页岩气——来自6亿年前地层的宝藏学术资讯

2017年5月，位于鄂西的鄂宜页1井放喷点火，刹那间熊熊烈火从管道口喷涌而出，火焰最高达4.5米。经测试，获得了寒武系页岩气高产气流，实现了长江中游页岩气勘探的重大突破。在此后的一年多时间中，在鄂西地区的志留系和震旦系地层里也相继获得稳定的页岩气气流。一个来自6亿年前地层的宝藏——迄今全球最古老的页岩气藏，逐渐呈现在我们面前。

一、页岩气的形成

页岩气实际上是一种以甲烷（CH4）为主要成分的非常规天然气，它主要是由生物遗体的脂类成分在一定的条件下分解而来。在距今约6亿年前，海洋比陆地面积大，当时的海洋里生活着大量细菌、藻类和浮游动物，它们不断地繁衍生息，死亡后和泥土混在一起沉入海底，然后一层层地堆积起来，在后来堆积的泥土的挤压下形成像书页一样含化石的岩石（图1），也就是页岩。

图1 炭质页岩以及生物化石

随着这些页岩被上部堆积物掩埋的越来越深，页岩所承受的温度和压力逐渐增大，而其中生物遗体在温度和压力的双重作用下，慢慢腐烂、分解，遗体里的油脂类成分就会首先形成我们生活中用到的石油。当它们所处环境的温度和压力持续升高后，这些油脂和原来先形成的石油就会进一步分裂成以甲烷为主的气体。这些分解出来的气体如果没有散逸而保留在页岩中，便可形成页岩气。

科学研究表明，页岩层有一个埋深演化的过程（图2）。在距今6.3－5.4亿年间，湖北宜昌曾是一片汪洋大海，海水分层特征明显。当时在海洋上部或表层水体浮游的微生物异常丰富，但海底普遍缺氧，而且底部水体中富含甲烷，这使得微生物死亡后遗体沉积到海底很容易被保存下来。随着时间的推移，生物遗体和沉淀下来的泥沙一起堆积形成了书页一样的岩石。日积月累，这些页岩上面堆积的岩石层越来越厚，而被深深地埋藏了下来。大约在距今4.8亿年前，它们被埋到了2500米的深度。页岩的温度和压力不断升高，岩石里面的生物遗体开始分解，逐渐生成了石油。随着时间的继续推移，大约在2.5亿年前，它们被埋藏到了4000米以下的深度，地下的温度和压力进一步升高，先前形成的石油和这些生物遗骸便开始分解成气体，保存在页岩中也就形成了页岩气。

图2 鄂宜页1井区页岩地层埋藏深度随时间变化简图

二、页岩气的储集

既然这些气体都是由生物遗体演变而来，那它们都储存在哪里呢？地球上的岩石绝大多数都是非常致密的，页岩也是如此，但这并不代表这些页岩里面没有空隙。事实上，我们肉眼看到的看似密不透风的岩石，到处都有孔隙和缝隙。科研人员借助显微镜和扫描电镜等实验设备就可以清楚地看到很多微裂缝和纳米级的孔隙（图3）。它们密密麻麻分布于整个页岩中，而那些由生物遗体分解形成的气体就储存在这些孔隙和裂隙里面，所以也被称为页岩气。当生物遗体分解的气体不断增多，气体在这些微小孔隙中也会越积越多，最后几乎所有含生物遗体的页岩都不同程度地存储有气体，再加上页岩分布面积广，厚度大，页岩中也就形成了看似很少，但实际储量规模很大的页岩气宝藏。

图3 微观视野下的页岩孔隙与裂缝

三、页岩气的保存

页岩气在生成之后并不是都能够保存下来。页岩气的保存就如同在亿万年前用器皿存储雨水一样，需要有一个好盖子把它盖住，而且还要确保历经数亿年的地质历史过程中，器皿和盖子都不能被破坏，否则页岩气就会逸散直到消失。因此，页岩气虽然生成了，并存储在岩石孔隙当中，但它还需要一个更致密的、厚厚的、完整的岩石层把它捂住、盖好才能保存下来（图4）。

图4 不同条件下的页岩气保存与散逸示意图

四、鄂宜页1井的科学意义

鄂宜页1井压裂测试，获得的高产页岩气工业气流来源于5亿4千万年前形成的的寒武系水井沱组，其下部还发现有厚度超过100米,形成于6亿年前的震旦系陡山组的页岩气藏，后者是继威远气田之后所发现的目前世界上最古老的页岩气藏。它们的发现和勘探突破进一步证实了我国南方地区海相地层寒武系天然气勘探前景以及震旦系天然气成藏潜力。