“还清旧账，不欠新账。”这是人们谈到矿山生态修复时常说的一句话。“还清旧账”指的就是对历史遗留废弃矿山的修复治理。

2021年10月，中共中央、国务院印发的《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》提出，对黄河流域历史遗留矿山生态破坏与污染状况进行调查评价，实施矿区地质环境治理、地形地貌重塑、植被重建等生态修复和土壤、水体污染治理。

记者近日参加自然资源部“迎全国生态日记者行”主题采访活动，调研内蒙古自治区巴彦淖尔市、宁夏回族自治区中卫市等地遗留废弃矿山生态修复情况，并请相关专家对干旱半干旱地区生态修复思路和举措进行解读。

镜头一：

地处内蒙古西部巴彦淖尔市境内、黄河“几字弯”顶部的乌梁素海流域，是国家生态安全战略格局中“北方防沙带”的重要组成部分，是阻止乌兰布和沙漠向东侵蚀，阻隔乌兰布和沙漠和库布其沙漠连通的“重要关口”，是关乎黄河中下游水生态安全的“重要节点”。

2018年，乌梁素海流域以全国竞争性评审第一名的成绩被列入国家第三批山水林田湖草生态保护修复试点工程。乌梁素海流域山水林田湖草生态保护修复试点工程由巴彦淖尔市人民政府组织实施，重点实施乌拉山矿山地质环境综合整治等七大类工程。

如今，修复后的乌拉山南北麓青山重现，地形地势平缓连绵。通过地质灾害治理、矿山环境治理、矿山生态修复“三重”治理方式，共治理无责任主体露天采坑1004个、无责任主体废渣堆1483个，拆除废弃工业广场123个。

内蒙古自然资源厅表示，下一步，将继续加强对乌梁素海流域山水林田湖草生态保护修复试点工程的指导、监管，推进工程顺利验收，一以贯之、久久为功，守护好这颗“塞外明珠”。

镜头二：

从远处看，一排排的酿酒葡萄架整齐排列，绿意盎然；走近了看，一串串葡萄像一颗颗玛瑙宝石，流光溢彩。这是记者在宁夏志辉源石葡萄酒庄的葡萄种植园里看到的喜人景象。

贺兰山东麓位于北纬38度，被公认为世界上最适合种植酿酒葡萄和生产高端葡萄酒的黄金地带之一。志辉源石葡萄酒庄就位于此地。然而，这里之前并不是这般模样。

自20世纪80年代开始，贺兰山东麓一直是周边主要的砂石料来源地。长年开采一度导致这里废弃砂坑遍地、山体沟壑纵横，植被稀少、荒无人烟。

2008年，志辉源石葡萄酒庄承包了18000亩荒地，其中6000亩为废弃矿区，选择将酒庄建设在矿区之中。通过栽种生态林，防风固沙、调节小气候，有效降低葡萄霜冻风险；通过葡萄园行间覆草，改良土壤、降低地辐热，提升葡萄品质；通过冬季挂枝，形成风障，保持水土；通过智慧化水肥管理技术，较传统灌溉方式节水超过50%，实现葡萄园生态系统减碳与增效双赢。酒庄还在占地1200亩的废弃矿区中建设运动公园，通过将生态旅游与运动休闲整合，打造以生态观光、运动休闲于一体的城市休憩地和生态旅游休闲地。

镜头三：

山桃、山杏、红柳、柠条、花棒……在宁夏回族自治区中卫市，经过治理后的石墩水铁矿区废弃矿山，各色植物迎风摇曳，充满生机。

2021年以来，中卫市按照“北治风沙、沿黄治水、中部复草、南保水土”的总体格局，谋划了“十四五”乃至2035年全市生态保护修复的“大盘子”，石墩水铁矿区废弃矿山治理等重点生态修复项目相继落地。

2022年，工程总投资5.06亿元的“黄河上游风沙区（中卫）历史遗留废弃矿山生态修复示范工程项目”成功通过国家竞争性评审，位列全国第三名，入围全国2022年历史遗留废弃矿山生态修复示范工程项目支持范围。

今年上半年，中卫市加快实施该项目，已开工9个子项目，通过采坑回填、地形重塑等方式，治理矿坑301个、1.6万亩，完成投资3.5亿元。今年下半年将加快舟塔、涩井沟等7个在建子项目工程进度，迎水桥、喊叫水等剩余4个子项目全部开工，年内修复矿山1396.5公顷。

记者一路走一路看，一边思考：内蒙古、宁夏煤炭等矿产资源丰富，是我国煤炭的主产区。同时，内蒙古、宁夏生态地位凸显，都是北方重要生态安全屏障，但又都是生态较脆弱的干旱与半干旱地区。在这样的地区，如何做到在科学合理开发利用资源的同时，进行系统修复治理？

采访行程即将结束，记者来到位于中卫市的中国科学院沙坡头沙漠研究试验站。在听该站负责人讲解的过程中，墙上“干旱区矿业废弃地生态修复技术研究”的字眼闯入记者的视野。记者随即联系到长期从事干旱区恢复生态学研究的该试验站研究员何明珠。“您都做过哪些不同类型的案例？有哪些难点，分别是怎么攻克的？通过生态修复达到了怎样的效果？未来怎么做？”面对记者连珠炮式的提问，何明珠娓娓道来。

何明珠的研究主要集中于干旱地区生态修复理论和技术研发。他做过的矿业废弃地生态修复案例主要包括：素有中国“镍都”之称的金昌市的尾矿库、毛石场等矿业废弃地的生态修复，内蒙古和宁夏露天煤矿开采区的植被重建，以及宁夏中卫市石灰岩矿山遗迹地的土壤-植被联合修复的研究。

在何明珠看来，干旱区矿业废弃地生态修复有一些共性的难点，也是开展生态修复研究或工程建设的瓶颈。

宁夏志辉源石酒庄在废弃矿区建设的贺兰山运动公园一角 

难点一：降水量稀少，而且降水年际或季节分配不均，很多地方的降水量都在200毫米以下，降水一般集中在秋季。“我们知道，随着全球气候变化的影响，干旱区的极端天气事件，例如干旱、暴雨等频发，这也为生态修复工作提出新的挑战。”何明珠说。

难点二：“皮之不存，毛将焉附？”矿业废弃地普遍以砾石块为主，具有漏水、贫肥、地温高变幅大等特点，土壤环境基本丧失。

难点三：在生态修复植物资源方面，目前可用于干旱区矿业废弃地生态修复的植物种类相对较少，主要包括一些广谱性的豆科、藜科、菊科、禾本科等灌木、草本。这些植物普遍具有抗旱、耐盐碱、耐重金属、生长量较大等特点。

“简单而言，主要难点包括以上提及的水热等自然条件、土壤环境，以及生态修复植物资源等方面，对于一些特殊的矿业废弃地还涉及重金属污染风险等问题。”何明珠总结道。

何明珠说，针对以上难点，开展干旱区矿业废弃地生态修复的总体思路是：科学治山、系统治理、固废利用、节水高效、经济可推广。

“由于不同地区的资源禀赋、生态环境、植物资源、土壤类型等存在共性和差异性，在大面积开展生态修复工程之前，我们都会开展预试验地建设，从土壤改良、植物筛选和配置模式、节水制度等方面进行科学的试验设计，一般要经过1～2个生长季，通过试验数据和研究结果提出适用于特定矿业废弃地生态修复的最合理、经济的治理模式。”他介绍说，这些治理模式包括利用固废物资源再利用开展土体重构和土壤改良，尽量避免大规模的客土复垦。在水资源利用方面，会采取中水二次利用，或植物种植前期短期补水等措施。生态修复植物主要通过灌木、草本结合，保持低密度的种植方式，使人工生态修复植被从“补水型”逐渐过渡到“雨养型”。

