——记中国石油勘探开发研究院生物地层小组

黄雪霜  祝传海

　　

　　

　　1735年，瑞典分类学家卡尔·冯·林奈在他的著作《自然系统》中，记载了一种像笔涂鸦在岩石一样的奇特生物化石，并将其命名为“Graptolithus”，也就是笔石。那时的林奈或许从没想过，有一天，这个小小的远古生命在后来不仅能成为古生物学家划分地质时间的“游标卡尺”，也能成为油气勘探的“指南针”“大功臣”，在面向国民经济主战场——勘探开发新型能源中焕发出新的活力。

　　那么，这种小小生物究竟是如何与能源勘探联系起来的？

　　在地球这颗蔚蓝星球上，自人类第一次拿起火种起，就与能源密不可分了。当工业革命开启，带来翻天覆地变化的同时，也带来了日益突出的环境、能源问题。近年来，为了改善人类生存的环境，我国提出“双碳”目标。因相较于煤和石油具有明显的低碳排放优势，新能源——天然气成为关键过渡能源，而以页岩气为代表的非常规天然气正在成为中国天然气的重要来源，它被誉为是地底下的“蓝金”。

　　近十年来，我国有越来越多的科研团队踏上了在石头缝中寻找“蓝金”的征程，其中，有一支非常“特别”的团队——中国石油勘探开发研究院生物地层小组（以下简称“生物地层小组”）。它由陈旭、戎嘉余、邹才能等院士自愿发起，中国石油勘探开发研究院王红岩、赵群等骨干强力组织，集聚了中国石油化工集团有限公司、中国地质调查局、中国科学院南京地质古生物研究所等一批多学科领域志同道合的精英人才。在工作中，这些团队成员不约而同地感受到古生物之于页岩气勘探开发的重要性。以“笔（笔石）”为引，打破壁垒，他们自发地走上了一条跨学科、跨方向，多学科深度融合的全新之路，树立了基础研究和生产应用结合的典范。

　　生物地层小组具体做了哪些工作？他们是如何做到以“笔”为引，把脉矿产资源的？这背后发生了哪些动人的故事？带着疑问，本刊带大家走进这支团队及其研究的神奇世界。

 

缘起：自发成立的生物地层小组

 

　　在距今5亿至3亿年前的海洋中，生活着一种神秘的小型海洋无脊椎动物——笔石虫。它们像今天的珊瑚虫一样过着群居的生活，喜欢建造一个个或圆的、或方的、或直的、或弯的，被叫作胞管的整齐而精巧的“小房子”，并居住在里面。因此，它们常常被誉为是远古海洋里勤劳的“建筑工”，也是精益求精的“小小艺术家”。

　　笔石生活在中生代的寒武纪和古生代的奥陶纪时期。如果你穿越到奥陶纪的海洋中，就会发现，任何一个可以让笔石虫稳稳固定住的物体，都可以成为它们繁荣的家园。它们在富含氧气和食物的海面繁衍生息，死后落入海底被掩埋。

　　由于笔石的演化速度快，化石数量多，在世界各地广泛分布，因此，它们被科学家们选定为研究地层的标准化石。科学家们用特定种类笔石出现和消失的时间标记地层的年代，建立了地质历史上的“唐宋元明清”，所以笔石被称为地质时间的“游标卡尺”；又因为它以海水中的微体菌藻类等生物为主要食物，而这类生物是产生油气的主要来源。在奥陶纪和志留纪的海洋里，微体菌藻繁盛的地方常常生活着大量的笔石虫。所以，在笔石化石含量多的岩层中寻找油气，就成了油气勘探的黄金定律。

　　正如生物地层小组的发起人之一、中国科学院南京地质古生物研究所研究员陈旭院士所描述的：如果地层是“几百页的书”，地质变动把这几百页的书撕烂了、揉皱了，扔得到处都是。而他们所要做的就是找到这几百页书里“有矿产”的几十页——找到每页中特定的生物和岩石组合，分辨出哪一层是哪一层，就可以在不同的地方认出哪个地方属于有矿产的“那一页”，给勘探指明方向。可以说，在页岩气资源的勘探开发中，不但需要高端的钻井技术，更需要对黑色页岩的地层层位进行精准标定。在这一过程中，笔石发挥着不可替代的黄金卡尺作用，是目前钻井现场确定生物地层最简便、最快速、最精准的方法。只要一个约10倍的放大镜，生物地质研究科学家就可以现场鉴定岩层中笔石的属种，并由此判断它们所在的地层年代。

