張春池，彭文泉，胡小輝，高兵艷，張 文

(1.山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250109；3.山東省地礦工程集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250200)

0 引 言

沾化凹陷是濟(jì)陽(yáng)坳陷東北部的次一級(jí)新生代沉積盆地，也是勝利油田的傳統(tǒng)原油產(chǎn)區(qū)。以往工作以常規(guī)油氣勘查為主[1-4]，涉及頁(yè)巖氣生儲(chǔ)方面的研究較少，此次研究主要是利用地礦系統(tǒng)施工的濟(jì)頁(yè)參1井資料，從巖性、沉積環(huán)境等方面進(jìn)行分析，認(rèn)為沾化凹陷沙河街組發(fā)育的厚層暗色泥頁(yè)巖為深湖相沉積；有機(jī)碳含量、生烴潛量、氯仿瀝青“A”值均較高，具備頁(yè)巖氣形成的條件和物質(zhì)基礎(chǔ)；干酪根類型以Ⅰ型為主，鏡質(zhì)體反射率最高超過(guò)2.0%，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)具有較強(qiáng)的生烴能力，且部分進(jìn)入大量生烴階段。通過(guò)分析論述指明了沾化凹陷沙河街組三段下部及以深為頁(yè)巖氣生儲(chǔ)有利層段，具有較好的勘探開發(fā)前景。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域構(gòu)造背景

沾化凹陷四周被凸起包圍，北側(cè)為埕子口凸起，西側(cè)為義和莊凸起，南側(cè)為陳家莊凸起，東側(cè)是青坨子凸起，中間發(fā)育有規(guī)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(gòu)造示意圖

1.2 區(qū)域地質(zhì)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(fā)育有古近系孔店組、沙河街組、東營(yíng)組，新近系館陶組、明化鎮(zhèn)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?guī)r、油頁(yè)巖等；東營(yíng)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(zhèn)組巖性為泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、含礫砂巖等不同組合。第四系主要由黏質(zhì)砂土、黏土及粉細(xì)砂組成。

2 沙河街組巖性特征及沉積環(huán)境

2.1 泥頁(yè)巖發(fā)育特征

沾化凹陷新生代泥頁(yè)巖較為發(fā)育，其中，沙河街組泥頁(yè)巖沉積厚度最大，暗色泥頁(yè)巖最為發(fā)育[6]，濟(jì)頁(yè)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(zhì)膏巖、膏質(zhì)泥巖、灰質(zhì)泥巖、泥巖、灰質(zhì)油泥巖、灰褐色油泥巖夾深灰色白云質(zhì)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(zhì)泥巖、油泥巖、泥巖和灰質(zhì)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(zhì)泥巖和油泥巖；上部巖性以深灰色泥巖、灰褐色油泥巖、油頁(yè)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(zhì)油泥巖間互層，底部以灰褐色油頁(yè)巖、油泥巖為主，夾生物灰?guī)r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(huán)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(dòng)劇烈，凹陷區(qū)湖盆地形高差大，周邊凸起區(qū)風(fēng)化剝蝕強(qiáng)烈，該時(shí)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(yè)巖及灰?guī)r等。

沙河街組三段沉積時(shí)期是三角洲發(fā)育的鼎盛時(shí)期，凹陷中心為深湖相沉積，巖性為淺灰色泥巖及灰質(zhì)泥巖。沙河街組二段沉積時(shí)期以河流相沉積為主，同時(shí)發(fā)育有三角洲相、湖泊相，近岸水下扇和重力流沉積不發(fā)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(shí)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(yè)巖、生物碎屑灰?guī)r等。

3 有機(jī)地球化學(xué)特征

3.1 有機(jī)質(zhì)豐度

烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度通常采用有機(jī)碳含量、氯仿瀝青“A”含量、生烴潛量等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)[8]，是判定烴源巖優(yōu)劣和生烴潛力的重要依據(jù)。

3.1.1 有機(jī)碳含量(TOC)

