頁巖氣資源評價中含氣量計算方法初探

宋濤濤，毛小平

（中國地質大學 （北京）能源學院，北京100083）

頁巖氣是21世紀一種新型非常規天然氣資源。美國頁巖氣資源量不斷增長，產量不斷飆升，預示著頁巖氣的大量開發將可能會改變世界能源格局。與常規天然氣相比，頁巖氣開發具有生產周期長、開采壽命長的優點，大部分產氣區頁巖厚度大、分布范圍廣，使得大部分頁巖氣井能夠長期以穩定速率產氣。隨著中國經濟的快速穩定發展，我國對油氣資源的需求也越來越高。因而加強非常規地質研究，加大勘探開發力度，實現中國非常規油氣資源的突破和發展，對于不斷滿足中國日益增長的能源需求，同時保證國家能源供給安全有著重大的戰略意義。

我國對頁巖氣的勘探研究尚處于起步階段，在頁巖氣的研究中還存在諸多問題，不同的專家學者估算的資源量也有很大的差異，因此，有必要對頁巖氣資源評價技術和方法進行深入討論。本文的目的是初步討論頁巖中游離氣量，吸附氣量的計算方法（溶解氣含量一般較小[1]，本文不做分析），為頁巖氣資源評價提供參考。

1 泥頁巖中的天然氣

1.1 泥頁巖系統的定義

在鉆井剖面中，由上下致密層封擋下的同一壓力系統內的巖性組合，主要由富有機碳的泥頁巖及呈夾層狀的粉砂巖、砂巖、碳酸鹽巖組成，或與之可對應的地震剖面及野外地質剖面，在地層中同一壓力系統內的巖性組合（中石化內部資料）。主要依據測井響應特征、巖性組合特征、有機碳含量、氣測顯示等資料進行劃分，以富有機碳的泥頁巖作為含氣頁巖層段頂、底的界限，層段內不含明顯的水層，連續厚度一般不超過100m（水平井＋分段壓裂工藝決定）[2]。該定義是進行頁巖氣資源評價工作的前提。

1.2 吸附氣與游離氣的含量

頁巖氣的賦存形式具有多樣性，包括游離態（大量存在于巖石空隙與裂隙）、吸附態（大量吸附于有機質顆粒、黏土礦物顆粒、干酪根顆粒以及孔隙表面之上）及溶解態（少量溶解于干酪根、瀝青質以及液體原油中），但以游離態和吸附態為主，溶解態僅少量存在[3－4]。據 Curtis統計，吸附態頁巖氣含量占頁巖氣總含量的20%～85%[5]。其中，Fort Worth盆地密西西比亞系Barnett組頁巖的吸附態頁巖氣占原始頁巖氣總量的20%，是所占比例最少的，但是，隨著實驗研究和開發的深入，發現20%的評估值明顯偏低。通過總結Mavor、李新景、聶海寬等對Barnett頁巖中吸附態頁巖氣的研究，得出吸附態頁巖氣含量至少占頁巖氣總含量的40%[6－8]。

游離態頁巖氣主要儲存于巖石孔隙與裂隙中，其含量的高低與構造保存條件密切相關。Martini等認為Michigan盆地的Antrim頁巖以吸附態頁巖氣為主，游離態頁巖氣僅占頁巖氣總含量的25%～30%[9]。但是，Bowker、Kinley 和 Montgamery 等根據Barnett頁巖氣特征認為存儲在基質孔隙中的頁巖氣占天然氣總含量的50%以上[10－12]。

1.3 評價方法簡介

現在主要流行的頁巖氣資源潛力評價的方法有很多，主要包括容積法與類比分析法[13]。可以根據研究區勘探程度的高低來選擇不同的方法進行研究。容積法估算的是頁巖孔隙、裂隙空間內的游離態頁巖氣與有機質、黏土礦物和干酪根顆粒表面的吸附態頁巖氣體積總和。類比分析法包括含氣量類比法和資源面積豐度類比法兩種，是對含氣泥頁巖層段大的厚度和面積有較高把握的評價區，選取地質、工程條件相似的類比標準區或評價示范區（含氣量的概率分布），采用類比法，得到評價區的含氣量或資源面積豐度等的概率分布，然后進行評價區的資源量計算[14]。本文中所介紹的游離氣與吸附氣的計算方法都是容積法。

2 關鍵參數研究

在頁巖氣勘探過程中，表征氣源條件的有機地球化學參數、表征頁巖氣富集與保存條件的儲層性質參數、直接反映頁巖氣儲量氣體含量的參數、表征頁巖氣開采條件與風險的礦物學參數和地質復雜性參數[15]對于頁巖氣資源評價是至關重要的。

總有機碳（TOC值）、干酪根類型、吸附氣和游離氣含量、烴類成因與相態、熱埋藏史、成熟度、演化程度等是表征頁巖氣的重要地球化學指標，其核心指標主要是總有機碳含量、成熟度、連續厚度和泥頁巖中脆性礦物含量[15]。Ro是反映成熟度的有效指標，美國近年來商業性開采的頁巖層系鏡質體反射率Ro為1.1%～3.0%，但對成熟度上限仍未有統一認識；連續厚度是其資源開發利用的基礎；礦物組成決定著頁巖氣藏的品質，影響著氣體含量，同時也影響著其壓裂和頁巖氣的開發利用。

此外，初步研究表明，影響含氣量關鍵參數除了埋深、有機碳含量、鏡質體反射率、頂底板條件等外，巖石比表面及孔徑分布實驗所得參數（包括BET比表面積、Langmuir比表面積、BET單點孔體積和BET平均孔直徑）、巖石礦物成分（黏土礦物、石英、方解石和黃鐵礦的含量）與含氣量具有一定的相關性。實際工作中可以通過多元統計方法（SPSS軟件），形成一個多元相關關系，含有各參數的權重。采用確定性方程擬合，得到含氣量的概率分布。表1列出了幾個關鍵參數的計算方法。

