牛莊洼陷沙三下—沙四上泥頁巖特征及沉積環境

王春偉，孫志峰，杜煥福

(1. 中石化經緯有限公司，山東 東營 257015；2. 海域泰和(山東)能源科技有限公司，山東 東營 257015；3. 山東石油化工學院 油氣工程學院，山東 東營 257015)

0 引言

泥頁巖是重要的非常規油氣儲層，前期勝利油田在牛莊洼陷頁巖油方面一直沒有取得突破。自2019年以來，泥頁巖油勘探取得了較大進展，證明了該區非常規油氣勘探潛力巨大。目前國內外在非常規油氣勘探中，往往將區域內泥頁巖做籠統評價，缺乏對不同類型泥頁巖巖石學特征及沉積演化成因的具體認識。在不同沉積環境下，泥頁巖的礦物成分與沉積構造不同，這就會導致泥頁巖巖石學特征有所差異[1-2]。認識泥頁巖不同巖石類型的特征，了解其和沉積環境之間的關系，對非常規油氣勘探具有重要意義[3-4]。

該研究以牛莊洼陷的牛斜55井為例，在充分應用化驗測試數據的基礎上，分析泥頁巖不同巖石類型的儲集性、含油性差異，研究不同巖石類型與沉積環境的關系，旨在為研究區非常規油氣勘探提供地質依據。

1 區域地質背景

牛莊洼陷位于渤海灣盆地濟陽坳陷南部東營凹陷內，北靠中央背斜帶，南面與廣饒凸起相接，是基底為古生界的斷陷-坳陷湖盆，如圖1所示。洼陷自下而上依次發育古近系孔店組、沙河街組、東營組及新近系館陶組、明化鎮組，在沙河街組的沙三下—沙四上發育厚度為800～1 600 m的暗色泥頁巖，具有很大的非常規油氣資源潛力，是牛莊洼陷油氣勘探的重要新領域，也是該文研究的重點對象[5-6]。

圖1 東營凹陷牛莊洼陷構造簡圖Fig.1 Structural location map of Niuzhuang subsag in Dongying sag

2 泥頁巖巖石學特征

2.1 巖石類型劃分

1)礦物組分。牛莊洼陷沙河街組沙三下—沙四上亞段泥頁巖在礦物成分上具有富含碳酸鹽礦物和碎屑礦物的特征[7-8]。對牛斜55井取心段進行全巖X射線衍射分析，結果表明(實驗數據大于120點)，牛斜55井沙四上頁巖油儲層礦物組成主要為方解石、黏土礦物及石英碎屑，其次有鐵白云石、斜長石、黃鐵礦等。黏土礦物和長石石英礦物含量為10%～50%，碳酸鹽巖礦物含量為15%～75%，含量變化大，如表1所示。

表1 牛斜55井取心段全巖分析礦物成分統計表

2)沉積構造。沉積構造是區分巖石的又一重要特征[6]。牛莊洼陷沙三下—沙四上泥頁巖主要發育紋層狀構造(層理厚度小于1 mm)、層狀構造(層理厚度大于1 mm)和塊狀構造(層理不發育)。紋層狀構造和層狀構造是由1種或幾種層理在垂向上疊置而成，一般可見到顏色呈深淺相交出現[9-10]，深色層理主要是由黏土礦物構成，而淺色層理則富含方解石。塊狀構造在研究區發育相對較少，其礦物成分分布比較均勻，結構差異較小。牛莊洼陷泥頁巖沉積構造劃分示意圖如圖2所示。

圖2 牛莊洼陷泥頁巖沉積構造劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of sedimentary structure division of shale in Niuzhuang subsag

2.1.2 劃分方案和類型

通過巖心和鏡下觀察，考慮研究區的實際情況，根據前人在東營凹陷泥頁巖的相關研究成果，結合礦物成分、沉積構造及沉積巖的3級命名法對牛莊洼陷泥頁巖進行了細分，如表2所示[10-12]。牛莊洼陷泥頁巖主要有6種巖石類型：紋層狀泥質灰巖、紋層狀灰質泥巖、層狀灰質泥巖、層狀泥巖、塊狀泥巖和塊狀砂質泥巖，其中紋層狀灰質泥巖、層狀灰質泥巖和層狀泥巖在研究區發育較廣泛。

