沾化凹陷沙河街組頁巖氣成藏條件研究

張春池，彭文泉，胡小輝，高兵艷，張 文

(1.山東省地質調查院，山東 濟南 250014；2.山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南 250109；3.山東省地礦工程集團有限公司，山東 濟南 250200)

0 引 言

沾化凹陷是濟陽坳陷東北部的次一級新生代沉積盆地，也是勝利油田的傳統原油產區。以往工作以常規油氣勘查為主[1-4]，涉及頁巖氣生儲方面的研究較少，此次研究主要是利用地礦系統施工的濟頁參1井資料，從巖性、沉積環境等方面進行分析，認為沾化凹陷沙河街組發育的厚層暗色泥頁巖為深湖相沉積；有機碳含量、生烴潛量、氯仿瀝青“A”值均較高，具備頁巖氣形成的條件和物質基礎；干酪根類型以Ⅰ型為主，鏡質體反射率最高超過2.0%，說明有機質具有較強的生烴能力，且部分進入大量生烴階段。通過分析論述指明了沾化凹陷沙河街組三段下部及以深為頁巖氣生儲有利層段，具有較好的勘探開發前景。

1 區域地質背景

1.1 區域構造背景

沾化凹陷四周被凸起包圍，北側為埕子口凸起，西側為義和莊凸起，南側為陳家莊凸起，東側是青坨子凸起，中間發育有規模較小的孤島凸起；凸起之間與外圍凹陷相連(圖1)，整體為向北東敞開的“北斷南超”型山間箕狀盆地[5]。

圖1 沾化凹陷構造示意圖

1.2 區域地質概況

沾化凹陷為新生代沉積盆地，地表被第四系覆蓋。凹陷基底有新太古界、古生界及中生界，在凸起及凸起邊部均有鉆井揭露；基底之上沉積了巨厚的新生代地層，發育有古近系孔店組、沙河街組、東營組，新近系館陶組、明化鎮組和第四系。

古近系孔店組巖性以泥巖與砂巖、含礫砂巖不等厚互層為主；沙河街組巖性以泥巖為主，夾砂巖、灰巖、油頁巖等；東營組巖性主要為泥巖與砂礫巖互層。新近系館陶組以礫巖、砂巖夾泥巖為主；明化鎮組巖性為泥巖、粉砂巖、細砂巖、含礫砂巖等不同組合。第四系主要由黏質砂土、黏土及粉細砂組成。

2 沙河街組巖性特征及沉積環境

2.1 泥頁巖發育特征

沾化凹陷新生代泥頁巖較為發育，其中，沙河街組泥頁巖沉積厚度最大，暗色泥頁巖最為發育[6]，濟頁參1井沙河街組自下而上分別劃分為沙河街組四段、三段、二段及一段。各段巖性特征分述如下。

沙河街組四段巖性為深灰色泥質膏巖、膏質泥巖、灰質泥巖、泥巖、灰質油泥巖、灰褐色油泥巖夾深灰色白云質泥巖，埋深為3 598.00 m，厚度為67.47 m(未揭穿)。

沙河街組三段下部巖性以深灰色灰質泥巖、油泥巖、泥巖和灰質油泥巖為主；中部巖性以灰色、深灰色泥巖為主，夾深灰色灰質泥巖和油泥巖；上部巖性以深灰色泥巖、灰褐色油泥巖、油頁巖為主，夾砂巖組合，埋深為3 082.00 m，厚度為516.00 m。

沙河街組二段下部以淺灰色砂巖、泥巖互層為主，上部以淺棕—棕色泥巖夾粉砂巖為主，埋深為2 888.50 m，厚度為193.50 m。

沙河街組一段巖性以灰色、深灰色泥巖，灰質油泥巖間互層，底部以灰褐色油頁巖、油泥巖為主，夾生物灰巖及薄層白云巖，埋深為2 616.00 m，厚度為272.50 m。

