辽河西部凹陷页岩纹层结构及其储集空间意义

毛俊莉，张金川，刘 通，丁江辉

(1.中国地质大学(北京)，北京 100083；2.国土资源部 油气资源战略研究中心，北京 100034；3.国土资源部 页岩气资源战略评价重点实验室，北京 100083)

作为非常规油气资源，页岩油气日渐成为中国油气勘探的重要对象。目前国内学者的研究主要集中在海相页岩气的形成条件、赋存形式、储层评价、成藏机理、资源潜力及有利发育区等方面[1-10]。与海相相对单一的富有机质页岩纹层结构相比，陆相断陷盆地沉积相类型多样，沉积水动力环境变迁较快，易于形成多样性的页岩纹层结构。辽河西部凹陷沙三—沙四段富有机质页岩不仅形成于快速变化的断陷沉降期，而且还由于沉积水体环境变化而出现了碳酸盐岩沉积，构建了复杂的页岩纹层结构类型。

湖相页岩中的纹层通常是长期静水条件下的沉积产物，分层的水体最有利于纹层的形成[11]。统计研究认为，纹层发育的页岩含气和产气效果远优于纹层欠发育的泥岩[13-15]。页岩纹层受多种因素影响和控制，与有机质富集、页岩油气储集空间、开发生产效果等关系密切，但由于页岩沉积粒度细、纹层结构复杂、观察与研究方法有限等，目前对页岩沉积纹层的研究还很薄弱[16-17]，这直接制约了页岩油气的理论认识和生产实践。作为我国东部最具有代表性地区之一，辽河油田最早开展了页岩油气勘探研究，2010年成为中美页岩气合作研究的重要基地。本文着力于辽河坳陷岩心观察和测试分析，在页岩纹层结构、成因与页岩油气储集空间方面进行了尝试性探讨。

1 地质背景

辽河西部凹陷属于渤海湾中、新生代裂谷盆地的三级负向构造单元(图1)，是在太古界基岩古地形背景上经复杂构造运动发育起来的断陷—坳陷湖盆，面积约2 560 km2。古近纪以来，先后经历了沙四—沙三期的断陷期、沙一—沙二期的断拗转换期及东营期的区域拗陷期等3个演化阶段[18]。

在西部凹陷，沙四—沙三段为湖盆发育的主要沉积旋回层。其中，沙四期整体为浅水沉积，早期主要发育封闭的湖相沉积，水体矿化度较高，碳酸盐沉积物比较发育，晚期主要为开放特点的砂泥岩沉积；沙三期表现为多个沉降中心，早期在深湖沉积环境中发育了大套的暗色页岩，中期的冲积扇、扇三角洲等向湖盆中心快速推进，晚期的河流—扇三角洲等沉积对凹陷形成了大面积的覆盖。

图1 辽河西部凹陷构造位置

2 西部凹陷页岩纹层结构

在沙四—沙三段厚达2 000多m的地层中，暗色页岩主要埋藏在2 800 m以下，成为西部凹陷页岩油气发育的重要物质基础。由于沙四段和沙三段沉积时期分别处于辽河坳陷的断陷早期和深裂陷期，导致沙四段与沙三段页岩在矿物成分、有机质赋存及纹层结构等方面出现较大差别。

2.1 页岩纹层结构

对于大型湖相盆地，页岩纹层一般由3个基本单元组成：隐晶质碳酸盐纹层、黏土—长英质纹层和富有机质纹层。不同的页岩，纹层的组合方式有差异，与其中有机质的赋存方式关系明显。根据观察和统计，页岩中的有机质赋存方式可划分为连续纹层型、断续纹层型和分散纹层型等3种，对应于不同的沉积条件(表1)。根据页岩矿物成分和有机质的赋存状态，其中的连续型纹层结构可分为云(灰)岩弯曲状纹层连续型和黏土平直状纹层连续型2种。

