邵玉寶

(山東省煤田地質規(guī)劃勘察研究院， 濟南 250000)

萊陽凹陷下白堊統(tǒng)萊陽群水南組暗色泥頁巖的地質特征

邵玉寶

(山東省煤田地質規(guī)劃勘察研究院， 濟南 250000)

為研究萊陽凹陷下白堊統(tǒng)萊陽群水南組發(fā)育沉積厚度較大的暗色泥頁巖的地質特征，觀察和測試露頭剖面樣品和鉆孔樣品的有機質類型、有機質豐度、有機質成熟度、巖石學特征和孔裂隙等特征。結果表明：水南組暗色泥頁巖干酪根類型以Ⅱ型為主；有機碳含量、氯仿瀝青“A”與生烴潛量(S1+S2)含量均較高，有機質成熟度較高，總體處于成熟中期，具備較強的生排烴能力；礦物成分以黏土礦物、白云石、石英和長石為主，脆性礦物質量分數(shù)可以達到82.3%；孔、裂隙均有發(fā)育，具備較多的頁巖氣儲集空間。該研究說明萊陽凹陷水南組暗色泥頁巖具有較好的頁巖氣地質條件。

頁巖氣； 萊陽凹陷； 水南組； 暗色泥頁巖； 地質特征

0 引 言

膠萊盆地地處山東省東部，是一個中生代由斷裂控制形成的陸相盆地，萊陽凹陷位于膠萊盆地北端，是山東省境內有望實現(xiàn)頁巖氣突破的主要凹陷之一。前期調查資料顯示，萊陽凹陷下白堊統(tǒng)萊陽群水南組巖性以深灰色～灰黑色頁巖、粉砂質泥巖為主，夾有淺灰色、灰黃色微晶灰?guī)r及灰黃色、灰綠色粉砂巖、細砂巖，頁巖層中含豐富的動、植物化石，為典型的深湖、半深湖相沉積產物，是較好的烴源巖層位。研究區(qū)內水南組地層厚度為120～767 m，其中暗色泥頁巖厚度為20～266 m，滿足頁巖氣資源潛力評價的厚度要求。萊陽凹陷與現(xiàn)有國內外頁巖氣勘探區(qū)塊對比，顯示了一定的頁巖氣資源潛力。

雖然前人在研究區(qū)做了大量的地質、礦產、油氣勘查和研究并取得了眾多成果[1-8]，但因為這些工作主要都是針對固體礦產、石油和常規(guī)天然氣而為，對研究頁巖氣來說，資料尚顯不足，仍需從頁巖氣成藏角度出發(fā)，進行更為系統(tǒng)、更為精細的地質工作[9]。筆者主要分析水南組野外剖面樣品，以及從山東省地質調查院收集的鉆井樣品的有機質類型、有機質豐度、有機質成熟度、礦物巖石學特征、孔裂隙結構等頁巖氣資源評價靜態(tài)指標，詳細論述水南組暗色泥頁巖層地質特征，為研究區(qū)頁巖氣資源潛力調查評價提供數(shù)據(jù)支撐。

1 有機質類型

萊陽凹陷水南組暗色泥頁巖有機質類型主要通過干酪根同位素法、干酪根顯微組分類型指數(shù)(TI)法、tmax與HI關系法進行綜合判定。

1.1 干酪根同位素法

對6個剖面樣品的C同位素測定，測定結果如表1所示。根據(jù)戴鴻鳴等[10]的有機質類型劃分標準，萊陽凹陷水南組頁巖有機質類型主要為Ⅱ型，Ⅲ型與Ⅰ型的有機質較少。

