沾化凹陷沙河街组页岩气成藏条件研究

张春池，彭文泉，胡小辉，高兵艳，张 文

(1.山东省地质调查院，山东 济南 250014；2.山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250109；3.山东省地矿工程集团有限公司，山东 济南 250200)

0 引 言

沾化凹陷是济阳坳陷东北部的次一级新生代沉积盆地，也是胜利油田的传统原油产区。以往工作以常规油气勘查为主[1-4]，涉及页岩气生储方面的研究较少，此次研究主要是利用地矿系统施工的济页参1井资料，从岩性、沉积环境等方面进行分析，认为沾化凹陷沙河街组发育的厚层暗色泥页岩为深湖相沉积；有机碳含量、生烃潜量、氯仿沥青“A”值均较高，具备页岩气形成的条件和物质基础；干酪根类型以Ⅰ型为主，镜质体反射率最高超过2.0%，说明有机质具有较强的生烃能力，且部分进入大量生烃阶段。通过分析论述指明了沾化凹陷沙河街组三段下部及以深为页岩气生储有利层段，具有较好的勘探开发前景。

1 区域地质背景

1.1 区域构造背景

沾化凹陷四周被凸起包围，北侧为埕子口凸起，西侧为义和庄凸起，南侧为陈家庄凸起，东侧是青坨子凸起，中间发育有规模较小的孤岛凸起；凸起之间与外围凹陷相连(图1)，整体为向北东敞开的“北断南超”型山间箕状盆地[5]。

图1 沾化凹陷构造示意图

1.2 区域地质概况

沾化凹陷为新生代沉积盆地，地表被第四系覆盖。凹陷基底有新太古界、古生界及中生界，在凸起及凸起边部均有钻井揭露；基底之上沉积了巨厚的新生代地层，发育有古近系孔店组、沙河街组、东营组，新近系馆陶组、明化镇组和第四系。

古近系孔店组岩性以泥岩与砂岩、含砾砂岩不等厚互层为主；沙河街组岩性以泥岩为主，夹砂岩、灰岩、油页岩等；东营组岩性主要为泥岩与砂砾岩互层。新近系馆陶组以砾岩、砂岩夹泥岩为主；明化镇组岩性为泥岩、粉砂岩、细砂岩、含砾砂岩等不同组合。第四系主要由黏质砂土、黏土及粉细砂组成。

2 沙河街组岩性特征及沉积环境

2.1 泥页岩发育特征

沾化凹陷新生代泥页岩较为发育，其中，沙河街组泥页岩沉积厚度最大，暗色泥页岩最为发育[6]，济页参1井沙河街组自下而上分别划分为沙河街组四段、三段、二段及一段。各段岩性特征分述如下。

沙河街组四段岩性为深灰色泥质膏岩、膏质泥岩、灰质泥岩、泥岩、灰质油泥岩、灰褐色油泥岩夹深灰色白云质泥岩，埋深为3 598.00 m，厚度为67.47 m(未揭穿)。

沙河街组三段下部岩性以深灰色灰质泥岩、油泥岩、泥岩和灰质油泥岩为主；中部岩性以灰色、深灰色泥岩为主，夹深灰色灰质泥岩和油泥岩；上部岩性以深灰色泥岩、灰褐色油泥岩、油页岩为主，夹砂岩组合，埋深为3 082.00 m，厚度为516.00 m。

沙河街组二段下部以浅灰色砂岩、泥岩互层为主，上部以浅棕—棕色泥岩夹粉砂岩为主，埋深为2 888.50 m，厚度为193.50 m。

沙河街组一段岩性以灰色、深灰色泥岩，灰质油泥岩间互层，底部以灰褐色油页岩、油泥岩为主，夹生物灰岩及薄层白云岩，埋深为2 616.00 m，厚度为272.50 m。

2.2 沙河街组沉积环境

始新世晚期至渐新世，沾化凹陷沉积了沙河街组地层。始新世晚期(沙河街组四段沉积期)，凹陷边界断裂活动剧烈，凹陷区湖盆地形高差大，周边凸起区风化剥蚀强烈，该时期沉积地层厚度巨大，沾化凹陷形成了以滨浅湖相、半深湖相和深湖相为主的沉积体系[7]，沉积岩性主要为粉砂岩、泥岩、油页岩及灰岩等。

沙河街组三段沉积时期是三角洲发育的鼎盛时期，凹陷中心为深湖相沉积，岩性为浅灰色泥岩及灰质泥岩。沙河街组二段沉积时期以河流相沉积为主，同时发育有三角洲相、湖泊相，近岸水下扇和重力流沉积不发育，沉积岩性以砂岩为主，夹泥岩、粉砂岩。沙河街组一段沉积时期以滨、浅湖相沉积为主，岩性主要为灰绿色泥岩、生物白云岩及油页岩、生物碎屑灰岩等。

3 有机地球化学特征

3.1 有机质丰度

烃源岩有机质丰度通常采用有机碳含量、氯仿沥青“A”含量、生烃潜量等指标来评价[8]，是判定烃源岩优劣和生烃潜力的重要依据。

3.1.1 有机碳含量(TOC)

