Question

非常规油气资源评价方法

Answer 1

随着非常规油气勘探开发技术的快速发展，非常规油气资源评价方法研究越来越受到重视。目前，国内、外非常规油气资源评价方法比较多(表2-8)，分类也比较混乱。国内的评价方法超过10种，其中致密砂岩气评价方法就多达9种(郭秋麟等，2009;董大忠等，2009)。美国USGS为了便于评价，将油气资源分为常规和非常规油气资源两大部分，其中非常规资源(致密砂岩气、页岩气、煤层气和天然气水合物等)被称为连续型油气资源，非常规资源评价方法与连续型油气资源评价方法基本相同(Schmoker，2002;Olea et al.，2010)。国外最常用的方法是类比法、单井储量估算法、体积法、发现过程法和资源空间分布预测法等。

以上方法可归纳为类比法、统计法和成因法三大类。类比法:国内常用的类比法是单位面积资源丰度类比法，这种方法与常规油气资源评价的类比法相似;国外主要采USGS的FORSPAN法及其相应的改进方法。统计法:主要有体积法、“甜点”规模序列模型法、“甜点”发现过程法、单井储量估算法和油气资源空间分布预测法等，这些方法与常规油气资源评价法相似。成因法:国内用得较多，主要有盆地模拟法和热解模拟法。下面分别介绍这些方法中有代表性、较特殊的几种方法。

表2-8 国内、外非常规油气资源评价方法

一、类比法

类比法是USGS的主流评价方法。该方法最早由咨询公司评价员JohnGrace开发(NOGA Assessment Team，1995)。1995年，USGS的Schmoker接管了该方法后对其进行了扩展和改进，在2000年至2002年期间做了大量的应用(Schmoker，2002)。最近几年，Klett等(2003)继承和发展了该方法，特别是在数据库、参数分布、图表输出标准等方面的发展显著，现该方法已达到较为完善的程度。

1.评价单元与最小评价单位

USGS将目标评价层次划分为大区(region)、地质区(geologic province)、总含油气系统(TPS)、评价单元(AU)和最小评价单位(cell)。大区为组织单元，地质区是指具有共同地质属性的空间实体，总含油气系统是指具有共同的生、储、盖、运、圈、保等地质特征的可绘图的实体，评价单元是总含油气系统的一部分，由许多cell组成。在早期的评价网格中cell是指一个矩形网格，在目前的评价网格中cell是指由一口井所控制的排泄区(well drainage area)。

2.主要评价参数

主要评价参数包括:

(1)评价单元总面积(U);

(2)未测试单元总面积占评价单元总面积的百分比(R);

(3)未测试单元面积中具有增加储量潜力的百分比(S);

(4)每个有潜力的未测试cell的面积(V_i);

(5)每个cell的总可采储量(X_i);

(6)未测试单元平均产油气比率;

(7)天然气评价单元液/气比率。

以上主要评价参数用于直接计算资源量。在参数前处理过程中，已有的钻井资料主要用于储层参数(如厚度、含水饱和度、孔隙度、渗透率等)的分布研究、权重系数的确定、最终储量和采收率的估算。在缺乏足够的钻井和生产数据的地区，评价参数主要通过类比获得。

3.评价流程

该方法适合于已开发地区的剩余资源潜力预测。通过模拟每一个cell的参数分布，用相应的参数分布计算cell的资源量，并汇总为整个评价单元的剩余资源总量(图2-9)。结果用概率形式表示。评价过程主要有以下4步:

图2-9 连续型油气聚集评价流程

第一步:确定有潜力的未测试单元比例(T)，即:

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第二步:计算有潜力的未测试单元面积(W)，即:

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第三步:确定有潜力的未测试cell的个数(N)，即:

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第四步:计算评价单元总资源量(Y)，即:

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公式中的符号说明见上文“主要评价参数”部分，求解方法均采用蒙特卡罗随机模拟法。

二、随机模拟法

随机模拟法是USGS新推出的方法。2010年12月，Olea等认为传统的类比法存在3点不足:第一，忽略了不同评价单元EUR的空间关系;第二，没有充分挖掘已有数据所隐含的信息;第三，评价结果违背空间分布规律。

针对以上不足，USGS提出了一种新的方法———随机模拟法。该方法与类比法的不同之处有以下几方面:第一，算法的发展，由原来的类比法发展为以统计法为主、类比法为辅的综合评价法，在有井区采用序贯高斯算法的随机模拟法;在无井区采用类比法，通过类比得到EUR的空间关系及相关参数，然后进行多点模拟。第二，地质建模的发展，在此之前采用三角分布来确定参数;现在通过分析空间数据间的关系，用地质统计学方法建立参数空间分布模型。第三，模拟单元采用最早的网格单元cell，它与原来的cell有很大的不同，新cell的面积很小，接近于单井控制的排泄区或更小。

