鄂西黃陵背斜南翼震旦系陡山沱組有利目標區頁巖氣資源潛力評價

李浩涵，陳 科，包書景，張焱林，宋 騰，王 鵬

(1.中國地質調查局 油氣資源調查中心，北京 100083；2.湖北省地質調查院，武漢 430074)

自國家大力推進頁巖氣勘探開發工作以來，在南方海相地區尤其是四川盆地已經獲得了頁巖氣井產量的重大突破[1-4]，在西部陸相地區也取得了良好的頁巖氣顯示[5-6]。我國中揚子地區自震旦系起，主要發育震旦系、下寒武統、下志留統、下二疊統和上二疊統等為代表的8套黑色頁巖[7-8]。其中下震旦統陡山沱組泥頁巖雖然有機質豐度較高，有機質類型好，但限于其在武陵山地區普遍埋深較大、成熟度較高等不利因素，在頁巖氣有利區優選中往往不受重視[9]。針對這一套潛在含氣頁巖層系的研究仍限于基于地表露頭樣品測試的地質特征和資源潛力分析，其含氣性長期以來未得到證實。

武陵山地區自震旦紀以來進入了以穩定沉積為主的拗陷型沉積盆地發育階段。黃陵背斜南翼屬陸棚臺地相，在晚震旦世發育一套由黑色泥頁巖、深灰—灰黑色泥晶灰巖及含碳含泥云巖組成的烴源巖。陡山沱組地層劃分為一個二級層序(SS1)，其中包含4個三級層序(SQ1、SQ2、SQ3、SQ4)，其優質暗色泥頁巖主要分布在SQ2 層序內，即上震旦統陡山沱組二段[10]。該地區陡山沱組主要為較有利的臺間坳陷相沉積，陡山沱組二段主要巖性為碳質泥晶灰巖和白云巖，有機質類型主要為腐泥型(Ⅰ型)或腐植腐泥型(Ⅱ1型)；有機質豐度整體品位中等，TOC含量在0.55%～2.23%，平均值1.4%；Ro在1.49%～1.86%，平均為1.74%，基本處于過成熟階段[11]。雖然武陵山地區陡山沱組泥頁巖總體上埋藏較深、成熟度較高，但隨著該地區全球最古老頁巖氣的發現，證明在以黃陵背斜為代表的古隆起區周邊仍具備頁巖氣生成和儲存的條件。

本文通過對宜昌—秭歸地區黃陵背斜南翼秭地1井、秭地2井陡山沱組巖心進行現場含氣量解析和損失氣計算，首次獲得了該層系泥頁巖含氣量數據，證實了震旦系暗色頁巖的資源潛力；通過二維地震處理解釋，落實了該地區有利頁巖的厚度及分布情況，并通過概率體積法計算了頁巖氣資源量。

1 頁巖氣資源量計算方法

頁巖氣藏儲層連續分布，具有較強的非均質性。在頁巖氣資源評價中，根據地質因素的不確定性，以及關鍵參數及其獲取方式的不同，主要采用福斯潘(FORSPAN)法、單井(動態)儲量估算法、資源豐度類比法和概率體積法等資源評價方法[12-19]。

在勘探實踐中，本地區勘探程度仍較低，可獲取的參數較為有限，如頁巖含氣量數據僅在部分井位有數據，還需通過概率法的基本原理對各項計算參數進行篩選和賦值，通過分析計算最終對結果進行表征[20]。因此本文在多種方法中選擇采用概率體積法來進行研究區的頁巖氣資源評價工作。

根據概率體積法的基本原理，頁巖氣地質資源量應等于地層中頁巖的質量與其單位質量所含頁巖氣之概率乘積[20]。假設Qt為頁巖氣資源量；V為含氣頁巖體積；ρ為泥頁巖密度；q為頁巖含氣量，則：

Qt=Vρq

文中，通過二維地震處理解釋可直接得出含氣頁巖的分布范圍和厚度，可據此計算出含氣頁巖體積V，因此體積參數采用確定值；頁巖密度ρ的取值直接采用含氣頁巖實測值；頁巖含氣量通過統計實測值，利用概率法對該項參數進行賦值。

2 有效頁巖體積的確定

2.1 評價單元邊界

頁巖氣屬于連續型油氣藏，一般不認為有明顯的邊界，計算資源量時，需要首先人為地限定一個邊界，并在該邊界范圍內開展資源評價，并進行現有經濟、技術條件下的勘探開發[21]。本文評價邊界主要受斷層、露頭分布和地震控制范圍約束。其中研究區西側以仙女山斷裂為界，南部和北部以震旦系地表出露為邊界，東部以現有地震覆蓋范圍為邊界(圖1)。

