中國中西部盆地典型陸相頁巖紋層結構與儲層品質評價

吳松濤 朱如凱 羅 忠 楊 智 姜曉華 林敏捷 蘇 玲

（ 1中國石油勘探開發研究院；2國家能源致密油氣研發中心；3中國石油天然氣集團有限公司油氣儲層重點實驗室 ）

0 引言

陸相頁巖油資源潛力大，已成為中國油氣勘探戰略性接替領域。初步評估結果表明，中國陸相頁巖油技術可采資源量超145×108t[1-6]。近年來，通過持續開展以“甜點評價、水平井與體積壓裂”為核心的技術攻關，準噶爾、鄂爾多斯、松遼、三塘湖、渤海灣等盆地陸相主力頁巖層系已取得一系列重要進展[7-16]。準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組上、下甜點段井控資源規模超過10×108t，并設立了中國第一個國家級陸相頁巖油示范區[7]；鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7段落實了3個頁巖油富集區帶，建成了以西233、莊183等為代表的多個試驗區，發現了慶城陸相源內大油田[11]；松遼盆地白堊系青山口組落實7個頁巖層系石油富集區帶，資源規模超過50×108t[12]；準噶爾盆地西北緣二疊系風城組、四川盆地侏羅系大安寨段、三塘湖盆地馬朗—條湖凹陷二疊系蘆草溝組等風險勘探取得重要突破[15-19]。此外，在渤海灣盆地，發現濟陽坳陷的東營凹陷、沾化凹陷，遼河坳陷西部凹陷雷家地區、大民屯凹陷，黃驊坳陷的滄東凹陷、歧口凹陷，以及冀中坳陷的束鹿凹陷等7個頁巖層系石油富集區帶；在柴達木盆地扎哈泉區塊新近系上干柴溝組、英西地區古近系下干柴溝組，以及二連盆地阿南凹陷古近系騰格里組一段等頁巖層系石油領域也取得較大進展[4，10，20-21]。

紋層是沉積層理的最基本單位，是沉積物或沉積巖中肉眼可分辨的特色沉積結構之一[22]，主體厚度小于1cm[23-25]。紋層結構在陸相頁巖油層系中普遍發育，目前學術界與工業界對紋層結構的研究主要集中在3個方面：紋層類型、紋層成因及紋層對巖石品質的影響[26-32]。在紋層類型的劃分方面，礦物組成與有機質豐度是最常見的劃分依據，其中黏土礦物紋層、長英質紋層、碳酸鹽紋層、有機質紋層是最主要的紋層類型[26-27，30]，同時也涵蓋了具有特殊盆地屬性的紋層，如葸克來等[26]在長7段頁巖中識別出的富凝灰質紋層、李婷婷等[27]在青西凹陷下溝組識別出的硅質紋層。除礦物組成外，紋層形態與粒度差異也是紋層結構劃分的重要依據。例如，Campbell等[28]根據黑色細粒沉積組成單元的連續性、形狀和幾何形態，將紋層劃分為板狀、波狀和彎曲狀；Yawar等[29]根據粒度差異提出泥紋層和粉砂紋層。在紋層成因方面，已有研究主要從盆地演化及全球演化的尺度進行了多層次探討。例如，鄢繼華等[31]從盆地演化的角度指出氣候變化和陸源碎屑供應強度變化對滄東凹陷古近系孔二段混合沉積垂向上組合形式的影響；孫善勇等[32]從全球演化的尺度通過米蘭科維奇旋回預測東營凹陷古近系沙四上亞段富有機質紋層成因。

作為頁巖獨具特色的組構特征，紋層結構對烴源巖品質、儲層品質與工程品質評價具有重要影響，包括有機質豐度、巖石學和礦物學特征[33-35]，以及水平井體積壓裂裂縫擴展規律及壓裂效果[36-38]。目前已發表的研究對紋層結構與有機質豐度關系的關注較多，主要認識包括：（1）泥質紋層有機質含量普遍高于粉砂質紋層[27]；（2）不同礦物組分紋層、不同厚度紋層對應的TOC具有明顯差異[22，35，39]?？傮w來看，目前研究較少關注紋層結構對頁巖儲集性能的影響，特別是單一紋層對儲層品質的影響。盡管有學者關注紋層結構對水平方向及垂直方向滲透率的影響，但已有研究更多的是從巖相角度進行探討確定優勢層段[21]，不同湖盆細粒沉積體系發育的紋層結構具有差異，直接影響了儲層品質評價，并對“甜點區/段”的優選造成影響。因此，急需開展不同地區細粒沉積體系紋層結構對儲層品質影響的相關研究。

