济阳坳陷始新统页岩岩相发育主控因素及分布特征.pdf
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1、书书书 第 卷第 期 年月古地理学报 ()文章编号:():济阳坳陷始新统页岩岩相发育主控因素及分布特征刘惠民王勇李军亮张鹏飞张顺魏晓亮秦峰中国石化胜利油田分公司,山东东营 中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院,山东东营 摘要济阳坳陷始新统沙四上沙三下亚段页岩岩相类型多样、特征明显,近年来针对该套页岩系统取心 余米,为陆相断陷湖盆页岩岩相发育主控因素及分布研究提供了“天然实验室”。综合利用岩心、薄片、地球化学等资料,以济阳坳陷为研究区,对沙四上沙三下亚段的页岩岩相类型、发育主控因素和分布规律进行了系统研究。结果表明,济阳坳陷古近系位于北纬亚洲季风气候带,沙四上沙三下亚段处于强烈裂陷欠补偿期,为典
2、型的闭流咸化湖盆,发育巨厚层纹层发育的富碳酸盐页岩;受湖盆古水介质(古水深、古盐度和古氧化 还原性)和古物源条件复杂多变控制,发育了多类型页岩,包括碳酸盐页岩、混合页岩、黏土页岩和长英页岩 类,进一步综合岩石组分、沉积构造和有机质丰度细分为富有机质纹层状碳酸盐页岩相、富有机质层状碳酸盐页岩相、富有机质纹层状灰质混合页岩相、富有机质纹层状黏土质混合页岩相、富有机质层状长英质混合页岩相、富有机质纹层状黏土页岩相、富有机质层状黏土页岩相、富有机质纹层状长英质页岩相和含有机质层状长英质页岩相 种;古气候、古物源和古水介质协同演化,与古地貌共同控制了岩相类型与展布,其中,古气候与盆地构造演化控制了页岩发
3、育的规模,古水介质与古物源控制了页岩岩相类型,古地貌与古物源控制了岩相分区分带差异化展布。建立了济阳坳陷沙四上沙三下亚段页岩分区分带差异化分布模式,可为陆相断陷盆地页岩油气勘探和相似地质背景下页岩成因研究提供借鉴和参考。关键词 济阳坳陷始新统页岩岩相主控因素古水介质古物源古地貌第一作者简介 刘惠民,男,年生,年毕业于中国石油大学(华东),获博士学位,主要从事胜利油田分公司油气勘探研究与管理工作。:。中图分类号:文献标志码:中国石油化工股份有限公司基础性课题(编号:)和胜利油田分公司科研课题(编号:)联合资助。,()()收稿日期:改回日期:,第 卷第 期刘惠民等:济阳坳陷始新统页岩岩相发育主控因
4、素及分布特征 ()(),:,(,),(),:自 ()定义页岩概念以来,受限于粒径、强非均质和微观实验条件制约,研究一直相对滞缓。进入 世纪之后,随着页岩油气大规模勘探开发,专家学者对页岩日益关注,审视页岩的角度也发生了明显变化,不仅关注页岩的组分和结构,也关注页岩的生油、储集能力和可压性,一定程度上推动了页岩岩相的研究进程。到目前为止,页岩分类、形成机制和沉积过程学术界认识尚未统一(邓宏文和钱凯,;,;王冠民,;,;姜在兴等,;黎茂稳,)。“十三五”以来,中国东部渤海湾断陷湖盆古近系孔二段、沙四上沙三下亚段、沙一段页岩油气勘探取得全方位战略性突破,助推了国内陆相断陷湖盆页岩细粒沉积的研究进程,
