紋層狀湖盆細粒沉積巖儲集物性及油氣富集特征研究進展

摘 要 【目的】強非均質性是陸相頁巖層系的主要特征，其特性成因于湖盆細粒沉積巖（后文簡稱為“細粒巖”）的沉積環境距物源區較近且水深較淺，受水動力、氣候、構造、生物擾動等因素的控制更加明顯，尤其是紋層狀湖盆細粒沉積巖（后文簡稱為“紋層狀細粒巖”）在毫米尺度下，垂向上的成分、形態、結構等特征均可表現出較大的差異。通過文獻統計和前人研究成果分析，發現紋層狀細粒巖的儲集物性及油氣富集的能力明顯優于不發育/弱發育的紋層狀細粒巖，并且與發育程度具有極好的正相關性，但相關差異性的總結仍不清晰且有待揭示。【方法】聚焦近十年內的國內外相關文獻，綜述紋層狀細粒巖的孔隙、裂縫類型與成因，并將紋層序列劃分為砂質紋層—泥質紋層序列與泥質紋層—泥質紋層序列，分別闡述不同紋層序列的儲集物性及油氣富集的特征與機理。【結論與展望】紋層結構具有物質成分在垂向上頻繁更替、內部微裂縫異常發育、內部有機質分布較為集中共三個優勢特征，使其在細粒巖的基礎上進一步提升了油氣富集的能力。總結了影響其儲集物性和油氣富集的五個主要控制因素：紋層成分、紋層連續性、紋層序列組合、有機質豐度、有機質熱演化程度。今后，應將紋層狀細粒巖的無機成因機制與有機演化模式相結合，建立微觀紋層類型及組合與宏觀油氣甜點區、優質儲層評價的對應關系。

關鍵詞 紋層；細粒沉積巖；儲集物性；油氣富集；頁巖儲層

第一作者簡介 吳科睿，男，1996年出生，博士研究生，沉積與儲層地質學，E-mail： wukr9610@163.com

通信作者 孫雨，男，教授，沉積與儲層地質學，E-mail： sunyu_hc@163.com

中圖分類號 P512.2 文獻標志碼 A

0 引言

紋層是細粒沉積巖中常見的沉積結構，被描述為在地層中可用肉眼分辨的、最基本的沉積單元結構。自19世紀60年代起，由瑞典地質勘探隊首次記錄有關紋層結構的描述后，對于紋層的研究相類型由冰川相逐漸轉變為海相和陸相；研究區域范圍由北歐延伸到美洲、亞洲乃至全球；研究類型由黏土質紋層擴展到長英質紋層、鈣質紋層、有機質紋層及不同類型紋層的序列組合[1?2]。當前，在眾多學者的持續探索下，使紋層不僅局限于作為冰川消退期的時間量程[1]，包括利用紋層物質組分、形態、旋回等特征恢復古代地質環境的周期性變化；利用水槽物理模擬了多種類紋層的沉積過程，歸納不同沉積環境與紋層發育特征的耦合關系，從而豐富了細粒沉積巖成因模式；利用紋層加強了頁巖層系的非均質性的特征，繼而探究紋層對儲層成因機理、油氣賦存機制、開發生產效果等方面，產生了重要影響[3]。這使得紋層研究的各個方向均成為學者所關注的熱點。

國外學者率先利用紋層內的沉積物變化特征作為一種高分辨率年代測定參數[1]，而在紋層狀湖盆細粒巖的儲集物性、油氣富集特征方面，國內外學者的研究進展平分秋色。我國渤海灣盆地古近系沙河街組、松遼盆地白堊系青山口組和嫩江組、準噶爾盆地二疊系蘆草溝組、鄂爾多斯盆地三疊系延長組等地層均廣泛發育紋層狀湖盆細粒巖，且學者們分別歸納了不同地區中頁巖油氣“甜點”與之相對應的含紋層巖相。經學者統計約80%的頁巖油氣分布在頁巖儲層的大型孔（大于50 nm）中，因此孔隙結構特征對頁巖儲層的儲集能力產生重要影響[4]。在低壓氮氣物理吸附實驗中，紋層狀頁巖處在低壓時，吸附N2的總量較低，不斷增壓后呈吸附總量緩慢提高的現象；處在相對高壓時，繼續增壓后，吸附量呈急劇增加的現象[5]。再結合其他測驗數值后，表明紋層狀巖樣中存在大量體積較大、連通性較好的介孔。同時學者也發現紋層邊緣和內部的微裂縫尤為發育，造成這一特征的主要原因是相鄰紋層的礦物組分差異，導致了短距離內抗壓能力頻繁的變化[6]，較發育的微裂縫是導致紋層狀細粒巖與其他結構細粒巖之間產生油氣富集能力差異的主要原因之一。因此，高密度的微裂縫可成為油氣高效的運移通道和儲集空間[5]。

對比美國海相頁巖勘探開發歷經長期的探索和發展（1953—2016年），頁巖油產量于2017年起發生了跨越式增長，先后建成巴肯（Bakken）、安納達科（Anadarko）等七大成熟頁巖油生產區，近10年達到年均25%的產出增長率，且頁巖油的總產量已占美國原油年總產量（7.47×108 t）的50%左右[7?8]。我國頁巖油資源也十分巨大，資源量約為1 500×108 t，但技術可采儲量僅達（30～60）×108 t，可見我國頁巖油氣產量受到了非常規油氣富集基礎研究的制約[9]。通過文獻統計和前人研究成果分析，發現紋層狀細粒巖發育程度與儲集物性、油氣富集的能力具有正相關性[10]。因此，以二者的相關性展開，歸納不同紋層中孔隙、裂縫的類別與成因、物性儲集和油氣富集機理的控制因素，以及不同湖盆含紋層結構的有利巖相等，旨在為下一步頁巖油氣勘探發展階段提供相應指導。

