斷陷湖盆咸化環(huán)境沉積與頁巖油氣關(guān)系
——以東營凹陷、渤南地區(qū)為例

朱德燕，王　勇，銀　燕，楊萬芹，朱德順，寧方興

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京100083；2.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營257015）

斷陷湖盆咸化環(huán)境沉積與頁巖油氣關(guān)系
——以東營凹陷、渤南地區(qū)為例

朱德燕1，2，王勇2，銀燕2，楊萬芹2，朱德順2，寧方興2

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京100083；2.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營257015）

為明確咸化環(huán)境沉積與頁巖油氣的關(guān)系，綜合應(yīng)用巖心、掃描電鏡及地球化學(xué)、測井等資料，在恢復(fù)湖盆咸化過程的基礎(chǔ)上，建立了不同咸化階段沉積序列，并對不同咸化階段沉積巖性的生烴能力、儲集性、含油性和可動性等進(jìn)行綜合研究。濟陽坳陷整體表現(xiàn)出沙四段上亞段比沙三段下亞段古鹽度高的特征，但是不同凹陷咸化演化程度略有不同。鹽度變化控制了巖性的演化序列，在高鹽水階段主要形成膏巖—芒硝—膏質(zhì)泥巖—白云巖的巖性組合序列；在咸水階段主要形成灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r/灰質(zhì)泥巖的巖性組合特征，灰質(zhì)與有機質(zhì)呈紋層出現(xiàn)；在微咸水—半咸水階段主要形成泥質(zhì)灰?guī)r/灰質(zhì)泥巖—灰質(zhì)泥巖/泥巖的巖性組合特征。咸水階段形成的紋層狀（層狀）泥質(zhì)灰?guī)r/灰質(zhì)泥巖生烴能力強、儲集性好、含油性高、可動性好，最有利于頁巖油氣富集。

咸化演化階段咸化沉積特征紋層狀泥頁巖頁巖油氣斷陷湖盆

濟陽坳陷沙四段上亞段和沙三段下亞段泥頁巖中蘊含著巨大的油氣資源［1-4］。勘探實踐表明，濟陽坳陷已發(fā)現(xiàn)的頁巖油氣主要分布在紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r、紋層狀灰質(zhì)泥巖及紋層狀巖相夾薄層碳酸鹽巖條帶中，整體表現(xiàn)出碳酸鹽巖含量高的層段頁巖油氣富集的特點［5］。濟陽坳陷針對泥頁巖的系統(tǒng)密閉取心井牛頁1、利頁1、樊頁1及羅69井都見到了石膏、碳酸鹽巖等大量高鹽類礦物，說明頁巖油氣富集與咸化環(huán)境沉積關(guān)系密切［6］。前人針對咸化湖盆開展的研究較多，主要側(cè)重于優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成與分布［7-10］，尚未對咸化環(huán)境下沉積的巖性類型與油氣富集程度之間的關(guān)系開展研究。因此，筆者以濟陽坳陷湖盆咸化過程恢復(fù)為基礎(chǔ)，建立不同咸化階段沉積演化序列，明確出油的紋層狀巖相與咸化環(huán)境的成生關(guān)系，進(jìn)而揭示咸化環(huán)境沉積與頁巖油氣的關(guān)系。

1　地質(zhì)概況

濟陽坳陷屬于渤海灣盆地的次級構(gòu)造單元，是中新生代形成的斷陷—拗陷疊合盆地［11］。古近紀(jì)沙河街組沉積時期，盆地進(jìn)入斷陷鼎盛期，發(fā)育沙四段上亞段、沙三段下亞段、沙三段中亞段、沙一段4套有效烴源巖。其中，咸水—半咸水環(huán)境沉積的沙四段上亞段泥頁巖主要分布在東營和沾化凹陷，東營凹陷最為發(fā)育。半咸水—微咸水環(huán)境沉積的沙三段下亞段泥頁巖全區(qū)均有分布［12］。

