庞小娇, 王贵文, 匡立春, 赵飞, 李红斌, 韩宗晏, 白天宇, 赖锦. (2023). 沉积环境控制下的页岩岩相组合类型及测井表征:以松辽盆地古龙凹陷青山口组为例* [J]. 古地理学报, 25(5): 1156-1175.
PANG Xiaojiao, WANG Guiwen, KUANG Lichun, ZHAO Fei, LI Hongbin, HAN Zongyan, BAI Tianyu, LAI Jin. (2023). Logging evaluation of lithofacies and their assemblage under control of sedimentary environment:a case study of the Qingshankou Formation in Gulong sag,Songliao Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 25(5): 1156-1175.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2023.05.090
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沉积环境控制下的页岩岩相组合类型及测井表征:以松辽盆地古龙凹陷青山口组为例*
庞小娇1,2, 王贵文1,2, 匡立春1,2, 赵飞1,2, 李红斌1,2, 韩宗晏1,2, 白天宇1,2, 赖锦1,2
1 油气资源与工程全国重点实验室,中国石油大学(北京),北京 102249
2 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
通讯作者简介 王贵文,男,1966年生,教授,博士生导师,从事沉积学、储层地质学与测井地质学方面的教学与科研工作。E-mail: wanggw@cup.edu.cn。

第一作者简介 庞小娇,女,1993年生,博士研究生,从事沉积学、储层地质学与测井地质学研究。E-mail: 15010050518@163.com。

收稿日期:2022-12-26 修回日期:2023-04-23
基金资助:*国家自然科学基金(编号: 42002133)和中石油股份公司重大专项(编号: 2021ZZ10-01)联合资助
摘要

松辽盆地古龙凹陷青山口组青一段和青二段底部( Q1~Q9)为典型的高有机碳含量的页岩,具有广阔的资源前景。岩相的划分和表征是页岩油气勘探开发的重要基础,如何快速准确识别岩相成为非常规油气储集层地质甜点研究的重点和难点。利用岩心、薄片、 XRD和元素资料明确研究区地质特征,利用 LithoScanner测井和成像测井切片实现单井纵向岩相的连续识别和划分。结果表明古龙页岩岩性主要为黏土质页岩、长英质页岩、介壳灰岩和云岩,多尺度纹层结构类型分为毫米级纹层状、厘米级层状和分米级块状。依据地质上可区分、测井上可识别的原则,将岩性和纹层结构耦合得到 10类岩相。主要发育纹层状和层状黏土质页岩以及纹层状和层状长英质页岩,块状介壳灰岩和云岩多以薄夹层的形式出现在层间,块状页岩偶现。依据各小层内纵向上岩相叠置关系,岩相组合划分为 5类,纹层状黏土质页岩与层状黏土质页岩互层的组合较为常见。青山口组整体处于气候湿润还原性较强的淡水湖盆的沉积环境,水体在 Q7层达到最深而后逐渐变浅。在不同小层沉积环境有微弱变化,在各小层高水位时岩相主要类型为纹层状黏土质页岩,低水位时以层状长英质页岩为主。岩相类型的划分和快速识别为页岩油地质甜点和工程甜点的预测提供理论依据和指导,岩相组合类型的分类和发育模式为古龙页岩油富集机理的研究奠定基础。

关键词: 页岩岩相; 岩相组合; 测井表征; 青山口组; 古龙凹陷; 松辽盆地
中图分类号:P521 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2023)05-1156-20
Logging evaluation of lithofacies and their assemblage under control of sedimentary environment:a case study of the Qingshankou Formation in Gulong sag,Songliao Basin
PANG Xiaojiao1,2, WANG Guiwen1,2, KUANG Lichun1,2, ZHAO Fei1,2, LI Hongbin1,2, HAN Zongyan1,2, BAI Tianyu1,2, LAI Jin1,2
1 National Key Laboratory of Petroleum Resources and Engineering,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249, China
2 College of Geosciences,China University of Petroleum,Beijing 102249, China
About the corresponding author WANG Guiwen,born in 1966,is a professor and Ph.D. supervisor. He is engaged in research of reservoir geology and logging evaluation. E-mail: wanggw@cup.edu.cn.

About the first author PANG Xiaojiao,born in 1993,is a Ph.D. candidate. Her research areas are sedimentology and well log evaluation. E-mail: 15010050518@163.com.

Fund:Co-funded by the National Natural Science Foundation of China(No.42002133)and Science and Technology Major Project of PetroChina Ltd.(No.2021ZZ10-01)
Abstract

The bottom section the Qing 1 and Qing 2 Members of the Qingshankou Formation(Q1~Q2)in the Gulong Sag of Songliao Basin consists of typical high-organic-carbon shales with vast resource potential. The division and characterization of lithofacies play an important role in the evaluation of shale oil sweet spots. It's challenging to recognize lithofacies in a single well. In this study,core photos,thin sections,XRD as well as element data are used to detect the geological characteristic of the reservoir. Besides,LithoScanner and Schlumberger's fullbore formation microimager(FMI)are used to achieve the continuous identification and division of the lithofacies. The result shows that the lithology of the study area mainly consists of four types,including clayey shale,felsic shale,shell limestone,and dolomite. Various-scale laminated structures include millimeter-scale laminations,centimeter-scale bedding,and decimeter-scale structureless laminations. Consequently,ten types of lithofacies were then obtained by coupling lithology and lamina structure. Laminated and bedded clayey shales and laminated and bedded felsic shales are predominant,while massive shell limestone and dolomite mostly occur as thin interlayers,with massive shales occasionally developed. It is clear that the lithofacies assemblages under the control of stratigraphic cycles can be divided into five types. Laminated clayey shale interbedded with layered clayey shale is the most common type in study area. The Qingshankou Formation as a whole was deposited in a freshwater lake basin with a relatively strong reducing environment,with water depth reaching its maximum in the Q7 member and gradually decreasing afterward. There are slight variations in sedimentary environments within different subunits. The predominant lithofacies type varies with water depth,with laminated clayey shales dominating during high-water conditions and bedded felsic shales predominating during low-water conditions. The classification and rapid identification of lithofacies and lithofacies assemblage types provide insight into the shale oil exploration and development and guide for the prediction of shale oil geological sweet spots and engineering sweet spots.

