页岩气资源评价方法体系及其应用——以川西坳陷为例

摘 要

摘要：根据页岩气发育条件及富集机理，结合油气资源评价方法的基本原则，系统归纳并建立了适合于不同地质及资料条件下的页岩气资源量与储量评价方法体系，包括：类比法(规模类比法、
摘要：根据页岩气发育条件及富集机理，结合油气资源评价方法的基本原则，系统归纳并建立了适合于不同地质及资料条件下的页岩气资源量与储量评价方法体系，包括：类比法(规模类比法、聚集条件类比法、综合类比法等)、成因法(产气历史分析法、剩余资源分析法、成因分析法等)、统计法(体积统计法、吸附要素分析法、地质要素分布概率风险分析法、产量分割法等)和综合分析法(蒙特卡洛法、打分法、盆地模拟法、专家赋值法、特尔菲综合法等)。通过对四川盆地川西坳陷页岩气地质条件和富集有利性的分析，优选上三叠统须家河组须五段为该地区页岩气发育且具有经济可采意义的有利层段。结合该地区实际地质条件，分别采用地质类比法、成因分析法和体积法对川西坳陷页岩气资源量进行了计算，运用特尔菲法加权得到该地区页岩气资源总量为1.47×1012～1.68×1012m3，均值为1.58×1012m3。平面上，页岩气勘探研究有利区主要分布于新场-德阳-广汉-新都-温江-大邑一线的成都凹陷。
关键词：四川盆地西部；晚三叠世；页岩气；资源评价；类比法；成因法；统计法；综合分析法；有利区
    虽然前人已从不同角度对页岩气的资源量进行过探讨[1～6]，但由于页岩气在形成方式和聚集形式上与常规气存在着明显差异，常规的资源量与储量评价体系和参数取值方法已不能很好地适用于对页岩气的评价，导致了页岩气资源评价的不确定性。因此，有必要对页岩气的资源量与储量评价体系进行研究。
1 页岩气资源评价方法体系
页岩气发育条件及富集机理的特殊性，决定了相应资源评价方法和参数取值的特殊性。结合常规的油气成藏特点，通常的油气资源评价方法一般采用系统的“累加”法原则和思路进行，与常规油气的不断“富集”过程和特点相吻合；页岩气以吸附和游离两种状态同时赋存于泥页岩中，天然气的富集兼具有煤层气、根缘气和常规储层气的机理特点，表现为典型的天然气吸附与脱附、聚集与逃逸的动态过程，资源量与储量评价方法需相应调整和考虑；当页岩物性超出下限(孔隙度小于1%)、页岩含气量达不到工业标准或者埋藏深度超出经济下线(埋深4km)时，页岩气资源量与储量计算结果宜采取适当办法予以总量中的扣除。基于常规油气资源评价方法并考虑页岩气聚集的地质特殊性，采用系统性思想和原则，将页岩气资源量与储量评价方法划分为4大类及若干小类(表1)。
表1 页岩气资源量与储量评价方法表
类比法
成因法
统计法
综合分析法
规模(面积、体积等)类比法、聚集条件类比法、综合类比法等
剩余资源分析法、成因分析法、产气历史分析法等
体积统计法、吸附要素分析法、地质要素风险概率分析法、产量分割法、趋势分析法等
蒙特卡洛法、专家赋值法、盆地模拟法、打分法、资源规模序列法、特尔斐综合分析等
1.1 类比法
    类比法是页岩气资源量与储量评价和计算的最基本方法，由于重点考虑的因素不同而可以进一步划分为多种。该方法可适应于不同的地质条件和资料情况，但由于目前已成功勘探开发的页岩气主要集中在美国且页岩气富集模式还很有限，故该方法的应用目前还局限于与美国页岩气区具有相似地质背景的研究对象中。假设q为标准区页岩气总资源量、k1为评价区地质参数(或评价系数)；k2为标准区地质参数(或评价系数)；c为修正系数，则评价区页岩气资源量或储量Q为：
    Q=qk1/(k2c)    (1)
    页岩气地质评价系数的主控因素为源岩总有机碳含量、成熟度、类型、厚度以及埋深等。因此在计算中往往以这5个条件作为地质评价系数赋值的基本依据，根据各自在评价过程中的重要性不同，可分别赋予不同权重(PO，PR，PT，Ph，PH)进行计算，地质评价系数由下式加以确定：
