陆相湖盆页岩岩相分类方案及其意义——以沧东凹陷孔二段为例

马存飞，黄文俊，杜争利，韩文中，詹远，时战楠，周健，宋梅远

(1.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛，266580；2.中国石油塔里木油田公司，新疆 库尔勒，841000；3.中国石油大港油田勘探开发研究院，天津，300280；4.中国石化胜利油田勘探开发研究院，山东 东营，257100)

页岩油是我国油气接替的重要领域，目前在我国东部的沧东凹陷孔二段和西部的吉木萨尔凹陷芦草沟组获得了页岩油产量，标志着陆相湖盆页岩油具有巨大的开发潜力[1-2]。陆相湖盆具有多物源、近物源和相变快的特点，同时受气候的影响明显，由此决定了湖相页岩油储层具有更强的非均质性，突出表现在岩相类型多样性[3]。然而，岩相对页岩油储层的生烃属性、物性、含油性、脆性和电性等具有控制作用，故页岩岩相研究是关键，其中页岩岩相分类方案又是岩相研究的基础。受制于页岩成分复杂、颗粒粒度细小和结构变化快的特点，页岩岩相划分一直是研究的难点和热点[4]。众多学者根据研究区实际地质情况提出了各自的页岩岩相分类方案。早期关于页岩岩相的划分，主要是通过岩心描述和薄片观察等定性方法来描述页岩岩相类型[5-10]。随着对页岩岩相研究的深入以及勘探开发的需要，国内外学者在定性描述的基础上，增加了如沉积构造等组分或生物扰动等描述信息，丰富了页岩岩相的划分方案[11-14]。近年来，随着国内外页岩油气勘探开发的迅速发展，一些学者引入了定量描述，提出了更为先进和合理的页岩岩相划分方案，极大地推进了页岩岩相研究的发展[15-18]。尽管这些页岩岩相划分方案考虑了宏观构造和生物等内容，但所提出的岩相划分相对简单，存在以下问题：

1) 泥岩、页岩、黏土岩等概念不清和混用；

2) 未考虑到沉积和构造对细粒混积页岩的控制作用；

3) 由于页岩各种组分质量分数较低而无法确定岩石主名[19]。

因此，前人的页岩岩相分类方案尚不具有广泛的适用性。本文在目前页岩岩相分类方案分析的基础上，提出了具有广泛适用性的页岩岩相分类方案，并实现了沧东凹陷孔二段页岩岩相划分，讨论了该岩相分类方案的成因指示意义、组分分布规律和脆性评价作用。该岩相划分方法可反映出页岩的组构分布规律、体现沉积环境，并能够用于页岩脆性评价。

1 陆相湖盆页岩岩相分类方案

1.1 页岩岩相划分难点

1.1.1 组构混积

狭义的页岩是指固结的黏土岩中，黏土矿物质量分数大于50%或粒度小于0.005 mm 的组分质量分数超过50%的沉积岩[20]，而广义的页岩是指由粉砂级(粒度介于3.9～62.5 μm)和黏土级(粒度小于3.9 μm)的细粒物质所组成的沉积岩[18-19]。从页岩定义来看，混积是页岩的基本特征，体现在成分混积和结构混积2个方面。

构成页岩的物质组分类型多样，可包括黏土矿物、长英质矿物、灰云质矿物、膏盐类矿物、火山碎屑、不透明矿物和有机质等，由此导致页岩岩相实际上包括了黏土岩、粉砂岩、碳酸盐岩、膏盐岩、火山碎屑岩及其一系列过渡的混积岩。页岩中矿物颗粒粒度悬殊，从纳米级到毫米级均有，跨越了多个尺度，并且页岩中沉积构造异常发育，单纹层厚度从小于1 mm 到大于50 cm 均有分布，这大幅增加了页岩岩相的种类。页岩组构混积作用不仅造成岩相类型多样，而且导致在大多数情况下构成页岩的每一种物质组分或粒级的质量分数均不超过50%，这给常用的基于岩石成分和基于岩石粒度定名的岩相分类方案带来困难。

