陆相页岩成因与优质储集层形成机制^*

Genesis of continental shales and formation mechanisms of high-quality reservoirs

摘要

中国页岩油主要赋存于陆相盆地,已在数个陆相盆地取得了页岩油勘探开发突破。勘探实践表明,不同湖盆页岩矿物组分、沉积构造、岩石类型差异巨大,说明其成因机制具有多样性,但目前对其多样化成因还缺乏系统研究。本研究通过系统梳理中国主要盆地陆相页岩成因机制,发现页岩中的硅质、钙质、云质、“蒸发”矿物等均具有多种成因机制。其中,陆相页岩的重要硅质来源包括陆源输入、湖盆生物、黏土矿物转化、火山物质蚀变等; 方解石矿物的形成机制包括化学沉淀、生物诱导沉淀、钙质生物残骸、陆源输入、重结晶作用等; 微生物沉淀、热液驱动和埋藏转化是陆相页岩层系内白云石的最主要形成机制; 大量页岩层系内的“蒸发”矿物常缺乏蒸发序列,且与深水富有机质页岩共生,指示其非蒸发成因。陆相页岩成因机制多样性驱动形成十余类优质储集层,按其储集层质量形成的主控因素,可归类为沉积主控型、成岩改造型、沉积—成岩复合型。盆地内不同部位和层位的沉积—成岩作用差异性导致优质储集层类型时空多变,使一个湖盆内表现为多类型优质储集层共生的特征。

Abstract

Shale oil resources in China are predominantly hosted in continental sedimentary basins,where recent exploration and development efforts have yielded substantial breakthroughs. Field-based observations reveal pronounced heterogeneity in mineralogical composition,sedimentary architecture,and lithofacies distribution across continental shale successions—reflecting fundamentally diverse genetic origins. Nevertheless,a comprehensive,basin-scale synthesis of these genetic mechanisms remains limited. This study presents a systematic review and integration of the provenance and formation processes governing continental shales in China's major petroliferous basins. Our analysis demonstrates that key authigenic minerals—including siliceous,calcareous,dolomitic,and so-called “evaporitic” phases—exhibit polygenetic origins. Silica is supplied through multiple pathways: detrital input from source terrains,biogenic precipitation(e.g.,diatomaceous and radiolarian opal),clay mineral diagenesis(e.g.,smectite-to-illite transformation),and volcanic ash alteration. Calcite precipitates via diverse mechanisms: inorganic chemical precipitation from supersaturated pore waters,microbially mediated or biologically induced crystallization,incorporation of bioclastic debris(e.g.,ostracod and charophyte fragments),detrital carbonate influx,and post-depositional recrystallization. Dolomite formation is primarily controlled by microbial mediation(e.g.,sulfate-reducing bacteria),hydrothermal fluid interaction,and burial-related solid-state transformation. Notably,many minerals historically labeled “evaporitic”(e.g.,gypsum,anhydrite,halite pseudomorphs)occur in the absence of diagnostic evaporite stratigraphy and commonly co-occur with deep-lake,organic-rich shale intervals—strongly indicating non-evaporitic,often diagenetically driven,origins. This multiplicity of mineral-forming processes underpins the development of over ten distinct high-quality reservoir types,which are systematically classified into three end-member categories based on dominant quality-controlling processes: (1)sedimentation-dominated reservoirs,(2)diagenesis-modified reservoirs,and(3)mixed sedimentation-diagenesis reservoirs. Furthermore,spatial and temporal variations in depositional systems(e.g.,lake level fluctuations,provenance shifts)and diagenetic histories(e.g.,timing and intensity of silica/carbonate cementation,organic acid leaching)lead to pronounced spatiotemporal heterogeneity in reservoir type distribution—even within individual lacustrine basins—frequently resulting in vertical and lateral coexistence of multiple reservoir types.

Graphical abstract

关键词

陆相页岩 / 形成机制 / 多样性 / 页岩油 / 储集层

Key words

continental shales / formation mechanism / diversity / shale oil / reservoir

0 引言

近年来,页岩油气已成为中国油气增储上产的重点领域。页岩气勘探开发集中于中国西南部四川盆地及周缘地区的海相地层(胡宗全等,2025),2024年产量超过250亿方。

页岩油主要赋存于陆相地层,且分布于中国各地的多个盆地(图 1),已在准噶尔盆地吉木萨尔凹陷(葸克来等,2023;支东明等,2025)和玛湖凹陷二叠系(支东明等,2024)、渤海湾盆地济阳坳陷(刘惠民等,2023a;李军亮等,2025)和沧东凹陷古近系(赵贤正等,2022;蒲秀刚等,2024)、鄂尔多斯盆地三叠系(胡宗全等,2023;赵文智等,2023)、松辽盆地古龙凹陷白垩系(庞小娇等,2023;孙龙德等,2024)等实现工业化突破,并建成页岩油产能。2024年中国页岩油产量首次突破600万吨(贾承造等,2024),呈现良好的增长态势。

