陸相頁巖油富集機理探討

郭旭升，馬曉瀟，黎茂穩，錢門輝，胡宗全

（1.頁巖油氣富集機理與高效開發全國重點實驗室，北京 102206；2.中國石化 石油勘探開發研究院，北京 102206）

根據國內外權威機構預測，到2040年油氣在全球一次能源中的占比仍將維持在50 %以上［1］。隨著地質認識進步和技術水平的提高，油氣勘探開發對象經歷了構造、地層和巖性圈閉向致密油氣、頁巖油氣的轉變。頁巖油氣儲層源-儲一體、各向異性顯著、巖性致密，油氣以游離、與干酪根互溶或吸附等方式賦存于基質孔隙、微裂縫及非烴源巖薄夾層中，往往需要壓裂改造才能實現規模經濟開采［2］。本文所述“頁巖油”是指富有機質泥頁巖層系內的石油聚集，而不是純頁巖中的石油。美國能源信息署（EIA，2022）［3］數據顯示，全球頁巖油氣可采資源量與常規油氣待發現規模基本相當。以美國為代表的頁巖革命，實現了油氣勘探目標從圈閉到大面積連續性區帶和“甜點”的認識轉變，長水平井分段壓裂推動了商業生產，井工廠生產模式大幅度降低了勘探開發成本，技術持續迭代提高了勘探開發效率。頁巖油氣突破使美國在2017年和2020年分別實現了天然氣和原油由進口國向凈出口國的轉變，改變了世界能源的格局。

中國頁巖油氣資源豐富。通過持續探索與攻關，中國頁巖氣勘探率先在南方海相頁巖層系取得突破，發現了涪陵頁巖大氣田。頁巖油勘探目前在6個盆地、多個洼陷和層系獲得重大戰略突破［4-15］。先后啟動了新疆吉木薩爾、大慶古龍和勝利濟陽3個國家級頁巖油產能示范區建設。盡管2022年中國331.5×104t的頁巖油產量中可能包括了部分致密油，但陸相頁巖油在保障中國原油穩產在2×108t年產量的作用是毋庸置疑的。與海相頁巖比較，中國陸相富有機質頁巖層系礦物組成、平面連續性和熱演化程度變化大，非均質性強，給頁巖油氣資源評價、儲層表征和“甜點”優選帶來一系列的挑戰性，陸相頁巖油富集理論體系尚未形成。基于不同盆地中頁巖層系基本特征的差異性，人們對于能否建立統一的陸相頁巖油富集模式，也還沒有形成共識。因此，需要加強海、陸相頁巖層系之間以及不同類型陸相頁巖層系之間的對比研究，明確不同構造沉降和古氣候變化條件制約下的陸相湖盆沉積環境-生物協同演化機制、優質烴源巖發育模式、成巖成儲成烴動態演化和頁巖油富集機理，為頁巖油“甜點”優選和適應性工程工藝技術研發奠定基礎。本文通過對中國陸相湖盆富有機質頁巖形成環境、巖相組合類型和有利儲集空間的對比分析，探討陸相頁巖油富集機理與成因模式。

1 不同湖盆類型富有機質頁巖發育條件的差異性

穩定寬緩的構造背景、大面積分布的優質烴源巖和致密頂底板、高峰生油期、合適的源-儲耦合配置和裂縫發育程度，對北美海相頁巖油規模富集至關重要［2，16-19］。由于陸相盆地沉積范圍小、時空變化大，湖盆充填更易受物源、氣候和水動力條件等控制，湖相頁巖層系的沉積非均質性更強［20-22］。陸相湖泊沉積體系通常形成于坳陷湖盆、裂陷湖盆、走滑湖盆和前陸湖盆。取決于盆地性質和發育的階段，盆地規模、斷裂發育和沉積非均質性變化很大。

中國陸相沉積盆地從晚古生代開始有所發育，主要發育期是中生代—新生代。縱向上，多旋回疊置、殘留疊置與單旋回盆地演化發展呈現出顯著的差異性。平面上，具有拉張走滑、裂陷、克拉通、陸內凹陷和前陸等多種類型，并且呈現出東西、南北的差異性［23］。因此，不同盆地陸相頁巖油分布面積和主力層系顯示出巨大的差異性［24］。

陸相富有機質泥頁巖主要發育在半深湖-深湖相區［7，10，25］（圖1），具有合適的生物產率、氧化-還原環境和陸源輸入等要素組合［26］。大型陸相坳陷盆地一般都發育面積較大的半深湖沉積，包括浪基面以下形成的灰色和暗色塊狀泥巖或水平層理頁巖，以及具有波狀層理和斷續波狀層理的薄層泥質粉砂巖及粉砂質泥巖。斷陷盆地深湖沉積較為發育，以暗色泥巖為主。深湖沉積體系受沉積物源和地質事件的影響，通常還會見到近岸水下扇、滑塌濁積扇、重力流水道和湖相風暴流沉積等［23］。

