松辽盆地白垩系青山口组页岩层系非均质地质特征与页岩油甜点评价

白斌，戴朝成，侯秀林，杨亮，王瑞，王岚，孟思炜，董若婧，刘羽汐

（1. 中国石油 勘探开发研究院，北京 100083；2.多资源协同陆相页岩油绿色开采全国重点实验室，黑龙江 大庆 163453；3. 东华理工大学 地球科学学院，江西 南昌 330000；4. 中国石油 吉林油田公司 勘探开发研究院，吉林 松原 138099；5. 中国石油 大庆油田公司，黑龙江 大庆 163453）

页岩油作为重要的油气接替资源，已在北美Williston盆地Bakken组、Western Gulf盆地Eagle Ford组等页岩中实现规模效益开发，助推美国能源独立［1-3］。截至2022年底，中国鄂尔多斯、准噶尔与渤海湾等盆地积极开展页岩油勘探开发，主要围绕页岩层系内粉砂岩、碳酸盐岩、混积岩等非主力生烃源岩，探明地质储量14.07×108t，年产量超300×104t，展现出良好的勘探开发潜力［4-8］。特别是在松辽盆地白垩系青山口组古龙深湖相纯页岩钻探GYYP1井初试日产油最高30.5 t、日产气13032 m3，取得历史性战略突破，目前见油后已生产855 d，累产油气当量1.37×104t［9］，不仅预示陆相湖盆生烃页岩具备形成工业油气的基础，也表明陆相湖盆页岩将成为未来页岩油勘探开发重要类型。

然而，陆相湖盆页岩受水动力、成岩作用和成藏过程中流体性质等因素影响，湖盆不同相带页岩矿物成分、岩相、生烃能力及储集性能等富集地质条件差异明显［10-11］，直接决定页岩油富烃甜点段/区与最佳改造效果的工程甜点段/区存在差异［12-17］。因此，亟需开展基于陆相湖盆不同相带页岩地质特征非均质性研究，分类评价页岩滞留烃、赋存状态和改造潜力，查明湖盆不同相带页岩油甜点特征，为实现页岩油地质-工程一体化效益开发奠定基础［18-20］。

1 松辽盆地青山口组沉积环境

松辽盆地位于中国东北地区，是白垩纪亚洲古陆上最大的湖盆，面积约26×104km2，为典型的陆相断陷-坳陷叠合盆地（图1）［21］，具有先断后拗的双层结构。其中，松辽盆地中央坳陷区是盆地发展过程中沉降占优势的大型负向构造单元，包括齐家-古龙凹陷、大庆长垣和三肇凹陷等二级构造单元［22-24］，长期为盆地沉降和沉积中心，是黑色页岩乃至页岩油的主要分布范围，富有机质页岩层系厚度为90～270 m，面积在3×104km2以上，有机质丰度高，成熟度适中，且地层超压，利于页岩油的形成与富集。

图1 松辽盆地青山口组沉积相（a）及典型地层柱状图（b）［21］Fig. 1 Sedimentary facies （a） and typical stratigraphic column （b） of the Qingshankou Formation， Songliao Basin［21］

松辽盆地白垩系青山口组和嫩江组沉积期发育两期最大的湖泛，广泛发育厚层富有机质暗色泥页岩。其中，青山口组泥页岩有机质丰度更高，在中央坳陷区基本进入成熟-高成熟演化阶段，是中、浅部含油气组合的主力供烃岩系及页岩油赋存层系［22］，岩性以厚层页岩夹薄层粉砂岩、白云岩及介壳灰岩为特征，反映了半深湖-深湖的沉积环境。

