頁巖油氣地質評價方法和流程

陳桂華 肖鋼 徐強 祝彥賀 陳曉智

中海油研究總院

頁巖氣是一種現實的非常規天然氣資源［1－4］。美國2011年頁巖氣產量達1 800×108m3，大大超過我國當年的常規天然氣年產量，而現在我國頁巖氣年產量尚很低。美國能源部能源信息署（EIA）2010年的評價認為：中國頁巖氣技術可采儲量達36×1012m3，我國國土資源部發布的中國頁巖氣技術可采儲量也達25×1012m3。因此，如何借鑒頁巖油氣勘探開發成功項目的地質評價方法，快速發現并評價我國的有利頁巖氣發育區就成為一個現實的問題。為此。筆者基于國內外10多個頁巖油氣項目評價的工作實踐，綜合出了一套適合我國條件的頁巖油氣地質評價流程和方法，并以某頁巖油氣盆地的地質評價為例來說明其應用過程及效果。

1 頁巖油氣地質評價方法與流程

通過分析國內外10多個頁巖油氣評價項目、查詢相關資料、向外國公司學習以及交流培訓［5－13］等方式，綜合了一套頁巖油氣的地質評價方法和流程，并利用該套技術評價了北美、歐洲、澳洲等地多個頁巖油氣項目以及國內頁巖氣項目。結果表明：這套方法和流程應用效果很好，對我國頁巖油氣勘探有一定的借鑒意義。頁巖油氣評價流程包括頁巖區域評價、頁巖評價、頁巖油氣儲量評估（圖1），以下分述之。

1．1 頁巖區域評價

圖1 頁巖油氣評價流程圖

頁巖區域評價包括建立地層格架、區域構造演化及古地理演化研究、地理地貌分析，目的是確定盆地內是否存在形成富含有機質頁巖的古地理環境［1－2］。縱向上，弄清富含有機質頁巖發育的層位，明確各頁巖層段分布范圍及區域沉積的穩定性，同時確定區域構造造的穩定性即地層傾角變化、褶皺變化、斷裂變化及地貌起伏。也就是說頁巖油氣盡管不像常規天然氣那樣對保存條件要求苛刻，但頁巖油氣含量要達到一定豐度，同樣也要求具有一定的保存條件。只有在相對穩定的地區，頁巖油氣才有可能發育、保存并被有效開發，該區被稱為頁巖油氣發育遠景區。一般認為寬緩背斜、寬緩向斜和地層連續整一分布區為相對穩定區，而新生代盆地發育區經鉆井資料確認的也被認為是相對穩定區，都稱為頁巖油氣發育遠景區。而地層抬升出露且地層傾角較大、變質巖出露、火山巖覆蓋的地區則被認為是無遠景區。這里可以引入一個概念——穩定率，即構造、沉積及地貌相對穩定或平緩的地區面積與評價區總面積的比值，利用這一比值可以確定評價區頁巖油氣遠景發育程度。美國頁巖氣盆地幾乎與常規油氣盆地疊合，大多數地層平緩，地面起伏不大，區域評價不是特別重要；但在中國，由于地下地質條件復雜、地表起伏大，區域評價就顯得相當重要。如在四川盆地的東南部，可以劃分出盆地區、斜坡區、高陡區和高原區，盆地區和斜坡區較穩定；而相比之下，高陡區就是一個不穩定區，對頁巖氣保存和開發都不太有利；而高原區中相對穩定的部分也可算作遠景區，不穩定的部分就是無遠景區［14－15］。

1．2 頁巖評價

頁巖氣是指以吸附和游離狀態（有時有少量溶解狀態）存于低孔隙度、低滲透率、富含有機質頁巖層中的天然氣。頁巖氣藏的生烴、排烴、運移、聚集和保存全部在烴源巖內部完成，其勘探、開發、研究對象為單一的頁巖［1－2］。頁巖氣藏具有生烴的唯一性即頁巖中的有機質演化生成的油氣是頁巖氣的唯一來源，儲氣的多樣性即儲集空間的多樣性和地下狀態的多樣性，富氣的變化性即影響頁巖氣含量的因素復雜而多變，供氣的改造性即只有能進行有效改造的儲層才具有經濟生產頁巖氣的可能。既然頁巖氣開發不像人們想象中的那么簡單，那么在鉆井資料不是很豐富的條件下如何能發現經濟有效的頁巖氣分布區呢？頁巖評價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的要求而被提出來的。頁巖評價的目的是確定頁巖油氣發育的有利區。通過綜合分析北美各大頁巖油氣區的勘探實踐并考慮國內頁巖氣區的特征，認為頁巖評價內容一般可以概括為“五度”，即頁巖埋藏深度、頁巖油氣儲層厚度、頁巖中有機質豐度、頁巖中有機質熱演化程度及頁巖強度（脆性度）。