1 文獻計量學的研究動態分析

當前，國內外在紋層狀細粒巖的研究熱點主要聚焦在：（1）紋層內部的微觀特征，包括紋層孔隙內的有機質演化、流體賦存狀態、孔喉潤濕性等特征；（2）紋層力學方面特征，包括紋層的壓裂裂縫展布特征、脆性各向異性、紋層內流體受力運移等特征；（3）結合人工智能（AI）的含紋層結構的機器識別，大量紋層狀巖相結合測井相后，使AI提高識別頁巖紋層及組合類型的準確度；（4）紋層狀細粒巖的成因機制研究，包括紋層發育影響因素、內部特殊構造成因、紋層的物理實驗模擬等方向。基于知網平臺檢索功能，同時選取“紋層”“物性”“油”和“氣”作為交互關鍵詞，并排除有關海相紋層狀細粒巖的期刊文獻，以2012—2017年和2012—2022年兩個時間段分別進行期刊文獻計量學研究，文獻檢索時間2023 年2 月。其中2012—2017年的相關文章共檢索518篇，2012—2022年共檢索1 308篇，可見同階段內，此主題的期刊發表數量在快速增長。而2000—2012年僅發表320篇，可知近年此方面的研究逐漸成為熱點方向。

聚類分析圖和關鍵詞熱點圖表明（圖1a～d），2012—2017年，我國在湖相紋層與油氣二者關系的研究屬于探索階段，以渤海灣、準噶爾等咸化湖盆的紋層結構研究為主體，松遼淡化湖盆次之。研究學者逐漸意識到紋層結構在陸相頁巖油氣開采方面的重要作用，探索初期以描述紋層內物質成分與孔縫、油氣賦存的對應關系為主。受相關科學理論限制，學者通常以海相紋層狀細粒巖的理論類比湖相紋層狀細粒巖，總體以描述特征和推測機制為主，研究方向已初步向有機質演化、流體賦存狀態和控制因素等方面擴展。2017年至今，隨著前期研究成果的鋪墊、研究學者和巖心數據的增加，在渤海灣盆地已經生產出成熟的工業頁巖油氣，其相關文獻數量和技術成熟度最高，相關的油氣富集機理已初現端倪，且應用于其他湖盆地區，包括松遼、準噶爾、潛江、蘇北等盆地均發現了大量紋層狀細粒巖，且初步進行非常規油氣的開采。而在2012—2017年所研究的內容逐漸精細，如碳酸鹽紋層的儲集性能已按白云石和方解石紋層分別概括和總結；按單個成巖作用對紋層油氣富集過程的影響作用、紋層內孔隙度的單一主控因素分析等均已開展。總體沿著前期學者的研究方向進行擴展，同時各個小方向有著交互的趨勢（圖1e～f），按照不同地區的紋層成分—孔隙類型—成巖作用—主控因素—有機質豐度/演化程度—成藏模式等主題進行配比研究。

截至目前，對于紋層狀細粒巖油氣富集的研究尚處于初期階段，許多相關科學認識仍不清晰：（1）紋層狀細粒巖與“甜點位”的關系是什么？紋層狀細粒巖對頁巖油氣的分布有哪些影響？（2）相比其他結構，紋層狀細粒巖中的無機顆粒對有機質的影響有哪些差異？成巖作用后，對烴源巖品質、儲層品質、頁巖油流動品質有哪些改變？（3）同地區、同種類的紋層狀細粒巖，油氣富集發生差異的原因是什么？（4）紋層組合在垂向上不斷疊加后，油氣富集能力能達到的極值是多少？影響因素是什么？能否建立表達方程式或數據模型？（5）從有利于頁巖油氣勘探和開發的角度出發，如何對富含油氣的紋層狀細粒巖進行類型劃分？均可以是下一階段探討的主要問題。而未來，應將紋層狀細粒巖的無機成因機制與有機演化模式相結合，建立微觀紋層類型及組合與宏觀油氣甜點區、優質儲層評價的對應關系。

2 紋層狀湖盆細粒沉積巖成因及特征

近年來，國內外學者已逐漸摒棄了延淺湖向深湖區嚴格發育由砂質紋層過度成黏土質紋層的初始觀念。Schieber et al.[11]利用粉砂和黏土材料進行物理模擬實驗后，提出了細粒沉積物凝絮作用搬運機制，認為此理論可解釋深湖區同時發育砂質紋層和泥質紋層的主要原因。具體為黏土物質在水流中易與細粒物發生絮凝作用，結合成的絮凝體團會不斷擴大，直至達到與流速相平衡的最大絮團級次，并以絮狀波紋的形式在底面移動[11?12]。此時，絮凝體團將有能力攜帶粗顆粒和有機質一起向深湖區運移。當粗顆粒因慣性破壞絮凝團而被釋放出時，黏土質波紋和砂質波紋會發生分選，同時在底部沉積而形成砂泥互層結構；若粗顆粒較少時，大量泥質絮狀波紋經堆積—壓實后，可形成（富有機質）泥頁巖[12]。后續學者發現細粒碳酸鹽巖顆粒也可以發生絮凝作用[13]，再次證實了紋層凝絮搬運機制的準確性。

海相細粒沉積巖處于廣袤的深海環境，水體動力較為穩定，且富含硫酸鹽（具有毒性，可有效抑制生物擾動），因此紋層狀海相細粒沉積巖的分布面積和體積巨大，橫向和縱向上巖性較穩定：顏色多以（灰）黑色為主，結構以連續平直型為主，成分以黏土質和混積成分為主，有機質豐度明顯高于湖相[14]；而紋層狀細粒巖受限于沉積環境距物源區較近和水深較淺，對沉積環境水動力、氣候和生物擾動等因素變化的反應更加“敏感”，導致顏色、成分、結構在短距離內呈較不穩定的特征[15?18]。在不同地區的偏光鏡圖中可發現不同成分、結構的紋層發生多期互層現象：其中在季節和旋回控制下發育“二元”紋層結構（圖2a）、“三元”紋層結構（圖2b），甚至多元無序紋層結構[16?17]。若在強烈生物擾動、古代突發性事件（例地震、洪水等）、構造活動、成巖作用下均可改變、侵蝕或破壞紋層形態與結構[18]（圖2c），因此可以說湖相紋層十分“脆弱”。在實驗室地震巖石物理計算中發現紋層結構越發育，Thomson參數（各向異性參數）敏感性越大，即表征紋層形態與組合具有不確定性和突變性[19]。紋層狀細粒巖內的有機質含量及相關有機作用，相比其他結構的細粒沉積巖也具有差異性特征。熒光薄片觀測結果對比表明，塊狀泥巖中的熒光較弱呈斑點狀分布，紋層狀頁巖樣品中的熒光較強，且沿紋層平面呈線性分布或局部集中[20]，并且紋層中還存在一種特殊的有機質聚集形式——有機質紋層。