2 湖盆不同相带页岩地质非均质性

陆相湖盆不同相带页岩矿物成分、沉积构造、有机质丰度、岩相组合等均具极强非均质性［25］。页岩纹层厚度存在极薄纹层（＜3 mm）、薄纹层（3 mm～1 cm）、中纹层（1～3 cm）到厚纹层（3～10 cm）［26-27］，成分呈现长英质纹层、黏土纹层和碳酸盐矿物纹层多种类型［28］。因此，本文立足盆地不同部位钻井岩心资料，识别青山口组滨浅湖、半深湖与深湖相页岩特征，依据矿物组成、纹层厚度和沉积构造，将湖相页岩层系划分为纹层状黏土（质）页岩（LS）、长英（质）页岩（SLS）、纹层状介壳页岩（CLS）、块状泥岩（LM）、灰岩（LS）和白云岩（DS）6种岩相。纹层状黏土（质）页岩有机碳丰度变化大，以总有机碳含量（TOC）3 %为界，再分出富有机质纹层状黏土（质）页岩（HLS）和纹层状黏土（质）页岩（MLS）（表1；图2）。

表1 松辽盆地青山口组湖相页岩层系岩相类型分类Table 1 Lithofacies type classification of lacustrine shale in Qingshankou Formation， Songliao Basin

图2 松辽盆地青山口组页岩层系岩相地质特征Fig.2 Lithofacies geological features of the Qingshankou Formation shale sequence， Songliao Basin

2.1 岩性和岩相非均质性特征

松辽盆地青山口组沉积期的滨浅湖相沉积水动力相对较强，沉积构造发育水平层理、砂纹交错层理和液化砂岩脉等，总体反映出水体较为动荡特征，页岩具高长英质、低黏土矿物含量特点，石英含量为15.40 %～50.00 %，平均为29.60 %，长石含量为7.50 %～28.80 %，平均为13.70 %，黏土矿物含量为8.80 %～69.10 %，平均为51.10 %。岩性发育有泥页岩、粉砂岩与钙质泥岩等。岩相以长英质页岩、纹层状介壳页岩、纹层状黏土页岩和介壳灰岩为主，长英质页岩有机质含量大多小于3.0 %，以粉砂质页岩为主，夹浅灰色或灰白色的粉砂岩，脉状和软沉积变形构造发育，在薄片下该纹层在单偏光下颜色较浅，呈粉砂级-泥质粉砂碎屑结构，可见少量分散状分布的有机质，颗粒整体上分选中等-好，磨圆度呈次棱角状，单个纹层厚度在0.4～1.5 mm。黏土矿物含量平均为33.67 %，石英和长石含量平均为51.55 %，以石英颗粒为主，TOC介于1.00 %～3.00 %，平均为1.45 %，该岩相一般分布层位为青（青山口组）一段上部、青二段和青三段；纹层状介壳页岩具混合沉积特征，表现为纹层状页岩夹薄层介壳生物层和粉砂质，纹层状页岩和介壳生物层界限明显，该岩相中介壳生物和介壳灰岩层生物相比，生物呈碎片状定向排列，基本没有完整生物个体，粉砂级石英颗粒与生物碎片混杂在一起，而介壳灰岩层生物个体完整，石英则以成岩自生硅质为主，纹层状介壳页岩以介形虫化石富集成层，TOC平均为1.60 %。该岩相分布层位主要为青二段和青三段。

半深湖相沉积水动力相对较弱，沉积构造以水平层理和块状层理为主，软沉积变形与滨浅湖相相比基本不发育，页岩中石英含量为2.30 %～21.80 %，平均为7.60 %，长石含量为1.60 %～13.20 %，平均为3.80 %，黏土矿物含量为55.30 %～79.40 %，平均为69.50 %。岩性为泥页岩和粉砂质泥岩及含介壳泥页岩等。岩相以纹层状黏土（质）页岩和块状泥岩为主（图3），局部层位发育块状泥岩和富有机质纹层状黏土（质）页岩。纹层状黏土（质）页岩有机质含量略低，普遍低于3.0 %，呈灰色或深灰色，有机质纹层厚度小于1 mm，层中生物扰动和生物钻孔发育，该岩相主要形成于季节性悬浮和底流作用交替沉积的静水环境，纵向上分布于页岩层系中部。块状泥岩为纯黑色，质地细腻，油脂感较明显，坚韧不易破碎，较致密，页理不发育，均质性较好，粉砂及介壳的纹层少。镜下观察岩石粒级非常小，矿物成分以黏土矿物为主，有机质含量变化大，主要形成于半深湖的静水环境。该岩相在纵向上主要分布于青一段和青二段。

