2021, Vol. 30
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松辽盆地是世界上已发现油气资源最为丰富的陆相沉积盆地，也是中国重要的产油气盆地之一. 目前，松辽盆地常规油气勘探开发已进入中后期，常规油气增储上产难度大，迫切需要开拓新的油气接替领域[1]. 松辽盆地白垩系发育沙河子组、青山口组、嫩江组等多套陆相页岩，是盆地主要烃源岩层，在地质历史时期生成了大量的烃类，除了运移至砂岩储层聚集成藏外，还有大量的油气残留于页岩中，形成了巨大的页岩油气资源[2-6].
中国中生代以来广泛发育大型淡水、咸水长期持续沉降的拗陷和断陷湖盆，均可保存有机质形成优质烃源岩. 通常陆相页岩油层以Ⅰ-Ⅱ型有机质为主，热演化程度上多处于液态石油生成阶段，成熟区主力烃源岩层资源潜力大，且富集大量可动资源. 半深湖-深湖相是烃源岩形成的最有利相带，沉积有机质丰度高，可形成高丰度的页岩有利区（段）. 富有机质页岩中有机质纹层广泛存在，有机质为无定型、不规则的微粒、凝块或絮团，呈纹层状和条带状[5-6]. 另外，陆相页岩层系石油充注程度高、含油层系多、分布面积广，石油资源规模大，存在多类型局部有利储集层“甜点”. 近年重点探区勘探研究和初步实践证实，中国陆相页岩层系具有烃源岩内大规模石油聚集成藏、多层系多类型大面积分布特征[7].
松辽盆地白垩系上统青山口组一段（以下简称“青一段”）页岩有机质丰度高、类型好、演化程度适中、生烃能力强，页岩内部大量滞留烃富集，是典型的陆相页岩油潜在勘探开发层系. 目前多口探井在青一段页岩层段中见丰富页岩油显示，部分探井试油获得油流. 另外，根据前人研究成果，从页岩储层特征、地球化学特征等基础油气地质条件的角度，青一段页岩是松辽盆地页岩油勘查最为现实的层系，具备规模页岩油资源形成所需的基础地质条件[8-9]. 目前，松辽盆地页岩油气资源勘探尚处于起步阶段，缺乏针对青一段页岩油富集特征的系统研究. 本文以松辽盆地南部长岭凹陷为例，系统分析青一段页岩滞留烃、岩相类型、储集空间及物性、页岩矿物组成等特征，研究富集主控因素，通过多因素叠合圈定页岩油富集区，为其他地区的深湖相页岩勘查提供借鉴.
1 区域地质概况松辽盆地是中国东部大型叠合含油气盆地，总面积达26×104 km2，根据基底性质和盖层的区域地质特征，整体划分为中央拗陷区、北部倾没区、西部斜坡区、东北隆起区、东南隆起区和西南隆起区等6个一级构造单元[10-13]. 本次研究对象主要是位于松辽盆地南部的主力的生烃凹陷--长岭凹陷（图 1）. 青一段泥页岩广泛发育，分布面积超过2×104 km2，沉积厚度大，是页岩油勘查有利领域.
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图 1 松辽盆地南部构造位置及地层综合柱状图（据文献[15]改编） Fig.1 Tectonic location and comprehensive stratigraphic column of southern Songliao Basin (Modified from Reference[15]) 1-盆地边缘（basin boundary）；2-一级构造单元界线（boundary of first-order tectonic unit）；3-研究区范围（study area）；4-地名（place name）；5-井号（well number）；6-砂岩（sandstone）；7-火山岩（volcanic rock）；8-泥页岩（shale）；9-角砾岩（breccia）；10-粉砂岩（siltstone）；11-盐膏岩（salt gypsum rock） |
长岭凹陷发育下部上侏罗统-下白垩统断陷层系和上部上白垩统拗陷层系双层地质结构. 自下而上依次发育火石岭组、沙河子组、营城组、登娄库组、泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组，其中青山口组一段是拗陷层系主力页岩油富集潜在层系[14-15]，也是本次研究的目的层段.
2 青一段页岩油富集地质特征 2.1 页岩分布特征松辽盆地上白垩统为大型淡水-微咸水湖相沉积环境. 青山口组沉积早期（青一段）湖盆急剧扩张，湖盆面积扩大，主要沉积了深湖及半深湖相有机质富集的暗色泥岩；青山口组沉积晚期（青二、三段），总体表现为水退，湖盆萎缩，陆源碎屑供应充分，粗碎屑物质较发育，主要沉积三角洲前缘砂岩及滨浅湖相泥岩[15-17]. 因此，在垂向分布上优质页岩主要发育于青一段中下部，暗色泥岩厚度一般为50~100 m，平均厚度80 m，主体埋深1 500~2 500 m. 在平面上，青山口组沉积时期松辽盆地南部主要发育西部和南部两大河流体系，湖盆主要分布在盆地中部及北部，在盆地中心发育半深湖-深湖亚相，向盆地边缘逐渐演化为前三角洲、三角洲前缘亚相. 因此，青一段暗色页岩主要分布于中央拗陷区的长岭断陷，沉积中心为乾安-大安一带，最大厚度超过90 m（图 2）.
