不同沉积环境下陆相页岩储集特征差异性对比——以中原油田三大探区为例

徐田武，张洪安，李令喜，周勇水，周圆圆，李进，万晶

（1.中国石化中原油田分公司勘探开发研究院，河南 濮阳 457001；2.中国石化中原油田分公司，河南 濮阳 457001；3.中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126）

0 引言

随着人们对含油气系统认识的逐步深入及能源需求的不断增长，世界油气资源勘探开发重点逐渐转向非常规油气，特别是页岩油气领域的发展极为迅速［1］，页岩油气已经成为我国各大油气公司的勘探开发热点［2］。近年来，我国已在准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系、渤海湾盆地黄骅坳陷古近系孔店组及济阳坳陷古近系沙三—沙四段、苏北盆地阜宁组、鄂尔多斯盆地上三叠统延长组、松辽盆地古龙坳陷青山口组及四川盆地中北部侏罗系等陆相层系获得重大突破［2-7］。陆相页岩储层比海相页岩储层的矿物组成更复杂，常表现为碳酸盐矿物、黏土矿物及长英质矿物的混积特征，岩相与沉积环境关系密切，并且不同岩相页岩油储层含油性差别较大［8］。

近年来，中原油田相继在咸化湖盆的东濮凹陷沙三段获得了100 m3/d 的高产稠油突破（濮深18-1 井），在淡水湖盆的川东北探区侏罗系获得了10.4×104m3/d的高产工业气流突破（普陆页1 井），展示了陆相不同沉积环境中的页岩油气具有巨大的勘探潜力，同时在内蒙探区半咸水环境中部署的查43 井发现了页岩油气具有较好的油气成藏苗头［9-10］。

中国陆相沉积盆地烃源岩在发育时代、盆地类型、岩性岩相和沉积环境方面具有多样性，非均质性强。在沉积水体环境，发育淡水、半咸水、咸水和碱水等多种水体，且在每种水体环境下均可发育高有机质丰度的页岩。虽然前人对中原油田陆相不同沉积环境下的油气成藏特征进行了大量研究，明晰了高有机质丰度的页岩不但是常规油气藏的主要油气来源，也是非常规油气藏的主要来源［11-14］，但是对不同沉积水体环境中的页岩油气形成的物质基础、储集特征等方面研究薄弱。因此，基于不同沉积环境下页岩岩性和储集空间发育特征的对比研究，有助于揭示页岩储层含油气的控制机理，并为成藏条件分析及资源评价提供重要的科学依据。

1 地质概况

本次研究咸化环境中的样品主要采集于东濮凹陷。东濮凹陷位于渤海湾盆地西南缘，属于临清坳陷的一部分，钻遇的地层自下而上主要有古近系沙河街组和东营组、新近系馆陶组和明化镇组、第四系平原组。在古近纪沙河街组沉积期，东濮凹陷主要沉积了一套以砂泥岩和膏盐为主的地层，从下往上依次为文23 盐（沙四上亚段—沙三下亚段）、卫城下盐（沙三中下亚段）、文9 盐（沙三中亚段—沙三上亚段，也称卫城上盐）及沙一盐［8］。本次研究所取样品的层位集中在盐岩分布区域，沉积发育水体环境主要为咸水环境［11］；涉及的井位主要为卫457HF、卫79-8、卫7-18、庆5、濮6-65 等井，层位涉及沙四上—沙三上亚段。

本次研究淡水环境中的样品主要采集于四川盆地川东北地区的普陆页1 井，层位主要为中侏罗统千佛崖组。综合Sr 浓度、Sr/Ba 比及碳氧同位素认为，该沉积时期四川古湖泊为一内陆开放型淡水湖泊［15］。

本次研究半咸水环境中的样品主要采集于二连盆地白音查干凹陷的查43 井，层位主要为腾格尔组。根据页岩饱和烃气相色谱分析的Pr/Ph 比值（0.546）及伽马蜡烷/C30霍烷比值（0.47～0.60），该沉积时期为一半咸水湖盆。

2 不同沉积环境下页岩成烃生物特征

生物丰度和种类主要受沉积水体盐度和环境控制，直接影响烃源岩的品质，譬如有机质丰度和类型等，有机质丰度和类型等方面的差异又影响到页岩的储集性能。沉积环境通过对有机质类型和含量、成储的原始矿物及其堆叠组合结构的影响，从而影响生烃成岩作用过程中有机孔与无机孔的发育，进而控制储集空间。

