1. 引言

页岩油气是指赋存于暗色泥页岩、高碳泥页岩及其夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至砂岩中以自生自储成藏的油气聚集，即在泥页岩层系中滞留的油气[1]-[3]，是自生自储、源储一体的非常规油气资源[4]，多为一次运移，主要以游离态、吸附态及溶解态等形式存在，且以游离态和吸附态为主[5] [6]。页岩油气已成为全球油气资源勘探开发的新亮点，影响世界油气资源勘探开发格局，中国是目前世界上实现陆相页岩油商业规模开发最成功的国家之一，相继在鄂尔多斯盆地，准噶尔盆地，松辽盆地，渤海湾盆地等获得陆相页岩油重大发现。形成于不同沉积环境的泥页岩在矿物成分、岩性组合、垂向序列及储层微观结构特征等方面存在很大差异，对泥页岩油气的富集过程有重要影响。本文综述了页岩等细粒沉积的沉积环境、岩相类型划分、成岩作用及储层微观结构特征，以东部陆相断陷盆地典型代表——济阳坳陷为例，分析了页岩沉积环境和储层等方面基本特征，对页岩油气勘探有积极的指导作用。

2. 页岩的沉积环境及矿物岩石学特征

2.1. 细粒沉积环境

泥页岩可形成于陆相、海相及海陆交互相沉积环境中。暗色泥页岩的形成环境主要为缺氧的闭塞海湾、潟湖、湖泊深水区、欠补偿盆地及深水陆棚等[3]，我国松辽、鄂尔多斯盆地等中新生代坳陷，渤海湾盆地等新生代断陷，都沉积了厚层湖相富含有机质泥页岩。综合国内相关学者研究成果，认为泥页岩沉积环境具有以下特点：

相对闭塞，深水、低水动力。美国著名的产气页岩——福特沃斯盆地密西西比系Barnett页岩是一套富含有机质的黑色页岩，沉积于狭长的深水前陆盆地(陡坡–盆地)的内海环境[7]，与开阔海少有水体交换且距物源区较远，相对闭塞。Bhattacharya J P (2009)和Boggs S (1995)指出，大量的细粉砂和黏土等悬浮沉积物以及足够弱的水动力是形成泥页岩的重要条件[7] [8]。

诸多研究者[9]-[18]通过地化测试分析泥页岩，尤其是优质烃源岩的沉积环境，并尝试通过分析沉积物中有机硫化合物古环境和古生态信息来反映细粒沉积环境[19]。刘传联[9]、朱光有[10]等通过对东营凹陷古近系碳酸盐岩样品碳、氧同位素组分的分析表明，沙一段和沙四段沉积时期的古东营湖均是封闭型湖泊。田景春，曾允孚[12]等在研究东营凹陷沙三段上部的泥岩过程普遍发现具代表低能环境的微细水平层理，认为其形成环境为半深湖。

还原、咸水环境。美国密西西比系Barnett页岩风暴浪基面及最小含氧量面之下为一贫氧–厌氧的环境。西弗吉尼亚纹层泥岩中含丰富的有机质和黄铁矿，指示了还原性沉积环境[19]。刘华等(2006)对胶莱盆地暗色泥岩的分布特征进行了相关研究，认为莱阳凹陷泥页岩形成于强还原、半咸水–咸水沉积环境[20]。王丽波、苏爱国等对青藏高原羌塘盆地中生界发育三套海相黑色泥页岩进行了研究，指出其形成环境为有机质比较丰富且易于保存的营养型还原性沉积环境[21]，以台地相为主，其次为盆地相和三角洲相。朱光有、金强[22]根据对东营凹陷中沙三中–沙三下泥岩段有机碳含量测定及古盐度计算，认为东营凹陷沙三下沉积时水体为微咸水–半咸水环境。

