劉 群,袁選俊,林森虎,郭 浩,成大偉(.阿伯丁大學(xué)，英國(guó)AB4UE； .中國(guó)石油 勘探開發(fā)研究院，北京 0008；.中國(guó)石油 南方石油勘探開發(fā)公司，海口 海南 57000)

近年來，隨著非常規(guī)油氣的蓬勃發(fā)展，作為自生自儲(chǔ)的泥質(zhì)巖受到了大家的廣泛關(guān)注[1-5]。泥質(zhì)巖是指由含量大于50%的粒徑小于0.003 9 mm的顆粒組成的巖石[6]。根據(jù)是否具有頁(yè)理的特征，泥質(zhì)巖可分為泥巖和頁(yè)巖兩大類：頁(yè)巖是有頁(yè)理的泥質(zhì)巖，泥巖是沒有頁(yè)理的泥質(zhì)巖[6]。湖相泥質(zhì)巖層段巖相變化快且非均質(zhì)性強(qiáng)[7-10]，表明了泥巖和頁(yè)巖沉積受沉積環(huán)境影響大，二者在巖石組分和地球化學(xué)指標(biāo)等各方面存在顯著差異。海相泥巖和頁(yè)巖交互沉積：頁(yè)巖成層性好，主要形成于缺氧環(huán)境，有機(jī)質(zhì)含量高；泥巖沉積時(shí)水體含氧量更高，受生物擾動(dòng)影響大，有機(jī)質(zhì)含量較低[11]。富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的沉積機(jī)理和成因機(jī)制目前仍存在爭(zhēng)議[12-21]。以Pederson和Calvert[22](1990)為代表的學(xué)者認(rèn)為高生產(chǎn)率是富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)富集的主要原因，而以Demaison 和 Moore[23](1980)等認(rèn)為閉塞的缺氧環(huán)境是富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)富集的必要條件。研究泥巖和頁(yè)巖特征的差異，找出差異指標(biāo)，可以明確泥巖和頁(yè)巖的成因機(jī)制，幫助建立預(yù)測(cè)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的有利因素。

鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組7段(長(zhǎng)7段)發(fā)育一套沉積厚度為100～150 m[24]的非均質(zhì)性強(qiáng)的泥質(zhì)巖層段。本文旨在通過分析長(zhǎng)7段典型剖面的垂向巖性演化特征以及對(duì)比研究泥巖和頁(yè)巖的巖石組分、地化指標(biāo)、微量元素等方面的區(qū)別，揭示泥巖、頁(yè)巖的形成與沉積環(huán)境的關(guān)系，探討區(qū)分泥巖和頁(yè)巖在石油地質(zhì)學(xué)上的意義和富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的形成機(jī)制。

1 地質(zhì)背景及樣品選擇

1.1 地質(zhì)背景

晚三疊世時(shí)期，華北陸塊和揚(yáng)子板塊相撞，受秦嶺造山活動(dòng)影響，在華北陸塊的西南部形成了大型陸相湖盆[25]。鄂爾多斯盆地中生界的延長(zhǎng)組則記錄了整個(gè)湖盆的初始、發(fā)展到消亡的全過程。根據(jù)巖性、電性和含油性，將延長(zhǎng)組自上而下分為10段(長(zhǎng)1段—長(zhǎng)10段)[26]，其中長(zhǎng)7段沉積期是三疊紀(jì)湖盆發(fā)育的鼎盛時(shí)期，湖盆面積超過了5×104km2，深湖區(qū)水深可達(dá)150 m[27]，發(fā)育了大范圍的泥巖、頁(yè)巖和重力流砂體。長(zhǎng)7段沉積厚度100～150 m[28]，自下而上可分為3個(gè)小層(圖1)：長(zhǎng)73主要為黑色油頁(yè)巖，長(zhǎng)72以暗色泥巖為主，夾薄層粉-細(xì)砂巖，長(zhǎng)71發(fā)育暗色泥巖和中-薄層細(xì)砂巖。