1.2 干酪根顯微組分類型指數(shù)法

按照GB/T 19144—2010沉積巖中干酪根分離方法的標準，提取3個從山東地質調查院收集的頁巖鉆井樣品中的干酪根并制成薄片，按照SY/T 5125—96透射光-熒光干酪根顯微組分鑒定標準，在顯微鏡下進行干酪根顯微組分測定，如圖1所示。3個頁巖樣品測試結果顯示，其干酪根顯微組分以殼質組含量最高，分布范圍為88.07%～98.00%，平均為92.31%；鏡質組次之，分布范圍為1.72%～11.49%，平均為7.33%；惰質組含量極少，分布范圍為0.28%～0.44%，平均0.36%。根據(jù)顯微類型指數(shù)(TI)，測試樣品的干酪根類型為Ⅱ型。

表1 萊陽凹陷水南組暗色泥頁巖干酪根同位素法測試結果

Table 1 Kerogen isotopic test results of dark mudstone and shale in Shuinan Formation

樣品號巖性δ13C/%干酪根類型1灰色白云質泥頁巖-2.2384Ⅲ2灰色白云質泥頁巖-2.9391Ⅰ3灰色白云質泥頁巖-2.6305Ⅱ24灰色白云質泥頁巖-2.7016Ⅱ15灰色白云質泥頁巖-2.7660Ⅱ16灰色白云質泥頁巖-2.7084Ⅱ1

圖1 暗色泥頁巖干酪根顯微組分顯微鏡下照片

Fig. 1 Typical sample’s microscope characteristics of Kerogen in dark mudstone and shale

1.3tmax與HI關系法

根據(jù)6個剖面樣品的巖石熱解實驗可知，該區(qū)暗色泥頁巖最大熱解溫度(tmax)一般在450 ℃左右，氫指數(shù)(HI)在150～400 mg/g之間。根據(jù)圖2中泥頁巖tmax與HI關系可看出，萊陽凹陷水南組暗色泥頁巖干酪根類型主要為Ⅱ型，Ⅰ型次之。

圖2 暗色泥頁巖HI與tmax關系

Fig. 2 Relationship betweenHIandtmaxof dark mudstone and shale

綜合區(qū)內鉆孔樣及地表露頭樣測試結果，認為萊陽凹陷水南組暗色泥頁巖干酪根類型主要為Ⅱ型。

2 有機質豐度與成熟度

目前，國內多采用綜合指標判定烴源巖的有機質豐度，主要的評價指標為有機碳含量(TOC)、氯仿瀝青“A”和生烴潛量(S1+S2)等。針對國內陸相烴源巖有機質豐度評價標準普遍采用黃第藩等[11]的定義，見表2。

表2 陸相烴源巖有機質豐度評價標準

Table 2 Evaluation criterion of organic matter abundance in limnic source rocks

烴源巖級別有機質豐度參數(shù)有機碳/%氯仿瀝青“A”生烴潛量/mg·g-1好烴源巖>1.0>0.1>6.0較好烴源巖0.6～1.00.05～0.16.0～2.0較差烴源巖0.4～0.60.01～0.052.0～0.5非烴源巖<0.4<0.01<0.5

2.1 總有機碳含量

2.1.1 實測總有機碳含量

通過對萊陽凹陷東南緣龍旺莊地區(qū)水南組地層剖面進行系統(tǒng)取樣，共測試樣品31個，同時收集到區(qū)內山東省地質調查院布置的淺鉆樣品7個，可知萊陽凹陷水南組暗色泥頁巖樣品總有機碳質量分數(shù)介于0.04%～3.47%，平均為0.79%，其中45%的測試樣品TOC大于1.0%，見圖3。但地表剖面樣品由于受到風化作用影響強烈，有機質損失較大，收集的鉆孔樣品受風化作用影響相對較小。

圖3 地表實測暗色泥頁巖有機碳

Fig. 3 Content statistical chart of organic carbon in dark mudstone and shale measured on surface