1）頁巖的埋藏深度。雖然頁巖油氣的保存條件沒有常規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，一般認為盆地中心區或盆地斜坡區含氣頁巖的埋藏深度較有利。通過大量實例研究認為，頁巖氣發育區頁巖的埋深要大于800m，而頁巖油發育區頁巖的埋深要大于1 500m，不同的盆地會有所差異。

2）頁巖油氣儲層的厚度。富含有機質頁巖厚度要達到一定規模才有利于水平井壓裂開發，一般有效厚度要大于15m，頁巖中有機質豐度低的頁巖厚度要超過30m，且區域上要連續穩定分布才為有利區。

3）頁巖中的有機質豐度。研究表明，頁巖中的吸附天然氣主要是有機質吸附的天然氣。頁巖中的有機質含量要達到一定指標才有形成豐富油氣的基礎，也才有利于有機質吸附一定量的天然氣，同時也有利于有機質熱演化生烴過程中一定量有機質顆粒內孔隙的形成。Jarvie等的研究認為（2007），頁巖中的孔隙以有機質生烴形成的孔隙為主，并為頁巖中游離油氣提供儲集空間，總有機碳含量（TOC）為7%的頁巖，有機質體積為14%，但經過熱演化完全成熟生烴后，由于碳的丟失而形成4．9%的有機質內孔隙。美國頁巖油氣發育區TOC一般大于2%，最好的超過2．5%。

4）頁巖中有機質的熱演化程度。有機質熱演化成熟度（Ro）應在生油氣窗范圍之內才能形成一定量的油氣，美國頁巖油發育區的Ro為0．7%～1．5%，頁巖氣發育區的Ro為1．1%～3．5%。雖然也有生物成因的頁巖氣［9，14－15］，但因其含氣豐度極低，經濟性不是很好。

5）頁巖強度（脆性度）。脆性的頁巖才有利于水平井壓裂改造頁巖儲層形成人造裂縫，增加泄油氣體積，因此，人們稱頁巖氣為“人造氣藏”。頁巖中的脆性礦物如石英、方解石、長石等含量要大于30%，而黏土含量要小于40%。并非所有頁巖都能成為頁巖油氣藏，這里有一個值得注意的問題是：上述標準和概念是相對的。世界上沒有一個完全一樣的頁巖油氣盆地，不同盆地其標準是不一樣的。另外，隨著技術水平的提高，原來被認為是不經濟的地區將變得經濟有效，但要樹立在烴源巖中勘探開發油氣的理念。

頁巖評價是一種非常規油氣評價，同時也是連續性油氣藏評價，與常規油氣評價不同的地方在于有機質豐度及類型、有機質成熟度和頁巖脆性度評價。

1．3 頁巖油氣儲量評估

頁巖油氣儲量評估可以確定形成頁巖油氣的核心區或“甜點”區。核心區應該是經過試驗性開采后證明有經濟性而確定的區域，“甜點”區應具有有機質含量高、有機質演化形成的孔隙發育等有利條件，這樣的話，儲層中的含油氣量就較高。頁巖存在天然裂縫、其他成因的孔隙發育、一定的巖性體、構造撓曲和低幅構造等都是形成頁巖油氣“甜點”區的有利條件。

頁巖油氣儲量評估的方法很多，這里只介紹一種北美地區應用最廣泛的直接法。頁巖油氣儲量評估與常規油氣儲量評估有很大不同，由于頁巖油氣藏是一種連續性油氣藏，但每個區域因地質條件的不同儲量參數又是變化的，如頁巖厚度、油氣層壓力和溫度、孔隙度等，而依據掌握鉆井資料程度的不同，儲量評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。先計算出每個井點的單位原始地質儲量，再勾繪單位原始地質儲量平面分布等值線圖，利用積分法累加各等值線內地質儲量即可得到總原始地質儲量。其二是分區法：適用于只有少量鉆井資料的地區。先根據地質特征對整個礦區進行分區，有鉆井資料的區域先計算每個井點的單位原始地質儲量，再乘以該區面積得到該區原始地質儲量。對于沒有鉆井資料的地區，利用地質特征類比法，得到該區單位原始地質儲量，再乘以該區面積得到該區原始地質儲量，最后各區原始地質儲量相加即得到總原始地質儲量。

