DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.09.025
松辽盆地齐家—古龙凹陷青山口组深水细粒沉积体系的微相类型及其页岩油气勘探意义
陈彬滔1, 2，潘树新1, 2，王天奇1, 2，张庆石3，梁苏娟1，刘彩燕1
(1. 中国石油勘探开发研究院 西北分院，甘肃 兰州，730020；
2. 中国石油天然气集团公司油藏描述重点实验室，甘肃 兰州 730020；
3. 中国石油大庆油田分公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆，163000)
摘要：为了厘清陆相湖盆深水区的沉积微相类型及其对页岩油气勘探区带优选的影响，对松辽盆地齐家—古龙凹陷青山口组泥页岩区进行精细岩心观察、测井分析、高分辨率三维地震解释、全岩光片显微组分测定、氩离子抛光-场发射扫描电镜微观孔隙研究。研究结果表明：研究区深水细粒沉积体系可划分出油页岩、深湖泥、底流改造砂、介壳滩、浊积以及块体搬运体共6种沉积微相。沉积微相与有机质赋存状态、储集空间类型以及油气富集类型之间具有良好的相关关系。油页岩和深湖泥微相的储集空间类型以有机质孔、黏土矿物粒间孔、自生黄铁矿颗粒间孔、微裂缝为主，属于基质型油气富集类型；介壳滩、底流改造砂、浊积微相属于夹层富集型油气富集类型，是页岩油气勘探的有利目标；块体搬运体微相属于孔隙富集型油气富集类型。
关键词：深水细粒沉积；页岩油气；沉积微相；底流改造砂；块体搬运体；青山口组
中图分类号：TE122.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2015)09-3338-08
Sedimentary microfacies of deepwater fine-grained depositional system and its significance for shale oil and gas exploration in Qingshankou Formation, Qijia—Gulong depression, Songliao Basin, Northeast China
CHEN Bintao1, 2, PAN Shuxin1, 2, WANG Tianqi1, 2, ZHANG Qingshi3, LIANG Sujuan1, LIU Caiyan1
(1. Research Institute of Petroleum Exploration & Development-Northwest (NWGI),
Petrochina, Lanzhou 730020, China;
2. Key Laboratory of Reservoir Description, CNPC, Lanzhou 730020, China;
3. Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Daqing Oilfield, Daqing 163000, China)
Abstract: In order to clarify the types of sedimentary microfacies in deepwater area of terrestrial lacustrine basin and its affection towards shale gas & oil exploration, the following measurements and analysis were carried out in the shale area of Qingshankou Formation in Qijia—Gulong depression, Songliao Basin: fine core observation, well logging analysis, interpretation of high resolution 3D seismic data, determination of whole core macerals, and argon ion polishing-field emission scanning electron microscope pore research. The results show that deepwater fine-grained depositional system can be divided into six sedimentary microfacies, including oil shale, deepwater mud, bottom current rework sand (BCRS), shelly beach, turbidite, and mass transport deposits (MTD). Good correlation is found between sedimentary microfacies and the occurrence of organic matter, reservoir space types, and hydrocarbon accumulation types. Reservoir space types of oil shale and deepwater mud are dominated by organic matter pores, intergranular pores between clay minerals, intergranular pores between authigenic pyrite, and microfractures, which belong to matrix-dominated hydrocarbon accumulation. Shelly beach, BCRS and turbidite microfacies are interlayer-dominated hydrocarbon accumulation, which are the favorable targets of shale gas and oil exploration. MTD are pore-dominated hydrocarbon accumulation.
