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页岩气成藏规律以及勘探开发与开发
页岩气的成藏规律及其勘探与开发
摘要：
美国5大页岩气盆地的勘探开发实践已证明,页岩气是一个很有潜力的非常规油气勘探新领域,资源丰富。
页岩气与深盆气、煤层气一样属于“持续式”聚集的非常规天然气。
在页岩气系统中,富含有机质的页岩既是系统的烃源层又是储层,也可能是盖层,各产层地质、地球化学条件迥异。
页岩气存在形式主要以吸附气与游离气为主,形成机制可划分为生物成因、热成因及二者混合成因。
成藏机制有早期运聚成藏、中期原地聚集成藏和晚期裂缝调整成藏三种。
页岩气的地质储量丰富,影响其成藏的因素主要有总有机碳、有机质类型和成熟度、产层孔隙度、地层压力及裂缝发育程度等,同时还要兼顾各参数之间的联系。
四川盆地发育2套优质页岩（下寒武统筇竹寺组和下志留统龙马溪组）,与美国5大页岩气盆地相比,具备形成裂缝性油气藏所需的优越的地质、地球化学条件,是一个天然气勘探开发值得高度重视的新领域。
关键词：
页岩气、成因机制、成藏机制、赋存形式、勘探潜力
页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中、以吸附或游离状态聚集的天然气，是一种重要的非常规天然气资源。
与常规天然气相比，页岩气开发具有开采寿命长和生产时间长的优点，大部分可产气的页岩分布范围广、厚度大，且普遍含有页岩气，这使得页岩气井能够长期以稳定的速率产气。
从世界范围看,页岩气资源前景巨大,但大多尚未得到广泛勘探开发。
泥页岩占全球沉积物总体积的60%,而页岩气又主要是依赖泥页岩本身来存储,可以认为,页岩气应该是天然气资源中比重最大的非常规气体。
其中,美国页岩气开采最早可追溯到1821年,目前已有页岩气井40000余口,年产量达168108～204108m3。
预测2010年美国页岩气产量占天然气总产量的13%。
从中国情况看,泥页岩储层中的天然气资源量非常巨大。
目前已经在四川等局部地区进行了页岩气的勘探开采,这对全面开展中国页岩气工作、加快页岩气产业的发展、增强能源供给能力将有重要意义。
借鉴美国、加拿大国外页岩气勘探开发的经验和技术,系统研究了页岩气成藏机理及成藏条件,结合中国可能存在页岩气的盆地区域地质资料,建立了页岩气不同阶段的成藏模式,优选重点目标区域,推动页岩气产业的发展进程,以缓解常规油气的勘探开发压力。
页岩类型与成因
1、页岩的概念
页岩（shale）是由粒径<0.0039mm的细粒碎屑、粘土、有机质等组成的具有叶状或薄片状层理、容易碎裂的一类沉积岩（表1），美国一般将粒径<0.0039的细粒沉积岩统称为页岩。
表1常用碎屑岩分类简表
颗粒粒径
2的几何级数制/mm
＞2
2～0.625
0.625～0.0039
＜0.0039
无纹层、无页理
有纹层、有页理
岩石类型
砾岩
砂岩
粉砂岩
泥岩
页岩
2、页岩的类型
页岩在自然界中分布广泛，沉积物中页岩约占55%。
页岩矿物成分复杂，碎屑矿物包括石英、长石、方解石等，含量一般大于50%；粘土矿物有高岭石、蒙脱石、水云母等；碎屑矿物和粘土矿物含量不同导致页岩差别明显。
黑色页岩最基本的矿物成分是沉积成因的自生石英，以它为主体的各类黑色页岩占黑色页岩建造总量的2/3以上。