深湖相沉积期水体安静，沉积速率低，沉积构造以水平层理和块状层理为主，岩性与滨浅湖和半深湖相岩性存在差别。深湖相除富有机质纹层状黏土（质）页岩和块状泥岩外，还发育大量薄层状粉晶白云岩和介壳灰岩（图4）。同时，在页岩成熟度偏高（镜质体反射率Ro=1.67 %）的古龙凹陷，发育规模富有机质长英（质）页岩，TOC可达4.6 %。其中，富有机质纹层状黏土（质）页岩颜色为灰黑-黑色，岩心页理发育，纹层厚度小于1 mm，胶磷矿和草莓状黄铁矿常见，黏土矿物含量介于25.10 %～79.05 %，石英和长石总含量为16.34 %～59.28 %，TOC多大于3.0 %，该岩相在纵向上主要分布于青一段。白云岩相颜色为灰黑色，质地坚硬细腻，有半透明感，外形为透镜状和夹层状，白云岩由浅色纹层和暗色纹层（富含有机质）构成，浅色和暗色纹层均呈穹形。矿物成分主要为铁白云石，含量在90 %以上，白云石为半自形-自形粉晶结构，晶粒大小在0.01～0.03 mm，晶体间呈直线状紧密接触，部分白云石具环带。该类岩相主要分布在青一段中、上部和青二段下部。介壳灰岩则颜色变化较大，有黑色、灰黑色、灰-深灰色以及灰白色，隐晶质结构，介壳结构明显，介形虫软体和介壳经过长期的碳酸盐胶结形成生物介壳灰岩。

2.2 有机地球化学非均质性特征

松辽盆地青山口组沉积期滨浅湖相页岩TOC为0.12～3.14 %，平均为1.17 %，生烃潜量（S1+S2）介于0.14～15.99 mg/g，平均为4.52 mg/g，氯仿沥青“A”含量介于0.014 %～0.303 %，平均为0.116 %，整体为中等-好烃源岩。氢指数（HI）与最高热解峰温（Tmax）关系显示，滨浅湖相页岩有机质类型以ⅡA型和ⅡB型为主，Tmax主要介于412～446 ℃，油源岩处于低成熟-成熟阶段。

半深湖相页岩TOC为0.26～5.00 %，平均为1.92 %，S1+S2介于0.34～18.34 mg/g，平均为9.06 mg/g，整体为中等-好烃源岩。页岩地球化学品质介于滨浅湖相和深湖相页岩之间。HI-Tmax关系显示，半深湖相页岩有机质类型以ⅡA型和ⅡB型为主，少数样品为Ⅰ型干酪根，Tmax主要介于400～470 ℃，油源岩处于中低成熟-成熟阶段。

深湖相页岩TOC为0.17 %～5.21 %，平均为2.95 %，S1+S2介于0.09～32.81 mg/g，平均为12.17 mg/g，与滨浅湖相和半深湖相相比，深湖相TOC和S1+S2为湖相页岩中数值最高的。HI-Tmax关系显示，青山口组深湖相页岩有机质类型以ⅡA型和ⅡB型为主，部分为Ⅰ型干酪根，Tmax主要介于394～482 ℃，油源岩处于成熟阶段。

2.3 储集性能非均质性特征

松辽盆地青山口组沉积期滨浅湖相页岩储集空间为基质孔和裂缝两大类，基质孔可细分为粒间孔、粒内孔、晶间孔和有机质孔。滨浅湖相纹层状黏土（质）页岩和长英质黏土（质）页岩微裂缝相对发育，微裂缝直径一般大于3.0 μm，其次为黏土矿物层间孔，孔径多小于100 nm，溶蚀孔孔径在300 nm～3.0 μm，有机孔和晶间孔孔径在80 nm～2.0 μm，基质孔约占总储集空间的10.7 %。纹层状黏土（质）页岩和长英质黏土（质）页岩孔隙度为3.0 %～8.1 %，最大可到12.0 %。长英质页岩相对致密，孔径大但数量少，孔隙体积小，孔隙度为2.5 %～6.8 %。纹层状介壳页岩孔隙小、数量少，孔隙体积小，微裂缝不发育，储集性能较差。