計算中導致先驗信噪比(增益函數)過高估計的兩個主要原因是:一是對先驗信噪比的估計直接采用“直接判決”法;另一個原因則歸因于噪聲譜的估計,計算信噪比往往需要先估計噪聲譜,而大都數噪聲估計算法都會低估噪聲譜,噪聲譜的低估導致了信噪比的過高估計。基于此:

表1 關鍵參數計算方法

3 主控因素及其計算方法

巖石中的含氣量等于吸附氣含量、游離氣含量和溶解氣含量之和。由于巖石中所含的溶解氣量極少，故巖石的含氣量可近似表示為吸附氣含量與游離氣含量之和。含氣量數據的確定需進行可靠性分析，按照數據的可靠性程度來選擇確定含氣量的方法。下面分別介紹兩種具體的計算方法，可根據實際條件選擇使用。

3.1 游離氣

孔隙中游離氣對頁巖氣區帶和目標來說最為重要，Barnett頁巖氣開發的核心區游離氣在總原地氣中所占比例一般在50%以上[10]。游離氣含量受頁巖有效孔隙度和含氣飽和度控制，根據研究建立的泥巖壓實曲線，從最大埋藏深度可大致計算出頁巖的孔隙度，另一方面，頁巖中天然氣飽和度與孔隙度呈現明顯負相關關系，較低孔隙度下天然氣飽和度較高，5%的頁巖孔隙度約對應70%的天然氣飽和度，10%的頁巖孔隙度對應50%的天然氣飽和度[16]。從泥頁巖孔隙度和天然氣飽和度，參考溫壓條件可計算出游離氣含氣量。

泥頁巖有效孔隙度是頁巖氣儲層評價的關鍵參數，頁巖氣藏的有效孔隙度包括裂縫孔隙度和基質孔隙度，通過雙側向測井資料可以計算出較為精確的裂縫孔隙度[17]；利用聲波、中子、密度和核磁共振等測井資料則可以測得較為可靠的基質孔隙度[18]。

3.1.1 依據實測含氣飽和度、含水飽和度計算游離氣量

式中：G游為 游 離氣含量，m3／t；Φ為實 測 孔 隙度，%；Sw為實測含水飽和度，%；Sg為含氣飽和度；Bg為體積系數。

說明：可以通過實驗測定不同巖性（泥巖類、砂巖類、碳酸鹽類）的孔隙度和含氣飽和度、含水飽和度數據。

3.1.2 依據測井資料計算游離氣量

具體計算方法為：建立孔隙度（Φ）與測井曲線值聲波時差Δt、中子CNL、密度DEN的一個關系式如下（據中石化內部文獻）：

利用測井曲線計算含水飽和度，再計算含氣飽和度，最后代入前述公式計算游離氣量。

3.2 吸附氣

吸附態頁巖氣對頁巖資源潛力評價尤為重要，吸附氣量的主控因素是有機質數量和有機質成熟度[16]。泥頁巖中固體有機質（干酪根）能夠吸附大量天然氣。吸附態頁巖氣含氣量影響因素包括頁巖中有機碳含量和頁巖在黏土礦物表面的賦存形式和納米孔隙的孔徑分布[4]。李劍（2001）認為有機質對氣的吸附量遠大于巖石中礦物顆粒對氣的吸附量，占主導地位；Nuttall（2005）認為頁巖中有機質為吸附氣的核心載體，TOC值的高低會導致吸附氣發生數量級變化，因而通過TOC值，可計算出吸附氣含氣量。

3.2.1 等溫吸附計算吸附氣量

等溫吸附模擬法是通過頁巖樣品的等溫吸附實驗來模擬樣品的吸附特點及吸附量，通常采用Langmuir模型來描述其吸附特征。根據該實驗得到的等溫吸附曲線可以獲得不同樣品在不同壓力（深度）下的最大吸附含氣量，也可通過實驗確定該頁巖樣品的Langmuir方程計算參數。

3.2.2 利用有機碳含量計算吸附氣量

依據不同TOC含量，測得的吸附氣量，可以擬合本地區的吸附氣量與有機碳含量TOC的關系，進行類推。這里提供國外的吸附氣量與TOC關系（圖1），供參考。

圖1 Antrim頁巖吸附氣量與TOC的擬合關系

Antrim頁巖吸附氣量與TOC的關系式（公式引自David Jacobi et al，2009）。

式中：x為 TOC（%），y為吸附氣量 m3／t。

4 結論

1）頁巖氣氣體賦存形式介于致密砂巖氣與煤層氣之間，主要呈現三種狀態：游離氣，吸附氣，溶解氣，且游離氣與吸附氣為其主體部分，溶解氣含量較少。游離氣、吸附氣含量的計算是頁巖氣資源評價工作中的重難點。

2）游離氣的主控因素是泥頁巖有效孔隙度和氣體飽和度，頁巖氣藏的有效孔隙度包括基質孔隙度和裂縫孔隙度，利用聲波、中子、密度和核磁共振等測井資料可以測得較為可靠的基質孔隙度；通過雙側向測井資料則可以計算出較為精確的裂縫孔隙度。

3）吸附氣的主控因素是有機質數量和有機質成熟度；吸附態頁巖氣含氣量影響因素包括頁巖中有機碳含量和頁巖在黏土礦物表面的賦存形式和納米孔隙的孔徑分布。

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