　　在中国，页岩气勘探开发研究工作实际上迄今不过十几年，却已将页岩气的地位提升至我国天然气主要增长极。发展速度如此之快，得益于一批相关领域科研人员的不懈努力。

　　2006年，以生物地层小组的又一发起人——邹才能院士为代表的一批地质工作者开始涉足油气勘探的全新领域。针对页岩气开展专项研究及综合地质评价，他们初步明确了威远及川南地区页岩气资源潜力、有利层系和有利区带。此后，中国石油勘探开发研究院组织人员多次赴四川省长宁、威远等地开展现场技术考察和室内联合研究，在我国海相页岩中首先发现了丰富的有机质纳米孔隙，证实了龙马溪组页岩的储气能力，揭开了川南五峰组-龙马溪组页岩气的神秘面纱。不仅如此，他们还确定了在长宁构造北面与威远构造的东面也有埋藏更深、更优质的页岩气目的层。

　　艰难困苦，玉汝于成。众人看到的是硕果累累的光鲜亮丽，只有深入其中的人才了解这些成果背后饱含的艰辛和汗水。中国页岩气勘探，其实是一个“从0到1”的过程，很多基础工作此前都没有先例，尤其是在将古生物研究与页岩气勘探结合的初探时期，棘手的问题接踵而至，如五峰组-龙马溪组黑色页岩分层不统一的问题就曾令科研人员焦头烂额，还有对页岩气储层精细划分缺乏有效的手段，对页岩气水平井开发箱体的确定存在争议等。主要问题聚焦在原有的多个方案不统一，名称多，不利于交流；研究不与国际生物地层接轨，划分以岩性、沉积相为主，存在穿时现象等。面临的问题千头万绪，重新建立与国际接轨的地层划分方案迫在眉睫。

　　使命在肩，负重前行。生物地层小组就此应运而生。可以说，它正是建立在陈旭、戎嘉余、邹才能等院士团队，以及王红岩等石油勘探开发骨干基于一线迫切需求的深入了解之上。也正因为了解，他们的呼声得到了多家单位有识之士的积极响应。刚发起时，小组成员全是凭着兴趣自愿加入、学习。

　　榜样的力量指引前行。作为生物地层小组的组织管理者，王红岩这些年凭借运筹帷幄的强大组织能力、不折不扣的执行力、对石油勘探和生物化石鉴别技术的超强掌握力，赢得了众人的一致赞赏。生物地层小组成立初期，他和几位院士一起，系统开展了多期笔石等化石系统的培训，组织开展了黔渝模式联合考察、煤山金钉子联合考察、常山金钉子联合考察、四川鸳鸯岩剖面联合考察等多次具有代表性的联合考察。在他的强力号召和凝聚之下，生物地层小组这样一个自发的、原本松散的组织实现了多学科的高度融合。一群跨学科、跨单位、跨年龄层的科研人员，凭着对科研的爱而生发出一腔热血，研究出了一个又一个支撑我国页岩气勘探开发的基础理论，打赢了一场又一场硬战，成为领域里的一面旗帜。

　　工欲善其事，必先利其器。生物地层小组成立后，王红岩带领大家干的第一件事，就是捋清整个西南的地层划分对比方案。

　　四川盆地南部长宁与威远区块是我国页岩气主要产区之一，主要产气层上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组富有机质，页岩厚度介于20～40m，具有良好的可对比性。然而，研究人员从笔石地层的角度分析后发现，上述两个区块黑色富有机质页岩的沉积时间和沉积速率均存在着明显的差异。充分发挥多学科交叉团队的优势，应用沉积学、生物地层学、地球化学和矿物学等研究手段，生物地层小组成员开展了上述两个区块8口钻井的岩心描述和笔石生物地层划分等工作，如通过对威远页岩气田威202井奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组笔石和三叶虫等重要生物化石的鉴定，结合区域地层特征将其划分到笔石带，并确定五峰组和龙马溪组下部的笔石带为最优储层，提出威202井区在奥陶纪末期五峰组、观音桥层及志留纪初期龙马溪组剖面和湖北宜昌王家湾剖面可以对比的理念，从而为探明笔石带对比及沉积特征埋下了坚实伏笔。