有機(jī)碳含量是反映烴源巖生烴能力的重要指標(biāo)[9-11]。濟(jì)頁(yè)參1井沙河街組有機(jī)碳含量為0.08%～9.33%，平均為2.30%。其中，沙河街組一段有機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)碳含量來(lái)看，沙河街組一段、三段、四段泥頁(yè)巖均為好烴源巖，沙河街組一段有機(jī)碳含量平均值最高，沙河街組三段次之；沙河街組二段泥頁(yè)巖有機(jī)碳含量低，絕大部分樣品未達(dá)到烴源巖指標(biāo)[12]。

表1 有機(jī)質(zhì)豐度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.1.2 氯仿瀝青“A”

氯仿瀝青“A”指示有機(jī)物質(zhì)向原油轉(zhuǎn)化的程度，是有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。濟(jì)頁(yè)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(lái)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(jì)頁(yè)參1井生烴潛量分析數(shù)據(jù)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(jī)質(zhì)豐度綜合分析

通過(guò)有機(jī)碳含量、氯仿瀝青“A”和生烴潛量3個(gè)參數(shù)對(duì)濟(jì)頁(yè)參1井沙河街組泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度進(jìn)行評(píng)價(jià)。沙河街組一段在3個(gè)參數(shù)評(píng)價(jià)中均為好烴源巖，綜合評(píng)價(jià)為好烴源巖；沙河街組二段泥頁(yè)巖有機(jī)碳含量樣品中92%為非烴源巖，氯仿瀝青“A”、生烴潛量評(píng)價(jià)均為非烴源巖，綜合評(píng)價(jià)為非烴源巖；沙河街組三段在有機(jī)碳含量、氯仿瀝青“A”評(píng)價(jià)中為好烴源巖，生烴潛量評(píng)價(jià)以好烴源巖為主，綜合評(píng)價(jià)為較好—好烴源巖；沙河街組四段泥頁(yè)巖有機(jī)碳含量評(píng)價(jià)為好烴源巖，氯仿瀝青“A”評(píng)價(jià)為較差烴源巖，生烴潛量評(píng)價(jià)為非烴源巖，因其熱演化成度較高，部分有機(jī)質(zhì)已轉(zhuǎn)化為烴類并發(fā)生了運(yùn)移[13-14]，影響了氯仿瀝青“A”和生烴潛量的評(píng)價(jià)結(jié)果，綜合評(píng)價(jià)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(shí)期動(dòng)植物繁盛，有機(jī)質(zhì)豐富，有機(jī)質(zhì)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(jì)頁(yè)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(yè)巖在生烴和有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化油氣能力方面的優(yōu)勢(shì)。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(zhì)體反射率(Ro)

從濟(jì)頁(yè)參1井鏡質(zhì)體反射率(Ro)樣品分析數(shù)據(jù)來(lái)看，沙河街組一段、二段Ro值小于0.50%(圖3)，未進(jìn)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(dá)到低成熟階段(0.50%≤Ro<0.70%)；沙河街組三段下部Ro值達(dá)到1.13%，進(jìn)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(dá)到過(guò)成熟階段(Ro≥2.00%)[17]。從濟(jì)頁(yè)參1井Ro值變化來(lái)看，沙河街組三段中部及以上的Ro<0.70%，處于未進(jìn)入生烴門限或低成熟生油為主，沙河街組三段下部有機(jī)質(zhì)以油氣共生為主，沙河街組四段有機(jī)質(zhì)以生氣為主[18]。因此，沙河街組一段、二段不滿足頁(yè)巖氣生成條件，沙河街組三段下部和沙河街組四段具有頁(yè)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(nèi)的巖漿巖活動(dòng)有關(guān)。

圖3 濟(jì)頁(yè)參1井鏡質(zhì)體反射率隨深度變化規(guī)律

4 儲(chǔ)集物性特征

4.1 孔隙度和滲透率

4.1.1 孔隙度

濟(jì)頁(yè)參1井42塊樣品顯示，沙河街組三段下部泥頁(yè)巖孔隙度為3.6%～9.3%，平均為6.4%。根據(jù)《頁(yè)巖氣資源/儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0254—2014)中頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙度分類[19]，頁(yè)巖氣層孔隙度分類為低的樣品9塊，占樣品總數(shù)的21%；頁(yè)巖氣層孔隙度分類為中的樣品33塊，占樣品總數(shù)的79%。說(shuō)明沾化凹陷沙河街組三段下部孔隙度較發(fā)育，分類主要為中，有利于游離氣的儲(chǔ)存和運(yùn)移。