半深湖相页岩孔隙类型多样，纹层状黏土（质）页岩以粒间孔、溶蚀孔、粒内孔和微裂缝为主，粒间溶蚀孔径为0.1～1.0 μm，孔隙度介于5.2 %～10.5 %。而富有机质纹层状黏土（质）页岩则以有机质孔、黏土矿物晶间孔、长石粒内溶孔为主，孔隙度为6.0 %～10.6 %，孔径偏小，有机质内部呈海绵状孔隙，有机质团块内分布零星气泡状孔隙。长英（质）页岩有机质丰度不高，TOC多小于2.5 %，孔隙度为2.3 %～8.5 %，主要以粒间孔、粒内孔和晶间孔为主，占总储集空间的80 %。

深湖相页岩孔隙类型以黏土矿物层间孔、有机质孔、晶间孔、长石溶孔和介壳体腔孔为主，存在页理缝、微裂缝，滞留烃呈分散状赋存于黏土矿物-有机质复合孔、页理-层间缝、黄铁矿晶间孔等。深湖区页岩储层孔隙类型、孔缝直径等受热演化程度影响明显。Ro为1.0～1.4 %的深湖相139个页岩核磁共振测试表明，孔隙度介于1.1 %～8.8 %。同时，随着页岩有机质成熟度增高，页岩总孔隙度也可超10.0 %，有效孔隙度可达8.3 %，黏土矿物晶间孔、有机质孔以及页理缝构成储集空间主体。

3 页岩油甜点基本特征

页岩油“甜点”评价的基本原则是以寻找源岩品质佳、储层品质好、裂缝相对发育、储层脆性好、水平应力差小及盖层条件好的区域，特别是陆相页岩油甜点更是重点优选含油性、渗流性、可压性、源岩特性和物性等因素的最优匹配［29］。近年来立足鄂尔多斯盆地、四川盆地、准噶尔盆地和松辽盆地、济阳坳陷、苏北盆地、南襄盆地、江汉盆地等不同类型页岩油，提出中国陆相页岩油地质甜点评价基本标准［29-31］。但陆相不同湖盆不同相带富有机质页岩受沉积、沉积后作用和成藏过程中流体性质的影响，页岩油甜点评价标准、方法以及关键评价参数均存在差异。

松辽盆地青山口组淡水湖盆不同相带页岩生烃能力、滞留烃量、储集空间以及压裂改造效果等因素均存在非均质性，导致页岩在含油性、渗流性、可压性和产油能力等方面存在差异。因此，根据勘探开发过程中页岩油甜点评价侧重点不同，甜点段/区可划分为资源甜点，即从页岩层系滞留烃的富集程度评价，优选生烃能力强、滞留烃含量高的岩相组合，作为页岩油资源富集最为有利的地质甜点；工程甜点，即从页岩层系储层改造效果决定资源甜点能否实现效益开发的角度开展评价，优选地层条件下压裂改造最为充分的岩相组合。最终结合资源甜点与工程甜点，筛选确定开发效果最佳的主力靶层。

3.1 资源甜点

资源甜点评价的内容是滞留在页岩油内部总烃量，一般以TOC，S1（页岩内滞留烃）和氯仿“A”含量等参数表征，代表页岩油地质资源总量。在成熟度变化不大的页岩层系内S1随TOC的增大往往表现为三段性特征［30-32］，即：①低TOC、低S1段；②TOC和S1线性增大段；③TOC增大但S1最大值基本保持稳定段。前两者反映了随着生烃母质增加而生烃量增加的基本规律，此时生成烃量还难以满足页岩自身吸附的需要，故随着TOC增大，S1一般也增大，当生烃量满足页岩自身吸附时而多余的烃排出，S1最大值基本反映了页岩的吸附能力，其一般保持在稳定值范围内。