　　同样，为深入研究渝东北巫溪地区五峰组-龙马溪组页岩气储层及含气情况，生物地层小组成员以巫溪2井钻井资料为基础，以笔石生物地层作为黑色页岩地层划分对比的“标尺”，对富有机质页岩的有机地球化学特征、岩石学特征、储集空间类型及特征等进行了系统分层研究。

　　研究结果表明，巫溪2井五峰组-龙马溪组富有机质页岩厚度达89.8m，笔石序列发育完整连续；富有机质硅质页岩、黏土质硅质页岩具有“既甜又脆”的特性，为页岩储层发育的优势岩相；纳米孔隙形态多为四边开放平行板状孔，连通性较好；且探明赫南特阶LM1带为最佳层段，具有“最甜、最脆”的特性，可作为水平井最佳靶体位置“甜点段”等。这些成果为进一步完善西南地层划分对比方案奠定了坚实的基础。

　　总的来说，生物地层小组自成立以后，不但系统开展了地层精细划分的工作，建立了分层标志化石体系，还建立了古生物地层与测井响应标志，并实现了区域推广应用。他们创新性地将多种手段相结合，建立起页岩气科学工业化分层方案，又在生物地层框架的指导下，建立起3种页岩沉积模式，基于古生物数据库恢复五峰三隆一洼古地理格局，精准识别川南古地理特征，规避了页岩气的开发风险。“合抱之木，生于毫末；九层之台，起于累土”，正是凭借这一系列的基础理论创新突破，生物地层小组才有了后来在岩气储层实地研究中的系列突破。

　　这些研究成果的取得具有重要的地层对比意义，为页岩气的研究提供了重要的理论支撑。如今，在生物地层小组的推动下，人们已经确信，小小远古生命不仅能做“标尺”，亦可“探油”。而生物地层小组也因一系列重大发现，在极短时间内就闯入业界视野，并因其权威性和专业性，吸引页岩气勘探开发相关研究机构、企业带着问题慕名而来，从而催生出许多新的故事。

 

跨越：来自不同学科的碰撞

 

　　当一项又一项基础理论成为未来相关领域的发展桥梁，带领中国页岩气勘探开发研究走向通途，很少有人能了解，背后铺设桥梁的过程实则艰难异常。

　　事实上，生物地层小组刚成立时，就遇到过一个重要的难题——笔石不同于其他化石，种类特别多。至今，科学家识别出来的种类可能还不到一半。虽然种类多，但有些并不具备科研价值，上亿年的笔石虽然看着漂亮，但是基本没用。只有那些沉积了几百万年甚至是几十万年的才有用，且演化越快的笔石越有价值。要从纷繁复杂的类别中精准识别出关键的、有价值的笔石，难度非常大。通常笔石的保存条件不是很好，很可能只能看到一个小小的断肢，特征很不明显，只有对笔石相关知识和特征有了深刻的理解，才能做到排除万难，实现精准判断——即使只有一段，也有可能确定它是什么种类。

　　实现对笔石的精准鉴定是一个漫长的积累过程，这项工作哪怕是对专门从事这一专业的科研人员来说都是一件难事，更不要说生物地层小组里的其他非专业人员了。

　　“小组中很多人都不是学古生物的，特别是很多都是学地质学出身的，对古生物只有大概的了解，对于其中具体的细节根本就不懂。因此很多基础知识需要从零开始学习，一步一个脚印积累，才能达到运用自如。”据小组成员们回忆，虽然小组成立后组织了多次培训，但是对于笔石的特征，学是一回事，到现场看是另一回事，很难确认出来。于是，为了加深大家对于笔石知识的深刻理解，团队里80多岁的院士们常常不辞辛苦，带领大家踏遍千山万水到现场考察。智者如灯，照亮前行，前辈们的无私奉献和渊博学识为生物地层小组成员的迅速成长搭建了进步的阶梯。