海相页岩气的优质储集层类型相对单一,富有机质—高硅层段是主要的优质储集层类型,其在盆地内的分布也相对稳定。美国二叠盆地(Scanlon et al., 2017)、福特沃兹盆地Barnett页岩(Jarvie et al., 2007)及中国四川盆地五峰—龙马溪组页岩(李勇等,2026)等的主力产层均表现为上述规律。近年针对中国不同陆相盆地页岩油的勘探开发实践表明,不同湖盆甚至相同湖盆不同部位的页岩矿物组分、沉积构造、岩石类型差异巨大(图 1),说明陆相页岩的优质储集层成因具有多样性。

在上述成因多样性背景下,目前针对陆相页岩多类型矿物组分形成机制的系统梳理还十分匮乏,导致不同盆地优质储集层差异形成机制认识薄弱,进而制约了全面揭示陆相页岩油甜点形成机制。本研究利用中国主要陆相页岩储集层资料,系统梳理陆相页岩的多样性成因,并归纳优质储集层形成机制,助力陆相页岩油勘探开发进一步突破。

1 陆相页岩矿物来源多样性

中国陆相页岩矿物组分多样,不同湖盆矿物组分差异极大(图 1)。例如,渤海湾盆地古近系沙河街组富含方解石及白云石(平均~50%);松辽盆地青山口组及鄂尔多斯盆地延长组页岩富含黏土(平均~40%)及长英质(平均~40%);准噶尔盆地玛湖凹陷风城组页岩的长英质矿物含量极高(平均~80%),并在部分层段集中发育碱性矿物; 江汉盆地潜江凹陷古近系页岩的盐类矿物十分发育,垂向上形成了193个盐韵律层(李乐等,2019)。

各盆地陆相页岩不仅表现为矿物组分多样性,各矿物也具有多种来源和成因机制(操应长等,2023)。下面对不同矿物的来源和成因机制进行详细阐述。

1.1 硅质矿物

硅质矿物是陆相页岩最主要的矿物类型之一,各陆相盆地的硅质矿物平均含量分布于30%至80%之间(白斌等,2022)。硅质矿物类型多样,包括陆源硅(碎屑石英)、生物硅(硅藻)、黏土矿物成岩硅、火山石英及其蚀变硅等多种类型(梁兴等,2025;杜安业等,2026)。

1.1.1 陆源硅

陆源石英是陆相页岩内最为熟知的石英类型,为母岩物质经物理—化学风化形成(魏晓亮等,2025)。由于各类型母岩在风化后都能产生大量石英颗粒(梅俊芳等,2024),因此在中国多数陆相页岩内,陆源石英均是重要的石英类型,占总石英含量的一半以上。页岩内的陆源石英具有鲜明的鉴别特征,在薄片及电镜下一般呈棱角—次棱角状,在阴极发光下显示出高温石英的紫色或褐色荧光(图 2-A,2-B,2-C)。

1.1.2 生物硅

页岩内的生物硅是硅藻死亡沉淀后的硅质骨骼残骸(梁兴等,2025)。硅藻勃发一般与水体富营养化有关; 水体富营养化导致有机藻勃发,为生物硅提供了充足的食物,进而导致生物硅勃发。例如,云南昆明滇池的富营养化即诱导了生物硅勃发,导致滇池淤泥的生物硅含量达30%以上(吴峰炜等,2009)。因此,富硅藻页岩一般富含有机质。

生物硅在显微镜及电镜下可呈现多种形态(与硅藻种属有关),以圆形居多,薄片下为多晶形态,在薄片或电镜下可见生物结构,阴极发光呈不发光或发微弱荧光(图 2-D,2-E)。生物硅内部具有多孔结构,且生物硅为刚性颗粒、抗压实能力强,导致硅藻页岩相对疏松多孔(姜广明等,2025)。硅藻页岩的孔隙度理论上可达20%~30%以上,岩石密度低至2000 kg/m³(姜广明等,2021)。生物体腔微孔与硅藻间的粒间孔共同构成了网格状油气储集空间和运移通道。

由于含生物硅的页岩通常富含有机质,且具有高孔渗性、高脆性的特点,是潜在的优质页岩油气储集层。例如,古龙凹陷青山口组页岩产油层段内,发现含有一定量的生物硅,有效提升了储集层质量(张建国等,2022)。

1.1.3 黏土矿物成岩硅

黏土矿物成岩转化也是形成硅质矿物的重要途径(梅俊芳等,2024)。黏土矿物包括高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石及相应的混层矿物(宋金民等,2024)。其中,蒙脱石和高岭石在成岩作用阶段均会逐渐转化成伊利石,并在转化过程中析出SiO₂或Si⁴⁺(公式1、2)(姜在兴和陈代钊,2022),进而在孔隙空间内重结晶形成成岩硅。黏土矿物成岩硅的粒径一般数微米、自形晶,电镜下集中或分散分布(图 2-G,2-H,2-I),阴极发光观察不发光或显示微弱荧光。

