中國北方頁巖氣成因類型、成氣模式與勘探方向

羅 群，吳安彬，王井伶，羅家國，蔣 恕

（1.中國石油大學（北京）非常規天然氣研究院，北京102249；2.美國猶他大學能源與地學研究院，鹽湖城84108，美國）

0 引言

頁巖氣是一種主要以吸附態和游離態賦存于富有機質泥頁巖及其夾層微—納米孔縫系統中的天然氣［1-6］，具有形成地質條件多變（海相、海陸過渡相、陸相）、成因類型多（生物成因、熱解成因、混合成因）、主控地質因素變化大（源巖品質、有機質類型、熱演化程度、孔縫結構、裂縫發育程度、后期構造運動強度等）、形成機理復雜（生物分解、熱化學降解、吸附、溶解、擴散等）、含氣豐度低、存在富集“甜點”、“甜點”預測風險高、勘探開發難度大、產量遞減快、生產周期長（一般30年以上）等特點［7-12］。近10年來，美國頁巖氣成功的商業性開發，引起了全球對頁巖氣資源的廣泛關注，也推進了我國頁巖氣勘探開發的進程［13］。

Shurr等［14］早在2002年就對頁巖氣成因類型及其分布進行了系統的研究；Martini等［15］通過研究美國密執根盆地泥盆系頁巖氣形成條件，提出頁巖氣可以通過微生物分解、干酪根或煤的熱解、石油的二次熱解等途徑產生；Jarvie等［16］認為頁巖氣系統包括生物與熱解 2種成因類型；此外，Curtis［17］提出了頁巖氣的生物成因機制、熱解成因（干酪根降解、原油與瀝青的二次裂解）機制，并認為這2種機制可控制頁巖氣成藏的成熟度、吸附氣比例等多個地質因素。另有一些學者［18-23］通過實驗手段與數值模擬定性和半定量地再現了不同類型有機質頁巖在不同熱成熟演化階段的生排氣過程及其產物，根據不同的成因類型對頁巖氣進行了劃分，并總結了頁巖氣成氣規律和空間分布特征。

受北美頁巖氣勘探開發突破的影響，中國學者在21世紀初開始重視頁巖氣的地質研究，主要聚焦在頁巖氣成因分類［24-28］、形成條件［29-36］、成藏機制［37-41］、富集模式［42-45］與分布特征［46-49］等領域，并取得了一系列重要成果，主要表現在以下方面：①普遍認為頁巖氣可分為生物成因、熱解（熱降解和熱裂解）成因和混合成因三大類。②富有機質頁巖演化生氣過程經歷了未成熟階段原生生物氣形成、成熟階段熱降解氣的形成和高成熟—過成熟階段熱裂解氣的形成共三大成氣階段，不同類型干酪根頁巖產氣不同。③富有機質頁巖成氣機制覆蓋了生物、化學、降解、裂解及吸附、擴散、溶解、運移等幾乎所有可能的有機成氣作用機理，也幾乎覆蓋了從沉積、成巖到變質的整個地質演化過程。④不同成因類型頁巖氣具有不同的分布特征，生物成因頁巖氣主要分布在盆地淺層或盆地邊緣，熱解成因頁巖氣主要分布在盆地中心及其周邊，混合成因頁巖氣主要分布在前兩者的過渡帶。⑤中國廣泛分布頁巖氣，剖面上賦存于太古界—古生界海相與海陸過渡相高成熟—過成熟和中生界—新生界陸相低成熟—成熟兩大套地質特征差異巨大的富有機質頁巖層系中；平面上分布于南方、西北、華北—東北及青藏等4個不同地質特征的頁巖氣大區。

縱觀國內外學者對頁巖氣成因類型、頁巖演化過程及其成氣機制、頁巖氣分布特征的認識，可知頁巖氣形成原因與方式多、類型多、分類方案也多；成氣機理復雜，成氣過程變化大；分布廣泛，幾乎可以涵蓋油氣盆地的整個空間（從盆地中心到盆地邊緣，從淺層到深層），其分布受成因類型、演化階段、構造運動等地質因素的控制呈現多樣性和規律性。盡管國內外學者在以上方面取得了許多重要的認識與成果，但仍然存在以下問題：①對頁巖氣的成因分類比較粗糙，也比較混亂，將“混合氣”作為成因類型不科學；②頁巖氣的成氣模式不統一，不完整，沒有一個相對統一、完整的定量模式；③北方頁巖氣的分布規律不清，缺乏有效的勘探思路與方向。