有机碳含量是反映烃源岩生烃能力的重要指标[9-11]。济页参1井沙河街组有机碳含量为0.08%～9.33%，平均为2.30%。其中，沙河街组一段有机碳含量为2.14%～9.33%，平均为4.60%，全部为好烃源岩；沙河街组二段有机碳含量为0.08%～0.49%，平均为0.19%，92%的样品为非烃源岩；沙河街组三段有机碳含量为1.00%～5.11%，平均为2.39%，全部为好烃源岩；沙河街组四段有机碳含量为1.08%～1.79%，平均为1.55%(表1)，全部为好烃源岩。从有机碳含量来看，沙河街组一段、三段、四段泥页岩均为好烃源岩，沙河街组一段有机碳含量平均值最高，沙河街组三段次之；沙河街组二段泥页岩有机碳含量低，绝大部分样品未达到烃源岩指标[12]。

表1 有机质丰度数据统计

3.1.2 氯仿沥青“A”

氯仿沥青“A”指示有机物质向原油转化的程度，是有机质丰度评价的重要指标。济页参1井沙河街组氯仿沥青“A”为0.001 9%～1.700 8%，平均为0.552 8%。其中，沙河街组沙一段平均为1.121 9%，沙河街组沙二段平均为0.011 6%，沙河街组三段平均为0.605 1%，沙河街组四段平均为0.028 2%。仅从该井氯仿沥青“A”来看，沙河街组一段、三段均为好烃源岩，好于沙河街组二段、四段的较差烃源岩。

3.1.3 生烃潜量(S1+S2)

济页参1井生烃潜量分析数据显示，沙河街组S1+S2为0.08～81.36 mg/g，平均为13.24 mg/g。其中，沙河街组一段为1.26～81.36 mg/g，平均为35.06 mg/g，沙河街组三段平均为12.95 mg/g，为好烃源岩或以好烃源岩为主；沙河街组二段、四段最大值均小于0.50 mg/g，为非烃源岩。

3.1.4 有机质丰度综合分析

通过有机碳含量、氯仿沥青“A”和生烃潜量3个参数对济页参1井沙河街组泥页岩有机质丰度进行评价。沙河街组一段在3个参数评价中均为好烃源岩，综合评价为好烃源岩；沙河街组二段泥页岩有机碳含量样品中92%为非烃源岩，氯仿沥青“A”、生烃潜量评价均为非烃源岩，综合评价为非烃源岩；沙河街组三段在有机碳含量、氯仿沥青“A”评价中为好烃源岩，生烃潜量评价以好烃源岩为主，综合评价为较好—好烃源岩；沙河街组四段泥页岩有机碳含量评价为好烃源岩，氯仿沥青“A”评价为较差烃源岩，生烃潜量评价为非烃源岩，因其热演化成度较高，部分有机质已转化为烃类并发生了运移[13-14]，影响了氯仿沥青“A”和生烃潜量的评价结果，综合评价为较好—好烃源岩。

3.2 干酪根类型

沾化凹陷沙河街组沉积时期动植物繁盛，有机质丰富，有机质类型以生烃能力最好的Ⅰ型干酪根为主[15-16]，少量Ⅱ型干酪根。济页参1井获取的37块沙河街组干酪根样品中：Ⅰ型为28块、Ⅱ1型为8块、Ⅱ2型为1块，充分反映了沙河街组暗色泥页岩在生烃和有机质转化油气能力方面的优势。其中，沙河街组一段、四段样品全部为Ⅰ型干酪根，沙河街组三段样品中Ⅰ型干酪根占77%，沙河街组二段样品全部为Ⅱ型干酪根(图2)。

图2 沙河街组各段干酪根类型

3.3 镜质体反射率(Ro)

从济页参1井镜质体反射率(Ro)样品分析数据来看，沙河街组一段、二段Ro值小于0.50%(图3)，未进入生烃门限，随深度增加逐渐增大，至沙河街组三段中上部达到低成熟阶段(0.50%≤Ro<0.70%)；沙河街组三段下部Ro值达到1.13%，进入成熟阶段(0.70%≤Ro<1.30%)；沙河街组四段Ro值增大至2.22%～2.28%，达到过成熟阶段(Ro≥2.00%)[17]。从济页参1井Ro值变化来看，沙河街组三段中部及以上的Ro<0.70%，处于未进入生烃门限或低成熟生油为主，沙河街组三段下部有机质以油气共生为主，沙河街组四段有机质以生气为主[18]。因此，沙河街组一段、二段不满足页岩气生成条件，沙河街组三段下部和沙河街组四段具有页岩气形成条件和勘查潜力。沙河街组四段Ro值突然增大，可能与凹陷内的岩浆岩活动有关。