表1 辽河西部凹陷页岩纹层结构分类

2.1.1 云(灰)岩连续型纹层结构

显微镜下观察发现，所有页岩纹层均为规则或不规则弯曲状。弯曲状纹层页岩主要形成于碳酸盐含量较高的半深湖—浅湖相环境中。由于细粒碎屑物质供给不足、钙镁离子沉淀及生物堆积等过程的交互作用，造成了页岩中有机质薄互层状赋存，与泥晶白云石层状间互(图2a)。由于变化性的矿物沉积和差异性的压实等作用，造成了有机质纹层面均为弯曲状，弯曲状纹层主要发育在白云石(方解石)含量较高的沙四段混合型页岩中。在此环境中，沉积水体盐度大，密度分层明显，在沉积水体底部形成还原环境，易于保存有机质。由于有机质的颜色偏深，而云质成分的颜色偏浅，整体可呈现为变化较大的斑驳色。该类页岩有机质丰度较高，w(TOC)>4%，以浮游藻类为主要来源的有机物易于形成以Ⅰ型和Ⅱ1型为主的干酪根，生烃潜力高(大于20 mg/g)，页岩油气资源潜力通常较大。

2.1.2 黏土纹层连续型结构

平直状纹层页岩主要形成于水深较大、水体安静、缺乏生物扰动及碎屑物质供给的深湖—半深湖相中。由于沉积物供给的韵律性变化，导致了原始水平状的有机质纹层与黏土矿物互层分布，相对较小的矿物成分差异和稳定的同生—准同生作用完好地保存了原始的纹层结构，形成了有机质与黏土矿物呈平直且互层状的分布，有机质纹层平直且变化较小(图2b)。平直状纹层页岩主要发育在沙四段深湖相黏土型页岩中，页岩的有机碳含量较高，通常可达3%～9%，平均为5%；以Ⅱ1型为主的有机质生烃潜力高，其岩石热解氢指数在331～600 mg/g之间，平均455 mg/g，表明具有较大的页岩油气资源潜力。

图2 辽河西部凹陷黑色页岩有机质赋存状态

2.1.3 纹层断续型结构

断续纹层状页岩主要形成于半开放环境中，尽管沉积古水深较大、沉积环境安静，但沉积水体能量增加，携砂能力增强，沉积环境主要为深湖—半深湖相。与平直状纹层页岩相比，岩石中的黏土矿物含量减少，而脆性矿物含量增加，有机质含量明显减少。在早期的压实过程中，差异性分布的石英颗粒可发生定向排列，并使原始沉积的纹层复杂化，形成断续纹层状页岩。该类页岩以石英与黏土矿物为主，两者呈互层状分布。页岩有机质含量偏低，岩石颜色偏浅，呈丝缕状或条带状不均匀分布于黏土矿物中(图2c)。断续纹层状页岩主要分布在沙三段半深湖—深湖环境的长英型页岩中；有机质以Ⅱ1型为主，有机碳含量通常在2%～4%之间，生油潜力高(大于20 mg/g)，亦为优质的页岩油气母质。

2.1.4 分散型结构

分散状有机质页岩主要形成于更加开放的环境中，沉积古水深变浅、沉积环境略有震荡，沉积水体能量进一步增加。尽管沉积环境仍然为深湖—半深湖相，但有机质含量急剧减少，粉砂质颗粒明显增多，颗粒排列定向性变差，分布规则性变弱，常表现为块状结构特征。手标本中常见贝壳状断口，其中的石英、长石矿物含量较高，黏土矿物含量减少，页岩颜色浅，有机质常呈零星分散状分布(图2d)。该类页岩主要分布在沙三段地层中，常可产出于半深湖、浅湖、三角洲及河流等环境中。

