張金川 陶 佳 李 振 王錫偉 李興起 姜生玲 王東升 趙星旭

1.自然資源部頁巖氣資源戰(zhàn)略評價重點實驗室·中國地質大學（北京） 2. 隴東學院

0 引言

作為天然氣在自然界中存在的形式之一，頁巖氣豐富了天然氣勘探開發(fā)的類型、拓展了勘探領域、擴大了勘探范圍，使美國的天然氣年總產量連創(chuàng)新高，使我國的頁巖氣產業(yè)得以迅猛發(fā)展。2008年中國石油勘探開發(fā)研究院在四川盆地長寧構造實施了長芯1井[1]，2009年我國在調查井中發(fā)現(xiàn)了頁巖氣——渝頁1井，2010年完鉆了第一口頁巖氣開發(fā)井——威201井[2]，2012年獲得了高產頁巖氣工業(yè)氣流——焦頁1HF井[3]。此后，我國頁巖氣快速進入了商業(yè)化開發(fā)生產階段：2016年，我國成為頁巖氣年產量僅次于美國和加拿大的世界第三；2018年，我國頁巖氣年產量突破100×108m3。盡管我國頁巖氣的產量穩(wěn)定增長且增速較快，但目前產量都主要來源于中淺層，并且較之于美國的頁巖氣產量，仍然存在著較大的差距。

深層具有頁巖氣形成和發(fā)育的良好地質條件——頁巖分布面積大、保存條件好、頁巖氣資源潛力大，是目前頁巖氣勘探開發(fā)發(fā)展的重要方向，備受關注[4-6]。中國深層頁巖氣資源分布廣泛，對于開創(chuàng)我國頁巖氣勘探開發(fā)新局面具有重要的意義。較之于美國，我國頁巖氣富集與分布的區(qū)域地質背景和條件更加復雜——在我國南方下古生界海相頁巖氣發(fā)育地區(qū)，多期次的區(qū)域構造運動致使頁巖氣保存條件變差，中淺層頁巖氣的保存、分布及勘探評價受到了較大的影響；而在北方中新生界陸相頁巖氣發(fā)育區(qū)，沉積作用和生烴作用則導致中淺層頁巖氣形成條件欠佳，頁巖氣資源的豐度及分布都受到約束。

1 深層頁巖氣成藏地質條件

1.1 深層頁巖氣的界定

對于常規(guī)油氣藏而言，不同的國家和研究者出于不同的依據(jù)、條件和目的，對于深層油氣的界定標準各不相同，但均以大約4 500 m為界。比如美國和巴西通常將深度4 500 m作為確定深層油氣的界線；而俄羅斯和TOTAL公司則分別以深度4 000 m和5 000 m作為劃分深層油氣的界線[7]。

國土資源部和中國石油天然氣股份有限公司2005、2006年先后發(fā)布了《石油天然氣儲量計算規(guī)范：DZ/T 0217—2005》和《石油天然氣控制儲量計算方法：Q/SY 179—2006）》，其中規(guī)定：深度3 500～4 500 m為深層，4 500 m及其以深為超深層。這些劃分標準主要針對的是常規(guī)油氣藏，考慮到對中國油氣地質條件東、西部差異的傳統(tǒng)認識，3 500 m的深度界線主要適用于我國東部地區(qū)；而對于我國西部地區(qū)，采用的深層界限是大于等于4 500 m，即深度4 500～6 000 m為深層，6 000 m及其以深為超深層[8]。

對于深層頁巖氣，目前尚無統(tǒng)一的認識。2009—2012年間，原國土資源部組織全國27家企業(yè)、科研單位及高校（參與者共計420余人），完成了全國頁巖氣資源潛力調查評價及有利區(qū)優(yōu)選工作。2012年3月2日，相關評價結果向全社會發(fā)布。其中，以深度1 500 m、3 000 m和4 500 m為基本界線進行了頁巖氣資源量計算。與此同時，唐穎等[9]、崔思華等[10]、林臘梅等[11]、Xiao等[12]、Wang[13]均默認以深度3 000 m為界限進行研究；2018年以來，一些學者在研究南方古生界海相深層頁巖氣時，沿用了常規(guī)油氣藏關于深層的界定標準，即采用深度3 500 m作為深層頁巖氣的深度界線[4,14-17]。

對深層范圍的界定，除了要考慮工程、經濟及技術條件以外，還需要將油氣儲層物性的垂向變化作為考量因素之一。對于頁巖氣藏，其開發(fā)成本要遠高于同等深度的常規(guī)油氣藏，故頁巖氣開發(fā)的經濟性是一項重要的參考指標。

中國頁巖氣發(fā)育區(qū)可分為南方、北方、西北和青藏等地區(qū)。從富集機理和條件來看，頁巖成巖作用和有機質生烴作用也應被視作主要參考因素。一般認為，富含有機質頁巖在深度3 000 m左右時，機械壓實作用基本結束而開始轉變?yōu)橐缘V物成分轉化為主的化學成巖作用，以粒間孔為主的原生孔隙和孔隙結構轉變?yōu)橐源紊紫逗涂紫督Y構為主，頁巖孔滲物性開始由隨深度增加而趨小變化為向趨大方向轉折，如圖1所示。同時，深度3 000 m也是有機質開始成熟并進入生烴階段的臨界值[18-22]。因此，當埋藏深度在3 000 m時，頁巖在儲集物性開始變好的同時開始生烴。這也是頁巖氣開始形成并富集的基本深度。

除了個別地區(qū)（如Haynesville）以外，目前美國頁巖氣開發(fā)的深度大多數(shù)都在3 000 m以淺，由此奠定了美國頁巖氣快速可持續(xù)經濟開發(fā)的基礎。當頁巖氣開發(fā)深度超過3 000 m時，水平井的實施在技術成本上處于明顯的劣勢[9-10,13,23]。德國的頁巖氣開發(fā)也以3 000 m為界，在2015、2016、2019年，德國議會先后通過法律草案，從開采和水力壓裂等方面對頁巖氣勘探開發(fā)進行了限制：頁巖氣鉆探和壓裂深度不得淺于3 000 m。

