咸化断陷湖盆典型页岩剖面地质特征<br/>——以东营凹陷为例

咸化断陷湖盆典型页岩剖面地质特征
——以东营凹陷为例

2022-03-24王永诗

油气藏评价与开发 2022年1期

王永诗，唐东

（中国石化胜利油田分公司，山东东营257000；中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营257015）

中国陆相盆地富有机质页岩发育层系多、分布范围广，蕴含大规模的页岩油资源潜力，尽快实现页岩油规模勘探开发对保障国家石油安全具有重大战略意义[1-8]。近年来，国内石油公司通过加大页岩油基础地质研究与风险勘探力度，在渤海湾盆地古近系、苏北盆地古近系、四川盆地侏罗系、松辽盆地白垩系、鄂尔多斯盆地三叠系、准噶尔盆地二叠系取得一系列实质性进展和重大突破[9-16]，展现了中国陆相页岩油良好的勘探开发前景。

烃源岩发育环境奠定了页岩油形成的地质基础[8]。二叠纪以来中国发育的淡水、咸水湖盆均可形成优质烃源岩[1]。不同环境下形成的烃源岩差异极大，与淡水湖盆相比，咸水湖盆具有陆源碎屑与内源碳酸盐混积成因特点，沉积作用更复杂，岩相类型更为多样。

东营凹陷作为中国东部咸化断陷湖盆典型代表，其古近系沙四上、沙三下亚段烃源岩在20世纪70年代就有页岩油（当时称为泥岩裂缝油藏）发现和产出，但一直未作为主要目标进行勘探。2011年以来胜利油田开始针对页岩油勘探理论技术进行攻关，结合众多学者在咸化环境富有机质页岩的形成与分布，地球化学特征及成烃潜力，细粒沉积层序地层划分与岩相发育特征等各方面研究认识[17-30]，经过10年攻关，终于实现从理论研究到矿场实践的战略性突破。2020年底在东营凹陷针对沙四上亚段富碳酸盐基质型页岩油目标实施的Fyp1井实钻水平段长度1 716 m，对1 706 m水平段分30 段压裂，用8 mm油嘴放喷，10 d 见油，峰值日产油200.89 m3，地面原油密度0.85 g/cm3，黏度7.67 mPa·s（50 ℃），截至2021年底3 mm 油嘴投产1年累产油1.43×104t，上报Fyp1区块预测石油地质储量3.85×108t，开创了济阳坳陷古近系页岩油规模增储新局面。

结合新一轮勘探实践，综合运用矿物学、沉积学、层序地层学等研究方法，总结认识咸化湖盆典型页岩剖面地质特征，对页岩油展开评价以及勘探目标优选具有重要的指导意义。

1 地质背景

东营凹陷位于渤海之滨、黄河三角洲地带，构造从属于渤海湾盆地济阳坳陷，其古近系为北断南超的箕状断陷，由博兴、牛庄、利津、民丰等多个洼陷组成（图1）。自中生代以后东营湖盆开始断陷扩张，湖盆面积与水体深度在断陷加速期（古近纪沙河街期沙四晚期）和断陷鼎盛期（沙河街期沙三早期）达到最大，气候由干旱向潮湿转化，湖盆水体为咸化—半咸化环境，发育了大套富灰质页岩。

图1 东营凹陷页岩油井位分布Fig.1 Distribution of shale oil wells in Dongying Sag

位于湖盆中心地带的3 口系统取心井Fy1、Ny1、Ly1 与专探水平井Fyp1，总计取心812.8 m，其中Fy1井完整获取了沙四上—沙三下亚段泥页岩剖面岩心，具有咸化湖盆富有机质页岩的典型性和代表性（图1、表1）。

表1 东营凹陷页岩油井取心数据Table 1 Coring data of Shale oil wells in Dongying Sag

2 典型剖面地质解析

2.1 地层宏观特征

东营凹陷沙四上亚段下部（俗称纯下）以滨浅湖相沉积为主，发育大面积分布的滩坝砂岩。上部（俗称纯上）为咸化半深湖—深湖相沉积，地层厚度介于100～300 m，录井岩性以灰褐色钙质油页岩、油泥岩为主夹泥灰岩、白云岩等，局部地区发育藻礁灰岩。

