陆相断陷盆地混合类页岩成储作用:以东营凹陷民丰洼陷沙四上亚段页岩为例

张顺

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503046

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (12) :5022-5035 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503046

石油、天然气工业

陆相断陷盆地混合类页岩成储作用:以东营凹陷民丰洼陷沙四上亚段页岩为例

张顺 ¹^,²

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Reservoir-forming Mechanism of Mixed Shale in Continental Faulted Basin: Shale in the Upper 4th Member of Shahejie Formation, Minfeng Sag, Dongying Depression

ZHANG Shun ¹^,²

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摘要

为了探讨东营凹陷混合类页岩成储作用机制,通过岩石薄片观察、X射线衍射全岩矿物含量分析、扫描电镜观察、核磁共振、小角X射线散射、电子探针测试、原位稀土元素分析等技术方法,定量表征了储集空间及储集性能,系统观察和分析了矿物类型,剖析了矿物成因及对储集性的影响。结果表明:民丰洼陷沙四上混合类页岩镜质体反射率(Ro)平均6.3%,总有机碳(total organic carbon,TOC)含量平均2.9%,属于典型的中-低热演化程度富有机质页岩,地层压力系数1.2~1.8;储集空间类型丰富,黏土矿物微孔、石英和长石粒间孔、碳酸盐矿物晶间孔、溶蚀孔、黄铁矿晶间孔和有机质孔均发育,孔隙连通性好,混合类页岩孔隙度平均值约8%,纹层状长英质混合类页岩储集物性条件最好、其次是灰质混合类页岩,黏土质混合类页岩300 nm以下孔隙度最高;自生石英占页岩中石英总量70%以上,多为高有机质背景有机酸作用下黏土矿物脱水转化、溶蚀、析出二氧化硅并沉淀形成;混合类页岩方解石纹层内泥微晶多形成于早成岩阶段,粉细晶及粗晶的颗粒状方解石多为中成岩早期到晚期的产物;白云石来源多样,多数是泥质纹层中方解石交代作用的产物;中成岩早期是成岩成储的关键时期,超压地层背景和骨架矿物支撑的协同作用是民丰洼陷混合页岩的关键保孔机制。

Abstract

To explore the mechanism of reservoir formation in the mixed shale of the Dongying Depression, a series of techniques including thin section observation, X-ray diffraction for whole rock mineral content analysis, scanning electron microscopy, nuclear magnetic resonance, small-angle X-ray scattering, electron probe microanalysis, and in-situ rare earth element analysis were employed to quantitatively characterize the reservoir space and reservoir performance. The mineral types were systematically observed and analyzed, and the mineral genesis and its impact on reservoir properties were dissected. The results show that the vitrinite reflectance (Ro) of the mixed shale in the upper 4th member of Shahejie Formation of Minfeng Sag is on average 6.3%, and the total organic carbon (TOC) content is on average 2.9%, which belongs to typical organic-rich shale with medium to low thermal maturity. The formation pressure coefficient is 1.2 to 1.8. The reservoir space types are diverse, with clay mineral micropores, intergranular pores of quartz and feldspar, intercrystalline pores of carbonate minerals, dissolution pores, intercrystalline pores of pyrite, and organic matter pores all developed. The pore connectivity is good, and the average porosity of the mixed shale is about 8%. The laminated quartz-feldspar mixed shale has the best reservoir physical properties, followed by the calcareous mixed shale, and the clayey mixed shale has the highest porosity below 300 nm. The authigenic quartz accounts for more than 70% of the total quartz in the shale, mostly formed by the dehydration transformation, dissolution, and precipitation of silica from clay minerals under the action of organic acids in a high organic matter background. The calcite laminae within the mud are mostly formed in the early diagenetic stage, while the fine and coarse crystalline granular calcite is mostly a product from the early to late diagenetic stage. The dolomite sources are diverse, and most are the products of dolomitization of calcite in the mud laminae. The early diagenetic stage is the key period for diagenesis and reservoir formation. The synergetic effect of overpressure formation background and framework mineral support is the most crucial mechanism for pore preservation in the mixed shale of the Minfeng Sag.

