張金川，劉樹根，魏曉亮,4，唐 玄，劉 飏

[1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083; 2.自然資源部頁巖氣資源戰(zhàn)略評價重點實驗室，北京 100083;3.西華大學(xué)，四川 成都 610039；4.中國石化 勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營257022]

經(jīng)過10余年的大規(guī)模地質(zhì)調(diào)查和勘探評價工作，中國頁巖氣領(lǐng)域目前已經(jīng)取得了巨大的成功[1-4]，先后在海相、陸相及海陸過渡相領(lǐng)域獲得了不同程度的突破[5]，建成了一系列頁巖氣勘探開發(fā)示范區(qū)和頁巖氣生產(chǎn)基地，使中國的頁巖氣產(chǎn)量在10年內(nèi)實現(xiàn)了從0到超過100×108m3的巨大跨越，目前已成為世界頁巖氣第二大生產(chǎn)國[6-8]，極大地提振了擴大勘探領(lǐng)域和評價范圍的頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展信心。中國已經(jīng)對多個層系和多個區(qū)域進行了頁巖氣資源調(diào)查和勘探評價工作，勘探研究層系包括了薊縣系、青白口系、震旦系、寒武系、志留系，直到古近系和第四系等，目前已經(jīng)對15個層系的頁巖氣進行了調(diào)查與評價，獲得了大量資料和信息，并不斷取得重要突破。目前中國的頁巖氣事業(yè)正如火如荼地全面發(fā)展，向更深、更淺、更極端、更復(fù)雜領(lǐng)域進軍，昭示了中國頁巖氣廣闊的資源前景。隨著頁巖氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和壯大，頁巖的含氣量測試與評價愈發(fā)顯現(xiàn)出其不可替代的重要作用。作為頁巖氣地質(zhì)調(diào)查與資源勘探評價的核心要素，含氣量的評價與研究一直受到高度關(guān)注。但由于中國地質(zhì)條件復(fù)雜，頁巖氣發(fā)展歷史短暫，地質(zhì)理論認(rèn)識和評價技術(shù)水平不夠完善，對頁巖含氣量的評價認(rèn)識尚存在許多困難和問題，值得開展討論以推進中國相關(guān)技術(shù)水平的快速發(fā)展。

1 頁巖含氣量評價方法發(fā)展背景

根據(jù)文獻追溯，美國的頁巖氣發(fā)現(xiàn)及發(fā)展歷史可回溯至1821—1825年[9-12]。盡管歷史悠久，但這并不意味著頁巖含氣量的獲得及評價方法同樣可以追溯至很久以前。實際上，美國早期發(fā)現(xiàn)及開發(fā)的頁巖氣藏可歸為頁巖地層中的裂縫性天然氣藏，在地質(zhì)評價、開發(fā)生產(chǎn)設(shè)計和資源前景預(yù)測等方面是按照常規(guī)油氣勘探思路進行的。

1976年，美國能源局(DOE)針對阿巴拉契亞、密執(zhí)安及伊利諾斯3個東部盆地，啟動了旨在頁巖氣資源潛力評價的東部頁巖氣項目(EGSP)。1980年，美國天然氣研究院(GRI)又針對美國東部和中南部盆地開展了頁巖氣分布和資源研究[13]。這些研究發(fā)現(xiàn)了天然氣在頁巖中的吸附性存在，解釋了頁巖氣生產(chǎn)周期長但產(chǎn)量低的基本原因，使得頁巖氣資源和儲量翻倍增長。由此開始，對頁巖氣資源評價不再局限于儲集空間的大小評價以及游離氣儲量的計算?？偤瑲饬康脑u價問題進入頁巖氣勘探與開發(fā)研究者的視野，并逐漸開始受到越來越多的重視。

頁巖氣和煤層氣同屬于自生自儲型天然氣藏，美國早期頁巖含氣量評價研究中大量借鑒了煤層含氣量研究方法。美國的煤層氣研究始于20世紀(jì)50年代，通過對礦井的瓦斯進行抽放，第一口煤層氣試驗井的瓦斯產(chǎn)量達到了2 100～12 000 m3/d。經(jīng)過20世紀(jì)60年代的可行性研究和試驗，70年代時開始了煤層氣的勘探開發(fā)試驗。至80年代時，煤層氣已經(jīng)取得了重大突破，達到了從業(yè)者眾、年產(chǎn)量近億方水平。美國礦業(yè)局(USBM)最早在1970年就給出了煤層含氣量的測試方法，該方法主要采用排水法對煤層釋放的瓦斯氣進行收集和計量，常被稱為USBM直接法[14]。由于原理簡單，操作方便，可推廣性強，該方法(圖1)目前仍然是瓦斯(或煤層氣)含量現(xiàn)場測試的主要方法。

圖1 煤層含氣量現(xiàn)場解吸裝置(據(jù)文獻[14]修改)

1980年，美國國會通過了第29號財稅信貸法案，一定程度上對非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)生產(chǎn)實行優(yōu)惠，極大地刺激了包括頁巖氣在內(nèi)的非常規(guī)天然氣開發(fā)生產(chǎn)熱情。頁巖氣生產(chǎn)急速升溫，在沒有水平井和大型水力壓裂的情況下，僅在1985年，頁巖氣的產(chǎn)量就躥升了34×108m3。在這段時間里，煤層含氣量測試與評價方法對頁巖氣產(chǎn)生了重要影響，相關(guān)含氣量獲得與評價技術(shù)被移至頁巖氣。盡管后來發(fā)現(xiàn)頁巖氣地質(zhì)特點與煤層氣并不完全相同，USBM法并不能很好地滿足頁巖氣測試實際需要，但在方法上并沒有實質(zhì)改進并一直沿用至今。