2.1.2 總有機碳含量恢復

由于風化作用造成了地表樣品有機質測試結果在一定程度上存在失真，測試結果并不能完全代表區(qū)內暗色泥頁巖總有機碳含量，因此，根據(jù)前人研究成果對有機碳含量進行了校正。據(jù)張君峰等[12]、魏建設等[13]研究成果，地下50～1 027 m巖心總有機碳含量與地表之比為1.08～2.38。依據(jù)布置于萊陽凹陷的萊孔2井水南組暗色泥頁巖鉆井樣品TOC平均值(1.33%)與31個露頭實測樣品TOC平均值(0.71%)之比為1.87，符合校正系數(shù)區(qū)間。因此，選取1.87作為地表露頭樣品的TOC的校正系數(shù)。

綜合地表露頭樣品校正后測試數(shù)據(jù)與收集的淺井樣品測試數(shù)據(jù)，可知萊陽凹陷暗色泥頁巖有機碳質量分數(shù)平均值為1.49%，介于0.09%～6.49%，其中58%的測試樣品TOC大于1.0%，見圖4。

圖4 校正后的暗色泥頁巖有機碳

Fig. 4 Content statistical chart of organic carbon in dark mudstone and shal, after adjustment

2.2 生烴潛量分析

6個剖面樣品巖石熱解數(shù)據(jù)如表3，水南組暗色泥頁巖生烴潛量S(S1+S2)為0.370 6～8.597 9 mg/g，均值為4.119 5 mg/g，生烴潛量總體均較高，為較好的烴源巖。

表3 暗色泥頁巖露頭樣品生烴潛量

Table 3 Potential hydrocarbon generation amoun of outcrop section sample in dark mudstone and shale

樣品編號巖性S/mg·g-11灰色白云質泥頁巖0.37062灰色白云質泥頁巖3.97993灰色白云質泥頁巖8.59794灰色白云質泥頁巖3.38045灰色白云質泥頁巖4.38136灰色白云質泥頁巖4.0069

2.3 氯仿瀝青“A”分析

測試和收集到共計60樣次氯仿瀝青“A”數(shù)據(jù)，其氯仿瀝青“A”值介于0.001 8%～0.204 0%，平均為0.034%。根據(jù)表2評價標準，其中50%的樣品均為非烴源巖，27%的測試樣品處于較差烴源巖，13%的樣品為較好的烴源巖，好烴源巖僅占10%，見圖5。

圖5 水南組暗色泥頁巖氯仿“A”評價

Fig. 5 Rating chart of chloroform asphalt “A” of dark mudstone and shale in Shuinan Formation

2.4 有機質豐度評價

依據(jù)表2所列有機質豐度評價標準，可知萊陽凹陷水南組暗色泥頁巖有機碳含量指示為好烴源巖，氯仿瀝青“A”數(shù)據(jù)指示為較差烴源巖，生烴潛量(S1+S2)指示為較好烴源巖，綜合認為水南組暗色泥頁巖為較好烴源巖。

2.5 有機質成熟度

有機質(熱)成熟度反映了沉積盆地中源巖經歷的最高溫度，同時也是源巖生氣、生油能力判別的重要指標。根據(jù)實測5個水南組泥頁巖樣品鏡質組反射率，并結合收集的20個淺鉆巖心鏡質組反射率結果，萊陽凹陷水南組暗色泥頁巖成熟度介于0.78%～1.21%，均值為1.06%，總體為成熟中期、生成油氣的階段。

3 礦物巖石學特征

3.1 巖石學特征

水南組暗色泥頁巖野外特征，如圖6所示。野外地質調查表明，該區(qū)水南組泥頁巖整體呈現(xiàn)灰色、灰黑色，見圖6a，暗色頁巖層水平層理極為發(fā)育，有時巖石表面可見波痕等。泥頁巖礦物成分主要為黏土礦物、石英以及長石，偶見云母碎片，可見高等動植物化石，見圖6b，部分地區(qū)含白云巖，膠結類型主要為泥質膠結和鈣質膠結兩種。