“总体而言，我们开展过的干旱区矿业废弃地生态修复的一些科研项目成果还是取得了一些显著的生态、经济和社会效益。”何明珠倍感欣慰地说，研发的生态修复技术模式在工程项目中得到了推广应用，节约了水土资源、降低了工程投入，后期管护成本也很大程度降低了。从生物多样性的角度分析，一些原生植被的草本、灌木也逐渐出现了，鸟类回归和数量增加比较明显。从碳汇的角度分析，很明显地发现生态修复林地的盖度增加，灌木和草本不断演替，达到合理比例。林地的凋落物增加，土壤的保水、保肥、养分条件得到很大提升。

何明珠话锋一转：“当然，生态修复的效果要具有长期性、稳定性，从长期生态学的角度开展持续研究、监测，不断完善创新生态修复模式，可为干旱区矿业废弃地的科学治山、系统治理提供科技支撑。”

编者按：在服务资源、环境及生态等复杂问题的解决过程中，地质科学本身也将向前发展，形成新的学科或体系。近年来，国际上形成了两种不同的发展思路，一种是以美国等为代表的将复杂性问题置于环境或生态系统中加以研究，研究对象涵盖生态系统的生命和非生命成分；另一种是以俄罗斯为代表的将环境或生态问题置于地质范畴内探讨，突出生命组分影响下的地质客体变化等。本报今天刊俄罗斯学者V. T. 特罗费莫夫阐述生态地质学理论及其应用的文章，以飨读者。需要指出的是，尽管该文发表在多年前，但仍对思考生态文明建设下的地质工作具有重要借鉴意义。

地质学拟解决四类问题：一是为人类提供矿产资源；二是为人类的工程活动作地质论证；三是为人类的教育、文化和美学需求提供地质知识；四是为生态系统的稳定运行作地质论证。前三类问题已被地质学家接受，并已取得了满足人类社会发展需求的成果。第四类问题的意义和开创性，在20~25年前已被地质学家察觉。解决第四类问题的发展过程，引发了地质学一个新分支的形成，称之为“生态地质学”。

生态地质学及其对象和主题

　　图1 岩石圈生态作用的分类

生态地质学是地质学的新分支，致力于岩石圈上层(包括地下水和气体)的勘查，并将它看作是生态系统的主要非生物组元之一，在生态系统的组织层级（从生物群落直到生态圈）中属高层级组元。用地质学家更为熟悉的术语来说，可把生态地质学的内涵定义为地质科学的一个分支，研究的是岩石圈的生态功能，这些功能的形成规律，以及在自然及人为动因影响下这些功能发生空间和时间变化的规律，它们与生物体、首先是人类的生存和活动息息相关。

必须指出的是，术语“生态地质学”（ecological geology）不同于“地质生态学”（geoecology）。两者存在原则性区别。无论从哪种意义上说，“地质生态学”都是一门复合性科学，研究的是地球的所有非生物壳层（圈层），也研究生物体。“地质生态学”包容“生态地质学”，后者仅触及岩石圈一个组成部分，在相同层级上的还有“生态地理学”和“生态土壤学”等，它们也是地质生态学的组成部分。

另一方面，“生态地质学”的概念内涵由“岩石圈生态功能（属性）”的概念确定。这个概念于1994年提出，是地质学中一个原理新颖的概念。它的内涵详细解释如下：

生态地质学的研究对象是地质科学的常规客体：从理论上说，是岩石圈及其所有组成部分；特定地说，是岩石圈的近地表部分，主要是受人为影响的地带。它可被描述为一个多组元的动态系统，包括对生物（biota）的存在和发展产生影响的岩石、地下水和气体。

生态地质学研究的是：“岩石圈—生物”系统，“受到人为影响的岩石圈—生物区”系统或“岩石圈—工程建设—生物区”系统；生物子系统与非生物子系统之间的直接和间接联系；最终是，“死”物质对“活”物质的影响，或广义地说，是岩石圈与生物之间的相互作用。这样的系统构成，意味着通过考虑岩石圈的人为改变，也把人为影响源纳入了系统之中。

根据其内涵，所有发生过转换的系统都是生态地质系统。这两种系统之间的主要区别，在于其中存在的是有生命组分还是非生命组分。生物区存在并活动于岩石圈中，或者就在岩石圈表面。据此便可形成“生态地质系统”的定义。生态地质系统是岩石圈的特定部分，是在其内和其上容纳着所有生物区的环境的地质组元。生态地质系统由三个子系统组成：岩石圈（无生命的）、生物区（有生命的）和天然及人为影响源。

生态地质学的研究主题是有关岩石圈生态功能（属性）的知识（数据系统）。因此，要考虑“岩石圈—生物区”系统中的功能关系，或“岩石工艺系统—生物区”之间的功能关系。

岩石圈的生态功能

岩石圈的生态功能多种多样，决定和反映着岩石圈（包括产于其中的地下水、油、气、地球物理场和地质作用）对生物区，主要是对人类的重要价值。人类的独特性在于人类活动对环境的影响比所有其他生物的影响都大。研究岩石圈不能采用生物生态学、生态地理学和生态土壤学研究框架内的那类途径。

岩石圈生态功能的科学理念，意味着对岩石圈的作用要有多方面的考虑，将之视为一个存在着有机生命（各体生物、植物群、动物群和人类）的环境。从生态观点看，岩石圈主要是给生物体提供资源和能量，并通过它的资源及其地质动力学、地球化学和地球物理功能来实现（图1）。这里不考虑人与自然相互作用功能中的社会-经济、道德和审美方面，因为它们超出了专业地质知识的范畴，事实上它们构成了一个社会生态学的关切。

在天然及被人为改变的岩石圈与有群体结构的生物物种生物区之间，有着多种多样的关系，可把它们归结成4种功能：一是岩石圈的资源生态功能，它对生物体生存和活动所需的矿物质、有机质、有机-矿物质资源有重要意义；二是岩石圈的地球动力学生态功能，它通过自然和人为的过程和现象，决定着岩石圈对生物区状态和人类生活条件的影响；三是岩石圈的地球化学生态功能，它反映着岩石圈的自然和人为地球化学场（不均一性）对整个生物体（包括人类在内）状况的影响；四是岩石圈的地球物理生态功能，它反映着岩石圈的自然和人为地球物理场（不均一性）对生物体（包括人类在内）状况的影响。

每种功能的内涵、它们的评价标准、信息获取方法和表述方法另有专文论述。

岩石圈的生态属性

岩石圈的生态功能靠具体的生态属性来实现。就“岩石圈的生态属性”这一术语而言，指的是岩石圈的特征属性，即具有特定生态重要性的属性。它取决于其物质成分、地球动力学、地球化学和地球物理学的特性，且与生物体存活的供养、生物体生存和进化条件有机关联。

有关岩石圈生态属性的问题，是一个新问题。这里力图在岩石圈的资源及其地球动力学、地球化学和地球物理的生态功能框架内，给这些属性命名（表1）。它可能不是完整的清单，但堪作举例材料。

　　表1 岩石圈的生态功能与属性

生态地质情势及其状态

用术语“生态地质情势（环境）”来表达岩石圈具体生态属性（功能）的组合，反映作为栖息地的一定岩石圈体积内生物体生存条件的现状或古状态。在一个地块或一个区域范围内，生态地质情势（situation）或许会或许不会因地而变。而且，生态地质情势也会随时间而变，在这种情况下，该情势会随时间从一种状态（state）变换成另一种状态。由于人为工艺因素和灾变性自然过程的发展，这种变换可能进行得很快，从历史观点看，有时就在瞬间。