從煤層氣沿用過來的頁巖含氣量評價方法還有等溫吸附法，該方法在頁巖含氣量中的應(yīng)用研究最早可見于Thomas(1980)的研究[15]。Schettler等(1991)利用等溫吸附法對頁巖中吸附氣含量的占比進行研究[16]，Lu等(1995)對等溫吸附法測試頁巖吸附含氣量方法進行了系統(tǒng)介紹[17]。利用等溫吸附法計算頁巖吸附含氣量已經(jīng)成為了目前頁巖含氣量評價的一種基本手段，但該方法所得的含氣量結(jié)果僅是一種最大的吸附含氣能力，并沒有反映真實的地層吸附含氣量。

頁巖氣的勘探開發(fā)離不開鉆井工程的實施，因此利用鉆井、錄井以及測井進行的低成本頁巖含氣量測試一直是勘探工作中的研究重點。最常用的手段是根據(jù)測井?dāng)?shù)據(jù)進行含氣量計算，這一方法源自常規(guī)油氣藏評價。頁巖中游離氣含量受到孔隙度控制，可以通過計算有效孔隙獲得。Archie(1942)提出了使用測井資料計算砂巖儲集物性參數(shù)的經(jīng)驗公式(后稱阿爾奇公式)[18]，雖然后期的研究顯示頁巖中復(fù)雜的礦物成分會嚴(yán)重影響阿爾奇公式的適用性，但該公式以及基于該公式延伸出的公式一直是計算常規(guī)油氣儲層的經(jīng)典工具。Sneider等(1987)指出，由于粘土礦物和地層水礦化度的影響，測井?dāng)?shù)據(jù)在計算高粘土礦物含量地層的物性參數(shù)時具有較大誤差[19]。換言之，在頁巖地層中直接使用常規(guī)儲層的測井評價方法和參數(shù)，將難以對頁巖氣進行合理評價。吸附氣含量主要受到頁巖比表面控制，目前的測井技術(shù)無法直接獲得結(jié)算吸附氣含量的參數(shù)。因此常用的手段是首先計算頁巖中總有機質(zhì)碳(TOC)含量，而后利用TOC與吸附氣之間的經(jīng)驗關(guān)系推算吸附氣含量。針對頁巖地層特點，Schmoker(1979)提出了使用密度測井計算烴源巖TOC的方法[20]，Passey等(1990)則進一步提出了利用聲波(或密度)和電阻率估計TOC的ΔlgR方法[21]。這些方法不斷改進，如Herron等(1990)利用C/O能譜測井求取TOC[22]，Jacobi等(2008)利用核磁和密度測井計算TOC等[23]。盡管測井方法在實際應(yīng)用過程中還存在一定的技術(shù)問題，但基本解決了使用測井資料進行頁巖含氣量快速預(yù)測的問題。

利用地震資料進行含氣量預(yù)測的方法可追溯至20世紀(jì)下半葉[24]，F(xiàn)atti等(1994)、White(1977)分別利用“烴類異?！睓z測技術(shù)對常規(guī)儲層中的天然氣富集進行了預(yù)測[25-26]。目前公認(rèn)最可信的頁巖含氣量的準(zhǔn)確確定方法是保壓取心法，該方法在密閉取心技術(shù)思路基礎(chǔ)上發(fā)展而來，但由于該方法技術(shù)難度大且成本高昂而實現(xiàn)困難，故應(yīng)用極大受限。

與國際上頁巖含氣量測試方法和技術(shù)的發(fā)展路徑相同，中國的頁巖含氣量評價方法和技術(shù)演化也經(jīng)歷了復(fù)雜的過程。采用解吸法測試煤巖含氣量的方法開始于20世紀(jì)80年代初，煤炭科學(xué)研究院在1984年和2008年先后提出了兩套煤樣含氣量測定國家標(biāo)準(zhǔn)[27-28]。其中，2008年頒布實施的《煤層氣含量測定方法》將測試過程中的煤層氣劃分為損失氣、解吸氣及殘余氣3部分。伴隨著中國頁巖氣勘探開發(fā)熱潮的到來，煤層含氣量測試方法被直接引入到了頁巖含氣量測試與評價中。在這一過程中，盡管還存在著許多問題，但也在一定程度上緩解了中國頁巖含氣量地質(zhì)評價中的需求壓力。

隨著研究程度的增加，頁巖含氣量數(shù)據(jù)的獲取和評價方法漸趨多元化發(fā)展。例如聶海寬等(2009)利用參數(shù)擬合法，對四川盆地及其周緣下古生界頁巖氣資源進行了計算[29]。唐穎等(2011)、胡微雪等(2014)、邢雅文等(2015)先后對頁巖含氣量的測試與分析方法進行了改進[30-32]。薛冰等(2015)通過擬合深度和有機碳含量等參數(shù)，建立了不同有機質(zhì)類型條件下頁巖含氣量預(yù)測的理論圖版[33]。郭旭升等(2015)通過建立巖心含氣量與密度的經(jīng)驗關(guān)系，利用疊前密度反演實現(xiàn)了對焦石壩地區(qū)頁巖含氣量的預(yù)測[34]。陳超等(2016)通過疊前反演，綜合有機碳含量和壓力系數(shù)，實現(xiàn)了頁巖含氣量的預(yù)測[35]。

2 頁巖含氣量評價原理

2.1 頁巖含氣

天然氣在頁巖孔隙和裂縫中以游離方式存在，在干酪根和粘土顆粒表面以吸附狀態(tài)存在，少部分可以溶解狀態(tài)存在于干酪根、瀝青質(zhì)或其他地層流體中[36-37]，其中，游離態(tài)和吸附態(tài)是頁巖中天然氣主要存在方式。研究人員通過擬合TOC含量、礦物含量以及孔隙結(jié)構(gòu)等參數(shù)與頁巖含氣量之間的關(guān)系后認(rèn)為，吸附氣含量與TOC和粘土礦物含量呈正相關(guān)關(guān)系[38-39]，并且隨孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度增加而增加[40-42]。頁巖游離氣含量與常規(guī)天然氣藏類似，受到孔隙度和含水飽和度控制，游離氣含量隨孔隙度增加而增加，隨含水飽和度增加而降低[43]。