(公式1)$\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{2}\mathrm{S}{\mathrm{i}}_{2}{\mathrm{O}}_{5}{\left(\mathrm{O}\mathrm{H}\right)}_{4}\left(\mathrm{高}\mathrm{岭}\mathrm{石}\right)+\mathrm{K}\mathrm{A}\mathrm{l}\mathrm{S}{\mathrm{i}}_{3}{\mathrm{O}}_{8}\left(\mathrm{钾}\mathrm{长}\mathrm{石}\right)\to \mathrm{K}\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{3}\mathrm{S}{\mathrm{i}}_{3}{\mathrm{O}}_{10}{\left(\mathrm{O}\mathrm{H}\right)}_{2}\left(\mathrm{伊}\mathrm{利}\mathrm{石}\right)+2\mathrm{ }\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_{2}+{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}\mathrm{ }$

(公式2)$\mathrm{蒙}\mathrm{脱}\mathrm{石}+4.5\mathrm{ }{\mathrm{K}}^{+}+8\mathrm{ }\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}\to \mathrm{ }\mathrm{伊}\mathrm{利}\mathrm{石}+\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}+2\mathrm{ }\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}+2.5\mathrm{ }\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{3+}+2\mathrm{ }\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}+3\mathrm{ }\mathrm{S}{\mathrm{i}}^{4+}\mathit{ }$

蒙脱石及高岭石在成岩作用过程中向伊利石转化是必然规律,一般在有机质中—高成熟阶段全部转化为伊利石及伴生矿物。例如,古龙凹陷青山口组页岩(何文渊等,2024)及东营凹陷陡坡带沙四上亚段页岩(表 1)的蒙脱石和高岭石接近零,伊利石占黏土矿物90%以上,说明黏土蒙脱石和高岭石已彻底转化,并在扫描电镜下可观察到大量自形的微米级成岩硅(图 2-H,2-I),在部分层段可占总硅含量的1/3左右。

由于蒙脱石是水敏矿物,黏土矿物转化及成岩硅的形成在客观上降低了岩石水敏并提高了脆性,有利于水力压裂(魏晓亮等,2025)。成岩硅刚性强,在其晶粒间形成大量微米级晶间孔(图 2-H,2-I),提高了储集性,因此成岩硅的形成有利于提高甜点质量。例如,东营凹陷陡坡带富成岩硅页岩段表现出了优越的生产能力(刘惠民等,2023b)。

1.1.4 火山石英及其蚀变硅

火山凝灰物质内也含有大量的硅质矿物。硅质矿物是晶屑和玻屑的重要矿物成分,呈不规则裂纹及港湾状,或鸡骨状、月牙形等(徐文强等,1989)。中国鄂尔多斯盆地延长组、准噶尔盆地风城组等页岩层系内均含大量火山凝灰成因的硅质矿物。

此外,火山凝灰物质在成岩蚀变过程中也会形成成岩硅,进而新生成石英矿物或导致石英晶形、晶格变化(王俊怀等,2014)。例如,火山玻璃在地温40 ℃左右会部分成岩演化形成石英; 斜发沸石内的硅离子在地温70~80 ℃阶段析出形成石英; 片沸石在高成熟阶段也可析出硅离子形成石英(朱世发等,2014)。中国西部中生界陆相盆地的火山蚀变硅较发育。例如,玛湖凹陷风城组页岩的硅质矿物含量可达80%,黏土矿物含量极低(平均~5%),镜下以玻璃质为主、少量呈放射状,并在电镜下呈现自形特征(图 2-J至2-L),指示其为火山凝灰物质蚀变形成的成岩硅。

1.2 方解石

1.2.1 化学沉淀方解石

化学沉淀方解石是较早被学界注意到的方解石成因类型(王建功等,2023),水介质的离子浓度和温度会影响方解石溶解—沉淀(杜佰松等,2023)。由于日照量、降水等环境因素的变化,会导致水介质温度及钙离子、碳酸根离子浓度的变化,进而影响方解石的溶解和沉淀(马诚佑等,2023)。咸化湖盆水体的离子浓度高,更利于形成化学沉淀方解石。

化学沉淀方解石的晶粒大小均匀,一般为数微米,晶体自形程度高,且晶体间少见其他杂质(图 3-A,3-B,3-C)。由于水介质的年际变化会影响方解石的化学沉淀—溶解,因此化学沉淀方解石多组成纹层结构(图 3-A,3-B,3-C)。化学沉淀方解石为典型的无机成因,其有机质含量一般较低。在沾化凹陷沙三下亚段南坡湖盆咸化阶段的页岩层系内,发育以化学沉淀方解石为主(平均矿物含量~75%)的数十米厚页岩(张建国等,2021),其有机质平均含量仅1%,远低于该凹陷其他非化学成因方解石层段的有机质含量(平均~4%)。

