莱阳凹陷下白垩统莱阳群水南组暗色泥页岩的地质特征

邵玉宝

(山东省煤田地质规划勘察研究院， 济南 250000)

莱阳凹陷下白垩统莱阳群水南组暗色泥页岩的地质特征

邵玉宝

(山东省煤田地质规划勘察研究院， 济南 250000)

为研究莱阳凹陷下白垩统莱阳群水南组发育沉积厚度较大的暗色泥页岩的地质特征，观察和测试露头剖面样品和钻孔样品的有机质类型、有机质丰度、有机质成熟度、岩石学特征和孔裂隙等特征。结果表明：水南组暗色泥页岩干酪根类型以Ⅱ型为主；有机碳含量、氯仿沥青“A”与生烃潜量(S1+S2)含量均较高，有机质成熟度较高，总体处于成熟中期，具备较强的生排烃能力；矿物成分以黏土矿物、白云石、石英和长石为主，脆性矿物质量分数可以达到82.3%；孔、裂隙均有发育，具备较多的页岩气储集空间。该研究说明莱阳凹陷水南组暗色泥页岩具有较好的页岩气地质条件。

页岩气； 莱阳凹陷； 水南组； 暗色泥页岩； 地质特征

0 引 言

胶莱盆地地处山东省东部，是一个中生代由断裂控制形成的陆相盆地，莱阳凹陷位于胶莱盆地北端，是山东省境内有望实现页岩气突破的主要凹陷之一。前期调查资料显示，莱阳凹陷下白垩统莱阳群水南组岩性以深灰色～灰黑色页岩、粉砂质泥岩为主，夹有浅灰色、灰黄色微晶灰岩及灰黄色、灰绿色粉砂岩、细砂岩，页岩层中含丰富的动、植物化石，为典型的深湖、半深湖相沉积产物，是较好的烃源岩层位。研究区内水南组地层厚度为120～767 m，其中暗色泥页岩厚度为20～266 m，满足页岩气资源潜力评价的厚度要求。莱阳凹陷与现有国内外页岩气勘探区块对比，显示了一定的页岩气资源潜力。

虽然前人在研究区做了大量的地质、矿产、油气勘查和研究并取得了众多成果[1-8]，但因为这些工作主要都是针对固体矿产、石油和常规天然气而为，对研究页岩气来说，资料尚显不足，仍需从页岩气成藏角度出发，进行更为系统、更为精细的地质工作[9]。笔者主要分析水南组野外剖面样品，以及从山东省地质调查院收集的钻井样品的有机质类型、有机质丰度、有机质成熟度、矿物岩石学特征、孔裂隙结构等页岩气资源评价静态指标，详细论述水南组暗色泥页岩层地质特征，为研究区页岩气资源潜力调查评价提供数据支撑。

1 有机质类型

莱阳凹陷水南组暗色泥页岩有机质类型主要通过干酪根同位素法、干酪根显微组分类型指数(TI)法、tmax与HI关系法进行综合判定。

1.1 干酪根同位素法

对6个剖面样品的C同位素测定，测定结果如表1所示。根据戴鸿鸣等[10]的有机质类型划分标准，莱阳凹陷水南组页岩有机质类型主要为Ⅱ型，Ⅲ型与Ⅰ型的有机质较少。

1.2 干酪根显微组分类型指数法

按照GB/T 19144—2010沉积岩中干酪根分离方法的标准，提取3个从山东地质调查院收集的页岩钻井样品中的干酪根并制成薄片，按照SY/T 5125—96透射光-荧光干酪根显微组分鉴定标准，在显微镜下进行干酪根显微组分测定，如图1所示。3个页岩样品测试结果显示，其干酪根显微组分以壳质组含量最高，分布范围为88.07%～98.00%，平均为92.31%；镜质组次之，分布范围为1.72%～11.49%，平均为7.33%；惰质组含量极少，分布范围为0.28%～0.44%，平均0.36%。根据显微类型指数(TI)，测试样品的干酪根类型为Ⅱ型。