頁巖氣的賦存狀態(tài)受頁巖儲層的孔隙結(jié)構(gòu)影響較大，頁巖儲層主要由微納米孔隙所組成[37,44-45]。根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)的分類，可將頁巖內(nèi)的微納米孔隙根據(jù)直徑大小劃分為宏孔(直徑>50 nm)、介孔(2 nm≤直徑≤50 nm)及微孔(直徑<2 nm)。根據(jù)天然氣賦存富集理論，3種大小孔隙空間中的天然氣賦存狀態(tài)各有不同(圖2)，且隨孔隙條件不同而有所變化。在孔隙空間體積較小的微孔中，天然氣更多地以吸附狀態(tài)為主存在。在儲集空間較大的宏孔中，天然氣更傾向于以游離狀態(tài)存在。而在介于兩者之間的介孔中，游離與吸附狀態(tài)的天然氣可同時存在，其吸附和游離狀態(tài)天然氣各自占比的多少隨孔隙大小而變化。

圖2 頁巖(有機)孔縫中的天然氣賦存狀態(tài)

頁巖是由礦物、有機質(zhì)和孔隙所組成的復(fù)雜混合體[37,46-49]，在不考慮溶解態(tài)存在的天然氣時，孔隙體積和比表面積的大小就決定了頁巖所能儲集的天然氣總量。除此之外，溫度和壓力的變化會導(dǎo)致吸附和游離態(tài)天然氣含量的不同幅度變化。游離和吸附狀態(tài)天然氣的同時存在，導(dǎo)致了頁巖中天然氣存在的復(fù)雜性。由于滲流性質(zhì)的差別，兩種相態(tài)氣體的比例很大程度上決定了頁巖氣的流動能力。而天然氣在地下的流動能力直接反應(yīng)出天然氣的可采性，因此可以認(rèn)為游離氣和吸附氣的比例(游吸比)直接決定了天然氣的可采性。當(dāng)頁巖中游離狀態(tài)天然氣比例較高、吸附狀態(tài)天然氣比例較少時，即頁巖具有高游吸比時，頁巖氣的可流動性和可采性較強。當(dāng)頁巖中決定吸附態(tài)天然氣數(shù)量的有機質(zhì)含量確定時，頁巖自身的孔隙特點及其壓力環(huán)境決定了頁巖的含氣特征和開發(fā)生產(chǎn)特征。當(dāng)孔縫發(fā)育條件或者保存條件較差、地層壓力較低時，頁巖中的游離狀態(tài)天然氣比例明顯較低，而吸附態(tài)天然氣比例相對較多。此時頁巖中天然氣的可流動性較差，盡管頁巖氣的總含氣量可能較大，但開發(fā)生產(chǎn)效果不好，開發(fā)能力受限；當(dāng)頁巖孔縫發(fā)育，孔隙體積和孔隙度較大，且地層壓力較高時，頁巖孔隙空間中所含的游離態(tài)天然氣比例較高，可流動性較強，開發(fā)生產(chǎn)效果較好。盡管此時所測定的總含氣量可能不一定很高，但往往會獲得較好的開發(fā)生產(chǎn)效果。

除了孔隙結(jié)構(gòu)變化影響頁巖含氣量及游離氣占比變化以外，溫度和壓力變化也同樣對頁巖含氣特點產(chǎn)生重要影響。在其他條件保持不變情況下，當(dāng)?shù)貙訙囟壬邥r，處于游離狀態(tài)的天然氣將發(fā)生體積膨脹作用，導(dǎo)致頁巖地層壓力增高[50]。同時，處于吸附狀態(tài)的天然氣將發(fā)生脫吸附作用，進一步增加游離氣體積的膨脹作用。在頁巖氣保存條件好的情況下，頁巖中的含氣結(jié)構(gòu)將會向高占比的游離氣方向發(fā)展；當(dāng)?shù)貙訅毫ι邥r，頁巖中吸附劑的吸附能力和作用增強，處于游離狀態(tài)的天然氣將更傾向于轉(zhuǎn)變?yōu)槲綘顟B(tài)。此時的游離氣占比相對減少，將導(dǎo)致頁巖氣的可采出能力降低。地層的升降構(gòu)造運動或?qū)?dǎo)致溫度和壓力的同時降低，或?qū)?dǎo)致溫度與壓力的同時升高，但溫度和壓力各自對吸附氣和游離氣變化的影響原理和作用效果各不相同，因變時的敏感性也不一致，但不論是頁巖地層抬升還是沉降，都將對頁巖的含氣量和含氣結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生雙重影響。

2.2 頁巖含氣原理

除了溫度、壓力及孔隙結(jié)構(gòu)之外，含氣量更受頁巖自身生氣能力和保存條件的約束[51-52]。頁巖中所含的天然氣總量既受生成的天然氣量影響，也受擴散逃逸的天然氣數(shù)量影響。頁巖中天然氣的成藏和富集是一個動態(tài)地質(zhì)過程，頁巖含氣量及含氣結(jié)構(gòu)會隨地質(zhì)條件變化而變化，甚至?xí)跀U散作用的影響下隨時間變化而變化。

頁巖中天然氣的生成存在兩種模式[53]。在埋藏與成巖作用較輕的低溫淺埋條件下，泥質(zhì)沉積物中的有機質(zhì)在厭氧細(xì)菌作用下產(chǎn)出生物氣[54]。這些生物氣會隨著天然氣產(chǎn)生數(shù)量的增多而改變存在方式，由以吸附和溶解為主的狀態(tài)向以游離方式為主的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。由于此時的泥質(zhì)沉積物尚處于成巖過程中，地層含水率高、流體壓力小、孔隙半徑大、滲透能力強，所生成的天然氣多吸附于有機質(zhì)表面或溶解于水。產(chǎn)生的更多天然氣則可析出形成游離態(tài)，進一步發(fā)生聚并而逐漸充滿孔隙。由于此時的孔隙半徑大、連通性強，游離態(tài)天然氣保存的穩(wěn)定性差。又由于孔隙表面表現(xiàn)為親水屬性，故孔隙水的可流動性強，增加了游離態(tài)天然氣存在的不穩(wěn)定性，故生物成因頁巖氣的保存條件普遍較差，富集程度低，整體含氣量低。如果生物產(chǎn)氣作用發(fā)生在較大埋藏深度處，則會由于頁巖儲層致密化程度增加而使保存條件變好，有望形成達到工業(yè)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的頁巖含氣量。若此時頁巖上覆存在有利的封蓋遮擋層，則同樣有利于頁巖氣的保存。