圖1 3個代表盆地主要泥頁巖層系沉積相分布（根據文獻［7，10，25］修編）Fig.1 Maps showing the sedimentary facies distribution of primary argillaceous shale strata in the three typical Chinese basins selected（modified after references ［7，10，25］）

以鄂爾多斯盆地和松遼盆地為典型代表的陸相坳陷湖盆，主要發育淡水沉積體系。在晚三疊世延長組7段（長7段）沉積期鄂爾多斯盆地處于最大湖泛期，半深湖-深湖區面積達6.5×104km2，發育了一套以富有機質黑色頁巖和暗色泥巖為主的烴源巖［27-30］。黑色頁巖在湖中厚度為10～35 m，平均為20 m，總有機碳含量（TOC）在6.0 %～16.0 %，平均為13.8 %。暗色泥巖厚度多為10～50 m，平均為25 m，TOC為2.0 %～6.0 %，平均為3.8 %［31］。青山口組和嫩江組半深湖-深湖相厚層狀暗色泥頁巖是松遼盆地坳陷層系的主力烴源巖。青山口組沉積期古氣候溫暖潮濕，發育大型富營養淡水湖泊，深部熱流體活躍，有利于沉積有機質富集，TOC普遍大于2.0 %［10］。

準噶爾盆地二疊系和中國東部古近系發育不同構造演化背景下的咸化湖泊沉積體系。例如準噶爾盆地西北部瑪湖凹陷在早二疊世風城組沉積期，季節性的潮濕環境與干旱環境交替出現，湖水的咸化程度較高，形成了一套厚達500～1 580 m的扇三角洲-淺水湖泊沉積體系，為源-儲一體的堿湖相頁巖油氣成藏體系奠定了基礎［32-33］。吉木薩爾凹陷為一個中二疊世的前陸型箕狀凹陷，在陸內裂谷背景下形成了蘆草溝組半深湖-深湖相咸化湖盆細粒混合沉積，TOC平均為4.6 %［34］，并且受到了火山噴發作用及熱液活動的影響［35-36］。

渤海灣盆地古近紀孔店組沉積期在滄東、晉縣等斷陷湖盆發育了以孔店組二段（孔二段）為代表的半深水-深水咸化湖盆富有機質紋層狀細粒沉積體系，縱向厚度可達400 m。古近紀沙河街組沉積期為濟陽坳陷的主要斷陷期，泥頁巖沉積厚度較大，一般為300～1 500 m，而且分布范圍廣，厚度大于50 m 的面積超過7 300 km2。其中，沙河街組四段（沙四）上亞段—沙河街組三段下亞段為半深湖-深湖相沉積，沉積水體環境由下至上逐漸淡化，細粒沉積中碳酸鹽礦物含量高（平均為48.6 %）［5，37-38］。受斷裂活動的影響，斷陷期泥頁巖地層厚度和礦物組成空間非均質性強。

因此，盡管陸相富有機質泥頁巖多發育在半深湖-深湖相區，但不同盆地陸相頁巖發育的地質條件和主控因素存在顯著的差異性，進而導致陸相頁巖層系在平面和縱向上的強非均質性。

2 巖相組合類型對富有機質頁巖源-儲耦合關系的控制

巖相和巖相組合是油氣系統中源-儲耦合關系研究的基礎［39-45］。北美海相頁巖油儲層多為碳酸鹽巖紋層［46］或夾層［47-48］，而規模頁巖氣產層主要為長英質-黏土質頁巖巖相組合［49-50］。中國陸相頁巖層系詳細的全巖礦物分析結果顯示，大型淡水湖盆形成的細粒巖相組合以長英質-黏土質頁巖（或粉-細砂巖）為主，而陸相咸化湖盆往往有利于富碳酸鹽質頁巖巖相組合發育（圖2）［24］。因此，鄂爾多斯盆地延長組和松遼盆地古龍凹陷青山口組半深湖-深湖相以砂泥巖體系為主，而準噶爾盆地蘆草溝組和渤海灣盆地濟陽坳陷沙河街組富有機質細粒沉積往往富含碳酸鹽巖礦物。

圖2 中國主要陸相烴源巖層系全巖礦物組成包絡線［24］Fig.2 Envelopes outlining the whole-rock mineral compositions of the representative lacustrine source rock sequences in Chinese sedimentary basins［24］

受物源和古地貌控制，陸相湖盆深湖-半深湖沉積巖相組合平面上通常呈環帶狀分布。在松遼盆地和鄂爾多斯盆地，富有機質頁巖層系巖相的平面分布明顯受到沉積物源的影響，青山口組不同亞段陸源碎屑主要來自盆地北部，而延長組則具有多個物源方向。如圖3所示，東營凹陷碳酸鹽紋層狀巖相分布在洼陷中心和緩坡帶，長英質巖相分布在靠近物源的盆緣部位，湖侵期長英質頁巖分布范圍較廣；在緩坡帶，從盆緣向盆內依次發育外源沉積為主的含有機質灰質泥巖相、混源沉積的富有機質紋層灰質泥巖相，以及內源沉積為主的富機質紋層/層狀灰質泥巖相和混源富機質紋層/層狀灰質泥巖相；而靠近陡坡帶，外源濁積砂發育，向內發育含有機質塊狀灰質泥巖相。因此，富有機質頁巖巖相組合類型決定了陸相頁巖層系的源-儲耦合方式和油氣分布特征，進而影響頁巖油的開發方式和工程工藝技術（表1）。

