中國頁巖氣勘探領域和發展方向

張金川 史 淼 王東升 仝忠正 侯旭東 牛嘉亮 李興起 李中明 張 鵬 黃宇琪

1.自然資源部頁巖氣資源戰略評價重點實驗室?中國地質大學（北京） 2.河北地質大學 3.河南省地質調查院 4.六盤水師范學院

0 引言

我國富有機質頁巖形成的地質時代長、發育層位多、沉積類型多、分布面積廣，在不同沉積區內均可見其廣泛分布，由此奠定了可觀的頁巖氣資源量基礎。經過10多年的嘗試和實踐，我國頁巖氣勘探開發取得了令人矚目的成就：頁巖氣地質理論不斷完善，勘探技術水平不斷提高，開發生產能力逐年提升，創造了符合中國地質特色的頁巖氣地質理論，建立了有針對性的勘探開發技術體系。從無到有、從青澀到成熟，突破了一系列理論和技術難關，頁巖氣探明儲量連年大幅度增長，年總產氣量逐年攀升。2020年，我國頁巖氣探明地質儲量和年總產氣量分別突破了2×1012m3和200×108m3，頁巖氣產業能力和產氣量在國際上名列前茅。但是，隨著社會經濟不斷發展，我國對天然氣的需求量日益增長，石油和天然氣的對外依存度一直居高不下，加之環保要求日益嚴格。因此，勘探開發頁巖氣是緩解能源和環境壓力的重要途徑。

我國頁巖氣資源豐富，但地質條件復雜，頁巖層厚、總有機碳含量（TOC）、有機質熱演化程度（Ro）、后期構造保存等關鍵評價參數變化不一、大小懸殊，導致頁巖地層含氣性變化快、預測可控性差。目前，雖然已在全國多地獲得了頁巖氣發現，但其中大部分地區仍未獲得穩定的頁巖氣產量或實現產量突破?，F有的頁巖氣產量構成單一，主要為四川盆地及其周緣的涪陵、長寧、威遠、昭通、富順、南川等勘探開發區，目的層系為上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組海相頁巖。鄂爾多斯盆地的延安頁巖氣勘探開發區也有一定的產量貢獻，目的層系為上三疊統延長組陸相頁巖，以及上古生界中二疊統山西組和上石炭統本溪組海陸過渡相頁巖。這就導致了我國頁巖氣后備儲量的增長壓力大，不僅影響到了我國頁巖氣的可持續性穩定發展，而且對頁巖氣成藏與分布的客觀認識、頁巖氣勘探的系統評價也產生了重要的影響。為此，筆者以頁巖氣成藏機理分析為基礎，結合我國特有的地質條件，對頁巖氣勘探的領域和方向進行了探討，以期為推動中國頁巖氣產業快速發展提供幫助。

1 中國富有機質頁巖發育特征

中國富有機質頁巖的形成和發育主要受華北、揚子及塔里木3大板塊共同控制。早古生代及其更早時期，各板塊獨立發展演化，形成了從華北板塊到揚子板塊和塔里木板塊，最后到揚子板塊的頁巖發育中心轉移，各自獨立形成了進積—退積型的海相頁巖沉積；早古生代末—晚古生代，3大板塊同時隆升并發生拼合，形成了以海陸過渡相為主、兼有其他類型的復雜地質特點頁巖，巖性變化快、砂巖—泥巖—頁巖—石灰巖—煤層交替發育；中新生代，各板塊內的分異化作用明顯，陸相盆地疊合其上，湖相頁巖廣泛形成。

自中元古代以來，我國華北、揚子及塔里3大木板塊不同程度地發育了十余套各種類型和地質特點的富有機質頁巖，它們受全球海平面升降變化的影響而從海相逐漸轉變為海陸過渡相和陸相[1]（圖1）。

圖1 我國3大板塊主要富有機質頁巖縱向分布圖

1.1 沉積演化特征

從長城紀開始，華北板塊在中—晚元古代發育了我國最古老的富有機質頁巖層系。在寒武紀—奧陶紀時期經歷了最廣泛的海侵，從南東方向侵入的海水形成了多套富有機質海相頁巖與碳酸鹽巖。晚奧陶世則整體抬升，海水迅速由西部退出，整體進入剝蝕階段。晚古生代，華北板塊和揚子板塊、塔里木板塊發生拼合作用、整體沉降并接受沉積。早石炭世再次發生海侵，晚石炭世—二疊紀，華北板塊整體沉降并逐漸轉移為以海陸過渡相為主的沉積環境，形成特色的砂巖—泥巖—頁巖—石灰巖—煤層組合。進入中生代，以華北板塊中西部為沉積中心形成了三疊紀、侏羅紀及早白堊世頁巖。晚白堊世，受太平洋板塊的北西向俯沖影響，華北板塊抬升，內部分異加劇，在板塊東部出現北東—南西向斷陷，古近紀形成了渤海灣盆地陸相頁巖沉積的主體，產生了一系列分割性強、連續厚度大、沉積相變復雜的優質陸相頁巖?？傊A北板塊主要在其東北部發育了中—上元古界的海相中元古界下馬嶺組和薊縣系洪水莊組、在主體區發育了上古生界的海相石炭系—海陸過渡相中二疊統山西組和下二疊統太原組、在東部發育了陸相始新統沙河街組富有機質頁巖。