在有機質(zhì)熱成熟作用階段，干酪根在成熟演化后期可以生成大量天然氣。根據(jù)前人關(guān)于油氣成藏下限條件研究認(rèn)識，當(dāng)TOC含量和鏡質(zhì)體反射率(Ro)均達到0.5%時，可以形成大中型常規(guī)油氣藏。常規(guī)油氣藏的形成是油氣運移至圈閉并保存的結(jié)果，因此對于同一套油氣成藏體系來說，常規(guī)油氣藏的形成時間應(yīng)當(dāng)晚于頁巖氣藏的形成時間。故當(dāng)各項基本條件具備時，同一套成熟頁巖所生成的同一批油氣在形成油氣藏時滿足以下推論，即頁巖油氣藏可以單獨形成，但常規(guī)油氣藏不能單獨形成。頁巖油氣藏與常規(guī)油氣藏可以同時存在，且常規(guī)油氣藏的形成時間必須晚于頁巖油氣藏的形成時間。當(dāng)TOC和Ro均達到0.5%時就具備油氣二次運移并形成大中型常規(guī)油氣藏的條件，則可以認(rèn)為形成頁巖油氣藏的條件要低于TOC和Ro均達到0.5%這一界限。換言之，頁巖油氣藏開始形成時的TOC含量和熱演化成熟度條件均小于0.5%。Curtis(2002)對美國東部地區(qū)頁巖氣形成條件的統(tǒng)計結(jié)果表明，當(dāng)TOC和Ro分別只需要達到0.3%和0.4%時，即可滿足頁巖氣成藏條件[55]。

頁巖中，天然氣生成的成熟度條件隨有機質(zhì)的類型變化而變化，這與天然氣形成時的熱裂解過程直接相關(guān)。腐殖型干酪根在達到成熟條件時，干酪根直接熱解為以甲烷為主的烴類氣體，形成直接成因型頁巖氣[56]。由于有機質(zhì)的熱成熟作用與頁巖的埋藏成巖過程直接關(guān)聯(lián)，故當(dāng)腐殖型干酪根達到生氣條件時，成巖作用相對偏弱，頁巖的孔隙半徑較大且孔滲條件較好，有利于天然氣的儲集。但富含腐殖型有機質(zhì)的頁巖多發(fā)育在過渡相環(huán)境中，導(dǎo)致該類型的頁巖通常較薄，且與煤或砂巖互層，對已富集天然氣保存的影響較大。故除非有較好的遮擋、封蓋或保存條件，否則頁巖氣保存能力受限。由于腐殖型干酪根對天然氣的吸附能力明顯大于腐泥型干酪根[57]，故該類型頁巖地層中常普遍含氣。因而頁巖中基質(zhì)裂縫或夾層裂縫發(fā)育，有助于該類型頁巖氣的保存，甚至?xí)蔀樵擃愋晚搸r中天然氣富集的主要空間。

當(dāng)腐泥型干酪根達到有機質(zhì)熱演化的成熟度條件時，將首先形成高分子的液態(tài)烴類，成熟度條件進一步提高并達到高成熟條件時，所生成的原油依次裂解為凝析油氣、濕氣和干氣。這種間接成因類型頁巖氣的生成時間較晚，頁巖成巖作用較強，儲層物性致密。特別是，在經(jīng)歷過生油過程之后，頁巖表面已經(jīng)由原來的親水特征轉(zhuǎn)變?yōu)橛H油屬性，增加了毛細(xì)管壓力，有效地阻止了天然氣的運移。故所形成的頁巖氣常具有良好的保存條件，強烈的熱裂解生氣作用可導(dǎo)致較高的地層壓力，使得頁巖中的含氣量普遍較高。實際地質(zhì)情況下，該類型頁巖氣常與頁巖油共伴生。

頁巖的含氣量受生氣能力和強度控制。當(dāng)頁巖有機質(zhì)熱演化成熟度越來越高，生氣能力越來越弱、天然氣富集速度越來越小時，天然氣散失(包括擴散和滲流)的速度相對增大。當(dāng)后者大于前者時，頁巖氣藏進入消亡階段。此時的頁巖地層壓力不斷減小，含氣量逐漸降低。在頁巖氣藏破壞過程中，游離氣首先發(fā)生散失，在含氣量降低的過程中降低游離氣的占比，改變含氣結(jié)構(gòu)。

頁巖吸附含氣量和總含氣量一直是頁巖含氣量地質(zhì)評價中的重要參數(shù)，而游吸比及其他含氣結(jié)構(gòu)參數(shù)往往被忽略。從煤層氣和頁巖氣對比角度看，易于理解游吸比的重要作用。實驗數(shù)據(jù)顯示煤巖的含氣量通?？梢允琼搸r的數(shù)倍之多，但同等情況下的煤層氣井產(chǎn)量遠不及頁巖氣井產(chǎn)量，其主要原因是煤層中所含的天然氣絕大部分是以吸附狀態(tài)存在的，盡管總含氣量高，但可流動性和可采能力不足。因此，盡管含氣量表示了頁巖氣資源的豐富程度，但它并不能反映頁巖氣的可開發(fā)程度。頁巖氣中游離氣的占比不僅能反映頁巖中天然氣的賦存狀態(tài)，而且更重要的是指示了頁巖氣的可采性。因此含氣量和游吸比結(jié)合所構(gòu)成的評價體系可以提供對頁巖氣可采性判斷的準(zhǔn)確依據(jù)。