圖1 東營凹陷古近系頁巖成巖演化特征圖（據(jù)本文參考文獻[18-19]，有修改）

由此可以看出，3 000 m的埋藏深度對于頁巖氣的形成和分布具有特殊的地質意義?；陧搸r氣資源評價與分析的連續(xù)性，筆者以深度3 000 m為界限對我國深層頁巖氣資源潛力進行討論和評價。

1.2 深層頁巖氣發(fā)育的地質有利性

深層頁巖的沉積相變化比較復雜，形成頁巖時的沉積環(huán)境與現(xiàn)今埋藏深度之間的關系主要取決于頁巖沉積后的構造運動，可分為3種基本類型，如表1所示。

在以海相或海陸過渡相沉積為主的古生代頁巖發(fā)育地區(qū)，盡管潛質頁巖（目前仍具有一定生氣潛力的富有機質頁巖）的沉積相對穩(wěn)定，但印支及其以后的構造運動復雜，嚴重改變了“地層沉積與埋藏深度”之間的對應關系，使得現(xiàn)今深層頁巖的沉積相、巖石礦物組成以及有機碳含量等變化多樣，深、淺層頁巖有機質及組成特征并無明顯規(guī)律。而在以陸相為主的中新生代頁巖發(fā)育地區(qū)，由于盆地規(guī)模受限、分割性較強，頁巖沉積受相控明顯，特別是盆地構造回返較輕，頁巖主要發(fā)育在盆地深部位的沉降—沉積中心處[24]，頁巖沉積相與現(xiàn)今埋深之間存在著一定的對應關系。以渤海灣盆地（陸相斷陷）為例，從盆地基底向上，可分別形成河流或沼澤相頁巖、深湖—淺湖相頁巖及三角洲相頁巖，其分布受盆地的構造—沉積關系影響，各盆地不同沉積相的頁巖與埋深具有一定的對應性。由于不同沉積相的頁巖分別對應于各具特征的巖礦組成、有機質類型及豐度，故頁巖的基本屬性特征可據(jù)其對應的埋深進行大致預測。

深部頁巖地層溫度較高、地層壓力較大，促進了有機質的生烴轉化，總體有利于頁巖氣的生成（中新生代陸相），為頁巖氣的富集提供了基礎條件。由于后期構造改造及天然氣擴散等作用，頁巖氣的形成和富集主要與頁巖中有機質的現(xiàn)今生氣能力密切相關。對于古生代海相和海陸過渡相頁巖，由于時代老、經歷的埋深變化復雜，現(xiàn)今的頁巖主體上都達到了高—過成熟階段。在深層的溫度和壓力作用下，時間的延長有效地提高了有機質向天然氣的轉化程度，頁巖生烴能力增強。雖然部分頁巖進入了過成熟狀態(tài)，但由于瀝青的再演化生氣作用，經歷了高—過成熟演化的干酪根和干瀝青（古生代海相、海陸過渡相）也可以在特定的條件下成為有效的頁巖氣來源，仍然可以有相當部分具備較強的生氣能力，滿足了深層頁巖氣形成的生氣條件；而對于中新生代陸相盆地，潛質頁巖埋藏深度大多數(shù)都較淺，難以滿足頁巖氣富集所需要的生氣條件。在盆地沉降—沉積的中心部位，有機質熱演化程度隨埋深增加而升高，當進入生氣窗口時，頁巖的成巖作用進入了更深的階段，各種次生孔隙開始不斷形成，干酪根及其產物逐漸產生更多的天然氣，滿足了大規(guī)模頁巖氣形成的條件，故深層頁巖氣主要分布在盆地沉降—沉積中心部位。盡管受成巖作用的影響，頁巖的孔隙度和滲透率隨深度增加而趨于減小，導致頁巖儲層物性進一步變差[25]，但有機質的生烴作用產生的較高儲層壓力也部分抵消了上覆地層的機械壓實作用，同時還產生了新的有機孔和不同類型的裂縫，為深部頁巖儲層保持良好的含氣性提供了必要的前提條件。

表1 深層頁巖主要特征綜合對比表

由于水洗、溶解、氧化、微生物降解等作用的發(fā)生，不同地區(qū)的頁巖均存在著深度不等的“風化—氧化帶”，對頁巖氣保存產生了重要的影響。在古生代頁巖發(fā)育的構造復雜地區(qū)，構造運動期次多、時間長、破壞影響大，頁巖氣的富集程度主要取決于地質保存條件[4]。隨著深度的增加，風化—氧化作用逐漸減弱，頁巖有機質和其他易溶質盡可能地維持原始狀況，對頁巖氣保存條件的影響較小。在構造運動強烈的殘留區(qū)，頁巖地層埋藏淺、不同期次的斷裂發(fā)育程度強、風化—氧化作用不同程度地發(fā)生、黏土礦物含量明顯增加，頁巖氣保存條件相應較差。特別是在火山巖發(fā)育地區(qū)，印支運動以來的巖漿活動更加劇了頁巖地層的抬升、剝蝕及變質作用，頁巖氣消失殆盡；而在中新生代陸相盆地區(qū)，盆地構造回返作用弱、頁巖有機質成熟所對應的深度相對較大、風化—氧化作用難以企及，頁巖氣保存條件通常較好。隨著埋藏深度的增加，頁巖中的高嶺石、蒙脫石等礦物逐漸向伊利石等礦物轉化，儲層脆性增加[26]，有利于深層頁巖成巖裂縫的發(fā)育和儲層物性的改善。在構造回返較輕的盆地區(qū)，潛質頁巖埋藏深度普遍較大，保存條件良好，巖石各主要組成部分免受風化—氧化作用的影響，頁巖中的天然氣維持高壓狀態(tài)。