   K=POKO+PRKR+PTKT+PhKh+PHKH      (2)
式中：K表示地质评价系数；KO表示总有机碳含量条件系数；KR表示有机质成熟度条件系数；KT表示有机质类型条件系数；Kh表示厚度条件系数；KH表示埋深条件系数。
1.2 成因法
    成因分析法是基于页岩气形成过程极其复杂(如古生界海相页岩)，要弄清页岩生气过程中每一次生、排烃过程几乎不可能的条件下进行的，在页岩气的资源与储量评价计算过程中宜采用“黑箱”原理进行，即将页岩视为“黑箱”并以页岩气研究为核心[7]，通过多次试验分别求得页岩的平衡聚集量，进而求得页岩的剩余总含气量。由于在常规的页岩气资源评价方法中，页岩气是被作为残留于烃源岩中的损失量进行计算的，故页岩气资源量的成因算法是对油气资源量计算的重要补充。其中的剩余资源分析法适用于页岩气勘探开发早期。当盆地内页岩总生气量Q和常规类型天然气资源量或储量Qn(含逸散量)为已知，并假定其他非常规天然气资源量可以忽略不计时，页岩气资源量Qs为总生气量与常规资源总量的差值[8]，即
    Qs=Q-Qn    (3)
1.3 统计法
    当已经取得一定的含气量数据或拥有开发生产资料时，使用统计法进行页岩气资源与储量计算易于取得更加准确数据。
    用体积统计法对页岩气进行资源量计算主要是以满足TOC＞O.3%、Ro＞o.4%、埋藏深度不超过4km的页岩发育面积和厚度求得页岩气含气体积，进而求得资源量。假设页岩的有效体积为V，单位重量页岩总含气量为A，岩石密度为ρ，则由下式可求得资源量或储量Q：
    Q=AVρ    (4)
    吸附要素分析法主要考虑页岩气赋存状态与其约束因素之间的统计关系，页岩总含气量Qa与其总有机碳含量x1、有机质类型x2、有机质成熟度x3、伴生矿物类型x4等存在一定的统计关系[9]，即
    Qa=f(x1，x2，x3，x4，…，xn)    (5)
    进一步，根据上述各影响因素自身的概率函数分布对其进行概率赋值，可求得页岩气资源分布的概率分布函数，据此可计算不同概率条件下的页岩气资源/储量，即
    Qp=f(Sp，Hp，φp，Kp，…)   (6)
式中：Qp表示概率p条件时的资源量，Sp、Hp、φp、Kp分别表示面积、厚度、孔隙度、渗透率等参数。
1.4 综合分析法
    在类比法、成因法、统计法计算资源量的基础上，采用蒙特卡洛法、打分法、盆地模拟法、专家赋值法、特尔菲综合法等对计算结果进行综合分析，并可通过概率分析法对页岩气资源的平面分布进行预测，得出可信度较高的结果。
    盆地模拟方法及先进的盆地模拟软件可以定量模拟烃源岩的成熟演化及空间的展布特征，恢复盆地在地史时期中的烃源岩生排烃过程，利用动态研究的思想分析并预测页岩生气以后的留排过程，计算页岩中天然气的现今存留数量作为页岩气资源评价的结果[7]。
    蒙特卡洛法是一种基于“随机数”的计算方法，它回避了结构可靠度分析中的数学困难而不需要考虑状态函数特征，只要模拟次数足够多，就可以得到一个比较精确的可靠度指标。计算公式可表示为页岩气成藏地质要素与经验系数的连乘[10]，即资源量Q可表示为：
 
式中：f(Xi)表示第i个地质要素的值；Q表示资源量；K表示所有经验系数的乘积。
    特尔菲综合法的主要原理是将不同地质专家对研究区页岩气的认识进行综合，是完成资源汇总与分析的重要手段。在美国、加拿大等国家，特尔菲法被认为是最重要的评价方法之一。
2 在川西坳陷的应用
2.1 页岩气地质条件
