页岩气资源评价方法与关键参数探讨_陈新军
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石 566 2012 年 10 月
油
勘
探
与
开
发 Vol.39 No.5
PΒιβλιοθήκη BaiduTROLEUM EXPLORATION AND DEVELOPMENT
文章编号： 1000-0747(2012)05-0566-06
页岩气资源评价方法与关键参数探讨
陈新军 1，包书景 1，侯读杰 2，毛小平 2
（ 1. 中国石化石油勘探开发研究院； 2. 中国地质大学（北京）能源学院） 基金项目：中国石化页岩油气资源评价与选区专项（YYYQ-ZP-01） 摘要： 研究页岩气资源的评价方法及关键参数，以准确评价页岩气资源潜力。在勘探程度相对较高的地区，推荐以 体积法为主、类比法为辅进行资源评价；在勘探程度较低的地区，推荐采用类比法进行资源评价。提出了“含气泥 页岩系统”的概念，并将其作为评价单元计算泥页岩厚度。含气泥页岩系统是指由上下致密层封挡的同一压力系统 内的岩性组合，主要由富有机碳的泥页岩和砂岩、碳酸盐岩夹层构成，有含气泥页岩的测井响应特征，顶、底板为 致密岩层，含气层段连续厚度大于 30 m，内不含明显的水层。根据勘探程度和资料丰富程度的不同，可采用不同方 法获得含气泥页岩系统的厚度；在勘探程度较高、资料较丰富的地区，可以利用测井资料和有机碳含量较准确计算 其厚度；在勘探程度低或者特低的地区，可以通过野外地质剖面、地震剖面、沉积特征等资料，使用类比法来推算 含气泥页岩系统的厚度。图 4 表 1 参 17 关键词： 页岩气；资源评价；含气泥页岩系统；泥页岩厚度 中图分类号： TE132.2 文献标识码： A
中国广泛发育陆相、海相、海陆过渡相泥页岩[5-6] ，
2012 年 10 月
陈新军 等：页岩气资源评价方法与关键参数探讨
567
其中，陆相泥页岩主要分布在东部断陷盆地古近系、 四川盆地及周缘的上三叠统和下侏罗统、鄂尔多斯盆 地三叠系、西北地区侏罗系等，勘探程度相对较高； 海相泥页岩主要分布在南方古生界、北方地区石炭系 — 二叠系、西部古生界等，勘探程度相对较低；海陆 过渡相泥页岩主要分布于南方二叠系、北方地区石炭 系 —二叠系、西部二叠系等，勘探程度中等。 不同勘探程度的盆地或凹陷，应选择与之相适应 的评价方法。一般情况下，在勘探程度相对较高的地 区，推荐以体积法为主、类比法为辅进行资源评价； 在勘探程度较低的地区，推荐采用类比法进行评价。 1.1 体积法 体积法是根据泥页岩的含气性对页岩气资源量进 行评价，适用于计算勘探程度高的探区的页岩气资源 量 。页岩气总资源量等于吸附气、游离气和溶解气的 资源量之和，但由于泥页岩中所含溶解气极少，故页 岩气总资源量可近似等于吸附气与游离气资源量之 和。计算游离气资源量，首先通过岩心分析计算出 含水饱和度，如果含油，计算出含油饱和度，进而 确定岩心游离气饱和度，然后通过建立岩电关系， 利用饱和度测井估算游离气含量。吸附气含量主要 通过解吸和测井手段获取：利用测井资料求得地层中 总有机碳含量，再结合等温吸附实验结果，经过地层 温度和地层压力校正，最终求取地层条件下的吸附气 含量。 1.2 类比法 在缺乏钻井数据的情况下，从区域地质、储集层、 地球化学特征等多方面，将低勘探程度探区的页岩与 北美典型页岩或高勘探程度探区的页岩进行比较，粗 略估算其资源量 。虽然这种方法估算的结果精度不 高，但也能为初期勘探提供一些指导。 类比法的适用条件是： ① 预测区的油气成藏地质 条件基本清楚； ② 类比标准区已进行了系统的页岩油 气资源评价研究，且已发现油气田或油气藏。 ③ 预测 区和标准区的油气成藏地质条件类似。根据具体操作 方法的不同，类比法又可分为面积类比法和含气量类 比法，前者以资源丰度作为主要的类比参数，后者以 含气量作为主要的类比资源参数 [7]。
Key words: shale gas; resources evaluation; gas-bearing shale system; shale thickness
0 引言
中国沉积盆地中富有机质泥页岩分布广泛，震旦 系 — 古近系均有分布；含气页岩厚度大，成熟度高， 生烃能力强，油气显示活跃，具有较好的页岩气成藏 条件，勘探前景广阔 [1-3]。但各地区页岩气藏地质特征 差异大，资料完善程度不一，而且影响页岩气富集的 因素多，因此很难建立统一的页岩气资源评价方法。 以往根据泥质烃源岩的累计厚度及面积来估算页
岩气资源量 [4]，得到的资源量很大，但在工程上的可操 作性不强。本文提出以含气泥页岩系统作为纵向评价 单元（计算单元）对页岩气资源量进行评价，不但可 以明确页岩气勘探开发的目的层段，获得相对客观、 可靠的页岩气资源量，而且考虑到了工程压裂的可操 作性，实现了与工程技术的结合。
1 中国页岩气资源评价方法
[7] [7]
