页岩气地理

A. 地理角度页岩气怎样形成

页岩气形成一般为两个方面：热裂解成因气（自然生成）以及生物成因气。

1、热裂解成因气（自然生成）

①干酪根分解成气体和沥青；②沥青分解成油和气体（步骤1和步骤2为初次裂解）；③油分解成气体、高含碳量的焦炭或者沥青残余物（二次裂解）。

2、生物成因气

在成岩的生物化学阶段直接由细菌降解而成的气体，也有气藏经后期改造而成的生物气。如美国密歇根盆地的Antrim页岩气是干酪根成熟过程中所产生的热降解气和产甲烷菌新陈代谢活动中所产生的生物成因气。

B. 中国的页岩气主要分布在哪几个城市

中国许多盆地发育有多套煤系及暗色泥、页岩地层，互层分布大套的致密砂岩存在根缘气、页岩气发育有利条件，不同规模的天然气发现，尚未在大面积区域内实现天然气勘探的进一步突破。资料显示，中国南方海相页岩地层可能是页岩气的主要富集地区。
除此之外，松辽、鄂尔多斯、吐哈、准噶尔等陆相沉积盆地的页岩地层也有页岩气富集的基础和条件。重庆綦江、万盛、南川、武隆、彭水、酉阳、秀山和巫溪等区县是页岩气资源最有利的成矿区带，因此被确定为首批实地勘查工作目标区。

页岩气是蕴藏于页岩层可供开采的天然气资源，中国的页岩气可采储量较大。
页岩气的形成和富集有着自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。较常规天然气相比，页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点，大部分产气页岩分布范围广、厚度大，且普遍含气，这使得页岩气井能够长期地以稳定的速率产气。
页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源和化工原料，主要用于居民燃气、城市供热、发电、汽车燃料和化工生产等，用途广泛。页岩气生产过程中一般无需排水，生产周期长，一般为30年～50年，勘探开发成功率高，具有较高的工业经济价值。我国页岩气资源潜力大，初步估计我国页岩气可采资源量在36.1万亿立方米，与常规天然气相当，略少于浅煤层气地质资源量的约36.8万亿立方米。

C. 页岩气及其特点

页岩气是指赋存于富有机质页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要赋存方式的非常规天然气，是一种清洁、高效的能源资源。与其他类型天然气藏相比，页岩气具有如下显著特点：

1）页岩气主要分布于富有机质泥页岩地层中，由地层中有机质热演化形成，具有自生、自储、自保的成藏特征。我国富有机质页岩层系分布广泛，类型多样。其中海相富有机质页岩主要形成于下寒武统、上奥陶统－下志留统和泥盆系，页岩沉积厚度大、分布广，在扬子地区、塔里木地区等广泛分布；湖相富有机质页岩主要形成于二叠系、侏罗系、白垩系和古近系，在我国含油气盆地中广泛存在；海陆过渡相泥页岩层系主要形成于石炭—二叠系，在华北、滇黔桂等地广泛分布。

2）烃类气体在页岩中有多种赋存方式，包括吸附、游离和溶解，但以吸附和游离赋存方式为主。其中吸附气含量随着埋藏深度的增加而增加，变化梯度由快变慢，从 2000m 开始，增加速率明显降低；在 1500 ～ 2500m 深度范围内，吸附气和游离气各占 50% 左右。吸附相的存在，使其明显区别于常规气和致密气；游离相的存在，使其又有别于煤层气。

3）页岩储层基质孔隙度一般小于 10%；孔隙类型包括粒间孔、粒内孔、有机质孔隙和微裂隙等。其中，有机质演化形成的孔隙对储集空间有明显的贡献，一般达到 25% 以上。页岩渗透率一般极低，如果天然裂缝不发育，页岩气无法则自行流动，不能形成自然产能。

4）页岩气主要受富有机质页岩分布控制，而常规油气的分布则主要受烃源岩和圈闭的控制。

5）与煤层气相比，页岩气生产过程中无需排水，生产周期长，一般 30 ～ 50 年，勘探开发成功率高，具有较高的工业经济价值。

6）页岩气的开发程度依赖于技术进步，主要受页岩层系水平井钻完井技术和水平井分段压裂技术等影响。页岩层系水平井技术关键是按最优方向准确钻遇目地层并保持井眼完整。水平井分段压裂技术的关键是实现页岩层系的体积压裂，这种压裂要求尽量在页岩层系中形成网状裂缝，增加泄气面积。这与常规油气储层改造中要求尽量造长缝的理念完全不同，具体压裂的技术细节差别较大。