黑色页岩中粘土矿物含量并不大，以粘土矿物为主体的黑色页岩建造中所占比例很小。
有机物含量丰富是黑色页岩最为典型的特征，有机碳含量为3%～20%，重数范围为5%～10%（张爱云等，1987）。
常见的页岩类型有黑色页岩、炭质页岩、硅质页岩、钙质页岩、铁质页岩等。
当页岩中混入一定砂质成分时，形成砂质页岩。
根据含砂颗粒的大小，分为粉砂质页岩和砂质页岩两类。
富有机质页岩是形成页岩气的主要岩石类型，富有机质页岩主要包括黑色页岩与炭质页岩。
黑色页岩特点：
含大量有机质与细粒、分散状的褐铁矿、菱铁矿等，有机质含量通常为3～15%或更高，常具极薄层理。
炭质页岩特点：
含有大量细分散状的碳化有机质，有机碳含量一般为10%～20%，黑色、染手、含大量植物化石。
共同点：
抗风化能力较弱，在地形地貌上，往往形成低山、谷底（姜在兴，2003；张爱云，1987；钱凯等，2008）。
中国富有机质页岩泛指海相、海陆交互相以及湖相页岩和泥岩（邹才能等，2010），重点指含油气盆地中的优质泥质烃源岩。
图1和表2显示了中国富有机质页岩的类型、层系和分布特点。
图1中国3种主要页岩类型分布略图
自然界中，或者说沉积盆地中，页岩分布广泛，在各地质时期的沉积物中页岩约占80%，一般情况下，人们认为页岩主要有粘土矿物组成，其次为碎屑矿物如石英。
长石和少量自生非粘土矿物（包括铁、锰、铝的氧化物和氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐、硫化物、硅质矿物，以及一些磷酸盐等）。
但实际上，页岩中的碎屑矿物含量大于粘土矿物含量。
页岩的矿物含量变化很大，那些富含的为硅质页岩，含大量碳化有机质的为碳质页岩，含较多分散有机质和硫化铁的为黑色页岩。
页岩基质孔隙度＜10%，渗透率＜1×10-3μｍ2。
表2中国页岩分类及分布地区
沉积类型
分布地区
海相页岩
扬子地区古生界，华北地区古生界—元古界，塔里木盆地寒武系—奥陶系；
海陆过渡相煤系碳质页岩
鄂尔多斯盆地石炭系本溪组，下二叠统山西组—太原组，准格尔盆地石炭-二叠系，
塔里木盆地石炭-二叠系，华北地区石炭-二叠系，中国南方地区二叠系龙潭组；
湖相页岩
松辽盆地白垩系，渤海湾盆地古近系，鄂尔多斯盆地三叠系，
四川盆地三叠系—侏罗系，准格尔盆地和吐哈盆地侏罗系，
塔里木盆地三叠系—侏罗系，柴达木盆地古近-新进系。
在油藏工程上，含脆性矿物（如硅质）多得岩石，比含粘土矿物多的岩石容易产生裂缝，而粉砂或砂质夹层可改善页岩储层渗透性，开启或不完全充填的天然裂缝，能够有效提高页岩储层的渗透能力。
在石油地质上，页岩储层通常具有特低渗透率和特低孔隙度特征，一般是优质的烃源岩或油气盖层。
在断层和裂缝带内页岩储层的渗透率可以提高很多，具有很好的储集特性。
3、页岩的沉积环境
页岩气可以形成与陆相、海相及海陆过渡相沉积环境中，黑色富有机质页岩主要形成于缺氧、富的闭塞海湾、潟湖、湖泊深水区、欠补偿盆地及深水陆棚等沉积环境中。
炭质页岩常与煤系伴生，一般出现在煤系地层的顶、地板或夹层中，以湖泊、沼泽环境沉积为主。
石炭-二叠纪、三叠-侏罗纪和古近-新进纪为中国三次主要成煤期，发育多套多套与煤层相伴生的炭质页岩。
北美地区富有机质产气页岩，主要分布于阿巴拉契亚、落基山造山带靠陆一侧，为与外海流通性较差的深水前路盆地沉积。
