王世謙, 王書彥, 滿 玲, 董大忠, 王玉滿

(1.中國石油西南油氣田公司 勘探開發(fā)研究院，成都 610051； 2.成都理工大學 地球物理學院，成都 610059；3.中國石油西南油氣田公司 勘探事業(yè)部，成都 610041； 4.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083)

頁巖氣選區(qū)評價方法與關(guān)鍵參數(shù)

王世謙1, 王書彥2,3, 滿 玲1, 董大忠4, 王玉滿4

(1.中國石油西南油氣田公司 勘探開發(fā)研究院，成都 610051； 2.成都理工大學 地球物理學院，成都 610059；3.中國石油西南油氣田公司 勘探事業(yè)部，成都 610041； 4.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083)

頁巖氣是產(chǎn)自泥頁巖等細粒沉積巖層中，并需要通過水平井鉆探以及多段水力壓裂技術(shù)才能商業(yè)開采的一類非常規(guī)天然氣。在北美地區(qū)“頁巖氣革命”取得巨大成功的示范下，以及對頁巖氣資源量樂觀評估結(jié)果的鼓舞下,國內(nèi)近年來掀起了頁巖氣開發(fā)熱潮。然而，北美地區(qū)頁巖氣取得的成功并非一蹴而就，經(jīng)驗之一是通過20世紀70年代以來即已實施的地質(zhì)研究與工程技術(shù)研發(fā)計劃，選擇了一批頁巖氣資源稟賦高的頁巖氣區(qū)開展水平井鉆探與多級水力加砂壓裂。通過頁巖氣選區(qū)評價工作，按照頁巖氣評價參數(shù)標準，優(yōu)選頁巖氣資源稟賦較高的有利區(qū)塊以及具有商業(yè)開采價值的頁巖氣儲層(即含氣頁巖)進行勘探，這是頁巖氣開采能否取得商業(yè)成功的關(guān)鍵一步。本文論述了頁巖氣選區(qū)評價的一些具體方法，對影響頁巖氣藏規(guī)模和產(chǎn)能大小的關(guān)鍵評價參數(shù)及其取值標準進行了探討，并且對目前在頁巖氣評價認識上存在的一些問題進行了初步討論。分析認為，有機質(zhì)含量是評價頁巖氣資源稟賦高低的一個關(guān)鍵參數(shù)。北美地區(qū)主要頁巖氣開發(fā)區(qū)的含氣頁巖TOC質(zhì)量分數(shù)均在2%以上。四川盆地南部龍馬溪組底部伽馬值最高的頁巖氣儲層段的TOC質(zhì)量分數(shù)一般在3%以上，為整個龍馬溪組頁巖層系中頁巖氣資源稟賦最高的層段，也是目前頁巖氣勘探的重要目的層段。埋藏淺、有機質(zhì)高度富集的頁巖以吸附氣資源為主，而深層、高溫高壓條件下的頁巖則以游離氣資源占主導地位。頁巖儲層壓力異常高有利于頁巖氣的保存與富集。在構(gòu)造條件極為復雜、油氣保存條件較差的中國南方地區(qū)開展海相頁巖氣勘探工作，不僅要面臨鉆完井工程技術(shù)上的巨大挑戰(zhàn)，而且更要面臨頁巖氣資源規(guī)模、水資源、地面管網(wǎng)設施以及開發(fā)經(jīng)濟性等諸多方面的挑戰(zhàn)。

頁巖氣;評價方法;評價參數(shù);資源稟賦;異常高壓;保存條件;有利區(qū)

根據(jù)美國能源信息署(EIA)最新公布的數(shù)據(jù)[1]，自21世紀初美國開始大規(guī)模開發(fā)頁巖氣以來，其頁巖氣產(chǎn)量在近10年間突飛猛進，2002年頁巖氣產(chǎn)量剛上百億立方米，2010年則跨入千億立方米，2011年更是突破了2千億立方米；頁巖氣產(chǎn)量已占天然氣年產(chǎn)量的34%，預計在2035年左右頁巖氣產(chǎn)量將占居美國天然氣年產(chǎn)量的半壁江山。毋庸置疑，美國已走上了能源獨立之路。而且，這場源自北美地區(qū)的“頁巖氣革命”已席卷全球，擁有頁巖氣資源的國家都在試圖復制美國的成功。

中國可能是北美地區(qū)以外受關(guān)注度最高的國家之一，也被認為是勘探頁巖氣潛力最大的國家之一，這主要是源于EIA在2011年4月發(fā)布的《世界頁巖氣資源評價》報告[2]。這份報告認為中國的頁巖氣技術(shù)可采資源量達36.08×1012m3，排在世界各國之首。盡管這一評價結(jié)果存在極大的不確定性[3]，但目前已在國內(nèi)被各界人士廣泛引用，作為促發(fā)國內(nèi)頁巖氣開采熱潮的一個重要依據(jù)。國土資源部在2012年3月公布的中國陸域頁巖氣地質(zhì)資源潛力為134.42×1012m3，可采資源潛力為25.08×1012m3(不含青藏區(qū))；并且在將頁巖氣設立為獨立新礦種之后，在其所優(yōu)選的頁巖氣資源富集有利區(qū)內(nèi)(主要集中在渝東鄂西地區(qū)、黔湘地區(qū))開展了2輪頁巖氣勘探招標，由此推動了整個中國南方海相頁巖氣勘探工作的全面展開。

盡管眾多非油氣公司參與中國南方海相頁巖氣開采的熱情很高，但據(jù)媒體報道，迄今為止在招標區(qū)塊內(nèi)開展實質(zhì)性工作的卻不多，有的企業(yè)甚至開始打退堂鼓。許多公司在油氣勘探方面缺乏必要的技術(shù)與經(jīng)驗，而且在這些區(qū)塊內(nèi)未開展頁巖氣選區(qū)評價工作就盲目開采頁巖氣，可能隱藏著巨大的投資風險。只有通過頁巖氣選區(qū)評價，優(yōu)選出有利的勘探區(qū)和具有經(jīng)濟開采價值的目的層，才能最大限度地減少勘探上可能面臨的技術(shù)風險。本文試圖通過近幾年在四川盆地開展的頁巖氣勘探評價工作，并結(jié)合與一些國外公司在頁巖氣勘探開發(fā)方面交流的經(jīng)驗，總結(jié)頁巖氣選區(qū)評價中的一些關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)及其取值標準，為中國南方海相頁巖氣的勘探與開發(fā)提供借鑒。