1.1.2 黏土和粉砂粒度界限不统一

在页岩研究中，不同领域的工作者使用的粒度界限和观测手段不一致，导致划分的页岩岩相有差别。在沉积学领域，黏土和粉砂的粒度界限有3.9 μm 和10.0 μm 这2 种定义，因而对于同一种页岩岩相，有的学者定为粉砂岩，而有的定为黏土岩。观测手段精度不同也会导致页岩岩相识别不统一，如录井人员肉眼识别的粒度精度是90 μm，属于极细砂级；测井解释人员使用测井曲线识别的粒度精度是15.625 μm，而将细粉砂和黏土归为泥质；实验室分析测试人员采用的粒度分析仪、光学显微镜和扫描电镜识别的粒度精度是几百纳米级，据此鉴定的页岩岩相更为准确。因此，当使用的黏土和粉砂的粒度界限不同或者使用的测试手段精度太低时，判别的页岩岩相就会存在差异。

1.2 页岩岩相划分方法

分析页岩岩相划分的难点，发现确定页岩的物质组成和结构是关键，其次是选择合理的黏土和粉砂的粒度界限。目前的页岩岩相分类方案中，宏观构造和岩性结合是主流的方法[18]，其中页岩的宏观构造由岩心观察和薄片鉴定确定，而页岩岩性则通常由X 射线衍射全岩矿物分析获得，并广泛采用基于主要矿物成分的岩相分类方法[6,15,21]，以灰云质矿物、长英质矿物和黏土矿物为三端元的图解法[22]，内部细分命名采用三级命名原则。对于三端元图解法主要有2种：

1) 基于矿物质量分数(图1(a))，该方案区域适用性广。

2) 基于矿物质量分数相对比例(图1(b))，该方案尽管能够反映页岩中灰云质矿物驱动岩性的变化，以及黏土矿物和长英质矿物呈比例对称分布的规律，但不具有区域普适性。

图1 页岩岩性三端元图解法Fig.1 Three end-members graphic method of shale lithology

虽然主流的页岩岩相划分方法较好地反映了陆相湖盆页岩的矿物组成特点，但是并没有考虑页岩中特殊组分和粒度对页岩岩性的影响。与常规的砂岩和碳酸盐岩相比，页岩特有的组分是有机质，有的页岩还会发育膏盐类矿物、火山物质或热液矿物，而这些特殊组分反映了页岩独特的沉积环境或成因机制，因此，在页岩岩相划分过程中应当考虑。对于页岩中黏土和粉砂的粒度界限，由于页岩属于细粒沉积岩，以3.9 μm 为粒度界限区分黏土和粉砂更为合理，而统计表明页岩中90%以上的长英质矿物处于粉砂级[23]，据此将页岩岩相的成分定名和粒度定名统一起来。

因此，本文以沧东凹陷孔二段为例，在以“宏观构造+岩性”为主流的页岩岩相划分方法基础上，引入有机质和方沸石实现岩石真实体积的归一化处理，并考虑长英质矿物的粒度，改进基于“灰云质矿物、长英质矿物和黏土矿物质量分数”的三端元图解法，提出“五组分三端元”的页岩岩相分方法(图2)。

图2 陆相湖盆页岩岩相划分方法Fig.2 Shale lithofacies classification method shale in continental lake Basin

1.3 大港油田孔二段页岩岩相分类方案

沧东凹陷是渤海湾盆地黄骅坳陷南区的一个次级构造单元，是在区域拉张背景下发育的沉降中心单一，呈北东方向展布的新生代陆相断陷湖盆。沧东凹陷孔二段是由凹陷周缘的沧县隆起和徐黑凸起等物源区供给，沉积于亚热带潮湿气候下的封闭性半咸水介质中，在平面上形成了具有环带状分布特征的沉积相带，自内而外分别是细粒沉积区、三角洲前缘-前三角洲粗细粒过渡沉积区、三角洲平原及前缘常规粗粒沉积区[24]。沧东凹陷孔二段页岩岩相复杂，有机碳质量分数高，且普遍发育方沸石，亟需建立一套适宜的页岩岩相划分方案，为后续的页岩油储层研究奠定基础。