5、在页岩岩相类型、沉积环境、沉积作用过程等方面取得了一系列创新性认识(陈世悦等,;赵贤正等,;马义权等,)。但随着研究程度的不断深入和取心资料的不断丰富,越来越多的证据表明,陆相断陷湖盆地质条件更为复杂。陆相页岩不同于海相页岩,具有岩相类型多、相变快、展布复杂、非均质性强等特点,不仅不同盆地岩相存在差异、同一盆地的不同区带 不同层系岩相也千差万别(杨万芹等,;王勇等,;刘惠民等,)。岩相作为页岩油气勘探部署评价的主要对象,是勘探部署的主要抓手,其展布规律的认识一定程度上直接制约着页岩油气有利勘探目标预测。针对上述问题,本研究从页岩大量系统取心入手,综合利用岩心、薄片、地球化学等资料,系统阐明了济
6、阳坳陷沙四上沙三下亚段页岩岩相类型、发育主控因素和展布规律,有力支撑了济阳页岩油甜点的有效预测和勘探的战略性突破。地质背景济阳坳陷位于渤海湾盆地东南部,隶属于渤海 古地理学报 年 月图 济阳坳陷泥岩等值线与结构图 湾盆地的一个次级构造单元,东部为垦东 青坨子凸起,西部和北部为埕宁隆起,南部为鲁西隆起,发育东营、沾化、惠民和车镇 个凹陷(图 ),面积约 ,是典型的陆相箕状断陷湖盆,盆内常规油气资源十分丰富,资源量高达 以上。主要经历古近系裂陷期和新近系拗陷期 个演化阶段,从下至上依次发育孔店组、沙四段、沙三段、沙二段、沙一段、东营组、馆陶组和明化镇组(张林晔等,)。古近系主要经历始新统的初始裂陷
7、期、裂陷加速期、强烈裂陷期和稳定裂陷期和渐新统的衰退裂陷期,从下至上分别对应于沙四下亚段、沙四上亚段、沙三下亚段、沙三中沙二下亚段和沙二上东营组。初始裂陷期控盆断裂开始强烈活动,受盆地北东断南西超构造格局的控制,湖盆的西南部斜坡带发育大量粗碎屑沉积,东北部水体相对较深,发育少量泥页岩和膏盐岩沉积;裂陷加速期稳定裂陷期北部控盆断裂活动增强,持续活动使湖盆发生深陷,加之气候由半干旱向潮湿转化,湖泊水体迅速加深,湖盆内发育大套半深湖 深湖页岩细粒沉积。衰退裂陷期北部控盆断裂活动减弱,碎屑沉积供给充足,主要发育粗碎屑沉积,沙一段仅在局部深洼区发育半深湖深湖页岩细粒沉积。页岩岩相类型及特征近年来,针对济
8、阳坳陷沙四上沙三下亚段的页岩进行了大规模系统取心,全坳陷累计取心达 第 卷第 期刘惠民等:济阳坳陷始新统页岩岩相发育主控因素及分布特征 多米,为页岩岩相研究奠定了坚实的基础。目前,国内外很多学者对页岩岩相进行了分类,分类方案不尽统一,但总体趋势由开始只考虑页岩矿物成分、颜色,逐渐向综合页岩矿物成分、结构、沉积构造和有机碳丰度等多因素的方向发展(柳波等,;高辉等,;赵贤正等,;刘惠 民 等,;孙 龙 德 等,;邵 龙 义 等,)。本次依据济阳坳陷页岩油勘探实际,基于页岩“矿物组分、沉积构造和有机质丰度”决定了页岩储集性、含油性、可压性和页岩油可动性特点,提出了三要素三端元划分方案(图 )。有机质
9、以 和 为界,划分为富有机质()、含有图 济阳坳陷沙四上亚段沙三下亚段页岩岩相类型划分方案 机质(介于 之间)和贫有机质();沉积构造以纹层厚度 为界划分为纹层状(纹层状厚度小于 ,且连续程度高)、层状(厚度大于等于 )和块状(纹层不发育);以矿物组分 为界划分为碳酸盐页岩、混合页岩、黏土页岩和长英页岩相(刘惠民等,)。依据以上的页岩岩相类型划分原则,对济阳坳陷沙四上沙三下亚段页岩取心井岩相进行详细划分。研究区主要发育 种 类页岩岩相,包括富有机质纹层状碳酸盐页岩相、富有机质层状碳酸盐页岩相、富有机质纹层状灰质混合页岩相、富有机质纹层状黏土质混合页岩相、富有机质层状长英质混合页岩相、富有机质纹