Graphical abstract

关键词

页岩储层 / 混合类页岩 / 成岩矿物 / 自生石英 / 民丰洼陷 / 古近系

Key words

shale reservoir / mixed shale / diagenetic minerals / authigenic quartz / Minfeng Sag / Paleogene system

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张顺. 陆相断陷盆地混合类页岩成储作用:以东营凹陷民丰洼陷沙四上亚段页岩为例[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(12): 5022-5035 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503046

ZHANG Shun. Reservoir-forming Mechanism of Mixed Shale in Continental Faulted Basin: Shale in the Upper 4th Member of Shahejie Formation, Minfeng Sag, Dongying Depression[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(12): 5022-5035 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503046

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页岩油已成为全球广泛关注的资源接替新领域^[1-3],北美海相页岩油已实现商业勘探开发与能源有序接替,加大页岩油勘探开发力度对保障中国能源安全具有重要意义。近年来,中国页岩油勘探开发取得系列重要进展。随着以东营凹陷为典型代表的济阳页岩油地质理论认识和勘探技术的持续创新,在陆相页岩岩相、页岩油赋存与甜点评价预测等方面开展了大量基础测试和研究工作^[4],推动了济阳坳陷古近系多个洼陷、三套页岩层系、不同埋深和热演化程度、富碳酸盐类和混合类页岩两大类型页岩油相继取得商业产能突破。

东营凹陷陡坡带古近系发育巨厚页岩,尤其沙四上亚段和沙三下亚段页岩为主要储集体。该页岩层系生烃品质优、埋藏深度较大,主要以混合类页岩、富碳酸盐页岩以及砂泥互层等多类型沉积为主,形成了陡坡深陷区复杂多样的岩相组合,众多油井在该区域获得了高产。但临近北部陡坡带洼陷近物源且受断裂等控制明显、洼陷分割性强,导致页岩岩石、岩相类型丰富多样、成分混合沉积现象典型,混合类页岩的厚度占比达70%。以往对东营凹陷古近系页岩的基础研究工作多集中在富碳酸盐类页岩,在富碳酸盐类页岩的岩相分布、沉积环境、储集性、含油性等方面取得了一系列成果认识,有效指导了富碳酸盐类页岩油的勘探突破和高产稳产,但对北部陡坡深陷区混合类页岩的基础研究相对较少,尤其是混合类页岩矿物成因、演化及成储作用研究整体还处于起步阶段,相较于勘探开发生产实践,理论认识稍显滞后,制约了东营凹陷页岩油全盆地勘探开发实践。成岩矿物类型、成因及控储机制一直是页岩油气地质研究的热点和难点,尤其是陆相页岩矿物类型及成因具有多样性,有机质参与下的不同矿物成岩、成孔及其相互作用在相对封闭成岩体系内更加复杂。民丰洼陷页岩油资源量达7.8亿t,是胜利油田页岩油增储上产的重点区域。

现以民丰洼陷沙四上页岩层系为重点研究对象,对不同构造部位页岩油重点取芯井混合类页岩进行取样和分析,多种方法定量表征储集空间及储集性能,系统观察和分析矿物类型,剖析其成因及对储集性的影响,进一步探讨混合类页岩成储作用机制,以期为陆相断陷盆地页岩油勘探开发实践提供的理论和应用借鉴。

1 区域地质背景

民丰洼陷位于渤海湾盆地济阳坳陷东营凹陷的东北部,北靠陈家庄凸起,南接中央隆起带,东邻青坨子凸起,西接利津洼陷,洼陷面积约800 km²,如图1所示。受北部陈南铲式边界断层控制,总体呈北断南超的箕状断陷结构,区域形态表现为向南倾没的特点。民丰洼陷为陈南铲式边界断层控制下的陡坡带,形成典型的“东高西低”格局,地层发育完整,新生界厚度大,是东营凹陷重要的油气勘探区^[5-6]。民丰洼陷地层自下而上包括古近系孔店组(Ek)、沙河街组(Es)、东营组(Ed),新近系馆陶组(Ng)、明化镇组(Nm)及第四系平原组(Qp),其中,沙河街组自下而上可分为沙四段(Es4)、沙三段(Es3)、沙二段(Es2)和沙一段(Es1)^[5-7]。沙河街组沙四段—沙三段沉积时期为一套水进-水退过程,沉积环境由三角洲相、滨浅湖亚相过渡到半深湖-深湖亚相,再由半深湖-深湖亚相过渡到滨浅湖亚相、三角洲相^[7-10]。沙三段下亚段-沙四上亚段沉积期,沉积环境以半深湖-深湖为主,发育了一套暗色富有机质页岩^[7-11],尤其是沙四上亚段,是研究区重要的烃源岩层系,且普遍发育异常高压,压力系数范围1.2~1.7,在洼陷带中心地层压力系数可达1.8。

