渤海灣盆地東營凹陷有效烴源巖礦物組成特征及其意義

李志明，余曉露，徐二社，蔣 宏，席斌斌，楊 琦

(中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214151)

東營凹陷是渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷東南部的一個次級凹陷，是中國東部最富油的凹陷之一[1]，已有的研究結(jié)果[1-6]表明東營凹陷的原油主要源自沙三下亞段(Es3(下))和沙四上亞段(Es4(上))烴源層，說明Es3(下)和Es4(上)烴源巖為東營凹陷的有效烴源巖。其中Es3(下)烴源層主要由深灰色、灰黑色泥巖、鈣質(zhì)泥巖、褐灰色油頁巖或泥頁巖組成，屬于深湖、半深湖沉積；Es4(上)烴源層以灰褐色鈣質(zhì)頁巖、灰色、深灰色和黑色泥巖為主，夾薄層白云巖、泥質(zhì)白云巖等，屬淺湖—半深湖沉積[7]。眾多學(xué)者對這些有效烴源巖的有機(jī)地球化學(xué)特征[1-8]和有機(jī)顯微組分特征[9]進(jìn)行了詳細(xì)的研究，為烴源巖評價、油源對比提供了依據(jù)。本文試圖通過有效烴源巖礦物組成特征的系統(tǒng)研究，對其蘊(yùn)含的地質(zhì)意義進(jìn)行分析，為進(jìn)一步烴源巖的評價提供依據(jù)。

1 樣品采集與分析方法

本次研究樣品(46件)取自東營凹陷的有效烴源巖層段，即Es3(下)和Es4(上)烴源巖，均為鉆井巖心樣品(表1)。利用Bruker D8S X射線衍射儀對烴源巖樣品進(jìn)行了粘土礦物總量和常見非粘土礦物X射線衍射定量分析(依據(jù)SY/T6210-1996)、粘土礦物相對含量X射線衍射分析(依據(jù)SY/T5163-1995)和伊利石/蒙脫石間層礦物X射線衍射鑒定(依據(jù)SY/T5983-1994)。檢測條件如下;靶型;Cu；濾波片;石墨；起始角;2°(2θ)；終止角;32°(2θ)；掃描速度;0.5秒/步；步長;0.02°(2θ)；管流;1 000 Ma; 管壓;40 kV；狹縫;發(fā)散、散射狹縫均為1 mm；接受狹縫為;0.2 mm。另外對部分樣品進(jìn)行了掃描電鏡(儀器SEM-XL30)和能譜(儀器EDX-INCA)分析，分析依據(jù)分別為GB/T18295-2001和SY/T6189-1996。

表1 渤海灣盆地東營凹陷有效烴源巖礦物組成

2 有效烴源巖礦物組成特征

東營凹陷Es3(下)和Es4(上)有效烴源巖的粘土礦物總量和常見非粘土礦物組成列于表1和圖1,2，粘土礦物相對含量和伊利石/蒙脫石間層礦物的混層比(%S)如圖3,4所示。由表1和圖1,2,3可見，東營凹陷有效烴源巖主要由碎屑礦物(石英、斜長石、鉀長石)、粘土礦物(伊利石和伊/蒙混層等)、碳酸鹽礦物(方解石、白云石、菱鐵礦)組成，另外大部分烴源巖尚含有少量黃鐵礦，個別樣品含有少量膏鹽(硬石膏和石膏)、石鹽以及鈣芒硝。

2.1 碎屑礦物

由表1可見，Es3(下)和Es4(上)有效烴源巖中，碎屑礦物的組成特征基本一致，主要碎屑礦物為石英，次為斜長石，少量鉀長石，碎屑礦物的總量主要介于20%～60%之間，其中石英的含量主要為20%～50%，斜長石的含量為2%～8%，鉀長石的含量一般小于3%。同時，由表1和圖1可見，碎屑礦物含量與深度之間不存在相關(guān)性，反映碎屑礦物主要源于沉積母源，成巖自生礦物的貢獻(xiàn)不大，2套烴源巖的沉積物源基本一致，并且反映出內(nèi)陸湖盆沉積的沉積特征。