必须强调的是，生态地质环境（conditions）或许既取决于所有生态功能同时起作用，也会仅取决于一种生态功能，比如地球动力学功能，它会在瞬间对生物区产生较强烈的影响。在后一种情况下，这种生态地质情势应该说成是“依靠岩石圈地球动力学特征形成的特色生态地质环境”。当地球化学功能在生态地质状况形成中扮演最重要角色的情况下，就说它是依靠岩石圈块段的地球化学特色形成的特色生态地质环境。

“生态地球动力学环境”、“生态地球化学环境”和“生态地球物理环境”等术语，在地质文献中也常常使用。这些术语是对上段文字特指含义的省略表达。另外，当只分析一种生态功能对生物群或人类的影响时，使用这些术语也是对的。

正如已经指出的那样，生态地质环境的变化或许是足够快的。人们必须把所研究对象（生态地质系统）的阶段特色称为生态地质情势（环境）的状态（state），地质学家则往往将它称为岩石圈的生态状态。可以把“生态地质情势（环境）的状态”的实质定义为某种暂时状态，并根据当时岩石圈的一种生态属性特征，或者几种生态属性（功能）的组合把这种状态估计出来。这些生态属性决定着生物体生存的有利度（水平）和或然率。

生态地质情势的状态要根据岩石圈某些属性的暂时状态评估出来，也要描述出这些属性对活体生物产生影响的特征。根据这种定义，当对岩石圈的生态状态做评价时，就不得不一方面评价岩石圈对活体生物的资源和能源影响，另一方面评价有关活体生物响应这些影响时的特定相互作用信息。在所有的生态系统组织层级上，此类评价准则对生物体都是适用的。

如上所述，生态地质环境的状态可以取决于岩石圈的一种属性（功能）或几种属性（功能）的组合。在地球物理功能强烈影响生物群的特殊情况下，可以说：“生态地质环境的状态取决于地球物理功能（属性）”。地质学家常常用术语“岩石圈的生态地球物理状态”来代替上面的表述。而“岩石圈的生态资源状态”、“岩石圈的生态地球化学状态”之类的术语，常被作为同义语使用。

生态地质学的基本科学问题和实践问题

生态地质学有5项主要任务：（1）研究岩石圈的生态功能，它们的形成规律，及其在自然和人为作用影响下发展的动力学；（2）从岩石圈生态功能变化的观点出发，针对人为成因的影响，开发评价岩石圈近地表部分稳定性的理论和方法；（3）针对岩石圈近地表地层环境与属性的控制问题，精心研制理论和方法，以保护和改善它们的生态功能；（4）研制工业废弃物利用和选择其最佳（就地质环境而论）埋置地区和层位的理论、方法和途径，以使对区域生态属性的负面影响最小化；（5）针对国土、目标客体和大型建筑的工程保护问题，精心研制进行地质论证的理论和方法，以免发生削弱其生态功能的自然和人为地质作用。

总的来说，生态地质学的应用性问题可以通过下述途径形成：（1）论证生态系统正常运转前提下岩石圈资源的合理利用；（2）确定岩石圈近地表部的人为污染对生物群的影响；（3）针对一些生态系统或整体生态系统生物群的管理，为制定和调整解决方案进行地质论证。

这种一般性生态-地质课题清单，通过参考早先开列的岩石圈生态功能，还可以更详细地提出来。

生态地质学的逻辑结构

根据生态地质学是地质学的一个科学分支，而不是一门独立学科，它的逻辑结构应该包括地质科学逻辑结构中用于解决生态问题的既定要素，以及“它自己的逻辑基础”。两者的同化不是机械式的，要遵循相当明确的关系，即生态学方法途径的逻辑。“它自己的逻辑基础”是一种逻辑支点，也能够在其它科学的理论、思想和定律中使用。

　　图2 生态地质学逻辑结构的全域示意图

　　A-生态地质学逻辑结构的逻辑基础；B-被生态地质学利用的地质学科的逻辑结构（B1-工程地质学；B2-冰川学；B3-水文地质学；B4-地球化学；B5-地球物理学；B6-矿山地质学；B7-新构造学；B8-地震大地构造学；B9-地貌学；B10-地史学与古生物学；B11-火成岩石学与沉积岩石学；B12-矿物学)；C-生态地质学逻辑结构全域的轮廓线）

对此问题的处理如图2所示。该图说明了生态地质学逻辑结构的镶嵌特性，就致力于解决生态问题的地质科学，以及这些地质科学对生态地质学逻辑结构的贡献，给出了概念图。不难看出，工程地质学、水文地质学、冰川学、地球化学、地球物理学和矿山地质学提供着主要的信息量，以及可用于生态地质学的大部分研究方法。在我们看来，其它地质学科及其逻辑结构可用的较少。以上结论基于一个事实，有关岩石圈生态功能的知识才是生态地质学的基础。

基于对岩石圈生态功能的上述认识，可以对生态地质学逻辑结构的最重要要素划分出以下几个方面：（1）原理-岩石圈近地表部的结构、空间关系、属性和生态功能，是其地质特征的历史发展及其与自然环境和人为作用圈相互作用的结果；（2）原理-岩石圈的动力学状况（运动速率和特性）和生态功能的组元与变化，皆归因于它们的自然属性，归因于它们与环境（包括人为的工艺成因环境）相互作用的模式和强度；（3）生物体与环境相互作用的一致性定律；（4）社会发展特征与环境状况间的一致性定律（基本生态定律）。

正是这些原理和定律形成了生态学的支点，把其它地质学科的基础整合起来，构成了生态地质学自身的那部分逻辑基础。

生态地质学的科学分支及其在地质理论知识体系中的位置

在生态地质学的结构中，有几个旨在分析所确定的岩石生态功能的科学分支。它们是资源生态科学、生态地球动力学、生态地球化学和生态地球物理学（图3）。

资源生态科学是生态地质学的科学分支，涉及与维持生物区存续有关的全部问题，按资源利用的观点，其中首要的是通过提供岩石圈的矿产资源和地质空间资源维持人类社会存续，在科学技术活跃发展的新时代满足人类的需求。研究的焦点不是矿产资源的勘查和储量计算，而是评价其目前消费水平与合理使用的一致性。实质上，岩石圈矿产资源消费的管理问题，应该通过关注高层级生态系统的保护和正常运行来解决。地质空间资源也要用生态学的观点来评价。很明显，一些地质科学的方法，主要是矿山地质学、水文地质学的方法(对矿产资源)，工程地质学和冰川学的方法(对地质空间资源)，应该适用于这些研究和调查。另外，这些研究应该由社会来定向，就是说应该与社会经济学紧密关联，在实践中，生态地质学家应该与经济学家、社会学家及管理机构和设计院所的代表接触。生态地质学这一分支的主要课题是：考虑目前文明发展需要的矿产资源评价，对矿产资源消费的管理建议进行地质论证。

生态地球动力学是一个大领域，包括所有涉及自然和人为地质过程对生物区影响的课题，以及评估生物群栖息地可能灾变和舒适度的课题。后一点仅关切人类社会。这些研究一直采用工程地质学、冰川学、水文地质学和构造地质学的方法来执行，与项目规划者和设计者联系。在该分支框架内执行的主要任务有：针对在工艺活动影响下的地球动力学参数变更，开发评价岩石圈近表部稳定性的方法；为保护生物区和人类社会免受影响其生存及舒适度的（天然和人为）不利和灾变地质过程的危害，对相应工程保护项目进行生态地质论证。

