頁巖氣縱向評價單元劃分的方法

楊光慶 侯讀杰 包書景 馬 寧

1．中國地質大學（北京）能源學院 2．海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室 3．中國石化石油勘探開發研究院

我國目前正處于頁巖氣勘探與開發的早期［1－3］，因此，建立一套統一可行的頁巖氣資源評價方法，全面、客觀地評價頁巖氣資源潛力并研究其分布特征顯得尤為迫切。通過文獻調研發現，國內頁巖氣縱向單元資源評價方法主要有2種：一種是對層段內所有泥巖進行厚度累加，從而計算出頁巖氣的地質資源量，這種方法計算的資源量往往偏大；另一種是對連續厚度大于30m的泥頁巖進行厚度統計，從而得到泥頁巖平面的有效厚度，進而計算出頁巖氣的資源量，這種方法計算的結果比較適中，但可能對開發缺乏指導意義。對比前人的成果并結合實際研究情況，筆者提出了以含氣泥頁巖層段（系統）作為頁巖氣資源評價單元，以致密低滲透巖層作為含氣泥頁巖層段（系統）的頂、底板，據此來劃分縱向評價單元的方法。實例驗證結果表明，該方法可操作性強，既可以與工程技術有效結合，也可以明確頁巖氣勘探開發的目的層段，而且能夠獲得相對客觀、可靠的頁巖氣資源量。

1 國外研究成果及其啟示

基于技術和成本方面的考慮，國外對頂、底板的研究歷來比較重視［4－5］。北美一些主要的頁巖氣盆地大都具有“三明治”式的展布特征。以美國福特沃斯盆地著名的Barnett頁巖為例，上Barnett頁巖以 Marble Falls石灰巖為頂板，Forest burg石灰巖作為底板，圖1顯示，頂底板處測井響應特征為低自然伽馬值、高電阻率；而上Barnett頁巖段則顯示為高伽馬值、低電阻率的特征，可以明顯區分。下Barnett頁巖則是以Forestburg石灰巖和Viola石灰巖分別作為頂、底板，相應的頁巖氣藏也位于頂、底板之間的含氣泥頁巖層段內，封閉性較好。頂、底板封閉的含氣泥頁巖段為主力產氣層［6］。

具有代表性的還有Marcellus頁巖，上覆為中泥盆統Tully石灰巖，下伏為下泥盆統Onondaga石灰巖，Marcellus頁巖進一步被Cherry Valley和Purcell石灰巖分為上、下兩段。具有類似特征的還有位于東得克薩斯州和西路易斯安州的上侏羅統Haynesville頁巖等。在三維空間內，頂、底板并非只是頁巖層段內的夾層，一定厚度和面積的頂、底板分布可以對頁巖氣儲層進行有效的保存和分割。

圖1 Barnett頁巖頂底板測井響應特征圖（據AAPG，2007）

筆者通過文獻調研［5］，對全球主要盆地含氣泥頁巖層段（系統）頂、底板的地質特征進行了統計。結果顯示（表1），世界范圍內主要盆地頁巖地層頂、底板巖性以致密的泥頁巖、膏泥巖、膏鹽層、石灰巖、白云巖、火山巖、煤層等為主，屬于非滲透或低滲透巖層。其埋深范圍從1 000m到4 000m均有分布，其中南美洲頁巖埋藏較深，為3 800～4 100m；北非、澳洲和東亞居其次，為2 700～3 000m；淺層主要分布在南亞和西歐，為1 000～1 500m。泥頁巖系統厚度一般不超過150m，最小為15．24m，最大達112．12m。

2 含氣泥頁巖層段劃分方法

2．1 含氣泥頁巖層段（系統）

含氣泥頁巖層段（系統）是指在鉆井剖面中，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（圖2）。含氣泥頁巖層段（系統）主要依據測井響應特征、巖性組合特征、有機碳含量、氣測顯示等資料來進行劃分，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）。

表1 世界主要盆地泥頁巖層段頂、底板地質特征統計表

圖2 含氣泥頁巖層段（系統）示意圖

2．2 頂、底板識別標志及含氣泥頁巖層段（系統）劃分原則

2．2．1 頂、底板識別標志

1）巖性以致密的泥頁巖、膏泥巖、膏鹽層、石灰巖、煤等為主，一般為不滲透或低滲透巖層。

2）頂、底板厚度不應太小，國外學者通過計算認為，厚10m左右的連續隔層即可有效封堵深度為1 200～1 300m的頁巖氣。

3）頂、底板的深度范圍分布較廣（表1），一般情況下，深度增大，壓實程度變高，對泥巖的封閉性也會增強。

4）頂、底板具有區域性和局部性，一般沿著一定的地層分布，不穿時；在三維空間上，平面分布連續、厚度穩定的頂、底板對頁巖氣的封閉效果好。

2．2．2 含氣泥頁巖層段（系統）劃分原則

1）以富含有機質泥頁巖為主的含氣層段，內部可以有砂巖類、碳酸鹽巖類夾層，有機碳含量達到起算標準（TOC＞0．5%、Ro＞0．5%）的泥頁巖累計厚度一般大于20m，并占含氣泥頁巖層段厚度的50%以上。

