(一)页岩气盖层特征
1.岩石物性封闭机理
页岩气成藏的封堵性岩石类型很多，理论上讲低孔低渗的岩层均可作为盖层，范围从膨润土(圣胡安盆地)到页岩(阿巴拉契亚和沃思堡盆地)、冰碛物(密歇根盆地)和页岩―碳酸盐岩相的变化(伊利诺伊盆地)(Curtis，2002)。
页岩气气藏的封盖条件特殊。它不依赖于常规圈闭的形成而存在，页岩气藏一般形成于烃源岩层内部的裂缝发育区，四周由致密泥页岩包围，只要满足封闭页岩气的条件就能保存页岩气。以巴涅特(Barnett)页岩气藏为例，其盖层几乎均为区域或局部分布的致密页岩层或低渗透率的碳酸盐岩地层(图6－9)，同时，巴涅特页岩本身是下伏古老碳酸盐岩储层的主要区域性盖层。该低渗透率的碳酸盐岩地层已发生大理岩化，厚度在0.91m左右。Johnson(2003)认为这些石灰岩单元是由碳酸盐岩浅滩海退形成的，其范围可以覆盖盆地数英里。因此预测这些石灰岩单元位置、分布及厚度的沉积模型对于巴涅特页岩气藏的勘探和开发是至关重要的。
图6－9巴涅特(Barnett)页岩地层剖面图 (据Hall和Bowker(2002)修改)
阿巴拉契亚(Appalachia)盆地古生代巨型楔状沉积地层富含有机质岩石(主要是碳质页岩，其次是碎屑岩:包括砂岩、粉砂岩、泥岩和贫有机质页岩，以及碳酸盐岩)显示出一定的周期性(Roen，1993，1984)。这些岩石沉积于不对称的、向东变深的前陆盆地，盆地的演化伴随劳伦古大陆由被动陆缘向聚敛大陆边缘的过渡。沉积盆地至少有3个古生代沉积旋回，每一个沉积旋回均由碳质页岩覆盖碎屑岩或碳酸盐岩组成。泥盆系黑色页岩地层为二级旋回，页岩地层可细分成碳质页岩和粗粒碎屑岩互层的5个旋回(Ettensohn，1985)。这5个沉积旋回形成于阿卡德造山运动及卡茨基尔三角洲向西进积时期。这种碳质页岩―碳酸盐岩相变化的封堵机理，保证了俄亥俄(Ohio)页岩气藏的形成。
2.泥页岩欠压实封闭机理
在沉积盆地的压实过程中，在快速沉降的条件下，厚层的泥岩在上覆沉积载荷的作用下，其靠近上下界面与渗透性储层相邻的岩石部分首先被迅速压实排出孔隙水，孔隙度和渗透率降低，形成致密层。由于四周致密层的存在，阻滞了厚层泥质岩内部大量孔隙流体(水、油、气)的及时排出，造成页岩气系统内的欠压实。欠压实的泥岩具有异常高的孔隙度，其颗粒之间未达到紧密的接触，有利于天然气的保存。同时，欠压实泥岩比相同深度的正常压实泥岩具有更高的孔隙压力，形成异常高压，这也增大了页岩气在水中的溶解度(柳广第等，2009)。
如图6－10，厚层欠压实泥页岩可分为上、下致密层和中间欠压实层段三个部分，上、下致密层段属于正常压实，孔隙度和渗透率明显低于中间欠压实层段的孔隙度和渗透率，即上、下致密层段的孔喉半径明显小于中间欠压实层段的孔喉半径，所以上、下致密层段的毛细管阻力大于中间欠压实层段的毛细管阻力，可有效地阻止地层内天然气的散失。
图6－10泥页岩层内部欠压实毛细管阻力封闭机理示意图 (据柳广第，2009)
3.含水岩层的存在
页岩气藏地层所含水的来源极为复杂，推断有三种方式:①泥页岩形成前堆积过程中保存在其中的水，这种水的盐度和化学组成与堆积沉积物的古海(湖)水的盐度和沉积物有密切关系，不同环境下形成的水矿化度有着明显差别;②大气降水补给，渗入到地下孔隙或渗透性地层中的水。由于渗入水的矿化度低，对页岩层高矿化度的水可以起淡化作用，有助于生物气的形成;③沉积成岩作用和烃类生成过程中粘土转化脱出的层间水和有机质向烃类转化分解出的水。
含水岩层的形成及流体的运动规律始终与页岩气的生成、运移及页岩气藏的形成、保存和破坏有着密切的联系。在页岩气藏形成的整个过程中，地层水长期与页岩气伴生，浅层水的化学成分发生某些变化，尤其是在裂缝发育的部位更是明显。大量资料表明，对页岩气聚集和保存最为有利的环境应是渗透水交替缓慢或停滞区。以伊利诺斯(Illinois)及密执安(Michigan)盆地页岩气含水岩层特征为例，这种渗透水交替缓慢的新奥尔巴尼(New Albany)及安特里姆郡(Antrim)页岩地层，往往是页岩气勘探的有利区域。