2 实验样品与方法

选取东营凹陷丰页1HF、丰页1-1HF、丰深斜102等井沙河街组四段上亚段岩心进行精细观察与取样分析,共采集320块岩心样品,其中岩石薄片使用蔡司显微镜进行观察分析;X射线衍射测试 320个,采用SMART LAB固定靶光管衍射仪进行分析测试;孔隙度联测20个,采用液测法(设备CMS-300)、核磁共振(MacroMR12-150H-1)(20个)和小角X射线散射法(14个)进行测试;氩离子抛光扫描电镜使用 QUANTA450FEG场发射扫描电子显微镜进行分析,采用赛默飞Scios2 聚焦离子束扫描电子显微镜实现MAPS大视域拼接;岩心尺度(1 280 m)元素扫描采用Geotek元素及磁化率测试仪,微观尺度采用质谱仪进行样品分析,上述测试分析在页岩油气富集机理与高效开发全国重点实验室完成。

薄片尺度原位主微量元素测试11个,采用电子探针(JXA-iHP200F)测试;原位稀土元素分析3个,采用电感耦合等离子体多接收质谱 MC-ICP-MS(Neptune Plus)测试;流体包裹体显微测温度和盐度使用功能显微镜Axioskop 40A和INSTEC液氮型冷热台mK1000检测完成,上述相关测试分析在中国石油大学(华东)深层油气重点实验室完成。此外,相关岩性、地化分析测试数据来自中石化胜利油田勘探开发研究院。

3 混合类页岩储层发育特征

3.1 矿物岩石学特征

岩心观察发现民丰洼陷沙四上亚段页岩主要发育纹层状沉积构造(纹层通常也称为细层,是组成层理的最小单位,厚度普遍为毫米级)和层状沉积构造(在页岩中通常小于10 cm)、极少块状构造,黏土矿物含量高的页岩还可见页理发育,色调以深灰色、灰黑色为主,随着长英质、云质含量的增加、颜色逐渐向灰褐色、灰色过渡变化。镜下显微薄片观察显示泥质和灰质含量较高,泥质主要包括细粒的黏土矿物、石英和少量长石,多混合均匀呈纹层产出,并富有机质[图2(a)~图2(g)],灰质主要是不同结晶程度的方解石[图2(a)~图2(c)、图2(f)、图2(h)、图2(i)]和(铁)白云石,此外普遍可见黄铁矿等,矿物总体显定向结构。

X射线衍射全岩矿物分析结果表明,研究区沙四上亚段页岩主要矿物包括黏土矿物、石英、钾长石、斜长石、方解石、白云石、硬石膏、菱铁矿、黄铁矿等。黏土矿物质量分数最高达56.00%,最低为5%,平均值接近30%,主要以伊利石和伊蒙混层为主,部分井伊利石质量分数>90%,靠近北部近物源区的页岩黏土矿物平均质量分数稍高于洼陷中心和南部页岩,平均质量分数37.7%;石英矿物质量分数为2.00%~43.00%,平均质量分数23%;长石质量分数普遍小于10.00%,其中钾长石矿物质量分数<斜长石矿物质量分数;碳酸盐矿物质量分数在不同样品差异较大、整体偏高,其中方解石矿物质量分数为25.00%~50.00%,(铁)白云石质量分数为6%~20%,总体上,沙四上页岩为富碳酸盐矿物背景的细粒沉积^[9-13],这与前人对东营凹陷页岩矿物组成的认识基本一致^[9-15],区别在于民丰洼陷页岩的碳酸盐矿物含量优势有所减弱,随着不同沉积构造部位钻探井和取样分析测试,富泥质(黏土矿物和泥级石英、长石)的细粒沉积比例有所增加。

结合矿物组分观察和定量分析,按照济阳坳陷已有的页岩岩石、岩相类型划分和命名方案和标准,东营凹陷北部民丰洼陷多数页岩的黏土矿物、长英质矿物、碳酸盐矿物含量均小于50%,且既有结构上的叠置混积,也有单个纹层内部不同矿物的成分混积,多数属于典型的陆相混合类页岩。宏观、微观相结合,明确了纹层状混合类页岩相和层状混合类页岩相在洼陷区最为发育(图2),占东营凹陷北部页岩层系厚度的70%以上。若其中一种端元矿物含量超过40%,则可进一步以“矿物+质”缀在沉积构造之后、页岩类型之前,如纹层状碳酸盐质混合类页岩(一般方解石含量普遍高于白云石含量,通常便于生产实践,简称为纹层状灰质混合类页岩)。研究区近物源区往往发育纹层状长英质混合类页岩夹厘米级粉砂岩,向南部逐渐过渡为纹层状混合类页岩与富碳酸盐类页岩,碳酸盐矿物质量分数有增加的趋势。

