松遼盆地白堊系青山口組頁巖層系非均質地質特征與頁巖油甜點評價

白斌，戴朝成，侯秀林，楊亮，王瑞，王嵐，孟思煒，董若婧，劉羽汐

（1. 中國石油 勘探開發研究院，北京 100083；2.多資源協同陸相頁巖油綠色開采全國重點實驗室，黑龍江 大慶 163453；3. 東華理工大學 地球科學學院，江西 南昌 330000；4. 中國石油 吉林油田公司 勘探開發研究院，吉林 松原 138099；5. 中國石油 大慶油田公司，黑龍江 大慶 163453）

頁巖油作為重要的油氣接替資源，已在北美Williston盆地Bakken組、Western Gulf盆地Eagle Ford組等頁巖中實現規模效益開發，助推美國能源獨立［1-3］。截至2022年底，中國鄂爾多斯、準噶爾與渤海灣等盆地積極開展頁巖油勘探開發，主要圍繞頁巖層系內粉砂巖、碳酸鹽巖、混積巖等非主力生烴源巖，探明地質儲量14.07×108t，年產量超300×104t，展現出良好的勘探開發潛力［4-8］。特別是在松遼盆地白堊系青山口組古龍深湖相純頁巖鉆探GYYP1井初試日產油最高30.5 t、日產氣13032 m3，取得歷史性戰略突破，目前見油后已生產855 d，累產油氣當量1.37×104t［9］，不僅預示陸相湖盆生烴頁巖具備形成工業油氣的基礎，也表明陸相湖盆頁巖將成為未來頁巖油勘探開發重要類型。

然而，陸相湖盆頁巖受水動力、成巖作用和成藏過程中流體性質等因素影響，湖盆不同相帶頁巖礦物成分、巖相、生烴能力及儲集性能等富集地質條件差異明顯［10-11］，直接決定頁巖油富烴甜點段/區與最佳改造效果的工程甜點段/區存在差異［12-17］。因此，亟需開展基于陸相湖盆不同相帶頁巖地質特征非均質性研究，分類評價頁巖滯留烴、賦存狀態和改造潛力，查明湖盆不同相帶頁巖油甜點特征，為實現頁巖油地質-工程一體化效益開發奠定基礎［18-20］。

1 松遼盆地青山口組沉積環境

松遼盆地位于中國東北地區，是白堊紀亞洲古陸上最大的湖盆，面積約26×104km2，為典型的陸相斷陷-坳陷疊合盆地（圖1）［21］，具有先斷后拗的雙層結構。其中，松遼盆地中央坳陷區是盆地發展過程中沉降占優勢的大型負向構造單元，包括齊家-古龍凹陷、大慶長垣和三肇凹陷等二級構造單元［22-24］，長期為盆地沉降和沉積中心，是黑色頁巖乃至頁巖油的主要分布范圍，富有機質頁巖層系厚度為90～270 m，面積在3×104km2以上，有機質豐度高，成熟度適中，且地層超壓，利于頁巖油的形成與富集。

圖1 松遼盆地青山口組沉積相（a）及典型地層柱狀圖（b）［21］Fig. 1 Sedimentary facies （a） and typical stratigraphic column （b） of the Qingshankou Formation， Songliao Basin［21］

松遼盆地白堊系青山口組和嫩江組沉積期發育兩期最大的湖泛，廣泛發育厚層富有機質暗色泥頁巖。其中，青山口組泥頁巖有機質豐度更高，在中央坳陷區基本進入成熟-高成熟演化階段，是中、淺部含油氣組合的主力供烴巖系及頁巖油賦存層系［22］，巖性以厚層頁巖夾薄層粉砂巖、白云巖及介殼灰巖為特征，反映了半深湖-深湖的沉積環境。

