基于地质异常理论的页岩气有利区块圈定与定量评价——以渝东南地区下志留统龙马溪组为例

赵鹏大李桂范张金川

1.中国地质大学（北京）地球科学与资源学院 2.中国地质大学（北京）能源学院

基于地质异常理论的页岩气有利区块圈定与定量评价
——以渝东南地区下志留统龙马溪组为例

赵鹏大1李桂范1张金川2

1.中国地质大学（北京）地球科学与资源学院 2.中国地质大学（北京）能源学院

赵鹏大等.基于地质异常理论的页岩气有利区块圈定与定量评价——以渝东南地区下志留统龙马溪组为例.天然气工业，2012，32（6）：1-8.

目前国内有关页岩气的研究主要集中在页岩气的成藏机理、页岩气成藏的地质条件和远景区预测，而对页岩气勘探理论和方法的研究则相对比较薄弱，这在一定程度上制约了我国页岩气工业化进程。为此，以地质异常找矿理论为指导，结合页岩气的地质特征，提出了页岩气有利区块圈定与定量评价方法。利用渝东南地区下志留统龙马溪组71个露头剖面和渝页1井的数据，根据页岩埋深、厚度、有机质含量、黏土矿物含量、石英含量等5个页岩气有利区地质异常关键指标及其阈值，预测了渝东南地区大有、武隆、彭水、连湖、黔江、太极和酉阳7个龙马溪组页岩气有利区段。通过对有利区段进行有利度定量评价，圈定出渝东南地区武隆、黔江西、黔江东、太极西、连湖东、连湖西、连湖中、彭水鹿角西、彭水长滩、彭水高谷、彭水鹿角东、酉阳西、酉阳东、大有等14个区块为页岩气有利区块。进而在对上述有利区块进行找气绝对优度和相对优度定量评价的基础上，指出黔江西、武隆、太极西、连湖东、连湖西、连湖中等6个有利区块是渝东南地区页岩气勘探开发的优先靶区。

地质异常理论 定量评价 页岩气 有利区块 有利度 找气优度 优先靶区 渝东南地区 早志留世

我国天然气需求量快速增长，2020年我国天然气消费量将超过2 000×108m3，而预期天然气产量为1 200×108m3，供需差距超过800×108m3［1］。为解决这一供需矛盾，保证我国能源安全，迫切需要加快页岩气的勘探和开发。页岩气为典型的非传统、非常规油气资源［2－3］，美国是率先进行页岩气勘探开发的国家，据 ARI（Advanced Resources International，2006）估算［4］，美国页岩气技术可采资源量达到3.6×1012m3，占美国非常规天然气技术可采资源量的22%。美国页岩气的产量逐年提高［5－6］，2011年达到1 800×108m3。

我国是页岩气资源丰富的国家之一［7］，预计资源量可达100×1012m3。自2005年起，我国政府、相关产业部门、研究院所、高等院校等开展了页岩气形成机理、储层特征、勘探理论与技术，以及经济评价等方面的调查和研究，并对我国页岩气资源潜力及分布进行调研，取得了丰硕成果。大量研究成果表明，四川盆地、鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地、松辽盆地、吐哈盆地、江汉盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地等均有页岩气成藏的地质条件［1，3，5，7－16］。但目前国内有 关页岩气 的研究主要集中在页岩气的成藏机理［8，17］、页岩气成藏的地质条件［9－14，17］和 远 景 区 预 测［1，3－5，7，15－16］，而 对 页 岩 气 勘探理论和方法的研究则相对比较薄弱，这在一定程度上制约了我国页岩气工业化进程。

地质异常找矿理论和方法是基于对“致矿地质异常”的深入研究，对包括非传统矿产资源在内的各类矿产资源进行预测的有效理论和方法［18］，其在非传统金属矿床的勘探中已经取得了很大成功［19－22］。对于页岩气这种非传统油气资源，地质异常找矿理论与方法也具有广阔的应用前景。笔者基于页岩气地质异常理论框架研究成果，根据页岩气的特殊地质条件，将页岩气藏的地质异常序列区分为区域背景地质异常、富集区带地质异常、潜在工业区段地质异常和商业区块地质异常4个层次：①区域背景地质异常主要指标包括沉积盆地和页岩发育；②页岩气富集区带地质异常主要指标包括页岩厚度和总有机碳含量（TOC）；③页岩气潜在工业区段地质异常的主要指标包括气含量和气储量；④页岩气商业区块地质异常的主要指标包括页岩气产量、产能、页岩的裂缝发育程度和脆性。这4个层次的异常分别是页岩气勘探有利区域、页岩气勘探有利区带、页岩气勘探有利区段和页岩气有利区块等4个不同有利级别预测区圈定的依据。页岩气地质异常的尺度、变量、有利区级别的相互关系可概括为表1。

