趙鵬大1  李桂范1  張金川2

1．中國地質大學(北京)地球科學與資源學院  2．中國地質大學(北京)能源學院

摘  要  目前國內有關頁巖氣的研究主要集中在頁巖氣的成藏機理、頁巖氣成藏的地質條件和遠景區預測，而對頁巖氣勘探理論和方法的研究則相對比較薄弱，這在一定程度上制約了我國頁巖氣工業化進程。為此，以地質異常找礦理論為指導，結合頁巖氣的地質特征，提出了頁巖氣有利區塊圈定與定量評價方法。利用渝東南地區下志留統龍馬溪組71個露頭剖面和渝頁l井的數據，根據頁巖埋深、厚度、有機質含量、黏土礦物含量、石英含量等5個頁巖氣有利區地質異常關鍵指標及其閾值，預測了渝東南地區大有、武隆、彭水、連湖、黔江、太極和酉陽7個龍馬溪組頁巖氣有利區段。通過對有利區段進行有利度定量評價，圈定出渝東南地區武隆、黔江西、黔江東、太極西、連湖東、連湖西、連湖中、彭水鹿角西、彭水長灘、彭水高谷、彭水鹿角東、酉陽西、酉陽東、大有等14個區塊為頁巖氣有利區塊。進而在對上述有利區塊進行找氣絕對優度和相對優度定量評價的基礎上，指出黔江西、武隆、太極西、連湖東、連湖西、連湖中等6個有利區塊是渝東南地區頁巖氣勘探開發的優先靶區。

關鍵詞  地質異常理論  定量評價  頁巖氣  有利區塊  有利度  找氣優度  優先靶區  渝東南地區  早志留世

我國天然氣需求量快速增長，2020年我國天然氣消費量將超過2 000×108 m3，而預期天然氣產量為1 200×108 m3，供需差距超過800×108 m3 [1]。為解決這一供需矛盾，保證我國能源安全，迫切需要加快頁巖氣的勘探和開發。頁巖氣為典型的非傳統、非常規油氣資源[2-3]，美國是率先進行頁巖氣勘探開發的國家，據ARI(Advanced Resources International，2006)估算[4]，美國頁巖氣技術可采資源量達到3.6×1012m3，占美國非常規天然氣技術可采資源量的22％。美國頁巖氣的產量逐年提高[5-6]，2011年達到1 800×108 m3。

我國是頁巖氣資源豐富的國家之一[7]，預計資源量可達100×l012 m3。自2005年起，我國政府、相關產業部門、研究院所、高等院校等開展了頁巖氣形成機理、儲層特征、勘探理論與技術，以及經濟評價等方面的調查和研究，并對我國頁巖氣資源潛力及分布進行調研，取得了豐碩成果。大量研究成果表明，四川盆地、鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地、松遼盆地、吐哈盆地、江漢盆地、塔里木盆地、準噶爾盆地等均有頁巖氣成藏的地質條件[1,3,5,7-16]。但目前國內有關頁巖氣的研究主要集中在頁巖氣的成藏機理[8,17]、頁巖氣成藏的地質條件[9-14,17]和遠景區預測[l,3-5,7,15-16]，而對頁巖氣勘探理論和方法的研究則相對比較薄弱，這在一定程度上制約了我國頁巖氣工業化進程。

地質異常找礦理論和方法是基于對“致礦地質異常”的深入研究，對包括非傳統礦產資源在內的各類礦產資源進行預測的有效理論和方法[l8]，其在非傳統金屬礦床的勘探中已經取得了很大成功[19-22]。對于頁巖氣這種非傳統油氣資源，地質異常找礦理論與方法也具有廣闊的應用前景。筆者基于頁巖氣地質異常理論框架研究成果，根據頁巖氣的特殊地質條件，將頁巖氣藏的地質異常序列區分為區域背景地質異常、富集區帶地質異常、潛在工業區段地質異常和商業區塊地質異常4個層次：①區域背景地質異常主要指標包括沉積盆地和頁巖發育；②頁巖氣富集區帶地質異常主要指標包括頁巖厚度和總有機碳含量(TOC)；③頁巖氣潛在工業區段地質異常的主要指標包括氣含量和氣儲量；④頁巖氣商業區塊地質異常的主要指標包括頁巖氣產量、產能、頁巖的裂縫發育程度和脆性。這4個層次的異常分別是頁巖氣勘探有利區域、頁巖氣勘探有利區帶、頁巖氣勘探有利區段和頁巖氣有利區塊等4個不同有利級別預測區圈定的依據。頁巖氣地質異常的尺度、變量、有利區級別的相互關系可概括為表l。

