页岩

页岩（Shale），沉积岩的一种，指主体由粒径小于0.0625mm的颗粒构成的、页理发育的细粒沉积岩^[1]。页岩层理、层面构造较为明显，具有低渗透性、吸附性、吸水膨胀性等物理特性；硬度普遍较低，一般在1.5～3^[注1]；表面光泽暗淡，含有机质的呈灰黑、黑色，含铁的呈褐红色、棕红色、黄色或绿色^[5]。

页岩成分复杂，除黏土矿物（如高岭石、蒙脱石、水云母、拜来石等）外，还含有许多石英、长石、云母以及铁、铝、锰的氧化物与氢氧化物等^[6]。页岩的形成主要是泥质沉积物经过压实、胶结、溶蚀、有机质成熟、黏土矿物转化等成岩作用后，逐渐固结而成^[7]。根据其成分的不同，可分为黑色页岩、碳质页岩、硅质页岩、铁质页岩、砂质页岩、油页岩等^[6]。在时间上，从震旦系到新近系不同年代地层均有发育；在空间上，不同国家和地区均有分布；在形成环境上，海相、陆相和海陆过渡相不同沉积环境均可形成。^[5]

由于页岩的低渗透性，在地下水分布地区，页岩往往能够作为隔水层出现。同时，页岩是页岩气、页岩油等非常规油气资源赋存的母体，既是生气（油）源岩，也是储集岩^[5]。非常规油气资源作为清洁能源的重要组成部分，是保障能源安全、调整能源结构、推进能源转型的重要基础。未来，其将成为常规油气资源的重要战略接替^[8]。目前，关于页岩的富集成藏理论、储层改造技术、勘探开发技术等方面的研究已取得重要成果。^[9][10][11]

页岩（Shale），主体由粒径小于0.0625mm的颗粒构成的、页理发育的细粒沉积岩^[1]，是黏土岩的一种。黏土岩矿物学概念指以黏土矿物为主（含量＞50%）的沉积岩，结构概念指粒度在0.005mm或0.0039mm以下，甚至于在0.001mm以下的组分含量大于50%的沉积岩，具纹层或页理构造的黏土岩为页岩，否则为泥岩^[2]。

托特莱特（Tourtelot）曾对页岩的成因及名词的用法作过详细的评述，指出“页岩”这个术语原意是指具有纹理的黏土质岩石，多是由黏土、粉砂或粉泥的固结而形成的细屑沉积岩。^[5]

页岩的物质成分比较复杂，包括陆源矿物、自生矿物、生物碎屑以及有机质等不同类型的物质。^[5]

碎屑矿物

页岩中常含有一些黏土级别的碎屑矿物颗粒，多为石英、燧石、长石、云母，除此之外还会出现碳质碎屑、铁类氧化物、硫化物以及少量的重矿物，其中最主要的碎屑矿物是石英和长石。这些碎屑矿物均是陆源区母岩机械破碎的产物，因此可以根据碎屑矿物的组成推断物源区位置、母岩类型及成分等。在典型的黏土岩中，碎屑矿物的含量极少。据分析统计资料，黏土岩中的石英碎屑含量很少超过0.1%，几乎全是单晶石英，圆度差，边缘模糊，常呈伸长状。^[5]

黏土矿物

黏土矿物是一种含水的硅酸盐或铝硅酸盐矿物，在页岩中常见的黏土矿物是高岭石、埃洛石、蒙皂石、伊利石、绿泥石。^[5]

高岭石

高岭石属于高岭石族典型的矿物代表，主要成分为Al4(Si4O10)(OH)8，三斜晶系，多为隐晶质致密块状或土状集合体。高岭石通常为白色，因混有杂质可能出现深浅不同的黄、褐、红、绿、蓝等各种颜色。相对密度为2.61g/cm3，硬度在2.0～3.5，易被捏碎成粉末，加水具有可塑性。长时间沸腾下能完全溶于H2S04，不溶于稀盐酸。高岭石加热会脱水失重，其结构水主要在400～525℃脱失，在400℃以下和525℃以上无显著脱水现象。^[5]

埃洛石

埃洛石族有埃洛石、铁埃洛石、变埃洛石三种主要矿物，和高岭石类似，又名多水高岭石、叙永石，单斜晶系，是一种硅酸盐矿物。埃洛石的化学式为Al2(Si2O5)(OH)4·(1~2)H2O，与高岭石类似，但埃洛石的堆积方式不同于高岭石。埃洛石是典型的风化作用的产物，在风化壳中常与高岭石、三水铝石和水铝英石等共生。^[5]

蒙皂石

蒙皂石族包括蒙皂石、拜来石、囊脱石、皂石四种主要矿物，又名“胶岭石”或“微晶高岭石”，晶体结构属于2:1型层状硅酸盐，其成分为(Al2，Mg3)(Si4O10)(OH)2·nH2O，其中H2O为层间水，数量可因外界温度不同而变化，从而使其晶体膨胀或收缩，但晶格并不改变。目前已证明其成分中的Al被其他阳离子代换得越少，其晶体的膨胀收缩性越强。蒙皂石常与伊利石、埃洛石、高岭石共生，另外在基性岩风化壳和其有关的沉积物中还经常与海泡石族矿物共生。^[5]