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图 2 松辽盆地南部青一段页岩分布特征 Fig.2 Distribution characteristics of K2qn1 shale in southern Songliao Basin 1-厚度等值线（thickness contour）；2-井号（well number）；3-地名（place name） |
长岭凹陷青一段页岩有机质丰度高，有机碳含量（TOC）以1.5%~3.0%为主，平均达到2.0%以上；有机质类型为Ⅰ型、Ⅱ1型，以生油型母质为主；有机质演化程度为0.8%~1.1%，处于生油高峰阶段，具有滞留烃富集的物质基础. 青一段暗色页岩具有较高的残留烃量，氯仿沥青“A”含量绝大部分大于0.2%，平均值为0.35%，最高可达2%；热解S1值含量普遍大于1.5×10-3，最高可达4×10-3，平均为2.2×10-3. 受有机质演化程度及生排烃作用的影响，页岩中滞留烃富集在一定的深度范围内. 通过有机地球化学综合演化剖面（图 3）分析，青一段页岩中滞留烃主要富集在1 800~2 500 m深度范围内. 在这一深度范围内，有机质演化程度达到0.8%~1.2%，有机质大量转化为烃类，TOC及热解S2值随深度增加逐渐减小，热解S1值达到高值，超过2×10-3.
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图 3 青一段页岩有机地球化学综合演化剖面 Fig.3 Comprehensive evolution profile of organic geochemistry of K2qn1 shale |
在页岩层系中，滞留烃的可流动性对于页岩油的评价具有至关重要的作用，可流动的原油是页岩油资源中具有工业价值潜力的部分. 在北美页岩油评价中，应用油跨越指数（S1/TOC）表征页岩油的可流动性，在北美Eagle Ford页岩中工业油流井S1/TOC值大于100%. 松辽盆地青一段页岩S1/TOC值主要介于50%~200%，平均超过80%，试油获得工业油流的层段S1/TOC值超过100%，低产油流井S1/TOC值超过80%，显示井S1/TOC值均小于80% [18-19].
根据青一段已采出的致密油原油物性数据统计分析结果，滞留在青一段页岩中的烃以油为主. 页岩中原油密度（地面密度，测量温度为20 ℃）为0.82~0.88 g/cm3，平均0.84 g/cm3，原油黏度（50 ℃）整体小于40 mPa·s，大部分小于20 mPa·s；原油含蜡量在15%~30%之间，平均超过20%，含量相对较高，属于含蜡轻-中质原油. 多口钻井试油结果同样表明，在青一段原油成熟度高，黏度低，流动性好，有利于形成工业油流（图 4）.
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图 4 青一段页岩中原油性质与单井产量关系 Fig.4 Relation between crude oil properties and single well production in K2qn1 shale |
松辽盆地南部青山口组一段可划分为3个页岩层组，3个层组之间在岩性、有机质类型、含油性、储层物性等方面具有明显差异（图 5），表明青一段发育3类不同特征页岩岩相体系. 其中，1号层组岩性为纯页岩，不含纹层，不发育粉砂岩，颜色主要为深灰色、灰黑色和黑色，层理缝及高角度裂缝发育，有机质含量高，TOC均大于2%，有机质类型以Ⅰ型为主，残留烃含量高，热解S1 > 2×10-3，氯仿沥青“A”>0.4%，平均有效孔隙度高（6.4%），定义为层理型页岩；2号层组岩性为页岩、粉砂质泥岩，泥岩颜色主要为深灰色、灰色，内部发育砂质纹层或介形虫纹层，有机质含量中-高，TOC 1%~3%，有机质类型以Ⅰ型为主，页岩中残留烃含量较高，热解S1主体大于2×10-3，部分在1×10-3~2×10-3之间，氯仿沥青“A”>0.4%，平均有效孔隙度为5.5%，定义为纹层型页岩；3号层组岩性为页岩、粉砂质泥岩，局部发育粉砂岩，泥岩颜色主要为灰色，内部发育砂质纹层或介形虫纹层，部分泥岩段出现砂泥互层，有机质含量中-低，TOC < 2×10-3，有机质类型以Ⅱ1和Ⅱ2型为主，页岩中残留烃含量分布不均，平均有效孔隙度为5.4%，定义为互层型页岩. 综合判断认为，层理型和纹层型页岩含油性、物性要优于互层型页岩.