表1 页岩气地质异常的尺度、变量和有利区级别的相互关系表

笔者以渝东南地区晚志留统龙马溪组为例，在研究区域背景地质异常和富集区带地质异常的基础上，重点剖析页岩气潜在工业区段地质异常和页岩气商业区块地质异常指标体系及其定量评价方法，并根据有利度圈定了渝东南地区下志留统龙马溪组页岩气找气有利区块及优度排序，以期为该区龙马溪组页岩气勘探开发提供参考，也为页岩气区块优选提供理论和方法借鉴。

1 页岩气有利区的查明

1.1 页岩气不同级别有利区圈定的地质异常指标及阈值

为提高页岩气远景区预测的精度和可靠程度，降低其不确定性和勘查风险，合理选择预测变量或指标就显得十分重要。根据目前研究区已有的勘查和研究程度，在区域背景地质异常的基础上，为了圈定页岩气不同级别的有利区，选择了页岩厚度和有机质含量、页岩埋深、含气量和页岩脆性等指标，以下分述之。

1.1.1 页岩的厚度和有机质含量

页岩的厚度和页岩中有机质含量是评价页岩气有利区段的重要指标，但对于页岩的厚度和页岩中有机质含量的有利界限，目前学术界尚未形成一致认识［23－25］。

有机碳含量是页岩气聚集最重要的控制因素之一，页岩中的有机碳不仅是生成石油和天然气的物质基础，其含量还是评价生烃潜力的关键指标。页岩中的有机质具有多微孔的特征，有机碳含量越高，各种微孔隙也越多，导致微孔隙度增大，孔隙表面的亲油特性对气态烃有较强的吸附能力；气体可吸附的比表面积增大，页岩吸附气量也就增加；页岩中的分散有机质（如黑色页岩中残留沥青）是一种活性非常强的吸附剂，也能极大地提高页岩的吸附能力。

据Ross等（2007）对加拿大东北部侏罗系Gordondale地 层［26］及 Montgomery 等 （2005）对 Fort Worth盆地密西西比系Barnett页岩的研究［27］，均发现有机碳含量较高的钙质或硅质页岩对吸附态页岩气具有更高的存储能力。Lu等（1995）和Hill等（2000和2002）通过实验研究得出有机碳含量与甲烷吸附能力之间存在良好的正相关［28－30］。Ross等（2007）和Chalmers等（2007）研究了加拿大Gordondale页岩，得到了和实验结果相同的结论［26，31］——有机碳含量越高，页岩吸附气体的能力就越强。

根据已发现的工业页岩气的页岩厚度和页岩中的有机质含量，以及渝页1井有机质含量和吸附气含量的关系，结合不同学者［6，25，32－36］的最新研究成果（表2）及研究区资料，笔者选取不同学者提出的指标下限值的中间值作为各级地质异常指标的下限，把页岩厚度20 m和页岩中的有机质含量1%定为页岩气富集区带地质异常的下限值。页岩厚度越大和有机质含量越高，对页岩气富集越有利［6，35］。

表2 不同学者所列页岩气有利区页岩厚度和有机质含量下限值表

1.1.2 页岩的埋深

埋藏深度越大，页岩气的勘探开发成本越高，经济收益就越差［24］。超过一定深度，目前的技术条件难于进行开发生产。美国页岩气工业生产区目前投入开发生产的页岩气埋藏深度多介于180～2 600 m之间［5，8］。范柏江等（2011）提出的页岩气选区条件中，把页岩气埋藏深度划分为4个等级并赋予不同分值，埋藏深度小于1 000 m的分值为75～100，埋藏深度介于1 000～2 000 m的分值为50～75，埋藏深度介于2 000～3 000 m的分值为25～50，埋藏深度大于3 000 m的分值为0～25。可见埋藏深度小于2 000 m具有50以上分值［25］。因此笔者将2 000 m作为经济和技术下限深度——页岩气有利区段的下限深度，并以埋深1 000 m为界，把页岩气有利区段分成A类（埋深小于1 000 m）和B类（埋深介于1 000～2 000 m）页岩气有利区段。