本文以中國中西部典型湖盆富有機質頁巖——咸化湖盆富有機質頁巖（準噶爾盆地二疊系蘆草溝組）和淡水—微咸水湖盆富有機質頁巖（鄂爾多斯盆地三疊系長7段）為研究對象，通過有機地球化學分析、X-射線衍射分析、薄片鑒定和場發射掃描電鏡觀察等手段，劃分紋層類型與紋層組合，研究不同紋層對應的孔隙結構特征；探討紋層結構對頁巖層系儲集性能與“甜點區/段”優選的影響。相關研究認識以期為中國陸相頁巖油規?？碧介_發提供理論指導與技術支持。

1 不同頁巖紋層結構與地球化學特征

1.1 準噶爾盆地二疊系蘆草溝組頁巖系統

作為咸化湖盆的典型代表，準噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組發育4類紋層，包括碳酸鹽紋層、長英質粉砂紋層、有機質紋層與黏土礦物紋層（圖1）。蘆草溝組黏土礦物含量較低，主體低于20%[7，10，15，39-40]，因此黏土礦物紋層發育比例相對較低。長英質粉砂紋層和碳酸鹽紋層是最主要的紋層類型（圖1a—c），黏土礦物以伊/蒙混層和綠泥石為主，具定向排列特征。長英質粉砂紋層與碳酸鹽紋層常呈互層發育，厚度主要為200μm～1mm，局部可達2mm；碳酸鹽紋層以白云石、方解石和鐵方解石為主（圖1c）。有機質紋層主要與黏土礦物紋層伴生，在顯微鏡下呈薄紋層狀連續或準連續分布于黏土礦物紋層之間（圖1b）。

根據縱向紋層厚度比例，蘆草溝組4類紋層主要構成3種組合樣式，包括長英質粉砂紋層—碳酸鹽紋層組合（圖1a）、有機質紋層—黏土礦物紋層組合（圖1b）、黏土礦物紋層—長英質粉砂紋層—碳酸鹽紋層組合（圖1c）。其中，在長英質粉砂紋層—碳酸鹽紋層組合中，可見少量黏土礦物紋層發育，但厚度與比例較?。▓D1a）。

圖1 中國中西部不同類型湖盆頁巖典型紋層結構顯微鏡照片Fig.1 Microscopic photos of typical laminar structure of shale in various types of lake basins in central-western China(a) 碳酸鹽紋層與長英質粉砂紋層，見薄層黏土礦物紋層互層發育，蘆草溝組，J10022井；(b) 黏土礦物紋層與有機質紋層共生，有機質紋層呈薄紋層狀連續或準連續分布于黏土礦物紋層之間，蘆草溝組，J10016井；(c) 黏土礦物紋層、碳酸鹽紋層與長英質粉砂紋層，3類紋層厚度相當，蘆草溝組，J10016井；(d) 黏土礦物紋層、長英質粉砂紋層與有機質紋層，底部長英質紋層厚度較大，但向上厚度與比例均減小，見橢圓形磷灰石結核發育，長7段，里147井；(e) 凝灰質紋層、黏土礦物紋層、有機質紋層與長英質粉砂紋層，有機質紋層與黏土礦物紋層共生，長7段，里147井；(f) 黏土礦物紋層與長英質粉砂紋層，未見有機質紋層，長7段，白522井。CML—黏土礦物紋層，QFL—長英質粉砂紋層，OML—有機質紋層，CDL—碳酸鹽紋層，TUL—凝灰質紋層