早古生代，南方地區整體保持了北西高—南東低的古地形狀態，使揚子板塊（包含滇黔桂）長期保持了穩定的海水覆蓋狀態。從晚震旦世開始，規模性的北西向海侵發生，揚子板塊整體進入了濱淺?！獪\海狀態，沉積了石灰巖、砂泥巖和頁巖地層組合，形成了具有冰磧沉積特征的上震旦統陡山沱組頁巖。早寒武世，海水深度加大，在深水陸棚條件下全區發育了下寒武統牛蹄塘組硅質頁巖。碎屑巖和碳酸鹽巖交替發育的過程一直維持至中奧陶世。晚奧陶和中志留世，包括滇黔桂在內的周緣逐漸抬升隆起，對揚子板塊形成了半封閉式包圍，揚子板塊漸成晚奧陶世—早志留世沉降—沉積中心。由于陸緣物質輸入較多，所形成的五峰組和龍馬溪組頁巖的內源石英含量明顯降低，黏土質含量顯著增加。晚志留世，揚子板塊幾乎為外屑物所填滿，此時的海水由東西兩側退出，揚子板塊主體進入剝蝕狀態。早泥盆世，海水從廣西方向向北侵入，在上揚子板塊南緣的滇黔桂地區形成臺—盆沉積體下的厚層狀頁巖。早二疊世，揚子板塊再次接受海侵并被淺海所覆蓋，主體形成碳酸鹽巖沉積。晚二疊世，海水變淺，形成以三角洲相沉積充填為主的海陸過渡相環境，發育了砂巖—泥巖—頁巖—石灰巖—煤層沉積。三疊紀，海水逐漸退出，蒸發性濱淺海環境及相關頁巖出現。中侏羅世，海水全部退出揚子板塊，在滇黔川一帶形成陸相頁巖沉積。晚侏羅世以后，揚子板塊整體抬升，主要在圍緣地區形成一系列中小型陸相頁巖盆地。總之，揚子板塊主要發育了海相陡山沱組、牛蹄塘組（筇竹寺組、荷塘組等）、五峰組和龍馬溪組以及海陸過渡相上二疊統龍潭組、大隆組等頁巖層系。

震旦紀以來，海水由北向南侵入塔里木板塊，并在中寒武世—晚奧陶世達到海侵作用高峰，發育了大范圍的淺海相碳酸鹽巖與頁巖組合，其中尤其以板塊北部的早志留世淺海相碎屑巖系為代表。塔里木板塊從早志留世開始隆升，至中晚志留世時整體浮出水面，僅在板塊邊緣發育了砂泥碎屑巖及碳酸鹽巖沉積，這一沉積格局一直保持至晚石炭世末。二疊紀，塔里木板塊再次隆升并開始了完全的陸相沉積，在板塊西部的巴楚—和田地區形成了大面積分布的陸相頁巖。晚白堊世，海水由西部入侵并沉積瀉湖相頁巖。古近紀，在塔里木板塊東部形成大范圍頁巖?？傊?，塔里木板塊發育的富有機質頁巖主要有海相下寒武統玉爾吐斯組、下石炭統巴楚組和陸相古近系鄯善組和第四系七個泉組等頁巖層系。

1.2 頁巖氣成藏條件

華北、揚子和塔里木3大板塊各具特點，分別形成了獨立的頁巖框架體系。中—晚元古代，海侵活動主要發生在華北板塊，頁巖和砂巖、碳酸鹽巖厚層狀發育。其中，洪水莊組和下馬嶺組最大厚度可達140 m和300 m，頁巖平均TOC分別為1.8%和2.2%，在京津冀遼一帶形成了連片性規模發育。該時期形成的頁巖經受了多期次構造運動，但頁巖有機質Ro、埋藏深度及構造保存條件等在不同地區的表現差異明顯。揚子板塊廣泛發育了震旦紀冰磧層頁巖，陡山沱組頁巖厚度為150 m，TOC介于0.2%～4.1%；雖然經受了多期次構造運動，保存條件受到明顯影響，但仍然展現了良好的頁巖氣資源潛力。

早古生代發育的頁巖主要來源于海相沉積，在華北、揚子和塔里木3大板塊均有不同程度地發育，其中尤以揚子板塊的水體最深，頁巖發育最好。與全球最低海平面相對應的頁巖是牛蹄塘組、五峰組及龍馬溪組頁巖。牛蹄塘組頁巖生物硅含量高，局部錳、釩等金屬元素含量高，?？梢姶笮汀扌土踪|結核、鈣質結核和黃鐵礦結核等，頁巖厚度一般約為600 m，以深水陸棚相為主形成的頁巖遍布了整個揚子板塊。盡管頁巖厚度穩定、TOC高（2.0%～12.0%），但Ro普遍較高，導致地層含氣量總體偏低；而形成于半封閉性淺水陸棚的五峰組頁巖區域厚度較?。?～5 m），與龍馬溪組連續發育，共同構成了厚度介于30～164 m的優質頁巖。五峰組和龍馬溪組筆石頁巖TOC一般介于1.5%～6.0%，Ro介于2.0%～3.5%。從底部開始向上，隨著陸源碎屑輸入明顯增多，TOC降低明顯。五峰組和龍馬溪組頁巖目前是我國頁巖氣的主力產層。

晚古生代，全球海平面逐漸上升，在華北、揚子和塔里木3大板塊均形成了以海陸過渡相為主的頁巖。泥盆系和石炭系頁巖發育以滇黔桂為代表，在臺盆體系的海相環境中形成了分隔明顯、陸屑含量高的厚層狀的頁巖，頁巖地層厚度大（累計可達2 000 m），Ro適中（2.0%～3.0%），TOC低（0.5%～2.5%）。盡管有機質富集程度制約了頁巖地層的含氣性，但頁巖含氣量仍可高至1.5～3.0 m3/t（現場快速測試），獲得了良好的頁巖氣鉆井發現。二疊系頁巖大面積分布于華北板塊（晚石炭世—早二疊世）和揚子板塊（晚二疊世），分別以潮坪—潟湖體系和三角洲沉積體系為主，伴隨有多套煤層、致密砂巖和石灰巖發育。頁巖單層厚度?。ㄐ∮?0 m），但累積厚度大（300 m）、TOC介于0.5%～2.7%，與煤層、致密砂巖及石灰巖形成了韻律遞變的頻繁互層，牟頁1、港地1等多口井獲得了頁巖氣及頁巖氣流。