1.1.3 页岩气含量和页岩脆性

页岩气含量是评价页岩气有利区段是否具有工业价值的关键指标之一。在美国已进入页岩气工业生产的7个含页岩气盆地中，页岩气含量值变化较大［6］：Barnett盆地页岩气含量为8.494 8～9.910 6 m3／t；Fayetteville盆地页岩气含量为1.699 0～6.229 5 m3／t；Haynesville盆地页岩气含量为2.831 6～9.344 3 m3／t；Marcellus盆地页岩气含量为1.699 0～2.831 6 m3／t；Woodford盆地页岩气含量为5.663 2～8.494 8 m3／t；Antrim盆地页岩气含量为1.132 6～2.831 6 m3／t；New Albany盆地页岩气含量为 1.132 6～2.265 3 m3／t。由此可见，页岩气工业产区的页岩气含量均大于1 m3／t。

页岩气含量数据只有在页岩气工业产区和页岩气勘探开发先导试验区才能够获得，在页岩气有利区的目标预测中，主要通过页岩气含量的替代指标来定性或半定量预测页岩含气性。

尽管北美工业产区开采产出的页岩气既有吸附气，也有游离气，但吸附气是页岩气的特色，也是与常规气藏气的主要区别之所在。普遍认为，吸附气的含量除与有机质及其含量有关外，还与页岩黏土含量和黏土矿物类型密切相关［1，3，5－16，25，30，32－38］，吸附气含量与页岩中黏土含量呈良好的正相关关系。页岩中黏土含量可作为页岩气丰度的替代指标。

根据页岩气工业产区页岩中黏土含量普遍大于28%［25，38］和渝页1井的研究成果，把黏土含量25%作为潜在工业区段页岩气含量地质异常关键替代指标的下限。

页岩气是未发生明显运移的原地气，是天然气在源岩中大规模滞留的结果，页岩本身既是气源岩又是储集层，这一储层的孔隙度和渗透率普遍偏低［8，25，28］。即使在目前页岩气的工业产区，也必须进行储层压裂改造才能够实现经济性开采，页岩气工业生产的关键技术是水平井和压裂［4，39］。页岩脆性与压裂效果关系极为密切。

许多学者的研究成果都认为，石英含量是影响页岩储层改造的重要因素［40－41］。石英属于脆性矿物，在一定压力下容易破碎产生裂缝。储层中石英含量高则天然裂缝往往比较发育，在水力压裂作业时也容易产生较多的诱导裂缝，从而沟通基质孔隙与天然裂缝，形成天然气运移和产出的通道［42］。因此，Jarvie等（2007）提出石英含量是决定页岩脆性的最主要因素［2］。李新景等（2009）统计分析了北美典型页岩气产区的页岩石英含量，结果表明：在北美页岩气产区，页岩中石英含量多超过50%，有些竟高达75%［43］。通过对页岩气工业产区页岩气产能的研究，认为工业产能的页岩储层中石英最小含量为25%，最优值为超过35%。

渝东南地区下志留统龙马溪组页岩中的石英含量与美国已开发页岩储层中的石英含量相当（表3），渝东南地区龙马溪组页岩中石英的平均含量为38%，表明该区页岩气储层多具有良好的可压裂性。

表3 渝页1井与北美地区页岩储层中石英含量对比表［42］

渝页1井龙马溪组页岩主要由碎屑、黏土、碳酸盐岩组成，碎屑以石英为主，长石较少。从矿物学上来分析，长石的脆性、可压裂性还高于石英。因此，将碎屑含量作为页岩脆性的替代指标，以此来分析页岩气潜在工业区段页岩脆性地质异常。参考页岩气工业产区的研究成果，把碎屑含量25%作为页岩气潜在工业区段页岩脆性地质异常的下限。

1.2 渝东南地区龙马溪组页岩气有利区段分布

利用渝东南地区龙马溪组71个露头剖面和渝页1井的数据，在系统编绘渝东南地区龙马溪组埋深等值线图、页岩厚度等值线图、页岩中有机质含量等值线图，并查明了勘探有利区带的基础上，又根据页岩中黏土含量等值线图及页岩中石英含量等值线图以及上述页岩气有利区地质异常指标阈值，预测了渝东南地区龙马溪组页岩气的有利区段（图1）。