1 頁巖氣選區(qū)評價方法

目前，國內(nèi)廣泛采用的頁巖氣定義(例如，財政部2012年出臺的“頁巖氣開發(fā)利用補貼政策”中采用的頁巖氣界定標準及補貼條件)似乎過于復雜而概念模糊不清[4]。本文所稱的“頁巖”是一個廣義的“頁巖”概念，泛指顆粒直徑<63 μm且質(zhì)量分數(shù)>50%的所有細粒沉積巖，其中包括泥巖、頁巖、黏土巖、粉砂巖等眾多低能量環(huán)境中沉積的碎屑巖類[5]。按照石油工程師協(xié)會(SPE)等多家機構(gòu)對非常規(guī)油氣資源的定義[6]，與常規(guī)油氣資源相比，非常規(guī)油氣資源的商業(yè)開采需要采用特殊的技術(shù)(如水平井與壓裂技術(shù))。因此，本文認為對“頁巖氣”的科學界定也應該考慮地質(zhì)與工程2個方面，即“頁巖氣”系指產(chǎn)自細粒沉積巖層中，并需要通過水平井鉆探以及多段水力壓裂技術(shù)才能規(guī)模化經(jīng)濟開采的一類天然氣。

一個完整的頁巖氣勘探開發(fā)程序主要包括勘探、評價、先導試驗和商業(yè)開發(fā)生產(chǎn)等4個階段。在決策進入鉆井勘探階段之前的頁巖氣選區(qū)地質(zhì)評價階段，需要搞清頁巖氣含氣系統(tǒng)是否普遍存在，以及頁巖氣資源勘探的潛力與規(guī)模有多大等關(guān)鍵問題。在此基礎上，通過選區(qū)、選層評價工作，圈定有利區(qū)以及具有商業(yè)開采價值的頁巖氣儲層開展鉆探和壓裂工作，以證實頁巖層經(jīng)壓裂是否可以工業(yè)化產(chǎn)出。

頁巖氣選區(qū)評價是指在頁巖層系發(fā)育區(qū)通過區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、鉆探取樣分析、頁巖氣成藏地質(zhì)條件與資源潛力評價，優(yōu)選出頁巖氣勘探目的層與目標區(qū)，并確定頁巖氣先導試驗區(qū)實施鉆探評價的整個過程。在頁巖氣勘探有利區(qū)的選擇方法與標準上，不同的學者或者不同的油氣公司盡管都不完全相同，但是所考慮的選區(qū)地質(zhì)評價基本條件是大體一致的，主要涉及以下幾個方面的評價內(nèi)容。

1.1 頁巖層系的區(qū)域地質(zhì)特征評價

通過頁巖層系發(fā)育區(qū)的區(qū)域調(diào)查工作，以及早期鉆井、錄井、測井等資料，開展區(qū)域地層、構(gòu)造、沉積、烴源巖等方面的區(qū)域地質(zhì)特征研究，以了解頁巖層系的沉積環(huán)境、埋藏深度、烴源巖以及區(qū)域斷層、構(gòu)造分布等特征，其中重點是了解頁巖層系(特別是富有機質(zhì)的黑色頁巖層系)的區(qū)域沉積分布與烴源巖地球化學(有機質(zhì)含量、類型與成熟度)特征，由此可以在一個頁巖氣勘探評價區(qū)內(nèi)初步選定出具有頁巖氣勘探潛力的頁巖層段。

在區(qū)域地質(zhì)特征的研究中，還有一個值得關(guān)注的頁巖氣評價內(nèi)容，即區(qū)域斷裂構(gòu)造可能引發(fā)的油氣保存條件問題，尤其在中國南方海相頁巖氣選區(qū)評價中顯得特別重要。根據(jù)油氣成藏地質(zhì)理論，常規(guī)油氣勘探尋找的是自烴源巖中運移出去的油氣，而頁巖氣等“資源型”油氣勘探(resource play)的對象則是未經(jīng)運移而殘留下來的油氣(圖1)。由于運移通道暢通或疏導條件有利而運移出去的油氣越多，則殘留下來的油氣就越少，勘探的潛力自然就會降低。反之，若泥頁巖中生成的大量油氣基本都能保存下來而未發(fā)生運移或散失，其頁巖氣勘探潛力自然就大。近年來頁巖氣年產(chǎn)量已超過著名的Barnett頁巖而躍居美國第一的Haynesville頁巖，據(jù)研究認為就未曾發(fā)生過油氣的大規(guī)模運移而現(xiàn)今顯示出明顯的超壓特征(與殼牌專家Alan Rolph交流，2010)。因此，在斷裂構(gòu)造極為復雜的中國南方地區(qū)開展海相頁巖氣勘探工作，不僅要面臨地質(zhì)工程技術(shù)上的巨大挑戰(zhàn)，而且更重要的是，由于油氣保存問題，這些地區(qū)究竟還有多大的頁巖氣資源勘探潛力，是需要認真思考與深入研究的一個課題。

