黄骅坳陷南堡凹陷古近系沙一段页岩油储层特征及油气意义

程丹华，焦霞蓉，王建伟，庄东志，王政军，江 山

（1.长江大学地球科学学院，武汉 430100；2.中国石油冀东油田勘探开发研究院，河北唐山 063004）

0 引言

页岩油是指蕴藏在富有机质页岩层系内的石油资源，这一层系既包含泥页岩本身，也包含泥页岩层系中致密碳酸盐岩或碎屑岩等夹层［1-2］。20 世纪50 年代，在美国Williston 盆地Baken 组页岩中，第一次发现了页岩油，当时并未引起重视。随着页岩油气地质理论的完善及开采技术的进步，页岩油已经成为美国最重要的原油产量增长点［3］，页岩油开发也成为美国实现能源独立的重要途径。根据美国能源信息管理局（EIA）2021 年5 月的报告，美国2021 年前4 个月页岩油产量占美国原油产量的69.37%［4］。美国页岩油勘探开发的成功也极大促进了世界各国页岩油的发展。中国原油对外依存度已高达73.5%，为保障国家能源安全，降低我国油气对外依存度，页岩油将成为油气领域重要的战略性接替资源［5］。自1979 年南27 井钻探成功以来，黄骅坳陷南堡凹陷勘探开发历经了60 余年。南堡凹陷经过多轮次的滚动勘探，其常规油气勘探程度很高，新的储量发现难度越来越大，常规油气勘探难于满足油田稳产的需求，页岩油勘探已成为南堡凹陷新的储量增长点。南堡凹陷发育古近系沙河街组三段（Es3）油页岩［6］、沙河街组一段（Es1）泥岩以及东营组三段（Ed3）泥页岩［7］等多套泥页岩。袁立新等［8］认为南堡280 井在沙三段油页岩压裂投产获得近4 t 产能证明南堡凹陷沙三段具有巨大的页岩油潜力，开展深层页岩油勘探对南堡凹陷资源潜力发展具有重要意义。针对沙三段、沙一段及东三段的研究主要是从烃源岩评价的角度开展的，近年来部分学者对南堡凹陷页岩油开展了相关研究。侯敬瑶［9］通过纳米CT、镜下观察及Langmuir 等温吸附模型，对南堡凹陷古近系泥页岩的赋存方式进行了研究；罗瑞等［10］采用岩石热解、X 衍射矿物分析、扫描电镜观察、氮气吸附测试等方法，探讨了南堡凹陷古近系泥页岩孔隙结构特征；李文奇［11］精细刻画了南堡凹陷拾场次洼沙三段4 亚段页岩储集空间的形态、结构、大小和孔径分布特征，并结合热压生烃模拟实验建立了拾场次洼沙三段4 亚段页岩孔隙发育演化模式；曾棒等［12］采用“三级次-三端元”的岩相划分方案对南堡凹陷沙三段4 亚段泥页岩层系岩相进行了划分。以上针对南堡凹陷古近系页岩油储层的研究都取得了一定的进展，但只是笼统说明了古近系页岩油储层孔隙结构特征，并未对细分的沙三段、沙一段及东三段等3 套泥页岩进行系统研究，且研究重点在储层孔隙结构，未能说明沙一段页岩油储层特征及其油气意义。王恩泽等［13］、程迪等［14］通过对南堡凹陷沙一段烃源岩的系统评价，证实了沙一段页岩油资源潜力巨大且优于沙三段。2020 年，南堡2-46 井在古近系沙一段页岩层段投产并获日产油10 t/d，证实沙一段具有巨大的页岩油潜力。从资源潜力及冀东油田完钻井试油情况来看，南堡凹陷页岩油勘探的重点层位应为沙一段页岩层系。

通过深化对南堡凹陷页岩油藏的认识，推动南堡凹陷页岩油勘探开发，开展沙一段页岩油层系储层特征研究显得尤为重要。笔者采用岩心观察、常规薄片、扫描电镜、X 衍射、恒速压汞及核磁共振等多种手段，对南堡凹陷沙一段页岩油储层宏观岩石类型、微观孔隙类型及分布特征进行探讨，以期对南堡凹陷沙一段页岩油勘探提供借鉴作用。