图3 济页参1井镜质体反射率随深度变化规律

4 储集物性特征

4.1 孔隙度和渗透率

4.1.1 孔隙度

济页参1井42块样品显示，沙河街组三段下部泥页岩孔隙度为3.6%～9.3%，平均为6.4%。根据《页岩气资源/储量计算与评价技术规范》(DZ/T 0254—2014)中页岩气储层孔隙度分类[19]，页岩气层孔隙度分类为低的样品9块，占样品总数的21%；页岩气层孔隙度分类为中的样品33块，占样品总数的79%。说明沾化凹陷沙河街组三段下部孔隙度较发育，分类主要为中，有利于游离气的储存和运移。

4.1.2 渗透率

济页参1井沙河街组三段下部无裂缝发育的31块泥页岩样品渗透率为0.08～0.67 mD，平均为0.31 mD；有裂缝发育的3块泥页岩样品渗透率为1.99～3.60 mD，平均为2.57 mD。由此可见，裂缝的发育对渗透率影响至关重要，裂缝的存在为页岩气的运移和后期改造创造了有利条件[20]。

4.2 矿物成分

4.2.1 脆性矿物

随着泥页岩中脆性矿物成分含量的增加，岩石的强度和脆性程度随之提高；脆性矿物含量越高，越易形成裂缝，裂缝既为油气提供储集空间，也连通泥页岩自身的孔隙，裂缝网状系统连续分布，扩大了供烃范围，提高了储集层的渗流能力[21-22]。

沾化凹陷沙河街组脆性矿物含量大于52%，主要由碳酸盐矿物(方解石、白云石)、石英、长石(钾长石、斜长石)和其他矿物(黄铁矿、菱铁矿)组成。碳酸盐矿物中方解石含量最高值为63%，平均为30%；白云石含量最高值为23%，平均为9%；石英含量最高值为39%，平均为24%；斜长石含量最高值为11%，平均为5%；钾长石少量样品检出，最高值为6%。其他矿物中黄铁矿最高值为19%，平均为8%；菱铁矿少量样品检出，最高值为9%(图4)。

黄铁矿分布于沙河街组一段、三段，沙河街组二段仅检出少量菱铁矿；黄铁矿为还原条件下沉积的产物，而菱铁矿为低氧环境的产物，充分说明沙河街组二段为弱氧化环境沉积，而沙河街组一段、三段为还原环境沉积。

4.2.2 黏土矿物

沾化凹陷沙河街组18块样品中黏土矿物含量为14%～48%，平均为24%；黏土矿物成分有伊利石、伊蒙混层、高岭石、绿泥石。黏土矿物中伊利石含量为31%～100%，平均为70%；伊蒙混层有9块样品检出，检出样品平均值为46%；高岭石有10块样品检出，检出样品平均值为11%；绿泥石有9块样品检出，检出样品平均值为2%(图5)。

沙河街组三段大部分样品黏土矿物全部为伊利石，伊利石有2个来源[23]：一是蒙脱石与钾离子转化而来，二是由高岭石和钾长石转化而来。

图4 济页参1井全岩矿物成分含量

图5 济页参1井黏土矿物成分含量

5 目标层位的确定

通过分析区域地质背景，对钻孔岩心、岩屑观察并结合沉积环境研究，认为沙河街组一段、三段、四段为暗色泥页岩发育层段。有机地球化学分析数据显示，沙河街组一段、三段和四段有机质丰度较高，综合评价为好或较好—好烃源岩，干酪根类型以Ⅰ型为主，生烃能力强；沙河街组三段中部以上镜质体反射率小于0.70%，以低成熟为主，未进入大量生气阶段；沙河街组三段下部以深镜质体反射率值不断增高，进入油气共生的成熟阶段，沙河街组四段镜质体反射率大于2.00%，已进入大量生气的过成熟阶段。沙河街组三段下部泥页岩孔隙度平均为6.4%，部分泥页岩样品发育有裂缝，提高了渗透率值，且脆性矿物含量超过52%，增大了页岩气的储存空间和运移通道，利于后期压裂改造和集气增产。综合确定沙河街组三段下部和四段为页岩气生储层和勘查目标层位。

6 结 论

(1) 济页参1井揭露沙河街组一段、三段、四段岩性以泥岩夹油页岩为主，为深湖相沉积的产物；沙河街组二段岩性砂岩与浅色调泥岩互层为主，为河流相沉积为主。深湖相沉积的泥页岩为页岩气形成创造了有利条件。

(2) 沙河街组暗色泥页岩有机质含量大于1%，烃源岩评价主要为好烃源岩，有机质类型以Ⅰ型为主，具有页岩形成的物质基础和生烃能力；沙河街组三段下部以深范围镜质体反射率大于1.00%，最高达2.28%，说明有机质已进入油气共生或大量生气阶段。

(3) 泥页岩孔隙度为3.6%～9.3%，部分泥岩发育裂缝，大大提高泥页岩渗透率，有利于页岩气的储存和运移；脆性矿物大于52%，有利于后期人工造缝。

(4) 从沉积环境及地质特征、有机地球化学特征、储集物性特征综合分析认为，沙河街组三段下部和沙河街组四段具备优越的页岩气生储条件，是沾化凹陷下一步页岩气勘查工作的重点。