D. 最容易发现页岩气的地形是什么地形

页岩气赋存于以富有机质页岩为主的储集岩系中的非常规天然气。是连续生成的生物化学成因气、热成因气或二者的混合，可以游离态存在于天然裂缝和孔隙中，以吸附态存在于干酪根、黏土颗粒表面，还有极少量以溶解状态储存于干酪根和沥青质中，游离气比例一般在20%～85%。

E. 中国页岩气主要分布在哪些地区

按省(区、市)统计，全国页岩气资源主要分布在四川省、新疆吾尔族自治区、重庆市、贵州省、湖北省、湖南省、陕西省等，这个省(区、市)占全国页岩气总资源的68.87%。全国共优选出页岩气有利区180个，累计面积为111.49x 104km2因部分地区不同层系有利区在垂向上的重叠，有利区叠合面积为66.93 x 104km2。其中，上扬子及滇黔桂区有利区累计面积62.42 x 104km2，占全国总量56%；中下扬子及东南区累计面积为17.44X 104km2，占16%；华北及东北区累计面积27.01 x 104km2，占全国总量24%；西北区累计面积4.62 x 104km2，占全国总量4%。

按照页岩气显示情况对有利区进行了分类。I类有利区11个，面积10.18 X 104km2; II类有利区89个，面积80.90x 104km2；III类有利区80个，面积20.39x X 104km2。

在我国陆域共划分出页岩气规划区36个，面积150.05x104km2。其中，油气矿业权区块外35.34x104km2，占23.55%，其余均在油气矿权区块内。其中，上扬子及湛黔桂区8个，面积为55.72x104km2；中下扬子及东南区8个，面积为38.57x 104km2；华北及东北区10个，面积为32.47 x104km2；西北区10个，面积为23.71 x104km2。
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F. 页岩气形成与分布

按天然气有机成因理论，任何富有机质页岩在适当的地质条件下都能形成页岩气藏。对液态烃而言，有机质沉积后，在成岩作用的中后期才逐渐生成液态烃，而天然气则在整个演化过程中都有生成。一般早期生气量较少，随着埋藏深度和时间的增加，生气量不断增加。有机质演化进入生气窗后，生气量剧增，是形成商业价值页岩气藏的主要阶段。勘探开发实践证明，页岩气的形成具有严格的地质地球化学条件。依据富有机质页岩生烃能力、排烃有效厚度及页岩气勘探开发要求，普遍认为形成商业价值页岩气需具有“五高”特征，即高有机质丰度(TOC＞2.0%)、高热演化程度(R_o大于2.0%～2.5%)、高石英含量、高脆性(易于水力压裂人工造缝，脆度＞80)和高吸附气含量。值得注意的是，一般海相富有机质页岩的最基本矿物成分是沉积成因的自生石英，石英、长石、方解石等矿物含量＞50%，粘土矿物如高岭石、蒙脱石等含量并不高，总的脆度较高;而陆相富有机质页岩粘土矿物含量则相对较高，石英等脆性矿物含量低，页岩脆度也较低。

一、有机质丰度

总有机碳含量是衡量岩石有机质丰度的重要指标和页岩气形成的基础。有经济开采价值的页岩气远景区带的页岩必须富含有机质，以生成足够的天然气。页岩中吸附气量一般与有机碳含量呈正比，较高有机碳含量的页岩地层通常具较高的含气性和页岩气资源。有机碳含量是决定页岩含气性和资源前景的重要指标，富有机质页岩成为有利页岩气远景区带的最低总有机碳含量为2.0%～3.0%。表5-4中美国产气页岩的TOC含量为0.45%～25%，含气量为0.4～9.91m³/t。