Key words: shale lithofacies; lithofacies assemblage; logging evaluation; Qingshankou Formation; Gulong sag; Songliao Basin

目前非常规油气中的页岩油成为研究的热点和难点(Dong et al., 2015; 陈世悦等, 2017; 黎茂稳等, 2019; 杨智和邹才能, 2022; 张福祥等, 2022)。随着非常规油气勘探开发的进行及新技术的兴起, 中国在页岩油气的勘探开发方面取得了瞩目的成就(Liu et al., 2018; 黎茂稳等, 2019; 李国欣和朱如凯, 2020; 邹才能等, 2020)。页岩油的勘探开发持续获得突破, 推动了中国页岩油革命的进程(陈世悦等, 2017; Liu et al., 2019; Zhang et al., 2019; 白斌等, 2022)。经过半个多世纪高速高效勘探开发, 松辽盆地北部常规油气资源产量递减, 已经进入页岩油为主的非常规勘探开发新时代(崔宝文等, 2018; 刘国强, 2021; 邹才能等, 2022)。近来在松辽盆地北部的齐家— 古龙凹陷上白垩统青山口组深湖— 半深湖页岩中获得突破, 但单井产量低、高低产井分布不均、页岩油富集机理尚不明确, 可动用资源分布预测难, 规模开发难(胡素云等, 2022; 何文渊等, 2023), 这严重制约了中国陆相页岩油勘探部署和规模化开采。相较于其他典型的陆相页岩油储集层, 青山口组页岩具有时代较新、埋藏浅、储集层非均质性强、页理极其发育的特征(何文渊等, 2021, 2023)。作为典型的陆相淡水湖盆页岩油, 其油气富集机理和主控因素的研究显得尤为重要, 而岩相作为最基本的研究单元, 在矿物组成、沉积构造、储集性、含油性、可动性、油气赋存状态和岩石力学特性上具有非常大的差异(Liu et al., 2018; 王高翔等, 2021; 于兴河等, 2022)。微观上包含了沉积物矿物组分、结构和构造, 宏观上岩相及其组合控制着油气的富集和甜点的分布(Dill et al., 2005; Liu et al., 2018; 黎茂稳等, 2022; 刘惠民等, 2022; 王高翔等, 2022)。在同一区域岩相的垂向变化反映了沉积过程中环境的变化, 在同一沉积环境下形成的页岩在客观物质表现上通常具有相似性, 因而可以表现出均一性或相似的非均质性, 这为层序格架下岩相及其组合分布规律预测提供了可能(Loucks and Ruppel, 2007; 于兴河等, 2022)。因此, 岩相及其组合类型的研究对于页岩油勘探开发至关重要(Hickey and Henk, 2007; Loucks and Ruppel, 2007; Zhang et al., 2019; 李国欣等, 2020)。

陆相湖盆页岩岩相的划分和表征是页岩油气勘探开发的重要基础。目前, 针对陆相页岩油储集层岩相划分较为一致认可的标准是以矿物组成和沉积构造作为划分的2个核心指标, 或在此基础上引入有机碳含量, 即将矿物组成+沉积构造+有机质丰度作为划分标准(柳波等, 2018; 刘忠宝等, 2019; Liu et al., 2019)。传统的研究方法是依据岩心和薄片观察到的颜色、岩性、矿物成分、结构和沉积构造, 再结合实验测得的TOC含量或XRD测得的矿物组分含量, 进行定性到半定量的评价。然而取心数量有限且成本较高, 难以实现全井和全区域的评价。测井资料蕴含丰富的地质信息, 能够很好地弥补取心的不足, 但由于常规测井分辨率低(多为米级和分米级), 而页岩油储集层非均质性极强, 因而常规测井资料难以实现页岩岩相的精细识别和表征(Liu et al., 2018; 刘国强, 2021; Lai et al., 2022)。新技术测井资料具有分辨率高、针对性强的特征, 可以作为单井连续岩相的识别和划分的有利手段。此外, 开展基于大数据分析的人工智能测井评价势在必行, 目前已有学者利用人工智能技术包括监督机器学习、半监督机器学习、神经网络、随机森林和深度学习等进行岩相的识别和划分(匡立春等, 2021; 李宁等, 2021)。然而各类机器学习方法均建立在岩相类型准确划分及单井准确识别的基础上, 进而为展开区域性平剖面岩相及其组合的识别和划分奠定基础, 为区域优质储集层和甜点预测提供依据。因此, 亟需建立一套岩相高分辨率新技术测井表征方法。