中新生代盆地油氣勘探程度普遍較高，所發育的頁巖表現為典型的陸相特征，主要為湖盆體系中的深湖、淺湖及三角洲沉積產物，其分布嚴格受盆地限制。盡管頁巖的分隔性較強，但沉積厚度巨大（大于1 000 m），可形成體積規模巨大的頁巖及頁巖與致密砂巖、煤巖組合沉積體，TOC高（1.5%～2.8%），腐泥型、混合型、腐殖型干酪根均可出現。特別是其后期構造保存條件好，在有機質熱演化及其他條件滿足時，有望獲得頁巖氣的規模性突破，也是我國頁巖氣發育的重要類型。

隨著全球海平面的升降變化和區域構造運動的發生，不同時期內所形成的多類型富有機質頁巖疊加發育、深埋變質或遭受剝蝕，經受了不同特點和強度的構造改造，導致我國廣泛分布的復雜頁巖體系更加復雜。自元古代以來，揚子、華北、塔里木3大板塊先后不同程度地經受了晉寧、興凱、加里東、海西、印支、燕山及喜馬拉雅等構造運動，開啟了3大板塊的被動大陸邊緣、克拉通、前陸及斷陷盆地形成與演化階段[6]，在多地形成了不同時代和屬性特征的疊合盆地。盡管從海到陸的沉積演化和不同地區頁巖的形成分布宏觀規律清楚，但沉積變遷、物源輸入、海底熱液、生物繁盛、沉降—沉積中心遷移、海水侵入等沉積影響因素眾多，埋藏過程、大地熱流、地溫梯度及地層水活動等約束了頁巖的成巖作用，抬升剝蝕、斷裂破壞、形變褶皺及巖漿活動等控制了頁巖的后期保存條件變化，多重因素的共同作用導致頁巖分布具有明顯的多樣性和復雜性，導致頁巖的礦物組成、有機地球化學條件、儲集物性及含氣性等方面各有不同。

2 中國頁巖氣勘探新領域

回顧我國的頁巖氣發展歷史，大致走過了理論醞釀和準備（2003—2009年）、區域勘探和工業實踐（2009—2012年）、勘探評價與工業開發（2012年—至今）等階段，就頁巖氣發育的成藏機理、富集主控因素、發育地質模式及資源前景等問題，前人開展了大量研究并建立了南方海相頁巖氣成藏模式[7-17]，并逐漸形成了富有我國地質特色的頁巖氣地質理論，發展了頁巖含氣性評價、甜點預測及資源評價等頁巖氣勘探評價系列方法和技術。與此同時，我國的頁巖氣裝備和工程技術也逐步成熟，頁巖氣年產量一路走高。2012年頁巖氣投產，2013年我國頁巖氣產量達到2×108m3，2018年產氣量超過了100×108m3，2020年產氣量超過了200×108m3，頁巖氣年產量在天然氣年總產量中的占比超過10%。目前，以五峰組—龍馬溪組為主要目的層，已在四川盆地及其周緣建立了涪陵、長寧—威遠等多個千億立方米級儲量的海相頁巖氣田，頁巖氣成為我國天然氣產量增長的重要領域。

除了四川盆地及其周緣的五峰組—龍馬溪組海相優質頁巖以外，分布范圍廣、面積大的陸相和海陸過渡相也是頁巖氣勘探重要領域，鄂爾多斯盆地的下寺灣—直羅和云巖—延川區塊已獲得了重大突破。此外，深層頁巖氣、常壓頁巖氣、煤系地層頁巖氣、中小型盆地頁巖氣等領域也發育了厚度大、TOC高、綜合地質條件好、勘探潛力大的富有機質頁巖。

2.1 頁巖氣勘探領域

2.1.1 海相頁巖氣

海相沉積對我國地層分布和頁巖發育產生了明顯的控制作用，大致可分為早古生代主導、晚古生代控制及中新生代影響3個基本階段。早古生代，華北、揚子及塔里木3大板塊均淹沒或沉浮于古大洋之中，形成了大面積分布的海相頁巖；華北板塊的陸表海一直持續到中奧陶世結束，隨后上升為陸，海相頁巖發育條件整體較差。塔里木板塊一直持續為淺海，其東南部在早中奧陶世時抬升為陸，晚奧陶世時整體成陸，有海相頁巖形成和發育的良好地質條件；揚子板塊（含滇黔桂）長期為海，雖然從晚奧陶世開始其面積明顯縮小并形成半封閉海灣，在志留紀結束時整體抬升為陸，但這并沒有影響優質頁巖的形成和發育。晚古生代，華北、揚子及塔里木3大板塊處于從海向陸的逐漸轉變過程中，形成了以海陸過渡相為主的頁巖。華北板塊和塔里木板塊長期為陸，但在晚石炭世重新形成淺海，盡管時間短暫，但為海陸過渡相和陸相頁巖的形成創造了有利條件；揚子板塊則逐漸接受來自南方的海水侵入，濱淺海范圍不斷擴大并逐漸形成淺海，至晚二疊世盛行發育海陸交互相頁巖。中新生代，除揚子板塊在滇渝川地區維持一段時間的殘留蒸發海（至中三疊世）以外，3大板塊全部上升為陸。在陸相盆地中形成演化過程，常可受局部海侵影響并形成優質頁巖。

海相頁巖是我國目前頁巖氣勘探實踐和開發生產的主體，具有以下基本特點：①原始沉積條件穩定，頁巖范圍大、厚度大、連續性強（牛蹄塘組頁巖厚度約為600 m，龍馬溪組頁巖厚度為135 m[18]），但經受復雜構造運動后導致現今頁巖在分布連續性、埋藏深度等方面變化大。②TOC高且穩定（牛蹄塘組頁巖TOC介于2.0%～12.0%、龍馬溪組頁巖TOC介于1.5%～6.0%），有機質類型為腐泥型和偏腐泥混合型，熱演化程度高（牛蹄塘組頁巖Ro介于2.5%～4.5%，龍馬溪組頁巖Ro介于2.0%～3.5%），產氣量大。但頁巖演化時間長、經歷構造運動多、改造破壞作用強，現今的頁巖含氣量及地層壓力主要受后期保存條件影響。③頁巖脆性礦物含量高、黏土礦物含量少。石英、長石平均含量為68.6%，黏土礦物平均含量為25.6%[19]。④頁巖孔隙度一般介于1.6%～13.9%（含裂縫孔隙度），其中以有機孔縫發育為特征。根據有機質熱演化程度，有機孔分別表現為圓形—近似圓形、橢長形—長條形、套疊形—蜂窩狀。頁巖含氣量一般介于1.2～7.8 m3/t，游離氣吸附氣比值（以下簡稱游吸比）高。

