页岩气资源评价中含气量计算方法初探

宋涛涛，毛小平

（中国地质大学 （北京）能源学院，北京100083）

页岩气是21世纪一种新型非常规天然气资源。美国页岩气资源量不断增长，产量不断飙升，预示着页岩气的大量开发将可能会改变世界能源格局。与常规天然气相比，页岩气开发具有生产周期长、开采寿命长的优点，大部分产气区页岩厚度大、分布范围广，使得大部分页岩气井能够长期以稳定速率产气。随着中国经济的快速稳定发展，我国对油气资源的需求也越来越高。因而加强非常规地质研究，加大勘探开发力度，实现中国非常规油气资源的突破和发展，对于不断满足中国日益增长的能源需求，同时保证国家能源供给安全有着重大的战略意义。

我国对页岩气的勘探研究尚处于起步阶段，在页岩气的研究中还存在诸多问题，不同的专家学者估算的资源量也有很大的差异，因此，有必要对页岩气资源评价技术和方法进行深入讨论。本文的目的是初步讨论页岩中游离气量，吸附气量的计算方法（溶解气含量一般较小[1]，本文不做分析），为页岩气资源评价提供参考。

1 泥页岩中的天然气

1.1 泥页岩系统的定义

在钻井剖面中，由上下致密层封挡下的同一压力系统内的岩性组合，主要由富有机碳的泥页岩及呈夹层状的粉砂岩、砂岩、碳酸盐岩组成，或与之可对应的地震剖面及野外地质剖面，在地层中同一压力系统内的岩性组合（中石化内部资料）。主要依据测井响应特征、岩性组合特征、有机碳含量、气测显示等资料进行划分，以富有机碳的泥页岩作为含气页岩层段顶、底的界限，层段内不含明显的水层，连续厚度一般不超过100m（水平井＋分段压裂工艺决定）[2]。该定义是进行页岩气资源评价工作的前提。

1.2 吸附气与游离气的含量

页岩气的赋存形式具有多样性，包括游离态（大量存在于岩石空隙与裂隙）、吸附态（大量吸附于有机质颗粒、黏土矿物颗粒、干酪根颗粒以及孔隙表面之上）及溶解态（少量溶解于干酪根、沥青质以及液体原油中），但以游离态和吸附态为主，溶解态仅少量存在[3－4]。据 Curtis统计，吸附态页岩气含量占页岩气总含量的20%～85%[5]。其中，Fort Worth盆地密西西比亚系Barnett组页岩的吸附态页岩气占原始页岩气总量的20%，是所占比例最少的，但是，随着实验研究和开发的深入，发现20%的评估值明显偏低。通过总结Mavor、李新景、聂海宽等对Barnett页岩中吸附态页岩气的研究，得出吸附态页岩气含量至少占页岩气总含量的40%[6－8]。

游离态页岩气主要储存于岩石孔隙与裂隙中，其含量的高低与构造保存条件密切相关。Martini等认为Michigan盆地的Antrim页岩以吸附态页岩气为主，游离态页岩气仅占页岩气总含量的25%～30%[9]。但是，Bowker、Kinley 和 Montgamery 等根据Barnett页岩气特征认为存储在基质孔隙中的页岩气占天然气总含量的50%以上[10－12]。

1.3 评价方法简介

现在主要流行的页岩气资源潜力评价的方法有很多，主要包括容积法与类比分析法[13]。可以根据研究区勘探程度的高低来选择不同的方法进行研究。容积法估算的是页岩孔隙、裂隙空间内的游离态页岩气与有机质、黏土矿物和干酪根颗粒表面的吸附态页岩气体积总和。类比分析法包括含气量类比法和资源面积丰度类比法两种，是对含气泥页岩层段大的厚度和面积有较高把握的评价区，选取地质、工程条件相似的类比标准区或评价示范区（含气量的概率分布），采用类比法，得到评价区的含气量或资源面积丰度等的概率分布，然后进行评价区的资源量计算[14]。本文中所介绍的游离气与吸附气的计算方法都是容积法。

2 关键参数研究

在页岩气勘探过程中，表征气源条件的有机地球化学参数、表征页岩气富集与保存条件的储层性质参数、直接反映页岩气储量气体含量的参数、表征页岩气开采条件与风险的矿物学参数和地质复杂性参数[15]对于页岩气资源评价是至关重要的。

总有机碳（TOC值）、干酪根类型、吸附气和游离气含量、烃类成因与相态、热埋藏史、成熟度、演化程度等是表征页岩气的重要地球化学指标，其核心指标主要是总有机碳含量、成熟度、连续厚度和泥页岩中脆性矿物含量[15]。Ro是反映成熟度的有效指标，美国近年来商业性开采的页岩层系镜质体反射率Ro为1.1%～3.0%，但对成熟度上限仍未有统一认识；连续厚度是其资源开发利用的基础；矿物组成决定着页岩气藏的品质，影响着气体含量，同时也影响着其压裂和页岩气的开发利用。

此外，初步研究表明，影响含气量关键参数除了埋深、有机碳含量、镜质体反射率、顶底板条件等外，岩石比表面及孔径分布实验所得参数（包括BET比表面积、Langmuir比表面积、BET单点孔体积和BET平均孔直径）、岩石矿物成分（黏土矿物、石英、方解石和黄铁矿的含量）与含气量具有一定的相关性。实际工作中可以通过多元统计方法（SPSS软件），形成一个多元相关关系，含有各参数的权重。采用确定性方程拟合，得到含气量的概率分布。表1列出了几个关键参数的计算方法。

