牛庄洼陷沙三下—沙四上泥页岩特征及沉积环境

王春伟，孙志峰，杜焕福

(1. 中石化经纬有限公司，山东 东营 257015；2. 海域泰和(山东)能源科技有限公司，山东 东营 257015；3. 山东石油化工学院 油气工程学院，山东 东营 257015)

0 引言

泥页岩是重要的非常规油气储层，前期胜利油田在牛庄洼陷页岩油方面一直没有取得突破。自2019年以来，泥页岩油勘探取得了较大进展，证明了该区非常规油气勘探潜力巨大。目前国内外在非常规油气勘探中，往往将区域内泥页岩做笼统评价，缺乏对不同类型泥页岩岩石学特征及沉积演化成因的具体认识。在不同沉积环境下，泥页岩的矿物成分与沉积构造不同，这就会导致泥页岩岩石学特征有所差异[1-2]。认识泥页岩不同岩石类型的特征，了解其和沉积环境之间的关系，对非常规油气勘探具有重要意义[3-4]。

该研究以牛庄洼陷的牛斜55井为例，在充分应用化验测试数据的基础上，分析泥页岩不同岩石类型的储集性、含油性差异，研究不同岩石类型与沉积环境的关系，旨在为研究区非常规油气勘探提供地质依据。

1 区域地质背景

牛庄洼陷位于渤海湾盆地济阳坳陷南部东营凹陷内，北靠中央背斜带，南面与广饶凸起相接，是基底为古生界的断陷-坳陷湖盆，如图1所示。洼陷自下而上依次发育古近系孔店组、沙河街组、东营组及新近系馆陶组、明化镇组，在沙河街组的沙三下—沙四上发育厚度为800～1 600 m的暗色泥页岩，具有很大的非常规油气资源潜力，是牛庄洼陷油气勘探的重要新领域，也是该文研究的重点对象[5-6]。

图1 东营凹陷牛庄洼陷构造简图Fig.1 Structural location map of Niuzhuang subsag in Dongying sag

2 泥页岩岩石学特征

2.1 岩石类型划分

1)矿物组分。牛庄洼陷沙河街组沙三下—沙四上亚段泥页岩在矿物成分上具有富含碳酸盐矿物和碎屑矿物的特征[7-8]。对牛斜55井取心段进行全岩X射线衍射分析，结果表明(实验数据大于120点)，牛斜55井沙四上页岩油储层矿物组成主要为方解石、黏土矿物及石英碎屑，其次有铁白云石、斜长石、黄铁矿等。黏土矿物和长石石英矿物含量为10%～50%，碳酸盐岩矿物含量为15%～75%，含量变化大，如表1所示。

表1 牛斜55井取心段全岩分析矿物成分统计表

2)沉积构造。沉积构造是区分岩石的又一重要特征[6]。牛庄洼陷沙三下—沙四上泥页岩主要发育纹层状构造(层理厚度小于1 mm)、层状构造(层理厚度大于1 mm)和块状构造(层理不发育)。纹层状构造和层状构造是由1种或几种层理在垂向上叠置而成，一般可见到颜色呈深浅相交出现[9-10]，深色层理主要是由黏土矿物构成，而浅色层理则富含方解石。块状构造在研究区发育相对较少，其矿物成分分布比较均匀，结构差异较小。牛庄洼陷泥页岩沉积构造划分示意图如图2所示。

图2 牛庄洼陷泥页岩沉积构造划分示意图Fig.2 Schematic diagram of sedimentary structure division of shale in Niuzhuang subsag

2.1.2 划分方案和类型

通过岩心和镜下观察，考虑研究区的实际情况，根据前人在东营凹陷泥页岩的相关研究成果，结合矿物成分、沉积构造及沉积岩的3级命名法对牛庄洼陷泥页岩进行了细分，如表2所示[10-12]。牛庄洼陷泥页岩主要有6种岩石类型：纹层状泥质灰岩、纹层状灰质泥岩、层状灰质泥岩、层状泥岩、块状泥岩和块状砂质泥岩，其中纹层状灰质泥岩、层状灰质泥岩和层状泥岩在研究区发育较广泛。

表2 牛庄洼陷泥页岩岩石类型划分表

2.2 岩石学特征

通过岩心观察、岩矿薄片、扫描电镜、显微荧光和多维核磁等方法，发现牛庄洼陷沙三下—沙四上泥页岩不同岩石类型的储集性和含油性差异较大，非均质性较强。

2.2.1 纹层状泥质灰岩

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纹层极发育，性脆，纹层间发育大量灰质条带，微裂缝发育(如图3a1所示)，方解石(平均值33%)、黏土矿物(平均值30%)含量高。储集空间主要为黏土矿物晶间孔、碳酸盐矿物晶间孔、微裂缝(分为构造缝和层理缝2种)、晶内孔(如图3a2～图3a4所示)。岩石热解分析其轻烃滞留油S1(3.56 mg/g)、可溶烃滞留油S2(18.4 mg/g)值高，整体含油性好。

