与北美海相页岩油相比，中国陆相泥页岩热演化程度较低、非均质性强；陆相页岩油密度高、含蜡量高、可流动性差^[1]，不易开采。近年来，我国石油公司通过加强陆相页岩油富集机理研究、深化地质工程一体化攻关，在准噶尔盆地吉木萨尔凹陷、松辽盆地古龙凹陷、渤海湾盆地济阳坳陷等均获得陆相页岩油勘探突破^[2-13]。由于陆相泥页岩沉积环境差异大，岩相组合和物质基础不同，吉木萨尔凹陷芦草沟组泥页岩表现为富长英质和白云石、低黏土矿物^[14]；古龙凹陷青山口组一段泥页岩表现为富黏土矿物和长石，碳酸盐矿物含量低^[15]；济阳坳陷沙河街组四段泥页岩表现为富碳酸盐和长英质矿物，黏土矿物含量低^[16]。但它们普遍具有有机质丰度较高(TOC含量大于2%)、有机质类型较好的特点^[17-20]，页岩油油质为轻质油到中质油，发育异常高压。

2020年以来，苏北盆地溱潼凹陷陆相页岩油取得重大突破^[21]，SD1井测试最高日产油50.9 t，目前累产油已超1.5×10⁴ t；QY1井测试最高日产油66.2 t，累产油超1.7×10⁴ t，揭示了苏北陆相页岩油具有高产、稳产的特征。苏北盆地位于郯庐断裂东侧，属于后生的断陷盆地，具有构造破碎、常规油气资源丰度较低的特点。页岩油产古近系阜宁组自阜二段下部的Ⅰ亚段，泥页岩TOC含量为0.5%~2%、镜质体反射率(R_o)为0.9%~1.0%，有机质类型以Ⅱ型为主；页岩油具有低气油比、高异常压力、流动性较好的特征，与济阳坳陷沙四段、松辽盆地青一段等页岩油具有一定的差异。目前有关阜二段页岩油形成机理的研究较少，笔者从溱潼凹陷阜二段页岩油形成条件入手，剖析阜二段页岩油物性和地化特征，探讨页岩油形成原因，对于深化陆相页岩油富集规律认识具有一定指导意义。

1.   阜二段地质特征

阜二段沉积时期，苏北盆地为湖相沉积，盆地持续下沉，水域逐渐扩大，湖盆范围大于3×10⁴ km。从金湖、高邮、溱潼到海安凹陷，自西向东水体逐渐加深，远离郯庐断裂带，构造越稳定、保存条件越好，但热演化程度降低。溱潼凹陷发育高压页岩油藏，凹陷面积约1 100 km²，阜二段属于半深湖—深湖亚相，TOC含量大于0.5%的暗色泥岩厚度200~400 m(图 1)，岩性以灰黑色泥岩和云灰质泥岩、含灰泥岩为主，矿物组成为长英质—黏土质—碳酸盐三元混合，比例为4∶3∶3(图 2)。阜二段自下而上划分为5个亚段：Ⅰ亚段厚度80~138 m，发育厚层纹层状、层状云灰质泥岩、含灰泥岩和泥岩；Ⅱ亚段厚度55~103 m，发育厚层纹层状、层状云灰质泥岩、含灰泥岩和泥岩；Ⅲ亚段厚度30~39 m，发育薄层纹层状灰质泥岩与泥岩互层；Ⅳ亚段厚度13~28 m，为厚层块状含灰泥岩与泥岩；Ⅴ亚段厚度49~81 m，发育灰、深灰色泥岩。阜二段沉积早期为咸化环境，气候炎热，水体由浅至深，震荡频繁；中期为过渡气候，水体为半咸水环境；晚期气候潮湿，水体为淡水环境。从沉积早期到晚期，阜二段岩性由灰云质泥岩、灰质泥岩向含灰泥岩、泥岩过渡^[22]。

图  1  苏北盆地溱潼凹陷阜宁组二段暗色泥岩(有机碳含量大于0.5%)厚度分布

Figure  1.  Thickness of dark mudstone (TOC>0.5%) in the second member of Funing Formation in Qintong Sag, Subei Basin