10、层状黏土页岩相、富有机质层状黏土页岩相、富有机质纹层状长英页岩相和含有机质层状长英页岩相(表 ),其中以碳酸盐页岩和混合页岩相为主,种岩相占比在 以上,为济阳坳陷沙四上亚段沙三下亚段页岩典型特点。富有机质纹层状碳酸盐页岩相岩心颜色呈深灰色,滴盐酸强烈冒泡,纹层明暗相间,呈水平状连续性分布。镜下观察,主要由富有机质泥质纹层与碳酸盐纹层组成,互层发育,纹层间界面清晰,碳酸盐纹层相对泥质纹层较厚,厚度一般在 之间,泥质纹层厚度一般在 之间;碳酸盐纹层多为方解石纹层,方解石多呈微 细晶、隐晶结构,局部呈粗晶结构,方解石晶形各异,呈菱形状、三角状、蜂窝状(碳酸盐围绕有机质成环状分布)和生物碎片状,局部方
11、解石纹层内分散状发育少量白云石晶粒,晶粒相对粗大,一般在 之间;碳酸盐矿物晶体自形程度低及含量与水体盐度呈正比的特点,表现为生物 化学作用成因。结果表明,碳酸盐含量为 ,石英、长石含量分别为 、,黏土含量为 ,黄铁矿含量为 。该类岩相有机质含量高,一般在 之间,相对富集于泥质纹层,且多呈顺层连续状分布(表 ;图 ,)。富有机质层状碳酸盐页岩相岩心颜色呈浅灰、深灰色,纹层不发育,滴酸强烈冒泡,局部介形虫生物碎屑富集成层。薄片下,隐晶碳酸盐组分与陆源碎屑组分(黏土、石英和长石含量,下同)混杂沉积,纹层不明显,但层理显现,主要通过碳酸盐透镜体、长石、石英和生物碎屑组分的突变和定向分布来显层,生物碎屑
12、以介形虫类碎片和藻类碎片为主;结果表 古地理学报 年 月表 济阳坳陷沙四上亚段沙三下亚段页岩主要岩相类型及特征 第 卷第 期刘惠民等:济阳坳陷始新统页岩岩相发育主控因素及分布特征明,碳酸盐组分含量高于陆源碎屑组分含量,碳酸盐含量为 ,石英、长石含量分别为 、,黏土含量为 ,黄铁矿含量为 。该类岩相有机质丰度略低于富有机质纹层状碳酸盐页岩相有机质丰度,一般在 之间,且多呈分散状分布(表 ;图 ,)。官 斜 井,井深 ,碳酸盐纹层、泥质纹层发育,薄片;官 斜 井,井深 ,有机质富集于泥质纹层,顺层连续状分布,荧光薄片;官 斜 井,井 深 ,纹 层 不发 育,薄 片;官 斜 井,井深 ,有机质分散状
13、分布,局部定向富集,荧光薄片图 济阳坳陷沙四上亚段沙三下亚段有机质分布微观照片 富有机质纹层状碳酸盐质混合页岩相岩心颜色呈深灰色,滴盐酸强烈冒泡,具有纹层结构,纹层间界限较为明晰,纹层多呈透镜状、水平状。镜下观察,纹层明显,主要由碳酸盐纹层与富长英质黏土纹层组成,纹层厚度较薄,层偶厚度主要在 之间,碳酸盐纹层多呈连续透镜状、波状,碳酸盐主要由铁方解石组成,染色薄片下呈紫红色。结果表明,该岩相碳酸盐含量为 ,石英、长石含量分别为 、,黏土含量为 ,黄铁矿含量为 。该类岩相有机质含量高,一般在 之间,在黏土纹层中相对富集,且多呈顺层连续状分布(表 )。有机质含量和草莓状黄铁矿含量均高,表明该类岩相