1 地质概况

南堡凹陷为渤海湾盆地黄骅坳陷东北部的一个次级构造单元，黄骅坳陷北部为燕山山脉，东部和南部毗邻渤海［15］。南堡凹陷在华北地台基底上，经历了中、新生代的块断运动，形成北断南超、东断西超的构造格局，其面积大约为1 932 km2。该凹陷发育东北、西北和南部3 条边界断层，分别为西北部西南庄断层、东北部柏各庄断层及南部沙北断层（图1a）［16］。在内部发育的高柳断层、庙南断层、老堡断层等控制了南堡凹陷内二级构造带的形成和发展。高柳断层将南堡凹陷划分为南北两区，北区发育柳赞、高尚堡披覆背斜构造带、拾场次凹2 个正向二级构造和一个负向二级构造单元，拾场次凹发育面积相对较小；南区由北向南依次发育柳南次凹、北堡—老爷庙构造带、林雀次凹、中央凸起带（包括南堡构造带、老堡构造带和蛤坨构造带）及曹妃甸次凹。

南堡凹陷经历了中生代三叠纪时期盆地隆升剥蚀、侏罗纪时期小规模断裂发育、早白垩世时期凹陷大规模的断陷活动而边界断裂开始形成以及晚白垩世末期受板块强烈俯冲作用内部发育一组东西向断裂带。至新生代古新世，研究区整体处于隆升剥蚀状态，中生界与新生界地层主要以角度不整合接触。沙河街组以来的古近纪时期，凹陷先后经历了4 期较为明显的裂陷活动，控制了不同地区的沉积、构造及古气候环境。一次裂陷期（Es35）为盆地裂陷的初期，包括柏各庄断层、西南庄断层在内的主要控凹边界断层开始活动，盆地发育不明显的箕状凹陷，以凹陷东北部的拾场次凹为主，并向西南方向超覆。这一时期发育一套分布较为稳定的红色泥岩及灰绿色泥岩，可见以粗碎屑岩为主的冲积扇沉积，沉积厚度为400 m。二次裂陷期（Es34—Es2）上地幔隆起强烈，盆地发生大规模断陷，气候潮湿，Es34时期发育近800m厚的中深湖泊相暗色泥岩，已被证实为一套优质烃源岩，Es33—Es2地层岩性主要以砾岩，含砾砂岩、灰绿色和灰色泥岩为主，成为该区古近系重要储油层系之一。三次裂陷期（Es1）继承了早期地层的沉积特点，凹陷由沙二末期的隆升状态开始发生一定规模的断陷，但强度较前一时期弱，主要发育中深湖泊和扇三角洲的灰色泥岩、砂岩及生物灰岩，厚度大约600 m。四次裂陷期（Ed）包括海北断层、柏各庄断层和西南庄断层在内的二级断层，控边界断层活动开始减弱，高柳断裂活动加强。沙一末期发生的构造反转运动，造成了东三段与沙一段地层的区域微角度不整合，沉积环境主要是扇三角洲和湖泊体系，沉积地层岩性以砂泥岩为主（图1b）。

勘探实践证明，南堡凹陷泥页岩非常规油气主要分布在古近系沙一段和沙三段的（灰质）泥岩和油页岩中。沙一段泥页岩主要分布在南部的林雀次洼和曹妃甸次洼，沙三段泥页岩主要分布在拾场次洼，沙一、沙三是南堡凹陷主力烃源岩的发育层段，也是南堡凹陷页岩油气研究的主要目的层［16］。

2 岩石学特征

连续采集南堡2-46 井沙一段页岩油储层岩屑样品进行X 衍射测试。测试结果表明沙一段页岩油储层矿物含量差异大，成分复杂，矿物成分主要包括陆源碎屑矿物（石英、长石）、黏土矿物和自生非黏土矿物（主要是碳酸盐矿物等）等3 类。对各类矿物含量（表1）分析可知：①南堡凹陷沙一段黏土矿物含量不是很高，其质量分数为20.7%～44.4%，平均为35.4%；②碳酸盐矿物普遍存在，质量分数为9.2%～24.0%，平均16.6%；③石英含量相对较高，其质量分数为31.2%～53.9%，平均为39.0%；④普遍含长石，质量分数为4.4%～12.9%，平均为8.1%；⑤全岩矿物中黄铁矿普遍存在，质量分数为0～3.2%，平均为0.8%；⑥以石英、长石和碳酸盐矿物为主的脆性矿物质量分数为50%～80%；⑦总体上，页岩油储层脆性较高，有益于后期开发压裂。垂向上各类矿物含量与深度没有明显的相关关系，但是各类矿物明显呈层状分布，特别是碳酸盐矿物和黄铁矿，呈现含量高低互现的特征。