    川西地区属于扬子地台西北缘，在历经了多期次的构造运动复合叠加后形成现今的构造面貌，其构造形变总体可归为龙门山构造形变系统[11～12]。该区上三叠统地层白下而上发育了马鞍塘组、小塘子组以及须家河组二段、三段、四段、五段。它们具有良好的生烃能力，如须三段厚度为700～1000m，为一套以湖沼相为主的深色泥页岩夹薄层砂岩和煤层的巨厚沉积。由于其平均埋深为4.5km，远远超过了目前页岩气勘探开发的经济深度界限。因此从可采资源量(储量)计算中予以剔除(当页岩埋藏深度超过4km时，资源量与储量综合分析与汇总评价时赋专家分值为零)。研究区内埋藏深度在4km以内且富含有机质的暗色泥页岩仅有须家河组五段，须五段埋深介于1800～4057m，地层厚度为466～600m，为一套扇三角洲-滨浅湖相沉积，总体以黑色、灰黑色页岩为主，夹薄层深灰色细-砂岩和煤层，区内广泛发育且稳定分布[3]。
    研究区须五段的有机质干酪根为典型的腐殖型，总有机碳含量多分布于1%～8%之间(占到统计样品总数的90%以上)，主峰为2%～4%(图1)，最大可达到18.9%，计算平均值为4.0%。因此，较高的总有机碳含量有利于页岩气的生成和吸附富集。须五段有机质成熟度随深度增加而变大的规律比较明显，测试数据结果主要分布在1.01%～1.68%，平均值为1.3%，处于成熟-高成熟过渡阶段(图2)，可视为处于页岩气发育的最有利阶段。
 
2.2 须五段页岩气资源评价
2.2.1类比法资源量计算
将川西坳陷须五段页岩的地质特征与美国五大页岩气盆地对比后发现[13～14]，无论是在盆地特点，还是源岩条件抑或是储集性能等方面，川西坳陷须五段页岩气地质条件都与美国福特沃斯盆地Barnett具有明显的可比性。因此可采用福特沃斯盆地的页岩气系统作为类比标准区，用地质类比法对川西坳陷页岩气的资源潜力进行评价(表2)。
表2 页岩气资源预测类比参数取值标准表
参数名称
权值
分值
4～5
3～4
2～3
1～2
≤1
页岩累积厚度(m)
0.1
≥600
400～600
200～400
20～200
≤20
页岩单层厚度(m)
0.1
≥50
30～40
20～30
10～20
≤10
总有机碳含量(%)
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
在运用类比法进行资源量或储量计算的过程中，对结果影响较大的关键参数是油气资源丰度。福特沃斯盆地已进入页岩气开发程度较高的阶段，资源量的测算较为准确。根据福特沃斯盆地面积3.81×104km2[15]及其资源量为1.65×1012～6.01×1012m3[16]，并考虑研究区地质条件的差异性，使用地质条件系数求得研究区平均资源丰度为0.46×108m3/km2(表3)。根据表3提供的数据并以川西坳陷区域面积6.0×104km2为基础[17]，计算可得川西坳陷须五段页岩气总资源量为2.26×1012m3。
表3 川西坳陷须五段与福特沃斯盆地Barnett页岩综合评价条件类比表
对比项目
累计厚度(m)
单层厚度(m)
深度(km)
TOC(%)
Ro(%)
地质评价系数
福特沃斯盆地Barnett页岩
60～91
16～60
1981～2591
4.5
1.00～1.30
3.78
评价系数
1.5
3.7
4.0
3.4
4.6
四川盆地川西坳陷须五段
7～80
2～28
1800～3000
4.0
1.01～1.68
3.12
评价系数
1.7
2.0
3.0
3.1
4.8
2.2.2成因法资源量计算