1.2.2 生物化学沉淀方解石

20世纪80年代,学者发现湖泊水体中的Ca²⁺和$\mathrm{CO}_3^{2-}$在过饱和条件下并不一定导致方解石沉淀,而需要有微生物的参与才会形成方解石沉淀(吴霞等,2024)。微生物的细胞壁和胞外聚合物为方解石晶体附着提供电荷点、降低方解石沉淀所需的能量,进而通过粘结、吸附等方式形成方解石晶体并沉淀(贺海燕等,2025),即“过饱和是前提、微生物是媒介”。此外,湖泊微生物的新陈代谢活动改变水体介质特征,进而导致方解石沉淀,也属于生物化学沉淀方解石的范畴(钱一雄等,2023)。

生物化学方解石晶粒一般数微米、自形程度高。其表面可能具有微孔,为藻丝体粘结、吸附的痕迹。垂向上生物化学方解石纹层与有机质纹层可韵律性互层。以生物化学方解石为主的页岩通常富含有机质,且方解石为脆性矿物,导致岩石脆性较高; 该类岩石有可能形成优质页岩油甜点(何海龙等,2025)。例如,在东营凹陷沙四上—沙三下生物化学沉积的方解石主导层段为近期页岩油勘探的重点之一,取得了良好的勘探效果(杜玉山等,2024)。

1.2.3 钙质生物残骸

钙质藻类的“骨骼”多数是通过钙化作用形成的(James and Jones,2016),该机制需依赖清澈、富营养化的水体环境(Kuznetsov,2023)。部分陆相页岩含有介形虫、中华叶肢介等钙质生物残骸,钙质生物(介形虫、轮藻等)的繁盛及其死亡后的壳体堆积是湖相方解石的重要来源(钱迈平等,2014)。钙质生物残骸可富集成层(图 3-H),但多为碎片状分散于页岩中(图 3-I);前者可能是生物死亡后原地埋藏,而后者可能是事件作用下的异地搬运沉积。在中国古龙凹陷青山口组(何文渊等,2024;吴霞等,2024)及渤海湾盆地中始新统页岩(王飞宇等,2023),均发现了一定量的钙质生物残骸。

1.2.4 陆源碎屑方解石

相较于海洋,多数陆相湖盆靠近物源区。碳酸盐岩母岩可在洪水等的作用下进入湖盆。中国中东部新生代断陷湖盆,表现为高山深盆结构,且华北地台中上元古界碳酸盐岩是其主要的母岩类型之一(Li et al., 2020),为陆源机械沉积方解石创造了理想条件。例如,Jiang 等(2007)在束鹿凹陷中始新统深湖页岩中发现了陆源机械搬运沉积的泥灰岩。

1.2.5 重结晶方解石

有机质成熟生烃作用形成的有机酸溶蚀页岩中的泥晶方解石(图 3-M),使其重结晶形成亮晶方解石,而有机质生烃作用形成的异常高压诱导形成水平微裂缝,为方解石的形成提供了储集空间(王昕尧等,2021)。重结晶方解石晶粒也可在纹层状方解石中呈集合状(图 3-N)和透镜状(图 3-O),重结晶方解石晶粒的接触部位可形成大量的晶间孔,其直径可达数十微米,为油气储存和运移提供了优越条件(杜玉山等,2024)。根据已有报道,东营凹陷沙四上亚段在含重结晶方解石的页岩层段勘探取得了良好效果,其樊页平1井日产油峰值达172吨/天,目前累产油超2万吨(刘惠民等,2023c; 李军亮等,2025)。

1.3 白云石

白云石成因机制多样,是沉积学界悬而未决的百年谜题(沈安江等,2025)。白云岩在地质历史时期的碳酸盐岩台地中分布广泛(图 4-A),对于陆相深水页岩而言,热液白云石、微生物白云石、埋藏转化白云石是常见的成因类型。

1.3.1 热液白云石

非微生物白云石的成因机制多样。对陆相深水页岩而言,蒸发泵、回流渗透白云岩化等传统机制难以解释其成因,而热液白云石化是其重要成因类型。

热液白云石化作用是指在埋藏环境下,温度和压力比围岩高(至少>5~10 ℃)的流体中发生的白云石化作用,这些热液流体通常是由断裂系统从深部输导上来的(甯濛等,2025)。热液白云石化作用的规模取决于断裂系统样式、规模与镁离子的输入通量,当镁离子供应充分时,在一些大型断裂系统内也可以形成规模化的热液白云岩储集层(赵文智等,2018;沈安江等,2025)。中国西部的准噶尔盆地、三塘湖盆地等地区火山—热液频发,热液白云石化可能是其页岩的一种重要成因机制(王剑等,2024)。例如,准噶尔盆地玛湖凹陷风城组页岩的白云石平均含量约25%,大量白云石沿裂缝分布(图 4-B,4-C)。