1.3.1 岩石组分真实体积归一化处理

孔二段页岩中含有丰富有机质，特别是富有机质页岩中有机质体积分数甚至超过岩石总体积的25%，对页岩物理性质影响很大，但是X射线衍射全岩矿物分析测试得到无机矿物的质量分数，但不包括有机质组分。因此，根据页岩X 射线衍射全岩矿物分析结果，以灰云质矿物、长英质矿物和黏土矿物等3种主要矿物作为三端元的岩相分类图解法，忽略了页岩特有的有机质组分。尽管有学者利用总有机碳质量分数w(TOC)进行页岩岩相分类[25]，但w(TOC)代表的是岩石中有机碳元素的质量分数，并非有机质，且没有与无机矿物进行统一的真实体积归一化处理[18]。

在岩石组分体积归一化处理前，总有机碳质量分数w(TOC)通常由热解分析测试获得，需要通过有机质转化系数转换成有机质的体积分数(式(1))，而X 射线衍射全岩矿物分析获得的无机矿物质量分数需要转换成其体积分数(式(2))。

式中：Vo为岩石中有机质体积分数，%；Wc为岩石中有机碳质量分数，%；K为有机碳转化系数，将有机碳质量分数转换为有机质体积分数的系数，K介于1.1～1.5，根据页岩中有机质类型和成岩演化阶段确定[26]，孔二段页岩K可取1.25；ρr为岩石密度，页岩一般取2.5 g/cm3；ρo为有机质密度，一般取1.0 g/cm3；Vi为岩石中第i种无机矿物体积分数，%；Wi为岩石中由X 射线衍射分析获得的第i种无机矿物的质量分数，%；ρi为岩石中第i种无机矿物的密度，黏土矿物、长英质矿物和碳酸盐矿物密度分别取2.55，2.65和2.80 g/cm3[27]。

在得到有机质和无机矿物的体积分数后，将两者进行归一化处理，最终得到各组分归一化后的体积分数。

式中：V'o为归一化后的岩石中有机质体积分数，%；V'i为归一化后的岩石中第i种无机矿物体积分数，%；Wj为岩石中由X射线衍射分析获得的第j种无机矿物的质量分数，%；ρj为岩石中第j种无机矿物的密度。

此外，孔二段页岩中普遍发育方沸石，甚至有的岩相中质量分数超过50%，而不能被忽略。同时，方沸石与陆源的长英质矿物不具有成因联系，而不能归入长英质矿物，因而需要将方沸石引入到孔二段页岩岩相划分方案中。

最终，本文选用灰云质矿物、长英质矿物、黏土矿物、方沸石和有机质5种组分进行岩石体积的归一化处理，从而获得各组分真实的体积分数，以灰云质矿物、长英质矿物和黏土矿物作为三端元，以方沸石、有机质作分别为第4 和第5 组分，采用三级命名原则，进行孔二段页岩岩性划分(图3)，而页岩岩相的定名按照“宏观构造+岩性”的定名原则进行。

图3 孔二段页岩“五组分三端元”岩性划分方案Fig.3 “Five components and three end-members” shale lithology classification scheme of E2 Member of Kongdian Formation

1.3.2 宏观构造划分

岩相是一定沉积环境下形成的岩石总和，包括颜色、构造、岩性和古生物等内容。页岩宏观构造可反映出沉积时的季节、湖水分层、水动力条件和物源供给等信息，因而在页岩岩相划分时应当考虑其宏观构造。本文根据孔二段页岩的单纹层厚度划分，包括页状、纹层状、薄层状、层状和块状，其单纹层厚度分别为＜1 mm，1～10 mm，10～100 mm，100～500 mm和＞500 mm。

1.3.3 页岩岩性划分

页岩岩性的划分按照有机质体积分数、方沸石体积分数和灰云质矿物-长英质矿物-黏土矿物的相对体积分数依次进行三级分类。通过对孔二段页岩总有机碳进行有机质体积分数转换后，根据数据分布发现有机质体积分数6%和12%是频数和累积频率的变化边界(图4)，对应的有机质体积分数分数为2%和4%，与目前学者普遍采用的总有机碳质量分数界限相一致[15,28]，能较好地划分页岩岩性。因此，本文选取有机质体积分数6%和12%作为划分页岩岩性的界限。

图4 孔二段页岩有机质体积分数频率分布Fig.4 Frequency distribution of organic matter volume fraction of shale in E2 Member of Kongdian Formation

