页岩沉积环境对其油气潜力的影响：以中国和北美对比研究为例

翟 正，王学军，李 政，李钜源，刘 庆

中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，东营257015

页岩沉积环境对其油气潜力的影响：以中国和北美对比研究为例

翟 正，王学军，李 政，李钜源，刘 庆

中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，东营257015

页岩油气是当前全球油气勘探和研究的热点，但其潜力评价一直是难点。该文以中国和北美的四套典型页岩为例，包括北美湖相Green River组、内陆海相Niobrara组、中国环境来评价相龙马溪组和济阳坳陷湖相页岩，发现页岩沉积环境与其油气潜力具有密切关系，因此可通过分析发现这四套页岩的沉积环境都具有页岩沉积环境评价其页岩油气潜力。通过微量元素、生物标志化合物、扫描电镜、X-CT和X射线衍射等方法，发现这四套页岩都具有一定的还原性和较高的生产力，且具有差异性。内陆海相Niobrara组页岩具有弱还原的沉积环境，在四套页岩中有机碳含量较低，呈块状沉积构造，裂缝与微裂缝较少，储集空间相对有限。焦石坝海相龙马溪组页岩为还原的沉积环境，岩石以富含有机质的硅质岩为主，可观察到大量的大孔隙与少量的微裂缝。Green River页岩和济阳坳陷页岩形成于陆相咸化的强还原沉积环境，有机碳含量高，页岩以纹层状结构为主，岩石组成脆性矿物含量高，含有大量的裂缝。可见，具有强还原沉积环境的页岩通常具有较好的勘探前景。

页岩；沉积环境；有机质富集；孔隙结构；页岩油气

世界各国对油气需求的不断加大，各国的能源压力与日俱增，因此页岩油气的研究受到广泛关注，近年来，世界各国在页岩油气勘探研究方面做了大量的工作（Lin etal.,2013）。国内外学者从页岩油气系统出发，对页岩油气成藏的有机碳丰度、成熟度、裂缝系统、温度、压力、抬升与沉降史以及吸附机理等进行了深入的研究（杨振恒等,2010;朱光有等，2004;Schlegel and zhou, 2011;Rahm,2011;Philp,2012;Liu et al.,2013; Yang etal.,2015;Furmann etal.,2015）。但是，页岩油气的潜力评价一直是难点。页岩沉积环境与其页岩油气潜力具有密切关系，因此，通过分析页岩沉积环境评价其页岩油气潜力，对优选页岩油气的有利勘探区具有重要意义。

本文选取了中国和北美的页岩样品，通过多种地球化学分析方法，研究了页岩性质、有机质富集特征以及页岩沉积水体的沉积环境，并进一步探讨了沉积环境对页岩有机质富集和岩石性质的影响，探讨了其相互之间的关系。

表1 中美页岩样品地质资料Table1 Summary ofgeological information ofshales in Chinaand North America

1 样选择品和实验方法

1.1 样品

实验共选取了中美不同沉积环境四套层组的页岩样品42块，包括北美白垩系Niobrara组、古近系Green River组、中国四川盆地志留系龙马溪组和济阳坳陷古近系沙河街组沙四上亚段页岩。其中，北美Niobrara组页岩露头样品5块，Niobrara组页岩沉积于白垩纪晚土仑阶至早坎帕阶（约89～82 Ma）美国西部的前陆盆地（Nielsen et al., 2008；Da Gama et al.,2014）。选取了三块Green River层系页岩，其沉积于古近纪（约53～48 Ma），该套层系是北美最大的古湖泊相沉积体系（Sarg etal.,2013）。四川盆地龙马溪组页岩沉积于陆棚相滞流缺氧环境，其样品中富含笔石。济阳坳陷沙四上亚段页岩沉积时期，湖水存在盐度分层，底部长期处于强还原环境。

1.2 实验方法

本文对中国和北美四套页岩的岩石结构和可溶烃部分进行了实验分析，其实验方法如下：

有机碳分析首先将样品用稀盐酸除掉其中的碳酸盐，采用CS-344分析仪在900℃下灼烧测得总有机碳含量。干酪根富集采用HCl酸和HF酸除掉其中的无机物，得到的干酪根自然风干后，用有机玻璃粉压制成光片，经抛光后在油浸状态下进行反射率的检测，浸油的折射率为1.5180，反射光波长为546μm。另外，开展了样品的透射光和荧光薄片鉴定，分析了有机质在岩石中的赋存状态。