a

b

Fig. 6 Field characteristics of dark mudstone and shale in Shuinan Formation

3.2 礦物成分

對研究區(qū)內水南組的7個地表露頭頁巖樣品進行了全巖X衍射實驗測試，并綜合山東省地質調查院收集的淺井水南組頁巖礦物成分測試結果，可知萊陽凹陷水南組泥頁巖的礦物成分共有9種，包括：黏土礦物、石英、鉀長石、斜長石、白云石、方解石、黃鐵礦、菱鐵礦，其中白云石含量最高，均值為33.7%，介于13.4%～59.6%；石英含量次之，均值為20.9%，主要介于9.4%～41.0%；其次，斜長石含量均值為15.3%，介于2.5%～32.5%；粘土礦物含量平均為15.1%，主要介于5.9%～24.8%；鉀長石含量均值為5.9%，介于3.0%～16.0%；方解石含量均值為6.5%，介于0～45.2%；黃鐵礦含量均值為2.1%，介于0～5.0%；菱鐵礦含量均值為0.5%，介于0～4.9%。

暗色泥頁巖作為頁巖氣儲層，滲透率很低，一般需要進行大型人工水力壓裂改造才能形成工業(yè)產能，其中脆性礦物含量決定了被水力壓裂改造的難易程度。目前普遍的認識為，陸相頁巖氣儲層中脆性礦物的含量大于40%時，較為有利于后期改造。萊陽凹陷脆性礦物含量較高，平均含量可達82.3%。由此可知，從脆性礦物含量的角度來說，萊陽凹陷暗色泥頁巖層對頁巖氣的開采壓裂有利。

4 孔裂隙特征

4.1 宏觀裂隙與微觀裂隙

野外調查發(fā)現(xiàn)研究區(qū)水南組暗色泥頁巖宏觀小型裂隙較為發(fā)育，以構造裂隙、溶蝕裂隙為主，裂隙多被方解石充填，見圖7。

a

b

Fig. 7 Macroscopic fracture of dark mudstone and shale in Shuinan Formatio

在光學顯微鏡下該區(qū)顯微裂隙不甚發(fā)育，見少量構造裂隙及溶蝕裂隙。構造裂隙多為剪切裂隙，延伸長度一般小于200 μm，寬度多小于10 μm，裂隙方解石部分充填。溶蝕裂隙延伸長度約100 μm，寬度約20 μm，內部次生方解石結晶顆粒充填，反射光，放大500倍，見圖8。

借助中國礦業(yè)大學科學中心Quanta 250儀器對水南組泥頁巖微觀裂隙進行了掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)外生裂隙和天然顆粒間裂隙較為發(fā)育，裂隙長度從幾微米到幾百微米均有發(fā)育，寬度主要介于0.5 ～2.0 μm之間。外生裂隙集中發(fā)育，裂隙寬度較大，連通性較好。粒間裂隙主要在礦物顆粒周邊發(fā)育，由成巖壓縮作用產生，裂隙聯(lián)通性較差,見圖9。

綜合分析研究區(qū)水南組暗色泥頁巖宏觀裂隙、微觀裂隙發(fā)育特征可知，泥頁巖裂隙主要以溶蝕裂隙和構造裂隙為主，宏觀裂隙和微觀均較發(fā)育，局部有方解石充填裂隙。構造裂隙溝通性較好，天然溶蝕裂隙溝通性較差，方解石充填對裂隙溝通產生負面影響，但充填膠結物與接觸面之間的抗?jié)q強度一般較弱，這有利于裂隙的激活。

a

b

Fig. 8 Fractured situation of dark mudstone and shale in Shuinan Formation, under microscope

a 構造裂隙(長7.0 μm，寬0.1 μm)

b 顆粒收縮裂隙(長18 μm，寬7 μm)

Fig. 9 Microcracks characteristics of dark mudstone and shale in Shuinan Formation of SEM