以松辽盆地古龙凹陷青山口组页岩为例, 岩相划分遵循“ 地质上可区分、测井上可识别” 的原则。鉴于青山口组青一段及青二段底部为高TOC(平均含量为2.4%, 最高可达6.0%)富集层段且纵向上变化不是很明显, 因此此次分类方案中未引入有机质含量, 而是选择岩性和纹层结构两者进行耦合, 其目的是为了能够快速完成纵向上岩相的识别和划分。本次研究综合利用6口重点井(包括X井、Y井、Z井、W井、S井和R井)的岩心、分析化验、常规测井、Lithoscanner和高分辨成像测井资料。对X井、Z井、W井和R井进行了系统的全井段的岩心观察和描述, 选取了X井和Y井岩样进行铸体薄片的磨制和镜下观察, 对X井298个样品点进行了全岩和黏土矿物分析测试, 对X井42个样品点进行了主微量元素测试和分析。首先利用岩心和分析化验资料明确研究区岩性和纹层结构类型并建立测井识别方法, 进而实现单井纵向上岩性和纹层结构类型的连续识别和划分, 然后将二者耦合得到单井纵向上岩相的分布, 再结合沉积环境和层序地层明确纵向上岩相组合类型和发育模式, 为后期寻找地质甜点和工程甜点提供理论依据。

1 地质概况

松辽盆地位于中国东北部, 横跨黑龙江、吉林和辽宁3省, 面积约为26× 104 km2, 是中国主要含油气盆地之一。进一步划分为7个次级构造单元, 包括北部倾没、西部斜坡、东北隆起、东南隆起、西南隆起、中央坳陷和开鲁坳陷(图 1-a)。古龙凹陷位于中央坳陷西北部。在上白垩统, 自下而上沉积地层为青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组和明水组(图 1-b)。其中嫩江组和青山口组经历了2次大规模湖侵, 形成了2套厚层优质烃源岩, 是页岩油的富集层系。嫩江组烃源岩处于未熟— 低熟阶段, 青山口组为拗陷主期, 盆地宽阔沉降平缓, 有机质富集并成熟度较高, 发育中高成熟度页岩油, 是页岩油有利勘探开发层系。青山口组自下而上依次发育青一段(K2qn1)、青二段(K2qn2)和青三段(K2qn3), 其中青一段进一步分为2个亚段K2q n11和K2q n12, 青二段细分为3个亚段K2q n21、K2q n22和K2q n23, 青三段分为3个亚段K2q n31、K2q n32和K2q n33(图 1-b)。依据沉积旋回, 青山口组可以划分为23个小层(Q1~Q23)(图 1-c)。青一段和青二段底部(Q1~Q9)半深湖— 深湖亚相页岩沉积厚度最大、分布范围广, 是目前勘探开发的重点。

图 1 松辽盆地古龙凹陷区域位置及上白垩统青山口组柱状图Fig.1 Location of Gulong sag and stratigraphic column of the Upper Cretaceous Qingshankou Formation in Songliao Basin

2 古龙页岩岩相划分
2.1 岩性分类及特征

XRD分析表明, 松辽盆地古龙凹陷青山口组岩石矿物成分主要为黏土矿物、陆源碎屑、碳酸盐矿物及少量其他类型矿物, 如黄铁矿和菱铁矿等。其中黏土矿物以伊利石为主; 陆源碎屑主要为石英、钾长石和钠长石; 碳酸盐岩矿物以方解石、白云石和铁白云石为主。其黏土矿物含量平均高达30%以上(图 2-A), 长石含量为21.3%, 白云石含量为8.9%, 方解石含量为5.6%。与国内外其他页岩油气储集层相比, 其黏土矿物含量和长石含量相对较高, 碳酸盐含量低。岩性分类三角图和岩心观察表明, 岩性主要为长英质页岩、黏土质页岩、介壳灰岩和云岩(图 2-B; 图 3), 其中介壳灰岩和云岩多以薄夹层形式出现, 黏土质页岩和长英质页岩占比高达90%以上, 为页岩油形成和富集的有利岩性。

图 2 松辽盆地古龙凹陷青山口组矿物组分箱状图(A)和岩性分类三角图(B)(X井298个数据点)Fig.2 Box diagram of mineral composition(A)and triangle diagram(B)of lithology of the Qingshankou Formation in Gulong sag, Songliao Basin(298 data points of Well X)

图 3 松辽盆地古龙凹陷青山口组岩性类型及特征
A— 长英质页岩, Y井, 2245.3 m; B— 黏土质页岩, Y井, 2324.84 m; C— 上部为长英质页岩下部为黏土质页岩, Y井, 2247.2 m; D— 介壳灰岩, Y井, 2373.86 m; E— 黏土质页岩, Z井, 2508.4 m; F— 长英质页岩, Z井, 2491.15 m; G— 长英质页岩, Z井, 2492.49 m; H— 介壳灰岩, Z井, 2489.9 m; I— 介壳灰岩, Z井, 2491.65 m; J— 云岩, Z井, 2496.28 m; K— 鲍马序列, W井, 箭头指向底部Fig.3 Types and features of lithology in the Qingshankou Formation, Gulong sag, Songliao Basin