圖1 常規(guī)油氣與非常規(guī)油氣成藏關(guān)系模式圖

1.2 頁巖氣藏分布特征評價

頁巖氣藏具有“生、儲、蓋”三位一體的連續(xù)型氣藏特征[7]，因此需要從頁巖的烴源巖特征、儲層特征以及保存特征等方面進行綜合評價。近年來在四川盆地開展的頁巖氣初步勘探結(jié)果表明，并非所有的泥頁巖都可以作為頁巖氣儲層，只有滿足一定劃分標準的含氣頁巖(gas shale)才具有商業(yè)開采價值，即北美學者所稱的“經(jīng)濟性含氣頁巖”(economic gas shales)[8]。按照一定的評價參數(shù)標準(詳見下述)，綜合頁巖的巖相特征、有機質(zhì)特征、礦物組成特征以及伽馬曲線特征等，準確地識別與劃分頁巖氣儲層，才能最終優(yōu)選出可供商業(yè)開采的壓裂層段，這對于開展頁巖氣水平井地質(zhì)導向以及加砂壓裂都具有實際的指導意義。

圖2 美國阿帕拉契亞盆地Marcellus頁巖縱向分布特征剖面圖

作為頁巖氣勘探目的層的含氣頁巖一般是黑色富有機質(zhì)的泥頁巖，特別是那些伽馬值一般大于100～150 API的高伽馬黑色頁巖[9]。因此，頁巖氣儲層主要是指高伽馬富有機質(zhì)頁巖，即北美地區(qū)所稱的“熱頁巖”(hot shales)。圖2示意美國目前頁巖氣年產(chǎn)量排第三的Marcellus頁巖縱向分布特征。Marcellus頁巖總厚度一般在100 m左右，由上部灰色頁巖段和下部黑色頁巖段組成。自上而下，Marcellus頁巖具有密度逐漸降低而伽馬值和TOC含量逐漸增高的變化特征。在下部黑色段中，有機質(zhì)含量(wTOC)>2%的富有機質(zhì)頁巖分布在1 750 ft (1 ft=30.48 cm)以下的黑色層段，厚度約60 m；而目前正在開發(fā)的頁巖氣層則主要位于Marcellus頁巖層段的底部，特別是Oatka Creek頁巖層段的底部以及最底部的Union Spring高伽馬黑色頁巖層段，其wTOC值一般大于3%，厚度一般只有30～45 m[2]。目前正在四川盆地南部開展頁巖氣先導試驗的上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖與此特征基本相似，其上部為幾乎沒有頁巖氣開采價值的灰色泥頁巖段，中部為頁巖氣儲層質(zhì)量和完井質(zhì)量均較差的黑色泥頁巖段，而具有商業(yè)開采價值的頁巖氣儲層段集中分布在龍馬溪組底部到五峰組、厚度一般為30～60 m的高伽馬富有機質(zhì)頁巖層段[10]。

在頁巖氣選區(qū)地質(zhì)評價階段，應該通過野外地質(zhì)調(diào)查或淺井取心鉆探，系統(tǒng)地測定頁巖層段的伽馬值，并且針對頁巖的巖石礦物學、地球化學、儲集物性以及含氣性等特征開展分析測試，建立起評價區(qū)頁巖層系的單井柱狀剖面，劃分、確定頁巖氣儲層，編制頁巖氣儲層的區(qū)域分布格架，這樣才能準確地確定出頁巖氣儲層段的總厚度、區(qū)域埋深等重要評價參數(shù)，為頁巖氣資源潛力的評價提供可靠依據(jù)。

1.3 頁巖氣資源潛力評價

頁巖氣資源是含油氣盆地中蘊藏量最豐富、分布最廣泛的一類連續(xù)性聚集成藏的非常規(guī)油氣資源。頁巖氣藏的形成規(guī)模與產(chǎn)能高低主要取決于頁巖氣儲層的有機質(zhì)含量、有效厚度、成熟度、礦物組成、脆性、孔隙壓力、基質(zhì)滲透率以及原始天然氣地質(zhì)儲量(GIP)等8項關(guān)鍵地質(zhì)要素[11]。其中，頁巖氣的地質(zhì)資源量決定著頁巖氣藏的規(guī)模大小，是頁巖氣選區(qū)評價的一個重要評價內(nèi)容。

目前，國內(nèi)外有關(guān)頁巖氣資源評價的常用方法可以大致劃分為容積法、類比法、統(tǒng)計法和動態(tài)法等4種[12]。其中，資源豐度類比法主要適用于尚未或已少量開展勘探工作的新區(qū)評價，而后2種方法則適用于已有開發(fā)單元的頁巖氣評價區(qū)塊。分別計算游離氣量和吸附氣量的GIP法以及以現(xiàn)場測試頁巖含氣量為主的容積法則是處于頁巖氣勘探與評價階段常常采用的資源評價方法。北美地區(qū)由于有許多頁巖氣區(qū)已進入開發(fā)階段或已有大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在頁巖氣資源評價中多采用的是統(tǒng)計法(如USGS采用的Forspan模型法[12])或頁巖氣生產(chǎn)動態(tài)法，因此其公布的頁巖氣資源數(shù)據(jù)可靠性高，而且資源等級也較高，可以相當于國內(nèi)的儲量級別。與此相反，目前中國頁巖氣資源評價方法比較單一，多以類比法或含氣量法為主，使用的數(shù)據(jù)直接取自過去生油巖的研究成果，針對頁巖氣的研究工作和認識還不夠完整和系統(tǒng)，加之對頁巖氣儲層的認識不足，劃分標準太低(詳見下述)，尤其缺乏一些關(guān)鍵評價參數(shù)的實際數(shù)據(jù)，因此資源評價結(jié)果存在較大的不確定性，可信度較低。

EIA在2011年公布的中國頁巖氣資源量僅僅包括了四川和塔里木2個盆地[2]。通過分析它所公布的四川盆地頁巖氣資源計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，它所采用的頁巖氣資源計算參數(shù)(如頁巖氣分布面積、富有機質(zhì)頁巖厚度、有效厚度以及平均有機質(zhì)含量等)基本與實際情況不符合，所列出的筇竹寺組和龍馬溪組2套頁巖氣層的特征參數(shù)的數(shù)據(jù)總體上都偏大很多。因此，EIA的評價結(jié)果與筆者通過實際鉆井分析數(shù)據(jù)評價的結(jié)果[10]相差甚遠，前者是后者的5倍多。

