柴达木盆地西部古近系是典型的内陆盐湖沉积，也是该盆地目前油气储量最多、产量最高的层位之一^[1]。古近系上、下干柴沟组均发育连续、厚层泥页岩，但在以往的研究中，前人大多把泥页岩作为常规油气中的烃源岩进行油气地球化学研究^[1-6]，多集中在有机碳含量、有机质成熟度、有机质类型等参数上，缺乏从页岩储层角度开展的精细的分析与论述，制约了柴达木盆地的页岩气勘探与开发。

在页岩气地质认识的创新、钻完井工艺技术的改进及持续高涨的天然气价格推动下，中国的页岩气已进入了快速发展阶段。众多学者对泥页岩储层特征、类型及其形成条件进行了系统的研究，并提出了页岩气储集层的评价参数^[2-5]。但是，前人的研究大多是针对富有机质页岩（尤其是海相页岩）进行的^[2-4]，研究区泥页岩有机质含量普遍较低，且为盐湖相沉积。因此，在低有机质含量的条件下，页岩储层的岩石学特征、微米纳米级孔隙、有机质成熟度等特征对页岩气的聚集与勘探开发具有至关重要的作用。

许多学者从烃源岩角度对柴西古近系泥页岩进行了油气地球化学特征研究^[1-6]，但对页岩气储层的识别、泥页岩储集性能的评价等问题，仍未能解决。本文在前人研究的基础上，对柴达木盆地西部地区古近系干柴沟组的野外露头和钻井岩心（图 1）样品进行分析，采用常规薄片、氩离子抛光和扫描电子显微镜、烃源岩热裂解、全岩及粘土X衍射、比表面分析等方法，从岩石矿物组成特征、微观孔隙特征、含气性等方面探讨干柴沟组泥页岩储层的特征，分析不同岩相泥页岩储集性能的主控因素。

图  1  研究区位置及取样井位分布

Figure  1.  Distribution of the study area showing location of the sampling well

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.   地质概况

柴达木盆地西部地区以茫崖坳陷为主体，包括一里坪以西的广大地区，东北部以鄂博梁一号、葫芦山一带为界，东南边界在西台吉乃尔湖、塔尔丁一带，面积约4×10⁴km²，是目前柴达木盆地的主产油区（图 1）。古近系—新近系为盆地的主要油气勘探层系，盆地80%以上的石油资源来自于该层系。盆地西部古近系—新近系发育齐全，自下而上划分为路乐河组（E₁₊₂）、下干柴沟组下段（E₃¹）和下干柴沟组上段（E₃²）、上干柴沟组（N₁）、下油砂山组（N₂¹）、上油砂山组（N₂²）和狮子沟组（N₃²）共7个组。古近系的路乐河组（E₁₊₂）和下干柴沟组上段（E₃²）为湖盆扩张期，上干柴沟组（N₁）湖泊扩张到最大，随后的下油砂山组（N₂¹）—狮子沟组（N₃²）为湖盆的萎缩、消亡期^[5]。盆地西部古近系上、下干柴沟组为连续沉积，为典型的盐湖相沉积，主要发育泥岩、页岩、含食盐（石膏）泥页岩、灰质泥岩、白云质泥岩、泥灰岩、粉砂质泥岩等多种类型、多种颜色的泥页岩。

岩心和露头观察结果表明，柴达木西部地区上、下干柴沟组在沉积边缘地带主要为红色、棕红色砂泥岩和砾岩；在沉积中心部位（如狮子沟附近）主要为深灰色、黑色含石膏（岩盐）的泥页岩，并与较厚的岩盐层、薄层石膏、芒硝等蒸发盐类矿床呈互层产出，有时夹粉砂质浊积岩。它们之间主要为灰色、深灰色钙质含量很高的泥页岩（钙质泥岩或泥灰岩）和薄层砂岩^[6]。单井划分及连井剖面发现，研究区泥页岩非常发育，上、下干柴沟组分别发育2套泥页岩层段，主要分布在狮子沟、油泉子和油砂山地区，埋深介于1500~4000m之间。下干柴沟组下段泥页岩主要分布在狮子沟—南翼山—乌南—切克里克所围的区域内，以油泉子地区为中心，最大厚度超过500m。下干柴沟组上段沉积时湖区范围迅速扩大，分布非常广，有效烃源岩范围北至尖顶山、东至大小沙坪地区，且厚度较大，狮子沟—咸水泉—油泉子一带最厚可达1400m。上干柴沟组有效烃源岩范围继续北扩、东扩，下段以油泉子地区为中心，最厚可达400m；上段以油泉子地区、旱三地区为中心，最厚可达300m^[4]。