    由于研究区天然气勘探程度相对较高，前人计算的烃源岩生烃量结果可以直接参与成因法页岩气资源量计算。研究结果表明，川西坳陷须五段在早侏罗世末期开始生烃，到白垩纪末期生烃结束，此段地层的总生烃量达到11.46×1012m3。宋国奇根据Kim(1982)建立的煤层甲烷与埋深、成熟度关系曲线对胜利油区的上古生界煤岩进行了相关研究，建立了成熟度与排烃系数之间的对应关系[18]，并认为Ro为1.25%时，排烃系数为86.89%；Ro为1.5%时，排烃系数为87.56%。川西坳陷须五段Ro均值为1.3%。因此研究中可取87%作为该地区的排烃系数，由此计算页岩气资源量为1.49×1012m3。
2.2.3体积统计法资源量计算
    川西坳陷上三叠统须五段在区内稳定连续发育，总面积约1.44×104km2，有效厚度为50～350m[11]，总有机碳含量平均达4%，Ro在1.3%左右。对美国五大盆地页岩进行分析认为页岩气在总有机碳含量为0.3%、有机质成熟度为0.4%时也可具备形成页岩气的源岩条件[6]。因此以TOC=0.3%和Ro=0.4%的页岩气发育条件为下限，以页岩中的工业含气量标准[19～20]归为依据，厘定须五段页岩发育有效体积为480～3360km3，研究区泥质烃源岩密度平均值为2.4t/m3。结合对泥页岩含气量所进行的统计分析，可选择吸附量2～4m3/t进行计算。页岩气中以吸附状态存在的天然气含量变化于20%～85%之间[21]。根据相关公式计算可得该区须五段的页岩气资源量为0.67×1012～1.35×1012m3(表4)。
 
2.2.4综合法资源量计算
    根据上述3种方法计算的结果，并考虑到研究区地质条件的复杂性而可能带来的计算偏差，对前文计算结果进行特尔菲加权处理以得到相对合理的数据结果：地质类比法运用评价区与页岩气勘探程度较高的福特沃斯盆地进行类比，但由于两者在地质特点及勘探程度上存在着一定的差异性，综合考虑权重系数赋值为0.3(表5)；川西坳陷天然气勘探开发程度相对较高，用成因法进行计算时所用数据均为前人可靠程度较高的数据，该方法计算结果的权重系数取值0.4；采用体积法进行计算时，由于数据较少，页岩含气量不能准确确定，只能赋予其不同的概率值，可信度差异较大，计算结果参与综合时的权重系数取值0.3。特尔菲方法计算后的最终结果为1.47×1012～1.68×1012m3，即川西坳陷上三叠系须家河组五段的页岩气资源量均值为1.58×1012m3。
表5 特尔菲法预测川西坳陷地区页岩气资源量结果表
评价方法
权重
资源量(1012m3)
地质条件类比法
0.3
2.26
成因分析法
0.4
1.49
体积法
0.3
0.67～1.35
特尔菲综合法
 
1.47～1.68
2.2.5页岩气资源量平面分布
    采用网格剖分法可对研究区得资源量进行平面上的微元分析，即根据各微元的页岩厚度、页岩含气量(页岩中的气体吸附率按50%[22]计算)、岩石密度以及总有机碳含量等，可对研究区内须五段的页岩气资源密度进行平面计算，进一步通过微元积分法亦可得研究区页岩气资源总量。以川西坳陷中段为例(图3)，资源密度等值线高值主要集中在新场德阳-广汉-新都-温江-大邑一线的成都凹陷，表明该区可作为页岩气进一步勘探研究的有利目标区。
3 结论
    1) 页岩气在形成方式和聚集形式上与常规气存在差异，资源量或储量计算及评价方法亦有别于常规油气。在常规油气资源评价方法基本上，根据页岩气发育条件及富集机理，可以采用类比法、成因法、统计法和综合分析法进行系统的页岩气资源量与储量计算和评价。
    2) 结合页岩气地质资源的有利有效性分析，川西坳陷上三叠统须五段为具有经济可采价值的有利层段。
    3) 结合地质条件分析，采用系统性页岩气资源评价方法对研究区目标层进行了资源计算，得到资源量结果为1.47×1012～1.68×1012m3，均值为1.58×1012m3，在平面上主要分布于新场-德阳-广汉-新都-温江-大邑一线的成都凹陷。
    致谢：感谢张金川教授、唐玄博士以及汪宗余、张培先、王广源、张琴、唐颖等的指导和帮助!