伊利诺斯(Illinois)及密执安(Michigan)盆地边界的新奥尔巴尼(New Albany)及安特里姆郡(Antrim)为断裂高度发育层系，其层间水可能连通上下地层单元，是页岩气资源生成及保存的一个关键因素。页岩下部为志留纪―泥盆纪区域含水层系，主要成分为渗透性碳酸盐岩。志留纪―泥盆纪碳酸盐岩露头沿密执安(Michigan)盆地、伊利诺斯(Illinois)盆地及阿巴拉契亚(Appalachia)盆地边界较宽的区带分布(图6－11a)。在盆地间隆起的地区，志留纪―泥盆纪碳酸盐岩露头在全新世及更新世接受了相对稀释了的大气降水(McIntosh and Walter，2005)。盆地斜坡存在淡水和盐水的混合区域，向下含盐量逐渐增大。更新世融的上千千米厚的冰层加强了盆地边缘志留纪―泥盆纪碳酸盐岩地层淡水的补给，从而抑制了淡水―盐水的混合区域向深处的扩展。这些淡水进入上伏的黑色裂缝性页岩，促进了生物气的形成(McIntosh和Walter，2005)。
新奥尔巴尼(New Albany)及安特里姆郡(Antrim)页岩上部覆盖密西西比组页岩及粉砂岩(图6－11b，c)。在印第安纳中南部，密西西比Borden粉砂岩阻止页岩与上覆密西西比碳酸盐岩含水层组之间的流体混合。New Albany页岩的淡水来自于志留纪―泥盆纪含水系统。南印第安纳-北肯塔基Borden粉砂岩快速变薄并在局部地区尖灭，密西西比碳酸盐岩直接覆盖于页岩之上(Mc－Intosh et al.，2002)。沿密执安(Michigan)盆地北部边界的Antrim页岩上部覆盖厚层冰碛物(图6－11b)。密执安盆地北部的现代大气降水补给仅限于浅层冰碛物及基岩含水层;Antrim页岩地层水生成于7000a前，未与浅层地层水系统连通(McIntosh和Walter，2005)。
图6 - 11 伊利诺斯及密执安盆地边界新奥尔巴尼及安特里姆郡页岩气区带地质构造图
安特里姆郡(Antrim)页岩气似乎具有双重成因，即干酪根经热成因而形成的低熟气和甲烷菌代谢活动形成的生物成因气。但北部产区的采出气以生物成因气为主，低熟气所占比例小于20%。更新世冰碛层对页岩气藏的形成极为重要。不仅有利于页岩有机质的保存，且对降低页岩地层水盐度贡献显著。由于下伏地层含高浓度盐水，因此盆地中部Antrim页岩地层水盐度很高。研究表明:地层水Cl－含量高于4mol/L就会严重抑制甲烷菌的生长。而盆地边缘更新世冰碛层淡水和大气淡水的充注，使得地层水盐度降低，甲烷菌产气活跃。目前生物气为主的产区主要分布在盆地边缘，地层水Cl－含量低于4mol/L。
(二)裂缝对页岩气成藏的影响
构造作用对页岩气的生成和聚集有重要的影响，主要体现在以下几个方面:首先，构造作用能够直接影响泥页岩的沉积作用和成岩作用，进而对泥页岩的生烃过程和储集性能产生影响;其次，构造作用还会造成泥页岩层的抬升和下降，从而控制页岩气的成藏过程;构造作用可以产生大量微裂缝，可以有效改善泥页岩的储集性能，有助于储层渗透率的改善。在美国正在进行商业开采的页岩气盆地，一般是在经历了区域构造运动后，岩石表现为褶皱、裂缝或是被挤压，并且经历多次海平面的变化形成有效的不整合。这些裂缝和不整合面为页岩气提供了聚集空间，也为页岩气的生产提供了运移通道。
裂缝在页岩气藏中的具体作用，很多学者都进行过研究，但都没有得出确定性结论。但有一点是公认的，即裂缝有助于页岩层中游离态天然气体积的增加和吸附态天然气的解析。裂缝发育程度是决定页岩气藏品质的重要因素，一般来说，裂缝较发育的气藏，其品质也较好。实际上，裂缝对页岩气藏具有双重作用:一方面裂缝为天然气和地层水提供了运移通道和聚集空间，有助于页岩总含气量的增加。页岩具有非常低的原始渗透率，如果天然裂缝发育不够充分，就需要进行压裂来产生更多的裂缝，以使有更多的裂缝与井相连，为天然气解析提供更大的压降面积。另一方面，如果裂缝规模过大，可能导致天然气散失。Bowker(2007)曾指出，在福特沃斯(Fort Worth)盆地巴涅特(Barnett)页岩气藏中裂缝非常发育的区域，天然气的生产速度最低，其高产井基本上都分布在裂缝不发育的地方。因此巴涅特页岩气藏的勘探不是寻找裂缝，而是寻找易扩散、高气体含量和能进行压裂的页岩区。巴涅特页岩气藏并不是一个真正意义上的“裂缝性气藏”，而是一个可以被压裂的页岩气藏。
