中国中西部盆地典型陆相页岩纹层结构与储层品质评价

吴松涛 朱如凯 罗 忠 杨 智 姜晓华 林敏捷 苏 玲

（ 1中国石油勘探开发研究院；2国家能源致密油气研发中心；3中国石油天然气集团有限公司油气储层重点实验室 ）

0 引言

陆相页岩油资源潜力大，已成为中国油气勘探战略性接替领域。初步评估结果表明，中国陆相页岩油技术可采资源量超145×108t[1-6]。近年来，通过持续开展以“甜点评价、水平井与体积压裂”为核心的技术攻关，准噶尔、鄂尔多斯、松辽、三塘湖、渤海湾等盆地陆相主力页岩层系已取得一系列重要进展[7-16]。准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组上、下甜点段井控资源规模超过10×108t，并设立了中国第一个国家级陆相页岩油示范区[7]；鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7段落实了3个页岩油富集区带，建成了以西233、庄183等为代表的多个试验区，发现了庆城陆相源内大油田[11]；松辽盆地白垩系青山口组落实7个页岩层系石油富集区带，资源规模超过50×108t[12]；准噶尔盆地西北缘二叠系风城组、四川盆地侏罗系大安寨段、三塘湖盆地马朗—条湖凹陷二叠系芦草沟组等风险勘探取得重要突破[15-19]。此外，在渤海湾盆地，发现济阳坳陷的东营凹陷、沾化凹陷，辽河坳陷西部凹陷雷家地区、大民屯凹陷，黄骅坳陷的沧东凹陷、歧口凹陷，以及冀中坳陷的束鹿凹陷等7个页岩层系石油富集区带；在柴达木盆地扎哈泉区块新近系上干柴沟组、英西地区古近系下干柴沟组，以及二连盆地阿南凹陷古近系腾格里组一段等页岩层系石油领域也取得较大进展[4，10，20-21]。

纹层是沉积层理的最基本单位，是沉积物或沉积岩中肉眼可分辨的特色沉积结构之一[22]，主体厚度小于1cm[23-25]。纹层结构在陆相页岩油层系中普遍发育，目前学术界与工业界对纹层结构的研究主要集中在3个方面：纹层类型、纹层成因及纹层对岩石品质的影响[26-32]。在纹层类型的划分方面，矿物组成与有机质丰度是最常见的划分依据，其中黏土矿物纹层、长英质纹层、碳酸盐纹层、有机质纹层是最主要的纹层类型[26-27，30]，同时也涵盖了具有特殊盆地属性的纹层，如葸克来等[26]在长7段页岩中识别出的富凝灰质纹层、李婷婷等[27]在青西凹陷下沟组识别出的硅质纹层。除矿物组成外，纹层形态与粒度差异也是纹层结构划分的重要依据。例如，Campbell等[28]根据黑色细粒沉积组成单元的连续性、形状和几何形态，将纹层划分为板状、波状和弯曲状；Yawar等[29]根据粒度差异提出泥纹层和粉砂纹层。在纹层成因方面，已有研究主要从盆地演化及全球演化的尺度进行了多层次探讨。例如，鄢继华等[31]从盆地演化的角度指出气候变化和陆源碎屑供应强度变化对沧东凹陷古近系孔二段混合沉积垂向上组合形式的影响；孙善勇等[32]从全球演化的尺度通过米兰科维奇旋回预测东营凹陷古近系沙四上亚段富有机质纹层成因。

作为页岩独具特色的组构特征，纹层结构对烃源岩品质、储层品质与工程品质评价具有重要影响，包括有机质丰度、岩石学和矿物学特征[33-35]，以及水平井体积压裂裂缝扩展规律及压裂效果[36-38]。目前已发表的研究对纹层结构与有机质丰度关系的关注较多，主要认识包括：（1）泥质纹层有机质含量普遍高于粉砂质纹层[27]；（2）不同矿物组分纹层、不同厚度纹层对应的TOC具有明显差异[22，35，39]。总体来看，目前研究较少关注纹层结构对页岩储集性能的影响，特别是单一纹层对储层品质的影响。尽管有学者关注纹层结构对水平方向及垂直方向渗透率的影响，但已有研究更多的是从岩相角度进行探讨确定优势层段[21]，不同湖盆细粒沉积体系发育的纹层结构具有差异，直接影响了储层品质评价，并对“甜点区/段”的优选造成影响。因此，急需开展不同地区细粒沉积体系纹层结构对储层品质影响的相关研究。