中国南方扬子地台、华北地台及塔里木地台古生界海相黑色页岩以深陆棚相沉积为主；中国陆相沉积盆地中，松辽盆地白垩系、渤海湾盆地古近系、四川盆地三叠系、鄂尔多斯盆地三叠系等发育多套湖相、湖沼相黑色页岩。
4、页岩在油气勘探开发中的作用
页岩基质孔隙度＜10%，渗透率＜1×10-3μｍ2，储集物性很差，被认为只能生油气而非储层。
因此，长久以来，暗色富有机质页岩在油气勘探开发中一直被作为烃源岩层，或阻挡油气运移的封盖层，只有在裂缝非常发育的情况下才构成特殊油气储层—泥页岩裂缝性储层。
在北美地区页岩气成功开发以后，人们逐渐认识到暗色富有机质页岩可以大量成气、储气，形成自生自储的天然气资源，尤其是页岩中有机质孔、粒间孔及颗粒内孔等发育（RobertG.Louchsetal.,2009）可以有效储集油气，成为油气勘探开发的新层系。
与此同时，脆性矿物（如长石、石英、方解石等）含量高的富有机质黑色页岩层理发育，易产生裂缝，而其中的粉砂岩、砂岩夹层能有效改善页岩的储、渗能力，开启或不完全充填的天然裂缝能大幅度提高页岩气井产量。
页岩气的基本特征
表3页岩气主要特征简表
地质特征
储源一体，成藏早、持续聚集；
无明显圈闭界限，封闭层和盖层仍必不可少
核心区条件
1、总有机碳含量＞2%（非残余有机碳）
2、石英等脆性矿物＞40%、粘土＜30%
3、暗色富有机质页岩成熟度＞1.1%
4、充气孔隙度＞2%，渗透率＞0.1×10-6μm2
5、有效富有机岩连续厚度为30～50m
储层致密，以纳米级孔隙为主；
天然气以吸附、游离等多种方式赋存
不受构造控制，大面积连续分布，与有效生气源岩面积相当
资源规模大，有“甜点”核心区
开发特点
一般单井产量低，生产周期长
有效开发取决于储层的改变，一般需要水平井及多级压裂等先进开发技术
非达西流为主，一般不产水或产水很少
采收率低
1、源储一体，成藏早、持续聚集
页岩气为典型的源储一体的自生自储含气系统，暗色富有机质页岩既是优质的气源岩，优势天然气聚集与储存的场所。
据北美地区页岩气成熟度统计，高产富集页岩气成熟度＞1.4%，尤以＞2.0%部分为页岩气生产的主体，反映出页岩气以热降解气与原油热裂解气等热成因为主。
页岩气在形成与富集过程中，页岩中有机物转化成甲烷的过程非常复杂，但其形成模式较为简单。
在成岩作用早期阶段，微生物的生化作用将一部分有机物转化成生物成因甲烷，剩余的有机物则在埋藏和加热条件下转化成干酪根。
随着埋藏深度、温度和压力的不断增加，在后生成岩作用阶段，使干酪根逐渐转化形成液态烃和湿气，最后在变生成岩作用阶段，干酪根进一步降解成热成因甲烷干气、液态烃热裂解成为热成因甲烷干气。
单就天然气而言，常规天然气藏和页岩气藏的天然气形成模式主体相同，二者不同之处在于：
①液态烃热裂解甲烷干气可能主要存在于页岩气中；②常规气藏的天然气从气源岩运移到砂岩或碳酸盐岩等储层的圈闭内。
页岩具有极低的基质渗透率，天然气产自页岩自身并以吸附气、游离气和溶解气等形式“原地”富集在页岩气储层中。
油气运移可以分为原地滞留、初次运移、近距离与远距离二次运移等4个阶段，页岩在有机质演化的整个过程中持续接受天然气的聚集，在页岩自身饱和后才向外溢散或运移。
因此，页岩气可称为“原地滞留成藏”，天然气的生成、聚集与富集发生时间最早，没有或仅有极端距离运移，为典型的源储一体、成藏早、持续聚集、连续富集的天然气藏（如图2）。
图2非常规连续性气藏剖面分布模式
2、无明显圈闭界限，富集仍需良好封盖层
