海陸過渡相頁巖氣層系沉積研究進(jìn)展與頁巖氣新發(fā)現(xiàn)

董大忠，邱振，張磊夫，李樹新，張琴，李星濤，張素榮，劉翰林，王玉滿

1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083

2.國家能源頁巖氣研發(fā)（實驗）中心，河北廊坊 065007

3.中國石油非常規(guī)油氣重點實驗室，河北廊坊 065007

4.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028

0 引言

我國發(fā)育3 類富有機(jī)質(zhì)頁巖：海相頁巖、海陸過渡相頁巖、陸相頁巖[1]。目前海相頁巖氣已經(jīng)實現(xiàn)規(guī)模高效開發(fā)，在四川盆地發(fā)現(xiàn)涪陵、長寧、威遠(yuǎn)、昭通等千億方級大氣田，在川南地區(qū)形成我國石油工業(yè)史上第一個10萬億方級天然氣大氣區(qū)。我國海陸過渡相頁巖氣資源豐富，資源量約19.8×1012m3，占我國頁巖氣總資源量的25%，勘探開發(fā)潛力大[2]。近年來，中國石油、中國石化、自然資源部等針對海陸過渡相頁巖氣進(jìn)行了積極探索，完鉆頁巖氣井100 余口，在石炭系、二疊系等多套頁巖地層發(fā)現(xiàn)頁巖氣[3-4]，展現(xiàn)出我國海陸過渡相頁巖氣良好的勘探開發(fā)前景。

目前海陸過渡相頁巖氣地質(zhì)研究處在初期階段，已有研究集中在TOC含量、礦物組成、孔隙類型、含氣量等頁巖氣儲層特征方面，同時對海陸過渡相頁巖沉積環(huán)境、沉積模式、優(yōu)質(zhì)巖相類型等方面也開展了較多研究[4]，但目前仍缺少較為系統(tǒng)的非常規(guī)油氣沉積學(xué)研究[5-6]，如“海陸過渡相”究竟是指哪些沉積相還存在明顯分歧、海陸過渡環(huán)境富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育特征與分布規(guī)律尚不清楚，以及富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積模式認(rèn)識不統(tǒng)一等。本文通過厘定海陸過渡相相關(guān)概念與主要特征，梳理國內(nèi)外典型海陸過渡相頁巖氣層系，歸納海陸過渡相富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積研究現(xiàn)狀與新進(jìn)展，明確海陸過渡相頁巖氣勘探新發(fā)現(xiàn)，為海陸過渡相頁巖沉積基礎(chǔ)研究提供參考，推動海陸過渡相頁巖氣快速發(fā)展。

1 海陸過渡相概念與劃分

國內(nèi)外沉積學(xué)界一般將沉積相劃分為3大類，即陸相、海相、海陸過渡相/海陸交互相（圖1）。海陸過渡相是海陸過渡環(huán)境的產(chǎn)物，在空間上處于海相環(huán)境與陸相環(huán)境的過渡帶，兼受海洋營力和大陸營力作用。但是，對于海陸過渡相（transitional facies）的劃分尚不完全一致（表1）。何幼斌等（2006）[7]認(rèn)為海陸過渡相組包含2類沉積相：三角洲相和河口灣相。朱筱敏（2008）[8]認(rèn)為海陸過渡相組包含5 類沉積相：三角洲相、潟湖相、障壁島相、潮坪相與河口灣相。姜在興（2010）[9]認(rèn)為海陸過渡相組包含5 類沉積相：三角洲相、辮狀河三角洲相、扇三角洲相、河口灣相與濱岸相。林春明（2019）[10]認(rèn)為海陸過渡相組包含2 類沉積相：三角洲相和河口灣相。馮增昭（2020）[11]認(rèn)為海陸過渡相組包括2 類沉積相：三角洲相和河口灣相，并認(rèn)為只有三角洲相是公認(rèn)的海陸過渡相；潟湖相、障壁島相與潮坪相應(yīng)歸屬于濱海相。Boggs（2012）[12]將沉積相劃分為陸相、海相與邊緣海相（marginal marine），“邊緣海相發(fā)育于海相與陸相之間”，等同于常用的海陸過渡相，包括6大類沉積相：三角洲相、海灘相、障壁島相、河口灣相、潟湖相與潮坪相。另外，北美部分學(xué)者還常用沉積體系（depositional system）概念來描述與沉積過程相關(guān)環(huán)境中形成的三維沉積體，與海陸過渡相相關(guān)的沉積體系包括：三角洲沉積體系和障壁海岸沉積體系[13-14]。

綜合國內(nèi)外海陸過渡相/環(huán)境的劃分，充分考慮沉積學(xué)界共識和油氣勘探開發(fā)實際需要，本文將海陸過渡相劃分為5 類（圖1、表1）：三角洲相、河口灣相、潟湖相、障壁島相與潮坪相。