2 湖盆不同相帶頁巖地質非均質性

陸相湖盆不同相帶頁巖礦物成分、沉積構造、有機質豐度、巖相組合等均具極強非均質性［25］。頁巖紋層厚度存在極薄紋層（＜3 mm）、薄紋層（3 mm～1 cm）、中紋層（1～3 cm）到厚紋層（3～10 cm）［26-27］，成分呈現長英質紋層、黏土紋層和碳酸鹽礦物紋層多種類型［28］。因此，本文立足盆地不同部位鉆井巖心資料，識別青山口組濱淺湖、半深湖與深湖相頁巖特征，依據礦物組成、紋層厚度和沉積構造，將湖相頁巖層系劃分為紋層狀黏土（質）頁巖（LS）、長英（質）頁巖（SLS）、紋層狀介殼頁巖（CLS）、塊狀泥巖（LM）、灰巖（LS）和白云巖（DS）6種巖相。紋層狀黏土（質）頁巖有機碳豐度變化大，以總有機碳含量（TOC）3 %為界，再分出富有機質紋層狀黏土（質）頁巖（HLS）和紋層狀黏土（質）頁巖（MLS）（表1；圖2）。

表1 松遼盆地青山口組湖相頁巖層系巖相類型分類Table 1 Lithofacies type classification of lacustrine shale in Qingshankou Formation， Songliao Basin

圖2 松遼盆地青山口組頁巖層系巖相地質特征Fig.2 Lithofacies geological features of the Qingshankou Formation shale sequence， Songliao Basin

2.1 巖性和巖相非均質性特征

松遼盆地青山口組沉積期的濱淺湖相沉積水動力相對較強，沉積構造發育水平層理、砂紋交錯層理和液化砂巖脈等，總體反映出水體較為動蕩特征，頁巖具高長英質、低黏土礦物含量特點，石英含量為15.40 %～50.00 %，平均為29.60 %，長石含量為7.50 %～28.80 %，平均為13.70 %，黏土礦物含量為8.80 %～69.10 %，平均為51.10 %。巖性發育有泥頁巖、粉砂巖與鈣質泥巖等。巖相以長英質頁巖、紋層狀介殼頁巖、紋層狀黏土頁巖和介殼灰巖為主，長英質頁巖有機質含量大多小于3.0 %，以粉砂質頁巖為主，夾淺灰色或灰白色的粉砂巖，脈狀和軟沉積變形構造發育，在薄片下該紋層在單偏光下顏色較淺，呈粉砂級-泥質粉砂碎屑結構，可見少量分散狀分布的有機質，顆粒整體上分選中等-好，磨圓度呈次棱角狀，單個紋層厚度在0.4～1.5 mm。黏土礦物含量平均為33.67 %，石英和長石含量平均為51.55 %，以石英顆粒為主，TOC介于1.00 %～3.00 %，平均為1.45 %，該巖相一般分布層位為青（青山口組）一段上部、青二段和青三段；紋層狀介殼頁巖具混合沉積特征，表現為紋層狀頁巖夾薄層介殼生物層和粉砂質，紋層狀頁巖和介殼生物層界限明顯，該巖相中介殼生物和介殼灰巖層生物相比，生物呈碎片狀定向排列，基本沒有完整生物個體，粉砂級石英顆粒與生物碎片混雜在一起，而介殼灰巖層生物個體完整，石英則以成巖自生硅質為主，紋層狀介殼頁巖以介形蟲化石富集成層，TOC平均為1.60 %。該巖相分布層位主要為青二段和青三段。

半深湖相沉積水動力相對較弱，沉積構造以水平層理和塊狀層理為主，軟沉積變形與濱淺湖相相比基本不發育，頁巖中石英含量為2.30 %～21.80 %，平均為7.60 %，長石含量為1.60 %～13.20 %，平均為3.80 %，黏土礦物含量為55.30 %～79.40 %，平均為69.50 %。巖性為泥頁巖和粉砂質泥巖及含介殼泥頁巖等。巖相以紋層狀黏土（質）頁巖和塊狀泥巖為主（圖3），局部層位發育塊狀泥巖和富有機質紋層狀黏土（質）頁巖。紋層狀黏土（質）頁巖有機質含量略低，普遍低于3.0 %，呈灰色或深灰色，有機質紋層厚度小于1 mm，層中生物擾動和生物鉆孔發育，該巖相主要形成于季節性懸浮和底流作用交替沉積的靜水環境，縱向上分布于頁巖層系中部。塊狀泥巖為純黑色，質地細膩，油脂感較明顯，堅韌不易破碎，較致密，頁理不發育，均質性較好，粉砂及介殼的紋層少。鏡下觀察巖石粒級非常小，礦物成分以黏土礦物為主，有機質含量變化大，主要形成于半深湖的靜水環境。該巖相在縱向上主要分布于青一段和青二段。