2.2 沙河街組沉積環境

始新世晚期至漸新世，沾化凹陷沉積了沙河街組地層。始新世晚期(沙河街組四段沉積期)，凹陷邊界斷裂活動劇烈，凹陷區湖盆地形高差大，周邊凸起區風化剝蝕強烈，該時期沉積地層厚度巨大，沾化凹陷形成了以濱淺湖相、半深湖相和深湖相為主的沉積體系[7]，沉積巖性主要為粉砂巖、泥巖、油頁巖及灰巖等。

沙河街組三段沉積時期是三角洲發育的鼎盛時期，凹陷中心為深湖相沉積，巖性為淺灰色泥巖及灰質泥巖。沙河街組二段沉積時期以河流相沉積為主，同時發育有三角洲相、湖泊相，近岸水下扇和重力流沉積不發育，沉積巖性以砂巖為主，夾泥巖、粉砂巖。沙河街組一段沉積時期以濱、淺湖相沉積為主，巖性主要為灰綠色泥巖、生物白云巖及油頁巖、生物碎屑灰巖等。

3 有機地球化學特征

3.1 有機質豐度

烴源巖有機質豐度通常采用有機碳含量、氯仿瀝青“A”含量、生烴潛量等指標來評價[8]，是判定烴源巖優劣和生烴潛力的重要依據。

3.1.1 有機碳含量(TOC)

有機碳含量是反映烴源巖生烴能力的重要指標[9-11]。濟頁參1井沙河街組有機碳含量為0.08%～9.33%，平均為2.30%。其中，沙河街組一段有機碳含量為2.14%～9.33%，平均為4.60%，全部為好烴源巖；沙河街組二段有機碳含量為0.08%～0.49%，平均為0.19%，92%的樣品為非烴源巖；沙河街組三段有機碳含量為1.00%～5.11%，平均為2.39%，全部為好烴源巖；沙河街組四段有機碳含量為1.08%～1.79%，平均為1.55%(表1)，全部為好烴源巖。從有機碳含量來看，沙河街組一段、三段、四段泥頁巖均為好烴源巖，沙河街組一段有機碳含量平均值最高，沙河街組三段次之；沙河街組二段泥頁巖有機碳含量低，絕大部分樣品未達到烴源巖指標[12]。

表1 有機質豐度數據統計

3.1.2 氯仿瀝青“A”

氯仿瀝青“A”指示有機物質向原油轉化的程度，是有機質豐度評價的重要指標。濟頁參1井沙河街組氯仿瀝青“A”為0.001 9%～1.700 8%，平均為0.552 8%。其中，沙河街組沙一段平均為1.121 9%，沙河街組沙二段平均為0.011 6%，沙河街組三段平均為0.605 1%，沙河街組四段平均為0.028 2%。僅從該井氯仿瀝青“A”來看，沙河街組一段、三段均為好烴源巖，好于沙河街組二段、四段的較差烴源巖。

3.1.3 生烴潛量(S1+S2)

濟頁參1井生烴潛量分析數據顯示，沙河街組S1+S2為0.08～81.36 mg/g，平均為13.24 mg/g。其中，沙河街組一段為1.26～81.36 mg/g，平均為35.06 mg/g，沙河街組三段平均為12.95 mg/g，為好烴源巖或以好烴源巖為主；沙河街組二段、四段最大值均小于0.50 mg/g，為非烴源巖。

3.1.4 有機質豐度綜合分析

通過有機碳含量、氯仿瀝青“A”和生烴潛量3個參數對濟頁參1井沙河街組泥頁巖有機質豐度進行評價。沙河街組一段在3個參數評價中均為好烴源巖，綜合評價為好烴源巖；沙河街組二段泥頁巖有機碳含量樣品中92%為非烴源巖，氯仿瀝青“A”、生烴潛量評價均為非烴源巖，綜合評價為非烴源巖；沙河街組三段在有機碳含量、氯仿瀝青“A”評價中為好烴源巖，生烴潛量評價以好烴源巖為主，綜合評價為較好—好烴源巖；沙河街組四段泥頁巖有機碳含量評價為好烴源巖，氯仿瀝青“A”評價為較差烴源巖，生烴潛量評價為非烴源巖，因其熱演化成度較高，部分有機質已轉化為烴類并發生了運移[13-14]，影響了氯仿瀝青“A”和生烴潛量的評價結果，綜合評價為較好—好烴源巖。