從地球化學特征看，不同類型紋層具有明顯差異。從有機質豐度看，有機質紋層—黏土礦物紋層組合最高，TOC最高超過8%，平均為7.2%；長英質粉砂紋層—碳酸鹽紋層組合最低，TOC主體小于2%，平均僅為1.3%；黏土礦物紋層—長英質粉砂紋層—碳酸鹽紋層組合TOC主體為1.8%～3.6%，平均為2.8%（圖2a）。不同紋層游離烴含量（S1）與TOC呈相反特征，即長英質粉砂紋層—碳酸鹽紋層組合S1最高，而有機質紋層—黏土礦物紋層組合S1最低（圖2b）。長英質粉砂紋層—碳酸鹽紋層組合S1主體為12～19mg/g，黏土礦物紋層—長英質粉砂紋層—碳酸鹽紋層組合S1主體為7～14mg/g，有機質紋層—黏土礦物紋層組合S1主體小于4mg/g（圖2b）。

1.2 鄂爾多斯盆地三疊系長7段頁巖系統

鄂爾多斯盆地長7段頁巖形成于淡水—微咸水湖盆背景[1，11，39，41]。顯微鏡研究表明，長7段發育4類紋層，包括長英質粉砂紋層、有機質紋層、黏土礦物紋層和凝灰質紋層，未見碳酸鹽紋層發育（圖1d—f）。長英質粉砂紋層發育比例較低，粒度變化較大，從粗粉砂到細粉砂均有發育（圖1e、f）；黏土礦物紋層是最主要的類型，發育比例高，主要以伊/蒙混層為主，局部見綠泥石發育，內部見大量黃鐵礦發育（圖1d、e）；長7段有機質紋層也與黏土礦物紋層共生，但與蘆草溝組相比，有機質紋層的連續性、厚度與發育比例更高（圖1d、e）；凝灰質紋層是長7段特色的紋層類型，與有機質紋層、黏土礦物紋層共生，在其內部見大量火山灰蝕變及部分方解石膠結（圖1e）。

長7段頁巖共發育3類紋層組合，包括黏土礦物紋層—長英質粉砂紋層—有機質紋層組合（圖1d）、長英質粉砂紋層—凝灰質紋層—有機質紋層—黏土礦物紋層組合（圖1e）、長英質粉砂紋層—黏土礦物紋層組合（圖1f）。不同紋層組合有機地球化學特征具有明顯差異?？傮w來看，有機質紋層越發育，對應的有機質豐度越高。黏土礦物紋層—長英質粉砂紋層—有機質紋層組合與長英質粉砂紋層—凝灰質紋層—有機質紋層—黏土礦物紋層組合有機質豐度高，TOC主體大于6%，最高超16%；長英質粉砂紋層—黏土礦物紋層組合有機質豐度相對低，TOC主體小于8%（圖2c）。與蘆草溝組類似，長7段頁巖S1與TOC呈相反的分布特征：長英質粉砂紋層—黏土礦物紋層組合游離烴含量最高，S1主體為8～12mg/g，最高可達14mg/g；黏土礦物紋層—長英質粉砂紋層—有機質紋層與長英質粉砂紋層—凝灰質紋層—有機質紋層—黏土礦物紋層的S1分別為2～11mg/g、1～7.5mg/g（圖2d）。

圖2 不同類型湖盆細粒沉積巖典型紋層結構有機地球化學特征差異Fig.2 Differences of geochemical characteristics of typical laminar structures of fine-grained rocks in various types of lake basins

1.3 不同地區頁巖紋層結構差異

綜合前文研究可知，蘆草溝組及長7段富有機質頁巖系統紋層結構具有差異，表明湖盆水體與沉積環境對紋層類型具有重要影響。從紋層類型看，從蘆草溝組到長7段，沉積水體由咸化湖盆向淡水—微咸水湖盆轉變，鹽度逐漸降低，碳酸鹽紋層發育比例與規模減小，黏土礦物紋層發育的比例與規模增大（圖1）。長7段凝灰質紋層較為發育，與三疊紀末期火山活動頻發密切相關[41]。從有機質紋層的分布看，其主體與黏土礦物紋層共生。其中，長7段有機質紋層的連續性、厚度與規模明顯優于蘆草溝組，這一方面與頁巖的有機質豐度直接相關，另一方面可能受熱演化成熟度影響。青山口組Ro主體大于1.0%，最高可達1.6%[12]，高于長7段和蘆草溝組（Ro主體為0.7%～1.0%）[39]。較高的熱演化成熟度可能會導致更多的有機質轉化，從而降低有機質紋層發育的比例。