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图  2  苏北盆地溱潼凹陷阜宁组二段泥页岩综合柱状图

Figure  2.  Composite columnar section of mud shale in the second member of Funing Formation in Qintong Sag, Subei Basin

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溱潼凹陷阜二段Ⅲ—Ⅴ亚段泥页岩有机质丰度为0.5%~3%，平均1.48%，有机质类型以Ⅰ—Ⅱ₁型为主(图 3)，具明显的倾油性；Ⅰ—Ⅱ亚段泥页岩有机质丰度为0.5%~2%，平均1.08%，有机质以Ⅱ型为主，部分为Ⅰ型和Ⅲ型。阜二段有机质整体达到成熟阶段，R_o大于0.7%范围占70%以上，有机质成熟度随埋深呈增大趋势(图 4)，2 800 m对应的R_o为0.7%，3 900 m对应的R_o为1.0%，深凹带成熟度总体较高，处于成熟—高成熟阶段，斜坡带处于中低成熟阶段。溱潼凹陷阜二段泥页岩分布范围广，有机质丰度和热演化程度适中，具备形成页岩油的良好物质基础。

图  3  苏北盆地溱潼凹陷阜宁组二段泥页岩有机质类型划分

Figure  3.  Classification of organic matter types of mud shale in the second member of Funing Formation in Qintong Sag, Subei Basin

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图  4  苏北盆地溱潼凹陷阜宁组二段泥页岩R_o随埋深变化趋势

Figure  4.  Variation trend of mud shale R_o with buried depth in the second member of Funing Formation in Qintong Sag, Subei Basin

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2.   页岩油基本特征

溱潼凹陷阜二段页岩油埋深3 500~4 100 m，地温梯度3.68 ℃/hm，属正常地温系统；地层压力系数为1.2~1.5，属于高压页岩油藏。地面原油密度0.838 1~0.898 7 g/cm³，平均值为0.873 1 g/cm³，50 ℃条件下地面原油黏度11.45~292.14 mPa·s，平均值为79.90 mPa·s；凝固点24~41 ℃，平均值为32 ℃；含硫0.08%~0.51%，平均值为0.24%，含蜡量为16.85%~19.98%，平均值为18.36%，阜二段页岩油为低含硫轻质—中质油(表 1)，向深凹带原油物性更好，油质更轻。气油比为30~80m³/t，原油溶解气中甲烷含量83.74%~89.66%，平均86.07%；乙烷含量5.82%~8.16%，平均含量7.03%；丙烷含量1.24%~2.49%，平均含量1.89%；二氧化碳含量2.77%~3.53%，平均含量3.15%；不含硫化氢；天然气相对密度0.629~0.658，平均0.649。原油组成中饱和烃、芳烃比例含量高，轻质组分多，其中饱和烃含量为46.7%~77.3%，平均为63.5%；芳烃含量为8.6%~17.4%，平均为12.8%；非烃含量为3.6%~18.3%，平均为10.2%；沥青质含量为2.2%~6.5%，平均为3.4%；轻烃含量为0.9%~31.4%，平均为9.8%。

表  1  苏北盆地溱潼凹陷阜宁组二段页岩油物性特征

Table  1.  Physical properties of shale oil in the second member of Funing Formation in Qintong Sag, Subei Basin

井号	埋深/m	密度/(g·cm-3)	动力黏度(50 ℃)/(mPa·s)	含硫/%
SY3-7HF	3 636~3 815	$\frac{0.868\;1 \sim 0.888\;3}{0.878\;1}$	$\frac{31.54 \sim 292.14}{108.15}$	$\frac{0.17 \sim 0.35}{0.25}$
SD1	3 826~3 952	$\frac{0.879\;1 \sim 0.898\;7}{0.888\;1}$	$\frac{40.04 \sim 118.37}{67.18}$	$\frac{0.16 \sim 0.51}{0.34}$
QY1	4 015~4 165	$\frac{0.838\;1 \sim 0.870\;0}{0.850\;0}$	$\frac{11.45 \sim 26.64}{16.98}$	$\frac{0.08 \sim 0.26}{0.14}$
注：表中分式意义为$\frac{ { 最小值 \sim 最大值 }}{ { 平均值 }}$。