　　值得一提的是，生物地层小组成员们面临的不只是专业学习上的挑战，甚至还需要面临质疑——当时我国业界笔石的研究者甚少，很多人对这项技术的作用持怀疑态度。

　　“就当时笔石研究来看，最关键的层也就二三十米。就这二三十米，都是‘黑不溜秋’的岩土，还要分出来好多层。”这对很多人来说难比登天，但小组成员们选择了坚持不放弃，他们把笔石的种种演化全都列出来，把整个区域全都分析清楚之后，其中的规律从事地质研究的人一般都能理解，现在大家都已经接受了这种分层，没人再质疑“黄金卡尺”的引领价值。

　　生物地层小组面临的另一个棘手难题是生物地层的精细分层。伽马测井、笔石带是沉积环境和地质事件两种不同方式的记录。伽马曲线记录了沉积环境和地质事件，笔石演化则反映了生态环境和地质事件。在生物地层小组对我国页岩气主要产区进行探索研究的时候，“一开始我们认为川南地区的优质页岩就沉积鲁丹阶。但是在实际中，我们发现长宁地区鲁丹阶的页岩有一半是优质的；而在威远地区，整个鲁丹阶的页岩都很优质。”随着研究的日渐深入，生物地层小组的成员发现，在川南地区，南部和北部的沉积差异比较大。

　　差异为什么这么大？大家陷入了迷茫。“当时，我们以为这块沉积可能跟古地形有关，没有考虑到构造的因素。后来在陈旭院士的指导下，我们跑了很多地方才了解到，在川南地区，由于华南板块对扬子板块进行挤压，导致整个地层从南向北逐渐抬升，这个事件就严重影响了优质页岩的沉积：在鲁丹阶沉积的中期，南部地层已经抬起来了，导致沉积的页岩品质降低了。”找到这层关系后，生物地层小组又展开了大量繁杂的工作，对比了很多井的资料，最终顺利地解释了不同地区测井曲线的差异。“就是因为有这么一个隆起，导致里面有一个巅峰没有沉积。”正因为理顺了理论框架，才让小组成员们分析清楚了沉积的状况。这无疑为难关的突破打造了“霹雳神剑”。最终，生物地层小组建立了古生物地层与测井响应标志，并成功在川南区域推广应用。

　　冰冻三尺非一日之寒，生物地层小组的专家们之所以能遇水架桥、逢山开路，与他们的细心积累分不开。

　　很多小组成员们都记得这件事情——一次生物地层小组在外地开会，有一位企业的负责人抱着一大套黑色页岩找上门来。原来，他们在打出井的时候，看着一大堆页岩却分不清层段。生物地层小组当时在业界已经打出名号，于是，这家企业的高管就慕名拉着岩芯驱车几百公里到他们开会的酒店来向他们求教。看着这个负责人急切诚恳的样子，几位院士和小组成员当即在酒店的地毯上对着黑色页岩研究了起来。

　　“我们每看一个岩芯找到标志物，会在测井曲线标准线上做个记号，要看有几个关键的地质分层跟测定的伽马曲线的峰值能对上。”生物地层小组骨干成员赵群通过仔细观察，正好发现有4个峰值不对，生物地层和测井曲线的伽马尖峰有特别好的对应关系。“这是因为在地质沉积的过程中，受不同区域的抬升影响。整个川南地区的北边是全的，而南边是不全的。”但当时，这些说法也仅仅是猜想。开会回来后，赵群和大家齐心协力把能找到的井全都梳理了一遍，功夫不负有心人，最终他们果然发现了其中的规律。这些规律也成为后来研究人员成功分辨页岩分层的基础依据之一。

　　很多灵光一闪的突破看似偶然，实则必然。生物地层小组的很多成员对坚持积累、全面创新突破的价值深有感触。

　　近年来，小组在陈旭院士指导下，针对南方海相五峰组-龙马溪组页岩分层方案不统一的问题，综合多因素制订五峰组-龙马溪组页岩储层小层划分方案，建立了4种测井伽马响应模式，形成了具有鲜明特色的生物地层的测井识别方法，研发出页岩储层微观特征及含气性测试方法等特色技术，为四川盆地五峰组-龙马溪组页岩精细评价作出积极贡献，而这些成果也推动了我国非常规油气革命性跨越式发展。