长英质页岩在整个青山口组均有分布, 随着向上水体变浅沉积环境由深湖、半深湖向浅水三角洲转变(王岚等, 2019; 崔宝文等, 2021), 陆源碎屑供应增加, 长英质页岩含量亦有所增加。该类岩石岩心为灰白色, 纹层发育, 夹灰白色钙质粉砂岩纹层, 受液化影响, 部分页理和纹层受到扰动破坏(图 3-F, 3-G)。在Leica偏光显微镜观察下, 多呈灰褐色。碎屑颗粒主要为石英和斜长石, 颗粒呈次棱角状-圆状, 粒径小于0.06 mm, 颗粒间主要为点接触。碳酸盐矿物少见, 多为后期胶结、交代作用的产物(图 3-A至3-J)。黏土质页岩在研究区广泛分布, 占比高达60%。岩心为灰黑色或暗黑色, 纹层和页理发育, 部分页理和纹层界面不清晰(图 3-E)。光学显微镜下呈褐色、褐黄色、黑褐色, 具有显微定向构造。碎屑颗粒呈次棱角状-圆状, 粒径小于0.05 mm, 以石英为主, 多呈显微条带状散布于黏土矿物间。碳酸盐矿物以方解石和铁白云石为主, 方解石作为胶结物充填于颗粒间的孔隙, 少量呈长条状沿微裂缝、页理缝分布(图 3-B, 3-C)。介壳灰岩发育较少, 占比8%, 分布较为分散。岩心多为灰白色, 肉眼可见明显的介壳层(图 3-H, 3-I), 有机质含量低(TOC< 1%)。光学显微镜下可见生物介壳和瓣鳃类生物, 生物腔体多被方解石充填及少量显微硅质或有机质或沥青质充填(图 3-D)。介壳灰岩中碎屑颗粒以石英为主, 棱角状— 次圆状, 呈漂浮状不均匀分布在基质中, 颗粒大小不一, 最大可达0.2 mm(图 3-D)。云岩在研究区的分布情况同介壳灰岩类似, 在青山口组分布较少, 占比8%。岩心为灰白色, 块状构造, 无肉眼可见的纹层等沉积构造(图 3-J)。

此外, 研究表明青山口组深湖环境中发育多种类型的重力流沉积, 主要分布在盆地西部斜坡地区, 以英台— 他拉哈地区最为发育(杜锦霞, 2015), 在齐家— 古龙凹陷亦有少量分布。主要重力流沉积类型包括碎屑流型和浊流型, 岩性上以粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩的薄互层为主(付丽秀等, 2014)。浊流以低密度浊流为主, 主要为细粉砂级和黏土级沉积物, 岩石类型主要为深黑色泥页岩、深灰色泥质粉细砂岩、灰白色粉砂岩和细砂岩。

成层特征显著, 发育平行层理、水平层理、交错层理等沉积构造。由于水动力较弱, 流速相对较慢、持续时间较长, 多出现在一次重力流活动的尾部。可能形成于河流洪水进入湖泊。低密度浊流具有典型的沉积构造和沉积序列, 最经典的为鲍马序列, 在W井青山口组青一段2360 m深度段观察到沉积厚度约为1 m的鲍马序列(图 3-K)。A段主要由砂岩组成, 无砾石, 砂岩底界面有明显的冲刷构造, 叠置于页岩之上; 向上发育B段, 主要为粉细砂岩, 可见平行层理; C段以波状层理为典型特征; D段发育水平层理的粉细砂岩; 顶部E段发育块状泥岩。

岩心、薄片观察及XRD等实验分析为判定岩性最为精准有利的方法, 但其成本较高, 且获得每口井的全部目的层的岩心是不可能实现的, 因此, 利用测井技术在岩心和实验数据标定的基础上建立岩性识别方法显得尤为必要。由于陆相页岩油储集层纵向非均质性强、泥质含量高, 常规测井难以识别, 本文采用新测井技术— — Lithoscanner测井完成单井纵向上岩性的连续识别与划分。该技术首先通过非弹性散射或俘获进行能谱采集, 然后进行能谱剥离进而可以得到元素产额, 再通过氧化物闭合模型获得不同元素重量百分数, 然后利用Techlog中的Elan模块输入4条常规测井曲线(包括密度、中子、声波和深电阻率)和12种元素干重数据(包括硅、硫、钾、钠、钙、铁、铝、镁、钛、锰、铬、碳), 在XRD标定下, 反演得到不同类型矿物含量进而获得矿物剖面(图 4)。依据不同类型岩性其不同矿物含量百分比不同可以完成岩性的纵向识别与划分。以X井为例, 青山口组Q1~Q9层长英质页岩层厚度范围在0.06~1.25 m之间, 累计厚度28.49 m, 占比20%; 黏土质页岩单层厚度在0.05~4.69 m之间, 累计厚度92.79 m, 占比65%; 介壳灰岩单层厚度分布在0.05~0.60 m之间, 累计厚度为8.61 m, 占比6%; 云岩单层厚度0.03~1.06 m, 累计厚度12.04 m, 占比8%。每个小层各种岩性占比略有不同, Q3和Q8层黏土质页岩含量高达80%以上, 长英质页岩含量在5%以下, 其余小层(Q1、Q2、Q4~Q7、Q9)均以黏土质页岩和长英质页岩为主(表 1)。整体上黏土质页岩含量最高, 其次为长英质页岩, 介壳灰岩和云岩分布范围最小。

图 4 松辽盆地古龙凹陷青山口组矿物组分测井反演Fig.4 Mineral composition derived from Lithoscanner in the Qingshankou Formation, Gulong sag, Songliao Basin(Well X)

表 1 松辽盆地古龙凹陷青山口组X井各小层岩性分布特征 Table1 Distribution characterization of different lithologies in different strata in the Qingshankou Formation, Gulong sag, Songliao Basin
2.2 纹层结构分类及测井表征