表2 牛莊洼陷泥頁巖巖石類型劃分表

2.2 巖石學特征

通過巖心觀察、巖礦薄片、掃描電鏡、顯微熒光和多維核磁等方法，發現牛莊洼陷沙三下—沙四上泥頁巖不同巖石類型的儲集性和含油性差異較大，非均質性較強。

2.2.1 紋層狀泥質灰巖

在事業單位政工工作開展過程中，相關工作人員將國家政治的最新政策動態、員工的最新要求與正確政治道德理念傳播至單位各部門、員工之間，并通過提升各部門、員工的政治道德觀念素養，來整體提高事業單位精神文明建設總體發展進程，不但以此提升了事業單位的核心競爭力，還潛在提升了如員工單位歸屬感、單位向心力等軟性實力。

紋層極發育，性脆，紋層間發育大量灰質條帶，微裂縫發育(如圖3a1所示)，方解石(平均值33%)、黏土礦物(平均值30%)含量高。儲集空間主要為黏土礦物晶間孔、碳酸鹽礦物晶間孔、微裂縫(分為構造縫和層理縫2種)、晶內孔(如圖3a2～圖3a4所示)。巖石熱解分析其輕烴滯留油S1(3.56 mg/g)、可溶烴滯留油S2(18.4 mg/g)值高，整體含油性好。

2.2.2 紋層狀灰質泥巖

紋層極發育，性脆，紋層間發育少量灰質條帶，微裂縫發育(如圖3b1所示)，黏土礦物(平均值31%)含量高，方解石(平均值26%)含量相比紋層狀泥質灰巖較低。其儲集和含油性特征與紋層狀泥質灰巖相相近(如圖3b2～圖3b4所示)。

2.2.3 層狀灰質泥巖

層狀構造發育，見明顯灰質，碳酸鹽礦物呈條帶狀分布(如圖3c1所示)，黏土礦物(平均值32%)、方解石(平均值19%)含量較高。儲集空間主要為黏土礦物晶間孔、碳酸鹽礦物晶間孔，微裂縫較不發育(如圖3c2～圖3c4所示)。巖石熱解分析其輕烴滯留油S1(2.63 mg/g)、可溶烴滯留油S2(13.1 mg/g)較高，整體含油性較好。

2.2.4 層狀泥巖

層狀構造發育(如圖3d1所示)，黏土礦物(平均值40%)含量高。儲集空間主要為黏土礦物晶間孔，微裂縫較不發育。其含油性特征與層狀灰質泥巖相相近(如圖3d2～圖3d4所示)。

2.2.5 塊狀泥巖

泥質塊狀發育(如圖3e1所示)，黏土礦物(平均值38%)含量高。儲集空間主要為黏土礦物晶間孔(如圖3e2～圖3e4所示)。巖石熱解分析其輕烴滯留油S1(2.01 mg/g)、可溶烴滯留油S2(7.10 mg/g)較低，整體含油性相對較差。

2.2.6 塊狀砂質泥巖

泥質塊狀發育(如圖3f1所示)，黏土礦物(平均值33%)含量高，石英(平均值23%)含量明顯。儲集空間主要為黏土礦物晶間孔、石英礦物晶間孔(如圖3f2～圖3f4所示)。巖石熱解分析其輕烴滯留油S1(2.15 mg/g)、可溶烴滯留油S2(8.31 mg/g)較低，整體含油性相對較差。

綜上所述，牛莊洼陷沙三下—沙四上泥頁巖主要儲集空間為黏土礦物晶間孔、碳酸鹽礦物晶間孔、石英礦物晶間孔及微裂縫[13-15]，其中黏土礦物晶間孔發育普遍，微裂縫主要存在于紋層狀巖石中，泥質灰巖、灰質泥巖碳酸鹽礦物晶間孔發育，砂質泥巖中多見石英礦物晶間孔。紋層狀泥質灰巖、紋層狀灰質泥巖、層狀灰質泥巖、層狀泥巖具有相對較好的儲集性與含油性，塊狀泥巖、塊狀砂質泥巖的儲集性與含油性相對較差。

