石油勘探与开发 >

2023 , Vol. 50 >Issue 6: 1150 - 1161

DOI: https://doi.org/10.11698/PED.20230173

油气勘探

陆相富碳酸盐页岩结构特征与页岩油可动性——以济阳坳陷古近系沙河街组页岩为例

  • 刘惠民 , 1 ,
  • 包友书 , 2 ,
  • 张守春 2 ,
  • 李政 2 ,
  • 李军亮 2 ,
  • 王学军 2 ,
  • 吴连波 2 ,
  • 王勇 2 ,
  • 王伟庆 2 ,
  • 朱日房 2 ,
  • 张顺 2 ,
  • 王鑫 2
展开
  • 1 中国石化胜利油田分公司，山东东营 257001
  • 2 中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营 257015
包友书（1972-），男，辽宁建昌人，博士，中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司勘探开发研究院研究员，主要从事石油地质及地球化学研究工作。地址：山东省东营市聊城路2号，邮政编码：257015。E-mail：

刘惠民（1969-），男，山东寿光人，博士，中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司教授级高级工程师，主要从事油气勘探研究与管理工作。地址：山东省东营市济南路125号，邮政编码：257000。E-mail：

Copy editor: 衣英杰

收稿日期: 2023-04-03

  修回日期: 2023-10-10

  网络出版日期: 2023-11-23

基金资助

国家科技重大专项(2017ZX05049-004)

中国石油化工集团有限公司项目(P22083)

中国石油化工集团有限公司项目(P23084)

收起

Structural characteristics of continental carbonate-rich shale and shale oil movability: A case study of the Paleogene Shahejie Formation shale in Jiyang Depression, Bohai Bay Basin, China

  • LIU Huimin , 1 ,
  • BAO Youshu , 2 ,
  • ZHANG Shouchun 2 ,
  • LI Zheng 2 ,
  • LI Junliang 2 ,
  • WANG Xuejun 2 ,
  • WU Lianbo 2 ,
  • WANG Yong 2 ,
  • WANG Weiqing 2 ,
  • ZHU Rifang 2 ,
  • ZHANG Shun 2 ,
  • WANG Xin 2
Expand
  • 1 Sinopec Shengli Oilfield Company, Dongying 257001, China
  • 2 Research Institute of Exploration and Development, Sinopec Shengli Oilfield Company, Dongying 257015, China

Received date: 2023-04-03

  Revised date: 2023-10-10

  Online published: 2023-11-23

Fold

摘要

基于岩矿及地球化学分析、物性测定、镜下观测及不同薄层剥离测试等手段，剖析了渤海湾盆地济阳坳陷古近系沙河街组富碳酸盐页岩的结构特征，对比了不同类型页岩薄层的有机质丰度、储集性及含油性，划分出典型的页岩储-渗结构类型，并分析了不同类型页岩储-渗结构中油的可动性。取得以下认识：①泥质层与方解石层重复叠置是富碳酸盐页岩的主要结构类型，其中方解石层分为泥晶方解石层、粉晶方解石层和纤维状方解石脉。②泥质层是页岩有机质丰度及孔隙度的主要贡献者，具有最好的生烃能力、储集性能和含油性；而泥晶方解石层也具有较好的生烃潜力、储集性和含油性；粉晶方解石层和纤维状方解石脉具有较好的渗流输导性能。③济阳坳陷富碳酸盐页岩主要发育4种类型储-渗结构，各类储-渗结构中油的可动性强弱依次为：富粉晶方解石层页岩储-渗结构、富复合方解石层页岩储-渗结构、富纤维状方解石脉页岩储-渗结构、富泥晶方解石层页岩储-渗结构。济阳坳陷沙河街组页岩油在不同热演化阶段具有不同的储-渗结构类型勘探目标。

关键词： 页岩油; 富碳酸盐页岩; 页岩结构; 储-渗结构; 页岩油可动性; 古近系沙河街组; 济阳坳陷; 渤海湾盆地

本文引用格式

刘惠民 , 包友书 , 张守春 , 李政 , 李军亮 , 王学军 , 吴连波 , 王勇 , 王伟庆 , 朱日房 , 张顺 , 王鑫 . 陆相富碳酸盐页岩结构特征与页岩油可动性——以济阳坳陷古近系沙河街组页岩为例[J]. 石油勘探与开发, 2023 , 50(6) : 1150 -1161 . DOI: 10.11698/PED.20230173

Abstract

Based on rock mineral and geochemical analysis, microscopic observation, physical property measurement, and thin layer separation test, the characteristics of typical layers of the Paleogene Shahejie Formation carbonate-rich shale in the Jiyang Depression were analyzed, and the organic matter abundance, reservoir properties, and oil-bearing properties of different layers were compared. Typical shale storage-seepage structures were classified, and the mobility of oil in different types of shale storage-seepage structure was compared. The results show that the repeated superposition of mud layer and calcite layer is the main layer structure of carbonate-rich shales. The calcite layer is divided into micritic calcite layer, microsparry calcite layer and fibrous calcite vein. The mud layer is the main contributor to the organic matter abundance and porosity of shale, with the best hydrocarbon generation potential, reservoir capacity, and oil-bearing property. The micritic calcite layer also has relatively good hydrocarbon generation potential, reservoir capacity and oil-bearing property. The microsparry calcite layer and fibrous calcite vein have good permeability and conductivity. Four types of shale storage-seepage structure are developed in the carbonate-rich shale, including microsparry calcite-rich structure, mixed calcite-rich structure, fibrous calcite vein-rich structure, and micritic calcite-rich structure, in a descending order of oil mobility. The exploration targets of carbonate-rich shale in the Jiyang Depression Shahejie Formation are different in terms of storage-seepage structure at different thermal evolution stages.