生态地球化学是生态地质学的科学分支，研究天然和人为成因地球化学场对生物区的影响。在生物区内有岩石地球化学、气体地球化学和水地球化学异常。调查课题是：岩石圈的物质（矿物）成分，活动态化合物的迁移问题，元素的非正常浓度及其对生物区的影响性质问题。地球化学、矿物学、岩石学和水文地质学的方法被用来解决这些问题，生物区环境的生物医学评估资料具广泛的适用性。实际上，这类研究意味着生态地质学家要与医学专业人员和卫生服务机构建立密切联系，因为这些异常要用医学-卫生的观点来评价。

生态地球物理学也是生态地质学的科学分支，研究重力、磁、电磁、热和放射性等天然和人为地球物理场对生物区的影响。这些场与背景值的偏差及其对生物区的影响，要借助地球物理学、大地构造学、地震构造学的方法和生物医学的学科资料来研究。与生态地球化学一样，这些问题的解决必须与医疗-卫生服务机构密切联系。要在该分支框架内完成的总体任务有：天然和人为源地球物理场的分析，研制评价其医学-卫生危险的方法和准则（对生物区的影响强度，评价岩石圈对工艺性污染的稳定性）。

图3示出了生态地质在理论地质知识中的位置。在地质学的结构中包括前5个科学分支已得到承认，无需再予证明。但是，对于后两个分支，即“关于岩石圈生态功能的科学”和“关于地球的工程地质环境的科学”，其纳入地质学的合理性尚存争辩。主要争辩依据是，在科学技术活跃发展的新时代，对于涉及地球和岩石圈问题，需要强调生态理论研究的作用。目前，人为工艺因素对岩石圈外壳的影响程度，已经提高了生态地质学说在地质学中的地位，已经使这个学说可以划分为地学中的独立科学分支，已经把上面所述的后两个分支提升到了与前5个分支相同的水平。

　　图3 生态地质学的科学分支及其在地质科学体系中的位置

生态地质学的实用性分支

图4说明，可以在生态地质学的构成中列出几个实用性子分支。它们是城市、矿床和复垦影响区的生态地质学，以及线状工程、热电站和核电站等影响带的生态地质学。值得特别强调的是，各类经济活动不仅在项目建设中，而且在其运营和维护时期，都应该提供对岩石圈和生物区生态影响的评估。因此，应调查的面积要比官方土地使用许可的范围更宽更广，只要在其内确定了或造成了工程客体对岩石圈生态属性的影响。

各种经济活动在对岩石圈影响的强度、深度和性质上是各不相同的。这涉及到岩石圈的矿产资源，地质作用的活跃程度，以及自然和人为成因的地球化学和地球物理致病区的发展。

　　图4 供人类社会正常发展和运作的生态地质学的实用分支学科

很明显，大的城市群、采矿工程（矿山、露天矿场等）、集中在数个盆地和油气田带中的油气产业，都会对岩石圈及其生态功能产生重大的影响。对城市群而言，这种影响取决于特定的高密度城市人口；居住区，交通-通讯，大型工业、燃料和能源企业及联合企业的自营交通，均规模巨大；还取决于城市地下的支撑工程。因此，会观测到以下现象：土壤、岩石圈近地表部和水圈被活性有毒化合物强烈污染；由于热、重、电磁和地震声波等地球物理场变化，发育起致病的地球物理异常；车辆废气导致大片土地的高度重金属污染；地下水动力学和水化学机制改变；地下水储量耗竭。矿场附近岩石圈的生态性变化与下述后果关联：矿产资源枯竭，重力场变化，产生异常的地层压力，地下水动力学参数彻底转变，出现密集的人为污染区，地质环境资源减少。对线性工程而言，不利的生态后果与负面的地质作用活跃有关，与线性的人为污染晕和诱发的异常地球物理场有关。

在不同种类经济活动影响下发生的岩石圈生态环境特性改变的清单还可能扩展，但上述这些已足以支撑得出结论。每种经济活动都与岩石圈生态属性改变的特定复杂性关联，因此要对它们进行分析，就需要运用地质科学的各类理论和方法。城市群影响着岩石圈的所有生态功能，所以要动用地质科学的整套方法，特别要涵盖图2所示的所有学科的方法。对线性建筑而言，要运用的地质科学和方法清单将取决于研究需要，首先是岩石圈地球动力学、地球化学和地球物理学功能的研究。在矿床开采方面，研究重点要集中到岩石圈资源功能的所有方面，地球物理和地球化学异常，以及一组地质作用。 

1 前言

近年由于常规天然气资源量和产量的下降，特别是在北美洲，非常规天然气得到了高度的重视。一些估计表明，全球非常规天然气资源量（不含水合物）超过30000万亿立方英尺，大约有50%的资源来自页岩气。Julander能源公司的首席执行官Fred Julander认为页岩气（SG）是“自发现石油以来最重要的能源进展”。

水平钻井技术的进步、水力压裂、相对高的天然气价格（相比2009年之前）和近来在巴内特页岩（Barnett Shale）和美国其他几个页岩气藏的商业成功都使页岩气在美国成为了热门能源，而且页岩气的勘探开发已开始蔓延到加拿大和世界其他几个地区。

由于页岩气远景的复杂性和广泛性，针对页岩气的应用不能采用普遍用于常规气和煤层气的应用技术，而需专门设计开发工具和方法。多名学者包括Gray等人（2007）和Harding（2008）认为基于确定性解决方案的决议不适用于页岩气开发，因其没有考虑与复杂成藏有关的风险和不确定性，且经常导致过于乐观的结果。

到目前为止，尽管在北美和欧洲的勘查活动活跃以及近期商品价格下降，页岩气远景分析工作也只完成了极少的部分。商品价格的下降使最高质量远景区的开发至关重要，这些区域的开发不仅最符合公司的利益，并且赋予公司与国外的低成本常规气田（即卡塔尔和沙特阿拉伯相关的天然气）竞争的最佳潜力。Williams-Kovacs和Clarkson（2011）提供了与非常规的远景分析有关的现有工作的回顾，并提供了一种专为页岩气应用而设计的综合的六阶段远景分析及开发评价方法（PADEM）。本文中，作者还展示了一个专门开发用以筛查页岩气远景区并且选择最适合详细分析远景的工具。本文以Williams-Kovacs和Clarkson的工作为基础，致力于远景评价并选择进行更深入分析的远景区的试点位置。

当前工作的目标是：①开发一种协助页岩气勘探开发阶段的方法和配套的分析工具；②演示已开发技术在加拿大西部致密砂岩/页岩远景区的应用。这项工作的主要贡献是开发与示范一种针对页岩气远景区的严格分析方法。当考虑共存关系时，基于先导试验井输入变量的不确定性，该方法能生成其预测的分布。以前所有的工作一直专注于全域开发方案，然而无法利用勘探开发早期阶段可获取的少量数据快速形成这种全域开发方案。

2 工具开发

在这项工作中，开发了一种用于分析页岩气远景的工具。该工具选择使用（以Williams-Kovacs和Clarkson提出的方法（2011）为例的）预筛选的方法。本文将重点放在该工具的开发和应用，分析某一远景区的不同区域，以确定它们是否是适合的试点项目，并描述了图1所示的PADEM工作流程的勘探阶段。勘探阶段的目的是对从更多的详细资料中筛选的远景进行调查，以增加对油藏流动性和碳氢化合物生成能力的了解。在这项工作中，我们对个别类型油井采用概率范围经济学（probabilistic scoping economics）作为勘探标准，以确定该远景区是否适合实行试点项目。表1中完整提供了Williams-Kovacs和Clarkson（2011）详细讨论整体勘探开发方法的总结。

