鄂西黃陵背斜南翼震旦系陡山沱組有利目標(biāo)區(qū)頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)

李浩涵，陳 科，包書(shū)景，張焱林，宋 騰，王 鵬

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 油氣資源調(diào)查中心，北京 100083；2.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，武漢 430074)

自國(guó)家大力推進(jìn)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)工作以來(lái)，在南方海相地區(qū)尤其是四川盆地已經(jīng)獲得了頁(yè)巖氣井產(chǎn)量的重大突破[1-4]，在西部陸相地區(qū)也取得了良好的頁(yè)巖氣顯示[5-6]。我國(guó)中揚(yáng)子地區(qū)自震旦系起，主要發(fā)育震旦系、下寒武統(tǒng)、下志留統(tǒng)、下二疊統(tǒng)和上二疊統(tǒng)等為代表的8套黑色頁(yè)巖[7-8]。其中下震旦統(tǒng)陡山沱組泥頁(yè)巖雖然有機(jī)質(zhì)豐度較高，有機(jī)質(zhì)類型好，但限于其在武陵山地區(qū)普遍埋深較大、成熟度較高等不利因素，在頁(yè)巖氣有利區(qū)優(yōu)選中往往不受重視[9]。針對(duì)這一套潛在含氣頁(yè)巖層系的研究仍限于基于地表露頭樣品測(cè)試的地質(zhì)特征和資源潛力分析，其含氣性長(zhǎng)期以來(lái)未得到證實(shí)。

武陵山地區(qū)自震旦紀(jì)以來(lái)進(jìn)入了以穩(wěn)定沉積為主的拗陷型沉積盆地發(fā)育階段。黃陵背斜南翼屬陸棚臺(tái)地相，在晚震旦世發(fā)育一套由黑色泥頁(yè)巖、深灰—灰黑色泥晶灰?guī)r及含碳含泥云巖組成的烴源巖。陡山沱組地層劃分為一個(gè)二級(jí)層序(SS1)，其中包含4個(gè)三級(jí)層序(SQ1、SQ2、SQ3、SQ4)，其優(yōu)質(zhì)暗色泥頁(yè)巖主要分布在SQ2 層序內(nèi)，即上震旦統(tǒng)陡山沱組二段[10]。該地區(qū)陡山沱組主要為較有利的臺(tái)間坳陷相沉積，陡山沱組二段主要巖性為碳質(zhì)泥晶灰?guī)r和白云巖，有機(jī)質(zhì)類型主要為腐泥型(Ⅰ型)或腐植腐泥型(Ⅱ1型)；有機(jī)質(zhì)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(guò)成熟階段[11]。雖然武陵山地區(qū)陡山沱組泥頁(yè)巖總體上埋藏較深、成熟度較高，但隨著該地區(qū)全球最古老頁(yè)巖氣的發(fā)現(xiàn)，證明在以黃陵背斜為代表的古隆起區(qū)周邊仍具備頁(yè)巖氣生成和儲(chǔ)存的條件。

本文通過(guò)對(duì)宜昌—秭歸地區(qū)黃陵背斜南翼秭地1井、秭地2井陡山沱組巖心進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)含氣量解析和損失氣計(jì)算，首次獲得了該層系泥頁(yè)巖含氣量數(shù)據(jù)，證實(shí)了震旦系暗色頁(yè)巖的資源潛力；通過(guò)二維地震處理解釋，落實(shí)了該地區(qū)有利頁(yè)巖的厚度及分布情況，并通過(guò)概率體積法計(jì)算了頁(yè)巖氣資源量。

1 頁(yè)巖氣資源量計(jì)算方法

頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)層連續(xù)分布，具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性。在頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)中，根據(jù)地質(zhì)因素的不確定性，以及關(guān)鍵參數(shù)及其獲取方式的不同，主要采用福斯潘(FORSPAN)法、單井(動(dòng)態(tài))儲(chǔ)量估算法、資源豐度類比法和概率體積法等資源評(píng)價(jià)方法[12-19]。

在勘探實(shí)踐中，本地區(qū)勘探程度仍較低，可獲取的參數(shù)較為有限，如頁(yè)巖含氣量數(shù)據(jù)僅在部分井位有數(shù)據(jù)，還需通過(guò)概率法的基本原理對(duì)各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行篩選和賦值，通過(guò)分析計(jì)算最終對(duì)結(jié)果進(jìn)行表征[20]。因此本文在多種方法中選擇采用概率體積法來(lái)進(jìn)行研究區(qū)的頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)工作。