Key words： shale oil; carbonate-rich shale; shale fabric; storage-seepage structure; shale oil movability; Paleogene Shahejie Formation; Jiyang Depression; Bohai Bay Basin

0 引言

中国陆相盆地发育多套湖相页岩，具有形成规模页岩油资源的物质基础，但和北美页岩相比，中国陆相盆地页岩层具有诸多不利因素，包括：①沉积相变快导致非均质性更强，预测难度大；②沉积年代较新且黏土矿物含量高，导致黏土矿物转化程度低、敏感性较强、可压性较差；③有机质成熟度较低，导致烃类流体黏度和密度较大、流动性较差等[1-2]。而近几年陆相页岩油取得诸多勘探突破，包括准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组[3]、渤海湾盆地沧东凹陷古近系孔店组[4-5]、松辽盆地白垩系青山口组[6]、渤海湾盆地济阳坳陷古近系沙河街组[7]、准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组[8]和鄂尔多斯盆地三叠系延长组等[9]，证实了中国陆相页岩油具有富集可动的地质条件及勘探前景。
中国陆相页岩类型多样，包括富长英质型、富碳酸盐型和混合质型。渤海湾盆地济阳坳陷古近系沙河街组发育典型的富碳酸盐页岩。胜利油田经过十几年陆相页岩油的技术攻关，在页岩岩相及组合特征、页岩微观储集性、页岩含油性及可动性等方面取得了一系列的理论及勘探成果[7,10⇓⇓ -13]，有效地指导了济阳坳陷页岩油勘探，在Ro值为0.6%~1.1%的页岩中，均取得了页岩油勘探的重大突破。深入研究该类型页岩特征对丰富中国陆相页岩油勘探理论具有重要的意义。前人对该类型页岩的研究多注重不同岩相或岩相组合的宏观、微观特征及其对可动性的影响，而对构成页岩的不同基础薄层的生、储、渗特征差异性及其对可动性的影响研究较少。本文从济阳坳陷古近系沙河街组页岩的微观基础层结构特征入手，比较不同基础层的有机质丰度、含油性、储集性差异，探索页岩层结构特征对页岩油可动性的影响，希望能为其他陆相富碳酸盐页岩油勘探提供参考。

1 地质概况

济阳坳陷位于渤海湾盆地的东南部，为中—新生代发育的多旋回叠合盆地（见图1）。其古近系的地层由老到新依次发育孔店组、沙河街组和东营组。其中，沙河街组自下而上分为沙河街组四段、沙河街组三段、沙河街组二段和沙河街组一段。古近系发育沙四段上亚段（简称沙四上亚段或沙四上）、沙三段下亚段（简称沙三下亚段或沙三下）和沙一段3套主力页岩。沙四上亚段和沙三下亚段烃源岩是已发现常规油气的主要来源，也是页岩油气勘探的最有利目标[14⇓-16]。
图1 研究区构造单元划分及典型井位置图
济阳坳陷沙四上亚段和沙三下亚段富碳酸盐泥页岩从层理构造上可分为纹层状页岩、层状页岩和块状泥岩。其中纹层状或层状页岩均为不同岩性的薄层重复叠置构成，主要的薄层类型为泥质层和碳酸盐层，碳酸盐层中以灰质层为主。

2 页岩矿物组成及其与有机碳含量、孔隙度关系

2.1 页岩矿物组成

沙三下亚段和沙四上亚段页岩的主要矿物包括碳酸盐矿物、陆源碎屑矿物（石英和长石等）和黏土矿物，以及少量的其他矿物（黄铁矿和石膏等）。碳酸盐矿物中以方解石为主，白云石含量相对较低，菱铁矿少量发育。陆源碎屑矿物中，以石英为主，长石含量相对较低（见表1）。主要矿物按其平均含量高低排序为：碳酸盐矿物、陆源碎屑矿物、黏土矿物。沙三下亚段页岩碳酸盐矿物、陆源碎屑矿物和黏土矿物的平均含量分别为45.5%，26.0%，24.9%；沙四上亚段页岩碳酸盐矿物、陆源碎屑矿物和黏土矿物的平均含量分别为47.6%，28.6%，20.8%。在各页岩样品中页岩的主要矿物（方解石、石英、黏土等）含量变化较大，体现出陆相页岩的强烈非均质性，如在沙四上亚段页岩样品中，方解石含量为1%~89%，黏土矿物含量为1%~59%，石英矿物含量为1%~55%。
表1 济阳坳陷古近系页岩矿物含量表
层位 碳酸盐矿物含量% 黏土矿物
含量%		 陆源碎屑矿物含量% 其他矿物含量%
方解石 白云石 菱铁矿 石英 长石 黄铁矿 石膏
沙三下亚段 1~88/38.6 1~72/6.3 0~11/0.6 3~62/24.9 5~61/22.6 0~35/3.4 1~17/3.0 0~12/0.1
沙四上亚段 1~89/34.7 0~93/12.6 0~4/0.3 1~59/20.8 1~55/23.3 0~39/5.3 0~23/2.5 0~41/0.3