图1 渝东南地区龙马溪组页岩气有利勘探区段地质异常分布图

基于地质异常理论的综合研究结果表明，渝东南地区龙马溪组页岩气有利区主要分布于该区的西北部，其次是该区的中南部酉阳西侧。为便于讨论，把有利区分布区域划分为7个有利区段，分别为大有、武隆、彭水、连湖、黔江、太极和酉阳有利区段（图1）。其中大有页岩气有利区段总面积约500 km2，为A类有利区段；武隆有利区段面积约800 km2，A类有利区占2／3，面积约530 km2；彭水有利区段面积约700 km2，A类有利区段占3／5，面积约420 km2；连湖有利区段总面积约650 km2，A类有利区段约占2／5，面积约260 km2；黔江有利区段总面积约900 km2，A类有利区段约占2／3，面积约600 km2；太极有利区段总面积约450 km2，A类有利区段约占3／4，面积约340 km2；酉阳有利区段总面积约550 km2，A类有利区段约占2／3，面积约360 km2（图1）。

2 页岩气有利区有利度评价

以上基于地质异常理论，通过对不同层次页岩气地质异常指标的叠合和阈值限定，定性预测了渝东南地区酉阳、彭水、黔江、连湖、武隆、大有、太极7个页岩气勘探有利区段。为进一步聚焦靶区，以便于勘探开发部署决策，对上述页岩气有利区段的勘探有利度（有利度）进行了定量评价。

在固体矿产成矿预测与定量评价方面，赵鹏大等提出了一系列矿产资源定量评价理论和方法，并在固体矿产资源预测与评价中取得了很好的应用效果［19，43-45］。尽管页岩气 是流体矿产，但页岩气 具有原地生成、原地聚集的特征，与固体矿产的成矿特征具有相似性。因此，笔者借鉴成矿地质异常有利度模型［19］，结合页岩气的具体特点和页岩气的研究现状，对页岩气有利区段有利度进行了评价。

2.1 页岩气有利区段有利度定量评价数学模型和指标选择

2.1.1 有利度定量评价数学模型

基于地质异常理论，样品单元成矿有利度（f）定义为相关独立变量的线性组合［19］，其数学表达式如下：

式中f表示含气有利度；ai表示预测单元内xi因素控矿作用的权重；xi表示预测单元内第i因素（变量）。

预测单元内第i因素的权重ai可据下列矩阵方程（式2）确立。

式中λ表示（X′X）的最大特征值；X表示m×n矩阵，代表在m个样品单元上n个变量的取值；X′表示X的转置矩阵；a代表权重。

2.1.2 有利度定量评价变量选择及变量正规化变换

页岩气勘探有利区段有利度定量评价的变量是与页岩气含量和页岩气可开采性（脆性——决定可压裂性）等相关的指标。

页岩气含量与页岩厚度、有机质含量和黏土矿物含量密切相关，因此，选用页岩厚度、有机质含量和黏土矿物含量作为页岩气含量的替代变量；页岩的脆性与页岩中石英和长石碎屑的含量密切相关，因此用页岩中石英和长石碎屑的含量作为页岩脆性的替代变量。页岩中长石含量普遍较少，主要是石英。由于页岩的主要矿物成分为黏土和石英，这2个变量具有相互消长的负相关性，并非2个独立的变量。

因此，在页岩气有利区段有利度定量评价中选择：x1（有机质含量）、x2（黏土含量）、x3（页岩厚度）这3个主要变量。以1∶20万图幅为基础，以1.25 km×1.25 km作为一个样品单元，页岩气有利区共有776个样品单元，用分段线性内插的方法对不同网格节点的不同变量取值。

由于页岩气有利区段有利度定量评价变量数量级差、量纲差别巨大，因而必须对所选择变量进行无量纲化处理。笔者根据页岩气的边界条件，定性圈定了研究区页岩气勘探有利区段。在页岩气有利区段内，计算其相对有利度，计算结果如下式所示：