1.2 樣品、剖面選擇及研究方法

該文選取了湖盆中心的2口長(zhǎng)7段連續(xù)取心井進(jìn)行重點(diǎn)解剖 (圖2，鹽66井和環(huán)317井)。鹽66井的垂向剖面反映了從長(zhǎng)73到長(zhǎng)71，由深湖相演化到前三角洲相；環(huán)317井的垂向剖面則反映了從長(zhǎng)73到長(zhǎng)72，由深湖相演化到深湖濁流相。針對(duì)鹽66井和環(huán)317井兩口連續(xù)取心井，建立了以巖心-薄片觀察、X-衍射、地球化學(xué)測(cè)試和有機(jī)碳測(cè)井定量計(jì)算為主的垂向剖面，旨在揭示長(zhǎng)7段泥巖和頁(yè)巖的垂向分布規(guī)律與沉積相帶的關(guān)系，以推測(cè)泥巖和頁(yè)巖平面分布特征。

圖1 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組7段里57井巖性柱狀示意圖Fig.1 Stratigraphic column of the Chang 7 Member from Well Li 57,Yanchang Formation,Ordos Basin

圖2 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組7段沉積相和樣品點(diǎn)分布Fig.2 Sedimentary facies and sample point distribution of the Chang 7 Member in the Yanchang Formation,Ordos Basin a.長(zhǎng)73沉積相；b.長(zhǎng)72沉積相;c.長(zhǎng)71沉積相

同時(shí)對(duì)湖盆中心的11口長(zhǎng)7段連續(xù)取心井進(jìn)行觀察取樣 (圖2)。本次研究分別采集了覆蓋全盆的長(zhǎng)73到長(zhǎng)71的62塊泥質(zhì)巖樣品 (圖2) ，對(duì)其進(jìn)行了薄片鑒定和X-衍射全巖礦物分析，在顯微鏡下確定巖性后(肉眼難以區(qū)分)，分別進(jìn)行巖石熱解和微量元素等分析。

2 長(zhǎng)7段泥巖、頁(yè)巖沉積特征對(duì)比

2.1 垂向演化特征

鹽66井位于研究區(qū)西北部定邊地區(qū)，連續(xù)取心長(zhǎng)度達(dá)75 m，取心層位包括長(zhǎng)8段頂部與長(zhǎng)7段(圖3)。長(zhǎng)73底部沉積了一套高伽馬、高電阻率、有機(jī)質(zhì)含量極高(平均含量為10%)的黑色頁(yè)巖。長(zhǎng)73過渡到長(zhǎng)72時(shí)，西北部三角洲生長(zhǎng)，該地區(qū)處于前三角洲—半深湖相帶，以灰色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖頁(yè)巖互層為主，該相帶形成的泥巖有機(jī)碳含量明顯較低，一般小于2%(圖3)。長(zhǎng)72中上段，沉積環(huán)境變的相對(duì)安靜，沉積了一套10 m左右的有機(jī)質(zhì)含量較高的頁(yè)巖；長(zhǎng)72過渡至長(zhǎng)71，水體變淺，沉積了一套30 m左右的灰黑色塊狀泥巖，總體解釋為半深湖環(huán)境。

環(huán)317井位于研究區(qū)中部環(huán)縣地區(qū)，連續(xù)取心長(zhǎng)度達(dá)55 m，取心層位包括長(zhǎng)73和長(zhǎng)72(圖4)。長(zhǎng)73底部沉積了一套有機(jī)質(zhì)含量平均值大于10%的頁(yè)巖(圖4)，在薄片下觀察，主要為透鏡體層理頁(yè)巖，即有機(jī)質(zhì)-粘土透鏡體定向分布(圖4)。長(zhǎng)73上部受外來濁流影響，以泥巖沉積為主、夾薄層粉砂巖或泥質(zhì)粉砂巖；長(zhǎng)72以塊狀泥巖沉積為主。 長(zhǎng)73底部頁(yè)巖的黃鐵礦含量較高，可達(dá)12%，而長(zhǎng)72泥巖黃鐵礦含量相對(duì)較低，部分層段含量最高可達(dá)5% (圖4)。另外，泥巖的石英含量高于頁(yè)巖，粘土礦物含量則相對(duì)偏低。