传统的油气勘探中，核心目标是寻找油气圈闭。
与之不同，页岩气的寒气范围与有效烃源岩基本相当，没有明显圈闭界限，无统一气水界限，不存在传统意义上的圈闭，含水少，大面积层状连续含气，较易保存。
页岩气较易保存主要有三方面的原因：
①富有机质页岩一般形成于构造低部位或盆地中心，封闭条件有得天独厚的优势；②页岩气不间断供气、连续聚集，既是某个时期局部有所散失，后期仍由大量气源持续供气；③近50%左右的页岩气是以吸附状态赋存，即便有抬升、散失，也很难完全破坏。
但要形成高产富集，仍需要良好的保存条件，区域封盖条件必不可少。
3、储层致密，以纳米级孔隙为主
页岩储层发育微孔（孔隙直径≥0.75μm）和纳米孔（孔隙直径＜0.75μm）两种尺度孔隙（图3），纳米级孔隙是页岩气的主要孔隙。
页岩气孔隙分析结果显示，页岩普遍具有较低孔隙度和超低渗透率的特点，孔隙度从小于4%至6.5%。
未压裂页岩储层基质渗透率＜1×10-9μm2，只有在断裂或裂缝发育区孔隙度才能提高到10%，渗透率提高到2×10-9μm2。
图3页岩储层孔隙类型
4、吸附态和游离态两种主要赋存方式
游离态与常规天然气相似，吸附态与煤层气相似（如图4）。
一般温度＜75℃时，甲烷以水合物吸附，温度＞75℃时，甲烷在水分子及孔隙空间填充。
页岩吸附和脱附的能力可用图4所示的吸附等温线数据来评估，在非常低的相对压力下（P/P0＜0.01），页岩中的微孔（孔径＜2nm）被甲烷气体顺序填充（A点），页岩中的介孔（nm＜介孔＜50nm）在B点附近发生单层吸附，然后在C点附近发生多层吸附，随着体系压力的增加，介孔内吸附的甲烷快速增加（D点），直至发生毛细管凝聚（E点，最大吸附量）。
而当体系的压力逐渐减小时，空气吸附量与压力之间存在明显的迟滞现象（F点和G点）。
除了孔径，页岩中的有机组分、矿物组成、热演化程度等都对甲烷吸附能力有重要影响。
图4页岩中甲烷气体分布示意图
图5甲烷在微孔和介孔内的吸附、凝聚和迟滞现象模式
5、页岩气大面积连续分布，资源规模大
形成页岩气的暗色富有机质页岩是含油气盆地中的主力烃源岩，进入生气阶段的烃源岩就是页岩气的远景有利范围，大面积分布于盆地坳陷或构造背景斜坡区。
据统计，烃源岩形成油气一般仅有10%～20%资源量赋存在常规储层中，其余80%以上的资源量储存在非常规储层中，其中，烃源岩内的资源量占50%。
由于富有机质页岩大面积区域分布，使页岩气资源规模巨大。
6、页岩气具有独特开采机理
在开采机理上，页岩气的显著特征是气体产出以非达西流为主，身缠过程中基本不产水或产水很少。
页岩气气体主要以吸附、游离两种状态赋存，吸附器含量一般为20%～85%，并随深度不同有较大变化，这一赋存形式类似于煤层气，但其吸附器量小于煤层气（85%以上）；游离气含量一般为15%～80%，与常规天然气类似，储层物性愈好，游离气含量愈高。
在早期阶段，产气以游离气为主，其后的产出与煤层气类似，以吸附气的解吸、扩散为主。
值得注意的是，热成因页岩气的开采一般不产水，不需要排水降压采气，煤层气、致密砂岩气及多数常规天然气的开采过程均有大量水的产出。
7、采收率变化较大
如埋藏浅、地层压力较低、有机质丰度较高、吸附气含量较高的Antrim页岩气藏的采收率可达26%；而埋藏较深、地层压力较高、吸附气所占比例相对较低的Barnett页岩气藏的采收率为7%～8%，随着水平井和压裂技术的进步，目前的采收率达到13.5%，预计最终可达25%。