深層條件下，頁巖氣的生成、儲集、保存及各種含氣條件匹配良好，壓力的急劇增加促進了游離、吸附、溶解及總含氣量的增加，含氣量維持在總體較高的水平。盡管埋藏深度較大、地質條件更加復雜，但深層頁巖氣的成藏條件相對穩(wěn)定、頁巖生氣條件有保障、次生孔隙發(fā)育、構造破壞及風化—氧化作用影響較小、含氣量平均水平普遍較高（一般都超過1.5 m3/t[11]）。在深層條件下，頁巖含氣量主體呈現(xiàn)為單調增加的趨勢[27]，表明深層頁巖含氣量高、資源條件好、勘探潛力大。

2 中國深層頁巖氣資源分布

2.1 頁巖氣發(fā)育的區(qū)域地質背景

中國陸上主要由揚子、華北、塔里木等規(guī)模小、差異性大、活動性強的三大板塊所拼接構成。三大板塊自身穩(wěn)定性差、彼此相互影響，各自在控制構造演化、沉積相轉變及其對頁巖的形成和分布方面產生了較大的影響，形成了早期以海相、晚期以海陸過渡相為特點的板塊內潛質頁巖分布，使得中國不同時代和地區(qū)的頁巖分布特征存在著明顯的差異。印支運動以來，三大板塊拼貼融合在一起并統(tǒng)一受太平洋板塊、歐亞板塊、印度洋板塊的約束。在板塊之間形成了褶皺造山帶或局部沉降區(qū)，在統(tǒng)一的地質背景下，開始了以陸相為主的潛質頁巖發(fā)育新階段。三大板塊的長期演化，造就了潛質頁巖沉積的區(qū)域性和分布的差異性。在構造演化作用的控制下，中國頁巖氣及深層頁巖氣形成了南北分區(qū)、東西分帶的特征。

元古代以來，板塊構造運動對我國潛質頁巖的發(fā)育產生了重大的影響，也決定了頁巖及頁巖氣發(fā)育特征的南北差異。受構造演化的影響，我國早期存在著“南偏低北偏高、南偏海北偏陸”的沉積特征。三疊紀，印支運動引起板塊整體抬升，基本結束了南海北陸的構造格局。直至中新生代，受燕山運動的影響，中國北方開始逐漸沉降，使我國地形格局由“南低北高”轉變?yōu)椤澳细弑钡汀?，也決定了頁巖演化的南北差異。潛質頁巖分布具有從海相、海陸過渡相到陸相的變化特點和過程，在時代上大致對應為元古代—早古生代、晚古生代及中新生代，在空間上主要對應為南方（北方局部）、南北方及北方地區(qū)。在區(qū)域上形成了由南向北，從早古生代海相頁巖（揚子板塊、滇黔桂及其周緣等地區(qū)）到晚古生代海陸過渡相頁巖（揚子板塊、華北板塊等），再到中新生代陸相頁巖（鄂爾多斯、南華北、準噶爾、松遼等盆地）的徑向沉積變化特點。在我國南方地區(qū)，從四川盆地向南東方向，海相潛質頁巖的埋藏深度逐漸抬升，直至被巖漿巖所替代；在我國北方地區(qū)，由西向東也形成了有序的變化——從早古生代的西部海相、東部陸相頁巖分布，到晚古生代以西部陸相、東部海陸過渡相為特點的頁巖分布，地層時代由西向東遞次變新的中新生代頁巖分布，形成了明顯的東西向頁巖分布趨勢，契合了從前陸、克拉通到裂谷的盆地類型變化特征。

自長城紀（中元古代）以來，我國不同地區(qū)先后形成了16套不同時代的潛質頁巖。其中，中上元古界潛質頁巖主要形成于深?！獪\海陸棚、潮坪潟湖等環(huán)境。長城紀、薊縣紀和青白口紀的代表性巖性地層主要包括分布于京津冀遼地區(qū)的串嶺溝組、洪水莊組和下馬嶺組等地層中。該時期的潛質頁巖直至三疊紀末期才達到生油門限，至今也僅在少部分地區(qū)達到過成熟階段，而大部分地區(qū)則仍處于成油或凝析油—濕氣階段；震旦紀頁巖主要分布在揚子板塊及其周緣地區(qū)，代表性地層陡山沱組主要為一套淺?！獫暫囗搸r；早古生代是我國海相頁巖發(fā)育的鼎盛時期，代表性的層系為下寒武統(tǒng)和上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)，該兩套地層廣泛分布于揚子板塊、滇黔桂、塔里木板塊及及其周緣地區(qū)，目前已經連續(xù)在中淺層獲得了一系列頁巖氣發(fā)現(xiàn)和突破；海陸過渡相頁巖分布范圍廣，地層埋藏深度普遍較大，頁巖氣和致密砂巖氣富集條件良好，是我國深層頁巖氣勘探的有利方向。晚古生代時期主要形成海陸過渡相環(huán)境，三角洲和障壁海岸相沉積體系發(fā)育，在揚子、華北、塔里木等板塊及其邊緣地區(qū)大范圍形成了具有巖相復雜、巖性交錯、成分變化快的過渡相頁巖，目前在殘留區(qū)和各大主要盆地內均有頁巖氣分布。在華北板塊的上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組、揚子板塊的上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M地層中，頁巖、致密砂巖及煤系頻繁互層，是該時期重要的代表層系；中新生代以來，沉積環(huán)境轉變?yōu)橐苑指襞璧貫橹饕卣鞯年懴喹h(huán)境，湖相頁巖逐漸成為頁巖氣形成和發(fā)育的主體。與早古生代海相潛質頁巖廣泛分布于揚子板塊相對比，該時期大部分的頁巖均局限分布在盆地內，在除了四川、蘇北、江漢等少數(shù)盆地之外，湖相頁巖盆地主要集中在華北板塊和塔里木板塊，構成了特點顯著的南北向差異分布特征。進一步，在塔里木—華北板塊區(qū)，中新生代陸相盆地頁巖的發(fā)育有由西（三疊系、侏羅系）向東（侏羅系、白堊系及古近系），頁巖層系逐漸變新的趨勢，在北方形成了以陸相為特點、沉降—沉積中心不斷向東轉移變化的頁巖分布格局。

