松遼盆地三肇凹陷青山口組一段泥頁巖巖石學(xué)特征及巖相劃分
——以松頁油3井為例

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(zhì)調(diào)查局 沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽110034；2.東北石油大學(xué)，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(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)，頁巖油資源受到油氣行業(yè)廣泛關(guān)注［1-3］.據(jù)2017年底美國能源信息署（EIA）和美國先進(jìn)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(shù)可采儲(chǔ)量為618.47×108t.其中，中國頁巖油技術(shù)可采儲(chǔ)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(lǐng)域.勘探實(shí)踐證明中國頁巖油資源主要分布在松遼盆地的白堊系、準(zhǔn)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(zhǔn)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(shí)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(jī)質(zhì)豐度高，同樣具備優(yōu)越的頁巖油發(fā)育地質(zhì)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(xué)、礦物學(xué)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(diǎn)開展2方面研究工作：1）通過泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度、沉積構(gòu)造、礦物組成研究，明確青一段泥頁巖石學(xué)特征；2）在巖石學(xué)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(chǔ)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(dá)向斜南部相鄰，是一個(gè)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(shí)期發(fā)生大規(guī)模的水進(jìn)，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(zhì)粉砂巖、深灰色粉砂巖的細(xì)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(tái)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(jìn)行了全段取心.

圖1 松遼盆地構(gòu)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(xué)特征

沉積構(gòu)造、有機(jī)質(zhì)豐度及礦物成分是揭示富有機(jī)質(zhì)泥頁巖巖石學(xué)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(gòu)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(zhì)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(zhì)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(gòu)造、水平層理，局部可見介形蟲化石、黃鐵礦團(tuán)塊、植物碎片和炭屑.

通過對巖心和薄片觀察，識別出塊狀構(gòu)造和紋層狀構(gòu)造兩種沉積構(gòu)造類型（圖2），總體為紋層狀沉積構(gòu)造，局部見塊狀沉積構(gòu)造，中－下部塊狀沉積構(gòu)造較上部更為發(fā)育.塊狀構(gòu)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(zhì)；紋層狀構(gòu)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(fù)出現(xiàn).

2.2 有機(jī)質(zhì)豐度

（1）實(shí)驗(yàn)條件

總有機(jī)碳含量（TOC）測試流程依據(jù)GB/T 19145—2003《沉積巖中總有機(jī)碳的測定》進(jìn)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(jī)碳轉(zhuǎn)化為CO2，利用熱導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)SY/T 5117—1996《巖石熱解分析方法》進(jìn)行，采用Rock-Eval VI巖石熱解儀測定.測試由東北石油大學(xué)非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，共測定樣品199個(gè)，樣品平均間隔0.45 m.

（2）測試結(jié)果及分析

根據(jù)中國陸相烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，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(jié)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(jī)質(zhì)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(guān)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(jī)質(zhì)豐度評價(jià)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)在25℃、30%～46%RH的環(huán)境下進(jìn)行.測試由東北石油大學(xué)非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，共測定樣品199個(gè)，樣品平均間隔0.45 m.

（2）測試結(jié)果及分析

測試結(jié)果表明松頁油3井青一段泥頁巖以長英質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(diǎn).

3 泥頁巖巖相劃分

3.1 劃分標(biāo)準(zhǔn)

深湖—半深湖相沉積的泥頁巖看似單一，都為暗色顆粒，實(shí)際上不同巖性之間存在著較大的差異.國內(nèi)外學(xué)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(xué)者的劃分方法，本文采用“有機(jī)碳豐度（TOC）－巖石沉積構(gòu)造－礦物組成”三分法的巖相分類方案.

（1）有機(jī)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(guān)關(guān)系研究結(jié)果［28］表明，TOC值小于1%時(shí)，HI極低；TOC值為1%～2%時(shí)，HI與TOC值呈正相關(guān)關(guān)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(jī)質(zhì)泥頁巖，將TOC值小于1%界定為低有機(jī)質(zhì)含量，TOC值為1%～2%界定為中等有機(jī)質(zhì)含量，TOC值大于2%界定為高有機(jī)質(zhì)含量，能夠較好地劃分泥頁巖在有機(jī)質(zhì)含量方面的優(yōu)劣.