Key words: deepwater fine-grained depositional system; shale oil and gas; sedimentary microfacies; bottom current rework sand (BCRS); mass transport deposits (MTD); Qingshankou Formation
随着油气勘探由以常规油气为主到常规—非常规勘探并重的转变，页岩油气已成为目前的研究热点[1]。在北美地区海相页岩油气勘探的推动下[2-5]，我国在国内的四川盆地[6-7]、鄂尔多斯盆地[8]、松辽盆地也先后开展了页岩油气区带优选和资源潜力评估。但是，目前国内外页岩油气的研究多集中于岩相[9-10]、储集空间类型[11-14]、有机地化指标优选[15]等方面，很少涉及页岩油气富集区的沉积微相研究。页岩油气是泥页岩地层所生成的油气未能完全排出而滞留或仅经过极短距离运移而就地聚集形成的油气类型，其储层包括泥页岩地层及其中夹有的致密砂岩、碳酸盐岩、火山岩薄层[16]。陆相湖盆深水区存在近似顺坡作用的深水重力流、近似沿坡作用的深水底流以及两者之间的相互作用[17-18]，造成深水区的不同部位受物源条件、地形、水动力条件等因素的影响，而发育具有不同岩性与沉积构造的沉积微相。沉积微相的分布规律不仅决定着岩性的分布，同时与有机质分布、孔隙类型、页岩油气富集规律等决定页岩油气勘探区带优选的关键参数紧密相关。因此，有必要开展陆相湖盆深水区沉积微相研究，厘清不同沉积微相类型的识别标志，为页岩油气勘探“甜点区”优选提供另一可靠参数。松辽盆地青山口组发育厚层湖相泥页岩，是盆地的主力烃源岩之一，具有巨大的页岩油气勘探潜力。但是陆相湖盆泥页岩区与国外研究比较深入的海相泥页岩区相比，其相变更快、相类型更复杂。国内外部分学者已先后对古龙凹陷青山口组泥页岩层段的地层、古生物、沉积环境以及有机地化特征进行了探讨[19]，但是尚未系统研究其沉积微相特征。为此，以精细岩心观察、钻测井、高分辨率三维地震、各种分析化验资料为基础，对松辽盆地白垩系青山口组泥页岩区的沉积微相进行系统分类，以期明确陆相湖盆深水区的沉积微相类型及其与有机质赋存状态、孔隙类型、页岩油气富集规律之间的关系。
1 研究区地质背景
松辽盆地是中国东部具有断坳双重结构的中新生代大型叠合沉积盆地，齐家—古龙凹陷位于松辽盆地中央坳陷区，为长期继承性发育的深水湖盆凹陷(见图1(a))。青山口组形成于坳陷期大规模湖侵阶段，该时期盆地稳定沉降、气候湿热[19]。青山口组自下而上分为青一段、青二段和青三段。青一段整体表现为快速湖侵，湖盆中心沉积了一套富有机质的深湖相黑色泥岩，为坳陷期最为主要的烃源岩；从青二段中、晚期开始，湖盆以水退为主，湖泊面积逐渐缩小。
青山口组沉积时期，齐家—古龙凹陷主要受西侧英台水系的控制，研究区西侧位于英台水系入湖处，为三角洲前缘沉积，向东逐渐过渡为半深湖—深湖相沉积(见图1(b))。受三角洲物源供给充足、坡折带等因素的影响，前缘外侧常因沉积物重力失稳沿坡折带滑动，形成深水砂质块体搬运砂体[20]，这也为深水区底流改造砂的形成提供了丰富的物源。
图1 研究区位置及沉积背景
Fig. 1 Location and sedimentary background of study area
2 湖相深水区沉积微相类型
根据岩性、沉积构造、沉积作用机理的不同，研究区深水区可划分出6种沉积微相(见表1)，分别为油页岩、深湖泥、底流改造砂、介壳滩、浊积以及块体搬运体。
2.1 油页岩
研究区的油页岩通常发育于青山口组1段距离西部英台物源较远的局限静水、沉积物极度匮乏的饥饿区，大量有机悬浮物质卸载。青山口组沉积时期温暖湿润的气候条件、较低的无机碎屑物质供给量以及持续稳定的沉降速率是油页岩形成的必要条件。从表1可见：油页岩在垂向上与深湖泥互层产出，单层厚度为3~5 m，平面上相对较为连续。在岩心上，油页岩为棕褐色，常见水平纹层，手触摸有油脂感，常发育黄铁矿自生矿物；在测井曲线上，油页岩多表现为高伽马(GR)、高电阻、高声波时差、低密度的特征；由于油页岩与深湖泥互层产出，两者之间的波阻抗差极大，因此油页岩层段具有高频、强振幅、连续的地震响应特征。