气勘探开发的关键和目标。页岩气气藏在构造特征、 储集空间类型、储集层物性、富集机理等方面与常规 气藏有较大差异 [8]。 国外各大石油公司在页岩气选区评 价中所采用的关键参数 [9-14]大致有 2 类， 即地质条件类 和工程技术条件类参数，前者控制页岩气的生成与富 集，包括含气页岩面积、厚度、有机质丰度、类型、 成熟度、脆性矿物含量及油气显示等；后者控制页岩 气的开发成本，包括埋藏深度、地表地貌条件、道路 交通等。页岩达到一定厚度是形成页岩气富集区的基 本条件，页岩厚度也是页岩气资源丰度高低的重要控 制因素，直接影响页岩气资源量的大小 [15-17]。 2.1 含气泥页岩系统 为了确定页岩的有效厚度，本文提出了“含气泥 页岩系统”的概念，即钻井剖面、地震剖面或野外地 质剖面中，由上下致密层封挡的同一压力系统内的岩 性组合，主要由富有机碳的泥页岩和粉砂岩、砂岩、 碳酸盐岩夹层构成。含气泥页岩系统的划分主要依据 测井响应特征、岩性组合特征、有机碳含量、气测显 示等资料。富有机碳的泥页岩为系统的顶和底，内部 不含明显的水层，连续厚度一般不超过 100 m （由水平 井分段压裂工艺决定） 。 在页岩气资源评价过程中，建议将含气泥页岩系 统作为评价单元，即纵向上划分出一个或多个含气泥 页岩系统进行评价。含气泥页岩系统（见图 1）划分的 依据是： ① 以传统的地层单元为界，含气层段连续厚 度大于 30 m，以富含有机质泥页岩为主，内部可以有 砂岩、碳酸盐岩夹层；泥页岩 TOC 值大于 0.5%、 Ro 值大于 0.5%，Ⅲ型干酪根，累计厚度一般大于 20 m 且占含气泥页岩系统厚度的 60% 以上； ② 顶、底板 为致密岩层，内部无明显水层；③有明显的气测异 常；④伽马、电阻率、声波时差、密度等测井曲线 具有含气泥页岩的测井响应特征； ⑤ 处于同一压力系 统内。 如果钻井资料尚不齐全，也可在露头上以富含有 机质泥页岩发育段为目标进行评价单元划分。在有多 口井或多个露头剖面的情况下，逐井（或露头）进行 纵向评价单元的划分和对比，为整个评价区的准确刻 画提供参考和依据。 在纵向评价单元划分的基础上，确定含气泥页岩 系统的厚度。根据每口井含气泥页岩系统的厚度，绘
2 关键参数探讨
富有机质泥页岩具有普遍的含气性，寻找页岩气 富集区并通过合适的工程措施获得工业气流，是页岩
568
石油勘探与开发・油气勘探
Vol. 39
No.5
制含气泥页岩系统等厚图。 在页岩气资源评价过程中，对于泥页岩不仅需要
度，m；xi——第 i 小层某参数的平均值；m— —小层个 数；xij— —第 i 小层中第 j 个测点的某参数值；ni——第 i 小层中测试点个数； i——小层编号； j——测点编号。
Methods and key parameters of shale gas resources evaluation
Chen Xinjun1, Bao Shujing1, Hou Dujie2, Mao Xiaoping2
(1. Sinopec Research Institute of Petroleum Exploration and Production, Beijing 100083, China; 2. School of Energy, China University of Geosciences, Beijing 100083, China) Abstract: Methods and key parameters of shale gas resources evaluation are studied so as to accurately assess the potential of shale gas
resources. In much-explored areas, the volume method, followed by the analogy method, is recommended for evaluation; in less-explored areas, the analogy method is recommended. The concept of “gas-bearing shale system” is put forward and taken as an evaluation unit to calculate the thickness of shale. It refers to the lithologic assemblage sealed by upper and lower tight layers in one pressure system, composed of organic carbon-rich shale and the interbeds of sandstones and carbonates, featuring the logging responses of gas-bearing shale, with tight rocks at top and bottom, and the continuous thickness of gas-bearing interval being more than 30 m and no obvious water layer. According to exploration degree and available data, different methods may be selected to calculate the thickness of gas-bearing shale system. The logging data and the content of organic carbon are used in the areas with high degree of exploration and abundant data, while field geological profile, seismic profile, depositional characteristics and other data are considered in areas with low or ultra-low degree of exploration.