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图 5 长岭凹陷青一段岩相及层组划分图 Fig.5 Lithofacies and stratigraphic division of K2qn1 in Changling Sag |
从微观特征上来看，青一段页岩主要发育粒间孔隙和微裂缝多种类型储集空间，但是，不同的岩相中发育的孔隙类型有所差异. 通过扫描电镜图像和QEMSCAN可以有效获得不同岩相中不同孔隙类型的相对含量，辅助分步抽提实验可以获得不同岩相孔径形态及大小分布[20-22]. 对青一段3种岩相类型的页岩样品进行了研究，结果表明，在层理型页岩中，伊利石晶间孔占主体，约占58.8%，其次为石英、长石所围成的粒间孔，约占33.04%，黄铁矿晶间孔约占5.1%，几乎不发育粒内溶孔和白云石晶间孔（图 6a），孔径类型以介孔为主，孔径分布区间集中在10~50 nm（图 6b）；纹层型页岩和互层型页岩具有较高的长英质矿物粒间孔含量，分别为36%和45%，明显高于层理发育型页岩中的粒间孔含量，该类型粒间孔主要发育在砂质纹层中，在泥质纹层中仍以伊利石晶间孔为主. 纹层型页岩孔径类型以介孔-宏孔为主，孔径分布区间集中在20~60 nm；互层型页岩孔径类型以介孔-宏孔为主，孔径分布区间集中在3~30 nm. 综合来看，层理型页岩孔隙类型以黏土矿物晶间孔为主，纹层型和互层型页岩孔隙类型兼具黏土矿物晶间孔和长英质粒间孔，平均孔隙直径大小排序为：纹层型页岩>层理型页岩>互层型页岩.
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图 6 青一段页岩各类岩相孔隙特征 Fig.6 Pore characteristics for various lithofacies of K2qn1 shale 1-互层型（interbedded type）；2-纹层型（laminated type）；3-层理型（bedded type） |
青一段页岩矿物主要由石英、钾长石、斜长石、方解石、黏土矿物及黄铁矿组成. 本研究对长岭凹陷青一段页岩岩心矿物组成进行了分析，结果表明青一段页岩脆性矿物含量为33%~70%，均值52%，以石英和斜长石为主；黏土矿物含量23%~68%，均值46%，以伊利石和伊/蒙混层为主（图 7）；碳酸盐矿物、黄铁矿等含量较少. 其中，层理型页岩以黏土矿物为主，平均含量为53.7%；纹层型页岩中主要成分石英、长石和黏土矿物呈现混积分布，分别为26.6%、16.3%和32.4%，局部发育介形虫纹层，引起碳酸盐含量局部较高；互层型页岩黏土矿物含量较低，平均值为21.5%，长英质含量较高，平均64.6%，局部砂质层内出现少量钙质胶结，引起方解石含量增加. 整体来看，青一段页岩脆性矿物含量高，可压裂性较好，其中纹层型和互层型页岩可压裂性要优于层理型页岩.
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图 7 青一段页岩全岩矿物含量及黏土矿物含量分布图 Fig.7 Distribution of whole rock mineral and clay mineral contents in K2qn1 shale 1-石英（quartz）；2-长石（feldspar）；3-碳酸盐矿物（carbonate mineral）；4-菱铁矿（siderite）；5-黄铁矿（pyrite）；6-黏土矿物（clay mineral）；7-伊蒙混层（illite-smectite mixture）；8-伊利石（illite）；9-绿泥石（chlorite） |
综合对青一段页岩油富集地质条件的分析表明，层理型和纹层型兼具较好的含油性、物性、储集空间类型和可压裂性，是长岭凹陷最重要的页岩油富集目标层系，可以作为有利区优选和井位部署的重要依据.
3 页岩油资源潜力 3.1 有利区优选有利区的优选决定页岩油的勘探方向. 有利区是指在富有机质页岩发育的基础上，页岩层系中滞留烃富集，通过钻探能够或可能获得页岩油流的区域[23-25]. 主要的评价指标是在潜力区评价的基础上，提高页岩的厚度、有机质丰度、成熟度等参数的标准，且增加含油性参数（热解S1或氯仿沥青“A”）的约束. 依据松辽盆地南部青山口组一段页岩油发育地质条件，综合分析国内已有陆相页岩油有利区评价指标，建立了基于页岩厚度（大于50 m）、TOC（大于1.5%）、Ro（大于0.7%）、S1（大于1.0×10-3）、S1/TOC（大于100%）等多参数的有利区优选评级标准.
