頁巖氣資源評價方法體系及其應用——以川西坳陷為例

摘 要

摘要：根據頁巖氣發育條件及富集機理，結合油氣資源評價方法的基本原則，系統歸納并建立了適合于不同地質及資料條件下的頁巖氣資源量與儲量評價方法體系，包括：類比法(規模類比法、
摘要：根據頁巖氣發育條件及富集機理，結合油氣資源評價方法的基本原則，系統歸納并建立了適合于不同地質及資料條件下的頁巖氣資源量與儲量評價方法體系，包括：類比法(規模類比法、聚集條件類比法、綜合類比法等)、成因法(產氣歷史分析法、剩余資源分析法、成因分析法等)、統計法(體積統計法、吸附要素分析法、地質要素分布概率風險分析法、產量分割法等)和綜合分析法(蒙特卡洛法、打分法、盆地模擬法、專家賦值法、特爾菲綜合法等)。通過對四川盆地川西坳陷頁巖氣地質條件和富集有利性的分析，優選上三疊統須家河組須五段為該地區頁巖氣發育且具有經濟可采意義的有利層段。結合該地區實際地質條件，分別采用地質類比法、成因分析法和體積法對川西坳陷頁巖氣資源量進行了計算，運用特爾菲法加權得到該地區頁巖氣資源總量為1.47×1012～1.68×1012m3，均值為1.58×1012m3。平面上，頁巖氣勘探研究有利區主要分布于新場-德陽-廣漢-新都-溫江-大邑一線的成都凹陷。
關鍵詞：四川盆地西部；晚三疊世；頁巖氣；資源評價；類比法；成因法；統計法；綜合分析法；有利區
    雖然前人已從不同角度對頁巖氣的資源量進行過探討[1～6]，但由于頁巖氣在形成方式和聚集形式上與常規氣存在著明顯差異，常規的資源量與儲量評價體系和參數取值方法已不能很好地適用于對頁巖氣的評價，導致了頁巖氣資源評價的不確定性。因此，有必要對頁巖氣的資源量與儲量評價體系進行研究。
1 頁巖氣資源評價方法體系
頁巖氣發育條件及富集機理的特殊性，決定了相應資源評價方法和參數取值的特殊性。結合常規的油氣成藏特點，通常的油氣資源評價方法一般采用系統的“累加”法原則和思路進行，與常規油氣的不斷“富集”過程和特點相吻合；頁巖氣以吸附和游離兩種狀態同時賦存于泥頁巖中，天然氣的富集兼具有煤層氣、根緣氣和常規儲層氣的機理特點，表現為典型的天然氣吸附與脫附、聚集與逃逸的動態過程，資源量與儲量評價方法需相應調整和考慮；當頁巖物性超出下限(孔隙度小于1%)、頁巖含氣量達不到工業標準或者埋藏深度超出經濟下線(埋深4km)時，頁巖氣資源量與儲量計算結果宜采取適當辦法予以總量中的扣除。基于常規油氣資源評價方法并考慮頁巖氣聚集的地質特殊性，采用系統性思想和原則，將頁巖氣資源量與儲量評價方法劃分為4大類及若干小類(表1)。
表1 頁巖氣資源量與儲量評價方法表
類比法
成因法
統計法
綜合分析法
規模(面積、體積等)類比法、聚集條件類比法、綜合類比法等
剩余資源分析法、成因分析法、產氣歷史分析法等
體積統計法、吸附要素分析法、地質要素風險概率分析法、產量分割法、趨勢分析法等
蒙特卡洛法、專家賦值法、盆地模擬法、打分法、資源規模序列法、特爾斐綜合分析等
1.1 類比法
    類比法是頁巖氣資源量與儲量評價和計算的最基本方法，由于重點考慮的因素不同而可以進一步劃分為多種。該方法可適應于不同的地質條件和資料情況，但由于目前已成功勘探開發的頁巖氣主要集中在美國且頁巖氣富集模式還很有限，故該方法的應用目前還局限于與美國頁巖氣區具有相似地質背景的研究對象中。假設q為標準區頁巖氣總資源量、k1為評價區地質參數(或評價系數)；k2為標準區地質參數(或評價系數)；c為修正系數，則評價區頁巖氣資源量或儲量Q為：
    Q=qk1/(k2c)    (1)
    頁巖氣地質評價系數的主控因素為源巖總有機碳含量、成熟度、類型、厚度以及埋深等。因此在計算中往往以這5個條件作為地質評價系數賦值的基本依據，根據各自在評價過程中的重要性不同，可分別賦予不同權重(PO，PR，PT，Ph，PH)進行計算，地質評價系數由下式加以確定：
   K=POKO+PRKR+PTKT+PhKh+PHKH      (2)