三角洲（delta）是河流入海時，由于坡度減緩，流速降低，形成的三角形態(tài)沉積體，在空間上位于海相環(huán)境和陸相環(huán)境的過渡地帶，受河流營力和潮汐營力的共同作用，是公認(rèn)的海陸過渡相。河口灣（estuary）是被海水淹沒的河口，是河流水流與潮汐水流的匯合處，一般為向海擴(kuò)展的漏斗狀的狹長海灣，具有淡水、咸水混合的特征。潮坪是靠近海岸、周期性地遭受潮汐作用的陸地。一般認(rèn)為，按照水動力強(qiáng)弱可將潮坪相劃分為潮上帶、潮間帶與潮下帶[16]。潮上帶為低能帶，水體滯留，泥質(zhì)含量最多，發(fā)育水平層理；潮下帶被波浪反復(fù)沖洗，能量較高，砂質(zhì)含量最高，發(fā)育沙丘交錯層理。潮汐層理是鑒定潮汐沉積的充分必要條件，魚骨狀雙向交錯層理是潮汐沉積最明顯的標(biāo)志[17]。潟湖是平行海/湖岸線，由障壁島或者珊瑚礁隔擋而因此與海/湖水體隔離的區(qū)域，受氣候與淡水供給控制。潟湖可分為淡水潟湖與咸化潟湖兩類。當(dāng)物源充足時，潟湖可轉(zhuǎn)變?yōu)槌逼涵h(huán)境，二者不易區(qū)分。此外，潟湖又通常與障壁島伴生發(fā)育，一般在障壁島后的向陸一側(cè)發(fā)育潟湖，因此常被合稱為障壁島—潟湖相。

圖1 海陸過渡沉積相組合分布示意圖（據(jù)文獻(xiàn)[15]修改）Fig.1 Diagram showing the distribution of transitional facies (modified from reference[15])

表1 海陸過渡相劃分一覽表Table 1 Classification of transitional facies

2 國外典型海陸過渡相頁巖氣層系

全球已知的頁巖油氣產(chǎn)層以海相頁巖占絕對優(yōu)勢，海陸過渡相頁巖報道相對較少[18-19]，僅限于美國粉河、墨西哥灣、薩克拉門托、圣胡安與澳大利亞北卡那封、波拿巴等盆地中新生代頁巖（表2）[3-4,18-32]。粉河盆地中新生代海陸過渡相為頁巖、灰?guī)r、砂巖、煤層互層，以III型干酪根為主，煤層氣資源量（0.17～1.1）×1012m3，少量頁巖油氣[18-19]。墨西哥灣盆地、薩克拉門托盆地等中新生代盆地經(jīng)歷了海相、海陸過渡相、陸相的連續(xù)演化過程，以常規(guī)油氣為主，局部發(fā)育頁巖油氣。美國圣胡安盆地、澳大利亞北卡那封盆地與波拿巴盆地是已知發(fā)現(xiàn)或潛在海陸過渡相頁巖氣的重要盆地。

2.1 美國圣胡安盆地白堊系

圣胡安盆地位于美國西部落基山地區(qū)的科羅拉多州西南部和新墨西哥州西北部，發(fā)現(xiàn)于1947年，面積19 425 km2，是美國煤層氣和頁巖氣開發(fā)較成功的盆地，煤層氣開采始于1850 年代，頁巖氣開采始于1990 年代，產(chǎn)層上白堊統(tǒng)Lewis 頁巖，是美國傳統(tǒng)的五大頁巖氣產(chǎn)氣層之一，資源量2.74×1012m3[19]，頁巖氣井單井產(chǎn)量2 831～5 663 m3。Lewis 頁巖厚60～90 m，埋深915～1 828 m，平均厚度425 m，有機(jī)質(zhì)類型以III 型為主，TOC 含量0.45%～2.5%，平均1.3%，Ro為68%～1.88%，孔隙度平均3.0%～5.5%，硅質(zhì)含量平均56%，含氣量0.42～1.27 m3/t，以吸附氣為主[33]。由于III 型干酪根反映有機(jī)質(zhì)以陸源為主，該頁巖層系被認(rèn)為是典型的海陸過渡相頁巖。近年來也有一些研究認(rèn)為Lewis 頁巖為一套完整的三角洲—淺水陸棚—深水陸坡—深水盆地體系沉積，水深為40～450 m，陸棚相與陸坡相頁巖是重要的頁巖氣儲層，而三角洲相僅占很少比例[34-36]。

2.2 澳大利亞北卡那封盆地三疊系與波拿巴盆地侏羅系

北卡那封盆地位于澳大利亞西北陸架的最南端，面積34.35×104km2，地層最大厚度15 000 m，是澳大利亞重要的石油天然氣盆地，也是世界上主要的富氣盆地之一，發(fā)現(xiàn)了194 個油氣田，探明石油可采儲量1 637×104t，天然氣可采儲量3.6×1012m3。該盆地三疊系—侏羅系發(fā)育多套烴源巖，其中上三疊統(tǒng)Mungaroo組頁巖是主要烴源巖，品質(zhì)最好，為碳質(zhì)頁巖和煤巖，干酪根類型為II—III 型，TOC 含量平均2.7%，被認(rèn)為是海陸過渡相三角洲平原沼澤沉積[31]。

波拿巴盆地位于澳大利亞西北大陸邊緣，面積27×104km2，已發(fā)現(xiàn)多個油氣藏，既產(chǎn)油又產(chǎn)氣，烴源巖發(fā)育層位為中侏羅統(tǒng)Elang組、上侏羅統(tǒng)Frigate組碳質(zhì)頁巖與煤巖，干酪根類型為II—III 型，TOC 平均含量為1%～2%，為海陸過渡相三角洲平原和前三角洲沉積[32]。