深湖相沉積期水體安靜，沉積速率低，沉積構造以水平層理和塊狀層理為主，巖性與濱淺湖和半深湖相巖性存在差別。深湖相除富有機質紋層狀黏土（質）頁巖和塊狀泥巖外，還發育大量薄層狀粉晶白云巖和介殼灰巖（圖4）。同時，在頁巖成熟度偏高（鏡質體反射率Ro=1.67 %）的古龍凹陷，發育規模富有機質長英（質）頁巖，TOC可達4.6 %。其中，富有機質紋層狀黏土（質）頁巖顏色為灰黑-黑色，巖心頁理發育，紋層厚度小于1 mm，膠磷礦和草莓狀黃鐵礦常見，黏土礦物含量介于25.10 %～79.05 %，石英和長石總含量為16.34 %～59.28 %，TOC多大于3.0 %，該巖相在縱向上主要分布于青一段。白云巖相顏色為灰黑色，質地堅硬細膩，有半透明感，外形為透鏡狀和夾層狀，白云巖由淺色紋層和暗色紋層（富含有機質）構成，淺色和暗色紋層均呈穹形。礦物成分主要為鐵白云石，含量在90 %以上，白云石為半自形-自形粉晶結構，晶粒大小在0.01～0.03 mm，晶體間呈直線狀緊密接觸，部分白云石具環帶。該類巖相主要分布在青一段中、上部和青二段下部。介殼灰巖則顏色變化較大，有黑色、灰黑色、灰-深灰色以及灰白色，隱晶質結構，介殼結構明顯，介形蟲軟體和介殼經過長期的碳酸鹽膠結形成生物介殼灰巖。

2.2 有機地球化學非均質性特征

松遼盆地青山口組沉積期濱淺湖相頁巖TOC為0.12～3.14 %，平均為1.17 %，生烴潛量（S1+S2）介于0.14～15.99 mg/g，平均為4.52 mg/g，氯仿瀝青“A”含量介于0.014 %～0.303 %，平均為0.116 %，整體為中等-好烴源巖。氫指數（HI）與最高熱解峰溫（Tmax）關系顯示，濱淺湖相頁巖有機質類型以ⅡA型和ⅡB型為主，Tmax主要介于412～446 ℃，油源巖處于低成熟-成熟階段。

半深湖相頁巖TOC為0.26～5.00 %，平均為1.92 %，S1+S2介于0.34～18.34 mg/g，平均為9.06 mg/g，整體為中等-好烴源巖。頁巖地球化學品質介于濱淺湖相和深湖相頁巖之間。HI-Tmax關系顯示，半深湖相頁巖有機質類型以ⅡA型和ⅡB型為主，少數樣品為Ⅰ型干酪根，Tmax主要介于400～470 ℃，油源巖處于中低成熟-成熟階段。

深湖相頁巖TOC為0.17 %～5.21 %，平均為2.95 %，S1+S2介于0.09～32.81 mg/g，平均為12.17 mg/g，與濱淺湖相和半深湖相相比，深湖相TOC和S1+S2為湖相頁巖中數值最高的。HI-Tmax關系顯示，青山口組深湖相頁巖有機質類型以ⅡA型和ⅡB型為主，部分為Ⅰ型干酪根，Tmax主要介于394～482 ℃，油源巖處于成熟階段。

2.3 儲集性能非均質性特征

松遼盆地青山口組沉積期濱淺湖相頁巖儲集空間為基質孔和裂縫兩大類，基質孔可細分為粒間孔、粒內孔、晶間孔和有機質孔。濱淺湖相紋層狀黏土（質）頁巖和長英質黏土（質）頁巖微裂縫相對發育，微裂縫直徑一般大于3.0 μm，其次為黏土礦物層間孔，孔徑多小于100 nm，溶蝕孔孔徑在300 nm～3.0 μm，有機孔和晶間孔孔徑在80 nm～2.0 μm，基質孔約占總儲集空間的10.7 %。紋層狀黏土（質）頁巖和長英質黏土（質）頁巖孔隙度為3.0 %～8.1 %，最大可到12.0 %。長英質頁巖相對致密，孔徑大但數量少，孔隙體積小，孔隙度為2.5 %～6.8 %。紋層狀介殼頁巖孔隙小、數量少，孔隙體積小，微裂縫不發育，儲集性能較差。