可溶烃分析是首先采用用氯仿抽提出可溶有机质，然后进行柱层析族组分分离，并通过正己烷分离出饱和烃。使用配有火焰离子检测器（FID）的HP6890色谱仪饱和烃色谱分析，该仪器配备HP-5性30.0 m×320μm×0.25μm弹性石英毛细柱，毛细柱涂层为5%甲基硅酮，并以氮气作为载气。升温程序初温设定为80℃，升温速率为5℃/min，终温为310℃。饱和烃GC/MS分析HP GC/MS/IRD仪器，并配备DB5-MS型60m×0.25mm毛细柱。样品直接注入温度为320℃的分流注入器，升温程序为初温110℃，升温速率为4℃/min，终温为320℃，检测温度为320℃，电子轰击（EI）方式，70eV，全扫描采集。

图2 中国和北美页岩Pr/Ph特征Fig.2 Pristane/Phytane characteristicsof shales in China and North America

图1 中国和北美页岩不同微量元素特征Fig.1 Characteristicsof different trace elementsof shales in China and North America

2 结果与讨论

2.1 沉积环境

为有效地表征页岩的沉积环境，通过微量元素、生物标志物、黄铁矿含量分析等多种手段对四套页岩进行了研究。

2.2.1 微量元素方法

特征微量元素的比值被广泛应用于评价古沉积水体中底水的含氧量。在还原环境中，Ni和V往往易于富集，高的Ni/Co（＞4.0），V/Cr（＞1.0）和V/(V+Ni)（＞0.6）常指示贫氧/缺氧环境（Yan etal.,2015）。如图1所示，龙马溪组、Green River组和济阳坳陷页岩中，Ni/Co，V/Cr和V/ (V+Ni)比值均较高，表明沉积水体具有较为还原的环境，而北美Niobrara组页岩的Ni/Co，V/Cr和V/ (V+Ni)值相对较小，表明相对于其它三组页岩，其沉积水体中的含氧量相对较高。

2.2.2 生物标志物分析

（1）饱和烃色谱-质谱分析

类异戊二烯烃中姥鲛烷和植烷可用来反映烃源岩的沉积环境；γ-蜡烷为一种非藿烷类三萜烷，其主要来源于四膜虫，常被认为是高盐度沉积标志（Zhang et al.,2009；Wang et al.,2008）。除龙马溪组页岩外的三组样品的姥鲛烷（Pr）/植烷（Ph）和γ-蜡烷含量存在明显的差异，表明其具有相异的沉积环境。

如图2和图3所示，Niobrara组页岩饱和烃色谱中Pr/Ph在1.87～3.31之间，平均值为2.35，具有明显姥鲛烷优势，γ-蜡烷含量极低，γ-蜡烷指数（γ-蜡烷/C30藿烷）为0.04～0.07，升藿烷呈C33＞C34＞C35逐渐降低的趋势，C27～C29规则甾烷分布呈C27甾烷优势，表明Niobrara组页岩沉积是水体环境还原性较弱，盐度较低，结合Niobrara组页岩中测定的硼含量介于56.56×10-6～65.46×10-6，明确了Niobrara组页岩的沉积水体盐度较低，为半咸水-淡水的沉积环境。Niobrara组页岩沉积于北美西部内陆海盆中，样品富含陆源植物碎片、孢粉化石和海相浮游化石，沿着陆源输入减少方向，烃源岩有机质丰度逐渐增大，还原环境增强，有机质类型由以腐殖型为主向腐殖腐泥混合型转化，所选Niobrara组地层的样品均具有高有机碳含量，类型以腐殖腐泥性为主，表明其沉积时水体具有一定的还原性，综合分析，所选取的Niobrara组页岩沉积于弱还原的半咸水-淡水沉积环境。

而北美Green River组页岩中，存在极为明显的植烷优势和丰富的γ-蜡烷，γ-蜡烷指数（γ-蜡烷/C30藿烷）为0.3～0.7，升藿烷呈C33＞C34＞C35逐渐降低的趋势，C27～C29规则甾烷分布呈C29甾烷优势，表明其存在于咸化还原的沉积环境中，其母源以高等植物输入为主。