從不同紋層TOC與游離烴含量關系看，長7段與蘆草溝組表現出相似的特征：黏土礦物紋層與有機質紋層組合對應的TOC高，但S1低；長7段長英質粉砂紋層組合與蘆草溝組碳酸鹽紋層組合對應的TOC低，但S1高（圖2）。需要注意的是，差異性成熟度帶來的生烴演化與成巖作用的不同，也會導致紋層結構的差異。因此，在進行中國陸相頁巖紋層類型研究時，需重點關注水體鹽度、熱演化成熟度與成巖改造的影響。

2 紋層結構與儲層品質關系

2.1 紋層結構與孔隙結構

2.1.1 準噶爾盆地二疊系蘆草溝組

除礦物組成與有機地球化學特征具有明顯差異外，不同紋層孔隙結構也具有明顯不同。準噶爾盆地蘆草溝組長英質粉砂紋層與碳酸鹽紋層孔隙發育程度較高（圖3a、b），黏土礦物紋層次之（圖3c、d），有機質紋層孔隙最不發育（圖3e、f）。長英質粉砂紋層與碳酸鹽礦物紋層的孔隙類型以斜長石粒間溶蝕孔、白云石粒間孔為主；部分斜長石具有明顯的溶蝕特征，局部發育黑云母粒內孔，孔隙直徑最大可達15～20μm（圖3b）。黏土礦物紋層的孔隙類型以伊/蒙混層粒內孔為主，孔隙多但孔徑小，主體孔徑為50～200nm（圖3d）。在有機質紋層中，有機質主體連續分布在石英、斜長石、白云石及黏土礦物之間，但孔隙極不發育（圖3e、f），這可能與蘆草溝組頁巖熱演化程度偏低有關。

圖3 準噶爾盆地蘆草溝組不同類型紋層孔隙結構特征Fig.3 Pore structure characteristics of different types of laminae of Lucaogou Formation shale in Junggar Basin

2.1.2 鄂爾多斯盆地三疊系長7段

與蘆草溝組相似，鄂爾多斯盆地長7段頁巖不同紋層的孔隙結構也表現出極大的差異（圖4），長英質粉砂紋層孔隙發育程度最高，其次為凝灰質紋層和黏土礦物紋層，有機質紋層孔隙發育程度最低。在長英質粉砂紋層中，見鉀長石溶蝕孔、斜長石粒間孔、方解石溶蝕孔及高嶺石粒內孔發育（圖4c），孔隙直徑（孔徑）主體超過500nm，部分孔隙直徑達10～20μm；黏土礦物紋層的孔隙類型以伊/蒙混層粒內孔為主，見少量黑云母粒內孔，孔隙多但孔徑小，主體孔徑為30～300nm（圖4e、g）；在有機質紋層中，有機質連續分布于黏土礦物之中，孔隙發育程度較低，見草莓狀黃鐵礦晶內孔（圖4h）與少量有機質孔（圖4i）。

圖4 鄂爾多斯盆地長7段不同類型紋層孔隙結構特征Fig.4 Pore structure characteristics of different types of laminae of Chang 7 member shale in Ordos Basin

2.2 紋層結構與石油賦存

紋層結構在影響頁巖孔隙結構的同時，也會對石油的賦存狀態產生重要影響。在準噶爾盆地蘆草溝組，長英質粉砂紋層與碳酸鹽紋層石油發育比例明顯高于黏土礦物紋層及有機質紋層（圖3）。在長英質紋層和碳酸鹽紋層中，石油主要賦存在白云石粒間孔及斜長石粒間溶蝕孔中，石油在孔隙邊緣呈散開狀產出（圖3b）；但在黏土礦物紋層中未見此類石油產出現象（圖3d）。

