细粒沉积学研究进展

细粒沉积学研究进展

段英豪

中国石油大港油田分公司第二采油厂，天津 300280

摘要：细粒沉积学的发展，对于盆地内富有机质页岩分布预测、页岩油气甜点段/区评价有重要的指导意义。本文就细粒沉积学研究进展从概念、分类、内涵及国内外研究现状及关注点进行了详细阐述。

关键词：细粒沉积岩；细粒沉积学；研究进展

前言

随着非常规油气勘探开发的不断深入，出现了现有适用于常规油气开发的理论与非常规油气开发不相适应的矛盾，非常规油气开发亟需新的理论发展支撑。本文在对国内外细粒沉积学研究的系统调研基础上，梳理了目前该领域的研究现状，分析了细粒沉积学研究的关键科学问题，介绍了中国细粒沉积中的有机质富集机理、非均质性分布特征、纹层类型及组合特征、沉积模式等方面取得的进展，基于目前的认识，提出了未来发展趋势及研究重点。总体上，细粒沉积学的发展，将推动常规和非常规油气勘探不断创新前进。

1细粒沉积岩的概念及分类

细粒沉积岩是由细粒物质所组成的岩石。细粒物质是指颗粒粒级小于0.0625mm的组分，主要包括碳酸盐、粘土矿物、有机质、生物碎屑、石英等[1-2] 。对于细粒沉积岩的分类，目前没有比较公认统一的分类方案。一般原则是从矿物成分因素和适用因素来考虑的，但由于细粒沉积岩的研究与油田的非常规油气实际生产开采关系紧密，另一类细粒沉积岩的分类方案则偏向于更具有实际生产的工业用途意义，如郝运轻 根据工业用途将泥岩页岩分为室内和录井两大类。Milliken 基于对传统的以沉积结构、颗粒大小及成分为标准的细粒沉积岩分类的改进，提出根据颗粒来源和成分，以细粒沉积岩的主要组分陆源—粘土、碳酸盐—粘土和硅质—粘土为三端元，陆源—粘土的盆外来源超过75%、碳酸盐—粘土的盆外碎屑来源少于75%，生物成因的盆内碳酸盐颗粒占优势、硅质—粘土的盆外碎屑来源少于75%且生物硅质成因颗粒比碳酸盐颗粒占优势为界分为3大类。

2细粒沉积学内涵

细粒沉积学是研究细粒沉积岩的物质成分、结构构造、分类和成因、沉积过程与分布模式的基础学科。主要研究对象是黑色页岩、泥岩、粉砂质泥岩、页岩、混积页岩等；主要研究内容包括岩石组分、结构构造、命名与分类、物源、古气候、水深、介质环境、火山灰影响、有机质富集分布模式等；主要研究方法包括薄片分析、X衍射分析、X射线荧光分析技术（XRF）、扫锚电子显微镜矿物分析技术（Quemscan）、元素地球化学分析、物理模拟技术、测井解释技术、地球物理预测技术等；研究重点包括细粒沉积层序地层分析、纹层结构类型、组合方式及沉积动力学条件、有机质富集因素、“混源沉积”模式、细粒沉积水槽实验等。

3细粒沉积学研究现状

3.1 国外研究现状

国外细粒沉积学的研究，比较集中在海相层系，在岩石学特征、层序地层、沉积环境与沉积动力、有机质富集机理与成因模式、泥页岩实验沉积学等方面取得了一系列新的认识；相关研究成果集中反映在一系列泥页岩与细粒沉积学专著中。O’Brien和Slatt提供了各种页岩地层图版，并将它们融入到具体沉积环境中。Potter等论述了页岩研究的多个主题及未来研究的问题。Larsen等出版了《对泥岩的关注》，主要包括泥岩沉积学和成岩作用过程等内容。关于陆相细粒沉积方面，Lemons提出湖平面变化、构造作用、物源和盆地底形影响湖盆细粒沉积相分布。

3.2 国内研究现状

近年来，随着非常规油气勘探开发的不断推进，细粒沉积学研究在中国也引起了越来越多学者的关注和重视，海相与陆相细粒沉积学研究取得了重要的进展。研究认为陆相富有机质页岩层系主要发育在半深湖-深湖环境，常分布于最大湖泛面附近的高位体系域下部和湖侵体系域，页岩沉积于半深湖-深湖环境，沉积速率低并伴有程度不等的化学沉积作用；泥岩多形成于滨湖-浅湖环境，沉积速率快且多具密度流特征。页岩与块状泥岩在有机质丰度、生烃潜力等方面差异较大 。

4主要研究进展与关注点

4.1 细粒沉积岩石学与岩相

岩相识别及分布预测，对于页岩油气勘探开发是至关重要的。国内外研究者普遍以矿物组成与沉积构造作为页岩岩相划分的两个核心指标，并且也将TOC 含量作为重要指标纳入岩相划分中。如米德兰盆地Wolfcamp B和下Spraberry层段划分为5个岩相。粉砂质泥岩相是最佳烃源岩，储层品质优到一般；泥质粉砂岩相是最佳烃源岩和最佳储层；粉砂质钙质泥岩相是良好的烃源岩和良好的储层；生物碎屑粒泥灰岩相烃源岩和储层品质均一般；泥粒灰岩-粒状灰岩相烃源岩差，储层品质差-优。中国断陷湖盆、坳陷湖盆细粒沉积岩发育多种岩相类型，不同凹陷岩相类型差异大。如东营凹陷典型岩相类型为纹层状灰岩相、页状粘土岩相；沧东凹陷典型岩相类型为纹层状白云岩相、块状白云岩相。四川盆地下侏罗统共识别出 6 类 20 种岩相类型，以中-高碳粘土质页岩岩相、纹层-薄层状粘土质页岩岩相及低-中碳粉砂质页岩岩相为主，次为低-中碳粘土质介壳灰质页岩岩相、含-低碳粉砂质粘土质页岩岩相。