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

Qt=Vρq

文中，通過(guò)二維地震處理解釋可直接得出含氣頁(yè)巖的分布范圍和厚度，可據(jù)此計(jì)算出含氣頁(yè)巖體積V，因此體積參數(shù)采用確定值；頁(yè)巖密度ρ的取值直接采用含氣頁(yè)巖實(shí)測(cè)值；頁(yè)巖含氣量通過(guò)統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)值，利用概率法對(duì)該項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行賦值。

2 有效頁(yè)巖體積的確定

2.1 評(píng)價(jià)單元邊界

頁(yè)巖氣屬于連續(xù)型油氣藏，一般不認(rèn)為有明顯的邊界，計(jì)算資源量時(shí)，需要首先人為地限定一個(gè)邊界，并在該邊界范圍內(nèi)開(kāi)展資源評(píng)價(jià)，并進(jìn)行現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件下的勘探開(kāi)發(fā)[21]。本文評(píng)價(jià)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(qū)西側(cè)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(xiàn)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(qū)構(gòu)造概況

2.2 有效頁(yè)巖厚度預(yù)測(cè)及體積計(jì)算

秭地1井和秭地2井實(shí)鉆資料揭示了該地區(qū)陡山沱組厚度在150～200 m左右，其中主力泥頁(yè)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(yè)巖厚度，其中秭地1井有利含氣頁(yè)巖厚度為90.8 m，秭地2井有利含氣頁(yè)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(yè)巖分布數(shù)據(jù)依賴于鉆井含氣性數(shù)據(jù)的獲取，在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有限的情況下，可利用地球物理手段預(yù)測(cè)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度進(jìn)而替代有利含氣頁(yè)巖的厚度分布。富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度可以通過(guò)地球物理反演、時(shí)間厚度換算等多種方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，需要根據(jù)不同的資料情況選擇不同的方法進(jìn)行。通過(guò)求取地震剖面的相對(duì)波組抗，取相對(duì)波阻抗0為富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖和普通頁(yè)巖的門(mén)檻值，小于0的為富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖。依據(jù)綜合標(biāo)定成果，確定陡山沱組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖在剖面的位置。通過(guò)地震道進(jìn)行積分計(jì)算，獲得相對(duì)波阻抗剖面，以標(biāo)定成果在道積計(jì)算后的相對(duì)波阻抗剖面上以小于0為標(biāo)準(zhǔn)，確定陡山沱組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的分布，并進(jìn)行平面成圖，完成對(duì)陡山沱組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度的預(yù)測(cè)。從預(yù)測(cè)結(jié)果(圖3)來(lái)看，秭地1井和秭地2井陡山沱組二段富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖模擬厚度分別為100 m和80 m，與實(shí)鉆數(shù)據(jù)基本相符合。從總體上看陡山沱組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度為45～115 m，平均厚度85 m。

獲得含氣泥頁(yè)巖厚度及分布后，通過(guò)以下步驟計(jì)算有效頁(yè)巖體積：(1)將陡山沱組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖等厚圖網(wǎng)格化，并進(jìn)行坐標(biāo)校正；(2)根據(jù)評(píng)價(jià)邊界劃出評(píng)價(jià)范圍，去掉評(píng)價(jià)范圍以外的部分，確定有效頁(yè)巖分布面積為1 238.54 km2；(3)根據(jù)含氣頁(yè)巖厚度參數(shù)和面積，通過(guò)計(jì)算獲得有效頁(yè)巖體積為7.42×1010m3。

3 參數(shù)的獲取

3.1 頁(yè)巖密度

在計(jì)算頁(yè)巖氣資源量的過(guò)程中，頁(yè)巖密度值是一項(xiàng)必需的參數(shù)。在取值時(shí)，可直接在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)其進(jìn)行測(cè)定[21]。本測(cè)試應(yīng)用的巖石密度測(cè)量?jī)x基本原理是利用稱重傳感器，稱出巖石標(biāo)本在空氣中的重量P1和水中的重量P2，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送到處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終顯示出測(cè)試結(jié)果。秭地1井陡山沱組碳質(zhì)頁(yè)巖密度分析結(jié)果顯示，陡二段頁(yè)巖密度最大為2.66 g/cm3，最小為2.63 g/cm3，計(jì)算中取其平均值，為2.65 g/cm3(表1)。