1.3.2 微生物白云石

国际沉积学会主席McKenzie J. A. 团队于1995年提出微生物白云石机制(Vasconcelos et al., 1995),为自然界的原生低温白云石成因提出了一个合理解释方案,对于深水页岩而言,产甲烷菌等的活动可诱导形成微生物白云岩。于炳松等(2012)在青海湖的深湖淤泥中分离出了原生微生物白云石。古龙凹陷青山口组页岩层系内的白云岩在薄片下可见白云石晶体被微生物包裹、吸附(图 4-D),且表现为高碳高氧同位素(表 2)的特征,判断为微生物白云岩(白翔宇等,2025)。

微生物白云石的页岩油气意义有待深化研究。笔者在收集古龙凹陷青山口组微生物白云岩的物性资料中发现微生物白云岩普遍较致密(平均孔隙度约2%),薄片显示晶体间孔隙较小(图 4-E),与白云岩物性好的传统认识大相径庭。这可能与微生物白云岩为原生白云石,缺少白云石化增孔过程有关。

1.3.3 埋藏转化白云石

中国不同盆地的陆相页岩黏土矿物含量差异大,部分陆相页岩的平均黏土矿物平均含量接近40%(图 1)。湖盆的淤泥在沉积后,随埋深加大逐渐发生脱水及黏土矿物转化作用(例如,蒙脱石的伊利石化)(沈安江等,2025)。在转化的过程中释放出镁离子进入孔隙水中,使得富镁孔隙水被排替流入石灰岩中,从而导致白云石化(周刚等,2024)。黏土矿物转化的镁离子量控制白云岩化程度,因此埋藏转化白云石常作为页岩的一种矿物组分,而非纯白云岩的形式出现。

中国数个陆相页岩油勘探开发的重点层系内发现了埋藏转化白云石。例如,济阳坳陷渤南洼陷深洼带的义页1-1井等页岩油高产井取心段,黏土矿物几乎全部伊利石化(表 1),且含有一定量白云石(平均10%~20%),因此推测为埋藏转化白云石。

1.4 “蒸发”矿物

“蒸发”矿物在部分陆相深水页岩也较常见。江汉盆地潜江凹陷潜江组页岩层系厚度达1800 m,垂向上划分为193个米级盐韵律(李乐等,2019)。渤海湾盆地东营凹陷沙四下亚段和沾化凹陷沙四上亚段的页岩层系也发育大量膏盐岩沉积(操应长等,2011)。准噶尔盆地玛湖凹陷风城组页岩层系发育大量碱岩,在深湖区的累计厚度达500 m以上(冯允献等,2025;孙中良等,2025)。

“蒸发”矿物一般被认为是湖盆干涸—蒸发成因(郭佩和李长志,2022)。但对于陆相深水页岩层系内的膏盐岩及碱岩,由于其处于深水环境,干涸成因显然难以解释其成因机制。例如,笔者在研究渤海湾盆地东营和沾化凹陷沙四段深水页岩层系内的膏盐岩发现: (1)石盐岩、泥质钙芒硝岩、泥质硬石膏呈一个序列分布(图 5-A),电镜下呈连续不规则断面特征(图 5-B),呈蒸发化学成因的特征; (2)部分膏盐岩沿构造裂缝分布(图 5-C至5-E);(3)膏盐岩 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 均值(0.709)接近同期上地幔 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 均值(0.706);(4)膏盐岩 δ³⁴S 均值(45‰)显著高于同期海相膏岩δ³⁴S(17‰~19‰)、大陆壳δ³⁴S(<10‰)(表 2)。因此,推断该区膏盐岩形成于深部卤水上涌进入湖盆后,沉淀于深水环境,而非干涸成因。类似深部卤水成因的还有准噶尔盆地玛湖凹陷的深部卤水碱岩(图 5-F至5-H)。

1.5 黏土矿物

母岩的风化—搬运作用,是湖盆内黏土矿物的最主要成因。多数母岩在经历物理—化学风化后,会产生大量黏土物质(彭军等,2020)。水流将黏土物质携带进入湖盆后,由于黏土矿物比表面积大、密度低,多数黏土矿物表面带有正电荷或负电荷,在水体中会相互吸引,从而聚集形成“絮状物”,并最终沉淀下来(Curran et al., 2004)(图 6-A),导致绝大多数黏土矿物沉积于页岩内。絮凝沉淀的黏土矿物会有絮凝孔(图 6-B),是页岩油气潜在储集空间(Tourney and Ngwenya,2014)。少数黏土矿物以分散状沉淀至湖盆底部。