根据沉积水体咸度及沉积物特征，可以把沉积环境划分为咸水、淡水及两者之间的过渡类型（微咸水或半咸水）。中原油田三大探区页岩油气类型丰富，可以划分为3 种类型——咸水型、淡水型及半咸水型［1］。本次研究立足于中原油田三大探区的勘探实践，结合典型样品筛选，开展了岩石结构及成分、成烃生物及岩石储集特征等方面测试。

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2.1 咸水环境烃源岩成烃生物特征

东濮凹陷北部地区沙河街组纵向上发育文23、文9 等多套盐岩。平面上不同套的盐岩发育范围也存在较大差异，但是整体上沙河街组烃源岩处于咸水环境中，有机质以腐泥组为主，占比为83.6%，见少量壳质组（4.6%）和镜质组（9.4%）；成烃生物以喜咸水的蓝藻、丛粒藻、沟鞭藻、颗石藻及少量疑源类为主（见图1）。丛粒藻（见图1a）在生长过程中能够大量合成并储存与石油结构极为相似、但不含硫元素的烃类物质，是构成石油烃源岩生烃母质的主要成分，在原油的形成过程中起重要作用。该藻类被认为是极具节能环保价值的可再生生物柴油来源［16］，在岩石薄片中具有强荧光的断序分布特征。沟鞭藻一般以群体分布，具有强荧光，荧光颜色为黄—黄绿色（见图1b）。蓝藻纹层较为普遍，蓝藻类是研究区发育的重要微藻类类型，在岩石薄片中具有强荧光的纹层状分布特点。这种藻纹层在荧光下尤为明显，表现为强荧光的藻纹层和弱荧光的矿物层互层（见图1c）。颗石藻类为海相钙质超微体藻类，喜咸水，在镜下一般呈现较好的椭圆形个体，边缘略呈锯齿状，个体极小（见图1d）。

图1 咸水环境烃源岩成烃生物特征Fig.1 Characteristics of hydrocarbon generating organisms of source rock in saline water environment

通过对东濮凹陷11 个样品进行全岩薄片显微成烃生物分析，发现烃源岩的品质往往与原生低等生物藻类的繁育程度直接相关，主要受湖泊水体环境的控制。沟鞭藻开始发育，此时的水体为半咸水—咸水环境；当水体盐度进一步上升时，其他不耐高盐度的藻类生长受到抑制，蓝藻或颗石藻就能成为优势类群而大量勃发。这也与本次测试分析结果吻合，研究区局部沟鞭藻发育，部分层位蓝藻分布广泛，勃发呈层状产出。由此可见，影响藻类勃发的最终因素是水体环境和营养盐类富集程度的波动。东濮凹陷沙三下和沙四上亚段优质烃源岩多以纹层状互层结构为主要特征，由富有机质纹层及黏土-矿物纹层交互组成。富有机质纹层主要为浮游藻及其降解产物，常见蓝藻、丛粒藻、沟鞭藻纹层（见图1e—1g）。

藻纹层组合的这一沉积特点实际上记录了藻类生产、勃发、死亡和埋藏的地质历程，反映了湖泊水体的季节性更替。当春季来临时，温跃层消失，富含营养物质的底层水循环到水体表层，随着温度的逐渐升高，浮游藻类等低等浮游植物在晚春或夏季出现高生产力，大量繁殖，出现勃发现象［17］，同时由于浮游藻类等的光合作用消耗表层水体中大量的二氧化碳，诱发白云石等碳酸盐矿物的沉淀，沉降到湖底则形成富白云石的纹层（见图1h）；随着温度的进一步升高，盛夏季节湖泊存在正分层现象，密度较小的藻类等被限制在温跃层之上；而随着秋季的到来，温跃层重新消失，藻类有机质则迅速沉淀，形成富有机质的藻纹层；冬季浮游植物的生产力降低，沉积物则变成以黏土质为主，形成富黏土和黄铁矿纹层［18］。

2.2 淡水环境烃源岩成烃生物特征

普光地区千佛崖组页岩有机质以镜质组和贫氢次生组分为主。其中：镜质组平均占比为46.1%，惰性组平均占比为19.8%；而腐泥组和壳质组占比低，平均占比分别仅为8.2%，15.1%；成烃生物主要为高等植物腐殖体、镜质组及浮游藻类无定形体（见图2）。母质来源具有以高等植物为主、低等水生生物为辅的特征。与咸水环境相比，生物种类相对更多，但腐泥组占比相对降低，镜质组占比相对增高，为典型陆相淡水湖泊型成因。

图2 淡水环境烃源岩成烃生物特征Fig.2 Characteristics of hydrocarbon generating organisms of source rock in freshwater environment

