王勇，王學軍，宋國奇，劉惠民，朱德順，朱德燕，丁桔紅，楊萬芹，銀燕，張順，王敏

（1. 中國石化勝利油田公司勘探開發(fā)研究院；2. 中國石化勝利油田公司機關）

渤海灣盆地濟陽坳陷泥頁巖巖相與頁巖油富集關系

王勇1，王學軍1，宋國奇2，劉惠民1，朱德順1，朱德燕1，丁桔紅1，楊萬芹1，銀燕1，張順1，王敏1

（1. 中國石化勝利油田公司勘探開發(fā)研究院；2. 中國石化勝利油田公司機關）

利用顯微鏡、氬離子拋光、核磁共振、電子掃描顯微鏡及生排烴模擬等技術手段，以渤海灣盆地濟陽坳陷泥頁巖為例，剖析不同泥頁巖巖相儲集性、含油性和頁巖油可動性特征。分析了巖相類型與頁巖油富集的相關關系。依據(jù)巖石組分、沉積構造和有機質豐度，建立了濟陽坳陷古近系沙河街組四段上亞段—沙河街組三段下亞段泥頁巖巖相劃分標準。研究區(qū)目的層段主要發(fā)育6類泥頁巖巖相，其中機械搬運沉積和化學作用沉積交替形成的富有機質紋層狀巖相TOC、S1、含油飽和度、可動油飽和度、低碳輕質組分含量及生排油率最高，其儲集空間類型多、孔隙發(fā)育，還發(fā)育有機質網(wǎng)絡體系和層間微裂縫體系，其為油氣輸導的高速通道，因此最有利于頁巖油富集。圖11表4參14

泥頁巖；頁巖油；巖相；含油性；儲集性；有機質網(wǎng)絡；微裂縫；濟陽坳陷；渤海灣盆地

1 研究區(qū)概況

渤海灣盆地濟陽坳陷勘探面積約2.62×104km2，由一系列凹陷及凸起構成（見圖1）。截至2015年底，800余井段在濟陽坳陷主力烴源巖古近系沙河街組一段（以下簡稱沙一段）、沙河街組三段下亞段（以下簡稱沙三下）和沙河街組四段上亞段（以下簡稱沙四上）泥頁巖中見油氣顯示，其中40余口井段獲工業(yè)油氣流或低產油氣流，各凹陷、多層系均有分布，以沾化、東營凹陷居多，產油為主，產氣次之。2012年以來，在東營凹陷相繼部署了Ny1井、Fy1井和Ly1井3口泥頁巖系統(tǒng)取心井和Ly1HF水平井，均獲低產油流，展現(xiàn)了濟陽坳陷頁巖油良好的勘探潛力。研究區(qū)出油井統(tǒng)計表明，頁巖油氣主要產自富有機質紋層狀巖相中，占出油井段的70%左右，其中富有機質紋層狀泥質灰?guī)r相占37%，富有機質紋層狀灰質泥巖相占33%，富有機質層狀泥質灰?guī)r相占19%，富有機質層狀灰質泥巖相占9%，含有機質紋層狀泥質灰?guī)r相占2%?？碧奖砻鳚栛晗菽囗搸r巖相與頁巖油富集存在一定聯(lián)系?？紤]到陸相湖盆泥頁巖巖相類型多、相變快的特點，剖析巖相類型與頁巖油富集的內在聯(lián)系，將對該區(qū)頁巖油勘探具有一定指導意義。