4.2 细粒沉积岩旋回地层与层序地层分析

利用测井曲线、岩心的岩性组合变化、地球化学参数、旋回地层分析等对细粒沉积岩进行层序地层界面识别及层序划分成为重要的手段。

蒲秀刚等开展了沧东凹陷孔二段高分辨率层序地层划分及沉积学特征分析，孔二段为一套完整的三级层序，可进一步划分为4个四级层序，高位体系域细粒相区岩矿组成具有成分复杂、优势矿物不发育、泥级长英质碎屑以及方沸石等脆性矿物普遍存在的特点，主要发育了泥页岩、白云岩、砂岩及混合沉积岩 4 大岩石类型，其中混合沉积岩最为发育，致密砂岩与白云岩是主要的致密储层。

细粒沉积层系旋回与烃源岩非均质性逐渐成为关注的热点。渤海湾盆地东营凹陷樊页1井古近系页岩油层段识别到～1. 2Myr 和～0. 84 Myr 波动周期，是全球气候变化和盆地构造环境波动的沉积响应。天文旋回是湖泊细粒沉积序列与有机质富集的原始驱动。学界对细粒沉积层系旋回特征及烃源岩非均质性的成因非常关注。在控制盆地沉积的因素里面：太阳系轨道周期制约了沉积盆地多旋回充填演化过程。在构造背景稳定的前提下，气候变化是控制盆地沉积过程的根本因素。由于地球轨道周期主要反映气候因素，太阳系轨道周期与地球轨道周期叠加产生的沉积响应是最需要关注的地方。

4.3 细粒沉积有机质富集主控因素

海相富有机质页岩沉积的形成机理，一直是海洋地质学和石油地质学界长期争论的话题，争论焦点是保存条件（水体氧化还原条件）和海洋表层生产力，即“保存”和“生产力”模式之争。一些学者对洋流上涌地区（如秘鲁西部、非洲西北部、加利福尼亚以及南极洲北部等海域）的研究发现，由于富营养水体的上涌，表层生物极为繁盛，说明其生物生产力较高，而海底沉积物中有机质含量很高但普遍见到生物扰动，表明底部水体并不缺氧，并由此推断高生产力才是富有机质沉积形成的主要控制因素。这一认识也逐渐得到一些学者认可，他们认为有机质富集沉积与海洋表层较高的生产力关系密切。大量易分解的代谢有机质沉降至水体底部时，会导致富氢有机质的富集，有机质分解会消耗水体底部的氧气，造成底部水体缺氧。他们认为富有机质沉积的缺氧条件可能是高生产力的结果。然而，沉积速率也较早地被认为是影响海相有机质富集的重要因素，近年来才逐渐被重视起来。一般认为较高沉积速率会稀释有机质，不利于有机质富集，缓慢沉积速率有利于有机质富集 ，但均与沉积底部水体保存条件密切相关。目前，这3个因素常被作为主要且相对独立因素来开展海相有机质富集的因素分析。

中国陆相沉积盆地发育多套湖相泥页岩层系，具有分布范围广、时代新、有机质丰度高、厚度大的特点。古生产力的高低和沉积环境的氧化还原程度是影响有机质富集和保存的主要因素。古生产力受气候环境、地区光照率、湖盆地貌、营养盐供给、水介质条件、藻类季节性勃发、自养型细菌等的影响；有机质分解与保存条件受水体分层、细菌生物、无机矿物、水介质条件、粘土矿物、沉积速率等的综合影响。在有机质的分解与保存过程中，硫酸盐还原菌消耗有机质的能力不亚于氧化条件下需氧微生物消耗有机质的能力，在缺氧和硫酸盐含量低的水体中生物的扰动和沉积物再悬浮作用相对较弱，有机质氧化分解作用小，快速埋藏的能力强。大量研究证实，烃源岩形成时期碱化程度高，古气候经历了半干旱—较潮湿—半干旱—干旱—半干旱的过渡，同时盆内水体至少经历了两期热液作用的影响。当前对湖盆水体环境的成因仍有争议，部分学者认为是热液成因，部分学者认为是为蒸发和热液共同成因。

5 结论

细粒沉积学研究在国内外引起了越来越多学者的关注和重视，在岩石学特征分类、旋回地层与层序地层学分析、沉积环境与沉积动力、沉积地球化学与氧化还原环境、古盐度、古水深、古气候、古氧度判识、沉积纹层结构及成因、有机质富集主控因素、泥页岩实验沉积学等方面取得了一系列重要进展。但在目前的国内外研究及生产实践中，特别是陆相环境岩性复杂、混积作用普遍存在的情况下，仍存在术语不规范、分类不系统、概念不清晰、相带不明确、地层不等时、分布不清楚等问题，其沉积过程及成储机理也不明确。未来细粒沉积学应加强术语规范与分类、旋回地层与层序地层格架、有机质非均质性成因、有机质形成和保存作用机理、纹层结构成因及组合类型、页岩和泥岩沉积水体环境及动力学条件、古水深与沉积模式等方面研究，更好地服务于工业实践。

参考文献：

[1]姜在兴，梁超，吴靖，等. 含油气细粒沉积岩研究的几个问题 [J]. 石油学报, 2013, 34(6): 1031-1039.

[2]郝运轻，谢忠怀，周自立，等. 非常规油气勘探领域泥页岩综合分类命名方案探讨[J]. 油气地质与采收率, 2012, 19(6): 16-19.