具体来讲，在页岩各组分体积归一化后，首先以有机质体积分数6%和12%为界限进行岩性一级分类，划分为贫有机质、中有机质和富有机质。

其次，根据方沸石体积分数10%，25%和50%进行岩性二级分类，划分为含方沸石、方沸石质和方沸石岩二级分类。

然后，根据灰云质矿物、黏土矿物和长英质矿物三者的相对体积分数，采用三端元图解法进行岩性三级分类，即以端元矿物的相对体积分数50%为界限划分大类岩性，进一步以10%，25%和33%(中心点)采用三级命名原则进行小类岩性细分。

最后，依次叠加3个部分名称进行页岩岩性命名(图5、表1)。

表1 孔二段页岩岩相分类表Table 1 Table of shale lithofacies classification of E2 Member of Kongdian Formation

图5 孔二段页岩岩性分类方案及简化Fig.5 Shale lithology classification scheme and simplification of E2 Member of Kongdian Formation

在进行页岩小类岩性三级命名时，需要注意以下几点：

1) 将三端元矿物中相对体积分数≥50%的矿物类型作为岩石的主名，如灰云岩、粉砂岩和黏土岩，当三端元矿物体积分数均小于50%时，则定为混积岩。因为孔二段页岩中的长英质矿物主要为粉砂级，所以本文定为粉砂岩，以解决成分定名和粒度定名之间的矛盾。

2) 当矿物体积分数在25%～50%时，以“××质”写于主名之前，但是在混积岩中，由于可能存在多个“××质”，则将体积分数次高和体积分数最高的矿物类型按照“‘次高矿物类型-最高矿物类型’质””的形式命名，如黏土-粉砂质混积岩。当矿物体积分数为10%～25%时，以“含××”作为次要形容词写在最前面，而矿物体积分数小于10%的则不参与岩性定名。

3) 由于灰(云)岩或灰(云)质是统称，当具体定名时可以根据方解石与白云石体积分数，由体积分数高者来确定岩性名称，如当白云石体积分数大于方解石体积分数时，灰(云)岩或灰(云)质相应变为云岩或云质。

4) 基于成分的页岩岩性划分方案通常会分类过细而导致实用性降低，这本质上是由页岩成分多样性造成。然而，本方案可以根据实际研究需要、分析测试资料丰度和地球物理资料分辨率等进行岩性简化处理，即通过舍去体积分数低的矿物类型而保留体积分数高的矿物类型，而实现合并小类岩性(图5(b)、表1)。当同时出现“含××”和“××质”时，则舍去“含××”，例如“含黏土粉砂质云岩”简化为“粉砂质云岩”。当然，该方案还可以进一步根据主要矿物类型，合并小类岩性至大类岩性(图5(c)、表1)，以适应实际工作的易操作需求。

1.4 页岩岩相划分方案的普适性

该页岩岩相划分方案的页岩组分及其体积分数界限是依据沧东凹陷孔二段页岩而制定的，并不完全适合其他研究区的页岩岩相划分，但“五组分三端元”岩相划分方案可根据不同研究区页岩的实际情况进行适当修改，以适应实际工作与研究需要。我国典型沉积盆地页岩层系(渤海湾盆地沙三下—沙四上亚段、准噶尔盆地二叠系芦草沟组和风城组等)的页岩岩石学特征具有共性，其中页岩纹层厚度变化大，从页状到块状均发育，页岩组分以灰云质矿物、长英质矿物和黏土矿物为主，普遍发育有机质，局部富含方沸石或火山灰，因此普遍可以采用或类比“五组分三端元”的页岩岩相划分方案。

2 孔二段页岩岩相划分方案的意义

2.1 页岩组构分布规律

孔二段页岩岩相划分方案不仅体现了页岩有机质组分和无机矿物组分共存的特殊性，也反映出孔二段页岩是有机质、灰云质矿物、长英质矿物、黏土矿物和方沸石等5 种组分的混积(图3)，其中，有机质、灰云质矿物和长英质矿物的体积分数变化是驱动页岩岩性和宏观构造变化的主要因素。同时，该方案考虑了有机质和方沸石，从有机质和方沸石体积分数三角等值线图来看，有机质和方沸石均富集在长英质矿物占优的岩性中(图6(a)和图6(b))，这对评价页岩中粉砂岩大类的生烃属性、储集性和脆性有重要意义。