圖1 濟陽坳陷區(qū)域位置圖

2 巖相類型及特征

在取心井系統(tǒng)化驗分析對比過程中發(fā)現(xiàn)，巖性、沉積構造和有機質豐度是影響濟陽坳陷沙四上、沙三下亞段泥頁巖含油性、物性和頁巖油可動性的主要因素（見圖2），據(jù)此建立了基于巖石組分、沉積構造和有機質豐度的泥頁巖巖相綜合劃分方案（見表1）。首先，依據(jù)出油井有機質豐度大于等于2%的特征［1］，以有機質豐度2%為界，劃分為富有機質和含有機質兩大類；通過精細巖心和薄片觀察將沉積構造紋層厚度小于1 mm劃分為紋層狀，紋層厚度大于等于1 mm劃分為層狀，紋層不發(fā)育劃分為塊狀。在此基礎上，依據(jù)2口井泥頁巖系統(tǒng)取心X射線全巖衍射礦物組分分析以石英、長石、黏土和碳酸鹽礦物為主的特點（見表2），以砂巖類、泥巖類和碳酸鹽巖類為三端元，以含量25%、50%、75%為界，對研究區(qū)泥頁巖巖相進行了精細劃分。結果表明，濟陽坳陷沙四上—沙三下亞段泥頁巖主要發(fā)育富有機質紋層狀泥質灰?guī)r相、富有機質紋層狀灰質泥巖相、富有機質層狀泥質灰?guī)r相、富有機質層狀灰質泥巖相、含有機質塊狀泥巖相和含有機質紋層狀泥質灰?guī)r相6種巖相（見表3）。

前人研究認為，濟陽坳陷富有機質紋層狀泥質灰?guī)r相和富有機質紋層狀灰質泥巖相主要發(fā)育在半深湖—深湖相，屬于咸化安靜水體、還原環(huán)境下季節(jié)性變化的產物［2］。富有機質層狀泥質灰?guī)r相和富有機質層狀灰質泥巖相主要形成于淺湖—半深湖相，屬于水體相對較動蕩、陸源相對增多、半咸水、還原環(huán)境下機械搬運沉積與化學沉積同時作用的產物［3］。含有機質塊狀泥巖相主要發(fā)育于濱湖—淺湖相［4］。含有機質紋層狀泥質灰?guī)r相主要為鹽湖相少陸源、干旱、咸水、淺湖環(huán)境下以化學沉積為主的產物［5］。整體上，濟陽坳陷沙四上—沙三下亞段從盆地邊緣向洼陷帶，依次發(fā)育砂巖相—含有機質塊狀泥巖相—含有機質層狀灰質泥巖相—富有機質層狀灰質泥巖和泥質灰?guī)r相—富有機質紋層狀泥質灰?guī)r和灰質泥巖相（見圖3、圖4）。

3 不同巖相儲集特征

利用顯微鏡、掃描電鏡、氬離子拋光-場發(fā)射電鏡等技術綜合研究表明，濟陽坳陷沙四上—沙三下亞段泥頁巖儲集空間主要為碳酸鹽礦物晶間孔、黏土晶間孔、黃鐵礦晶間孔、碎屑顆粒粒間孔、有機質孔和層間縫（見圖5）。受泥頁巖組構、成巖、成烴作用等因素的控制，不同巖相儲集空間類型存在顯著差別（見圖5）。富有機質紋層狀泥質灰?guī)r相和灰質泥巖相主要發(fā)育碳酸鹽礦物晶間孔、黏土晶間孔、黃鐵礦晶間孔、有機質孔和微裂縫（見圖5）；富有機質層狀泥質灰?guī)r相和灰質泥巖相主要發(fā)育黏土礦物晶間孔、碳酸鹽礦物晶間孔和少量的有機質孔；含有機質塊狀泥巖相主要發(fā)育碎屑顆粒粒間孔和黏土礦物晶間孔；含有機質紋層狀泥質灰?guī)r相主要發(fā)育碳酸鹽礦物晶間孔。整體而言，富有機質紋層狀泥質灰?guī)r相和灰質泥巖相儲集空間類型最多，孔隙發(fā)育，有利于頁巖油富集。這也是薄片觀察過程中往往在富有機質紋層狀巖相重結晶碳酸鹽礦物晶間孔、黃鐵礦晶間孔和層間縫見到原油或瀝青的原因（見圖5b、5c、5d）。為確定不同巖相儲集空間大小，利用核磁共振技術對不同巖相泥頁巖孔徑分布進行定量測定（見圖6），結果表明，富有機質塊狀灰質泥巖孔隙分布具有前峰型結構，主峰為2 nm，孔徑以微孔（小于2 nm）和細介孔（大于2 nm、小于10 nm）為主；富有機質層狀巖相孔隙分布具有雙峰結構，前峰較后峰略高，主峰為2.5 nm和100 nm左右，孔徑以介孔為主；富有機質紋層狀巖相孔隙分布也具有雙峰結構，但后峰遠遠高于前峰，主峰為100 nm左右，孔徑以大孔為主，后峰對應的儲集空間除大孔隙外，可能還與層間微裂縫有關［6-7］。受儲集空間類型及空間大小的控制，不同巖相儲集性也存在差異，如Ly1井沙四上—沙三下亞段富有機質紋層狀泥頁巖巖相實測平均孔隙度12.9%，平均垂向滲透率0.09×10-3μm2；富有機質層狀泥頁巖巖相平均孔隙度12.2%，平均垂向滲透率0.01×10-3μm2；含有機質塊狀泥質灰?guī)r相平均孔隙度11.2%，平均垂向滲透率0.03×10-3μm2。這種儲集物性差異不足以引起油氣富集的差異，進一步研究發(fā)現(xiàn)，紋層狀泥頁巖巖相垂向滲透率和水平滲透率相差1～4個數(shù)量級（見圖7），而層狀和塊狀泥頁巖相垂向滲透率和水平滲透率差別不大，說明紋層狀巖相水平滲透率高，這也是富有機質紋層狀巖相油氣富集的主要原因之一。