2.   储层特征

2.1   岩相特征

泥页岩样品岩石致密，细小片状粘土矿物常和隐晶方解石、石英等矿物相混，部分矿物含量难以在显微镜下估算，参照X衍射全岩分析结果并结合薄片观察发现，干柴沟组由多种岩相组成，主要为粘土-粉砂级细粒沉积。根据矿物成分、碎屑、结构和构造特征，可将干柴沟组分为5种主要岩相。

（1）（非）层状泥页岩

该类岩相中发育水平层状或纹层状层理。层状泥页岩中主要包括浅色的粉砂岩薄层和暗色的泥/页岩层。在暗色泥岩中可见黄铁矿、褐铁矿、白云石等矿物或有机质（深褐色沥青条带）（图版Ⅰ-a）。非层状主要为富含钙质和粉砂石英颗粒的泥岩，泥岩中的脆性矿物分布较分散（图版Ⅰ-b）。

a.灰黑色层状泥页岩（含深褐色沥青条带）；b黑色富含有机质泥页岩；c.灰质泥岩（含黑色斑点状有机质）；d.泥灰岩（含深褐色沥青条带）；e.粉砂质泥岩（含深褐色沥青条带及植物碎屑）；f.泥质粉砂岩（含星散状有机质）

下载: 全尺寸图片 幻灯片

（2）（非）层状灰质泥页岩

该类岩相中同样发育水平层状或纹层状层理。层状层理是泥岩和粉砂岩呈韵律交替发育的结果，岩石中云母片定向排列。方解石主要见于粉砂岩层中，局部以交代石英和长石颗粒的形式存在（图版Ⅰ-c）。

（3）泥灰岩

该类岩相由60%~70%的泥晶方解石、30%~40%的粘土矿物和泥级碎屑组成。黄铁矿、生物碎屑等其他组分少见，局部可见深褐色沥青条带（图版Ⅰ-d）。

（4）（非）层状粉砂质泥岩

该类岩相主要由泥质和陆源粉砂(如石英和云母)构成，常表现为页岩与粉砂岩互层。泥质含量为65%~75%，粉砂颗粒含量为25%~30%，泥页岩层中可见少量分散状黄铁矿，几乎无生物扰动，部分黑色页岩富含丰富的有机质碎屑和条带状沥青（图版Ⅰ-e）。

（5）泥质粉砂岩

该类岩相由80%~90%的粉砂颗粒和10%~20%的泥质基质组成。粉砂颗粒呈次棱状-次圆状，分选好（图Ⅰ-f）。岩石中可见星散状黄铁矿和少量有机质。

2.2   矿物学特征

页岩是由粘土矿物经压实、脱水、重结晶作用形成的。其矿物组分较复杂，除高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石、海绿石等粘土矿物外，还混杂石英、长石、云母等碎屑矿物和铁、铝、锰的氧化物、氢氧化物，碳酸盐、硫酸盐、硫化物、硅质矿物、磷酸盐等自生矿物。页岩矿物组成的变化影响页岩的力学性质、孔隙结构和对气体的吸附能力^[7-11]。

本次研究选取盆地西部古近系干柴沟组40余件不同类型的泥页岩样品。对泥页岩样品进行X-射线衍射全岩分析，并绘制矿物学三端元图解（图 2）。实验结果显示，石英和长石矿物含量的分布范围较宽，在9.9%~64.6%之间，且大部分集中于30%~ 60%。粘土矿物含量在17.5%~69.3%之间，平均为38.4%。碳酸盐矿物含量较高，大部分样品中检出了方解石、白云石等碳酸盐矿物，含量差别较大，含量最高的达到61.9%。

图  2  柴达木盆地古近系干柴沟组泥页岩储层岩石矿物组成三角图

Figure  2.  Triangular diagram of the mineral composition in the reservoir of the Paleogene Ganchaigou Formation, Qaidam Basin