2.2 深層頁巖氣分布

研究中國陸上的頁巖氣，一般都劃分為南方、北方、西北、青藏等區(qū)域[28]：①南方區(qū)以古生代海相和海陸過渡相頁巖為主，雖然分布面積廣泛，但深度變化復雜，可進一步細分為揚子和東南2個二級區(qū)，從西向東，地層逐漸抬升、潛質頁巖埋藏深度漸次變小，深層潛質頁巖主要分布在四川（震旦系—志留系、二疊系—侏羅系等）、楚雄（二疊系、三疊系、侏羅系等）、南盤江（泥盆系、石炭系、二疊系等）、黔南桂中（泥盆系、石炭系、二疊系等）、江漢（震旦系—侏羅系、古近系等）等盆地區(qū)及其周緣地區(qū)；②北方地區(qū)潛質頁巖的分布受盆地影響作用明顯，分布范圍雖廣，但時代、巖相及巖性變化迅速，可進一步細分為華北和東北2個二級區(qū)，深層頁巖氣主要分布在鄂爾多斯（石炭系、二疊系、三疊系等）、南華北（石炭系、二疊系等）、渤海灣（白堊系、古近系、新近系等）、松遼（二疊系、侏羅系、白堊系等）、二連（二疊系、白堊系等）、海拉爾（二疊系、白堊系等）、沁水（石炭系、二疊系等）等盆地的沉降—沉積中心處；③西北地區(qū)的深層潛質頁巖分布時間跨度大、變化強、規(guī)律性不明顯，深層頁巖氣主要分布在塔里木（震旦系—寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系和侏羅系等）、準噶爾（石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系及古近系等）、柴達木（石炭系、侏羅系、新近系等）、吐哈（二疊系、三疊系、侏羅系等）等盆地中[29]，局限于沉降—沉積中心處。

需要特別說明的是，深層頁巖氣在垂向上可分布于各主要地質時代，在平面上可分布于不同的盆地區(qū)和殘留向斜區(qū)，分別形成了上揚子、西北、華北及東北等深層頁巖氣資源分布中心（圖2）。中元古代—晚古生代頁巖地層分布的殘留區(qū)可作為深層頁巖氣分布的重要領域，特別是殘留向斜區(qū)保留了良好的深層頁巖氣形成條件。除上述各主要盆地之外，不同時代所形成的中小型盆地盡管面積有限，但頁巖沉積厚度與埋藏深度則有可能較大，在盆地中心部位有可能形成有利的深層頁巖氣富集條件。

1）在塔里木板塊，潛質頁巖最早可見于震旦系—寒武系、奧陶系，在石炭系、二疊系、三疊系及侏羅系均有分布。盡管潛質頁巖形成時代早、埋藏深度大，但由于區(qū)域地溫梯度低，頁巖的有機質成熟作用受到不同程度地抑制，目前仍能為頁巖氣提供氣源。各盆地埋藏深度變化較大，不同盆地均可形成深層頁巖氣富集的有利條件。海相頁巖主要分布在塔里木盆地，深層頁巖氣發(fā)育地質條件良好，但埋藏深度普遍較大。石炭系、二疊系以及侏羅系等多套頁巖發(fā)育，累計厚度普遍大于300 m，有機質類型以混合型—腐殖型為主，有機碳含量（TOC）介于0.4%～6.0%，熱演化成熟度（Ro）介于1.2%～1.7%。頁巖主要分布在盆地腹部，埋藏深度普遍超過了4 000 m，頁巖含氣量普遍大于1.5 m3/t，頁巖氣勘探前景良好。

圖2 中國深層頁巖氣資源（青藏未預測）分布示意圖

2）在揚子板塊，以下寒武統(tǒng)、上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)、二疊系為代表的海相—海陸過渡相潛質頁巖大面積廣泛分布。其中下寒武統(tǒng)潛質頁巖累計厚度介于50～600 m，TOC介于0.5%～9.0%，Ro介于2.0%～4.0%，在四川盆地內部[30]（圖3）及部分殘留區(qū)，埋深超過3 000 m （3 500 m）的頁巖多有分布[31]，在有利地區(qū)可以形成條件良好的深層頁巖氣資源分布。上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)潛質頁巖最大厚度可逾120 m，其中優(yōu)質頁巖厚度可達30 m[4]，TOC平均為2.5%[32]，Ro介于2.0%～3.5%，處于高—過成熟演化階段[33]，平均孔隙度介于5%～6%[34]，地層壓力系數(shù)一般不小于1.55[35]，含氣量普遍大于3.0 m3/t。受控于沉積相的差異，下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖埋深普遍超過3 500 m，巴中—廣元一帶其最大埋深可逾5 500 m[4]。該套頁巖3 000 m（3 500 m）以深的分布范圍廣、厚度大，深層頁巖氣富集條件優(yōu)越，具有廣闊的勘探空間和良好的勘探前景。除此之外，在四川盆地內部還發(fā)育了埋藏深度較大的三疊系、侏羅系及古近系等潛質頁巖，它們作為主要的烴源巖目的層系已經形成了常規(guī)天然氣儲量，而在該盆地構造深部位則具備形成深層頁巖氣的有利地質條件。