沉积速度缓慢的欠补偿盆地。朱光有(2004)认为东营凹陷沙四中亚段沉积时期湖盆处于封闭状态，沉积速度十分缓慢，盆地充填呈现出欠补偿状态，形成了以蒸发岩序列与深灰色泥岩、油页岩、软泥岩间互层的盐湖沉积体系[10]。

总体上看，具有生烃潜力的泥页岩一般分布在沉积速度缓慢(饥饿性沉积)盆地的沉积–沉降中心，沉积环境为深水、低水动力条件下的缺氧环境，包括浅海–深海陆棚相，台地相硅质、钙质黑色泥页岩和陆相的咸水–半咸水深湖–半深湖相以及海陆交互相中与煤层相伴生的碳质页岩。陆相断陷湖盆页岩等细粒沉积形成过程中物理、化学、生物等多重作用的复杂性，沉积环境受控因素多样[22] [23]，近些年随着半深湖–深湖页岩沉积环境的研究，细粒重力流被认为是深湖环境重要的沉积作用之一[24]。

2.2. 细粒沉积岩矿物组成

泥页岩中主要含有黏土矿物(高岭石、伊利石、蒙皂石等)，此外还含有碎屑矿物(石英、长石等)以及自生的方解石、石膏等[24]-[33]。大量统计表明，黏土矿物含量高的泥页岩塑性强；随着脆性矿物成分含量的增加，岩石的强度和脆性程度提高，细粒沉积岩层中裂缝的密度增大。

美国产气页岩中石英含量为28%~52%，碳酸盐含量为4%~16%，总脆性矿物含量为46%~50%。福沃斯盆地Barnett页岩实为硅质泥岩，尤其下Barnett页岩地层中含有更多的硅质或钙质矿物，上Barnett页岩和下Barnett页岩均含有一些黄铁矿[34]-[37]；在福沃斯盆地Barnett页岩气产量最高的一套页岩中，石英质量分数为45%，而黏土矿物质量分数只有27%。

通过调研我国四川盆地志留系龙马溪组、松辽盆地白垩系青山口组、鄂尔多斯盆地三叠系延长组以及泌阳凹陷核桃园组、东营凹陷沙河街组三段、渤南洼陷沙河街组三段、四段所发育的细粒沉积岩矿物组成特征，发现不同类型盆地中发育的细粒沉积岩在矿物组成上存在较大差异[38]-[44]。但多表现为脆性矿物含量较高，普遍含石英等特点。马文辛，刘树根等(2012)对四川盆地周缘下寒武统筇竹寺组泥页岩储层的研究中发现，筇竹寺组下部泥页岩矿物组成中石英和长石占绝大多数，脆性矿物含量高，其中隐晶质石英平均质量分数为17.2% [43] [44]。济阳坳陷古近系三套泥页岩全岩矿物主要以碳酸盐为主，其次为黏土矿物和石英，普遍含有黄铁矿，碳酸盐均以方解石为主。东营凹陷古近系泥页岩的全岩矿物组成主要为黏土矿物和碳酸盐，普遍含有石英，脆性矿物含量普遍高于黏土含量[45]；渤南洼陷古近系沙一段、沙三下和沙四上亚段三套泥页岩全岩矿物组成均表现出低黏土、高脆性矿物的特征[25]。近些年关于页岩矿物组成分研究集中在关于页岩中黏土矿物、自生石英及碳酸盐矿物成因研究[46]-[49]。

2.3. 页岩岩相的划分

岩相，是根据其岩石学(物理的、化学的和生物的)特征与相邻单元进行区别的岩石单元。同一成因单元的不同部分，也就是在同一亚环境或微环境的不同部位通常存在能量的高低差异，因而发育不同的岩相[23]。有别于岩石，岩相既反映现今的岩石组合面貌，又体现一定的沉积环境，是对沉积微相的进一步细分。因此，任何能反映沉积环境因素的岩石学及古生物学标志均可作为岩相和类型的划分标志。