2.2.2 纹层状灰质泥岩

纹层极发育，性脆，纹层间发育少量灰质条带，微裂缝发育(如图3b1所示)，黏土矿物(平均值31%)含量高，方解石(平均值26%)含量相比纹层状泥质灰岩较低。其储集和含油性特征与纹层状泥质灰岩相相近(如图3b2～图3b4所示)。

2.2.3 层状灰质泥岩

层状构造发育，见明显灰质，碳酸盐矿物呈条带状分布(如图3c1所示)，黏土矿物(平均值32%)、方解石(平均值19%)含量较高。储集空间主要为黏土矿物晶间孔、碳酸盐矿物晶间孔，微裂缝较不发育(如图3c2～图3c4所示)。岩石热解分析其轻烃滞留油S1(2.63 mg/g)、可溶烃滞留油S2(13.1 mg/g)较高，整体含油性较好。

2.2.4 层状泥岩

层状构造发育(如图3d1所示)，黏土矿物(平均值40%)含量高。储集空间主要为黏土矿物晶间孔，微裂缝较不发育。其含油性特征与层状灰质泥岩相相近(如图3d2～图3d4所示)。

2.2.5 块状泥岩

泥质块状发育(如图3e1所示)，黏土矿物(平均值38%)含量高。储集空间主要为黏土矿物晶间孔(如图3e2～图3e4所示)。岩石热解分析其轻烃滞留油S1(2.01 mg/g)、可溶烃滞留油S2(7.10 mg/g)较低，整体含油性相对较差。

2.2.6 块状砂质泥岩

泥质块状发育(如图3f1所示)，黏土矿物(平均值33%)含量高，石英(平均值23%)含量明显。储集空间主要为黏土矿物晶间孔、石英矿物晶间孔(如图3f2～图3f4所示)。岩石热解分析其轻烃滞留油S1(2.15 mg/g)、可溶烃滞留油S2(8.31 mg/g)较低，整体含油性相对较差。

综上所述，牛庄洼陷沙三下—沙四上泥页岩主要储集空间为黏土矿物晶间孔、碳酸盐矿物晶间孔、石英矿物晶间孔及微裂缝[13-15]，其中黏土矿物晶间孔发育普遍，微裂缝主要存在于纹层状岩石中，泥质灰岩、灰质泥岩碳酸盐矿物晶间孔发育，砂质泥岩中多见石英矿物晶间孔。纹层状泥质灰岩、纹层状灰质泥岩、层状灰质泥岩、层状泥岩具有相对较好的储集性与含油性，块状泥岩、块状砂质泥岩的储集性与含油性相对较差。

图3 牛斜55井沙三下—沙四上亚段泥页岩主要岩相微观特征Fig.3 Main lithofacies microfacies characteristics of shale in the lower member of Sha3 and upper member of Sha4 of well Niuxie55

3 沉积环境分析

沉积环境的变化会影响岩石中不同元素含量的变化, 因此, 可以用岩石中某些特征的元素比值反映出古沉积环境(古气候、古水深、古盐度、水体氧

化还原性)的变化。文中依据牛庄洼陷沙三下—沙四上取心井段的元素分析实测数据(元素仪测试, 数据大于300个点, 误差小于5%)得到Ca，Ba，Fe，Mn等多种岩石特征元素的含量, 通过分析数据的差异来判定沉积环境的变化, 如图4所示[16-17]。

图4 牛斜55井(垂深)沙三下—沙四上泥页岩沉积环境演化特征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 古气候

Ca/Al比值可以表征古环境的干燥和暖湿条件，Ca/Al比值越大古气候越干燥。通常认为当(Ca/Al)> 3.5时为相对干燥环境，(Ca/Al)<3.5时为相对暖湿环境[9]。牛庄洼陷沙四上沉积时期，Ca/Al比值相对较大(3.5～6.5)且自下而上逐渐变小, 反映出沉积环境由干燥转为相对暖湿；到沙三下沉积时期, Ca/Al比值继续呈减小的趋势(1.8～3.8), 表明古气候向更加暖湿的环境转化。

3.2 古水深

Fe/Mn比值可以表征古沉积环境水体深度, 比值越大古水深越浅。Fe/Mn比值主要表征水体深浅的相对大小，对于不同的沉积地区难以做到绝对统一量化。牛庄洼陷沙四上沉积时期，Fe/Mn比值整体上偏小(50～100)且自下而上逐步变大，表明沉积初期古水体相对较深，随时间推移古水体逐渐变浅；到沙三下沉积时期，Fe/Mn比值继续呈现增大的趋势(100～165)，表明古水深进一步逐渐变浅。

3.3 古盐度

Sr/Ba比值一般为古盐度的判别指标，Sr/Ba比值越大古盐度越高，当(Sr/Ba)>1为咸水沉积环境，(Sr/Ba)<1为淡水沉积环境[9]。牛庄洼陷沙四上的下部沉积时期(Sr/Ba)>1，为明显的咸水环境, 沙四上的中上部沉积时期Sr/Ba比值变小(0.7～1.0)，为淡水沉积环境，进入沙三下之后Sr/Ba比值进一步减小(0.35～0.85)，进一步向淡水环境转化，整体上反映了初期古盐度高、后期古盐度相对较低的变化趋势。