14、沉积期的环境更为还原。富有机质纹层状黏土质混合页岩相岩心颜色呈深灰色、褐色,纹层隐约可见,岩心上亮暗差异可能与有机质富集程度有关,有机质富集程度高的部分颜色相对较深。镜下观察,断续状纹层发育,主要由黏土、长石、石英混合纹层和碳酸盐纹层组成,碳酸盐纹层厚度较薄,绝大部分小于 ,多呈透镜状、条带状分布,黏土、长石、石 英 混 合 纹 层 厚 度 较 大,厚 度 一 般 大 于 ,纹层中局部见较大长石和石英颗粒,多呈分散状定向分布。结果表明,该岩相碳酸 古地理学报 年 月盐组分含量为 ,石英、长石含量分别为 、,黏土含量为 ,黄铁矿含量为 。有机碳丰度高,多在 之间,主要富集在黏土、长石和石英混合纹
15、层(表 )。富有机质纹层状长英质混合页岩相岩心颜色呈灰色、深灰色,纹层清晰可见,明暗相间,纹层间界限清晰。镜下观察,纹层清晰可见,主要由碳酸盐、长石、石英、黏土混合纹层和长石、石英纹层组成,长石、石英纹层多呈水平状、条带 状分 布,厚 度 一 般 在 以 下,长石、石英粒径较大、分选与磨圆度较小,多呈定向排列。结果表明,该岩相碳酸盐含量为 ,石英、长石含量分别为 、,黏土含量为 ,黄铁矿含量为 。有机碳丰度高,多在 之间,主要富集在碳酸盐、长石、石英、黏土混合纹层(表 )。富有机质纹层状黏土页岩相岩心颜色呈深灰色,纹层隐约可见。镜下观察,纹层相对发育,主要由黏土纹层和黏土、长石、石英、碳酸盐混
16、合纹层组成,黏土纹层相对较薄,厚度一般小于 ,颗粒细小,颜色相对较深,呈褐色,黏土矿物主要为伊利石、伊蒙混层,黏土、长石、石英、碳酸盐混合纹层厚度通常是黏土纹层的 倍,且纹层中多见分散状石英和长石粗颗粒。结果表明,该岩相碳酸盐含量为 ,石英、长石含量分别为 、,黏土含量为 ,黄铁矿含量为 。该类岩相有机碳丰度高,多在 之间,个别样品高达 以上,种纹层中均有分布,在黏土纹层中更为富集(表 )。富有机质层状黏土页岩相岩心颜色呈深灰色,纹层不发育,层理隐约可见。镜下观察,纹层不发育,黏土、长石、石英和碳酸盐杂乱混合沉积,由于黏土组分含量高,薄片显示深黄色、褐色,长石、石英多呈分散悬浮状,表明该类岩相
17、沉积时的水动力相对较强,主要为泥质浊流的产物。结果表明,该岩相碳酸盐含量为 ,石英、长石含量分别为 、,黏土含量为 ,黄铁矿含量为 。有机碳丰度高,多在 之间,呈分散状分布(表 )。富有机质纹层状长英页岩相岩心颜色呈灰色、深灰色,纹层清晰可见,明暗相间,偶见灰白色厘米级粉砂质薄夹层,发育有平行层理、透镜状层理及韵律性层理。镜下观察,纹层相对发育,主要由长英、石英纹层和长石、石英、碳酸盐混合纹层组成,长英、石英纹层较薄,厚度一般小于 ,长石、石英、碳酸盐混合纹层厚度变化较大,长石、石英多呈漂浮状或连续纹层状产出,分选较差,磨圆中等,次棱角次圆状。结果表明,该岩相碳酸盐含量为 ,石英、长石含量分别
18、为 、,黏土含量为 ,黄铁矿含量为 。有机碳丰度较高,多在 之间,主要富集在黏土、长石、石英和碳酸盐混合纹层(表 )。含有机质层状长英页岩相岩心颜色呈深灰色,纹层不发育,偶见砂质团块和厘米级以上粉砂质薄夹层,夹层局部显粒序性或底流侵蚀扰动特征。镜下观察,纹层不发育,由黏土、长石、石英和碳酸盐杂乱混合沉积组成,长石、石英和生物碎屑多呈分散定向分布成层,长石、石英颗粒粗大,棱角明显,表明该类岩相沉积时距离外物源近、水动力强。结果表明,该岩相碳酸盐含量为 ,石英、长石含量分别为 、,黏土含量为 ,黄铁矿含量为 。有机碳丰度相对较低,通常小于 (表 )。页岩岩相发育主控因素及岩相分布 古气候与盆地演化