2.3 含氣量變化的垂向剖面分析

通過錄井和測井分析，可以在垂向上獲得井筒頁巖地層含氣參數(shù)的連續(xù)變化曲線。根據(jù)這些變化，容易獲得解釋參數(shù)的最大值及其對應(yīng)深度，為地層含氣量評價及甜點優(yōu)選提供依據(jù)。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，可將測/錄井曲線按結(jié)構(gòu)劃分為多種類型(表1)。在頁巖含氣量解釋研究中，頁巖的最高含氣量水平表現(xiàn)為含氣相關(guān)特征曲線或含氣結(jié)果曲線的幅度高低，頁巖的含氣充盈程度和規(guī)模大小表現(xiàn)為相關(guān)特征曲線的飽滿程度。

表1 錄井/測井曲線所反映的頁巖含氣特點

頁巖的平面分布和剖面結(jié)構(gòu)變化較快，常因巖性更迭、巖相變化及儲層非均質(zhì)性影響而導(dǎo)致含氣表征曲線的多樣性。低幅鋸齒形含氣特征曲線主要表現(xiàn)為整體幅度較低且極不規(guī)則，主要為頁巖地層沉積非均質(zhì)性和頁巖氣保存條件較差所致。陸相或海陸過渡相背景中的頁巖巖性變化急劇，常表現(xiàn)為典型的低幅鋸齒狀；煤巖有機碳含量較高，通常均在30%以上，對天然氣具有極強的吸附能力，錄、測井過程中表現(xiàn)為異常高的含氣量特征，含氣特征曲線出現(xiàn)錐形特點。該類型特征曲線的出現(xiàn)，通常表明了潟湖、潮坪、三角洲等海陸過渡相或河流、沼澤、濱淺湖等陸相沉積環(huán)境的出現(xiàn)；指狀含氣和高幅鋸齒含氣均表明了高能沉積環(huán)境中優(yōu)質(zhì)頁巖的發(fā)育和存在，頁巖含氣飽和度普遍較高，但由于巖性變化等原因，導(dǎo)致頁巖含氣量波動跳躍。該兩種類型含氣特征曲線的出現(xiàn)，也表示了頁巖氣保存能力可能走低的開始。

對于厚層頁巖，箱形含氣特征曲線表明了良好的含氣性。曲線幅度越大，含氣量越高，游吸比越高，地層壓力越大；當(dāng)頁巖生氣能力變?nèi)?，或者保存條件變差時，總含氣量和游吸比降低，夾層中以游離方式存在的天然氣逐漸逃逸，地層壓力降低，含氣特征曲線表現(xiàn)為啞鈴形；構(gòu)造保存條件進一步變差，頁巖中天然氣傾向于在裂縫頂部集中，從而形成漏斗形特征曲線。此時的頁巖總含氣量較低，但游吸比相對較高，具有裂縫含氣特征；頁巖地層抬升，或者生氣過程終止，頁巖氣保存條件不差，僅在生氣和保存條件較好的中下部有少量吸附氣存在，此時的總含氣量和游吸比低，地層壓力為常壓甚至是負(fù)壓。

3 頁巖含氣量評價

3.1 頁巖含氣量評價主要方法

頁巖含氣量分析評價貫穿于從頁巖氣勘探評價到開發(fā)生產(chǎn)的全過程，方法多樣，各有所別。根據(jù)所依據(jù)資料基礎(chǔ)的類型及工序流程，頁巖含氣量參數(shù)獲取方法可分為鉆前的地震解釋、鉆-錄-測井解釋(井筒技術(shù))、現(xiàn)場測試、實驗計算、地質(zhì)分析和生產(chǎn)測試等6種類型(表2)。在頁巖氣勘探評價實踐中，各種方法均有不同程度地應(yīng)用，但適用條件各有不同。

表2 頁巖含氣量評價主要方法

在地震資料基礎(chǔ)上開展的烴類檢測，易于獲得頁巖地層含氣量，已被廣泛地應(yīng)用到了已有地震資料覆蓋的地區(qū)。該方法以地震波屬性參數(shù)異常變化為基礎(chǔ)，尋找異常變化與含氣量之間的變化關(guān)系，預(yù)測含氣量的空間分布。其最大優(yōu)點是操作快捷、數(shù)據(jù)連片，可對井間頁巖進行有效約束條件下的合理預(yù)測，獲得含氣量及其空間變化。當(dāng)有鉆井?dāng)?shù)據(jù)約束時，預(yù)測結(jié)果的合理性和可信度增加。

氣測錄井作為鉆井過程中記錄氣體顯示與評價儲層流體性質(zhì)的一種重要手段，在頁巖含氣性評價中發(fā)揮著重要作用。在鉆進過程中，地層流體進入井筒并隨鉆井液返至地表，同時將地層的含氣信息攜帶出來。頁巖的錄井含氣量評價方法主要借助錄井異常曲線進行，利用全烴和甲烷含量異常值可以對頁巖含氣量，特別是其中的游離氣含量進行直接反映。當(dāng)發(fā)生氣侵或井涌等現(xiàn)象時，表明地層含氣量較高或者鉆遇裂縫含氣。通過測井解釋，易于計算獲得頁巖的孔隙度、含氣飽和度以及有機碳等參數(shù)。利用測井解釋法求取頁巖含氣量包括了兩部分：一是通過頁巖的物性參數(shù)計算頁巖的游離含氣量，二是通過有機碳含量和吸附含氣量之間的經(jīng)驗關(guān)系計算吸附含氣量，兩者之和即為含氣量。該兩種方法所獲得的含氣量的準(zhǔn)確度依賴于經(jīng)驗關(guān)系模型的建立。等溫吸附測試的基本方法是在確定的地層溫度條件下，通過改變壓力大小，測定頁巖對應(yīng)的解吸或吸附甲烷數(shù)量的多少，根據(jù)壓力與脫附或吸附氣量的對應(yīng)關(guān)系，計算確定頁巖在地層溫度條件下的吸附含氣量。如果采用已經(jīng)脫氣的干燥頁巖樣品進行甲烷重新吸附的測試，則所得數(shù)據(jù)結(jié)果僅為頁巖在模擬壓力條件下的最大吸附含氣能力。由于頁巖的總有機碳含量較低，吸附能力測試常出現(xiàn)較大誤差。當(dāng)可用數(shù)據(jù)資料較少時，則可采用理論圖版法進行預(yù)測。該方法借助頁巖氣富集地質(zhì)理論，對預(yù)先設(shè)定的各種地質(zhì)條件頁巖進行含氣量計算，并將結(jié)果編制成可方便查詢使用的圖版。該方法要求地質(zhì)資料少且得到結(jié)果速度快，但頁巖氣地質(zhì)條件的復(fù)雜變化性難以反映其中。與之相對應(yīng)，地質(zhì)類比法則顯得靈活多樣。盡管該方法可以廣泛應(yīng)用于不同勘探程度地區(qū)，但評價結(jié)果的準(zhǔn)確性受評價者的經(jīng)驗影響較大。