沙三下亚段烃源岩为一套咸水—半咸水湖相沉积，岩性主要为深湖相暗色泥岩与灰褐色油页岩的不等厚互层，夹少量灰岩或浊积砂岩，地层厚度介于150～300 m。该套烃源岩沉积时期，东营凹陷进入断陷鼎盛期，湖广水深，平面展布范围最大。

目前国际上运用高精度层序地层预测优质泥页岩已成为热点之一，姜在兴等[19]提出由于陆相湖盆中心地带烃源岩层系连续沉积，缺乏暴露侵蚀不整合现象，“看似均质性”的特征使其对层序变化的响应并不明显，因而层序界面识别与层序划分成为了难题。

2.1.1 层序界面识别

SCHALAGER 与GOLDHAMMER 用“淹没不整合”表达由于环境突然变深而沉积物供应不上所产生的时间滞后效应而形成的间断[20-21]。该型界面形成于海平面下降速率远远小于沉降速率的的情况下，缺乏低位体系域和暴露侵蚀。目前多数研究者认为淹没不整合界面是洪泛面，也是层序界面[22-23]。

断陷湖盆的层序构型主要受边界断层的活动所控制，东营凹陷沙四上—沙三下亚段富有机质页岩发育在盆地构造沉降突然加剧、湖平面骤然上升、可容纳空间急速扩张的沉积背景之下，符合淹没型层序特征。因此其标示层界面可用淹没型层序界面来解释，包括初始淹没不整合界面（沙四上烃源岩底界面，地震标志层T7）、最大淹没不整合界面（沙三下烃源岩底界面，地震标志层T6）以及淹没后不整合界面（沙三下烃源岩顶界面，地震标志层T6s）（图2）。

地震反射响应特征：初始淹没不整合界面（T7）在地震剖面上表现为一强振幅中频非常连续的反射轴，全区可追踪对比（图2）。界面之上为强振幅高连续的平行—亚平行结构，在凹陷边缘常见沙四纯上内部4 组高电阻率地层（RP1、RP2、RP3、RP4）逐次上超尖灭反射结构（图2）。界面之下为常见弱振幅中等连续的平行—亚平行反射，在沙四纯下滩坝砂体发育的地区见较平缓的叠瓦状结构；在斜坡碳酸盐岩发育区多为弱振幅低频平行—亚平行反射结构（图2）。

最大淹没不整合界面（T6）在地震剖面上表现为中频强反射连续性极好的界面，界面之上地层分布范围比之下明显扩展，也代表最大的湖泛面。在靠近斜坡高地隆起带界面之上见显著的上超现象（图2）。

淹没后不整合界面（T6s）在地震剖面上也表现为中频强反射连续性较好的界面，靠近水下高地或斜坡隆起地带可见明显的上超现象（图2）。

图2 淹没不整合界面地震反射特征Fig.2 Seismic reflection characteristics of submerged unconformity interface

地层沉积响应特征：在凹陷斜坡带T7 界面之下大面积分布的沙四上纯下滩坝砂体被T7界面之上的沙四纯上油页岩覆盖，反应水体突然加深的“淹没”特征。在水下高地，平方王油田沙四纯上礁灰岩被T6界面之上的沙三下油页岩覆盖“淹没”而停止发育，与海相碳酸盐岩台地—生物礁淹没不整合相似[22]。

2.1.2 层序地层划分

利用T7、T6、T6s 这3 个界面将沙四纯上—沙三下页岩层序划分为2个三级层序，即沙四纯上层序和沙三下层序，分别命名为Sq1、Sq2（图3）。再根据系统取心井岩心特征、敏感性测井曲线（GR 曲线等）结构变化，结合代表古水深的微量元素比值（Fe/Co）所反映的2 期湖盆水进水退旋回，将2 个三级层序各自划分出湖扩体系域（EST）和高位体系域（HST），并进一步以湖平面震荡升降变化确定五级（准层序组）和六级（准层序）高频层序界面，从而建立了东营凹陷沙四上—沙三下页岩地层高分辨率层序格架标准剖面（图3）。

Sq1 对应沙四纯上亚段，介于T7 界面与T6 界面之间，为幕式构造运动下的加速沉降期层序。该三级层序发育湖扩体系域（EST）和高位体系域（HST），其中湖扩体系域（EST）可划分2 个准层序组（P1ss1、P1ss2），分别对应纯上3 层组和纯上2 层组中下部。高位体系域（HST）也可划分2 个准层序组（P1ss3、P1ss4），分别对应纯上2 层组上部和纯上1 层组。凹陷内4 个准层序组厚度介于40～60 m，P1ss1、P1ss2为退积叠加样式，P1ss3 为加积、P1ss4 为进积叠加样式。电性特征总体表现为低伽马（GR）、高电阻（RD），反映高碳酸盐含量（Fy1 井平均54.87 %）、高有机质丰度（Fy1井平均2.1%）（图3）。