通過梳理頁巖氣成因類型，總結一套相對合理實用的頁巖氣成因類型的分類方案，同時綜合有代表性的頁巖演化成氣成果，建立一個相對合理完整的頁巖演化成氣的通用模式，以期為北方頁巖氣的勘探開發指明方向。

1 研究背景

以張金川等［5，9］劃分的南方與北方頁巖氣為標準，北方包括西北地區、中部地區（華北地區）、東北地區和東部地區4個頁巖氣成氣地質條件與成藏富集特征明顯不同的地區，南方即上揚子、滇黔貴區、中下揚子及東南區。

相對于南方，北方在地層層序、沉積發育、構造演化等方面都有明顯不同的特點（表1）。前者地層古老、發育不全，主要發育下太古界—古生界—中生界［28-29］，后者地層較新、發育較全，主要發育上古生界—中生界—新生界［29-36］；前者主要是海相碳酸鹽巖的巖相古地理背景，后者主要包括海相碳酸鹽巖沉積—海陸過渡相煤系沉積—陸相碎屑巖沉積的巖相古地理背景，尤其是陸相湖盆富有機質細粒沉積特征明顯［37-41］；前者構造運動旋回相對少、地層相對厚，后者構造運動旋回多［42-49］，地層相對薄、泥頁巖互層、夾層發育［50-57］。地質背景的巨大差異，導致了南方與北方頁巖氣在成因類型、成氣條件、成藏規律、富集特征、分布模式、資源潛力等方面都有明顯的不同?？傮w而言，北方頁巖氣的成氣地質條件、成氣機制、成氣模式與分布特征都比南方復雜且豐富得多。

表1 北方與南方頁巖氣形成條件與分布特征對比Table1 Comparison of formation conditionsand distribution characteristicsof shalegasin northern China and southern China

2 北方頁巖氣成因類型

分類是研究的基礎，頁巖氣的成因分類是進行頁巖氣形成地質條件、形成原因、成氣機制、成氣模式和分布規律研究的前提。能否選擇少數有代表性的重要指標，建立一套相對完整統一、實用簡單的頁巖氣的分類方案，是一項緊迫而重要的任務。在前人分類基礎上，優選頁巖氣成因機制作為一級分類指標，成氣頁巖母質類型作為二級分類指標，成氣演化歷史作為三級分類指標，考慮構造運動因素，將頁巖氣分為2個大類4類10種類型。本方案稱為頁巖氣的成因（機制）—母質（類型）—演化（階段）三級分類方案。具體分類如下：

（1）第一級分類

首先依據形成原因及形成機制的不同，將頁巖氣分為生物成因（細菌分解與代謝機制）頁巖氣（A）和熱解成因（熱化學降解和裂解機制）頁巖氣（B）2個大類。一般情況下，生物成因頁巖氣的識別指標是δ13C1小于 -55‰，甲烷氫同位素為 -158‰～368‰；熱解成因氣的識別指標是δ13C1為-55‰～-20‰［44，51］。

（2）第二級分類

在一級分類基礎上，依據成氣頁巖的母質類型（Ⅰ，Ⅱ型干酪根或偏腐泥型母質和Ⅲ型干酪根或偏腐殖型母質），分別將生物成因頁巖氣和熱解成因頁巖氣進一步分為油型生物頁巖氣（A1）、煤型生物頁巖氣（A2）和油型熱解頁巖氣（B1）、煤型熱解頁巖氣（B2）共4類。