对中国上扬子地区寒武系筇竹寺组、志留系龙马溪组黑色页岩的有机碳含量分析结果见表5-7。从表中可知，寒武系筇竹寺组页岩有机碳含量为0.01%～22.15%，平均有机碳含量为1.49%～5.15%，有机碳含量＞4%的富集段位于地层的中下部—底部，富集段所占比例为20%～40%;志留系龙马溪组黑色页岩有机碳含量为0.06%～9.84%，平均有机碳含量为1.88%～4.36%，有机碳含量＞4%的富集段位于地层的中下部—底部，富集段所占比例为30%～45%。目前岩石中的有机碳含量是历经有机质演化生烃与地表氧化风化作用后的残余有机碳，实际原始总有机碳含量更丰富，按残余有机碳与原始总有机碳之间的经验比值1∶1.16～1∶1.22预测(张爱云等，1987)，寒武系筇竹寺组黑色页岩总有机碳含量平均为1.8%～5.4%，志留系龙马溪组黑色页岩总有机碳含量平均为2.24%～5.19%。由此推断，中国上扬子地区寒武系筇竹寺组、志留系龙马溪组黑色页岩具备形成有利页岩气远景区带所要求的最低总有机碳含量，陆相含煤地层中的高炭质页岩有机碳含量更高。

表5-7 中国上扬子区下古生界有机碳含量统计

二、有机质类型

尽管总有机碳含量和成熟度是决定源岩生气潜力的关键因素，但普遍认为富氢有机质主要生油，氢含量较低的有机质以生气为主(图5-14)，且不同干酪根、不同演化阶段生气量有较大变化。因此，在确定页岩气有利远景区带时，有机质类型研究仍必不可少。海洋或湖泊环境下形成的有机质(Ⅰ型和Ⅱ型)易于生油，随热演化程度增加，原油裂解成气;陆相环境下形成的有机质(Ⅲ型)主要生气，中间混合型(尤其是Ⅱ型和Ⅲ型)在海相页岩中最为普遍，产气潜力大。值得注意的是，当热演化程度较高时，所有类型有机质都能生成大量天然气。图5-14(《页岩气地质与勘探开发实践丛书》编委会，2009)同时反映了有机碳含量与残余生烃潜量间的关系，总有机碳含量愈高，产气潜力愈大。北美产气页岩有机质类型主要为Ⅱ型，中国古生界海相页岩有机质类型为Ⅰ—Ⅱ型、中新生代陆相页岩有机质类型为Ⅱ—Ⅲ型、石炭-二叠系与三叠-侏罗系煤系炭质页岩有机质类型为Ⅲ型(表5-8)(邹才能等，2010a)，均可有较好的产气潜力，成为形成页岩气的有利领域。

图5-14 北美产气页岩总有机碳含量-残余生烃潜量关系

表5-8 中国3类页岩有机地球化学参数

三、有机质成熟度

成熟度是确定有机质生油、生气或有机质向烃类转化程度的关键指标。通常成熟度指标R_o≥1.0%为生油高峰，R_o≥1.3%为生气阶段。表5-4统计的北美产气页岩成熟度R_o为0.4%～4.0%，表明有机质向烃类转化的整个过程中都可以形成页岩气，即页岩气的成因可以是有机质生物降解、干酪根热降解、原油热裂解以及它们的混合成因。但从页岩含气量与产量参数对比看，有机质成熟度低，页岩含气量低、产气量小，成熟度越高，含气量、产气量越大，说明页岩气以干酪根热降解、原油热裂解等热成因为主。Daniel M.Jarvie等(2007)的研究认为，有利页岩气远景区应在热生气窗内，成熟度R_o为1.1%～3.5%(Daniel， et al.，2008)。由于干酪根和原油热裂解生气量大幅度增加，高成熟页岩气产区单井产量可以大幅增加。中国古生界海相页岩成熟度普遍较高(表5-8)，R_o一般为2.0%～4.0%，处于高—过成熟、生干气为主阶段;而中新生界陆相页岩成熟度普遍偏低，成熟度R_o一般为0.8%～1.2%，处于成熟—高成熟、以生油为主阶段，兼生气。澳大利亚Be et aloo盆地钻井揭示的全球最老地层(约14亿年)热演化成熟度最高，在元古宇发现了页岩气，平均有机碳含量为4%，R_o=3.49%，页岩气资源约5600×10⁸m³。

