劉超英

(中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

頁巖氣勘探選區(qū)評價方法探討

劉超英

(中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

通過調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)油公司及地區(qū)的頁巖氣勘探選區(qū)評價方法及參數(shù)，在分析頁巖氣勘探選區(qū)評價關(guān)鍵問題的基礎(chǔ)上，突出頁巖氣的富集性和可采性，建立了頁巖氣“富集概率—資源價值”評價模型及數(shù)值化計算公式，并對評價結(jié)果進行了分類，應(yīng)用該方法針對中國石化川東南部分區(qū)塊進行了選區(qū)評價。

富集概率；資源價值；選區(qū)評價；頁巖氣

近年來，隨著頁巖氣地質(zhì)認識的不斷提高，配套鉆井工程、工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，頁巖氣勘探逐漸成為全球非常規(guī)能源勘探開發(fā)的熱點[1-5]。我國頁巖氣勘探前景廣闊，具有較好的頁巖氣成藏條件[6-15]。從這些眾多勘探目標中如何進行勘探選區(qū)？如何進一步明確勘探的方向和次序？這成為眾多勘探者研究的熱點和難點。國外油公司雖均有自身的評價方法，但由于中國盆地的差異性、復(fù)雜性，決定了我國頁巖氣勘探選區(qū)評價方法的獨特性，因此需要建立一套具有針對性的選區(qū)評價方法及參數(shù)。

本文在總結(jié)國內(nèi)外頁巖氣選區(qū)評價方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國頁巖氣勘探情況，分析了影響頁巖氣勘探選區(qū)評價的關(guān)鍵因素，通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，建立了頁巖氣選區(qū)評價方法及指標體系，并在實際勘探中得以應(yīng)用。

1 頁巖氣選區(qū)評價研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外油公司根據(jù)自身所在探區(qū)的地質(zhì)條件和勘探、開發(fā)技術(shù)的不同，采用了不同的選區(qū)評價方法和指標體系[16-18]，歸納總結(jié)主要有3種：即以BP公司、新田公司為代表的綜合風(fēng)險分析法(CCRS)、以埃克森美孚為代表的邊界網(wǎng)絡(luò)節(jié)點法(BNN-Boundary Network Node)和以雪佛龍、HESS、哈丁—歇爾頓等能源公司為代表的地質(zhì)參數(shù)圖件綜合分析法，這些選區(qū)評價方法及參數(shù)因每個公司側(cè)重點不同而有所差異(表1)，并且很多相關(guān)參數(shù)及賦值標準并未公開。

從公開報道來看，BP公司的頁巖氣綜合風(fēng)險分析法主要考慮9個參數(shù)(表1)，主要適用于高勘探成熟區(qū)域，評價的門檻值為Ro>1.2%、目標層段總有機碳含量大于4%、目標層段厚度75～150 m、分布面積大、基質(zhì)孔隙度為4%～6%、地層超壓、存在有利于壓裂措施的硅酸鹽巖石等。

哈丁—歇爾頓能源公司頁巖氣選區(qū)評價參數(shù)多達16項，內(nèi)容涵蓋地質(zhì)因素、環(huán)境因素、鉆井因素3大類。

表1 國外部分油公司頁巖氣評價參數(shù)

此外，國內(nèi)也由國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心出臺了“頁巖氣資源潛力評價方法與有利區(qū)優(yōu)選”工作指南，將頁巖氣分布區(qū)劃分為遠景區(qū)、有利區(qū)和目標區(qū)(核心區(qū))等3級[19]，并分成海相、海陸過渡相和陸相3類，在選區(qū)評價過程中按照不同的參考指標進行優(yōu)選，但該方法主要是針對單一目標區(qū)內(nèi)的“有利區(qū)”進行預(yù)測。

綜上所述，國外各大油公司所采用的評價參數(shù)及標準存在差異，主要針對高勘探程度的單一地質(zhì)單元內(nèi)的有利區(qū)優(yōu)選。針對我國疊合盆地的特點，以多種類型、多時代富有機質(zhì)頁巖氣的選區(qū)評價剛剛起步，相關(guān)的評價方法及標準有待建立。

2 頁巖氣勘探選區(qū)評價方法

2.1勘探選區(qū)評價模型及參數(shù)