因此，对松辽盆地青山口组不同相带典型钻井页岩系统测试表明，整体呈现滨浅湖相页岩TOC和S1相对最低，深湖相页岩有机质丰度最高，半深湖相页岩数值中等。以页岩内滞留烃S1作为划分依据，资源甜点可分为3类：Ⅰ类甜点TOC大于3.0 %，S1大于4.0 mg/g；Ⅱ类甜点TOC介于1.5 %～3.0 %，S1介于1.0～4.0 mg/g；Ⅲ类甜点TOC小于1.5 %，S1小于1.0 mg/g。其中，半深湖-深湖相页岩多为Ⅰ类和Ⅱ类资源甜点，滨浅湖相页岩则集中在Ⅱ类和Ⅲ类资源甜点。同一沉积环境中不同岩相也存在较大差别，富有机质纹层状黏土（质）页岩与富有机质长英（质）页岩均为Ⅰ类资源甜点，纹层状黏土（质）页岩、纹层状介壳页岩、长英质页岩和块状泥岩多为Ⅱ类资源甜点，白云岩则为Ⅲ类资源甜点。

3.2 工程甜点

工程甜点评价是从工程角度评价页岩改造难易程度、改造后缝网复杂程度、改造后缝网支撑性、扩展性以及有效性，从岩石物理角度评价地下页岩改造有效性。脆性矿物含量越高，脆性指数越高，越容易形成裂缝，具有高杨氏模量和低泊松比，利于压裂改造［33-34］。

松辽盆地青山口组滨浅湖相页岩在研究区湖相页岩中陆源碎屑含量最高，脆性指数平均为45.8 %，半深湖相页岩脆性指数平均值为38.6 %，深湖相黏土（质）页岩平均值脆性指数为31.1 %。通常来说，石英是碎屑岩中重要的脆性矿物，石英含量越高，脆性指数越高，越容易形成裂缝［24］。青山口组湖相页岩中除陆源碎屑石英外，半深湖和深湖相还发育有部分自生硅质［21］，半深湖页岩自生硅质含量范围0.2 %～6.8 %，深湖相页岩自生硅质含量1.2 %～11 %，页岩中自生石英颗粒偏小且多呈漂浮状分散于黏土矿物内部，滨浅湖相中-低TOC页岩陆源长英质呈层状。三轴试验结果表明，在围压为10.0 MPa的实验条件下，富含黏土矿物K-1样品抗压强度为104.7 MPa，富含长英质矿物K-2样品抗压强度为74.3 MPa，K-1样品虽然有机质含量高，但抗压强度大，从工程角度来看改造难度大。

孟思炜等利用矿物组成与分布表征、数字岩心建模、微观力学测试、有限元模拟等技术手段［35］，对松辽盆地青山口组不同页岩在应力作用下变形、裂纹扩展过程进行数值仿真研究表明，单轴压缩荷载条件下，岩石破坏行为以拉破裂为主，形成平行于加载方向拉伸裂纹，但受页理缝影响，也形成垂直于加载方向的压剪裂纹；矿物的组成、分布与胶结方式对裂纹的起裂点、扩展路径和断裂失效模式具有重要影响。不同岩相类型页岩中脆性矿物含量、形态与分布特征存在差异，导致力学性能与破坏机制存在显著不同，长英质页岩及纹层状介壳页岩均可在低断裂能下产生较高裂缝复杂度（图5），纹层状黏土（质）页岩起裂强度低、但裂缝延展需很高的能量，而白云岩起裂压力和裂缝扩展能耗均很高，不利于诱导裂缝扩展。

图5 不同岩相页岩破坏过程裂缝分形维数与断裂能相关关系［35］Fig.5 Correlation between fracture fractal dimension and fracture energy during fracturing of shale with different lithofacies