表1

筆者以渝東南地區晚志留統龍馬溪組為例，在研究區域背景地質異常和富集區帶地質異常的基礎上，重點剖析頁巖氣潛在工業區段地質異常和頁巖氣商業區塊地質異常指標體系及其定量評價方法，并根據有利度圈定了渝東南地區下志留統龍馬溪組頁巖氣找氣有利區塊及優度排序，以期為該區龍馬溪組頁巖氣勘探開發提供參考，也為頁巖氣區塊優選提供理論和方法借鑒。

1頁巖氣有利區的查明

1．1頁巖氣不同級別有利區圈定的地質異常指標及閾值

為提高頁巖氣遠景區預測的精度和可靠程度，降低其不確定性和勘查風險，合理選擇預測變量或指標就顯得十分重要。根據目前研究區已有的勘查和研究程度，在區域背景地質異常的基礎上，為了圈定頁巖氣不同級別的有利區，選擇了頁巖厚度和有機質含量、頁巖埋深、含氣量和頁巖脆性等指標，以下分述之。

1．1．1  頁巖的厚度和有機質含量

頁巖的厚度和頁巖中有機質含量是評價頁巖氣有利區段的重要指標，但對于頁巖的厚度和頁巖中有機質含量的有利界限，目前學術界尚未形成一致認識[23-25]。

有機碳含量是頁巖氣聚集最重要的控制因素之一，頁巖中的有機碳不僅是生成石油和天然氣的物質基礎，其含量還是評價生烴潛力的關鍵指標。頁巖中的有機質具有多微孔的特征，有機碳含量越高，各種微孔隙也越多，導致微孔隙度增大，孔隙表面的親油特性對氣態烴有較強的吸附能力；氣體可吸附的比表面積增大，頁巖吸附氣量也就增加；頁巖中的分散有機質(如黑色頁巖中殘留瀝青)是一種活性非常強的吸附劑，也能極大地提高頁巖的吸附能力。

據Ross等(2007)對加拿大東北部侏羅系Gordondale地層[26]及Montgomery等(2005)對Fort Worth盆地密西西比系Barnett頁巖的研究[27]，均發現有機碳含量較高的鈣質或硅質頁巖對吸附態頁巖氣具有更高的存儲能力。Lu等(1995)和Hill等(2000和2002)通過實驗研究得出有機碳含量與甲烷吸附能力之間存在良好的正相關[28-30]。Ross等(2007)和Chalmers等(2007)研究了加拿大Gordondale頁巖．得到了和實驗結果相同的結論[26,31]——有機碳含量越高，頁巖吸附氣體的能力就越強。

根據已發現的工業頁巖氣的頁巖厚度和頁巖中的有機質含量，以及渝頁l井有機質含量和吸附氣含量的關系，結合不同學者[6,25,32-36]的最新研究成果(表2)及研究區資料，筆者選取不同學者提出的指標下限值的中間值作為各級地質異常指標的下限，把頁巖厚度20 m和頁巖中的有機質含量l％定為頁巖氣富集區帶地質異常的下限值。頁巖厚度越大和有機質含量越高，對頁巖氣富集越有利[6,35]。

表2

1．1．2  頁巖的埋深

埋藏深度越大，頁巖氣的勘探開發成本越高，經濟收益就越差[24]。超過一定深度，目前的技術條件難于進行開發生產。美國頁巖氣工業生產區目前投入開發生產的頁巖氣埋藏深度多介于180～2 600m之間[5,8]。范柏江等(2011)提出的頁巖氣選區條件中，把頁巖氣埋藏深度劃分為4個等級并賦予不同分值，埋藏深度小于l 000 m的分值為75～100，埋藏深度介于1 000～2 000 m的分值為50～75，埋藏深度介于2 000～3 000 m的分值為25～50，埋藏深度大于3 000 m的分值為0～25。可見埋藏深度小于2 000 m具有50以上分值[25]。因此筆者將2 000 m作為經濟和技術下限深度——頁巖氣有利區段的下限深度，并以埋深1 000 m為界，把頁巖氣有利區段分成A類(埋深小于l 000 m)和B類(埋深介于l 000～2 000m)頁巖氣有利區段。