本文以中国中西部典型湖盆富有机质页岩——咸化湖盆富有机质页岩（准噶尔盆地二叠系芦草沟组）和淡水—微咸水湖盆富有机质页岩（鄂尔多斯盆地三叠系长7段）为研究对象，通过有机地球化学分析、X-射线衍射分析、薄片鉴定和场发射扫描电镜观察等手段，划分纹层类型与纹层组合，研究不同纹层对应的孔隙结构特征；探讨纹层结构对页岩层系储集性能与“甜点区/段”优选的影响。相关研究认识以期为中国陆相页岩油规模勘探开发提供理论指导与技术支持。

1 不同页岩纹层结构与地球化学特征

1.1 准噶尔盆地二叠系芦草沟组页岩系统

作为咸化湖盆的典型代表，准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组发育4类纹层，包括碳酸盐纹层、长英质粉砂纹层、有机质纹层与黏土矿物纹层（图1）。芦草沟组黏土矿物含量较低，主体低于20%[7，10，15，39-40]，因此黏土矿物纹层发育比例相对较低。长英质粉砂纹层和碳酸盐纹层是最主要的纹层类型（图1a—c），黏土矿物以伊/蒙混层和绿泥石为主，具定向排列特征。长英质粉砂纹层与碳酸盐纹层常呈互层发育，厚度主要为200μm～1mm，局部可达2mm；碳酸盐纹层以白云石、方解石和铁方解石为主（图1c）。有机质纹层主要与黏土矿物纹层伴生，在显微镜下呈薄纹层状连续或准连续分布于黏土矿物纹层之间（图1b）。

根据纵向纹层厚度比例，芦草沟组4类纹层主要构成3种组合样式，包括长英质粉砂纹层—碳酸盐纹层组合（图1a）、有机质纹层—黏土矿物纹层组合（图1b）、黏土矿物纹层—长英质粉砂纹层—碳酸盐纹层组合（图1c）。其中，在长英质粉砂纹层—碳酸盐纹层组合中，可见少量黏土矿物纹层发育，但厚度与比例较小（图1a）。

图1 中国中西部不同类型湖盆页岩典型纹层结构显微镜照片Fig.1 Microscopic photos of typical laminar structure of shale in various types of lake basins in central-western China(a) 碳酸盐纹层与长英质粉砂纹层，见薄层黏土矿物纹层互层发育，芦草沟组，J10022井；(b) 黏土矿物纹层与有机质纹层共生，有机质纹层呈薄纹层状连续或准连续分布于黏土矿物纹层之间，芦草沟组，J10016井；(c) 黏土矿物纹层、碳酸盐纹层与长英质粉砂纹层，3类纹层厚度相当，芦草沟组，J10016井；(d) 黏土矿物纹层、长英质粉砂纹层与有机质纹层，底部长英质纹层厚度较大，但向上厚度与比例均减小，见椭圆形磷灰石结核发育，长7段，里147井；(e) 凝灰质纹层、黏土矿物纹层、有机质纹层与长英质粉砂纹层，有机质纹层与黏土矿物纹层共生，长7段，里147井；(f) 黏土矿物纹层与长英质粉砂纹层，未见有机质纹层，长7段，白522井。CML—黏土矿物纹层，QFL—长英质粉砂纹层，OML—有机质纹层，CDL—碳酸盐纹层，TUL—凝灰质纹层