鄂爾多斯盆地長7段頁巖，石油賦存表現出類似的特征，即長英質粉砂紋層與凝灰質紋層的含油性明顯優于黏土礦物紋層及有機質紋層。圖5展示了長7段頁巖熒光顯微鏡照片，可以看到粒度稍粗的長英質粉砂紋層與凝灰質紋層熒光顯示明顯增強。凝灰質紋層發育部分火山灰蝕變形成的高嶺石，在高嶺石內部及高嶺石之間發育大量的孔隙（圖5b），可為石油從富有機質紋層運移到凝灰質紋層提供充足的儲集空間。長英質粉砂紋層也是石油富集的主要區域，前文研究可知，長英質粉砂紋層具有更多的孔隙且孔隙直徑更大，因此在熒光薄片上可見其含油性明顯優于鄰近的黏土礦物紋層（圖5d）。

圖5 鄂爾多斯盆地長7段頁巖含油性熒光薄片照片Fig.5 Thin section fluorescence photos of Chang 7 member shale in Ordos Basin

結合前文研究可知，陸相頁巖的孔隙結構與石油賦存具有很好的一致性。對于長7段和蘆草溝組頁巖系統，長英質粉砂紋層與碳酸鹽紋層孔隙發育好，含油性也優于黏土礦物紋層與有機質紋層；青山口組頁巖紋層品質與長7段、蘆草溝組正好相反，黏土礦物紋層孔隙發育好，其含油性也優于長英質紋層與碳酸鹽紋層。需要說明的是，考慮到黏土礦物紋層特殊的結構，目前青山口組在黏土礦物紋層內觀察到的石油的可動性，是下一步值得關注的重要內容。

2.3 紋層結構與物性特征

紋層結構在影響孔隙結構與石油賦存狀態的同時，也對儲層物性產生影響[42-44]。準噶爾盆地蘆草溝組可動孔隙度與長英質含量呈明顯正相關（圖6a），而與黏土礦物含量呈明顯的負相關（圖6b），這與蘆草溝組長英質粉砂紋層和黏土礦物紋層孔隙結構一致，即長英質含量越高，孔隙越發育，對應的孔隙度越高。氮氣吸附的比孔容代表了儲層中孔隙體積。研究表明，長7段頁巖比孔容與黏土礦物含量、伊利石含量均呈反比（圖7），即黏土礦物含量越高，頁巖物性越差，這也進一步反映出黏土礦物紋層孔隙發育差。

圖6 準噶爾盆地蘆草溝組可動孔隙度與礦物含量散點圖（據新疆油田數據重新編制）Fig.6 Relationship between movable porosity and mineral content of Lucaogou Formation shale in Junggar Basin(Modified after data from Xinjiang Oilfield)

圖7 鄂爾多斯盆地長7段黏土礦物與BJH比孔容關系圖Fig.7 Relationship between clay mineral content and BJH pore volume of Chang 7 member shale in Ordos Basin

本文初步研究認為熱演化成熟度與成巖作用是導致不同盆地間紋層性質差異的關鍵。青山口組頁巖熱演化成熟度高（Ro大于1.3%），黏土礦物紋層以伊利石為主，粒間孔、微裂縫發育程度高，在提高黏土礦物紋層儲集能力的同時，微裂縫的發育進一步增強了其滲流能力；同時，相對較高的熱演化成熟度導致長英質粉砂紋層內部發生強烈的碳酸鹽膠結，使其孔隙發育程度降低。與青山口組相比，長7段和蘆草溝組頁巖系統熱演化成熟度中等（主體小于1.0%），黏土礦物紋層整體以伊/蒙混層為主，粒間孔與微裂縫發育程度有限；同時，長英質粉砂紋層和碳酸鹽紋層碳酸鹽膠結作用相對中等，且生油階段內形成的有機酸對鄰近的長英質粉砂紋層和碳酸鹽紋層造成溶蝕，進一步增強了其儲集性能，導致這兩類紋層含油性普遍優于黏土礦物紋層。

3 紋層結構對甜點評價的啟示

甜點評價是頁巖系統油氣勘探的核心，是實現頁巖油氣規?？碧脚c效益開發的關鍵。中國陸相頁巖油甜點評價包括“甜點段”評價與“甜點區”評價兩個方面[1，7，9-11，39-43]。陸相頁巖油具有“源儲一體、源內運聚”的特征，呈“原生源儲”的富集特征[7]；與常規油氣勘探重點關注“生、儲、蓋、圈、運、?！钡纫夭煌?，頁巖系統“甜點區/段”評價更強調烴源巖品質、儲層品質、工程品質及流動品質的評價[2，6，9]，因此源內滯留烴含量、孔隙結構、礦物組成及流體性質成為頁巖油甜點評價關注的重點。