在所有評價方法中，準(zhǔn)確度較高的仍然是基于鉆井取心的測試實驗法。鉆桿取心由于提心時間較長而產(chǎn)生了較大的氣量損失，繩索取心速度較快但仍然無法解決天然氣的損失問題，密閉取心對不可壓縮的液態(tài)流體有效，但對膨脹性較強的天然氣其有效性不足，保壓取心克服了前者的缺點和不足但成本昂貴，包含上述各方法優(yōu)點而又規(guī)避其不足的折中方法是含氣量的現(xiàn)場解析法。按照測試流程，該方法將含氣量分解為損失氣、解吸氣和殘余氣。該方法將巖心置于解吸罐中，通過加熱模擬地層溫度為測得解吸氣量。通過粉碎和升溫手段，可得吸附于頁巖中的殘余氣量。通過方法改進，可對損失氣量進行測量計算。盡管該方法仍然存在著測量誤差和分析結(jié)果不確定等問題，但因其快捷性、部分可確定性及結(jié)果可把握性而成為目前最常用的方法。

以不同地區(qū)不同層系頁巖氣的實際勘探情況為基礎(chǔ)，選取不同級別的含氣量參數(shù)獲取方法進行分級分類含氣量獲取，對于提高含氣量獲取的精準(zhǔn)度和評價效果具有重要意義。盡管頁巖含氣量獲得方法眾多，但基于不同勘探程度和獲取方法的數(shù)據(jù)結(jié)果可信度相差甚遠，大致可以劃分為3個梯度級別(圖3)。一級可信度含氣量獲得方法結(jié)果準(zhǔn)確，其中的現(xiàn)場解析法方便、經(jīng)濟、快捷，可適用于多種情況，是含氣量獲取方法的首選。但由于頁巖氣常表現(xiàn)為微、小、低、少含氣傾向，與煤層氣存在顯著差異，故頁巖含氣量的現(xiàn)場解吸方法需要針對測量精度進行系統(tǒng)改進；二級可信度含氣量獲得方法主要借助于實驗、測井和地震等數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，適用于有一定地質(zhì)資料或鉆井已經(jīng)結(jié)束的情況，可根據(jù)已經(jīng)獲得的各種資料進行計算分析，獲得盡量可信的含氣量數(shù)據(jù)；三級可信度含氣量獲得方法主要包括標(biāo)準(zhǔn)圖版、理論計算、等溫吸附及地質(zhì)類比等方法，可適用于勘探程度低、可用資料少、研究認(rèn)識淺的地區(qū)，給出含氣量近似結(jié)果或數(shù)值變化范圍。

圖3 頁巖含氣量獲得方法及其可信度

3.2 頁巖含氣結(jié)構(gòu)

吸附和游離狀態(tài)天然氣的同時存在導(dǎo)致了頁巖含氣結(jié)構(gòu)和可采能力的復(fù)雜變化。對于潛質(zhì)頁巖，雖然總含氣量測試結(jié)果可能相同，但頁巖中的天然氣解吸條件和速度不同，開發(fā)生產(chǎn)效果也將可能完全不同。與煤層氣相比，頁巖中的有機碳含量較低，頁巖氣的賦存狀態(tài)變化較大(游離態(tài)天然氣含量介于20%～80%)，游離態(tài)天然氣滲流能力強，當(dāng)通道連通且存在壓差時，天然氣易于產(chǎn)出。吸附態(tài)天然氣則受溫度和壓力同時控制，即使通道連通，天然氣也不能順暢產(chǎn)出。在壓力降低情況下，也需要一定的時間使天然氣緩慢解吸。這就解釋了一個基本現(xiàn)象，即煤層的解吸氣量和總含氣量通常高于頁巖，但同等情況下頁巖氣的單井產(chǎn)量卻高于煤層氣。

在現(xiàn)場解析過程中，頁巖氣可分為3個組成部分，即鉆頭打開頁巖地層至巖心解吸樣品被裝入解吸罐時所逃逸且難以測得的天然氣量(損失氣)、頁巖在模擬地層溫度條件下所釋放出來的天然氣量(解吸氣)、在模擬地層溫度條件下無法通過解吸獲得的天然氣量(殘余氣)。在頁巖地層被鉆頭打開并提升至地表過程中，由于溫壓條件的改變，游離和吸附狀態(tài)的天然氣同時逸散。游離狀態(tài)的天然氣在壓力降低條件下直接逃逸，吸附狀態(tài)的天然氣開始緩慢解吸?？梢哉J(rèn)為，該過程中所逃逸的天然氣以游離氣為主；頁巖解吸氣是最主要和最常見的測試內(nèi)容，但與煤層氣相比，要求在不影響其他測試功能的前提下提高精準(zhǔn)度，頁巖解吸氣通常采用快速解吸法獲得。當(dāng)隨時間變化的總解吸氣量逐漸由快速的單調(diào)增轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛脑黾踊蚪咏脚_狀時，終止實驗，獲得解吸氣量。在解吸過程中，天然氣的逃逸總是從游離相開始，逐漸向以吸附相為主的方向轉(zhuǎn)化，故解吸氣對應(yīng)于游離和吸附兩種相態(tài)；殘余氣只有在測試時間更長或者溫度更高條件下才能獲得，與其以吸附為主的特性一致。殘余氣的獲得方法可以是高溫法、延時法或磨碎法，為了縮短測試時間并提高工作效率，通常采用粉碎與高溫合并方法。為了獲得準(zhǔn)確的測試數(shù)據(jù)，要求對巖心的粉碎、加熱和殘余氣的解吸必須在完全隔絕空氣條件下連續(xù)完成。