（3）第三級分類

以前兩級分類為基礎，依據成氣頁巖的成氣演化階段，將生物成因氣分為早期原生階段（Ro＜0.7%）和晚期次生階段（Ro＞0.5%）；針對熱解成因氣，分為低成熟階段（0.5%＜Ro＜0.7%）、成熟階段（0.7%＜Ro＜1.3%）、高成熟—過成熟階段（Ro＞1.3%），將油型生物頁巖氣進一步分為原生油型生物頁巖氣（A11）和次生油型生物頁巖氣（A12），將煤型生物頁巖氣進一步分為原生煤型生物頁巖氣（A21）和次生煤型生物頁巖氣（A22）；將油型熱解頁巖氣進一步分為低成熟油型（熱解）頁巖氣（B11）、成熟油型（熱解）頁巖氣（B12）和高成熟—過成熟型（熱解）頁巖氣（B13）；將煤型熱解頁巖氣進一步分為低成熟煤型（熱解）頁巖氣（B21）、成熟煤型（熱解）頁巖氣（B22）和高成熟—過成熟煤型（熱解）頁巖氣（B23）等10種頁巖氣類型。

本分類方案頁巖氣類型的命名，按“演化階段（原生與次生，或低成熟、成熟、高成熟—過成熟）—母質類型（Ⅰ，Ⅱ型干酪根的油型和Ⅲ型干酪根的煤型）—成因機制（生物成因和熱解成因）”順序進行（為簡單起見，通常將“熱解成因”省略）。

將頁巖氣的分類方案用圖版表示，以頁巖成氣演化階段為橫坐標（判別指標），頁巖母質類型為縱坐標（判別指標），得到頁巖氣成因類型判別標準圖版（圖1），利用標準圖版，依據縱橫坐標的判別指標（母質類型和Ro值），可對不同情況下的頁巖氣成因類型進行判別。

圖1 頁巖氣成因類型判別標準圖版Fig.1 Identification standard chart for of genetic typesof shalegas

依據北方地質背景和頁巖氣形成條件［4-8，31］，將各地區頁巖層系的干酪根類型和熱成熟度（Ro）值投射到“頁巖氣成因類型判別圖版”（圖1）中，得到4個地區頁巖氣成因類型及其縱向分布（表2），由表2可知，北方頁巖氣成因類型共有9種，而南方頁巖氣的成因類型主要是高成熟—過成熟型氣這一種［2-3，5-7，27］，所以在北方尋找頁巖氣，直接套用南方頁巖氣的找氣思路，是行不通的。

表2 北方頁巖氣的成因類型及其分布Table 2 Genetic types and distribution of shale gas in northern China

3 不同成因類型頁巖氣的成氣模式

頁巖氣是泥頁巖烴源巖生成并滯留于泥頁巖烴源巖內，或泥頁巖烴源巖生、排出并運移到其薄夾層中的天然氣，頁巖氣生成和排出的特征與規律，稱為頁巖氣的成氣模式。

不同成因類型的頁巖氣，由于其生氣母質類型、生排氣條件和生排氣機制不同，必然有不同的成氣模式與分布規律，研究與總結不同成因類型頁巖氣成氣模式，對于頁巖氣的預測至關重要。

3.1 樣品與方法

在研究總結前人相關成果的基礎上，選擇了5個具有典型代表意義的不同母質類型泥頁巖烴源巖的生排烴模擬實驗的模擬結果（相當于選取典型樣品），通過歸納、對比、擬合、對接、組裝（相當于研究方法），最終建立反映不同成因類型頁巖氣的形成演化共同規律的通用模式。

3.1.1 典型泥頁巖烴源巖成氣模擬實驗與結果

（1）地質條件下湖相烴源巖生排烴效率與模式

陳建平等［31］以渤海灣、松遼等4個大型湖相含油氣盆地以及酒泉青西凹陷、泌陽凹陷等9個中小型湖相富油盆地/斷陷為對象，通過15 000余個湖相烴源巖樣品（TOC質量分數達到2.0%）在熱演化過程中熱解生烴潛力指數的變化研究，揭示了湖相烴源巖在地質條件下的生排烴特征，構建了湖相烴源巖在地質條件下的生排烴模型。其優點是代表性強、階段性明顯、實現定量化、規律性強。存在問題主要表現在沒有考慮泥頁巖烴源巖埋藏早期的生物成氣過程，也沒有模擬泥頁巖烴源巖在過成熟（Ro＞2.0%）階段的成氣特征。

（2）頁巖氣形成機制的生烴熱模擬研究

湯慶艷等［30］選擇美國 Green River，Woodford及我國珠江口盆地等3種不同有機質類型的低成熟頁巖，采用密封金管—高壓釜體系，在24.1 MPa圍壓下，以20℃/h和2℃/h的升溫速率進行生烴熱模擬實驗，獲得模擬實驗結果。優點是階段性明顯，實現產烴定量化，規律性強。存在問題主要表現在沒有考慮泥頁巖烴源巖埋藏早期的生物成氣過程，也沒有模擬泥頁巖烴源巖在過成熟以后階段（Ro＞3.0%）的成氣特征。