4 页岩油主力靶体优选

页岩油富集主要受控于Ro，TOC以及储集性等因素，在地质甜点预测的基础上，结合工程甜点评价结果，关注页岩油流动性和可压性［30］，筛选主力靶体。松辽盆地青山口组页岩主力靶体优选主要考虑含油性、渗流性、可压性、源岩品质和物性等参数，为减少人为因素影响，采用赋权重的方法开展定量评价。①不同参数赋不同权重值（ai），由于页岩中游离油含量越高，流动性及可压裂性越好，越有利于页岩油的开采，因此在参考不同盆地页岩油甜点评价指标基础上［29-34，36-37］，将S1、可动油和脆性矿物作为优先考虑的参数，其次是对页岩油开采具有重要影响的源岩品质、岩相厚度和物性，其权重分别设为25 %，25 %，20 %，10 %，10 %，10 %；②同一参数的不同分类（vj）赋不同分值（无量纲），按照10分制，Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ类资源甜点分值分别为10分、6分和3分。S1和TOC按照资源甜点划分标准，可动油含量由核磁共振二维谱测定，按10 %和20 %进行分类，脆性矿物按20 %和40 %进行分类，岩相厚度以5 m和20 m进行分类，孔隙度以4 %和6 %进行分类，综合评价指数EI如公式（1）所示，EI表示页岩岩相不同权重的6个地质因素的总得分值。

根据评价标准进行单项打分，然后应用公式（1）将单项得分乘以相应指标的权重以计算综合评价指数的分值（表2）。整体表明，松辽盆地青山口组不同相带长英质页岩得分最高，呈现从滨浅湖到深湖相，EI得分逐渐降低趋势，特别是深湖相富有机质长英质页岩，既为资源甜点，也是工程甜点，为最佳靶体。富有机质纹层状黏土（质）页岩EI得分中等，多为资源甜点，工程改造难度大，未来如能提升压裂改造效果，则有可能成为首选靶体。介壳灰岩和白云岩EI得分最低，虽为工程甜点，非资源甜点。

表2 松辽盆地青山口组湖相不同相带页岩岩相单项指标得分与EI总得分Table 2 Statistics of the single index scores and total EI scores of the lithofacies in different facies zones of lacustrine facies in the Qingshankou Formation， Songliao Basin

5 结论

1） 松辽盆地青山口组页岩层系分为富有机质（TOC＞3.0 %）纹层状黏土（质）页岩、纹层状黏土（质）页岩、长英质页岩、纹层状介壳页岩、块状泥岩、灰岩和白云岩7种岩相。滨浅湖相以长英质页岩、纹层状介壳页岩、纹层状黏土（质）页岩和介壳灰岩为主；半深湖相以纹层状黏土（质）页岩为主，局部层位发育块状泥岩、富有机质纹层状黏土（质）页岩及白云岩；深湖相除纹层状黏土（质）页岩和块状泥岩外，还发育富有机质长英质页岩、大量薄层状粉晶白云岩和介壳灰岩。

2） 松辽盆地青山口组滨浅湖相页岩TOC和S1最低，发育溶蚀孔、晶间孔和微裂缝，半深湖相页岩有机质丰度中等，以溶蚀孔、有机质孔和黏土矿物晶间孔为主，深湖相页岩有机质丰度最高，滞留烃含量最高，储集空间类型则为黏土矿物晶间孔、有机质孔、长石粒内溶孔和介壳体腔孔、页理缝等。

3） 根据TOC和S1将青山口组页岩资源甜点划分为Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ类，半深湖-深湖相页岩多为Ⅰ类和Ⅱ类资源甜点，滨浅湖相页岩为Ⅱ类和Ⅲ类资源甜点。结合工程改造效果，不同相带长英质页岩最有利，为近期页岩型页岩油主力开发靶体。富有机质纹层状黏土（质）页岩为最佳资源甜点，但工程改造难度大，将是未来最佳靶体。

致谢：感谢黑龙江省揭榜挂帅项目“古龙页岩油相态、渗流机理及地质工程一体化增产改造研究”、“古龙页岩储层成岩动态演化过程与孔缝耦合关系研究”的资助及大庆油田院士工作站的帮助。