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3.   油源分析

阜二段页岩油为源储一体、连续型基质页岩油藏，泥页岩的形成环境、类型和演化程度影响了原油的组成及性质。如图 5所示，阜二段泥页岩饱和烃生物标志物特征为：正构烷烃呈正态型分布，主峰碳为C₂₅，奇偶优势不明显，Ph＞Pr，Pr/Ph为0.38~0.4；从底部到顶部，三环萜烷、伽马蜡烷和β-胡萝卜烷含量逐渐降低，反映沉积环境由咸化、强还原逐渐转换为淡水、弱还原环境；伽马蜡烷/C₃₀藿烷为0.62~1.19，Ts/(Ts+Tm)为0.74~0.79，ααα20RC₂₇、C₂₈、C₂₉甾烷呈“V”型分布，ααα20RC₂₇/C₂₉为0.32~0.70，孕甾烷含量高于升孕甾烷含量，C₂₉甾烷ααα20S(20S+20R)为0.53~0.58，泥页岩R_o约为1.0%。原油饱和烃生物标志物特征显示(图 5)：主峰碳为C₂₂，三环萜烷含量较高，C₂₀、C₂₁、C₂₃三环萜烷呈上升型分布，伽马蜡烷含量高，伽马蜡烷/C₃₀藿烷为1.08，Ts含量高于Tm，Ts/(Ts+Tm)为0.72，ααα20RC₂₉甾烷含量高于ααα20RC₂₇，ααα20RC₂₇/C₂₉为0.51，孕甾烷含量低于升孕甾烷含量，C₂₉甾烷ααα20S/(20S+20R)为0.49，对应的R_o值约为1.0%。

图  5  苏北盆地溱潼凹陷阜宁组二段页岩油和泥页岩生物标志化合物对比

Figure  5.  Comparison of biomarkers between shale oil and mud shale in the second member of Funing Formation in Qintong Sag, Subei Basin

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油源对比结果表明，阜二段页岩油与阜二段下部Ⅰ亚段泥页岩生物标志化合物特征非常相似(图 5，图 6)，表现为三环萜烷、β-胡萝卜烷和伽马蜡烷含量较高，形成于咸化环境；ααα20RC₂₉甾烷含量高于ααα20RC₂₇，有机质生源以高等植物为主。原油母质类型、成熟度参数与泥页岩均具有较好的对应性。

图  6  苏北盆地溱潼凹陷阜宁组二段页岩油和泥页岩生标指纹对比

T1.13β(H), 14α(H)-C₁₉三环萜烷；T2.13β(H), 14α(H)-C₂₀三环萜烷；T3.13β(H), 14α(H)-C₂₁三环萜烷；T4.13β(H), 14α(H)-C₂₂三环萜烷；T5.13β(H), 14α(H)-C₂₃三环萜烷；T6.13β(H), 14α(H)-C₂₄三环萜烷；T7.C₂₄-四环萜烷；T8.13β(H), 14α(H)-C₂₆三环萜烷(R)；T9.13β(H), 14α(H)-C₂₆-三环萜烷(S)；T10.13β(H), 14α(H)-C₂₈三环萜烷(R)；T11.13β(H), 14α(H)-C₂₈三环萜烷(S)；T12.13β(H), 14α(H)-C₂₉三环萜烷(R)；T13.13β(H), 14α(H)-C₂₉三环萜烷(S)；S1.C₂₁-5α(H)-孕甾烷；S2.C₂₂-5α(H)-升孕甾烷；S3.5α(H), 14α(H), 17α(H)-胆甾烷(20S)；S4.5α(H), 14β(H), 17β(H)-胆甾烷(20R)；S5.5α(H), 14β(H), 17β(H)-胆甾烷(20S)；S6.5α(H), 14α(H), 17α(H)-胆甾烷(20R)；S7.24-甲基-5α(H), 14α(H), 17α(H)-胆甾烷(20S)；S8.24-甲基-5α(H), 14β(H), 17β(H)-胆甾烷(20R)；S9.24-甲基-5α(H), 14β(H), 17β(H)-胆甾烷(20S)；S10.24-甲基-5α(H), 14α(H), 17α(H)-胆甾烷(20R)；S11.24-乙基-5α(H), 14α(H), 17α(H)-胆甾烷(20S)；S12.24-乙基-5α(H), 14β(H), 17β(H)-胆甾烷(20R)；S13.24-乙基-5α(H), 14β(H), 17β(H)-胆甾烷(20S)