3 國內(nèi)典型海陸過渡相頁巖氣層系

盡管我國頁巖氣主要產(chǎn)自五峰組—龍馬溪組海相頁巖，但在鄂爾多斯、四川、渤海灣、柴達(dá)木等盆地已證實存在海陸過渡相頁巖氣。這些盆地的海陸過渡相頁巖氣層系主要為石炭系—二疊系頁巖（表2）。

3.1 鄂爾多斯盆地石炭—二疊系太原組與山西組

鄂爾多斯盆地是我國大型含油氣盆地之一，沉積巖厚度5 000～10 000 m，面積37×104km2，油氣勘探開發(fā)始于二十世紀(jì)初，已發(fā)現(xiàn)侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系、奧陶系等多套產(chǎn)油氣層系。近年來，二疊系太原組、山西組鉆井不斷發(fā)現(xiàn)頁巖氣流。目前對于鄂爾多斯盆地石炭—二疊系沉積相主要有陸相與海陸過渡相兩種認(rèn)識，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為鄂爾多斯盆

地太原組—山西組整體為海陸過渡相沉積，但在不同地區(qū)分布存在差異[4,37]。近年來隨著石油天然氣勘探開發(fā)力度的不斷加大，大量勘探資料與地球化學(xué)分析測試資料表明，鄂爾多斯盆地東緣山西組為一套陸表海沉積的頁巖層系，發(fā)育多套海陸過渡相富有機(jī)質(zhì)頁巖（圖2a，d），累計厚度43.5～187.3 m，平均厚度88.6 m，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ—Ⅲ型為主，富有機(jī)質(zhì)頁巖段TOC 含量平均4.91%。太原組為障壁島—碳酸鹽臺地相沉積，山西組以三角洲相、潟湖相沉積為主[4,38-41]，本溪組為海陸過渡相障壁海岸—潟湖沉積體系[42-45]，發(fā)育大套厚層灰?guī)r及頁巖地層（圖2b，e）。

表2 主要海陸過渡相頁巖特征Table 2 Characteristics of main transitional shales

圖2 海陸過渡相頁巖露頭、巖芯及鏡下特征（a）山西組黑色富有機(jī)質(zhì)頁巖巖芯照片，頁理發(fā)育，大吉51井，2 286 m；（b）本溪組頁巖露頭，陜西韓城剖面；（c）龍?zhí)督M頁巖巖芯照片，天東004-X3井，4 121 m；（d）山西組頁巖單偏光薄片，大吉3-4井，2 159.5 m；（e）本溪組頁巖單偏光薄片，陜西韓城剖面；（f）龍?zhí)督M頁巖單偏光薄片，蒲西1井，3 740 m；（h）山西組頁巖掃描電鏡，黃鐵礦晶間孔，大吉3-4井，2 039.95 m；（i）山西組頁巖掃描電鏡，微裂縫，大吉3-4井，2 146.93 m；（j）山西組頁巖掃描電鏡，有機(jī)質(zhì)孔，大吉3-4井，2 138.88 mFig.2 Outcrop, core and microscopic-scale characteristics of transitional shales

3.2 南華北盆地石炭—二疊系太原組與山西組

南華北盆地位于華北古板塊南緣，為中生界和古生界的疊合型盆地，面積13×104km2，中牟凹陷為南華北盆地主要構(gòu)造單元，石炭系—二疊系海陸過渡相富有機(jī)質(zhì)頁巖累計厚度22～370 m，埋深2 800～3 500 m。山西組頁巖厚度43 m，以III型干酪根為主，平均TOC含量為1.49%～2.58%，Ro為2.6%～3.4%，石英含量34%～68%，平均為50%，平均黏土礦物含量56%[20]。太原組頁巖厚度30～175 m，平均TOC 含量為2.67%，平均石英礦物含量為17%～53%，平均為45.6%。太原組、山西組頁巖為潟湖相與三角洲平原相沉積[20]。

3.3 渤海灣盆地石炭—二疊系太原組與山西組

渤海灣盆地石炭—二疊系海陸過渡相頁巖主要是太原組、山西組，太原組與山西組平均脆性礦物含量分別為45.4%與48.9%；TOC含量2%～4%；以III型和II2型干酪根為主，平面上由南向北逐漸降低；富有機(jī)質(zhì)頁巖單層厚度≤25 m，頁巖連續(xù)累積厚度≥35 m，但側(cè)向厚度變化較大[21]。太原組整體為潮坪—潟湖—障壁島相，山西組整體為淺水三角洲相[22]，富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育于潟湖相、沼澤相[22]。