注：“/”后为平均值，沙三下亚段样品749个，沙四上亚段样品606个

2.2 有机质丰度及其与矿物组成关系

济阳坳陷沙三下亚段和沙四上亚段页岩一般具有较高的有机质丰度，并表现出强烈的非均质性。如沙三下亚段TOC值为0.66%~13.60%，平均值为3.15%，热解S1值为0.03~14.17 mg/g，平均值为3.48 mg/g；热解S2值为0.04~78.59 mg/g，平均值为14.69 mg/g；生烃潜量（S1+S2）值为0.08~87.68 mg/g，平均值为18.17 mg/g（见表2）。
表2 济阳坳陷页岩有机质丰度统计表
层位 范围 TOC/
%		 热解S1/
(mg·g−1)		 热解S2/
(mg·g−1)		 生烃潜量(S1+S2)/
(mg·g−1)
沙
三
下		 最小值 0.66 0.03 0.04 0.08
最大值 13.60 14.17 78.59 87.68
平均值 3.15 3.48 14.69 18.17
沙
四
上		 最小值 0.08 0.02 0.01 0.03
最大值 11.40 13.78 71.01 81.81
平均值 2.49 3.25 10.26 13.51

注：沙三下亚段样品736个，沙四上亚段样品609个

沙三下亚段和沙四上亚段页岩的TOC值总体上与碳酸盐矿物含量呈负相关关系（见图2a），与黏土矿物和陆源碎屑矿物含量均呈正相关关系（见图2b、图2c）。而陆源碎屑矿物含量与黏土矿物含量呈正相关关系（见图2d）。除薄砂层外，页岩中的石英和长石矿物多为细粒沉积物，与黏土矿物共沉积，形成泥质层。TOC值与矿物组成的关系表明：富黏土及陆源碎屑的页岩具有更高的有机质丰度，在同一页岩中泥质层的有机质丰度高于碳酸盐层。
图2 济阳坳陷FY1井页岩主要矿物含量及其与TOC值关系

2.3 页岩孔隙度及其与矿物组成关系

利用美国天然气研究所测定孔隙度的方法（GRI法）[17⇓-19]测定济阳坳陷页岩孔隙度，沙三下亚段和沙四上亚段页岩GRI孔隙度为2%~18%，平均值为9.21%，分布频率主峰为5%~10%。各井样品的孔隙度随碳酸盐矿物含量增加而呈现出下降趋势（见图3a），随黏土矿物含量、陆源碎屑矿物含量和TOC值的增加而呈现上升趋势（见图3b—图3d）。由于页岩中的黏土矿物与陆源碎屑为共源共生关系，富含黏土和陆源碎屑矿物的页岩比富含碳酸盐矿物的页岩具有相对更高的孔隙度。同一页岩中泥质层的孔隙度高于碳酸盐层的孔隙度。
图3 济阳坳陷页岩GRI法测定孔隙度与矿物含量及TOC值关系

3 页岩基础层类型及特征

济阳坳陷古近系泥页岩包括块状泥岩、层状页岩和纹层状页岩[7⇓⇓-10,12,20⇓ -22]。层状和纹层状页岩由两种或两种以上不同类型的基础层重复叠置构成。基础层类型主要包括泥质层和碳酸盐矿物层，富长英质层页岩发现相对较少。

3.1 泥质层

泥质层以黏土矿物为主，或以黏土矿物和陆源碎屑为主，并含有一定量的碳酸盐矿物及少量的黄铁矿等其他矿物，陆源碎屑颗粒和碳酸盐颗粒分散于黏土中。泥质层中具有较高的有机质含量（见图4a—图4c），其TOC值高达15%，具有最好的生烃能力。
图4 页岩中泥质层产状、孔隙特征及含油性（Cc—方解石层；Dol—白云石；F—长石；I—伊利石；K/O—富集有机质与原油的混合物；MCc—泥晶方解石层；Mud—泥质层；O—原油；Por—孔隙；Py—黄铁矿；Q—石英）

（a）F137井，3 154.1 m，沙四上亚段，泥质层与方解石层重复叠置，薄片，单偏光；（b）F137井，3 154.1 m，沙四上亚段，泥质层具有较多的有机质和含油性，薄片，荧光（与图a为同视域）；（c）L89井，3 389.0 m，沙四上亚段，黄色为较好含油性的泥质层浸染的原油，薄片，单偏光；（d）W584井，3 608.7 m，沙四上亚段，泥质层和相邻方解石层相比，孔隙更为发育，氩离子抛光-扫描电镜；（e）N872井，3 199.4 m，沙三下亚段，泥质层和相邻泥晶方解石层相比，孔隙更为发育，氩离子抛光-扫描电镜；（f）FYP1井，3 472.7 m，沙四上亚段，泥质层中黏土矿物片间孔含油，氩离子抛光-扫描电镜