半深湖相頁巖孔隙類型多樣，紋層狀黏土（質）頁巖以粒間孔、溶蝕孔、粒內孔和微裂縫為主，粒間溶蝕孔徑為0.1～1.0 μm，孔隙度介于5.2 %～10.5 %。而富有機質紋層狀黏土（質）頁巖則以有機質孔、黏土礦物晶間孔、長石粒內溶孔為主，孔隙度為6.0 %～10.6 %，孔徑偏小，有機質內部呈海綿狀孔隙，有機質團塊內分布零星氣泡狀孔隙。長英（質）頁巖有機質豐度不高，TOC多小于2.5 %，孔隙度為2.3 %～8.5 %，主要以粒間孔、粒內孔和晶間孔為主，占總儲集空間的80 %。

深湖相頁巖孔隙類型以黏土礦物層間孔、有機質孔、晶間孔、長石溶孔和介殼體腔孔為主，存在頁理縫、微裂縫，滯留烴呈分散狀賦存于黏土礦物-有機質復合孔、頁理-層間縫、黃鐵礦晶間孔等。深湖區頁巖儲層孔隙類型、孔縫直徑等受熱演化程度影響明顯。Ro為1.0～1.4 %的深湖相139個頁巖核磁共振測試表明，孔隙度介于1.1 %～8.8 %。同時，隨著頁巖有機質成熟度增高，頁巖總孔隙度也可超10.0 %，有效孔隙度可達8.3 %，黏土礦物晶間孔、有機質孔以及頁理縫構成儲集空間主體。

3 頁巖油甜點基本特征

頁巖油“甜點”評價的基本原則是以尋找源巖品質佳、儲層品質好、裂縫相對發育、儲層脆性好、水平應力差小及蓋層條件好的區域，特別是陸相頁巖油甜點更是重點優選含油性、滲流性、可壓性、源巖特性和物性等因素的最優匹配［29］。近年來立足鄂爾多斯盆地、四川盆地、準噶爾盆地和松遼盆地、濟陽坳陷、蘇北盆地、南襄盆地、江漢盆地等不同類型頁巖油，提出中國陸相頁巖油地質甜點評價基本標準［29-31］。但陸相不同湖盆不同相帶富有機質頁巖受沉積、沉積后作用和成藏過程中流體性質的影響，頁巖油甜點評價標準、方法以及關鍵評價參數均存在差異。

松遼盆地青山口組淡水湖盆不同相帶頁巖生烴能力、滯留烴量、儲集空間以及壓裂改造效果等因素均存在非均質性，導致頁巖在含油性、滲流性、可壓性和產油能力等方面存在差異。因此，根據勘探開發過程中頁巖油甜點評價側重點不同，甜點段/區可劃分為資源甜點，即從頁巖層系滯留烴的富集程度評價，優選生烴能力強、滯留烴含量高的巖相組合，作為頁巖油資源富集最為有利的地質甜點；工程甜點，即從頁巖層系儲層改造效果決定資源甜點能否實現效益開發的角度開展評價，優選地層條件下壓裂改造最為充分的巖相組合。最終結合資源甜點與工程甜點，篩選確定開發效果最佳的主力靶層。

3.1 資源甜點

資源甜點評價的內容是滯留在頁巖油內部總烴量，一般以TOC，S1（頁巖內滯留烴）和氯仿“A”含量等參數表征，代表頁巖油地質資源總量。在成熟度變化不大的頁巖層系內S1隨TOC的增大往往表現為三段性特征［30-32］，即：①低TOC、低S1段；②TOC和S1線性增大段；③TOC增大但S1最大值基本保持穩定段。前兩者反映了隨著生烴母質增加而生烴量增加的基本規律，此時生成烴量還難以滿足頁巖自身吸附的需要，故隨著TOC增大，S1一般也增大，當生烴量滿足頁巖自身吸附時而多余的烴排出，S1最大值基本反映了頁巖的吸附能力，其一般保持在穩定值范圍內。