伊利石

伊利石族包括伊利石、海缘石两种主要矿物。伊利石的成分可写作K＜1(Al,Fe,Mg)2[(Si,Al)4O10]·nH2O，伊利石主要是在气温稍低的条件下由长石、云母等铝硅酸盐矿物化学分解而成。当气候变得湿热的时候，化学风化作用会进行得更彻底，碱性离子(K+)会被带走，伊利石将进一步分解为高岭石。伊利石也可以形成于低温热蚀变作用或成岩、后生作用阶段由其他黏土矿物转变而来。^[5]

绿泥石

绿泥石可分为正绿泥石（富镁绿泥石）和鳞绿泥石（富铁绿泥石）。正绿泥石的成分可写作(Mg,Fe)6-p(Al,Fe)p[(Al,Fe)pSi4-pO10](OH)8，常见的矿物有叶绿泥石、斜绿泥石、铁绿泥石、脆晶绿泥石、频绿泥石等。鳞绿泥石的成分可写作(Fe,Mg)n-p(Fe,Al)p[(Fe,Al)pSi4-pO10](OH)₂(n-2)·xH2O，其中n值常为5，p值比正绿泥石的大，常见的矿物有鲕绿泥石、细鳞绿泥石等。绿泥石主要是中、低温热液作用、浅变质作用和沉积作用的产物，富铁绿泥石主要沉积在铁矿中，海相沉积环境下多产生鲕ér绿泥石。绿泥石的单晶形态呈薄六角板状或叶片状，常见粒径为2～3mm；集合体有叶片组成的蜂窝状、玫瑰花朵状、绒球状、针叶状和叠片状。一般针叶状绿泥石多呈孔隙衬垫包于颗粒表面，绒球状和玫瑰花状的绿泥石则充填在孔隙中。^[5]

海泡石

海泡石族包括海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石三类主要矿物。海泡石是一种纤维状的含水硅酸镁，斜方晶系或单斜晶系，电镜下具层链状结构，化学式为Mg8(H2O)4(Si6O16)2(OH)4·8H2O。干燥状态下脆性强，收缩率低、可塑性好、比表面积大、吸附性强，可溶于盐酸，质轻。海泡石具有极强的吸附、脱色和分散等性能，热稳定性极高，耐高温性可达1500～1700℃。海泡石具有非金属矿物中最大的比表面积（最高可达900m2/g）和独特的孔道结构，是公认的吸附能力最强的黏土矿物。海泡石经常和海相石灰岩伴生。^[5]

其他矿物

除高岭石、埃洛石、蒙皂石、伊利石、绿泥石、海泡石外，黏土矿物还包括硅酸水凝胶、水化氢氧化铁、水化氢氧化铝、水铝石英等非晶质矿物。^[5]

自生矿物是指岩石中孤立分散的矿物晶体，对碎屑物不起胶结作用的一类矿物。自生矿物是在沉积岩形成（沉积和成岩）的过程中生成的，主要是铁、锰、铝的氧化物和氢氧化物矿物、碳酸盐矿物、硅酸盐矿物、黏土矿物及氧化硅矿物等，也有一些石膏、黄铁矿、磷灰石和石盐等。^[5]

自生粒状矿物

页岩中的自生粒状矿物包括铁、锰、铝的氧化物或氢氧化物矿物（赤铁矿、褐铁矿、水针铁矿、软锰矿、水铝石等）、碳酸盐矿物（方解石、白云石、菱铁矿等）、硅酸盐矿物（钾长石、钠长石、斜长石等）、氧化硅矿物（蛋白石、自生石英等）、氯化物矿物（石盐、钾盐等）、硫酸盐矿物（石膏、硬石膏）、磷酸盐矿物（磷灰石）等，矿物形态呈粒状，颗粒直径一般都比较小。矿物生成的形态主要与组成页岩的化学成分、沉积和成岩环境（温度、压力、pH值）有关。如黄铁矿一般呈草莓状、团块状、结合状，或者呈自形相对较好的立方体状发育。^[5]

自生黏土矿物

自生黏土矿物是碎屑岩中重要的填隙物，自生黏土矿物的主要类型包括高岭石、蒙皂石、伊利石、绿泥石等。自生黏土矿物的形成主要是页岩在成岩过程中，由于地层中的水体与页岩中所含的黏土矿物或硅酸盐矿物在特定的温压条件下发生化学反应，从而形成了新的黏土矿物，如高岭石、蒙皂石的伊利石化和绿泥石化。自生黏土矿物的赋存状态是指黏土矿物分布特征及其与岩石骨架颗粒之间的相互关系，主要表征黏土矿物在页岩矿物间或孔隙中的存在位置，以及黏土矿物本身的聚集状态。一般可借助扫描电镜、X射线行射、电子探针和微区矿物分析仪等表征手段对自生黏土矿物进行分析。^[5]

生物碎屑是指经过搬运和磨蚀或在沉积盆地形成的生物化石碎屑及完整的生物化石个体，一般也泛指生物死后的骨骼壳体等形成的碎屑，后与沉积物一起沉积成岩，包括动物碎屑或完整个体、植物碎片或完整个体。在页岩中，生物碎屑既是有机质的组成部分，也是岩石矿物组成的一部分。生物碎屑构成的空间形态的显微结构可归纳为四种类型：粒状结构、纤状结构（柱状结构）、片状结构及单晶结构。^[5]