通過典型剖面分析可以看出，泥巖和頁(yè)巖的沉積受沉積相帶控制，長(zhǎng)7段頁(yè)巖主要發(fā)育在長(zhǎng)73底部，主要發(fā)育于湖盆中心。而長(zhǎng)7段泥巖多發(fā)育在三角洲前緣，深湖-濁積巖相和半深湖相。

2.2 巖石組分特征

2.2.1 組構(gòu)特征對(duì)比

長(zhǎng)7段泥巖中比較常見的層理構(gòu)造有遞變層理(圖5a)、塊狀層理(圖5b)、斷續(xù)狀層理(圖5c)以及波浪擾動(dòng)層理(圖5d)；頁(yè)巖中常見的層理有長(zhǎng)英-粘土與有機(jī)質(zhì)互層的“二元結(jié)構(gòu)” (圖5e)、似波狀層理(圖5f)和透鏡狀粘土集合體層理(圖5g，h)。

圖4 鄂爾多斯盆地環(huán)317井延長(zhǎng)組7段組構(gòu)特征綜合分析Fig.4 Comprehensive analysis of the fabric feature of the Chang 7 Member from Well Huan 317,Yanchang Formation,Ordos Basin

通過泥巖、頁(yè)巖組構(gòu)特征對(duì)比，可以看出，泥巖多發(fā)育于前三角洲、半深湖和深湖-重力流發(fā)育相帶，陸源碎屑多，受湖流、濁流等影響更大。前三角洲環(huán)境形成的泥巖，受三角洲物源和水動(dòng)力影響，泥巖中粉砂質(zhì)含量較高，有機(jī)質(zhì)被生物分解。在深湖-重力流發(fā)育的泥巖，濁流的快速沉積會(huì)有助于有機(jī)質(zhì)的快速埋藏。頁(yè)巖主要形成于相對(duì)封閉的深湖或湖灣環(huán)境，陸源碎屑物質(zhì)供給不足， 沉積速率低，底棲生物不發(fā)育，水體分層、季節(jié)性的水體循環(huán)是其“長(zhǎng)英-有機(jī)質(zhì)”紋層形成的主要原因。長(zhǎng)73頁(yè)巖中透鏡狀有機(jī)質(zhì)-粘土復(fù)合體(藻類雪)的出現(xiàn)，反映當(dāng)時(shí)湖盆極高的生產(chǎn)力。

2.2.2 巖石成分特征

長(zhǎng)7段泥巖和頁(yè)巖的巖石組分以粘土礦物和石英為主(圖6)，且兩種組分含量相差不大，占泥巖中總含量的82.5%，占頁(yè)巖總含量的82.7%；其次為長(zhǎng)石、碳酸鹽巖以及含鐵化合物等(圖6)。泥巖中菱鐵礦、白云石含量顯著高于頁(yè)巖，而頁(yè)巖中黃鐵礦含量約為泥巖的11倍(圖6)。

2.3 有機(jī)地球化學(xué)特征

長(zhǎng)7段泥巖和頁(yè)巖的S1指數(shù)與TOC含量正相關(guān)(圖7a)。 長(zhǎng)7泥巖TOC含量主要分布于0.6%～4.5%，平均含量為2.1%，S1值分布于0.2～3.2mg/g，平均含量為1.2 mg/g(圖7a)；長(zhǎng)7頁(yè)巖TOC含量分布于4.2%～17.9%，平均含量為6.6%，S1值主要分布于1.9～6.3 mg/g， 平均含量為3.1mg/g。頁(yè)巖中氫指數(shù)(HI)含量相對(duì)較高(平均為287×10-3mg/g)，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ-Ⅱ1型(圖7b)；泥巖中氫指數(shù)(HI) 含量相對(duì)較低(平均為171×10-3mg/g)，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ1-Ⅱ2型(圖7b)。