3.4 四川盆地二疊系龍?zhí)督M

龍?zhí)督M是我國南方地區(qū)一套重要的烴源巖層系，在四川盆地廣泛發(fā)育和穩(wěn)定分布，為一套海陸過渡相環(huán)境沉積，由深灰色—黑色頁巖、灰質(zhì)頁巖及炭質(zhì)頁巖組成，普遍夾薄煤層。四川盆地川東地區(qū)龍?zhí)督M海陸過渡相主要為黑色頁巖（圖2c，f）與薄層粉砂巖、煤層互層。黑色頁巖單層厚度5～40 m，累計厚度60～290 m，TOC 含量平均為2.43%，有機(jī)質(zhì)類型以II—III 型為主。富有機(jī)質(zhì)頁巖主要發(fā)育于障壁島—潟湖相、三角洲前緣相，其中障壁島—潟湖相頁巖規(guī)模最大[23-25]。川南地區(qū)龍?zhí)督M海陸過渡相頁巖厚度55～157 m，TOC 含量平均為5.34%，以III 型干酪根為主，為潮坪—潟湖、沼澤、三角洲沉積[23-25]。

3.5 湘中盆地二疊系龍?zhí)督M與大隆組

湘中盆地二疊系龍?zhí)督M-大隆組發(fā)育厚約80 m頁巖[26-28]。漣源凹陷龍?zhí)督M頁巖厚度為24 m，有機(jī)質(zhì)類型主要為II—III型。大隆組中部發(fā)育富有機(jī)質(zhì)的鈣質(zhì)頁巖，厚度約50 m，有機(jī)質(zhì)類型主要為II型。湘中凹陷大隆組—龍?zhí)督M頁巖以硅質(zhì)頁巖為主，生物成因硅含量較高；以II型干酪根為主，TOC 平均含量為2.63%。湘中盆地二疊系龍?zhí)督M—大隆組頁巖整體為潟湖—沼澤—濱海沉積[26-28,46]。

4 海陸過渡相頁巖氣沉積研究進(jìn)展

海陸過渡相頁巖主要發(fā)育于三角洲相、潟湖相、河口灣相與潮坪相，障壁島相以砂巖為主。潮坪相由于水體較淺，受潮汐淘洗，氧化條件不利于有機(jī)質(zhì)保存，一般認(rèn)為不是富有機(jī)質(zhì)頁巖的發(fā)育相。富有機(jī)質(zhì)頁巖主要發(fā)育于三角洲相與潟湖相。

4.1 富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育環(huán)境

4.1.1 三角洲相頁巖

三角洲相是典型的海陸過渡相（表1），沉積學(xué)界一般將三角洲相劃分為三角洲平原亞相、三角洲前緣亞相、前三角洲亞相。三角洲前緣以河口壩等砂質(zhì)沉積體為主，頁巖較少發(fā)育。目前已在三角洲前緣砂巖中發(fā)現(xiàn)了大量的天然氣，包括孟加拉灣恒河三角洲、澳大利亞西北大陸架、尼羅河三角洲等世界知名的產(chǎn)氣區(qū)[47]，其烴源巖均為三角洲平原亞相與前三角洲亞相頁巖，III型干酪根生成了豐富的天然氣。我國南海新生界已發(fā)現(xiàn)約340個油氣田，油氣主要富集于三角洲相—海相沉積體系中，三角洲平原是烴源巖發(fā)育的主要場所，干酪根類型以III 型為主[29-30]。對南海深水區(qū)4個盆地的統(tǒng)計表明，三角洲平原烴源巖包括碳質(zhì)頁巖與暗色頁巖，TOC 平均含量分別為19.8%和1.58%[29-30]。

前三角洲環(huán)境中淡水與咸水混合，浮游生物大量繁殖，勃發(fā)時可造成前三角洲貧氧環(huán)境，整體有機(jī)質(zhì)來源豐富、黏土含量高、沉積速率低、水動力弱，具備有機(jī)質(zhì)保存的各種有效條件[17]。前三角洲厚層頁巖由于有機(jī)質(zhì)含量高，往往是油氣勘探的重點關(guān)注對象。雖然目前尚未見到關(guān)于三角洲相頁巖油氣勘探開發(fā)的報道，但考慮到三角洲相頁巖厚度大、分布面積廣、有機(jī)質(zhì)含量高，作為烴源巖的巨大生烴能力已被證實，未來有可能成為海陸過渡相頁巖氣的有利產(chǎn)區(qū)，其頁巖油氣資源潛力有待深入探索。

4.1.2 潟湖相頁巖

潟湖是平行海/湖岸線，由障壁島或者珊瑚礁隔擋而與海/湖水體隔離的區(qū)域，可分為障壁島潟湖與珊瑚礁潟湖兩種。在熱帶開放海地區(qū)可見珊瑚礁潟湖，但多數(shù)潟湖與障壁島伴生發(fā)育，常稱為障壁—潟湖相/障壁—潟湖體系。潟湖相發(fā)育于陸表?？拷抨懸粋?cè)，富有機(jī)質(zhì)頁巖以黑色頁巖、粉砂質(zhì)頁巖為主，發(fā)育水平層理，生物擾動常見，Chondrites遺跡化石發(fā)育，常見菱鐵礦結(jié)核。當(dāng)潟湖發(fā)育到一定程度時，可出現(xiàn)水體雙層結(jié)構(gòu)，下部水體鹽度、密度高，逐漸缺氧后細(xì)菌大量繁殖且產(chǎn)生H2S，易形成還原環(huán)境，黃鐵礦發(fā)育，有利于有機(jī)質(zhì)沉積富集與保存。在潮濕氣候條件下，封閉的障壁島—潮坪—潟湖體系亦可發(fā)育大套煤層，潮坪中平坦的泥坪是發(fā)育煤層的最佳場所[48]。