3.2 干酪根類型

沾化凹陷沙河街組沉積時期動植物繁盛，有機質豐富，有機質類型以生烴能力最好的Ⅰ型干酪根為主[15-16]，少量Ⅱ型干酪根。濟頁參1井獲取的37塊沙河街組干酪根樣品中：Ⅰ型為28塊、Ⅱ1型為8塊、Ⅱ2型為1塊，充分反映了沙河街組暗色泥頁巖在生烴和有機質轉化油氣能力方面的優勢。其中，沙河街組一段、四段樣品全部為Ⅰ型干酪根，沙河街組三段樣品中Ⅰ型干酪根占77%，沙河街組二段樣品全部為Ⅱ型干酪根(圖2)。

圖2 沙河街組各段干酪根類型

3.3 鏡質體反射率(Ro)

從濟頁參1井鏡質體反射率(Ro)樣品分析數據來看，沙河街組一段、二段Ro值小于0.50%(圖3)，未進入生烴門限，隨深度增加逐漸增大，至沙河街組三段中上部達到低成熟階段(0.50%≤Ro<0.70%)；沙河街組三段下部Ro值達到1.13%，進入成熟階段(0.70%≤Ro<1.30%)；沙河街組四段Ro值增大至2.22%～2.28%，達到過成熟階段(Ro≥2.00%)[17]。從濟頁參1井Ro值變化來看，沙河街組三段中部及以上的Ro<0.70%，處于未進入生烴門限或低成熟生油為主，沙河街組三段下部有機質以油氣共生為主，沙河街組四段有機質以生氣為主[18]。因此，沙河街組一段、二段不滿足頁巖氣生成條件，沙河街組三段下部和沙河街組四段具有頁巖氣形成條件和勘查潛力。沙河街組四段Ro值突然增大，可能與凹陷內的巖漿巖活動有關。

圖3 濟頁參1井鏡質體反射率隨深度變化規律

4 儲集物性特征

4.1 孔隙度和滲透率

4.1.1 孔隙度

濟頁參1井42塊樣品顯示，沙河街組三段下部泥頁巖孔隙度為3.6%～9.3%，平均為6.4%。根據《頁巖氣資源/儲量計算與評價技術規范》(DZ/T 0254—2014)中頁巖氣儲層孔隙度分類[19]，頁巖氣層孔隙度分類為低的樣品9塊，占樣品總數的21%；頁巖氣層孔隙度分類為中的樣品33塊，占樣品總數的79%。說明沾化凹陷沙河街組三段下部孔隙度較發育，分類主要為中，有利于游離氣的儲存和運移。

4.1.2 滲透率

濟頁參1井沙河街組三段下部無裂縫發育的31塊泥頁巖樣品滲透率為0.08～0.67 mD，平均為0.31 mD；有裂縫發育的3塊泥頁巖樣品滲透率為1.99～3.60 mD，平均為2.57 mD。由此可見，裂縫的發育對滲透率影響至關重要，裂縫的存在為頁巖氣的運移和后期改造創造了有利條件[20]。

4.2 礦物成分

4.2.1 脆性礦物

隨著泥頁巖中脆性礦物成分含量的增加，巖石的強度和脆性程度隨之提高；脆性礦物含量越高，越易形成裂縫，裂縫既為油氣提供儲集空間，也連通泥頁巖自身的孔隙，裂縫網狀系統連續分布，擴大了供烴范圍，提高了儲集層的滲流能力[21-22]。

