膠萊坳陷頁巖氣資源潛力評價

孫偉清，彭文泉，高兵艷，張文，王英鵬，郝興中

(1.山東省地質科學研究院，國土資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室，山東省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室，山東 濟南 250013；2.山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南 250109;3.山東省地質調查院，山東 濟南 250013)

膠萊坳陷位于山東省東部，常規油氣勘查工作始于20世紀80年代[1-2]，先后多口探井鉆遇水南組時見瀝青、油跡、油斑及熒光顯示等，其中萊孔2井1小時產原油5kg，充分證明膠萊坳陷具有油氣生成的物質基礎和形成條件。但隨著工作開展至今，未實現常規油氣勘查的突破[3]。近年來，頁巖氣資源勘查工作不斷升溫，針對膠萊坳陷烴源巖研究不斷深入，依據山東省開展的頁巖氣資源潛力調查評價資料，在分析研究膠萊坳陷地質背景和沉積環境的基礎上，對烴源巖的有機地化條件、儲集物性條件等進行深入分析探討，認為膠萊坳陷具備頁巖氣生儲條件，并估算了頁巖氣資源潛力，為進一步頁巖氣資源勘查指出了方向。

1 區域地質背景

1.1 構造背景

膠萊坳陷分布于膠北隆起與膠南隆起之間，大致呈NE方向延伸，為東北窄而西南寬的菱形盆地[4-5]，是山東省東部一個典型的晚中生代伸展斷陷盆地，面積約12000km2。

膠萊坳陷西側受控于NNE向的郯廬斷裂帶，南側為五蓮斷裂所控制，北界除了平度斷裂以外，大部分超覆在膠北隆起之上，東側NNE走向的牟平-即墨斷裂帶將盆地分割為東西兩部分。膠萊坳陷東部為海陽凹陷，其基底屬于膠南造山帶，為一個單斜的構造單元；西部由萊陽凹陷、大野頭凸起、高密凹陷、平度凹陷、夏格莊凹陷、李黨家-馬山凸起、諸城凹陷和柴溝地壘構成，桃村凹陷分布于牟平-即墨斷裂帶內(圖1)。

1—斷裂；2—構造單元界線；3—超覆或剝蝕邊界；4—鉆孔位置及編號圖1 膠萊坳陷構造單元區劃圖

1.2 地層發育特征

膠萊坳陷中生代地層是在太古-元古宙變質結晶巖系之上發育的以碎屑巖類為主的沉積地層，主要有萊陽群、青山群和王氏群；中生界之上發育有新生代古近紀五圖群、新近紀臨朐群和第四系。

1.2.1 白堊紀萊陽群

萊陽群在膠萊坳陷內廣泛分布，為一套不整合于基底之上和青山群之下的河湖相沉積，在膠萊坳陷的不同位置巖性變化較大，從山麓洪積相至河流相、湖泊相均有發育，且露頭良好，含豐富的生物群動、植物化石。萊陽群發育厚度變化較大，萊陽凹陷最大發育厚度近3000m，諸城凹陷最大發育厚度也超過2500m。

萊陽群3個暗色泥巖發育層段，分別為萊陽群瓦屋夼組、水南組和法家塋組[6]。

瓦屋夼組：巖性主要為灰黃、黃綠色砂巖、頁巖；底部有少量礫巖，分布較為局限。在山前店一帶發育厚度最大，厚約100m，向四周逐漸變薄，該組內黑色泥頁巖發育最大厚度不足15m。

水南組：巖性以頁巖、泥巖、粉砂巖為主，化石豐富且分布范圍較廣，厚度一般為200～443m，最大厚度超過500m，暗色泥頁巖發育，占比較大，泥地比大于70%。是膠萊坳陷暗色泥頁巖發育厚度最大，分布范圍最廣的層組。

法家塋組：上部為含礫粗砂巖，局部夾流紋質凝灰巖，下部以灰綠—灰黑色、紫色細砂巖、粉砂巖、頁巖為主；法家塋組厚度超過400m，但僅底部發育一段灰綠—灰黑色頁巖、泥巖，夾薄層的粉砂質泥巖，累計厚度不足15m。

