松辽盆地是目前世界上已发现油气资源最为丰富的陆相含油气盆地之一，也是我国主要的大型油气资源基地。目前，松辽盆地常规油气资源探明率已达62.3%，常规油气增储难度较大，基本进入非常规油气勘探开发阶段（孙龙德等，2021）。松辽盆地上白垩统青山口组陆相页岩油的勘探已经取得了实质性的突破，有望成为新的增储上产领域。松辽盆地下白垩统也发育多套陆相富有机质页岩，具有可观的陆相页岩气资源潜力。沙河子组页岩是松辽盆地下白垩统主力烃源岩，页岩分布范围广，总面积超过4万km²（赵泽辉等，2016）。在常规油气勘探的过程中，多口井已在沙河子组泥页岩层段中见到良好的含气显示。大陆科学钻探井——松科2井在沙河子组也钻遇良好的页岩气显示，发现气测异常43层，累计厚度102 m（侯贺晟等，2018），充分证实了松辽盆地沙河子组具有陆相页岩气资源潜力。但是，尚未有钻井钻获沙河子组页岩气流，页岩气的产能如何，是否具有获得工业气流的能力仍缺乏钻探证实。除此之外，沙河子组陆相页岩有机质发育特征、矿物组成、储集条件等研究尚不深入，认识存在争议，陆相页岩气的成因及富集机理仍不明确。

2018年开始，中国地质调查局油气资源调查中心针对松辽盆地沙河子组页岩开展了页岩油气资源潜力调查，优选了梨树断陷作为调查的首选区。在页岩发育条件研究认识的基础上，应用地质与地球物理综合评价方法，在梨树断陷东南斜坡带优选了有利目标实施了沙河子组页岩油气专探井——吉梨页油1井的钻探，目标是落实沙河子组陆相页岩油气资源潜力及产能条件，以期带动松辽盆地下白垩统陆相页岩油气资源领域的勘查。

梨树断陷位于松辽盆地断陷群东带南端，是松辽盆地断陷持续时间最长、地层发育最齐全、沉积最厚的断陷，断陷规模较大，断陷面积近2300 km²。梨树断陷具有断坳双层结构，断陷期沉积了下白垩统火石岭组、沙河子组、营城组和登娄库组的地层，坳陷期沉积了下白垩统泉头组、上白垩统青山口组、嫩江组的地层。梨树断陷沙河子组页岩地层深度在2500~4500 m，有机质演化程度处于成熟—高成熟阶段，具有较好的页岩油气资源潜力及勘查价值。

1 沙河子组陆相页岩气首获高产气流

中国地质调查局油气资源调查中心于2019年10~12月完成了吉梨页油1井的钻探，2020年完成了沙河子组陆相页岩压裂及产能测试工作。吉梨页油1井在下白垩统沙河子组二段下亚段3115.6~3166.6 m井段钻遇了连续厚度为51 m的高含气的优质页岩，页岩TOC含量在0.5%~6%之间，主体分布在1.5%~3%之间，平均为2.5%（图1a），页岩仍具有一定量的残留烃含量，热解S₁值最高可达2.4 mg/g，平均为0.89 mg/g，生烃潜力（S₁+S₂）可达4.79 mg/g。页岩岩芯入水气泡连续逸出，现场解析含气量可达1.52 m³/t。通过直井压裂测试，吉梨页油1井在沙河子组页岩段获得日产7.6×10⁴ m³的陆相页岩气产量，目前已连续试采近一年，累产近500×10⁴ m³。沙河子组陆相页岩气甲烷含量超过80%，干燥系数为0.85，属于典型湿气。天然气甲烷δ¹³C_PDB为-37‰，乙烷δ¹³C_PDB为-28.2‰，判断沙河子组陆相页岩气类型为热成因油型气，主要生成于Ⅰ~Ⅱ型烃源岩。

2 沙河子组陆相页岩研究进展

2.1 有机质类型

关于松辽盆地沙河子组泥页岩有机质类型的认识目前存在争议，大部分学者认为沙河子组泥页岩有机质以偏腐殖的混合型到腐殖型有机质为主，即有机质类型为Ⅱ₂~Ⅲ型（焦贵浩等，2009），生烃能力有限，页岩气资源潜力不明。对于演化程度相对较高的烃源岩，岩石热解参数法、有机元素组成法等判断有机质类型将会失真。干酪根碳同位素组成可以较好地反映其有机质来源及有机质类型，且不易受演化程度影响，因此应用干酪根稳定碳同位素组成判断有机质类型是相对可靠的。本文分析了吉梨页油1井沙河子组泥页岩岩芯干酪根稳定碳同位素特征，结果显示富气页岩具有较轻的干酪根碳同位素组成，δ¹³C_PDB在-28.4‰~-24.3‰之间，而富气页岩之上的不含气泥岩干酪根碳同位素组成较重，δ¹³C_PDB大于-24‰（图1a）。证实沙河子组富气页岩有机质类型主要为偏腐泥的混合型和腐泥型，即有机质类型为Ⅱ₁和I型为主。富气页岩段发育多层1~5 cm厚凝灰岩夹层，指示了频繁的火山作用。研究认为沙河子组富气页岩原生有机质的发育主要受火山作用控制，火山灰沉降入湖中，表面盐膜快速水解促进了水体中磷等营养元素富集，进而促进藻类勃发，为原生有机质富集提供了有利条件（梁新平，2021）。