表1 莱阳凹陷水南组暗色泥页岩干酪根同位素法测试结果

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

样品号岩性δ13C/%干酪根类型1灰色白云质泥页岩-2.2384Ⅲ2灰色白云质泥页岩-2.9391Ⅰ3灰色白云质泥页岩-2.6305Ⅱ24灰色白云质泥页岩-2.7016Ⅱ15灰色白云质泥页岩-2.7660Ⅱ16灰色白云质泥页岩-2.7084Ⅱ1

图1 暗色泥页岩干酪根显微组分显微镜下照片

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

1.3tmax与HI关系法

根据6个剖面样品的岩石热解实验可知，该区暗色泥页岩最大热解温度(tmax)一般在450 ℃左右，氢指数(HI)在150～400 mg/g之间。根据图2中泥页岩tmax与HI关系可看出，莱阳凹陷水南组暗色泥页岩干酪根类型主要为Ⅱ型，Ⅰ型次之。

图2 暗色泥页岩HI与tmax关系

Fig. 2 Relationship betweenHIandtmaxof dark mudstone and shale

综合区内钻孔样及地表露头样测试结果，认为莱阳凹陷水南组暗色泥页岩干酪根类型主要为Ⅱ型。

2 有机质丰度与成熟度

目前，国内多采用综合指标判定烃源岩的有机质丰度，主要的评价指标为有机碳含量(TOC)、氯仿沥青“A”和生烃潜量(S1+S2)等。针对国内陆相烃源岩有机质丰度评价标准普遍采用黄第藩等[11]的定义，见表2。

表2 陆相烃源岩有机质丰度评价标准

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

烃源岩级别有机质丰度参数有机碳/%氯仿沥青“A”生烃潜量/mg·g-1好烃源岩>1.0>0.1>6.0较好烃源岩0.6～1.00.05～0.16.0～2.0较差烃源岩0.4～0.60.01～0.052.0～0.5非烃源岩<0.4<0.01<0.5

2.1 总有机碳含量

2.1.1 实测总有机碳含量

通过对莱阳凹陷东南缘龙旺庄地区水南组地层剖面进行系统取样，共测试样品31个，同时收集到区内山东省地质调查院布置的浅钻样品7个，可知莱阳凹陷水南组暗色泥页岩样品总有机碳质量分数介于0.04%～3.47%，平均为0.79%，其中45%的测试样品TOC大于1.0%，见图3。但地表剖面样品由于受到风化作用影响强烈，有机质损失较大，收集的钻孔样品受风化作用影响相对较小。

图3 地表实测暗色泥页岩有机碳

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

2.1.2 总有机碳含量恢复

由于风化作用造成了地表样品有机质测试结果在一定程度上存在失真，测试结果并不能完全代表区内暗色泥页岩总有机碳含量，因此，根据前人研究成果对有机碳含量进行了校正。据张君峰等[12]、魏建设等[13]研究成果，地下50～1 027 m岩心总有机碳含量与地表之比为1.08～2.38。依据布置于莱阳凹陷的莱孔2井水南组暗色泥页岩钻井样品TOC平均值(1.33%)与31个露头实测样品TOC平均值(0.71%)之比为1.87，符合校正系数区间。因此，选取1.87作为地表露头样品的TOC的校正系数。

综合地表露头样品校正后测试数据与收集的浅井样品测试数据，可知莱阳凹陷暗色泥页岩有机碳质量分数平均值为1.49%，介于0.09%～6.49%，其中58%的测试样品TOC大于1.0%，见图4。

图4 校正后的暗色泥页岩有机碳

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

2.2 生烃潜量分析

6个剖面样品岩石热解数据如表3，水南组暗色泥页岩生烃潜量S(S1+S2)为0.370 6～8.597 9 mg/g，均值为4.119 5 mg/g，生烃潜量总体均较高，为较好的烃源岩。

表3 暗色泥页岩露头样品生烃潜量

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

样品编号岩性S/mg·g-11灰色白云质泥页岩0.37062灰色白云质泥页岩3.97993灰色白云质泥页岩8.59794灰色白云质泥页岩3.38045灰色白云质泥页岩4.38136灰色白云质泥页岩4.0069

2.3 氯仿沥青“A”分析

测试和收集到共计60样次氯仿沥青“A”数据，其氯仿沥青“A”值介于0.001 8%～0.204 0%，平均为0.034%。根据表2评价标准，其中50%的样品均为非烃源岩，27%的测试样品处于较差烃源岩，13%的样品为较好的烃源岩，好烃源岩仅占10%，见图5。

