頁岩氣地理

A. 地理角度頁岩氣怎樣形成

頁岩氣形成一般為兩個方面：熱裂解成因氣（自然生成）以及生物成因氣。

1、熱裂解成因氣（自然生成）

①乾酪根分解成氣體和瀝青；②瀝青分解成油和氣體（步驟1和步驟2為初次裂解）；③油分解成氣體、高含碳量的焦炭或者瀝青殘余物（二次裂解）。

2、生物成因氣

在成岩的生物化學階段直接由細菌降解而成的氣體，也有氣藏經後期改造而成的生物氣。如美國密歇根盆地的Antrim頁岩氣是乾酪根成熟過程中所產生的熱降解氣和產甲烷菌新陳代謝活動中所產生的生物成因氣。

B. 中國的頁岩氣主要分布在哪幾個城市

中國許多盆地發育有多套煤系及暗色泥、頁岩地層，互層分布大套的緻密砂岩存在根緣氣、頁岩氣發育有利條件，不同規模的天然氣發現，尚未在大面積區域內實現天然氣勘探的進一步突破。資料顯示，中國南方海相頁岩地層可能是頁岩氣的主要富集地區。
除此之外，松遼、鄂爾多斯、吐哈、准噶爾等陸相沉積盆地的頁岩地層也有頁岩氣富集的基礎和條件。重慶綦江、萬盛、南川、武隆、彭水、酉陽、秀山和巫溪等區縣是頁岩氣資源最有利的成礦區帶，因此被確定為首批實地勘查工作目標區。

頁岩氣是蘊藏於頁岩層可供開採的天然氣資源，中國的頁岩氣可采儲量較大。
頁岩氣的形成和富集有著自身獨特的特點，往往分布在盆地內厚度較大、分布廣的頁岩烴源岩地層中。較常規天然氣相比，頁岩氣開發具有開采壽命長和生產周期長的優點，大部分產氣頁岩分布范圍廣、厚度大，且普遍含氣，這使得頁岩氣井能夠長期地以穩定的速率產氣。
頁岩氣是指賦存於富有機質泥頁岩及其夾層中，以吸附和游離狀態為主要存在方式的非常規天然氣，成分以甲烷為主，是一種清潔、高效的能源資源和化工原料，主要用於居民燃氣、城市供熱、發電、汽車燃料和化工生產等，用途廣泛。頁岩氣生產過程中一般無需排水，生產周期長，一般為30年～50年，勘探開發成功率高，具有較高的工業經濟價值。我國頁岩氣資源潛力大，初步估計我國頁岩氣可采資源量在36.1萬億立方米，與常規天然氣相當，略少於淺煤層氣地質資源量的約36.8萬億立方米。

C. 頁岩氣及其特點

頁岩氣是指賦存於富有機質頁岩及其夾層中，以吸附和游離狀態為主要賦存方式的非常規天然氣，是一種清潔、高效的能源資源。與其他類型天然氣藏相比，頁岩氣具有如下顯著特點：

1）頁岩氣主要分布於富有機質泥頁岩地層中，由地層中有機質熱演化形成，具有自生、自儲、自保的成藏特徵。我國富有機質頁岩層系分布廣泛，類型多樣。其中海相富有機質頁岩主要形成於下寒武統、上奧陶統－下志留統和泥盆系，頁岩沉積厚度大、分布廣，在揚子地區、塔里木地區等廣泛分布；湖相富有機質頁岩主要形成於二疊系、侏羅系、白堊系和古近系，在我國含油氣盆地中廣泛存在；海陸過渡相泥頁岩層系主要形成於石炭—二疊系，在華北、滇黔桂等地廣泛分布。

2）烴類氣體在頁岩中有多種賦存方式，包括吸附、游離和溶解，但以吸附和游離賦存方式為主。其中吸附氣含量隨著埋藏深度的增加而增加，變化梯度由快變慢，從 2000m 開始，增加速率明顯降低；在 1500 ～ 2500m 深度范圍內，吸附氣和游離氣各占 50% 左右。吸附相的存在，使其明顯區別於常規氣和緻密氣；游離相的存在，使其又有別於煤層氣。

3）頁岩儲層基質孔隙度一般小於 10%；孔隙類型包括粒間孔、粒內孔、有機質孔隙和微裂隙等。其中，有機質演化形成的孔隙對儲集空間有明顯的貢獻，一般達到 25% 以上。頁岩滲透率一般極低，如果天然裂縫不發育，頁岩氣無法則自行流動，不能形成自然產能。