国外岩相研究多集中在海相、海陆过渡相泥页岩，并通过原始沉积构造和生物扰动特征重建泥页岩沉积时的沉积条件[50]-[62]等，分别以层理、结构、生物群、成分、成因及纹理、矿物成分等为依据，对页岩进行岩相划分[50]-[61]。如Jurgen Schieber (1989)提出页岩包含大量的纹理特征信息，据此可以将美国中元古代Newland地层中页岩划分为条纹页岩、灰色白云页岩、钙质粉砂质页岩、碳质颗粒页岩、碳质漩涡状页岩、粉砂质页岩等岩相。国内学者对于岩相的划分主要依赖于岩性和岩石构造特征。四川盆地筇竹寺组由多种岩相组成，主要为黏土–粉砂级细粒沉积，马文辛等(2012)根据矿物成分、碎屑、生物和结构特征不同，将四川盆地筇竹寺组下部分为富有机质(碳质)非纹层状泥页岩、钙质泥岩、纹层状粉砂质泥岩或泥质粉砂岩、(含)硅质泥岩、粉砂质灰岩等7种主要岩相[43]。

相较于海相页岩，湖相深水细粒沉积岩在矿物组成组构、沉积构造等方面更为复杂，中国陆相湖盆页岩纹层结构发育，发育有富凝灰质纹层、长英质纹层(粉砂质)、富有机质纹层、碳酸盐质纹层、生物纹层、粘土纹层等，不仅不同盆地岩相存在差异/同一盆地的不同区带不同层系页岩岩相也千差万别[62] [63]。针对该特点，近几年，姜在兴等进行了有益的探讨和研究[41] [60] [64] [65]，多在沉积成因限制下，依据矿物成分、岩石类型、沉积构造、颜色、有机质含量、其他混入物等特征，对岩相进行大类及亚类的划分(表1)，并进行测井识别，开展岩相垂向演化及平面展布特征研究。

不同沉积环境，尤其是水介质环境发育的主要岩相类型存在差异[62] [66]-[69]，淡水湖盆形成的页岩层系以长英质–黏土质页岩为主要岩相，如松辽盆地上白垩统青一段和鄂尔多斯盆地三叠系长7段页岩；而咸水湖盆陆相页岩以富碳酸盐–蒸发岩类岩相为主，济阳坳陷古近系沙河街组是典型的实例。近些年，部分专家针对济阳泥页岩富碳酸盐基本特点，提出了基于岩石组分、沉积构造、结晶程度和有机质丰度“三端元四要素”岩相划分方案(图1)，依据三端元矿物类型和含量，将页岩划分为碳酸盐类页岩(I)、粘土类页岩(II)、长英类页岩(III)及混合类页岩(IV)，再依据沉积构造、有机质含量及碳酸盐矿物晶体形貌进行岩相类型细分。将济阳坳陷古近系泥页岩岩相细为16种，其中富有机质纹层状碳酸盐页岩和混合页岩最为发育(图1)，在水体相对较浅的南部缓坡带，厚度30~50 m的小层内，灰色的富有机质纹层状碳酸盐页岩厚度占比超过50%，最多达到90%。发育受气候、物源和水介质控制，富有机质纹层状岩相受季节性气候控制明显，是内源生物化学作用和外源机械絮凝作用交替耦合的产物，奠定了页岩岩相预测的理论依据。近几年，随着陆相页岩油勘探突破，不同类型页岩油产能突破井段往往是两种或者多种岩相的组合[45] [46]，岩相组合的概念开始逐渐得到应用。

Table 1. Summary table of lithofacies classification scheme for fine grained sedimentary rocks

表1. 细粒沉积岩岩相划分方案汇总表

Figure 1. Characteristics of shale core from Sha-4 in FYP1 well, Jiyang depression