需要特別指出的是，北美地區(qū)頁巖氣資源評價中計算的是儲藏在高伽馬富有機質(zhì)頁巖中的那部分具有商業(yè)開采價值的頁巖氣。然而，目前國內(nèi)發(fā)布的一些頁巖氣資源評價參數(shù)標準設定過低，例如頁巖wTOC值下限標準設定為0.5%[13]。這實際上計算的是整個泥質(zhì)烴源巖中的頁巖氣，基本上還停留在“有頁巖就有頁巖氣”的烴源巖初級認識階段，缺乏對“頁巖氣儲層”或“經(jīng)濟性含氣頁巖”這一頁巖氣開采本質(zhì)性的認識，從而導致所公布的計算結(jié)果過于樂觀。

國內(nèi)頁巖氣資源評價工作應該是在對頁巖氣藏形成與分布特征的系統(tǒng)認識之上，通過鉆探一批頁巖取心淺井，取準、取全頁巖氣各套評價參數(shù)與數(shù)據(jù)，并且在統(tǒng)一的評價方法與參數(shù)取值標準的基礎上開展資源量計算與選區(qū)評價工作。目前國內(nèi)一些推動頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政府組織機構(gòu)對頁巖氣的認識可能還停留在“有頁巖就有頁巖氣，有頁巖氣就能商業(yè)開采”的模糊認識階段，在未經(jīng)過一定程度的頁巖氣鉆探與評價研究，便匆匆發(fā)布了頁巖氣資源評價與選區(qū)評價結(jié)果[14]，并且根據(jù)一個處于資源分布金字塔底座、開發(fā)成本和技術(shù)需求最高而不確定性最大的“頁巖氣資源量”來制定頁巖氣“十二五”發(fā)展規(guī)劃，進而通過2輪頁巖氣招標帶動了全社會各行各業(yè)都踴躍參與的頁巖氣熱潮，這種做法本身是欠科學的。未經(jīng)過深入、認真的科學論證而盲目地降低頁巖氣開采門檻對民營企業(yè)開放市場，這將會造成社會資源的極大浪費。

1.4 頁巖氣有利勘探區(qū)優(yōu)選

北美地區(qū)頁巖氣勘探實踐結(jié)果表明，盡管在一個頁巖氣勘探區(qū)帶(shale gas play)內(nèi)頁巖氣呈連續(xù)性的廣泛分布，但是仍然存在頁巖氣相對富集的所謂 “核心”區(qū)。例如，美國東部阿帕拉契亞盆地的Marcellus頁巖氣勘探區(qū)帶經(jīng)勘探評價證實存在北東和南西2個核心區(qū)[15,16]。這2個核心區(qū)的高伽馬頁巖都具有高有機碳、高孔隙度和異常高壓特征。美國德州Fort Worth盆地的Barnett頁巖氣勘探區(qū)也呈現(xiàn)出自東北部的核心區(qū)(面積4 000 km2，單井EUR 0.71×108m3)向西南部1號和2號擴展區(qū)面積逐步增大(分別達6 000 km2和11 000 km2)而單井EUR逐漸降低(分別為0.42×108m3和0.23×108m3)的資源分布格局[2](圖3)。因此，頁巖氣勘探評價工作應該是從頁巖氣地質(zhì)條件最有利、資源豐度最高的核心區(qū)逐步向資源豐度較低的有利區(qū)擴展。通過頁巖氣選區(qū)評價工作，優(yōu)選出核心區(qū)和有利區(qū)，這對于取得頁巖氣成功至關(guān)重要。

通過頁巖氣成藏地質(zhì)條件各項因素的分析，編制頁巖氣儲層的埋深、厚度、有機質(zhì)含量、成熟度、孔隙度、巖石脆性、殘留氣量、資源豐度、地層溫度和壓力以及構(gòu)造斷裂與裂縫分布等各項重要地質(zhì)風險因素分布圖，然后將這些地質(zhì)因素圖疊加在一起，再按照一定的選區(qū)地質(zhì)評價參數(shù)標準，即可篩選出頁巖氣有利區(qū)和核心區(qū)(圖4)。只有在這些評價優(yōu)選出來的有利區(qū)和核心區(qū)進行頁巖氣勘探，最終才能取得頁巖氣商業(yè)開發(fā)的成功。

而北美地區(qū)頁巖氣取得的“革命性成功”正是選擇了頁巖氣資源稟賦較高的Haynesville、Barnett、Marcellus、Fayetteville、Woodford、Eagle Ford等多套含氣頁巖勘探的結(jié)果。表1列出了上述頁巖氣藏已開發(fā)區(qū)的頁巖氣儲層厚度、有機質(zhì)含量、資源豐度與年產(chǎn)量等數(shù)據(jù)，其頁巖氣資源稟賦之高可見一斑。

圖3 美國Fort Worth盆地Barnett頁巖氣資源分布區(qū)劃圖

圖4 頁巖氣選區(qū)評價勘探有利區(qū)優(yōu)選程序示意圖

表1 美國6大頁巖氣開發(fā)區(qū)的頁巖氣基本地質(zhì)特征與年產(chǎn)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表

①據(jù)EIA(2011)資料[17]； ②綜合All Consulting(2008)、Chesapeake(2009)、Shell(2012)等公司交流資料；

③據(jù)EIA(2012)資料[1]。

2 選區(qū)評價關(guān)鍵參數(shù)

從油氣地質(zhì)理論上講，任何富含有機質(zhì)的頁巖只要其熱成熟度處于生氣窗范圍，所生成的天然氣經(jīng)初次運移后殘留下來，即可形成頁巖氣。然而，北美地區(qū)頁巖氣開采實踐表明[18]，頁巖氣的商業(yè)開采要達到一定的經(jīng)濟、規(guī)模，必須滿足一些基本的地質(zhì)和工程技術(shù)條件(表2)。在頁巖氣選區(qū)評價的參數(shù)與標準上，不同的學者或油氣公司盡管都不完全相同，但是所考慮的選區(qū)基本地質(zhì)條件卻是大體一致的，其中重點關(guān)注圖5所示的幾項關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)，這些選區(qū)評價參數(shù)的取值高低將直接影響到頁巖氣藏的規(guī)模和產(chǎn)能大小。