表1 黄骅坳陷南堡凹陷南堡2-46 井古近系沙一段页岩油储层矿物质量分数统计Table 1 Mineral content of shale oil reservoir of Es1 of well Nanpu 2-46 in Nanpu Sag，Huanghua Depression

细粒沉积学的研究极大促进了页岩油的发展［17］。细粒沉积岩的岩石划分方案不同于常规碎屑岩的划分，姜在兴等［18］及周立宏等［19］依据细粒沉积学的理论提出了新的划分方案。参考姜在兴等和周立宏等的细粒沉积岩划分方案，依据矿物含量分析，将黏土矿物、碳酸盐矿物和碎屑矿物作为三个端元对矿物组成进行分析，对南堡凹陷沙一段页岩油储层岩性进行了划分（图2）。

根据划分结果，南堡凹陷沙一段页岩油储层主要有混合质页岩和长英质页岩2 类。结合岩心和薄片观察到的颜色、沉积构造特征，对南堡凹陷沙一段页岩油储层岩相进行了进一步划分。该区岩相主要划分为灰暗相间水平纹层长英质页岩（图3a）、深灰色块状混合质页岩（图3b）、灰色粒序纹层混合质页岩（图3c）、黑灰色水平纹层混合质页岩（图3d）等4 种岩相。灰暗相间水平纹层长英质页岩：暗色为泥岩，灰色为粉砂质泥岩，两者为毫米—厘米级的薄互层，发育水平纹层构造；薄片观察可见泥质、灰质及少量粉砂；泥质主要为黏土矿物、泥级陆源碎屑组成，灰质为泥晶碳酸盐，粉砂主要为石英，粒状黄铁矿不均匀分布于岩石中；暗色纹层富含有机质，亮色纹层含长英质，长英质质量分数为60%，可见裂缝，宽度为10～20 μm，水平纹层发育（图3e）。深灰色块状混合质页岩：岩心较为均质，无明显的层理构造；薄片可见泥质、粉砂及少量灰质、极细砂，整体较为均质；泥质主要为黏土矿物、泥级陆源碎屑组成，灰质为泥晶碳酸盐；粉砂、极细砂主要为石英、少量长石；可见粒状黄铁矿不均匀分布；发育裂缝，宽度为20～60 μm；可见黑色炭质条带定向排列（图3f）。灰色粒序纹层混合质页岩：毫米级粒序纹层互层，向上纹层变薄变少，整体呈正粒序；薄片可见长英质纹层与暗色黏土纹层不规则接触，表现出正粒序及反粒序组合特点（图3g）。黑灰色水平纹层混合质页岩：岩心较为破碎，见明显的水平纹层（页理），纹层厚度为0.02～0.20 m；薄片可见泥质、少量粉砂、极细砂；泥质主要为黏土矿物、泥级陆源碎屑组成；粉砂、极细砂主要为石英、少量长石；发育富含有机质暗色纹层与长英质亮色纹层组合，呈现近水平的特征，可见裂缝，其中部分不连续较宽裂缝被碳酸盐（含铁方解石、含铁白云石）充填，部分裂缝未被充填，裂缝宽度为10～100 μm（图3h）。

3 储集空间类型及孔隙结构

3.1 储集空间类型

通过对薄片、扫描电镜的微观分析，发现黄骅坳陷南堡凹陷沙一段页岩油储层中储集空间类型包括孔隙系统和裂缝。孔隙系统包括残余粒间孔、晶间微孔隙、溶蚀孔隙等，裂缝则包括各类型的裂缝，如构造裂缝、异常压力裂缝、矿物收缩裂缝、层间微裂缝等。这些储集空间类型成因不同、识别特征不同、对岩石的储集、渗流性能所起的作用也不同。