图6 孔二段页岩中方沸石和有机质体积分数三角等值线图Fig.6 Triangular contour map of analcime and organic matter volume fraction of shale in E2 Member of Kongdian Formation

2.2 页岩沉积环境指示意义

孔二段页岩岩相划分方案能够指示页岩的沉积环境。总体上来讲，孔二段页岩中长英质矿物(粉砂)代表了机械沉积作用，黏土矿物代表了胶体沉积作用，灰云质矿物代表了化学沉积作用，方沸石代表了热液沉积作用[29]，有机质代表了生物沉积作用(图7)。页岩中各种组分的混积特征表明页岩的沉积机制受机械沉积、化学沉积、热液沉积和生物沉积的共同控制，而某种组分的体积分数增加指示了相应的沉积作用增强(图7)。

另外，孔二段页岩中的长英质矿物(粉砂)、灰云质矿物、黏土矿物、方沸石和有机质不仅可以反映物源、气候、水深、热液作用和生物等页岩沉积环境信息，而且由其构成的岩性序列可以指示页岩沉积环境的变化(图7、表2[30-32])。

表2 不同页岩组分所代表的沉积环境意义Table 2 Significance of sedimentary environment represented by different shale compositions

图7 页岩矿物组成反映的沉积环境意义Fig.7 Significance of sedimentary environment reflected by shale mineral composition

2.3 页岩脆性评价意义

2.3.1 改进的页岩脆性指数计算方法

目前，常用脆性指数表征页岩的脆性特征，其计算方法主要包括岩石组分法和岩石力学弹性参数法2种，其中前者是根据岩石中脆性矿物体积分数来计算(式(5))[33-34]，而后者是利用岩石三轴力学试验获得的弹性模量和泊松比来计算(式(6)～式(8))[35]。

式中：Brit为岩石脆性指数；Vfelsic为岩石中长英质矿物体积分数，%；Vcarbonate为岩石中碳酸盐矿物体积分数，%；Vclay为岩石中黏土矿物体积分数，%；

式中：ERit为研究区岩石归一化后的弹性模量，GPa；E为研究区岩石的弹性模量，GPa；Emin为研究区岩石的最小弹性模量，GPa；Emax为研究区岩石的最大弹性模量，GPa；μRit为研究区岩石归一化后的泊松比；μ为研究区岩石的泊松比；μmin为研究区岩石的最小泊松比；μmax为研究区岩石的最大泊松比。

比较上述2种方法，式(5)的计算数据更易获取而应用更普遍，式(8)的脆性评价结果更可靠但成本更高。然而，式(5)在应用时应该注意3个问题：

1) 脆性指数计算没有考虑有机质组分或其他特殊组分。页岩不同于砂岩和碳酸盐岩，有机质是页岩骨架的基本组成部分不可忽略。

2) 脆性指数计算采用各组分的体积分数。页岩的微观结构与组分的粒径、形态和分布有关，因而，组分体积比质量更能反映页岩骨架结构特征。

3) 有的组分如有机质，尽管在页岩中质量分数小，但由于自身密度小而体积分数会比较大，与无机矿物共同构成了页岩空间格架，这在富有机质页岩中更加明显。

因此，本文根据孔二段页岩岩相划分方案，考虑方沸石和有机质，采用归一化后的岩石组分体积分数，提出了改进的基于岩石组分的脆性指数计算方法。

式中：Vanalcite为岩石中方沸石体积分数，%；Vorganic为岩石中有机质体积分数，%。

2.3.2 方沸石和有机质对孔二段页岩脆性的影响及检验

从式(1)和式(3)可以看出：有机质密度比岩石密度小很多，当页岩中有机碳质量分数较大时，计算的有机质体积分数会较大，对页岩脆性影响明显。页岩三轴岩石力学试验表明，当有机质体积分数增加时，页岩的弹性模量明显降低、泊松比明显增加(图8(a))。从式(2)和式(4)可以看出：无机矿物密度与岩石密度差别不大，当有机碳质量分数一定时，某一种无机矿物的质量分数越大，它的体积分数越大，对页岩脆性影响越大。