由此可见，有机质含量与泥质纹层发育程度有密切关系，纹层层理越发育，有机质含量越高，反之则含量降低，反映为沉积速度、水体稳定性及其变化条件下的页岩结构发育特点。在外源沉积物供源条件下，有机质丰度及其赋存状态受岩石矿物成分影响比较大，黏土矿物含量高，对应的有机质丰度比较高。在有内源沉积物供源条件下，黏土矿物含量与有机质含量对应关系减弱，特别是当碳酸盐矿物成分(方解石或白云石)含量在20%～50%时，页岩纹层极为发育，页岩纹层主要表现为富碳酸盐纹层、富有机质纹层及富泥质纹层等，为页岩油气的形成提供了良好的生、储、聚等条件。

2.2 纹层结构的形成

每种纹层形成条件不一样，表现为岩石矿物成分和组合也不相同。隐晶白云石(方解石)纹层的形成需要一定的盐度条件，与化学作用有关；黏土纹层则相对更多地与盆外的水体注入有关，主要为机械作用，这些被水流带入湖泊的黏土物质在安静的水底沉积下来，从而形成黏土纹层；有机质纹层则形成于浮游藻类的定期繁盛，尽管影响因素较多，但一般都与古气候转暖有关，温暖的水体有利于浮游生物的繁盛，主要与生物作用相关[19-20]。

云(灰)岩纹层结构通常也称为(含)碳酸盐混合型纹层页岩，既可以与化学作用有关，也可以与藻类勃发产生的生物化学作用有关，或者是二者的共同作用。深(泥质/有机质)浅(碳酸盐)两色纹层呈交替旋回性变化，代表沉积环境的冷热气候交替。纹层的形成是湖区物理化学和生物过程的产物，主要为内源性泥岩，水动力微弱，具有半咸水性质的浅湖—半深湖页岩沉积，有机质类型以Ⅰ型和Ⅱ1型为主，有机碳含量较高，一般大于5%。

富有机质黏土型页岩，主要包括气候变化形成季节纹层(生物作用)。大量研究认为，浮游植物的生长随着季节的变化而波动，甚至在某一季节勃发。藻类勃发之后可以分解出大量的有机质，在水体分层的条件下，这些有机质的沉降速率比较慢，往往在水体比较稳定的秋冬季节方能沉积下来。秋冬季节，生物的生产力降低，这些有机质所形成的有机质成层性较差，形成了以黏土含量较高为特点的富有机质页岩；有机质类型以Ⅰ型和Ⅱ1型为主，有机碳含量较高，一般大于5%。

断续型纹层通常为黏土纹层有韵律组合，粉砂、黏土则是以平流或层间流的方式季节性输入(机械作用)。沉积物通过入湖的水系输入湖中，在水体分层的情况下，碎屑物质可以沿湖平面呈平流或层间流的方式运移到整个深湖区。这种平流或层间流的发育程度直接与气候或气候控制下的入湖水量有关。有机质类型主要为Ⅱ1和Ⅱ2型，有机碳含量相对连续型纹层较低，一般为2%。

3 纹层结构与页岩储集空间

纹层结构是页岩沉积环境的直接反映，在很大程度上体现为页岩的矿物成分、有机质类型、有机质丰度、页岩储集空间等页岩气关键参数的变化，甚至决定了含油气量以及页岩油气的分布等。纹层组合与页岩含油气性有较好的对应关系，在很大程度上决定了储集空间，影响储集能力。

在页岩油气的储层研究中，借助氩离子抛光扫描电镜、岩石薄片分析对组分、形态、大小以及组分的空间排列方式等方面分析，结合页岩成岩作用，可以识别和研究页岩的储集空间。

3.1 连续型结构与页岩储集空间

连续型富有机质纹层页岩储集空间主要为无机孔，包括粒间孔、粒内孔、晶间孔、晶内孔和溶蚀孔，有机孔较断续型纹层结构更发育，总体上孔隙及其组合类型以原生碳酸盐晶间孔—长石、石英粒间孔等基质孔隙为主(图3a-f)。富有机质纹层状岩相由于有机质大量富集，有机质的体积分数较高，易形成连续的有机质网络，干酪根生烃过程中产生微裂缝以及酸性流体产生的溶蚀孔隙使局部孔隙度增大。