　　现在，生物地层小组成员们正专注于川南的沉积研究，相关区域的页岩气在生产过程中出现了很多问题，比如大足地区、自贡地区、大安地区，其页岩储存变化超过预期。“我们要通过化石的标定，再找一些其他的沉积证据来确定它为什么这么变化，以及变化影响范围有多大。”这其实也是油田最关心的问题，但只有分析明白为什么它会变化，才能预测它变化的范围有多大。立足关键问题，生物地层小组又踏上了征程。

 

热血：因爱生发的自驱力

 

　　“四亿多年前，你在大海里繁盛嬉戏，像雪花一样坠入黑色的海底，肉体被逐渐吞噬，留下铅笔书写的印记，但生之灵火却不肯燃熄。沧海桑田，时光如梭，你的故事没有被忘记，跟随大师书写你的传奇，在页岩中将你寻觅，探索页岩气的秘密。”

　　在生物地层小组，传颂着这样一首由团队领头人王红岩写的诗歌——《昨天的你》，他们甚至还拍成了视频，由部分团队成员分别诵读，将他们与笔石、与勘探事业的故事和情感娓娓道来，一字一句，饱含深情。可以感受到，他们是一群有理想、有抱负的志同道合的同行人。在页岩气勘探开发不断取得重大突破的同时，这样一批最早从事相关研究的科研工作者正怀着满腔热血准备攻下新的高峰。而不断进击的背后，是他们因爱生发的、源源不断的自驱力。

　　虽然生物地层小组是一个自发的、松散的组织，但一系列研究进展迅速，究其原因，得益于对人才培养的极力的推动。

　　2009年，时任中国石油勘探开发研究院新能源研究所所长的王红岩代表团队，向中国石油勘探与生产分公司汇报了国内外页岩气发展形势与国内页岩气研究认识。听完汇报，公司当场决定启动页岩气勘探开发试验，并按照“落实资源、评价产能、攻克技术、效益开发”的目标，确定在威远构造实施第一口页岩气井。而这口井，也成了后来一系列研究和勘探的根基。

　　此后，全球顶尖科学家的陆续加入，为生物地层小组研究工作的权威性、严谨性添薪助力。比如陈旭院士，他曾说过自己最大的愿望，就是研究了一辈子的古生物能应用到生产实际当中。如今，他的愿望通过将笔石化石的地层划分与油气生产相结合这样一个奇妙的方式得到了践行，成为学科交叉结合的范本。每每谈到这份事业，老院士的眼里总是能透出兴奋的光芒，言语间满是研究得以延续的欣慰。正因为热爱，让他不辞辛劳、不知疲惫地无私奉献，培训时细心教导，将多年在笔石鉴定上的知识倾囊而出；考察时不远万里，跟年轻人同进同出，从不搞特殊。

　　事实上，生物地层小组的每一位骨干成员都有一个属于他自己的关于对这份事业的兴趣与热爱的故事。

　　小组组织者王红岩身兼多职，但组里的事情事无巨细做得全面周到，虽然公务很多，但他的知识积累、专项技术却依然是组里年轻辈里最好的。大家眼中，“他不仅有超强的组织能力，并且学习能力也很强。他认识许多种笔石，不仅中文名字，连拉丁文名字他也能一一详尽地说出来”。2018年6月，中国石油天然气集团有限公司代表团在第27届世界天然气大会（WGC2018）上充分展示了对天然气工业可持续发展的思考与认识，发出响亮的“中国声音”。王红岩凭借“页岩气十年发展与创新”研究获WGC勘探生产领域技术与创新奖。