（a）—吉梨页油1井沙河子组页岩柱状图;（b）—生物碎屑碳酸盐纹层型页岩;（c）—泥晶方解石纹层型页岩;（d）—亮晶方解石纹层型页岩;（e）—黏土矿物间石英矿物颗粒;（f）—凝灰质中石英晶屑;（g）—生物形态硅及其能谱;（h）—平行页理的微裂缝发育;（i）—方解石溶蚀孔;（j）—有机质孔

2.2 矿物组成

传统研究认为松辽盆地白垩系页岩主要形成于淡水—微咸水湖盆，具有贫碳酸盐的特点。吉梨页油1井沙河子组页岩矿物组成分析揭示沙河子组富气页岩具有富含碳酸盐矿物的特征。沙河子组富气页岩段碳酸盐矿物平均含量为15%，最高可达48.5%（图1a）。碳酸盐矿物类型主要为方解石，白云石含量不足1%。通过岩芯观察及镜下薄片分析发现页岩中碳酸盐矿物主要以纹层形式聚集，可划分为生物碎屑纹层、泥晶方解石纹层和亮晶方解石纹层等3种类型（图1b~d）。元素地球化学分析结果显示沙河子组含碳酸盐页岩Sr/B＞1、V/Cr＞3.5，证实其主要形成于咸化分层还原的水体环境。

2.3 硅质来源

一般来说，陆相页岩中石英主要来源于陆源碎屑。通过页岩主、微量元素测定及镜下分析，笔者认为沙河子组富气页岩中石英具有陆源输入和自生两种成因类型。Si与Zr元素交会分析显示（图2），沙河子组富气页岩Si与Zr具有负相关关系，指示存在自生成因石英，而其上不含气的泥岩Si与Zr具有正关关系，指示石英主要为陆源碎屑成因（Niu Xing et al.，2018）。综合分析认为沙河子组富气页岩自生石英可能具有黏土转化成因、火山成因及生物成因等3种类型成因。页岩成岩演化过程中，蒙脱石向伊利石转化作用可形成大量自生石英（蒙脱石+Al³⁺+K⁺ =伊利石+Si⁴⁺+n H₂O），该类成因的石英一般自形形态好，颗粒粒径较小，呈短链状或斑片状存在于黏土矿物内部或边缘（图1e）。页岩中的凝灰质成分的脱玻化作用可形成自生石英，沙河子组页岩中发育多层凝灰质泥岩夹层，凝灰质含有大量火山玻璃（图1f），脱玻化作用可以产生大量的二氧化硅，石英颗粒晶形较好，多呈短柱状，颗粒大小不一。除此之外，场发射扫描电镜鉴定出沙河子组富气页岩中存在疑似硅藻形态矿物，矿物中C、Si元素高，内部布满规则孔隙，初步确定沙河子组富气页岩中可能含有一定量的生物成因硅质（图1g）。

2.4 页岩储集空间

沙河子组富气页岩具有良好的物性条件，具备基质孔隙+页理缝的有机、无机双重成因的孔缝系统（图1h~j）。沙河子组富气页岩无机孔主要为粒间孔、溶蚀孔和黏土矿物晶间孔，粒间孔孔径可达1 μm，方解石内部溶蚀孔呈圆形或椭圆形，孔径可达290 nm，黏土矿物晶间孔孔径普遍小于100 nm; 有机孔主要为沥青有机质孔，孔径普遍大于200 nm。除此之外，沙河子组富气页岩段微裂缝普遍发育，岩芯观察及成像测井显示页岩中页理缝大量发育，开度一般在0.008~0.15 mm之间。镜下观察也显示页岩内发育大量平行于页理面的裂缝，裂缝宽度均在1 μm以上，最高可见3.5 μm宽的微裂缝。这些孔隙和裂缝共同形成了有利于页岩气富集的储集空间，大大改善了陆相页岩的物性条件，沙河子组富气页岩岩芯实测孔隙度在1.7%~10.3%之间，平均为6.7%（图1a），证实了陆相页岩存在较好的储集条件。沙河子组富气页岩中基质孔隙+页理缝的孔缝系统的形成主要得益于纹层型沉积构造，受有机生烃和无机成岩作用控制。由于富气页岩段有机质纹层和碎屑矿物纹层交替发育，不同纹层岩石力学差异大，纹层之间存在应力弱面，由于后期的构造抬升作用产生了泄压，纹层界面开启，形成了大量微裂缝。在有机质生烃过程中形成的有机酸直接进入到相邻的碎屑岩或者碳酸盐矿物纹层内部，形成大量矿物溶蚀孔等无机孔隙（刘忠宝等，2021）。除此之外，有机质在生烃演化过程中形成了大量的有机质孔，层理缝+无机孔+有机质孔联合形成的复合孔缝系统为页岩气的原地富集提供了有效的空间。

3 沙河子组陆相页岩气突破的意义

吉梨页油1井首次在松辽盆地下白垩统沙河子组获高产陆相页岩气流，实现了松辽盆地陆相页岩气勘查突破，证实了松辽盆地下白垩统陆相沉积地层存在巨大页岩气资源潜力，并且具有获得高产的能力，有望开辟松辽盆地深部油气勘探的新领域。初步评价沙河子组富气页岩在松辽盆地广泛分布，有望引领松辽盆地及外围断陷盆地8万km2的陆相页岩油气调查与勘探。

通过对沙河子组富气页岩的分析提出了原生有机质发育、富含碳酸盐矿物、混合硅质矿物成因及发育基质孔隙+页理缝复合孔缝系统的新认识，这些认识对揭示陆相页岩气形成与富集机理具有重要意义。

参考文献