按照上述多因素评价标准，对长岭凹陷进行页岩油富集要素叠合评价，圈定出乾安和大安两个页岩油富集区，有利区面积2 880 km2（图 8）. 其中，乾安有利区主要分布在长岭凹陷乾安次洼，有利区面积为1 300 km2，发育三角洲外前缘深湖-半深湖相带页岩，青一段主要发育层理型、纹层型两类有利页岩层系；大安-塔虎城有利区主要分布在长岭凹陷大安-塔虎城次洼、红岗阶地东北部及扶新隆起带西缘，有利区面积为1 580 km2，主要发育深湖-半深湖相带页岩，青一段以层理型页岩为主，纹层型页岩欠发育. 因此，优选发育两类有利岩相的乾安有利区部署吉页油1HF井实施钻探验证，该井压后放喷求产获得16.4 m3/d的高产页岩油流，证实了页岩油富集有利区优选的正确性.
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图 8 松辽盆地南部青一段页岩油有利区分布图 Fig.8 Distribution map of favorable areas for shale oil in K2qn1 in southern Songliao Basin 1-地层埋深（buried depth of formation）；2-超压边界（overpressure boundary）；3-TOC边界（TOC boundary）；4-Ro边界（Ro boundary）；5-S1边界（S1 boundary）；6-井号（well number）；7-地名（place name） |
目前，针对陆相页岩油气资源潜力尚未形成一个较为明确和有针对性的评价体系，常规油气资源评价方法中成因法、资源丰度类比法、EUR类比法、容积法、油气资源空间预测法等，因需要的地质参数较多，不适用于勘探程度较低、缺少试采数据的页岩油资源评价. 考虑到数据丰富程度，本次评价主要采用体积法中的热解S1法对松辽盆地南部长岭凹陷的页岩油资源进行估算. 该方法具有方法成熟、分析精度高、经济快捷、样品用量少、获取比较方便等优点.
热解S1法是应用热解S1参数作为页岩油含量的衡量指标. S1为游离态，是岩石在热解升温过程中300 ℃以前热蒸发出来的，为源岩中已经生成但尚未排出的烃类产物，正是页岩油评价和勘探的对象. 计算公式如下：
| $ Q = V \times \rho \times {S_1} \times ({k_{轻烃}} + {k_{重烃}}) $ |
式中，V-页岩体积，m3；ρ-页岩密度，g/cm3；S1-残留烃含量，10-3；k轻烃-S1的轻烃补偿校正系数；k重烃-S1的重烃补偿校正系数.
在参数选取过程中，ρ、k轻烃、k重烃均属于经验参数，根据长岭地区概率统计得出固定赋值，其中乾安地区页岩岩石密度为2.45 g/cm3，大安地区页岩岩石密度为2.4 g/cm3；通过吉页油1HF井青一段岩心分温阶热解实验与常规热解对比确定重烃校正系数（k重烃）为2.1，根据取心后立即实测热解S1值与放置2个月后实测热解S1数据对比确定轻烃校正系数（k轻烃）为0.79；对于V、S1参数的确定采用归一化网格法进行，对上文有利区的优选评价过程中形成的页岩等厚图、S1等值线图按照10 km × 10 km的密度进行网格化处理，计算每一单元格中的资源丰度. 最终，按照热解S1方法初步估算乾安有利区页岩油资源量约15×108 t，大安-塔虎城有利区约20×108 t，长岭凹陷青一段页岩油资源量约为35×108 t，具有十分可观的页岩油勘探开发前景.
4 结论（1）松辽盆地南部长岭凹陷青一段半深湖-深湖相页岩发育，页岩油远景区面积可达2×104 km2，青一段页岩沉积厚度50~100 m，平均厚度80 m，滞留烃含量高，有利深度段在1 800~2 500 m，且原油性质为轻质-中质，流动性好，具备页岩油富集有利地质条件.
（2）青一段页岩可划分为层理型、纹层型、互层型3种岩相类型，其中层理型和纹层型兼具较好的含油性、物性、储集空间类型和可压裂性，是主要的页岩油富集层系.
（3）依据形成的页岩油富集地质认识，按照富集主控因素多因素叠合法评价出乾安和大安两个页岩油富集区，有利区面积2 880 km2. 其中，乾安富集区发育层理型、纹层型两类有利页岩层系，在该区部署吉页油1HF井实施钻探验证，压后测试获得16.4 m3/d的高产页岩油流，对中国深湖相页岩油勘探开发具有借鉴意义.
（4）采用热解S1方法初步估算长岭凹陷青一段页岩油资源量为35×108 t，其中乾安有利区页岩油资源量15×108 t，大安-塔虎城有利区20×108 t，证实松辽盆地南部青一段具有十分可观的页岩油勘探开发前景.
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