因此，對松遼盆地青山口組不同相帶典型鉆井頁巖系統測試表明，整體呈現濱淺湖相頁巖TOC和S1相對最低，深湖相頁巖有機質豐度最高，半深湖相頁巖數值中等。以頁巖內滯留烴S1作為劃分依據，資源甜點可分為3類：Ⅰ類甜點TOC大于3.0 %，S1大于4.0 mg/g；Ⅱ類甜點TOC介于1.5 %～3.0 %，S1介于1.0～4.0 mg/g；Ⅲ類甜點TOC小于1.5 %，S1小于1.0 mg/g。其中，半深湖-深湖相頁巖多為Ⅰ類和Ⅱ類資源甜點，濱淺湖相頁巖則集中在Ⅱ類和Ⅲ類資源甜點。同一沉積環境中不同巖相也存在較大差別，富有機質紋層狀黏土（質）頁巖與富有機質長英（質）頁巖均為Ⅰ類資源甜點，紋層狀黏土（質）頁巖、紋層狀介殼頁巖、長英質頁巖和塊狀泥巖多為Ⅱ類資源甜點，白云巖則為Ⅲ類資源甜點。

3.2 工程甜點

工程甜點評價是從工程角度評價頁巖改造難易程度、改造后縫網復雜程度、改造后縫網支撐性、擴展性以及有效性，從巖石物理角度評價地下頁巖改造有效性。脆性礦物含量越高，脆性指數越高，越容易形成裂縫，具有高楊氏模量和低泊松比，利于壓裂改造［33-34］。

松遼盆地青山口組濱淺湖相頁巖在研究區湖相頁巖中陸源碎屑含量最高，脆性指數平均為45.8 %，半深湖相頁巖脆性指數平均值為38.6 %，深湖相黏土（質）頁巖平均值脆性指數為31.1 %。通常來說，石英是碎屑巖中重要的脆性礦物，石英含量越高，脆性指數越高，越容易形成裂縫［24］。青山口組湖相頁巖中除陸源碎屑石英外，半深湖和深湖相還發育有部分自生硅質［21］，半深湖頁巖自生硅質含量范圍0.2 %～6.8 %，深湖相頁巖自生硅質含量1.2 %～11 %，頁巖中自生石英顆粒偏小且多呈漂浮狀分散于黏土礦物內部，濱淺湖相中-低TOC頁巖陸源長英質呈層狀。三軸試驗結果表明，在圍壓為10.0 MPa的實驗條件下，富含黏土礦物K-1樣品抗壓強度為104.7 MPa，富含長英質礦物K-2樣品抗壓強度為74.3 MPa，K-1樣品雖然有機質含量高，但抗壓強度大，從工程角度來看改造難度大。

孟思煒等利用礦物組成與分布表征、數字巖心建模、微觀力學測試、有限元模擬等技術手段［35］，對松遼盆地青山口組不同頁巖在應力作用下變形、裂紋擴展過程進行數值仿真研究表明，單軸壓縮荷載條件下，巖石破壞行為以拉破裂為主，形成平行于加載方向拉伸裂紋，但受頁理縫影響，也形成垂直于加載方向的壓剪裂紋；礦物的組成、分布與膠結方式對裂紋的起裂點、擴展路徑和斷裂失效模式具有重要影響。不同巖相類型頁巖中脆性礦物含量、形態與分布特征存在差異，導致力學性能與破壞機制存在顯著不同，長英質頁巖及紋層狀介殼頁巖均可在低斷裂能下產生較高裂縫復雜度（圖5），紋層狀黏土（質）頁巖起裂強度低、但裂縫延展需很高的能量，而白云巖起裂壓力和裂縫擴展能耗均很高，不利于誘導裂縫擴展。

圖5 不同巖相頁巖破壞過程裂縫分形維數與斷裂能相關關系［35］Fig.5 Correlation between fracture fractal dimension and fracture energy during fracturing of shale with different lithofacies