4）頁岩氣主要受富有機質頁岩分布控制，而常規油氣的分布則主要受烴源岩和圈閉的控制。

5）與煤層氣相比，頁岩氣生產過程中無需排水，生產周期長，一般 30 ～ 50 年，勘探開發成功率高，具有較高的工業經濟價值。

6）頁岩氣的開發程度依賴於技術進步，主要受頁岩層系水平井鑽完井技術和水平井分段壓裂技術等影響。頁岩層系水平井技術關鍵是按最優方向准確鑽遇目地層並保持井眼完整。水平井分段壓裂技術的關鍵是實現頁岩層系的體積壓裂，這種壓裂要求盡量在頁岩層系中形成網狀裂縫，增加泄氣面積。這與常規油氣儲層改造中要求盡量造長縫的理念完全不同，具體壓裂的技術細節差別較大。

D. 最容易發現頁岩氣的地形是什麼地形

頁岩氣賦存於以富有機質頁岩為主的儲集岩系中的非常規天然氣。是連續生成的生物化學成因氣、熱成因氣或二者的混合，可以游離態存在於天然裂縫和孔隙中，以吸附態存在於乾酪根、黏土顆粒表面，還有極少量以溶解狀態儲存於乾酪根和瀝青質中，游離氣比例一般在20%～85%。

E. 中國頁岩氣主要分布在哪些地區

按省(區、市)統計，全國頁岩氣資源主要分布在四川省、新疆吾爾族自治區、重慶市、貴州省、湖北省、湖南省、陝西省等，這個省(區、市)佔全國頁岩氣總資源的68.87%。全國共優選出頁岩氣有利區180個，累計面積為111.49x 104km2因部分地區不同層系有利區在垂向上的重疊，有利區疊合面積為66.93 x 104km2。其中，上揚子及滇黔桂區有利區累計面積62.42 x 104km2，佔全國總量56%；中下揚子及東南區累計面積為17.44X 104km2，佔16%；華北及東北區累計面積27.01 x 104km2，佔全國總量24%；西北區累計面積4.62 x 104km2，佔全國總量4%。

按照頁岩氣顯示情況對有利區進行了分類。I類有利區11個，面積10.18 X 104km2; II類有利區89個，面積80.90x 104km2；III類有利區80個，面積20.39x X 104km2。

在我國陸域共劃分出頁岩氣規劃區36個，面積150.05x104km2。其中，油氣礦業權區塊外35.34x104km2，佔23.55%，其餘均在油氣礦權區塊內。其中，上揚子及湛黔桂區8個，面積為55.72x104km2；中下揚子及東南區8個，面積為38.57x 104km2；華北及東北區10個，面積為32.47 x104km2；西北區10個，面積為23.71 x104km2。
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F. 頁岩氣形成與分布

按天然氣有機成因理論，任何富有機質頁岩在適當的地質條件下都能形成頁岩氣藏。對液態烴而言，有機質沉積後，在成岩作用的中後期才逐漸生成液態烴，而天然氣則在整個演化過程中都有生成。一般早期生氣量較少，隨著埋藏深度和時間的增加，生氣量不斷增加。有機質演化進入生氣窗後，生氣量劇增，是形成商業價值頁岩氣藏的主要階段。勘探開發實踐證明，頁岩氣的形成具有嚴格的地質地球化學條件。依據富有機質頁岩生烴能力、排烴有效厚度及頁岩氣勘探開發要求，普遍認為形成商業價值頁岩氣需具有「五高」特徵，即高有機質豐度(TOC＞2.0%)、高熱演化程度(R_o大於2.0%～2.5%)、高石英含量、高脆性(易於水力壓裂人工造縫，脆度＞80)和高吸附氣含量。值得注意的是，一般海相富有機質頁岩的最基本礦物成分是沉積成因的自生石英，石英、長石、方解石等礦物含量＞50%，粘土礦物如高嶺石、蒙脫石等含量並不高，總的脆度較高;而陸相富有機質頁岩粘土礦物含量則相對較高，石英等脆性礦物含量低，頁岩脆度也較低。

一、有機質豐度

總有機碳含量是衡量岩石有機質豐度的重要指標和頁岩氣形成的基礎。有經濟開采價值的頁岩氣遠景區帶的頁岩必須富含有機質，以生成足夠的天然氣。頁岩中吸附氣量一般與有機碳含量呈正比，較高有機碳含量的頁岩地層通常具較高的含氣性和頁岩氣資源。有機碳含量是決定頁岩含氣性和資源前景的重要指標，富有機質頁岩成為有利頁岩氣遠景區帶的最低總有機碳含量為2.0%～3.0%。表5-4中美國產氣頁岩的TOC含量為0.45%～25%，含氣量為0.4～9.91m³/t。