表2 影響頁巖氣產(chǎn)量與最終可采儲量(EUR)的地質(zhì)與工程因素

2.1 有效厚度

表2和圖5中的頁巖有效厚度是指含氣頁巖儲層的厚度，也即黑色巖系中高伽馬富有機質(zhì)頁巖儲層(氣層)的厚度。要達到頁巖氣的規(guī)模、效益化開發(fā)目標，一般要求頁巖氣儲層在區(qū)域上呈連續(xù)穩(wěn)定分布(數(shù)千至上萬平方千米)，而且在縱向上連續(xù)分布的厚度也較大。根據(jù)北美地區(qū)已開發(fā)的6套主力頁巖氣藏統(tǒng)計資料(表1)，頁巖氣儲層的厚度平均值都在30 m以上。圖3所示美國Fort Worth盆地Barnett頁巖氣區(qū)的核心區(qū)即位于厚度高值區(qū)。頁巖有效厚度越大，頁巖氣資源越豐富，其勘探潛力亦越大。一般而言，頁巖氣藏的頁巖有效厚度最好>15 m，核心區(qū)的頁巖有效厚度最好>30～50 m。

2.2 有機質(zhì)含量

研究表明，有機質(zhì)含量往往與頁巖的含氣量成正相關(guān)關(guān)系(圖6)，而且有機質(zhì)含量越高，其生烴作用后產(chǎn)生的有機質(zhì)孔隙也會越多[18,19]。因此，頁巖氣藏形成的最基本條件應該是頁巖中富含有機質(zhì)。從圖6中可以看出，頁巖中的有機質(zhì)含量(wTOC)<2%時，其含氣量往往較低；而wTOC值>2%時，則頁巖的含氣量明顯增高。而且，在四川盆地南部五峰組—龍馬溪組頁巖層系中，高伽馬黑色頁巖層段與wTOC值>2%的富有機質(zhì)黑色頁巖層段具有較好的一致性[9,10]。

圖5 頁巖氣選區(qū)評價關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)及取值標準

圖6 Barnett頁巖與龍馬溪組頁巖的有機質(zhì)含量-含氣量關(guān)系曲線圖

表1所列出的美國6套主力頁巖氣開發(fā)區(qū)頁巖氣層的wTOC值均在2%以上，一些甚至高于10%。也即，美國目前開發(fā)的主要是wTOC值在2%以上的富有機質(zhì)含氣頁巖。這些含氣頁巖在測井曲線上往往具有伽馬值高—極高、電阻率高、中子和聲波孔隙度高以及巖石密度低的特征[20]。需要指出的是，國內(nèi)一些文獻中引用的美國頁巖氣區(qū)wTOC值可低至0.3%，這應該是整套頁巖巖系的wTOC值而非頁巖氣開發(fā)層段的wTOC值。國內(nèi)有些單位甚至將此0.3%的wTOC值作為海相頁巖氣遠景區(qū)優(yōu)選的下限標準[21]。這幾乎等同于“哪里有頁巖哪里就有頁巖氣”。因此，必須強調(diào)具有頁巖氣經(jīng)濟開發(fā)價值的頁巖氣儲層其wTOC值應該>2%，而且wTOC值最好在3%～4%以上。例如，龍馬溪組最底部伽馬值最高的頁巖氣儲層段的wTOC值一般在3%以上(表3)，為整個龍馬溪組頁巖層系中頁巖氣儲層質(zhì)量最佳的層段[10]，也正是目前四川盆地龍馬溪組頁巖氣勘探的主要產(chǎn)氣層段。

2.3 成熟度

要形成頁巖氣藏，頁巖中有機質(zhì)成熟度應處在生氣窗的范圍內(nèi)。盡管也有頁巖生物成因氣藏，如美國密西根盆地的Antrim頁巖氣藏Ro值分布在0.4%～0.6%[22]，但是目前北美地區(qū)已發(fā)現(xiàn)的絕大多數(shù)頁巖氣藏為熱成因氣藏。對于Ⅱ型有機質(zhì)類型而言，鏡質(zhì)體反射率(Ro)>1.1%時液態(tài)烴便開始熱裂解轉(zhuǎn)化成氣態(tài)烴[18]，因此美國Fort Worth盆地Barnett頁巖氣主要分布在Ro>1.1%的區(qū)域內(nèi)(圖3)。頁巖氣核心區(qū)的Ro值最好在1.3%以上，此時液態(tài)烴已熱裂解成凝析氣或干氣，而且頁巖氣的生產(chǎn)由于不會受到液態(tài)烴存在的影響而產(chǎn)量明顯增加[18]。

2.4 礦物組成

由于頁巖氣儲層的基質(zhì)滲透率一般為納達西級，巖性致密，需要加砂壓裂產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡來提高頁巖氣體的滲流能力，因此頁巖氣儲層本身應該具有一定的脆性(如硅質(zhì)碎屑物、海綿骨針、放射蟲等生物硅質(zhì)含量豐富等)，從而在外力作用下容易產(chǎn)生裂縫。北美地區(qū)頁巖氣儲層的礦物組成中，Barnett、Woodford、Fayetteville等頁巖氣藏的平均石英質(zhì)量分數(shù)>40%，而且主要是生物硅質(zhì)成因[18,23]。這為頁巖氣的大規(guī)模壓裂開采提供了有利條件。