2.2 碳酸鹽礦物

研究表明，泥巖中碳酸鹽礦物含量較高應(yīng)是湖相泥質(zhì)沉積物的特征之一[10]。東營凹陷Es3(下)和Es4(上)有效烴源巖均不同程度地含有碳酸鹽礦物，并且碳酸鹽礦物的組成和含量基本一致，主要由方解石組成，次為白云石，部分含有少量菱鐵礦(表1)，碳酸鹽礦物總量一般在10%～50%之間，個別大于60%。其中方解石含量主要介于5%～50%，白云石的含量一般介于0%～20%，菱鐵礦的含量一般小于5%，并且碳酸鹽礦物組成和含量與深度之間無規(guī)律性關(guān)系(表1,圖1)。這些數(shù)據(jù)表明， Es3(下)和Es4(上)有效烴源巖主要沉積于較深的半深湖及深湖相帶中，與前人地質(zhì)地球化學(xué)研究結(jié)果[7]相吻合。

2.3 粘土礦物

由表1可見，Es3(下)和Es4(上)有效烴源巖的粘土礦物的總量基本一致，均主要介于10%～30%，粘土礦物總量的變化與深度之間無規(guī)律性關(guān)系(圖1)，反映烴源巖中粘土礦物總量受沉積碎屑粘土總量控制，這與掃描電鏡觀察結(jié)果一致。粘土礦物總量與其它主要組成礦物的相關(guān)圖解(圖2)表明，粘土礦物總量與方解石呈顯著負(fù)相關(guān)性，與石英含量呈弱正相關(guān)性，而與斜長石、白云石含量無相關(guān)性，進(jìn)一步說明現(xiàn)今有效烴源巖中粘土礦物的總量主要受控碎屑物源的組成特征與沉積環(huán)境。

如圖3所示，2套有效烴源巖的粘土礦物組成也一致，主要由伊利石和伊/蒙混層組成，次為高嶺石，另含少量綠泥石，個別含少量綠/蒙混層，在研究樣品中均未檢測到蒙脫石。其中伊利石相對含量介于12%～65%，伊/蒙混層相對含量介于26%～85%，隨烴源巖埋藏深度的增大，伊利石相對含量逐漸增高，而伊/蒙混層相對含量逐漸降低；同時蒙脫石層占伊/蒙混層的10%～70%，并隨埋藏深度的增大而發(fā)生規(guī)律性降低(圖4)；Es4(上)有效烴源巖中高嶺石相對含量一般小于8%，而Es3(下)有效烴源巖中高嶺石相對含量稍高些，一般在5%～16%；綠泥石相對含量一般均低于4%。另外，高嶺石和綠泥石的相對含量與埋深之間無規(guī)律性變化(圖3)。根據(jù)世界不同地區(qū)、不同深度鉆孔對蒙脫石、伊利石相對豐度變化的研究，證實(shí)隨埋藏深度的增加，蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)研究也證明，蒙脫石不能簡單地通過離子交換轉(zhuǎn)變成伊利石，原因?yàn)槊擅撌且环N典型的以水合陽離子及水分子作為層間物的3∶1型粘土礦物，隨著埋深的增加、溫度的升高、壓力的加大，蒙脫石將有一部分層間水脫出，造成某些層間塌陷，導(dǎo)致了晶格的重新排列和堿性陽離子的吸附，首先形成伊/蒙混層礦物，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)橐晾?。一般認(rèn)為蒙脫石向伊/蒙混層礦物轉(zhuǎn)換的深度應(yīng)在1 200～3 500 m之間，并且蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化的重要條件是孔隙水為堿性介質(zhì)，如果孔隙水為酸性，蒙脫石則將向高嶺石轉(zhuǎn)換[11]。由此，可以推斷2套烴源巖中伊利石和伊/蒙混層主要由蒙脫石經(jīng)成巖演化而成，而高嶺石和綠泥石則主要來源于沉積物源。從實(shí)測結(jié)果分析，東營凹陷蒙脫石向伊/蒙混層礦物轉(zhuǎn)換的深度應(yīng)在1 500 m左右，烴源巖孔隙水應(yīng)為堿性介質(zhì)。