式中x1、x2、x3各自代表的含义见前述。

根据相对有利度计算数据，就可以圈定出页岩气勘探有利区块。

2.2 页岩气勘探有利区块的圈定

根据计算结果，将有利区段内各单元有利度绘制出等值线图，以0.8为临界值，圈定了页岩气进一步研究和勘探开发的有利区块（图2）。

从图2可以看出，黔江有利区段内有利区块分布面积最大，其余依次是武隆、连湖、太极、彭水、酉阳和大有有利区段。

黔江有利区段有利度大于0.8的有利区块主要连片分布于石会南北两侧，面积约150 km2，在太和村西南部有利区块面积小，面积约20 km2，总面积约170 km2；武隆有利区段有利度大于0.8的有利区块呈近东西向连片分布于武隆以南，总面积约136 km2；连湖有利区段有利度大于0.8的有利区块分隔为西块、中块、东块3个次级区块，面积分别为31.25 km2、25 km2、46.88 km2，总面积超过103 km2；太极有利区有利度大于0.8的有利区块分布于西部，总面积约61 km2；彭水有利区段有利度大于0.8的有利区块由西向东分为高谷、长滩、鹿角西和鹿角东4个区块，面积分别为17.2 km2、20.3 km2、25 km2和14 km2，总面积超过76 km2；酉阳有利区段有利度大于0.8的有利区块分为东西2个区块，面积分别为10.9 km2和7.8 km2，总面积超过18 km2；大有有利区段有利度大于0.8的有利区块仅分布于东北角，面积约3 km2。

3 页岩气有利区块找气优度定量评价与排序

3.1 页岩气有利区块找气优度定量评价数学模型和指标选择

借鉴找矿优度和找矿概率的概念和计算方法，结合页岩气的特点，提出如下有利区块页岩气找气优度计算方法。

定义某一有利区块的页岩气找气优度：

式中Poi表示第i个有利区块的页岩气找气优度；Foi表示第i个有利区块页岩气平均有利度；Si表示第i个有利区块的面积。

为了给出有利区块页岩气工业前景的直观估计和评价，将有利区块页岩气找气优度进行正规化处理，以获取区间为（0，1）的相对找气优度：

式中Pi表示第i个有利区块页岩气找气相对优度；Pomin表示有利区块中最小页岩气找气优度；Pomax表示有利区块中的最大页岩气找气优度。

图2 渝东南地区龙马溪组页岩气有利区块分布图

3.2 页岩气有利区块找气优度定量评价结果及排序

通过有利区块找气绝对优度和找气相对优度评价结果可以得出直观的找气序列。

有利区块找气绝对优度和找气相对优度计算结果如表3所示。根据页岩气有利度圈定的渝东南地区黔江西、黔江东、武隆、连湖西、连湖中、连湖东、太极西、彭水高谷、彭水长滩、彭水鹿角西、彭水鹿角东、酉阳西、酉阳东和大有14个龙马溪组页岩气有利区块中，根据找气绝对优度及相对优度，排在前6位的区块依次为黔江西、武隆、太极西、连湖东、连湖西、连湖中（表4、图3）。

4 结论

1）利用渝东南地区龙马溪组71个露头剖面和渝页1井的数据，根据页岩埋深、厚度、有机质含量、黏土矿物含量及石英含量等5个页岩气有利区段地质异常关键指标及其阈值，预测了渝东南地区大有、武隆、彭水、连湖、黔江、太极和酉阳7个龙马溪组页岩气有利区段。

表4 渝东南地区龙马溪组页岩气有利区块找气优度定量评价信息数据表

图3 渝东南地区龙马溪组页岩气有利区块找气优度序列图

2）页岩气有利区段有利度定量评价结果表明，渝东南地区武隆、黔江西、黔江东、太极西、连湖东、连湖西、连湖中、彭水鹿角西、彭水长滩、彭水高谷、彭水鹿角东、酉阳西、酉阳东、大有为14个页岩气有利区块。

3）渝东南地区黔江西、武隆、太极西、连湖东、连湖西、连湖中等6个有利区块具有较高的找气优度，是该区页岩气勘探开发优先靶区。

4）地质异常找矿靶区逐级筛选的理论和方法，对于分布面积广、矿体与围岩没有明显地质边界的页岩气勘查有利靶区优选具有重要的应用前景。

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10.3787／j.issn.1000-0976.2012.06.001

2012-05-05 编辑 居维清）

赵鹏大，1931年生，中国科学院院士、中国地质大学教授；1952年毕业于北京大学地质系，1958年毕业于莫斯科地质勘探学院，获地质矿物学副博士学位；主要从事数学地质、矿产普查与勘探教学与研究工作。

李桂范，女，1963年生，副教授；1995年获工学硕士学位，现为中国地质大学（北京）博士研究生；主要从事油气地质勘探研究工作。E-mail：liguifan＠cugb.edu.cn