2　湖盆咸化過程恢復(fù)

2.1古鹽度恢復(fù)方法

湖水的咸化程度直接影響乃至決定著湖泊沉積物和湖泊生物的面貌，因此，恢復(fù)古鹽度重建沉積環(huán)境至關(guān)重要。前人多采用鍶鋇比值法、銣鉀比值法、沃克法及考奇法等微量元素地球化學(xué)方法進(jìn)行古鹽度判別［13］。沃克法的局限性在于只能劃分鹽度區(qū)間，不能定量確定鹽度值；銣鉀比值法缺少應(yīng)用實例驗證；鍶鋇比值法在陸相湖盆應(yīng)用廣泛，Sr/Ba值小于1為陸相沉積，大于1為海相沉積，介于0.6～1.0為半咸水環(huán)境；最常用的是考奇法，其適用鹽度范圍廣（1‰～35‰），并且考慮了伊利石、蒙脫石和高嶺石對硼的吸附作用，求取“校正硼”含量，進(jìn)而得到定量古鹽度值。

研究區(qū)羅69、羅67、牛38等井大量硼元素實測點數(shù)據(jù)為“校正硼”含量的計算提供了資料基礎(chǔ)。因此本次研究以考奇法為主，結(jié)合古鹽度與Sr/Ba值、蒸發(fā)礦物含量及伽馬蠟烷的相關(guān)關(guān)系輔助判識古鹽度，從而實現(xiàn)沙四段上亞段—沙三段下亞段古鹽度定量恢復(fù)。

2.2湖盆咸化演化階段

采用黃第藩等古鹽度劃分方案［14］，將鹽度劃分為5個區(qū)間，即淡水階段（0.5‰～1‰）、微咸水階段（1‰～5‰）、半咸水階段（5‰～15‰）、咸水階段（15‰～30‰）及高鹽水階段（＞30‰）。

濟陽坳陷在沙四段上亞段沉積時期氣候干旱，湖盆范圍小，隨著氣候逐漸向潮濕轉(zhuǎn)化，在沙三段下亞段沉積時期古水深明顯增加，相應(yīng)的古鹽度減小，整體表現(xiàn)出沙四段上亞段比沙三段下亞段古鹽度高的特征。但是不同凹陷咸化演化程度略有不同，沾化凹陷經(jīng)歷了高鹽水、咸水、半咸水3個演化階段，東營凹陷則經(jīng)歷了高鹽水、咸水、半咸水、微咸水4個演化階段。這種咸化程度的差異性，也體現(xiàn)在同一凹陷的不同洼陷，如東營凹陷各次級洼陷中，博興洼陷古鹽度相對較高。古鹽度的差異性與氣候、物源變化有一定關(guān)系。

3　不同咸化階段沉積序列

研究東營凹陷郝科1、牛38、牛頁1和樊頁1井，沾化凹陷羅69和渤深8等井古鹽度與鹽類礦物關(guān)系發(fā)現(xiàn)，隨著古鹽度降低，鹽類礦物含量明顯減少。在古鹽度高時以硬石膏為代表的硫酸鹽類和以石鹽為代表的鹵化物類大量發(fā)育，古鹽度低時以方解石為代表的碳酸鹽類礦物開始出現(xiàn)，說明鹽度變化控制了巖性的演化序列（圖1）。

3.1高鹽水階段

濟陽坳陷高鹽水階段主要發(fā)育硫酸鹽、鹵化物類及少量碳酸鹽類沉積，形成膏巖—芒硝—膏質(zhì)泥巖—白云巖巖性序列。東營凹陷高鹽水階段沉積主要分布在沙四段下亞段，巖性由下而上為鹽巖—芒硝—石膏巖—膏質(zhì)泥巖—白云巖—灰質(zhì)泥巖的沉積序列。渤南地區(qū)高鹽水階段沉積主要分布在沙四段上亞段，巖性由下而上為鹽巖—石膏巖—膏質(zhì)泥巖—泥質(zhì)灰?guī)r—灰質(zhì)泥巖沉積序列，進(jìn)一步顯示沙四段上亞段沉積時期渤南地區(qū)鹽度要明顯高于東營凹陷（圖2a）。