對中國上揚子地區寒武系筇竹寺組、志留系龍馬溪組黑色頁岩的有機碳含量分析結果見表5-7。從表中可知，寒武系筇竹寺組頁岩有機碳含量為0.01%～22.15%，平均有機碳含量為1.49%～5.15%，有機碳含量＞4%的富集段位於地層的中下部—底部，富集段所佔比例為20%～40%;志留系龍馬溪組黑色頁岩有機碳含量為0.06%～9.84%，平均有機碳含量為1.88%～4.36%，有機碳含量＞4%的富集段位於地層的中下部—底部，富集段所佔比例為30%～45%。目前岩石中的有機碳含量是歷經有機質演化生烴與地表氧化風化作用後的殘余有機碳，實際原始總有機碳含量更豐富，按殘余有機碳與原始總有機碳之間的經驗比值1∶1.16～1∶1.22預測(張愛雲等，1987)，寒武系筇竹寺組黑色頁岩總有機碳含量平均為1.8%～5.4%，志留系龍馬溪組黑色頁岩總有機碳含量平均為2.24%～5.19%。由此推斷，中國上揚子地區寒武系筇竹寺組、志留系龍馬溪組黑色頁岩具備形成有利頁岩氣遠景區帶所要求的最低總有機碳含量，陸相含煤地層中的高炭質頁岩有機碳含量更高。

表5-7 中國上揚子區下古生界有機碳含量統計

二、有機質類型

盡管總有機碳含量和成熟度是決定源岩生氣潛力的關鍵因素，但普遍認為富氫有機質主要生油，氫含量較低的有機質以生氣為主(圖5-14)，且不同乾酪根、不同演化階段生氣量有較大變化。因此，在確定頁岩氣有利遠景區帶時，有機質類型研究仍必不可少。海洋或湖泊環境下形成的有機質(Ⅰ型和Ⅱ型)易於生油，隨熱演化程度增加，原油裂解成氣;陸相環境下形成的有機質(Ⅲ型)主要生氣，中間混合型(尤其是Ⅱ型和Ⅲ型)在海相頁岩中最為普遍，產氣潛力大。值得注意的是，當熱演化程度較高時，所有類型有機質都能生成大量天然氣。圖5-14(《頁岩氣地質與勘探開發實踐叢書》編委會，2009)同時反映了有機碳含量與殘餘生烴潛量間的關系，總有機碳含量愈高，產氣潛力愈大。北美產氣頁岩有機質類型主要為Ⅱ型，中國古生界海相頁岩有機質類型為Ⅰ—Ⅱ型、中新生代陸相頁岩有機質類型為Ⅱ—Ⅲ型、石炭-二疊系與三疊-侏羅系煤系炭質頁岩有機質類型為Ⅲ型(表5-8)(鄒才能等，2010a)，均可有較好的產氣潛力，成為形成頁岩氣的有利領域。

圖5-14 北美產氣頁岩總有機碳含量-殘餘生烴潛量關系

表5-8 中國3類頁岩有機地球化學參數

三、有機質成熟度

成熟度是確定有機質生油、生氣或有機質向烴類轉化程度的關鍵指標。通常成熟度指標R_o≥1.0%為生油高峰，R_o≥1.3%為生氣階段。表5-4統計的北美產氣頁岩成熟度R_o為0.4%～4.0%，表明有機質向烴類轉化的整個過程中都可以形成頁岩氣，即頁岩氣的成因可以是有機質生物降解、乾酪根熱降解、原油熱裂解以及它們的混合成因。但從頁岩含氣量與產量參數對比看，有機質成熟度低，頁岩含氣量低、產氣量小，成熟度越高，含氣量、產氣量越大，說明頁岩氣以乾酪根熱降解、原油熱裂解等熱成因為主。Daniel M.Jarvie等(2007)的研究認為，有利頁岩氣遠景區應在熱生氣窗內，成熟度R_o為1.1%～3.5%(Daniel， et al.，2008)。由於乾酪根和原油熱裂解生氣量大幅度增加，高成熟頁岩氣產區單井產量可以大幅增加。中國古生界海相頁岩成熟度普遍較高(表5-8)，R_o一般為2.0%～4.0%，處於高—過成熟、生干氣為主階段;而中新生界陸相頁岩成熟度普遍偏低，成熟度R_o一般為0.8%～1.2%，處於成熟—高成熟、以生油為主階段，兼生氣。澳大利亞Be et aloo盆地鑽井揭示的全球最老地層(約14億年)熱演化成熟度最高，在元古宇發現了頁岩氣，平均有機碳含量為4%，R_o=3.49%，頁岩氣資源約5600×10⁸m³。