研究区孔隙系统以微孔隙为主，微孔隙为无机孔隙—残余粒间孔、矿物晶间孔及溶孔（图4a—4f）。沙一段页岩非常致密，岩心观察及薄片鉴定，均未见有机孔，扫描电镜中可见微细孔隙的发育，孔隙类型主要为残余粒间孔和矿物晶间孔。本区普遍存在长石及碳酸盐矿物，在地层水及有机质生成的有机酸等流体作用下，部分矿物发生溶蚀、重结晶作用，形成溶蚀孔隙。裂缝是该区沙一段页岩油储层中最主要的储集空间，其本身可以作为油气储集的空间，还可以成为油气运移的输导通道。区内存在多种类型的裂缝，既有构造缝、也有层理、粒间缝及矿物晶间缝，且裂缝多被碳酸盐矿物或油质沥青充填（图4g—4i），构造缝和层理缝相对规模较大，宽度可达50～80 μm 及以上，而粒间缝和矿物晶间缝的宽度则普遍在2 μm 以内。

3.2 孔隙结构特征

页岩油储层孔隙结构研究不同于常规油气藏，常规油气藏通过铸体薄片一般能观察孔隙大小及形态，而页岩油为纳米级孔喉空间，铸体薄片无法识别出页岩油储层孔隙。扫描电镜研究精度较高，可识别出纳米级孔隙，但扫描电镜受视域影响，无法对孔隙和喉道分布做出定量化研究。核磁共振通过测试孔隙中流体的T2谱分布，能较好地指示孔隙大小的分布。恒速压汞能较好地区分孔隙和喉道，也能定量化描述孔隙和喉道大小的分布。本次研究综合利用恒速压汞和核磁共振方法研究南堡凹陷沙一段页岩油储层孔隙结构特征。

恒速压汞测试结果（表2、图5）表明：南堡凹陷沙一段页岩油储层喉道半径为0.377～0.860 μm，平均为0.622 μm；孔隙半径为125.369～156.048 μm，平均为133.209 μm；整体表现为大孔微细喉特征。长英质页岩孔隙度明显高于混合质页岩，且长英质页岩喉道半径、孔隙半径均较混合质页岩要大，最终进汞饱和度高。长英质页岩孔隙结构优于混合质页岩。对比粒序纹层混合质页岩、块状混合质页岩和水平纹层混合质页岩，粒序纹层混合质页岩和水平纹层混合质页岩孔隙度大于块状混合质页岩，3 种岩相孔隙半径大致相当，而块状混合质页岩喉道半径更大，最终进汞饱和度最小，说明相对而言，块状混合质页岩孔隙发育程度低，但裂缝较发育。

表2 黄骅坳陷南堡凹陷南堡2-46 井古近系沙一段页岩油储层恒速压汞测试结果Table 2 Constant rate mercury injection test results of shale oil reservoir of Es1of well Nanpu 2-46 in Nanpu Sag，Huanghua Depression

对比分析灰色块状混合质页岩、深灰色粒序纹层混合质页岩、黑灰色水平纹层混合质页岩等3 类主要页岩油储层的核磁共振及恒速压汞特征（图6），结果表明：黑灰色水平纹层混合质页岩裂缝最为发育，其孔隙度最大，核磁共振T2谱对应的大孔隙包络面积最大，恒速压汞对应的大孔隙进汞饱和度达到6%；深灰色粒序纹层混合质页岩和灰色块状混合质页岩裂缝发育程度相对较低，核磁共振T2谱对应的大孔隙包络面积小，深灰色块状混合质页岩恒速压汞对应的大孔隙基本不发育，灰色块状混合质页岩恒速压汞对应的大孔隙进汞量大约为3%，因此深灰色块状混合质页岩比灰色粒序纹层混合质页岩裂缝相对发育，但是深灰色粒序纹层混合质页岩比灰色块状混合质页岩孔隙度大，深灰色粒序纹层混合质页岩孔隙更发育。

4 油气地质意义及勘探前景

4.1 油气地质意义

根据南堡2-46 井岩心资料绘制了岩心综合柱状图，根据岩屑及地球化学分析绘制了页岩油典型柱状图。岩心综合柱状图（图7）表明取心段岩相上部以长英质页岩为主，下部以混合质页岩为主，中间夹薄层粉、细砂岩，颜色由灰色逐渐过渡到深灰色、灰黑色。上部长英质页岩虽然孔隙度较大，孔隙结构优于下部混合质页岩，但总有机碳含量（TOC）偏低，生烃潜量（S1+S2）较小，且残留烃含量（S1）和烃指数（S1/TOC）低（图8），指示长英质页岩油气潜力有限。相较而言混合质页岩比长英质页岩TOC，S1+S2，S1等指标具有明显的优势，表示混合质页岩相是页岩油主力储集体，南堡2-46 井射孔段以混合质页岩为主，且取得了良好的生产效果也证实了这一点。