3.2咸水階段

濟陽坳陷咸水階段主要發(fā)育具有紋層結(jié)構(gòu)的碳酸鹽類沉積，形成層狀灰?guī)r—紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r/灰質(zhì)泥巖—層狀泥質(zhì)灰?guī)r/灰質(zhì)泥巖巖性演化序列。東營凹陷咸水階段主要在沙四段上亞段沉積時期，發(fā)育紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r和紋層狀灰質(zhì)泥巖互層沉積。渤南地區(qū)咸水階段主要在沙三段下亞段沉積時期，巖性自下而上由紋層狀（泥質(zhì)）灰?guī)r逐漸過渡到層狀泥質(zhì)灰?guī)r。巖心和微觀薄片觀察表明，隨著由深到淺古鹽度減小，沉積構(gòu)造由紋層狀到層狀變化的特征尤為明顯。分析羅69井、牛頁1井的物源含量變化發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粘土、陸源碎屑含量高時，形成紋層狀灰質(zhì)泥巖，反之，往往形成紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r，表明沉積巖性的差異受物源的控制（圖2b）。

泥頁巖紋層的發(fā)育程度與古鹽度有著密切的關(guān)系。通過渤南地區(qū)羅69井及東營凹陷牛頁1井成像測井中紋層數(shù)值的統(tǒng)計估算，同時對比分析紋層數(shù)與古鹽度關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著古鹽度的升高，紋層越來越發(fā)育，但當(dāng)古鹽度達(dá)到一定程度時，紋層數(shù)不增反而呈現(xiàn)減少的變化趨勢。咸水階段的碳酸鹽巖紋層最為發(fā)育，層段上主要對應(yīng)羅69井的沙三段12下層組和13上層組以及牛頁1井的沙四段純上次亞段2層組（圖3）。

圖1　濟陽坳陷咸化階段與巖性沉積關(guān)系Fig.1　Relationship between salinization stagesand lithology sedimentation in Jiyang depression

3.3半咸水—微咸水階段

半咸水—微咸水階段古鹽度基本小于15‰，由深到淺隨著古鹽度減小，濟陽坳陷主要發(fā)育層狀泥質(zhì)灰?guī)r/灰質(zhì)泥巖—塊狀灰質(zhì)泥巖/泥巖的沉積演化序列。東營凹陷主要表現(xiàn)為層狀灰質(zhì)泥巖—層狀泥質(zhì)灰?guī)r—層狀灰質(zhì)泥巖—塊狀泥巖。渤南地區(qū)則主要表現(xiàn)為層狀泥質(zhì)灰?guī)r—層狀灰質(zhì)泥巖—層狀泥質(zhì)灰?guī)r—塊狀泥質(zhì)灰?guī)r—層狀灰質(zhì)泥巖—泥巖。古鹽度顯示渤南地區(qū)稍高于東營凹陷，而且由深到淺隨著古鹽度減小，沉積構(gòu)造表現(xiàn)出層狀—塊狀的變化特征（圖2c）。

圖2　濟陽坳陷不同咸化階段沉積特征Fig.2　Sedimentary characteristicsofdifferentsalinization stages in Jiyang depression

隨著氣候由干熱向潮濕轉(zhuǎn)變，水體由淺而深變化，首先在淺湖的咸水區(qū)形成膏巖和碳酸鹽沉積，隨著水體的加深，在浪基面之下形成紋層狀巖相沉積，但由于此時鹽度太高不利于大量生物生長，有機質(zhì)富集程度相對較低，隨著水體進(jìn)一步加深，水體鹽度也隨著降低，在浪基面之下，碳酸鹽溶蝕面之上，形成富含有機質(zhì)的紋層狀巖相沉積，在碳酸鹽溶蝕面之下形成層狀泥巖沉積，在與砂礫巖相鄰的相帶，由于水動力強，往往形成塊狀泥巖或砂質(zhì)泥巖沉積。