纹层(Lamina)是指沉积物或沉积岩中可分辨的最小或最薄的原始沉积层, 是组成层理的最小单元(刘国恒等, 2015; 王超等, 2019; 朱筱敏, 2020)。“ 纹层” 通常是由不同的沉积物、矿物质和有机质在地质时间尺度上堆积形成, 不同层之间具有不同的厚度、矿物组成和性质, 强调沉积过程中形成的垂向差异。“ 页理” 是描述页岩中细小颗粒或晶粒的方向性排列, 是指岩石沿着纹层界面裂开成薄板状或薄片状的习性, 强调成岩过程中顺层方向形成的力学薄弱面(蔡毅等, 2022)。研究区页岩页理发育受控于沉积环境, 青山口组时期沉积物沉积速率慢、有机质丰度高、岩石水平层理发育, 在深湖— 半深湖环境下随着沉积物增多、压实作用增强, 有机质和黏土矿物等韧性矿物定向排列使得沉积物具有较好的成层性。页理的存在对页岩油储集层的物理性质、孔隙结构和渗透性方面具有重要影响。岩心观察表明, 纹层和页理在青山口组极其发育, 纹层多呈水平状, 可见波状, 进一步可见连续状或断续状(图 7-A至7-F)。部分研究人员指出广义纹层的定义可以扩展为“ 某一尺度下采用相关观测手段可识别的最小级别的层” , 由此衍生多尺度纹层结构(陈世悦等, 2017; 鄢继华等, 2017; 李丽慧等, 2019)。为了便于将岩心观察到的纹层与测井可以表征的纹层相匹配, 依据岩心观察下的单一纹层厚度和纹层密度将青山口组沉积纹层结构类型划分为3类: 纹层状、层状和块状。纹层状对应毫米级纹层结构即单一纹层厚度小于1 cm, 纹层密度大于100条/m(图 5-A, 5-B, 5-C); 层状对应厘米级纹层结构即单一纹层厚度为1~10 cm, 纹层密度为10~100条/m(图 5-D, 5-E, 5-F); 块状对应分米级纹层结构具有单一层厚度大于10 cm或层内无肉眼可见的纹层的特征(图 5-G, 5-H, 5-I)。

图 5 松辽盆地古龙凹陷青山口组3种纹层结构分类
A— 纹层状, Z井, 2500.4 m; B— 纹层状, Z井, 2488.8 m; C— 纹层状, Z井, 2488.3 m; D— 层状, Z井, 2481.8 m; E— 层状, Z井, 2485.3 m; F— 层状, Z井, 2489.2 m; G— 块状, Z井, 2512.8 m; H— 块状, Z井, 2396.5 m; I— 块状, 介形虫灰岩, Z井, 2491.7 mFig.5 Three types of multiscale lamina structure classification in the Qingshankou Formation, Gulong sag, Songliao Basin

由于岩心数据很难获取且成本较高, 如何利用测井资料完成单井纵向上纹层结构类型的连续识别和划分至关重要。常规测井分辨率多为分米级到米级, 而高分辨率成像测井分辨率可达5 mm, 在电阻率刻度的基础上获得的成像测井动静态图像, 可以清楚地反映地层的层理变化, 是纹层精细识别和表征的重要手段。利用岩心照片进行标定, 建立3类纹层结构类型的测井识别模板, 进而实现单井纵向上沉积组构的连续识别与划分。以X井为例, 纹层状累计厚度217.3 m, 层状结构发育的储集层累计厚度243.1 m; 块状结构发育的储集累计总厚度22.1 m(图 6)。整体而言, 古龙凹陷青山口组沉积组构类型主要为纹层状和层状, 二者占比在90%以上。

图 6 松辽盆地古龙凹陷X井青山口组纹层结构测井表征及单井纵向识别Fig.6 Logging evaluatation and identification of lamina structure in a single well (Well X) in the Qingshankou Formation, Gulong sag, Songliao Basin

2.3 岩相分类及测井表征

目前针对页岩岩相的划分方案多样, 综合岩性、结构、构造和有机质含量进行岩相分类是目前众多学者比较认同的一个方案。综合主要占比矿物组分、岩性和纹层结构类型将古龙凹陷青山口组页岩油储集层岩相划分为10类(图 7)。

图 7 松辽盆地古龙凹陷青山口组岩相类型及成像测井特征Fig.7 Types of lithofacies of the Qingshankou Formation in Gulong sag, Songliao Basin

纹层状长英质页岩主要矿物类型为石英、长石和黏土矿物, 有机质含量中等, TOC含量在1%~2%之间, 岩心观察到岩石呈灰黑色, 纹层密度大, 可见页理发育, 纹层结构类型为纹层状, 成像测井切片显示其纹层发育(图 7-A)。层状长英质页岩主要由石英、长石和黏土矿物组成, 富含有机质, TOC含量大于2%, 岩心观察表明该类岩相多为暗黑色, 纹层和页理发育, 纹层结构类型为层状, 成像测井静态图多为暗色。成像测井切片观察表明, 较纹层状长英质页岩其整体上单一纹层厚度要厚、纹层密度要低(图 7-B)。纹层状黏土质页岩岩心为黑色、纹层发育, 成像测井切片表明其纹层结构类型为纹层状, 该类岩相黏土矿物含量高, 有机质含量中等到高, TOC含量在2%~4%之间(图 7-C)。层状黏土质页岩岩心为黑色, 纹层和页理发育, 黏土矿物含量高, 富含有机质, TOC含量大于4%, 成像测井静态图为暗色, 成像测井切片显示其纹层结构类型为层状(图 7-D)。