从地球化学特征看，不同类型纹层具有明显差异。从有机质丰度看，有机质纹层—黏土矿物纹层组合最高，TOC最高超过8%，平均为7.2%；长英质粉砂纹层—碳酸盐纹层组合最低，TOC主体小于2%，平均仅为1.3%；黏土矿物纹层—长英质粉砂纹层—碳酸盐纹层组合TOC主体为1.8%～3.6%，平均为2.8%（图2a）。不同纹层游离烃含量（S1）与TOC呈相反特征，即长英质粉砂纹层—碳酸盐纹层组合S1最高，而有机质纹层—黏土矿物纹层组合S1最低（图2b）。长英质粉砂纹层—碳酸盐纹层组合S1主体为12～19mg/g，黏土矿物纹层—长英质粉砂纹层—碳酸盐纹层组合S1主体为7～14mg/g，有机质纹层—黏土矿物纹层组合S1主体小于4mg/g（图2b）。

1.2 鄂尔多斯盆地三叠系长7段页岩系统

鄂尔多斯盆地长7段页岩形成于淡水—微咸水湖盆背景[1，11，39，41]。显微镜研究表明，长7段发育4类纹层，包括长英质粉砂纹层、有机质纹层、黏土矿物纹层和凝灰质纹层，未见碳酸盐纹层发育（图1d—f）。长英质粉砂纹层发育比例较低，粒度变化较大，从粗粉砂到细粉砂均有发育（图1e、f）；黏土矿物纹层是最主要的类型，发育比例高，主要以伊/蒙混层为主，局部见绿泥石发育，内部见大量黄铁矿发育（图1d、e）；长7段有机质纹层也与黏土矿物纹层共生，但与芦草沟组相比，有机质纹层的连续性、厚度与发育比例更高（图1d、e）；凝灰质纹层是长7段特色的纹层类型，与有机质纹层、黏土矿物纹层共生，在其内部见大量火山灰蚀变及部分方解石胶结（图1e）。

长7段页岩共发育3类纹层组合，包括黏土矿物纹层—长英质粉砂纹层—有机质纹层组合（图1d）、长英质粉砂纹层—凝灰质纹层—有机质纹层—黏土矿物纹层组合（图1e）、长英质粉砂纹层—黏土矿物纹层组合（图1f）。不同纹层组合有机地球化学特征具有明显差异。总体来看，有机质纹层越发育，对应的有机质丰度越高。黏土矿物纹层—长英质粉砂纹层—有机质纹层组合与长英质粉砂纹层—凝灰质纹层—有机质纹层—黏土矿物纹层组合有机质丰度高，TOC主体大于6%，最高超16%；长英质粉砂纹层—黏土矿物纹层组合有机质丰度相对低，TOC主体小于8%（图2c）。与芦草沟组类似，长7段页岩S1与TOC呈相反的分布特征：长英质粉砂纹层—黏土矿物纹层组合游离烃含量最高，S1主体为8～12mg/g，最高可达14mg/g；黏土矿物纹层—长英质粉砂纹层—有机质纹层与长英质粉砂纹层—凝灰质纹层—有机质纹层—黏土矿物纹层的S1分别为2～11mg/g、1～7.5mg/g（图2d）。

图2 不同类型湖盆细粒沉积岩典型纹层结构有机地球化学特征差异Fig.2 Differences of geochemical characteristics of typical laminar structures of fine-grained rocks in various types of lake basins

1.3 不同地区页岩纹层结构差异

综合前文研究可知，芦草沟组及长7段富有机质页岩系统纹层结构具有差异，表明湖盆水体与沉积环境对纹层类型具有重要影响。从纹层类型看，从芦草沟组到长7段，沉积水体由咸化湖盆向淡水—微咸水湖盆转变，盐度逐渐降低，碳酸盐纹层发育比例与规模减小，黏土矿物纹层发育的比例与规模增大（图1）。长7段凝灰质纹层较为发育，与三叠纪末期火山活动频发密切相关[41]。从有机质纹层的分布看，其主体与黏土矿物纹层共生。其中，长7段有机质纹层的连续性、厚度与规模明显优于芦草沟组，这一方面与页岩的有机质丰度直接相关，另一方面可能受热演化成熟度影响。青山口组Ro主体大于1.0%，最高可达1.6%[12]，高于长7段和芦草沟组（Ro主体为0.7%～1.0%）[39]。较高的热演化成熟度可能会导致更多的有机质转化，从而降低有机质纹层发育的比例。