图2
含气泥页岩系统示意图
2.2 含气泥页岩系统厚度获取方法 2.2.1 勘探程度较高的地区 在勘探程度较高的地区，可以结合测井曲线、气 测数据、有机碳数据等确定含气泥页岩系统的厚度。分 别按 TOC <0.5% 、 0.5% ≤ TOC <1.0% 、 1.0% ≤ TOC ≤ 2.0% 、 TOC >2.0% 来统计每口井中含气泥页岩层段的 厚度。 当有机碳含量数据不足时，可利用测井资料来拟 合有机碳数据，建立有机碳含量与测井电阻率及声波 时差的关系式： TOC=a lgRLLD+b Δt+c 式中 差， s/m； a， b， c— —待定参数。 可根据实验分析测定的 TOC 值、测井资料，利用 （ 1） （ 2） 多元统计分析进行拟合，求解得到公式中的参数 a、b、 c；然后将测井数据代入公式，求得未做 TOC 测定但有 测井资料地区的 TOC 值。也可根据评价区的资料，探 索应用测井资料推算有机碳含量的方法， 以准确刻画与 评价含气泥页岩系统中不同类型岩石的有机质丰度。 （ 3） RLLD ——深侧向电阻率， Ω ・ m ； Δt —— 声波时
油
勘
探
与
开
发 Vol.39 No.5
PΒιβλιοθήκη BaiduTROLEUM EXPLORATION AND DEVELOPMENT
文章编号： 1000-0747(2012)05-0566-06
页岩气资源评价方法与关键参数探讨
陈新军 1，包书景 1，侯读杰 2，毛小平 2
（ 1. 中国石化石油勘探开发研究院； 2. 中国地质大学（北京）能源学院） 基金项目：中国石化页岩油气资源评价与选区专项（YYYQ-ZP-01） 摘要： 研究页岩气资源的评价方法及关键参数，以准确评价页岩气资源潜力。在勘探程度相对较高的地区，推荐以 体积法为主、类比法为辅进行资源评价；在勘探程度较低的地区，推荐采用类比法进行资源评价。提出了“含气泥 页岩系统”的概念，并将其作为评价单元计算泥页岩厚度。含气泥页岩系统是指由上下致密层封挡的同一压力系统 内的岩性组合，主要由富有机碳的泥页岩和砂岩、碳酸盐岩夹层构成，有含气泥页岩的测井响应特征，顶、底板为 致密岩层，含气层段连续厚度大于 30 m，内不含明显的水层。根据勘探程度和资料丰富程度的不同，可采用不同方 法获得含气泥页岩系统的厚度；在勘探程度较高、资料较丰富的地区，可以利用测井资料和有机碳含量较准确计算 其厚度；在勘探程度低或者特低的地区，可以通过野外地质剖面、地震剖面、沉积特征等资料，使用类比法来推算 含气泥页岩系统的厚度。图 4 表 1 参 17 关键词： 页岩气；资源评价；含气泥页岩系统；泥页岩厚度 中图分类号： TE132.2 文献标识码： A
中国广泛发育陆相、海相、海陆过渡相泥页岩[5-6] ，
2012 年 10 月
陈新军 等：页岩气资源评价方法与关键参数探讨
567
其中，陆相泥页岩主要分布在东部断陷盆地古近系、 四川盆地及周缘的上三叠统和下侏罗统、鄂尔多斯盆 地三叠系、西北地区侏罗系等，勘探程度相对较高； 海相泥页岩主要分布在南方古生界、北方地区石炭系 — 二叠系、西部古生界等，勘探程度相对较低；海陆 过渡相泥页岩主要分布于南方二叠系、北方地区石炭 系 —二叠系、西部二叠系等，勘探程度中等。 不同勘探程度的盆地或凹陷，应选择与之相适应 的评价方法。一般情况下，在勘探程度相对较高的地 区，推荐以体积法为主、类比法为辅进行资源评价； 在勘探程度较低的地区，推荐采用类比法进行评价。 1.1 体积法 体积法是根据泥页岩的含气性对页岩气资源量进 行评价，适用于计算勘探程度高的探区的页岩气资源 量 。页岩气总资源量等于吸附气、游离气和溶解气的 资源量之和，但由于泥页岩中所含溶解气极少，故页 岩气总资源量可近似等于吸附气与游离气资源量之 和。计算游离气资源量，首先通过岩心分析计算出 含水饱和度，如果含油，计算出含油饱和度，进而 确定岩心游离气饱和度，然后通过建立岩电关系， 利用饱和度测井估算游离气含量。吸附气含量主要 通过解吸和测井手段获取：利用测井资料求得地层中 总有机碳含量，再结合等温吸附实验结果，经过地层 温度和地层压力校正，最终求取地层条件下的吸附气 含量。 1.2 类比法 在缺乏钻井数据的情况下，从区域地质、储集层、 地球化学特征等多方面，将低勘探程度探区的页岩与 北美典型页岩或高勘探程度探区的页岩进行比较，粗 略估算其资源量 。虽然这种方法估算的结果精度不 高，但也能为初期勘探提供一些指导。 类比法的适用条件是： ① 预测区的油气成藏地质 条件基本清楚； ② 类比标准区已进行了系统的页岩油 气资源评价研究，且已发现油气田或油气藏。 ③ 预测 区和标准区的油气成藏地质条件类似。根据具体操作 方法的不同，类比法又可分为面积类比法和含气量类 比法，前者以资源丰度作为主要的类比参数，后者以 含气量作为主要的类比资源参数 [7]。
