胶莱坳陷页岩气资源潜力评价

孙伟清，彭文泉，高兵艳，张文，王英鹏，郝兴中

(1.山东省地质科学研究院，国土资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室，山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，山东 济南 250013；2.山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250109;3.山东省地质调查院，山东 济南 250013)

胶莱坳陷位于山东省东部，常规油气勘查工作始于20世纪80年代[1-2]，先后多口探井钻遇水南组时见沥青、油迹、油斑及荧光显示等，其中莱孔2井1小时产原油5kg，充分证明胶莱坳陷具有油气生成的物质基础和形成条件。但随着工作开展至今，未实现常规油气勘查的突破[3]。近年来，页岩气资源勘查工作不断升温，针对胶莱坳陷烃源岩研究不断深入，依据山东省开展的页岩气资源潜力调查评价资料，在分析研究胶莱坳陷地质背景和沉积环境的基础上，对烃源岩的有机地化条件、储集物性条件等进行深入分析探讨，认为胶莱坳陷具备页岩气生储条件，并估算了页岩气资源潜力，为进一步页岩气资源勘查指出了方向。

1 区域地质背景

1.1 构造背景

胶莱坳陷分布于胶北隆起与胶南隆起之间，大致呈NE方向延伸，为东北窄而西南宽的菱形盆地[4-5]，是山东省东部一个典型的晚中生代伸展断陷盆地，面积约12000km2。

胶莱坳陷西侧受控于NNE向的郯庐断裂带，南侧为五莲断裂所控制，北界除了平度断裂以外，大部分超覆在胶北隆起之上，东侧NNE走向的牟平-即墨断裂带将盆地分割为东西两部分。胶莱坳陷东部为海阳凹陷，其基底属于胶南造山带，为一个单斜的构造单元；西部由莱阳凹陷、大野头凸起、高密凹陷、平度凹陷、夏格庄凹陷、李党家-马山凸起、诸城凹陷和柴沟地垒构成，桃村凹陷分布于牟平-即墨断裂带内(图1)。

1—断裂；2—构造单元界线；3—超覆或剥蚀边界；4—钻孔位置及编号图1 胶莱坳陷构造单元区划图

1.2 地层发育特征

胶莱坳陷中生代地层是在太古-元古宙变质结晶岩系之上发育的以碎屑岩类为主的沉积地层，主要有莱阳群、青山群和王氏群；中生界之上发育有新生代古近纪五图群、新近纪临朐群和第四系。

1.2.1 白垩纪莱阳群

莱阳群在胶莱坳陷内广泛分布，为一套不整合于基底之上和青山群之下的河湖相沉积，在胶莱坳陷的不同位置岩性变化较大，从山麓洪积相至河流相、湖泊相均有发育，且露头良好，含丰富的生物群动、植物化石。莱阳群发育厚度变化较大，莱阳凹陷最大发育厚度近3000m，诸城凹陷最大发育厚度也超过2500m。

莱阳群3个暗色泥岩发育层段，分别为莱阳群瓦屋夼组、水南组和法家茔组[6]。

瓦屋夼组：岩性主要为灰黄、黄绿色砂岩、页岩；底部有少量砾岩，分布较为局限。在山前店一带发育厚度最大，厚约100m，向四周逐渐变薄，该组内黑色泥页岩发育最大厚度不足15m。

水南组：岩性以页岩、泥岩、粉砂岩为主，化石丰富且分布范围较广，厚度一般为200～443m，最大厚度超过500m，暗色泥页岩发育，占比较大，泥地比大于70%。是胶莱坳陷暗色泥页岩发育厚度最大，分布范围最广的层组。

法家茔组：上部为含砾粗砂岩，局部夹流纹质凝灰岩，下部以灰绿—灰黑色、紫色细砂岩、粉砂岩、页岩为主；法家茔组厚度超过400m，但仅底部发育一段灰绿—灰黑色页岩、泥岩，夹薄层的粉砂质泥岩，累计厚度不足15m。

1.2.2 白垩纪青山群

青山群为一套岩性复杂的火山岩和火山碎屑岩系，其中夹少量碎屑岩，下部为英安质火山角砾岩、安山质集块岩和凝灰岩，中部为安山岩、安山质集块角砾岩夹凝灰岩，上部为紫灰色、灰黑色的安山岩、橄榄玄武岩以及安山玄武岩，火山岩中普遍见有气孔及杏仁构造。

1.2.3 白垩纪王氏群

王氏群为一套河流相红色碎屑岩，夹滨浅湖相杂色碎屑岩及少量泥灰岩。王氏群划分为林家庄组、辛格庄组、红土崖组、金岗口组和胶州组。林家庄组主要岩性为灰紫色、灰色砾岩和砂砾岩夹紫红色细砂岩、粉砂岩，砾石成分主要为火山岩；辛格庄组以紫红、灰绿色粉砂岩互层为特征，含大量泥灰岩团块及少量灰岩夹层；红土崖组以砖红、紫红色调和粗—细互层为主要特征；金岗口组和胶州组分布局限，色调和粒度较杂，有时可见膏盐及白云岩沉积。