下载: 全尺寸图片 幻灯片

X衍射粘土矿物分析表明（图 3），研究区内灰黑色、深灰色泥页岩中的粘土矿物主要为伊利石和伊蒙混层，泥质粉砂岩和部分泥岩中的高岭石含量较高，而灰质泥岩和砂质泥岩中的高岭石含量较低，但伊利石却有极大幅度的增加，这也说明不同类型的泥页岩中粘土矿物的含量差别较大。综合分析认为，古近系深灰色、黑色泥页岩中石英、长石等脆性矿物的高含量有利于后期压裂改造形成裂缝，碳酸盐矿物中方解石、白云石含量高的层段，易于溶蚀产生溶孔。同时，页岩气储层中粘土矿物的含量与吸附气含量具有一定的关系，其中最主要的是伊利石，而高含量的伊利石矿物无疑是泥页岩储集性能改善、脆性增强的一个重要因素。

图  3  柴达木盆地古近系干柴沟组泥页岩储层粘土矿物组成三角图

Figure  3.  Triangular diagram of clay mineral composition in the reservoir of the Paleogene Ganchaigou Formation, Qaidam Basin

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.3   有机碳含量及有机质成熟度

2.3.1   有机碳含量

柴达木盆地古近系—新近系以低有机碳著称，其有效烃源岩有机碳含量下限值的确定一直是许多专家关注的焦点，其含量高低直接影响柴达木盆地油气资源评价结果的可信度和资源潜力的分析。研究区古近系—新近系的沉积中心并非一个，而是向东、北有规律地变化。有机质含量最高的层段是下干柴沟组下段和上段、上干柴沟组下段，其次是上干柴组上段。

从各烃源岩层有机碳等值线图可以看出，随着沉积中心的不断迁移变化，各烃源岩层有机质丰度以茫崖坳陷和尕斯凹陷为中心，向北东逐渐变差，下干柴沟组下段较好烃源岩主要分布于尕斯断陷和茫崖坳陷的西部，最优质泥页岩主要分布于油泉子地区和芒崖镇一带（图 4）。

图  4  柴达木盆地干柴沟组有机碳（TOC）含量分布（据参考文献4修改）

E₃¹—下干柴沟组下段；E₃²—下干柴沟组上段；N₁¹—上干柴沟组下段；N₁²—上干柴沟组上段

Figure  4.  The distribution map of the shale TOC in Ganchaigou Formation, Qaidam Basin

下载: 全尺寸图片 幻灯片

下干柴沟组上段烃源岩分布非常广，包括尖顶山和大风山以东地区。较好烃源岩范围进一步扩大，优质泥页岩主要分布于尕斯断陷和茫崖坳陷, 在南翼山、小梁山和油墩子附近也有部分优质烃源岩分布（图 4），这一时期是柴达木盆地古近系—新近系烃源岩最为发育的时期。

上干柴沟组较好的泥页岩主要分布于尕斯断陷的东部和茫崖坳陷，是柴达木盆地分布范围较广泛的烃源岩。下段的优质泥页岩主要分布于油泉子—油墩子一线，其次是一里坪地区。上段的泥页岩有机质含量较下干柴沟组及上干柴沟组下段明显降低，含量较高的地区分布于油墩子一带（图 4）。

2.3.2   有机质成熟度

有机质成熟度决定生油岩的烃转化率，是评价生油层生烃潜能至关重要的参数。根据R_o的数值，可以划分油气的生成阶段。本次研究认为，R_o > 1.0%是泥页岩生气的主要阶段，主要产物为CH₄，同时伴生CO₂、H₂O、N₂、SO₂、H₂S等气态产物。

下干柴沟组下段发育大范围的R_o > 1.0%的区域，在芒崖镇与一里坪之间R_o值较高，最高可达2.0%，已经进入高温生干气阶段。下干柴沟组上段（E₃²）R_o > 1.0%的区域较下干柴沟组下段（E₃¹）范围明显减小，且最高值也较小，为1.8%。下干柴沟组上段成熟度较高的区域位于芒崖镇东侧、一里坪南侧，与下段略有不同。上干柴沟组R_o > 1.0%的区域范围进一步缩小，成熟度较高的区域仅位于芒崖镇东侧。