式中：K表示地質評價系數；KO表示總有機碳含量條件系數；KR表示有機質成熟度條件系數；KT表示有機質類型條件系數；Kh表示厚度條件系數；KH表示埋深條件系數。
1.2 成因法
    成因分析法是基于頁巖氣形成過程極其復雜(如古生界海相頁巖)，要弄清頁巖生氣過程中每一次生、排烴過程幾乎不可能的條件下進行的，在頁巖氣的資源與儲量評價計算過程中宜采用“黑箱”原理進行，即將頁巖視為“黑箱”并以頁巖氣研究為核心[7]，通過多次試驗分別求得頁巖的平衡聚集量，進而求得頁巖的剩余總含氣量。由于在常規的頁巖氣資源評價方法中，頁巖氣是被作為殘留于烴源巖中的損失量進行計算的，故頁巖氣資源量的成因算法是對油氣資源量計算的重要補充。其中的剩余資源分析法適用于頁巖氣勘探開發早期。當盆地內頁巖總生氣量Q和常規類型天然氣資源量或儲量Qn(含逸散量)為已知，并假定其他非常規天然氣資源量可以忽略不計時，頁巖氣資源量Qs為總生氣量與常規資源總量的差值[8]，即
    Qs=Q-Qn    (3)
1.3 統計法
    當已經取得一定的含氣量數據或擁有開發生產資料時，使用統計法進行頁巖氣資源與儲量計算易于取得更加準確數據。
    用體積統計法對頁巖氣進行資源量計算主要是以滿足TOC＞O.3%、Ro＞o.4%、埋藏深度不超過4km的頁巖發育面積和厚度求得頁巖氣含氣體積，進而求得資源量。假設頁巖的有效體積為V，單位重量頁巖總含氣量為A，巖石密度為ρ，則由下式可求得資源量或儲量Q：
    Q=AVρ    (4)
    吸附要素分析法主要考慮頁巖氣賦存狀態與其約束因素之間的統計關系，頁巖總含氣量Qa與其總有機碳含量x1、有機質類型x2、有機質成熟度x3、伴生礦物類型x4等存在一定的統計關系[9]，即
    Qa=f(x1，x2，x3，x4，…，xn)    (5)
    進一步，根據上述各影響因素自身的概率函數分布對其進行概率賦值，可求得頁巖氣資源分布的概率分布函數，據此可計算不同概率條件下的頁巖氣資源/儲量，即
    Qp=f(Sp，Hp，φp，Kp，…)   (6)
式中：Qp表示概率p條件時的資源量，Sp、Hp、φp、Kp分別表示面積、厚度、孔隙度、滲透率等參數。
1.4 綜合分析法
    在類比法、成因法、統計法計算資源量的基礎上，采用蒙特卡洛法、打分法、盆地模擬法、專家賦值法、特爾菲綜合法等對計算結果進行綜合分析，并可通過概率分析法對頁巖氣資源的平面分布進行預測，得出可信度較高的結果。
    盆地模擬方法及先進的盆地模擬軟件可以定量模擬烴源巖的成熟演化及空間的展布特征，恢復盆地在地史時期中的烴源巖生排烴過程，利用動態研究的思想分析并預測頁巖生氣以后的留排過程，計算頁巖中天然氣的現今存留數量作為頁巖氣資源評價的結果[7]。
    蒙特卡洛法是一種基于“隨機數”的計算方法，它回避了結構可靠度分析中的數學困難而不需要考慮狀態函數特征，只要模擬次數足夠多，就可以得到一個比較精確的可靠度指標。計算公式可表示為頁巖氣成藏地質要素與經驗系數的連乘[10]，即資源量Q可表示為：
 
式中：f(Xi)表示第i個地質要素的值；Q表示資源量；K表示所有經驗系數的乘積。
    特爾菲綜合法的主要原理是將不同地質專家對研究區頁巖氣的認識進行綜合，是完成資源匯總與分析的重要手段。在美國、加拿大等國家，特爾菲法被認為是最重要的評價方法之一。
2 在川西坳陷的應用
2.1 頁巖氣地質條件
    川西地區屬于揚子地臺西北緣，在歷經了多期次的構造運動復合疊加后形成現今的構造面貌，其構造形變總體可歸為龍門山構造形變系統[11～12]。該區上三疊統地層白下而上發育了馬鞍塘組、小塘子組以及須家河組二段、三段、四段、五段。它們具有良好的生烴能力，如須三段厚度為700～1000m，為一套以湖沼相為主的深色泥頁巖夾薄層砂巖和煤層的巨厚沉積。由于其平均埋深為4.5km，遠遠超過了目前頁巖氣勘探開發的經濟深度界限。因此從可采資源量(儲量)計算中予以剔除(當頁巖埋藏深度超過4km時，資源量與儲量綜合分析與匯總評價時賦專家分值為零)。研究區內埋藏深度在4km以內且富含有機質的暗色泥頁巖僅有須家河組五段，須五段埋深介于1800～4057m，地層厚度為466～600m，為一套扇三角洲-濱淺湖相沉積，總體以黑色、灰黑色頁巖為主，夾薄層深灰色細-砂巖和煤層，區內廣泛發育且穩定分布[3]。