圖5 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組7段泥巖和頁(yè)巖組構(gòu)特征Fig.5 Fabrics of mudstone and shale in the Chang 7 Member,Yanchang Formation,Ordos Basina.莊233井，埋深1 961 m，泥巖，遞變層理，向上粒度變細(xì)(濁積巖特征)，TOC=2%，單偏光； b. 黃269井，埋深2 513 m，泥巖，塊狀層理，TOC=1%，單偏光；c.環(huán)317井，埋深2 431.8 m，泥巖，斷續(xù)狀層理，TOC=3%，單偏光；d.羅91井，埋深2 475 m，泥巖，TOC=0.26%，單偏光；e. 里231井，埋深2 057.4 m，頁(yè)巖，長(zhǎng)英-粘土有機(jī)質(zhì)的二元結(jié)構(gòu)，TOC=8.6%，單偏光； f.里147井，埋深2 368 m，似波狀層理，有機(jī)質(zhì)不連續(xù)分布，TOC=6.5%，單偏光；g.正70井，埋深1 959 m，頁(yè)巖，透鏡狀粘土集合體層理，TOC=16%，單偏光；h.黃15井，埋深2 494.2 m，透鏡狀粘土集合體層理， TOC=11%，單偏光

圖6 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組7段泥巖、頁(yè)巖礦物組分平均含量百分比對(duì)比(樣品數(shù)n=62)Fig.6 Comparison of the average content of constituent minerals between mudstone and shale in the Chang 7 Member,Yanchang Formation,Ordos Basin(Sample n=62)

2.4 主、微量元素特征

2.4.1 主要元素特征

泥巖中Si，Mg，Ti，K等元素含量比頁(yè)巖高，頁(yè)巖中P和S元素含量比泥巖高。泥巖中K/Al和Ti/Al的值明顯大于頁(yè)巖(圖8b)(Ti/Al是用來判別碎屑顆粒大小的指標(biāo)，Ti/Al值越高，表示粗粒物質(zhì)相對(duì)更多)。K/Al值高，與鉀長(zhǎng)石含在泥巖中高于頁(yè)巖一致。頁(yè)巖中P/Al比泥巖高幾倍到幾十倍(圖8b)，說明頁(yè)巖沉積時(shí)湖泊生產(chǎn)力比泥巖沉積時(shí)高。泥巖中Mg和Ca與Al元素呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)(圖8c，d)，表明方解石和白云石離物源較近。頁(yè)巖中Mg與Al呈現(xiàn)正相關(guān)，可能與綠泥石含量隨著粘土礦物含量增加有關(guān)(圖8d)。

2.4.2 微量元素特征對(duì)比

頁(yè)巖比泥巖更為富集Cu，Mo，U，Sr和Cd等元素(圖9)。Mo和U與TOC正相關(guān)(圖9a，b)，表明微量元素富集與有機(jī)質(zhì)保存有關(guān)。 Cu，Mo，U，Sr和Cd等微量元素在頁(yè)巖中的富集，指示了頁(yè)巖沉積時(shí)更為缺氧。U/Th，V/Cr和V/Sc等常被用來辨識(shí)泥質(zhì)巖的沉積環(huán)境[29-30]。頁(yè)巖的U/Th值比泥巖高(圖9c)，且U/Th與TOC呈正相關(guān)(圖9d)，說明缺氧環(huán)境有助于有機(jī)質(zhì)保存。

2.5 泥巖、頁(yè)巖差異特征對(duì)比總結(jié)