3 紋層狀湖盆細粒沉積巖儲集物性特征

通過匯總國內外不同紋層結構的孔隙度、滲透率、孔隙類型和巖相類型等[21?28]（表1），可以發現紋層狀細粒巖的孔隙度和滲透率明顯高于同一地區非紋層狀細粒巖，這對于論述紋層與二者關系有著結論性的意義。如松遼盆地青一段的中有機質紋層狀頁巖的孔隙度（平均值6.8%）高于非紋層巖相近2%，且滲透率為非紋層巖相5～10倍[26]。但這并不意味著這一結論是絕對性的，包括某些塊狀泥巖在不同條件下使其孔隙度高于3%的實例是大量存在的[29]。不同地區的紋層狀細粒巖的物性分別受到物源區碎屑成分、沉積環境、后期成巖作用等復雜因素的共同控制，隨意將不同地區的紋層結構數據進行對比，會摒棄巖樣自身所具備的地域差異性特征。因此，將范圍局限于紋層發育區域層段的細粒巖與不發育/弱發育紋層狀細粒巖之間，梳理其內部孔縫類型、成因以及其對儲集物性的影響。

3.1 紋層狀湖盆細粒沉積巖內孔隙、裂縫類型與成因

紋層狀細粒巖內部主要含有的孔隙類型包括溶蝕孔、粒間孔、晶間孔、晶內孔、有機質孔，以及裂縫類型包括紋層間裂縫、構造縫、異常壓力縫、有機質收縮縫[22?31]。

3.1.1 紋層狀細粒沉積巖的孔隙類型及成因

溶蝕孔是長石、石英、碳酸鹽等礦物被有機酸性流體或大氣淡水溶蝕而形成的孔隙，通常有機質豐度較高的紋層序列更易發育溶蝕孔隙[22，24，26]（圖3a）。

溶蝕作用由弱至強時，紋層內的溶蝕孔由連通性較差的蜂窩狀、港灣狀的分布模式（在礦物碎屑邊緣或內部）逐漸到被有機酸完全溶蝕，形成直徑為30 μm左右的鑄模孔[22，24，30，33]。若巖石內的溶蝕孔隙與相鄰紋層的收縮微縫、紋層間裂縫連通時，可形成有效的儲集空間網絡[24，34]。在細粒沉積巖中，長石礦物易被有機酸溶蝕，當紋層內長石含量進一步提高時，與溶蝕孔數量可呈明顯正相關性[34]。

粒間孔主要為石英、長石等礦物碎屑因粒徑大小差異排列而保留下的格架間孔隙（圖3b），大多介于10～30 μm，呈不規則多角狀[24，26，35]。深度增加使地層的壓實作用逐漸增強[30?31]，硅質礦物因晶形排列穩定、抗壓能力強，從而阻止了細粒沉積巖中原生孔隙的消亡[32]。所以通常情況下長英質紋層的孔隙度和連通性最優[22，30]，例如在松遼盆地青山口組中含硅長英質紋層狀頁巖粒間孔平均占比可以達到80%[26]。而泥晶方解石紋層、黏土紋層等受壓實作用明顯，粒間孔隙相對不發育[24，26]。

晶間孔是自生石英、黏土、碳酸鹽等礦物的殘余膠結物晶體之間的孔隙（圖3c），呈規則多面體狀，孔徑分布不均，大多介于2～13 μm[22，28]。白云巖紋層內晶間孔可能成因于白云石化作用中Mg2+取代Ca2+過程或淡水淋濾作用中白云石菱面體匯集過程，使白云石晶體的體積縮小；硅質紋層內晶間孔可成因于自生硅質沉淀作用；方解石紋層內晶間孔可成因于早成巖階段的方解石重結晶作用[28，33]。黏土紋層在壓實下易引發塑性變形，或在蒙脫石轉化生成伊利石的后期成巖過程中，層間脫水和析出Ca2+、Mg2+使孔隙內流體超壓，抵抗上覆壓力而保留下部分納米級晶間孔（孔隙范圍為0.5～8 μm）[30，35]，均是泥質紋層中重要的孔隙組成部。

粒（晶）內孔為礦物顆粒（晶體）內部的微小孔隙，孔徑以幾十納米到幾微米為主，粒內孔主要發育于長石、石英以及碳酸鹽顆粒中，晶內孔多發育于黏土、黃鐵礦或泥晶碳酸鹽的膠結物晶體內部[22，36]。

有機質孔是指有機質在熱演化過程中，因氣液態烴類排出和運移后，在有機質內部或邊緣形成的殘留孔隙（圖3d），孔徑可從納米級到微米級[17，28]。有機質在紋層序列中呈分散狀或紋層狀分布[26，33]，其中Ⅰ型干酪根易發育有機質邊緣孔，Ⅱ型干酪根易發育機質內部孔和邊緣孔[17]。有機質孔是海相頁巖的優勢孔隙之一，但細粒巖有機質熱演化程度普遍較低，其數量和大小受非均質性、豐度、成熟度等因素控制[17，30，37]。