新方法根据钻井情况确定两套评价过程，即A过程———在已有钻井地区的评价步骤和B过程———在无钻井地区的评价步骤。

1.A过程———已有钻井地区评价步骤

A过程属统计法，共有11步:第一，选择单元格尺寸和形状等基本评价单位;第二，指定已知井排泄区;第三，建立每口井排泄区的形状和位置模型，每个井排泄区相当于多个相邻单元格的集合体;第四，为每个无产能井限定无产能区范围;第五，通过确定单元格、排泄区、井的关系，为每个网格单元准备一个相应的EUR(最终可采储量)数据集;第六，为每个测试单元准备一个包含3条信息的指示数据集，即单元格中心的纵、横坐标和一个指示器，指示器为0表示单元格没有产能，为1表示有产能;第七，如果该区域没有数据或者很少数据，不确定性很大，则需要准备一张克里金估计误差图，并由此确定评价区的边界;第八，采用序贯指示随机模拟方法至少模拟100次产能指示器，指明单元格有无产能;第九，采用序贯高斯随机模拟方法模拟单元格EUR，模拟次数与指示器的模拟次数相同;第十，利用第八步中生成的图件修正第九步中生成的图件，以上每次模拟结果的发生都是等概率的;第十一，采用等概率模型，汇总以上模拟的结果。

2.B过程———无钻井地区评价步骤

B过程属类比法，共有9步:第一，选择地质条件相似的成熟区作为类比刻度区，用A过程模拟，根据模拟图像和经验确定边缘区(评价区)的EUR波动特征;第二，确定评价区边界;第三，变换EUR值的概率分布和训练图像到标准刻度，使其服从均值为0，方差为1的正态分布;第四，利用连续滤波模拟，生成单元格产能的至少100次实现;第五，把实现从正态分布空间反变换到原来的EUR空间;第六，有规律地抽取1%的单元样本，生成一个产能指示数据集。定义数值在d%以下的那些单元为没有产能，以上的单元格有产能，这里d是在类比刻度区中无产能井的比例;第七，运用正态分布对有产能和无产能单元进行条件模拟，生成与第四步相同数量的实现;第八，利用第七步中的实现来修正第五步，得到评价区模拟的最终实现;第九，应用至少100张单元格EUR值等概率图，准备评价，汇总评价结果。

三、单井储量估算法

单井储量估算法是一种典型的统计法，由美国Advanced Resources Informational(ARI)提出，核心是以1口井控制的范围为最小估算单元，把评价区划分成若干最小估算单元，通过对每个最小估算单元的储量计算，得到整个评价区的资源量数据，即

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式中:G为评价区资源量;q_i为单井储量;i为评价区内第i个估算单元;n为评价区内估算单元数;f为钻探成功率。

此方法包括5个关键步骤，即确定评价范围、确定最小估算单元、确定单井储量规模、确定钻探成功率和确定气藏“甜点”。

四、油气资源空间分布预测法

油气资源空间分布预测法为特殊统计法，有3种不同的评价方法:一是基于成藏机理和空间数据分析的方法;二是基于地质模型的随机模拟方法(Chen et al.，2006);三是支持向量机的数据分析法(Liu et al.，2010)。以上3种评价方法除了数理统计分析不同外，其思路和评价过程基本相似，仅介绍第一种方法。

1.二维分形模型

由于地质过程的复杂性，无法将油气资源空间分布以某一精确解析式的形式来描述。已知油气藏本身并不包含未发现油气藏的直接信息，因此用常规地质统计学的随机模拟方法，直接从已知油气藏中提取空间统计信息，预测油气资源空间分布，其结果往往不尽如人意。但是，如果把已知油气资源分布和地质变量在空间的相关特征作为随机模拟的限制条件，用统计方法将这种相关特征以概率密度函数近似表达出来，就可提高预测的准确性。

油气资源空间分布的二维分形模型基于随机模拟技术和傅立叶变换功率谱方法建立，即通过傅立叶变换，把具有分形特征的油气藏分布空间(空间域)转化到傅立叶空间(频率域)中，用功率谱方式来表述油气资源的空间相关特征。根据分形理论，分形模型研究对象的空间相关特征可由功率谱函数来表达。对于具有分形特征的时间序列，其功率谱函数可表达为时间序列频率的幂函数