（2）巖石沉積構(gòu)造劃分

以往研究經(jīng)驗(yàn)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(gòu)造類型呈現(xiàn)一定的相關(guān)性.黏土礦物或碳酸鹽礦物含量過高時(shí)，泥頁巖更易形成塊狀構(gòu)造.隨著黏土礦物含量降低，泥頁巖依次呈現(xiàn)紋層構(gòu)造和層狀構(gòu)造.這表明泥頁巖的礦物組成和沉積構(gòu)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(gòu)造也是劃分標(biāo)準(zhǔn)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(xué)者提出了多種方案.綜合對比多位學(xué)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(jī)泥頁巖中黏土礦物－碳酸鹽礦物－長英質(zhì)礦物含量，將泥頁巖劃分為5類：I）鈣質(zhì)泥頁巖，II）純泥頁巖，III）長英質(zhì)泥灰?guī)r，IV）黏土質(zhì)泥頁巖，V）長英質(zhì)泥頁巖.此種分類方法更能反映出有機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，對松頁油3井青一段泥頁巖進(jìn)行巖相劃分.根據(jù)TOC含量可分為3類：低有機(jī)質(zhì)（TOC＜1%）、中有機(jī)質(zhì)（1%＜TOC＜2%）、高有機(jī)質(zhì)（TOC＞2%）.其中低有機(jī)質(zhì)泥頁巖所占比例為2.01%，中有機(jī)質(zhì)泥頁巖所占比例為11.56%，高有機(jī)質(zhì)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(gòu)造和紋層狀沉積構(gòu)造2類.其中塊狀沉積構(gòu)造所占比例為18.09%，紋層狀沉積構(gòu)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?dú)w于泥頁巖類型劃分中的4類（圖5）：Ⅰ）鈣質(zhì)泥頁巖、Ⅲ）長英質(zhì)泥灰?guī)r、Ⅳ）黏土質(zhì)泥頁巖、Ⅴ）長英質(zhì)泥頁巖.其中長英質(zhì)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(zhì)泥頁巖幾乎可以忽略不計(jì)（不參與進(jìn)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(gòu)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(jī)質(zhì)塊狀鈣質(zhì)泥頁巖巖相，2）中有機(jī)質(zhì)塊狀鈣質(zhì)泥頁巖巖相，3）中有機(jī)質(zhì)塊狀長英質(zhì)泥灰?guī)r巖相，4）中有機(jī)質(zhì)塊狀長英質(zhì)泥頁巖巖相，5）中有機(jī)質(zhì)紋層狀長英質(zhì)泥頁巖巖相，6）高有機(jī)質(zhì)塊狀鈣質(zhì)泥頁巖巖相，7）高有機(jī)質(zhì)塊狀長英質(zhì)泥頁巖巖相，8）高有機(jī)質(zhì)紋層狀長英質(zhì)泥灰?guī)r巖相，9）高有機(jī)質(zhì)紋層狀長英質(zhì)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(jī)質(zhì)塊狀鈣質(zhì)泥頁巖巖相、中有機(jī)質(zhì)塊狀鈣質(zhì)泥頁巖巖相、中有機(jī)質(zhì)塊狀長英質(zhì)泥灰?guī)r巖相、中有機(jī)質(zhì)塊狀長英質(zhì)泥頁巖巖相、高有機(jī)質(zhì)塊狀鈣質(zhì)泥頁巖巖相及高有機(jī)質(zhì)紋層狀長英質(zhì)泥灰?guī)r巖相發(fā)育比例很??；中有機(jī)質(zhì)紋層狀長英質(zhì)泥頁巖巖相與高有機(jī)質(zhì)塊狀長英質(zhì)頁泥巖發(fā)育比例相當(dāng)，占比10%左右；高有機(jī)質(zhì)紋層狀長英質(zhì)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(zhì)泥頁巖較鈣質(zhì)泥頁巖TOC含量高，紋層狀長英質(zhì)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(jié)論

三肇凹陷青山口組一段泥頁巖發(fā)育塊狀構(gòu)造和紋層狀構(gòu)造兩種沉積構(gòu)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(zhì)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(jī)質(zhì)塊狀鈣質(zhì)泥頁巖巖相，2）中有機(jī)質(zhì)塊狀鈣質(zhì)泥頁巖巖相，3）中有機(jī)質(zhì)塊狀長英質(zhì)泥灰?guī)r巖相，4）中有機(jī)質(zhì)塊狀長英質(zhì)泥頁巖巖相，5）中有機(jī)質(zhì)紋層狀長英質(zhì)泥頁巖巖相，6）高有機(jī)質(zhì)塊狀鈣質(zhì)泥頁巖巖相，7）高有機(jī)質(zhì)塊狀長英質(zhì)泥頁巖巖相，8）高有機(jī)質(zhì)紋層狀長英質(zhì)泥灰?guī)r巖相，9）高有機(jī)質(zhì)紋層狀長英質(zhì)泥頁巖巖相.其中高有機(jī)質(zhì)紋層狀長英質(zhì)泥頁巖巖相最為發(fā)育，且有機(jī)質(zhì)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.