从不同纹层TOC与游离烃含量关系看，长7段与芦草沟组表现出相似的特征：黏土矿物纹层与有机质纹层组合对应的TOC高，但S1低；长7段长英质粉砂纹层组合与芦草沟组碳酸盐纹层组合对应的TOC低，但S1高（图2）。需要注意的是，差异性成熟度带来的生烃演化与成岩作用的不同，也会导致纹层结构的差异。因此，在进行中国陆相页岩纹层类型研究时，需重点关注水体盐度、热演化成熟度与成岩改造的影响。

2 纹层结构与储层品质关系

2.1 纹层结构与孔隙结构

2.1.1 准噶尔盆地二叠系芦草沟组

除矿物组成与有机地球化学特征具有明显差异外，不同纹层孔隙结构也具有明显不同。准噶尔盆地芦草沟组长英质粉砂纹层与碳酸盐纹层孔隙发育程度较高（图3a、b），黏土矿物纹层次之（图3c、d），有机质纹层孔隙最不发育（图3e、f）。长英质粉砂纹层与碳酸盐矿物纹层的孔隙类型以斜长石粒间溶蚀孔、白云石粒间孔为主；部分斜长石具有明显的溶蚀特征，局部发育黑云母粒内孔，孔隙直径最大可达15～20μm（图3b）。黏土矿物纹层的孔隙类型以伊/蒙混层粒内孔为主，孔隙多但孔径小，主体孔径为50～200nm（图3d）。在有机质纹层中，有机质主体连续分布在石英、斜长石、白云石及黏土矿物之间，但孔隙极不发育（图3e、f），这可能与芦草沟组页岩热演化程度偏低有关。

图3 准噶尔盆地芦草沟组不同类型纹层孔隙结构特征Fig.3 Pore structure characteristics of different types of laminae of Lucaogou Formation shale in Junggar Basin

2.1.2 鄂尔多斯盆地三叠系长7段

与芦草沟组相似，鄂尔多斯盆地长7段页岩不同纹层的孔隙结构也表现出极大的差异（图4），长英质粉砂纹层孔隙发育程度最高，其次为凝灰质纹层和黏土矿物纹层，有机质纹层孔隙发育程度最低。在长英质粉砂纹层中，见钾长石溶蚀孔、斜长石粒间孔、方解石溶蚀孔及高岭石粒内孔发育（图4c），孔隙直径（孔径）主体超过500nm，部分孔隙直径达10～20μm；黏土矿物纹层的孔隙类型以伊/蒙混层粒内孔为主，见少量黑云母粒内孔，孔隙多但孔径小，主体孔径为30～300nm（图4e、g）；在有机质纹层中，有机质连续分布于黏土矿物之中，孔隙发育程度较低，见草莓状黄铁矿晶内孔（图4h）与少量有机质孔（图4i）。

图4 鄂尔多斯盆地长7段不同类型纹层孔隙结构特征Fig.4 Pore structure characteristics of different types of laminae of Chang 7 member shale in Ordos Basin

2.2 纹层结构与石油赋存

纹层结构在影响页岩孔隙结构的同时，也会对石油的赋存状态产生重要影响。在准噶尔盆地芦草沟组，长英质粉砂纹层与碳酸盐纹层石油发育比例明显高于黏土矿物纹层及有机质纹层（图3）。在长英质纹层和碳酸盐纹层中，石油主要赋存在白云石粒间孔及斜长石粒间溶蚀孔中，石油在孔隙边缘呈散开状产出（图3b）；但在黏土矿物纹层中未见此类石油产出现象（图3d）。