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式中:f为频率;S为功率谱密度;β为幂因子，称为频谱指数。上式表述的这种随机过程相当于Hurst空间维数H=(β-1)/2的一维分数布朗运动(fBm)。选择不同的β值，即可产生不同分形维数的fBm。对于二维图像或序列，其功率谱S有x和y两个方向的频率变量(u和v)及对应的频谱指数(β_x和β_y)。对统计特性来说，xy平面上的所有方向都是等价的，当沿着xy平面上的任一方向切割功率谱S时，可用

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代替频率f。因此，由式(2-6)可推出各向同性的二维对象随机过程的表达式:

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而对于各向异性的对象，可定义H为方位角θ的函数，则其二维分形模型的表达式可写成:

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式中:β_x和β_y分别代表功率谱中x方向和y方向的频谱指数。通过这个表达式就能模拟出油气藏分布空间的新功率谱。

2.修正资源丰度

二维分形模型中的指数函数H(θ)可以通过实际数据拟合β_x和β_y后获得。功率谱能量(资源丰度)越高的油藏，出现的频率越低，反之亦然。这一特点与油气勘探结果相吻合。因此，如果以能量较高的若干数据点为基础进行拟合，结果基本能代表该方向上油气资源的分布趋势(分形直线)。拟合的直线斜率(绝对值)即为该方向上的频谱指数。分别确定x方向和y方向上的频谱指数β_x和β_y后，代入二维分形模型中，就能模拟出新的功率谱S。新功率谱已修正了原始功率谱的不足，它包含了所有油气藏(已发现和未发现油藏)资源丰度的信息。

3.资源丰度空间分布模拟

确定油气藏在空间的分布位置是油气勘探的首要任务。目前，有许多方法可以预测油气勘探风险，绘制勘探风险图。勘探风险图包含了油气藏可能出现位置等方面的信息。为了把这一信息和资源丰度信息综合起来，需要做如下信息处理:①空间域转化为频率域。同样，用傅立叶空间变换，把勘探风险图从空间域转化到频率域。这时，除了得到以上提到的功率谱外，还能得到相位谱Ф，相位谱中包含着油气藏位置信息。②从频率域回到空间域。用傅立叶逆变换，把新的资源丰度功率谱S和勘探风险图的相位谱Ф结合起来，形成新的图。该图就是空间域中的油气资源分布图，它不仅提供了油气藏的位置，也指出了资源丰度。

在具体实现中，还需要在一些细节上做技术改进，包括设置经济界限，排除丰度低的没有经济价值的油气藏以及用已钻井数据验证和修正等。

五、连续型致密砂岩气预测方法

这是一种特殊成因法。对于常规储层及常规圈闭气藏，天然气的运移主体服从置换式运移原理，即在天然气向上运移的同时，地层水不断向下运移，形成了气水之间的置换式排驱和运移特点，其驱动力来自于浮力。对于致密砂岩气藏来说，致密储层与气源岩大面积接触，天然气的运移方式表现为气水之间发生的广泛排驱作用和气水界面的整体推进作用，其过程类似活塞式排驱，其运移动力来源于烃源岩的生烃作用，即在生气膨胀力作用下，气水倒置界面得以维持并整体向上运移，从而形成大面积的地层饱含气状态(金之钧等，1999;Schmoke，2002;张金川等，2003a，2003b;解国军等，2004;张柏桥，2006;胡素云等，2007;邹才能等，2009a)。烃源岩层越厚，单位体积生气量越大，产生的压力就越大，形成的致密砂岩气藏规模也就越大。

1.致密砂岩气动力平衡方程

根据致密砂岩气藏的活塞式排驱特点，提出了弱水动力条件下的平衡方程，即天然气运移的阻力包括上覆储层毛细管压力、天然气重力、地层水压力等，驱动力主要为烃源岩生气产生的压力。驱动力和阻力之间的平衡方程为:

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式中:p_gas为烃源岩中游离相天然气的压力(注入储层的压力)，atm;p_c为上覆储层毛细管压力，atm;ρ_gg_gh_g为天然气重力，atm，其中h_g为天然气柱高度，m;ρ_f为上覆储层地层水压力，atm。

在上述平衡方程中:①毛细管压力可用拉普拉斯方程求出;②天然气重力可以直接求出;③地层水压力，在成藏时一般为静水压力，成藏后的压力可用现今压力代替，也可用有效骨架应力模型求解(石广仁，2006);④烃源岩中游离气压力，为烃源岩生气增压后烃源岩中流体和游离相天然气的压力，简称“游离气压力”。

