李士超，楊建國，柳 波，姚玉來，肖 飛，白龍輝，黃一鳴，李 昂，張麗艷

1.中國地質調查局 沈陽地質調查中心，遼寧 沈陽110034；2.東北石油大學，黑龍江 大慶163318

0 引言

近年來，美國頁巖油產(chǎn)量迅速增加，成功實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)，頁巖油資源受到油氣行業(yè)廣泛關注［1-3］.據(jù)2017年底美國能源信息署（EIA）和美國先進資源國際公司（Advanced Resources International，ARI）數(shù)據(jù)分析，全球頁巖油資源豐富，技術可采儲量為618.47×108t.其中，中國頁巖油技術可采儲量為44.8×108t［4-7］，資源潛力巨大，是中國油氣資源的重要接替領域.勘探實踐證明中國頁巖油資源主要分布在松遼盆地的白堊系、準噶爾盆地的二疊系、鄂爾多斯盆地的三疊系、渤海灣和江漢盆地的古近系、新近系［8-14］.

隨著中國頁巖油研究程度不斷加深，相繼在松遼盆地齊家－古龍凹陷（白堊系青山口組）［15-16］、鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)（三疊系延長組）［17-19］、渤海灣盆地滄東凹陷（古近系孔店組）［20］、準噶爾盆地吉木薩爾凹陷（二疊系蘆草溝組）［21］等湖相盆地中不同程度地獲得了頁巖油油流，其中部分地區(qū)已實現(xiàn)工業(yè)化開發(fā).松遼盆地三肇凹陷中生界上白堊統(tǒng)青山口組一段（K2qn1，簡稱青一段）泥頁巖層厚度大、分布廣泛、有機質豐度高，同樣具備優(yōu)越的頁巖油發(fā)育地質條件，但由于研究區(qū)頁巖油勘探和研究較晚，主要目的層青一段泥頁巖地球化學、礦物學等方面的研究還存在一定不足.本文基于三肇凹陷的松頁油3井巖心測試分析數(shù)據(jù)，重點開展2方面研究工作：1）通過泥頁巖有機質豐度、沉積構造、礦物組成研究，明確青一段泥頁巖石學特征；2）在巖石學研究的基礎上，進行巖相劃分，明確各巖相分布特征及頁巖油富集的有利巖相，以期為今后松遼盆地三肇凹陷頁巖油勘探開發(fā)提供基礎參考.

1 研究區(qū)概況

松遼盆地位于中國東北部，面積約26×104km2，是目前世界上已發(fā)現(xiàn)的最大的陸相含油氣盆地，是中國主要的油氣產(chǎn)區(qū).三肇凹陷位于松遼盆地中央凹陷區(qū)內(nèi)，西連大慶長垣，東鄰朝陽溝階地，北部與綏化凹陷、綏棱背斜帶和安達向斜南部相鄰，是一個長期繼承性發(fā)育的拗陷［22］，面積約5 500 km2（圖1）［23-24］.青山口組以溫暖潮濕條件下的湖泊沉積為主，青一段沉積時期發(fā)生大規(guī)模的水進，為半深湖—深湖缺氧還原環(huán)境［25］，形成了以灰黑色—黑色巨厚泥巖為主，間有灰黑色泥質粉砂巖、深灰色粉砂巖的細粒巖性組合.松頁油3井是部署在三肇凹陷中部針對青一段頁巖油資源的一口參數(shù)井，完鉆井深2 547 m，自上而下揭示的地層依次為第四系，新近系泰康組，白堊系上統(tǒng)明水組、四方臺組、嫩江組、姚家組、青山口組，白堊系下統(tǒng)泉頭組（未穿）.目的層青一段頂深1 968.5 m，底深2 061.5 m，厚93 m，該井針對青一段進行了全段取心.

圖1 松遼盆地構造分區(qū)及研究區(qū)范圍Fig.1 Tectonic division of Songliao Basin with the study area

2 泥頁巖巖石學特征

沉積構造、有機質豐度及礦物成分是揭示富有機質泥頁巖巖石學特征多樣性的主要因素，也是從沉積成因角度劃分巖相類型的重要依據(jù)［26-27］.