我國自2009年發現頁巖氣以來，已在以四川盆地及圍緣為中心的廣大揚子地區（含滇黔桂等）完成了一大批地質勘探井（調查井、風險探井、參數評價井等）和生產開發井（試驗井、生產井等），在五峰組—龍馬溪組頁巖中獲得了一系列勘探發現、高產氣井及頁巖氣田，建成了數個千億立方米級儲量頁巖氣田，形成了頁巖氣產業發展的主體。五峰組—龍馬溪組頁巖仍將是未來一段時間頁巖氣勘探的主體，但區域性分布較廣的牛蹄塘組和陡山沱組（及其對應層位）和僅在黔桂地區局部發育的中泥盆統羅富組和下石炭統舊司組等頁巖已獲得了頁巖氣發現，是值得進一步拓展探索的領域。

2.1.2 陸相頁巖氣

自中生代以來，我國普遍開始發育陸相湖盆，形成了深湖、半深湖、淺湖及（扇）三角洲沉積體系。在大型深水湖盆中，盆地形成早期的沉降—沉積中心是深湖、半深湖及淺湖厚層—巨厚層富有機質頁巖發育的有利場所，向盆地邊緣方向對應為三角洲相薄層或互層狀頁巖發育區，或可見泥質石灰巖/白云巖、灰質/白云質頁巖等。從盆地沉積的深水區到淺水區，大致對應沉積了從腐泥型到混合型、再到腐殖型干酪根有機質。腐泥型、混合型和腐殖型干酪根生氣分別對應于不同的Ro（埋藏深度），拓寬了盆地頁巖的生氣窗口，為盆地頁巖在縱向上從深到淺、在平面上從中心到邊緣的連續生氣、生烴產物（頁巖油氣）的多樣化及頁巖氣藏的廣泛發育創造了有利條件。在淺水湖盆中，盆地多為濱淺湖、三角洲或扇三角洲等充填，常形成砂巖—煤層—泥巖—頁巖韻律或互層，TOC高且多為腐殖型干酪根，其厚層狀頁巖是有利的頁巖氣目的層。

陸相盆地地形平坦、地貌簡單，地表條件好，常規油氣勘探程度高，基礎資料豐富，基礎設施及勘探開發施工條件優越，是頁巖氣勘探的重要領域。陸相頁巖氣普遍具有以下特點：①盆地多形成于中新生代，地層時代新，沉積速度快，頁巖厚度可逾千米，但橫向連續性差。雖有構造回返運動，但盆地內斷裂欠發育，后期構造保存條件好。②盆地沉積相和TOC變化快，有機質類型多，Ro普遍偏低，頁巖油氣可同時發育，可見異常高壓。③頁巖沉積受盆地、坳陷或凹陷控制，分布分隔性強，多為頁巖—泥巖—砂巖或頁巖—泥巖—砂巖—煤層頻繁互層。礦物成分復雜且外源供給占比高，石英含量較低（20.0%～50.0%）但黏土礦物及長石、碳酸鹽礦物占比高。鄂爾多斯盆地甘泉地區延長組長7段和四川盆地元壩地區下侏羅統自流井組頁巖黏土礦物含量分別介于37.4%～72.8%[20]、40.5%～51.3%[21]。④頁巖成巖作用程度低，層理縫和粒間孔發育但缺乏有機孔，頁巖孔隙度整體偏低。川東北地區自流井組大安寨段頁巖孔隙度介于2.15%～6.77%[22]。由于頁巖熱演化程度低、總生氣量小，故含氣量偏低（0.5～3.0 m3/t）。但當成熟有機質含量增加時，頁巖含氣量明顯增加。

盡管目前尚未在陸相頁巖地層中獲得商業性頁巖氣流，但已有越來越多的證據表明，陸相盆地、坳陷或凹陷的沉降—沉積中心、構造斜坡帶或深埋部位是頁巖氣發育的有利方向。自2011年延長石油公司在鄂爾多斯盆地甘泉縣實施了柳坪177井以來，目前已在鄂爾多斯盆地三疊系和四川盆地侏羅系頁巖地層中鉆獲工業性頁巖氣流。其中，鄂爾多斯盆地長7段頁巖氣單井日產量超過5.0×104m3；四川盆地大安寨段頁巖氣單井最高日產量逾50.0×104m3，元壩地區元壩21井大安寨段、復興地區復頁HF-10井自流井組東岳廟段、建南地區建頁HF-1井東岳廟段頁巖氣最高日產量分別達到了50.7×104m3、5.6×104m3、1.2×104m3[23-24]；渤海灣盆地岐口凹陷新港57井在沙河街組三段頁巖獲日產氣量為13.7×104m3、凝析油量為3.5 t的工業油氣流[25-26]；松遼盆地梨樹斷陷JLSY1井在下白堊統沙河子組壓裂獲日產7.6×104m3的高產頁巖氣流。其他盆地或凹陷的頁巖地層也見多處頁巖氣鉆井顯示。