頁巖氣勘探選區(qū)評價是以勘探區(qū)塊地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，以勘探區(qū)塊內(nèi)富含有機質(zhì)泥頁巖為目標，以泥頁巖的分布特征(厚度、連續(xù)性、面積等)、有機地化特征、巖石礦物特征、儲集性能、保存條件、頁巖氣顯示及測試、經(jīng)濟技術(shù)條件(地表地貌、埋深等)等資料為依據(jù)，進行頁巖氣勘探區(qū)塊評價及優(yōu)選，為頁巖氣整體勘探開發(fā)部署提供依據(jù)。

頁巖氣藏與常規(guī)天然氣藏生成、運移、賦存、聚集、保存等方面存在差異[20]，其特點表現(xiàn)在：①早期成藏，邊形成、邊賦存、聚集，不需要構(gòu)造背景；②自生自儲，泥頁巖既是氣源巖層，又是儲氣層，多種方式賦存、普遍含氣；③具有“原地”成藏特征，成藏運移距離較短；④對蓋層條件要求沒有常規(guī)天然氣高；⑤賦存方式及賦存空間多樣，存在吸附(有機質(zhì)、粘土顆粒表面微孔隙)、游離(天然裂縫和孔隙)或溶解(在干酪根和瀝青質(zhì)中)等多種方式；⑥氣、水關(guān)系復(fù)雜；⑦儲層孔隙度較低(通常小于5%)、孔隙半徑小(以微孔隙為主)，含氣量較低，裂縫發(fā)育程度不但控制游離狀頁巖氣的含量，而且影響頁巖氣的運移、聚集和單井產(chǎn)量；⑧開發(fā)過程中，頁巖氣井日產(chǎn)量較低，但生產(chǎn)年限較長。

根據(jù)頁巖氣與常規(guī)油氣在成因和開采方式上存在的差異，勘探選區(qū)評價中應(yīng)反映頁巖氣自身成因及開發(fā)特點，強調(diào)地質(zhì)風(fēng)險的不確定性，突出頁巖氣的可采性和經(jīng)濟性，研究以國內(nèi)外通用的“風(fēng)險—價值”評價模板為基礎(chǔ)，按照我國頁巖氣不同沉積背景下的演化特點，采用 “富集概率—資源價值”評價模型(圖1)，對頁巖氣進行統(tǒng)一評價。

對于同一假設(shè)結(jié)果有多個證據(jù)，每個證據(jù)對該結(jié)果的信任程度可能不相同，即各個證據(jù)間存在沖突。為了解決這一問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了很多修正方法，其中就包括對不同證據(jù)設(shè)置不同的折扣系數(shù)[13]。本文采用證據(jù)距離式(式(3))來度量證據(jù)Ei和Ej間的距離，基于此構(gòu)造證據(jù)間的相似度矩陣(式(4))并得到各證據(jù)的折扣系數(shù)(式(6))。

從生烴、賦存、可采性分析研究發(fā)現(xiàn)，控制頁巖氣富集性的主要因素為有機碳含量、面積、厚度、類型、成熟度、保存條件(斷裂發(fā)育程度、頂?shù)装?、含氣量及地質(zhì)認識等[21-23]?？刂破滟Y源價值及經(jīng)濟可采性指標主要集中在工程技術(shù)條件上，主要包括脆性礦物含量、有機質(zhì)豐度、地層壓力、埋藏深度、地表地貌條件、水源、市場管網(wǎng)、道路交通、其他等參數(shù)。

結(jié)合評價模型從頁巖氣富集概率及資源價值兩方面進行參數(shù)篩選，從生烴、賦存、可采三方面因素入手，優(yōu)選影響頁巖氣富集、體現(xiàn)資源價值的有效參數(shù)組合，并結(jié)合勘探程度、地質(zhì)認識的不同，針對評價對象優(yōu)選參數(shù)，盡量簡單、實用，以此建立頁巖氣勘探選區(qū)評價指標參數(shù)(表2)。

圖1 頁巖氣“富集概率—資源價值”評價模型示意

類別參數(shù)頁巖氣富集概率資源戰(zhàn)略價值生烴條件 有機碳含量(w(TOC))、成熟度(Ro)賦存條件 儲層裂隙發(fā)育、孔隙度、保存條件資料可靠程度 資料可靠程度指數(shù)可采條件 埋深、壓力系數(shù)、地面條件、技術(shù)適應(yīng)性(含單層厚度)、脆性物質(zhì)含量、泊松比資源規(guī)模、豐度 資源量(面積、厚度、含氣量)、(層)資源豐度