南堡2-46 井页岩油甜点段以灰、深灰色混合质页岩为主，夹薄层粉砂岩，厚度大，页岩油甜点层段累计达到72 m（图8）。甜点段TOC含量高，其质量分数为2% 左右；S1含量较高，质量分数普遍接近2%，局部超过2%。TOC及S1含量高，说明研究区可动油饱和度高，含油性好。巨厚的混合质页岩及高TOC和S1含量证实南堡凹陷古近系沙一段具有巨大的页岩油潜力。全烃曲线显示，在页岩夹粉砂岩的接触部位，往往全烃含量较高，但是向粉砂岩内部逐渐减小，说明在粉砂岩与页岩接触的一定范围内，页岩油大量聚集，证实与粉砂岩接触的页岩中生成的油气经过了微距离运移（大多未深入粉砂岩1 m），与部分学者提出的页岩油微运移的观点吻合［20］。混合质页岩大规模生烃形成局部异常高压为油气微运移提供了动力，混合质页岩本身构造缝、层理、粒间缝等微裂缝发育，页岩内部发育的裂缝为页岩油在层内或邻近粉砂岩层微距运移提供了运移通道；混合质页岩中粒间孔、晶间微孔、溶蚀孔及裂缝发育，测井解释孔隙度为7%左右，具有较好的储集性能，为页岩油提供了聚集的场所。

4.2 勘探前景

南堡凹陷古近系沙河街组一段烃源岩厚度大，最厚可达200 m 以上（图9），沉积环境为低能贫氧—厌氧水体，有利于有机质保存，有机质丰度高，总有机碳TOC值普遍大于1%，有机质演化程度适中，Ro值为0.6%～1.0%，总体生烃潜力巨大；页岩层系发育混合质页岩夹薄层粉砂岩，混合质页岩裂缝发育，具有较好的孔隙条件，具备页岩油富集的优良储集空间；页岩层系压力系数高，普遍大于1.2，具有较高的孔隙度，局部正向构造发育，脆性矿物含量高，为页岩油高产创造了有利条件。巨大的生烃能力、良好的储集空间、有利的高产条件显示南堡凹陷古近系沙河街组一段页岩油具有很大的勘探潜力，勘探前景非常可观。

5 结论

（1）黄骅坳陷南堡凹陷古近系沙一段页岩油储层发育灰暗相间水平纹层长英质页岩、深灰色块状混合质页岩、灰色粒序纹层混合质页岩、黑灰色水平纹层混合质页岩等4 种岩相，其中以深灰色块状混合质页岩、灰色粒序纹层混合质页岩、黑灰色水平纹层混合质页岩为主；岩石中黏土矿物含量不高，碳酸盐矿物及黄铁矿普遍存在，碳酸盐矿物和黄铁矿含量垂向呈现高低互现的特征，纹层及裂缝发育。

（2）黄骅坳陷南堡凹陷古近系沙一段页岩油储集空间类型主要为裂缝、残余粒间孔、矿物晶间孔及溶蚀孔。孔隙结构特征表现为大孔微细喉特征，孔隙半径大，喉道较细。不同岩相储层孔隙存在明显差异，黑灰色水平纹层混合质页岩裂缝最为发育，孔隙度大，且大孔隙发育；深灰色粒序纹层混合质页岩比灰色块状混合质页岩孔隙度大，孔隙更发育；深灰色粒序纹层混合质页岩和灰色块状混合质页岩裂缝发育程度低，相对而言深灰色块状混合质页岩比灰色粒序纹层混合质页岩裂缝发育。

（3）南堡凹陷古近系沙一段混合质页岩厚度大、可动油饱和度高、含油性好，发育的裂缝、粒间孔、晶间微孔、溶蚀孔为页岩油储集提供了良好的储集空间，裂缝为页岩油内部微距运移提供了通道，促进了页岩油局部富集。