图1. 济阳坳陷FYP1井沙四上页岩岩心特征

3. 页岩储层孔隙类型及表征

泥页岩储层物性普遍较差，空气渗透率<1 mD，孔隙度<10%，具有低孔特低渗的特点[70]-[74]。传统粗碎屑储层的研究在储集空间及成因机理等方面已经较为成熟，泥页岩储层的研究起步较晚，成为近几年非常规油气研究中的一个热点，集中在物性、储集空间类型及表征，国内的研究近两年集中在储层孔隙类型分类及微观结构等方面(表2)。一般将细粒沉积岩的储集空间分为裂缝和基质孔隙两大类，不同尺度孔隙和裂缝共同构成了页岩储集空间[63] [74]，以纳米–微米级的基质孔隙为主。

前人的研究显示不同盆地页岩沉积组分和成岩作用差异使得页岩储集空间发育特征复杂且多变[63] [74]-[77]，页岩微观孔隙和裂缝特征表现出强烈非均质性[78] [79]，区域性的应力变化和构造活动导致页岩宏观裂缝发育的同时也通过影响成岩流体活动，改变了微观孔隙发育和保存特征[80]-[85]。

Kitty L. Milliken, William L. Esch, Robert M. Reed (2012)认为泥页岩中现存孔隙主要是次生孔隙，主要分为有机孔隙和无机孔隙。无机孔隙指基质孔隙(包括裂缝)、矿物间隙和无机矿物粒内孔隙；有机孔隙(pores within organic matter)为有机质内部的孔隙，是由固体干酪根转化为烃类流体而在干酪根内部形成的孔隙。干酪根的生烃作用能使有机质本身产生5~200 nm左右的纳米级孔隙，因此，有机孔隙对页岩气的储集能力具有重要影响。朱日房，张林晔等(2012)根据干酪根生烃过程中的体积变化，讨论了渤海湾盆地东营凹陷沙三下亚段和沙四上亚段泥页岩生烃演化对储集空间的贡献[72]，研究认为高丰度烃源(TOC > 4.0%)，在演化程度较高的条件下生烃转化能形成4%以上的次生孔隙。

对于有机孔隙的研究，部分国外学者通过显微照片进行定性研究[80]，范昌育(2010)等根据质量平衡原理计算有机生烃孔隙(intraparticle organic-matter pores created during hydrocarbon maturation)的大小[76] [80]；Loucks R G, Reed R M (2009)等学者把统计学与显微照片相结合，估算有机质中孔隙的大小[60]。邹才能(2011)等首次应用Nano-CT成像技术研究泥页岩储层中纳米级孔隙结构，该技术可有效表征油气储层内部纳米级孔隙的变化规律、孔径大小、形状等[75]。Roger M. Slatt，Neal R. O’Brien等对泥页岩中微孔隙的类型做了归纳总结，主要包括：黏土矿物晶间孔、有机质内微孔隙、粪球粒内孔隙、生物碎屑内孔隙、颗粒间微孔。建议根据国际纯粹和应用化学联合会的分类法，将纳米孔称为微孔。在孔隙微观结构研究的方法技术上，目前常用的主要有压汞法、氩离子抛光技术、扫描电镜观察技术及低温氮气吸附等。相比传统压汞法，氮气吸附法在表征孔结构时更能得到微观结构的统计信息和总体特征，在海相页岩气储层的研究中得到了广泛应用。

Table 2. Pore types in fine-grained sedimentary reservoirs

表2. 细粒沉积岩储层孔隙类型

勘探实践证明，裂缝不仅为页岩油气提供储集空间，也可为页岩油气生产提供了运移通道[81] [82]。对于济阳坳陷等陆相页岩，无机孔隙和微裂缝形成的孔，缝网络体系是页岩油赋存的有利储集空间[82]。从裂缝的成因角度，分为构造缝和非构造缝2大类。构造缝包括剪切裂缝及张剪性裂缝、滑脱裂缝、构造压溶缝合线、垂向载荷裂缝、垂向差异载荷裂缝；非构造缝包括成岩收缩裂缝、成岩压溶缝合线、超压裂缝、热收缩裂缝、溶蚀裂缝、风化裂缝等。泥页岩中最常见的裂缝包括构造缝(张性缝和剪性缝)、层间页理缝、成岩收缩微裂缝和异常压力缝等。