2.4   储层微观结构

作为衡量和评价储层优劣的重要指标，孔隙特征研究一直受到国内外石油地质学家的广泛关注^[12-14]。页岩主要由各种粘土矿物、碎屑、非碎屑矿物及有机质组成，并具有很强的非均质性，一般呈现低孔、特低渗的物性特征，只有处于断裂带或裂缝发育带的页岩，其孔隙度、渗透率才会有部分的增大。在常规油气藏勘探研究中，页岩一般被视为烃源岩和盖层^[16-22]。而在显微镜和扫描电镜下可以发现，页岩中存在由不同大小的孔隙、喉道、晶洞和裂缝组成的复杂多孔系统，并具有网状连通的特征。这些孔隙网络是页岩气储层的主要储集空间，而且孔隙度对页岩中游离态天然气的含量有直接的控制作用。

页岩储层的储渗空间可分为基质孔隙和裂缝。页岩的储集空间类型比较丰富，基质孔隙包括残余原生孔隙、有机质生烃形成的微孔隙、粘土矿物伊利石化体积缩小后形成的微裂（孔）隙、不稳定矿物（如长石、方解石）溶蚀形成的溶蚀孔等。不同类型的孔隙和微裂缝构成了复杂的多孔系统，为页岩中游离气的赋存提供了储集空间^[23-26]。

将研究区泥页岩样品氩离子抛光后，通过扫描电镜研究发现，干柴沟组泥页岩中发育多种类型的纳米孔隙、微孔隙和微裂缝，主要包括原生孔隙、有机质生烃形成的孔隙、次生溶蚀孔隙、粘土矿物伊利石化体积缩小形成的微孔隙及微裂缝。

2.4.1   原生孔隙

下干柴沟组部分泥页岩样品中局部原生孔隙较发育（图版Ⅱ-a、b），孔隙最大可达数百纳米，但基本以孤立状分布，连通性差。此类孤立状分布的原生孔隙多存在于下干柴沟组砂新2井、油南1井、乌3井泥页岩样品中。

a、b.泥页岩中泥质晶间微孔，微孔的最大宽度可达数百纳米，多以孤立状分布（砂新2井，3444.39m）；c、d.泥页岩中的微孔隙与晶间孔中充填炭质沥青（油南1井，3513m）；e、f.泥页岩溶蚀孔洞较为发育，连通性好，溶蚀孔中发育片状、丝状粘土矿物（阿2井，2704m）

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.4.2   有机质生烃形成的孔隙

目前有研究认为，页岩中的孔隙以有机质生烃形成的孔隙为主^[8-9]。据Jarvie等^[23]研究，有机质含量为7%的页岩在生烃演化过程中，消耗35%的有机碳可使页岩孔隙度增加4.9%。有机微孔的直径一般为0.01~ 1μm。该类孔隙的孔径一般为纳米级，表现为吸收孔隙，是吸附态赋存天然气的主要储集空间。

采集的古近系干柴沟组的小柴旦剖面、鱼卡剖面、干柴沟剖面、甘森剖面露头岩样风化严重，但地球化学分析有机质含量仍较高（下干柴沟组TOC最大达1.4%以上，上干柴沟组TOC最大达0.45%以上）、成熟度较高。通过对泥页岩样品扫描电镜分析发现了存在于有机质（炭质沥青）条带中的微孔隙（图图版Ⅱ-c、d）。部分微孔中还可见白色球状黄铁矿充填物。

2.4.3   次生溶蚀孔隙

前人研究认为，2种情况可以产生该类次生孔隙，一是稳定性较差的长石类矿物在泥页岩埋藏成岩的过程中分解或转化为其他矿物而形成的次生溶蚀孔隙；二是有机质脱羧后产生的酸性流体对页岩储层中的长石、碳酸盐等稳定性差的矿物强烈溶蚀形成的溶蚀孔隙^{[10, 20]}。

扫描电镜观测发现了黄石1井下干柴沟组和阿2井上干柴沟组灰黑色泥页岩中部分长石和碳酸盐矿物被溶蚀的现象（图版Ⅱ-e、f）。溶蚀孔孔径大多为0.5~2μm，溶孔边缘多呈不规则状。溶蚀孔洞的连通性较好，且溶蚀孔洞中发育片状、丝状粘土矿物。