對比分析北美主要含頁巖氣盆地Barnett 頁巖、Haynesville 頁巖、Eagle Ford頁巖等典型已開發(fā)頁巖氣藏的地質(zhì)參數(shù)特征[24-27](表3)，北美成功頁巖氣開發(fā)區(qū)的有利生烴條件是含氣頁巖有機碳含量一般在1%以上，有的高達25%；含氣頁巖的厚度一般為30～60 m。有利的賦存條件是儲集層孔隙度3%～8%，微裂隙發(fā)育，巖性為紋層狀灰質(zhì)泥巖相、層狀—紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r相。有利開發(fā)條件為脆性礦物含量大于40%，粘土含量小于30%。此外，埋深、吸附氣含量、頁巖礦物組成和地層壓力等地質(zhì)參數(shù)也直接影響著頁巖氣藏開發(fā)方案、產(chǎn)量變化趨勢和壓裂改造工程工藝技術(shù)。

近年來，在川東南涪陵大安寨、川東北元壩大安寨、川東南彭水志留系頁巖氣勘探均取得重要突破，這些地區(qū)既有與北美地區(qū)的相似性，也具有其獨特性。如，川東南彭水地區(qū)彭頁HF-1井下志留統(tǒng)埋藏較淺(2 263～2 526.7 m)，地層壓力系數(shù)1.15，儲層為富有機質(zhì)頁巖夾砂巖層，礦物組成以硅質(zhì)為主(30. 8%～61.1%)，鈣質(zhì)含量低，屬于低超壓層狀硅質(zhì)頁巖型，與福特沃斯盆地Barnrtt頁巖氣藏相似。而川東南涪陵和川東北元壩大安寨段泥頁巖雖在氣藏壓力上與Haynesville、Eagle Ford頁巖氣藏具有超壓的相似性，但在頁巖礦物組成上存在著一定的差異，勘探選區(qū)評價的參數(shù)取值標準應(yīng)體現(xiàn)國內(nèi)地質(zhì)的特點。

類比國外頁巖氣評價參數(shù)的取值范圍，參照南方的寒武系及二疊系泥頁巖、華北地區(qū)石炭—二疊系煤系地層泥頁巖、西北地區(qū)的侏羅系煤系地層泥頁巖、鄂爾多斯盆地的中—古生界泥頁巖等15個盆地及地區(qū)的面積、厚度、有機碳、成熟度等地質(zhì)參數(shù)進行統(tǒng)計分析，劃分這些參數(shù)的取值范圍，建立評價的數(shù)學(xué)模型及賦值標準(表4～7)。

2.2選區(qū)評價方法數(shù)學(xué)模型和參數(shù)計算

分別建立“富集概率”及“資源價值”的數(shù)值化計算公式，頁巖氣富集概率需從生烴條件、賦存條件和油氣發(fā)現(xiàn)程度等條件進行分析，可用生烴條件、賦存條件和油氣發(fā)現(xiàn)程度3種因素概率的乘積表示(公式1)，其中P生烴條件、P賦存條件、P油氣發(fā)現(xiàn)程度考慮各自參數(shù)的影響，根據(jù)蒙特卡洛加權(quán)平均計算。

表4 頁巖氣生烴條件概率賦值

表3 北美典型頁巖氣藏類型及地質(zhì)特征參數(shù)對比

注：表中分式含義為最小值～最大值/平均值

表5 頁巖氣賦存條件概率賦值

P富集概率=P生烴條件×P賦存條件×P油氣發(fā)現(xiàn)程度

(1)

(2)

(3)

其中P有機碳和P成熟度依據(jù)表4進行賦值；P裂隙發(fā)育、P孔隙度和P保存條件依據(jù)表5進行賦值；P油氣發(fā)現(xiàn)程度是不同地質(zhì)認識程度下的資料的置信度差異，結(jié)合鉆井、測井、試驗資料進行給定。

頁巖氣資源戰(zhàn)略價值是根據(jù)可采條件、資源規(guī)模及資源豐度(層)的類比值加權(quán)平均計算得出的，公式如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

其中Q埋深、Q壓力系數(shù)、Q脆性礦物含量、Q泊松比和Q地面條件依據(jù)表6進行賦值；Q資源規(guī)模和Q層資源豐度依據(jù)表7進行賦值。

分別計算頁巖氣評價單元的富集概率及資源價值，在頁巖氣選區(qū)評價分類結(jié)果圖上做點(圖2)，根據(jù)“選優(yōu)剔差”的原則，按照所處區(qū)域得出選區(qū)的評價結(jié)果，考慮頁巖氣富集概率P和資源價值Q的關(guān)系，將分類結(jié)果分為3大類，4個小類(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個大類，其中Ⅱ又分為Ⅱ1和Ⅱ22小類)，結(jié)合雪佛龍公司風(fēng)險分類原則，以Ⅰ、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅲ類面積分別為1∶3∶3∶1的比例，確定Ⅰ、Ⅲ富集概率及資源價值分別為0.5的界限，建立結(jié)果的劃分標準。