從近幾年的頁巖氣勘探實踐情況看，我國具備規模陸相頁巖氣的資源基礎。陸相頁巖氣可采資源量約占頁巖氣總可采資源量的31.6%[27]，廣泛分布于西北、華北及東北、上揚子及滇黔桂、中下揚子及東南區的中新生代盆地中，尤其以鄂爾多斯（延長組）、四川（自流井組）、塔里木（中侏羅統西山窯組）、準噶爾（中二疊統蘆草溝組）、吐哈（西山窯組）、三塘湖（蘆草溝組）、柴達木（古近系—新近系下、上干柴溝組）、渤海灣（古近系孔店組—沙河街組）、江漢（古近系潛江組）、松遼（白堊系青山口組）等盆地為代表，頁巖氣資源勘探前景樂觀。

低熟（Ro介于0.3%～0.6%）頁巖氣是陸相頁巖氣中的重要類型，它形成于溫度和壓力較低的早中期成巖階段，是頁巖有機質在構造應力和黏土礦物催化作用下，通過脫羧、脫氨等脫基團作用和縮聚作用所形成[28]。低熟頁巖氣埋藏較淺（1 500～2 500 m）、孔滲性較好、含氣量較低，主要分布在中新生代陸相盆地中，以四川、鄂爾多斯、渤海灣、松遼、塔里木、準噶爾等盆地侏羅系、白堊系、古近系等為主。2020年，重慶豐都的泰頁1井侏羅系中淺層湖相頁巖（埋深為2 400 m）水平段經壓裂測試獲得日產量為7.5×104m3頁巖氣、9.8 m3頁巖油[29]。地溫梯度較高的東部地區盆地和沉積穩定的西部地區盆地有望在盆地的邊緣或中淺部實現勘探突破。

2.1.3 海陸過渡相頁巖氣

晚古生代，3大板塊發生拼合作用，海水逐漸退卻，在區域地形比較低緩平坦的華北和揚子板塊沉積了廣泛的海陸過渡相頁巖。

華北板塊海陸過渡相沉積發生時間較早，障壁沉積體系和偏陸相過渡特征明顯。晚石炭世末—早二疊世初，華北板塊迅速從海陸過渡的濱淺海（砂巖—泥巖—頁巖—煤層—碳酸鹽巖）轉變為內陸開闊盆地，在南華北地區形成近海盆地，并發育砂巖—泥巖—頁巖—煤層沉積層系；至晚二疊世，盆地轉變為以河湖相為主的砂巖—泥巖內陸盆地階段。此時的南華北地區也轉變為內陸盆地特點，但煤層仍然發育。故華北板塊海陸過渡相頁巖發育時代較早，且以濱淺海或內陸開闊盆地為基本特征，主要形成了近岸陸棚—潮坪—潟湖—沼澤沉積（本溪組）、潮坪—潟湖（港灣及三角洲）—濱海沼澤—淺海沉積（太原組）、潮坪—潟湖（三角洲）—濱海沼澤—分流平原—河道沉積（山西組），由海向陸的環境轉變特征明顯。揚子地臺海陸過渡相沉積發生時間較晚，在屬性上更加偏向于海相（偏海相過渡環境），區域上的沉積分異特征和“灰厚煤薄”特征明顯。從早二疊世到晚二疊世，揚子地臺淺海范圍迅速縮小，僅在桂湘鄂地區形成殘留淺海，而在滇黔桂—上揚子和瓊粵湘—下揚子地區形成海陸過渡相含煤硅質組合沉積，進一步向東，在粵浙閩西部形成海陸過渡相含煤砂泥質組合沉積；晚二疊世沉積相主要為以砂巖—泥巖—頁巖—煤層—碳酸鹽巖地層組合為特點的海陸過渡相，包括了濱岸沼澤、三角洲/潟湖、開闊臺地及淺海等（龍潭期）；晚二疊世末，揚子地區再次海侵，形成了陸棚、深水盆地等沉積環境，泥巖—頁巖—硅質頁巖—硅質巖發育（大隆組）。

海陸過渡相頁巖具有以下特征：①沉積環境動蕩，沉積微相變遷較快，沉積水動力強度變化較快，主要形成于板塊拼合、聯合大陸形成期間（受海西—印支構造變動控制），形成時代較為集中，分布面積大。②巖石類型多、地層累積厚度大，縱向上的砂巖—泥巖—頁巖—煤層—碳酸鹽巖是海陸過渡相頁巖地層層系的基本組合。地層有機質以腐殖型為主，可見少量偏腐殖混合型。從泥巖到頁巖，TOC變化快（0.1%～10.0%），碳質頁巖TOC可超過20.0%。晚古生代的海陸過渡相頁巖Ro變化較快，多處于成熟—高熟—過成熟階段。③黏土礦物及不穩定的礦物成分占比高，黏土礦物以伊利石/蒙脫石間層礦物和高嶺石礦物為主，脆性礦物含量介于30.0%～60.0%。頁巖各種主要參數變化較快，參數的分布范圍寬緩。④整體表現為基質孔滲條件差，常見礦物粒間孔和不規則分布的礦物轉化縫、脫水縫、收縮縫等成巖裂縫，缺乏有機孔，頁巖孔隙度一般介于0.7%～6.3%。頁巖有機質的吸附能力強，含氣量變化較快（0.2～5.5 m3/t），游吸比偏低。頁巖氣的富集不僅受構造保存條件影響，而且還與有機質巖石的表面潤濕性變化條件（成巖保存）關系密切。

海陸過渡相頁巖分布范圍廣、面積大、資源潛力大，頁巖氣可采資源量約占頁巖氣總可采資源量的35.8%[28]。揚子板塊二疊系（龍潭組、梁山組）富有機質頁巖的分布面積介于20.0×104～50.0×104km2[30]；華北板塊僅鄂爾多斯、南華北、沁水及渤海灣等盆地內的石炭系—二疊系（太原組、山西組）富有機質頁巖的分布面積就超過了33.5×104km2[30]。另外，在我國已發現的常規天然氣中，50%以上儲量貢獻的氣源巖為海陸過渡相頁巖[31]。