圖2 L69井沙三下亞段泥頁巖特征

表1 濟陽坳陷泥頁巖巖相類型劃分方案

表3 濟陽坳陷主要巖相類型及特征

圖3 東營凹陷沙四上亞段3層組泥頁巖巖相平面圖

圖4 東營凹陷沙四上—沙三下亞段泥頁巖巖相剖面圖（剖面位置見圖3）

圖5 泥頁巖相顯微孔隙特征

圖6 L69井核磁共振法測試泥頁巖孔徑分布

圖7 Ly1井富有機質紋層狀巖相垂向與水平滲透率關系圖

4 不同巖相含油性特征

泥頁巖不同巖相沉積環(huán)境、生烴母質、有機質賦存方式及生排烴過程的不同，導致其含油性亦存在較大差異［8-9］。泥頁巖系統(tǒng)取心井巖心分析結果表明，不同巖相的TOC、S1、含油飽和度存在差別（見表4）。富有機質紋層狀巖相相對其他巖相TOC、S1、含油飽和度都要高。大量熒光觀察發(fā)現(xiàn)，富有機質紋層狀巖相有機質以無定形組分為主，孢粉少見。有機質多呈順層連續(xù)網(wǎng)狀分布（見圖8a）；富有機質層狀巖相有機質類型與紋層狀巖相相似，但呈順層分散狀分布（見圖8b）；含有機質塊狀巖相有機質以結構有機質為主，無定形組分較少，孢粉藻類體有一定含量，呈局部分散狀分布（見圖8c）。同時觀察發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)頁巖油與干酪根大多呈互溶態(tài)存在，這種賦存狀態(tài)決定了頁巖油的富集特征。研究區(qū)富有機質巖相頁巖油含油性好可能與有機質的賦存形式和生烴演化有關。富有機質紋層狀巖相不僅有機質含量高，有機質呈網(wǎng)狀廣泛分布，這點在批量多方位氬離子拋光薄片和青海湖水下調查［10］中已有所證實，在氬離子拋光鏡下，富有機質紋層狀巖相中有機質絕大多數(shù)呈時斷時續(xù)串珠狀分布，并非連續(xù)薄層狀分布（見圖8d），利用水下機器人對青海湖水下調查過程中發(fā)現(xiàn)，水下有機質呈網(wǎng)狀分布（見圖8e），這種網(wǎng)狀分布的有機質，在成巖-成烴演化過程中，往往形成有機質網(wǎng)絡體系。由于富有機質紋層狀巖相具有早期多期生排烴的特點，早期的生烴不僅抑制后期的成巖作用，更重要的是早期生排烴導致了巖石潤濕性由水潤濕轉向油潤濕，導致在有機質網(wǎng)絡體系中，油氣的運移阻力減小，油氣優(yōu)先沿有機質網(wǎng)絡運移［11］。這一觀點與Dickey的觀點一致：當石油在生油巖中的濃度達到一定程度時，生油巖的某些內表面是親油的，石油可能會通過干酪根網(wǎng)絡而流動，就像油通過燈芯那樣［12］。