2.1 沉積構造

松頁油3井青一段巖性主要為灰黑色熒光泥巖和灰黑色熒光泥頁巖，含少量黑灰色熒光泥巖、灰黑色熒光含介形蟲泥巖、灰黑色泥頁巖，局部可見深灰色泥質粉砂巖、灰黑色含介形蟲熒光泥巖、灰黑色熒光含介形蟲泥頁巖、綠灰色泥質粉砂巖，偶見灰白色沉凝灰?guī)r、灰黑色介形蟲層等.發(fā)育塊狀構造、水平層理，局部可見介形蟲化石、黃鐵礦團塊、植物碎片和炭屑.

通過對巖心和薄片觀察，識別出塊狀構造和紋層狀構造兩種沉積構造類型（圖2），總體為紋層狀沉積構造，局部見塊狀沉積構造，中－下部塊狀沉積構造較上部更為發(fā)育.塊狀構造主要特征是無顏色、粒度、礦物組成的明顯變化，巖石整體表現(xiàn)為均質；紋層狀構造在顏色、粒度、礦物組成方面發(fā)生突變，單層厚度小于1 mm，并間隔反復出現(xiàn).

2.2 有機質豐度

（1）實驗條件

總有機碳含量（TOC）測試流程依據(jù)GB/T 19145—2003《沉積巖中總有機碳的測定》進行.采用美國力可公司C－744碳分析儀將樣品在高溫下燃燒氧化，將有機碳轉化為CO2，利用熱導檢測器檢測CO2體積，再換算出碳的百分含量.巖石熱解測試流程依據(jù)石油天然氣行業(yè)標準SY/T 5117—1996《巖石熱解分析方法》進行，采用Rock-Eval VI巖石熱解儀測定.測試由東北石油大學非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)省部共建國家重點實驗室完成，共測定樣品199個，樣品平均間隔0.45 m.

（2）測試結果及分析

根據(jù)中國陸相烴源巖有機質豐度評價指標標準，TOC＜0.4%或S1＋S2＜0.5×10－3為非烴源巖，TOC在0.4%～0.6%之間或S1＋S2在0.5×10－3～2.0×10－3之間為差烴源巖，TOC在0.6%～1.0%之間或S1＋S2在2.0×10－3～6.0×10－3之間為中等烴源巖，TOC在1.0%～2.0%之間或S1＋S2在6.0×10－3～20.0×10－3之間為好烴源巖，TOC＞2.0%或S1＋S2＞20.0×10－3為最好烴源巖［19-20］.

圖2 松頁油3井青一段泥頁巖巖心與薄片照片F(xiàn)ig.2 Cores and thin sections of the shale from the 1st member of Qingshankou Formation in SYY-3 well

圖3 松頁油3井青一段泥頁巖TOC與S1＋S2頻率分布圖Fig.3 Frequency distribution histograms for TOC and S1＋S2 of shale from the 1st member of Qingshankou Formation in SYY-3 well

測試結果表明，松頁油3井青一段泥頁巖TOC含量為0.50%～6.82%，平均值為3.16%，其中多數(shù)樣品TOC＞1.0%，占比97.99%，僅有4塊樣品TOC＜1.0%；主要分布范圍在2.0%～4.0%之間，占比65.44%.S1＋S2為2.01×10－3～49.41×10－3，平均值為23.02×10－3，其中多數(shù)樣品S1＋S2＞10×10－3，占比94.97%，僅有10塊樣品S1＋S2＜10×10－3；主要分布范圍在10×10－3～30×10－3之間，占比90.95%（圖3）.總體上，青一段泥頁巖為典型的富有機質泥頁巖特征，不僅TOC含量高，而且生烴潛量高，TOC含量與S1＋S2具有很好的正相關性，總體表現(xiàn)出好—最好的烴源巖的特征（圖4）.

圖4 松頁油3井青一段泥頁巖有機質豐度評價Fig.4 Evaluation of organic matter abundance of shale from the 1st member of Qingshankou Formation in SYY-3 well

2.3 礦物組成

（1）實驗條件

礦物組成測試流程依據(jù)SY/T 5163—2010《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法》，采用德國布魯克D8AA25 X射線衍射儀，實驗在25℃、30%～46%RH的環(huán)境下進行.測試由東北石油大學非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)省部共建國家重點實驗室完成，共測定樣品199個，樣品平均間隔0.45 m.