圖3 四川盆地深層頁巖氣資源剖面分布圖

3）華北板塊擁有我國地質歷史最老的海相潛質頁巖，海相、海陸過渡相、陸相頁巖均有規(guī)模性發(fā)育。分布于京津冀遼地區(qū)的中上元古界發(fā)育了多套潛質頁巖，累計厚度超過600 m，TOC介于0.2%～20.0%。盡管時代老，但熱成熟度較低，已經在多口淺層鉆井中獲得了良好的原油、凝析油及天然氣發(fā)現(xiàn)。在遼寧南部地區(qū)，薊縣系洪水莊組潛質頁巖埋藏深度超過3 000 m，并在鉆井中發(fā)現(xiàn)了油氣顯示，預示了深層頁巖氣的資源前景。在南華北和鄂爾多斯盆地，石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組和上、下石盒子組，三疊系椿樹腰組等頁巖累計厚度超過260 m，其中山西組—太原組頁巖有機質以腐殖型為主，TOC介于1.7%～3.2%，Ro介于2.6%～3.5%，平均孔隙度為2.7%，在盆地內的埋藏深度（圖4）普遍大于3 000 m（3 500 m），含氣量介于0.2～5.5 m3/t且隨著深度增加而增大[36]，目前是該區(qū)深層頁巖氣勘探的主要目標層系。在鄂爾多斯盆地西緣，忠4井在奧陶系烏拉力克組泥質巖中已獲得4.16×104m3/d工業(yè)氣流[37]；渤海灣盆地的古近系主要發(fā)育了孔店組（二段）、沙河街組（四段、三段、一段）及東營組（圖5），潛質頁巖累計厚度接近1 000 m，TOC主要介于0.4%～10.5%，Ro介于0.35%～1.20%，含氣量為1.5～3.0 m3/t。深層頁巖氣主要分布在斷陷湖盆的沉降—沉積中心，雙興1井在4 000～5 000 m井段，泥頁巖TOC、Ro、現(xiàn)場解吸氣量均達到頁巖氣工業(yè)開采標準。評價得出，遼河坳陷西部凹陷沙三段深部頁巖氣資源量可達2 434×108m3、可采資源量為292×108m3[38]，表明深層頁巖氣資源前景可觀。

圖4 南華北盆地深層頁巖氣資源剖面分布圖

圖5 遼河西部凹陷深層頁巖氣資源剖面分布圖

2.3 深層頁巖氣資源潛力

2009—2012年間，原國土資源部組織相關單位對全國4個大區(qū)（不含青藏區(qū)）、41個盆地和地區(qū)、87個評價單元、57個含氣頁巖層進行了系統(tǒng)的頁巖氣有利區(qū)遴選及資源評價。評價結果（P50）：頁巖氣地質資源量為134.42×1012m3、其中可采資源量為25.08×1012m3。評價結果表明（表2），頁巖氣地質資源量和可采資源量隨埋藏深度增加而增加，3 000～4 500 m深層頁巖氣地質資源量和可采資源量（P50）分別為 54.62×1012m3和 9.86×1012m3，分別占對應頁巖氣總資源量的40.63%和39.31%，在各評價深度段內其資源占比為最高。

根據(jù)評價結果（表3），3 000～4 500 m深度的頁巖氣資源量主要分布在上揚子及滇黔桂區(qū)，地質資源量和可采資源量（P50）分別為29.22×1012m3和4.64×1012m3，各自占全國同深度頁巖氣總資源量的53.50%和47.06%；其次是分布在西北區(qū)，地質資源量和可采資源量（P50）分別為11.43×1012m3和2.10×1012m3，各自占全國同深度頁巖氣總資源量的20.93%和21.30%；在華北及東北區(qū)，地質資源量和可采資源量（P50）分別為8.28×1012m3和2.07×1012m3，各自占全國同深度頁巖氣總資源量的15.16%和20.99%；在中下?lián)P子及東南區(qū)，地質資源量和可采資源量（P50）分別為 5.69×1012m3和 1.05×1012m3，各自占全國同深度頁巖氣資源量的10.42%和10.65%。

表2 頁巖氣資源量隨埋藏深度分布變化表 單位：1012 m3

表3 中國埋深3 000～4 500 m頁巖氣資源量分布統(tǒng)計表 單位：1012 m3

2015年，原國土資源部組織實施了動態(tài)頁巖氣資源評價。結合新的勘探動態(tài)和認識進展，采用與2009—2012年頁巖氣資源評價相同的方法，通過對資源評價參數(shù)的修正，對原評價單元進行了重新評價，計算得出我國新的頁巖氣地質資源量和可采資源量結果（P50）分別為121.86×1012m3和21.86×1012m3。盡管地質資源量和可采資源量總的計算結果均略有降低，但上揚子及滇黔桂區(qū)的上述兩類頁巖氣資源量則均有所增加，增幅分別為14.76%和29.13%。

據(jù)統(tǒng)計，我國頁巖氣地質資源量為80.45×1012～144.5×1012m3，可采資源量為 11.5×1012～ 36.1×1012m3，其中3 500 m以深資源量占65%以上[39]。四川盆地是我國頁巖氣的主要產區(qū)，其中4 500 m以淺頁巖氣資源量為16.3×1012m3，3 500 m以深資源量為11.2×1012m3，占比達69%[40]，主要集中在川東南、川南以及川北等地區(qū)[41-42]。

基于以下假設條件：①以原國土資源部兩次（2012、2015年）頁巖氣資源評價結果為基礎，延續(xù)使用其評價依據(jù)和原則；②以近年來的勘探成果和認識為計算基礎，分析深層頁巖氣資源評價相關參數(shù)；③根據(jù)頁巖氣勘探發(fā)展和開發(fā)技術發(fā)展趨勢，將深層（含超深層）頁巖氣的深度計算范圍設定為3 000～6 000 m；④以不同深度的頁巖氣資源量分布為依據(jù)，采用趨勢分析法進行4 500～6 000 m頁巖氣資源量預測。筆者對中國深層頁巖氣資源潛力進行了討論，分述如下。

采用深度趨勢分析法可以對深層頁巖氣資源潛力進行預測計算。根據(jù)頁巖氣成藏機理和富集條件分析，在埋藏深度超過3 000 m（或3 500 m）的條件下，頁巖氣成藏條件優(yōu)越、含氣量逐漸增加、保障了頁巖氣資源量的分布。

以P50為基本參考，可以對不同深度的頁巖氣資源量進行條件擬合。根據(jù)趨勢分析計算，埋深介于4 500～6 000 m的頁巖氣地質資源量和可采資源量分別為61.10×1012m3（R2=0.99）和11.07×1012m3（R2=0.96）。與原計算的3 000～4 500 m資源量合并，可得埋深介于3 000～6 000 m的頁巖氣地質和可采資源量分別為115.72×1012m3和20.93×1012m3。