1.2.2 白堊紀青山群

青山群為一套巖性復雜的火山巖和火山碎屑巖系，其中夾少量碎屑巖，下部為英安質火山角礫巖、安山質集塊巖和凝灰巖，中部為安山巖、安山質集塊角礫巖夾凝灰巖，上部為紫灰色、灰黑色的安山巖、橄欖玄武巖以及安山玄武巖，火山巖中普遍見有氣孔及杏仁構造。

1.2.3 白堊紀王氏群

王氏群為一套河流相紅色碎屑巖，夾濱淺湖相雜色碎屑巖及少量泥灰巖。王氏群劃分為林家莊組、辛格莊組、紅土崖組、金崗口組和膠州組。林家莊組主要巖性為灰紫色、灰色礫巖和砂礫巖夾紫紅色細砂巖、粉砂巖，礫石成分主要為火山巖；辛格莊組以紫紅、灰綠色粉砂巖互層為特征，含大量泥灰巖團塊及少量灰巖夾層；紅土崖組以磚紅、紫紅色調和粗—細互層為主要特征；金崗口組和膠州組分布局限，色調和粒度較雜，有時可見膏鹽及白云巖沉積。

1.3 暗色泥頁巖沉積特征

萊陽群的沉積整體體現出了一個湖盆發育的全過程，經歷了洪積扇、河流相、湖泊相、河流相的完整旋回，但由于地勢高差、構造運動造成的垂向升降的差異，盆地內不同的構造位置所沉積的地層不同，就同一地質階段而言，陡坡帶、緩坡帶和中心帶往往發育不同的沉積相，巖性特征存在很大差異。

水南組為膠萊坳陷水位最深環境下沉積地層的代表，從水南組分布及巖性變化分析，水南組沉積期在整個膠萊坳陷主要分布有兩個湖盆，其物源主要來自于盆地周緣的膠北隆起和膠南隆起帶。其中在諸城西南發育一個小型湖盆，且該時期諸城和高密地區為一個統一的構造單元，在盆地中部主要接受河流相的沉積，該時期李黨家-馬上凸起出露水面，未接受沉積，并為周緣提供少量物源。在盆地北部萊陽、夏格莊以及牟平地區發育一個大型湖盆(圖2)，在該區水南組暗色泥頁巖最為發育。

1—深湖相；2—淺濱湖相；3—河流相；4—洪積相；5—斷裂；6—鉆孔位置及編號圖2 膠萊坳陷水南組時期沉積相圖

2 暗色泥頁巖生烴條件

2.1 有機質豐度

有機質豐度通常利用有機碳含量(TOC)、生烴潛量(S1+S2)和氯仿瀝青“A”等參數進行表征，有機質豐度也是評價泥頁巖生油、生氣能力的重要指標。白堊系萊陽群具有典型的陸湖相沉積特征，因此利用黃第藩的陸相烴源巖有機質豐度評價標準[7]對膠萊坳陷烴源巖進行評價。

2.1.1 有機碳含量(TOC)

依據勝利油田萊孔1井、萊孔2井、姜淺3井和山東省地質調查院施工的ZK1～ZK10等13口淺鉆獲取的47件水南組暗色泥頁巖樣品有機碳含量測試數據(表1)。從表1可以看出，膠萊坳陷水南組暗色泥頁巖有機碳含量(TOC)介于0.17%～2.92%之間，平均為1.04%，其中萊陽凹陷有機碳含量較高，平均值為1.38%，好烴源巖(有機碳含量大于1%)占該凹陷樣品總數70%，大于2%的占22%(圖3)。桃村凹陷有機碳含量平均值為0.98%，以較好烴源巖為主，較好烴源巖占該凹陷樣品總數的46%，好烴源巖占該凹陷樣品總數的23%；夏格莊凹陷有機碳含量較低，平均值為0.40%，樣品中64%為非烴源巖，說明膠萊坳陷不同次級凹陷內泥頁巖沉積環境差距較大，有機碳沉積極不均勻。