2.3 半咸水环境烃源岩成烃生物特征

半咸水环境的水体盐度介于咸水与淡水之间，成烃生物特征亦介于上述2 种水体之间。以内蒙古白音查干凹陷腾格尔组白云质页岩为例，其有机质以腐泥组、镜质组和惰性组为主：腐泥组占比为51%，低于咸水环境中的83.6%，高于淡水环境中的8.2%；镜质组占比为29.8%，高于咸水环境中的9.4%，低于淡水环境中的46.1%。半咸水环境中的成烃生物以藻类体和高等植物为主（见图3），可见藻纹层与白云石纹层互层。藻类体以层状藻和丛粒藻为主，为湖盆内源物质，包裹大量陆源碎屑颗粒，指示其由水携带搬运，与藻类同沉积；与沙河街组咸水环境相比，高等植物（镜质体、丝质体）含量高，镶嵌在层状藻纹层中，考虑为三角洲搬运的陆源有机质。

图3 半咸水环境烃源岩成烃生物特征Fig.3 Characteristics of hydrocarbon generating organisms of source rock in semi-saline water environment

3 不同沉积环境页岩储集空间的差异

3.1 不同沉积环境中的页岩储集空间类型

通过常规孔渗、基质孔隙度测试，定量评价了东濮凹陷沙河街组咸水环境和川东北地区千佛崖组淡水环境中页岩的孔隙度、渗透率。咸水环境中，页岩常规孔隙度平均值为3.42%，基质孔隙度平均值为3.2%，两者结果差异不大；千一段淡水环境中，页岩的孔隙度略低于沙河街组咸水环境中页岩的孔隙度，平均值为2.2%。

3.1.1 咸水环境中页岩储集空间类型

针对东濮凹陷沙河街组咸水环境页岩样品，统计15 块样品219 张氩离子抛光扫描电镜照片，将储集类型划分3 大类12 种类型（见图4）。无机孔主要为溶蚀内孔、黏土孔、碳酸盐晶间孔、粒间孔；有机孔主要为沥青孔、高等植物气孔、有机质收缩缝和含磷灰石有机孔；裂缝主要为层理缝、层间微裂缝、晶缘缝和粒缘缝。其中，黏土孔、碳酸盐晶间孔和粒间孔是主要孔隙类型。

图4 东濮凹陷沙河街组咸水环境中的页岩储集空间类型Fig.4 Reservoir space types of shale in saline water environment in Shahejie Formation,Dongpu Depression

镜下常见3 类互层模式——灰质+泥质纹层、灰质+含泥云质纹层、灰岩+灰质泥岩纹层。其中，泥质纹层发育丰富的黄铁矿，并见较多微裂缝，粒间孔与黏土孔较发育；灰质条带局部发生白云石化作用，晶间孔发育并充填少量沥青。

通过对大量样品氩离子电镜照片的分析和统计，将普光地区千一段淡水环境中的页岩储集类型划分3大类10 种类型（见图5）。无机孔主要为黄铁矿晶间孔、碎屑颗粒溶孔和粒间孔；有机孔主要为沥青孔、高等植物气孔和含磷灰石有机孔；裂缝主要为层理缝、有机质收缩缝、黏土层间缝和粒缘缝。其中，沥青孔、黏土层间缝是主要孔隙类型。与沙河街组咸水环境中的页岩相比，千佛崖组淡水环境中的页岩有机孔更为发育，主要为粒间充填沥青内发育的微孔隙和有机质收缩缝；无机孔主要为黏土层间缝和粒缘缝，碳酸盐晶间孔极少。

图5 普光地区千一段淡水环境中的页岩储集空间类型Fig.5 Reservoir space types of shale in freshwater environment in Qianfoya Formation,Puguang area

3.1.3 半咸水环境中页岩储集空间类型

以内蒙探区腾格尔组页岩为例，半咸水环境中的页岩储集类型划分3 大类7 种类型（见图6）。无机孔主要为晶间孔和粒间孔；有机孔主要为有机质气孔和高等植物结构孔；裂缝主要为解理缝、有机质收缩缝和粒缘缝。其中，晶间孔、粒间孔和有机质收缩缝、气孔是主要孔隙类型。腾格尔组页岩藻纹层中孔隙以有机质收缩缝为主，藻类体包裹陆源碎屑；钙质纹层可见大量碳酸盐晶间孔，被原油半充填。高等植物镶嵌在纹层中，内部发育结构孔和气孔；粒间孔发育，可见大量沸石颗粒。部分样品X 衍射分析结果见大量方沸石，质量分数最高可达41.5%。薄片观察过程中也可见较多方沸石，常见方沸石晶体呈小颗粒状（晶体粒度为10～30 μm）定向排列分布，以及自形的方沸石伴随铁白云石，共同充填岩石的微裂缝。