19、控制了富有机质碳酸盐纹层状页岩岩相大规模发育济阳坳陷古近系北纬亚热带季节气候控制了纹层状富碳酸盐页岩岩相发育。依据济阳坳陷古近系孢粉薄片各生态组的平均含量和每个盖片孢粉粒的平均个数,按照喜热组和喜温组孢粉平均含量恢复的温度比值、湿生组和旱生组孢粉平均含量恢复的湿度比值的演化规律(李守军等,),结合亚热带植物含量高、一般在 之间的基本特点(朱宗浩等,),认为沙四上亚段、沙三下亚段分别属于干旱期亚热带、湿润期亚热带气候(图 )。始新统初期,印度 亚洲板块的碰撞,青藏高原的隆升,阻挡了来自西南的湿气向华北地区 第 卷第 期刘惠民等:济阳坳陷始新统页岩岩相发育主控因素及分布特征图 济阳坳陷古近系盆地沉
20、积环境与构造演化特征 的输入,促进了该区东亚季风的盛行,夏季风来源于东部海洋,温暖潮湿,冬季风来源于东亚内陆,寒冷干燥(,)。综合认为济阳坳陷古近系沙四上沙三下亚段沉积期属于暖湿与干冷交替的亚热带季风气候。亚洲季风气候暖湿 干冷季节性的转变为济阳坳陷古近系纹层状富碳酸盐页岩岩相发育提供了条件,加之整体气温整体偏高,决定了济阳坳陷古近系沙四上沙三下亚段页岩发育碳酸盐纹层、黏土纹层和长英质碎屑纹层等多种纹层、且以碳酸盐纹层为主的特点。深入研究认为,夏季高温季节气候变干伴随着藻类繁盛和强烈蒸发作用,引起湖水中碳酸盐过饱和,导致碳酸盐矿物大量沉淀,形成富碳酸盐纹层,或在丰水期河流注入量的增加,以平流和
21、层流形式进入半深湖深湖区的黏土、细粉砂等细粒悬浮物质增加,形成长英质碎屑纹层或多种组分形成的混合纹层;冬季气候寒冷干燥,水流畅通性差造成水体分层,水体处于稳定缺氧状态,细颗粒悬浮物缓慢沉淀,伴随着藻类大量死亡,主要形成富有机质黏土纹层;不同季节形成的不同类型纹层耦合叠置,形成济阳坳陷古近系沙四上沙三下亚段多类型纹层叠置的富碳酸盐纹层状的页岩岩相(王勇等,)。构造和气候演化共同控制了富有机质页岩岩相大规模发育。湖盆构造演化控制着湖盆的可容纳空间演化,一定程度上控制了页岩岩相的发育规模。济阳湖盆沙四上沙三下亚段处于盆地裂陷加速期和强烈裂陷期,湖盆沉降速率高达 ,可容空间大,且属于闭流湖盆,处于欠补
22、偿状态(图),沙四上沙三下亚段随着气候由干热向湿润转化,降雨量增加,水体加深,水域不断增大,湖水面积最大达 万多平方千米,为页岩大规模发育提供了条件。沙四上亚段主要发育深灰色页岩,厚度一般为 ,其中车镇凹陷、惠民凹陷临南洼陷厚度只有 左右,东营凹陷、沾化凹陷厚度较大,在 之间,惠民凹陷的滋镇洼陷、阳信洼陷的烃源岩厚度最大,可达 。沙三下亚段湖盆处于强烈裂陷期,是盆地沉陷最深、水体范围最大的时期,东营凹陷、惠民凹陷页岩厚度通常在 左右;沾化凹陷、车镇凹陷烃源岩厚度相对较大,其中车西、大王北、郭局子、四扣和渤南等洼陷页岩厚度均大于 ;五号桩、孤南、富林等洼陷页岩厚度相对较薄,但也在 以上(图 )。
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