2.4 其它礦物

圖1 渤海灣盆地東營凹陷不同深度段有效烴源巖主要礦物含量

圖2 渤海灣盆地東營凹陷有效烴源巖粘土礦物含量與其它主要礦物含量的關(guān)系

圖3 渤海灣盆地東營凹陷不同深度有效烴源巖主要粘土礦物相對含量

圖4 渤海灣盆地東營凹陷不同深度有效烴源巖粘土礦物伊/蒙混層比

在東營凹陷2套有效烴源巖的部分樣品中均不同程度地含有硬石膏、石膏與石鹽礦物(表1)，這反映其沉積水體屬咸水湖水。據(jù)掃描電鏡觀測，石膏往往沿層面分布，呈團(tuán)塊狀；硬石膏則主要充填于層理或頁理中，垂直頁理生長；石鹽則自形晶粒和塊狀發(fā)育。另外，大部分烴源巖均含有黃鐵礦，可達(dá)5%，掃描電鏡觀測顯示黃鐵礦呈草莓狀集合體產(chǎn)出，說明2套烴源巖沉積于缺氧的強(qiáng)還原環(huán)境。

3 地質(zhì)意義

已有研究結(jié)果表明，東營凹陷有效烴源巖(Es4(上)—Es3(下))鏡質(zhì)體反射率存在不同程度的抑制[1,12-14]，故實(shí)測的鏡質(zhì)體反射率實(shí)際上不能真實(shí)地反映烴源巖的成熟度。由東營凹陷有效烴源巖鏡質(zhì)體反射率與深度關(guān)系(圖5)可見，現(xiàn)今埋深1 500 m的烴源巖其鏡質(zhì)體反射率僅為0.30%左右，埋深3 000 m的烴源巖其鏡質(zhì)體反射率為0.5%左右，而埋深為4 000 m的烴源巖其鏡質(zhì)體反射率也僅為0.80%左右。而利用FAMM技術(shù)重新厘定后成熟度與深度的對應(yīng)關(guān)系為;埋深1 500,2 700,3 750,4 000 m左右的烴源巖的真實(shí)成熟度分別為0.5%,0.70%,1.0%和大于1.1%[15]。前面的分析已指出，2套烴源巖的伊/蒙混層礦物主要由蒙脫石經(jīng)成巖演化而成，并且蒙脫石層占伊/蒙混層的百分率與深度之間具有顯著的相關(guān)性(圖4)，埋深2 000,2 750,4 000 m的烴源巖其蒙脫石層占伊/蒙混層的百分率分別為60%,35%,15%左右。有機(jī)質(zhì)熱演化與伊/蒙混層礦物的混層比關(guān)系研究結(jié)果表明，混層比70%,40%,15%時所對應(yīng)的有機(jī)質(zhì)成熟度分別為0.35%,0.70%,1.25%[11]。對比分析可見，東營凹陷有效烴源巖伊/蒙混層礦物的混層比基本上可以較真實(shí)的反映烴源巖成熟度特征。在東營凹陷利津洼陷和民豐洼陷的主洼區(qū)，Es4(下)有效烴源巖的埋藏深度均大于4 000 m，最深處超過4 500 m，意味著其成熟度應(yīng)處于高成熟階段。