1.3 暗色泥页岩沉积特征

莱阳群的沉积整体体现出了一个湖盆发育的全过程，经历了洪积扇、河流相、湖泊相、河流相的完整旋回，但由于地势高差、构造运动造成的垂向升降的差异，盆地内不同的构造位置所沉积的地层不同，就同一地质阶段而言，陡坡带、缓坡带和中心带往往发育不同的沉积相，岩性特征存在很大差异。

水南组为胶莱坳陷水位最深环境下沉积地层的代表，从水南组分布及岩性变化分析，水南组沉积期在整个胶莱坳陷主要分布有两个湖盆，其物源主要来自于盆地周缘的胶北隆起和胶南隆起带。其中在诸城西南发育一个小型湖盆，且该时期诸城和高密地区为一个统一的构造单元，在盆地中部主要接受河流相的沉积，该时期李党家-马上凸起出露水面，未接受沉积，并为周缘提供少量物源。在盆地北部莱阳、夏格庄以及牟平地区发育一个大型湖盆(图2)，在该区水南组暗色泥页岩最为发育。

1—深湖相；2—浅滨湖相；3—河流相；4—洪积相；5—断裂；6—钻孔位置及编号图2 胶莱坳陷水南组时期沉积相图

2 暗色泥页岩生烃条件

2.1 有机质丰度

有机质丰度通常利用有机碳含量(TOC)、生烃潜量(S1+S2)和氯仿沥青“A”等参数进行表征，有机质丰度也是评价泥页岩生油、生气能力的重要指标。白垩系莱阳群具有典型的陆湖相沉积特征，因此利用黄第藩的陆相烃源岩有机质丰度评价标准[7]对胶莱坳陷烃源岩进行评价。

2.1.1 有机碳含量(TOC)

依据胜利油田莱孔1井、莱孔2井、姜浅3井和山东省地质调查院施工的ZK1～ZK10等13口浅钻获取的47件水南组暗色泥页岩样品有机碳含量测试数据(表1)。从表1可以看出，胶莱坳陷水南组暗色泥页岩有机碳含量(TOC)介于0.17%～2.92%之间，平均为1.04%，其中莱阳凹陷有机碳含量较高，平均值为1.38%，好烃源岩(有机碳含量大于1%)占该凹陷样品总数70%，大于2%的占22%(图3)。桃村凹陷有机碳含量平均值为0.98%，以较好烃源岩为主，较好烃源岩占该凹陷样品总数的46%，好烃源岩占该凹陷样品总数的23%；夏格庄凹陷有机碳含量较低，平均值为0.40%，样品中64%为非烃源岩，说明胶莱坳陷不同次级凹陷内泥页岩沉积环境差距较大，有机碳沉积极不均匀。

2.1.2 生烃潜量(S1+S2)

岩石热解实验是使用Rock Eval热解仪在不同特定温度下加热，分析各阶段从岩石中释放的烃含量的过程，获取的S1为残留烃，相当于岩石中已由有机质生成但尚未排出的残留烃(或称之为游离烃)；所得的S2为裂解烃，是岩石中能够生烃但尚未生烃的有机质所能够生成的烃量。S1+S2即为岩石的生烃潜量，为烃源岩评价有机质丰度的指标之一[8-9]。

表1 胶莱坳陷水南组有机碳含量

据莱参1井、莱孔2井及野外露头样品资料分析，莱阳凹陷生烃潜量为0.01～23.03mg/g，较好和好烃源岩占样品数的53%；夏格庄凹陷生烃潜量为0.27～2.04mg/g，非烃源岩占71%；诸城凹陷生烃潜量为0～0.41mg/g，全部为非烃源岩(图4)。从生烃潜量来看莱阳凹陷生烃潜量较高，为较好、好烃源岩，夏格庄凹陷和诸城凹陷生烃潜量低，以非烃源岩为主。

1—莱阳凹陷；2—桃村凹陷；3—夏格庄凹陷图3 水南组暗色泥页岩有机碳含量分布图

1—莱阳凹陷；2—夏格庄凹陷；3—诸城凹陷图4 水南组暗色泥页岩生烃潜量分布图

2.1.3 氯仿沥青“A”