8、页岩气单井产量低，生产周期长
据美国东部早期页岩气井数据统计，40%的生产井初期裸眼测试时无天然气流，55%的页岩气井初始无阻流量没有工业价值，所有的页岩气井都需要实施储层压裂改造。
目前，北美页岩气井有50000多口，实施了“地毯式”钻井、“工厂化”生产，为“多井低产”、“多井低成本”开发的典范页岩气单井初期产量，直井一般2800～8000m3，水平井产量一般为15000～33000m3.页岩气田开采寿命一般可达30～50年，甚至更长，开采潜力巨大。
页岩储层特征
一、岩石矿物组成
脆性矿物含量是影响页岩基质孔隙和微裂缝发育程度、含气性及压裂改造方式等得重要因素。
页岩中粘土矿物含量越低，石英、长石、方解石等脆性矿物含量越高，岩石脆性越强，在外力作用下越易形成天然裂缝和诱导裂缝，形成树状或网状结构缝，有利于页岩气开采。
而高粘土矿物含量的页岩塑性强，吸收能力强，以形成平面裂缝为主，不利于页岩体积改造。
二、页岩储层孔渗与微裂缝特征
1、孔渗特征
图6四川盆地下古生界页岩有机质微孔-纳米级孔隙分布特征
a—黑色页岩有机质内的圆形微孔隙；b—黑色页岩伊利石、黄铁矿间散布的有机质内纳米级孔隙；
c，d—黑色页岩分散状、纹层状有机质内纳米级孔隙；e，f—砂质页岩黄铁矿晶间散布的有
机质内纳米级孔隙；g，h—砂质页岩粒间有机质微米、纳米级孔隙
页岩孔隙大小从1～3nm至400～750nm不等，比表面积大，结构复杂，丰富的内表面积可以通过吸附方式储存大量气体。
页岩储层孔隙度、渗透率具有明显的正相关性，是页岩含气性的重要控制因素。
中国海相富有机质页岩微孔-纳米孔十分发育（如图6）。
有利页岩气储层与一定区域地质背景下得构造、沉积、有机地球化学特征密切相关，如目的层大多为含油气系统中的主力烃源岩，尤其以海进体系域黑色页岩为佳，有机质以倾油的Ⅱ型干酪根为主，且现今处于大量生气阶段或充注过程中，既保存了较高的残余有机质丰度，储集大量吸附器，又能够增加一定孔隙度，容纳足够数量的游离气，同时有助于提高基质系统的渗透性，使得页岩储层品质提高，形成优质页岩储层。
2、微裂缝
微裂缝的发育可以为页岩气提供充足的储集空间，也可以为页岩气提供储集通道，更能有效提高页岩气的产量（程克明等，2009）。
在不发育裂缝的情况下，页岩渗透能力非常低。
适应含量高低是影响裂缝发育的重要因素，富石英页岩裂缝发育比富方解石页岩更强。
此外，长石和白云石也是脆性组分。
一般页岩中具有高含量的粘土矿物，但暗色富有机质页岩中的粘土矿物含量较低，开发中容易压裂成缝。
三、页岩储层含气性
根据含气性，页岩气区待可划分为核心区、外围区。
页岩含气量是衡量页岩气是否具经济开采价值和进行资源潜力评估评价的重要指标，页岩含气量包括游离气、吸附气和溶解气等。
哈里伯顿公司认为商业开发远景区页岩含气量最低为2.8m3/t。
北美已实现商业开发的页岩气，其最低含气量为1.1m3/t，最高达9.91m3/t。
吸附气部分主要与有机质、粘土矿物相关，游离气部分主要与基质孔隙相关。
有机质成熟度RO大于1.2%，TOC含量大于2.0%往往可形成富页岩气的烃源岩。
四、页岩气储层评价标准
表4北美主要产气页岩储层特征
主要参数
基本标准
目的层埋深
干气窗的最浅深度
页岩厚度
＞30m
热成熟度
＞1.4%
有机质含量