在埋藏成岩阶段,一般会发生黏土矿物转化,并伴随新生黏土矿物的形成。其中最主要的是蒙脱石的伊利石化或绿泥石化(宋金民等,2024; 刘旭东等,2026)。二八面体蒙脱石转化为伊蒙混层,并最终转化为伊利石; 三八面体蒙脱石转化为伊绿混层,并最终转化为绿泥石。由于二八面体蒙脱石占主导位置,因此古老页岩的黏土矿物以伊利石占主导。地层温度和钾离子含量是控制转化速率的两个最关键要素(梅俊芳等,2024)。

1.6 其他矿物

陆相页岩内还常含有长石、黄铁矿、沸石等十多种不同类型的矿物。不同矿物类型的成因机制各异。

长石主要来源于陆源风化搬运沉积,黏土矿物等成岩转化也会形成少量长石。例如,准噶尔盆地玛湖凹陷风城组发育粉砂级碎屑长石、成岩转化长石。其成岩转化长石主要由原始黏土矿物、碎屑钾长石、钠长石及凝灰物质在酸碱成岩环境转化过程中形成,其分布和含量受原始沉积环境的盐度、碱度以及有机质含量的控制(李长志等,2024)。盐度和碱度越高,自生长石含量越丰富。

深水页岩黄铁矿可分为自形黄铁矿、草莓状黄铁矿及交代型黄铁矿3类(杨文霞等,2026)。自形黄铁矿包括普通自形黄铁矿及块状黄铁矿; 草莓状黄铁矿则可以细分为普通草莓状黄铁矿、充填型草莓状黄铁矿及过度生长型草莓状黄铁矿3类。深水页岩黄铁矿的成矿物质来源众多。铁源主要来自陆源输入、湖底沉积物的回收以及热液; 硫则源自浅层沉积物的MSR(Microbial Sulfate Reduction,微生物硫酸盐还原,沉积物中一种重要的生物地球化学过程)(Fischer et al., 2023),及由深部热液流体或地温梯度驱动的TSR(Thermochemical Sulfate Reduction,硫酸盐热还原反应,沉积盆地中常见的有机—无机相互作用)(Wan et al., 2024)。

沸石矿物主要与火山—热液有关,且会在成岩作用过程中发生一系列转化。沸石类型有原生沸石、热液成因沸石、火山物质蚀变沸石和矿物转化沸石(王继远等,2025);其骨架结构可以用Si/Al表征,据此分为高硅沸石和低硅沸石。沸石的形成通常与火山物质密切相关。前人以准噶尔盆地西北缘下二叠统火山碎屑岩为研究对象,建立了火山碎屑—斜发沸石—方沸石—片沸石—浊沸石的成岩序列(牛君等,2025)。在沉积岩中,沸石的来源多样,形成机制复杂,成因类型也多样。本研究根据成因类型,将沸石分为4种: (1)原生沸石,岩浆冷凝结晶后,铁镁质火成岩中可见沸石斑晶,其中少部分沸石斑晶可成为沉积岩的造岩矿物; (2)热液成因沸石,富含钠质硅酸盐胶体的幔源热液受强烈构造活动影响,沿深部断裂上涌,与沉积水体混合后,发生冷凝作用析出的沸石; (3)火山物质蚀变沸石,富含火山碎屑的沉积物中,火山玻璃等不稳定物质在地层流体作用下分解释放大量Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Si⁴⁺、Al³⁺等阳离子,并在一定成岩条件下,依次形成各类沸石; (4)矿物转化沸石,无火山物质条件下,黏土矿物、长石等硅铝酸盐矿物与高盐碱性沉积水体或成岩流体相互作用,形成硅铝酸盐凝胶,并与水体中的阳离子结合形成沸石。

2 多元页岩成因驱动下的优质储集层类型及实例

陆相页岩的形成机制多样性导致优质储集层并非单一类型,而是呈现出多类型并存的特点。按照优质储集层的形成主控因素,可划分为沉积主控型、成岩改造型、沉积—成岩复合型优质页岩储集层。

