劉巖 周文 鄧虎成

“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·成都理工大學(xué)

中國的頁巖氣資源潛力較大，但是認(rèn)識程度較低[1]，存在著地質(zhì)研究起步較晚、資源潛力認(rèn)識不清、開發(fā)技術(shù)相對落后等問題[2]。為了加快中國頁巖氣發(fā)展，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、跨越式發(fā)展，必須加強(qiáng)對頁巖氣資源的認(rèn)識和基礎(chǔ)研究，重視對不同頁巖氣資源的分類評價(jià)[3]，及時(shí)掌握頁巖氣資源“家底”，明確頁巖氣勘探開發(fā)方向[4]。

雖然前人已從不同角度對鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組頁巖氣資源潛力進(jìn)行過評價(jià)[5－6]，但由于未采用相對統(tǒng)一的原則、思路和方法，無法進(jìn)行有效的對比分析。筆者通過對延長組富有機(jī)質(zhì)頁巖野外剖面調(diào)查、鉆井巖心觀察，測井、錄井顯示、測試資料分析等手段，詳細(xì)剖析其頁巖氣富集條件特征，劃分了含氣泥頁巖段評價(jià)單元，并采用概率統(tǒng)計(jì)分析法獲得了體積法關(guān)鍵參數(shù)取值，計(jì)算出其地質(zhì)資源量及可采資源量。

1 延長組含氣頁巖段地質(zhì)特征

鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組湖相頁巖埋深較淺，分布面積較廣，黑色頁巖厚度大，早期常規(guī)鉆井中頁巖氣顯示頻繁，例如延長石油集團(tuán)的柳評177井、新57井在延長組7段頁巖進(jìn)行小型測試壓裂試驗(yàn)，均獲天然氣并成功點(diǎn)火，展示良好的頁巖氣資源前景[5－7]。

1.1 展布特征

通過盆內(nèi)野外露頭調(diào)查及鉆井巖心的觀察，延長組含氣頁巖層系主要發(fā)育于延長組長9段、長7段和長4＋5段。在此基礎(chǔ)上依據(jù)有機(jī)碳含量、熱成熟度、鉆井頁巖氣顯示等實(shí)測數(shù)據(jù)，在單井上劃分出含氣頁巖段，并以參數(shù)井含氣層段作為標(biāo)定樣本，建立了延長組含氣頁巖段測井響應(yīng)模型（高伽馬值、高聲波時(shí)差值）。在此采用ΔlgR方法將聲波時(shí)差和電阻率曲線重疊進(jìn)行含氣頁巖識別[8－10]。利用這一方法對盆內(nèi)54口鉆井進(jìn)行了長9段、長7段和長4＋5段內(nèi)含氣頁巖層段標(biāo)定識別。

下面以長7段為例說明含氣頁巖段分布規(guī)律。由長7段含氣頁巖段對比圖知，含氣頁巖段主要發(fā)育于長7段底部，從盆外往湖盆中心其厚度介于5～60m（圖1）。在平面上長7段含氣頁巖段存在2個(gè)沉積厚度中心：一個(gè)在白207井—柳評180井—富縣—固城一帶，厚度介于40～60m；另一個(gè)在寧東3—環(huán)縣一線，厚度超過40m。

1.2 有機(jī)地球化學(xué)特征

1.2.1 有機(jī)質(zhì)類型

圖1 鄂爾多斯盆地長7段含氣頁巖段厚度分布圖

按照蒂索的H／C、O／C原子比劃分法，分析統(tǒng)計(jì)長4＋5、長7、長9段H／C、O／C原子比，可得出長4＋5段頁巖干酪根類型以偏腐泥混合型（50%）—腐殖型（40%）為主，含部分腐泥型有機(jī)質(zhì)；長7段頁巖以混合型為主（63.64%），次為腐殖型（36.36%）；長9段頁巖為偏腐殖混合型—腐殖型。同時(shí)按干酪根類型分析、熱解分析結(jié)果也證明長4＋5段有機(jī)質(zhì)類型為偏腐泥混合型，長7段為偏腐殖混合型，長9段為腐殖型。

1.2.2 有機(jī)碳含量

盆地內(nèi)延長組含氣（油）頁巖樣品有機(jī)碳含量（TOC）測定值表明，延長組長9、長7、長4＋5段含氣（油）頁巖殘余有機(jī)碳含量普遍較高（一般大于1%），總體呈現(xiàn)出較高有機(jī)質(zhì)豐度的特點(diǎn)?？v向上，長4＋5段含氣（油）頁巖樣品TOC介于0.51%～16.73%，平均值為4.11%；長7段TOC介于0.51%～22.6%，平均值為2.56%；長9段TOC介于0.391%～4.2%，平均值為1.36%。以實(shí)測TOC結(jié)合測井模型TOC計(jì)算值為數(shù)據(jù)點(diǎn)，編制了長4＋5、長7、長9段含氣（油）頁巖TOC分布圖（圖2）。在平面上，長7段含氣（油）頁巖有機(jī)碳含量在盆地中南部為3%～8%，其中耿7井、慶深1井為2個(gè)高值中心，分別達(dá)到8%、7%，全盆地有機(jī)碳含量圍繞這2個(gè)高值區(qū)向外呈環(huán)狀減小。