泥质层中储集空间类型包括黏土矿物片间孔、有机质生烃作用形成的收缩孔、分散碳酸盐矿物的溶蚀孔、长石颗粒溶蚀孔和黄铁矿晶间孔等。在生油窗内的页岩样品，泥质层孔隙表现出较好的含油性（见图4b、图4c、图4f）。镜下观测，泥质层中的孔隙比相邻的碳酸盐层孔隙更为发育（见图4d、图4e）。对同一页岩中的相邻的不同类型的层（泥质层、泥晶方解石层、粉晶方解石层和纤维状方解石脉层）分别剥离进行测试，比较其有机质丰度、核磁孔隙度和孔径分布特征（见图5）。多组测试数据均表明：各种类型层中，泥质层有机质丰度及孔隙度最高（见图5a），但与其他类型层相比，泥质层中多以微小孔隙为主。泥质层中也具有更高的滞留油量，是富碳酸盐页岩中储油的主要载体。
图5 济阳坳陷页岩不同基础层的有机质丰度、核磁孔隙度、核磁T2谱及孔径分布特征

①富泥质层，孔隙度14.6%，TOC值2.63%，S1值2.45 mg/g，S2值1.6 mg/g；②泥晶方解石层，孔隙度8.45%，TOC值1.05%，S1值1.22 mg/g，S2值0.88 mg/g；③泥晶-粉晶方解石混合层，孔隙度8.57%，TOC值0.92%，S1值0.78 mg/g，S2值0.68 mg/g；④富泥质层，孔隙度8.21%，TOC值1.77%，S1值0.94 mg/g，S2值5.36 mg/g；⑤粉晶方解石层，孔隙度3.9%，TOC值0.82%，S1值1.27 mg/g，S2值2.41 mg/g；⑥纤维状方解石脉，孔隙度2.26%，TOC值0.46%，S1值0.64 mg/g，S2值1.32 mg/g

3.2 碳酸盐矿物层

页岩中的碳酸盐矿物层包括方解石层与白云石层，方解石层按成因主要分为3类：原生泥晶方解石层、重结晶粉晶方解石层和重结晶纤维状方解石脉。

3.2.1 泥晶方解石层

泥晶方解石层为泥晶或微晶结构[23]，与泥质层互层（见图6a、图6b），或呈现透镜状分布于泥质层中，多为气候半干旱—干旱、水体盐度浓缩时期的沉积产物，也发育一些生物成因的泥晶方解石层，如颗石藻残骸堆积的方解石层（见图6c）。泥晶方解石层中含沉积有机质及一定量的黏土矿物，王勇等[10]认为纹层状泥晶方解石为生物化学综合作用的产物。对泥晶方解石纹层测试结果表明，富有机质页岩中的泥晶方解石层具有相对较高的有机质丰度，显微荧光下具有较好的荧光显示（见图6a、图6b），其有机碳含量高达2%，泥晶方解石层具有一定的生烃能力。在泥晶方解石层中，主要发育方解石颗粒间微小孔隙（见图6c—图6e）、溶蚀孔隙等（见图6f）。孔隙度比泥质层低（见图5a），但比粉晶方解石层要高。对于颗石藻方解石层，镜下可见其较高的面孔率（见图6c），但和粉晶方解石层相比，泥晶方解石层孔隙以小孔为主，大孔所占比例相对较低（见图5a）。
图6 页岩中泥晶方解石层产状、孔隙特征及含油性

（a）C372井，2 607.30 m，沙四上亚段，泥晶方解石层纹层发育，薄片，单偏光；（b）C372井，2 607.30 m，沙四上亚段，泥晶方解石层有机质发育，泥晶灰质层具较好的荧光显示，薄片，荧光（与图a为同视域）；（c）W33井，1 982.50 m，沙四上亚段，富含颗石藻残骸的泥晶方解石层，颗石藻残骸粒间孔隙发育，氩离子抛光-扫描电镜；（d）FYP1井，3 472.95 m，沙四上亚段，泥晶方解石层孔隙发育，孔隙大小不一，充填有机质，氩离子抛光-扫描电镜；（e）FYP1井，3 472.36 m，沙四上亚段，泥晶方解石层孔隙发育，氩离子抛光-扫描电镜；（f）FYP1井，3 461.64 m，沙四上亚段，泥晶方解石层中的孔隙壁见残余油膜，氩离子抛光-扫描电镜

3.2.2 粉晶方解石层

粉晶方解石为方解石重结晶的产物，多为细粉晶，粉晶方解石晶体生长过程中具有排他性，因此，其有机质丰度较低，一般不具生烃潜力。
粉晶方解石颗粒主要包括他形晶和半自形晶，晶间孔隙较为发育（见图7a—图7d）。镜下观测生油窗内富有机质页岩中的粉晶方解石层普遍具有较好的连通性（见图7a、图7c、图7d）及较好的含油性[24]（见图7e、图7f）。与相邻泥质层相比，粉晶方解石层大孔所占比例相对较高（见图5b）。粉晶方解石层不仅本身具有较好的储集能力，也能够有效沟通上下含油性较好的泥质层，具有良好的储集性及渗流输导能力，可作为页岩油微观流动及产出的有效通道。
图7 页岩中粉晶方解石层产状、孔隙特征及含油性（FCc—纤维状方解石脉；SCc—粉晶方解石层；Mud+SCc—泥质层与粉晶方解石混合层）