計算單位原始地質儲量（儲量面積豐度）采用體積法和含氣量法，單位儲量計算公式如下。

1．3．1 頁巖油發育區儲量計算

溶解氣：GIPdis＝OIP×GOR

式中OIP表示單位原始石油地質儲量，106m3／km2；A表示面積，1km2；h表示儲層厚度，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；GIPdis表示單位溶解氣地質儲量，106m3／km2；GOR表示原始溶解氣油比。

1．3．2 頁巖氣發育區儲量計算

單位總頁巖氣儲量＝單位游離氣儲量＋單位吸附氣儲量

式中GIPfre表示單位原始游離氣地質儲量，106m3／km2；Sg表示含氣飽和度；p表示儲層壓力，psia（1psia＝6．894 8kPa）；T表示儲層溫度，（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儲量，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 某盆地頁巖油氣地質評價實例

某盆地面積大約為2．8×104km2，需要評價的頁巖油氣礦區位于該盆地的西北部，面積約為2 400km2。

2．1 區域地層

該盆地中要評價的頁巖沉積在距今約89Ma前的晚白堊世被動大陸邊緣，發育在一組石灰巖地層之上，為一套穩定淺海相富含有機質頁巖，并且是大量商業性油氣田的烴源巖，上覆為白堊層。該盆地頁巖的厚度受深部構造的控制，一般介于30．5～122m，最厚處分布在西部及南部邊緣。同時，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巖地層，而在盆地的西北部發育火山巖，整個盆地地層是從北向南傾斜。需要評價的礦區位于盆地的中部，無論是沉積和構造都處在穩定區（圖2）。

圖2 頁巖油氣盆地構造、礦區分布及評價分區圖

2．2 頁巖評價

2．2．1 構造特征

從頁巖頂部構造圖來看（圖2），礦區構造簡單，為一個向東南傾斜的單斜構造，有幾處輕微撓曲，不發育大斷層，其儲層頂部埋深介于1 219～3 353m，埋藏深度適中，既有利于頁巖油氣的保存，也有利于頁巖油氣的開發。

2．2．2 厚度特征

礦區內頁巖總厚度介于61～122m，最厚處位于西部礦區（達122m），最薄的部位位于東北礦區，一般為30．5～46m。一般情況下，頁巖厚度超過15m時才能有效開發頁巖油氣，礦區頁巖厚度大于這一下限值，這為利用水平井多段壓裂開發創造了條件。

2．2．3 有機質豐度、類型、成熟度

礦區內頁巖中TOC介于1．00%～7．68%，有機質類型為偏腐泥混合型，北部的Ro為0．8%，而南部的Ro超過了1．5%。

2．2．4 脆性度

脆性礦物含量決定了頁巖的被改造能力，脆性礦物含量越高頁巖的脆性度就越高，頁巖越易被壓裂改造。該盆地頁巖中鈣質含量介于49%～64%，石英含量介于8%～16%，黏土含量介于17%～29%。總的來說，從南向北鈣質含量增加，而石英和黏土含量減少，但脆性礦物含量都遠大于30%，黏土含量都遠小于45%，這一特點有利于頁巖的壓裂改造。

總之，從“五度”來評價，可以快速地認為礦區都處在頁巖油氣有利區，后期的鉆探結果也證實了這一點。

2．3 儲量評估

由于該盆地處在勘探階段，甲方也只提供了5口井的鉆井及生產資料，分布在有限地區。因此，儲量計算只能應用上述分區法和類比法。

根據頁巖有機質成熟度，參考已知油田的油密度和油氣比，先把礦區劃分成3個大區即頁巖油區（Ro介于 0．7%～1．1%），濕氣區（Ro介于1．1% ～1．5%），干氣區（Ro＞1．5%）（圖2）。再根據其他“五度”特征劃分（表1），頁巖油區分為4個區，濕氣區分為2個區，沒有干氣區。根據井點資料和各區的“五度”特征，計算代表該區平均單位頁巖油、溶解氣和油氣當量的地質儲量，再根據各區面積乘以單位地質儲量即得到該區總的頁巖油、溶解氣和油氣當量的地質儲量，同理得氣區的游離氣、吸附氣和總天然氣地質儲量。通過一年近300口井鉆探的證實，上述分區合理，預測儲量與實際地質儲量相差不大。