Figure  6.  Comparison of biological standard fingerprints between shale oil and mud shale in the second member of Funing Formation in Qintong Sag, Subei Basin

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4.   成因分析

溱潼凹陷阜二段I亚段泥页岩有机质丰度不高，阜二段页岩油具有低气油比、高异常压力特征；轻质组分多，流动性较好，主要受到有机质成熟度、有机质类型和有机质丰度影响。

4.1   影响页岩油流动性的关键因素

热演化程度是控制陆相页岩油品质的关键因素，热演化程度越高，页岩油品质和流动性越好^[23]。生烃演化史表明，深凹带阜二段泥页岩在戴南组沉积时期进入低熟阶段，在垛二段沉积时期达到成熟阶段，现今R_o为0.9%~1.1%，处于最佳热演化窗口；页岩油品质好，气油比为30~80 m³/t，原油中轻烃含量0.9%~31.4%，轻质组分多；泥页岩滞留油以游离油为主，占比75%~95%。阜二段泥页岩生烃模拟实验显示，有机质成熟以后，R_o增加0.1%，产油率增加一倍^[24]；R_o达到0.9%以后，游离油的含量显著增加；R_o＞1.1%之后，产油率逐渐下降；R_o介于0.9%~1.1%是页岩油最佳的热演化窗口。阜二段泥岩埋深2 800 m开始成熟，3 500 m进入产油高峰阶段，3 900 m到达生油顶峰(图 7)，深凹带处于生油高峰阶段(3 500~4 300 m)。因此，适宜的热演化程度对于页岩油流动性至关重要。

图  7  苏北盆地溱潼凹陷阜宁组二段含油饱和度指数(OSI)、氯仿沥青“A”随深度变化关系

Figure  7.  Variation of oil saturation index (OSI) and chloroform bitumen "A" with depth in the second member of Funing Formation in Qintong Sag, Subei Basin

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4.2   特殊的有机质类型有利于形成轻质组分

Ⅰ型干酪根因为富氢组分发育，有机质丰度高，生成原油气油比适中，有利于形成轻质油。比如济阳坳陷沙三段、松辽盆地青一段页岩油原油密度为0.79~0.84 cm³/g，北美海相泥页岩原油密度为0.78~0.82 cm³/g，主要是与湿气伴生的轻质油和凝析油^[25]。

苏北盆地阜二段泥页岩从底部到顶部，腐泥组含量先升高后降低，壳质组和镜质组含量先降低后升高；Ⅰ亚段有机质类型以Ⅱ型为主，有机显微组分以壳质组和镜质组为主(表 2)。如图 8所示，壳质组普遍含有木栓质体(6.6%)和底栖藻无定型体(11.5%)，在成熟阶段既生油又生气^[26]，在较高的热演化阶段有利于生成轻质油。阜二段Ⅰ—Ⅱ亚段泥页岩族组分特征与原油较一致，饱和烃含量为45.5%~56.4%，平均为52%；芳烃含量为14.7%~18.7%，平均为16.5%；非烃含量为10.5%~15.6%，平均为13.4%；沥青质含量为7.7%~10.9%，平均为8.9%。以壳质组为主的泥页岩，在R_o为0.9%~1.1%时，生烃转化率也比较高(图 9)，具有中—低TOC含量、高氯仿沥青“A”含量的特征。

表  2  苏北盆地溱潼凹陷阜宁组二段有机显微组分分布

Table  2.  Distribution of organic macerals in the second member of Funing Formation in Qintong Sag, Subei Basin