图6 内蒙探区腾格尔组半咸水环境中的页岩储集空间类型Fig.6 Reservoir space types of shale in semi-saline water environment in Tenger Formation,Inner Mongolia exploration area

综上所述可以发现：咸水环境中的页岩孔隙类型主要为无机孔及裂缝，有机孔不发育；无机孔主要包括碳酸盐晶间孔、黏土孔；裂缝主要包括层理缝及晶缘缝等。淡水环境中的页岩孔隙类型以有机孔和裂缝为主，无机孔不发育；有机孔以沥青孔和高等植物气孔为主；裂缝主要为黏土层间缝和有机质收缩缝等。半咸水环境中的页岩孔隙类型介于上述两者之间。孔隙既有无机孔，亦有有机孔，其中无机孔发育程度要高于有机孔，无机孔以晶间孔和粒间孔为主；裂缝既有无机成因形成的解理缝，亦有有机质物质收缩作用形成的有机质收缩缝。

3.2 压汞与液氮吸附联合测定

压汞与液氮吸附联合测定是有效、快速揭示致密储层孔隙结构全息特征的分析技术。汞对大多数固体材料具有非润湿性，需外加压力才能进入固体孔中。圆柱形孔隙模型中，汞能进入的孔径与压力符合Washburn 方程。通过阶段式控制增压，即可测出对应压力下的进汞量，并得到孔径分布曲线，进一步利用界面张力换算，即可获取气-水界面条件下毛细管压力曲线，并得到孔隙度、渗透率、突破压力等相关物性指标。压汞与液氮吸附联合测定，可以反映岩石的微孔隙分布及连通性等特征。

对咸水环境中的卫457HF 井15 个页岩样品进行分析，结果表明：孔径分布以介孔（2～50 nm）为主，占比68.5%；大孔（大于50 nm）次之，占比24.9%；微孔（小于2 nm）最低，占比6.6%。总孔容为0.005 93 mL/g，微孔孔容为0.000 39 mL/g，介孔孔容为0.003 99 mL/g，大孔孔容为0.001 55 mL/g。

对淡水环境中的普陆页1 井6 个页岩样品进行分析，结果表明：孔径分布以介孔为主，占比75.6%；微孔次之，占比16.5%；大孔最低，占比7.9%。总孔容为0.006 85 mL/g，微孔孔容为0.001 24 mL/g，介孔孔容为0.005 16 mL/g，大孔孔容为0.000 45 mL/g。

对半咸水环境中的查43 井5 个页岩样品进行分析，结果表明：孔径分布以大孔为主，占比71.9%；介孔次之，占比24.1%；微孔最低，占比4.0%。总孔容为0.019 59 mL/g，微孔孔容为0.000 34 mL/g，介孔孔容为0.002 56 mL/g，大孔孔容为0.016 69 mL/g。

结合电镜图像，揭示了不同沉积环境中的储集类型的孔径分布特征，发现介孔主要为黏土孔、黏土层间缝、沥青孔，纳米级大孔（50 nm～10 μm）主要为晶间孔、粒间孔、粒缘缝，微米孔（大于10 μm）主要为层理缝及岩心尺度下的构造缝。

4 不同沉积环境对储集空间的控制作用

通过氩离子抛光扫描电镜与压汞-氮气吸附的结合，最终明确了不同沉积环境页岩孔体积分布的差异及主要孔隙的发育程度［19-27］。

根据上述研究及区域背景资料的综合分析结果，淡水湖相环境的页岩普遍具有典型的 “两高” 特征，即黏土矿物质量分数高（平均为52.1%）和镜质组占比高（平均为46.1%）（见图7）。由于热演化程度在不同地区存在较大差异，本次研究的普光地区千佛崖组页岩还具有另外 “一高” 的特征，即热演化程度高（镜质组反射率Ro可达2.0%）。普光地区千佛崖组页岩 “三高” 的地质特征，决定了其储层孔隙发育类型与其他沉积环境存在差别。以镜质组为主的有机质只有热演化程度达到较高的时候，烃源岩才可以大量生烃，这点与咸化湖盆内的烃源岩（以腐泥组为主）可在较低热演化程度下即可大量生烃［1］存在较大差别。因此，在高热演化地质背景下，普光地区千佛崖组富有机质层段发现了大量的有机孔；黏土矿物含量高、碳酸盐矿物含量低的沉积特征，使得碳酸盐矿物不发育，导致晶间孔不发育，由此导致淡水型页岩无机孔不发育。另外，由于淡水型页岩黏土矿物含量高，其层理较发育，也会导致层理缝成为淡水型页岩的另一主要储集空间。