圖3 牛斜55井沙三下—沙四上亞段泥頁巖主要巖相微觀特征Fig.3 Main lithofacies microfacies characteristics of shale in the lower member of Sha3 and upper member of Sha4 of well Niuxie55

3 沉積環境分析

沉積環境的變化會影響巖石中不同元素含量的變化, 因此, 可以用巖石中某些特征的元素比值反映出古沉積環境(古氣候、古水深、古鹽度、水體氧

化還原性)的變化。文中依據牛莊洼陷沙三下—沙四上取心井段的元素分析實測數據(元素儀測試, 數據大于300個點, 誤差小于5%)得到Ca，Ba，Fe，Mn等多種巖石特征元素的含量, 通過分析數據的差異來判定沉積環境的變化, 如圖4所示[16-17]。

圖4 牛斜55井(垂深)沙三下—沙四上泥頁巖沉積環境演化特征Fig.4 Evolution characteristics of shale sedimentary environment in the lower part of Sha3 and upper part of Sha4 of well Niuxie5(vertical depth)

3.1 古氣候

Ca/Al比值可以表征古環境的干燥和暖濕條件，Ca/Al比值越大古氣候越干燥。通常認為當(Ca/Al)> 3.5時為相對干燥環境，(Ca/Al)<3.5時為相對暖濕環境[9]。牛莊洼陷沙四上沉積時期，Ca/Al比值相對較大(3.5～6.5)且自下而上逐漸變小, 反映出沉積環境由干燥轉為相對暖濕；到沙三下沉積時期, Ca/Al比值繼續呈減小的趨勢(1.8～3.8), 表明古氣候向更加暖濕的環境轉化。

3.2 古水深

Fe/Mn比值可以表征古沉積環境水體深度, 比值越大古水深越淺。Fe/Mn比值主要表征水體深淺的相對大小，對于不同的沉積地區難以做到絕對統一量化。牛莊洼陷沙四上沉積時期，Fe/Mn比值整體上偏小(50～100)且自下而上逐步變大，表明沉積初期古水體相對較深，隨時間推移古水體逐漸變淺；到沙三下沉積時期，Fe/Mn比值繼續呈現增大的趨勢(100～165)，表明古水深進一步逐漸變淺。

3.3 古鹽度

Sr/Ba比值一般為古鹽度的判別指標，Sr/Ba比值越大古鹽度越高，當(Sr/Ba)>1為咸水沉積環境，(Sr/Ba)<1為淡水沉積環境[9]。牛莊洼陷沙四上的下部沉積時期(Sr/Ba)>1，為明顯的咸水環境, 沙四上的中上部沉積時期Sr/Ba比值變小(0.7～1.0)，為淡水沉積環境，進入沙三下之后Sr/Ba比值進一步減小(0.35～0.85)，進一步向淡水環境轉化，整體上反映了初期古鹽度高、后期古鹽度相對較低的變化趨勢。

3.4 水體氧化還原性

一般用V/(V+Ni)比值來表征沉積環境的氧化還原性，V/(V+Ni)比值越大還原性越強。當(V/(V+ Ni))>0.46為氧化環境, (V/(V+Ni))<0.46 為還原環境。牛莊洼陷沙三下—沙四上沉積時期V/(V+Ni)比值在0.85～0.95之間波動，整體處于還原環境[9]。沙四上與沙三下相比, V/(V+Ni)大約高0.15～0.35, 表明沙四上的還原環境較沙三下更強。

4 沉積環境與巖石組合

牛莊洼陷沙三下—沙四上時期湖盆古氣候多變, 由蒸發和降雨作用導致湖盆的古水深和古鹽度發生變化, 進而在穩定的還原環境中形成不同的巖石類型, 致使不同類型的各泥頁巖在縱向上變化疊置。該研究采用巖石特征元素比值法可以建立泥頁巖不同巖石類型與沉積環境之間的關系, 如表3所示。