针对早古生界页岩气研究发现，硅质含量和有机质含量、含气量之间呈正相关，由此推测该部分硅质可能与生物成因有关，生物成因硅（有机硅）也是富有机质页岩重要的组成部分。页岩中存在的生物成因硅，对页岩气富集和开发具有非常重要的意义。一方面，生物成因硅质含量与有机质含量之间存在正相关关系，由于硅质生物生长发育需要大量的硅，使得生物发育的水体富含硅质，同时由于硅质生物死亡后埋藏和保存，有利于形成富有机质页岩。另一方面，生物成因硅质作为脆性矿物的一种，对页岩岩石力学性质有影响。页岩硅质含量越高，脆性越强，越有利于压裂改造，从而形成复杂的裂缝网络，改善页岩的渗透性。^[5]

页岩中常含有数量不等的有机物质，而有机物的丰度以岩石中剩余有机碳含量氨基酸总量及氨基酸总量与剩余有机碳的比值作为衡量标准。剩余有机碳、氨基酸总量越高，氨基酸总量与剩余有机碳比值越低，则有机质丰度越高，页岩的生烃能力越强，烃源岩品质越好。由于有机物在受限制的环境下易于保存，此类页岩多呈深灰、灰黑、黑色，多形成于安静、低能的还原环境，如潟湖、海湾、海湖、深水盆地。这种环境也有利于硫化铁的生成，因此硫化铁矿物（如黄铁矿）常与富有机质的暗色泥页岩共生。^[5]

干酪根是页岩中的主要有机质，占沉积有机质的90%～98%，具有不溶性。干酪根的类型可以根据有机质的显微组分通过TI指数（干酪根类型指数）来判断，显微组分主要包括腐泥组、镜质组、壳质组、惰质组四大类。^[5][12]腐泥组包括藻质体和无定形体；镜质组包括结构镜质体和无结构镜质体；壳质组包括孢粉体、树脂体、角质体、木栓体、表皮体；惰质组包括丝质体。^[5]

页岩的成岩阶段指泥质沉积物沉积后经各种成岩作用改造直至变质作用之前所经历的不同地质历史演化阶段，可划分为同生成岩阶段、早成岩阶段、中成岩阶段、晚成岩阶段和表生成岩阶段。^[7]

同生成岩阶段

同生成岩阶段是指沉积物沉积后尚未完全脱离上覆水体时发生的变化与作用的时期。^[7]

早成岩阶段

早成岩阶段指沉积物已基本上与上覆水体脱离，在一定的温度、压力条件下，使沉积物固结成岩。该阶段以压实、脱水等物理作用以及氧化还原化学作用为主。以浅埋、低温、有机质不成熟、存在大量膨胀性黏土矿物为特点。^[7]

中成岩阶段

沉积物处于有效埋藏深度以下（有效埋藏深度是指上覆层不仅完全覆盖下伏沉积层，并隔断下伏层内粒间水与底水的联系），以各种胶结作用为主。该阶段温度普遍小于240℃，有机质处于成熟-高成熟阶段，可生成大量油气，黏土矿物大量脱水，蒙脱石向伊利石转变。^[7]

晚成岩阶段

岩石在较高温度（240～400℃）及压力下，向变质方向发展，有机质过成熟，烃类裂解，片状矿物形成，伊利石在黏土矿物中占绝对优势。^[7]

表生成岩阶段

表生成岩阶段是指处于某一成岩阶段弱固结或固结的碎屑岩，因构造抬升而暴露或接近地表，受到大气淡水的溶蚀，发生变化与作用的阶段。^[7]

在成岩阶段内，沉积物和沉积岩的物质成分和结构构造均发生一系列变化，通常将此期间内引起沉积物和沉积岩发生变化的作用统称为成岩作用。页岩的成岩作用主要有压实作用、胶结作用、溶蚀作用、有机质成熟作用、黏土矿物转化作用等，这些作用都是相互联系和影响的，其综合效应影响和控制着页岩的发育历史。^[7]

压实作用

压实作用或物理成岩作用是指泥质沉积物沉积后在其上覆水体或沉积层的重荷下，或在构造变形应力的作用下，发生水分排出、孔隙度降低、体积缩小的作用。从整体上看，泥质沉积物中的压实作用是泥页岩中最重要的成岩作用，可以发生在成岩作用的各个时期，在沉积物埋藏的早期阶段表现得比较明显。它不仅使泥质沉积物固结成岩，而且使岩石的组成、结构和物性都发生变化。泥页岩压实作用主要有两种结构上的变化：①孔隙水被排出、孔隙度减小；②原生絮凝团被压破，形成趋于平行排列的片状质点。^[7]

胶结作用

胶结作用是指从溶液中以化学方式沉淀出物质，把碎屑颗粒和泥质物质胶结在一起的作用。这类化学沉淀物质在泥页岩中起胶结作用，称胶结物；但也有部分只是孤立分散的矿物晶体，对碎屑物不起胶结作用，这类矿物称为自生矿物。^[7]