3.2 有机地化特征

总有机碳测试结果表明,东营凹陷民丰洼陷沙四上页岩的总有机碳(total organic carbon,TOC)含量介于1.12%~8.97%,平均为2.9%,其中大于2%的页岩样品占总数的92%;热演化成熟度镜质体反射率(Ro)介于0.59%~0.7%,平均0.63%。属于典型的中-低热演化程度富有机质页岩。S₁(页岩中已生成的、游离液态烃,是页岩油可动用的主要部分)介于1.9~11.3 mg/g,平均3.39 mg/g;S₂(仍然滞留在烃源岩中的那部分烃类)介于3.83~38.7 mg/g,平均为18.2 mg/g。页岩热演化阶段处于生油窗内,含油性条件好,生烃潜力明显。

3.3 储集空间类型

通过氩离子抛光样品扫描电镜观察,混合类页岩储集空间类型主要顺层方向微裂缝[图3(a)]、黏土矿物微孔[图3(b)],其次为陆屑和黏土矿物之间的粒间孔[图3(d)、图3(e)]和碳酸盐矿物晶间孔[图3(f)、图3(g)],长石及方解石等脆性矿物易受到酸性流体侵蚀形成溶蚀孔和黄铁矿晶间孔[图3(h)、图3(i)]等,此外还发育少量有机质孔[图3(c)]。矿物晶体内部或者边缘溶蚀形成了矿物粒(晶)内孔或晶缘缝,大小在几纳米至几百纳米不等,孔隙表面较为平滑。伊利石-蒙脱石混层和伊利石为泥页岩主要的黏土矿物类型,常见有呈层状或片状的粒内孔,孔径变化在几十纳米到几百纳米不等,孔隙多呈狭长的片状和不规则状[图3(b)、图3(h)]。

粒间孔从纳米级至微米级尺度均有发育[图3(d)、图3(e)、图3(g)、图3(h)],该类孔隙连通性好,大量的粒间孔被有机质(沥青)充填,或者与碳酸盐矿物形成刚性矿物架构的孔隙组合[图3(g)],由于粒间孔主要的发育部位在泥质基质中且反映的是矿物颗粒之间的接触孔隙,因此常见于黏土矿物与刚性矿物颗粒之间或刚性矿物颗粒相互接触部位,孔隙形态呈不规则状态,孔隙边缘较为平滑,可能与油气充注有关。这类孔隙在混合类页岩中较为常见,是民丰洼陷泥页岩发育的主要孔隙类型。这也是对以往针对东营凹陷多以富碳酸盐页岩为主要研究对象的孔隙类型认识的补充。

3.4 储层物性特征

为了更加客观评价混合类页岩储集物性,采用液测法、核磁共振法对样品进行联测,并采用小角中子散射法对纳米级储集空间对储层储集物性共性进行分析(表1),结果显示,丰页1HF混合页岩样品有效孔隙度为3.7%~16.5%,液测法、核磁共振法测得平均值分别为7.9%和8.1%,结果较为接近,水平渗透率为0.012~0.802 mD,平均为 0.5 mD。

不同类型的混合类页岩孔隙度存在一定差异,纹层状黏土质混合页岩储集性条件最好,孔隙度平均值>10%,其次是长英质混合类页岩,孔隙度平均值均超过9%;纹层状碳酸盐质混合类页岩孔隙度平均7%(表1中7、8、11号样品)。

小角中子散射对1~300 nm页岩全孔孔隙结构及孔隙度测量有着独特的优势,且测试结果对微米级以下孔隙结构几乎没有改变^[16]。利用(U)SAXS测试民丰地区混合类页岩原始样品孔隙度及孔径分布(图4)。结果显示:8~100 nm孔径的孔隙对总孔隙度贡献明显,方解石贡献更多的超过100 nm宏孔;300 nm以下孔径为主要贡献的孔隙度介于2.8%~6.1%,黏土质混合类页岩储集物性条件最好(表1中10号样品),此外,纳米级总孔隙度与黏土矿物含量有弱正相关关系。