圖1 鄂西黃陵背斜南翼研究區構造概況

2.2 有效頁巖厚度預測及體積計算

秭地1井和秭地2井實鉆資料揭示了該地區陡山沱組厚度在150～200 m左右，其中主力泥頁巖陡二段在秭地1井厚度為151.66 m，在秭地2井厚度為155.26 m。本文以總含氣量(總含氣量=解析氣量+損失氣量+殘余氣量)大于0.5 m3/t為下限劃定有利頁巖厚度，其中秭地1井有利含氣頁巖厚度為90.8 m，秭地2井有利含氣頁巖厚度為70 m(圖2)。

圖2 鄂西黃陵背斜南翼陡山沱組柱狀圖

有利含氣頁巖分布數據依賴于鉆井含氣性數據的獲取，在實測數據有限的情況下，可利用地球物理手段預測富有機質頁巖厚度進而替代有利含氣頁巖的厚度分布。富有機質頁巖厚度可以通過地球物理反演、時間厚度換算等多種方法進行預測，需要根據不同的資料情況選擇不同的方法進行。通過求取地震剖面的相對波組抗，取相對波阻抗0為富有機質頁巖和普通頁巖的門檻值，小于0的為富有機質頁巖。依據綜合標定成果，確定陡山沱組富有機質頁巖在剖面的位置。通過地震道進行積分計算，獲得相對波阻抗剖面，以標定成果在道積計算后的相對波阻抗剖面上以小于0為標準，確定陡山沱組富有機質頁巖的分布，并進行平面成圖，完成對陡山沱組富有機質頁巖厚度的預測。從預測結果(圖3)來看，秭地1井和秭地2井陡山沱組二段富有機質頁巖模擬厚度分別為100 m和80 m，與實鉆數據基本相符合。從總體上看陡山沱組富有機質頁巖厚度為45～115 m，平均厚度85 m。

獲得含氣泥頁巖厚度及分布后，通過以下步驟計算有效頁巖體積：(1)將陡山沱組富有機質頁巖等厚圖網格化，并進行坐標校正；(2)根據評價邊界劃出評價范圍，去掉評價范圍以外的部分，確定有效頁巖分布面積為1 238.54 km2；(3)根據含氣頁巖厚度參數和面積，通過計算獲得有效頁巖體積為7.42×1010m3。

3 參數的獲取

3.1 頁巖密度

在計算頁巖氣資源量的過程中，頁巖密度值是一項必需的參數。在取值時，可直接在實驗室中對其進行測定[21]。本測試應用的巖石密度測量儀基本原理是利用稱重傳感器，稱出巖石標本在空氣中的重量P1和水中的重量P2，將其轉換成電信號送到處理器進行數據處理，最終顯示出測試結果。秭地1井陡山沱組碳質頁巖密度分析結果顯示，陡二段頁巖密度最大為2.66 g/cm3，最小為2.63 g/cm3，計算中取其平均值，為2.65 g/cm3(表1)。

3.2 頁巖含氣量

在泥頁巖地層中，頁巖氣主要以游離態、吸附態或者溶解態等方式賦存，其中溶解氣由于比重極小，一般可不做計算[20]。測量頁巖含氣量最直接的方法是解吸測定法，在解吸過程中通過模擬地層溫度，進而在該條件下測量頁巖中天然氣的釋放總量。獲得的含氣量通常包括吸附氣量與游離氣量之和[22-25]，因此這種方法能夠真實、客觀地反映巖石的含氣性。總解析氣量一般包括損失氣、解吸氣和殘留氣3 部分，即：總解析氣量=損失氣+解吸氣+殘余氣。其中損失氣為巖心地層鉆開后到裝罐前散失的氣量，本文采用USBM直線回歸法進行計算，頁巖氣損失氣的起算時間為提鉆到井深一半的時間[26]；解吸氣為鉆探現場通過排水法測得的標準狀態下(101.325 kPa，0 ℃或 25 ℃)泥頁巖解吸氣含量；殘余氣為現場巖心解析后樣品粉碎后，再次解吸獲得的含氣量[27-28]。