3.1.2 紋層狀細粒沉積巖的裂縫類型及成因

紋層間裂縫（圖4a）是指在走滑應力作用下沿薄弱紋層面發育的順層縫，具有開度小（幾微米到幾十微米不等）、延伸距離較遠、一般不切穿顆粒、走向接近水平方向的特征，從而提高紋層狀細粒巖的橫向滲透率[22，38]。儲集層內部壓力優先沿紋層面釋放后，受壓應力超過其破裂極限時，會繼續發生錯動而形成剪切縫[38]。研究表明紋層間裂縫是流體運移的首選路徑[39]，如束鹿凹陷沙三段方解石紋層和砂質紋層序列內同時發育紋層間裂縫和高角度貫穿構造縫，結合后形成了連通裂縫網，從而顯著改善巖石的儲集和滲流能力[23]。

構造縫（圖4b）是巖石在構造應力作用下破裂而產生的縫隙[17，28]。紋層組內單層厚度變薄時，相同應力下會發生微層理縫密度增加現象[40]。其開度和發育角度受巖石成分和構造控制，通常易呈垂直的走向且貫穿多條紋層，可形成裂縫—溶蝕孔體系，為后期溶蝕流體提供運移通道或為油氣提供儲集空間[17，30，41]。

異常壓力縫（圖4c）形成于欠壓實、有機質生烴超壓、黏土礦物轉化脫水等作用，局部高壓致使紋層頁理破裂，因觸發機制條件限制，使其數量相對較少[17]。具有開度大、角度高、縫面呈鋸齒狀等不規則形狀的特點[22]。

有機質縫（圖4d）主要發育在有機質與黏土或脆性礦物紋層的接觸邊緣，形成于熱演化過程中有機質排烴導致自身體積的收縮，同時排放的有機酸會進一步溶蝕礦物邊界，從而擴大其裂縫空間，一般寬度不超過1 μm[17，37]。紋層中的有機質在生烴階段不僅可形成用來儲存油氣分子的高連通性有機質孔縫，并且運移的有機酸和氣液態烴還可形成酸性環境，從而抑制鄰層碳酸鹽的膠結作用。

3.2 紋層狀湖盆細粒沉積巖儲集物性控制因素

有學者統計紋層狀細粒巖中30%～50%的孔隙大小介于10～30 nm，并且少量部分可大于100 nm，而塊狀細粒沉積巖中總有效孔隙的50%～90%是小于10 nm的超細孔隙[4]。對比塊狀細粒巖的物質成分相對單一、有效儲集空間以裂縫為主的特點，紋層狀細粒巖具有垂向相鄰紋層的成分和結構，在毫米尺度下即可表現出較大的差異，其本質是不同礦物顆粒的組合和排列。不同種類紋層頻繁疊置使不同受力展布特征的紋層相互排序，促進了裂縫的發育，使得不同種類的孔縫相互結合，最后讓紋層的儲集物性明顯高于不發育/弱發育紋層狀細粒巖，并且成因機理具有復雜性[22，42]。通常含有機質泥質紋層（部分富有機質紋層除外）產出的油氣數量與其儲集空間體積在數值上匹配度較低，盡管砂質紋層可為有機化合物提供有效且充足的儲集空間，但紋層自身的TOC含量較低（通常長英質紋層內有機質豐度小于5%）。因此，紋層序列形成后可將不同紋層的優勢和劣勢特征相結合，類似于“木桶原理”，可高效地提升整套儲層的品質下限。同時碳酸鹽膠結作用是潛在影響儲層物性特征的重要因素之一，紋層狀細粒巖的膠結作用通常發生在方解石紋層、白云石紋層及與其相鄰紋層中，而長英質紋層、富有機質黏土紋層和有機質紋層中的膠結作用并不明顯（并且陸源碎屑可抑制碳酸鹽成巖作用[43]），若此兩類紋層頻繁疊加，可有效抑制紋層狀細粒巖中的膠結作用，使其紋層內大多數孔縫有效性得到良好保留[5]。經大量文獻閱讀和歸納，將紋層組分、連續性、序列組合作為紋層狀細粒巖物性的主要控制因素。

3.2.1 紋層組成成分

紋層內礦物成分主要包含石英、長石、方解石、白云石、黏土以及有機質，不同礦物成分的晶體結構排列、壓力下裂縫展布、后期成巖作用等均可表現出不同特征。

石英和長石等剛性礦物的抗壓能力較強，在淺埋藏階段受機械壓實后，仍可殘留原生粒間孔隙，是紋層狀細粒巖儲集空間的主要部分。當紋層內石英和長石礦物含量大于70%時，對應孔隙度可大于3%[44]。而長英質紋層本身因沉積于較強水體環境導致具有較差的TOC含量，實驗樣品統計當長石和石英的含量從40%減少到15%時，TOC含量從0%增加到5%[45]。

方解石、白云石等脆性礦物主要發育晶間孔、晶內孔和紋層縫、微裂縫，不同于常規碳酸鹽巖儲層，隨著膠結作用增強，使其孔隙度、滲透率呈下降趨勢[22]。部分鈣質紋層因膠結作用受到抑制，使晶間孔、晶內孔等微米級孔隙得到保留。其中富有機酸不僅可抑制膠結作用，當方解石重結晶或白云石化部分占比較大時，高含量的有機酸會導致微晶方解石紋層再結晶，從而形成更大的晶間孔隙，甚至受有機酸流體改造后，使溶蝕孔比例相應增加[46]。在裂縫發育方面，碳酸鹽紋層作為較脆性礦物受壓可發育構造縫、微裂縫等滲流通道，其發育程度受碳酸鹽和黏土物質含量的占比控制[22，28，47]。