Sq2 对应沙三下亚段，介于T6 与T6s 之间，为东营湖盆水体最深阶段，属于最大加速沉降期层序。该三级层序可划分4 个准层序组，其中湖扩体系域（EST）包含2 个准层序组（P2ss1、P2ss2），对应沙三下4 层组和3 层组；高位体系域（HST）2 个准层序组（P2ss3、P2ss4）分别对应沙三下2 层组和沙三下1 层组。4个准层序组自下而上由退积式向加积式演进，厚度一般介于30～70 m。电性特征总体表现为中伽马（GR）、高电阻（RD），反映中碳酸盐含量（Fy1 井平均47.71%）、高有机质丰度（Fy1井平均2.8%）（图3）。

图3 东营凹陷Fy1井层序地层划分Fig.3 Sequence stratigraphy division of Well-FY1 in Dongying Sag

2.2 泥页岩微观特征

2.2.1 Fyp1井岩心剖面特征

Fyp1 井是胜利油田第一口专探页岩油累产过万吨的突破井，该井位于济阳坳陷东营凹陷博兴洼陷，勘探目标聚焦地质、工程“双甜点”，首选沙四纯上层序湖扩体系域富灰质页岩发育段进行探索。Fyp1井为了准确入靶，在导眼段设计取心24 m，实际取心进尺24.3 m，心长23.9 m，收获率98.35 %。取心深度：3 450～3 474.3 m，层位沙四纯上2 层组（准层序组P1ss2）（图4）。

图4上为测井分析柱状图，第2列GR曲线及第4列AC、GR 曲线重叠反映碳酸盐矿物含量（绿色充填部分为高灰质段），第3列AC、RD 重叠反映烃源岩品质（黄色充填部分反映富有机质）。

图4下为取心段岩心照片，由图可见岩心颜色整体以深灰色为主，仔细观察，具有颜色深浅变化交替的两种岩性段：一种是灰色岩性段，内部可见明—暗相间条纹；另一种是灰黑色岩性段，质地比较均匀，肉眼观察内部无明显条纹显示。

图4 东营凹陷Fyp1井测井、岩心分析Fig.4 Logging analysis and core analysis of Well-Fyp1 in Dongying Sag

XRD全岩矿物分析和薄片鉴定表明，灰色岩性段以富含碳酸盐（方解石为主）为特征，含量50～90%，平均达70%；黏土矿物6%～30%，平均15%，泥级长英质碎屑矿物含量6%～36%，平均15%。仅从矿物组分来看，很容易把这类岩相当成灰岩，但从岩心及镜下薄片观察，其呈现出碳酸盐纹层与黏土质纹层的频繁互层，页理非常发育，是典型的页岩特征。

图5①为Fyp1 井入靶层岩位置，镜下观察，纹层厚度一般0.01～0.5 mm，呈平直状，纹层密度可达每毫米2～20 条。这种碳酸盐纹层与富有机质黏土纹层的频繁互层，受季节性气候变化、水体环境以及陆源注入等综合控制。夏季藻类生物勃发诱导碳酸盐沉淀，而冬季浮游生物大量死亡则形成富有机质黏土纹层。若陆源注入量增加，则形成富有机质黏土纹层—碎屑纹层—碳酸盐纹层三层式结构（图6）。安静水体沉积了连续—平直的密集纹层，而受底流改造的微弱水动力环境则呈现断续—透镜状、波状纹层。整体来看，Fyp1 井取心段富灰质页岩相的比例达到了70%。

图5 东营凹陷Fyp1井岩心与镜下薄片Fig.5 Core samples and their microscopic thin section of Well-Fyp1 in Dongying sag

图6 富灰质页岩三层式纹层结构（Ny1，3 420.9 m）Fig.6 Three-layered laminated structure of calcareous shale（Ny1，3 420.9 m）

灰质纹层的碳酸盐结构主要以泥晶和亮晶两种形式呈现。统计表明，东营凹陷泥页岩中碳酸盐结晶特征以泥晶结构为主，泥晶结构者占碳酸盐岩样品总数的86%。亮晶结构以微、细晶结构为主，粗晶结构较少。微、细晶结构多集中分布在准层序组P1ss1、P1ss2（相当于Es4cs2、Es4cs3 层组），粗晶结构在准层序组P2ss2（相当于Es3x3层组）有少量发育。