2.1 沉积主控型优质页岩储集层

沉积主控型优质页岩储集层指沉积作用是形成优质储集层的最关键要素。沧东凹陷孔二段、古龙凹陷青山口组等发育此类页岩储集层甜点类型。

2.1.1 高TOC纹层状长英质页岩储集层: 以沧东凹陷孔二段和古龙凹陷青山口组为例

沧东凹陷孔二段GD1701H页岩油于2018年首获日产76方的工业性页岩油流,目前已建成年产十万吨的效益开发平台(周立宏等,2023)。该区发育纹层状长英质页岩、纹层状碳酸盐岩与黏土岩等多种类型页岩(韩文中等,2021;蒲秀刚等,2024)。气候和沉积环境通过控制物源供给强度、水介质条件、沉积速率等,进而控制页岩岩相类型及纵横向分布。气候干旱、水体盐度高时主要发育灰云质页岩类,气候较湿润、盐度略低时发育纹层状长英质页岩(解德录等,2024)。纹层状长英质页岩是本区最优质页岩油甜点,其在特殊沉积环境形成的高频纹层结构、高有机质丰度、高脆性矿物含量、低黏土含量的“三高一低”地质特征,驱动形成了优质甜点。纹层状长英质页岩高频纹层结构的沉积特征,还导致其能够形成含油流体储集、运移通道,具有相对较高的基质渗透性,压裂改造后人工裂缝与基质孔缝形成复杂缝网结构,具备页岩油长期稳产能力。大港油田瞄准纹层状长英质页岩,实现了沧东凹陷页岩油的高产稳产,其中4口水平井单井日产页岩油突破百吨,GY5-1-1L井日产油达208 m³,日产气5900 m³;截至2022年4月,28口生产井日产油稳定在300~350吨,累产油17.8×10⁴吨(赵贤正等,2022)。

古龙凹陷青山口组是松辽盆地最主要的烃源岩,整体表现为自下而上古盐度降低、古水深减小、水体还原性减弱和陆源输入增强的特点(陆加敏等,2025)。这导致青山口组下部的有机质含量均值较高,内源碳酸盐矿物及生物硅较发育; 青山口组上部的有机质含量均值高、脆性矿物较发育,陆源矿物组分占绝对主导。陆源和内源组分共同组成了古龙凹陷青山口组页岩。对于陆源矿物主导阶段,从靠近湖盆边缘区域到湖盆中心,依次发育低有机质纹层状长英质页岩、中有机质纹层状长英质页岩及中—高有机质纹层状黏土岩。

对于内源矿物较发育阶段,从湖盆边缘到中心,依次分布低有机质块状介壳灰岩、中—高有机质泥微晶白云岩、高有机质纹层状生物硅质页岩(冯路尧等,2023)。勘探实践表明,古龙页岩青山口组具有核磁大孔发育、黏土含量相对低、脆性相对高等特征的层段(图 7),具有良好的页岩油储集潜力(李士超等,2025)。相较而言,陆源沉积的纹层状黏土岩、纹层状长英质页岩的有机质丰度、含油性、储集物性、储集空间发育等均较差,页岩油储集潜力有限(图 7)。上述沉积规律使松辽盆地北部青山口组页岩油勘探方向为纵向上主攻青山口组二段Q₉油层(孙龙德等,2024)。从2020年突破到2023年,该区以高TOC纹层状长英质页岩储集层为主的基质型页岩油累产油气当量46.5万吨,2024年产量突破40万吨。

2.1.2 高TOC纹层状富灰页岩储集层: 以东营凹陷沙四上亚段缓坡带为例

济阳坳陷东营凹陷古近系沙四上亚段—沙三下亚段水体盐度高,属于半咸水—咸水环境(刘惠民等,2023d)。岩相展布受物源和水介质宏观环带状分布控制明显,平面上呈环带状分布(刘惠民,2022)。内源的富碳酸盐纹层状岩相主要分布在湖盆几何中心; 外源含有机质块状、层状灰质泥岩相主要分布在粗碎屑沉积体系边缘,富有机质层状岩相主要分布在内源和外源的混源带。在东营凹陷南坡发育富灰(方解石含量>50%)页岩。方解石纹层与有机质、黏土、长英质混合纹层在垂向上呈韵律性互层。其中,有机质、黏土、长英质所组成的混合纹层有机质含量高(平均~8%),生烃能力强; 方解石纹层由大量泥微晶方解石组成,纹层内含大量数微米级的方解石晶间孔,储集能力强。2类纹层在垂向上构成了优质的生储结构,是此类岩相富集高产的根本原因(王冠民等,2024)。2020年,牛斜55井、官斜26井首次在此类岩相取得勘探突破,日产油超50吨; 随后钻遇10余口日产百吨井(刘惠民,2022)。2024年,此类以高TOC纹层状富灰页岩岩相为主的基质型页岩油储集层年产量接近30万吨,是中国基质型页岩油产量最高的地区之一。

2.1.3 事件沉积型块状页岩储集层: 以渤南洼陷沙三下亚段深洼带为例

济阳坳陷渤南洼陷深洼带沙三下亚段发育厚度超1000 m厚的富有机质页岩,岩心上表现为块状构造,普遍发育撕裂、变形、砂岩侵入(体)等现象,薄片下大量发育棱角状颗粒,且矿物杂乱堆积(图 8),指示事件沉积成因(张建国等,2021)。事件沉积也带来丰富的陆源有机质,使该套页岩陆源—内源有机质共存,为Ⅱ-Ⅲ型干酪根,具备同时生油和生气的能力(图 9)。块状岩相在压裂后会形成网状裂缝系统,更有利于油气运移到水平井筒内(Zhang et al., 2016)。

2020年,部署钻探渤页平5井,峰值日产油80吨、气约10万方,截至2023年累产超4万吨当量,是中国目前油气当量累产最高的井之一。该发现突破了事件沉积难以形成优质页岩储集层的传统认识。