表1  勘探开发方法概况

在这项应用中解析模型比数值模拟更适用，其原因在于应用程序自设置和初始化的时间很短，整合的蒙特卡罗模拟法简单易行，并且在勘探早期阶段不容易获得形成精准的数值模拟所需的详细数据。尽管数值模拟技术已得到改进，但解析方法在工业和文献中依然被大量使用。下文给出了开发工具的关键部分的概要。

2.1 属性图

勘查方法最关键的组成部分可能是关键储层、地质力学、岩石物理和地球化学特性的精确属性图的开发。从地质模型、产量不稳定分析（RTA）、压力不稳定分析（PTA）、岩石物理调查等组合中可以推导出这些属性图。这些属性图用于远景的可视化、区块选区以及单一区块的分析。天然气原始地质储量图（OGIP）、K_m-h图、压裂脆性图等有助于选择代表性区块以及具备更大开发潜力的区块，甚至高度非均质性区块。区块作为一种评价不同区块远景生产特性的方法，基于地质和岩石物理的观察，比较简单易于操作。采用区块方法不需要针对每个勘探网区块开发一种标准井进行分析，然而通过应用蒙特卡罗法依然解释了其变化性和不确定性。Clarkson和McGovern（2005）采用区块方法评价了煤层气（CBM）远景。通过输入X-Y坐标值以及Petrel^TM软件的储层属性Z值可以在Excel中创建储层属性图。随后，数据透视表程序被用于对数据排序，并利用二维绘图应用软件创建属性图。由于早期的岩石物理模型通常利用有限的数据集开发，单一区块在蒙特卡罗模拟中选择不确定的输入数据和参数范围可以解释模型参数的不确定性。这种解释不确定性的方法将在本文所示实例中进行演示。

2.2 水力压裂模型

该项工作中，水力压裂裂缝的半长采用Valko（2001）提出的在常规和致密气中应用的简单双翼压裂模型来预测。该模型采用基质渗透率、剪切模量（杨氏模量与泊松比的函数）以及其他储层参数作为输入数据，且如果建模的输入参数不确定，则都必须重新计算每次蒙特卡罗迭代。采用简单的关联（A_cm＝4x_fh）可将裂缝半长转换为与压裂有关的面积。这个压裂模型可能无法代表部分更复杂的页岩气裂缝。为了更好的表示引入到大部分页岩气储层的复杂压裂网，Xu（2009，2010）等人建立了一个更具有代表性的水力压裂模型，该模型将被结合到本次工作中所演示的更新版本的方法中。该区的微地震观测表明，在本文预测的远景区横向双翼压裂的假设是合理的。

作为所应用的速率预测模型中的关键组成部分必须估算裂缝半长，这一问题将在下面部分开展讨论。水力压裂裂缝半长在随机分析中作为不确定的输入量，其分布主要根据该地区的微地震事件或者其他方法来确定。

图1  非常规天然气勘探阶段的勘探/开发方法工作流程

2.3 速率预测

Clarkson（2013）提供了关于页岩气井生产分析和速率预测综合全面的概述。在该工作中，我们将页岩气井理想化为一个矩形双孔介质系统，气体从基质岩块流入到裂缝且储层不随着裂缝延展（如图2的概念模型）。该模型忽略了包括体积压裂（SRV）在内的影响，其他作者认为大部分低渗页岩气井在合理的时间内不会发生体积压裂。此外，图2所示的概念模型假设了一个均质的完井——Amborse等（2011）和Nobakht等（2011a）讨论了非均质储层完井的预测。

在本次工作中，该模型的解决方案首先由EI-Banbi（1998）提出来。人们普遍认为在页岩气藏中占主导地位的瞬时流动状态是从基质到裂缝的线性流。同时，也可能出现一个与水力压裂线性流动相关的线性流动周期，但是通常认为这个阶段持续时间很短，或者被水力压裂清理以及表皮效应所掩盖，而很少可用于分析。本项工作中，我们假设瞬时线性流（从基质到裂缝）之后是边界控制流，该流态与受表皮效应（见等式7）影响的线性流体模型存在早期偏差。压裂段之间的不渗透边界结构导致了边界控制流产生。由Wattenbarger等（1998）首先将早期线性到边界控制流体的假设引入到致密气的应用中，并且该假设被广泛应用于文献和页岩气行业的解析模型。

图2  从线性流到边界流的解的概念模型

2.3.1 瞬时线性流的速率预测

EI-Banbi（1998）提出通过恒定速率和恒定流体压力来描述瞬时线性流的公式。本项工作中采用恒定流体压力的条件，这也是本文其他部分的重点——该边界条件最接近大部分产生达到最大水位降低值的页岩气井的流动条件。Samandarli等人（2011）采用不同的流体压力迭代方法，对页岩气生产进行分析建模，但是他们表明在大部分情况下采用恒定流体压力的假设就可以了。

与常用于表征简单横向双翼压裂的裂缝半长（X_f）相比，相关储层面积（A_cm）能更好的表示完井措施和增产措施效果以及生成复杂裂缝的能力。因此，在这一分析中，采用相关的储层（气藏）面积（A_cm）取代裂缝半长（X_f）。许多业内专家相信由于页岩气藏超低的基质渗透率，复杂压裂对于页岩气的商业生产至关重要。

无因次时间，t_D,Acm，相关储层面积（A_cm）依据公式1在恒定压力条件下定义。

                           （1）

无因次速率，q_D,Acm，由无因次时间定义：

                                       （2）

基于储层特性的无因次速率表达式，如果可获得关于K_m和A_cm的估算值，通过公式（3）可确定气体流速。采用不稳定产量分析或者其他的模拟技术可估算K_m和A_cm。K_m也可以通过实验室技术单独确定。

                             （3）

Ibrahim和Wattenbarger（2006）认为线性流的性能受水位下降程度的影响，同时提出水位下降量修正因子（f_cp）。此次工作中采用的修正因子（f_cp）由公式4给出。

                            （4）

此处，

Nobakht等人2011a和Nobakht等人（2011b）通过分析中采用校正时间（本次工作未采用）提出一种更严格的校正水位下降量的方法。

将水位下降量修正因子应用到公式3得出公式5：

                       （5）

除了水位下降量的修正，这些公式经过进一步修改可直接应用于页岩气井。与致密气井相比，大部分页岩气井在时间曲线的平方根中表现出的较大截距（在致密气井中曲线通常穿过原点），而在流量和时间双对数曲线上页岩气井则呈现出的一半斜率的偏差。多名作者最初认为是裂缝的有限导流能力造成了这种偏差，但是Bello（2009）和Bello和Wattenbarger（2009，2010）认为这种偏差可以通过采用表面效应来更好的解释。Bello（2009）、Bello和Wattenbarger（2009）在恒定流量和恒定流体压力条件下完成了大量的受表皮效应（skin effect）影响的线性流分析，且推导出了恒定流体压力条件下的解析解。在他们的分析中，将表皮效应作为一个常量。Bello（2009）和Bello和Wattenbarger（2009）证明恒定流量情况下表皮是附加量，而恒定流体压力情况下表皮的作用是非线性的。由Bello和Wattenbarger（2009）提出的解析式可以使用下面的近似代数方程：