表1 中國陸相富有機質頁巖巖相組合類型及源-儲耦合特征Table 1 Lithofacies assemblage types and source-reservoir coupling characteristics of the organic-rich shales in the Chinese lacustrine basins

圖3 濟陽坳陷東營凹陷沙三下亞段富有機質頁巖沉積巖相空間分布模式（引自文獻［5］）Fig.3 Lithofacies variation of the organic-rich shales in the lower submember of the 3rd member of the Shahejie Formation（Es3l section），Dongying Sag，Jiyang Depression（cited from reference ［5］）

2.1 互層/夾層型陸相頁巖層系

互層/夾層型頁巖層系以鄂爾多斯中三疊統延長組7 段（長7 段）為代表，具有源-儲分離、近源運移的特點，薄層砂巖或灰巖有利儲集層近源捕獲石油形成甜點。在油氣地質評價中，人們一般用TOC高低確定烴源巖品質，用熱解S1含量表征地層的含油氣性，用S1/TOC比值表征地層中烴類的可動性。因此，通過TOC，S1和S1/TOC參數的縱向疊置關系，可以大致確定富有機質頁巖層系的源-儲耦合關系。如圖4a 所示，長7段細粒沉積礦物組成以長英質-黏土質為主，盆地中心部位富有機質頁巖層系目前處于大量生油階段。如圖4b 所示，長71和長72亞段主要發育與粉-細砂巖呈夾層或者互層、TOC相對較低的暗色泥巖，縱向上高熱解S1和S1/TOC比值層段與TOC相對高值段存在錯位，指示近源油氣運移。慶城油田的主力產層為長71和長72亞段的半深湖-深湖泥頁巖夾薄層砂巖重力流沉積，為近源油氣富集。在志靖—安塞地區新安邊油田，主力產層為三角洲前緣泥巖夾厚層砂巖沉積，油氣既可以來源于鄰層中成熟烴源巖，也可來源于一定距離的側向運移［51］。

圖4 鄂爾多斯盆地長7段：基于礦物組成的泥頁巖巖相/有機相分類（a）和典型井地層綜合柱狀圖（b）Fig.4 Data of the 7th member of the Yanchang Formation（T3yc7 section）in the Ordos Basin：lithofacies/organofacies classification for shales in terms of mineral composition（a）and composite stratigraphic column of a typical borehole（b）

2.2 長英質-黏土質型陸相頁巖層系

鄂爾多斯盆地長73亞段的長英質-黏土質黑色頁巖TOC可以達到20 %以上，熱解S1普遍較高，但S1和TOC在縱向上有一定程度的錯位關系（圖4b），指示黑色頁巖中生成的烴類發生了初次運移，在粉砂巖地層中富集成藏，而頁巖滯留烴主要賦存于較為致密的納米-微米級孔隙中。迄今為止，長73黑色頁巖段只在部分薄層粉-細砂巖段獲得了工業油流，但在處于主要生油窗內的長英質-黏土質黑色頁巖層段的頁巖油勘探尚未取得規模突破。

與此不同，古龍凹陷青山口組一段（青一段）和四川盆地中-下侏羅統在高-過成熟長英質-黏土質頁巖層系取得了頁巖油氣勘探突破。這些頁巖整體含油、源-儲一體，高TOC、高演化、地層超壓、發育層理縫等特征控制了油氣原位富集。如圖5a 所示，青一段黑色頁巖中黏土礦物含量高達35 %～45 %，其中伊利石占黏土礦物含量的50 %～75 %，有機黏土凝聚體為有機質保存奠定了物質基礎［52］。如圖5b所示，青一段鏡質體反射率（Ro）分布范圍在0.75 %～1.70 %［53］。生油高峰階段部分烴類在有機質收縮孔和黏土礦物中原位富集，并在高-過成熟階段，由于熱裂解轉化為輕質油-凝析油氣，同時形成大量納米孔隙，孔徑為10～50 nm［54］。因此，青一段頁巖中游離烴/滯留烴比例和地層壓力系數在高-過成熟階段顯著增加，展示出典型的長英-黏土質型頁巖油儲層特征。

圖5 松遼盆地古龍凹陷青一段泥頁巖巖相/有機相分類（a）和典型井巖石熱解參數（b）［52］Fig.5 Data of the 1st member of the Qingshankou Formation（K2qn1 section）in the Gulong Sag，Songliao Basin：lithofacies/organofacies classification of the shale（a）and Rock-Eval pyrolysis parameters of a typical borehole（b）［52］