典型潟湖沉積可見于華北二疊系太原組—山西組、湘中下石炭統(tǒng)測水組、川東二疊系龍?zhí)督M等[17,37,48-49]。石炭紀(jì)—二疊紀(jì)，華北板塊廣泛發(fā)育陸表海沉積體系，障壁島—潟湖環(huán)境分布范圍大，富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育、厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度高[17,50-51]。南華北盆地太原組潟湖相黑色頁巖TOC 含量0.95%～8.04%，平均2.67%[20,46]，鄂爾多斯盆地東緣山西組下部潟湖相頁巖連續(xù)厚度約30～40 m，TOC 含量1%～12%，平均3.6%（圖3）。南方揚子板塊二疊紀(jì)陸表海體系也廣泛發(fā)育，二疊系龍?zhí)督M中障壁—潟湖相頁巖TOC平均含量為3.57%，有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化系數(shù)A/C值為0.08～2.54，是最優(yōu)勢的頁巖氣富集段，頁巖氣聚集規(guī)模較大[25]。在二疊系龍?zhí)督M障壁—潟湖相頁巖上部發(fā)育良好煤巖，有利于頁巖氣的保存，可進(jìn)行煤層氣與頁巖氣聯(lián)合開采，實現(xiàn)“體積開發(fā)”[37]。

圖3 鄂東大寧吉縣地區(qū)大吉3-4 井山西組海陸過渡相頁巖沉積綜合柱狀圖Fig.3 Transitional facies DJ 3-4 well in the Shanxi Formation in the Daning-Jixian area, eastern Ordos Basin

4.2 富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積模式

迄今，針對海陸過渡相富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積模式的探索相對較少，本文以鄂爾多斯盆地東緣二疊系山西組海陸過渡相富有機(jī)質(zhì)頁巖為重點，提出了富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積模式。

鄂爾多斯盆地東緣大寧—吉縣地區(qū)大吉3-4 井鉆遇本溪組、太原組與山西組（圖3）。山西組山2段厚度50.5 m，其中黑色頁巖累計厚度36 m，占比大于70%，粉砂巖、細(xì)砂巖、中—粗砂巖單層厚度小于3 m，累計厚度約10 m，占比小于30%。

潟湖相頁巖主要發(fā)育在上下兩個層段2 135～2 145 m、2 155～2 165 m，連續(xù)厚度均為10 m左右，發(fā)育水平層理、菱鐵礦結(jié)核；附近的鄉(xiāng)寧剖面發(fā)現(xiàn)海相腕足類、放射蟲等化石，反映了間歇性海水侵入。2 131～2 137 m發(fā)育中—細(xì)砂巖，底部見明顯侵蝕面，砂巖發(fā)育雙向交錯層理，為潮道相沉積。高精度地球化學(xué)數(shù)據(jù)顯示（圖3），太原組灰?guī)rSr/Ba與Sr/Cu值高，顯示明顯的海相沉積特征。山西組頁巖具有高TOC 含量，與高Ni/Co、U/Th、Sr/Ba、Sr/Cu 等比值，反映平靜、半咸水—咸水弱還原水體、溫暖濕潤氣候，指示為弱水動力、弱還原的潟湖沉積環(huán)境，有利于有機(jī)質(zhì)沉積富集與保存。2 135～2 145 m頁巖段TOC含量與Ni/Co、U/Th、Sr/Ba、Sr/Cu 等比值均高于2 155～2 165 m頁巖段，海水侵入的特征更明顯，反映障壁島潮道口環(huán)境受海水影響程度更大，海水通過潮道口進(jìn)入潟湖，形成半咸水-咸水環(huán)境。

綜合巖相組合、沉積構(gòu)造、地化參數(shù)、古生物特征等，認(rèn)為鄂爾多斯盆地東緣大寧—吉縣地區(qū)山西組為典型的障壁島—潟湖沉積模式，垂向上整體以細(xì)粒成分為主，富有機(jī)質(zhì)頁巖連續(xù)厚度大，一般大于10 m，整體為潟湖相沉積?？勺R別出三種巖相組合（圖3，圖4）：1）障壁島潮汐水道相砂巖+潟湖相頁巖組合，2）三角洲河口壩相砂巖+潟湖相頁巖組合，3）沖溢扇相砂巖+潟湖相頁巖組合。其中，潮汐水道相砂巖為三套中—細(xì)砂巖疊置，單層厚度2～4 m，分別呈現(xiàn)向上變細(xì)韻律，砂體純凈、分選性好。砂巖中發(fā)育典型的魚骨狀雙向交錯層理，與下覆頁巖突變接觸，反映了潮汐環(huán)境下水體反復(fù)沖刷簸選。三角洲河口壩相為一套約3 m厚的細(xì)砂巖，單層厚度小于1 m，整體呈現(xiàn)明顯的向上變厚、向上變粗韻律，發(fā)育塊狀層理、槽狀交錯層理，是一套典型的三角洲平原—河口壩沉積序列。沖溢扇相為厚約1 m的細(xì)砂巖，層理不明顯，為暴風(fēng)浪時海水越過障壁島橫沖向陸方的潟湖一側(cè)而形成，分選中等，見貝殼碎屑，周邊泥坪環(huán)境有利于煤層形成。