綜合前文研究可知，紋層作為頁巖系統特有的巖石結構之一，直接影響了頁巖系統的含油性、孔隙結構、礦物組成及儲層物性。本文通過對比蘆草溝組和長7段富有機質頁巖層系不同紋層結構的游離烴含量、孔隙結構、物性及礦物組成，探討了不同紋層結構對應的儲層品質的差異，進而提出在甜點評價中應如何考慮紋層結構的影響（表1）。結果表明：不同湖盆甜點評價關注的紋層結構及巖相類型不同。對于咸化湖盆，蘆草溝組碳酸鹽紋層與長英質粉砂紋層在游離烴含量、孔隙結構及脆性礦物組成方面明顯優于黏土礦物紋層及有機質紋層，因此甜點評價應重點關注碳酸鹽紋層與長英質紋層發育的細粒沉積巖相。對于淡水—微咸水湖盆，長7段頁巖與蘆草溝組類似，長英質粉砂紋層在游離烴含量、孔隙結構及脆性礦物組成方面明顯優于黏土礦物紋層及有機質紋層，凝灰質紋層可作為源內運移的對象，但其在長7段頁巖中占比較小，因此甜點評價應優先考慮長英質紋層較發育的細粒沉積巖相。需要說明的是，從紋層結構到甜點區/段評價優選，不僅涵蓋了烴源巖品質、儲層品質及工程品質的多方面評價，而且涉及跨尺度表征的問題，直接建立二者之間的聯系存在較大的不確定性。本文重點探索了不同紋層結構對應的儲層含油性、孔隙結構與物性的差異，進而為甜點區/段評價優選提供儲層品質方面的重要參考。

表1 不同類型湖盆紋層結構儲層品質與甜點評價Table 1 Reservoir quality evaluation and sweet spot selection of shales with different laminar structures in various types of lake basins

4 結論

本文以準噶爾盆地二疊系蘆草溝組和鄂爾多斯盆地三疊系長7段為研究對象，剖析淡水—微咸水湖盆、咸化湖盆與海侵背景的湖盆富有機質頁巖紋層結構特征，劃分紋層類型與紋層組合，研究不同紋層結構對應的有機地球化學、礦物組成、孔隙結構及物性特征，探討紋層結構對頁巖層系儲集性能與“甜點區/段”優選的影響。主要結論包括3個方面：

（1）湖盆水體環境對頁巖紋層類型具有重要影響，不同類型湖盆頁巖紋層結構具有差異。湖盆咸化程度越高，碳酸鹽紋層發育程度越高。蘆草溝組發育碳酸鹽紋層、長英質粉砂紋層、黏土礦物紋層及有機質紋層，長7段發育凝灰質紋層、長英質粉砂紋層、黏土礦物紋層及有機質紋層。

（2）明確不同紋層間TOC、S1、礦物組分、孔隙結構及含油性的差異，提出同一類紋層在不同盆地的品質具有明顯差異。蘆草溝組碳酸鹽紋層與長英質紋層S1高，孔隙以長石粒間溶蝕孔、白云石粒間孔為主，孔隙大且發育程度高，物性與含油性優于黏土礦物紋層與有機質紋層；長7段長英質粉砂紋層S1高，孔隙以長石溶蝕孔、粒間孔為主，孔隙發育程度高，物性與含油性優于凝灰質紋層、黏土礦物紋層與有機質紋層。

（3）紋層結構決定了頁巖油微觀運聚特征與“原生源儲”富集模式，影響滯留烴含量、流體可動性及壓裂改造。蘆草溝組頁巖油具有由有機質紋層與黏土礦物紋層向長英質粉砂紋層與碳酸鹽紋層運聚的特征，甜點評價應重點關注長英質粉砂紋層與碳酸鹽紋層；長7段頁巖油具有由有機質紋層與黏土礦物紋層向長英質粉砂紋層與凝灰質紋層運聚的特征，甜點評價應重點關注長英質粉砂紋層。