Key words: shale gas; resources evaluation; gas-bearing shale system; shale thickness
0 引言
中国沉积盆地中富有机质泥页岩分布广泛，震旦 系 — 古近系均有分布；含气页岩厚度大，成熟度高， 生烃能力强，油气显示活跃，具有较好的页岩气成藏 条件，勘探前景广阔 [1-3]。但各地区页岩气藏地质特征 差异大，资料完善程度不一，而且影响页岩气富集的 因素多，因此很难建立统一的页岩气资源评价方法。 以往根据泥质烃源岩的累计厚度及面积来估算页
岩气资源量 [4]，得到的资源量很大，但在工程上的可操 作性不强。本文提出以含气泥页岩系统作为纵向评价 单元（计算单元）对页岩气资源量进行评价，不但可 以明确页岩气勘探开发的目的层段，获得相对客观、 可靠的页岩气资源量，而且考虑到了工程压裂的可操 作性，实现了与工程技术的结合。
1 中国页岩气资源评价方法
[7] [7]
气勘探开发的关键和目标。页岩气气藏在构造特征、 储集空间类型、储集层物性、富集机理等方面与常规 气藏有较大差异 [8]。 国外各大石油公司在页岩气选区评 价中所采用的关键参数 [9-14]大致有 2 类， 即地质条件类 和工程技术条件类参数，前者控制页岩气的生成与富 集，包括含气页岩面积、厚度、有机质丰度、类型、 成熟度、脆性矿物含量及油气显示等；后者控制页岩 气的开发成本，包括埋藏深度、地表地貌条件、道路 交通等。页岩达到一定厚度是形成页岩气富集区的基 本条件，页岩厚度也是页岩气资源丰度高低的重要控 制因素，直接影响页岩气资源量的大小 [15-17]。 2.1 含气泥页岩系统 为了确定页岩的有效厚度，本文提出了“含气泥 页岩系统”的概念，即钻井剖面、地震剖面或野外地 质剖面中，由上下致密层封挡的同一压力系统内的岩 性组合，主要由富有机碳的泥页岩和粉砂岩、砂岩、 碳酸盐岩夹层构成。含气泥页岩系统的划分主要依据 测井响应特征、岩性组合特征、有机碳含量、气测显 示等资料。富有机碳的泥页岩为系统的顶和底，内部 不含明显的水层，连续厚度一般不超过 100 m （由水平 井分段压裂工艺决定） 。 在页岩气资源评价过程中，建议将含气泥页岩系 统作为评价单元，即纵向上划分出一个或多个含气泥 页岩系统进行评价。含气泥页岩系统（见图 1）划分的 依据是： ① 以传统的地层单元为界，含气层段连续厚 度大于 30 m，以富含有机质泥页岩为主，内部可以有 砂岩、碳酸盐岩夹层；泥页岩 TOC 值大于 0.5%、 Ro 值大于 0.5%，Ⅲ型干酪根，累计厚度一般大于 20 m 且占含气泥页岩系统厚度的 60% 以上； ② 顶、底板 为致密岩层，内部无明显水层；③有明显的气测异 常；④伽马、电阻率、声波时差、密度等测井曲线 具有含气泥页岩的测井响应特征； ⑤ 处于同一压力系 统内。 如果钻井资料尚不齐全，也可在露头上以富含有 机质泥页岩发育段为目标进行评价单元划分。在有多 口井或多个露头剖面的情况下，逐井（或露头）进行 纵向评价单元的划分和对比，为整个评价区的准确刻 画提供参考和依据。 在纵向评价单元划分的基础上，确定含气泥页岩 系统的厚度。根据每口井含气泥页岩系统的厚度，绘
2 关键参数探讨
富有机质泥页岩具有普遍的含气性，寻找页岩气 富集区并通过合适的工程措施获得工业气流，是页岩
568
石油勘探与开发・油气勘探
Vol. 39
No.5
制含气泥页岩系统等厚图。 在页岩气资源评价过程中，对于泥页岩不仅需要
度，m；xi——第 i 小层某参数的平均值；m— —小层个 数；xij— —第 i 小层中第 j 个测点的某参数值；ni——第 i 小层中测试点个数； i——小层编号； j——测点编号。
Methods and key parameters of shale gas resources evaluation
Chen Xinjun1, Bao Shujing1, Hou Dujie2, Mao Xiaoping2