4 混合类页岩成储作用机制

4.1 沉积环境与细粒沉积作用

东营凹陷沙四上亚段沉积时期,盆地沉降规模较大,古气候由前期的干旱向湿润过渡,物源供给比较少,湖面进一步扩大,湖侵的范围较广,民丰洼陷发育深湖-半深湖相沉积。受北部的陈南断层活动剧烈的影响,洼陷的沉积、沉降中心位于洼陷的北部。采用矿物成分分析、主量和微量元素分析及古生物分析等方法,恢复了陡坡深陷区页岩沉积环境(图5)。结果表明,从纯下1小层至纯上顶部,气候逐渐由干旱变半湿润、水深逐渐增大,物源供给能力由强到稍弱再到较强,对应岩相及其组合由纹层状富碳酸盐类页岩到混合页岩夹长英质混合页岩,再到长英质混合页岩和灰质混合页岩互层。混合类页岩样品稀土元素测试结果表明,研究区典型混合页岩稀土元素总量(∑REE)介于1.34~91.8 μg/g,远低于上地壳及北美页岩,铕异常(δEu)在1.19~2.28,为正常值,表明整体为还原环境;轻重稀土比值(∑LREE/∑HREE)平均值分别为9.47和29.4,指示明显轻稀土富集;镧(La)和镱(Yb)的球粒陨石标准化配分比值(La/Yb)_N介于3.1~12.7,说明整体沉积速率高,有利于细粒沉积有机质的富集。总体上沙四上亚段混合类页岩沉积环境总体表现为半干旱、咸水、还原、深水等特征。

这种高沉积速率、深水、还原环境对页岩孔隙结构和储集物性具有积极作用。混合类页岩普遍发育在近物源区深水沉积环境,物源供给较充足,陆源碎屑提供了比南坡富碳酸盐页岩更多的陆源石英、长石及黏土矿物。黏土矿物含量与页岩总孔隙度普遍呈正相关关系,从沙四纯下至纯上,黏土矿物含量增加,孔隙度也有所增大。此外,咸化水体环境更容易在陡坡深陷区形成稳定的湖水分层,一方面引起湖盆底水含氧量下降,保护已形成的有机质不被稀释(有机质含量普遍较高)^[3-5],促进了成层、团块有机质内有机孔的发育[图3(c)];另一方面也使纹层结构得到了较好的保存^[17-19],对储层最直接的作用机制就是纹层结构改善储渗条件^[17-18],提高了裂缝的比表面积;顺层微裂缝的断续开启联通了骨架矿物晶间孔[图3(a)、图3(b)],提高了有机酸渗流能力、扩大了溶蚀孔形成范围。此外,还原环境的黄铁矿集合体顺层理方向更为发育,质量百分含量普遍>5%,明显高于南坡半深水富碳酸盐类页岩,贡献了抗压实性强的黄铁矿晶间孔[图3(g)~图3(i)]。

这些由于深水沉积环境和沉积作用引起的细粒组分和结构特征变化奠定了细粒沉积、成岩及成储的重要物质基础。混合类页岩独特的近物源、还原、咸水、深水环境提供了更多细粒物质混合沉积的方式,也提供了多类型、多架构样式成岩矿物埋藏演化过程中孔隙产生和保持的可能。

4.2 成岩矿物类型与成储作用

4.2.1 石英

源于成岩过程对上覆岩层抗压实、增加储层脆性的作用,石英的成因及含量一直都是页岩油气储层研究的重点^[19-25]。以往认为东营凹陷页岩中的石英大都是陆源碎屑携带入湖沉积形成,属于典型的陆源矿物组分^[14-18],并据此作为恢复古物源供给能力的重要参照。对研究区不同构造位置5口重点井混合类页岩进行显微岩石薄片观察和背散射扫描电镜观察,重点探讨自生石英矿物产出状态、成因及控储机制。来自物源区石英[图2(d)、图2(e)、图6(a)、图6(b)]和成岩作用形成的自生石英[图3(d)、图3(e)、图6(c)、图6(d)]是混合类页岩中2种主要的矿物类型。陆源碎屑石英颗粒在近物源区页岩层系中多以砂岩夹层和分散状产出,部分富集成层,石英颗粒粒径主要在20~150 μm,多与长石等矿物呈点接触、线接触。聚焦混合类页岩岩相内部,陆源石英多呈棱角、次棱角状星散分布在泥晶方解石和黏土矿物构成的泥质基质中[图2(d)、图2(e)],也可见成矿物集合体产出,粒径集中在10~100 μm,随着混合类页岩中碳酸盐矿物含量增加,陆源自生石英粒径及含量均明显降低。