值得注意的是，障壁島相、潮汐水道相與河道相、三角洲分流河道相具有相似的沉積學(xué)特征。例如，潮道沉積具有明顯的侵蝕下切面，砂體發(fā)育交錯、板狀層理，整體呈現(xiàn)向上變細(xì)的韻律，多層潮溝砂巖疊置，厚度可達(dá)30～40 m[53]?？紤]到障壁—潮坪—潟湖體系與河流—三角洲體系在巖性組合、沉積構(gòu)造、古生物組合、遺跡化石、地球化學(xué)參數(shù)等多方面的相似性，障壁島—潟湖體系有時被誤認(rèn)為河流—三角洲體系[17]。因此，在對石炭—二疊系海陸過渡相沉積研究時應(yīng)重點注意。

現(xiàn)代潟湖沉積研究表明：珊瑚礁潟湖水深一般不超過60 m，印度洋Mayotte 島潟湖的水深最大，為92 m。潟湖寬度最大100 km，平均20 km。障壁島—潟湖一般為長條形，全球13%的海岸線發(fā)育障壁島—潟湖體系[54]（表3），潟湖面積可超過10×104km2。美國東海岸約1/2 的海岸線發(fā)育障壁—潟湖沉積體系，障壁島連續(xù)長度達(dá)1 500 km，障壁島后向陸方向發(fā)育一系列復(fù)合潟湖。潟湖沉積速率較大，美國Texas潟湖沉積速率約為0.01 m/年[54]。中國亦發(fā)育大量潟湖現(xiàn)代沉積，有些海岸線障壁島—潟湖的比例超過20%，例如灤河三角洲、山東半島、長江三角洲等[50]。

潟湖的發(fā)育受構(gòu)造、氣候、海平面控制，可以因河流、三角洲沉積物輸入而改變。在干旱封閉的潟湖中，當(dāng)蒸發(fā)量大于輸入量時，發(fā)育石膏、鹽巖以及干縮裂紋等相關(guān)沉積構(gòu)造。半封閉或有大型海侵導(dǎo)致海水輸入時，古生物組合、水體鹽度都將受到明顯影響。

上述現(xiàn)代沉積研究可知（圖5），海陸過渡地區(qū)障壁島—潟湖體系的發(fā)育程度、發(fā)育規(guī)模可能遠(yuǎn)超目前的認(rèn)識，潟湖相頁巖是重要的頁巖氣有利相帶。

4.3 頁巖氣儲層特征

鄂爾多斯和四川盆地30 余口井統(tǒng)計表明：海陸過渡相頁巖具備形成優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層的基本條件，即存在高TOC 含量頁巖集中段，發(fā)育微納米級孔—縫體系，富含石英等脆性礦物，含氣量高，地層壓力適中等[4]。據(jù)鄂爾多斯盆地東緣大吉51井，山西組山2段頁巖厚40～80 m，TOC含量1.0%～3.0%，其中潟湖相頁巖段TOC含量2%～12%，平均3.7%。Ro為1.5%～2.6%，處于生氣高峰階段。鄂爾多斯盆地東緣大吉3-4井山2段頁巖厚36 m，TOC含量1%～12%，其中潟湖相頁巖段TOC 含量4.2%～15%，平均5.7%，Ro為1.6%～3%，生氣潛力大。

圖4 鄂爾多斯盆地東緣海陸過渡相富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積模式（據(jù)文獻(xiàn)[52]修改）Fig.4 Sedimentary model for the organic-rich shales of transitional facies in eastern Ordos Basin (modified from reference [52])

表3 全球障壁島—潟湖海岸線分布Table 3 Global barrier-lagoon coastline distribution

海相頁巖中有機(jī)質(zhì)孔是優(yōu)勢儲集空間孔隙類型之一，海陸過渡相頁巖中有機(jī)質(zhì)孔、無機(jī)質(zhì)孔均衡發(fā)育，有機(jī)質(zhì)孔隙比例相對海相要低。198個樣品分析結(jié)果（圖6a），海陸過渡相頁巖氣儲層孔隙孔體積14.9～26.7 uL/g，小于海相頁巖14.3～35.8 μL/g，高于陸相頁巖2.4～25.6 μL/g。390個樣品分析結(jié)果（圖6b），海陸過渡相頁巖氣儲層孔隙孔徑分布5～11.4 nm，其中潟湖相頁巖儲層孔隙分布2～50 nm。海陸過渡相頁巖與海相頁巖儲層孔隙的孔徑相當(dāng)4.6～11.1 nm，小于陸相頁巖儲層孔隙孔徑5.8～20.3 nm。海陸過渡相頁巖孔隙度0.7%～6.3%（圖6c），與陸相頁巖2.1%～5.2%相當(dāng)，小于海相頁巖2.1%～7.4%。其中潟湖相頁巖儲層孔隙度1.2%～9%，平均2.53%。