泥页岩中的胶结物是在颗粒之间的孔隙水中化学沉淀出来的物质，一般是在成岩阶段形成的，在岩石中的含量不能大于50%。常见的胶结物有氧化硅矿物（主要是石英）、碳酸盐矿物（主要是方解石、白云石）、硫酸盐矿物（主要是石膏）、磷酸盐类矿物（主要是磷灰石和胶磷矿）。泥页岩中的自生矿物在岩石中呈孤立零散状或结核状分布，对碎屑颗粒不起胶结作用，大多数也是在成岩阶段形成的。这些自生矿物的种类多与胶结物相同，只是数量很少，无法产生胶结的效果。此外，还有其他一些常见的自生矿物，如黄铁矿、白铁矿等。^[7]

溶蚀作用

溶蚀作用是岩石中的组分在成岩过程中被流体局部溶解的作用。溶蚀作用产生的次生孔隙以碳酸盐溶蚀和长石溶蚀为主，形成粒内溶孔。按溶蚀的原因可分为有机酸溶蚀和碳酸溶蚀。有机酸对铝硅酸盐、碳酸盐和二氧化硅均可产生溶蚀作用，对铝硅酸盐的溶蚀主要通过羧酸阴离子对铝的络合，对碳酸盐的溶蚀主要是通过形成具有一定溶解度的羧酸钙。碳酸主要对碳酸盐产生溶蚀作用。有机酸的溶蚀能力是碳酸溶蚀能力的几倍到几十倍甚至上百倍。^[7]

有机质成熟作用

有机质成熟作用是在温度的作用下有机质发生热演化的作用。在沉积盆地中原始有机质伴随其他矿物沉积后，随着埋藏深度逐渐加大，地温不断升高，在缺氧的还原环境下，有机质逐渐发生一系列的变化。由于在不同深度范围内，有机质所处的环境和所受的动力因素不同，致使有机质所发生的反应性质及形成的主要产物都有明显的区别。有机质的成熟度可以通过一系列的指标来衡量，目前常用的指标是镜质体反射率。^[7]

黏土矿物转化作用

高岭石的形成与转化

高岭石的产状有的分布于长石颗粒表面，有的分布于裂缝及颗粒孔隙中以及在碳酸盐岩的溶孔、溶洞中。其成因与酸性水介质（有机酸和二氧化碳或与表生淋滤作用）有关。在埋藏过程中形成的高岭石晶形较好，呈书页状或蠕虫状，其结晶度较好。在表生作用下高岭石结晶相对较细，晶体较分散，结晶度也较差。^[7]

高岭石的转化：①高岭石在120-150℃变得不稳定，在有钾条件下将向伊利石转变；②在富铁、铁环境下向绿泥石转化；③在酸性水介质且在较高温度下向地开石转化。^[7]

蒙皂石的转化

随着埋深和温度的增加，泥页岩中的蒙皂石将逐渐向伊利石/蒙皂石（I/S）或绿泥石/蒙皂石（C/S）混层转变，在这过程中伴随着泥岩中孔隙水和层间水的脱出。蒙皂石存在两种演化途径，即在富钾的水介质条件下向I/S混层转变，或在富镁的条件下向C/S转变。^[7]

页岩结构是指组成岩石的各种组分的形状、大小、结晶程度以及颗粒之间的关系。依据颗粒大小及相对含量，采用“三级命名法”将富有机质页岩的结构分为泥质结构、含粉砂泥质结构、粉砂泥质结构。^[5]

泥质结构

泥质结构也称“黏土结构”，是指几乎全部由极细小（粒径<0.0039mm）的泥级黏土和碎屑组成，砂级（粒径0.0625～2mm）或粉砂级（0.0039～0.0625mm）碎屑小于10%的结构；具有泥质结构的岩石通常致密均一、质地柔软，用手触摸有滑腻感，用小刀切刮时，切面光滑，常呈鱼鳞状或贝壳状断口。^[5]

含粉砂泥质结构

含粉砂泥质结构是指泥级颗粒（粒径<0.039mm）含量为75%～90%，砂级或粉砂级颗粒含量在10%～25%的页岩结构。含粉砂泥质结构用手触摸具有粗糙感，刀切面不平整，断口粗糙。^[5]

粉砂泥质结构

粉砂泥质结构是指泥级颗粒含量为50%～75%，砂级或粉砂级颗粒含量为25%～50%的页岩结构。粉砂泥质结构用手触摸具有明显的颗粒，肉眼可见砂粒，参差状断口。^[5]

页岩构造是指组成岩石的各种组分的排列及空间充填方式。与其他碎屑岩类似，页岩的构造可分为宏观构造和显微构造两大类。^[5]

宏观构造

宏观构造主要包括各种层理构造以及层面构造。具体来说，前者包括水平层理、水平波状层理、块状层理、纹层状薄互层层理等；后者包括泥裂、雨痕、印痕、虫迹等。^[5]

水平层理是富有机质页岩中很常见的一种构造，指示静水环境。在炭质泥岩类与硅质泥岩类中，纹层常由黄铁矿组成，单个纹层厚度一般为1～2mm；在泥灰岩与钙质页岩中，纹层厚度不足0.5mm，由黑色炭泥质物质组成。^[5]

水平波状层理多分布在含炭的粉砂岩和泥质岩类中，主要是由粉砂质和炭泥质的含量不同所呈现出来的断断续续的微细水平波状层理，指示弱水动力条件。^[5]

块状层理多见于硅质岩中，层内不显示任何层理特征，岩石的岩性、粒度、颜色均一。这种层理的形成可能有两种情况，一是由于物质的种类和供应长期没有发生变化，沉积速度长期稳定形成；二是由于生物扰动的影响致使砂泥重新分配形成均一的层理。^[5]