（a）NY1井，3 490.1 m，沙四上亚段，粉晶方解石层与泥质层叠置，粉晶方解石层中发育半自形晶，晶间孔发育，薄片，单偏光；（b）NY1井，

3 375.3 m，沙四上亚段，粉晶方解石层、泥晶方解石层与泥质层叠置发育，粉晶方解石层间孔发育，薄片，单偏光；（c）FY1-1HF井，3 664.1 m，沙四上亚段，粉晶方解石层、纤维状方解石脉与泥质层接触，粉晶方解石层晶孔发育，与泥质层之间发育纤维状方解石脉，薄片，单偏光；（d）NY1井，3 457.6 m，沙四上亚段，粉晶方解石层晶间孔发育，薄片，单偏光；（e）FYP1井，3 471.0 m，沙四上亚段，粉晶方解石主要发育在泥晶方解石层与泥质层之间，薄片，单偏光；（f）FYP1井，3 471.0 m，沙四上亚段，粉晶方解石主要发育在泥晶方解石层与泥质层之间，荧光观测具有较好的含油性，薄片，荧光（与图e为同视域）

3.2.3 纤维状方解石脉层

纤维状或纤柱状（统称纤维状）方解石脉发育在富有机质的深灰色—黑色页岩中，其围岩有机质丰度较高。单个方解石脉体多呈透镜状或长条状，一般为亮白色，不切穿层理。方解石脉内部为一系列垂直排列且紧密接触的纤维状晶体（见图8），晶体伸长方向即为晶体的生长方向[25-26]，形成于开启的层内或层间缝中，脉体的大小与缝开启程度有关，开启缝越大或频繁开启的次数越多，其结晶形成的脉体规模越大[27]。
图8 页岩中纤维状方解石脉产状、孔缝特征及含油性（Clay—黏土矿物；Fra—裂缝）

（a）FY1-1HF井，3 362.9 m，沙四上亚段，单向生长方解石脉发育在泥质层中，薄片，单偏光；（b）W57井，3 416.2 m，沙四上亚段，背向生长方解石脉发育在泥质层内，薄片，单偏光；（c）N55-X1井，3 589.6 m，沙四上亚段，相向生长方解石脉中间形成的交错接触带和多期生长的方解石脉体之间发育孔缝体系，薄片，单偏光；（d）N55-X1井，3 334.6 m，沙三下亚段，多期生长的方解石脉体之间发育微裂缝，裂缝部分充填黏土矿物，扫描电镜；（e）F112井，3 341.0 m，沙四上亚段，相向生长的方解石脉内部及方解石脉之间孔缝体系发育，薄片，单偏光；（f）F112井，3 341.0 m，沙四上亚段，相向生长的方解石脉内部及方解石脉之间孔缝体系含油，薄片，荧光（与图e为同视域）①相向生长的方解石脉内部孔缝体系内强烈荧光显示表明其具有较好的含油性，②方解石脉体之间裂缝荧光显示表明其具有较好的含油性

前人研究认为，纤维状方解石脉结晶形成过程有3种生长方式，对应形成3种不同形态的纤维状方解石脉，分别为单向生长方解石脉、双向背向生长方解石脉和双向相向生长方解石脉[27⇓⇓⇓⇓⇓⇓-34]，上述3种类型的方解石脉在济阳坳陷页岩中均有发育。单向生长方解石脉为纤维状晶体从一侧围岩至另一侧围岩连续生长，脉体中间无明显纤维状晶体的不连续（见图8a）。背向生长方解石脉为纤维状晶体从脉体的中间向两侧围岩生长，存在较为平直的中间脊线（见图8b），中间脊线的成分一般为围岩组分，或为缝隙。相向生长方解石脉为开启缝的两侧围岩向中间生长，在脉体中间形成交错接触带，或形成未完全充填的孔缝体系（见图8c下部、图8e、图8f）。
重结晶的纤维状方解石脉不包含生烃有机质。结晶早期混入的富有机质围岩碎片可能导致脉体整体具有一定的有机质。对于结晶生长充分的纤维状方解石脉体，晶体间紧密接触，其本身孔隙度较低（见图5b），部分纤维状方解石脉体内部的孔隙度甚至低于2%。对于结晶不充分的方解石脉体，在晶体与围岩之间存在一定的孔隙或裂缝空间。对于相向生长的方解石脉体，容易形成“犬牙差互”的“叠锥状”方解石脉体（见图8c、图8e、图8f），叠锥之间容易形成有效储集空间。另外多期生长的方解石脉体之间也发育脉体间缝隙（见图8d、图8f）。在荧光显微镜下观测，生油窗内的叠锥状方解石脉的叠锥之间、多期方解石脉之间以及方解石脉与黏土层之间，多具有强烈的荧光显示（见图8e、图8f），指示其不仅具有很好的含油性，也可作为渗流通道有效沟通上下泥质层。