＞2%
干酪根类型
Ⅰ，Ⅱ1
矿物组成
石英或方解石大于40%
粘土含量小于30%
膨胀能力低
生物和碎屑成因硅质
裂缝结构和类型
水平或垂直走向
未充填或者硅质、钙质充填
内部垂向非均质性
越小越好
气体填充孔隙度
＞2%
渗透率
＞100×10-3μm2
含水饱和度
＜40%
含油饱和度
＜5%
杨氏模量
＞3.03MPa
泊松比
＜0.25
表5中国页岩气储层评价标准
主要参数
基本标准
页岩厚度
＞30m
热成熟度
1.1%～4.5%
有机质含量
＞2%
矿物组成
石英、方解石等脆性矿物含量＞40%
粘土含量＜30%
有效孔隙度
＞2%
含水饱和度
＜40%
含油饱和度
＜5%
杨氏模量
＞3.0MPa
泊松比
＜0.25
页岩气的形成与分布
1、有机质丰度
总有机碳含量是衡量岩石有机质丰度的重要指标和页岩气形成的基础。
有经济开采价值的页岩气园景区带的页岩必须富含有机质，以生成足够的天然气，页岩中吸附气含量一般与有机碳含量成正比，较高有机碳含量的页岩地层通常具有较高的含气性和页岩气资源，富有机页岩称为有利页岩气远景区带的最低总有机碳含量为2.0%～3.0%。
2、有机质类型
不同的干酪根类型、不同的演化阶段，有机质的生气量有很大的差别。
海洋或湖泊和环境下形成的有机质（Ⅰ型和Ⅱ型）易于生油，随热演化程度增高，原油裂解成气；陆相环境下形成的有机质（Ⅲ型）主要生气，产气潜力大。
当热演化程度较高时，所有类型有机质都能大量生成天然气。
3、有机质成熟度
成熟度是确定有机质生油、生气或有机质向烃类转化程度的关键指标。
通常成熟度指标RO≥1.0%为生油高峰，RO≥1.3%为生气阶段。
虽然页岩气的成因可以是有机质生物降解、干酪根热降解、原油热裂解以及它们的混合成因。
但从页岩气的含气量与产量参数对比来看，有机质成熟度低，页岩含气量低、产气量小；成熟度越高，含气量、产气量越大，说明页岩气一干酪根热降解、原油热裂解等热成因为主。
因此，有利页岩气远景区应在热生气窗内没成熟度RO为1.1%～3.5%。
4、有效页岩厚度
与常规油气形成一样，形成商业性页岩气，页岩有效厚度需要达到一定界限，以保证有足够的有机质及充足的储集空间。
经实证，有效页岩厚度大于30～50m（有效页岩连续发育时＞30m即可，有效页岩断续发育或者TOC含量低于2%时，累计厚度需50m）时足以满足商业开发需要。
有效页岩厚度愈大，尤其是连续有效页岩厚度愈大时，有机质总量愈大，天然气生成量愈多，页岩气富集程度愈高。
5、含气性
含气量是衡量页岩气是否具有商业开采价值和资源潜力评价的重要指标，页岩含气量包括游离气、吸附气及溶解气。
哈里伯顿公司认为商业开发远景区页岩含气量最低为2.8m3/t。
北美已实现商业开发的页岩气，其最低含气量为1.1m3/t，最高达9.91m3/t。
6、矿物组成
脆性矿物含量是影响页岩基质孔隙和微裂缝发育程度、含气性及压裂改造方式等得重要因素。
页岩中粘土矿物含量越低，石英、长石、方解石等脆性矿物含量越高，岩石脆性越强，在外力作用下越易形成天然裂缝和诱导裂缝，形成树状或网状结构缝，有利于页岩气开采。
一般脆性矿物含量要高于40%，粘土矿物含量要小于30%。
7、孔渗特征与微裂缝
岩石孔隙是储存油气的重要空间，孔隙度是确定游离气含量的主要参数。
大约有50%的页岩气存储在页岩的基质孔隙中。