这类纹层结构主要形成于沙四段沉积时期的半咸水环境，垂向上受湖平面升降变化及水动力的影响，岩石矿物成分发生显著变化[21-22]。水体变浅时白云石含量逐渐增高，黏土和有机碳含量减少；水体加深时，白云石含量减少，黏土含量增加，纹层结构发育，有机质为浮游藻类。薄片下富有机质纹层状岩相有机质多为无定形组分，含量一般为55%～98%，多为具海绵结构的絮凝团块，是强还原相水生生物藻类的产物。

在成岩过程中随着埋深的增加，机械压实作用增强，矿物紧密排列，孔隙体积减少。随着压实进一步的增强，原生粒间骨架孔减少，蒙脱石持续脱水并向伊利石转化，伊蒙混层增高，黄铁矿晶体胶结导致孔隙度降低。在有机质演化未成熟阶段，形成有机质—黏土—碳酸盐混合体。埋深持续，长石石英粒间孔与碳酸盐晶间孔已经变成微孔特征，伊蒙混层向伊利石转变，大规模排酸，在有机质边缘(或黏土矿物集合体部分)形成有机质收缩缝，碳酸盐晶间发育晶间溶孔，孔隙直径在300～100 μm。有机孔—微缝储集空间系统造成含油量高，且碳酸盐含量与含油气性正相关。雷家地区在有机质演化过程中，因后期构造抬升抑制了油气的进一步热成熟，导致该区油气演化阶段停留在低熟至成熟生油阶段[23-25]，且流体特点以石油为主，密度在0.89～0.95 g/cm3之间，分布在雷家地区2 500～3 000 m之间，页岩油的有利分布面积可达145 km2。

图3 辽河西部凹陷三种纹层结构对应的储集空间特征

3.2 断续型纹层结构与页岩储集空间

断续型富有机质纹层页岩储集空间主要为黏土间微孔、粒间微孔，有机孔和溶蚀孔数量减少(图3g-i)。总体上孔隙及其组合类型以长石—石英粒间孔、黏土间微孔等基质孔隙为主。有机碳含量相对减少，难以形成连续的有机质网络，干酪根生烃产生的有机孔孔径减小，收缩缝相对更发育。孔径大小主要为100 nm～10 μm，孔隙类型、孔隙大小及孔隙连通性分布不规则。

这类纹层结构的形成条件主要在沙三段畅流湖盆，沙三段沉积期强烈沉降导致水体持续上升，形成深水静水沉积环境，深水区大面积缺氧，沉积物均衡补偿—过补偿沉积，有机质得以埋藏、保存形成黑色页岩。主要沉积长英型断续纹层的页岩，岩石矿物成分以石英为主，石英矿物含量超过50%。断续纹层结构发育，有机碳含量相对减少，有机质与黏土互层，有机质为浮游藻类。薄片下富有机质纹层状岩相有机质多为无定形组分，含量一般在48%～90%，生烃潜力大于20 mg/g。

在成岩过程中随着埋深增加，持续到中成岩B期，有机质成熟度Ro大于1.3%，达成熟—高成熟阶段，伴随有机酸含量降低，溶蚀孔隙减少，生烃作用产生的有机孔占主导，但孔径变小，由微米级向纳米级转化，残留在基质孔隙中的石油和沥青体积在减小，形成基质孔隙—有机孔隙组合，对气储集贡献较大。埋深大于3 500 m，伊利石含量增高，压实挤压，黏土矿物演化加强，促进有机质向烃类转化。随着压实作用持续，流体负重，作用在黏土和有机质的有效应力降低，抑制有机质的演化。目前有机质演化阶段为成熟油阶段到过成熟干气阶段，主要表现为油气分布序列完整，包括成熟油，高成熟凝析油，过成熟干气。尤其在双兴1井现场解析过程中，在纹层状长英型页岩、韵律层理页岩、粉砂岩与页岩互层中发现大量页岩气。页岩气主要分布在清水洼陷深部，有利分布面积可达170 km2。