2.3 混積型頁巖層系

濟陽坳陷沙四上亞段-沙三下亞段形成于陸相斷陷湖盆咸水-半咸水環境，以混積頁巖為主，碳酸鹽礦物發育（圖6a）。主要巖相類型包括富有機質紋層狀泥晶泥質灰巖相、富有機質紋層狀微晶泥質灰巖相、富有機質紋層狀粗晶泥質灰巖相、富有機質紋層狀灰質泥巖相、富有機質層狀泥質灰巖相、富有機質層狀灰質泥巖相、含有機質層狀含泥質白云巖、含有機質塊狀灰質泥巖相等［5］。如圖6b 中FY1 井熱解分析結果所示，濟陽坳陷沙四上亞段-沙三下亞段頁巖層系的含油性與有機質豐度匹配良好，TOC多數在2 %以上，主力產層為紋層狀富碳酸鹽頁巖，富有機質紋層與富碳酸鹽紋層形成微觀源-儲組合，宏觀表現為自生自儲。

圖6 濟陽坳陷東營凹陷沙三段和沙四段泥頁巖巖相/有機相分類（a）及典型井地層綜合柱狀圖（b）Fig.6 Data of the 3rd and 4th members of the Shahejie Formation（Es3-Es4 sections），Dongying Sag，Jiyang Depression：lithofacies/organofacies classification of the argillaceous shale（a）and composite stratigraphic column of a typical borehole（b）

準噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖層系以混積頁巖為主，儲層礦物成分多樣，巖性多為過渡性巖類，縱向上巖層厚度薄、變化快［8］。如圖7a 所示，蘆草溝組頁巖層系主要由長英質-黏土質和碳酸鹽-長英質等兩類巖相組合構成，在巖石薄片上分別對應于黑-白相間的條帶/紋層，黑色紋層生烴，而亮色紋層為儲集層。蘆草溝組頁巖生烴潛量（S1+S2）多大于6 mg/g。如圖7b 所示，J10025 井不同層段蘆草溝組頁巖的全巖熱解S1與TOC在縱向上匹配關系存在錯位，指示暗色泥頁巖生成的烴類經歷了不同程度的近源運移，在粉砂巖和沉凝灰巖夾層中富集。準噶爾盆地前期頁巖油勘探在蘆草溝組識別出上、下兩個頁巖油“甜點”，并且獲得工業油流［55］。近期研究表明，兩個“甜點”體之間可能存在多個尚未證實的有利層段。

圖7 吉木薩爾凹陷蘆草溝組泥頁巖巖相/有機相分類（a）和典型井地層綜合柱狀圖（b）Fig.7 Data of the Lucaogou Formation（P2l）in the Jimusaer Sag，Junggar Basin：lithofacies/organofacies classification of the argillaceous shale（a）and composite stratigraphic column of a typical borehole（b）

3 陸相頁巖油富集機理與地質模式

3.1 無機孔是中-低成熟頁巖油最有利儲集空間類型

巖相和成巖-熱演化階段決定陸相頁巖油最有利儲集空間類型。在形成于廣覆式大型坳陷湖盆的鄂爾多斯盆地長7段中，砂巖與泥頁巖大面積直接接觸，形成多種類型源-儲共生的頁巖油體系。砂巖儲層的主要儲集空間由粒間孔、長石溶蝕孔、黏土礦物晶間孔和微裂縫構成，孔喉為納米-微米級，并且與層間縫網形成孔喉-縫網耦合系統，有利于夾層型頁巖油富集［31］（圖8a）。泥頁巖中納米-微米級黏土礦物晶間孔和剛性礦物支撐的粒間孔較為發育，局部可形成有效儲集空間，其中黏土礦物晶間孔是束縛烴的主要賦存空間，而剛性礦物粒間孔有利于游離油賦存。在深湖-半湖相黑色頁巖中，富有機質黏土質紋層和富長英質紋層通常形成黑-白相間的二元結構［31］，并發育黃鐵礦晶間微孔（孔徑＜200 nm）［56］。在三角洲前緣相和沼澤相發育區，暗色泥巖、粉砂質泥巖和粉砂巖伴生，儲集空間類型既有石英和長石礦物的晶間孔，又有黏土礦物片間孔發育。在沼澤相泥巖中還可以見到有機質團塊、周緣伴隨的收縮縫及有機孔。在長7 段泥頁巖中，黏土微孔及有機孔孔徑一般小于50 nm，而粒間孔和層間縫孔徑一般在500 nm以上［56］。

圖8 代表性陸相頁巖層系的主要儲集空間類型（部分資料來源于文獻 ［31，57-58］）Fig.8 Major types of hydrocarbon storage spaces for the typical lacustrine shale reservoirs in China

吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油儲層中孔縫發育，既包括構造縫、成巖縫、層理縫和縫合線，又包括溶蝕孔、粒間孔、晶間孔和有機質孔（圖8b）。在不同類型的巖相中，裂縫-孔隙體系發育程度存在差異。在碳酸鹽巖、泥巖和粉砂巖中均發育不規則構造裂縫；被有機質充填的層理縫主要發育在紋層狀含粉砂泥頁巖中；泥晶白云巖和白云質泥巖中壓溶作用往往形成縫合線，而且易被有機質充填。在碳酸鹽巖和粉砂巖的基質中廣泛發育晶間孔、溶蝕孔和粒間孔，孔徑為幾微米至幾十微米。其中，原生孔隙以石英晶間孔和白云石晶間孔為主，孔徑多在幾十至幾百納米。伊/蒙混層的黏土礦物晶間孔普遍發育，多呈片狀，孔徑在幾十納米至幾百納米。在部分處于生油高峰期的頁巖基質中也見到了有機孔［57］。

古龍凹陷青一段頁巖中黏土礦物含量較高（一般在25 %～40 %），以伊利石為主，發育層狀和紋層狀頁巖兩種主要頁巖巖相，頁理縫的發育有效改善了頁巖儲集能力。古龍凹陷青一段頁巖油的儲集空間主要由基質孔隙-頁理縫構成，頁巖總孔隙度與石英和黏土礦物含量呈正比，而與碳酸鹽礦物和長石含量呈反比。頁巖孔隙類型包括黏土礦物晶間孔、有機質孔縫和少量分布極不均一的長石和碳酸鹽巖粒內溶蝕孔（圖8c）。頁巖中碳酸鹽礦物多為充填原生孔隙的次生膠結物。根據薄片分析、電子顯微鏡觀察及三維CT研究，發現古龍凹陷青山口組頁巖油的儲集空間具有多樣性和多尺度性，從寬10～50 nm 的納米縫到寬數百微米的頁理縫，但儲層孔徑以10～50 nm 為主，喉道直徑4～7 nm［59］。

濟陽坳陷古近系沙四上亞段-沙三下亞段泥頁巖儲集空間也具有孔、縫并存的特點，但以無機孔縫為主（占比＞95 %），有機質孔隙相對不發育（圖8d）。這些頁巖中碳酸鹽礦物和粉砂粒級的長英質礦物共同構成泥頁巖的格架支撐，而黏土礦物多作為填隙物或者富有機質紋層形式產出。前期研究表明，濟陽坳陷頁巖油主要儲集空間包括2 種主要類型：①碳酸鹽紋層中由重結晶作用和溶蝕作用形成的納米、微米級方解石晶間孔（孔徑一般為5～200 nm）、晶間溶孔（孔徑一般為200～400 nm）；②富陸源碎屑黏土紋層中的不規則納米級粒間孔（孔徑一般為2～100 nm）和黏土礦物片間孔（孔徑一般為3～100 nm）。在部分熱成熟較高和在陸源碎屑輸入較多的地區，也可以分別見到有機質收縮縫和有機質結構孔（孔徑一般為1～100 nm）［5］。

因此，無機孔是中-低成熟頁巖油最有利儲集空間類型。在以長英質-黏土質巖相組合為主的大型淡水湖盆中，頁巖油儲層空間在主生油窗以石英粒間孔和長石溶蝕孔等無機礦物基質孔為主，在高-過成熟階段以富有機質黏土礦物形成的納米級晶間孔和有機孔為主；與此不同，在陸相斷陷半咸水-咸水湖盆中，頁巖油儲集空間多以碳酸鹽礦物晶間孔和溶蝕孔為主。此外，由于受構造活動、生烴增壓、成巖和盆地回返作用等影響，陸相頁巖層系中微裂縫廣泛發育，多級次微裂縫體系既可以形成游離油的儲集空間，又可以與無機孔隙構成有效的孔-縫網絡系統，進而制約頁巖油氣的賦存和流動。

3.2 巖相-有機相組合類型影響烴類演化差異性和流體性質

湖泊環境水文地質和水化學性質的變化，形成多種湖相烴源巖沉積樣式［25］，而且對沉積有機質組合（即有機相）具有重要影響［60-61］。前期研究發現，內源沉積的細粒沉積巖相與有機相之間存在著較好的相關性，即富碳酸鹽-蒸發鹽細粒巖相往往發育富硫有機相，對應于Ⅰ-S和Ⅱ-S型干酪根；而富長英質-黏土質細粒巖相中黏土礦物的存在有利于貧硫干酪根和自生黃鐵礦的形成［24，49］。