孔二段页岩中含有较多的方沸石，其晶体结构与长石类似，而当方沸石体积分数增加时，页岩的弹性模量增加，泊松比降低(图8(b))。因此，在计算页岩脆性指数时应将有机质当作塑性组分考虑，而将方沸石当作脆性矿物考虑。

图8 方沸石和有机质对孔二段页岩弹性参数的影响Fig.8 Influence of analcime and organic matter on elastic parameters of shale in E2 Member of Kongdian Formation

图9所示为孔二段页岩基于岩石组分的脆性指数计算方法检验。由图9可见：式(8)和式(9)分别计算的脆性指数，当考虑方沸石和有机质对页岩脆性的影响后，孔二段页岩基于岩石组分的脆性指数与基于岩石力学参数的脆性指数相关性显著提高(图9)，脆性评价的可靠性增加。

具体来讲，当没有考虑方沸石时，基于岩石组分计算的页岩脆性指数偏小(图9(a))，但考虑方沸石后，方沸石对页岩的脆性影响得到校正，且方沸石体积分数越高，脆性指数增加越明显，其中方沸石体积分数小于10%的页岩脆性指数稍微增加，含方沸石页岩的脆性指数增加但幅度不大，而方沸石质页岩的脆性指数明显增加，最终数据点整体变集中而相关性增强(图9(b))。

当没有考虑有机质时，基于岩石组分计算的页岩脆性指数偏大，且贫有机质页岩、中有机质页岩和富机质页岩的脆性指数依次增大，而这与富有机质页岩塑性强、难压裂的生产实践相矛盾（图9(a))[36]，但考虑有机质后，有机质对页岩的脆性影响得到校正，且有机质体积分数越高，脆性指数降低越明显。其中，贫有机质页岩的脆性指数降低但幅度不大，中有机质页岩的脆性指数降低幅度增加，而富有机质页岩的脆性指数降低幅度最大，最终脆性指数由低到高依次为富有机质页岩、中有机质页岩和贫机质页岩，数据点整体更集中且相关性进一步增强(图9(c))。因此，根据孔二段页岩“五组分三端元”岩相划分方案改进的页岩脆性指数计算方法是有效的。

图9 孔二段页岩基于岩石组分的脆性指数计算方法检验Fig.9 Calculation method test of brittleness index based on rock composition of E2 Member of Kongdian Formation

3 结论

1) 沧东凹陷孔二段页岩矿物组成以石英、长石、白云石和方解石为主，黏土矿物质量分数低，方沸石较为发育，有机碳质量分数高，总体上优势矿物并不发育，更多表现为长英质矿物、灰云质和黏土矿物混积的特点。

2) 提出了孔二段页岩“五组分三端元”岩相划分方案，即首先根据单纹层厚度划分宏观构造，再将有机质和方沸石纳入到岩石组分中，对灰云质矿物、长英质矿物、黏土矿物、方沸石和有机质等5种组分进行岩石体积的归一化处理，获得各组分的体积分数，最后以长英质矿物、灰云质矿物和黏土矿物作为三角图分类三端元，结合方沸石和有机质体积分数，采用三级命名原则将沧东凹陷孔二段页岩岩相划分为粉砂岩、灰(云)岩、黏土岩和混积岩4 个大类以及对应的21 个小类岩相类型

3) 孔二段页岩“五组分三端元”岩相划分方案反映出页岩有机质组分和无机矿物组分共存的特殊性以及5种组分混积的页岩组构分布规律。该方案体现出页岩的沉积机制受机械沉积、化学沉积、热液沉积和生物沉积的共同控制，而某种组分的体积分数增加反映出相应的沉积作用增强，从而能够指示页岩的沉积环境。

4) 基于孔二段页岩“五组分三端元”岩相划分方案，将方沸石和有机质加入到脆性指数计算中，采用归一化后的岩石组分体积分数，提出了改进的基于岩石组分的脆性指数计算方法。通过方沸石和有机质对孔二段页岩脆性的影响及检验确定了改进的页岩脆性指数计算方法的可靠性和有效性。