4 頁巖油主力靶體優選

頁巖油富集主要受控于Ro，TOC以及儲集性等因素，在地質甜點預測的基礎上，結合工程甜點評價結果，關注頁巖油流動性和可壓性［30］，篩選主力靶體。松遼盆地青山口組頁巖主力靶體優選主要考慮含油性、滲流性、可壓性、源巖品質和物性等參數，為減少人為因素影響，采用賦權重的方法開展定量評價。①不同參數賦不同權重值（ai），由于頁巖中游離油含量越高，流動性及可壓裂性越好，越有利于頁巖油的開采，因此在參考不同盆地頁巖油甜點評價指標基礎上［29-34，36-37］，將S1、可動油和脆性礦物作為優先考慮的參數，其次是對頁巖油開采具有重要影響的源巖品質、巖相厚度和物性，其權重分別設為25 %，25 %，20 %，10 %，10 %，10 %；②同一參數的不同分類（vj）賦不同分值（無量綱），按照10分制，Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ類資源甜點分值分別為10分、6分和3分。S1和TOC按照資源甜點劃分標準，可動油含量由核磁共振二維譜測定，按10 %和20 %進行分類，脆性礦物按20 %和40 %進行分類，巖相厚度以5 m和20 m進行分類，孔隙度以4 %和6 %進行分類，綜合評價指數EI如公式（1）所示，EI表示頁巖巖相不同權重的6個地質因素的總得分值。

根據評價標準進行單項打分，然后應用公式（1）將單項得分乘以相應指標的權重以計算綜合評價指數的分值（表2）。整體表明，松遼盆地青山口組不同相帶長英質頁巖得分最高，呈現從濱淺湖到深湖相，EI得分逐漸降低趨勢，特別是深湖相富有機質長英質頁巖，既為資源甜點，也是工程甜點，為最佳靶體。富有機質紋層狀黏土（質）頁巖EI得分中等，多為資源甜點，工程改造難度大，未來如能提升壓裂改造效果，則有可能成為首選靶體。介殼灰巖和白云巖EI得分最低，雖為工程甜點，非資源甜點。

表2 松遼盆地青山口組湖相不同相帶頁巖巖相單項指標得分與EI總得分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 結論

1） 松遼盆地青山口組頁巖層系分為富有機質（TOC＞3.0 %）紋層狀黏土（質）頁巖、紋層狀黏土（質）頁巖、長英質頁巖、紋層狀介殼頁巖、塊狀泥巖、灰巖和白云巖7種巖相。濱淺湖相以長英質頁巖、紋層狀介殼頁巖、紋層狀黏土（質）頁巖和介殼灰巖為主；半深湖相以紋層狀黏土（質）頁巖為主，局部層位發育塊狀泥巖、富有機質紋層狀黏土（質）頁巖及白云巖；深湖相除紋層狀黏土（質）頁巖和塊狀泥巖外，還發育富有機質長英質頁巖、大量薄層狀粉晶白云巖和介殼灰巖。

2） 松遼盆地青山口組濱淺湖相頁巖TOC和S1最低，發育溶蝕孔、晶間孔和微裂縫，半深湖相頁巖有機質豐度中等，以溶蝕孔、有機質孔和黏土礦物晶間孔為主，深湖相頁巖有機質豐度最高，滯留烴含量最高，儲集空間類型則為黏土礦物晶間孔、有機質孔、長石粒內溶孔和介殼體腔孔、頁理縫等。

3） 根據TOC和S1將青山口組頁巖資源甜點劃分為Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ類，半深湖-深湖相頁巖多為Ⅰ類和Ⅱ類資源甜點，濱淺湖相頁巖為Ⅱ類和Ⅲ類資源甜點。結合工程改造效果，不同相帶長英質頁巖最有利，為近期頁巖型頁巖油主力開發靶體。富有機質紋層狀黏土（質）頁巖為最佳資源甜點，但工程改造難度大，將是未來最佳靶體。

致謝：感謝黑龍江省揭榜掛帥項目“古龍頁巖油相態、滲流機理及地質工程一體化增產改造研究”、“古龍頁巖儲層成巖動態演化過程與孔縫耦合關系研究”的資助及大慶油田院士工作站的幫助。