鄂尔多斯盆地长7段页岩，石油赋存表现出类似的特征，即长英质粉砂纹层与凝灰质纹层的含油性明显优于黏土矿物纹层及有机质纹层。图5展示了长7段页岩荧光显微镜照片，可以看到粒度稍粗的长英质粉砂纹层与凝灰质纹层荧光显示明显增强。凝灰质纹层发育部分火山灰蚀变形成的高岭石，在高岭石内部及高岭石之间发育大量的孔隙（图5b），可为石油从富有机质纹层运移到凝灰质纹层提供充足的储集空间。长英质粉砂纹层也是石油富集的主要区域，前文研究可知，长英质粉砂纹层具有更多的孔隙且孔隙直径更大，因此在荧光薄片上可见其含油性明显优于邻近的黏土矿物纹层（图5d）。

图5 鄂尔多斯盆地长7段页岩含油性荧光薄片照片Fig.5 Thin section fluorescence photos of Chang 7 member shale in Ordos Basin

结合前文研究可知，陆相页岩的孔隙结构与石油赋存具有很好的一致性。对于长7段和芦草沟组页岩系统，长英质粉砂纹层与碳酸盐纹层孔隙发育好，含油性也优于黏土矿物纹层与有机质纹层；青山口组页岩纹层品质与长7段、芦草沟组正好相反，黏土矿物纹层孔隙发育好，其含油性也优于长英质纹层与碳酸盐纹层。需要说明的是，考虑到黏土矿物纹层特殊的结构，目前青山口组在黏土矿物纹层内观察到的石油的可动性，是下一步值得关注的重要内容。

2.3 纹层结构与物性特征

纹层结构在影响孔隙结构与石油赋存状态的同时，也对储层物性产生影响[42-44]。准噶尔盆地芦草沟组可动孔隙度与长英质含量呈明显正相关（图6a），而与黏土矿物含量呈明显的负相关（图6b），这与芦草沟组长英质粉砂纹层和黏土矿物纹层孔隙结构一致，即长英质含量越高，孔隙越发育，对应的孔隙度越高。氮气吸附的比孔容代表了储层中孔隙体积。研究表明，长7段页岩比孔容与黏土矿物含量、伊利石含量均呈反比（图7），即黏土矿物含量越高，页岩物性越差，这也进一步反映出黏土矿物纹层孔隙发育差。

图6 准噶尔盆地芦草沟组可动孔隙度与矿物含量散点图（据新疆油田数据重新编制）Fig.6 Relationship between movable porosity and mineral content of Lucaogou Formation shale in Junggar Basin(Modified after data from Xinjiang Oilfield)

图7 鄂尔多斯盆地长7段黏土矿物与BJH比孔容关系图Fig.7 Relationship between clay mineral content and BJH pore volume of Chang 7 member shale in Ordos Basin

本文初步研究认为热演化成熟度与成岩作用是导致不同盆地间纹层性质差异的关键。青山口组页岩热演化成熟度高（Ro大于1.3%），黏土矿物纹层以伊利石为主，粒间孔、微裂缝发育程度高，在提高黏土矿物纹层储集能力的同时，微裂缝的发育进一步增强了其渗流能力；同时，相对较高的热演化成熟度导致长英质粉砂纹层内部发生强烈的碳酸盐胶结，使其孔隙发育程度降低。与青山口组相比，长7段和芦草沟组页岩系统热演化成熟度中等（主体小于1.0%），黏土矿物纹层整体以伊/蒙混层为主，粒间孔与微裂缝发育程度有限；同时，长英质粉砂纹层和碳酸盐纹层碳酸盐胶结作用相对中等，且生油阶段内形成的有机酸对邻近的长英质粉砂纹层和碳酸盐纹层造成溶蚀，进一步增强了其储集性能，导致这两类纹层含油性普遍优于黏土矿物纹层。

3 纹层结构对甜点评价的启示

甜点评价是页岩系统油气勘探的核心，是实现页岩油气规模勘探与效益开发的关键。中国陆相页岩油甜点评价包括“甜点段”评价与“甜点区”评价两个方面[1，7，9-11，39-43]。陆相页岩油具有“源储一体、源内运聚”的特征，呈“原生源储”的富集特征[7]；与常规油气勘探重点关注“生、储、盖、圈、运、保”等要素不同，页岩系统“甜点区/段”评价更强调烃源岩品质、储层品质、工程品质及流动品质的评价[2，6，9]，因此源内滞留烃含量、孔隙结构、矿物组成及流体性质成为页岩油甜点评价关注的重点。

