温暖亿万家的“热页岩”

“热页岩（Hot shale）”是指分布在上奥陶统-下志留统富含笔石化石的黑色页岩，具有自然伽马高的特点，与原特提斯洋的演化有密切关系，在北非、阿拉伯地区和我国南方地区均有大规模分布。“热页岩”是一套世界级的优质烃源岩，具有巨大的生烃能力，是全球几个巨型油气系统的烃源岩。在中东波斯湾盆地和我国南方上扬子地区，分别形成了世界上最大的常规天然气田和下古生界最大的页岩气田。由中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院承担的国家自然科学基金重大研究计划《特提斯地球动力系统》中的重点支持项目《特提斯域内大陆单向裂解-聚合过程中的油气大规模富集效应》，把“热页岩”成因与油气富集效应作为科学问题之一进行了有益的探索，揭示了特提斯洋演化控制的两大典型盆地中与 “热页岩”密切相关的油气资源的富集规律。

全球O—S事件与“热页岩”的成因

在距今4.4亿年前的奥陶纪末期，全球范围内发生了一次重大的地质事件，导致地球上约85%的生物物种灭绝，为地球演化历史中五次生物大灭绝事件中的第二位。对于这次大灭绝的原因众说纷纭：一种观点认为，当时位于地球南部的冈瓦纳大陆向南漂移，进入南极地区，影响了全球海洋环流变化，导致全球冷化，地球进入了安第斯-撒哈拉冰河时期，海面温度大幅度下降，习惯温暖海水的生物大量死亡。第二种观点认为，当时的英国地区发生了3次大规模火山爆发，大量的火山灰遮天蔽日，导致全球变冷，从而造成了大量生物死亡。第三种观点认为，有一颗直径约10公里的球形天体撞击地球，巨大尘烟包裹了地球，地球进入早古生代大冰期，使生物大规模灭绝。第四种观点认为，一颗极超新星释放出很强的伽马射线，摧毁了地球一半左右的臭氧层，导致地面及近海的大量生物死亡。

奥陶纪-志留纪转折期是一个重要的地质历史时期，研究发现这个时期全球板块构造形态、古气候条件、古海洋氧化还原条件、生物种群类型等都发生了巨大的改变。奥陶纪末期的全球性冰川事件，在冈瓦纳大陆上形成了一个巨大的冰盖，其规模远超现在南极洲冰盖，覆盖了现在的非洲、南美洲和阿拉伯半岛。冰川刨蚀陆地形成了凹凸相间的地貌，在陆地和浅海地区沉积了典型的冰积砾岩。海水冰冷，仅有少量生物得以存活和繁殖。冰期后，留存的宏体生物种属很少，海洋生物以多细胞藻、蓝细菌、放射虫等低等生物为主，在这套富有机质热页岩中，仅发现了高分异度、高丰度的笔石生物化石（图1）。

图1 四川盆地普顺1井龙马溪组底部页岩（层理面发育大量笔石）（聂海宽摄）

笔石因其外形很像铅笔在岩石上书写的痕迹而得名。根据众多化石证据，笔石在奥陶纪生物大辐射时期曾达到鼎盛，奥陶纪末期生物大灭绝并没有打断笔石的繁盛。由于其演化速度非常快，在奥陶纪和志留纪每隔几十万年就会产生新种，因此，笔石被地层学家当做判断该套热页岩年代、划分地层小层的“黄金卡尺”。

进入志留纪早期，随着气温回升，极地冰川快速融化，全球海平面上升，海水进入不同地区的古洼地中。这些洼地与广海联通不畅，导致水体出现分层现象。上层水体富氧，加之上升洋流、大陆地壳长期风化剥蚀和大规模火山活动提供了大量的营养物质，低等生物大量繁殖。下层水体相对闭塞的地貌条件导致下层水体缺氧，为死亡下沉的有机质保存提供了必要的还原环境。该套富含有机质的黑色页岩的形成是上下两层水体共同作用的结果，巨大的生物生产力提供了较高的有机质埋藏通量，缺氧的水体环境为有机质的富集提供了较好的保存条件，可将其归纳为生产力驱动机制和缺氧保存模式（图2）。

图2 晚奥陶世-早志留世富有机质页岩沉积模式（据高平）

波斯湾盆地的“热页岩”孕育出世界第一大气田

这套富含有机质的“热页岩”生成的丰富油气形成了几个世界级的巨型油气系统。其中，最典型的当属地处阿拉伯板块之上的波斯湾盆地，作为盆地中古生界油气的主要源岩，控制了波斯湾盆地内一批大型油气田的分布。首当其冲的是位于中阿拉伯次盆的世界上最大的常规天然气田——诺斯-南帕尔斯（North—South Pars）气田。该气田仅少部分位于卡塔尔半岛北部，大部分位于波斯湾海域，横跨卡塔尔海域和伊朗海域。位于卡塔尔海域内的部分被称为诺斯（North）气田，位于伊朗海域的部分被称为南帕尔斯（South Pars）气田。诺斯-南帕尔斯气田长约130千米，宽约75千米，面积超过6000平方千米，分布于从陆地到水深65米、海床以下3000米处，主要产层为上二叠统-下三叠统上Khuff组，原始气柱高度超过430m，总储存量为51万亿立方米，可采储量占全世界天然气可采储量的19%。