在上述資源量中，上揚子及滇黔桂區(qū)埋深介于4 500～6 000 m的頁巖氣地質資源量和可采資源量分 別 為 35.26×1012m3（R2=0.98） 和 5.60×1012m3（R2=0.98），故其埋深介于3 000～6 000 m的頁巖氣地質資源量和可采資源量分別為97.81×1012m3和15.54×1012m3。

3 中國深層頁巖氣勘探現(xiàn)狀與前景

3.1 深層頁巖氣勘探現(xiàn)狀

從全球的角度來看，早晚古生代海相和海陸過渡相深層潛質頁巖分布面積和體積規(guī)模都較大，頁巖氣富集條件穩(wěn)定，深層頁巖氣形成和分布條件良好，資源前景樂觀[43-44]。中新生代陸相深層潛質頁巖分布廣泛，生氣和儲集條件優(yōu)越，后期構造保存條件穩(wěn)定，孕育了數(shù)量可觀的頁巖氣資源。從美國頁巖氣發(fā)展歷史和趨勢看，深層頁巖氣正在成為新的勘探開發(fā)方向。

中國深層頁巖氣資源豐富，分布相對集中。根據(jù)地質條件綜合分析，深層頁巖氣將主要分布在以盆地為中心的有利區(qū)內。在上揚子及滇黔桂區(qū)，預測深層頁巖氣主要分布在四川盆地及其周緣，其次為黔中隆起、黔南桂中—南盤江等盆地及其周緣等地區(qū)；中下?lián)P子及東南區(qū)深層頁巖氣資源主要分布在江漢、蘇北等盆地及其周緣地區(qū)；華北及東北區(qū)的深層頁巖氣資源主要分布在鄂爾多斯盆地，其次為松遼、渤海灣、南華北等盆地及其周緣地區(qū)；西北區(qū)深層頁巖氣資源主要分布在塔里木、準噶爾、柴達木、吐哈等盆地及其周緣地區(qū)。這些深層頁巖氣資源大部分位于或鄰近已有的油氣資源分布區(qū)，勘探開發(fā)條件較為便利。

由于地質歷史漫長，潛質頁巖經歷了多期次構造運動，抬升剝蝕作用明顯，頁巖層系中的斷裂普遍發(fā)育[45-47]，隨深度變化的風化—氧化作用差異較大，頁巖氣形成后的保存條件差異明顯。當頁巖埋藏深度較大時，頁巖氣的保存條件相對較好，故深層頁巖氣主要分布在現(xiàn)今盆地或埋深較大的殘留向斜中。四川盆地及其周緣是深層頁巖氣資源分布的主要區(qū)域，其下志留統(tǒng)中淺層分布面積約為6.3×104km2，而深層分布面積則達12.8×104km2，深層（3 500 m以深）五峰組—龍馬溪組頁巖分布面積約是中淺層的2倍[48-49]。在川東南地區(qū)，中國石油化工集團有限公司（以下簡稱中石化）礦權區(qū)內僅埋深介于4 000～5 000 m的頁巖氣資源量就達到1.51×1012m3，比埋深介于1 500～4 000 m頁巖氣資源量的總和（1.15×1012m3）還要多[37]。在包括了焦石壩、南川、丁山、林灘場—懷仁、南天湖等5個區(qū)塊的川東南地區(qū)，埋深介于3 500～4 500 m有利區(qū)的面積為1.13×104km2，頁巖氣資源量達0.6×1012m3[37]；在包括了威遠、長寧、渝西和瀘州等4個區(qū)塊的川南地區(qū)，埋深介于3 500～4 000 m的頁巖面積為0.54×104km2、頁巖氣資源量達2.88×1012m3，埋深介于4 000～45 000 m的頁巖面積為0.98×104km2、頁巖氣資源量達5.40×1012m3[37,50]。

截至目前，已有多套頁巖層系通過水浸實驗、現(xiàn)場解析、錄井測井、試井分析等多種方式獲得了良好的深層頁巖氣顯示，部分層系已進入工業(yè)開發(fā)階段。

京津冀遼地區(qū)發(fā)育了我國最早的潛質頁巖（中上元古界），在冀北完成的承淺1井（2020年）從井深25 m處開始揭示了薊縣系洪水莊組良好的地層含油氣性，在遼西地區(qū)實施的楊1井（2012年）在3 000 m以深的洪水莊組見良好的頁巖氣顯示，表明深層的中上元古界地層頁巖氣資源條件和資源前景良好。

在揚子地區(qū)，位于重慶酉陽縣的渝科1井（2011年）在上震旦統(tǒng)陡山沱組見到了良好的頁巖氣顯示，揭示了該套地層的頁巖氣資源潛力；在湖北宜昌地區(qū)實施的秭地2井（2015年）在該套地層中獲得良好的頁巖氣現(xiàn)場解析效果，2017年鄂宜頁1井（井深2 332 m）獲得6.02×104m3/d、無阻流量12.38×104m3/d的高產頁巖氣流，2018年完鉆的鄂陽頁2井（井深5 200 m）更是獲得了5.53×104m3/d、無阻流量19.82×104m3/d的產氣效果，表明深層頁巖氣資源豐富；以下寒武統(tǒng)為頁巖氣目的層的岑頁1井（井深1 526 m）在黔北完鉆（2011年），錄井過程中在37 m厚的目的層中見6次氣測異常和4次后效顯示，全烴含量最大值為6.36%，經壓裂后實現(xiàn)了成功點火（2012年），該套目的層目前已鉆頁巖氣井40余口，在威遠—犍為和湖北宜昌地區(qū)有較大突破[51]。研究表明，由于保存條件變好，深層頁巖氣資源條件更加良好；2009年在重慶實施的渝頁1井在鉆厚達186.72 m的五峰組—龍馬溪組頁巖中開始連續(xù)見浸水氣泡和解吸氣，井段長37 m以上（頁巖段未鉆穿）。2012年中石化在位于重慶涪陵的焦頁1HF井五峰組—龍馬溪組頁巖鉆獲高產頁巖氣流，目前的五峰組—龍馬溪組累計探明頁巖氣地質儲量達7 926.41×108m3。繼中石化（涪陵頁巖氣田）和中國石油天然氣集團有限公司（以下簡稱中石油，長寧、威遠等頁巖氣田）分別在四川盆地建成儲量超過千億立方米級頁巖氣田后，2018年中石化又發(fā)現(xiàn)了威榮深層頁巖氣田，探明頁巖氣地質儲量1 247×108m3，實現(xiàn)了3 800 m深層頁巖氣的商業(yè)開發(fā)；中石油在重慶也獲得了深層頁巖氣突破，足202-H1井在井深3 925 m獲得頁巖氣測試日產量45.67×104m3，取得了五峰組—龍馬溪組深層頁巖氣勘探開發(fā)的突破。