层位	腐泥组/%	壳质组/%	镜质组/%	惰质组/%	类型指数	干酪根类型
Ⅴ亚段	12.2	74.2	11.9	1.7	38.7	Ⅱ2型
Ⅳ亚段	38.6	53.5	6.9	1.0	59.2	Ⅱ1型
Ⅲ亚段	23.4	63.4	10.8	2.4	44.6	Ⅱ1型
Ⅱ亚段	14.4	64.0	17.1	4.5	29.1	Ⅱ2型
Ⅰ亚段	7.6	66.6	22.1	3.7	20.6	Ⅱ2型

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图  8  苏北盆地溱潼凹陷阜宁组二段泥页岩有机显微组分

Figure  8.  Organic macerals of mud shale in the second member of Funing Formation in Qintong Sag, Subei Basin

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图  9  苏北盆地溱潼凹陷深凹带阜宁组二段泥页岩生烃转化率对比

Figure  9.  Comparison of hydrocarbon generation conversion rate of mud shale in the second member of Funing Formation in deep sag zone of Qintong Sag, Subei Basin

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4.3   有机碳、矿物组成及滞留油特征

阜二段泥页岩有机碳和矿物组成适中，滞留油以游离油为主。泥页岩有机质丰度越高，杂原子丰度越高，其与有机质、矿物的吸附能力越强，吸附油含量越高。相对适中的有机质丰度，吸附油能力较弱，滞留油以游离油为主，更有利于页岩油流动。研究表明，随着TOC含量增大，泥页岩生烃能力增强，游离油量会增大，但有机质丰度过高，吸附性增强，游离油含量不再增加(图 10a)，泥页岩含油饱和度指数会降低(图 10b)，存在一个含油性变低的拐点，每个地区会有差异。纵向上，受岩相、有机质丰度、成熟度影响，不同深度段游离油含量、束缚油含量也不同，碳酸盐矿物、黏土矿物含量为20%~30%的页岩含油性最好(图 10c)，且轻质组分比例高(图 10d)。冷冻热解实验表明，阜二段Ⅰ、Ⅱ亚段游离油含量平均为束缚油的8倍，反映了页岩油较好的可动性。以QY1井为例，3 700~4 040 m，游离油含量呈现先上升后下降、再上升再下降的趋势(图 11)，游离油占总油比例为69%~96%。其中，3 800~3 870 m，S_1-1(游离轻质油)为0.29~5.89 mg/g，S_1-2(游离中质油)为0.24~4.38 mg/g，S_2-1(吸附油)为0.06~1.08 mg/g，游离油/总油的比值为79%~96%，游离油占总油比例高，为含油性较好的层段；3 970~4 020 m，S_1-1为0.03~4.35 mg/g，S_1-2为0.08~2.68 mg/g，S_2-1为0.03~0.39 mg/g，游离油占总油的69%~96%，含油性较好；4 020 m以深，S_1-1和S_1-2小于1.0 mg/g，S_2-1小于0.2 mg/g，游离油占总油的比例为85%~95%，含油性略变差。

图  10  苏北盆地溱潼凹陷阜宁组二段泥页岩有机质丰度、矿物组成与含油性关系

Figure  10.  Relationship between organic matter abundance, mineral components and oil content of mud shale in the second member of Funing Formation in Qintong Sag, Subei Basin

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图  11  苏北盆地溱潼凹陷阜宁组二段游离油和束缚油随深度变化趋势

S_1-1为游离轻质油；S_1-2为游离中质油；S_2-1为吸附油

Figure  11.  Variation trend of free oil and bound oil with depth in the second member of Funing Formation in Qintong Sag, Subei Basin

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5.   结论

(1) 溱潼凹陷阜二段泥页岩分布范围广、厚度大，有机质丰度和演化程度适中，具备形成页岩油的良好物质基础。

(2) 阜二段页岩油具有低气油比、高异常压力特征，为低含硫轻质—中质油，饱和烃和轻烃含量较高，形成于咸水的还原环境。

(3) 阜二段页岩油轻质组分含量高、流动性好，受到较高的热演化程度、有利的有机质类型、适中的有机质丰度和矿物组成的共同控制。