表1 礦區分區特征及單位地質儲量表

3 結論

1）頁巖油氣評價流程包括頁巖區域評價、頁巖評價、頁巖油氣儲量評估。頁巖區域評價包括建立地層格架、區域構造演化及古地理演化研究、地理地貌分析，目的是確定盆地內是否存在形成富含有機質頁巖的古地理環境。頁巖評價確定頁巖油氣發育的有利區。頁巖油氣儲量評估過程中可以確定形成頁巖油氣的核心區或“甜點”區。

2）頁巖油氣地質評價流程和方法與常規油氣有很大不同，頁巖油氣區域評價強調頁巖的穩定性，頁巖評價中則有有機質豐度及類型、有機質成熟度和脆性度評價的不同，儲量評估則體現了連續油氣藏的特點。

3）“五度”評價標準的確定，為頁巖油氣快速評價提供了可能。

4）實踐證明，所建立的頁巖油氣評價流程和方法便捷有效。

［1］張金川，金之鈞，袁明生，等．頁巖氣成藏機理和分布 ［J］．天然氣工業，2004，24（7）：15－18．

［2］張金川，汪宗余，聶海寬，等．頁巖氣及其勘探研究意義［J］．現代地質，2008，22（4）：25－30．

［3］張金川，姜生玲，唐玄，等．我國頁巖富集類型及資源特點［J］．天然氣工業，2009，29（12）：109－114．

［4］江懷友，宋新民．世界頁巖氣資源與勘探開發技術綜述［J］．天然氣技術，2008，2（6）：26－30．

［5］CHONG K K，GRIESER W V，PASSMAN A，et al．A completions guide book to shale－play development：a review of successful approaches towards shale－play stimulation in the last two decades［C］∥paper 133874presented at the Canadian Unconventional Resources ＆International Petroleum Conference，19－21October 2010，Calgary，Alberta，Canada．New York：SPE，2010．

［6］SONDERGELD C H，NEWSHAM K E，COMISKY J T．Petrophysical considerations in evaluating and producing shale gas resources［C］∥paper 131768presented at the SPE Unconventional Gas Conference，23－25February 2010，Pittsburgh，Pennsylvania，USA．New York：SPE，2010．

［7］CHENG K，WU W，HOLDITCH S A，et al．Assessment of the distribution of technically－recoverable resources in North American Basins［C］∥paper 137599presented at the Canadian Unconventional Resources ＆International Petroleum Conference，19－21October 2010，Calgary，Alberta，Canada．New York：SPE，2010．

［8］MARTIN R，BAIHLY J，MALPANI R．Understanding production from Eagle Ford－Austin Chalk system［C］∥paper 145117presented at the SPE Annual Technical Conference，30October–2November 2011，Denver，Colorado，USA．New York：SPE，2011．

［9］EDMAN J D，PITMAN J K．Geochemistry of Eagle Ford Group source rocks and oils for the first shot field area：Texas［J］．Gulf Coast Association of Geological Societies Transactions，2010，60：217－234．

［10］RODRIGUEZ N D，PHILP R P．Geochemical characterization of gases from the Mississippian Barnett Shale，Fort Worth Basin，Texas［J］．AAPG Bulletin，2010，94（11）：1641－1656．

［11］STRAPOC D，MASTALERZ M，SCHIMMELMANN A，et al．Geochemical constraints on the origin and volume of gas in the New Albany Shale（Devonian －Mississippian），eastern Illinois Basin［J］．AAPG Bulletin，2010，94（11）：1713－1740．

［12］LASH G G，ENGELDER T．Thickness trends and sequencestratigraphy of the Middle Devonian Marcellus Formation，Appalachian Basin：implications for Acadian foreland basin evolution［J］．AAPG Bulletin，2011，95（1）：61－103．

［13］MODICA C J，LAPIERRE S G．Estimation of kerogen porosityin source rocks as a function of thermal transformation：example from the Mowry Shale in the Powder River Basin of Wyoming［J］．AAPG Bulletin，2012，96（1）：87－108．

［14］頁巖氣地質與勘探開發實踐叢書編委會．北美地區頁巖氣勘探開發新進展［M］．北京：石油工業出版社，2009：640－647．

［15］鄒才能，董大忠，楊樺，等．中國頁巖氣形成條件及勘探實踐［J］．天然氣工業，2011，31（12）：32－37．