四、有效页岩厚度

与常规油气形成一样，形成商业性页岩气，页岩有效厚度需要达到一定界限，以保证有足够的有机质及充足的储集空间。有效页岩是指总有机碳含量＞2%、处于热成熟生气窗内、石英等脆性矿物含量＞40%与粘土矿物含量＜30%、充气孔隙度＞2%与渗透率＞0.0001×10^-3μm²的页岩。经证实，有效页岩厚度大于30～50m(有效页岩连续发育时＞30m即可，有效页岩断续发育或TOC含量低于2%时，累计厚度需＞50m)时足以满足商业开发要求。有效页岩厚度愈大，尤其是连续有效厚度愈大，有机质总量愈大，天然气生成量愈多，页岩气富集程度越高。北美页岩气富集区内有效页岩厚度最小为6m(Fayetteville)，最厚高达304m(Marcellus)，页岩气核心产区厚度都在30m以上(表5-4)。中国上扬子区寒武系筇竹寺组与志留系龙马溪组黑色页岩中TOC含量＞2.0%的富有机质页岩厚度为80～180m，其分布受深水陆棚沉积相带控制，川南、黔北和川东北3个地区富有机质页岩最发育。

五、含气性

含气量是衡量页岩气是否具经济开采价值和资源潜力评价的重要指标，页岩含气量包括游离气、吸附气及溶解气等。哈里伯顿(2010)认为具商业开发远景区的页岩含气量最低为2.8m³/t_页岩，目前北美商业开发的页岩含气量最低约1.1m³/t_页岩，最高达9.91m³/t_页岩。实测发现，四川盆地寒武系筇竹寺组黑色页岩含气量为1.17～6.02m³/t，平均为1.9m³/t;龙马溪组黑色页岩含气量为1.73～5.1m³/t，平均为2.8m³/t，与北美产气页岩的含气量相比，均达到了商业性页岩气开发的下限，具备商业性开发价值。

六、矿物组成

一般页岩具有高含量的粘土矿物，但暗色富有机质页岩的粘土矿物含量通常较低。页岩气勘探必须寻找能够压裂成缝的页岩，即页岩的粘土矿物含量足够低(＜50%)、脆性矿物含量丰富，使其易于成功压裂。脆性矿物含量是影响页岩基质孔隙和微裂缝发育程度、含气性及压裂改造方式等的重要因素。岩石矿物组成对页岩气后期开发至关重要，具备商业性开发价值的页岩，一般脆性矿物含量要高于40%，粘土矿物含量小于30%(图5-15)(《页岩气地质与勘探开发实践丛书》编委会，2009)。

七、孔渗特征与微裂缝

岩石孔隙是储存油气的重要空间，孔隙度是确定游离气含量的主要参数。根据资料(邹才能等，2010a，2010b;《页岩气地质与勘探开发实践丛书》编委会，2009)，有平均50%左右的页岩气存储在页岩基质孔隙中。页岩储层为特低孔、渗储集层，以发育多种类型微孔为特征，包括颗粒间微孔、粘土片间微孔、颗粒溶孔、溶蚀杂基内孔、粒内溶蚀孔及有机质孔等。孔隙＜2μm，比表面积大，结构复杂，丰富的内表面积可以通过吸附方式储存大量气体(King，1994)。一般页岩的基质孔隙度为0.5%～6%，众数多为2%～4%。

裂缝的发育可以为页岩气提供充足的储集空间，也可为页岩气提供运移通道，更能有效提高页岩气产量(John，2002)。中国海相页岩、海陆交互相炭质页岩和湖相页岩均具有较好的脆性特征，无论是野外地质剖面还是井下岩心观察，均发现其发育较多的裂缝系统。

G. 中国页岩气地质特点

在从元古宙到第四纪的地质时期内，中国连续形成了从海相、海陆过渡相到陆相等多种沉积环境下的多套富有机质页岩层系，形成了多种类型的有机质，但由于后期构造变动复杂，有机质生气、含气及保存条件差异较大，形成了中国页岩气的多样性，主要表现在以下四个特点。