自生石英在扫描电镜下多呈微晶及微晶集合体形态出现,总体晶形较好,多呈短柱状,氩离子抛光样品扫描电镜观察自生石英单颗粒呈六棱锥形[图3(d)、图3(f)],粒径范围广,总体上与黏土矿物及方解石等碳酸盐矿物共生,产出状态、与其他矿物的组合关系多样(图6)。近洼陷中心碳酸盐质混合类页岩中,自生石英往往既与伊利石、伊蒙混层等黏土矿物共生分散分布,也可见呈矿物集合体状产出,粒径在1~7 μm。视域下统计,这些产出在泥质纹层的自生石英占石英总含量的20%~50%,多数自生石英与碳酸盐矿物共同构成以灰质为主的纹层,平均粒径稍小于泥质纹层中自生石英[图7(a)、图7(b)];在近物源区富长英质的混合类页岩中,多以微晶形式分散于黏土矿物间,石英粒径范围为2~20 μm均有分布,大于10 μm的石英占总颗粒数的10%~20%[图7(c)、图7(d)]。纵向上,灰质纹层与黏土、有机质、石英、长石及碳酸盐矿物构成的泥质纹层频繁叠置,形成混合类页岩的基本层偶组合,且自生石英含量高的样品多发育有机质孔和黏土矿物晶间孔缝,揭示自生石英多为高有机质背景有机酸作用下黏土矿物脱水转化、溶蚀、析出二氧化硅并沉淀形成,这与文献[24 -26]的“中成岩阶段,蒙脱石、高岭石等向伊利石转化过程中当孔隙流体中硅的浓度超过石英的饱和度即形成微米级颗粒装的石英”研究结论一致。

通过扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)阴极发光(cathodo luminescence,CL)实验观察发现,自生石英与微晶、亮晶方解石共生,多充填方解石晶间孔及溶蚀孔,且石英粒径大小往往受限于方解石溶蚀孔和重结晶晶间孔,说明自生石英的形成时间晚于方解石溶蚀。随着方解石重结晶程度增强,自生石英出现单颗粒被方解石“包裹”现象,且晶间孔内的细小自生石英颗粒阴极发光下多呈现环带状(图8),核心部分可能因晶格有序度高而不发光,外部次生加大部分由于含有激活剂或者晶格缺陷导致发光,从而形成“中间不放光、周缘发光”的环带发光特征^[19],指示研究区页岩中自生石英多期次成岩作用。

此外,通过有机质赋存状态与自生石英共生关系分析,有机质局部团块富集部位自生石英分布[图3(c)、图8(a)],表明有机质生烃过程释放的酸性流体加速了硅源的释放和沉淀,同时提供了自生石英发育的空间,产生的自生石英粒间孔隙也成为后期油气赋存储集的有效空间。

4.2.2 方解石

碳酸盐矿物是东营凹陷古近系页岩层系重要的矿物类型^[11-14,19],以方解石为主,其次为含铁白云石和白云石^[27]。方解石一般以不同晶体形貌的纹层状产出,次为与黏土、长英质等混合构成灰质背景下的泥质纹层。混合类页岩中方解石多以不同比例与其他矿物混合,构成以方解石为主的灰质纹层,或以黏土、长英质矿物为主的泥质纹层。方解石晶粒粒径从几百纳米到10 μm,其次是不同结晶程度的颗粒状微晶或者纤维状亮晶方解石纹层[图2(h)、图2(i)],颗粒状方解石粒径介于10~100 μm,与富碳酸盐类页岩相比,重结晶方解石纹层厚度较小,普遍<2 mm。当方解石纹层比例增大,岩石类型逐渐由混合类页岩向富碳酸盐类页岩变化。基于岩石薄片及扫描电镜观察,依据方解石的晶体形貌以及与其他矿物的接触关系,推断其存在多个成岩期次。

对混合页岩中不同结晶程度方解石进行电子探针元素和稀土元素分析(表2),颗粒状方解石轻稀土元素∑LREE富集,无δEu异常,指示早成岩阶段流体信息,相似埋深条件发育的纤维状亮晶方解石∑LREE富集程度相对降低,δEu为多正异常或无异常,指示早、中成岩阶段孔隙流体信息;∑LREE/∑HREE可用来反映成岩流体环境,高锰纤维状亮晶方解石通常∑LREE/∑HREE较低,多指示与烃类关系较密切的弱碱性成岩流体环境。在成岩过程中,孔隙流体的氧化还原状态和化学组成会改变原始沉积物的稀土配分模式,改变稀土元素Ce异常值,一般会导致δCe与δEu具有较好的相关性,纤维状方解石晶体结构可能更易捕获或排斥特定价态的稀土元素,优先吸附Eu²⁺或Ce³⁺,导致两者异常值的同步变化,此外,页岩中的有机质在成岩过程中降解会产生还原性流体,可能同时影响Ce和Eu的价态,导致δCe与δEu相关性增强。