页岩储集层为特低孔、渗储集层，以发育多种类型微孔为特征，包括颗粒间微孔、粘土片间微孔、颗粒溶孔、溶蚀杂基内孔、粒内溶蚀孔及有机质孔等。
孔隙＜2μm，比表面积大，结构复杂，丰富的内表面积可以通过吸附方式储存大量气体。
一般页岩基质孔隙度为0.5%～6%，众数为2%～4%。
裂缝的发育可以为页岩气提供充足的储集空间，也可为页岩气提供运移通道，更能有效提高页岩气产量。
中国海相页岩、海陆交互相炭质页岩和湖相页岩均具有较好的脆性特征，容易产生天然裂缝和压裂缝。
页岩气的成因与成藏机理
一、成因机理
页岩气按其天然气成因可分为两种主要类型：
热成因型和生物成因型，此外还有上述两种类型的混合成因型。
1、热成因型页岩气
热成因型页岩气又可分为3个亚类:
①高热成熟度型，如美国FortWorth盆地的Barnett页岩气藏；
②低热成熟度型，如Illinois盆地的NewAlbany页岩气藏；
③混合岩性型，即大套页岩与砂岩和粉砂岩夹层共同储气，如EastTexas盆地的Bossier页岩气藏。
典型实例：
Fortworth盆地位于美国得克萨斯州中北部,面积约38100km2,为古生代晚期Ouachita造山运动形成的前陆盆地。
其最大沉积厚度3660m,地层自下而上依次为前寒武系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系和白垩系（图7左）,其中下石炭统Barnett页岩上覆上石炭统MarbleFalls石灰岩,下伏奥陶系Viola石灰岩。
在盆地的东北部，Barnett页岩由Forestburg石灰岩分隔为上、下两部分。
Barnett页岩顶面构造为一单斜，气藏不受构造控制,面积约15500km2，埋深大于1850m，可采资源量2.66×1012m3（USGS,2008）。
气田可分为两个区:
①核心区，Barnett页岩下部发育Viola石灰岩；②外围区,缺失Viola石灰岩,Barnett页岩直接与饱含水的下奥陶统Ellenburger组石灰岩接触。
核心区页岩厚度大于107m，外围区页岩厚度大于30m（图7右）。
Barnett页岩为缺氧和上升流发育的正常盐度下的海相深水沉积。
产气的黑色页岩矿物的体积组成为:
石英约45%，黏土（主要是伊利石,含少量蒙脱石）占27%，方解石和白云石占8%，长石占7%，有机质占5%，黄铁矿占5%，菱铁矿占3%，还有微量天然铜和磷酸盐矿物。
根据矿物、结构、生物和构造等，Barnett页岩的岩相主要划分为3种：
层状硅质泥岩、薄片状灰泥和含生物碎屑的泥粒灰岩。
各岩相普遍富集黄铁矿和磷酸盐，常见碳酸盐岩团块。
页岩的主要测井响应特征为低电阻率、高自然伽马。
Barnett页岩干酪根以混合型为主，低硫倾向于生油；TOC平均值约4.5%，露头区的TOC为11%～13%；Ro的分布范围为0.5%～1.9%；吸附气含量约20%，游离气含量达80%；产气区平均孔隙度6.0%，渗透率为（0.15～2.5）×10-9μm2。
页岩的热成熟度（Ro）是热成因页岩气成藏的主控因素。
绝大部分Barnett页岩气井分布在Ro≥1.1%的范围内。
当0.6%≤Ro＜1.1%时，页岩会产正常的黑色石油。
由于石油分子直径较大，容易阻塞页岩孔吼，不利于页岩气的成藏。
在Ro≥1.1%的
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