石炭系、二疊系海陸過渡相頁巖氣資源豐富，目前已有100余口井發現頁巖氣[32]。鄂爾多斯盆地云頁平1井山西組頁巖含氣量介于0.6～4.1 m3/t，壓裂測試日產氣量為2.0×104m3；云頁平3井山西組壓裂測試日產氣量為5.3×104m3；鎮鉀1井（直井）太原組壓裂測試日產氣量為5.7×104m3，鄂頁1井太原組壓裂測試日產氣量為2.0×104m3，神木SM0-5井太原組壓裂測試日產氣量為0.7×104m3[33]。此外，盆地東緣尚有多口直井在太原組、山西組頁巖中測試日產氣量介于0.1×104～0.2×104m3。南華北盆地牟頁1井太原組現場解析含氣量介于0.4～4.9 m3/t，壓裂后測試日產氣量為0.1×104m3（直井）；鄭東頁2井太原組壓裂測試日產氣量為0.4×104m3（直井）；尉參1井太原組現場解析含氣量介于0.2～5.5 m3/t[34]。沁水盆地SX-306井山西組頁巖現場解析含氣量介于0.4～5.5 m3/t[35]。南方地區也獲得了廣泛的海陸過渡相頁巖氣顯示。湖南湘頁1井大隆組現場解析含氣量介于0.2～1.4 m3/t，壓裂測試日產氣量為0.1×104m3；湘中邵陽拗陷2015H-D3井龍潭組現場解析含氣量介于0.5～2.4 m3/t[36]。湖北鄂建頁1井龍潭組和鶴地1井大隆組現場解析含氣量最大值分別為大于10.0 m3/t和4.4 m3/t[17]。貴州西頁1、東神頁1、方頁1及金沙頁1等井龍潭組現場析含氣量分別為4.9～19.2 m3/t、0.6～8.8 m3/t、1.3～5.6 m3/t、2.1～4.5 m3/t[37-38]。安徽港地1井大隆組和涇頁1井龍潭組頁巖現場解析含氣量分別為0.5～7.5 m3/t和 0 ～ 9.3 m3/t[39]。

海陸過渡相頁巖發育范圍廣、分布面積大、累計厚度大，各主要參數變化大，構架了復雜的頁巖氣成藏條件，為頁巖氣勘探帶來了較大的不確定性。目前盆地內的（包括晚古生代和中新生代）海陸過渡相頁巖通常具有穩定時間早、構造埋藏及上覆蓋層條件好、后期構造破壞影響小等特點，頁巖發育條件好、構造背景穩定、上覆蓋層發育良好的區域是海陸過渡相頁巖氣發育的有利方向。

2.2 頁巖氣勘探方向

2.2.1 深層頁巖氣

現今所指的深層頁巖氣均為埋藏深度意義上的頁巖氣，與時代所約束的層位沒有關系，一般理解為埋深超過3 000 m或3 500 m[40]。深層的界線與“生烴”門限相對應，深層頁巖氣對應于地質歷史上的曾經深層和現今仍然處于深層狀態的頁巖氣兩種。由于復雜的構造運動歷史，華北板塊上古生界頁巖和揚子板塊下古生界頁巖等均經歷了長期的深埋藏地質過程，盡管現今埋藏深度較小或者直接暴露地表，但地質埋藏歷史過程中的深度可逾萬米或者更深，頁巖成巖作用可能變質或者淺變質而形成板巖；經過深埋后大幅抬升的頁巖遭受了強烈地構造運動改造，而現今仍處于深埋狀態的未變質頁巖，包括古生界頁巖或者限于盆地的中新生界頁巖，具有更好的保存條件和更高的含氣量。

深層頁巖的現今埋藏深度大，不論其歷史上是否處于更大的埋藏深度，頁巖氣都具有以下特點：①隨著埋深加大，頁巖中礦物顆粒之間的自由水和顆粒表面的束縛水先后被排出。當頁巖埋深達到深層時，黏土礦物晶體層（層間水）和結構內部的水（結構水）在高溫條件下逐漸脫去，在頁巖內部原生水逐漸減少的同時，黏土礦物發生轉變。由于壓實、排水及其他成巖作用，頁巖孔隙度低，一般不超過10.0%。②形成于酸性淋濾條件下的高嶺石（族）黏土礦物隨著埋藏深度的增加而轉變為蒙脫石，進而轉變為伊利石，增加了頁巖的膠結作用。伊蒙轉化過程會釋放Si4+、Ca2+、Na+、Fe2+和Mg2+，產生石英析出、促進高嶺石向綠泥石轉化、方解石向鐵白云石或菱鐵礦轉化、促進鈉長石化。當埋藏深度超過3 000 m時，蒙脫石大部分轉變為伊蒙混層，蒙脫石驟減，高嶺石趨于消失，但伊利石含量變化較小。與此同時，鉀長石、方解石含量銳減至消失，綠泥石含量有所增加。③地層溫度高、壓力大，促進了有機質的生烴轉化作用，不僅使干酪根生成油氣，有利于中新生代陸相盆地中的有機質生氣，而且還可以使固體瀝青再次轉化為甲烷，有利于古生界頁巖高成熟頁巖繼續生氣。深埋作用條件下，頁巖中的有機質向烴類轉化并產生大量有機酸，長期的浸泡作用將產生強烈的溶蝕作用，可在碳酸鹽巖礦物和石英表面形成普遍存在的溶蝕孔或溶蝕縫，直接增加頁巖的孔隙度和滲透性。④由于組成頁巖的礦物顆粒較小且形狀不規則，壓實過程中易發生黏土礦物的變形作用，導致埋藏狀態時也難見定向排列結構。對于片狀形黏土礦物，由于受沉積時水動力及礦物重心結構、極性結構、所攜帶電荷結構等的影響，呈現為隨機排列的紙卡或雜亂排列結構，定向性特征不明顯。至深埋藏壓實作用階段，雖出現定向性排列趨勢，但仍不明顯。當埋藏深度更大時，黏土礦物排列的定向性漸趨明顯，主要與應力場條件、礦物轉化及變質作用等因素有關。