圖5 渤海灣盆地東營凹陷有效烴源巖鏡質(zhì)體反射率與深度關(guān)系

另外，近年來隨著頁巖氣在北美等地區(qū)勘探與開發(fā)的快速發(fā)展，在我國也日趨受到關(guān)注。國外頁巖氣的勘探與開發(fā)實(shí)踐表明，控制頁巖氣藏的因素可以分為內(nèi)部因素和外部因素;內(nèi)部因素是指頁巖本身的因素，主要包括有機(jī)質(zhì)類型及含量、成熟度、裂縫、孔隙度和滲透率、礦物組成、厚度等；外部影響因素也較多，但對于具體的頁巖氣藏來說，主要包括深度、溫度與壓力等[16]。東營凹陷Es3(下)和Es4(上)2套有效烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度高、有機(jī)質(zhì)類型以腐泥和偏腐泥混合型為主，頁巖發(fā)育，其中Es4(上)暗色泥巖厚度250～350 m，頁巖厚度為40～120 m；Es3(下)暗色泥巖厚度一般在300 m以上，頁巖厚度為150～200 m。2套烴源巖主體處于成熟階段，部分已進(jìn)入高成熟演化階段[1,13-15,17]。地球化學(xué)等參數(shù)對比表明，東營凹陷具備形成工業(yè)性頁巖氣的物質(zhì)基礎(chǔ)，與北美地區(qū)頁巖具有較好的可比性[17]。

大多數(shù)頁巖含有很多的粘土，然而著名的頁巖氣產(chǎn)層——Barnett頁巖的粘土含量并不高。在尋找Barnett型頁巖氣藏時，勘探工作者必須尋找可以被壓裂的頁巖，這些頁巖中粘土含量小于50%，能被成功壓裂。X射線衍射分析表明，頁巖氣產(chǎn)層的頁巖主要礦物組成為石英、粘土和碳酸鹽[18]。氣體的生產(chǎn)速度依賴于裂縫的發(fā)育程度，而裂縫發(fā)育程度取決于頁巖的礦物組成，故頁巖的礦物組成在很大程度上影響著頁巖氣的產(chǎn)能[16]，脆性礦物(如石英、長石、碳酸鹽礦物等)富集的泥頁巖比主要由粘土礦物等構(gòu)成的巖石更容易產(chǎn)生裂縫[18-19]。

東營凹陷2套有效烴源巖礦物組成特征研究表明(表1)，2套有效烴源巖以高含碎屑礦物(石英和長石)和碳酸鹽礦物(方解石、白云石和菱鐵礦)而較低粘土礦物總量(一般小于30%)為特征，脆性礦物總量一般在50%～90%之間，平均高達(dá)74%。東營凹陷2套有效烴源巖不僅具備形成工業(yè)性頁巖氣的物質(zhì)基礎(chǔ)，并且礦物組成特征與高產(chǎn)頁巖氣的頁巖礦物組成特征相似，富含脆性礦物而低含粘土礦物。顯然有利于產(chǎn)生裂縫，易于被壓裂，這樣也有利于頁巖氣的開采，尤其在東營凹陷利津洼陷和民豐洼陷的主洼區(qū)，Es4(下)有效烴源巖已處在高成熟演化階段，其應(yīng)是頁巖氣勘探與開發(fā)的有利地區(qū)。

4 結(jié)論

1)東營凹陷沙三下和沙四上亞段 2套有效烴源巖基本具有相似的礦物組成特征，主要由碎屑礦物(石英、斜長石、鉀長石)、粘土礦物(伊利石和伊/蒙混層為主)、碳酸鹽礦物(方解石、白云石、菱鐵礦)組成，另外大部分烴源巖尚含有少量黃鐵礦，個別樣品含有少量膏鹽(硬石膏和石膏)、石鹽以及鈣芒硝。礦物組成特征表明2套烴源巖沉積于半深湖及深湖相咸化、堿性、強(qiáng)還原的水體中。

2)2套烴源巖中伊利石和伊/蒙混層主要由蒙脫石經(jīng)成巖演化而成，蒙脫石向伊/蒙混層礦物轉(zhuǎn)換的深度應(yīng)在1 500 m左右，烴源巖孔隙水應(yīng)為堿性介質(zhì)；同時，伊/蒙混層礦物的混層比基本上可以較真實(shí)地反映烴源巖成熟度特征。