对3块典型的混合类页岩不同晶型方解石纹层不同位置进行稀土元素分析,结果显示纤维状方解石δCe与δEu有较好的相关性(图9),表明其经历了较显著的成岩改造;颗粒状方解石及晶间孔中被充填的方解石δCe与δEu相关性较弱,表明颗粒状方解石保留更多原始沉积信息,受成岩流体改造相对较弱,进一步表明不同结晶程度方解石成岩作用强度和阶段存在较大差异。

因此,混合类页岩方解石纹层内泥微晶多形成于早成岩阶段,晶体接触紧密,晶间孔孔径小于2 μm,小角散射测试孔隙度结果也显示,微晶方解石含量高的样品,大孔孔径占比高,进一步说明方解石贡献更多的超过100 nm宏孔。此外,方解石晶体表面普遍可见晶面溶蚀孔密集发育,孔径小于1 μm,大的晶间孔和溶蚀孔往往自生石英多充填大的溶蚀孔和晶间孔;粉细晶及粗晶的颗粒状方解石多为中成岩早期到晚期的产物,与泥微晶方解石相比,颗粒架构形成更多的大孔,且在有机酸溶蚀作用下,纹层内部晶间孔和溶蚀孔、串珠状或线状分布,抑制了钙质胶结和进一步重结晶作用,提高了页岩储集性能。

4.2.3 白云石

白云石[CaMg(CO₃)₂]作为湖相页岩中常见的碳酸盐矿物之一,成因类型多样,对页岩的成岩、成储也有重要影响。前人对东营凹陷富碳酸盐类页岩的成岩和储层研究,认为白云石和含铁白云石主要是方解石白云岩化产物^[13-15]。对纹层状混合类页岩进行岩石薄片和扫描电镜观察及大视域拼接(MAPS,图10),发现混合页岩中白云石矿物多含铁,薄片显微镜下茜素红染色成淡蓝色,微晶至隐晶结构,部分视域可见重结晶现象[图2(d)]。普遍呈泥级分散分布于页岩基质中,多与有机质或黏土矿物共生,黏土矿物(如蒙脱石伊利石化)释放Mg²⁺,形成高Mg/Ca比的孔隙流体,当镁离子浓度足够高,白云石可通过置换黏土矿物层间或吸附的Ca²⁺形成。SEM观察可见,白云石沿黏土矿物边缘选择性生长^[18-19],呈菱形分布于泥质基质中,部分成集合体,形成白云石晶间孔和溶蚀孔[图3(g)],表明其为交代作用产物。在碳酸盐矿物含量较高的灰质混合页岩中,白云石晶粒普遍自形程度较好(自形-半自形为主)^[18-19],多富集成层紧邻方解石纹层,与方解石共同构成碳酸盐矿物富集层,而在方解石纹层内部则鲜有白云石晶粒[图10(b)],主要以菱面体结构为主[图10(c)],SEM-CL也显示晶粒较大的白云石多为环带状,表明伴随成岩演化,黏土矿物转化提供Mg²⁺和Fe²⁺等金属阳离子,促进了铁白云石交代早期白云石,也进一步解释了临近方解石纹层的(铁)白云石主要是交代早期方解石的产物。

因此,研究区混合类页岩中白云石来源多样,少量陆源成因,在泥质纹层中主要是黏土矿物转化过程中交代作用形成,在纹层界面紧邻方解石纹层位置多是交代早期方解石形成,此外有机质生烃释放酸促进方解石溶解,提供了Mg²⁺来源,也促进了白云石的发育。

4.3 成岩演化序列及孔隙演化

基于岩石薄片(普通、阴极发光)及氩离子抛光样品的扫描电镜(SEM-CL)观察,东营凹陷民丰洼陷沙四上混合类页岩经历了较复杂的成岩演化,典型的成岩作用类型主要包括黏土矿物转化、碳酸盐矿物重结晶和溶蚀、长石溶蚀、白云石交代、有机质生烃演化等作用,结合上述不同成岩矿物的成因及形成条件,对混合类页岩典型矿物成岩序列及对应孔隙演化进行分析。

细粒沉积物逐渐固结之后,伴随埋深加大,地层压实作用增强,陆源碎屑及咸化湖水化学沉淀形成的碳酸盐矿物定向排列紧密,不断排出粒间水。早成岩期,陆源的长英质矿物粒间孔等原生孔隙骤减,有机质尚未成熟,与骨架矿物接触关系保留成岩初的状态,整体以无机矿物演化为主,少量蒙脱石持续脱水发生伊利石化,造成了某些层间塌陷,同时释放硅质,在泥质为主的混合纹层中,少量自生石英开始生成(图11)。整体以原生或早成岩期碳酸盐矿物晶间孔、长英质粒间孔等基质孔隙类型,孔隙类型组合特征不明显。