                （6）

从方程（6）可以看出，当t_D(t)值大时，包含表皮的项就会变小。

Nobakht等人（2012）研究了巴内特、马塞勒斯和蒙特利的大量页岩气井（这些气井在相对恒定的流压下产量不断降低），同时得出结论：通常这些页岩气井更多表现出恒定流量的情况而不是恒定流压的情况。作者假设这种意想不到的表现可能是由于Bello（2009）以及Bello和Wattenbarger（2009）提出的表皮模型太过理想化，因此无法代表野外条件。通过假设恒定的表皮效应，模型不能说明由压裂清理、压力敏感地层、变化的压裂导流能力、变化的井底流压、压力相关的流体性质、变化的井筒流体梯度、液体加载等导致的表皮改变。作为这项工作的结果，作者提出了一个可应用于公式（2）的替代表皮修正项：

                   （7）

包括水位最低量和表皮的影响，公式（1）、（5）、（7）能够利用预测的气体流量，作为时间的函数，在线性流区域可对K_m和A_cm给出独立的估测。

2.3.2 边界控制流的流量预测

上面描述的方法适用于有效的储层边界相互接触，边界控制流形成之前。基于图2所示的几何图形，边界控制流紧随着瞬时线性流的末期出现。当外部SRV的影响较为显著时，这一观点较为保守。Clarkson和Beierle（2011）认为如果遇到了其他的瞬时流区，则应采用多重分区的方法，此外，如果多级压裂井需要进行非均质性储层的完井（heterogeneous completion），早期线性流之后不会立刻发生真实边界控制流，且需要更复杂“混合”预测技术。如同下面叙述的，我们选择采用更为保守预测程序，假设线性流之后紧随边界控制流。

利用公式8计算达到线性流的拟稳态时间（或者是瞬时线性流的结束时间）：

                       （8）

正如图2中看到Y_e是压裂到储层边界的距离，计算公式如下：

                       （9）

多名作者已经提出了页岩气井拟稳态线性流的预测方法。包括Fraim和Wattenbarger（1987），Palacio和Blasingame（1993），Doublet等（1994），Agarwal等（1999）和Mattar和Anderson（2005）认为可采用物质平衡类模拟程序预测边界控制流。Clarkson和Pedersen（2010）将这种方法应用于致密油研究，同时本文也将采用这种方法。公式（10）给出采用物质平衡方法预测边界控制流的生产速度：

              （10）

此处q_pssi-Linear是边界控制流初始的页岩气流体速度，（Pri）pss是边界控制流初始的平均储层压力，且（Pwfi）pss边界控制流体初始时井筒流体压力。通过物质平衡计算平均储层实际气体拟压力。对于含有大量吸附气的页岩气开采（application），一般使用Clarkson和McGovern（2005）提出的MBE方法。而在以游离气为主的情况下，则使用定容气藏的常规MBE方法。物质平衡计算需要地质储量和气体特性（比如天然气压缩因子），这两者都是由关键PVT输入量和状态公式（EOS）确定的。

图3  现金流分析：（a）现金流；（b）收入税（加拿大税制）

结合El-Banbi（1998）改进的瞬时线性流的无因次公式和边界控制流的物质平衡模拟方法，可以开发一种综合的预测方法：

1)        获取A_cm（或者X_f）和K_m（来源于微地震和/或RTA模拟/已有生产数据或者其他估计）的独立估算值。

2)        使用公式（1）和（7）作为时间函数计算t_D,Acm，q_D,Acm。

3)        线性流部分的数据利用公式（5）作为时间函数计算q_g。

4)        指定排放区（来源FMB模拟/已有的生产数据或者其他估算）。

5)        使用公式（8）和（9）计算t_PSS-Linear和Y_e。

6)        确定 。

7)        采用公式（10）通过废弃量（边界控制流）从t_PSS-Linear预测产量。

上面描述的解析模型是假设模型（最小变化）区块内的体积平均值参数是恒量，并从认为是不确定的参数的概率分布中选择一个值。每一次蒙特卡罗迭代将选择不同的值，导致不同的流量预测和不同的主要经济指标值。在许多参数高异质性水平的情况下，存在明显的不确定性，这种不确定性反映在关键输出参数的显著变化。

2.4 经济模块

将经济模块与速率预测集成来计算与生产相关的现金流。因为通常行业采用名义美元计算实际（通常的）现金流和名义（现行的）现金流，虽然采用实际的盈利指数计算项目的最低预期资本回收率，且通过不同的通货膨胀率来比较项目。采用图3中的业务流程计算现金流和收入税（加拿大税收制度）。

该模块中的天然气价格的确定实行了价格操纵，而非价格预测。采用价格操纵表明了项目十分稳定（不论是单独而言还是相较于其他项目），并且不再需要预测极不稳定的天然气价格，该模块中也设置了以价格预测为基础引导经济的选项。

方法中建立了多个实际盈利能力的指标，包括净现值（NPV）、内部收益率（IRR）和投资收益率（ROI），用来比较项目和公司设定的最低预期资本回收率，同时可给项目进行排序。

2.5 蒙特卡罗模拟的一体化

本次工作将蒙特卡罗模拟整合到方法开发中。采用@RISK^TM（Palisade Corporation，2010）对关键PVT和储层属性（原始参数）进行概率分布和模拟操作。概率分布的输入变量根据不同项目的数据数量和质量而变化。Clarkson和McGovern（2005），Haskett和Brown（2005）和Harding（2008）认为对数正态分布最能代表PVT、储层和经济特性，因此本文使用了这种分布类型。这些概率分布拟合按P10（低）、P50（中）和P90（高）不同的值输入各个不确定变量。这些输入值可能来自勘探/远景数据、个人经验、模拟数据等。缩减所有输入变量的分布保证每个实现只选择合理的数值（缩减分布将选择少量接近无穷大的数值，从而影响输出变量）。

上面讨论了@RISK^TM输出变量定义的关键经济参数，以及气体速率和累积天然气产量。由于每个输出变量允许量化与项目相关的不确定性，可对其生成一个概率分布，以便做出与远景选取和开发有关的明智决策。

通过在x轴上找到相应的最低预期资本回收率时的位置，向上垂直移动至曲线处，然后再水平投影到y轴，这样可以从累积概率分布计算出超过设定最低预期资本回收率的概率。用1减去y轴上求出的值，得出超过最低预期资本回收率的概率。这个方法在本文中将作为范例进行演示。

在这一应用中（如在孔隙度和渗透率之间），采用了拉丁超立方体抽样，如果有必要的话，还可合并相关性（如孔隙度与渗透率）。典型的多相（气+水）页岩气/致密气应用的主要参数如表2.3所示。在某些情况下，参数的依赖关系可使用行业普遍接受的经验模型进行解释，而在其他情况下会使用来自现场数据或者估算得到的基于方向的相关性（如较高的正相关关系）。例如，与压力有关的渗透率（绝对的渗透率比值）使用Yilmaz等人（1991）的方法可与储层压力和岩石力学特性关联。相反，束缚水饱和度与孔隙度密切正相关。可能的参数关系如表2所示。

蒙特卡罗模拟运用了一个类似于Clarkson和McGovern（2005）使用的煤层气气藏远景分析的方法。

表2  基本参数、可能的相关性和参数关系

3 该方法应用于远景勘探

本文中开发的方法广泛应用于SG远景将其分成区块进行分析的目的，以确定是否适合作为一个试点项目。由于SG试点和开发项目成本高，且其详细分析需要大量数据，页岩气远景勘探至关重要。

对于远景勘探应用而言，其方法的选择以当前远景数据和模拟数据相结合为基础。理想情况下，对于关键PVT和储层参数情况良好的估计，作为空间坐标的函数可用于远景勘探。如果事实并非如此，可以对模拟气藏或者其他数据源进行估算以获取数据，同时分析该方法带来的不确定性。