(1. Sinopec Research Institute of Petroleum Exploration and Production, Beijing 100083, China; 2. School of Energy, China University of Geosciences, Beijing 100083, China) Abstract: Methods and key parameters of shale gas resources evaluation are studied so as to accurately assess the potential of shale gas
resources. In much-explored areas, the volume method, followed by the analogy method, is recommended for evaluation; in less-explored areas, the analogy method is recommended. The concept of “gas-bearing shale system” is put forward and taken as an evaluation unit to calculate the thickness of shale. It refers to the lithologic assemblage sealed by upper and lower tight layers in one pressure system, composed of organic carbon-rich shale and the interbeds of sandstones and carbonates, featuring the logging responses of gas-bearing shale, with tight rocks at top and bottom, and the continuous thickness of gas-bearing interval being more than 30 m and no obvious water layer. According to exploration degree and available data, different methods may be selected to calculate the thickness of gas-bearing shale system. The logging data and the content of organic carbon are used in the areas with high degree of exploration and abundant data, while field geological profile, seismic profile, depositional characteristics and other data are considered in areas with low or ultra-low degree of exploration.
图2
含气泥页岩系统示意图
2.2 含气泥页岩系统厚度获取方法 2.2.1 勘探程度较高的地区 在勘探程度较高的地区，可以结合测井曲线、气 测数据、有机碳数据等确定含气泥页岩系统的厚度。分 别按 TOC <0.5% 、 0.5% ≤ TOC <1.0% 、 1.0% ≤ TOC ≤ 2.0% 、 TOC >2.0% 来统计每口井中含气泥页岩层段的 厚度。 当有机碳含量数据不足时，可利用测井资料来拟 合有机碳数据，建立有机碳含量与测井电阻率及声波 时差的关系式： TOC=a lgRLLD+b Δt+c 式中 差， s/m； a， b， c— —待定参数。 可根据实验分析测定的 TOC 值、测井资料，利用 （ 1） （ 2） 多元统计分析进行拟合，求解得到公式中的参数 a、b、 c；然后将测井数据代入公式，求得未做 TOC 测定但有 测井资料地区的 TOC 值。也可根据评价区的资料，探 索应用测井资料推算有机碳含量的方法， 以准确刻画与 评价含气泥页岩系统中不同类型岩石的有机质丰度。 （ 3） RLLD ——深侧向电阻率， Ω ・ m ； Δt —— 声波时