圖3　牛頁1井和羅69井古鹽度與紋層數(shù)關(guān)系Fig.3　Diagramsshowing the relationship between paleosalinity and laminanumberofWellNiuye1 andWell Luo69

4　咸化沉積與頁巖油氣關(guān)系

通過對研究區(qū)不同咸化階段沉積巖性的生烴能力、儲集性、含油性、可動性等方面綜合研究，認(rèn)為咸水階段形成的紋層狀泥頁巖富集油氣最為有利。從目前泥頁巖鉆探成果來看，獲油氣流井主要分布在紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r/灰質(zhì)泥巖中，占69.8%。

4.1生烴能力

不同咸化階段形成的烴源巖巖性不同，有機質(zhì)來源不同，古生產(chǎn)力不同，生烴能力存在差異。高鹽水階段沉積巖性主要為含膏泥巖，有機質(zhì)主要來源于藍(lán)細(xì)菌，古生產(chǎn)力為900～1 200 g/（cm2·a），有機碳含量為1.62%，氯仿瀝青“A”含量為1.37%；咸水階段沉積的紋層狀（層狀）泥質(zhì)灰?guī)r/灰質(zhì)泥巖，有機質(zhì)主要來源于顆石藻、溝鞭藻等，古生產(chǎn)力增高，約為1 500～4 100 g/（cm2·a），有機碳含量為2.85%，氯仿瀝青“A”含量為1.23%；微咸水—半咸水階段沉積的塊狀/紋層狀泥巖，有機質(zhì)來源方式較多，如藻類、介形蟲、湖底造跡生物、魚類等，但其古生產(chǎn)力降低，大約為110～430 g/（cm2·a），有機碳含量為2.67%，氯仿瀝青“A”含量為0.43%。通過生烴能力對比，咸水階段沉積的紋層狀（層狀）泥質(zhì)灰?guī)r/灰質(zhì)泥巖的古生產(chǎn)力最高，生烴能力最強，相對應(yīng)富集和滯留的有機碳和氯仿瀝青“A”也較高。

4.2儲集性

不同咸化階段發(fā)育不同的巖性組合，不同巖性組合發(fā)育不同的儲集空間類型，其物性也不相同。高鹽水階段沉積的含膏泥巖主要發(fā)育硬石膏晶間孔、白云石晶間孔和一些溶蝕孔隙，核磁共振測試其孔隙度大致為4%～8%；咸水階段沉積的紋層狀（層狀）泥質(zhì)灰?guī)r/灰質(zhì)泥巖主要發(fā)育方解石粒間孔、晶間孔、溶蝕孔及順層微裂縫，孔隙發(fā)育［7］，核磁共振測試其孔隙度大致為2%～10%，大部分大于6%；微咸水—半咸水階段沉積的塊狀/紋層狀泥巖主要發(fā)育粒間孔、生物孔及微裂縫，核磁共振測試其孔隙度大致為2%～6%。整體上咸水階段沉積的紋層（層狀）泥頁巖物性最好。頁巖油出油井統(tǒng)計結(jié)果表明，富有機質(zhì)紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r/灰質(zhì)泥巖孔隙度一般大于3%。羅69井分析化驗結(jié)果表明，紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r孔隙度普遍高，層狀泥質(zhì)灰?guī)r次之，塊狀泥質(zhì)灰?guī)r由于樣本點少，不具有代表性，總體上紋層狀巖相儲集性最好（圖4）。