如圖9 所示，在中西部含油氣盆地，從瑪湖凹陷風城組、吉木薩爾凹陷蘆草溝組到鄂爾多斯盆地長7 段，富有機質頁巖層系形成的水體環境由咸化向淡化環境變化。與此對應，這些頁巖有機抽提物中的甾烷和萜烷分布從咸化環境的甾烷優勢轉變為淡化水體的萜烷優勢；咸化環境抽提物中可以見到明顯的高伽馬蠟烷/C30藿烷比值，顯示出水體分層、主要成烴生物類型以及保存的地球化學環境差異性。巖石薄片分析在風城組頁巖中可以見到層狀藻質體分布，而長73亞段頁巖中成烴有機質多數以無定形體形式存在，僅能見到結構穩定的緊密堆積的金藻休眠孢囊［62］。因此，咸化湖盆沉積有機質以選擇性保存為主，往往有利于早期微生物硫酸鹽還原作用形成富硫干酪根；淡化環境以高生產率為主，富有機質頁巖通常以貧硫干酪根和自生黃鐵礦富集為特征。

圖9 中西部盆地主要富有機質頁巖層系沉積水體環境和成烴生物特征差異性的生物標志化合物和有機巖石學證據Fig.9 Evidence of biosignatures and organic petrology for the differences in depositional water-body environments and dominant biota in the organic rich shales within basins in central and western China

咸化和淡化湖盆成烴有機質含硫量的差異性對有機質大量生烴的窗口具有重要影響。Baskin 和Peters（1992）［63］通過對美國、以色列、蘇丹等國家不同地區的烴源巖巖石熱解與含硫量之間關系的研究，發現干酪根含硫量直接影響其熱演化性能，即富硫干酪根在較低的熱成熟度開始生烴［64-65］。張林曄等（2005）［66］采用氯仿、甲醇-丙酮-氯仿三元試劑和CS2/NMP 超強混合溶劑開展研究，注意到沙河街組不同層段成烴演化的差異性。通過典型樣品全巖熱解分析結果的物質平衡計算，發現巖相-有機相組合類型控制陸相富有機質頁巖熱演化生烴差異性，可以用沙四段含硫干酪根成烴活化能相對較低、在較低的熱演化階段已經轉化成烴來解釋［67］。

如圖10所示，濟陽坳陷富碳酸鹽頁巖的生烴活化能低于鄂爾多斯盆地長7段黑色頁巖和吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖，大量生烴和頁巖油富集門限約為Ro=0.7 %，明顯早于長英質-黏土質頁巖。實際上，在濟陽坳陷沙四上亞段-沙三下亞段頁巖沉積時期水體環境為咸水-半咸水，而沙三中亞段及以上層段逐漸過渡為半咸水-微咸水環境，干酪根含硫量也逐漸降低，從而見到下部咸化段大量生烴普遍早于上部相對淡化段的現象［68］。

圖10 根據物質平衡計算得到的典型陸相富有機質頁巖成烴熱演化曲線Fig.10 Hydrocarbon generation curves with thermal evolution reconstructed based on mass balance calculation for typical lacustrine organic-rich shales

如表2 所示，中國主要陸相頁巖層系流體性質具有較大的變化范圍。一般而言，熱演化程度控制了干酪根結構演化和烴類流體性質，隨著熱演化程度增加，烴類產物氣/油比增大，依次從黑油、揮發性油到凝析油氣。然而，通過對比幾大盆地中不同頁巖巖相特征和巖相組合方式，還可以發現頁巖巖相類型對原油物性和氣/油比也有明顯的控制作用，黑油型的頁巖油儲層多為碳酸鹽巖紋層或粉-細砂巖夾層，而具有規模產量的長英質-黏土質頁巖油儲層以產揮發性油和凝析油氣為主，多具有較高的氣/油比。

表2 中國陸相代表性頁巖油儲層基本地質參數Table 2 Basic geological parameters of typical lacustrine shale oil reservoirs in China

3.3 以異常壓力為標志的自封閉性是頁巖油保存的有利條件

非常規頁巖油氣以連續性聚集和非浮力成藏為特征［69-70］。近期研究發現，頁巖油氣成藏機理的核心是具有納米-微米級小孔喉半徑的富有機質頁巖中的油氣自封閉作用，其動力是以毛管壓力和分子吸附力為主的分子間作用力［71-72］。

在微觀尺度上，松遼盆地齊家-古龍凹陷青山口組頁巖油儲層納米孔和納米縫十分發育，而且多被有機質（固體瀝青或干酪根）充填。何文淵（2022）［73］認為，這些納米孔縫的成因與有機質-黏土絮凝體密切相關，有利于頁巖油氣的連續原位聚集。在宏觀尺度上，齊家-古龍凹陷青山口組平面上發育西部斜坡帶異常低壓-常壓系統和齊家-古龍凹陷常壓-異常高壓系統（壓力系數＞1.2）［74］。縱向上，松遼盆地北部青二段上部和青三段的地層壓力為常壓，而青二段下部壓力系數為1.1～1.2，青一段普遍大于1.2［75］。根據大慶油田的分析數據，古龍凹陷頁巖中地層壓力系數與全巖熱解S1呈正比。因此，以異常壓力為標志的自封閉性是頁巖油氣原位保存的有利條件［74］。