（3）煤化階段與天然氣生成演化對應關系

蘇現波等［53］通過模擬實驗和綜合研究，將煤系地層中的烴源巖埋藏熱演化成氣過程與煤變質演化階段進行對比，依據埋藏過程中生物氣和熱成因氣的生成及含氣飽和度的變化，定性—半定量地給出了煤系烴源巖（相當于Ⅲ型干酪根）成氣演化過程與模式。其優點是階段性明顯，反映了一個完整的烴源巖成氣演化過程。存在問題主要表現在，一是氣體生成沒有定量化，氣體生成高峰時期（0.9%＜Ro＜1.5%）提前，與甲烷大量生成階段（1.5%＜Ro＜1.8%）對應相關性差，二是生物氣的形成演化沒有定量或半定量化，只是提出有這個階段或過程，三是只考慮了Ⅲ型干酪根。

（4）不同類型優質烴源巖生排油氣模式

秦建中等［32］在常規地球化學研究的基礎上，綜合利用掃描電鏡、能譜分析、X射線衍射和有機巖石學分析等新技術，將優質烴源巖按成巖顆?；蛏汲煞址譃?種類型：硅質型、鈣質型和黏土型。通過對3種類型優質烴源巖樣品的地層孔隙熱壓生排油氣模擬實驗，建立了其生排油氣動態模式。其優點是定量模擬了一個完整的烴源巖熱解成氣演化過程。存在問題主要表現在，一是沒有反映生物成因氣的模擬過程，二是只給出了Ⅱ型干酪根烴源巖成氣演化的模擬結果，沒有給出Ⅰ，Ⅲ型干酪根烴源巖成氣演化的模擬結果。

（5）煤層生氣模式

劉洪林等［49］通過對比美國粉河盆地與我國鄂爾多斯盆地煤層氣成因類型、煤層氣演化與煤階的關系，提出煤層氣有2種基本成因類型，生物成因類型和熱成因類型，并總結出煤層（相當于Ⅲ型有機質烴源巖）演化形成這2種成因類型煤層氣的生氣模式。其優點是定量模擬了一套煤層（Ⅲ型干酪根）烴源巖從生成生物成因氣（原生生物成因氣）到生成熱解成因氣的相對完整的演化過程。存在問題主要表現在，一是沒有揭示煤層演化后期（Ro達到3.0%以后）的生氣過程及其衰竭特征，二是本模式只能反映Ⅲ型干酪根有機質烴源巖的成氣演化規律，不能代表Ⅰ，Ⅱ型干酪根泥頁巖烴源巖的成氣規律。

3.1.2 建立完整通用頁巖成氣演化模式的方法

（1）基本思路

以前述5個典型頁巖氣成氣模式為基礎，結合前人其他相關成果，優勢互補，消除不足，首選確定成氣演化的關鍵演化時間點（Ro在未成熟、低成熟、成熟、高成熟、過成熟等不同階段聯結點），其次對各種模式泥頁巖烴源巖的產氣參數進行統一化和歸一化處理，計算關鍵節點不同類型干酪根的生排烴（氣）量，三是整合與對接不同階段泥頁巖烴源巖不同階段成氣參數（不同類型干酪根的成氣量），最終形成一個統一完整的不同類型泥頁巖烴源巖的成氣演化模式。

（2）頁巖成氣演化關鍵節點

頁巖成氣演化關鍵節點指富有機質泥頁巖在埋藏演化過程中發生重大地質事件對應的節點，用Ro值來表示。

依據前述典型烴源巖演化生排氣模擬實驗，綜合前人相關研究成果，擬定了富有機質泥頁巖烴源巖（TOC質量分數大于2%）成氣演化關鍵節點、重要事件標志及其主要依據來源（表3）。

表3 泥頁巖烴源巖成氣演化關鍵節點的確定與依據Table3 Determination and referencesof key nodesfor gasformation evolution of shalesourcerocks