四、有效頁岩厚度

與常規油氣形成一樣，形成商業性頁岩氣，頁岩有效厚度需要達到一定界限，以保證有足夠的有機質及充足的儲集空間。有效頁岩是指總有機碳含量＞2%、處於熱成熟生氣窗內、石英等脆性礦物含量＞40%與粘土礦物含量＜30%、充氣孔隙度＞2%與滲透率＞0.0001×10^-3μm²的頁岩。經證實，有效頁岩厚度大於30～50m(有效頁岩連續發育時＞30m即可，有效頁岩斷續發育或TOC含量低於2%時，累計厚度需＞50m)時足以滿足商業開發要求。有效頁岩厚度愈大，尤其是連續有效厚度愈大，有機質總量愈大，天然氣生成量愈多，頁岩氣富集程度越高。北美頁岩氣富集區內有效頁岩厚度最小為6m(Fayetteville)，最厚高達304m(Marcellus)，頁岩氣核心產區厚度都在30m以上(表5-4)。中國上揚子區寒武系筇竹寺組與志留系龍馬溪組黑色頁岩中TOC含量＞2.0%的富有機質頁岩厚度為80～180m，其分布受深水陸棚沉積相帶控制，川南、黔北和川東北3個地區富有機質頁岩最發育。

五、含氣性

含氣量是衡量頁岩氣是否具經濟開采價值和資源潛力評價的重要指標，頁岩含氣量包括游離氣、吸附氣及溶解氣等。哈里伯頓(2010)認為具商業開發遠景區的頁岩含氣量最低為2.8m³/t_頁岩，目前北美商業開發的頁岩含氣量最低約1.1m³/t_頁岩，最高達9.91m³/t_頁岩。實測發現，四川盆地寒武系筇竹寺組黑色頁岩含氣量為1.17～6.02m³/t，平均為1.9m³/t;龍馬溪組黑色頁岩含氣量為1.73～5.1m³/t，平均為2.8m³/t，與北美產氣頁岩的含氣量相比，均達到了商業性頁岩氣開發的下限，具備商業性開發價值。

六、礦物組成

一般頁岩具有高含量的粘土礦物，但暗色富有機質頁岩的粘土礦物含量通常較低。頁岩氣勘探必須尋找能夠壓裂成縫的頁岩，即頁岩的粘土礦物含量足夠低(＜50%)、脆性礦物含量豐富，使其易於成功壓裂。脆性礦物含量是影響頁岩基質孔隙和微裂縫發育程度、含氣性及壓裂改造方式等的重要因素。岩石礦物組成對頁岩氣後期開發至關重要，具備商業性開發價值的頁岩，一般脆性礦物含量要高於40%，粘土礦物含量小於30%(圖5-15)(《頁岩氣地質與勘探開發實踐叢書》編委會，2009)。

七、孔滲特徵與微裂縫

岩石孔隙是儲存油氣的重要空間，孔隙度是確定游離氣含量的主要參數。根據資料(鄒才能等，2010a，2010b;《頁岩氣地質與勘探開發實踐叢書》編委會，2009)，有平均50%左右的頁岩氣存儲在頁岩基質孔隙中。頁岩儲層為特低孔、滲儲集層，以發育多種類型微孔為特徵，包括顆粒間微孔、粘土片間微孔、顆粒溶孔、溶蝕雜基內孔、粒內溶蝕孔及有機質孔等。孔隙＜2μm，比表面積大，結構復雜，豐富的內表面積可以通過吸附方式儲存大量氣體(King，1994)。一般頁岩的基質孔隙度為0.5%～6%，眾數多為2%～4%。

裂縫的發育可以為頁岩氣提供充足的儲集空間，也可為頁岩氣提供運移通道，更能有效提高頁岩氣產量(John，2002)。中國海相頁岩、海陸交互相炭質頁岩和湖相頁岩均具有較好的脆性特徵，無論是野外地質剖面還是井下岩心觀察，均發現其發育較多的裂縫系統。

G. 中國頁岩氣地質特點

在從元古宙到第四紀的地質時期內，中國連續形成了從海相、海陸過渡相到陸相等多種沉積環境下的多套富有機質頁岩層系，形成了多種類型的有機質，但由於後期構造變動復雜，有機質生氣、含氣及保存條件差異較大，形成了中國頁岩氣的多樣性，主要表現在以下四個特點。