纹层状薄互层层理主要是由于沉积物质粗细不同或有机质含量不同造成的，较粗的质点可达粉砂级，少量可达粗砂级。它们常由呈生物交代结构的黄铁矿显示或由有机质碎屑组成，这种层理可能是由于不同的沉积物组分沉积速度不同所形成的。^[5]

显微构造

显微构造是指在显微镜下页岩表现出来的微观构造，通常包括显微毡状构造、显微定向构造。^[5]

显微毡状构造是指由极细小的鳞片状或纤维状矿物错综交织杂乱排列而成的构造，在正交光下转动载物台，纤体交错消光。^[5]

显微定向构造是指由极细小的鳞片状或纤维状矿物沿层面定向排列而成的构造，在正交光下同时消光。^[5]

页岩具有黏土岩的一般特性，包括低渗透性、吸附性、吸水膨胀性等。页岩硬度一般在1.5～3，结构较为致密的页岩硬度可以达到4～5，但普遍硬度较低；表面光泽暗淡，含有机质的呈灰黑、黑色，含铁的呈褐红色、棕红色、黄色或绿色。^[5]

低渗透性

岩石的渗透性是指在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力^[13]。页岩由于颗粒细小，颗粒之间仅能形成微小的毛细管孔隙，其直径<0.2μm。在这种孔隙中，因流体与介质分子之间的巨大引力，在常温、常压条件下，液体在其中难以流动。在地下水分布地区，页岩往往能够作为隔水层出现。^[5]

吸附性

吸附性是指黏土矿物具有从周围介质中吸附各种离子、放射性元素及有机色素的能力。由于黏土矿物分子间力相互作用而产生的吸附称为物理吸附，与黏土的分散性有关；由黏土颗粒与介质的离子交换而产生的吸附被称为离子交换吸附，与黏土矿物的晶体结构有关。^[5]

吸水膨胀性

吸水膨胀性是指页岩吸水后体积增大的特性，黏土矿物具有极强的吸水能力，它是黏土矿物水化作用的表现。黏土矿物的水化作用可以分为两个阶段，第一阶段是黏土吸附的交换性阳离子的水化，第二阶段是黏土矿物晶体层面的水化。页岩中的蒙皂石吸水膨胀性能最强。^[5]

脆性

一般称断裂前的塑性变形量在5%以下的材料为脆性材料，脆性材料在弹性范围内或弹性变形后立即破裂，即在破裂前没有或有极小的塑性变形，材料的这种性质称为脆性^[14]。页岩由于其矿物组成一般由石英、长石、黄铁矿、碳酸盐岩类矿物等组成，在受到外力作用时，一般会在较短时间内发生破裂，或很少通过塑性变形而发生破裂，具有一定的脆性。其脆性程度一般由脆性矿物组成的比例、岩石的力学性质等因素决定。^[5]

其他特性

页岩抗风化能力较弱，在地形上往往易受侵蚀形成洼地。^[5]

页岩的化学特征包括有机地球化学特征和无机地球化学特征两大类。有机地球化学特征包括页岩的有机碳含量、有机质类型及页岩的成熟度。无机地球化学特征是指页岩无机化学成分，包括SiO2、Al2O3、H2O。一般情况下，页岩的SiO2含量为45%～80%，Al2O3含量为12%～25%，Fe2O3含量为2%～10%，CaO含量为0.2%～12%，MgO含量为0.1%～5%。页岩的平均化学成分与岩浆岩的平均化学成分相似，而一些单成分的黏土质页岩则彼此相差较大，如高岭石页岩中Al2O3含量较高，MgO在海泡石中最为富集，伊利石含量较高的页岩中K2O含量较高，因此黏土矿物的成分对页岩的化学性质影响很大。^[5]

敏感性

页岩的敏感性是指泥页岩的孔隙度和渗透率等物理参数随环境条件（温度、压力）和流动条件（流速、酸、碱、盐和水等）改变而改变的性质^[7]。一般页岩因流体流动速度变化，会引起页岩储层中微粒迁移而堵塞喉道，导致储层岩石渗透率发生变化。页岩一般会因矿化水的注入而引起储层黏土膨胀、分散、迁移，会使得渗透通道发生变化，导致储层岩石渗透率发生变化。由于含有一定含量的碳酸盐岩成分和黏土成分，页岩与酸液或碱液接触，会发生沉淀或者分散现象，也会导致储层渗透率发生变化。一般，由于构造或者应力作用，页岩会发生应力形变，孔喉通道、裂缝形态等也会发生张开或闭合变化，引起储层渗透性发生变化。^[5]

含油气性

含油气性是指储集层孔隙中油气的相对数量^[15]。页岩中一般含有不同含量的有机质，同时也因有机质含量的不同和物性条件的差异而呈现一定的油气显示。在陆相、海相和海陆过渡相不同沉积环境形成的页岩，有机质的类型和含量一般有所不同。同时，地质年代和热演化过程对页岩有机质的演化和生烃有较大影响。由于含有机质页岩具有一定的生烃能力，同时页岩本身也具有一定的储集性能，一般在页岩中会有烃类残留、显示含油气性。^[5]