表7 頁巖氣資源規(guī)模、層資源豐度賦值

表6 頁巖氣可采條件賦值

圖2 頁巖氣勘探選區(qū)評價結(jié)果分類

Ⅰ類區(qū)塊：該類區(qū)塊不但頁巖氣資源富集概率較高，而且資源規(guī)模較大，技術(shù)的適用性較好，為具有較好頁巖氣勘探開發(fā)潛力和勘探前景的區(qū)塊，是最有利的勘探區(qū)塊或開發(fā)目標，可以列為近期重點勘探評價或開發(fā)試驗地區(qū)，近期需要開展勘探工作。

Ⅱ1類區(qū)塊：該類區(qū)塊油氣富集概率高，但技術(shù)難度較大或資源規(guī)模較小、經(jīng)濟可采性有限，仍需要加強技術(shù)攻關(guān)或經(jīng)濟可開采性研究。

Ⅱ2類區(qū)塊：該類區(qū)塊油氣富集概率一般，但具有適應(yīng)的技術(shù)和可采條件，或具有較大的資源規(guī)模，仍需要加強地質(zhì)條件研究。

Ⅲ 類區(qū)塊：該類區(qū)塊資源潛力小或不具備經(jīng)濟價值，為可考慮退出頁巖氣勘探的區(qū)塊。

3 實例分析

中國南方的寒武系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系和四川盆地侏羅系廣泛發(fā)育富有機質(zhì)泥頁巖，尤其是下寒武統(tǒng)、上奧陶統(tǒng)和下志留統(tǒng)泥頁巖，具有面積大、時代老、有機質(zhì)豐富、成熟度高等特點[27-28]，與美國東部地區(qū)盆地頁巖氣成藏條件極為相似，潛力較大。但南方海相頁巖氣也存在著多期構(gòu)造運動疊加改造、熱演化程度高、保存條件復(fù)雜的缺點，陸相泥頁巖存在有機碳含量、孔隙度相對較低等缺點，在這些目標中哪些將是頁巖氣優(yōu)先投入勘探的區(qū)塊？研究中以中國石化四川盆地川東南部分區(qū)塊為例進行評價優(yōu)選，選擇桑植石門、湘鄂西、涪陵、綦江南、彭水為例進行評價。針對平面上區(qū)塊的劃分，結(jié)合縱向上的勘探層系，可以劃分為10個評價單元，分別為：桑植石門—五峰龍馬溪；桑植石門—水井沱；湘鄂西I—五峰龍馬溪；湘鄂西I—水井沱；涪陵—大安寨段；涪陵—東岳廟段；涪陵—五峰龍馬溪；綦江南—牛蹄塘；綦江南—五峰龍馬溪；彭水—五峰龍馬溪。

以彭水—五峰龍馬溪評價單元為例，從生烴條件看，彭水地區(qū)在晚奧陶世五峰期—早志留世龍馬溪期位于深水—半深水陸棚的沉積中心。結(jié)合露頭、鉆探揭示，通過研究認為，該區(qū)五峰—龍馬溪期彭水地區(qū)沉積的暗色泥頁巖厚度在60～110 m之間，有機碳含量高，w(TOC)多在1.5%～4.2%之間，平均為3.5%，有機質(zhì)Ro值約為2.0%～2.8%，處于過成熟早期階段，熱演化程度適中，有利于頁巖氣成藏。該區(qū)彭頁HF-1井已獲工業(yè)氣流，單井日產(chǎn)氣量在近2.5×104m3，資料可靠程度高。

從賦存條件看，豐富的有機質(zhì)為頁巖氣的形成提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)，增大了頁巖的吸附能力。該區(qū)斷裂發(fā)育較少，具有封閉的水文地質(zhì)條件，利于頁巖氣保存。