图5 水南组暗色泥页岩氯仿“A”评价

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

2.4 有机质丰度评价

依据表2所列有机质丰度评价标准，可知莱阳凹陷水南组暗色泥页岩有机碳含量指示为好烃源岩，氯仿沥青“A”数据指示为较差烃源岩，生烃潜量(S1+S2)指示为较好烃源岩，综合认为水南组暗色泥页岩为较好烃源岩。

2.5 有机质成熟度

有机质(热)成熟度反映了沉积盆地中源岩经历的最高温度，同时也是源岩生气、生油能力判别的重要指标。根据实测5个水南组泥页岩样品镜质组反射率，并结合收集的20个浅钻岩心镜质组反射率结果，莱阳凹陷水南组暗色泥页岩成熟度介于0.78%～1.21%，均值为1.06%，总体为成熟中期、生成油气的阶段。

3 矿物岩石学特征

3.1 岩石学特征

水南组暗色泥页岩野外特征，如图6所示。野外地质调查表明，该区水南组泥页岩整体呈现灰色、灰黑色，见图6a，暗色页岩层水平层理极为发育，有时岩石表面可见波痕等。泥页岩矿物成分主要为黏土矿物、石英以及长石，偶见云母碎片，可见高等动植物化石，见图6b，部分地区含白云岩，胶结类型主要为泥质胶结和钙质胶结两种。

a

b

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

3.2 矿物成分

对研究区内水南组的7个地表露头页岩样品进行了全岩X衍射实验测试，并综合山东省地质调查院收集的浅井水南组页岩矿物成分测试结果，可知莱阳凹陷水南组泥页岩的矿物成分共有9种，包括：黏土矿物、石英、钾长石、斜长石、白云石、方解石、黄铁矿、菱铁矿，其中白云石含量最高，均值为33.7%，介于13.4%～59.6%；石英含量次之，均值为20.9%，主要介于9.4%～41.0%；其次，斜长石含量均值为15.3%，介于2.5%～32.5%；粘土矿物含量平均为15.1%，主要介于5.9%～24.8%；钾长石含量均值为5.9%，介于3.0%～16.0%；方解石含量均值为6.5%，介于0～45.2%；黄铁矿含量均值为2.1%，介于0～5.0%；菱铁矿含量均值为0.5%，介于0～4.9%。

暗色泥页岩作为页岩气储层，渗透率很低，一般需要进行大型人工水力压裂改造才能形成工业产能，其中脆性矿物含量决定了被水力压裂改造的难易程度。目前普遍的认识为，陆相页岩气储层中脆性矿物的含量大于40%时，较为有利于后期改造。莱阳凹陷脆性矿物含量较高，平均含量可达82.3%。由此可知，从脆性矿物含量的角度来说，莱阳凹陷暗色泥页岩层对页岩气的开采压裂有利。

4 孔裂隙特征

4.1 宏观裂隙与微观裂隙

野外调查发现研究区水南组暗色泥页岩宏观小型裂隙较为发育，以构造裂隙、溶蚀裂隙为主，裂隙多被方解石充填，见图7。

a

b

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

在光学显微镜下该区显微裂隙不甚发育，见少量构造裂隙及溶蚀裂隙。构造裂隙多为剪切裂隙，延伸长度一般小于200 μm，宽度多小于10 μm，裂隙方解石部分充填。溶蚀裂隙延伸长度约100 μm，宽度约20 μm，内部次生方解石结晶颗粒充填，反射光，放大500倍，见图8。

借助中国矿业大学科学中心Quanta 250仪器对水南组泥页岩微观裂隙进行了扫描电镜观察，发现外生裂隙和天然颗粒间裂隙较为发育，裂隙长度从几微米到几百微米均有发育，宽度主要介于0.5 ～2.0 μm之间。外生裂隙集中发育，裂隙宽度较大，连通性较好。粒间裂隙主要在矿物颗粒周边发育，由成岩压缩作用产生，裂隙联通性较差,见图9。