3.3 分散结构与页岩储集空间

分散结构页岩石英矿物含量一般均大于50%，有机质含量急剧减少，通常不足0.5%，有机质类型主要为Ⅲ型，表现为块状结构，主要发育在沙三段半深湖—深湖相。

比较沙四和沙三页岩沉积结构(表2)可以看出，在闭流半咸水湖盆中，水体相对较深时，纹层发育，纹层密度增加；有机质顺白云石层或黏土层富集，有机质含量相对较高，有机质以生烃量较大的Ⅰ型为主，有机质的成熟度在0.5%～0.7%，处于中成岩A期；碳酸盐含量相对较高，有利于促进烃类转化，也有利于储集空间发育，储集空间以溶蚀孔、黏土间微孔、有机孔为主，且有机孔以引爆孔为主，形状为圆形或椭圆形，孔径在300 nm～100 μm之间，黏土类型以伊蒙混层为主，混层比S(伊/蒙)为20%，储集空间内的流体有重油，也有成熟油，为该区特色。

表2 辽河西部凹陷沙四—沙三段页岩纹层结构及储集能力关系

在畅流的沙三期湖盆中，水体加深，层状结构也发育，但有机质的赋存方式发生变化，呈丝缕状或条带状分布于黏土矿物间；有机质的含量与黏土矿物含量的变化相关。总体上有机碳含量较沙四段低，一方面沉积环境由闭流半咸水环境向畅流淡水环境变化；另一方面成岩作用增强处于中成岩B期，烃类转化充分，石油进一步裂解为天然气。黏土类型以伊蒙混层为主，混层比S(伊/蒙)在10%～15%，储集空间主要为黏土间微孔、粒间微孔、溶蚀孔、有机孔，有机孔更加不规则，成岩收缩缝发育，储集空间孔径在100 nm～10 μm，储集空间充满天然气。

通常情况下，连续型纹层页岩埋深相对较浅，以伊蒙混层为主，混层比S(伊/蒙)通常大于20%，目前一般处于中成岩A期，有助于形成页岩油，页岩储集空间内流体主要为密度较大的石油。断续型纹层页岩埋藏相对较深，以伊蒙混层为主，混层比S(伊/蒙)通常在10%～15%，目前一般处于中成岩B期，有助于形成页岩油气，页岩储集空间内流体主要为凝析油气。

4 结论

(1)西部凹陷沙四—沙三段页岩可以划分为连续型、断续型和分散型3种沉积结构。连续型沉积结构包括云(灰)岩型弯曲状纹层结构、黏土型平直状纹层结构。弯曲状纹层结构的岩石矿物成分中白云石(或方解石)含量高；断续型和分散型沉积结构岩石矿物成分以石英和长石等矿物为主。

(2)云岩弯曲状纹层页岩既可以与化学作用有关，也可以与藻类勃发产生的生物化学作用有关，有机质类型以Ⅰ型和Ⅱ1型为主，有机质丰度较高，生烃潜力高。平直状纹层页岩，主要为气候变化形成季节纹层(生物作用)，有机质类型以Ⅱ1为主，有机碳含量较高。断续型纹层通常由黏土纹层有韵律组合，粉砂、黏土则是以平流或层间流的方式季节性输入(机械作用)，有机质类型为Ⅱ1型和Ⅱ2型，有机质丰度较前2种低。分散型沉积结构有机质含量相对较低，黏土含量也较低。

(3)页岩纹层结构可能影响储集能力。沙四段连续型纹层结构(白云质泥岩)页岩储集空间以无机孔为主，碳酸盐含量和有机质丰度高、生烃能力强，碳酸盐含量与含油气性正相关。沙三段断续纹层页岩有机碳含量明显降低，成岩作用强烈，有机孔较发育，成岩收缩缝发育，储集空间孔径在100 nm～10 μm之间。分散型(块状泥岩)不易发生溶蚀和裂缝，含油气性条件较差。