中成岩早期,陆源及长石蚀变形成的黏土矿物继续受到周边刚性矿物颗粒的挤压,蒙脱石和伊蒙混层向伊利石转化(图11),晶格重新排列,晶间孔孔径减小,但孔隙保存较好,增加了孔体积和比表面积。黏土矿物转化过程促进了二氧化硅沉淀,在泥质纹层内部形成大量微晶石英颗粒,局部连片式生长构成的刚性格架,为有机质裂解和次生孔隙发育提供了保证;在黏土矿物转化过程中释放Mg²⁺,驱动白云石化(图11),白云石菱面体结构一方面抗压实能力显著,与黏土矿物及方解石形成多类型孔隙组合,另一方面白云石晶体间形成大孔径晶间孔[图10(c)]。方解石继续发生重结晶作用,在泥质纹层内也发育颗粒状方解石,局部富集成断续纹层。有机质开始大规模生烃排酸,溶蚀长石、方解石、(铁)白云石等矿物,形成晶面、晶缘溶蚀孔,部分大孔被黏土矿物转化形成的自生石英充填,孔隙数量减少的同时,也增加了局部抗压能力。在有机质生烃和黏土矿物体积收缩作用下,方解石晶体生长空间充足,在微裂缝等部位发育纤维状方解石,方解石内变形有机质局部亏空,与溶蚀孔及晶间孔形成较为通常的流体微运移通道。

中成岩晚期,有机质向中高成熟转化,地层压力系数超过1.5(图11),在黏土矿物复合体及有机质边缘和内部发育有机质孔,经历了早成岩和中成岩早期的压实作用,页岩基本具有较低孔、高脆性和高抗压的特征,黏土矿物基本转化成伊利石,其次是伊蒙混层及少量绿泥石,伴随着黏土矿物进一步转化,当高镁孔隙流体中含Fe²⁺等金属阳离子,促进了铁白云石交代早期白云石,使白云石含铁化,与颗粒方解石形成的宏孔得以保存下来。生烃增压作用下,配合骨架矿物支撑作用,整个页岩层系地层压力依然较高^[26-28],方解石重结晶作用依然在进行。受晶粒生长模式影响,自生石英在方解石重结晶过程中向亮晶方解石晶间迁移沉淀[图10(c)、图10(d)],次生孔隙和部分原生粒间孔得以保存,揭示了超压和骨架矿物支撑作用的协同保孔机制。有机质、自生石英及碳酸盐矿物不同埋深条件下成岩演化特征明显,揭示了有机质作用和成岩流体环境的阶段性动态变化。

5 结论

(1)东营凹陷北部民丰洼陷多数页岩黏土矿物、长英质矿物、碳酸盐矿物含量均小于50%,且既有结构上的叠置混积,也有单个纹层内部不同矿物的成分混积,属于典型的陆相混合类页岩,纹层状混合类页岩相和层状混合类页岩相在洼陷区最为发育。

(2)伊利石、自生石英、不同结晶程度方解石和白云石是混合类页岩中最主要的成岩矿物。自生石英主要是高有机质背景有机酸作用下黏土矿物脱水转化、溶蚀、析出二氧化硅并沉淀形成,多数自生石英与碳酸盐矿物共生,成岩期次跨度较大。泥微晶方解石多形成于早成岩阶段,晶体表面溶蚀孔发育,贡献更多宏孔;粉细晶及粗晶的颗粒状方解石多为泥晶方解石中成岩早期到晚期的产物。白云石晶粒普遍自形程度较好,多为交代方解石的产物,发育白云石晶间孔和溶蚀孔。

(3)中成岩阶段早期,黏土矿物转化过程促进了二氧化硅沉淀,在泥质纹层内部形成大量微晶石英颗粒,发育大量晶间孔;有机质开始大规模生烃排酸,溶蚀长石、方解石、(铁)白云石等矿物,形成晶面、晶缘溶蚀孔,部分大孔被自生石英充填,抗压能力增加。黏土矿物转化驱动白云石化,与黏土矿物及方解石形成多类型孔隙组合,形成大孔径晶间孔。有机质生烃、黏土矿物体积收缩形成的微裂缝内发育纤维状方解石,方解石内变形有机质局部亏空,与溶蚀孔及晶间孔形成较通畅的流体微运移通道。中成岩早期-晚期,超压背景下自生石英等骨架矿物支撑作用是民丰洼陷混合页岩最关键的保孔机制。

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Received	Published	Revised
2025-04-27	2026-04-28	2025-09-06
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