圖4　不同巖性儲集特征Fig.4　Reservoir featuresofdifferent lithologies

利用液氮吸附法和壓汞法相結(jié)合得到了羅69井較為完整的孔隙結(jié)構(gòu)，沙三段下亞段紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r/灰質(zhì)泥巖孔徑分布集中在5～2 415 nm，其中大孔隙相對發(fā)育，分布區(qū)間為50～1 465 nm，這種孔徑大于50 nm的孔隙是頁巖油富集的主要儲集空間，最有利于形成有效的儲集體。

4.3含油性

含油性是評價頁巖油富集程度的核心參數(shù)［15-16］，常用含油飽和度進(jìn)行表征。核磁共振錄井選用新鮮樣品測試可動流體飽和度，能更為客觀地反映儲層原始信息，對頁巖油的富集評價更有意義。測試結(jié)果表明，高鹽水階段沉積的含膏泥巖可動流體飽和度小于20%，咸水階段沉積的紋層狀（層狀）泥質(zhì)灰?guī)r/灰質(zhì)泥巖可動流體飽和度為40%～60%，微咸水—半咸水階段沉積的塊狀/紋層狀泥巖可動流體飽和度為20%～40%，表明紋層狀（層狀）泥質(zhì)灰?guī)r/灰質(zhì)泥巖含油性最好。

出油井統(tǒng)計也表現(xiàn)出富有機質(zhì)紋層狀巖相含油飽和度一般大于40%的特點，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他巖性類型。通過普通薄片、熒光薄片、環(huán)境掃描電鏡觀察，紋層狀巖相均見含油顯示（圖5）。

4.4可動性

可動性是衡量頁巖油流動能力的重要指標(biāo)，是頁巖油有利產(chǎn)出的先決條件，常用熱解參數(shù)S1和S1/ TOC進(jìn)行表征。由于有機碳實測值的高低對S1/TOC影響較大，本次運用熱解參數(shù)評價可動性。從梁頁平1HF井的實際生產(chǎn)情況來看，第1次側(cè)鉆后（原井）S0+S1值較低，為2%，日產(chǎn)油量為0；第2次側(cè)鉆后S0+S1值較高，為50%～70%，日產(chǎn)油量為1.95 t/d，累積產(chǎn)油量為78.2 t，說明低分子氣態(tài)烴和液態(tài)烴含量高的泥頁巖層段可動性好，頁巖油才有產(chǎn)能。

通過巖石熱解實驗求取樊頁1井不同巖性的S1值，結(jié)果表明紋層狀巖相S1值高于層狀、塊狀巖相。從頁巖油出油井統(tǒng)計來看，富有機質(zhì)紋層狀巖相S1值最高，一般大于2mg/g，最有利于頁巖油富集。

核磁共振和生烴模擬實驗?zāi)軌蜉^好反映不同巖性可動性的差異。對樊頁1井不同巖性的巖心進(jìn)行離心—核磁共振測試，結(jié)果表明，在3 600 r/min的情況下，紋層狀灰質(zhì)泥巖的流體可動性好于層狀灰質(zhì)泥巖。在羅69井不同巖性烴源巖生烴模擬實驗中，從模擬溫度390℃（相當(dāng)于Ro=0.9%）開始，隨著演化程度增加，紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r生油率、排油率明顯高于層狀、塊狀泥質(zhì)灰?guī)r（圖6），反映紋層狀巖相可動性最好。

統(tǒng)計羅69、樊頁1、利頁1、牛頁1這4口泥頁巖專探井的1 010.26m巖心薄片鑒定、X衍射全巖礦物分析資料，發(fā)現(xiàn)紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r碳酸鹽含量高，一般大于50%，以方解石為主。分析羅69井碳酸鹽含量與其可動流體飽和度關(guān)系表明，隨著碳酸鹽含量增加，可動流體飽和度也隨著增加，兩者之間呈現(xiàn)很好的正相關(guān)關(guān)系。研究表明，碳酸鹽含量高的井段頁巖油氣富集。碳酸鹽類礦物中容易形成油氣富集的孔縫，并且當(dāng)灰質(zhì)含量高時容易產(chǎn)生異常裂縫，為泥頁巖油氣運聚提供便利。