3.4 水体氧化还原性

一般用V/(V+Ni)比值来表征沉积环境的氧化还原性，V/(V+Ni)比值越大还原性越强。当(V/(V+ Ni))>0.46为氧化环境, (V/(V+Ni))<0.46 为还原环境。牛庄洼陷沙三下—沙四上沉积时期V/(V+Ni)比值在0.85～0.95之间波动，整体处于还原环境[9]。沙四上与沙三下相比, V/(V+Ni)大约高0.15～0.35, 表明沙四上的还原环境较沙三下更强。

4 沉积环境与岩石组合

牛庄洼陷沙三下—沙四上时期湖盆古气候多变, 由蒸发和降雨作用导致湖盆的古水深和古盐度发生变化, 进而在稳定的还原环境中形成不同的岩石类型, 致使不同类型的各泥页岩在纵向上变化叠置。该研究采用岩石特征元素比值法可以建立泥页岩不同岩石类型与沉积环境之间的关系, 如表3所示。

表3 牛斜55井沙三下—沙四上泥页岩岩石元素统计表

牛庄洼陷沙三下—沙四上时期湖盆古气候变化大，纹层状泥质灰岩、纹层状灰质泥岩、层状灰质泥岩的Ca/Al比值相对较高(1.2～6.3)，表示为相对干燥的沉积环境；层状泥岩、块状泥岩、块状砂质泥岩的Ca/Al比值相对较低(0.7～5.3)，表示为相对暖湿的沉积环境。这反映了在相对干燥的古环境中，沉积盆地中的水受到蒸发，造成碳酸盐浓度增大，古盐度变大；当沉积盆地转向相对暖湿的沉积环境时，降雨量的增加会稀释水中的碳酸盐，使其浓度减小，古盐度变小。

从不同岩石的Fe/Mn比值来看，纹层状泥质灰岩、纹层状灰质泥岩的Fe/Mn比值较小(22.3～131.2)，表示古沉积水体相对较深；而块状泥岩、块状砂质泥岩的Fe/Mn比值较大(25.5～153.1)，表示古沉积水体相对较浅；层状灰质泥岩、层状泥岩介于两者之间。这反映了在水体相对较深的沉积环境中，水动力条件相对较弱，水体扰动破坏能力弱，更容易形成纹层状的沉积构造；而在水体相对较浅的沉积环境中，水动力相对较强，更容易接受近岸的细粒砂岩，也更容易形成块状构造。

从不同岩石的Sr/Ba比值来看，纹层状泥质灰岩、纹层状灰质泥岩、层状灰质泥岩的Sr/Ba比值相对较高(0.13～1.21)，表示为古盐度相对高的沉积环境；而层状泥岩、块状泥岩、块状砂质泥岩的Sr/Ba相对较低(0.10～1.15)，表示为古盐度相对低的沉积环境。古盐度相对高的沉积环境碳酸盐岩矿物浓度较大，容易形成泥质灰岩或者灰质泥岩；古盐度相对低的沉积环境碳酸盐岩矿物浓度较小，更容易形成泥岩或者砂质泥岩。

从泥页岩元素比值数据分析来看，研究区沙三下—沙四上各类岩石V/(V+Ni)比值基本在0.85～0.95之间波动，但相差不大，均呈现出稳定的还原环境。

5 结论

1)依据矿物组分含量和沉积构造，牛庄洼陷沙三下—沙四上泥页岩可划分为纹层状泥质灰岩、纹层状灰质泥岩、层状灰质泥岩、层状泥岩、块状泥岩和块状砂质泥岩6种主要的岩石类型，其中纹层状泥质灰岩、纹层状灰质泥岩、层状灰质泥岩、层状泥岩可溶烃滞留油一般高于10 mg/g，具有相对较好的储集性与含油性，块状泥岩、块状砂质泥岩则较差。

2)依据Ca/Al, Fe/Mn, Sr/Ba和V/(V+Ni)等特征元素的比值，确定了牛庄洼陷自沙四上沉积时期向沙三下沉积时期在整体上处于稳定的还原环境(V/(V+Ni)为0.85～0.95)条件下由相对干燥((Ca/Al)>3.5)转向暖湿((Ca/Al)<3.5)的古气候特征，由相对深((Fe/Mn)<50)逐渐变浅((Fe/Mn)>50)的古水深特征，以及由淡水((Sr/Ba)<1)环境向更淡的环境转化的古盐度特征。

3)牛庄洼陷沙三下—沙四上时期湖盆古气候多变，由蒸发和降雨作用导致湖盆的古水深和古盐度发生变化，造成了在水体相对较深的沉积环境中更容易形成纹层状的沉积构造，在古盐度相对高的沉积环境容易形成泥质灰岩或者灰质泥岩的现象。