灰黑色岩性段（图5②），XRD全岩和薄片分析均表明其以富泥质为特征，黏土矿物14%～45%，平均30 %；泥级长英质碎屑矿物含量5 %～44 %，平均34 %；碳酸盐含量可达27 %～47 %，平均36 %。虽然含有30%左右的碳酸盐矿物，但没有聚集成层，而是分散分布与长英质、黏土、有机质等相混合，因此不显纹层。而通过镜下薄片观察，可见密集纹层，比灰色岩相段碳酸盐纹层厚度更薄，纹层密度能达到每毫米20～50条，其成分均是黏土质、长英质及碳酸盐矿物的混合质纹层，垂向上没有矿物组分的截然变化，因而呈现了较均一的灰黑色。这说明，肉眼观察所定的层状或块状构造，实为纹层状构造。整体上，灰黑色岩性段占据整个岩心段的30%。该类岩相，三端元矿物（碳酸盐、长英质和黏土矿物）含量均小于50%，表现为混积特点，在野外和矿场一般都叫做灰质泥岩，结合薄片分析，可定名为灰质页岩。

垂向上岩相呈现有序叠加，一个岩相旋回从似层状（实为更细纹层）富泥质页岩—透镜纹层、波状纹层富灰质页岩—较平直纹层状富灰质页岩，厚度一般0.5～1 m。这种规律性特征反映了季节性气候变化咸化环境页岩沉积相序的控制作用，雨季较充足的水体注入与陆源供给，湖水淡化形成富黏土质页岩—旱季陆源供给不足，湖水咸化形成富灰质页岩。

2.2.2 Fy1井岩心剖面特征

Fy1井位于Fyp1井北东方位，距离7.9 km。该井系统录取了沙四上—沙三下烃源岩岩心，其剖面包含了Fyp1 井取心段，在东营凹陷最具典型性和代表性。

从剖面上看，各准层序组碳酸盐矿物含量明显高于陆源碎屑（长英质和黏土矿物），反映咸化环境沉积特点；白云石含量在沙三下层序变化不大，在沙四上层序下部明显增加；沙三下层序碳酸盐含量在垂向上逐渐降低，黏土矿物含量逐渐增加，陆源碎屑含量均值大于50%，反映随陆源碎屑注入量增加，水体盐度降低趋势；沙四上层序碳酸盐含量总体较高，均值大于50%，仅在层序中部晚期湖扩体系域P1ss2碳酸盐含量小于50%（表2）。

表2 东营凹陷Fy1井-矿物成分平均含量Table 2 Average mineral composition content of Well-Fy1 from Upper Es4 to Lower Es3 Sequences in Dongying Sag

准层序组P2ss4 P2ss3 P2ss2 P2ss1 P1ss4 P1ss3 P1ss2 P1ss1数量(个)214 308 159 96 166 156 256 162黏土矿物（%）31 24 21 15 13 19 18 14石英（%）21 25 24 24 26 29 24 18钾长石（%）斜长石（%）白云石（%）菱铁矿（%）硬石膏（%）黄铁矿（%）00000000 33433336方解石（%）34 36 41 49 49 37 36 34 6887781 4 25 21000120碳酸盐（%）42 45 49 56 56 46 52 57 11000000 33422333

1）Sq1沙四纯上层序

该层序形成于湖盆加速沉降期，受边界断层活动控制，水深突然增大，岩相类型自下而上发生有序的变化，剖面上由含有机质块状白云岩相迅速过渡为富有机质层状—纹层状泥晶灰质页岩相，并逐步演变成富有机质纹层状泥晶灰质页岩相与层状泥晶灰质页岩相组合。岩心颜色整体较深，以深灰色为主，夹有大量浅色灰质纹层，局部可见微细晶灰质页岩相（图7）。

P1ss1 为湖扩体系域早期沉积，岩心颜色整体呈灰—深灰色，碳酸盐矿物平均含量高达59%，以层状—纹层状泥晶灰质页岩相为主，有机质含量较高（TOC平均2%）。该层序白云石较发育，平均含量达25 %以上，层序底部多见厚度0.5～1 m 的含有机质显微晶块状白云岩相集中发育（图7⑤）。随着水体加深，有机质含量增加，层序顶部富有机质纹层状灰质页岩相发育段出现少量微细晶灰质页岩相。