环境指示性

页岩的环境指示性是指页岩中的矿物成分及含量对沉积环境、风化和气候环境有指示意义。一般，黏土矿物等易风化矿物含量较高，指示离物源较远；石英等难风化矿物含量较高，指示离物源较近。同时由矿物的颗粒形态、排列方式、胶结程度及特殊矿物的含量等也能判断其沉积环境。^[5]

硅质页岩

硅质页岩是指SiO2含量在85%以上的页岩^[3]，含有较多的玉髓、蛋白石等^[6]，可逐渐过渡为生物化学成因的硅质岩。硅质页岩中的硅质并非碎屑石英，其硅质来源有陆源的SiO2胶体、海底火山喷发的硅质页岩、生物成因的硅质页岩，其中生物成因的硅质页岩，如硅藻土页岩有很高的工业应用价值，广泛地用作食品工业的漂白剂、净化剂和橡胶工业的充填剂^[3]。硅质页岩风化形成的土壤与石英砂岩形成的土壤类似，植物养分较少。^[6]

铁质页岩

铁质页岩是一种含少量铁的氧化物、氢氧化物及菱铁矿、海绿石、绿泥石等的页岩^[4]。若含三价铁的氧化物、氢氧化物时，岩石呈红色、紫红色，产于陆相、过渡相的红色岩系中。若含二价铁的硅酸盐（海绿石等）、硫化铁（黄铁矿）时，岩石呈绿色，多产于海相岩系中^[3]。铁质页岩在红层和煤系地层中较常见^[6]。

钙质页岩

钙质页岩是指富含碳酸钙（CaCO3）且含量不超过25%的页岩，遇盐酸起泡^[4]。钙质页岩分布很广，常见于陆相、过渡相的红色岩系中，也可见于海相、潟湖相的钙泥质岩系中，如四川三叠系及侏罗系的页岩中常含钙质^[3]。

碳质页岩

碳质页岩是一种含大量分散的碳化有机质的页岩^[4]。因含有大量分散的碳化有机质组分而显黑色，岩石较松软，能染手。碳质页岩生成于湖泊一沼泽、潟xì湖一沼泽和河流平原的岸后沼泽洼地环境中，与煤系地层共生^[3]，常见于煤系地层的顶底板，实际上是有机质浸入后的再碳化^[6]。岩石中如碳化有机质组分即灰分含量>30%可作燃料，如中国石炭系、二叠系及侏罗系含煤地层中均有产丰富的可燃性碳质页岩。碳质页岩也是油气烃类的重要源岩。^[3]

黑色页岩

黑色页岩是指富含有机质及分散状黄铁矿的页岩^[4]。黑色页岩的主要成分为黏土矿物的混合物、石英、长石和云母^[20]，含较多的有机质与细分散状的硫化铁，有机质含量达3%～10%，其黑色来自于有机质。黑色页岩的外观与碳质页岩相似，区别在于黑色页岩不染手^[6]。黑色页岩主要形成于黏土物质沉积的海洋中，也见于湖泊深水区、沼泽及淡化湖等环境中。对于黑色页岩的主要用途，一方面，黑色页岩可作为石油的指示地层，另一方面，黑色页岩富含多种矿产资源，产于大型、超大型多金属矿床，可用作复合化肥以改良土壤。黑色页岩风化分解时会释放CO2、产生酸性矿排水、释出重金属元素等，可能会污染环境，对环境产生严重影响。因此，开发利用黑色页岩，要特别注意其可能引发的环境问题^[20]。

油页岩

油页岩是一种含碳氢化合物的棕色至黑色的页岩^[4]。油页岩含有大于10%的干酪根（细菌以及高等植物等随着被埋藏时间增加逐渐演化为沉积有机质，沉积有机质经历了复杂的生物及化学变化逐渐形成干酪根，干酪根是生成大量石油及天然气的前身），常呈黑棕色、浅黄褐色等，层理发育^[6]，黏结性很强^[3]，燃烧有沥青味^[6]。含沥青质的称为沥青质页岩；含腐泥质的称为碳质油页岩。油页岩常生成于闭塞海湾或深湖环境中，常与含油岩系或含煤岩系共生，如中国抚顺、广东茂名等地有油页岩产出，其含油率为4%～20%，最高达30%，可直接提炼石油。^[3]

油页岩以具油脂光泽为重要特点，与碳质页岩的区别在于不污手，与黑色页岩之区别在于用小刀刮之可成为刨花状的岩片。油页岩的密度较前二者小。^[3]

按照页岩形成的沉积环境，可将页岩分为海相页岩、陆相页岩（湖相、湖沼相）以及海陆过渡相页岩三种类型。^[5]

海相页岩

海相页岩是指在海洋中沉积，主要是在深海—半深海环境中沉积的大量浮游生物和微生物作用下形成的页岩。海相页岩以Ⅰ型干酪根为主，腐泥组平均在80％以上，通常富含石英和长石矿物，有机孔比过渡相和陆相页岩发育，可以提供大量的甲烷吸附位^[23]。中国海相页岩发育和分布广泛，层位上集中出现在古生界，在前寒武纪和中生界也有发育。由于受到中生代以来全球性区域性板块运动影响，古生界海相页岩地层在许多地区被改造、隆升并遭受剥蚀。南方地区形成了近地表埋藏及大面积暴露的古生界暗色泥页岩；在构造相对稳定的塔里木盆地则深埋于盆地深部。海相页岩层系主要有华北地区新元古界的下马岭组、铁岭组和洪水庄组，上扬子地区震旦系的陡山坨组等。^[24]