5　結(jié)束語

應(yīng)用考奇法對東營凹陷、渤南地區(qū)的沙四段上亞段和沙三段下亞段古鹽度進(jìn)行恢復(fù)，明確了不同咸化階段的沉積特征。濟陽坳陷在高鹽水階段主要形成膏巖—芒硝—膏質(zhì)泥巖—白云巖的巖性組合序列；咸水階段主要形成灰?guī)r—泥質(zhì)灰?guī)r/灰質(zhì)泥巖的巖性組合特征，灰質(zhì)與有機質(zhì)呈紋層出現(xiàn)；微咸水—半咸水階段主要形成層狀泥質(zhì)灰?guī)r/灰質(zhì)泥巖—塊狀灰質(zhì)泥巖/泥巖的巖性組合特征。咸水階段形成的紋層狀泥頁巖古生產(chǎn)力最高、滯留的有機碳和氯仿瀝青“A”多，灰質(zhì)含量高，孔隙發(fā)育，物性好，含油飽和度高，S1值高，可動性好，是今后頁巖油氣勘探要尋找的甜點巖性。

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編輯經(jīng)雅麗

Study on the relationship between salineenvironmentaldeposition and shaleoil-gas in faulted basin：A case study of areasof Dongying sag and Bonan subsag

Zhu Deyan1，2，Wang Yong2，Yin Yan2，Yang Wanqin2，Zhu Deshun2，Ning Fangxing2

（1.School of Energy Resources，China University of Geosciences（Beijing），Beijing City，100083，China；2.Research Institute of Exploration and Development，Shengli Oilfield Company，SINOPEC，Dongying City，Shandong Province，257015，China）

Based on the comprehensive application of core，electronmicroscopy and geochemicaland logging data，the sali?nization process of the lake basin was restored to establish differentsedimentary sequence atdifferentsalinization stages in order to clarify the relationship between saline environmental deposition and shale oil-gas.The properties of sedimentary rocks in different saline environmentswere studied such as hydrocarbon-generating ability，reservoir property，oil bearing property，mobility and so on.The results show that the paleosalinity of the upper of the fourthmember of Shahejie Forma?tion ishigher than thatof the lower of the thirdmemberof Shahejie Formation in Jiyang depression in thewhole，but the sa?linization evolution is different in different sags.Salinity variation controls evolution sequence of lithology.Gypsum rock，Glauber’s salt，gypsum mudstone and dolomite lithology deposited in sequence in hypersalinewater phase；limestone，argil?laceous limestone/limemudstone deposited in sequence in saltwater phase，forming limeand organicmatter laminae；argil?laceous limestone/limemudstone-calcareousmudstone/shale deposited in sequence in brackish water phase.Among them，the laminated shale formed in the saltwater phase has strong hydrocarbon-generating ability，superior reservoir quality，high oilcontentand good fluidmobility，which isconsidered as themost favorable for theenrichmentofoiland gas.

salinization evolution stage；featureofsaline deposititon；laminated shale；shaleoiland gas；faulted basin

TE111.3

A

1009-9603（2015）06-0007-07

2015-09-18。

朱德燕（1974—），女，吉林松原人，高級工程師，在讀博士研究生，從事油氣勘探綜合研究。聯(lián)系電話：（0546）8715536，E-mail：1102965192@qq.com。

國家“973”計劃“中國東部古近系陸相頁巖油富集機理及分布規(guī)律”子課題“陸相頁巖油富集要素與有利區(qū)預(yù)測”（2014CB239104），國家科技重大專項“渤海灣盆地精細(xì)勘探關(guān)鍵技術(shù)”子課題“濟陽坳陷油氣富集機制與增儲領(lǐng)域”（2011ZX05006-003），中國石化科技攻關(guān)項目“濟陽坳陷頁巖巖相及油氣賦存機制”（P13019）。