参考文献
[1] 张金川，金之钧，袁明生.页岩气成藏机理和分布[J].天然气工业，2004，24(7)：15-18.
[2] 聂海宽，唐玄，边瑞康.页岩气成藏控制因素及中国南方页岩气发育有利区预测[J].石油学报，2009，30(4)：486-1491.
[3] 叶军，曾华胜.川西须家河组泥页岩气成藏条件与勘探潜力[J].天然气工业，2008，28(12)：18-25.
[4] 唐立章，张晓鹏.川西坳陷油气资源潜力[J].天然气工业，2004，24(7)：5-8.
[5] 董大忠，程克明，王世谦，等.页岩气资源评价方法及其在四川盆地的应用[J].天然气工业，2009，29(5)：33-39.
[6] 张金川，徐波，聂海宽，等.中国页岩气资源勘探潜力[J].天然气工业，2008，28(6)：136-140.
[7] 张金川，金之钧.深盆气资源量-储量评价方法[J].天然气工业，2001，21(4)：32-35.
[8] 金之钧，张金川.油气资源评价技术[M].北京：石油工业出版社，1999：8-10.
[9] MILICI R C. Autogenic gas(self sourced)from shalesan example from the Appalachian basin[R]∥Howell D G，ed，the future of energy gases.[S. l.]：U S Geological Survey，Professional Paper，1993：253-278.
[10] 羊东晓，杨晓兰.西方油公司油气资源评价与油藏经营管理探析[J].江汉石油学院报，2004，26(9)：156-157.
[11] 郭正吾，邓康龄，韩永辉，等.四川盆地形成与演化[M].北京：地质出版社，1996：1-54.
[12] 罗啸泉，郭东晓.川西断裂分布特征与油气的关系[J].西南石油学院学报，2004，26(6)：17-21.
[13] 孙肇才，郭正吾.中国南方古、中生界海相油气勘探研究[M].北京：科学出版社，1993：1-25.
[14] 马力，陈焕疆，甘克文，等.中国南方大地构造和海相油气地质：上册[M].北京：地质出版社，2004：1-200.
[15] 聂海宽，张金川，张培先，等.福特沃斯盆地Barnett页岩气藏特征及启示[J].地质科技情报，2009(2)：87-93.
[16] CURTIS J B. Fractured shale-gas systems[J].AAPG Bull，2002，86(11)：1921-1938.
[17] 符晓.川西坳陷天然气资源与勘探开发[M].武汉：中国地质大学出版社，2001.
[18] 宋国奇，徐春华.胜利油区古生界地质特征及油气潜力[M].武汉：中国地质大学出版社，2000.
[19] SCHMOKER J W. Determination of organic-matter content of Appalachian Devonian shales from gamma-ray logs[J].AAPG Bulletin，1981，62：1285-1298.
[20] SCHMOKER J W. Use of formation density logs to determine organic carbon content in Devonian shales of the western Appalachian basin，and an additional example based on the Baken Formation of the Willeston basin[M]∥ROEN J B，KEPFERLE R C. Petroleum Geology of Devonian and Mississippian Black Shale of Eastern North America. Washington：US Geological Survey，1993，1909：1-14.
[21] 张金川，汪宗余，聂海宽，等.页岩气及其勘探研究意义[J].现代地质，2008，22(4)：640-646.
[22] JARVIEDM，HILLRJ，RUBLETE，et al. Unconvention al shale gas systems：The Mississippian Barnett Shale of north central Texas as one model for the rmogenic shale gas assessment[J].AAPG Bulletin，2007，91(4)：475-499.
 
(本文作者：朱华1 姜文利2 边瑞康1 宋晓微1 姜生玲1 尹腾宇1 1.教育部“海相储层演化与油气富集机理”重点实验室 中国地质大学 北京；2.国土资源部油气战略研究中心)