3)2套有效烴源巖不僅具備形成工業(yè)性頁巖氣的物質(zhì)基礎(chǔ)，并且礦物組成特征與高產(chǎn)頁巖氣的頁巖礦物組成特征相似，富含脆性礦物而低含粘土礦物，有利于產(chǎn)生裂縫，易于被壓裂，有利于頁巖氣的開采，尤其在東營凹陷利津洼陷和民豐洼陷的主洼區(qū)，沙四下亞段有效烴源巖已處在高成熟演化階段，其應(yīng)是頁巖氣勘探與開發(fā)的有利地區(qū)。

參考文獻(xiàn):

[1]張林曄,劉慶,張春榮.東營凹陷成烴與成藏關(guān)系研究[M].北京;地質(zhì)出版社,2005;1-187.

[2]劉慶.東營凹陷東辛油田油源分析和成藏過程研究[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,32(3);263-270.

[3]劉偉.東營凹陷沙河街組烴源巖結(jié)構(gòu)對排烴及成藏的控制作用[J].油氣地質(zhì)與采收率,2005,12(5);30-32.

[4]孫永壯.東營凹陷南斜坡地層油藏成藏規(guī)律[J].油氣地質(zhì)與采收率,2006,13(4);52-54.

[5]周建林.勝坨整裝油田成藏模式和油氣勘探[M].東營;石油大學(xué)出版社,2004:33-50.

[6]劉華,蔣有錄,楊萬琴,等.東營凹陷中央隆起帶油—源特征分析[J].石油與天然氣地質(zhì),2004,25(1);39-43.

[7]朱光有,金強(qiáng).東營凹陷兩套優(yōu)質(zhì)烴源巖層地質(zhì)地球化學(xué)特征研究[J].沉積學(xué)報,2003,21(3);506-512.

[8]譚麗娟,蔣有錄,蘇成義,等.東營凹陷博興地區(qū)烴源巖和油源特征[J].石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2002,26(5);1-4.

[9]李佩珍,張學(xué)軍,黃蓉,等.低熟烴源巖的有機(jī)巖石學(xué)描述及研究[J].沉積學(xué)報,1997,15(2);169-172.

[10]苗建宇,?？傡?劉文榮,等.濟(jì)陽坳陷古近系—新近系泥巖孔隙結(jié)構(gòu)特征[J].地質(zhì)論評,2003,49(3);330-336.

[11]趙澄林,朱筱敏.沉積巖石學(xué)[M].北京;石油工業(yè)出版社,2001;117-124.

[12]謝明舉,邱楠生.東營凹陷鏡質(zhì)體反射率異常的無機(jī)作用探討[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,20(5);12-16.

[13]郭汝泰,王建寶,高喜龍,等.應(yīng)用激光探針技術(shù)評價烴源巖成熟度;以東營凹陷生油巖研究為例[J].自然科學(xué)進(jìn)展,2003,13(6);626-630.

[14]李志明,徐旭輝,秦建中,等.鏡質(zhì)體反射率抑制與烴源巖質(zhì)量關(guān)系;以渤海灣盆地東營凹陷烴源巖為例[J], 石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2008,30(3):276-280.

[15]李志明,關(guān)德范,徐旭輝,等.有效泥質(zhì)油源巖有機(jī)碳豐度評價標(biāo)準(zhǔn)研究;以東營凹陷為例[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2009,31(4);379-383.

[16]聶海寬,唐玄,邊瑞康.頁巖氣成藏控制因素及中國南方頁巖氣發(fā)育有利區(qū)預(yù)測[J].石油學(xué)報,2009,30(4);484-491.

[17]張林曄,李政,朱日房,等.濟(jì)陽坳陷古近系存在頁巖氣資源的可能性[J].天然氣工業(yè),2008,28(12);26-29.

[18]MANGER K C, CURTIS J B.Geological influences on location and production of Antrim shale gas [J].Devonian Gas Shales Technology Review, 1991,7(2):5-16.

[19]李新景,胡素云,程克明.北美裂縫性頁巖氣勘探開發(fā)的啟示[J].石油勘探與開發(fā),2007,34(4);392-400.