烃源岩大量生气能产生巨大的膨胀压力，这早已被石油地质研究者所共识(李明诚，2004)，但是迄今只有定性描述，未见定量计算模型。显然，在没有生气增压定量计算模型之前是无法真正定量模拟致密砂岩气藏的成藏过程的。

2.烃源层生气增压定量计算模型

超压形成的因素很多，除了生烃作用以外主要有差异压实作用、水热作用等。相比之下，生烃作用和差异压实作用是最主要的两种因素(李明诚，2004)。在地层进入压实成岩之后，特别是孔隙致密之后，压实作用基本停止，此时压实对排烃基本不起作用，而生气作用则成了排气的主要动力。依据气体状态方程，天然气压力(P)、体积(V)和温度(T)三者之间保持动态平衡。在地下高温、高压下，P、V和T三者之间的关系可用研究区的PVT曲线表示。根据这一原理建立的烃源层生气增压定量计算模型为:

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式中:P_gas为烃源岩生排气产生的压力，atm;B_g为天然气体积系数，m³/m³;V_p为烃源岩层孔隙体积，m³;V_w为烃源岩层孔隙水体积，m³;V_o为烃源岩层孔隙含油体积，m³;V_g为烃源岩层中游离相天然气体积(地表条件下)，m³;h_s为烃源岩层厚度，m³;Φ为烃源岩层的评价孔隙度，小数;S_w为烃源岩层中束缚水饱和度，小数;S_o为烃源岩层中残余油饱和度，小数;Q_gas为单位面积烃源层生成的天然气体积(地表条件下)，m³/km²;Q_miss为单位面积烃源岩层中散失的天然气体积(地表条件下)，m³/km²，包括吸附气、扩散气和溶解气等;Q_exp为单位面积烃源层已排出的游离相天然气体积(地表条件下)，m³;初始值为0。

3.模拟步骤

模拟步骤如下:①建立地质模型，以下生、上储模型为例;②在平面上划分网格，网格边界尽可能与构造线(如断层线等)一致;③在纵向上按油气层组细分储层;④计算运移驱动力———烃源岩层中游离相天然气压力;⑤计算运移阻力———细层1的毛细管压力、天然气重力、地层水压力等;⑥比较运移驱动力和运移阻力，如果驱动力小于阻力则不能运移，即该细层1不能成藏，停止对该点的模拟，如果驱动力大于阻力则烃源层中的气能进入细层1，并排挤出细层1中的部分水;⑦天然气进入细层1并达到短暂的平衡后，随着烃源岩层生气量的增加，游离相天然气压力P_gas也在增加，重新计算P_gas，并计算细层2的运移阻力;⑧比较运移驱动力和运移阻力，如果驱动力小于阻力则不能运移，即细层不能成藏，停止对该点的模拟，如果驱动力大于阻力则烃源层中的气能进入细层2，并排挤出细层2中的部分水;⑨重复第⑦和第⑧过程，直到驱动力小于阻力或遇到盖层为止(如果压差超过盖层排替压力，则天然气将会突破盖层散失掉一部分，直到压差小于盖层排替压力，天然气才停止运移);⑩计算天然气聚集量，模拟结束。

4.天然气聚集量计算

进入致密储层的天然气聚集量可用下式表示:

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式中:Q_gas为储层中天然气聚集量，m³;n为天然气进入到储层中的细层数，自然数;i为储层中的细层号，自然数;q为细层中天然气聚集量，m³;S_w为细层中束缚水饱和度，小数;h_i为细层i的平均厚度，m;A_i为细层i的面积，m²;Φ_i为细层i的平均孔隙度，小数;B_gi为细层i的(地层压力对应的)天然气体积系数，m³/m³。

根据对比驱动力与阻力的关系，如果确定天然气只能进入到细层3，则上式中n为3。另外，细层中束缚水饱和度，可通过类比相邻地区的致密气藏获得，一般在30%～60%之间;天然气体积系数，可根据细层地层压力在PVT曲线上的反插值求得。进入致密储层的天然气还会有一部分损失，如部分溶解在地层水中，还有一部分会以扩散方式向外扩散等。这些损失可以用溶解气公式和扩散气公式计算(郭秋麟等，1998;石广仁，1999)，在不要求高精度时可以不考虑。

5.关键参数

关键参数有:①天然气体积系数与地层压力关系曲线;②束缚水饱和度与孔隙度的关系曲线;③烃源层埋深、厚度、孔隙度、生气量、排气量(游离气量)等;④储层埋深或顶界构造图、等厚图，储层孔隙度等值图、孔喉半径等值图，现今储层流体压力系数等;⑤盖层排替压力。