3.2.4 白云石层

在沙四上亚段、沙三下亚段，发育少量泥晶白云岩或微晶泥质白云石层（见图9a），以及铁白云石层（见图9b），白云石层发育厚度较小，一般小于10 cm，多数为20 μm~2 cm。有机质丰度较低，TOC值一般在0.5%以下，尽管晶体颗粒较小，但晶间孔隙相对发育（见图9c）。白云石层可作为有效储集空间以及上下泥质层中油产出的渗流通道。
图9 页岩中白云石层及长英质层发育特征及储集性（Fe-Dol—铁白云石；Sand—长英质层）

（a）H149井，3 138.40 m，沙三下亚段，白云石层发育，薄片，单偏光；（b）NY1井，3 303.50 m，沙三下亚段，铁白云石呈薄层状发育，部分分散于泥质层中，染色薄片，单偏光；（c）NY1井，3 446.27 m，沙四上亚段，白云石晶间孔隙，部分颗粒可见溶蚀孔，扫描电镜；（d）T725井，3 668.20 m，沙四上亚段，发育于泥质层中的长英质层，薄片，正交光；（e）FYP1井，3 456.20 m，沙四上亚段，长英质层粒间孔及长石颗粒溶蚀孔发育，薄片，单偏光；（f）FYP1井，3 456.20 m，沙四上亚段，长英质层粒间孔及长石颗粒溶蚀孔发育，具较好的含油性，薄片，荧光（与图e为同视域）

3.3 长英质层

长英质层呈薄层状发育于页岩中（见图9d），主要颗粒矿物为长石、石英和少量的岩屑等，颗粒间填隙物为黏土或碳酸盐，或为两者的混合。以黏土矿物为主要填隙物的长英质层，其孔隙发育相对较好，孔隙度相对较高，而以碳酸盐为主要填隙物的长英质层，一般孔隙度较低。长英质层的孔隙类型包括残余粒间孔、长石溶蚀孔、粒内孔和碳酸盐胶结物的溶蚀孔等。在荧光显微镜下观测，富有机质页岩内的长英质层中粒间孔及长石粒内溶蚀孔等大多有效含油（见图9e、图9f）。对于长英质层发育的富有机质页岩，长英质层可为页岩油提供有效的储集空间和渗流输导条件。

4 页岩的储-渗结构类型及特征

前人对页岩油的有效储集空间、页岩油赋存及可动的孔径下限等开展了系列研究工作[19-20,35]。但页岩内油的可动性不仅取决于油赋存介质孔隙的大小，也取决于内部整体结构发育情况，好的储-渗结构更有利于页岩基质中油的流动及产出[7,36]。
济阳坳陷页岩包括 4 种典型储-渗结构以及复合结构类型。4种典型结构分别为：富泥晶方解石层页岩储-渗结构、富粉晶方解石层页岩储-渗结构、富纤维状方解石脉页岩储-渗结构和富长英质层页岩储-渗结构（见图10）。富复合方解石层页岩储-渗结构也是富碳酸盐页岩中一种重要的储-渗结构类型。
图10 济阳坳陷古近系页岩典型储-渗结构示意图

4.1 页岩的主要储-渗结构类型

4.1.1 富泥晶方解石层页岩储-渗结构

富泥晶方解石层页岩的储-渗结构中，高渗透性渗流输导体系包括方解石颗粒的粒间孔、溶蚀孔等，以及部分发育的层间缝和穿层缝（见图10a）。层间缝有效沟通上下泥质层或方解石层的基质孔隙，泥质层和方解石层的层厚越薄，其对沟通输导效果越好。穿层缝可有效沟通所穿层间缝、部分泥晶方解石层和泥质层基质孔。
济阳坳陷富泥晶方解石层储-渗结构的页岩已经取得勘探突破，典型井包括BYP5井、FYP1井，页岩Ro值相对较高，分别为1.10%和0.83%，原油密度较低，分别为0.832 g/cm3和0.851 g/cm3（见表3）。
表3 济阳坳陷不同类型储-渗结构页岩油产油情况统计表
产油井 层位 产油井段/m 主要储-渗结构类型 产层岩相类型 热演化程
度Ro/%		 原油密度/
(g·cm-3)		 峰值日产油/
(t·d-1)		 气油比/
(m3·t-1)		 累计产油/
104 t
FYP1 沙四上 3 648~5 364 富泥晶方解石层储-渗结构 纹层状泥质灰岩 0.83 0.851 171.0 85 1.87
BYP5 沙三下 4 075~4 309 富泥晶方解石层储-渗结构 纹层/层状泥质灰岩 1.10 0.832 86.0 1 100 3.13
NY1-2HF 沙四上 3 890~5 793 富粉晶方解石层储-渗结构 纹层状泥质灰岩与
灰质泥岩互层		 0.80 0.885 242.7 64 1.56
NX124 沙四上 3 148~3 323 富粉晶方解石层储-渗结构 纹层状泥质灰岩与
灰质泥岩互层		 0.62 0.894 43.2 0.43
YYP1 沙三下 3 538~4 861 富粉晶方解石层储-渗结构 纹层状泥质灰岩 0.73 0.876 105.0 0.34
FY1-1HF 沙四上 3 760~5 802 富复合类型方解石层储-渗结构 纹层状混和质页岩 0.66 0.886 262.8 85 2.29
FY1HF 沙四上 3 983~5 794 富复合类型方解石层储-渗结构 纹层状混和质页岩 0.80 0.852 229.5 180 1.22