2.4.4   粘土矿物伊利石化体积缩小形成的微孔隙

页岩中的粘土矿物碎屑是源区岩石粘土矿物特征的反映，在页岩成岩过程中，存在高岭石、蒙脱石减少与绿泥石、伊利石增加的趋势。这种矿物转化作用往往伴随着矿物体积的减小，矿物体积收缩会产生微孔隙。扫描电镜照片（图版Ⅲ-a、b）显示，研究区黄石1井上干柴沟组的I/S混层中发育孔洞，且部分连通性较好。

a、b.泥页岩中孔洞较为发育，部分连通性较好，孔洞中发育I/S混层（黄石1井，1968.08m）；c、d.泥页岩中的微孔隙，孔隙的最大宽度可达数微米，连通性好（砂新2井，3444.39m）

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.4.5   裂缝

页岩储层中的裂缝多以微裂缝形式存在。其产生可能与断层、褶皱等构造运动相关，也可能与有机质生烃时形成的轻微超压而使页岩储层破裂有关，也有学者认为与差异水平压力有关^[15]。微裂缝对页岩气的产能增加有很大影响，同时裂缝的存在也使页岩气的开发格外复杂。一方面，微裂缝发育、并与大型断裂连通，对于页岩气的保存条件极为不利。另一方面，微裂缝不但可以为页岩气的游离富集提供储渗空间，增加页岩气游离态天然气的含量，而且有助于吸附态天然气的解析，并成为页岩气运移且、开采的通道。研究区古近系干柴沟组泥页岩经历了多次构造运动，发育了不同方向和不同期次的裂缝，局部成网络状分布（图版Ⅲ-c、d）。

3.   讨论

页岩储层的沉积环境、岩性、矿物含量、有机质丰度和成熟度、成岩作用等对页岩气储层发育有至关重要的影响^[16]。前人研究认为，影响泥（页）岩储层孔隙度大小的主要因素有岩性、粒级、粘土矿物的类型、厚度、地层压力、有机质、重结晶作用及粘土矿物的转化^[17]。测试结果显示，页岩储层中有机质的含量与页岩气含量成正比。研究资料普遍显示，柴达木盆地西部古近系有机质含量不高，但这仅是决定研究区内页岩气含量的因素之一。本次研究表明，柴达木盆地西部古近系干柴沟组页岩储层存在多种岩相类型，矿物类型繁多，发育多种页岩气储集空间类型，尤其是泥页岩中存在的多层砂岩、粉砂岩夹层，可作为良好的页岩气储层。因此，研究区存在的诸多储层因素不仅影响其储集性能，同时也决定了页岩气储层的储集空间类型。

3.1   不同岩相页岩气储层中的储集空间类型

不同类型岩相的沉积环境、特征及发育层位均有差别。盆地西部古近系干柴沟组的灰质泥岩、泥灰岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩中的脆性矿物含量高，易于产生裂缝，尤其是层状泥质粉砂岩、灰质泥岩更易产生页理缝。部分泥页岩中富含有机质，尤其是矿物颗粒内部富含有机质，在矿物颗粒作为骨架支撑下，有机质中多发育圆孔状孔隙。此外，有机质在成熟过程中产生的羧酸易溶蚀碳酸盐或长石矿物，也容易产生连通性较好的次生溶蚀孔隙。无论是研究区野外露头，还是岩心样品，均可在泥页岩中发现大量的点状、条带状及透镜状黄铁矿，可以产生大量的黄铁矿晶间孔。

3.2   矿物成分对泥页岩储集性能的影响

泥页岩中的矿物成分不仅直接影响到储集空间的类型和大小，而且决定岩石的脆性、控制页岩的造缝能力。在页岩的成岩过程中，存在高岭石、蒙脱石减少与绿泥石与伊利石增加的趋势。这种矿物转化作用往往伴随着矿物体积的减小，矿物体积的收缩会产生一些微孔隙。