圖5 全球現(xiàn)代障壁島—潟湖海岸分布（據(jù)文獻(xiàn)[54]修改）Fig.5 Global barrier-lagoon coastline distribution (modified from reference [54])

海陸過渡相頁巖黏土礦物含量30%～60%，石英+長石的含量30%～40%（圖6d），其中潟湖相頁巖石英+長石含量30%～62%，平均38%。海陸過渡相垂向上頁巖、粉砂巖、砂巖、煤巖互層，夾于頁巖之間的粉砂巖、砂巖夾層可提高可壓性。事實上，脆性較低的頁巖也可以是優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)層，如北美Niobrara頁巖中夾高孔高滲的白堊為主要產(chǎn)層，阿根廷Vaca Muerta頁巖脆性指數(shù)比Los Molles頁巖低，但頁巖油氣主要產(chǎn)自Vaca Muerta頁巖[55]。

鄂東緣海陸過渡相頁巖含氣量為1.38～5.66 m3/t，平均2.63 m3/t[4]。四川盆地龍?zhí)督M總含氣量0.56～8.78 m3/t，平均2.02 m3/t[3]。海陸過渡相頁巖埋深相對較淺，鄂爾多斯盆地東緣石樓西地區(qū)埋深1 600～2 600 m，壓力系數(shù)0.95～1.05，以常壓為主[3]。

由上可知，受海陸交互環(huán)境影響，海陸過渡相頁巖儲層非均質(zhì)性強(qiáng)，潟湖相頁巖整體有機(jī)質(zhì)含量高，生氣潛力大，儲層中含粉砂巖、砂巖等夾層，可成為有利產(chǎn)氣層的重要組成部分，且有利于水力壓裂。因此，海陸過渡相頁巖氣勘探開發(fā)應(yīng)主要聚焦于潟湖相富有機(jī)質(zhì)頁巖及整套頁巖層系。

5 海陸過渡相頁巖氣新發(fā)現(xiàn)及前景

5.1 海陸過渡相頁巖氣新發(fā)現(xiàn)

我國油氣勘探家及相關(guān)學(xué)者們高度關(guān)注頁巖油氣資源潛力和勘探開發(fā)前景。北美頁巖油氣資源以海相頁巖層系為主[56-59]（圖7），海陸過渡相頁巖氣僅在圣胡安等盆地白堊系Lewis 頁巖中有生產(chǎn)。近年來，我國頁巖氣勘探開發(fā)在海陸過渡相頁巖氣取得了一系列新發(fā)現(xiàn)（圖7～9、表4），主要石油企業(yè)、自然資源部等在鄂爾多斯盆地東部太原組、山西組實施了大量鉆探，獲得了直井最高測試產(chǎn)量超過0.5×104m3/d、水平井最高測試產(chǎn)量超過6×104m3/d 的工業(yè)頁巖氣流。南華北盆地中牟凹陷山西組、湘中漣源凹陷龍?zhí)督M3口井獲穩(wěn)定的低產(chǎn)頁巖氣流。沁水盆地、中揚子地區(qū)、下?lián)P子地區(qū)及四川盆地等地區(qū)及盆地所鉆評價井二疊系均見良好頁巖氣顯示，巖芯實測含氣量最高達(dá)到8.78 m3/t。此外，四川盆地川東北、川東南50多口常規(guī)天然氣老井二疊系龍?zhí)督M頁巖段氣測異常、井涌、井噴等非?；钴S的氣顯示。上述勘探成果充分展現(xiàn)了我國海陸過渡相良好的頁巖氣資源潛力和勘探前景。

圖6 海陸過渡相、海相、陸相頁巖氣儲層（a）孔體積、（b）孔徑、（c）孔隙度、（d）礦物含量統(tǒng)計圖Fig.6 Pores characteristics, porosity and mineral composition of transitional, marine, and continental shale gas

圖7 全球典型頁巖氣層系與巖性組合Fig.7 Lithological associations of global typical shale gas strata

表4 我國海陸過渡相頁巖氣勘探成果統(tǒng)計表Table 4 Explorational results of main Chinese transitional shale gas

我國海陸過渡相頁巖氣勘探開發(fā)程度非常低，整體處在早期評價階段。目前主要以我國鄂爾多斯盆地為重點，在其東緣山西組開展了大量勘探開發(fā)工作，一批直井與水平井測試獲工業(yè)頁巖氣流，多口水平井投入生產(chǎn)，達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，初步實現(xiàn)了海陸過渡相頁巖氣勘探突破，發(fā)現(xiàn)了山2 3亞段底部發(fā)育海陸過渡相頁巖氣“甜點”段。針對該頁巖氣“甜點”段，2019 年中國石油完鉆了海陸過渡相頁巖氣水平井—吉平1H 井（圖9）。該井水平段長1 760 m，含氣頁巖累計長度1 427 m，含氣頁巖鉆遇率81.08%。該井2020 年8 月24 日投產(chǎn)，截止2020年12 月14 日，累計產(chǎn)氣288.8×104m3，折日產(chǎn)氣量2.7×104m3，最高日產(chǎn)量3.65×104m3，預(yù)測動態(tài)可采儲量6 484×104m3，單井EUR 為4 440×104m3，展示出良好開發(fā)前景。