1.2.3 有機(jī)質(zhì)熱演化程度

盆地內(nèi)延長組含氣（油）頁巖有機(jī)質(zhì)熱演化值Ro主要分布在0.5%～1.1%，總體上屬于未成熟—成熟演化階段[11]。其中長7段含氣（油）頁巖分布區(qū)內(nèi)Ro分布于0.7%～1.1%，總體上與現(xiàn)今埋深不完全對應(yīng)，含氣（油）頁巖分布區(qū)西北部由吳旗至寧東1井以北鹽池、惠安堡地區(qū)，隨著埋深的加大，熱演化程度逐漸增高（超過1.0%）；中南部以環(huán)縣至富縣地區(qū)帶狀高值區(qū)逐漸向四周降低；西南面慶陽地區(qū)至平?jīng)龅貐^(qū)熱演化程度最低（一般低于0.8%），如圖3所示。

圖2 長7段含氣頁巖TOC平面分布圖

圖3 長7段含氣頁巖Ro平面分布圖

頁巖中天然氣賦存狀態(tài)多種多樣，主要表現(xiàn)為在形式上游離氣和吸附氣并存，在存儲空間上基質(zhì)孔隙和次生裂縫并存[12]。通過對含氣頁巖巖心環(huán)境掃描電鏡分析得出，其主要儲集空間為有機(jī)質(zhì)內(nèi)微孔、粒間微孔、粒內(nèi)微孔、晶間微孔、片理縫、微裂縫。其中以有機(jī)質(zhì)內(nèi)微孔、晶間微孔為主，有機(jī)質(zhì)內(nèi)微孔在氬粒子拋光后環(huán)境掃描電鏡下可觀察其直徑大??；其次為粒間微孔，其他孔隙類型所占比例較小（圖4）。延長組孔徑大小分布在0～7μm，大孔徑孔隙主要以有機(jī)質(zhì)內(nèi)微孔和粒間微孔為主，直徑超過4μm，樣品實(shí)測孔隙度（氣體法測）介于1%～6%，主要分布在3%～5%，平均為3.8%。

1.3 儲層特征

通過對延長組內(nèi)部含氣頁巖段薄片及全巖X射線衍射分析得出：在縱向上長4＋5段頁巖以灰色、深灰色紋層狀泥頁巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，有機(jī)質(zhì)含量相對較少；長7段頁巖以灰黑色、黑色紋層狀泥頁巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，有機(jī)質(zhì)含量最高；長9段以深灰色、黑色粉砂質(zhì)泥頁巖為主。頁巖中脆性礦物主要以石英＋長石、石英＋方解石2種組合出現(xiàn)，長4＋5、長7、長9段內(nèi)頁巖脆性礦物平均分別為42%、35%、44%，黏土礦物含量在45%左右，以伊利石＋綠泥石為主。

1.4 頁巖含氣性分析

圖4 延長組含氣（油）頁巖內(nèi)不同孔隙類型

由于目前頁巖氣勘探尚處于起步階段，盆地內(nèi)泥頁巖巖心多為兼探取心，數(shù)量比較有限，在萬169井長7含氣（油）頁巖段巖心樣品現(xiàn)場解析獲得其含氣量值為2.43m3／t。筆者通過對部分巖心和野外的頁巖樣品做等溫吸附實(shí)驗(yàn)來獲得頁巖的最大吸附氣量值（圖5）：長7段實(shí)測10個(gè)樣品，獲得理論吸附氣量為1.1～4.7 m3／t，平均為2.24m3／t；長4＋5段地面樣品5個(gè)，獲得理論吸附氣量為0.8～4.8m3／t，平均為2.1m3／t。

圖5 延長組含氣頁巖等溫吸附曲線圖

2 地質(zhì)資源量計(jì)算

頁巖氣藏具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，在資源評價(jià)中既要考慮地質(zhì)因素的不確定性，也要考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上的不確定性。不同勘探開發(fā)階段適用的方法不同[13]，其中體積法適用于頁巖氣勘探開發(fā)的各階段和各種地質(zhì)條件，尤其用來計(jì)算新區(qū)的頁巖氣地質(zhì)資源量。筆者以盆內(nèi)延長組各含氣頁巖段為評價(jià)單元，采用體積法計(jì)算延長組可能具有潛在利用價(jià)值的頁巖氣地質(zhì)資源量，為后期頁巖氣勘探開發(fā)決策提供理論依據(jù)。