四川盆地南部長寧頁巖氣勘探區(qū)的頁巖巖心樣品分析結(jié)果表明，五峰組—龍馬溪組頁巖的有機質(zhì)含量與礦物組成呈現(xiàn)出規(guī)律性變化特征(表3)。自上而下，五峰組—龍馬溪組頁巖可以分為3個層段，即上部灰色段、下部黑色段及底部高伽馬段，其有機質(zhì)含量、石英和黃鐵礦含量逐漸增加，而長石、碳酸鹽和黏土含量則呈降低趨勢。目前正在開發(fā)的底部頁巖氣儲層段的石英質(zhì)量分數(shù)平均值>50%，而黏土的質(zhì)量分數(shù)則<20%，導致該套頁巖氣儲層的巖石脆性極強，有利于頁巖氣壓裂增產(chǎn)改造。

頁巖氣選區(qū)評價中對頁巖氣儲層礦物組成的一般標準是，石英和/或碳酸鹽類礦物的質(zhì)量分數(shù)>40%，最低限度不能低于25%(據(jù)Rimrock能源公司[2008]交流資料)。相反，黏土礦物的質(zhì)量分數(shù)一般要求<30%(據(jù)斯倫貝謝公司[2010]交流資料)，而且黏土礦物中的膨脹性礦物如蒙脫石的含量越低越好。

2.5 儲層物性條件

盡管頁巖氣藏在某種意義上稱得上是一種“人工氣藏”，因為頁巖氣的商業(yè)開采主要靠加砂壓裂改造，但是較好的頁巖儲層物性條件以及發(fā)育的天然裂縫無疑會極大地提高頁巖氣的產(chǎn)能規(guī)模。

目前，北美地區(qū)廣泛采用一種由美國天然氣研究所(GRI)在1996年研制的致密巖石分析方法來測試頁巖的儲集物性。GRI分析方法是將頁巖樣品粉碎后再處理分析，而不是采用常規(guī)的巖塞樣品進行分析。這主要是因為頁巖紋層發(fā)育, 很難鉆取到合格的巖塞樣品；而且?guī)r塞樣品的鉆取和處理過程中, 容易產(chǎn)生人工微裂縫，從而人為地增加基質(zhì)滲透率甚至孔隙度分析數(shù)值,再加之常規(guī)分析過程往往耗時過長。而國內(nèi)目前基本上還是采用常規(guī)的巖石物性分析方法，因此在與北美頁巖氣儲層資料對比分析時，需特別注意分析方法上存在的差異性。

北美地區(qū)目前開采的幾大主力頁巖氣藏都具有較好的頁巖氣儲層物性條件[17]，其用GRI方法測定的基質(zhì)孔隙度一般>4%，含氣孔隙度一般>2%。例如，北美地區(qū)最大的Haynesville頁巖氣田其總孔隙度一般分布在8%～14%，含氣孔隙度則可達5%～11%。北美地區(qū)頁巖氣藏的GRI基質(zhì)滲透率一般分布在(50～1 000)×10-9μm2，除Barnett頁巖氣藏的基質(zhì)滲透率較低外(一般<100×10-9μm2)，大部分主力氣藏核心開發(fā)區(qū)的基質(zhì)滲透率一般>300×10-9μm2。北美頁巖氣藏的含水飽和度一般<40%，主力頁巖氣藏的核心開發(fā)區(qū)一般<30%。

表3 五峰組--龍馬溪組不同頁巖層段的平均有機質(zhì)含量與礦物組成統(tǒng)計

圖7 北美地區(qū)各套頁巖與五峰組—龍馬溪組頁巖的含氣量對比直方圖

2.6 巖石力學性質(zhì)

為獲得理想的壓裂效果，頁巖儲層本身應該具有一定的硬度，例如Barnett和Woodford頁巖的Brinell硬度指數(shù)介于Ohio砂巖與德州東部的Carthage灰?guī)r之間(據(jù)哈丁謝爾頓公司[2010]交流資料)。在巖石力學參數(shù)上，頁巖氣有利勘探區(qū)一般要求頁巖儲層的楊式模量應>2×104MPa，靜態(tài)泊松比應<0.25(據(jù)Rimrock能源公司[2008]和斯倫貝謝公司[2010]交流資料)。

2.7 儲層壓力與含氣性

頁巖儲層壓力如果異常高，意味著頁巖中已有大量的油氣生成，而且可能在地質(zhì)歷史時期未發(fā)生過大規(guī)模的運移或散失。頁巖儲層壓力高也意味著頁巖含氣量和初始產(chǎn)量高。從北美地區(qū)多套頁巖氣藏的勘探結(jié)果來看，埋藏深度較淺的(一般<1.5 km)Antrim、Ohio、New Albany和Lewis等頁巖氣藏的壓力系數(shù)均為1.0，其平均含氣量均為<2.5 m3/t(圖7)，而且頁巖氣初始產(chǎn)量也較低[22]。與此相反，埋藏較深、儲層壓力異常高壓的Haynesville、Barnett、Marcellus和Eagle Ford等頁巖氣藏，則具有較高的含氣量(圖7)、初始產(chǎn)量、EUR以及年產(chǎn)量特征(據(jù)殼牌公司[2011]交流資料)。目前，四川盆地南部五峰組—龍馬溪組頁巖氣勘探也初步揭示出上述規(guī)律。深度<1.5 km的五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層表現(xiàn)為壓力低、含氣量低(圖7)、初始產(chǎn)量亦低的特征；深度>2 km的五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層則表現(xiàn)出異常高壓(壓力系數(shù)可高達2.2)、較高含氣量(圖7)和產(chǎn)氣量的特征。

需要指出的是，北美地區(qū)開采的Antrim等多套淺層頁巖氣藏主要是以吸附氣資源為主。埋深不足1 km的Antrim和New Albany頁巖氣藏以及埋深在1.5 km以內(nèi)的Ohio和Lewis頁巖氣藏，頁巖氣中吸附氣所占的比例一般在50%～85%之間[22]；而埋深較大的Barnett、Marcellus和Haynesville等頁巖氣藏的吸附氣含量一般僅在20%～30%之間，甚至可以低于20%，但其頁巖氣儲量規(guī)模和產(chǎn)量均較前者大得多。由此可見，財政部在去年底發(fā)布的“財建[2012]847號”有關(guān)頁巖氣開發(fā)利用補貼政策中，將“吸附氣含量>20%”作為頁巖氣界定標準之一的做法是值得商榷的。