块状页岩(块状长英质页岩和块状黏土质页岩), 岩心为灰黑色, 成层性差, 不发育纹层和页理, 观察不到任何沉积构造, 成像测井动静态图均为均一块状模式, 成像测井切片亦为块状模式, 表明其纹层结构类型为块状(图 7-E)。纹层状粉砂岩相岩心观察其岩石颜色为灰白色, 纹层密度高, 纹层形态多为平直或波状, 纹层连续性好, 有机质含量低, 成像测井静态图为亮橘色, 成像测井切片表明纹层结构类型为纹层状(图 7-F)。层状粉砂岩相与纹层状粉砂岩相特征相似, 但其纹层结构类型为层状, 即纹层密度较纹层状粉砂岩相低、单一层厚度较大(图 7-G)。块状粉砂岩相在岩心和成像测井动静态图以及成像测井切片图上均观察不到任何沉积构造, 具有均一块状的特征(图 7-H)。块状灰岩/云岩相岩心为灰白色, 当生物发育时块状灰岩相岩心上可观察到生物介壳层, 该类岩相在成像测井和切片上均为块状模式(图 7-I)。

明确研究区主要的岩性、纹层结构和岩相类型后, 利用常规测井+Lithoscanner测井+成像测井实现单井纵向上岩性、纹层结构类型和岩相的连续识别和划分, 进而为岩相组合和优势岩相判定及优质甜点预测奠定基础。具体识别岩相流程如下: 首先利用常规测井包括自然伽马和电阻率以及成像测井确定出页岩、粉砂岩与灰岩和云岩, 然后利用Lithoscanner反演出的矿物剖面依据矿物含量较为精细的区分出长英质页岩、黏土质页岩和粉砂岩, 最后结合成像测井切片划分出的纹层结构类型, 完成单井纵向上岩相的识别和划分。以X井为例, 岩相划分结果如图 8所示, 在X井的青一段和青二段底部未见到重力流沉积形成的粉砂岩, 其岩相类型为纹层状黏土质页岩、层状黏土质页岩、纹层状长英质页岩、层状长英质页岩、块状云岩/灰岩和块状页岩。纹层状黏土质页岩、层状黏土质页岩、纹层状长英质页岩和层状长英质页岩为主要岩相类型, 占比可达80%, 其中层状页岩和纹层状页岩单层平均厚度最大, 可达0.37 m(表 2)。Q1~Q9层岩相分布略有差异, 自下而上块状介壳灰岩和块状云岩含量先增大后减小, 在Q5层含量最高为21.6%。Q1、Q2和Q4层纹层状黏土质页岩和层状黏土质页岩占比50%左右, 层状长英质页岩和纹层状长英质页岩占比30%左右。Q5层层状黏土质页岩和纹层状黏土质页岩含量较低约为30%, 纹层状长英质页岩和层状长英质页岩约为46%, 可能是由于该时期河流带来了较多的陆源碎屑供应物, 沉积层中长英质含量增加。Q6~Q9层纹层状黏土质页岩和层状黏土质页岩含量在60%~80%之间, 层状长英质页岩和纹层状长英质页岩含量较低(表 2)。

图 8 松辽盆地古龙凹陷青山口组X井岩相单井纵向连续识别与划分Fig.8 Lithofacies classification in a single well (Well X)in the Cretaceous Qingshankou Formation in Gulong sag, Songliao Basin

表 2 松辽盆地古龙凹陷X井青山口组各小层岩相分布特征(%) Table2 Characteristics of lithofacies(%) in the Qingshankou Formation of Well X, Gulong sag, Songliao Basin
3 岩相组合及分布规律
3.1 沉积环境特征

古龙凹陷青山口组沉积时期湖盆进入快速沉降阶段, 形成了一大套半深湖— 深湖页岩。深湖和半深湖环境沉积水体较深, 处于缺氧环境, 有利于有机质保存、聚集和转化。有机质主要来源为层状藻类, 有机碳含量高, 青一段TOC含量为0.17%~7.12%, 集中分布在1.8%~4.5%, 平均值在2%以上。有机质的含量对于油气的富集具有重要的作用。青山口组自上而下成熟度变高, RO介于0.7%~1.7%之间, 均值1.3%, 属于中高成熟页岩油, 勘探开发前景广阔(图 9)。

图 9 松辽盆地古龙凹陷X井青山口组沉积环境特征Fig.9 Depositional environment characteristics of the Qingshankou Formation of Well X in Gulong sag, Songliao Basin

Fe、Mn、Ni、Cr、Co、Cu、V、Th、Rb等在温暖湿润的气候条件下容易富集, 在干燥炎热的气候下Ca、Mg、Sr、K、Na、Ta、B、Zn、Pb容易富集。常用的气候条件判别指标有气候指数C($\sum$(Fe+Mn+Ni+Co+Cr+V)/$\sum$(Ca+Mg+K+Sr+Ba))和Sr/Cu值。Sr为喜干元素, 其高值指示干热气候, 水体盐度较高(刘可禹和刘畅, 2019; Hu et al., 2020; Wu et al., 2021)。Cu的高值指示湿润气候。从X井微量元素Sr/Cu值纵向变化看, 青山口组沉积时期整体处于湿润气候状态, 底部(Q1层)沉积时期气候偏干旱环境(图 9)。