    研究區須五段的有機質干酪根為典型的腐殖型，總有機碳含量多分布于1%～8%之間(占到統計樣品總數的90%以上)，主峰為2%～4%(圖1)，最大可達到18.9%，計算平均值為4.0%。因此，較高的總有機碳含量有利于頁巖氣的生成和吸附富集。須五段有機質成熟度隨深度增加而變大的規律比較明顯，測試數據結果主要分布在1.01%～1.68%，平均值為1.3%，處于成熟-高成熟過渡階段(圖2)，可視為處于頁巖氣發育的最有利階段。
 
2.2 須五段頁巖氣資源評價
2.2.1類比法資源量計算
將川西坳陷須五段頁巖的地質特征與美國五大頁巖氣盆地對比后發現[13～14]，無論是在盆地特點，還是源巖條件抑或是儲集性能等方面，川西坳陷須五段頁巖氣地質條件都與美國福特沃斯盆地Barnett具有明顯的可比性。因此可采用福特沃斯盆地的頁巖氣系統作為類比標準區，用地質類比法對川西坳陷頁巖氣的資源潛力進行評價(表2)。
表2 頁巖氣資源預測類比參數取值標準表
參數名稱
權值
分值
4～5
3～4
2～3
1～2
≤1
頁巖累積厚度(m)
0.1
≥600
400～600
200～400
20～200
≤20
頁巖單層厚度(m)
0.1
≥50
30～40
20～30
10～20
≤10
總有機碳含量(%)
0.3
≥6.0
4.0～6.0
2.0～4.0
0.5～2.0
≤0.3
成熟度(%)
0.3
1.2～2.0
1.0～1.2或2.0～2.5
0.7～1.0或2.5～3.0
0.4～0.7或3.0～4.0
≤0.4或≥4.0
深度(km)
0.2
1.0～3.0
0.7～1.0或3.0～4.0
0.5～0.7或3.4～3.8
0.3～0.5或3.8～4.0
≤0.3或≥4.0
在運用類比法進行資源量或儲量計算的過程中，對結果影響較大的關鍵參數是油氣資源豐度。福特沃斯盆地已進入頁巖氣開發程度較高的階段，資源量的測算較為準確。根據福特沃斯盆地面積3.81×104km2[15]及其資源量為1.65×1012～6.01×1012m3[16]，并考慮研究區地質條件的差異性，使用地質條件系數求得研究區平均資源豐度為0.46×108m3/km2(表3)。根據表3提供的數據并以川西坳陷區域面積6.0×104km2為基礎[17]，計算可得川西坳陷須五段頁巖氣總資源量為2.26×1012m3。
表3 川西坳陷須五段與福特沃斯盆地Barnett頁巖綜合評價條件類比表
對比項目
累計厚度(m)
單層厚度(m)
深度(km)
TOC(%)
Ro(%)
地質評價系數
福特沃斯盆地Barnett頁巖
60～91
16～60
1981～2591
4.5
1.00～1.30
3.78
評價系數
1.5
3.7
4.0
3.4
4.6
四川盆地川西坳陷須五段
7～80
2～28
1800～3000
4.0
1.01～1.68
3.12
評價系數
1.7
2.0
3.0
3.1
4.8
2.2.2成因法資源量計算
    由于研究區天然氣勘探程度相對較高，前人計算的烴源巖生烴量結果可以直接參與成因法頁巖氣資源量計算。研究結果表明，川西坳陷須五段在早侏羅世末期開始生烴，到白堊紀末期生烴結束，此段地層的總生烴量達到11.46×1012m3。宋國奇根據Kim(1982)建立的煤層甲烷與埋深、成熟度關系曲線對勝利油區的上古生界煤巖進行了相關研究，建立了成熟度與排烴系數之間的對應關系[18]，并認為Ro為1.25%時，排烴系數為86.89%；Ro為1.5%時，排烴系數為87.56%。川西坳陷須五段Ro均值為1.3%。因此研究中可取87%作為該地區的排烴系數，由此計算頁巖氣資源量為1.49×1012m3。