综合分析研究区水南组暗色泥页岩宏观裂隙、微观裂隙发育特征可知，泥页岩裂隙主要以溶蚀裂隙和构造裂隙为主，宏观裂隙和微观均较发育，局部有方解石充填裂隙。构造裂隙沟通性较好，天然溶蚀裂隙沟通性较差，方解石充填对裂隙沟通产生负面影响，但充填胶结物与接触面之间的抗涨强度一般较弱，这有利于裂隙的激活。

a

b

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

a 构造裂隙(长7.0 μm，宽0.1 μm)

b 颗粒收缩裂隙(长18 μm，宽7 μm)

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

4.2 孔隙特征

实验主要通过扫描电镜观察水南组泥页岩的孔隙发育特征，还用氩离子束对部分样品表面进行抛光处理，旨在获得更好的观测效果。实验结果表明，莱阳凹陷水南组泥页岩主要发育粒内孔(脆性矿物、黏土矿物)、粒内溶蚀孔、有机质孔和粒间孔4种类型，见图10。

a 有机质粒内孔

b 脆性矿物粒内孔

c 有机质粒内溶蚀孔

d 方解石晶间孔

e 脆性矿物粒间孔

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

由图10a可见，有机质孔是有机质生烃(生油、生气)演化的过程中形成的孔隙，其中干酪根分布特征决定着有机质孔的发育。此类孔隙常成群发育，分布于干酪根边缘，直径多为微米和纳米级，通过氩离子抛光技术后观察孔隙直径一般小于1 μm。主要以宏孔为主，孔隙形态以椭圆形和长条形为主，多边形次之，是页岩气的主要储集空间。由图10b可见，主要发育于有机质、脆性矿物、黏土矿物等颗粒内部，多数形成于成岩作用，部分是原生的。区内粒内孔发育，尤其以粘土矿物和脆性矿物中发育为主，孔径一般为几百纳米，以宏孔为主，孔隙形态以椭圆形和不规则多边形为主。由图10c可见，在酸性水介质溶蚀作用下，有机质、石英、长石、方解石等矿物，容易发生溶蚀作用形成次生孔隙，多数集中发育在颗粒内部，孔径由几十至几百纳米不等，以宏孔、介孔为主，呈蜂窝状。由图10d可见，晶间孔形成于矿物晶体重结晶作用，孔隙形状受矿物结晶习性制约常较规则，区内方解石晶间孔较为发育，孔径一般1～10 μm，以宏孔为主，形状呈网格状、长条状、叶片状和缝隙状。由图10e可见，粒间孔是由碎屑颗粒堆积而成的孔隙，形成于沉积成岩过程中，受埋深变化影响较大，在成岩作用较弱或埋深较浅的地层常见，孔径从几十纳米至几十微米，孔径较大，通常为多边形或不规则形状，孔隙连通性比其他孔隙好，易于形成相互连通的孔隙网络。

5 结 论

(1)莱阳凹陷水南组暗色泥页岩具有较好的地质特征，干酪根类型以Ⅱ型为主，有机碳含量、氯仿沥青“A”以及生烃潜量(S1+S2)含量均较高，指示水南组暗色泥页岩为较好烃源岩，有机质成熟度较高，总体为成熟中期、生成油气阶段。

(2)研究区水南组泥页岩整体呈现灰色、灰黑色，矿物成分以黏土矿物、白云石、石英和长石为主，方解石、黄铁矿和菱铁矿次之，可见高等动植物化石，胶结类型主要为泥质胶结和钙质胶结两种。脆性矿物含量可达82.3%，具备下步开发时水力压裂改造的地质条件。

(3)水南组页岩层宏观裂隙和微观均较发育，主要为溶蚀裂隙和构造裂隙，裂隙被方解石部分充填。构造裂隙沟通性较好，天然溶蚀裂隙沟通性较差。孔隙类型主要有粒内孔(脆性矿物、黏土矿物)、粒内溶蚀孔、有机质孔和粒间孔4种类型，具备较多的页岩气储集空间。

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(编辑 晁晓筠 校对 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

山东省地勘基金项目(鲁勘字2013年7号)

邵玉宝(1986-)，男，山东省泰安人，工程师，硕士，研究方向：沉积学、非常规油气地质， E-mail：yubshao@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.009

P618.13

2095-7262(2017)05-0486-07

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