我國近期的頁巖氣勘探突破主要集中在以四川盆地及其周緣為中心的古生代海相頁巖分布區(qū)，優(yōu)質頁巖分布穩(wěn)定、勘探有縱深、深層頁巖氣資源潛力大。四川盆地及其周緣頁巖氣勘探開發(fā)研究程度相對較高，目前已成功實施了一系列深層頁巖氣鉆井，包括足202-H1井（目的層埋深3 925 m）、普順1井（目的層埋深5 925～5 969 m）、丁頁2HF號（目的層垂深4 417 m）、陽201-H2井（目的層埋深3 520 m）、東頁深1井（目的層垂深4 259 m）、威117井（目的層埋深3 746 m）和威204H7-1井（目的層垂深3 600 m）等，不斷傳來令人鼓舞的好消息。五峰組—龍馬溪組頁巖是威榮地區(qū)有利的頁巖氣目的層系，其埋藏深度一般介于3 550～3 880 m[15]，整個威榮地區(qū)龍馬溪組埋深超過3 500 m的區(qū)域面積占龍馬溪組頁巖分布面積的82.1%[52]。

3.2 深層頁巖氣勘探前景

晚古生代以海陸過渡相為基本特色的潛質頁巖在中國有最大面積的分布，盡管具有“砂、泥、煤、灰”等巖性互層變化頻繁、有障壁和無障壁沉積巖相變化快、不穩(wěn)定成分及黏土含量偏高等特點，但分布面積廣、有機質目前普遍處于生氣狀態(tài)、在現(xiàn)今盆地及周緣埋藏深度普遍較大，是我國頁巖氣勘探下一個重要的領域。特別是，現(xiàn)今的含油氣盆地大多數(shù)都屬于疊合盆地，在其中新生代地層之下普遍可見海陸過渡相潛質頁巖，其埋藏普遍處于深層、超深層狀態(tài)，目前已有多口鉆井揭示了該套地層的頁巖氣資源潛力。在西北（準噶爾、吐哈等盆地及其鄰區(qū)）、華北（渤海灣盆地及其鄰區(qū)等）、東北（松遼、二連等盆地及其鄰區(qū)）及南方（蘭坪思茅—楚雄、四川、江漢、蘇北等盆地及其鄰區(qū)）地區(qū)的眾多中新生代盆地之下均有大面積分布的晚古生代潛質頁巖發(fā)育。在以上古生界為主要目的層的盆地（如南華北、沁水盆地等）中，頁巖埋藏深度大、生氣條件好、儲層孔縫發(fā)育、構造保存條件好，已經獲得了一系列的勘探突破。在南華北盆地的坳陷中，上古生界頁巖埋藏深度普遍較大，牟頁1、鄭西頁1等井均已獲得良好的勘探效果，在河南省開封地區(qū)完鉆的牟頁1井（2014年）完鉆井深為3 020 m，系統(tǒng)揭示了山西組—太原組頁巖氣地質條件并經壓裂實現(xiàn)了成功點火，深層有望成為頁巖氣勘探開發(fā)生產的主要目標。在下?lián)P子地區(qū)的宣城、廣德泗安、南陵等盆地及其鄰區(qū)，也獲得了良好的頁巖氣勘探效果，揭示了良好的深層頁巖氣發(fā)育條件。

中新生代盆地主要集中在北方地區(qū)，其中的潛質頁巖沉積相變快、單層厚度大、橫向發(fā)育不穩(wěn)定、不同巖性和巖相組合復雜。盡管盆地類型不同、大小不等，但在盆地沉降、沉積中心部位均發(fā)育有不同類型和規(guī)模的潛質頁巖，頁巖有機質類型多樣、豐度較高，通常處于成熟、高成熟生烴狀態(tài)。它們通常是盆地內常規(guī)油氣藏的重要組成部分。大量的常規(guī)油氣勘探資料已經證實了沉降—沉積中心深部位潛質頁巖地層的含氣性，鉆井資料也揭示了頁巖氣資源的存在，可以被視為優(yōu)質的深層頁巖氣資源。在鄂爾多斯盆地，針對陸相頁巖氣的柳坪177井（2011年）在陜西省延安市甘泉縣完鉆，并經壓裂后產氣，揭示了中國陸相頁巖氣的存在和發(fā)育。在渤海灣、松遼等斷陷盆地區(qū)，盆地早期所形成的河流、沼澤及湖相潛質頁巖廣泛存在于斷陷中心部位，雖然埋藏深度較大，但頁巖成巖作用強、有機質成熟度高、頁巖儲層孔隙發(fā)育、封閉保存條件優(yōu)良、含氣量高，是老油氣區(qū)增儲上產、重現(xiàn)輝煌的基本方向。在前陸和克拉通等其他類型盆地區(qū)，優(yōu)質深層潛質頁巖同樣發(fā)育，并具有優(yōu)越的頁巖氣富集條件，同樣值得高度重視。特別值得注意的是，圍繞大中型盆地發(fā)育的中小型盆地群，也是頁巖氣（深層頁巖氣）發(fā)育的重要場所，盡管其規(guī)模較小、盆地結構復雜、巖性沉積多變，但其中的煤系潛質頁巖發(fā)育，部分形成了良好的湖相頁巖，頁巖氣生成及構造保存條件良好，在諸如阜新、宣東等一系列盆地中已獲得了良好的頁巖氣發(fā)現(xiàn)，其中的深層值得高度重視，盡管其分布面積相對有限，但頁巖埋藏深度則有可能較大，仍然具備深層頁巖氣形成的條件。