2.1.2 生烴潛量(S1+S2)

巖石熱解實驗是使用Rock Eval熱解儀在不同特定溫度下加熱，分析各階段從巖石中釋放的烴含量的過程，獲取的S1為殘留烴，相當于巖石中已由有機質生成但尚未排出的殘留烴(或稱之為游離烴)；所得的S2為裂解烴，是巖石中能夠生烴但尚未生烴的有機質所能夠生成的烴量。S1+S2即為巖石的生烴潛量，為烴源巖評價有機質豐度的指標之一[8-9]。

表1 膠萊坳陷水南組有機碳含量

據萊參1井、萊孔2井及野外露頭樣品資料分析，萊陽凹陷生烴潛量為0.01～23.03mg/g，較好和好烴源巖占樣品數的53%；夏格莊凹陷生烴潛量為0.27～2.04mg/g，非烴源巖占71%；諸城凹陷生烴潛量為0～0.41mg/g，全部為非烴源巖(圖4)。從生烴潛量來看萊陽凹陷生烴潛量較高，為較好、好烴源巖，夏格莊凹陷和諸城凹陷生烴潛量低，以非烴源巖為主。

1—萊陽凹陷；2—桃村凹陷；3—夏格莊凹陷圖3 水南組暗色泥頁巖有機碳含量分布圖

1—萊陽凹陷；2—夏格莊凹陷；3—諸城凹陷圖4 水南組暗色泥頁巖生烴潛量分布圖

2.1.3 氯仿瀝青“A”

對膠萊坳陷72件氯仿瀝青“A”樣品數據進行分析，萊陽凹陷60件氯仿瀝青“A”值介于0.0018%～0.204%之間，平均為0.034%；桃村凹陷4件氯仿瀝青“A”值介于0.0106%～0.0128%，平均為0.0115%；夏格莊凹陷5件氯仿瀝青“A”值介于0.0011%～0.0132%之間，平均為0.0058%；諸城凹陷諸參1井3件氯仿瀝青“A”平均值為0.0015%。從氯仿瀝青“A”來看，夏格莊凹陷、桃村凹陷以及諸城凹陷均為較差烴源巖或非烴源巖。萊陽凹陷共計60件測試數據，其中50%處于非烴源巖范圍，27%的測試樣品處于較差烴源巖，較好烴源巖樣品占13%，好烴源巖僅占10%(圖5)，從氯仿瀝青“A”角度評價水南組烴源巖，整體顯示為較差烴源巖。

1—萊陽凹陷；2—夏格莊凹陷；3—諸城凹陷；4—桃村凹陷圖5 水南組暗色泥頁巖氯仿瀝青“A”柱狀圖

2.2 有機質類型

干酪根的類型確定了有機質轉化生油氣的能力，Ⅰ型干酪根生油氣能力最強、Ⅱ型干酪根生油氣能力次之，Ⅲ型干酪根最差[10-11]。利用71個干酪根類型測試數據分析，膠萊坳陷水南組泥頁巖有機質干酪根Ⅰ型占14%，Ⅱ型占48%(Ⅱ1型占31%、Ⅱ2型占17%)，Ⅲ型占38%(圖6)。Ⅰ型、Ⅱ型干酪根主要集中于水南組中上部，Ⅲ型主要集中于水南組下部。說明膠萊坳陷水南組頁巖有機質類型主要為Ⅱ型，Ⅲ型次之，具有一定的油氣生成能力[12]。且在縱向上有一定分布規律，中上部以Ⅰ型、Ⅱ型為主，下部以Ⅲ型為主。

1—Ⅰ型干酪根；2—Ⅱ1型干酪根；3—Ⅱ2型干酪根；4—Ⅲ型干酪根圖6 水南組暗色泥頁巖干酪根類型統計圖

2.3 成熟度(鏡質體反射率Ro)