陆相页岩

陆相页岩是指在陆地上沉积、主要形成于大陆上相对较低的地方（湖泊、河流）的页岩^[26]。陆相页岩干酪根以Ⅰ型及Ⅱ型为主，腐泥组平均占67％，粘土含量介于海相和过渡相页岩之间^[23]。具体可进一步分为湖相页岩和湖沼相页岩两类：湖相页岩主要分布在松辽、渤海湾、鄂尔多斯、四川、塔里木、准尔、吐哈、三塘湖、柴达木等大中型含油盆地的沉积中心附近；湖沼相页岩主要和中新生代含煤盆地相关，但目前研究程度较低^[24]。

海陆过渡相页岩

海陆过渡相页岩是指在空间上处于海相环境与陆相环境的过渡带，兼受海洋营力和大陆营力作用形成的页岩，是海陆过渡环境的产物^[28]。海陆过渡相页岩有机质类型以Ⅲ型为主，Ⅱ型为辅，腐殖质显微组分约占70％，热演化程度普遍处于成熟—高成熟阶段，少数达到过成熟，总体介于陆相和海相页岩之间。过渡相页岩粘土含量较高，储集空间以粒间孔和粒内孔为主，高的粘土含量可能导致海陆过渡相页岩较低的孔隙度及较低的渗透率。海陆过渡相页岩的甲烷吸附能力分布范围较大。^[23]

页岩是页岩气和页岩油的主要载体。页岩气和页岩油具有源储一体的特点，页岩既是生气（油）源岩，也是储集岩^[5]。页岩油气是指生成并赋存于烃源岩层系内的油气资源，为烃源岩层系内有机质经热演化或生物作用生成的油气留在烃源岩层系内形成。其中页岩气主要赋存方式为吸附、游离和溶解状态，主要成分为甲烷wán，并含有乙烷、丙烷、丁烷等多碳烃；页岩油以轻质油为主，并含有湿气。可商业开发的页岩油气富集在烃源岩层系内的特定岩性层段，称为含油气页岩层段。^[24]

页岩气（Shale gas），以游离态、吸附态为主，少量溶解态，赋存于富有机质页岩层段中的天然气。^[1]

背景

页岩气是非常规天然气的几种形式之一，常规条件下长期富集在含有机质黑色页岩储层中。据统计，全球页岩气经济可采储量约为4.56×1014m3，有望成为21世纪最重要的接替能源^[30]。从2004年《天然气工业》发表该刊第一篇页岩气学术论文——《页岩气成藏机理和分布》至今，中国页岩气研究和勘探开发从起步到初见成效已历经20余年，正迎来页岩气革命^[31]。2011年和2015年，国土资源部组织实施了全国页岩气资源评价和页岩气动态资源评价，结果表明，中国页岩气地质资源量为121.86×1012m3，可采资源量为21.82×1012m3^[32]。

发展现状

目前，中国已成为仅次于美国的全球第二大页岩气生产国，超过95%的页岩气产量都来自四川盆地及其周缘的上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩^[31]。中国已在四川盆地建成了涪陵、威远-长宁和昭通三个国家级页岩气示范区，累计探明了涪陵、长宁、昭通、威远、泸州、威荣、永川和綦江共8个页岩气田，年产气量达240×108m3，有效保障了国家能源安全^[8]。截至2023年底，中国历年累计页岩气产量已经超过1400×108m3，并且在四川盆地及其周缘五峰组—龙马溪组累计探明页岩气地质储量2.96×1012m3。^[31]

开发意义

目前，中国的天然气供求缺口还很大，并呈现出不断扩大的态势。强化本土页岩气等非常规能源的开发力度，增加国内天然气供应，有利于满足中国不断增长的能源需求。其次，随着经济实力的提升，环境资源保护与经济建设之间的矛盾日益突出，中国政府也越来越重视经济增长方式的转变，更加强调“绿色发展”理念。目前，在中国的能源消费结构中煤炭仍然占据主要地位，导致城市的空气污染日益严重。相对而言，页岩气是一种更加清洁、高效、优质的燃料，且在中国境内分布广、资源充足。因此，开发页岩气将会助力中国经济发展方式的低碳转型。^[33]

页岩油（Shale oils），以液态石油为主要存在方式，赋存于页（泥）岩孔隙、裂隙、层理缝中，或者页岩层系中致密碳酸岩或碎屑岩邻层和夹层中赋存的石油资源。^[5]

背景

中国是发展中国家，正处于工业化与城镇化进程中，能源需求在增长，2010年能源消费总量为25.25亿t油当量，2019年能源消费总量为34.02亿t油当量，10年间增长了34.73%。2019年中国一次能源消费结构为:煤炭占57.9%，石油占19%，天然气占8.3%，油气合计占27.3%，非化石能源占14.9%。中国能源消费仍以化石能源为主、高碳含量为特征，煤炭消费仍占首位，接近一半^[2]。相对于北美海相页岩油气勘探和开发方面取得的长足进展，中国对页岩油的勘探开发总体处于起步和探索阶段。20世纪60年代以来，“泥页岩裂缝性油藏”就已在不同的含油气盆地中被发现，表明中国具有丰富的页岩油资源。近年来，随着页岩油气富集机理研究的加深及勘探开发技术的创新，页岩油已成为了各主要油气田储量增长的热点领域^[34]。