1．1．3  頁巖氣含量和頁巖脆性

頁巖氣含量是評價頁巖氣有利區段是否具有工業價值的關鍵指標之一。在美國已進入頁巖氣工業生產的7個含頁巖氣盆地中，頁巖氣含量值變化較大[6]：Barnett盆地頁巖氣含量為8.494 8～9.910 6 m3／t；Fayetteville盆地頁巖氣含量為l.699 0～6．229 5 m3／t；Haynesville盆地頁巖氣含量為2．831 6～9．344 3 m3／t；Marcellus盆地頁巖氣含量為l.699 0～2.831 6 m3／t；Woodford盆地頁巖氣含量為5.663 2～8.494 8 m3／t；Antrim盆地頁巖氣含量為l.132 6～2.831 6 m3／t；New Albany盆地頁巖氣含量為l.132 6～2.265 3 m3／t。由此可見，頁巖氣工業產區的頁巖氣含量均大于1 m3／t。

頁巖氣含量數據只有在頁巖氣工業產區和頁巖氣勘探開發先導試驗區才能夠獲得，在頁巖氣有利區的目標預測中，主要通過頁巖氣含量的替代指標來定性或半定量預測頁巖含氣性。

盡管北美工業產區開采產出的頁巖氣既有吸附氣，也有游離氣，但吸附氣是頁巖氣的特色，也是與常規氣藏氣的主要區別之所在。普遍認為，吸附氣的含量除與有機質及其含量有關外，還與頁巖黏土含量和黏土礦物類型密切相關[1,3,5-16,25,30,32-38]，吸附氣含量與頁巖中黏土含量呈良好的正相關關系。頁巖中黏土含量可作為頁巖氣豐度的替代指標。

根據頁巖氣工業產區頁巖中黏土含量普遍大于28％[2 5,38]和渝頁1井的研究成果，把黏土含量25％作為潛在工業區段頁巖氣含量地質異常關鍵替代指標的下限。

頁巖氣是未發生明顯運移的原地氣，是天然氣在源巖中大規模滯留的結果，頁巖本身既是氣源巖又是儲集層，這一儲層的孔隙度和滲透率普遍偏低[8,25,28]。即使在目前頁巖氣的工業產區，也必須進行儲層壓裂改造才能夠實現經濟性開采，頁巖氣工業生產的關鍵技術是水平井和壓裂[4,39]。頁巖脆性與壓裂效果關系極為密切。

許多學者的研究成果都認為，石英含量是影響頁巖儲層改造的重要因素[40，41]。石英屬于脆性礦物，在一定壓力下容易破碎產生裂縫。儲層中石英含量高則天然裂縫往往比較發育，在水力壓裂作業時也容易產生較多的誘導裂縫，從而溝通基質孔隙與天然裂縫，形成天然氣運移和產出的通道[42]。因此，Jarvie等(2007)提出石英含量是決定頁巖脆性的最主要因素[2]。李新景等(2009)統計分析了北美典型頁巖氣產區的頁巖石英含量，結果表明：在北美頁巖氣產區，頁巖中石英含量多超過50％，有些竟高達75％[43]。通過對頁巖氣工業產區頁巖氣產能的研究，認為工業產能的頁巖儲層中石英最小含量為25％，最優值為超過35％。

渝東南地區下志留統龍馬溪組頁巖中的石英含量與美國已開發頁巖儲層中的石英含量相當(表3)，渝東南地區龍馬溪組頁巖中石英的平均含量為38％，表明該區頁巖氣儲層多具有良好的可壓裂性。

表3

渝頁l井龍馬溪組頁巖主要由碎屑、黏土、碳酸鹽巖組成，碎屑以石英為主，長石較少。從礦物學上來分析，長石的脆性、可壓裂性還高于石英。因此，將碎屑含量作為頁巖脆性的替代指標，以此來分析頁巖氣潛在工業區段頁巖脆性地質異常。參考頁巖氣工業產區的研究成果，把碎屑含量25％作為頁巖氣潛在工業區段頁巖脆性地質異常的下限。

1．2渝東南地區龍馬溪組頁巖氣有利區段分布

利用渝東南地區龍馬溪組71個露頭剖面和渝頁1井的數據，在系統編繪渝東南地區龍馬溪組埋深等值線圖、頁巖厚度等值線圖、頁巖中有機質含量等值線圖，并查明了勘探有利區帶的基礎上，又根據頁巖中黏土含量等值線圖及頁巖中石英含量等值線圖以及上述頁巖氣有利區地質異常指標閥值，與測量渝東南地區龍馬溪組頁巖氣的有利區段（圖1）。