有機質成熟度往往反映了沉積盆地中烴源巖經歷的最高溫度，也是烴源巖生氣、生油能力判別的重要指標[13-15]。相同烴源巖因有機質成熟度不同，其生油、生氣量具有明顯的差別[16]。

膠萊坳陷不同構造部位水南組經歷了不同的沉積演化史，埋藏深度不同，熱演化程度不同。利用勝利油田萊孔2井、萊參1、萊淺2、萊孔1井、姜淺3井以及山東省地質調查院ZK1～ZK10等部分淺井分析測試數據。膠萊坳陷水南組暗色泥頁巖成熟度介于0.54%～2.04%，其中介于0.5%～0.7%占24.4%，0.7%～1.3%占60%，大于1.3%占15.6%，總體處于成熟階段(圖7)。

膠萊坳陷各次級構造單元內水南組泥頁巖鏡質組反射率值亦存在差異：萊陽凹陷水南組泥頁巖鏡質體反射率介于0.63%～1.46%，平均0.99%；夏格莊凹陷水南組泥頁巖介于0.66%～1.01%，平均0.82%；諸城凹陷水南組泥頁巖介于1.08%～1.44%，平均1.28%；桃村凹陷水南組泥頁巖介于0.92%～1.21%，平均1.11%。

圖7 水南組暗色泥頁巖鏡質組反射率餅圖

膠萊坳陷東北部的桃村凹陷鏡質組反射率局部高于萊陽凹陷，推測可能受凹陷內后期巖漿侵入的影響，使得有機質成熟度增高；諸城凹陷水南組鏡質體反射率整體較高，與該凹陷水南組埋深較大有關，主要是有機質成熟度隨埋深增大總體呈現升高趨勢[17]。

3 暗色泥頁巖儲集物性特征

3.1 泥頁巖孔隙度

膠萊坳陷水南組暗色泥頁巖18個樣壓汞實驗分析結果顯示，膠萊坳陷暗色泥頁巖孔隙度一般為4.0%～8.0%，孔隙度的變化和總孔容的變化基本一致(圖8)。膠萊坳陷內萊陽凹陷孔隙度值明顯低于夏格莊凹陷、諸城凹陷，諸城凹陷暗色泥頁巖孔隙度較高，均在5%以上；夏格莊凹陷、諸城凹陷個別樣品靠近地表，導致實驗值偏高。

1—孔隙度；2—比表面積圖8 水南組暗色泥頁巖孔容與孔隙度測試成果圖

3.2 礦物成分特征

全巖X衍射實驗測試是獲得巖石礦物成分的主要手段之一，利用山東省地質調查院淺井獲取的水南組頁巖礦物成分測試結果進行分析研究。膠萊坳陷水南組泥頁巖的主要礦物為粘土礦物、石英、斜長石、方解石和白云石，菱鐵礦、黃鐵礦和普通輝石僅在少數幾個或個別樣品中出現。其中石英含量最高，主要介于9.4%～41.3%之間，平均含量為26.2%；其次，白云石含量介于0～59.6%之間，平均含量為24.0%；另外，斜長石平均含量為15.5%，鉀長石平均含量為6.3%，方解石平均含量為4.3%，菱鐵礦平均含量為0.2%，黃鐵礦平均含量為1.0%，普通輝石平均含量為0.8%。脆性礦物含量遠大于30%[18]，有利于泥頁巖的人工造縫[19-22]。

膠萊坳陷水南組泥頁巖粘土礦物含量較低，主要介于5.9%～49.7%之間(表2)，平均為21.7%。粘土礦物主要由伊蒙混層、伊利石、高嶺石、綠泥石及綠蒙混層構成。萊陽凹陷和桃村凹陷粘土礦物含量較低，平均值小于20%，夏格莊凹陷和諸城凹陷粘土礦物含量相對較高，平均值大于30%，且伊蒙混層含量高于萊陽凹陷和桃村凹陷。