2.2 深湖泥
深湖细粒悬乎沉积物在静水区卸载，形成色深质纯的泥岩，常见黄铁矿自生矿物，发育水平纹层(见图2(b))。横向分布稳定，垂向厚度大，单层厚度10~50 m。中国科学院兰地所沉积实验室对研究层段深湖泥微相的泥岩进行了黏土矿物与全岩X线衍射分析(132个样品)，分析结果表明黏土矿物平均体积分数为23.5% (6.1%~39.3%)；石英、长石、黄铁矿的平均体积分数分别为44.7%(10.9%~57.2%)，18.2%(5.1%~33.2%)和5.9% (1.0%~12.8%)；碳酸盐岩的平均体积分数为7.2% (1.1%~72.5%)。在测井曲线上，GR值较高、自然电位(SP)曲线为靠近基线的平滑线。厚层块状深湖泥具有低频、弱振幅、不连续的弱反射或无反射特征(见表1)。
2.3 介壳滩
介形虫群集性“灾变”死亡，原地堆积或受底流影响而搬运再沉积形成的深水区介壳滩。研究区青山口组深湖区发育2种类型的介壳滩：一种为介形虫层与深湖泥岩互层产出即广义的混合层系[21]，此类介壳滩为介形虫死亡后原地堆积形成，无后期底流或重力流改造作用；另一种为介形虫层受后期底流或重力流改造，与陆源碎屑、泥质以不同比例混积而成，即所谓的狭义混积岩[21](见图2(c))。图3所示为陆相湖盆深水区沉积模式。介壳滩单层厚度为5~200 cm，混合层系的累计厚度最大可达20 m。介壳滩具有敏感的测井响应特征，测井曲线形态为指状，总体具有低GR、高电阻、低声波的特征。介壳滩混合层系具有高频、极强振幅、连续的地震响应特征，在平面地震属性切片上，介壳滩表现为沿正断层上升盘凸起区或水下古隆起分布的强振幅异常(见表1和图3)。
表1 研究区深水细粒沉积体系的微相分类
Table 1 Microfacies types of deepwater fine-grained depositional system
图2 研究区深水细粒沉积体系的典型岩心照片
Fig. 2 Typical core photos of deepwater fine-grained depositional system
2.4 底流改造砂(BCRS)
深水等深流、风力驱动底流等作用改造深水块体搬运体或浊积砂岩，形成近似与斜坡方向平行、与暗色泥岩互层产出的条带状薄层砂岩。底流改造砂虽然发育于深水环境，但是具有牵引与悬浮过程交替作用的特征[17]。底流改造砂通常为细砂岩或粉砂岩，单层厚度为0.1~1.5 m，发育交错层理、透镜状层理、平行层理、爬升层理等牵引构造(见图2(a)，2(d)和2(e))，但是与砂质块体搬运体不同，少见滑动、滑塌构造。在测井曲线上，底流改造砂多呈指状，具有低GR、低声波、高密度的特征。由于底流改造砂与深湖泥互层产出，两者之间的波阻抗差较大，因此，底流改造砂发育层段具有高频、中—强振幅的地震响应特征，在平面地震属性切片上(研究工区内的地震切片分辨率可达1 m[22])，底流改造砂通常表现为条带状(与三角洲前缘近似平行)中-强振幅异常(见表1)。
2.5 浊积
深水浊流作用形成细砂-泥基质韵律。岩心上为底部突变的正粒序，发育递变层理、不完整鲍马序列，单层厚度为0.1~1.0 m，测井曲线多呈小型钟形或指形。地震剖面上响应特征不明显，平面地震属性切片可见中振幅异常(见表1)。
2.6 块体搬运体(MTD)
深水块体搬运体发育于大套暗色泥岩之中，单期厚为2~8 m。其中暗色泥岩色深质纯，属于典型的半深湖-深湖泥。根据块体搬运体本身的岩性不同，又可以分为砂质块体搬运体(SMTD)和泥质块体搬运体(MMTD) 2类。砂质块体搬运体呈透镜状分布于暗色泥岩中，砂岩顶部和底部发育滑动剪切面和滑动变形构造(见图2(f)和2(g))，但是砂岩内部并未变形，具有较好的分选、磨圆性，属于三角洲前缘沉积物因重力失稳诱导整体粘结性块体滑动，在坡折带附近形成的沉积体(见图3)。块体搬运沉积除顶、底发生剪切变形作用以外，其内部基本继承了块体搬运作用之前的三角洲前缘高能环境砂岩的结构特征，具有良好的原生孔渗特征[20]。泥质块体搬运体与砂质块体搬运体具有相似的成因机理，只是原始的沉积物为前三角洲泥或湖湾泥。砂质块体搬运体的测井曲线呈箱形或钟形，具有高频、中振幅的地震响应特征，在平面地震属性切片上呈近似与湖岸线垂直的中振幅团块状异常(见表1)。