（2）測試結果及分析

測試結果表明松頁油3井青一段泥頁巖以長英質礦物為主（含量3.7%～73.4%，平均值為49.36%），其次為黏土礦物（含量2.5%～49.60%，平均值為33.62%），碳酸鹽礦物含量較低（含量0～93.53%，平均值為13.13%），黃鐵礦含量最低（含量0～18.58%，平均值為3.89%）.長英質礦物中石英含量最高，平均值為30.43%；斜長石含量次之，平均值為18.46%；鉀長石含量最低，平均值為0.47%.碳酸鹽礦物中鐵白云石含量最高，平均值為8.34%；方解石含量次之，平均值為3.85%；菱鐵礦含量最低，平均值為0.93%.黏土礦物組成依次為伊利石（含量32%～87%，平均值為66.99%）、伊蒙混層（含量10%～55%，平均值為21.56%）、綠泥石（含量2%～30%，平均值為11.44%）、綠蒙混層（含量0.01%，1塊樣品）.縱向上，松頁油3井青一段泥頁巖礦物組成變化相對較小，總體以長英質礦物為主，其次為黏土礦物，碳酸鹽礦物含量較低.局部夾層碳酸鹽礦物含量較高，甚至大于50%，如1990.54 m、1998.22 m、2012.43 m、2038.32 m、2055.71 m等取樣點.

3 泥頁巖巖相劃分

3.1 劃分標準

深湖—半深湖相沉積的泥頁巖看似單一，都為暗色顆粒，實際上不同巖性之間存在著較大的差異.國內(nèi)外學者對泥頁巖巖相的劃分有著多種方法，對比綜合國內(nèi)外研究學者的劃分方法，本文采用“有機碳豐度（TOC）－巖石沉積構造－礦物組成”三分法的巖相分類方案.

（1）有機碳的劃分界限

松遼盆地青一段泥頁巖TOC與氫指數(shù)（HI）在不同區(qū)間的相關關系研究結果［28］表明，TOC值小于1%時，HI極低；TOC值為1%～2%時，HI與TOC值呈正相關關系；TOC值大于2%后，HI趨于穩(wěn)定，不再隨著TOC值的增大而升高.因此，針對陸相富有機質泥頁巖，將TOC值小于1%界定為低有機質含量，TOC值為1%～2%界定為中等有機質含量，TOC值大于2%界定為高有機質含量，能夠較好地劃分泥頁巖在有機質含量方面的優(yōu)劣.

（2）巖石沉積構造劃分

以往研究經(jīng)驗表明，松遼盆地青一段泥頁巖黏土、碳酸鹽礦物含量與其發(fā)育的構造類型呈現(xiàn)一定的相關性.黏土礦物或碳酸鹽礦物含量過高時，泥頁巖更易形成塊狀構造.隨著黏土礦物含量降低，泥頁巖依次呈現(xiàn)紋層構造和層狀構造.這表明泥頁巖的礦物組成和沉積構造之間存在內(nèi)在成因聯(lián)系，因此在泥頁巖巖相劃分方案中，泥頁巖的沉積構造也是劃分標準之一.

（3）巖石礦物組成劃分

對于巖石成分的劃分，國內(nèi)外學者提出了多種方案.綜合對比多位學者的分類方案，本研究決定采用Allix等［29］提出的分類方法，依據(jù)有機泥頁巖中黏土礦物－碳酸鹽礦物－長英質礦物含量，將泥頁巖劃分為5類：I）鈣質泥頁巖，II）純泥頁巖，III）長英質泥灰?guī)r，IV）黏土質泥頁巖，V）長英質泥頁巖.此種分類方法更能反映出有機泥頁巖相之間的內(nèi)在聯(lián)系.