表4 Fy1井不同巖相含油性特征

5 不同巖相頁巖油可動性特征

本次利用核磁共振法、離心+核磁共振法和熱模擬實驗綜合剖析了不同巖相頁巖油可動性及其控制因素。不同巖相可動油飽和度（可動油體積占總賦存流體體積的比例）系統(tǒng)對比分析表明，Ny1井富有機質紋層狀巖相核磁共振可動油飽和度平均為24.61%，富有機質層狀巖相核磁共振可動油飽和度平均為20.55%。相對而言，富有機質紋層狀巖相可動油飽和度稍高。利用樣品離心前后核磁譜圖的變化亦可進行頁巖油可動性判識，認為離心前后核磁譜圖變化較大的巖相，頁巖油可動性相對較好［13］。實驗過程中發(fā)現(xiàn)，在離心速率3 600 r/min的情況下，紋層狀巖相譜圖已發(fā)生明顯變化，說明其內含有的流體已流動，而層狀巖相內流體尚未流動（見圖9），表明紋層狀巖相中頁巖油可動性較好。生排烴模擬實驗主要借鑒Lewan的加水熱模擬實驗方法［14］，定量分析排出烴和滯留烴基本特征，據(jù)此推測頁巖油可動性。本次采用塊狀樣品，將樣品制成直徑約1.8 cm，高約0.5 cm的圓柱。實驗選用了L69井3種巖相的樣品進行實驗分析，分別為取樣深度3 057.2 m的富有機質紋層狀泥質灰?guī)r、取樣深度3 009.2 m的富有機質層狀泥質灰?guī)r和取樣深度2 944.9 m的富有機質塊狀灰質泥巖。這3組樣品的有機質類型均為Ⅰ型，TOC大于2%，有機質成熟度在0.6%左右。模擬Ro值分別為0.7%、0.8%、0.9%、1.0%和1.1%時生排烴過程，對應模擬溫度分別為345 ℃、370 ℃、390 ℃、420 ℃和440 ℃。生烴模擬實驗結果表明，在生排烴高峰期，富有機質紋層狀巖相不僅生油率高、排油率也最高（見圖10）。為明確不同巖相排油率的差異，利用飽和烴色譜對排出油烴組分進行分析（見圖11），發(fā)現(xiàn)富有機質塊狀灰質泥巖排出油飽和烴色譜主峰碳為C23，富有機質層狀泥質灰?guī)r排出油飽和烴主峰碳為C16，富有機質紋層狀泥質灰?guī)r排出油飽和烴色譜主峰碳為C15，說明富有機質紋層狀泥質灰?guī)r排出油低碳的輕烴組分較多，排出油的可動性最好。另外，對比發(fā)現(xiàn)，即使是低演化階段（對應溫度345 ℃、370 ℃、390 ℃），富有機質紋層狀泥質灰?guī)r相排出油亦具有較高的低碳數(shù)輕質組分，即相對而言富有機質紋層狀巖相具有低碳輕質組分含量高的特點，這也是富有機質紋層狀巖相頁巖油可動性好、頁巖油相對富集的主要原因之一。