（1）海相、海陸過渡、陸相頁岩均有發育，頁岩地層組合各有特點

中國在不同地質時代形成了海相、海陸過渡相及陸相地層，其中包含了十餘套富含有機質頁岩層系，其地層組合特徵各不相同。海相頁岩多為厚層狀，分布廣泛且穩定，可夾海相砂質岩、碳酸鹽岩等；海陸過渡相頁岩分布范圍廣，相對穩定的富有機質頁岩常與砂岩、煤層等其他岩性頻繁互層；陸相頁岩主要表現為巨厚的泥岩層系，泥頁岩與砂質薄層韻律發育，累計厚度大、平面分布局限，側向變化快。地層組合特點決定了頁岩氣地質條件的巨大差別。

（2）古生界、中生界、新生界多層系分布頁岩，含氣特點各有不同

中國下古生界寒武系、奧陶系、志留系，上古生界泥盆系、石炭系、二疊系，中生界三疊系、侏羅系和白堊系，新生界古近系均發育多套富有機質頁岩層系。從全國范圍來看，頁岩層系平面分布廣、剖面層位多。由新到老，雖然有機質成熟度依次增加，但各層系頁岩成岩作用逐漸加強，原生游離含氣空間遞次消亡，導致各層系頁岩含氣特點各有不同。在含氣特點方面，總體表現為吸附氣相對含量依次增加。在相同保存條件下，下古生界頁岩吸附氣含量相對最多，上古生界游離氣相對含量增加，中新生界則可能由於成熟度原因形成頁岩油氣共生現象，溶解氣含量相對最大。

（3）沉降區、穩定區、抬隆區構造變動復雜，頁岩氣保存條件迥異

在中國，頁岩氣比常規油氣分布更為廣泛。在華北、東北、西北及南方部分沉降區由於上覆地層較厚，頁岩氣保存條件良好；在鄂爾多斯盆地及川西凹陷等穩定區，埋藏條件相對適中，保存條件較好，是頁岩氣發育的最有潛力區域；在上揚子、下揚子等構造運動復雜的後期台隆區，雖然頁岩有機地球化學等條件有利，但地層普遍遭受抬升及後期剝蝕，保存條件受到嚴重影響，導致地層總含氣量普遍降低。

（4）生物、熱解、裂解成因類型多樣，頁岩氣評價方法和選區標准各異

不同大地構造背景決定了沉積相變化較大，分別形成不同類型的有機質，對應產生不同的頁岩氣生成條件及含氣特點，在統一的工業含氣性標准條件下，對生物、熱解、裂解等不同成因類型的頁岩氣需要分別採取有針對性的資源評價方法及有利選區標准。在海相條件下，具有偏生油特點的沉積有機質需要相對較高的熱演化程度，評價方法和選區標准可參考美國東部地區頁岩氣。在陸相條件下，三種類型乾酪根均有不同程度的發育，在熱演化程度較低時，表現為頁岩油氣共生，含氣量變化同時受控於有機質類型、熱演化程度、埋深及保存等多重因素，評價方法和標准需要針對不同沉積盆地進行有側重的研究。

H. 頁岩氣基本地質條件

Fort Worth盆地是一個含油氣盆地，經過多年勘探開發，發現了多套油氣儲層（圖2-4）。Barnett頁岩屬於密西西比系，為盆地的主力烴源岩層系，分為Barnett層和Barnett層。其中Barnett下層厚度較大，Barnett上層厚度較小（圖2-5）。盆地中頁岩氣有利區面積約13000km²；頁岩氣開發深度在2000m至3600m左右；有機碳含量平均值為4.5%，孔隙度在4%～5%之間，含氣量約為8.5～10m³/t。地質資源量92606×10⁸m³，水平井平均日產量約為2×10⁴m³。

圖2-4 Fort Worth盆地地層結構和主要油氣儲層分布（據ScottL,2005）

Barnett頁岩的厚度在盆地西南部較薄，在30m左右，向東北部變厚，最厚達到200m以上，熱演化程度（R_o）在0.5%～1.7%之間，頁岩氣產區的熱演化程度（R_o）在1.1%～1.7%之間，分布范圍主要在盆地東北部的深埋區內，埋藏深度為1200～2100m（圖2-6）。

圖2-5 Barnett頁岩橫向變化規律（據RobertG.Loucks,2007）

圖 2-6 Fort Worth 盆地 Barnett 頁岩關鍵地質參數平面圖（據 Pollastro, 2004; Montgomery, 2005）

I. 中國頁岩氣主要分布在哪些地區

中國主要盆地和地區的頁岩氣資源量約為(21.45)×1012 m3 ,中值為
30.7×1012 m3.
•古生界頁岩氣資源量是中生界的2倍,平面分布以南方和西北地區為主,
四川盆地、鄂爾多斯盆地的古生界等是頁岩氣勘探的主要層系..