P1ss2 为湖扩体系域晚期沉积，岩心颜色比P1ss1 明显加深，整体呈灰黑色，有机质含量较高（TOC平均2.2 %）。该段地层以泥晶富灰质页岩相与灰质页岩相互层为特征，碳酸盐矿物平均含量53%，泥晶灰质纹层发育，局部夹有微细晶灰质纹层（图7③）。

P1ss3 为高位体系域早期沉积，岩心颜色整体呈黑褐色，有机质含量较高（TOC平均2.3%）。该段地层碳酸盐矿物平均含量降至45%，以灰质页岩相为主夹富灰质页岩相发育为特征。随着碳酸盐含量减少，沉积构造逐渐由纹层状向层状（不显纹层）过渡（图7②）。

P1ss4 为高位体系域晚期沉积，岩心颜色变浅，整体呈深灰色，有机质含量较高（TOC平均2.1 %）。由于高位稳定期陆源碎屑注入量减少，碳酸盐矿物平均含量快速增至56%，以层状—纹层状泥晶富灰质页岩相发育为主（图7①）。

图7 Fy1井沙四纯上层序岩相宏观及微观特征Fig.7 Macro and micro lithofacies characteristics of Es4cu sequence in Well-Fy1

2）Sq2沙三下层序

该形成于东营湖盆最大加速沉降期，随着水深增大，水体盐度不断减小，剖面自下而上呈现泥晶富灰质页岩相—泥晶灰质页岩相夹亮晶富灰质页岩相—泥晶灰质页岩相的演化序列。沙三下层序除了底部个别层外，整体表现为富有机质特征（Fy1 井TOC平均2.8%）。

P2ss1 为湖扩体系域早期沉积，以富灰质页岩相为主（图8⑤），有机质含量较高（TOC为2.1%）。

P2ss2 为湖扩体系域晚期沉积，为优质烃源岩发育段，以黑色富有机质纹层状灰质页岩相为主，反映其沉积极静极深的水体环境，有机质含量高（TOC平均3.4%），碳酸盐含量低（平均值小于50%）。岩心、薄片观察可见大量连续平直细密纹层发育，局部夹有纤柱状方解石纹层或粗粒透镜体状灰质条带（图8④）。

P2ss3 为高位体系域早期沉积，亦为优质烃源岩发育段，有机质含量高（TOC平均2.7 %），以纹层状灰质页岩相夹微细晶、粗晶灰质页岩相发育为特征（图8③、图8②）。

P2ss4高位体系域晚期沉积，有机质含量高（TOC平均2.6%）以层状—纹层状泥晶灰质页岩相发育为主（图8①），随黏土、石英等陆源碎屑矿物注入量增大，碳酸盐含量降至42%。

图8 Fy1井沙三下层序岩相宏观及微观特征Fig.8 Macro and micro lithofacies characteristics of Lower Es3 sequence in Well-Fy1

3 富灰质页岩相的油气地质意义

该类岩相主要形成于晚期湖扩体及早期高位体系域，纹层明暗相间发育，浅色纹层主要由方解石组成，多呈泥晶结构，也可见晶粒状、柱纤状结构；深色纹层多为富有机质泥质纹层（含粉砂黏土纹层），相对方解石纹层较薄，纹层内多见草莓状黄铁矿及生物碎屑。有机质丰度较高，TOC平均值大于等于2%。

薄片下，常见三层式纹层结构[17-18]（图6）。底层主要是颗石藻鳞板或泥晶方解石纹层，中层为有机质纹层，上层多为含有机质泥质纹层。受季节性气候变化控制，泥晶方解石纹层厚度约60～150 μm，为高温蒸发期由藻类勃发引起的生物—化学作用形成，或黏结藻团沉积而成。底部突变，下部藻团较大，向上变小，内部隐约显示正递变结构特征。有机质纹层极薄，厚度约小于10 μm，界限明显，为低温期生物大规模死亡后形成。含长英质黏土纹层厚度40～100 μm，长英质细颗粒星散分布，偶见粉砂级石英碎屑（图6），为雨季陆源输入形成,覆盖于早期旋回的有机质层之上，顶部与泥晶方解石纹层突变接触。这种韵律结构形成了密集的微型生储盖组合，是最有利于页岩油富集产出的“甜点”岩相。