orest burg石灰?guī)r作為底板，圖1顯示，頂?shù)装逄帨y(cè)井響應(yīng)特征為低自然伽馬值、高電阻率；而上Barnett頁巖段則顯示為高伽馬值、低電阻率的特征，可以明顯區(qū)分。下Barnett頁巖則是以Forestburg石灰?guī)r和Viola石灰?guī)r分別作為頂、底板，相應(yīng)的頁巖氣藏也位于頂、底板之間的含氣泥頁巖層段內(nèi)，封閉性較好。頂、底板封閉的含氣泥頁巖段為主力產(chǎn)氣層［6］。
具有代表性的還有Marcellus頁巖，上覆為中泥盆統(tǒng)Tully石灰?guī)r，下伏為下泥盆統(tǒng)Onondaga石灰?guī)r，Marcellus頁巖進(jìn)一步被Cherry Valley和Purcell石灰?guī)r分為上、下兩段。具有類似特征的還有位于東得克薩斯州和西路易斯安州的上侏羅統(tǒng)Haynesville頁巖等。在三維空間內(nèi)，頂、底板并非只是頁巖層段內(nèi)的夾層，一定厚度和面積的頂、底板分布可以對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層進(jìn)行有效的保存和分割。
圖1 Barnett頁巖頂?shù)装鍦y(cè)井響應(yīng)特征圖（據(jù)AAPG，2007）
筆者通過文獻(xiàn)調(diào)研［5］，對(duì)全球主要盆地含氣泥頁巖層段（系統(tǒng)）頂、底板的地質(zhì)特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。結(jié)果顯示（表1），世界范圍內(nèi)主要盆地頁巖地層頂、底板巖性以致密的泥頁巖、膏泥巖、膏鹽層、石灰?guī)r、白云巖、火山巖、煤層等為主，屬于非滲透或低滲透巖層。其埋深范圍從1 000m到4 000m均有分布，其中南美洲頁巖埋藏較深，為3 800～4 100m；北非、澳洲和東亞居其次，為2 700～3 000m；淺層主要分布在南亞和西歐，為1 000～1 500m。泥頁巖系統(tǒng)厚度一般不超過150m，最小為15．24m，最大達(dá)112．12m。
2 含氣泥頁巖層段劃分方法
2．1 含氣泥頁巖層段（系統(tǒng)）
含氣泥頁巖層段（系統(tǒng)）是指在鉆井剖面中，由上、下致密層封擋下的同一壓力系統(tǒng)內(nèi)的巖性組合，主要由富有機(jī)碳的泥頁巖及呈夾層狀的粉砂巖、砂巖、碳酸鹽巖組成，或與之可對(duì)應(yīng)的地震剖面及野外地質(zhì)剖面在地層中同一壓力系統(tǒng)內(nèi)的巖性組合（圖2）。含氣泥頁巖層段（系統(tǒng)）主要依據(jù)測(cè)井響應(yīng)特征、巖性組合特征、有機(jī)碳含量、氣測(cè)顯示等資料來進(jìn)行劃分，以富有機(jī)碳的泥頁巖作為含氣頁巖層段頂、底的界限，層段內(nèi)不含明顯的水層，連續(xù)厚度一般不超過100m（水平井＋分段壓裂工藝決定）。
表1 世界主要盆地泥頁巖層段頂、底板地質(zhì)特征統(tǒng)計(jì)表
圖2 含氣泥頁巖層段（系統(tǒng)）示意圖
2．2 頂、底板識(shí)別標(biāo)志及含氣泥頁巖層段（系統(tǒng)）劃分原則
2．2．1 頂、底板識(shí)別標(biāo)志
1）巖性以致密的泥頁巖、膏泥巖、膏鹽層、石灰?guī)r、煤等為主，一般為不滲透或低滲透巖層。
2）頂、底板厚度不應(yīng)太小，國外學(xué)者通過計(jì)算認(rèn)為，厚10m左右的連續(xù)隔層即可有效封堵深度為1 200～1 300m的頁巖氣。
3）頂、底板的深度范圍分布較廣（表1），一般情況下，深度增大，壓實(shí)程度變高，對(duì)泥巖的封閉性也會(huì)增強(qiáng)。
4）頂、底板具有區(qū)域性和局部性，一般沿著一定的地層分布，不穿時(shí)；在三維空間上，平面分布連續(xù)、厚度穩(wěn)定的頂、底板對(duì)頁巖氣的封閉效果好。
2．2．2 含氣泥頁巖層段（系統(tǒng)）劃分原則
1）以富含有機(jī)質(zhì)泥頁巖為主的含氣層段，內(nèi)部可以有砂巖類、碳酸鹽巖類夾層，有機(jī)碳含量達(dá)到起算標(biāo)準(zhǔn)（TOC＞0．5%、Ro＞0．5%）的泥頁巖累計(jì)厚度一般大于20m，并占含氣泥頁巖層段厚度的50%以上。