3.2 頁(yè)巖含氣量

在泥頁(yè)巖地層中，頁(yè)巖氣主要以游離態(tài)、吸附態(tài)或者溶解態(tài)等方式賦存，其中溶解氣由于比重極小，一般可不做計(jì)算[20]。測(cè)量頁(yè)巖含氣量最直接的方法是解吸測(cè)定法，在解吸過(guò)程中通過(guò)模擬地層溫度，進(jìn)而在該條件下測(cè)量頁(yè)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(shí)、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(kāi)后到裝罐前散失的氣量，本文采用USBM直線回歸法進(jìn)行計(jì)算，頁(yè)巖氣損失氣的起算時(shí)間為提鉆到井深一半的時(shí)間[26]；解吸氣為鉆探現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)排水法測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(101.325 kPa，0 ℃或 25 ℃)泥頁(yè)巖解吸氣含量；殘余氣為現(xiàn)場(chǎng)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(zhì)頁(yè)巖特征

圖3 鄂西黃陵背斜南翼陡山沱組二段富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度平面位置圖見(jiàn)圖1研究區(qū)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)含氣量解析和計(jì)算，秭地1井陡山沱組二段泥頁(yè)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(dá)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(qū)假設(shè)頁(yè)巖含氣量q分布服從正態(tài)分布，即假設(shè)在評(píng)價(jià)單元內(nèi)獲得的含氣量數(shù)值分別為x1、x2、x3、…、xn，則平均數(shù)(μ)、方差(δ)及正態(tài)分布的概率密度函數(shù)[φ(x)]分別可用下列公式表示[13]：

μ=(x1+x2+x3+…+xn)/n

(1)

(2)

(3) 當(dāng)參數(shù)從最小值變化到最大值時(shí)，概率密度積分為1。當(dāng)計(jì)算數(shù)據(jù)的取值范圍在數(shù)值a與b之間時(shí)，一定概率下的參數(shù)賦值同樣也在從a到b的范圍內(nèi)，從最小值積分到x時(shí)的面積，x即為不同概率下所對(duì)應(yīng)的參數(shù)值[20]。

獲得不同概率下的參數(shù)對(duì)應(yīng)值對(duì)概率密度函數(shù)積分即可，即令積分函數(shù)分別等于5%、25%、50%、75%、90%，即可計(jì)算相應(yīng)結(jié)果。如概率為75%(P75)時(shí)的概率賦值為：

(4)

通過(guò)計(jì)算可得該地區(qū)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(yè)巖氣資源量計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)概率法對(duì)參數(shù)賦值后，對(duì)研究區(qū)震旦系陡山沱組二段含氣頁(yè)巖的頁(yè)巖氣資源量進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明該評(píng)價(jià)單元頁(yè)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(qū)頁(yè)巖氣資源潛力大。

前人研究已經(jīng)證明，與美國(guó)等已成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)開(kāi)采的頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)相比，本地區(qū)陡山沱組海相暗色泥頁(yè)巖，從地球化學(xué)特征、巖石礦物學(xué)特征等方面來(lái)說(shuō)具備了頁(yè)巖氣形成的基本地質(zhì)條件，主要表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)豐度相對(duì)較低，熱演化程度高，脆性礦物含量高，黏土礦物含量低，頁(yè)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(yè)巖含氣量統(tǒng)計(jì)

表3 鄂西黃陵背斜南翼秭歸地區(qū)陡山沱組二段資源量計(jì)算結(jié)果

表4 鄂西黃陵背斜南翼陡山沱組頁(yè)巖氣特征與北美對(duì)比

注：北美頁(yè)巖氣數(shù)據(jù)據(jù)參考文獻(xiàn)[29]。

而通過(guò)二維地震處理解釋和地質(zhì)調(diào)查井實(shí)鉆資料，進(jìn)一步證實(shí)了黃陵背斜南翼地區(qū)陡山沱組泥頁(yè)巖含氣性以及含氣頁(yè)巖的分布范圍，證明該地區(qū)頁(yè)巖氣資源較為豐富。陡山沱組含氣頁(yè)巖各項(xiàng)指標(biāo)與國(guó)外主要頁(yè)巖[29]相比(表4)，除成熟度較高、埋藏深度較大外，其余無(wú)論從厚度、有機(jī)質(zhì)豐度，還是含氣性都具有可對(duì)比性，資源豐度更是與美國(guó)Ohio和Lewis頁(yè)巖不相上下。因此，可以認(rèn)為黃陵背斜南翼地區(qū)陡山沱組頁(yè)巖氣資源豐富，勘探開(kāi)發(fā)的前景十分廣闊。

5 結(jié)論

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

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

(3)采用概率體積法計(jì)算出研究區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組頁(yè)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(qū)頁(yè)巖氣資源潛力大，可作為今后頁(yè)巖氣重點(diǎn)勘探開(kāi)發(fā)區(qū)域。

致謝：湖北省地質(zhì)調(diào)查院劉早學(xué)教授在本文資料收集及成文過(guò)程中給予了大力支持和幫助，在此致以衷心感謝！