注：①累计产量截止至2023年1月10日；②BYP5井累产数据为油气当量，其余井为累计油产量；③NX124井为斜井，生产井段较短；④YYP1井因H2S含量特高而封井

4.1.2 富粉晶方解石层页岩储-渗结构

在富粉晶方解石层页岩储-渗结构中，高渗透性输导体系包括粉晶方解石层晶间孔、层间缝和穿层缝（见图10b）。粉晶方解石层在页岩中连续发育，富粉晶方解石层与泥质层为突变式接触，因此在应力和流体压力的作用下，富粉晶方解石层页岩比富泥晶方解石层页岩更容易形成层间缝。
以富粉晶方解石层储-渗结构为主的典型页岩产油井包括YYP1井、NX124井和NY1-2HF井等，其中NY1-2HF井最高日产油242.7 t，累产原油已达到1.56×104 t。即使是热演化程度相对较低（Ro值为0.62%）、压裂段较短的NX124井也具备了较好的产能（见表3），说明该类储-渗结构的页岩具有极好的勘探开发潜力。

4.1.3 富纤维状方解石脉页岩储-渗结构

在富纤维状方解石脉页岩储-渗结构中，高渗透性输导体系包括方解石脉体内孔缝、层间缝和穿层缝等（见图10c）。脉体内孔缝包括方解石脉中相向生长的叠锥间孔缝和多期生长的方解石脉体之间孔缝等，层间缝为方解石脉体与泥质层之间的裂缝。由于纤维状方解石脉与富泥质层之间为突变式接触，而且两者的力学性质差异较大，因此在局部应力和流体压力的作用下，两者变形不协调，易导致层间缝发育。
目前取心的页岩段中，单纯的富纤维状方解石脉页岩发育规模较小，无针对单纯富纤维状方解石页岩段的生产数据，但从含油性及储-渗结构方面看（见图8e、图8f、图10c），应具有较好产出潜力。

4.1.4 富复合方解石层页岩储-渗结构

在富复合方解石层储-渗结构中，高渗透性输导体系包括复合方解石层和部分发育的层间缝和穿层缝。复合方解石层包括两种或多种类型，如富泥晶方解石层与粉晶方解石层的页岩、富泥晶方解石层与纤维状方解石脉的页岩，富粉晶方解石层与纤维状方解石脉的页岩（见图6c）等。
具有复合方解石层储-渗结构的页岩，在济阳坳陷沙四上亚段中见到了良好的产能。如FY1-1HF井和FY1HF井，产油段页岩的Ro值分别为0.66%和0.80%，初期最高日产分别为262.8 t和229.5 t，累计产量分别为2.29×104 t和1.22×104 t，显示了该类储-渗结构页岩的勘探潜力（见表3）。

4.1.5 富长英质层页岩储-渗结构

富长英质层页岩储-渗结构中，高渗透性渗流输导体系包括长英质层、层间缝及穿层缝。渗透性较好的长英质层可有效沟通上下泥质层，成为页岩油产出的有效通道（见图10d）。对于以黏土矿物为主要填隙物的长英质层，渗流输导能力相对较好，而以碳酸盐为填隙物的长英质层，渗流输导能力相对较差。而对于成岩程度较高，相对致密，且极低孔渗的长英质层，泥质层与长英质层之间力学性质差异较大时，在应力和流体压力双重影响下，可形成部分层间缝渗流输导通道。
此类储-渗结构页岩已在济阳坳陷的岩心上见到了泥质层和长英质层均具有良好的油气显示（见图9e、图9f），但目前未取得勘探突破，但该类型也能成为济阳坳陷三角洲前缘或陡坡带等陆源碎屑较为丰富地区页岩油的有利勘探目标。