2）頂、底板為致密巖層，內部無明顯水層。

3）氣測曲線上有明顯的異常。

4）伽馬、電阻率、聲波時差、密度等測井曲線顯示含氣特征［7－8］。

5）具有一定的壓力異常［9］，在同一個壓力系統內。

若鉆井資料不完備，也可考慮露頭資料，以富含有機質泥頁巖發育段為目標層進行評價單元劃分。根據此原則，縱向上可劃分為多個評價單元，按層段分別評價，具有較強的針對性。

3 實例分析

根據以上方法和原則，筆者對中國南方某研究區塊下侏羅統大安寨段進行了資源量計算，首先確定以礦權區塊作為平面上的基本評價單元，利用測井資料、含氣性資料及TOC等確定含氣泥頁巖層段的厚度，根據上述原則和方法確定頂、底板。

實例井的含氣泥頁巖層段從3 740m到3 802m（圖3）。分別統計砂巖、石灰巖及泥巖的厚度（表2），按照TOC的3類標準（TOC為0．5%～1．0%、TOC為1．0%～2．0%、TOC大于2．0%）分別統計每口井含氣泥頁巖層段泥巖的厚度。

圖3 實例井含氣泥頁巖層段縱向厚度示意圖

表2 實例井含氣泥頁巖層段厚度統計表

通過統計出的每口井含氣頁巖層段的厚度，可以繪制出含氣頁巖層段厚度等值線圖，同時結合地震資料追蹤有效層段，控制平面上等值線的走勢。根據研究區塊大安寨段巖石物性分析測試數據，大安寨段頁巖密度平均為2．61g／cm3。根據實例井大安寨段實測TOC資料及現有的測井資料進行了多元統計分析擬合，計算出吸附氣量，繪制TOC等值線圖及吸附氣量等值線圖，計算出吸附氣資源量；根據實測孔隙度資料、現有的測井數據分別分析擬合、計算孔隙度，進而計算含水（氣）飽和度和游離氣百分含量，最終得到游離氣資源量；最后計算出該研究區不同概率的總資源量（表3）。

表3 研究區大安寨段頁巖氣總資源量計算統計表 108 m3

4 結論

1）調研發現，國外一些主要頁巖氣盆地在三維空間上具有“三明治”式的分布特征，主力產氣層被致密低滲透的膏泥巖、膏鹽層、石灰巖等隔開。這些致密巖層對頁巖氣儲層具有保護作用。

2）提出了以含氣泥頁巖層段（系統）作為頁巖氣資源評價單元，以致密低滲透巖層作為含氣泥頁巖層段（系統）的頂、底板，據此來劃分縱向評價單元的方法，并總結了頂、底板的劃分原則和識別標志。

3）實例驗證結果證明，該方法具有較強的可操作性，既可以與工程技術有效結合，也可以明確頁巖氣勘探開發的目的層段，而且還能夠獲得相對客觀、可靠的頁巖氣資源量。

［1］張抗，張文長．中國天然氣統計預測中的若干問題探討［J］．天然氣工業，2012，32（1）：6－11．

［2］雷群，王紅巖，趙群，等．國內外非常規油氣資源勘探開發現狀及建議［J］．天然氣工業，2008，28（12）：7－10．

［3］王蘭生，廖仕孟，陳更生，等．中國頁巖氣勘探開發面臨的問題與對策［J］．天然氣工業，2011，31（12）：119－122．

［4］POLLASTRO R M，JARVIE D M，HILL R J，et al．Geologic framework of the Mississippian Barnett Shale，Barnett－Paleozoic total petroleum system，Bend arch – Fort Worth Basin，Texas［J］．AAPG Bulletin，2007，91（4）：405－436．

［5］EIA．EIA world shale gas resources：an initial assessment of 14regions outside the United States April 2011［R］．Washington：U．S．Energy Information Administration，2011．

［6］聶海寬，張金川，張培先，等．福特沃斯盆地Barnett頁巖氣藏特征及啟示［J］．地質科技情報，2009，28（2）：87－93．

［7］潘仁芳，伍媛，宋爭．頁巖氣勘探的地球化學指標及測井分析方法初探［J］．中國石油勘探，2009（3）：6－9．

［8］侯讀杰，馮子輝．油氣地球化學［M］．北京：石油工業出版社，2011：191－193．

［9］王亞東．如何用測井聲波時差曲線計算地層壓力［J］．錄井工程，2005，16（4）：59－61．