5.2 海陸過渡相頁巖氣前景展望

我國海陸過渡相頁巖集中發(fā)育在石炭—二疊系，主要分布在華北板塊、揚子板塊的盆地中（圖7，圖8）。華北板塊石炭紀(jì)—二疊紀(jì)海陸過渡相頁巖的富集受陸表海環(huán)境控制，呈廣覆式分布，具東西延展、南北分異的特征[60-61]。陸表海環(huán)境下臺地體系、障壁—潟湖體系、潮坪—三角洲體系呈帶狀分布（圖10），巖性為灰?guī)r、頁巖、砂巖、煤層等交互。華北板塊障壁沙壩廣泛分布，板塊中部總體為潟湖沉積環(huán)境[60-61]，頁巖氣勘探開發(fā)有利領(lǐng)域廣闊。

南方揚子板塊二疊紀(jì)經(jīng)歷了持續(xù)性的海侵過程，海侵來自于北西與南西兩個方向。受康滇古陸抬升的影響，形成了上揚子地區(qū)整體西高東低的格局，由西向東依次發(fā)育陸相沖積—河流沉積體系、海陸過渡相三角洲—潮坪、潟湖沉積體系、海相碳酸鹽臺地沉積體系[46]。四川盆地二疊系沉積環(huán)境自西南向東北依次為河流、沼澤、潮坪—潟湖、臺地和陸棚[3]，龍?zhí)督M海陸過渡相頁巖主要分布在川中—川南，富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度20～80 m，展布面積約18×104km2，是海陸過渡相頁巖氣勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域。

圖8 中國海陸過渡相典型頁巖氣井與有利區(qū)預(yù)測圖（據(jù)文獻(xiàn)[37]修改）Fig.8 Typical transitional facies shale gas wells and prediction of favorable areas in China (modified from reference[37])

圖9 鄂爾多斯盆地典型頁巖氣井地質(zhì)特征與生產(chǎn)特征（a）大吉51井測井解釋成果圖；（b）吉平1H井測井解釋成果圖；（c）吉平1H井生產(chǎn)曲線Fig.9 Geological and production characteristics of typical transitional shale gas well in the Ordos Basin

圖10 華北地區(qū)石炭—二疊紀(jì)陸表海古地理格局（據(jù)文獻(xiàn)[17]修改）Fig.10 Carboniferous-Permian epi-continental paleogeographic pattern in the north China (modified from reference[17])

同時，全球多個大產(chǎn)氣區(qū)，例如埃及尼羅河三角洲、緬甸伊洛瓦底三角洲、孟加拉灣恒河三角洲、澳大利亞西北陸架等，烴源巖都是海陸過渡相碳質(zhì)頁巖、煤巖，III型干酪根產(chǎn)出了豐富的天然氣[29-30,47]。國內(nèi)多位學(xué)者提出海陸過渡相烴源巖是大陸邊緣盆地最有利的烴源巖類型，成藏條件優(yōu)越[29-30]，海陸過渡相烴源巖以III型干酪根為主，生烴（氣）能力強(qiáng)，可能是未來頁巖氣勘探開發(fā)的重要接替層系。

6 結(jié)論

（1）海陸過渡相是海陸過渡環(huán)境的產(chǎn)物，空間上處于海相環(huán)境與陸相環(huán)境的過渡帶，劃分為5 類：三角洲相、河口灣相、障壁島相、潟湖相與潮坪相。國外海陸過渡相頁巖氣層系僅見于少數(shù)盆地的中新生界，我國海陸過渡相頁巖氣層系較多，且集中發(fā)育在石炭系—二疊系，主要分布在鄂爾多斯盆地與四川盆地。

（2）海陸過渡相富有機(jī)質(zhì)頁巖主要發(fā)育在潟湖相、前三角洲亞相與三角洲平原亞相，尤以潟湖相為主。潟湖相分布面積大，是富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積的最有利相帶，具備形成頁巖氣“甜點”儲層的關(guān)鍵條件。海陸過渡相富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積模式為障壁島—潟湖沉積模式，即障壁島有利于形成封閉—半封閉的潟湖水體環(huán)境，并造成潟湖水體分層，底部形成缺氧條件，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)大規(guī)模沉積富集與保存。

（3）我國海陸過渡相頁巖氣勘探開發(fā)程度非常低，整體處在早期評價階段，近些年來通過加強(qiáng)勘探取得了一系列新發(fā)現(xiàn)。鄂爾多斯盆地東緣已初步實現(xiàn)了海陸過渡相頁巖氣勘探突破。我國海陸過渡相富有機(jī)質(zhì)頁巖在鄂爾多斯和四川等盆地廣覆式分布，具備良好的頁巖氣資源潛力和勘探開發(fā)前景。海陸過渡相頁巖層系常與煤層伴生，可實現(xiàn)頁巖氣與煤層氣“體積開發(fā)”，有助于我國天然氣產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量大發(fā)展。

致謝 本文在研究和撰寫過程中，得到中國石油勘探開發(fā)研究院、國家能源頁巖氣研發(fā)（實驗）中心、中石油煤層氣有限責(zé)任公司的大力支持,以及中國科學(xué)院鄒才能院士、戴金星院士的悉心指導(dǎo)，在此一并致謝。