圖1  渝東南地區龍馬溪組頁巖氣有利勘探區段地質異常分布圖

基于地質異常理論的綜合研究結果表明，渝東南地區龍馬溪組頁巖氣有利區主要分布于該區的西北部，其次是該區的中南部酉陽西側。為便于討論，把有利區分布區域劃分為7個有利區段，分別為大有、武隆、彭水、連湖、黔江、太極和酉陽有利區段(圖1)。其中大有頁巖氣有利區段總面積約500 km2，為A類有利區段；武隆有利區段面積約800 km2，A類有利區占2／3，面積約530 km2；彭水有利區段面積約700 km2．A類有利區段占3／5，面積約420 km2；連湖有利區段總面積約650 km2，A類有利區段約占2／5，面積約260 km2；黔江有利區段總面積約900 km2，A類有利區段約占2／3，面積約600 km2；太極有利區段總面積約450 km2，A類有利區段約占3／4，面積約340 km2：酉陽有利區段總面積約550 km2，A類有利區段約占2／3，面積約360 km2(圖1)。

2  頁巖氣有利區有利度評價

以上基于地質異常理論，通過對不同層次頁巖氣地質異常指標的疊合和閾值限定，定性預測了渝東南地區酉陽、彭水、黔江、連湖、武隆、大有、太極7個頁巖氣勘探有利區段。為進一步聚焦靶區，以便于勘探開發部署決策，對上述頁巖氣有利區段的勘探有利度(有利度)進行了定量評價。

在固體礦產成礦預測與定量評價方面，趙鵬大等提出了一系列礦產資源定量評價理論和方法，并在固體礦產資源預測與評價中取得了很好的應用效果[19,43-45]。盡管頁巖氣是流體礦產，但頁巖氣具有原地生成、原地聚集的特征，與固體礦產的成礦特征具有相似性。因此，筆者借鑒成礦地質異常有利度模型[19],結合頁巖氣的具體特征和頁巖氣的研究現狀，對頁巖氣有利區段有利度進行了評價。

2．1頁巖氣有利區段有利度定量評價數學模型和指標選擇

2．1．1  有利度定量評價數學模型

基于地質異常理論，樣品單元成礦有利度(f)定義為相關獨立變量的線性組合[19]，其數學表達式如下：

式中f表示含氣有利度；ai地表示預測單元內xi因素控礦作用的權重；xi表示預測單元內第i因素(變量)。

預測單元內第i因素的權重ai可據下列矩陣方程(式2)確立。

式中λ表示(X＇X)的最大特征值；X表示m×n矩陣，代表在m個樣品單元上n個變量的取值；X＇表示X的轉置矩陣；a代表權重。

2·l·2  有利度定量評價變量選擇及變量正規化變換

頁巖氣勘探有利區段有利度定量評價的變量是與頁巖氣含量和頁巖氣可開采性(脆性——決定可壓裂性)等相關的指標。

頁巖氣含量與頁巖厚度、有機質含量和黏土礦物含量密切相關，因此，選用頁巖厚度、有機質含量和黏土礦物含量作為頁巖氣含量的替代變量；頁巖的脆性與頁巖中石英和長石碎屑的含量密切相關，因此用頁巖中石英和長石碎屑的含量作為頁巖脆性的替代變量。頁巖中長石含量普遍較少，主要是石英。由于頁巖的主要礦物成分為黏土和石英，這2個變量具有相互消長的負相關性，并非2個獨立的變量。

因此，在頁巖氣有利區段有利度定量評價中選擇：x1(有機質含量)、x2 (黏土含量)、x3 (頁巖厚度)這3個主要變量。以1：20萬圖幅為基礎，以l.25 km×1.25 km作為一個樣品單元，頁巖氣有利區共有776個樣品單元，用分段線性內插的方法對不同網格節點的不同變量取值。

由于頁巖氣有利區段有利度定量評價變量數量級差、量綱差別巨大，因而必須對所選擇變量進行無量綱化處理。筆者根據頁巖氣的邊界條件，定性圈定了研究區頁巖氣勘探有利區段。在頁巖氣有利區段內，計算其相對有利度，計算結果如下式所示：