根據(jù)現(xiàn)場解析過程和原理，易于建立解析含氣量與天然氣賦存狀態(tài)之間的關(guān)系。在頁巖氣解析過程中，游離氣總是首先逃逸而構(gòu)成損失氣，同時也可有條件地成為解吸氣的主要貢獻者；吸附氣則隨時間延長和溫度升高而逐漸成為逃逸天然氣的主要貢獻者，除一部分成為解吸氣之外，它還是殘余氣的構(gòu)成主體。由此，易于獲得表征頁巖中游離氣與吸附氣相對比值的參數(shù)或者游吸比。游吸比表征了頁巖氣的賦存狀態(tài)特征，該值越高，頁巖氣越容易采出。因此總含氣量較高但以游吸比較低的頁巖氣目標(biāo)未必是有利目標(biāo)，總含氣量較低但游吸比較高的目標(biāo)未必不是有利目標(biāo)。同時滿足總含氣量和游吸比雙高目標(biāo)的頁巖對象，是頁巖氣的甜點或者有利區(qū)。

對于游吸比，可采用“三段式”分解法進行計算求取(圖4)。若分別視損失氣量(a,m3)、解吸氣量(b,m3)及殘余氣量(c,m3)為3個獨立過程(大三段法)，則游吸比k1或k2，

圖4 頁巖氣解吸過程與賦存方式關(guān)系

(1)

(2)

式中：k1為損失氣量(a)和殘余氣量(c)計算所得游離氣量與吸附氣量比例，無量綱；k2為損失氣量(a)、解吸氣量(b)和殘余氣量(c)計算所得游離氣量與吸附氣量比例。

由于損失氣量a的準(zhǔn)確獲取常較為困難，故可采用解吸氣進行計算。若根據(jù)溫度區(qū)間對解吸氣進行分解，則可得對應(yīng)的三段解吸氣(小三段法)。假設(shè)b1，b2，b3分別對應(yīng)室溫(T0或T1)、地溫(T2)以及高溫(T3)條件下的解吸氣量，則游吸比k3或k4，

(3)

(4)

式中：k3為解吸實驗中常溫解吸氣量(b1)和高溫解吸氣量(b3)計算所得游離氣量與吸附氣量比例，無量綱；k4為解吸實驗中常溫解吸氣量(b1)、地溫解吸氣量(b2)和高溫解吸氣量(b3)計算所得游離氣量與吸附氣量比例，無量綱；T0為常溫段解吸起始溫度，℃；T1為常溫段解吸結(jié)束時溫度，與T0相等，℃；T2為地溫溫度，℃；T3為高溫溫度，℃；b1,b2和b3分別為常溫(T0或T1)解吸階段、地溫(T2)解吸階段和高溫(T3)解吸階段的解吸氣量，m3。

根據(jù)上述分解，易于獲得頁巖氣的可采系數(shù)(L)，

(5)

(6)

式中：L1為損失氣量(a)、解吸氣量(b)和殘余氣量(c)計算所得的頁巖氣可采系數(shù)，無量綱；L2為解吸實驗中常溫解吸氣量(b1)、地溫解吸氣量(b2)和高溫解吸氣量(b3)計算所得的頁巖氣可采系數(shù)，無量綱。

對于損失氣的獲得，目前多采用煤層氣方法，即以解吸氣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，求得解吸氣量與時間平方根之間關(guān)系，在一系列理論假設(shè)和一定的限定條件下，對解吸氣量進行反向擬合，從而獲得線性或多項式擬合的損失氣量。大量鉆探結(jié)果表明，并不是所有的頁巖均可計算損失氣量(表3)。當(dāng)巖心在高于地溫條件或高溫階段時見解吸氣，甚至仍未見解吸氣時，不可計算損失氣，因為此時計算的損失氣實際上是不存在的；當(dāng)巖心在加熱至地溫條件下見解吸氣時，可計算損失氣；當(dāng)巖心在室溫條件下可見解吸氣時，表明頁巖游離氣含量高。

由于損失氣含量可以某種程度上反應(yīng)出頁巖中游離氣的含量，近年來針對頁巖損失氣獲取和計算的新方法一直是頁巖含氣量研究的重點之一。目前頁巖損失氣量的獲得多采用回歸計算的方法，即以解吸氣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，求得解吸氣量與時間平方根之間關(guān)系。在一系列理論假設(shè)和一定的限定條件下，對解吸氣量進行反向擬合，從而獲得線性或多項式擬合的損失氣量。大量鉆探結(jié)果表明，并不是所有的頁巖均可計算損失氣量(表3)。當(dāng)巖心在高于地溫條件或高溫階段時見解吸氣，甚至仍未見解吸氣時，不可計算損失氣，因為此時計算的損失氣實際上是不存在的；當(dāng)巖心在加熱至地溫條件下見解吸氣時，可計算損失氣；當(dāng)巖心在室溫條件下可見解吸氣時，表明頁巖游離氣含量高。