目前普遍认为，在相同的力学背景下，有机碳含量、石英含量等是影响裂缝发育的重要因素。阿巴拉契亚盆地的钻井表明，滑脱及其相关的伸展和收缩裂缝带更倾向于在富含干酪根的黑色页岩中发育，而不是在夹层的灰色页岩和粉砂岩中发育，黑色页岩通常比附近灰色页岩的裂缝发育程度高，裂缝频率也较高，并且裂缝通常在岩性界面处终止。因此，裂缝发育程度与页岩层厚度存在一定相关性。石英含量的高低也是影响裂缝发育的重要因素，富含石英的黑色页岩段脆性较强，裂缝的发育程度比富含方解石且塑性较强的灰色页岩强烈。矿物中除石英之外，长石和白云石也是黑色页岩段中的易脆组分。因此，在相同的构造背景下，预测页岩的岩性、颜色、厚度以及矿物成分是准确判断裂缝发育程度的基础。
巴涅特(Barnett)页岩中存在极高浓度的天然气，岩石的性质使得断裂异常发育。巴涅特不但是一个裂缝型页岩区带，而且其页岩被压裂可以取得很好的效果。巴涅特页岩靠近主干断裂，所以裂缝极其发育，这些裂缝目前虽然是闭合的，但是仍使得巴涅特断裂带看起来变得不完整。压裂时流体和能量就可以通过这些裂缝沿着断层面移动并进入下伏地层(Bowker，2007)。
巴涅特页岩中开启式的天然裂缝不会大量存在，他们总是被粘土(通常是方解石)胶结而处于闭合状态。通常认为从源岩到钻井必须要有一个裂缝渗透系统，在对巴涅特页岩的完井工作中保证开放式天然裂缝系统的存在是极为重要的。巴涅特页岩基质渗透率的大小是用毫微达西衡量的，所以如果没有开放式的天然裂缝存在，在如此致密的岩石中排出大量的天然气是非常困难的。
研究认为通过压裂闭合的天然裂缝提高渗透的效率是可能的。他们的依据是闭合断裂有助于不稳定区域次生裂缝的形成。以下的实验帮助说明他们的观点。各向异性的侧向压力下，如果在厚层块状的玻璃上钻一个孔，然后用水使孔内增压，玻璃会沿一个单一的平面破裂。然而，如果我们将玻璃弄碎后再将碎片完整的粘起来并重复上面的步骤，块状玻璃会沿许多平面破裂。开放式天然裂缝的存在实际上抑制了次生裂缝的发育。当在钢梁或钢板上形成一条裂纹，裂缝的生长会由于在裂缝一段钻一个孔而停止。通过消除断裂一段的压力，压力导致断裂的发育变得分散，然后不再生长。同时，由于构造褶皱中天然裂缝的存在，类似巴涅特页岩气的生产有时不需要进行压裂即可取得可观的天然气产量。
在构造作用下、或页岩中生气量达到一定程度时，断层及裂缝开启，页岩内部气体在压力作用下，天然气沿断层、裂缝及不整合面会发生短距离运移。同时，由于压力的下降，溶解气得到释放向游离气转化，促进气体在盆地斜坡或背斜高点等孔隙度相对较高的部位聚集。
综上所述，页岩气的勘探总体面临两个核心问题:①作为储集层是否具有足够的天然气地质储量;②是否具备足够的渗流能力与条件实现经济开采。结合国外页岩气藏主控地质因素及分布规律，应遵循以下几大原则:①寻找岩性易脆的硅质、钙质页岩，利于裂缝的形成，进而有利于页岩气藏的形成;②暗色页岩单层厚度一般大于10m较适合勘探;③页岩气藏勘探优先在有机碳含量较高区域进行，特别是有机碳含量大于2%的地区;④由于页岩气生气机理的多样性，页岩热成熟度并非是制约页岩气勘探的关键因素，可选取镜质组反射率大于0.5%的区域;⑤裂缝发育区域的判断是关键环节，优选构造转折带、地应力较集中带和褶皱―断裂带重点勘探，现今的中、深埋藏深度是勘探重点;⑥游离及吸附页岩气异常压力带可成为页岩气成藏的重要区域;⑦陆相和海相页岩气藏勘探应彼此顾及，优先勘探沉积中心的区域，寻找纵向上岩性的变化，致密碳质、低孔低渗碳酸盐岩可作为页岩气藏区域盖层。