黏土質礦物的粒徑相對較小，可充填在紋層內的原生、次生孔隙以及伴生裂縫中，作為塑性礦物抗壓實能力最差、易發生膠結作用。一般隨著黏土或方沸石含量的增加，紋層狀細粒巖孔隙度通常呈下降趨勢[26]。如滄東凹陷的長英質紋層因顆粒間被黏土礦物填充，強膠結作用使粒間孔、溶蝕孔以及微裂縫均不發達，孔徑以10 μm左右的綠泥石晶間孔為主[48]。而部分黏土質紋層具有差異性的優勢特征：若黏土紋層富含有機質，可形成有機酸溶蝕成因的溶蝕孔和紋層間格架孔；其次，黏土紋層結構的層理“薄弱”面受壓后，可發育和保留紋層間裂縫、擴展壓裂縫，形成有效的連通空間；最后，也存在部分由絮凝成因的黏土紋層，黏土礦物構成“紙牌屋”微觀結構孔隙，從而提高整體孔隙度[32?33，37]。

有機質形成的溶蝕孔和有機質孔取決于有機質的豐度和熱演化程度，前人認為傾油烴源巖僅當Ro大于1.2%時才會大量發育有機質孔，如在松遼盆地古龍較成熟頁巖油處紋層狀頁巖有機質孔可占孔隙占比可達57.2%[26，49]。有機質紋層厚度小、密度大、TOC含量高，內部層理縫發育程度最高，通常伴生草莓狀黃鐵礦條帶[50]。釋放的CO2和有機酸也會間接影響部分成巖作用[24]，如降低了孔隙水的pH值，可抑制碳酸鹽膠結作用來保護碳酸鹽紋層的孔隙度；有機質含量越高，可生成越多的有機酸促進重結晶作用，使結晶程度較好和晶體粒徑較大，有利于白云石、方解石紋層內部晶間孔的發育[28，33]。

3.2.2 紋層連續性

紋層連續性受沉積水動力強度、后期改造作用等因素主控[51]。較弱水動力易形成連續紋層，物性較好。隨著水動力逐漸加強而形成斷續紋層[16]，斷續紋層形成于較高速流體環境而不利于有機質的搬運和儲存，僅少部分有機質和黏土細粒物以凝絮方式被保存下來[47?48，52?53]。如準噶爾盆地二疊系中粉砂巖的透鏡狀紋層中的有機質碎片分布較為分散且數量較少[30]。同樣在后期改造作用成因下的斷續紋層的孔隙被黏土物質填充，膠結作用明顯強于連續紋層而不利于紋層的物性。

紋層連續性、厚度和密度影響著紋層的力學性質和裂縫擴展規律：連續性好、單層厚度大的紋層在壓實過程中會造成應力集中，抗壓時表現出的各向異性會削弱巖石強度，有利于順層縫發育，但同時存在較好連續性的紋層塑性較強，使裂縫易于再次發生閉合的情況[27，54?55]；當連續性好、紋層厚度差異較大、垂向顆粒分布均勻時，會使其脆性增加；當連續性好、厚度越小、紋層的密度越大且紋層種類垂向頻繁變化時，可多發生碳酸鹽脫水、有機質收縮等作用使其紋層內孔縫發育程度較好[56]。內部紋層縫隙和天然微裂隙在繼續增壓過程中會持續擴展。研究表明，紋層內的縫隙在剪切力的作用下，傾向于在10°至60°的角度范圍內傳播[57]。由于壓實作用引起的力學差異，紋層結構的垂直抗拉強度小于平行抗拉強度。形成的高密度微裂縫不僅彼此連接，甚至可以與細粒巖中的其他常見類型孔隙和裂縫相連，進而共同構成復雜的裂縫網絡，從而顯著提高紋層狀細粒巖的儲集性能[54-55，58-59]。

3.2.3 紋層序列組合

紋層序列組合是指包含不同種類紋層以及排列方式的集合，包含“二元”“三元”“多元”結構，甚至是“一元”結構在熒光照射下也呈明暗相間的特征[28]。紋層的頻繁互層直接帶來的是各種孔隙和微裂縫的組合和各種礦物在成巖作用中的促進或抑制，例如“晶間孔+構造縫”是高孔滲碳酸鹽紋層的孔隙組合形式；有機質熱演化過程可為方解石重結晶提供能量[32?33]。從粒度角度出發，紋層序列可分為砂質—泥質紋層序列和泥質—泥質紋層序列兩種類型。結合物質成分，可劃分為長英質紋層—黏土質紋層、鈣質紋層—黏土質紋層、長英質紋層—鈣質紋層—黏土質紋層、富有機質黏土紋層—黏土紋層和凝灰質紋層—黏土紋層的組合模式。

長英質紋層—黏土質紋層的組合模式（圖2a）主要發育于湖相三角洲前緣，沉積水體性質以淡水—微咸水為主，多數紋層厚度介于20～300 μm，沉積水體動力較強，導致紋層連續性相對較差、有機質含量較低。包括松遼盆地青一段、鄂爾多斯盆地延長組等地均可發現。長英質紋層內的孔徑大多大于100 nm，且部分孔徑可達1 000 nm，孔隙度可以達到5%，滲透率通常大于0.003×10-3 μm[44]，層偶間石英、長石顆粒定向排列，使填充孔隙的碳酸鹽膠結作用不明顯，所形成的狹縫型、片狀孔隙型可結合順延的紋層縫，形成連通性較好、水平滲透率較高的微—毫米尺度“二元”孔縫結構[26]。因此其物性好壞取決于黏土礦物和有機質數量，黏土礦物在淺埋藏階段的成巖作用會使原生孔快速消亡，殘存的粒間孔主要出現在石英等高硬度顆粒之間；而有機質可利用熱演化有效抑制有關黏土物質的成巖作用，通常有機質熱演化程度與長英質紋層—黏土質紋層序列的孔隙度成正比。