沾化凹陷沙河街組脆性礦物含量大于52%，主要由碳酸鹽礦物(方解石、白云石)、石英、長石(鉀長石、斜長石)和其他礦物(黃鐵礦、菱鐵礦)組成。碳酸鹽礦物中方解石含量最高值為63%，平均為30%；白云石含量最高值為23%，平均為9%；石英含量最高值為39%，平均為24%；斜長石含量最高值為11%，平均為5%；鉀長石少量樣品檢出，最高值為6%。其他礦物中黃鐵礦最高值為19%，平均為8%；菱鐵礦少量樣品檢出，最高值為9%(圖4)。

黃鐵礦分布于沙河街組一段、三段，沙河街組二段僅檢出少量菱鐵礦；黃鐵礦為還原條件下沉積的產物，而菱鐵礦為低氧環境的產物，充分說明沙河街組二段為弱氧化環境沉積，而沙河街組一段、三段為還原環境沉積。

4.2.2 黏土礦物

沾化凹陷沙河街組18塊樣品中黏土礦物含量為14%～48%，平均為24%；黏土礦物成分有伊利石、伊蒙混層、高嶺石、綠泥石。黏土礦物中伊利石含量為31%～100%，平均為70%；伊蒙混層有9塊樣品檢出，檢出樣品平均值為46%；高嶺石有10塊樣品檢出，檢出樣品平均值為11%；綠泥石有9塊樣品檢出，檢出樣品平均值為2%(圖5)。

沙河街組三段大部分樣品黏土礦物全部為伊利石，伊利石有2個來源[23]：一是蒙脫石與鉀離子轉化而來，二是由高嶺石和鉀長石轉化而來。

圖4 濟頁參1井全巖礦物成分含量

圖5 濟頁參1井黏土礦物成分含量

5 目標層位的確定

通過分析區域地質背景，對鉆孔巖心、巖屑觀察并結合沉積環境研究，認為沙河街組一段、三段、四段為暗色泥頁巖發育層段。有機地球化學分析數據顯示，沙河街組一段、三段和四段有機質豐度較高，綜合評價為好或較好—好烴源巖，干酪根類型以Ⅰ型為主，生烴能力強；沙河街組三段中部以上鏡質體反射率小于0.70%，以低成熟為主，未進入大量生氣階段；沙河街組三段下部以深鏡質體反射率值不斷增高，進入油氣共生的成熟階段，沙河街組四段鏡質體反射率大于2.00%，已進入大量生氣的過成熟階段。沙河街組三段下部泥頁巖孔隙度平均為6.4%，部分泥頁巖樣品發育有裂縫，提高了滲透率值，且脆性礦物含量超過52%，增大了頁巖氣的儲存空間和運移通道，利于后期壓裂改造和集氣增產。綜合確定沙河街組三段下部和四段為頁巖氣生儲層和勘查目標層位。

6 結 論

(1) 濟頁參1井揭露沙河街組一段、三段、四段巖性以泥巖夾油頁巖為主，為深湖相沉積的產物；沙河街組二段巖性砂巖與淺色調泥巖互層為主，為河流相沉積為主。深湖相沉積的泥頁巖為頁巖氣形成創造了有利條件。

(2) 沙河街組暗色泥頁巖有機質含量大于1%，烴源巖評價主要為好烴源巖，有機質類型以Ⅰ型為主，具有頁巖形成的物質基礎和生烴能力；沙河街組三段下部以深范圍鏡質體反射率大于1.00%，最高達2.28%，說明有機質已進入油氣共生或大量生氣階段。

(3) 泥頁巖孔隙度為3.6%～9.3%，部分泥巖發育裂縫，大大提高泥頁巖滲透率，有利于頁巖氣的儲存和運移；脆性礦物大于52%，有利于后期人工造縫。

(4) 從沉積環境及地質特征、有機地球化學特征、儲集物性特征綜合分析認為，沙河街組三段下部和沙河街組四段具備優越的頁巖氣生儲條件，是沾化凹陷下一步頁巖氣勘查工作的重點。