4.1.2 滲透率

濟(jì)頁(yè)參1井沙河街組三段下部無(wú)裂縫發(fā)育的31塊泥頁(yè)巖樣品滲透率為0.08～0.67 mD，平均為0.31 mD；有裂縫發(fā)育的3塊泥頁(yè)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(fā)育對(duì)滲透率影響至關(guān)重要，裂縫的存在為頁(yè)巖氣的運(yùn)移和后期改造創(chuàng)造了有利條件[20]。

4.2 礦物成分

4.2.1 脆性礦物

隨著泥頁(yè)巖中脆性礦物成分含量的增加，巖石的強(qiáng)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(chǔ)集空間，也連通泥頁(yè)巖自身的孔隙，裂縫網(wǎng)狀系統(tǒng)連續(xù)分布，擴(kuò)大了供烴范圍，提高了儲(chǔ)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(zhǎng)石(鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)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(zhǎng)石含量最高值為11%，平均為5%；鉀長(zhǎng)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(chǎn)物，而菱鐵礦為低氧環(huán)境的產(chǎn)物，充分說(shuō)明沙河街組二段為弱氧化環(huán)境沉積，而沙河街組一段、三段為還原環(huán)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(gè)來(lái)源[23]：一是蒙脫石與鉀離子轉(zhuǎn)化而來(lái)，二是由高嶺石和鉀長(zhǎng)石轉(zhuǎn)化而來(lái)。

圖4 濟(jì)頁(yè)參1井全巖礦物成分含量

圖5 濟(jì)頁(yè)參1井黏土礦物成分含量

5 目標(biāo)層位的確定

通過(guò)分析區(qū)域地質(zhì)背景，對(duì)鉆孔巖心、巖屑觀察并結(jié)合沉積環(huán)境研究，認(rèn)為沙河街組一段、三段、四段為暗色泥頁(yè)巖發(fā)育層段。有機(jī)地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)顯示，沙河街組一段、三段和四段有機(jī)質(zhì)豐度較高，綜合評(píng)價(jià)為好或較好—好烴源巖，干酪根類型以Ⅰ型為主，生烴能力強(qiáng)；沙河街組三段中部以上鏡質(zhì)體反射率小于0.70%，以低成熟為主，未進(jìn)入大量生氣階段；沙河街組三段下部以深鏡質(zhì)體反射率值不斷增高，進(jìn)入油氣共生的成熟階段，沙河街組四段鏡質(zhì)體反射率大于2.00%，已進(jìn)入大量生氣的過(guò)成熟階段。沙河街組三段下部泥頁(yè)巖孔隙度平均為6.4%，部分泥頁(yè)巖樣品發(fā)育有裂縫，提高了滲透率值，且脆性礦物含量超過(guò)52%，增大了頁(yè)巖氣的儲(chǔ)存空間和運(yùn)移通道，利于后期壓裂改造和集氣增產(chǎn)。綜合確定沙河街組三段下部和四段為頁(yè)巖氣生儲(chǔ)層和勘查目標(biāo)層位。

6 結(jié) 論

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

(2) 沙河街組暗色泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)含量大于1%，烴源巖評(píng)價(jià)主要為好烴源巖，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型為主，具有頁(yè)巖形成的物質(zhì)基礎(chǔ)和生烴能力；沙河街組三段下部以深范圍鏡質(zhì)體反射率大于1.00%，最高達(dá)2.28%，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)已進(jìn)入油氣共生或大量生氣階段。

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

(4) 從沉積環(huán)境及地質(zhì)特征、有機(jī)地球化學(xué)特征、儲(chǔ)集物性特征綜合分析認(rèn)為，沙河街組三段下部和沙河街組四段具備優(yōu)越的頁(yè)巖氣生儲(chǔ)條件，是沾化凹陷下一步頁(yè)巖氣勘查工作的重點(diǎn)。