综合前文研究可知，纹层作为页岩系统特有的岩石结构之一，直接影响了页岩系统的含油性、孔隙结构、矿物组成及储层物性。本文通过对比芦草沟组和长7段富有机质页岩层系不同纹层结构的游离烃含量、孔隙结构、物性及矿物组成，探讨了不同纹层结构对应的储层品质的差异，进而提出在甜点评价中应如何考虑纹层结构的影响（表1）。结果表明：不同湖盆甜点评价关注的纹层结构及岩相类型不同。对于咸化湖盆，芦草沟组碳酸盐纹层与长英质粉砂纹层在游离烃含量、孔隙结构及脆性矿物组成方面明显优于黏土矿物纹层及有机质纹层，因此甜点评价应重点关注碳酸盐纹层与长英质纹层发育的细粒沉积岩相。对于淡水—微咸水湖盆，长7段页岩与芦草沟组类似，长英质粉砂纹层在游离烃含量、孔隙结构及脆性矿物组成方面明显优于黏土矿物纹层及有机质纹层，凝灰质纹层可作为源内运移的对象，但其在长7段页岩中占比较小，因此甜点评价应优先考虑长英质纹层较发育的细粒沉积岩相。需要说明的是，从纹层结构到甜点区/段评价优选，不仅涵盖了烃源岩品质、储层品质及工程品质的多方面评价，而且涉及跨尺度表征的问题，直接建立二者之间的联系存在较大的不确定性。本文重点探索了不同纹层结构对应的储层含油性、孔隙结构与物性的差异，进而为甜点区/段评价优选提供储层品质方面的重要参考。

表1 不同类型湖盆纹层结构储层品质与甜点评价Table 1 Reservoir quality evaluation and sweet spot selection of shales with different laminar structures in various types of lake basins

4 结论

本文以准噶尔盆地二叠系芦草沟组和鄂尔多斯盆地三叠系长7段为研究对象，剖析淡水—微咸水湖盆、咸化湖盆与海侵背景的湖盆富有机质页岩纹层结构特征，划分纹层类型与纹层组合，研究不同纹层结构对应的有机地球化学、矿物组成、孔隙结构及物性特征，探讨纹层结构对页岩层系储集性能与“甜点区/段”优选的影响。主要结论包括3个方面：

（1）湖盆水体环境对页岩纹层类型具有重要影响，不同类型湖盆页岩纹层结构具有差异。湖盆咸化程度越高，碳酸盐纹层发育程度越高。芦草沟组发育碳酸盐纹层、长英质粉砂纹层、黏土矿物纹层及有机质纹层，长7段发育凝灰质纹层、长英质粉砂纹层、黏土矿物纹层及有机质纹层。

（2）明确不同纹层间TOC、S1、矿物组分、孔隙结构及含油性的差异，提出同一类纹层在不同盆地的品质具有明显差异。芦草沟组碳酸盐纹层与长英质纹层S1高，孔隙以长石粒间溶蚀孔、白云石粒间孔为主，孔隙大且发育程度高，物性与含油性优于黏土矿物纹层与有机质纹层；长7段长英质粉砂纹层S1高，孔隙以长石溶蚀孔、粒间孔为主，孔隙发育程度高，物性与含油性优于凝灰质纹层、黏土矿物纹层与有机质纹层。

（3）纹层结构决定了页岩油微观运聚特征与“原生源储”富集模式，影响滞留烃含量、流体可动性及压裂改造。芦草沟组页岩油具有由有机质纹层与黏土矿物纹层向长英质粉砂纹层与碳酸盐纹层运聚的特征，甜点评价应重点关注长英质粉砂纹层与碳酸盐纹层；长7段页岩油具有由有机质纹层与黏土矿物纹层向长英质粉砂纹层与凝灰质纹层运聚的特征，甜点评价应重点关注长英质粉砂纹层。