计算中导致先验信噪比(增益函数)过高估计的两个主要原因是:一是对先验信噪比的估计直接采用“直接判决”法;另一个原因则归因于噪声谱的估计,计算信噪比往往需要先估计噪声谱,而大都数噪声估计算法都会低估噪声谱,噪声谱的低估导致了信噪比的过高估计。基于此:

表1 关键参数计算方法

3 主控因素及其计算方法

岩石中的含气量等于吸附气含量、游离气含量和溶解气含量之和。由于岩石中所含的溶解气量极少，故岩石的含气量可近似表示为吸附气含量与游离气含量之和。含气量数据的确定需进行可靠性分析，按照数据的可靠性程度来选择确定含气量的方法。下面分别介绍两种具体的计算方法，可根据实际条件选择使用。

3.1 游离气

孔隙中游离气对页岩气区带和目标来说最为重要，Barnett页岩气开发的核心区游离气在总原地气中所占比例一般在50%以上[10]。游离气含量受页岩有效孔隙度和含气饱和度控制，根据研究建立的泥岩压实曲线，从最大埋藏深度可大致计算出页岩的孔隙度，另一方面，页岩中天然气饱和度与孔隙度呈现明显负相关关系，较低孔隙度下天然气饱和度较高，5%的页岩孔隙度约对应70%的天然气饱和度，10%的页岩孔隙度对应50%的天然气饱和度[16]。从泥页岩孔隙度和天然气饱和度，参考温压条件可计算出游离气含气量。

泥页岩有效孔隙度是页岩气储层评价的关键参数，页岩气藏的有效孔隙度包括裂缝孔隙度和基质孔隙度，通过双侧向测井资料可以计算出较为精确的裂缝孔隙度[17]；利用声波、中子、密度和核磁共振等测井资料则可以测得较为可靠的基质孔隙度[18]。

3.1.1 依据实测含气饱和度、含水饱和度计算游离气量

式中：G游为 游 离气含量，m3／t；Φ为实 测 孔 隙度，%；Sw为实测含水饱和度，%；Sg为含气饱和度；Bg为体积系数。

说明：可以通过实验测定不同岩性（泥岩类、砂岩类、碳酸盐类）的孔隙度和含气饱和度、含水饱和度数据。

3.1.2 依据测井资料计算游离气量

具体计算方法为：建立孔隙度（Φ）与测井曲线值声波时差Δt、中子CNL、密度DEN的一个关系式如下（据中石化内部文献）：

利用测井曲线计算含水饱和度，再计算含气饱和度，最后代入前述公式计算游离气量。

3.2 吸附气

吸附态页岩气对页岩资源潜力评价尤为重要，吸附气量的主控因素是有机质数量和有机质成熟度[16]。泥页岩中固体有机质（干酪根）能够吸附大量天然气。吸附态页岩气含气量影响因素包括页岩中有机碳含量和页岩在黏土矿物表面的赋存形式和纳米孔隙的孔径分布[4]。李剑（2001）认为有机质对气的吸附量远大于岩石中矿物颗粒对气的吸附量，占主导地位；Nuttall（2005）认为页岩中有机质为吸附气的核心载体，TOC值的高低会导致吸附气发生数量级变化，因而通过TOC值，可计算出吸附气含气量。

3.2.1 等温吸附计算吸附气量

等温吸附模拟法是通过页岩样品的等温吸附实验来模拟样品的吸附特点及吸附量，通常采用Langmuir模型来描述其吸附特征。根据该实验得到的等温吸附曲线可以获得不同样品在不同压力（深度）下的最大吸附含气量，也可通过实验确定该页岩样品的Langmuir方程计算参数。

3.2.2 利用有机碳含量计算吸附气量

依据不同TOC含量，测得的吸附气量，可以拟合本地区的吸附气量与有机碳含量TOC的关系，进行类推。这里提供国外的吸附气量与TOC关系（图1），供参考。

图1 Antrim页岩吸附气量与TOC的拟合关系

Antrim页岩吸附气量与TOC的关系式（公式引自David Jacobi et al，2009）。

式中：x为 TOC（%），y为吸附气量 m3／t。

4 结论

1）页岩气气体赋存形式介于致密砂岩气与煤层气之间，主要呈现三种状态：游离气，吸附气，溶解气，且游离气与吸附气为其主体部分，溶解气含量较少。游离气、吸附气含量的计算是页岩气资源评价工作中的重难点。

2）游离气的主控因素是泥页岩有效孔隙度和气体饱和度，页岩气藏的有效孔隙度包括基质孔隙度和裂缝孔隙度，利用声波、中子、密度和核磁共振等测井资料可以测得较为可靠的基质孔隙度；通过双侧向测井资料则可以计算出较为精确的裂缝孔隙度。

3）吸附气的主控因素是有机质数量和有机质成熟度；吸附态页岩气含气量影响因素包括页岩中有机碳含量和页岩在黏土矿物表面的赋存形式和纳米孔隙的孔径分布。

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