济阳坳陷沙河街组ES4上页岩的Pr/Ph小于0.6，具有植烷优势。萜烷中γ-蜡烷含量较高，升藿烷呈翘尾分布，C35＞C34＞C33，C35升藿烷异常丰富，C27～C29规则甾烷呈“V”字形分布，综合分析认为，济阳坳陷ES4上页岩沉积于咸化还原的环境。

需要说明的是，龙马溪组页岩由于成熟度高（Ro＞2.2），所以沥青抽提物极少，因而无法对其进行生物标志物分析。

（2）芳烃色谱-质谱分析

二苯并噻吩（硫芴）和多环芳香烃中的芴、二苯并呋喃以及它们的甲基同系物组成“三芴系列”，该系列化合物可用于古沉积环境的研究。“三芴系列”可能来自相同的前驱体，其具有相似的基本骨架，都含有一个五元环，这些化合物芳香性较差，相对于其它碳原子，9-碳位α-碳原子更为活泼，常发生取代反应，在强还原环境中可被硫取代成硫芴，在弱氧化-氧化环境中可被氧化成氧芴。因此，可通过硫芴的含量表征沉积环境的还原性。

图3 中国和北美页岩藿烷和γ-蜡烷及甾烷特征图Fig.3 Characteristicsofhopane,gammacerane,and steraneofshales in Chinaand North America

图4 中国和北美三组页岩中硫芴含量图Fig.4 Dibenzothiophene contentofshales in China and North America

如图4所示，样品中硫芴含量存在明显的差别，Green River组和济阳坳陷页岩中硫芴含量较高，硫芴平均百分含量分别为80%和66%，表明Green River和济阳坳陷页岩具有强还原的沉积环境；Niobrara组页岩中“三芴系列”以硫芴为主，硫芴所占百分含量平均值为52%，表明其沉积时水体具有一定的还原性，而硫芴所占的比值低于Green River组和济阳坳陷页岩，表明三组页岩中，Niobrara组页岩的还原性相对较弱，该结果与饱和烃色谱-质谱分析一致。

2.2.3 黄铁矿

黄铁矿的性质可以对沉积物的氧化还原环境提供重要的信息。为了获得源岩的古环境信息，通过X-CT，SEM和岩石薄片鉴定等方法对黄铁矿的形貌和大小进行了分析（如图5）。在中国和北美四套页岩中存在草莓状黄铁矿和分散的黄铁矿颗粒两种形态的黄铁矿，具有很好的成层性的源岩可以观察到大量草莓状黄铁矿和少量的分散态黄铁矿颗粒，常常指示相对还原的环境。

在龙马溪组、Green River组和济阳坳陷页岩中草莓状黄铁矿极其富集，甚至形成了黄铁矿富集层，这与沉积水体中较高的盐度和硫酸盐含量密不可分，其草莓状黄铁矿的粒径均小于8μm，表明三套页岩具有强还原的沉积环境；而在北美Niobrara组页岩中，黄铁矿的含量相对较低，存在少量草莓状黄铁矿，主要呈球粒状分散存在，这表明在Niobrara组页岩样品沉积时，其水体的含氧量高于上述三套页岩。

2.3 沉积环境对有机质丰度的控制

如表2所示，龙马溪组页岩、北美Niobrara组页岩、Green River组页岩和济阳坳陷ES4上页岩均具有较高的有机质丰度。前边分析表明，龙马溪组页岩、北美Green River组页岩和济阳坳陷页岩均存在于强还原环境，沉积于较强还原环境的页岩样品具有较高的有机质丰度。

对比Niobrara组页岩与Green River组页岩发现，两套页岩虽然具有相似的古生产力，然而Green River组页岩的有机质丰度却远远大于Niobrara组页岩，其平均有机质丰度为Niobrara组页岩的1.66倍，主要是由于Green River组页岩沉积水体的还原性大大强于Niobrara组页岩造成的，这表明沉积水体的氧化还原性显著影响有机质的保存，并最终决定了页岩有机质的丰度。

对比研究表明，咸化的强还原沉积环境是页岩高有机质丰度的主控因素。

图5 中国和北美页岩黄铁矿特征Fig.5 Characteristicsofpyrite in shales in Chinaand North America

表2 中美页岩地化参数统计表Table 2 Summary ofgeochem ical parametersof shales in China and North America