表3 頁巖損失氣計算條件

游吸比是一個不同于含氣量的頁巖含氣結(jié)構(gòu)參數(shù)。在有游離氣存在的前提下，游吸比與頁巖總含氣量呈正相關(guān)關(guān)系，含氣量越大，游吸比越大，頁巖氣的可采能力越強。在頁巖氣生成初期或者保存條件較差情況下，頁巖中的吸附氣占比較高。頁巖氣保存條件越差，游離氣逸散越多，頁巖氣的可采能力越差，直至僅有吸附氣存在，此時的游吸比可能為零。對于游吸比的計算，可以在現(xiàn)場解析過程中，通過對不同階段逃逸天然氣量比值的計算，近似或等效折算為不同相態(tài)賦存天然氣的比值，從而獲得頁巖游吸比。在測井解釋過程中，亦可在對游離氣和吸附氣分別計算基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對游吸比的求取。進一步，還可以通過儲層物性和等溫吸附實驗測試等方法進行計算。需要說明的是，頁巖含氣結(jié)構(gòu)評價參數(shù)類型多樣，但其中的游吸比直接反映了頁巖氣的可采能力。與總含氣量相結(jié)合，易于對頁巖氣的資源/儲量及其可采能力進行直接判斷，是頁巖氣甜點預(yù)測的重要指標(biāo)。

3.3 評價方法展望

作為頁巖氣地質(zhì)評價的核心內(nèi)容，含氣量評價方法的發(fā)展取決于勘探開發(fā)生產(chǎn)實踐的需要。盡管中國已在海相、陸相及海陸過渡相頁巖中不斷獲得了可喜的勘探開發(fā)成果，在復(fù)雜條件和背景中不斷取得突破，但含氣量的獲得、預(yù)測及評價一直是一個沒有很好解決的難題，“準(zhǔn)、多、快”是其中的基本追求。經(jīng)過前期的不斷實踐，頁巖含氣性評價目前正從早期源自煤層氣的測試與評價技術(shù)向針對性的頁巖氣方向轉(zhuǎn)變，從基于單純吸附原理的天然氣方法向針對多項態(tài)天然氣賦存的方向轉(zhuǎn)變。

雖然中國已經(jīng)進入了頁巖氣商業(yè)開發(fā)階段，但頁巖含氣性評價參數(shù)類型少、完整性差、精度和可信度參差不齊，影響了對實踐工作中許多問題的解決，包括含氣結(jié)構(gòu)、含氣量變化主控因素、頁巖氣可采性等。頁巖氣勘探開發(fā)實踐對頁巖含氣量評價理論和方法技術(shù)提出了更高要求，總體向高精度參數(shù)的普及、多類型參數(shù)的延伸、實時評價結(jié)果的獲得等方向發(fā)展，要求在技術(shù)思路、方法手段及儀器設(shè)備等方面配套發(fā)展。

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展帶來了設(shè)備儀器和數(shù)據(jù)處理分析水平的飛速發(fā)展，為頁巖含氣性評價帶來了新的發(fā)展機會?，F(xiàn)今人工操作的數(shù)據(jù)拾取、處理計算及分析評價將逐步由智能化的機器所完成，通過自動處理、機器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析及智能評價等方法，獲得更加客觀合理、準(zhǔn)確可信、類型多樣的有效信息，提高數(shù)據(jù)處理速度，降低數(shù)據(jù)分析誤差，挖掘數(shù)據(jù)地質(zhì)信息，改善數(shù)據(jù)使用內(nèi)涵，延伸數(shù)據(jù)功能范圍，提供內(nèi)容更加豐富的“準(zhǔn)、多、快”結(jié)果。

4 結(jié)論

1)頁巖中天然氣的成藏和富集是一個動態(tài)地質(zhì)過程，游離和吸附狀態(tài)天然氣的同時存在，導(dǎo)致了頁巖中天然氣賦存狀態(tài)的復(fù)雜性。頁巖含氣機理與煤層氣差異較大，表現(xiàn)為游離氣含量高、天然氣賦存狀態(tài)受孔隙結(jié)構(gòu)影響較大、含氣結(jié)構(gòu)與環(huán)境條件變化關(guān)系密切、頁巖油與頁巖氣同生共存等特點。直接和間接成因的頁巖氣類型各具不同的頁巖油氣形成條件和含氣特點。垂向上的頁巖含氣相關(guān)指征曲線變化特點，可提供更多的沉積、含氣及保存等信息。根據(jù)測、錄井相關(guān)曲線變化特點，頁巖含氣性的垂向變化可分為多種類型，分別指示了不同的沉積環(huán)境特點和頁巖氣保存狀況。

2)頁巖含氣量的獲得方法多種多樣，但根據(jù)所依據(jù)資料基礎(chǔ)的類型，可劃分為地震解釋、井筒技術(shù)、現(xiàn)場測試、實驗計算、地質(zhì)分析和生產(chǎn)測試等6種類型。每種方法各有其適用條件，可按勘探程度、結(jié)果可信度及適用條件等，將頁巖含氣量獲得方法劃分為3個可信度梯度級別。其中，現(xiàn)場解析法經(jīng)濟快捷，是含氣量獲取方法中的首選。

3)在理論上，頁巖氣由游離氣、吸附氣及少量溶解氣所組成。在現(xiàn)場解析過程中，頁巖含氣量由損失氣、解吸氣及殘余氣所組成，當(dāng)巖心在加熱至地溫條件時仍未有氣體解吸的樣品可忽略損失氣的存在。通常情況下，損失氣由游離氣所組成，而殘余氣由吸附氣所組成，而解吸氣則可能同時包含了游離氣和吸附氣。由此可將解吸過程中不同階段的逃逸天然氣量比值與不同相態(tài)賦存天然氣的比值進行等效計算，獲得游吸比和可采系數(shù)。

4)同時滿足總含氣量和游吸比雙高的頁巖，是頁巖氣的甜點或者有利區(qū)。使用含氣結(jié)構(gòu)參數(shù)有益于分析頁巖中的天然氣賦存狀態(tài)，并判斷頁巖氣的可采能力。通過現(xiàn)場解析法可以獲得含氣量、游吸比及可采系數(shù)等評價參數(shù)。