在濟陽坳陷沙四上亞段-沙三下亞段富碳酸鹽頁巖中具有特征的亮-暗相間“二元”微觀紋層結構，碳酸鹽紋層由于受富黏土礦物紋層包裹，限制了地層流體壓力的大范圍傳導［5，76］。宏觀尺度上，與古龍凹陷頁巖比較，濟陽坳陷斷陷湖盆泥頁巖沉積巖相更為復雜、斷裂活動更加發育、空間非均質性更強，地層壓力系數一般在1.29～1.99［77］。平面上和縱向上的沉積相與細粒巖石巖相組合變化為地質流體和壓力“封隔箱”的形成創造了有利條件。斷裂活動過程中，不同尺度裂縫中黏土礦物涂抹封堵作用也可能形成不同的斷控壓力單元，有利于頁巖油原位富集成藏［78］。

鄂爾多斯盆地長7 段半深湖-深湖環境發育多期次砂質碎屑流與濁流沉積，形成3 種頁巖油儲集類型，即多期疊置砂巖發育型、厚層泥頁巖夾薄層粉-細砂巖型和純頁巖型［31］。由于粉-細砂巖與泥頁巖在盆地范圍內大面積接觸，為長7 段泥頁巖烴類初次運移提供了有利條件。因此，在相對開放的泥頁巖/粉砂巖互層/夾層系統中，受固體有機質和礦物質吸附作用的影響，重質烴類主要在富有機質頁巖中滯留，而輕質烴類流體在粉-細砂巖夾層中富集。長7 段泥頁巖地層一般顯示出常壓或低壓特征，地層壓力系數一般為0.6～0.8，粉-細砂巖夾層多為低壓油藏［79］；同時，黑色頁巖中可動油比例較低（S1/TOC多數低于50 mg/g）（圖4b）。因此，富有機質泥頁巖中的多套薄層狀粉-細砂巖夾層是長73頁巖油的主要儲集類型之一。

3.4 陸相頁巖油富集機理與地質模式探討

大量研究表明，頁巖油氣富集特征與常規油氣存在顯著的差異性。頁巖油氣一般賦存于富有機質細粒沉積巖中，包括高TOC的黑色頁巖、粉砂質泥頁巖和富碳酸鹽泥頁巖。與致密砂巖和致密灰巖類似，頁巖油氣儲集層一般具有低-特低孔隙度和滲透率。微觀尺度上，頁巖中納米-微米級孔隙系統的孔喉半徑一般小于1 μm，與黏土礦物伴隨的孔喉系統多數小于30 nm；在富有機質頁巖中，與有機質相關的孔縫系統（如干酪根生烴收縮縫、粒間縫、較高成熟階段形成的有機孔等）較為發育，導致頁巖儲層中烴類-大分子有機質間的分子吸附作用比致密油氣儲層更強。因此，以毛管壓力為主的油氣自封閉作用有利于油氣在泥頁巖中原位滯留，并在納米-微米級孔縫系統中聚集［71］。宏觀尺度上，成熟度較高的富有機質頁巖一般具有較好的含油氣性，大面積連續分布的頁巖層系具有較大的頁巖油氣資源潛力，脆性指數較高的頁巖在天然裂縫發育的同時也有利于人工壓裂改造，而地層壓力高、油質輕則有利于烴類流動和開采。

系統梳理北美主要海相頁巖油氣盆地的宏觀地質背景，可以發現穩定寬緩的構造背景、區域性致密的頂底板、大面積分布的優質烴源巖，以及合適的熱演化程度，是控制海相頁巖油氣在烴源巖層系中大量滯留和大面積連續分布的基本條件；在此基礎上，與排烴不暢伴隨的欠壓實作用和微裂縫形成等因素，則構成地質和工程“甜點”，從而控制頁巖油氣的局部規模富集［2，80］。如前所述，中國陸相沉積盆地發育歷史與北美海相盆地存在巨大差異，以類型多、分割性和后期活動性強為特點，在陸相淡水湖泊、混積湖泊與咸化湖泊等環境，均形成了各具特色的細粒富有機質巖石沉積體系。因此，必須考慮陸相細粒沉積體系的復雜性，從理解陸相沉積體系強非均質性和儲-蓋組合多樣性等特征著手，探討陸相頁巖油富集機理，建立陸相頁巖油富集模式。

前人研究將細粒沉積巖的礦物成分、沉積構造、巖石結構、TOC、熱成熟度、壓力系數、孔隙度和滲透率、含油氣性、基底斷層和構造復雜性、天然裂縫發育程度、巖石可壓性等，作為評價頁巖油氣富集的地質參數，但不同研究者在不同地區強調的重點存在明顯的差異。通過這些參數的相關性分析，歸納出頁巖油富集的3 個主控因素：①富有機質細粒沉積巖的巖相，反映了古構造、古氣候制約下的古生態系統和古沉積環境協同演化；②熱成熟度，反映了埋藏熱演化條件下成烴、成巖的化學過程；③富有機質細粒沉積巖所處的物理邊界條件，如巖相組合類型、地層接觸關系及其與斷層-裂縫體系的對接方式等，在很大程度上反映了泥頁巖體系的開放/封閉性。因此，沉積巖相決定生-儲組合，熱成熟度決定烴類性質，邊界條件決定成藏類型。據此提出：紋層（夾層）發育段、主力生油窗和異常高壓帶為陸相頁巖油的有利勘探方向。