3.3 深層頁巖氣勘探建議

中國深層頁巖氣資源量可觀、發(fā)育廣泛、分布集中，多發(fā)育在盆地內及其周緣地區(qū)，具有良好的資源前景及重大的勘探意義，是我國頁巖氣行業(yè)發(fā)展的基本方向。盡管深層頁巖氣資源量豐富，但對相關成藏機理及分布預測等問題的研究目前還非常薄弱。

1）在深層條件下，頁巖的有機質熱演化程度相對更高。南方海相古生界頁巖有機質成熟度普遍偏高，當埋藏深度增大時，頁巖有機質的成熟作用趨于更高。北方中新生代陸相頁巖有機質成熟度普遍偏低，深層頁巖氣作為勘探開發(fā)評價目標的條件下限，如厚度下限、埋深上限等預測評價參數(shù)難以確定。

2）在深層條件下，頁巖的成巖作用更強。較之于中淺層，深層頁巖的儲層成巖作用、孔隙與裂縫類型、孔隙結構、儲集物性、地層壓力等過程和參數(shù)更為復雜。對于深層頁巖氣，儲層物性、地層壓力分布、儲層含氣量等參數(shù)的準確預測更加困難；同時，多參數(shù)敏感性及其評級參數(shù)標準也需要進一步系統(tǒng)研究。

3）在深層條件下，頁巖的含氣性變化更加復雜。盡管深層頁巖氣的保存條件趨于變好，但深層頁巖儲層物性趨于更差、地層溫度和壓力逐漸升高，甲烷吸附漸趨飽和，游離氣和吸附氣含量變化復雜，頁巖含氣量和含氣結構的測試、分析及預測更加困難。

4）深層頁巖氣的開發(fā)需要集中力量、加大力度。及時深入系統(tǒng)地開展深層頁巖氣富集理論與勘探開發(fā)技術研究，在深層頁巖氣成藏條件、富集機理、主控因素、發(fā)育模式、分布預測、產能評價及開發(fā)工程技術等方面為生產實踐提供依據(jù)。

5）對于深層頁巖氣的勘探開發(fā)，需要更高的技術水平和標準要求。在地質技術方面，需要系統(tǒng)解決儲層評價、含氣性評價、資源評價及經濟評價等一系列技術問題；在開發(fā)技術方面，需要重點解決高溫高壓鉆進、深層儲層改造工程、深井完井、提高采收率等一系列工程難題。針對深層頁巖氣勘探開發(fā)地質技術的特殊性，建議加強地質—工程—經濟一體化高效運行技術研究，進一步實現(xiàn)勘探開發(fā)一體化、深淺層頁巖氣地質技術一體化、多種復雜類型頁巖氣開發(fā)技術一體化，綜合提高深層頁巖氣系統(tǒng)開發(fā)技術能力和水平；大數(shù)據(jù)、信息深度挖掘、機器學習、智能評價等人工智能技術發(fā)展迅猛，已在其他領域獲得了廣泛的推廣和應用。深層頁巖氣勘探評價難度大、開發(fā)技術水平要求高、傳統(tǒng)評價方法和技術的使用將受到嚴重制約，因而傳統(tǒng)的評價與應用技術向智能化的逐步轉變，是深層頁巖氣勘探開發(fā)發(fā)展的主流方向，也是降本增效的主要途徑和手段。

6）頁巖氣是國家油氣能源發(fā)展的重要戰(zhàn)略方向，深層頁巖氣更是其中的重要領域，為了加快推進深層頁巖氣勘探開發(fā)的技術與產業(yè)發(fā)展，需要構建更加有針對性的運行環(huán)境。建議總結頁巖氣鼓勵政策及運行成效，有針對性地營造深層頁巖氣勘探開發(fā)及產業(yè)發(fā)展的有利政策氛圍，以快速推進我國深層頁巖氣產業(yè)順利發(fā)展。

4 結論

1）自中元古代以來，我國先后在16套層系中發(fā)育了不同類型的潛質頁巖，它們均有形成深層頁巖氣的地質基礎條件，形成了南方以下古生界海相為主、北方以中新生界陸相為主且受東中西部盆地類型約束、晚古生代海陸過渡相南北均有發(fā)育的頁巖氣分布格局。深層頁巖氣的發(fā)育和分布在揚子、華北及塔里木板塊各有差異，具有南北分區(qū)、東西分帶的特點。

2）我國深層頁巖氣資源豐富。以全國頁巖氣資源評價結果為基礎，采用限定條件下的深度趨勢分析法，預測我國埋深介于4 500～6 000 m深層頁巖氣地質資源量和可采資源量（P50）分別為61.10×1012m3和11.07×1012m3，故埋深介于3 000～6 000 m頁巖氣地質資源量和可采資源量分別為115.72×1012m3和 20.93×1012m3。

3）我國深層頁巖氣資源前景良好，規(guī)模性的深層頁巖氣主要分布在大中型盆地及其周緣地區(qū)，四川盆地及其周緣是深層頁巖氣資源分布和勘探重要的現(xiàn)實領域。在大中型盆地中，盆地沉降—沉積中心方向的深層頁巖氣形成與富集地質條件優(yōu)越。其中，在疊合盆地中，油氣主要目的層系下伏的上古生界地層是深層頁巖氣資源分布的重要領域。在中小型盆地中，也有望獲得深層頁巖氣勘探開發(fā)突破。

4）針對中國深層頁巖氣勘探研究薄弱的現(xiàn)狀，建議開展成藏富集理論、勘探開發(fā)技術及政策環(huán)境系統(tǒng)研究，以加快我國深層頁巖氣勘探開發(fā)的步伐。