研究表明，诺斯-南帕尔斯气田轻质油和天然气就来源于志留系“热页岩”。在中阿拉伯次盆，这套优质烃源岩被称为Qalibah组Qusaiba段。Qusaiba “热页岩”沉积时几乎覆盖了整个阿拉伯半岛，存在两个沉积中心。越接近沉积中心，页岩的生烃潜力越高，总有机碳（TOC）含量介于 2.94% ~7.19%，目前正处于大量生成轻质油和天然气的阶段。一般来讲，TOC达到0.5%就能作为有效烃源岩，Qusaiba 热页岩的品质达到了极好的世界级烃源岩。

圈闭是油气赋存的场所。要形成巨型油气田，除了需要优质的烃源岩，还要有优质的储层、盖层和巨型圈闭，以及沟通烃源岩与圈闭的良好输导条件。诺斯-南帕尔斯气田为一发育在卡塔尔基底隆起之上巨大的低幅穹隆背斜，是最好的圈闭类型。下志留统烃源岩生成的油气经过断层和不整合面向上运移至二叠系Khuff组优质碳酸盐岩储层中聚集成藏，顶部被超压页岩、泥灰岩及致密石灰岩所封盖。这种成藏特点可以概括为“下生上储”的成藏模式。研究表明，优质烃源岩（热页岩）发育和优势运移路径控制了油气的区域分布；Khuff组上段优质的碳酸盐岩储层与毗邻的硬石膏优质区域盖层控制了含油气层系分布；巨型地垒之上发育的宽缓背斜圈闭控制了大规模富集（图3）。多种有利因素的良好时空匹配是形成如此巨大油气藏的充分与必要条件。

图3 诺斯-南帕尔斯气田“下生上储”成藏模式

中国“热页岩”建成北美以外最大页岩气区

在中国，“热页岩”主要发育在上扬子地区的四川盆地及周缘，被称为五峰组-龙马溪组。以这套富含有机质的黑色页岩为烃源岩，形成了一定规模的常规天然气资源，主要分布于之上的石炭系黄龙组、二叠系栖霞组、茅口组、长兴组以及志留系石牛栏组储层之中。目前已发现了一批中小型天然气田，包括川东北地区的石炭系气田，如五百梯、卧龙河、大池干等，以及川东南地区的二叠系气田，如赤水、纳溪、自流井气田等，累积探明储量超过5000亿立方米。

受北美地区页岩油气大规模商业性开发启示，我国石油工业界和众多研究机构围绕我国页岩油气资源条件和勘探开发领域，开展了艰苦卓绝和成效显著的探索工作，经过20年的努力，取得了可喜的勘探开发成果。特别是在四川盆地及周缘发现了涪陵、长宁、昭通、威远等多个千亿方级的大气田，建成了北美以外最大的页岩气商业开发区。我们团队是国内最早开展页岩油气研究的团队之一，从20世纪初开始，持续开展了系统的地质分析与勘探开发评价工作，取得了一批创新性认识。

四川盆地及周缘的“热页岩”五峰组-龙马溪组，之所以能够成为页岩气富集高产的层系，既需要良好的先天条件，也需要有利的后天条件。研究表明，五峰组-龙马溪组黑色页岩原始的沉积条件不逊于波斯湾地区，两者相比，烃源岩的品质与厚度大致相当。所不同的是，后期的埋藏过程与构造变形改造差异很大，导致其油气赋存方式与资源规模差别很大。特别是与北美页岩气富集区相比，四川盆地及周缘的五峰组-龙马溪组页岩经历了后期强度不等的构造变形和抬升剥蚀，页岩气形成富集条件异常复杂，勘探开发难以复制和照搬美国经验，必须创出一条新路才行。

通过系统研究之后得到，特提斯域板块构造演化控制了上扬子地区多旋回盆地原型并列叠加，以及海相页岩沉积、成烃与成储过程，尤其是燕山期以来陆内差异变形与改造导致页岩气的差异富集。研究过程中，发现四川盆地页岩气存在富集高产的“甜窗”效应。所谓“甜窗”是指在某个深度范围内，页岩中含气量大，地层能量高（压力系数大），容易通过水平井压裂改造形成有规模的复杂的人工缝网，从而更易于打出高产稳产井，经济效益明显好于埋藏更浅或更深的页岩。通过大量的典型解剖和模拟实验，发现适度的构造变形与抬升剥蚀是关键。埋藏太深，页岩呈塑性，缺少天然裂缝，很难压裂形成复杂人工缝网。埋藏太浅，页岩呈脆性，强烈的抬升和变形，容易形成大型贯通式裂缝，保存条件变差，导致页岩中的天然气大量散失。这两种情况导致天然气单井的初产和累产均较低，经济效益很差。只有处于“甜窗”中的页岩，处于脆延过渡带，适度抬升与构造变形会产生大量的微细裂缝但未成为穿层大裂缝，页岩具有“裂而不破”的特点，有利于页岩气富集高产。深入研究后，我们建立了确定“甜窗”顶/底深度及预测方法，明确五峰组-龙马溪组硅质页岩“甜窗”底界可超过5千米。