根據(jù)四川盆地南部五峰組—龍馬溪組頁巖的等溫吸附實驗結(jié)果，頁巖的吸附氣量隨有機質(zhì)含量的增加而明顯增加(圖8)。北美地區(qū)那些埋藏淺而吸附氣含量高的頁巖氣藏主要得益于其有機質(zhì)含量高。Antrim和New Albany頁巖的wTOC值高達25%左右[22]，因此盡管埋藏淺而游離氣量低，但由于有機質(zhì)富集程度高而能夠吸附大量的頁巖氣。Antrim頁巖氣藏目前的年產(chǎn)量可達30×108m3[1]。

圖8 四川盆地南部五峰組—龍馬溪組頁巖等溫吸附曲線圖

在鉆井過程中，頁巖具有的較高氣測值，頻繁出現(xiàn)的氣侵、井涌甚至井噴等油氣顯示，以及頁巖巖心取出后直接冒氣等現(xiàn)象，都指示頁巖具有較好的含氣性。頁巖的含氣量以及資源豐度可以直接反映頁巖氣藏的規(guī)模和產(chǎn)能大小，也是頁巖氣選區(qū)評價的一個重要參數(shù)指標。北美地區(qū)頁巖氣藏的含氣量從<2 m3/t到>9 m3/t均有分布(圖7)，但在選區(qū)評價中一般要求頁巖含氣量>2 m3/t(據(jù)Rimrock能源公司[2008]交流資料)。

2.8 蓋層與保存條件

頁巖氣儲層段上下若有致密堅硬的巖石作隔擋層，一方面可以較大限度地阻止頁巖氣(特別是其中的游離氣)的運移與散失，使更多的頁巖氣盡可能保存下來；另一方面，在加砂壓裂過程中，可以起壓裂阻隔層作用，使“人工”裂縫集中產(chǎn)生在頁巖氣儲層中，而且可以防止將下伏可能存在的水層溝通。若不存在壓裂阻隔層，那么在加砂壓裂設計時則需作特殊的考慮。

盡管頁巖氣藏具有生、儲、蓋、運、聚、保自成一體的含油氣系統(tǒng)特征，但保存條件仍是頁巖氣能否成藏或者是影響頁巖氣成藏規(guī)模的一個關(guān)鍵因素，特別是在構(gòu)造擠壓變形強烈、上沖斷層發(fā)育的中國南方海相頁巖氣選區(qū)評價中更應重視頁巖氣的保存條件問題。中國南方油氣勘探實踐證明，在經(jīng)歷了加里東、印支和燕山等多期多階段強烈的構(gòu)造活動改造之后，其中包括隆升剝蝕、褶皺變形、斷裂切割、地表水的下滲以及壓力體系的破壞等,幾乎已使海相地層中的大量油氣散失殆盡[24]。油氣保存條件已成為制約中國南方油氣勘探的一個關(guān)鍵因素。這些構(gòu)造不穩(wěn)定區(qū)的地面構(gòu)造特征多表現(xiàn)為背斜寬緩、向斜窄陡、斷裂發(fā)育、頁巖層系多出露地表，頁巖氣保存條件無疑較差。即便是在一些未遭到完全破壞的拗陷區(qū)仍然殘存有頁巖氣，但其規(guī)模必定受限，頁巖氣勘探的經(jīng)濟風險極大。此外，這些構(gòu)造復雜地區(qū)的地表條件極差，寬緩背斜區(qū)多見平壩，窄陡向斜區(qū)多為高山深谷。這又為頁巖氣鉆探和壓裂作業(yè)帶來了極大的工程技術(shù)風險。

近兩年內(nèi)中國石油、中國石化和國土資源部等多家單位在滇東北、黔東南以及渝東南等海相地區(qū)實施的頁巖氣勘探工作已遭遇了極大的地質(zhì)與工程技術(shù)挑戰(zhàn)。頁巖氣保存條件的重要性已在這些構(gòu)造復雜區(qū)的頁巖氣勘探實踐中得到了充分的證實。因此，在頁巖氣選區(qū)評價中，應盡可能摒棄發(fā)育深大斷裂和上沖斷塊的構(gòu)造復雜區(qū)，選擇已有油氣田(藏)發(fā)現(xiàn)、頁巖氣資源稟賦高的含油氣盆地或拗陷開展頁巖氣勘探評價工作，否則將會面臨極大的地質(zhì)、工程與經(jīng)濟風險。

3 結(jié) 論

a.對“頁巖氣”的科學界定應該考慮地質(zhì)與工程2個方面?！绊搸r氣”系指產(chǎn)自顆粒直徑<63 μm且質(zhì)量分數(shù)>50%的細粒沉積巖層中，并需要通過水平井鉆探以及多段水力壓裂技術(shù)才能規(guī)?；?jīng)濟開采的一類天然氣。

b.頁巖氣開采需遵循基本的油氣勘探開發(fā)程序。在決策進入鉆井勘探階段之前，必須開展頁巖氣選區(qū)評價工作，以搞清評價區(qū)內(nèi)頁巖氣含氣系統(tǒng)是否普遍存在、頁巖儲層是否能夠有效壓裂改造以及頁巖氣資源勘探的潛力與規(guī)模有多大等關(guān)鍵問題。

c.頁巖氣選區(qū)、選層評價工作的主要內(nèi)容是通過區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、鉆探取樣分析、頁巖氣成藏地質(zhì)條件與資源潛力評價，優(yōu)選出頁巖氣勘探有利區(qū)以及具有商業(yè)開采價值的頁巖氣儲層，開展頁巖氣鉆探與壓裂先導試驗。