发展现状

中国自2010年以来，相继在三塘湖盆地、南襄盆地、鄂尔多斯盆地、四川盆地、松辽盆地、江汉盆地、渤海湾盆地、准噶尔盆地等获工业油流，取得了国内陆相页岩油勘探突破。北部湾盆地海域页岩油钻探的成功，开辟了中国页岩油勘探开发新领域。3个国家级页岩油示范区（新疆油田吉木萨尔陆相页岩油国家级示范区、大庆古龙陆相页岩油国家级示范区、胜利济阳陆相断陷湖盆页岩油国家级示范区）的建立促进了中国页岩油的工业化开发。^[35]

然而，不同于常规油气藏已形成较为完备的研究体系，目前页岩油研究还处于探索阶段。不同盆地页岩油的沉积构造背景、烃源岩条件、优质储层识别特征、“甜点”类型和富集主控因素存在较大差异，国内外尚无有效识别页岩油水平井压裂后主产层的工程技术手段，页岩油成储机理、赋存状态及可动性评价等研究观点不一。^[35]

开发意义

非常规油气对于全球油气储量增长具有重要意义，而其中的页岩油气已成为全球勘探开发热点，页岩油勘探开发对于保障中国能源安全、改善以煤炭为主的能源消费结构、减少污染和降低碳排放具有重要意义。^[2]

美国以海相页岩为勘探开发目的层的页岩油气革命取得了巨大成功，改变了世界能源格局。2010年以来，中国油气产业界借鉴北美经验，逐步将勘探目标由传统的圈闭向烃源层系和烃源区拓展，实现了中国海相页岩气和陆相页岩油气的经济开采。目前，加快陆相页岩油气勘探开发，已经成为中国油气资源接替的国家战略。富有机质页岩是常规和非常规油气勘探评价的重要研究对象。常规油气勘探评价过程中，人们传统地把富有机质页岩层系看成烃源岩，主要关注它们的有机质丰度、类型、热演化程度和生排烃效率；或者从油气系统完整性和盖层有效性的角度，研究断裂活动和地层形变过程中泥页岩的变化。随着页岩油气勘探开发的深入，富有机质页岩作为油气储层和勘探目的层日益受到重视。^[36]

在当前国际地缘冲突和贸易摩擦不断扩大的背景下，页岩油气资源的开发具有重大意义，推动更高水平的“中国版页岩革命”、加快页岩油气资源勘探开发，成为改善中国能源结构、确保能源安全的必然选择。^[37]

页岩气“三高一保一适中”富集成藏理论

中国海相页岩气形成时代古老，页岩层系分布稳定且厚度较大。虽然决定页岩气富集区形成的关键要素较多，但从控制改造型海相页岩气富集成矿分布的关键要素来看，可以把中国的海相页岩气富集成藏理论概括为“三高一保一适中”，这是决定页岩气富集段发育众多要素中的关键。“三高”是指高有机质丰度、高含气量和高脆性。勘探实践表明，高孔隙度是高含气量的一个重要因素，可通过含气量来间接表征，这项指标可以隐含在含气量参数之内。“一保”是指保存条件。实践表明，页岩气尽管具备连续分布的特点，但能否富集形成商业性页岩气与保存条件有很大关系，应该纳入页岩气富集成矿的理论总结中。“一适中”是指热演化程度，这也是决定页岩气能否经济成矿的重要因素。^[9]

页岩油形成与分布理论

国内众多学者从细粒沉积岩有机质富集机理、储集空间类型与储集性、纹层类型及组合关系、裂缝类型及发育机制、页岩油赋存状态与含油性、页岩油资源评价、页岩油形成条件与富集主控因素、页岩油流动机理、甜点段/区评价等相关基础研究工作，形成了多项理论认识与技术创新成果，有力支撑了页岩油选区评价与勘探开发部署。^[38]

近年来，通过基础理论和现场应用的有机结合，美国页岩油气储层改造技术发展迅速，裂缝控藏认识不断深化，压裂监测技术持续发展，重复压裂技术逐渐成熟，数据平台建设持续推进，矿场实验室建设成为美国页岩油气开发技术政策定型、储层改造技术升级换代的重要抓手。^[10]

中国通过强化室内基础研究和现场示范应用，页岩油气储层改造在缝控压裂优化技术、新型压裂配套装备、分段压裂核心工具、低成本压裂材料、水力裂缝监测技术、井筒重构压裂技术和压裂优化设计软件７个方面取得了重要进展。^[10]

近年来，丛式水平井立体开发技术、长水平段水平井钻井技术、高密度压裂技术等技术基本成熟，以物探–地质–工程一体化技术为代表，通过多学科一体化协同来实现井位优化部署、井眼轨迹精准控制和精细压裂，同时利用大数据分析技术提高整体作业效果的多学科交叉技术持续完善；以自动化控制、人工智能、机器学习、数字孪生等技术为代表，通过数据的实时获取、智能分析决策与控制来提高作业效率和单井产能的智能化技术逐渐起步，已产生自动化闭环钻井技术、人工智能钻完井技术等。^[11]