3.2 巖相劃分

基于上述劃分標準，對松頁油3井青一段泥頁巖進行巖相劃分.根據(jù)TOC含量可分為3類：低有機質（TOC＜1%）、中有機質（1%＜TOC＜2%）、高有機質（TOC＞2%）.其中低有機質泥頁巖所占比例為2.01%，中有機質泥頁巖所占比例為11.56%，高有機質泥頁巖所占比例為86.43%.根據(jù)巖心觀察及鏡下薄片觀測，將之劃分為塊狀沉積構造和紋層狀沉積構造2類.其中塊狀沉積構造所占比例為18.09%，紋層狀沉積構造所占比例為81.91%.根據(jù)礦物組成，松頁油3井青一段泥頁巖主要歸于泥頁巖類型劃分中的4類（圖5）：Ⅰ）鈣質泥頁巖、Ⅲ）長英質泥灰?guī)r、Ⅳ）黏土質泥頁巖、Ⅴ）長英質泥頁巖.其中長英質泥頁巖所占的比例最高，為88.44%，其他3類泥頁巖所占比例很低，尤其是黏土質泥頁巖幾乎可以忽略不計（不參與進一步巖相劃分）.

圖5 松頁油3井青一段泥頁巖礦物組成分類圖Fig.5 Classification of rock types by mineral compositions for the

綜合TOC含量、沉積構造及礦物組成特征，將松頁油3井青一段泥頁巖巖相劃分為9類：1）低有機質塊狀鈣質泥頁巖巖相，2）中有機質塊狀鈣質泥頁巖巖相，3）中有機質塊狀長英質泥灰?guī)r巖相，4）中有機質塊狀長英質泥頁巖巖相，5）中有機質紋層狀長英質泥頁巖巖相，6）高有機質塊狀鈣質泥頁巖巖相，7）高有機質塊狀長英質泥頁巖巖相，8）高有機質紋層狀長英質泥灰?guī)r巖相，9）高有機質紋層狀長英質泥頁巖巖相.各泥頁巖巖相具體特征見表1.

在上述9類泥頁巖巖相中，低有機質塊狀鈣質泥頁巖巖相、中有機質塊狀鈣質泥頁巖巖相、中有機質塊狀長英質泥灰?guī)r巖相、中有機質塊狀長英質泥頁巖巖相、高有機質塊狀鈣質泥頁巖巖相及高有機質紋層狀長英質泥灰?guī)r巖相發(fā)育比例很??；中有機質紋層狀長英質泥頁巖巖相與高有機質塊狀長英質頁泥巖發(fā)育比例相當，占比10%左右；高有機質紋層狀長英質泥頁巖巖相是發(fā)育比例最高的巖相類型，占比68.18%（圖7）.紋層狀泥頁巖較塊狀泥頁巖TOC含量高，長英質泥頁巖較鈣質泥頁巖TOC含量高，紋層狀長英質泥頁巖巖相是頁巖油富集的有利巖相.

表1 松頁油3井青一段典型泥頁巖巖相特征表Table 1 Lithofacies characteristics of typical shale from the 1st member of Qingshankou Formation in SYY-3 well

圖6 松頁油3井青一段各類泥頁巖巖相發(fā)育比例圖Fig.6 Proportion chart of various shale lithofacies developed in the 1st member of Qingshankou Formation in SYY-3 well

4 結論

三肇凹陷青山口組一段泥頁巖發(fā)育塊狀構造和紋層狀構造兩種沉積構造類型.TOC含量高，平均值為3.16%，生烴潛量高.S1＋S2平均值為23.02×103，總體為好—最好的烴源巖.礦物組成以長英質礦物為主，黏土礦物次之，碳酸鹽礦物、黃鐵礦含量較低.黏土礦物組成主要為伊利石，其次為伊蒙混層、綠泥石等.

將青一段泥頁巖劃分出9類巖相：1）低有機質塊狀鈣質泥頁巖巖相，2）中有機質塊狀鈣質泥頁巖巖相，3）中有機質塊狀長英質泥灰?guī)r巖相，4）中有機質塊狀長英質泥頁巖巖相，5）中有機質紋層狀長英質泥頁巖巖相，6）高有機質塊狀鈣質泥頁巖巖相，7）高有機質塊狀長英質泥頁巖巖相，8）高有機質紋層狀長英質泥灰?guī)r巖相，9）高有機質紋層狀長英質泥頁巖巖相.其中高有機質紋層狀長英質泥頁巖巖相最為發(fā)育，且有機質含量高，生烴潛力高，是三肇凹陷頁巖油勘探的最有利的巖相類型.