圖8 有機質分布特征照片

圖9 Fy1井泥頁巖樣品離心-核磁共振實驗結果

圖10 L69井不同巖相排油率和生油率隨模擬溫度變化圖

圖11 不同巖相不同演化階段排出油正構烷烴指紋圖

6 結論

基于勘探實踐，建立了基于組分、沉積構造和有機質豐度的泥頁巖綜合巖相劃分方案，研究認為濟陽坳陷沙四上—沙三下亞段泥頁巖主要發(fā)育6類巖相，即富有機質紋層狀泥質灰?guī)r相，富有機質紋層狀灰質泥巖相，富有機質層狀泥質灰?guī)r相，富有機質層狀灰質泥巖相，含有機質塊狀泥巖相，含有機質紋層狀泥質灰?guī)r相。其中富有機質紋層狀泥質灰?guī)r和灰質泥巖相主要發(fā)育在半深湖—深湖水下低隆起帶和斜坡帶，富有機質層狀泥質灰?guī)r和灰質泥巖相主要發(fā)育在淺湖—半深湖過渡帶或靠近陡坡的深湖深洼帶，含有機質塊狀泥巖相主要發(fā)育在濱湖—淺湖相，含有機質紋層狀泥質灰?guī)r相主要為鹽湖相少陸源、干旱、咸水、淺湖環(huán)境下以化學沉積為主的產物。富有機質紋層狀巖相儲集空間類型多樣，孔縫并存，水平滲透率高，且有機質呈網(wǎng)狀分布，含油性好，生成的油輕質組分含量高，頁巖油可動性好，是陸相頁巖油勘探的重點巖相。

［1］王永詩，李政，鞏建強，等. 濟陽坳陷頁巖油氣評價方法: 以沾化凹陷羅家地區(qū)為例［J］. 石油學報，2013，34（1）: 83-91. WANG Yongshi，LI Zheng，GONG Jianqiang，et al. Discuss on evaluation methods of shale oil and gas in Jiyang Depression: A case from Luojia area in Zhanhua Sag［J］. Acta Petrolei Sinica，2013，34（1）: 83-91.

［2］楊萬芹，蔣有錄，王勇. 東營凹陷沙三下—沙四上亞段泥頁巖巖相沉積環(huán)境分析［J］. 中國石油大學學報（自然科學版），2015，39（4）: 19-26. YANG Wanqin，JIANG Youlu，WANG Yong. Study on shale facies sedimentary environment of lower Es3-upper Es4 in Dongying sag［J］. Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2015，39（4）: 19-26.

［3］李保利，姚益民，張守鵬，等. 山東東營凹陷沙河街組紋層年齡估算方法探討［J］. 地層學雜志，2007，31（增刊）: 30-38. LI Baoli，YAO Yimin，ZHANG Shoupeng，et al. A probing age-calculation method for the laminae of the shahejie formation in the Dongying Depression，Shandong Province［J］. Journal of Stratgraphy，2007，31（Supp.）: 30-38.

［4］鄧宏文，錢凱. 深湖相泥巖的成因類型和組合演化［J］. 沉積學報，1990，8（3）: 1-21. DENG Hongwen，QIAN Kai. The genetic types and association evolution of deep lacustrine facies mudstones［J］. Acta Sedimentologica Sinica，1990，8（3）: 1-21.

［5］劉傳聯(lián)，舒小辛，劉志偉. 濟陽坳陷下第三系湖相生油巖的微觀特征［J］. 沉積學報，2001，19（2）: 293-299. LIU Chuanlian，SHU Xiaoxin，LIU Zhiwei. Micro-characteristics of Paleogene lacustrine petroleum source rocks in Jiyang Depression［J］. Acta Sedimentologica Sinica，2001，19（2）: 293-299.

［6］周慶凡，楊國豐. 致密油與頁巖油的概念與應用［J］. 石油與天然氣地質，2012，33（4）: 541-544. ZHOU Qingfan，YANG Guofeng. Definition and application of tight oil and shale oil terms［J］. Oil & Gas Geology，2012，33（4）: 541-544.

［7］鄒才能，朱如凱，吳松濤，等. 常規(guī)與非常規(guī)油氣聚集類型、特征、機理及展望: 以中國致密油和致密氣為例［J］. 石油學報，2012，33（2）: 174-187. ZOU Caineng，ZHU Rukai，WU Songtao，et al. Types，characteristics，genesis and prospects of conventional and unconventional hydrocarbon accumulations: Taking tight oil and tight gas in China as an instance［J］. Acta Petrolei Sinica，2012，33（2）: 174-187.

［8］張金川，林臘梅，李玉喜，等. 頁巖油分類與評價［J］. 地學前緣，2012，19（5）: 322-331. ZHANG Jinchuan，LIN Lamei，LI Yuxi，et al. Classification and evaluation of shale oil［J］. Earth Science Frontiers，2012，19（5）: 322-331.