表1 鄂西黃陵背斜南翼秭地1井陡山沱組碳質頁巖特征

圖3 鄂西黃陵背斜南翼陡山沱組二段富有機質頁巖厚度平面位置圖見圖1研究區。

通過現場含氣量解析和計算，秭地1井陡山沱組二段泥頁巖總含氣量為0.473～1.48 m3/t，含氣量大于0.5 m3/t的層段平均可達0.95 m3/t；秭地2井陡山沱組二段總含氣量為0.337～1.666 m3/t，含氣量大于0.5 m3/t的層段平均為0.91 m3/t(表2)。

在本研究區假設頁巖含氣量q分布服從正態分布，即假設在評價單元內獲得的含氣量數值分別為x1、x2、x3、…、xn，則平均數(μ)、方差(δ)及正態分布的概率密度函數[φ(x)]分別可用下列公式表示[13]：

μ=(x1+x2+x3+…+xn)/n

(1)

(2)

(3) 當參數從最小值變化到最大值時，概率密度積分為1。當計算數據的取值范圍在數值a與b之間時，一定概率下的參數賦值同樣也在從a到b的范圍內，從最小值積分到x時的面積，x即為不同概率下所對應的參數值[20]。

獲得不同概率下的參數對應值對概率密度函數積分即可，即令積分函數分別等于5%、25%、50%、75%、90%，即可計算相應結果。如概率為75%(P75)時的概率賦值為：

(4)

通過計算可得該地區P5含氣量為1.54 m3/t，P25含氣量為1.22 m3/t，P50含氣量為0.99 m3/t，P75含氣量為0.76 m3/t，P95含氣量為0.43 m3/t(表3)。

4 頁巖氣資源量計算結果分析

通過概率法對參數賦值后，對研究區震旦系陡山沱組二段含氣頁巖的頁巖氣資源量進行了計算，結果表明該評價單元頁巖氣資源量為(845.78～3 029.08)×108m3，其中P50資源量為1 947.27×108m3，資源豐度為1.57×108m3/km2，證明研究區頁巖氣資源潛力大。

前人研究已經證明，與美國等已成功實現商業開采的頁巖氣產區相比，本地區陡山沱組海相暗色泥頁巖，從地球化學特征、巖石礦物學特征等方面來說具備了頁巖氣形成的基本地質條件，主要表現為有機質豐度相對較低，熱演化程度高，脆性礦物含量高，黏土礦物含量低，頁巖孔隙度和滲透率低[10]。

表2 鄂西黃陵背斜南翼秭地1井、秭地2井陡山沱組二段泥頁巖含氣量統計

表3 鄂西黃陵背斜南翼秭歸地區陡山沱組二段資源量計算結果

表4 鄂西黃陵背斜南翼陡山沱組頁巖氣特征與北美對比

注：北美頁巖氣數據據參考文獻[29]。

而通過二維地震處理解釋和地質調查井實鉆資料，進一步證實了黃陵背斜南翼地區陡山沱組泥頁巖含氣性以及含氣頁巖的分布范圍，證明該地區頁巖氣資源較為豐富。陡山沱組含氣頁巖各項指標與國外主要頁巖[29]相比(表4)，除成熟度較高、埋藏深度較大外，其余無論從厚度、有機質豐度，還是含氣性都具有可對比性，資源豐度更是與美國Ohio和Lewis頁巖不相上下。因此，可以認為黃陵背斜南翼地區陡山沱組頁巖氣資源豐富，勘探開發的前景十分廣闊。

5 結論

(1)黃陵背斜南翼地區陡山沱組頁巖有機質含量高，泥頁巖埋深相對較淺，且厚度較大，頁巖氣形成條件較好。陡二段暗色泥頁巖含氣量較高，總含氣量平均大于0.9 m3/t，最高可達1.666 m3/t。

(2)黃陵背斜南翼地區陡山沱組地層分布較為穩定，地層厚度普遍在150～200 m，其中陡二段有效含氣頁巖厚度在45～115 m，平均厚度可達85 m，已落實含氣頁巖分布面積達到1 238.54 km2。

(3)采用概率體積法計算出研究區上震旦統陡山沱組頁巖氣資源量為(845.78～3 029.08)×108m3，其中P50資源量為1 947.27×108m3，資源豐度為1.57×108m3/km2，證明研究區頁巖氣資源潛力大，可作為今后頁巖氣重點勘探開發區域。

致謝：湖北省地質調查院劉早學教授在本文資料收集及成文過程中給予了大力支持和幫助，在此致以衷心感謝！