气候湿润时, 雨水携带大量的陆源碎屑注入湖泊, 沉积体系中长英质(石英和长石)含量增加; 气候干热时, 物源供给少并且不易被携带进入湖盆, 沉积物中长英质含量相对降低。因此, 矿物成分含量在一定程度上可以反映气候条件的变化。石英性质稳定, 在搬运过程中容易保存, 而不稳定组分长石在搬运中随着距离增加含量减少, 氧化还原敏感性矿物黄铁矿容易被保留, 因此, 沉积物中矿物组分类型和含量还可以指示物源距离。从X井实测矿物含量变化来看, 青一段和青二段纵向上石英含量稳定, 长石含量变化频繁, 反映了不同沉积期次中沉积物搬运距离不同, 也代表着沉积水动力强弱的变化。

微量元素U、V、Cr、Ni、Co、Cu等在氧化条件下容易溶解, 在还原条件下容易富集; Th和U在还原条件下化学性质相似, 易富集, 在氧化条件下存在差异。U在氧化条件下不稳定易溶于水, 而Th相对稳定。因此可以通过V/(V+Ni)、TH/U、V/Cr、Ni/Co等指标对氧化还原条件进行标定(杨万芹等, 2018; Hu et al., 2020; Wu et al., 2021)。V/(V+Ni)值大于0.84时沉积环境为厌氧, 在0.6~0.84区间代表贫氧环境, 小于0.6为富氧环境。V/Cr值大于4.25指示厌氧, 2~4.25代表贫氧, 小于2代表富氧。V/(V+Ni)值最小为0.71, 最大为0.94, 均值为0.86; V/Cr最小值为2.46, 最大值达4.45, 平均值为3.16。X井微量元素研究表明古龙凹陷青山口组整体处于水体分层不明显的贫氧环境, 在青山口组底部出现过水体分层显著的缺氧环境, X井Q1层2577.70 m和2583.01 m处测得的V/(V+Ni)值分别为0.89和0.93, V/Cr值分别为4.45和4.33, Q1段TOC平均含量为2.2%, 最高可达4.68%, 黄铁矿平均含量3%(图 11)。研究表明水体分层的沉积模式为有机质的生产、富集和保存提供了良好的条件(袁选俊等, 2015; 孙龙德等, 2015; 鄢继华等, 2017; 朱如凯等, 2017; 柳波等, 2018)。

图 11 松辽盆地古龙凹陷X井青山口组青一段岩相组合发育模式Fig.11 Patterns of lithofacies assemblage in the Qingshankou Formation of Well X in Gulong sag, Songliao Basin

Ba2+迁移能力较弱, 当湖水盐度高时 CO32-、 SO42-酸根离子富集则易形成BaCO3、BaSO4沉淀。Sr 2+迁移能力强, 只有当盐度很高时才会生产SrSO4沉淀。因此, 可以利用Sr和Sr/Ba数值高低表征沉积时期湖水盐度。Sr/Ba> 1指示海相咸水或咸化湖泊, 0.6~1代表海陆过渡或半咸水, Sr/Ba< 0.6代表陆相淡水环境; Sr> 500μ g/g指示海相咸水或咸化湖泊沉积, 300~500μ g/g代表海陆过渡或半咸水, 小于300μ g/g代表陆相淡水沉积(杨万芹等, 2018; 刘可禹等, 2019)。古龙凹陷青山口组Sr/Ba平均值为0.5, 最高可达1.34, Sr元素含量平均为277.3 μ g/g, 最低为151.0 μ g/g, 最高可达864.0 μ g/g, 表明整体处于淡水环境, 在底部(Q1层底部)盐度较高, 为微咸水— 咸水沉积环境。

Mn、Al能够反映水深变化, 随着水深增加Mn和Al的含量会增加。利用Mn含量纵向上的变化定性判别古龙凹陷青山口组沉积时期水体变化, 在各小层沉积时期湖平面频繁波动升降, 但整体演化过程中水体逐渐变浅。湖平面上下的频繁变换以及较为稳定的物源供应, 是研究区储集层纹层和页理发育的重要影响因素, 而深水时期上下水体分层也为有机质的富集和保存提供了良好的条件。

伽马测井曲线在一定程度上可以反映出湖平面升降变化, 根据伽马值的大小在每个小层内划分出上升半旋(图 9蓝色)回和下降半旋回(图 9橘色), 伽马最大值处代表该层内湖水最深时期(图 9)。Q1层~Q6层上升半旋回沉积期要大于下降半旋回沉积期, 表明此阶段湖平面整体处于上升的状态。Q7层之后整体下降半旋回沉积期要大于上升半旋回沉积期, 说明湖平面开始下降, 且在Q7层水体达到最深。

3.2 沉积环境控制下的岩相组合类型

沉积环境条件如湖平面变化、物源供给、气候等控制着沉积物的成分、结构、构造及其组合形式, 反之, 岩相组合形式能够反映成因上具有关联的沉积环境特征。因此不同级别的层序可以用来进行岩相组合的划分和成因的研究(刘惠民等, 2022)。

依据各小层层内岩相纵向叠置规律, 将研究区岩相组合类型划分为5类(图 10)。I型纹层状黏土质页岩与层状黏土质页岩互层、Ⅱ 型纹层状黏土质页岩与纹层状长英质页岩互层、Ⅲ 型纹层状长英质页岩与层状长英质页岩互层、Ⅳ 型纹层状黏土质页岩与纹层状长英质页岩及层状黏土质页岩互层、V型纹层状黏土质页岩和层状黏土质页岩及纹层状长英质页岩和层状长英质页岩互层。岩相组合类型以纹层状黏土质页岩、层状黏土质页岩、纹层状长英质页岩和层状长英质页岩4类岩相中的2种及以上组合而成, 块状页岩、块状介壳灰岩和块状云岩含量不到20%, 出现频率很低, 因此未纳入岩相组合模式中。I型岩相组合除Q7层外在其他各小层均有发育, 主要出现在下降半旋回(即图 11第4道橘色层位); Ⅱ 型和Ⅲ 型岩相组合发育较少, Ⅱ 型只在Q3层下降半旋回出现; Ⅲ 型岩相组合出现在Q1和Q5层的上升半旋回(即图 11第4道蓝色层位); Ⅳ 型出现在Q6~Q8层上升半旋回; V型岩相组合类型发育程度仅次于I型组合, 在上升和下降半旋回均有出现, 集中分布在Q2、Q4、Q7和Q94个小层。