鈣質紋層—黏土質紋層的組合模式（圖5a）主要分為方解石/白云石紋層—黏土紋層（夾雜少量混合紋層）、方解石/白云石紋層—深色富有機質黏土紋層（夾雜少量混合紋層）共4類，在渤海灣盆地孔二段、準噶爾蘆草溝組等古咸化地層均可發現。水體沉積環境處在較深湖區，多數紋層厚度在10～1 000 μm，連續性較好，內部孔徑通常介于1～5 μm，孔隙度介于2%～16%，孔喉介于3～50 μm，滲透率介于（0.04～3.00）×10-3 μm[23]。當有機質含量豐富時，其中富有機質紋層與貧有機質紋層的TOC值可相差10～30倍。同時有機質生成大量CO2和烴類可形成超壓環境后，可保護紋層中的孔縫，最終使碳酸鹽紋層的孔隙得到較好保留[24]。當紋層內有機質含量較低時，此時組合內方解石或白云石晶體不斷填充使其孔隙度和連通性均較差，則此時紋層界面可成為鄰近富有機質黏土紋層的剝離或線狀溶蝕突破面[60]。

長英質紋層—鈣質紋層—黏土質紋層的組合模式（圖2b）是物性最好的紋層序列之一，在松遼盆地嫩江組、渤海灣盆地沙三段或孔四段均可發現，為典型的季節性變化下的紋層序列組合[33]。孔隙度介于2.0%～4.5%，孔喉介于2 nm～1 μm[14]。其中長英質紋層由于長石、石英排列方式緊密，受黏土、碳酸鹽膠結作用影響較弱[36]。長英質紋層的優勢孔隙（溶蝕孔、粒間孔）與鈣質紋層的構造縫三者發生疊置效應，使此類紋層狀頁巖具備較好的儲集性能。由于不同礦物組分紋層的頻繁改變使其力學性質發生頻繁變換[17，22]，此類塑性層和脆性層的組合相較于其他紋層序列，在界面處更易發生破裂和擴展，且隨著組合數量的疊加進一步促進了裂縫的連續性[61?63]。若上下區域為低孔滲塊狀長英質/灰質致密泥巖，可與該紋層序列形成近源運聚型“甜點位”[22]。

富有機質黏土紋層—黏土紋層的組合模式（圖5b）的連續性最好，但此類紋層厚度通常較薄，大多介于5～30 μm，有機質易呈條帶狀或團塊狀，分布在連通性較好孔隙間內。較高有機質含量對應較發育的有機質孔、溶蝕孔和有機質收縮縫。隨著有機質含量的增加，有機孔隙逐漸相互連通，使面孔率超過50%，部分有機收縮縫寬度達到5 μm[27]，孔隙度介于2%～7%[42]，在水平方向具有較好連通性，而泥晶孔受壓實作用控制明顯而小于100 nm[27]。部分在生烴過程中可能形成異常壓裂縫，可與晶間孔、溶蝕孔相互連接，且與紋層縫相互交切[18，26]。如滄東凹陷孔二段的富有機質紋層型頁巖基質的滲透性、有效儲集空間均較好，工程改造后使人工裂縫與基質孔縫相結合，形成復雜縫網結構，而成為頁巖油氣勘探最佳目的層[22]。

凝灰質紋層—黏土紋層的組合模式（圖5c）是較為特殊的種類，整體數量相比其他類型較少，通常單層厚度介于100～1 000 μm，在我國鄂爾多斯盆地延長組和馬朗凹陷蘆草溝組等地發育。凝灰質紋層主由火山灰物質組成，通常可與富有機質黏土紋層頻繁互層。盡管凝灰質紋層中的有機質含量相對較低，但相鄰的黏土質紋層有機物含量較高，因為火山灰物質有利于形成有機生物勃發的富營養環境，加上低能環境使此類紋層的連續性和有機質含量明顯優于其他紋層序列[64]。其儲集性能主要取決于火山灰的物質組分：若巖石成分以伊利石為主，則孔隙類型以黏土礦物和自生黃鐵礦的晶間孔為主，孔隙大小處在納米級，連通性較差，當上下發育砂質紋層時，此類紋層序列可作為生油氣型紋層序列[65?66]；若巖石成分以部分火山灰蝕變形成的高嶺石或以硅質巖石為主時，則可發育大量粒間孔和粒內孔，孔隙度可以達到4%，為油氣提供充足的儲集空間[22，64]。

4 紋層狀湖盆細粒沉積巖油氣富集特征

根據國內外不同紋層狀細粒巖TOC含量、熱演化程度和紋層狀巖相的關系[21?23，26，28，44，60，67，69?70]（表2），發現紋層狀細粒巖的TOC含量可以超過1%；鏡質反射率Ro基本在0.5%以上；干酪根類型以I、II1型為主，表現出良好的生油—儲油潛力。此次將從紋層狀細粒巖油氣富集的控制因素、機理等方面闡述因內部紋層改變巖石的接觸方式、抗壓能力等特性，從而利于烴類運移和富集的特點。

4.1 紋層狀湖盆細粒沉積巖油氣富集控制因素

4.1.1 紋層物質成分

由上文可知，不同的物質成分存在優先的耦合孔隙類型，其中孔隙大小是油氣賦存類型的主控因素，且每一種礦物成分的吸附性和親油性不盡相同。學者將頁巖油氣賦存形態劃分為吸附態、游離態和少數溶解態、溶脹態[71?72]。頁巖中的孔隙會與油體表面發生相互作用，產生吸附作用，進而形成瓣膜狀的吸附態油氣。僅當孔隙中吸附態油氣的體積超過臨界容積點后，超量的油氣才會以游離態溢出[73-74]。黨偉等[75]實驗發現以3 nm 孔徑為界限，孔徑小于3 nm時以賦存吸附油為主；反之孔隙內以游離油為主。而游離油量與TOC、黏土礦物含量、微孔和介孔表面積比、孔隙體積等參數呈正相關性，與有機質成熟度呈先增加后降低的變化關系[75?76]。因此，在砂質紋層、有機質紋層中游離態油氣占比極大增加；在黏土質紋層中孔隙內較大的壓強使吸附態油氣占比相應提高。