尽管人们普遍认为裂缝是泥页岩最主要的储集空间，但天然裂缝对页岩气储层的重要性依然存在争议。Montgomery (2005)对Barnett页岩进行了相关研究，发现在断层发育区裂缝密度很大，但是几乎全部被碳酸盐岩所充填，而且基质中的孔隙也会被方解石部分充填[26]。

含油气盆地的页岩针对济阳坳陷古近系泥页岩储层特征，部分学者进行了研究。邓美寅，梁超等(2012)对济阳坳陷渤南洼陷沙三下亚段泥页岩储集空间进行了研究，认为该研究区泥页岩储集空间中裂缝包括构造裂缝、层间微裂缝、超压破裂缝；孔隙主要为微孔隙，包括黄铁矿晶间孔、黏土矿物晶间孔、方解石晶间孔，总体上来讲，储集空间以构造张裂缝、层间微裂缝、黏土矿物晶间孔及方解石晶间孔为主导[82]-[84]。济阳坳陷细粒沉积岩中砂泥岩互层频繁，粉砂或者砂质夹层孔隙可以有效改善泥页岩储层储集性能[85]。张林晔，李政等(2012)认为东营凹陷泥页岩碳酸盐矿物含量较高，且泥页岩有机质含量较高，有利于裂缝的形成。大量发育的微裂缝为页岩气的赋存提供了有效的储集空间。久凯(2012)对渤海湾盆地济阳坳陷沙三段富有机质泥页岩进行了研究，发现页岩储层裂缝类型多样，砂泥岩互层频繁，粉砂或砂质夹层孔隙可以有效改善页岩储层储集性能[86]，这优于美国海相页岩地层。

目前，针对陆相断陷盆地页岩，目前集成了核磁共振冻融、FIB-FESEM、X射线小角散射测试等多尺度孔缝系统表征技术，刘惠民等认为东营凹陷富碳酸盐纹层状页岩岩相储集空间由基质孔隙、基质微裂缝、层理缝和跨层微裂缝构成，形成多级孔缝网络体系[74] [78] [82]。不同岩相中出现黏土矿物孔缝和碳酸盐矿物孔缝交替主导现象，孔隙尺度从亚纳米级–微米级均有发育。

4. 结论与展望

相对于海相，湖相沉积类型对气候变迁的响应更为敏感，湖泊沉积物记录所反映的环境信息在不同尺度下存在差异，因此对湖相细粒沉积岩岩相的划分要在海相泥页岩划分基础上更加细致和系统。岩相是由一定岩石特征(颜色、成分、结构、构造、成层性等)所限定的岩石单位。反应了同一亚环境或微环境的不同部位能量的高低差异。岩相命名及划分应充分考虑以上因素。便于微相的命名划分和储层研究。

由于泥页岩的测录井、地震响应不敏感，制约了甜点层段优选的精度，高频层序格架下的页岩岩相类型、岩相组合叠置样式与演化规律尚不明确，多物质来源环境下的页岩沉积成因模式尚未建立，明确天文旋回对页岩岩相的控制作用是下一步研究的热点之一。建立页岩沉积相理论体系，解剖页岩从盆地边缘到中心的一体化发育演化模式，是实现页岩有效地质预测的前提。关于沉积成因机制，比如细粒沉积物的来源、细粒沉积物在水体中混合沉积作用类型、方式及受哪些因素控制也是未来研究的重点方向之一。关于储集空间，多尺度全息表征孔隙和裂缝的基础上，需要进一步探讨孔缝发育机制，建立不同盆地类型、不同沉积环境页岩储集空间的发育烟花模式。

参考文献