從可采性看，該區(qū)下志留統(tǒng)埋藏較淺(1 000～3 000 m)，地層壓力系數(shù)1.15，從彭頁1井深水—半深水陸棚相泥頁巖礦物分析表明，泥頁巖的石英含量為24%～44.2%，其中深水陸棚相段石英含量平均為44.2%，粘土礦物含量為29.8%～51.1%，碳酸鹽礦物含量為8%～12%，深泥頁巖脆性礦物含量高，具有進行大規(guī)模壓裂改造的條件。該區(qū)各項分析測試資料齊全，利用體積法初步計算資源量為9 715×108m3[20]。

分析相應(yīng)區(qū)塊的評價因素，結(jié)合賦值標準(表4～7)對評價參數(shù)進行賦值(表8)和計算(公式1～7)，得出其油氣富集概率及資源戰(zhàn)略價值，并投射到評價結(jié)果分類圖中(圖3)。

從圖3中可以看出，評價的5個區(qū)塊10個評價單元，屬于Ⅰ類的有涪陵(五峰龍馬溪、大安寨)、彭水(五峰龍馬溪)，應(yīng)進一步加大工作量；處于Ⅱ2類的綦江南—五峰龍馬溪、涪陵—東岳廟等，均屬于有資源規(guī)模，應(yīng)進一步加強研究；屬于Ⅲ類的有桑植—石門龍馬溪、綦江南—牛蹄塘，應(yīng)暫緩該區(qū)或?qū)酉档捻搸r氣勘探。此外，從評價結(jié)果整體看，該區(qū)海相層系優(yōu)于陸相層系。

經(jīng)過近期實際勘探，川東南涪陵地區(qū)興隆101井、福石1井大一段獲得突破，分別日產(chǎn)氣11×104m3和12.66×104m3；涪陵JY1井在下志留統(tǒng)龍馬溪組獲得突破，日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在11×104m3，這些成果不僅展示了四川盆地周緣復(fù)雜構(gòu)造區(qū)相對穩(wěn)定的負向構(gòu)造古生界海相頁巖氣具有良好的勘探前景，也進一步說明了勘探選區(qū)評價方法的可行性。

表8 川東南頁巖氣選區(qū)評價單元富集概率及資源價值賦值

圖3 川東南部分頁巖氣選區(qū)評價結(jié)果分類

4 結(jié)語

1)頁巖氣選區(qū)評價必須直接支持、跟蹤日常的勘探業(yè)務(wù)。選區(qū)評價是在大量區(qū)域綜合研究成果的基礎(chǔ)上，對特定區(qū)域背景下的評價單元的頁巖氣富集概率程度、含油氣規(guī)模及整體經(jīng)濟價值所進行的預(yù)測與評估。因此，大量的、多方面的基礎(chǔ)地質(zhì)參數(shù)的準確獲取，是評價工作的基礎(chǔ)與前提，同時也是評價結(jié)果可信度的必要保證。

2)頁巖氣勘探選區(qū)評價方法及參數(shù)研究剛剛起步，隨著勘探不斷深入以及地質(zhì)認識的不斷深化，對頁巖氣評價單元的認識也是不斷提高的。因此，根據(jù)實際資料的變化或新理論的提出和應(yīng)用，應(yīng)對頁巖氣勘探選區(qū)評價目標進行多輪次的動態(tài)評價，針對選區(qū)評價的指標體系的標準及分類也需要在實際過程中不斷完善和修正。

致謝：本研究得到了中國石油化工股份有限公司蔡希源總地質(zhì)師、馬永生副總地質(zhì)師、中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院何治亮副院長、鄭和榮副院長、徐旭輝副總地質(zhì)師、龍勝祥首席專家的指導(dǎo)幫助，在此表示感謝。

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(編輯徐文明)

Discussiononmethodsofshalegasexplorationevaluation

Liu Chaoying

(SINOPECExploration&ProductionResearchInstitute,Beijing100083,China)

The methods and parameters for shale gas exploration evaluation of petroleum companies at home and abroad are discussed. The key elements for shale gas exploration evaluation are studied, focusing on enrichment and admissibility. An evaluation model of “enrichment probability-resource value” is established and some calculation formulas are proposed. The evaluation results are classified. Some blocks of SINOPEC in southeastern Sichuan Basin are evaluated by means of this method.

enrichment probability; resource value; exploration evaluation; shale gas

1001-6112(2013)05-0564-06

10.11781/sysydz201305564

TE132.2

A

2013-04-18；

2013-07-23。

劉超英(1980—)，男，博士，高級工程師，從事勘探目標評價研究。E-mail: liuchaoying.syky@sinopec.com。

中國石化頁巖油氣資源評價及選區(qū)專項專題2(G5800-11-ZS-YTB001)項目資助。