式中x1、x2、x3各自代表的含義見前述。

根據相對有利度計算數據，就可以圈定出頁巖氣勘探有利區塊。

2．2頁巖氣勘探有利區塊的圈定

根據計算結果，將有利區段內各單元有利度繪制出等值線圖，以0.8為臨界值，圈定了頁巖氣進一步研究和勘探開發的有利區塊（圖2）。

從圖2可以看出，黔江有利區段內有利區塊分布面積最大，其余依次是武隆、連湖、太極、彭水、酉陽和大有有利區段。

黔江有利區段有利度大于0.8的有利區塊主要連片分布于石會南北兩側，面積約l50 km2，在太和村西南部有利區塊面積小，面積約20 km2，總面積約170 km2；武隆有利區段有利度大于0．8的有利區塊呈近東西向連片分布于武隆以南，總面積約136 km2；連湖有利區段有利度大于0.8的有利區塊分隔為西塊、中塊、東塊3個次級區塊，面積分別為31.25 km2、25 km2、46.88 km2，總面積超過l03 km2；太極有利區有利度大于0.8的有利區塊分布于西部，總面積約61km2；彭水有利區段有利度大于0.8的有利區塊由西向東分為高谷、長灘、鹿角西和鹿角東4個區塊，面積分別為17.2 km2、20.3 km2、25 km2和14 km2，總面積超過76 km2；酉陽有利區段有利度大于0.8的有利區塊分為東西2個區塊，面積分別為10．9 km2和7．8km2，總面積超過l8 km2；大有有利區段有利度大于0.8的有利區塊僅分布于東北角，面積約3 km2。

3  頁巖氣有利區塊找氣優度定量評價與排序

3.1  頁巖氣有利區塊找氣優度定量評價數學模型和指標選擇

借鑒找礦優度和找礦概率的概念和計算方法，結合頁巖氣的特點，提出如下有利區塊頁巖氣找氣優度計算方法。

定義某一有利區塊的頁巖氣找氣優度：

式中Poi表示第i個有利區塊的頁巖氣找氣優度；Foi表示第i個有利區塊頁巖氣平均有利度；Si表示第i個有利區塊的面積。

為了給出有利區塊頁巖氣工業前景的直觀估計和評價，將有利區塊頁巖氣找氣優度進行正規化處理，以獲取區間為(0,1)的相對找氣優度：

式中Pi表示第i個有利區塊頁巖氣找氣相對優度；Pomin表示有利區塊中最小頁巖氣找氣優度；Pomax表示有利區塊中的最大頁巖氣找氣優度。

3．2  頁巖氣有利區塊找氣優度定量評價結果及排序

通過有利區塊找氣絕對優度和找氣相對優度評價結果可以得出直觀的找氣序列。

有利區塊找氣絕對優度和找氣相對優度計算結果如表3所示。根據頁巖氣有利度圈定的渝東南地區黔江西、黔江東、武隆、連湖西、連湖中、連湖東、太極西、彭水高谷、彭水長灘、彭水鹿角西、彭水鹿角東、酉陽西、酉陽東和大有l4個龍馬溪組頁巖氣有利區塊中，根據找氣絕對優度及相對優度，排在前6位的區塊依次為黔江西、武隆、太極西、連湖東、連湖西、連湖中(表4、圖3)。

4  結論

1)利用渝東南地區龍馬溪組71個露頭剖面和渝頁1井的數據，根據頁巖埋深、厚度、有機質含量、黏土礦物含量及石英含量等5個頁巖氣有利區段地質異常關鍵指標及其閾值，預測了渝東南地區大有、武隆、彭水、連湖、黔江、太極和酉陽7個龍馬溪組頁巖氣有利區段。

2)頁巖氣有利區段有利度定量評價結果表明，渝東南地區武隆、黔江西、黔江東、太極西、連湖東、連湖西、連湖中、彭水鹿角西、彭水長灘、彭水高谷、彭水鹿角東、酉陽西、酉陽東、大有為l4個頁巖氣有利區塊。

3)渝東南地區黔江西、武隆、太極西、連湖東、連湖西、連湖中等6個有利區塊具有較高的找氣優度，是該區頁巖氣勘探開發優先靶區。

4)地質異常找礦靶區逐級篩選的理論和方法，對于分布面積廣、礦體與圍巖沒有明顯地質邊界的頁巖氣勘查有利靶區優選具有重要的應用前景。

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