（3）頁巖成氣演化關鍵節點生排烴量的確定

要獲得不同類型富有機質泥頁巖烴源巖成氣演化定量模式，須要得到不同類型烴源巖在演化過程中的各個關鍵節點的生排烴量，實驗模擬與研究表明：Ⅰ，Ⅱ型干酪根排氣特征很接近，與Ⅲ型干酪根差異較大［31］，為簡化模型，用Ⅱ型（或Ⅱ1型）烴源巖的成氣特征代表Ⅰ，Ⅱ型烴源巖的成氣特征，建立Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ型干酪根烴源巖的成氣演化模式。頁巖成氣演化關鍵節點生排烴量的確定方法及其依據如表4所示。

3.2 結果

以表3和表4為依據，總結出不同類型（Ⅰ，Ⅱ型干酪根代表的油型母質烴源巖和Ⅲ型干酪根代表的煤型生烴母質烴源巖）富有機質（TOC平均質量分數為2%）頁巖成氣演化通用模式，定量反映了不同成因類型頁巖氣的形成演化規律（圖2）。

與目前其他頁巖氣成氣演化模式相比，圖2具有以下更優越的特點：①囊括了所有成因類型（9種類型）的頁巖氣，各成因類型頁巖氣成氣演化規律清楚明了；②定量表征了一個完整清晰的頁巖成氣演化序列；③便于記憶，實用簡單，預測性強，可用于任何地區富有機質頁巖層系頁巖氣的初步定量預測；④更有利于頁巖氣勘探的分類指導與預測：只要知道了頁巖干酪根類型和演化程度，就立即能聯想和評估要尋找的頁巖氣的類型、領域（深度范圍和地區）和頁巖氣的大致潛力；⑤具有普遍意義和代表性，盡管本模式的定量數據還存在一定的誤差，但仍具有可比性和預測性，具有普適性和示范性。

表4 泥頁巖烴源巖成氣演化關鍵節點成氣量的確定與依據Table 4 Determination and references of gas formation at key nodes of gas shale source rocks

圖2 頁巖氣成因類型及其成氣演化通用模式Fig.2 Genetic type of shale gas and its general model of gas formation evolution

4 北方頁巖氣分布特征與勘探方向

4.1 頁巖氣在盆地內的分布特點與分布模式

依據形成條件、成氣模式和成因機理，頁巖氣可分布于盆地內任何有富有機質頁巖賦存的地方，且不同成因類型的頁巖氣的分布和產狀具有明顯的規律性。

原生油型生物氣和原生煤型生物氣主要分布于盆地（前者為湖或海相，后者為過渡沼澤相）淺層的沉積、沉降中心，呈毯狀分布。次生油型生物氣和次生煤型生物氣主要分布于盆地邊緣或盆地內部淺層（生物作用強烈的地方），呈環帶分布。成熟油型氣和高成熟—過成熟油型氣主要分布在湖（海）相盆地深部的沉積沉降中心及其周邊低斜坡，平面上呈環帶狀分布。低成熟煤型氣、成熟煤型氣和高成熟—過成熟煤型氣主要分布在過渡相沼澤相盆地（煤系地層）的斜坡（中部）到沉積沉降中心（深部），受熱演化程度的制約，平面上呈環帶狀分布。

由此可知，富有機質頁巖盆地頁巖氣的分布，具有全凹陷含氣，縱向上依成熟演化分層，平面上據演化程度分帶的有序連續分布特征。縱向上，由地表向深層依次為，地表—淺層原生油型或原生煤型生物成因頁巖氣、淺層次生油型或次生煤型生物頁巖氣、中層低成熟煤型頁巖氣（針對煤系地層）、深層成熟油型頁巖氣或成熟煤型頁巖氣、更深層高成熟—過成熟油型頁巖氣或煤型頁巖氣。平面上圍繞盆地沉積沉降中心呈環帶分布，即由盆地邊緣到盆地中心依次為，盆地邊緣分布次生油型生物頁巖氣或次生煤型生物頁巖氣、高斜坡（淺層）分布低成熟煤型頁巖氣、低斜坡（中—深層）分布成熟油型頁巖氣或成熟煤型頁巖氣、盆地中心（深層）分布高成熟—過成熟油型頁巖氣或高成熟—過成熟煤型頁巖氣（圖3）。