d.與常規(guī)油氣勘探的思路不同，頁巖油氣勘探的對象是未經(jīng)運移而殘留下來的油氣。由于運移通道暢通或疏導條件有利而運移出去的油氣越多，則殘留下來的油氣就越少，頁巖油氣勘探的潛力自然就低。在斷裂構(gòu)造極為復雜的中國南方地區(qū)開展海相頁巖氣勘探工作，不僅要面臨鉆探與壓裂工程技術(shù)上的巨大挑戰(zhàn)，而且還要面臨頁巖氣資源規(guī)模、水資源、地面管網(wǎng)設施以及開發(fā)經(jīng)濟性等諸多方面的挑戰(zhàn)。

e.并非所有的泥頁巖都可以作為頁巖氣儲層，只有到達一定下限標準的含氣頁巖才具有商業(yè)開采價值。準確地識別與劃分頁巖氣儲層，優(yōu)選出可供商業(yè)開采的壓裂層段，這對于水平井鉆探以及加砂壓裂都至關(guān)重要。四川盆地南部五峰組—龍馬溪組具有商業(yè)開采價值的頁巖氣儲層段集中分布在底部厚度一般為30～60 m的高伽馬富有機質(zhì)頁巖層段。

f.頁巖氣勘探評價工作應該是從頁巖氣地質(zhì)條件最有利、資源豐度最高的核心區(qū)逐步向資源豐度較低的有利區(qū)擴展。頁巖氣的商業(yè)開采要達到一定的經(jīng)濟、規(guī)模，必須滿足一些基本的地質(zhì)和工程技術(shù)條件。根據(jù)頁巖氣評價參數(shù)標準，選擇頁巖氣資源稟賦較高的區(qū)塊和含氣頁巖進行勘探，才有希望取得頁巖氣商業(yè)開采的成功。

g.有機質(zhì)含量是制約頁巖含氣量與資源潛力的關(guān)鍵參數(shù)。北美地區(qū)主要頁巖氣開發(fā)區(qū)的含氣頁巖wTOC值均在2%以上。四川盆地南部龍馬溪組最底部伽馬值最高的頁巖氣儲層段的wTOC值一般在3%以上，為整個龍馬溪組頁巖層系中頁巖氣儲層質(zhì)量最佳的層段，也是目前龍馬溪組頁巖氣勘探的主要產(chǎn)氣層段。

h.淺層、高有機質(zhì)含量的頁巖中以吸附氣資源為主，而深層、高溫高壓條件下的頁巖中則以游離氣資源占主導地位。頁巖儲層壓力異常高可能意味著有更多的頁巖氣殘留在地層中而未發(fā)生運移或散失，由此造成頁巖含氣量和初始產(chǎn)量高的特征。

i.受實際鉆探資料與研究認識程度的影響，目前發(fā)布的國內(nèi)頁巖氣資源量、頁巖氣公開招標以及未來頁巖氣發(fā)展規(guī)劃等諸多政策與計劃可能存在極大的不確定性與風險。頁巖氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還需遵循其循序漸進、科學發(fā)展的自身規(guī)律。拔苗助長式的加快開發(fā)將會造成社會資源的極大浪費。

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Appraisalmethodandkeyparametersforscreeningshalegasplay

WANG Shi-qian1, WANG Shu-yan2,3, MAN Ling1, DONG Da-zhong4, WANG Yu-man4

1.ResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,PetroChinaSouthwestOil&GasFieldCompany,Chengdu610051,China;2.GeophysicalCollege,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;3.ExplorationDepartment,PetroChinaSouthwestOil&GasFieldCompany,Chengdu610041,China;4.PetroChinaResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,Beijing100083,China

Shale gas is a kind of unconventional gas from the fine-grain sedimentary rocks such as argillaceous rocks and needs to be produced commercially by special techniques such as horizontal drilling and multi-stage hydraulic fracturing. Inspired by successful shale gas revolution in North America and by the optimistic assessment of shale gas resources, China has set off a wave of shale gas development in recent years. However, the successful development of shale gas has not been accomplished in one move in North America. The successful experience lies in selecting shale gas plays with higher resource endowment for horizontal drilling and multi-stage hydraulic fracturing through the implementation of geological research and engineering technology development project since the seventies of the 20th century. In accordance with the standards of shale gas evaluation parameters, the screening of shale gas play is to select the favorable block and the shale gas reservoir (i.e. the gas shale) with higher resource endowment for drilling and fracking. This is the first key step to the commercial success of shale gas exploitation. Some specific methods for shale gas screening and the key evaluation parameters affecting the shale gas reservoir scale and production are discussed, with a preliminary analysis of some problems existing in the shale gas assessment. It is suggested that the total organic content in shales is one of the key parameters in the assessment of the shale gas resource endowment. The mass fraction of TOC in gas shales is usually greater than 2.0% in the leading shale gas plays in North America. In Sichuan Basin, the mass fraction of TOC in the Longmaxi shale gas reservoir is generally greater than 3.0%. The bottom of Longmaxi Formation with the highest gamma radiation is the highest shale gas resource endowment interval and also is the most important target zone for shale gas exploitation at present. The shale gas there is generally dominated by adsorbed gas in the shallower shales with high enrichment of organic matter. On the other hand, the shales in the deep and under high pressure and temperature are expected to have more free gases. Abnormally pressurized shale gas reservoir has better conditions for the preservation and enrichment of shale gas. The marine shale gas exploration in South China with the characteristics of complex structures and unfavorable preservation of shale gases not only has to face great challenges from the drilling and completion technology, but also to face enormous challenges from shale gas volumetric potential, water resource, pipeline infrastructure and the economic exploitation of shale gas.

shale gas; appraisal method; assessment parameter; resource endowment; abnormally high pressure; preservation; favorable block

10.3969/j.issn.1671-9727.2013.06.01

1671-9727(2013)06-0609-12

TE132.2

A

2013-09-20

國家科技重大專項(2012ZX05018-006)

王世謙(1963-)，男,碩士,教授級高級工程師,主要從事油氣勘探綜合研究與資源評價工作, E-mail:wsq-618@petrochina.com.cn。