表2 膠萊坳陷水南組暗色泥頁巖礦物成分統計

3.3 巖石密度

據膠萊坳陷16件水南組泥頁巖密度分析結果顯示，萊陽凹陷5件和夏格莊凹陷3件水南組泥頁巖密度平均值均為2.61g/cm3，桃村凹陷6件水南組泥頁巖密度平均為2.70g/cm3，諸城凹陷2件水南組泥頁巖密度平均值為2.36g/cm3，各凹陷水南組泥頁巖密度值差異明顯，推測與地層抬升及上覆地層沉積、剝蝕程度有關[23]。

4 頁巖氣資源潛力分析

4.1 暗色泥頁巖含氣性分析

利用膠萊坳陷8個水南組泥頁巖樣品進行等溫吸附試驗，校正后萊陽凹陷水南組頁巖吸附氣含量在0.93～1.33m3/t；夏格莊凹陷水南組頁巖吸附氣含量在0.55～0.77m3/t；諸城凹陷水南組頁巖吸附氣含量在0.62～0.87m3/t；桃村凹陷水南組頁巖吸附氣含量在0.78～1.10m3/t。在埋深100～4500m范圍內，各凹陷頁巖吸附氣含量具有先增大后減小的趨勢，在埋深1000m左右，吸附氣含量最大，說明頁巖吸附氣含量在地層淺部受壓力正效應影響較大，隨著埋深增大，溫度負效應的影響逐漸超過壓力正效應，使得吸附氣含量緩慢降低。

4.2 遠景區分布

綜合膠萊坳陷萊陽群沉積環境、水南組有機碳含量、生烴潛量、氯仿瀝青“A”、干酪根類型、鏡質體反射率、泥頁巖發育厚度、埋藏深度等，優選水南組4個遠景區，分別為萊陽凹陷、夏格莊凹陷、諸城凹陷和桃村凹陷，總面積177km2。

4.3 頁巖氣資源潛力

膠萊坳陷頁巖氣主要富集于萊陽群水南組暗色泥頁巖中，依據相關估算方法和評價參數[24]，估算膠萊坳陷頁巖氣總的潛在原地資源量為537.8×108m3。其中萊陽凹陷埋深300～3000m頁巖氣潛在原地資源量為180.2×108m3；夏格莊凹陷埋深300～2000m頁巖氣潛在原地資源量為116.7×108m3；諸城凹陷埋深300～4000m頁巖氣潛在原地資源量為75.2×108m3；桃村凹陷埋深300～2000m頁巖氣潛在原地資源量為165.7×108m3(圖9)。膠萊坳陷頁巖氣資源具有一定潛力和勘查開發前景。

1—面積；2—資源量圖9 膠萊坳陷遠景區面積及資源量柱狀圖

5 結論

(1)膠萊坳陷是山東省中生界發育最好的沉積坳陷，萊陽群水南組暗色泥頁巖最為發育，泥地比大于70%，具有明顯的陸湖相特征，具備頁巖氣形成的環境基礎。

(2)通過分析萊陽群水南組暗色泥頁巖有機地化、儲集物性等數據，認為萊陽群水南組暗色泥頁巖具有頁巖氣形成的物質基礎，較好的生烴能力，有機質已進入生烴階段，部分進入大量生氣階段，水南組暗色泥頁巖有利于頁巖氣的賦存和后期壓裂改造。

(3)膠萊坳陷水南組干酪根以Ⅱ型為主，鏡質體反射率一般在0.7%～1.3%，萊陽凹陷有機質豐度相對最好(TOC平均值為1.38%)，以好烴源巖為主，依次為桃村凹陷(TOC平均值為0.98%)、夏格莊凹陷(TOC平均值為0.40%)，諸城凹陷有機質豐度相對最差；認為萊陽凹陷頁巖氣生儲前景最好，其次為桃村凹陷、夏格莊凹陷和諸城凹陷。

(4)估算了膠萊坳陷頁巖氣總的潛在原地資源量為537.8×108m3。主要分布于萊陽凹陷、夏格莊凹陷、桃村凹陷和諸城凹陷，其中萊陽凹陷勘查開發潛力最大。