圖3 北方沉積盆地頁巖氣成因類型及其分布模式A11.原生油型生物氣；A21.原生煤型生物氣；A12.次生油型生物氣；A22.次生煤型生物氣；B21.低成熟煤型氣；B12.成熟油型氣；B22.成熟煤型氣；B13.高成熟—過成熟油型氣；B23.高成熟—過成熟煤型氣Fig.3 Genetic typesand distribution patternsof shalegasin sedimentary basinsof northern China

4.2 北方頁巖氣勘探的正確方向

北方頁巖氣勘探應遵循北方沉積盆地頁巖氣成因類型及其分布模式，進行分區分類評價與預測，依區依類制定不同勘探政策，各個擊破。

4.2.1 北方頁巖氣勘探的策略

西北、華北、東部地區盆地的下古生界，應該以尋找與南方已開采的高成熟—過成熟油型相似的頁巖氣為主要目標，但因埋藏深，勘探難度大，不宜優先考慮。整個北方地區的上古生界，應該以尋找成熟煤型氣、高成熟—過成熟煤型氣為主要目標，也可作為優先考慮的勘探領域。北方中生界富有機質泥頁巖主要分布在西北、華北和東北地區，頁巖氣成因類型多，其中三疊系—侏羅系應該以尋找低成熟、成熟、高成熟—過成熟煤型頁巖氣和次生煤型頁巖氣為主要目標，也應該作為優先考慮的勘探領域；白堊系應該以尋找高成熟—過成熟油型頁巖氣和次生油型生物頁巖氣為主要目標。對于新生界，北方各地區的盆地內都有富有機質泥頁巖分布，但熱成熟度總體比較低，且各地區差異大，應該以尋找次生油型生物頁巖氣和次生煤型生物頁巖氣、原生油型生物頁巖氣和原生煤型生物頁巖氣、低成熟煤型頁巖氣為主，東部渤海灣盆地的一些次級深凹陷的古近系頁巖層系可尋找高成熟—過成熟油型頁巖氣。熱解類油型頁巖氣不是北方頁巖氣的主要勘探對象。

4.2.2 北方頁巖氣勘探的具體思路

針對具體盆地，頁巖氣勘探的思路是：在盆地中心的地表—淺層，應該以尋找柴達木盆地三湖地區新近系—第四系的原生油型與煤型生物頁巖氣（與美國粉河盆地白堊系Fort Union組原生煤型生物頁巖氣相似的頁巖氣為主要目標）；在盆地邊緣淺層應該以尋找與美國密執根盆地的Antrim次生油型生物頁巖氣和阜新盆地白堊系阜新組次生煤型頁巖氣相似的頁巖氣為主要目標；在含煤盆地中淺層斜坡區應該以尋找與西西伯利亞盆地白堊系烏連戈伊低成熟煤型頁巖氣和吐哈盆地吐魯番坳陷侏羅系水西溝群低成熟煤型頁巖氣相似的頁巖氣為主要目標；盆地中深層低斜坡區以尋找與美國福特沃斯盆地下石炭統Barrett成熟油型頁巖氣相似的頁巖氣為目標；盆地中心的深層以尋找與美國圣華金盆地白堊系lewis高成熟—過成熟油型頁巖氣相似的頁巖氣為主要目標，或以尋找與沁水盆地白堊系高成熟—過成熟煤型頁巖氣相似的頁巖氣為主要目標。

5 結論

（1）北方頁巖氣在成因類型、成藏條件、成氣模式與分布規律等方面與南方頁巖氣有較大差異，南方頁巖氣勘探思路不適用于北方。

（2）創建了一套頁巖氣的成因（機制）—母質（類型）—演化（階段）三級分類方案和模板，將頁巖氣分為2個大類4類10種類型，有利于頁巖氣勘探的分類指導。

（3）總結出一套完整統一、實用的反映頁巖演化成氣規律的定量評價通用模式，有利于頁巖氣勘探的分類評價與預測。

（4）提出“全凹陷含氣，縱向上依演化分層，平面上據演化分帶的頁巖氣有序連續分布”規律，建立油氣盆地頁巖氣分布模式，提出北方頁巖氣勘探應該采取“分類勘探，分步實施，各個擊破”原則，明確北方頁巖氣勘探的正確思路與方向。