在页岩气储层中，粘土矿物的含量往往决定着吸附气含量的多少。实验结果表明，研究区干柴沟组不同岩相的泥页岩中，粘土矿物的含量与泥页岩的比表面积呈正相关关系。例如，粉砂质泥岩中伊利石的含量最高，其比表面积也是最大的，灰质泥岩次之，其比表面积居中。

3.3   有机碳含量与微孔隙的关系

有机质颗粒内纳米级孔隙富集和形成与有机质的成熟生烃相关，主要是生成液体或气体聚积生成气泡而成的^[27]。前人研究显示，页岩在成熟度较低时，干酪根中的孔隙极少^[28]，随着埋深增加，干酪根进一步热解生烃，其孔隙度也继续增大，直至到达生气窗，干酪根内部仍然存在大量的球状纳米级开放孔隙^{[18, 27]}。因此，页岩储层中网络状的有机质在生烃演化过程中，不仅能增加页岩气储层的储集性能，还可以作为页岩气运移聚集的通道。实验结果同样表明，有机碳含量与泥页岩中气体的含量（吸附气和残余气）呈正相关关系（图 5）。

图  5  柴达木盆地古近系泥页岩TOC与含气量关系

Figure  5.  The relationship between TOC and gas content on the northern margin of Paleogene in the Qaidam Basin

下载: 全尺寸图片 幻灯片

由于柴达木盆地西部古近系页岩有机质丰度不高，导致泥页岩中有机质孔隙不发育，但并不影响该层系泥页岩中页岩气的储集空间。在野外露头和钻井岩心中均可发现部分泥页岩层段中存在大量薄层的砂岩、粉砂岩夹层，其中的储集空间巨大，可以成为页岩油气的良好储集空间。

3.4   有机碳含量与页岩气形成的关系

虽然柴达木盆地西部古近系页岩有机碳总体含量低，演化程度总体不高，但该层系泥页岩的发育范围广，厚度大。以茫崖坳陷和尕斯凹陷为中心的烃源岩在上、下干柴沟组中有机碳含量可达0.5。且部分地区有机质的成熟度较高（R_o > 1.0%），例如下干柴沟组下段（E₃¹）发育大范围的R_o > 1.0%的区域，在芒崖镇与一里坪之间发育较高的R_o值，最高可达2.0%，已经进入高温生干气阶段。

4.   结论

（1）柴达木盆地西部古近系干柴沟组泥页岩为滨浅湖亚相沉积及三角洲相沉积，为页岩气藏的形成提供了良好的沉积条件，主要由（非）层状泥页岩、（非）层状灰质泥页岩、泥灰岩、（非）层状粉砂质泥岩、泥质粉砂岩5种岩相组成。

（2）研究区泥页岩中的脆性矿物种类繁多且含量普遍较高，有利于后期的压裂开采。粘土矿物组合特征表明，干柴沟组泥页岩进入晚成岩阶段，其对应的有机质演化进入成熟阶段，具备页岩气形成的成熟度条件。

（3）富有机质的灰黑色泥页岩主要发育于下干柴沟组，分布于油泉子地区和芒崖镇一带。有机质含量普遍不高，TOC为0.2%~1.4%，有机质以Ⅱ型干酪根为主，处于成熟阶段。

（4）干柴沟组泥页岩中发育5种储集空间类型，分别为原生孔隙、有机质生烃形成的孔隙、次生溶蚀孔隙、粘土矿物伊利石化体积缩小形成的微孔隙及微裂缝。此外，泥页岩中的粉砂岩夹层更可作为优良的页岩气储集空间。

（5）研究区页岩储层发育的主控因素有岩相、矿物含量、成岩演化程度、有机质丰度、成熟度等。不同岩相泥页岩的物性优劣依次为：层状粉砂质泥岩、层状泥质粉砂岩、灰质泥岩、泥岩和泥质灰岩，且相同类型泥页岩中有机质含量与物性呈正相关。研究区干柴沟组不同岩相的泥页岩中，粘土矿物的含量与泥页岩的比表面积呈正相关关系。粉砂质泥岩中伊利石的含量最高，其比表面积也是最大的，灰质泥岩次之，其比表面积居中。页岩储层中网络状的有机质在生烃演化过程中，不仅能增加页岩气储层的储集性能，而且可以作为页岩气运移、聚集的通道。