綜上所述，長(zhǎng)7段泥巖和頁(yè)巖在以下5個(gè)方面存在差異(表1)：分布特征：泥巖和頁(yè)巖互補(bǔ)式分布，泥巖主要發(fā)育在三角洲前緣、深湖-濁流相、半深湖相，頁(yè)巖主要發(fā)育在深湖相，湖盆中心；有機(jī)地球化學(xué)特征：頁(yè)巖TOC平均含量為6.6%，是泥巖的3倍，S1值平均含量為3.1 mg/g，是泥巖的2.5倍；巖石成份特征：泥巖中白云石和菱鐵礦含量更高，頁(yè)巖中更富集黃鐵礦，平均含量為泥巖的11倍；組構(gòu)特征：泥巖無頁(yè)理，有機(jī)質(zhì)分散分布，頁(yè)巖有頁(yè)理，有機(jī)質(zhì)順層分布；主微量元素：泥巖Ti/Al和K/Al平均值更高，頁(yè)巖中U，Th，Cu，Mo，Sc，Co和Ni等微量元素更為富集。因此，我們可以得出頁(yè)巖沉積時(shí)水體生產(chǎn)力更高，更為缺氧且水動(dòng)力條件弱。頁(yè)巖中高TOC，高S1，脆性礦物含量高、有機(jī)質(zhì)紋層微裂縫發(fā)育等特性，使其成為更為有利的生油層。

3 結(jié)論

1) 泥巖和頁(yè)巖在組構(gòu)特征、分布特征、有機(jī)地化特征、巖石組分和主微量元素等5個(gè)方面存在很大差異。

圖7 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組7段泥巖、頁(yè)巖地球化學(xué)特征對(duì)比Fig.7 Comparison of geochemical characteristics between mudstone and shale in the Chang 7 Member,Yanchang Formation,Ordos Basina.S與TOC關(guān)系(n=62)；b.有機(jī)質(zhì)類型分布特征(n=62)

圖8 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組7段泥巖、頁(yè)巖主量元素特征對(duì)比Fig.8 Comparison of main elements in mudstone and shale in the Chang 7 Member,Yanchang Formation,Ordos Basina.長(zhǎng)7段泥巖、頁(yè)巖K/Al與Ti/Al關(guān)系(n=62)；b. 長(zhǎng)7段泥巖、頁(yè)巖P/Al與TOC散點(diǎn)圖(n=62)；c.長(zhǎng)7段泥巖、頁(yè)巖Ca與Al含量關(guān)系(n=62)；d.長(zhǎng)7段泥巖、頁(yè)巖Mg與Al含量關(guān)系(n=62)

圖9 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組7段泥巖、頁(yè)巖微量元素特征對(duì)比Fig.9 Comparison of trace elements in mudstone and shale in the Chang 7 Member,Yanchang Formation,Ordos Basina.長(zhǎng)7段泥巖、頁(yè)巖MO含量(10-6) 與TOC關(guān)系(n=62)； b.長(zhǎng)7段泥巖、頁(yè)巖U含量(10-6)與TOC關(guān)系(n=62)；c.長(zhǎng)7段泥巖、頁(yè)巖U/Th與V/Cr散點(diǎn)圖；d.長(zhǎng)7段泥巖、頁(yè)巖U/Th與TOC關(guān)系

表1 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組7段泥巖與頁(yè)巖特征差異總結(jié)Table 1 Characteristic differences of mudstone and shale in the Chang 7 Member,Yanchang Formation,Ordos Basin

2) 泥巖和頁(yè)巖的發(fā)育受沉積相帶主控。頁(yè)巖多發(fā)育于深湖相，泥巖則發(fā)育于三角洲前緣、深湖-濁流相和半深湖相。

3) 富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖主要形成于高水體生產(chǎn)力的環(huán)境，且水體一般缺氧。長(zhǎng)73時(shí)水體深度最高，湖泊生產(chǎn)力大，且水體極度缺氧，導(dǎo)致了大面積富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的形成。

4) 泥質(zhì)巖層段的非均質(zhì)性強(qiáng)，頁(yè)巖的高TOC，高S1，脆性礦物含量高、有機(jī)質(zhì)紋層微裂縫發(fā)育等特性，使其成為更為有利的生油層，而泥巖則主要可作蓋層。

參 考 文 獻(xiàn)

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