2.4 沉积环境对孔隙结构的影响

2.4.1 页岩构造

通过岩石薄片分析，如图6，发现四套页岩的结构具有明显差别，并与沉积环境密切相关。具有弱还原沉积环境的北美Niobrara组岩石具有块状结构，主要由泥质、少量方解石、白云石和黄铁矿，泥质呈鳞片状结构，白云石主要呈显微晶结构，混含于泥质中。龙马溪组页岩具有还原的海相沉积环境特点，岩石观察到明显的层状结构，主要由泥质和砂质组成，泥质呈鳞片状结构，定向排列。而北美Green River组页岩和济阳坳陷页岩均具有咸化强还原环境，样品观察到明显纹层状结构，Green River页岩主要由白云石、有机组分和泥质组成，少量黄铁矿和陆源碎屑，其中白云石纹层中白云石呈隐晶结构为主，少量呈显微晶结构。

在纹层状页岩的碳酸盐纹层中，主要由微晶含量高的白云石和方解石组成，可以观察到大量的颗石藻化石，表明其主要沉积在具有高盐度的沉积环境中，湖相沉积物较海相沉积物具有更强的非均质性，济阳坳陷沙四上亚段湖盆属于欠补偿常年闭流湖，水体盐度较高，易形成盐度与密度分层，盐跃层密度较浅，利于强还原环境的形成，在粘土中观察到指示强还原环境的大量的黄铁矿，由于该时期地势较为平缓，强还原范围较宽，具备富有机质纹层发育的条件。龙马溪组页岩具有大量草莓状黄铁矿，沉积于强还原的海相沉积环境中，其还原性远远高于内陆海盆中的Niobrara组页岩，虽然观察到大量的笔石，但未观察到明显的生物扰动，相较于湖相强还原沉积环境的济阳坳陷沙河街组和北美Green River组页岩，海相沉积的龙马溪组页岩的均质性更强，难以观察到纹层状结构，岩石呈现层状结构。而Niobrara组页岩主要发育于北美西部的内陆海盆中，表征离岸距离远近的参数Sr/Ca（26.8）在Niobrara组页岩中远远低于龙马溪组页岩（65.5），其水中的含氧量相对较高，相对富氧环境中层状结构因强烈生物扰动而丧失殆尽，其主要呈现出块状结构。

图6 中国和北美页岩显微薄片Fig.6 Micrographsofshales in China and North America

根据X-CT分析，在海相北美Niobrara组页岩和龙马溪组页岩中，可以见到大量明显的大孔隙结构，而在陆相北美Green River和济阳坳陷页岩中，可以见到大孔隙，同时还可以观察到大量的微裂缝，具有孔、缝并存的孔隙结构特点（图7）。为了更好的表征不同构造特征页岩结构物性参数，对比分析了具有块状结构的Niobrara组页岩、层状结构的龙马溪组页岩和具有纹层状结构的济阳坳陷沙河街组页岩与Green River组页岩，结果表明具有层状与纹层状结构的页岩，其渗透率明显高于块状页岩，将济阳坳陷沙河街组页岩渗透率进行了分析，从岩石结构特征来看，济阳坳陷沙河街组页岩与北美Green River页岩横向与纵向非均质性较强，本次研究利用皂膜法分别对济阳坳陷沙河街组页岩水平和垂直渗透率进行了分析（图8），沙四上亚段页岩水平渗透率分布在0.0019～421md，沙四上垂直渗透率分布在0.0087～18.8md，页岩的水平渗透率普遍比垂直渗透率高一个数量级，表明流体在页岩水平方向比垂直方向更易于流动，因此具有纹层状与层状结构的济阳坳陷沙河街组页岩、龙马溪组页岩和北美Green River组页岩的渗透率高于具有块状结构的Niobrara组页岩。

图7 中国和北美页岩X-CT图Fig.7 X-CT imagesofshales in Chinaand North America

图9 中国和北美页岩主要矿物组成特征Figure9 Themainmineral composition characteristicsof shales in China and North America

2.4.2 脆性矿物含量

矿物组成是影响页岩油气的重要因素，较高的脆性矿物是页岩油气储集的有利因素，同时，较高脆性矿物也有利于开发期间储层的改造（孙海成等，2011）。因此，脆性矿物含量是评价储集条件的重要参数之一。