2.2.3體積統計法資源量計算
    川西坳陷上三疊統須五段在區內穩定連續發育，總面積約1.44×104km2，有效厚度為50～350m[11]，總有機碳含量平均達4%，Ro在1.3%左右。對美國五大盆地頁巖進行分析認為頁巖氣在總有機碳含量為0.3%、有機質成熟度為0.4%時也可具備形成頁巖氣的源巖條件[6]。因此以TOC=0.3%和Ro=0.4%的頁巖氣發育條件為下限，以頁巖中的工業含氣量標準[19～20]歸為依據，厘定須五段頁巖發育有效體積為480～3360km3，研究區泥質烴源巖密度平均值為2.4t/m3。結合對泥頁巖含氣量所進行的統計分析，可選擇吸附量2～4m3/t進行計算。頁巖氣中以吸附狀態存在的天然氣含量變化于20%～85%之間[21]。根據相關公式計算可得該區須五段的頁巖氣資源量為0.67×1012～1.35×1012m3(表4)。
 
2.2.4綜合法資源量計算
    根據上述3種方法計算的結果，并考慮到研究區地質條件的復雜性而可能帶來的計算偏差，對前文計算結果進行特爾菲加權處理以得到相對合理的數據結果：地質類比法運用評價區與頁巖氣勘探程度較高的福特沃斯盆地進行類比，但由于兩者在地質特點及勘探程度上存在著一定的差異性，綜合考慮權重系數賦值為0.3(表5)；川西坳陷天然氣勘探開發程度相對較高，用成因法進行計算時所用數據均為前人可靠程度較高的數據，該方法計算結果的權重系數取值0.4；采用體積法進行計算時，由于數據較少，頁巖含氣量不能準確確定，只能賦予其不同的概率值，可信度差異較大，計算結果參與綜合時的權重系數取值0.3。特爾菲方法計算后的最終結果為1.47×1012～1.68×1012m3，即川西坳陷上三疊系須家河組五段的頁巖氣資源量均值為1.58×1012m3。
表5 特爾菲法預測川西坳陷地區頁巖氣資源量結果表
評價方法
權重
資源量(1012m3)
地質條件類比法
0.3
2.26
成因分析法
0.4
1.49
體積法
0.3
0.67～1.35
特爾菲綜合法
 
1.47～1.68
2.2.5頁巖氣資源量平面分布
    采用網格剖分法可對研究區得資源量進行平面上的微元分析，即根據各微元的頁巖厚度、頁巖含氣量(頁巖中的氣體吸附率按50%[22]計算)、巖石密度以及總有機碳含量等，可對研究區內須五段的頁巖氣資源密度進行平面計算，進一步通過微元積分法亦可得研究區頁巖氣資源總量。以川西坳陷中段為例(圖3)，資源密度等值線高值主要集中在新場德陽-廣漢-新都-溫江-大邑一線的成都凹陷，表明該區可作為頁巖氣進一步勘探研究的有利目標區。
3 結論
    1) 頁巖氣在形成方式和聚集形式上與常規氣存在差異，資源量或儲量計算及評價方法亦有別于常規油氣。在常規油氣資源評價方法基本上，根據頁巖氣發育條件及富集機理，可以采用類比法、成因法、統計法和綜合分析法進行系統的頁巖氣資源量與儲量計算和評價。
    2) 結合頁巖氣地質資源的有利有效性分析，川西坳陷上三疊統須五段為具有經濟可采價值的有利層段。
    3) 結合地質條件分析，采用系統性頁巖氣資源評價方法對研究區目標層進行了資源計算，得到資源量結果為1.47×1012～1.68×1012m3，均值為1.58×1012m3，在平面上主要分布于新場-德陽-廣漢-新都-溫江-大邑一線的成都凹陷。
    致謝：感謝張金川教授、唐玄博士以及汪宗余、張培先、王廣源、張琴、唐穎等的指導和幫助!
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(本文作者：朱華1 姜文利2 邊瑞康1 宋曉微1 姜生玲1 尹騰宇1 1.教育部“海相儲層演化與油氣富集機理”重點實驗室 中國地質大學 北京；2.國土資源部油氣戰略研究中心)