图 10 松辽盆地古龙凹陷青山口组岩相组合类型Fig.10 Types of lithofacies assemblage in the Qingshankou Formation in Gulong sag, Songliao Basin

青山口组与下伏泉头组沉积时期为松辽盆地白垩系的第3次大规模湖侵周期。泉头组进入构造拗陷期, 湖泊面积扩张, 到青山口组时期, 构造沉降速率大于沉积物供给速率, 湖泊面积进一步扩大, 到青山口组晚期, 来自盆地南北和西部的两大物源输入增强, 致使湖泊发生退积从而导致湖平面下降(柳波等, 2021)。因此整个青山口组经历了水体变深再变浅的一个大的循环周期。在Q7沉积时期水体达到最深, 发育了一套较厚的以黏土质页岩夹长英质页岩或介壳灰岩或云岩的岩相组合体。向上水体逐渐变浅, 水动力较弱, 沉积物中增加了少量的陆源碎屑, 因此形成了一套以纹层状长英质页岩为主夹纹层状黏土质页岩和层状黏土质页岩及块状灰岩或云岩的岩相组合体(图 11)。在整体水体加深的过程中, 即Q1~Q6时期, 在各小层上升半旋回中(即图 11第4道蓝色层位)以Ⅰ 型和Ⅲ 型岩相组合为主, 多为2种岩相组合叠置, 整体上岩性较为简单, 表明沉积环境相对稳定; 当水体达到最深且开始逐渐下降进入湖泊— 三角洲沉积时期, 即Q7~Q9层, 上升半旋回以复杂岩相组合体为主, 多为Ⅳ 型或Ⅴ 型, 多是由于陆源碎屑物质供应增加, 岩石矿物组分类型变多, 进而形成一套岩性较为复杂的沉积体, 沉积层具有长英质页岩发育的特征, 由于沉降缓慢沉积物成层性显著, 发育纹层状和层状沉积构造。在各小层湖平面下降半旋回中(即图 11第4道橘色层位), 岩相组合类型以I型为主, 即纹层状黏土质页岩与层状黏土质页岩互层, 说明在湖平面下降过程中, 大量的悬浮物质得以沉降形成沉积层, 使得地层发育纹层状或层状沉积构造, 具有黏土质页岩发育的特征。整体上研究区以I型岩相组合为主, 表明青山口组处在一个稳定交替变换的沉积背景下, 形成了一套薄互层频繁交替出现且非均质性强的沉积体。

4 结论

1)松辽盆地古龙凹陷青山口组青一段和青二段底部(Q1~Q9)岩性分为4类: 黏土质页岩、长英质页岩、介壳灰岩和云岩。灰岩中富含介形虫类和瓣鳃类等生物介壳。重力流沉积的粉砂岩在局部地区出现。为了便于将岩心观察到的纹层与测井可以表征的纹层相匹配, 将纹层结构类型按照尺度划分为毫米级纹层状、厘米级层状和分米级块状3类。以矿物组分和纹层结构类型作为2个核心标准, 将古龙凹陷页岩油储集层岩相分为10类, 由于粉砂岩储集层只在局部区域出现, 研究区常见的岩相类型分为7类。

2)利用Lithscanner技术完成古龙页岩油岩性矿物组分测井评价, 结合常规测井实现单井纵向上岩性的连续识别与划分。主要岩性为黏土质页岩, 其次为长英质页岩, 二者占比约为80%, 灰岩和云岩较少出现; 基于高分辨率成像测井技术实现单井纵向上纹层结构类型的连续识别与划分, 纹层状和层状占比可达90%以上; 进而将二者叠合实现单井纵向上岩相的快速识别和划分, 主要岩相类型为纹层状黏土质页岩和层状黏土质页岩, 占比高达60%, 其次为纹层状长英质页岩和层状长英质页岩为主, 块状介壳灰岩和云岩出现较少, 块状页岩偶现。

3)微量元素分析表明, 青山口组整体处于气候湿润还原性较强的淡水湖盆的沉积环境, 水体在Q7层达到最深而后逐渐变浅。地层旋回控制下的岩相组合类型可以划分为5类, 每种类型由纹层状黏土质页岩、层状黏土质页岩、纹层状长英质页岩和层状长英质页岩4类岩相中的2种及以上组合而成, 其中Ⅰ 型、Ⅱ 型和Ⅲ 型为2种岩相互层, Ⅳ 型岩相组合类型为3种岩相叠置, Ⅴ 型为4种岩相混合互层。Q1~Q6时期岩相组合类型主要为Ⅰ 型、Ⅱ 型或Ⅲ 型, 下降半旋回以Ⅰ 型为主, 上升半旋回以I型和Ⅲ 型为主。Q7时期湖泊水深达到最大且开始逐渐下降。Q7~Q9层时期, 上升半旋回多为Ⅳ 型和Ⅴ 型, 下降半旋回以I型为主。

(责任编辑 郑秀娟; 英文审校 徐 杰)

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