假定整个远景区PVT和其他储层特性不变，输入数据可用于生成主要储层特性图。关键生产指标图如OGIP和基质渗透率乘以可以开发的净投入（千米/小时），可用于区块的选择。区块的选择基于区域类似的关键生产指标的值。对页岩气储层而言，压裂的指标，如压裂指数或脆性也可能用于区块选择，同时许多作者表明建立复杂裂缝网的能力对于页岩气商业开采至关重要。

选择区块后，开始进行蒙特卡罗模拟，按照P10、P50、P90的概率预测和可以开发累积产气的区块，且结合使用关键经济指标的分析来确定区块能否适合一个试点项目。其他因素比如公司的经验，企业和商业策略，可用的资源和基础设施等都将纳入评估，以便为公司以及股东们确定哪些区域可以作为最佳试点选项作出明智的决策。

远景勘探方法工作流程见图4所示。

4 采用两段页岩开发模型的样本示例

为了进一步说明该方法的应用，对加拿大西部的某处致密砂岩/页岩（假定没有吸附气体）远景区的两段进行了分析。在之前的研究中，Petrel^TM开发的远景地质模型采用可用的岩石物性、储层和生产数据。图5所示研究区域内4口井的三维孔隙度模型和孔隙度相关的钻/录/测井记录。在该区域，存在两处可获益的产气水平井段（井段3和井段4）。

图4  远景勘探方法的工作流程

图5  三维孔隙度模型和孔隙度相关的测井

模型开发期间这个开发区拥有11口垂直井，2口倾斜井和4口水平井。最初钻完成垂直井，紧随其后的是开始于2008年的水平井。Clarkson和Beierle（2011）在该区选择一系列井进行不稳定产量试井（RTA）。模型开发中使用的水平井的总结显示在下面表3中，同时在图6中（在下面描述）该区域的天然气原始地质储量（OGIP）图上显示了井的近似轨迹。

表3  研究区水平井概况

所做的分析主要集中在大部分是水平井的井段4。为了简化分析，采用孔隙度下限为4%，通过Excel加权平均井段4层位，将Petrel^TM多层模型转换成一个单层模型。这一平均化过程是为了完成对基质的孔隙度、初始含水饱和度和渗透率的处理。利用孔隙度下限值还可以计算总有效收益和毛净收益（有效收益假设包括所有孔隙度下限值以上的层）。图7a和图8a显示了OGIP和K_m-h属性图。

模型采用的网格大小如表4所示。在整个开发过程中假设为常量的PVT、储层和生产参数如表5所示。

表4  网格属性

对于这种情况，人们认为井筒流动压力（pwf）为常量1750磅/平方英寸，接近开发区水平井最初的井筒流动压力。随着时间的推移井筒流动压力降低，后期模型中压力驱动力低于开发井，模拟气率并不乐观。这种情况下，在可获取日常生产和流动压力期间内，平均两个收益井的流动压力大约是1550磅/平方英寸，因此到开发后期之前，这种假设的影响并不很明显。在实际勘探中，该地区还没有投入生产，由于我们不需要将可用的生产数据与模型匹配，而是采用实际的流动压力估计值尝试得到一个准确的潜在生产能力估计值，所以这种假设的影响不是一个值得关注的问题。

表5  PVT常数、储层和生产投入参数

3个区块中假设关键属性的变化情况如表6所示。各属性的数值是每个区块的各个网格值的算术平均数。由于基质渗透率是蒙特卡罗输入量，且利用基质渗透率值可计算总压裂半径（虽然也可使用压裂分析模型在每次迭代时作为基质渗透率函数计算总压裂半径），故给出了一个基质渗透率值以显示区块之间总值的变化情况。

表6  储层变量和水力压裂输入参数

图6  研究区地质储量图呈现近似水平井轨迹

4.1 区块选择

利用从Petrel^TM多层模型开发的单层模型，其单层等量地质储量如图7a所示。根据类似颜色为代表的区域具有类似地质特征和岩石物理性质，通过视觉观察可选择区块。虽然已知气藏具有高度的横向非均质性，可以看到关键的地质和岩石物理性质明显凸出部分。该图形显示了更复杂的异质性模式的情况，需要更多的区块并且可能有必要用区块代表具有相似属性的不连续块段。图7b显示基于天然气原始地质储量选择的区块远景区。在计算天然气原始地质储量时，虽然该远景区吸附气体量很容易被包含其中，但还是假设其可以忽略不计。

图7  地质储量图：（a）地质储量；（b）选区

从图7b可以看出选取的三个区块中，区块1具有最高的天然气原始地质储量（红色和橙色），区块2具有的地质储量（光和暗绿色）次之，区块3具有的地质储量（紫色和蓝色）最低。从这幅图中可以推断出区块1将有最理想的属性，因此可能具有最高的产量，而区块3产气物性最不理想，因此可能具有最不理想产气量。如同气藏地质储量图（图7）一样，如果绘制K_m-h图我们也可以分辨出三个相似的区块。此次应用区块选区采用的天然气原始地质储量图和K_m-h图作为代表资源的程度/密度和储层特性的两个要素，这是工业上常用的评估致密砂岩和页岩远景好坏的关键因素。区块选区的属性根据不同项目而变化，取决于驱动特定资源类型远景的关键要素。

对于这种情况，假设简单的水平双翼压裂（如所使用的压裂模型所假定的）就足够了，因为微地震数据对同一区域的补充水平压裂井的解译说明复杂程度较低，如果不是水平情况，则进行压裂（图9）。采用水平和垂直观察井用以观察，同时采用双阵列处理会产生一个好的数据集。一般情况下，各个阶段仅出现一个水力压裂裂缝。水力压裂裂缝通常选择北东-南西方向，与加拿大西部沉积盆地（WCSB）部分最大水平应力方向一致。

图8  K_m-h图：（a）K_m-h；（b）选区

通过比较图6与图7b和8b可以看出在开发区所有水平井部分或全部在区块1范围内。因为这个原因，剩余的分析还将在区块1中开展。对区块1区域的水平井的预测情况而言稍微乐观，因为这些水平井水平延伸超出区块1区域进入地质储量和K_m-h更低的区域（该区水平井采用恒定的流体压力与（P_wf）i相比将获得相反的影响）。

图9  根据微地震数据解译的研究区内水平井水力压裂裂缝几何图形

4.2 经济分析

分析假设只有天然气价格是变量，而所有其他经济参数都保持常量。表7列出了其他主要经济参数的值（基于Magyar和Jordan的估算（2009））和表8介绍了主要的专利权使用费、税和贴现参数。

在本文的分析中，净现值（NPV）作为重要的收益经济指标且最低资本回报率为0。

分析远景的工作流程图如图4。

表7  资本和运营成本参数

表8  使用费、税收和折现率

4.3 蒙特卡罗模拟

在区块选择之后，本文进行了蒙特卡罗模拟研究。蒙特卡罗模拟中，基质渗透率（k_m）和页岩气价格不断变化，而所有其他的PVT、储层参数和经济参数保持不变。为了更好地进行说明，我们选择了将“不确定”的输入变量的数量显著限制在基本控制远景的油藏性能（储层渗透率）和经济情况（天然气价格）。基于P10、P50和P90值按照对数正态分布模拟参数。在大多数的勘探情况下，许多参数都是不确定的，可以通过这些参数的概率分布（见表2）来定义。对于需要使用概率分布进行定义的一些关键参数，可通过评估给定区块内重大变化的属性图来直接确定，或用更严格的统计技术，如采用区块内部数值计算变异系数（Cv）。由于基质渗透率是基质流动的主要控制要素，以及未来商品价格造成的天然气价格的高度不确定，针对这种情况，我们选择基于视觉观察的基质渗透率。