4.2 孔隙特征

實驗主要通過掃描電鏡觀察水南組泥頁巖的孔隙發(fā)育特征，還用氬離子束對部分樣品表面進行拋光處理，旨在獲得更好的觀測效果。實驗結果表明，萊陽凹陷水南組泥頁巖主要發(fā)育粒內孔(脆性礦物、黏土礦物)、粒內溶蝕孔、有機質孔和粒間孔4種類型，見圖10。

a 有機質粒內孔

b 脆性礦物粒內孔

c 有機質粒內溶蝕孔

d 方解石晶間孔

e 脆性礦物粒間孔

Fig. 10 Pore characteristics of dark mudstone and shale in Shuinan Formation of SEM

由圖10a可見，有機質孔是有機質生烴(生油、生氣)演化的過程中形成的孔隙，其中干酪根分布特征決定著有機質孔的發(fā)育。此類孔隙常成群發(fā)育，分布于干酪根邊緣，直徑多為微米和納米級，通過氬離子拋光技術后觀察孔隙直徑一般小于1 μm。主要以宏孔為主，孔隙形態(tài)以橢圓形和長條形為主，多邊形次之，是頁巖氣的主要儲集空間。由圖10b可見，主要發(fā)育于有機質、脆性礦物、黏土礦物等顆粒內部，多數(shù)形成于成巖作用，部分是原生的。區(qū)內粒內孔發(fā)育，尤其以粘土礦物和脆性礦物中發(fā)育為主，孔徑一般為幾百納米，以宏孔為主，孔隙形態(tài)以橢圓形和不規(guī)則多邊形為主。由圖10c可見，在酸性水介質溶蝕作用下，有機質、石英、長石、方解石等礦物，容易發(fā)生溶蝕作用形成次生孔隙，多數(shù)集中發(fā)育在顆粒內部，孔徑由幾十至幾百納米不等，以宏孔、介孔為主，呈蜂窩狀。由圖10d可見，晶間孔形成于礦物晶體重結晶作用，孔隙形狀受礦物結晶習性制約常較規(guī)則，區(qū)內方解石晶間孔較為發(fā)育，孔徑一般1～10 μm，以宏孔為主，形狀呈網(wǎng)格狀、長條狀、葉片狀和縫隙狀。由圖10e可見，粒間孔是由碎屑顆粒堆積而成的孔隙，形成于沉積成巖過程中，受埋深變化影響較大，在成巖作用較弱或埋深較淺的地層常見，孔徑從幾十納米至幾十微米，孔徑較大，通常為多邊形或不規(guī)則形狀，孔隙連通性比其他孔隙好，易于形成相互連通的孔隙網(wǎng)絡。

5 結 論

(1)萊陽凹陷水南組暗色泥頁巖具有較好的地質特征，干酪根類型以Ⅱ型為主，有機碳含量、氯仿瀝青“A”以及生烴潛量(S1+S2)含量均較高，指示水南組暗色泥頁巖為較好烴源巖，有機質成熟度較高，總體為成熟中期、生成油氣階段。

(2)研究區(qū)水南組泥頁巖整體呈現(xiàn)灰色、灰黑色，礦物成分以黏土礦物、白云石、石英和長石為主，方解石、黃鐵礦和菱鐵礦次之，可見高等動植物化石，膠結類型主要為泥質膠結和鈣質膠結兩種。脆性礦物含量可達82.3%，具備下步開發(fā)時水力壓裂改造的地質條件。

(3)水南組頁巖層宏觀裂隙和微觀均較發(fā)育，主要為溶蝕裂隙和構造裂隙，裂隙被方解石部分充填。構造裂隙溝通性較好，天然溶蝕裂隙溝通性較差?？紫额愋椭饕辛瓤?脆性礦物、黏土礦物)、粒內溶蝕孔、有機質孔和粒間孔4種類型，具備較多的頁巖氣儲集空間。

[1] 李金良.膠萊盆地沉積分析及構造演化[D]. 北京： 中國地質科學院.

[2] 陸克政, 朱筱敏, 漆家福. 含油氣盆地分析[M]. 東營: 石油大學出版社, 2004: 172.