对胶莱坳陷72件氯仿沥青“A”样品数据进行分析，莱阳凹陷60件氯仿沥青“A”值介于0.0018%～0.204%之间，平均为0.034%；桃村凹陷4件氯仿沥青“A”值介于0.0106%～0.0128%，平均为0.0115%；夏格庄凹陷5件氯仿沥青“A”值介于0.0011%～0.0132%之间，平均为0.0058%；诸城凹陷诸参1井3件氯仿沥青“A”平均值为0.0015%。从氯仿沥青“A”来看，夏格庄凹陷、桃村凹陷以及诸城凹陷均为较差烃源岩或非烃源岩。莱阳凹陷共计60件测试数据，其中50%处于非烃源岩范围，27%的测试样品处于较差烃源岩，较好烃源岩样品占13%，好烃源岩仅占10%(图5)，从氯仿沥青“A”角度评价水南组烃源岩，整体显示为较差烃源岩。

1—莱阳凹陷；2—夏格庄凹陷；3—诸城凹陷；4—桃村凹陷图5 水南组暗色泥页岩氯仿沥青“A”柱状图

2.2 有机质类型

干酪根的类型确定了有机质转化生油气的能力，Ⅰ型干酪根生油气能力最强、Ⅱ型干酪根生油气能力次之，Ⅲ型干酪根最差[10-11]。利用71个干酪根类型测试数据分析，胶莱坳陷水南组泥页岩有机质干酪根Ⅰ型占14%，Ⅱ型占48%(Ⅱ1型占31%、Ⅱ2型占17%)，Ⅲ型占38%(图6)。Ⅰ型、Ⅱ型干酪根主要集中于水南组中上部，Ⅲ型主要集中于水南组下部。说明胶莱坳陷水南组页岩有机质类型主要为Ⅱ型，Ⅲ型次之，具有一定的油气生成能力[12]。且在纵向上有一定分布规律，中上部以Ⅰ型、Ⅱ型为主，下部以Ⅲ型为主。

1—Ⅰ型干酪根；2—Ⅱ1型干酪根；3—Ⅱ2型干酪根；4—Ⅲ型干酪根图6 水南组暗色泥页岩干酪根类型统计图

2.3 成熟度(镜质体反射率Ro)

有机质成熟度往往反映了沉积盆地中烃源岩经历的最高温度，也是烃源岩生气、生油能力判别的重要指标[13-15]。相同烃源岩因有机质成熟度不同，其生油、生气量具有明显的差别[16]。

胶莱坳陷不同构造部位水南组经历了不同的沉积演化史，埋藏深度不同，热演化程度不同。利用胜利油田莱孔2井、莱参1、莱浅2、莱孔1井、姜浅3井以及山东省地质调查院ZK1～ZK10等部分浅井分析测试数据。胶莱坳陷水南组暗色泥页岩成熟度介于0.54%～2.04%，其中介于0.5%～0.7%占24.4%，0.7%～1.3%占60%，大于1.3%占15.6%，总体处于成熟阶段(图7)。

胶莱坳陷各次级构造单元内水南组泥页岩镜质组反射率值亦存在差异：莱阳凹陷水南组泥页岩镜质体反射率介于0.63%～1.46%，平均0.99%；夏格庄凹陷水南组泥页岩介于0.66%～1.01%，平均0.82%；诸城凹陷水南组泥页岩介于1.08%～1.44%，平均1.28%；桃村凹陷水南组泥页岩介于0.92%～1.21%，平均1.11%。

图7 水南组暗色泥页岩镜质组反射率饼图

胶莱坳陷东北部的桃村凹陷镜质组反射率局部高于莱阳凹陷，推测可能受凹陷内后期岩浆侵入的影响，使得有机质成熟度增高；诸城凹陷水南组镜质体反射率整体较高，与该凹陷水南组埋深较大有关，主要是有机质成熟度随埋深增大总体呈现升高趋势[17]。

3 暗色泥页岩储集物性特征

3.1 泥页岩孔隙度

胶莱坳陷水南组暗色泥页岩18个样压汞实验分析结果显示，胶莱坳陷暗色泥页岩孔隙度一般为4.0%～8.0%，孔隙度的变化和总孔容的变化基本一致(图8)。胶莱坳陷内莱阳凹陷孔隙度值明显低于夏格庄凹陷、诸城凹陷，诸城凹陷暗色泥页岩孔隙度较高，均在5%以上；夏格庄凹陷、诸城凹陷个别样品靠近地表，导致实验值偏高。

1—孔隙度；2—比表面积图8 水南组暗色泥页岩孔容与孔隙度测试成果图

3.2 矿物成分特征

全岩X衍射实验测试是获得岩石矿物成分的主要手段之一，利用山东省地质调查院浅井获取的水南组页岩矿物成分测试结果进行分析研究。胶莱坳陷水南组泥页岩的主要矿物为粘土矿物、石英、斜长石、方解石和白云石，菱铁矿、黄铁矿和普通辉石仅在少数几个或个别样品中出现。其中石英含量最高，主要介于9.4%～41.3%之间，平均含量为26.2%；其次，白云石含量介于0～59.6%之间，平均含量为24.0%；另外，斜长石平均含量为15.5%，钾长石平均含量为6.3%，方解石平均含量为4.3%，菱铁矿平均含量为0.2%，黄铁矿平均含量为1.0%，普通辉石平均含量为0.8%。脆性矿物含量远大于30%[18]，有利于泥页岩的人工造缝[19-22]。