图3 陆相湖盆深水区沉积模式
Fig. 3 Depositional model of deepwater area in terrestrial lacustrine basin
3 沉积微相划分对页岩油气勘探的意义
页岩油气勘探“核心区”评价的关键包括有机质分布、储集空间类型、储层脆性指数等[1]。以齐家—古龙凹陷深水细粒沉积体系不同沉积微相的取心样品为基础，开展普通薄片、全岩光片显微组分、全岩分析、氩离子抛光-场发射扫描电镜实验，探究湖盆深水细粒沉积体系沉积微相与有机质赋存状态、孔隙类型以及页岩油气富集规律之间的关系。
3.1 沉积微相与有机质赋存状态之间的关系
有机质的赋存状态决定了烃源岩生烃的总量、微裂缝形成的难易程度以及泥页岩的基质孔隙结构类 型。研究区青山口组深水区36块样品的全岩显微组分分析结果表明：有机质赋存状态可以划分为顺层富集型、分散型以及顺层富集改造型3种类型，并且与沉积微相类型具有较好的相关关系。表2所示为沉积微相与有机质赋存状态、储集空间特征以及页岩油气富集规律之间的关系。
顺层富集型有机质主要分布在黏土粒级、碎屑含量极少的油页岩和深湖泥微相中，形成于有机质丰富、极为安静、悬浮有机沉积物卸载沉积后未受后期水动力影响的环境。有机质组分平行或近平行层理分布。在荧光显微镜下，孢子体呈短线状均匀分布，发黄—棕黄色荧光(见表2中图(a))。有机质顺层富集型分布时，在有机质富集处，岩石结合力较弱，加上成熟油气形成的流体压力较高，极易产生微裂(隙)缝，成为页岩油气的运移通道、富集空间。
分散型有机质分布于粒级较粗、含部分粉砂级碎屑的泥岩中，多发育于介壳滩、底流改造砂微相附近。有机质组分在持续底流作用下，呈分散状分布于黏土基质中，无特定规律，在荧光显微镜下表现为星星点点的发光体(见表2中图(b))。
顺层富集改造型有机质分布于浊积、块体搬运体附近的细粒泥岩中。在荧光显微镜下可见平行或近平行的有机质组分原始沉积赋存状态，反映其原始沉积于安静的深水环境，但是受后期事件性水动力扰动的影响，顺层分布、发黄色荧光的短线状有机组分发生旋转变形(见表2中图(c))。
3.2 沉积微相与储集空间类型之间的关系
储集空间类型是页岩油气“核心区”评价的关键参数之一。研究区青山口组深水区58块样品(取自不同微相类型)的薄片鉴定、氩离子抛光-场发射扫描电镜观察结果表明，不同的沉积微相类型决定了不同的储集空间特征。
油页岩、深湖泥微相主要发育有机质孔、黏土矿物粒间孔、自生黄铁矿颗粒间孔以及微裂缝。有机质孔为有机质团块生烃之后残留的孔隙，分布于热演化程度较高的有机质团块内部，形态不规则(见表2中图(d))，孔隙直径一般介于0.2~1.5 μm，较为发育，连通性一般；黏土矿物晶间孔隙分布于黏土矿物薄片或胶结物晶体之间，呈规则长条状(见表2中图(e))，孔隙直径为60~150 nm，较为发育，连通性较差，多呈孤立状；自生黄铁矿颗粒间孔分布于霉状黄铁矿颗粒之间，形状规则(见表2中图(f))，孔隙直径为0.8~4.5 μm，连通性好；微裂缝分布于基质或黏土矿物中，呈弯曲线状，裂缝宽度为0.2~3.0 μm，极为发育，连通性好。
介壳滩微相的介壳体腔内通常充填重结晶方解石，局部发育晶间溶孔，孔隙直径为10~180 μm，连通性差(见表2中图(g))。由于研究区青山口组埋藏深度已接近2 500 m，介壳滩的原生孔隙(生物体腔孔、壳间孔等)因压实、胶结作用已基本消失殆尽。
底流改造砂、浊积、块体搬运体微相的粒级较粗，主要发育原生孔隙和次生溶蚀孔隙。碎屑颗粒以点接触为主，局部为线接触和凹凸接触，多数原生孔隙呈三角形或多边形(见表2中图(h)，深色箭头)，孔隙直径为0.05~0.20 mm，配位数2~3，孔隙的连通性较好。粒间溶孔表现为原生孔隙周围的长石、岩屑、胶结物或杂基边缘因溶蚀作用而形成的溶蚀扩大孔隙，孔隙边缘多呈港湾状(见表2中图(h)，浅色箭头)，形态不规则，连通性好；粒内溶孔为长石或胶结物颗粒部分溶解，其中沿长石解理发育的蜂窝状粒内溶孔(见表2中图(i)，深色箭头)最为典型，粒内溶孔通常可与原生孔隙连通，成为有效储集空间。