（1）海相、海陆过渡、陆相页岩均有发育，页岩地层组合各有特点

中国在不同地质时代形成了海相、海陆过渡相及陆相地层，其中包含了十余套富含有机质页岩层系，其地层组合特征各不相同。海相页岩多为厚层状，分布广泛且稳定，可夹海相砂质岩、碳酸盐岩等；海陆过渡相页岩分布范围广，相对稳定的富有机质页岩常与砂岩、煤层等其他岩性频繁互层；陆相页岩主要表现为巨厚的泥岩层系，泥页岩与砂质薄层韵律发育，累计厚度大、平面分布局限，侧向变化快。地层组合特点决定了页岩气地质条件的巨大差别。

（2）古生界、中生界、新生界多层系分布页岩，含气特点各有不同

中国下古生界寒武系、奥陶系、志留系，上古生界泥盆系、石炭系、二叠系，中生界三叠系、侏罗系和白垩系，新生界古近系均发育多套富有机质页岩层系。从全国范围来看，页岩层系平面分布广、剖面层位多。由新到老，虽然有机质成熟度依次增加，但各层系页岩成岩作用逐渐加强，原生游离含气空间递次消亡，导致各层系页岩含气特点各有不同。在含气特点方面，总体表现为吸附气相对含量依次增加。在相同保存条件下，下古生界页岩吸附气含量相对最多，上古生界游离气相对含量增加，中新生界则可能由于成熟度原因形成页岩油气共生现象，溶解气含量相对最大。

（3）沉降区、稳定区、抬隆区构造变动复杂，页岩气保存条件迥异

在中国，页岩气比常规油气分布更为广泛。在华北、东北、西北及南方部分沉降区由于上覆地层较厚，页岩气保存条件良好；在鄂尔多斯盆地及川西凹陷等稳定区，埋藏条件相对适中，保存条件较好，是页岩气发育的最有潜力区域；在上扬子、下扬子等构造运动复杂的后期台隆区，虽然页岩有机地球化学等条件有利，但地层普遍遭受抬升及后期剥蚀，保存条件受到严重影响，导致地层总含气量普遍降低。

（4）生物、热解、裂解成因类型多样，页岩气评价方法和选区标准各异

不同大地构造背景决定了沉积相变化较大，分别形成不同类型的有机质，对应产生不同的页岩气生成条件及含气特点，在统一的工业含气性标准条件下，对生物、热解、裂解等不同成因类型的页岩气需要分别采取有针对性的资源评价方法及有利选区标准。在海相条件下，具有偏生油特点的沉积有机质需要相对较高的热演化程度，评价方法和选区标准可参考美国东部地区页岩气。在陆相条件下，三种类型干酪根均有不同程度的发育，在热演化程度较低时，表现为页岩油气共生，含气量变化同时受控于有机质类型、热演化程度、埋深及保存等多重因素，评价方法和标准需要针对不同沉积盆地进行有侧重的研究。

H. 页岩气基本地质条件

Fort Worth盆地是一个含油气盆地，经过多年勘探开发，发现了多套油气储层（图2-4）。Barnett页岩属于密西西比系，为盆地的主力烃源岩层系，分为Barnett层和Barnett层。其中Barnett下层厚度较大，Barnett上层厚度较小（图2-5）。盆地中页岩气有利区面积约13000km²；页岩气开发深度在2000m至3600m左右；有机碳含量平均值为4.5%，孔隙度在4%～5%之间，含气量约为8.5～10m³/t。地质资源量92606×10⁸m³，水平井平均日产量约为2×10⁴m³。

图2-4 Fort Worth盆地地层结构和主要油气储层分布（据ScottL,2005）

Barnett页岩的厚度在盆地西南部较薄，在30m左右，向东北部变厚，最厚达到200m以上，热演化程度（R_o）在0.5%～1.7%之间，页岩气产区的热演化程度（R_o）在1.1%～1.7%之间，分布范围主要在盆地东北部的深埋区内，埋藏深度为1200～2100m（图2-6）。

图2-5 Barnett页岩横向变化规律（据RobertG.Loucks,2007）

图 2-6 Fort Worth 盆地 Barnett 页岩关键地质参数平面图（据 Pollastro, 2004; Montgomery, 2005）

I. 中国页岩气主要分布在哪些地区

中国主要盆地和地区的页岩气资源量约为(21.45)×1012 m3 ,中值为
30.7×1012 m3.
•古生界页岩气资源量是中生界的2倍,平面分布以南方和西北地区为主,
四川盆地、鄂尔多斯盆地的古生界等是页岩气勘探的主要层系..