體積法資源量 計(jì)算參數(shù)主要包括了面積、厚度、（裂隙）孔隙度、游離含氣飽和度、吸附含氣量、總含氣量、Langmuir（蘭氏）體積、Langmuir（蘭氏）壓力和壓縮因子等。通過對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)整理，依據(jù)參數(shù)分析、概率分布、統(tǒng)計(jì)規(guī)律及地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)等方法對各項(xiàng)參數(shù)分別進(jìn)行條件概率賦值，填寫體積法資源量計(jì)算參數(shù)表。

依據(jù)參數(shù)取值可計(jì)算出各含氣泥頁巖段不同條件概率下的地質(zhì)資源量值。下面主要以長7段含氣頁巖段為例說明關(guān)鍵參數(shù)取值原則及其取值情況。

頁巖面積的大小及其有效性主要取決于有機(jī)碳含量的大小及其變化，可據(jù)此對面積的條件概率予以賦值。在扣除了缺失面積的計(jì)算單元內(nèi)，以TOC平面分布等值線圖為基礎(chǔ)，依據(jù)不同TOC含量等值線所占據(jù)的面積（表1），分別求取與之對應(yīng)的面積概率值。

表1 鄂爾多斯盆地延長組含氣頁巖段TOC概率取值表

有效厚度的概率取值主要采用厚度相對面積占有法來確定。根據(jù)編制的各套含氣泥頁巖段厚度分布圖，依照不同厚度所占據(jù)的相對面積大小進(jìn)行厚度估計(jì)和賦值（表2）。即從最大厚度中心處（可為單厚度或多厚度中心）開始，依不同厚度等值線所占評價(jià)單元有效面積的相對多寡求取對應(yīng)的條件概率。

本次含氣量取值主要依據(jù)柳評171井、萬169井長8、長7段12個(gè)巖心樣品現(xiàn)場解析值，以及20個(gè)頁巖樣品的等溫吸附值（依據(jù)國內(nèi)外吸附氣與游離氣比例進(jìn)行了總含氣量的估算）。將所得到的離散總含氣量值進(jìn)行概率賦值。國外頁巖氣可采系數(shù)的取值范圍為20%～30%。在此借鑒國外經(jīng)驗(yàn)，采用專家評判分析后綜合賦值確定為28%。

根據(jù)上述體積法原理，獲得不同地質(zhì)概率下的資源量值。按照評價(jià)單元劃分，長9段含氣（油）頁巖段50%地質(zhì)概率資源總量為0.414 5×1012m3，可采資源總量為0.116 1×1012m3；長7段含氣（油）頁巖段50%地質(zhì)概率資源總量為1.150 6×1012m3，可采資源總量為0.322 2×1012m3；長4＋5段含氣（油）頁巖段50%地質(zhì)概率資源總量為0.255 1×1012m3，可采資源總量為0.071 4×1012m3。盆地中生界延長組頁巖氣50%地質(zhì)概率資源量合計(jì)為1.820 2×1012m3，可采概率資源總量為0.509 7×1012m3。計(jì)算結(jié)果表明鄂爾多斯盆地延長組頁巖氣資源巨大。

表2 鄂爾多斯盆地長7段含氣泥頁巖段體積法計(jì)算參數(shù)概率取值表

3 結(jié)論

1）通過野外調(diào)查、鉆井巖心觀察、老井復(fù)查、測井資料處理，明確了中生界含氣（油）頁巖的主要賦存層段為延長組長4＋5、長7、長9段，其中長7段頁巖品質(zhì)條件最好，其次為長9段和長4＋5段。

2）以陸相延長組含氣頁巖段為對象，研究表明延長組湖相頁巖分布面積較廣，厚度大，干酪根為腐泥型，有機(jī)碳含量高、分布差異性大，吸附能力強(qiáng)，含氣量值與海相頁巖相當(dāng)，納米級微孔隙發(fā)育等形成頁巖氣有利條件。

3）以延長組含氣頁巖段作為評價(jià)單元，依靠關(guān)鍵參數(shù)的概率取值，采用體積法計(jì)算出延長組長9段含氣（油）頁巖段50%地質(zhì)概率資源總量為0.414 5×1012m3；長7段為1.150 6×1012m3；長4＋5段為0.255 1×1012m3。其中長7段頁巖氣資源量占總資源量的63%，為下一步頁巖氣勘探開發(fā)優(yōu)先選擇段。結(jié)論認(rèn)為：鄂爾多斯盆地延長組頁巖氣資源量巨大，是未來值得重視的重要天然氣勘探開發(fā)新領(lǐng)域。

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