3.3 沉积微相与页岩油气富集类型之间的关系
根据研究区青山口组的储集空间特征，结合前人的研究成果与分类方法[16]，将页岩油气富集类型分为3类，分别为基质富集型、夹层富集型以及孔隙富集型。
表2 沉积微相与有机质赋存状态、储集空间特征以及页岩油气富集规律之间的关系
Table 2 Relationship among microfacies and the occurrence of organic matter, reservoir space types, and hydrocarbon accumulation types
油页岩、深湖泥微相对应于基质富集型，页岩油气富集于泥页岩的基质微孔隙或微裂缝中，泥页岩的油气富集程度受控于有机质丰度、类型、成熟度等因素，开发相对困难。目前已形成工业产能的基质富集型页岩油实例较少，相对较为重要的代表为福特沃斯前陆盆地中含油的Barnett页岩和鄂尔多斯盆地延长组长7湖相页岩，基质富集型页岩油甜点区通常应具有富有机质、脆性指数高、地层压力大、油质轻的特点，以利于形成天然裂缝或诱导裂缝，易于原油在纳米级孔喉储集系统中流动。
介壳滩、底流改造砂、浊积微相对应于夹层富集型，介壳滩、底流改造砂、浊积微相的薄层碳酸盐岩、粉砂岩或粉细砂岩具有相对较好的孔渗条件，而上下邻层的泥页岩具有极好的生烃能力，只需短距离运移即可形成夹层富集。此外，介壳滩、底流改造砂及浊积砂的脆性强，易于进行储层压裂改造，是页岩油气勘探的有利目标。目前，已工业化开采的美国粉河盆地Niobrara页岩层段[16]、中国松辽盆地青山口组泥页岩层段均属于夹层富集型的典型代表。但是受沉积微相类型差异的影响，美国粉河盆地的夹层富集型页岩油层段通常为富有机质页岩夹泥灰岩和白垩[16](孔隙度为4%~13%，渗透率为0.1×10-3~3.0×10-3 μm-2)；中国松辽盆地青山口组则多表现为富有机质页岩夹底流改造砂和浊积砂(孔隙度为1%~9%，渗透率为0.1×10-3~1.9×10-3 μm-2)，中国陆相盆地夹层的互层频率更高，但原始孔渗条件相对较差。
块体搬运体微相属于孔隙富集型，块体搬运砂岩通常呈透镜状分布于泥页岩中，受泥页岩层段地层超压和有机酸溶蚀作用的影响[24]，原始孔隙保存较好、次生溶蚀孔隙较发育，邻近泥页岩层生成的油气短距离运移后即可成藏。松辽盆地的泥页岩油气勘探实践表明，呈孤立状分布于半深湖—深湖泥中的块体搬运砂岩均能成藏，钻探效果良好。
4 结论
1) 青山口组深水细粒沉积体系可划分出6种沉积微相类型，分别为油页岩、深湖泥、底流改造砂、介壳滩、浊积以及块体搬运体。
2) 青山口组深水细粒沉积体系沉积微相与有机质赋存状态、储集空间类型以及油气富集类型之间具有良好的相关关系，可作为页岩油气勘探“核心区”优选的评价参数。
3) 油页岩和深湖泥微相对应于顺层富集型有机质赋存状态，储集空间类型以有机质孔、黏土矿物粒间孔、自生黄铁矿颗粒间孔、微裂缝为主，属于基质型油气富集类型。
4) 介壳滩、底流改造砂、浊积微相属于夹层富集型油气富集类型，是页岩油气勘探的有利目标；块体搬运体微相对应于顺层富集改造型有机质赋存状态，原生粒间孔隙与次生溶蚀孔隙较为发育，属于孔隙富集型油气富集类型。
致谢：
本文的部分实验工作得到了中国石油勘探开发研究院西北分院李智勇、王朴工程师的协助，在此深表谢意！
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(编辑 罗金花)
收稿日期：2014-11-29；修回日期：2015-01-30
基金项目(Foundation item)：中石油股份公司重大专项(2012E-2603-01) (Project(2012E-2603-01) supported by the Key Project Program of PetroChina)
通信作者：陈彬滔，工程师，从事沉积与储层评价研究；E-mail: tobychencugb@foxmail.com