紋層中礦物成分的非均質性極強，油分子在不同礦物中的潤濕接觸角、相對密度分布、擴散系數、徑向分布的特征均不相同，直接對油氣的賦存和運移產生不同程度的影響[77?78]。眾多實驗后得出礦物親油性大小關系為高嶺石gt;鈉長石gt;方解石gt;石英[79]；礦物的吸附能力依次為伊利石gt;蒙脫石gt;高嶺石[72]。而吸附態氣體因范德華力作用，被吸附在有機質、干酪根及黏土礦物的表面[68，77，80]。因此，紋層中黏土、有機質的含量和分布均會影響其頁巖油氣的運移狀態。在實際的油氣富集過程中，不同物質成分的吸附性結合物性特征可表現出較大的差異性。

4.1.2 紋層連續性

紋層連續性除狹義連續，還包括地層橫向和垂向一定規模內的連續程度，以及部分巖體刺穿、切割、侵蝕等破壞性作用的集合。連續性較好的紋層具有較高TOC含量和有機質熱演化程度，砂質紋層和泥質紋層無論是在橫向還是垂向的疊加后，無異于提升了孔隙連通性、微裂縫延續性、油氣的運移和儲集空間、儲層力學對于油氣的封閉作用，有利紋層狀細粒巖相對其他結構細粒巖形成頁巖油氣“甜點位”[81]。前人在紋層狀頁巖有效應力與滲透率關系的實驗中發現，紋層越發育且連續性越好時，有效應力的增加會使油測滲透率快速下降，即紋層狀頁巖的連續性有利于初始滲透率提高，相應應力敏感性越強且對應的有機質豐度越高[82?84]。

4.1.3 紋層序列組合

長英質紋層—黏土質紋層序列因長石和石英粒間孔隙發育，從而具有較好連通性，輕質組分主要賦存于長英質紋層中，含油率、油氣流動性均優于相鄰黏土紋層。盡管數據表明TOC通常與石英和長石呈負相關性，但長英質紋層具有原地滯留微運移富集的特征，富有機質黏土紋層中的有機質生烴后，會經微距運移至相鄰疊覆的長英質紋層[26，45]。

鈣質紋層—黏土質紋層序列中的脆性礦物對氣體的吸附能力較弱，使得烴類流動性更好，因此以孔縫作為超壓油氣的釋放空間[68]。泥晶碳酸鹽紋層易與富有機質紋層伴生或緊鄰，生成的烴類可直接進入碳酸鹽紋層且沿順層縫分布；亮晶碳酸鹽紋層內部的晶間孔、殘留粒間孔、粒間瀝青質發育的有機質孔均可被游離油所充填[34]。

長英質紋層—鈣質紋層—黏土質紋層的無機孔相對發育，但有機質含量中等。包括紋層狀長英質頁巖、紋層狀混積質頁巖的紋層密度較高。當有機質熱演化程度高時，組合內部游離烴含量較高，滯留烴超越效應較為明顯。包括有機質孔、晶間孔、溶蝕孔及層理縫為主的孔隙空間均可被原油和輕烴填充[83]。

富有機質黏土紋層—黏土紋層在成巖初期均以無機孔為主，隨著有機質熱演化程度逐漸提升，有機孔會逐漸增加且連通性變好，但微裂縫、構造縫均較不發育[27]。此時紋層序列僅橫向滲透率較好，因此富有機質紋層中生成的氣液態烴僅發生了極短距離的運移，富集在有機質孔和有機質收縮縫，若達到油氣的臨界容積點后，部分油氣會填充到鄰層黏土紋層微晶孔隙和微裂縫[64]。

凝灰質紋層—黏土紋層序列儲集能力相對較差，原油主要賦存于砂巖薄夾層。除粒間孔以外，富有機質紋層生烴過程可使富凝灰質紋層產生超壓，原油能夠通過這些孔縫從富有機質頁巖中排出，使其內部原油生成與充注的時間早于其他砂質紋層序列，最后油氣運移至相鄰砂巖薄夾層后發生聚集[65]。

4.1.4 紋層有機質豐度

紋層狀湖盆細粒巖中的有機質主要來源于植物勃發期的水生植物（多為藻類），而植物勃發則取決于充足的營養、適合的溫度、穩定的水體等條件。通常春、夏季溫暖的氣候和充足的營養使水生動植物大量繁殖，秋冬季包括湖內和周圍的動植物發生凋亡，形成有機物質被絮狀物羽狀流“收割”，并與細顆粒結合成絮團后共同沉積，生成點塊狀或線條狀有機質取決于絮團中有機質的含量和沉積方式[43]，這樣的沉積環境和模式有效地提高了顆粒間的有機質豐度[79]。除此之外還有一種特殊的有機質豐度控制因素，即火山灰沉降到湖泊中有利于表層水體生物的勃發數量，在一定程度上提高了湖泊總有機碳水平[45，65]。總體來說，半深湖—深湖區紋層狀細粒巖因環境水動力較低，導致有機物含量相對較高；淺湖區紋層狀細粒巖因環境水動力復雜，有機物質含量較低。鈣質、黏土質和有機質紋層因形成于較穩定水體環境，凝絮作用更強烈，有著較高的有機質含量[70]；盡管長英質紋層內有機質含量較低，卻可為油氣提供儲集空間，其空間內游離態油氣分子數量與紋層狀細粒巖有機質豐度呈正比例關系[5]。