4.2 几种储-渗结构页岩中油可动性比较

镜下观测粉晶方解石层的晶间孔隙较为发育，并且在页岩内发育较为连续（见图6），可以为上下接触的泥质层中原油的流出提供有利的输导条件。在富纤维状方解石脉页岩中，叠锥状和多期生长的方解石脉体间发育的孔缝为泥质层中油的产出提供了有利输导条件，但方解石脉体大多为透镜状，大小不一，在页岩内大多不连续（见图8），其对页岩内油的渗流输导能力整体低于粉晶方解石层。泥晶方解石层孔隙连通情况好于泥质层，但其渗流输导能力应低于粉晶方解石层和富纤维状方解石脉。
选取不同储-渗结构页岩，测定其水平渗透，以其水平渗透率差异比较不同储-渗结构的可动性，渗透率测试结果如表4（富长英质层页岩相对较少，暂无相关测试数据）。水平渗透率包括低渗层和高渗层的贡献，但其主要贡献者则为高渗透性层。表4表明，几种储-渗结构页岩比较，富粉晶方解石层储-渗结构页岩整体具有最高的渗透率，分布在（0.061~1.090）×10-3 μm2，中位数为0.596×10-3 μm2，富泥晶方解石层储-渗结构页岩具有最低的渗透率，分布范围为（0.000 48~0.205 00）×10-3 μm2，中位数为0.024×10-3 μm2，富复合方解石层储-渗结构页岩的渗透率略低于富粉晶方解石储-渗结构页岩，大于富纤维状方解石脉储-渗结构页岩。
表4 济阳坳陷不同储-渗结构页岩的渗透率数据
储-渗结构类型 渗透率/10-3 μm2 样本
数量/个
最小值 最大值 中位数 平均数
富泥晶方解石层储-渗结构页岩 0.004 8 0.205 0.024 0.102 13
富粉晶方解石层储-渗结构页岩 0.061 0 1.090 0.596 0.709 24
富纤维状方解石脉储-渗结构页岩 0.002 7 0.981 0.314 0.350 14
富复合方解石层储-渗结构页岩 0.007 0 1.910 0.396 0.700 17
综合镜下观测孔隙发育情况和实测渗透率数据，在忽略地层能量、含油量、原油性质和裂缝发育程度的差异性条件下，几种富方解石页岩中油的可动性强弱顺序依次为：富粉晶方解石层页岩储-渗结构、富复合方解石层的页岩储-渗结构、富纤维状方解石脉页岩储-渗结构、富泥晶方解石层页岩储-渗结构。

5 不同热演化程度页岩的勘探潜力

根据页岩储-渗结构特点、页岩含油性[36]、原油性质演化规律[14]和页岩油生产井资料，确定济阳坳陷富碳酸盐页岩在不同热演化程度情况下，具有不同的勘探潜力。
当Ro值大于0.7%时，各种储-渗结构富有机质页岩均是有利的勘探目标。页岩重结晶作用明显，发育多种储-渗结构类型，且裂缝、微裂缝较为发育[37]。由于原油的流动性较好，各种储-渗结构页岩中的油均具有较好的可动性。尤其是烃类为轻质油或凝析气时（Ro值大于1.0%），具有很好的流动性及产出能力，如BYP5井，已累产油气当量3.13×104 t。
在Ro值为0.5%~0.7%时，不同储-渗结构页岩中油的可动性存在较大差异，原油密度、黏度较高，高渗透性层发育情况对页岩油可动性的影响较大。应优选富粉晶方解石层页岩、富复合方解石层页岩和富纤维状方解石脉页岩。而对于富泥晶方解石层页岩，除了富颗石藻层灰质层页岩外，渗透性较低，因此需要较好的裂缝或层间缝发育条件才会具有较好的可动性。
在Ro值小于0.5%的热演化条件下，以未熟—低熟油为主，尤其是沙四上亚段页岩，含较高含量的未熟—低熟滞留油。由于碳酸盐重结晶作用程度较低，以富泥晶方解石层页岩为主，此时原油密度及黏度较高，裂缝发育局限于断裂带附近以及横向地应力较高的地区。断裂带附近裂缝发育、层理缝开启性较好的富泥晶方解石页岩以及局部发育的富粉晶方解石层页岩，也可能具有一定的勘探潜力。

6 结论

济阳坳陷古近系沙河街组沙三下亚段和沙四上亚段页岩中普遍具有较高的碳酸盐矿物含量，且以方解石为主，方解石层与泥质层重复叠置形成济阳坳陷古近系页岩的主要页岩层结构。
济阳坳陷页岩中方解石层分为泥晶方解石层、粉晶方解石层和纤维状方解石脉。页岩中的泥质层具有最好的生烃潜力和储集性，泥晶方解石层也具有较好生烃潜力和储集性。粉晶方解石层和纤维状方解石脉具有较好的渗流输导性能。
泥质层与不同类型的方解石层组合，形成了不同类型的储-渗结构。富碳酸盐页岩主要发育4种类型的页岩储-渗结构：富泥晶方解石层页岩储-渗结构、富粉晶方解石层页岩储-渗结构、富纤维状方解石脉储-渗结构和复合方解石层页岩储-渗结构。在相同条件下，几种储-渗结构页岩中油的可动性强弱顺序为：富粉晶方解石层页岩储-渗结构、富复合方解石层的页岩储-渗结构、富纤维状方解石脉页岩储-渗结构和富泥晶方解石层页岩储-渗结构。
济阳坳陷不同储-渗结构类型的富碳酸盐页岩在不同的热演化程度区间勘探潜力差异明显：富粉晶方解石层页岩、富复合类型方解石层页岩及富纤维状方解石脉页岩，在Ro大于0.5%时，均具有较大的勘探潜力，且在生油窗范围内，热演化程度越高，页岩油勘探潜力越好；富泥晶方解石层页岩则需要较高的成熟度条件，需Ro值大于0.7%。但不排除在Ro小于0.7%的富泥晶方解石层页岩，Ro小于0.5%各类储-渗结构页岩，在裂缝发育或层理缝开启性较好的条件下，也可能有一定的勘探潜力。
符号注释：
R——孔隙半径，nm；Ro——镜质体反射率，%；S1——岩石中的热解游离烃含量，mg/g；S2——岩石中的热解烃含量，mg/g；TOC——总有机碳含量，%；T2——横向弛豫时间，ms。

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