如圖11所示，陸相斷陷湖盆和陸相坳陷湖盆形成時的古構造和古地貌環境決定了湖盆內部沉積充填的主導巖相類型和空間展布存在明顯的差異性。這種差異性對后續富有機質頁巖成烴演化和頁巖油富集特征具有重要的影響，從而對頁巖油富集模式起決定性作用。

圖11 陸相湖盆細粒沉積體系與頁巖油富集模式Fig.11 Fine-grained sedimentary systems and shale oil enrichment models in lacustrine basins

以濟陽坳陷沙四上亞段-沙三下亞段為例，其主力富有機質頁巖層系為古近紀陸相斷陷咸化湖盆沉積，從凹陷邊緣到中心，依次發育以外緣粗碎屑為主的沉積體系（圖11a中的A1）和內源富碳酸鹽為主的沉積體系（圖11a 中的A2），富碳酸鹽-富長英黏土質混源沉積是這類斷陷咸化湖盆的顯著特征。外緣粗碎屑砂礫巖發育帶（A1）是前期常規油氣勘探的主要領域。咸化水體形成的富有機質頁巖層系（A2）進入生油窗較早，富有機質紋層狀巖相具有典型的富有機質-黏土和富碳酸鹽紋層“二元”結構，有利于油氣原位富集，成為頁巖油勘探的首選目標。深洼區（A3）的細粒沉積黏土礦物含量較高、現今埋藏深度較大，是下一步探索中-高熟頁巖油氣的重要領域。

與此不同，與寬緩的大型陸相坳陷湖盆伴隨的高生產力、強還原環境大多有利于富有機質泥頁巖的沉積，多級坡折帶的發育和頻繁的地震火山活動有利于多種深水重力流沉積的發育，造成細粒砂巖與泥頁巖在盆地范圍內大面積接觸（圖11b）。例如，鄂爾多斯盆地長7 段半深湖-深湖相黑色頁巖和暗色泥巖與三角洲前緣砂巖和重力流沉積共生，形成了優越的源-儲組合，從而為長7 段頁巖層系內部油氣運移和富集提供了動力。因此，長71和長72亞段中的砂巖夾層或互層在單砂體厚度較大、砂/地比較大的部位成為常規和致密油儲層，在單體砂體厚度較薄、砂/地比較低的部位成為鄂爾多斯盆地中-高成熟頁巖油富集的主要單元，是目前已經取得勘探突破的優勢領域（圖11b 中的B1 和B2）。相比之下，經過向臨近砂巖夾層的烴類運移，富有機質黑色頁巖（B3）中重質烴類和非烴組分相對富集，在主生油窗內烴類流動性較差，在高-過成熟階段有望形成輕質/凝析油勘探目標。

松遼盆地古龍凹陷青一段與鄂爾多斯盆地長7 段均形成于大型坳陷沉積環境，二者的細粒沉積體系和頁巖油富集模式既存在共性又有差異性。在陸源碎屑主導的砂體/細粒富有機質頁巖層系的空間展布上，二者具有相似的規律性。不同之處在于，古龍凹陷青一段富有機質頁巖層系（B3）熱成熟度目前已達到高-過成熟階段（Ro=1.5 %～1.6 %），頁理縫、基質孔和有機孔發育，異常高壓為古龍凹陷頁巖中輕質油-凝析油氣富集高產提供了必要條件。古龍凹陷東北部和北部青一段處于生油高峰期的泥頁巖層系既是大慶長垣常規石油的烴源巖，也是下一步粉-細砂巖夾層型頁巖油勘探的重要目標。

4 結論

1）陸相富有機質頁巖層系非均質性強，不同湖盆類型陸相頁巖發育條件和分布特征存在巨大差異性。

2）根據巖相組合方式可以將中國陸相頁巖層系劃分為互層/夾層型、混積頁巖型和黏土質頁巖型等3種主要類型，分別具有不同的源-儲耦合特征。

3）無機孔是中低成熟頁巖油最有利的儲集空間類型，長英質-黏土質頁巖中以石英粒間孔、長石溶蝕孔和黏土礦物晶間孔為主，混積頁巖中以碳酸鹽礦物晶間孔和溶蝕孔為主，在高-過成熟階段有機孔的比例顯著增加。

4）提出了中國陸相頁巖油富集的主控因素是有利的源-儲組合、適宜的熱演化程度和自封閉性，建立了陸相斷陷和坳陷湖盆頁巖油富集的地質模式。

5）需針對各個盆地和頁巖層系的地質特點，開展頁巖油儲集性、含油性、可壓性和可動性分析，建立陸相頁巖油分類分級評價方法，并在此基礎上形成適應性開發工程工藝技術體系。