4.1.5 紋層有機質熱演化程度

紋層狀細粒巖的油氣富集程度、生產能力與儲集物性呈不完全線性關系，可以說良好儲集物性是細粒沉積巖油氣富集的前提條件，繼而再受TOC含量、有機質熱演化程度等因素的控制[21，80]。通常深湖區的富有機質黏土紋層和砂質紋層的有機質熱演化程度較高[45，85]。隨著TOC值的增大和熱演化程度的深入，有機質孔相應增加使紋層總孔隙度呈現緩慢增大的現象。且熱演化程度提高過程使干酪根分子量不斷減小，對應原油黏度和密度的降低，有利于頁巖油的流動性。但隨著熱演化程度的提高，有機孔隙逐漸變大的過程中對油氣分子的吸附能力也逐漸增強。后續排出的有機酸、氣液態烴溶蝕、超壓作用，可通過發育和保留裂縫的形式來改善儲集物性[60]。在低熟頁巖加熱實驗中發現巖心在350 ℃～375 ℃時，有機質大量熱解階段生成的液態烴發生了吸附溶脹和膨脹熱應力作用，壓縮了孔裂隙空間使滲透率急劇下降，此后直到500 ℃滲透率又持續升高，滲透率對應函數局部呈不對稱“U”型[71，77]。同時，某些學者也發現有機質熱演化成熟度與碳酸鹽結晶程度等某些后期成巖作用存在一定的相關性[33]。高含量的有機酸也可促進方解石、白云石重結晶作用而形成更大的晶間孔隙，這一過程中碳酸鹽紋層還可為有機酸提供更大接觸面積和空間，進入良性循環直達到平衡而獲得最大孔隙空間。

4.1.6 紋層內流體組分

相較于氣態，頁巖孔隙固液作用更強，促進油分子發生邊界層效應，使運移阻力更大，而紋層易發育的微裂縫可有效改善這一狀態[80，82]。流體黏度增加，頁巖滲流能力先是快速下降，之后緩慢下降[80]。且頁巖吸附能力與孔隙含水量、液體礦化度呈反比，有機流體中水分子或水合離子會占據孔內吸附空間，進而降低吸附能力[72，82]。流體中烷烴所含碳數量越多，其氫鍵以及官能團之間相互作用越強，在油藏溫壓條件下發現甲苯比正己烷更易吸附在二氧化硅表面的現象，表明芳香烴比飽和烴更易吸附于巖石表面，從而阻礙油氣運移；若CO2含量增加，使得芳香烴、飽和烴等巖石吸附程度均降低，而利于油氣流動[72，86]。

4.2 紋層狀湖盆細粒沉積巖油氣富集模式

在有機質含量充足且熱演化程度較強，即油氣含量充足和運移通暢的前提下，紋層序列可以視為一種源儲一體型“微型圈閉”儲存和保護油氣，減少發生被破壞和逸散的現象[87]。因而在此提出一種紋層狀細粒巖的理想紋層序列模型，用來闡述這一理念機制，例如地層中發育一組泥質紋層—砂質紋層—泥質紋層的垂向序列。由上文可知，紋層狀細粒巖中砂質紋層的原生孔隙的孔徑大小和連通性較好，有機物的熱演化過程產生的有機酸可溶解相鄰層的硅鋁酸鹽或鈣質礦物，形成的次生孔隙與原生孔隙和微裂縫可相互通連，而生成的氣液態烴增加了孔隙壓力，在超過破裂壓力時會形成平行于紋層的微裂縫，均可作為潛在的油氣和有機酸運移通道，為后續有機酸繼續溶蝕和擴大微裂縫創造條件，直至達到孔縫壓力與地層壓力的平衡點；而泥質紋層中因發生粒內生烴超壓，原油會沿紋層間裂縫、超壓縫等微裂縫注入砂巖紋層的孔縫內。隨著埋深增加、有機質生烴繼續提升孔隙內壓力，部分原油會注入新生成的異常壓力縫內[88?89]。同時泥質紋層可作為一種較致密“蓋層”，有效利用生烴增壓，使之與地層壓力相抵消，防止油氣二次運移，而形成一種原地滯留、微運移的油氣“圈閉”[90]。這樣的“近源運聚”型富集機制在各個紋層狀細粒巖儲層的甜點位均廣泛分布[26，91]。有機質紋層—黏土紋層、含黏土凝灰質紋層—黏土互層等屬于泥質紋層—泥質紋層的組合，其成分、結構、晶形等均較穩定[92]。同砂質—泥質紋層模型機理相似，生成的油氣可儲存在自身泥晶孔、有機質孔、有機質收縮縫、紋層縫內，或在有限運移距離內的孔隙、紋層縫等空間內聚集[93]（圖6）。因其孔隙連通性不如砂巖，該模式紋層序列屬于“源儲共生”型富集機制，此類型屬于可人工壓裂的優勢儲層[94]。然而，實際地層中紋層狀細粒巖情況相對更加復雜，盆地升降運動造成沉積環境頻繁變化使其紋層的成分、連續性等特征變化頻率均相應提升[26，95]；其次受侵蝕流體、生物擾動等影響，紋層連續性遭到沖擊進而影響油氣的運移和保存[96?97]；最后，后期成巖作用和構造運動使紋層產生不同程度的彎曲和變形[98?99]。

5 結論

（1） 紋層是細粒沉積巖中常見的沉積結構，其發育程度與儲集能力和油氣成藏有著極好的正相關性，紋層狀湖盆細粒沉積巖的儲集物性和油氣富集的能力，明顯優于不發育/弱發育紋層狀湖盆細粒沉積巖。

（2） 不同種類紋層頻繁疊置加劇了紋層狀湖盆細粒沉積巖的非均質性，多種類孔縫相互連通是紋層狀湖盆細粒沉積巖儲集物性優于其他結構細粒沉積巖的主要原因，不同紋層序列組合存在優先對應的孔隙類型和連通方式。

（3） 紋層狀湖盆細粒沉積巖內的紋層序列可以視為一種源儲一體型“微型圈閉”儲存和保護油氣，減少發生被破壞和逸散的現象，其中砂質紋層—泥質紋層序列是“近源運聚”型富集機制，泥質紋層—泥質紋層序列是“源儲共生”型富集機制。

致謝 感謝其他作者的耐心指導及巨大貢獻，同時感謝外審專家提出的建設性意見，以及編輯部老師的辛苦校正！

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基金項目：海南省科技計劃三亞崖州灣科技城自然科學基金聯合項目（2021JJLH0077）；黑龍江省自然科學基金資助項目（ZD2023D002）；國家自然科學基金項目（41872158）