胶莱坳陷水南组泥页岩粘土矿物含量较低，主要介于5.9%～49.7%之间(表2)，平均为21.7%。粘土矿物主要由伊蒙混层、伊利石、高岭石、绿泥石及绿蒙混层构成。莱阳凹陷和桃村凹陷粘土矿物含量较低，平均值小于20%，夏格庄凹陷和诸城凹陷粘土矿物含量相对较高，平均值大于30%，且伊蒙混层含量高于莱阳凹陷和桃村凹陷。

表2 胶莱坳陷水南组暗色泥页岩矿物成分统计

3.3 岩石密度

据胶莱坳陷16件水南组泥页岩密度分析结果显示，莱阳凹陷5件和夏格庄凹陷3件水南组泥页岩密度平均值均为2.61g/cm3，桃村凹陷6件水南组泥页岩密度平均为2.70g/cm3，诸城凹陷2件水南组泥页岩密度平均值为2.36g/cm3，各凹陷水南组泥页岩密度值差异明显，推测与地层抬升及上覆地层沉积、剥蚀程度有关[23]。

4 页岩气资源潜力分析

4.1 暗色泥页岩含气性分析

利用胶莱坳陷8个水南组泥页岩样品进行等温吸附试验，校正后莱阳凹陷水南组页岩吸附气含量在0.93～1.33m3/t；夏格庄凹陷水南组页岩吸附气含量在0.55～0.77m3/t；诸城凹陷水南组页岩吸附气含量在0.62～0.87m3/t；桃村凹陷水南组页岩吸附气含量在0.78～1.10m3/t。在埋深100～4500m范围内，各凹陷页岩吸附气含量具有先增大后减小的趋势，在埋深1000m左右，吸附气含量最大，说明页岩吸附气含量在地层浅部受压力正效应影响较大，随着埋深增大，温度负效应的影响逐渐超过压力正效应，使得吸附气含量缓慢降低。

4.2 远景区分布

综合胶莱坳陷莱阳群沉积环境、水南组有机碳含量、生烃潜量、氯仿沥青“A”、干酪根类型、镜质体反射率、泥页岩发育厚度、埋藏深度等，优选水南组4个远景区，分别为莱阳凹陷、夏格庄凹陷、诸城凹陷和桃村凹陷，总面积177km2。

4.3 页岩气资源潜力

胶莱坳陷页岩气主要富集于莱阳群水南组暗色泥页岩中，依据相关估算方法和评价参数[24]，估算胶莱坳陷页岩气总的潜在原地资源量为537.8×108m3。其中莱阳凹陷埋深300～3000m页岩气潜在原地资源量为180.2×108m3；夏格庄凹陷埋深300～2000m页岩气潜在原地资源量为116.7×108m3；诸城凹陷埋深300～4000m页岩气潜在原地资源量为75.2×108m3；桃村凹陷埋深300～2000m页岩气潜在原地资源量为165.7×108m3(图9)。胶莱坳陷页岩气资源具有一定潜力和勘查开发前景。

1—面积；2—资源量图9 胶莱坳陷远景区面积及资源量柱状图

5 结论

(1)胶莱坳陷是山东省中生界发育最好的沉积坳陷，莱阳群水南组暗色泥页岩最为发育，泥地比大于70%，具有明显的陆湖相特征，具备页岩气形成的环境基础。

(2)通过分析莱阳群水南组暗色泥页岩有机地化、储集物性等数据，认为莱阳群水南组暗色泥页岩具有页岩气形成的物质基础，较好的生烃能力，有机质已进入生烃阶段，部分进入大量生气阶段，水南组暗色泥页岩有利于页岩气的赋存和后期压裂改造。

(3)胶莱坳陷水南组干酪根以Ⅱ型为主，镜质体反射率一般在0.7%～1.3%，莱阳凹陷有机质丰度相对最好(TOC平均值为1.38%)，以好烃源岩为主，依次为桃村凹陷(TOC平均值为0.98%)、夏格庄凹陷(TOC平均值为0.40%)，诸城凹陷有机质丰度相对最差；认为莱阳凹陷页岩气生储前景最好，其次为桃村凹陷、夏格庄凹陷和诸城凹陷。

(4)估算了胶莱坳陷页岩气总的潜在原地资源量为537.8×108m3。主要分布于莱阳凹陷、夏格庄凹陷、桃村凹陷和诸城凹陷，其中莱阳凹陷勘查开发潜力最大。