表3 牛斜55井沙三下—沙四上泥頁巖巖石元素統計表

牛莊洼陷沙三下—沙四上時期湖盆古氣候變化大，紋層狀泥質灰巖、紋層狀灰質泥巖、層狀灰質泥巖的Ca/Al比值相對較高(1.2～6.3)，表示為相對干燥的沉積環境；層狀泥巖、塊狀泥巖、塊狀砂質泥巖的Ca/Al比值相對較低(0.7～5.3)，表示為相對暖濕的沉積環境。這反映了在相對干燥的古環境中，沉積盆地中的水受到蒸發，造成碳酸鹽濃度增大，古鹽度變大；當沉積盆地轉向相對暖濕的沉積環境時，降雨量的增加會稀釋水中的碳酸鹽，使其濃度減小，古鹽度變小。

從不同巖石的Fe/Mn比值來看，紋層狀泥質灰巖、紋層狀灰質泥巖的Fe/Mn比值較小(22.3～131.2)，表示古沉積水體相對較深；而塊狀泥巖、塊狀砂質泥巖的Fe/Mn比值較大(25.5～153.1)，表示古沉積水體相對較淺；層狀灰質泥巖、層狀泥巖介于兩者之間。這反映了在水體相對較深的沉積環境中，水動力條件相對較弱，水體擾動破壞能力弱，更容易形成紋層狀的沉積構造；而在水體相對較淺的沉積環境中，水動力相對較強，更容易接受近岸的細粒砂巖，也更容易形成塊狀構造。

從不同巖石的Sr/Ba比值來看，紋層狀泥質灰巖、紋層狀灰質泥巖、層狀灰質泥巖的Sr/Ba比值相對較高(0.13～1.21)，表示為古鹽度相對高的沉積環境；而層狀泥巖、塊狀泥巖、塊狀砂質泥巖的Sr/Ba相對較低(0.10～1.15)，表示為古鹽度相對低的沉積環境。古鹽度相對高的沉積環境碳酸鹽巖礦物濃度較大，容易形成泥質灰巖或者灰質泥巖；古鹽度相對低的沉積環境碳酸鹽巖礦物濃度較小，更容易形成泥巖或者砂質泥巖。

從泥頁巖元素比值數據分析來看，研究區沙三下—沙四上各類巖石V/(V+Ni)比值基本在0.85～0.95之間波動，但相差不大，均呈現出穩定的還原環境。

5 結論

1)依據礦物組分含量和沉積構造，牛莊洼陷沙三下—沙四上泥頁巖可劃分為紋層狀泥質灰巖、紋層狀灰質泥巖、層狀灰質泥巖、層狀泥巖、塊狀泥巖和塊狀砂質泥巖6種主要的巖石類型，其中紋層狀泥質灰巖、紋層狀灰質泥巖、層狀灰質泥巖、層狀泥巖可溶烴滯留油一般高于10 mg/g，具有相對較好的儲集性與含油性，塊狀泥巖、塊狀砂質泥巖則較差。

2)依據Ca/Al, Fe/Mn, Sr/Ba和V/(V+Ni)等特征元素的比值，確定了牛莊洼陷自沙四上沉積時期向沙三下沉積時期在整體上處于穩定的還原環境(V/(V+Ni)為0.85～0.95)條件下由相對干燥((Ca/Al)>3.5)轉向暖濕((Ca/Al)<3.5)的古氣候特征，由相對深((Fe/Mn)<50)逐漸變淺((Fe/Mn)>50)的古水深特征，以及由淡水((Sr/Ba)<1)環境向更淡的環境轉化的古鹽度特征。

3)牛莊洼陷沙三下—沙四上時期湖盆古氣候多變，由蒸發和降雨作用導致湖盆的古水深和古鹽度發生變化，造成了在水體相對較深的沉積環境中更容易形成紋層狀的沉積構造，在古鹽度相對高的沉積環境容易形成泥質灰巖或者灰質泥巖的現象。