图7 不同沉积环境下的有机显微组分、矿物组成及孔隙发育特征分布Fig.7 The organic maceral,mineral composition and development characteristics of pore in different sedimentary environments

咸水湖相环境的页岩普遍具有典型的 “两高” 特征，即碳酸盐矿物质量分数高（平均为19.8%）和腐泥组占比高（平均为83.6%）（见图7）。碳酸盐矿物含量高，易存在大量的晶间孔，因此可在镜下发现大量的碳酸盐晶间孔。另外，由于富有机质以腐泥组为主，因此其在较低的热演化阶段即可大量生烃，生烃过程中可以释放大量的有机酸，碳酸盐矿物得以溶解，因此在镜下也可见到大量的溶蚀内孔。由于咸水型页岩普遍具有碳酸盐纹层和有机质+黏土纹层间互发育的特点，因此层理缝也较为发育；由于碳酸盐矿物含量高，其脆性得以加强，因此在外在的地质应力下，易发育较多的微小裂缝。

半咸水湖相环境的页岩整体特征介于上述两者之间，镜质组和腐泥组占比均介于淡水和咸水环境之间（见图7），使得其既可在较低的热演化程度下大量生烃，亦可在较高的热演化程度下大量生烃。上述特征也决定了半咸水环境下孔隙发育特征也介于上述两者之间——既有有机孔，也有无机孔。由于半咸水环境下的碳酸盐矿物质量分数也较高，平均可达42.4%，因此决定了半咸水环境中的页岩无机孔发育，无机孔以晶间孔和粒间孔为主。

通过对不同孔径的分析，发现在半咸水、咸水环境下，碳酸盐矿物发育，其孔径较大，以大孔为主，如碳酸盐晶间孔属于大孔范围；以黏土矿物发育为主的淡水型页岩，其孔径较小，以介孔为主；有机质气孔在不同环境中均有存在，但在高热演化下发育程度高，一般为微孔。另外，在不同沉积环境中均发现了一些微米孔，主要以页岩之间的层理缝形式赋存，由于其孔径较大，对页岩油气的储存具有重要的控制作用。

5 结论

1）本文明确了不同沉积环境下页岩成烃生物特征。东濮凹陷沙河街组咸水环境中的烃源岩成烃生物主要有蓝藻、丛粒藻、沟鞭藻、颗石藻及少量疑源类，咸化湖盆为蒸发成因，盐类物质丰富，有利于藻类勃发。普光地区千佛崖组淡水环境中的烃源岩成烃生物以高等植物腐殖体、镜质组及浮游藻类无定形体为主。内蒙古白音查干凹陷腾格尔组半咸水环境中的烃源岩成烃生物以藻类体和高等植物为主，介于上述2 种环境之间。

2）初步查明了不同沉积环境页岩储集空间的差异。咸水环境中的页岩（沙河街组）孔隙主要为晶间孔、黏土孔；淡水环境中的页岩（千佛崖组）孔隙主要为沥青孔、黏土层间缝；半咸水环境中的页岩（腾格尔组）晶间孔和粒间孔极为发育。综合分析认为：千佛崖组为淡水湖湘环境，黏土矿物含量较高，Ro相对更高，沥青孔、黏土层间缝更为发育，介孔含量更高；沙河街组因咸水环境，碳酸盐纹层发育，晶间孔贡献了部分大孔，使得大孔体积相对千佛崖组较高；腾格尔组为半咸水环境，湖盆边缘形成的扇三角洲携带大量陆源碎屑，与藻类体同沉积，形成较多粒间孔和有机质收缩缝；泥晶白云石纹层中发育大量的晶间孔，贡献了极多的大孔，总孔容明显高于沙河街组和千佛崖组页岩。

3）初步明确了沉积环境对储集空间的控制作用。沉积环境通过控制储层的原始矿物、有机质类型和含量以及其堆叠组合结构，影响生烃成岩作用过程中有机孔与无机孔的发育，进而控制储集空间。适当咸化沉积有利于有机质堆积与保存，半咸水、咸水湖盆发育碳酸盐类细粒沉积，因气候季节性变化形成的富藻纹层+碳酸盐纹层结构形成了有效的源储一体模式；淡水湖盆发育长英质-黏土质页岩岩相，还原、稳定、母质来源充足的沉积环境是千一段优质页岩储层发育的基础，有机质气孔与黏土矿物晶间孔形成了有效的储集空间。