基于“建造-改造”联合控制页岩气富集的新认识（图4），项目团队建立了“地质风险与资源价值”双因素页岩油气目标评价方法，为页岩气战略选区、选层和目标优选提供了技术支撑。项目团队还建立了页岩储层多孔介质，特别是多类型微裂缝、生物格架孔精细表征方法，形成了针对性的气藏描述与储层压裂改造技术系列，支撑了全球首个下古生界大型页岩气田储量发现、产能建设。

图4 四川盆地“热页岩”中页岩气“建造-改造”富集模式

“热页岩”为人类发展提供了宝贵的优质清洁能源

中东地区波斯湾盆地是世界油气资源最丰富的盆地。其中，绝大部分的天然气来自于 “热页岩”。最大的天然气富集区位于波斯湾盆地中阿拉伯次盆的卡塔尔半岛和伊朗南部。世界上最大的常规天然气田诺斯-南帕尔斯气田发现于1971年，经过勘探评价，于1991年大规模投产。

正是在诺斯-南帕尔斯气田发现的1971年，卡塔尔举行开国典礼，正式成为一个主权独立的国家。从此，卡塔尔半岛从一个阿拉伯游牧部落短期居住的蛮荒之地，通过发现并开发巨量的石油和天然气，逐渐成为全世界最富有的国家之一（图5）。以前沿海岸线定居，进行捕鱼和珍珠养殖的当地居民，后来大多进入油气行业。石油、天然气产业成为了卡塔尔国的经济支柱，油气生产和贸易取代了原有的采珠业而成为国家最重要的收入来源。截至2019年1月，已探明石油储量为25亿吨，居世界第13位。天然气储量24.7万亿立方米，居世界第三位。由于其丰富的石油资源，卡塔尔的人类发展指数非常高，国民极其富裕，人均GDP长期位列世界前十。

图5 卡塔尔首都多哈街景（何治亮摄）

近年来，卡塔尔政府大力投资开发天然气，将其作为经济发展的重中之重，是世界第二大液化天然气生产和出口国。据能源咨询机构IHS Markit发布《2021的LNG贸易：失控与复苏》报告，2021年全球最大的LNG供应国是澳大利亚，达8300万吨，同比增长1%；卡塔尔LNG供应量为8130万吨，同比增长2%，略少于澳大利亚，屈居第二。去年中国进口LNG达8140万吨，同比增长18%；日本LNG进口量为7500万吨，与上一年基本持平。标志着自20世纪70年代初以来，中国首次成为全球最大LNG进口国，其中，约26%就来自于卡塔尔海域内的诺斯气田。应该说，来自于中东地区“热页岩”的优质清洁能源，源源不断地进入我国东部沿海的千家万户，为中国的经济社会发展作出了巨大贡献。

我国页岩气实质性的勘探始于2009年。当年钻探了第一口页岩气调查井渝页1井，随后，实施了第一口页岩气探井威201井，在页岩中发现良好气体显示；2011年，完钻的宁201-H1井水平井分段压裂测试获日产气15万立方米；2012年，完钻的焦页1HF井水平井压裂测试获20.3万立方米高产气流，实现了商业突破；2014年，涪陵页岩气田首次提交页岩气探明储量1067.5亿立方米，标志着北美之外首个页岩气田的发现。因此，获得了世界页岩气大会国际先锋奖。

截至2021年底，四川盆地及周缘在这套“热页岩”中探明页岩气储量超过了2.5万亿立方米，年产量达到了230亿立方米。其中，涪陵气田（图6）日产气量超过1990万立方米，相当于近4000万户居民每日用气需求量。最近，一批在埋深3500~4500 米深度范围的页岩气钻井获得重大突破，有望形成规模增储上产阵地。浅层页岩气也在提速提产、降本增效上取得了重要进展。预计到2025年，页岩气累计探明地质储量将达3万亿立方米，年产量将达到400亿~500亿立方米。未来有望在四川盆地及周缘建成一个“气大庆”。来自于“热页岩”中的页岩气将为保障我国能源供应安全，促进国民经济建设与社会发展作出更大的贡献。

图6 涪陵焦石坝页岩气田（何治亮摄）

作者：何治亮 聂海宽 高平 刘延莉 孙川翔