基质渗透率按照P10、P50和P90的值计算如下。通常情况下，可以通过岩石物理模型中的参数值拟合分布来生成概率分布，但是因为我们处理的是远景的早期评估，因此我们采用了替代的方法，即最大限度提高模型获取的不确定性来解释其他早期参数估算无法获取的变化性。如果需要，对其他不确定参数也可以使用相似的方法。

P10——区块1中比第十百分位值的基质渗透率低20%

P50——区块1中的基质渗透率值居中间数

P90——区块1中比基质渗透率的九十百分位值高20%

表9中定义了2个输入变量的分布。将模型内部不确定参数合并关联（见表2）也很重要。虽然孔隙度和渗透率之间的相关性被加入到原始岩石物理模型（幂律相关），并且压裂半径与剪切系数（正相关）、基质渗透率（负相关），净收益（负相关）和压裂模型井眼半径（负相关）相关，但是出于演示的目的，本文对这一方法进行了简化，使蒙特卡罗模拟中的主要变量之间没有相关性。由于压裂半径取决于基质渗透率，压裂模型必须在每次迭代时重新计算。气体流量，累积产气量和净现值被定义为@RISK^TM输出变量。

本文进行了5000次蒙特卡罗迭代，以确保蒙特卡罗输入变量充分覆盖样本空间。要求覆盖足够的样品空间，是为了确保每个模拟输入相同参数运行时，能得出同样的结论。出于演示的目的，用上述方法获得的迭代数并不是最优化。但是，通过将无限大（非常大）的样本输出分布与减少样本数量的输出分布比较，同时寻找要求充分重复“已知”输出分布的最小值，可以获得优化的迭代数。当进行多个模拟时，优化处理可用于减少处理时间和容量。

4.4 结果

图10显示了区块1中单口气井的确定产气量和累积产气量预测。这个“确定性”的基质渗透率的值来自于表9所示输入分布的斯旺森平均值（SM），假设这个值代表区块收益的平均水平（静态平均K_m=0.0095毫达西）。虽然Bickel等人（2011）指出了斯旺森平均值（SM）的缺点，但它仍然被广泛地用于工业，因此在这种情况下还将使用。此外，斯旺森平均值在输入分布的平均值的5%范围内（使用@RISK^TM计算），因此认为在这个例子中的平均值是准确的。另外，可以使用另一个估计的平均值（即分布平均值、区块值的算术平均值等）。图10a显示的产气速率与时间半对数图以及累积气体的产生与时间的笛卡尔曲线，而图10b显示了产气速率和时间的对数分布图。

图10  开发模型情况下的确定速率预测：(a)产气速率和时间、累积产气量和时间的半对数；（b）产气速率和时间的对数关系

图11显示了产气速率与时间的半对数图，图11b显示一个产气速率与时间的对数图和图11c显示预测（约14年）最初5000天累积产气与时间的笛卡尔曲线。

通过比较图10和图11，可以再次看到确定性预测与P50概率预测相比，具有更大的IP，持续的生产速度和累积产气量，表明确定性预测是比中位数情况稍微乐观，并且明显远超过P10的情况。这些结果再次支持使用概率分析取代非常规应用的确定性分析。

图11  开发模型情况中概率速率预测：（a）产气速度和时间的半对数关系；（b）产气速率和时间的对数关系；（c）累积产气量和时间

随后，P10、P50和P90产量预测与区块1内水平井可获取的生产数据进行对比，以测试开发方法的稳健性和准确性。在这个比较中，由于完井的复杂性，只有井3和井4可用，而井1表现不佳，且井2在此次分析区块外部。井3的产量被缩减了30天，以便使该井产量自然下降的初始时间与概率预测的一致（指修正井3）。生产的前430天的对比曲线如图12所示。

如图12所示，两口井的生产数据（修正井3和井4）普遍落在P10和P90之间（使用@RISK^TM生成的预测）。除了生产的前20天和第300天左右时的大约20天两个时间段（模型没有指出的操作问题导致的结果）外，约80%的数据点如预期处在P10和P90预测之间。初步预测产量可能更高，因为它不考虑压裂清理干扰、启动效应等，该模型增加了表皮效应来提高与IP的匹配程度。但是，在真正的勘探情况下表皮效应的大小无从得知，这是因为无法获取产气远景区域的数据且需要将其作为不确定的输入量以最大限度地提高模型的准确性。

图12  3号井和4号井生产数据和概率速率预测的对比：（a）产气速率和时间的半对数关系；（b）产气速率和时间的对数关系；（c）累积产气量和时间

虽然这不是一个令人满意的统计样本，只有一个关键属性（K_m）被认为是不确定的，但结果令人鼓舞。图13显示了净现值的增加的累积概率分布，直方图和回归系数托那多图。图13a再次显示超过最低预期资本回收率概率计算的累积概率分布图。

从图13a可以看出这个模拟平均净现值为53万美元，可能超过最低预期资本回收率的50%。然后，可将平均净现值和超过最低预期资本回收率的概率与相同远景的其他区块，以及与其他潜在远景的区块进行比较，从而确定哪些远景区域可提供最好的经济成功机会。这一分析显示了积极的NPV平均值和超过最低预期资本回收率的适度概率。基于这样的分析，可以得出结论：区块1的样品远景对于试点项目是极好的备选。这一分析支持了该地区的开发，但是这一测试中所采用的天然气价格网格假设对其结果影响极大。图13C中托那多图表明天然气价格对净现值带来的影响最大，基质渗透率给净现值带来的影响其次（区块1中最小的基质渗透率变化的结果）。这表明假设较高的气体价格（比如该区水平井钻探时期的气体价格）将提高远景的可取性。从图13b直方图可以看出模拟中大部分的净现值在300万美元和350万美元之间，众数等于-1.5万美元，相当于平均数53万美元左右。

图13  开发模型应用NPV法得出的经济结果：（a）累积概率分布；（b）柱状图；（c）回归系数的龙卷风图

此分析程序可在在开发区的其他2个区块内完成，以协助选择最适合公司的试点项目的位置。2号和3号区块的填图属性的直观观察（图7b和8b）表明，这些地区情况没有区块1理想，因此在本次分析所使用的气体价格假设中可能不适合作为试点项目。

5 结论

在本文中，开发了一种方法理论和基于excel的方法以协助页岩气和致密砂岩气藏的勘探。这个方法包含了来自不同来源的映射属性、一个用于估算水力压裂半径的简单的压裂模型、目前应用于页岩气井开采的速率预测技术、计算关键盈利能力指标的经济模块以及解释非常规资源中内在的风险和不确定性的蒙特卡罗模拟。本文所描述的方法和工具可被工业界用于评估远景区域内的各个区块和选择适合试点项目的地区。该方法较为严谨，以岩石物理、地质和现在产业应用的分析储层模型为基础，且通过重建现有实例的油藏动态来证明其准确性。由于不需要建立复杂的数值模型和详细的开发方案（所需数据是在开发早期通常无法获取），这种方法既简单又高效。

感谢代金友副教授对本文提出的宝贵意见。本文受中国地质调查“地学情报综合研究与产品研发”（121201015000150002）项目支持。

资料来源：Williams-Kovacs J. D., Clarkson C. R. A new tool for prospect evaluation in shale gas reservoirs. Journal of Natural Gas Science and Engineering，2014，18（5）：90-103.