2）頂、底板為致密巖層，內(nèi)部無明顯水層。
3）氣測(cè)曲線上有明顯的異常。
4）伽馬、電阻率、聲波時(shí)差、密度等測(cè)井曲線顯示含氣特征［7－8］。
5）具有一定的壓力異常［9］，在同一個(gè)壓力系統(tǒng)內(nèi)。
若鉆井資料不完備，也可考慮露頭資料，以富含有機(jī)質(zhì)泥頁巖發(fā)育段為目標(biāo)層進(jìn)行評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?。根?jù)此原則，縱向上可劃分為多個(gè)評(píng)價(jià)單元，按層段分別評(píng)價(jià)，具有較強(qiáng)的針對(duì)性。
3 實(shí)例分析
根據(jù)以上方法和原則，筆者對(duì)中國南方某研究區(qū)塊下侏羅統(tǒng)大安寨段進(jìn)行了資源量計(jì)算，首先確定以礦權(quán)區(qū)塊作為平面上的基本評(píng)價(jià)單元，利用測(cè)井資料、含氣性資料及TOC等確定含氣泥頁巖層段的厚度，根據(jù)上述原則和方法確定頂、底板。
實(shí)例井的含氣泥頁巖層段從3 740m到3 802m（圖3）。分別統(tǒng)計(jì)砂巖、石灰?guī)r及泥巖的厚度（表2），按照TOC的3類標(biāo)準(zhǔn)（TOC為0．5%～1．0%、TOC為1．0%～2．0%、TOC大于2．0%）分別統(tǒng)計(jì)每口井含氣泥頁巖層段泥巖的厚度。
圖3 實(shí)例井含氣泥頁巖層段縱向厚度示意圖
表2 實(shí)例井含氣泥頁巖層段厚度統(tǒng)計(jì)表
通過統(tǒng)計(jì)出的每口井含氣頁巖層段的厚度，可以繪制出含氣頁巖層段厚度等值線圖，同時(shí)結(jié)合地震資料追蹤有效層段，控制平面上等值線的走勢(shì)。根據(jù)研究區(qū)塊大安寨段巖石物性分析測(cè)試數(shù)據(jù)，大安寨段頁巖密度平均為2．61g／cm3。根據(jù)實(shí)例井大安寨段實(shí)測(cè)TOC資料及現(xiàn)有的測(cè)井資料進(jìn)行了多元統(tǒng)計(jì)分析擬合，計(jì)算出吸附氣量，繪制TOC等值線圖及吸附氣量等值線圖，計(jì)算出吸附氣資源量；根據(jù)實(shí)測(cè)孔隙度資料、現(xiàn)有的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分別分析擬合、計(jì)算孔隙度，進(jìn)而計(jì)算含水（氣）飽和度和游離氣百分含量，最終得到游離氣資源量；最后計(jì)算出該研究區(qū)不同概率的總資源量（表3）。
表3 研究區(qū)大安寨段頁巖氣總資源量計(jì)算統(tǒng)計(jì)表 108 m3
4 結(jié)論
1）調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國外一些主要頁巖氣盆地在三維空間上具有“三明治”式的分布特征，主力產(chǎn)氣層被致密低滲透的膏泥巖、膏鹽層、石灰?guī)r等隔開。這些致密巖層對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層具有保護(hù)作用。
2）提出了以含氣泥頁巖層段（系統(tǒng)）作為頁巖氣資源評(píng)價(jià)單元，以致密低滲透巖層作為含氣泥頁巖層段（系統(tǒng)）的頂、底板，據(jù)此來劃分縱向評(píng)價(jià)單元的方法，并總結(jié)了頂、底板的劃分原則和識(shí)別標(biāo)志。
3）實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果證明，該方法具有較強(qiáng)的可操作性，既可以與工程技術(shù)有效結(jié)合，也可以明確頁巖氣勘探開發(fā)的目的層段，而且還能夠獲得相對(duì)客觀、可靠的頁巖氣資源量。
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