［9］呂明久，付代國，何文斌，等. 泌陽凹陷深凹區(qū)頁巖油勘探實踐［J］. 石油地質與工程，2012，26（3）: 85-87. LYU Mingjiu，F(xiàn)U Daiguo，HE Wenbin，et al. Exploration practice of shale oil in deep sag area of Biyang Depression［J］. Petroleum Geology and Engineering，2012，26（3）: 85-87.

［10］朱興建. 湖心深處現(xiàn)神秘網(wǎng)格［EB/OL］. ［2015-05-25］. http://video. sina.com.cn/news/spj/topvideoes20150525/#138120896. ZHU Xingjian. Mysterious network system in Qinghai Lake［EB/OL］.［2015-05-25］. http://video.sina.com.cn/news/spj/topvideoes20150525/ #138120896.

［11］張林曄. “富有機質”成烴作用再認識: 以東營凹陷為例［J］. 地球化學，2005，34（6）: 619-624. ZHANG Linye. A restudy on the hydrocarbon occurrence of“enriched organic matter”: A case study of Dongying Depression［J］. Geochimica，2005，34（6）: 619-624.

［12］DICKEY P A. Possible primary migration of oil from source rock in oil phase: Geologic notes［J］. AAPG Bulletin，1975，59（2）: 337-345.

［13］LEWAN M D，WINTERS J C，MCDONALD J H. Generation of oi1-like pyrolyzates from organie-rich shale［J］. Science，1979，203: 897-899.

［14］張林曄，包友書，李鉅源，等. 湖相頁巖油可動性: 以渤海灣盆地濟陽坳陷東營凹陷為例［J］. 石油勘探與開發(fā)，2014，41（6）: 641-650. ZHANG Linye，BAO Youshu，LI Juyuan，et al. Movability of lacustrine shale oil: A case study of Dongying Sag，Jiyang Depression，Bohai Bay Basin［J］. Petroleum Exploration and Development，2014，41（6）: 641-650.

（編輯 黃昌武）

Genetic connection between mud shale lithofacies and shale oil enrichment in Jiyang Depression, Bohai Bay Basin

WANG Yong1，WANG Xuejun1，SONG Guoqi2，LIU Huimin1，ZHU Deshun1，ZHU Deyan1，DING Juhong1，YANG Wanqin1，YIN Yan1，ZHANG Shun1，WANG Min1
（1. Exploration and Development Institute of Shengli Oilfield Company，Sinopec，Dongying 257015，China；2. China Sinopec Shengli Oilfield Company，Dongying 257001，China）

By using microscope，argon ion polishing technology，nuclear magnetic resonance （NMR），scanning electron microscopy，and hydrocarbon generation and expulsion simulation，reservoir properties，oiliness and shale oil mobility of different mud shale lithofacies were examined with the mud shale in Jiyang Depression，Bohai Bay Basin as the example. The relationship between lithofacies type and shale oil enrichment was analyzed. Based on the rock composition，sedimentary structures and abundance of organic matter，a mud shale lithofacies classification standard for the upper submember of the 4th Member to the lower submember of the 3rd Member of Paleogene Shahejie Formation （Es4s-Es3x） was established. Six lithofacies are developed in the target formation，in which the laminar organic-rich lithofacies formed in the alternating mechanical transportation deposition and chemical deposition，not only has the highest TOC，S1，oil saturation，movable oil saturation，content of low-carbon light components and oil generation and expulsion rate，but also has various types of reservoir space，abundant pores，and organic network system and interlayer micro-fracture system which can serve as high-speed channels for shale oil and gas migration，so this lithofacies is favorable for shale oil enrichment.

mud shale； shale oil； lithofacies； oiliness； reservoir properties； organic network； microcracks； Jiyang Depression，Bohai Bay Basin

國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973）項目（2014CB239100）

TE122.2

A

1000-0747（2016）05-0696-09

10.11698/PED.2016.05.04

王勇（1977-），男，甘肅白銀人，博士，中國石化勝利油田公司勘探開發(fā)研究院高級工程師，主要從事油氣勘探方面工作。地址：山東省東營市東營區(qū)聊城路2號，勝利油田公司勘探開發(fā)研究院，郵政編碼：257015。E-mail：wangyong731.slyt@sinopec.com

2015-12-21

2016-05-15