　　小组的另一名主要成员赵群是地质学专业出身，从毕业实习开始，他就扎根在原中国石油勘探开发研究院廊坊分院。中国石油勘探开发研究院新能源研究所（现非常规研究所）成立后，他水到渠成地成为其中一名骨干成员。“我发现页岩气是非常有前景的，对此也充满信心。”赵群说。虽然当时大部分时间里他都是以业余爱好者的身份去研究，但是兴趣使然，他越研究越深入其中不舍离开。他发现页岩中总有机碳（TOC）的含量，在好多地方井下实验分析测试的参数都差不多，同样都是页岩，但是实际上它里面还有层理，且各有差别。如果只是笼统地研究，根本揭示不了其中的奥秘。“而我从内心里特别喜欢做这方面的研究，这是一个很细致的工作。”赵群说，因此，在组建生物地层小组的时候，他果断加入其中，成为小组的初创成员之一。

　　在生物地层小组里，这些关于热爱的故事、乐于奉献的人还有很多，有国家自然科学基金优秀青年科学基金获得者邱振、中国石油勘探开发研究院2022年青年十大科技进展获得者周天琪，还有在各自专业领域里杰出的代表施振生、孙莎莎、武瑾、张磊夫等。团队重要成果“四川盆地奥陶-志留系五峰组-龙马溪组重力流沉积及其对非常规油气的意义”在国际油气领域期刊《美国石油地质家协会会刊》（AAPG Bulletin）发表。走进这支特别的团队，你会发现，他们的成员来自五湖四海，背景不同，性格迥异；他们有不同的学科背景，学科交叉，却术有专攻，分工明确……但他们都有一个共同的心愿：聚在一起为我国石油勘探事业贡献力量。积力之所举，则无不胜也；众智之所为，则无不成也。让所有人感到高兴的是，通过大家的共同努力，团队的人才培养机制和体系已经逐步完善，一群有志向也有能力年轻人也已经成长了起来，有延续就有未来，页岩气蓝图变蓝金的宏图也已徐徐开启。

 

愿景：让页岩气蓝图变蓝金

 

　　2021年10月，习近平总书记在考察胜利油田时指出：“中国作为制造业大国，要发展实体经济，能源的饭碗必须端在自己手里。”这一重要指示，为石油人确立了工作目标，也是页岩气业务的努力方向。按照规划，到2030年，我国页岩气产量有望达到800亿～1000亿立方米，占比将达到“三分天下有其一”。页岩气，业已成为我国未来天然气增储上产的主力军。

　　一路思索，一路总结，一路规划，如今，生物地层小组已经笃定了未来图强的方向。目前，小组在研的几个中国石油天然气集团有限公司的前瞻性、基础性的项目包括海相页岩气勘探开发关键技术等。按照国家能源局对外发布的《页岩气发展规划（2016—2020年）》，我国将完善成熟3500米以浅海相页岩气勘探开发技术，突破3500米以深海相页岩气、陆相和海陆过渡相页岩气勘探开发技术，这是整个中国石油勘探开发研究院未来在新领域的布局方向，也是小组接下来要加大力度突破的关键技术。

　　与此同时，建立海相页岩即深水沉积的体系也是生物地层小组今后科研的重点，以期建立等时框架下的深层页岩气沉积学体系。这对整个学科来说具有非常重要的意义。可喜的是，团队目前已经有了一个良好的开端：已经画了4个层级对象，也找到了一些证据，如生物地层小层通过大薄片、大氩离子抛光片研究发现，川南地区五峰组-龙马溪组深水区域发育砂泥递变型水平层理、递变型水平层理、书页型水平层理、砂泥互层型水平层理及块状层理，可能指示深水区发育细粒浊流沉积、泥质等深流沉积、远洋-半远洋沉积和粉砂质等深流沉积等沉积体系类型等。

　　虽然前景看好，但对生物地层小组来说这条研究与实践结合的漫漫长路仍然充满挑战，唯有踏实前行：“建立理论体系后，我们还面临如何去推广的问题。中国的页岩气发育区可划分为与板块大致对应的南方、中东部、西北及青藏这四大区域，它们都具有良好的页岩气勘探前景。能不能用这套理论体系把各个地区的地层尺寸划分清楚是一个难题。我们相信页岩气在川南的大发现并不是偶然事件，全国各个地方都有突破才是我们的最终目标。”风物长宜放眼量，向着更深、更广的领域进军，等待生物地层小组的是大有可为。