由于深層頁巖生氣（熱裂解）、儲集（微裂縫）及保存（異常高壓）條件優越，深層頁巖具有更好的頁巖氣成藏條件。深層頁巖氣在我國有著廣泛的發育和分布，但目前主要集中在四川盆地及其周緣。2018年完成的陽頁2井（頁巖埋深5 200 m）陡山沱組壓裂測試獲得了日產氣量為5.5×104m3的產氣效果（無阻流量為19.8×104m3/d）；2018年發現的威榮頁巖氣田實現了埋深為3 800 m的深層頁巖氣開發；2019年完鉆的東頁深1井（水平井）完鉆井深6 062 m（垂深4 259 m），五峰組—龍馬溪組經壓裂測試獲日產氣量為31.2×104m3的高產工業氣流。川東南地區深層頁巖發現了至少8.3×1012m3的頁巖氣資源，獲得的頁巖氣資源至少2.6×1012m3，表明深層頁巖氣資源豐富[40]。

四川盆地及其周緣是目前深層頁巖氣勘探開發的重點地區，其五峰組—龍馬溪組海相頁巖儲層具有TOC高和孔隙度高的特征，TOC超過3.0%的頁巖厚度介于10～20 m，孔隙度介于3%～8%[10,16,18]。其明顯特征是頁巖厚度穩定、有機孔發育、構造保存條件好、分布面積大；分布于中新生代盆地沉降—沉積中心部位的湖相頁巖有機質目前正開始或已經處于生氣階段，大部分的大中型盆地均具有深層頁巖氣富集條件，包括塔里木、準噶爾、吐哈、四川、鄂爾多斯、南華北、松遼、渤海灣、江漢等盆地。其明顯特征是頁巖累積厚度巨大、有機質類型多樣、后期構造改造作用影響小，值得高度重視。海陸過渡相頁巖在華北板塊和揚子板塊均有大面積發育，其中不乏深層的存在和連續分布，主要發育在以上古生界為主要目的層的盆地（鄂爾多斯、南華北、沁水等盆地）、中新生代烴源巖疊合發育的盆地（四川、渤海灣等盆地）及殘留區（上揚子、中下揚子等），其明顯特征是分布范圍廣、地層巖性變化快、有機質以生氣為主、頁巖成巖裂縫發育，是我國頁巖氣勘探的重要領域。

2.2.2 中小型盆地頁巖氣

中小型盆地的面積一般小于10×104km2，主要包括了東部地區的中新生代斷陷盆地、中西部地區以中生代為主的前陸或山間盆地、南方地區以新生代為主的斷陷盆地等。這些中小型盆地常以大中型盆地為中心形成裙帶式或衛星式關聯，構成一系列相關盆地的群狀分布。中小型盆地的形成和分布極其復雜，可分為較大和較小沉積古水深兩種盆地，前者發育湖相頁巖，而后者發育（扇）三角洲煤系地層頁巖。其中，中生代時期所發育的中小型盆地頁巖發育條件更好，具有“南早北晚”特征，即南方地區多發育于三疊紀（蘭坪—思茅、楚雄、十萬大山等盆地），北方地區多發育于侏羅紀（吐哈、雅布賴、海拉爾等盆地），有從西向東逐漸變新趨勢（阜新盆地白堊紀、三江盆地古近紀等）。由于分布面積小，勘探縱深小，中小型盆地的頁巖氣資源潛力長期未被重視。

盡管中小型盆地發育面積較小，但盆地地表平坦，湖相頁巖或（扇）三角洲相含煤頁巖累積厚度可以達到數百米，腐殖型或以腐殖型為主的頁巖生氣所要求的門檻較低，頁巖目的層系的埋藏深度一般較淺，后期構造保存條件好，是頁巖氣勘探發展的又一重要領域。特別是，頁巖氣常與煤層氣、致密砂巖氣等同盆共生，不同類型非常規天然氣在平面和剖面上疊置共存，資源豐度大，易于形成類似于美國圣胡安盆地的多類型（頁巖氣、煤層氣、致密砂巖氣及常規儲層氣）連續型天然氣分布。

目前，已在個別中小型盆地中獲得了良好勘探效果。灤平盆地灤頁1井下白堊統西瓜園組經壓裂后見工業油氣流。桂中盆地鉆井在井深248.3 m的下石炭統寺門組頁巖中見井涌及天然氣噴漏，日產氣量介于0.3×104～0.4×104m3。阜新盆地下白堊統沙海組和九佛堂組頁巖有機質以混合型—腐殖型為主，東頁1井沙海組TOC介于0.3%～9.1%，平均值為2.6%，飽和吸附氣量介于2.1～3.7 m3/t；阜頁1井沙海組和九佛堂組TOC介于0.3%～3.4%，平均值為1.6%，鉆井過程中發生井噴；遼阜地2井沙海組淺層（埋深為886 m）鉆獲日產油15.3 m3；阜參2、阜氣1、梁4、阜頁1等鉆井中發現油氣顯示[27]，其頁巖氣資源可期。除此之外，其他許多中小型盆地鉆井中也有頁巖氣顯示，證明了頁巖氣資源的存在，有望通過進一步的實踐獲得工業突破。

中新生代富有機質頁巖發育的中小型盆地由于保存條件好而成為有利勘探對象，這些盆地發育時間長、有利于形成厚—巨厚層狀的富有機質頁巖層。作為衛星盆地，中小型盆地常與其所圍繞分布的大中型盆地在沉積、地層、構造及含油氣方面具有相似性，相鄰的中小型盆地之間也常具有相似性，深湖、半深湖、淺湖、（扇）三角洲及泥碳沼澤發育的盆地具有良好的富有機質頁巖發育條件，其中深層尤其值得關注。西部地區的伊寧、焉耆、吐哈及敦煌等盆地，中部地區的楚雄、南盤江、六盤山等盆地，東部地區的洞庭、蘇北、阜新等盆地均是頁巖氣發育的有利目標。