对四套页岩样品进行X-射线衍射分析，形成于还原与弱还原的四套页岩均具有较高的脆性矿物含量，脆性矿物所占百分含量大于60%。龙马溪组页岩以硅质为主，硅质含量大于62%，北美Green River组页岩和济阳坳陷页岩则以碳酸盐为主，其碳酸盐平均含量可以达到50%以上，Niobrara组页岩中钙质含量与硅质含量相近，其平均含量分别为42.5%和30.7%。（图9）

由此可见，沉积环境显著影响页岩的产状、孔隙结构与矿物组成，四套页岩均具有较高的脆性矿物含量，有利于储层的改造。其中，还原性较弱的淡水沉积环境往往易形成块状结构；还原性较强的海相沉积环境易形成层状结构，页岩中可见大量的大孔隙；强还原的陆相咸化湖泊沉积环境更易形成纹层状结构，页岩具有孔、缝并存的孔隙结构特征。

图8 济阳坳陷页岩水平渗透率与垂直渗透率关系图Figure8 Thehorizontalpermeability and verticalpermeability diagram of the Jiyang depression shale

3 结论

（1）通过对中国和北美4组页岩样品分析，发现泥页岩的沉积环境与有机质丰度和岩石构造密切相关，进而显著影响了泥页岩的储集性能，据此，可以通过分析页岩的沉积环境评价其页岩气潜力。

（2）焦石坝龙马溪组页岩为还原的海相沉积环境，岩石富含有机质的硅质岩为主，并可观察到大量的大孔隙与部分微裂缝，勘探实践表明龙马溪组页岩是四组页岩中最为有利的勘探目标。

（3）Green River组页岩和济阳坳陷页岩形成于陆相咸化的强还原沉积环境，具有机碳含量高，母质类型好，页岩以纹层状结构为主，岩石组成脆性矿物含量高，含有大量的裂缝，具有较好的勘探前景。

（4）北美Niobrara组页岩具有弱还原-微咸水的沉积环境，相对于上述三套页岩其有机碳含量较低，岩石结构以块状为主，裂缝与微裂缝较为有限，表明其储集性能相对较低。

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The Influenceof Shale Sedimentary Environm entson Oiland Gas Potential:Examp les from China and North America

ZHAIZheng,WANG Xuejun,LIZheng,LIJuyuan,LIU Qing
Explorationand DevelopmentResearch Instituteof ShengliOilfield Sinopec,Dongying257015,China

Shale oil and gas are currently attracting global oil and gas exploration and research interest,however,their potential evaluation is considered as themain difficulty.The article examines four shale formation in China and North America including Green River Formation lacustrine shale and Niobrara Formation inlandmarine shale in North America,Longmaxi Formationmarine shale and Jiyang lacustrine shale in China.It is found that sedimentary environmentsare closely related to shaleoil and gas potential.Therefore, the shale oil and gas potential can be evaluated by shale sedimentary environment.The four formations shales from China and North America were characterized trace elemental analysis,biomarker compounds,X-ray computed tomography(X-CT)and X-ray diffraction(XRD).Results show that the four formation shales have certain reducing sedimentary environment and high paleoproductivity in Green River formation and Niobrara formation in North America,as well as Longmaxi Formation and shale in Jiyang Depression.As the Niobrara formation shale has dysoxic-suboxic conditions,it hasmassive layers,lower fracture structure,the lowest organic content and reservoir volume in the four formation shales.The Longmaxi Formation shale is mainly composed of siliceouswith high organic content,and the reservoir hasmore large pore and certain fracture structure,which can be attributed to anoxicmarine sedimentary environment.Shales of Green River formations and Jiyang depression have saline source rockswith anoxicsedimentary environment.Shalesof the two formations have relatively high organic abundance.Meanwhile,continuous laminae can be clearly seen and the rock is dominated by brittlemineralwith abundant fractures.Thus,it can be speculated that shalewith an anoxic environmenthasexcellentexploration prospect.

Shale;sedimentary environment;organicmatterenrichment;pore structure;shaleoiland gas

ZHAIzheng,Engineer;E-mail:ppzz0546@126.com

P618.12

A文献标识码：1006-7493（2016）04-0690-08

10.16108/j.issn1006-7493.2015260

2016-01-08；

2016-06-23

中国石油化工股份有限公司重点科技项目（P13019）；国家重大专项课题（2011ZX05006-001）；中国石化科技攻关项目（YKK1506）联合资助

翟正，男，1983年生，博士，工程师，从事油气地球化学和油气成藏研究工作；E-mail:ppzz0546@126.com