2.2 成岩改造主控型优质页岩储集层

成岩改造主控型储集层指成岩改造作用是其储集层质量优于其他岩相的最关键要素。渤海湾盆地东营凹陷沙四上亚段、玛湖凹陷风城组发育此类储集层。

2.2.1 含水平亮晶方解石脉体型优质储集层: 以渤海湾盆地东营凹陷沙四上亚段中央隆起带为例

东营凹陷沙四上亚段发育大量含水平亮晶方解石脉体型页岩(图 10)。方解石脉体顺层分布,单期脉体厚度1~2 cm,垂向上高频出现(可达20~30条/米)。方解石脉体内含有大量直径10余微米的晶间孔,孔隙连通性好,构成了优越的孔渗组合。

研究发现,成岩作用阶段的构造隆起及有机质生烃作用驱动了水平方解石脉的形成(杜玉山等,2024)。构造隆起及有机质生烃作用形成的异常高压诱导形成水平微裂缝,从而为方解石的形成提供了储集空间(王民等,2018;彭军等,2020)。有机质成熟生烃作用形成的有机酸溶蚀细粒岩中的泥晶方解石,使其重结晶形成亮晶方解石脉体。

针对此类岩相的勘探取得了较好效果。例如,2021年钻探的樊页平1井日产油峰值达172吨/天,截至2023年11月已累产油超2万吨。

2.2.2 硅质页岩型优质储集层: 以准噶尔盆地玛湖凹陷风城组为例

准噶尔盆地玛湖凹陷风城组页岩层系发育贫碱灰质沉凝灰岩、含碱灰质沉凝灰岩、贫碱云质沉凝灰岩、含碱云质沉凝灰岩、硅质页岩、碱岩共6种细粒岩岩相类型,其中硅质页岩储集层物性最好,TOC及S₁(岩石游离烃)含量最高(图 11)。

通过薄片分析发现,硅质页岩主要由玻璃质硅质矿物组成; 电镜下硅质矿物自形程度高,说明该套页岩中的硅质为成岩蚀变形成。由于玛湖凹陷为典型的碱湖,页岩层系内富有机质凝灰岩的生烃作用形成有机酸和CO₂,使地层水从碱性转化为酸性,为成岩硅的形成提供了必要条件。富有机质页岩能形成更多有机酸和CO₂,解释了硅质页岩普遍富含TOC和S₁的原因。

2.3 沉积—成岩双控型优质页岩储集层

沉积—成岩双控型储集层是指沉积和成岩共同作用下形成的优质页岩储集层。在东营凹陷沙四上亚段陡坡带地区发育此类储集层。含成岩硅优质页岩储集层以东营凹陷沙四上亚段陡坡带为例。

东营凹陷陡坡带沙四上亚段发育碳酸盐矿物、长英质矿物、黏土矿物含量相对均等的混合质页岩(图 12)。其在相对较强陆源输入阶段沉积富陆源物质的页岩(石英、长石、黏土),而在相对弱陆源输入阶段沉积富碳酸盐矿物的页岩。有机质含量与陆源物质含量正相关,使富陆源物质的页岩含油性更好。虽然东营凹陷沙四上亚段陡坡带营养普遍埋深3500 m以下,但由于陡坡带的高沉积速率,使页岩压力系数高,原生孔得到较好保存。同时,黏土矿物在成岩转化过程中形成成岩硅,增加了储集层物性和脆性,进一步提升了储集层质量。

胜利油田2020—2021年针对该套页岩钻探丰页1-1和丰页1井,分别获得峰值日油270吨/天和236吨/天,创世界同类型页岩油产量世界纪录。目前丰页1-1井累产超3万吨。

3 结论

1)中国陆相页岩的矿物成因具有多样性。硅质矿物可来源于陆源碎屑、生物硅、黏土矿物转化及火山物质蚀变; 方解石存在化学沉淀、生物诱导、生物残骸、陆源输入和重结晶等多种成因; 白云石则以微生物、热液和埋藏转化成因为主; 深水环境中的“蒸发”矿物多与深部热液流体活动有关,而非传统蒸发成因。

2)矿物成因的多样性直接控制了优质储集层类型的多元性。根据主控因素,可将陆相页岩优质储集层划分为3种类型: 沉积主控型(高有机质纹层状长英质/富灰页岩)、成岩改造型(含水平亮晶方解石脉或成岩硅的页岩)和沉积—成岩复合型。同一湖盆内常多种类型储集层共生。

3)优质储集层的分布受盆地内不同部位和层位的沉积—成岩作用差异控制,具有明显的时空分异性。这一认识突破了海相页岩优质储集层类型相对单一的模式,对陆相页岩油“甜点”预测具有重要指导意义。未来勘探应注重沉积背景与成岩演化历史的耦合分析。

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基金资助

*国家重点研发计划项目(2023YFF0804302)