[3] 彭 楠, 柳永清, 曠紅偉, 等.膠萊盆地早白堊世萊陽群沉積物源及地質意義[J].中國地質, 2015, 42(6): 1793-1810.

[4] 任鳳樓, 柳忠泉, 邱連貴, 等. 膠萊盆地萊陽期原型盆地恢復[J]. 沉積學報, 2008, 26(2)： 221-233.

[5] 宋明水, 吳智平, 戴俊生, 等. 膠萊坳陷原型盆地恢復及石油地質條件分析[M]. 東營: 中國石油大學出版社, 2005.

[6] 吳智平, 李 凌, 李 偉, 等. 膠萊盆地萊陽期原型盆地的沉積格局及有利油氣勘探區(qū)選擇[J]. 大地構造與成礦學, 2004, 28(3): 330-337.

[7] 徐貴忠, 蔡燕杰, 周 瑞, 等.山東膠萊盆地形成的動力學條件及其與金成礦作用的相關性討論[J].現(xiàn)代地質, 2004, 18(l):8～16.

[8] 翟慎德, 膠萊盆地萊陽凹陷構造特征及演化[J]. 石油實驗地質, 2003(5): 137-142.

[9] 謝康珍. 膠萊盆地頁巖氣成藏條件研究[D]. 徐州: 中國礦業(yè)大學, 2015.

[10] 戴鴻鳴, 黃 東, 劉旭寧, 等. 蜀南西南地區(qū)海相烴源巖特征與評價[J]. 天然氣地球科學, 2008, 19(4): 503-508.

[11] 黃第藩, 李晉超, 周翥虹, 等. 陸相有機質演化和成烴機理[M].北京: 石油工業(yè)出版社, 1984:112-113.

[12] 張君峰, 王東良, 秦建中, 等. 青藏高原地面露頭樣品風化校正研究[J]. 石油實驗地質, 2001, 23(3): 297-300.

[13] 魏建設. 強烈風化作用對烴源巖評價指標的影響-以額濟納旗及鄰區(qū)石炭-二疊系為例[J]. 地質通報, 2012, 31(10):1715-1723.

(編輯 晁曉筠 校對 李德根)

Dark mudstone and shale geological characteristics of lower cretaceous Laiyang Group Shuinan Formation in Laiyang Sag

ShaoYubao

(Research Institute of Planning & Exploration, Shandong Bureau of Coal Geology, Ji’nan 250000, China)

This paper introduces an investigation into the geological characteristics of dark mudstone and shale of large depositional thickness in lower cretaceous Laiyang Group Shuinan Formation in Laiyang Sag by observing and testing the organic matter type, organic matter abundance, organic matter maturity, petrologic characteristics and pores and fissures of outcrop section sample and drill-hole sample. The results show that organic matter type of dark mudstone and shale in Shuinan Formation which is dominated by type Ⅱ kerogen and is rich in organic carbon, chloroform asphalt “A”, and potential hydrocarbon generation amoun (S1+S2), the higher organic matter maturity, is defined as middle maturation and has a stronger ability of hydrocarbon generation and expulsion; the minerals consisting mainly clay mineral, dolomite, quartz and feldspar have brittle mineral content of up to 82.3%; dark mudstone and shale has a large amount of developed pores and fractures providing more storage space to accumulate shale gas. The comprehensive analysis concludes that dark mudstone and shale of Shuinan Formation in Laiyang Sag is blessed with best geological conditions of shale gas.

shale gas; Laiyang Sag; Shuinan Formation; dark mudstone and shale; geological characteristics

2017-03-23

山東省地勘基金項目(魯勘字2013年7號)

邵玉寶(1986-)，男，山東省泰安人，工程師，碩士，研究方向：沉積學、非常規(guī)油氣地質， E-mail：yubshao@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.009

P618.13

2095-7262(2017)05-0486-07

A