2.2.3 其他領域

2.2.3.1 淺層頁巖氣

淺層頁巖氣（埋深小于2 000 m）有原生型和繼承型兩種。前者以生物成因氣為主，地層埋藏淺、頁巖時代新（第四系、新近系等），TOC低，成巖作用弱，孔滲物性好，地層含水量高，蓋層條件差；后者是淺層頁巖氣的主要類型，主要源于對先存頁巖氣藏的抬升改造，頁巖時代老，TOC高，儲集物性差，構造保存弱。淺層頁巖氣通常具有埋藏深度小、保存條件差、頁巖含氣量低、地層壓力低、整裝儲量少等特點。由于構造抬升等原因，原本深埋的頁巖氣藏被抬升至2 000 m以淺，甚至幾百米，導致地層壓力和含氣量等指標均明顯下降。當原始頁巖氣成藏條件好、頁巖含氣量高、抬升活動時代新、地層整體上升且上升速度快、蓋層條件好或保存條件好時，有助于淺層頁巖氣藏形成。

目前，四川盆地昭通頁巖示范區太陽背斜五峰組—龍馬溪組實現了淺層頁巖氣突破（含氣量介于1.3～6.2 m3/t，平均值為3.0 m3/t）。2017年，太陽背斜2口老井淺層頁巖（埋深小于1 000 m）壓裂測試獲得工業氣流；2018年，國內第一口淺層頁巖氣水平井陽102H1-1井壓裂測試日產氣量為6.3×104m3。目前，太陽背斜已開發的頁巖儲層埋深介于700～1 800 m，有效開發面積約為127 km2，頁巖氣探明儲量為1 000×108m3[41]。此外，東昆侖八寶山盆地八頁1井上三疊統八寶山組（頂界埋深為300 m）鉆獲頁巖氣。

與地層埋藏淺、頁巖含氣量低等特點相對應，淺層頁巖氣的開發成本也相應降低，具有鉆井周期短、建產速度快、投資成本低等優點，是實現程度較高的一類頁巖氣勘探發展方向。淺層頁巖氣發育的關鍵在于優質的先天條件和后期保存，構造改造弱、保存條件好或優質的生物產氣條件是淺層頁巖氣富集的有利指向，滇黔桂—上揚子地區和生物氣發育的柴達木、準噶爾、渤海灣、松遼等盆地以及鄂、湘、贛、蘇、浙、閩、粵等地區發育的中小型盆地，是淺層頁巖氣勘探的有利方向。

2.2.3.2 中—上元古界頁巖氣

作為中國沉積最早的頁巖，中—上元古界頁巖氣發育的地質條件和資源分布值得重視，它們主要分布在中—上揚子地區、華北（京、津、冀、遼）地區及塔里木盆地，分布面積大、單層及連續頁巖厚度大、頁巖TOC高。華北地區中元古界大量液態油苗和揚子地區震旦系大型氣藏的發現，均說明了元古界油氣的資源潛力。但由于經歷的地質演化時代長、構造運動多、后期改造強，導致保存條件差，許多地區遭受了強烈的抬升暴露及剝蝕，早期生成的烴類大量散失。中上揚子及其周緣（川、渝、黔、鄂、湘）地區的陡山沱組頁巖和華北（京、津、冀、遼）地區的洪水莊組和下馬嶺組頁巖氣勘探前景值得關注。另外，塔里木盆地的南華系可能存在高TOC頁巖。

3 結論

我國頁巖氣勘探可分為3大領域多個方向，在海相、陸相及海陸過渡相3大領域基礎上對華北、揚子及塔里木3大板塊分別進行針對性分析、研判，對頁巖氣的不同方向進行評價研究，有益于宏觀把握我國頁巖氣勘探開發發展方向。加強不同方向并側重中間過渡類型頁巖氣勘探研究，將是我國頁巖氣勘探發展的重要內容。

1）海相頁巖地層沉積穩定，單層厚度大、TOC高、有機孔縫發育，頁巖氣整體成藏條件好。其五峰組—龍馬溪組頁巖氣成藏條件最優，不論是盆地內還是盆地外、深層還是中淺層、超壓區還是常壓區，仍將是未來一段時間頁巖氣勘探開發的主體；中上揚子地區的牛蹄塘組和陡山沱組、滇黔桂地區的羅富組和舊司組、華北地區的洪水莊組和下馬嶺組等頁巖，由于Ro高、TOC低、構造保存條件差等原因而影響了其頁巖氣的進一步突破，可作為戰略方向予以重視。

2）陸相頁巖主要分布于中新生代盆地，頁巖層理縫和粒間孔發育，多類型有機質與其熱演化程度的匹配常使頁巖氣與頁巖油共生。無論盆地是中生代還是新生代、深水相還是淺水相、熱裂解氣還是生物氣、深層還是中淺層、頁巖氣還是頁巖油，都將是值得進一步探索的重要領域。地層沉積變化快但累計厚度大，橫向穩定性差但構造保存條件好，Ro低，有機質類型多，大中型盆地的構造深部位和斜坡部位、中小型盆地的沉降—沉積中心是陸相頁巖氣勘探的兩大重要方向。

3）海陸過渡相頁巖主要形成于晚石炭世—二疊紀，雖然華北和揚子板塊略有差異，但頁巖與砂巖、泥巖、煤層及碳酸鹽巖地層之間的旋回組合基本相似。頁巖有機質分布范圍廣，成巖裂縫發育，成巖與生氣作用有利于頁巖氣成藏但巖性組合與潤濕性改變導致了頁巖氣的逸散，構造保存與成巖保存是該類型頁巖氣富集的兩大要素。該類頁巖氣評價的各主要參數變化大，但無論是有障壁島（潮坪—潟湖）還是無障壁島（三角洲）沉積體系、大中型疊合盆地還是中小型殘留盆地，蓋層發育且構造保存條件好的深層是海陸過渡相頁巖氣發育的有利方向。