董果果，张馨元，张栋，袁青松

(1.河南省地质调查院，郑州 450001；2.地下清洁能源勘查开发产业技术创新战略联盟，郑州 450001)

0 引言

层序地层学在油气勘探领域应用广泛[1]，国外学者多以生物地层、岩相、生烃潜力和自然伽马等研究为基础进行北美页岩层序地层划分；国内研究多集中在以川南及渝东南地区为主的海相页岩气层系中，已有部分学者对其露头-钻井-地震资料综合分析建立了相关层序地层格架，研究优质储层与层序体系域的关系[2]。河南省范围内的层序地层研究相对较少[3]，且多以平原区边缘露头剖面、煤田钻孔资料为基础建立层序地层格架，进而探讨聚煤规律，目前尚未形成以平原区中部深埋藏区海陆过渡相为对象的层序地层研究成果。

河南省平原区二叠系广泛发育海陆过渡相地层，其中通许隆起构造相对稳定，二叠系整体埋深适中，是近年来河南省页岩气的勘探重点，该区海陆过渡相页岩气层系与北美及中国南方海相地层相比，具有泥页岩单层厚度普遍偏薄，并与煤、致密砂岩和灰岩等频繁互层的特点[4-5]。

本文在前人研究的基础上，以页岩气资源相对发育的通许隆起二叠系太原组-山西组为研究对象，通过钻井资料、海平面变化曲线、岩芯测试等资料的综合分析，进行海陆过渡相层序地层研究，并在层序格架内研究富有机质泥页岩发育特征，对河南省页岩气的勘探与开发具有重要意义。

1 区域地质概况

通许隆起中部在构造上位于华北陆块南缘(图1)，区内构造活动强烈，断层发育，目的层整体南高北低，南部发育背斜构造，至北部过渡为向北倾伏的斜坡[4]。

通许隆起二叠世主要沉积海陆过渡相地层，与下伏石炭系地层呈整合接触。其中下二叠统太原组沉积以海相为主，发育多套碳酸盐岩沉积，中二叠统山西组以三角洲沉积为主，总体表现为海陆过渡相含煤建造，至上二叠统逐渐过渡为陆相沉积，中生界与新生界覆盖于老地层之上[6]，其中，太原组和山西组沉积时期形成了富有机质泥页岩，参考这个时期全球海平面变化曲线[7]，太原组-山西组沉积时期大致可划分出6个三级海平面升降旋回(表1)。从三叠纪开始，研究区先后经历了坳陷、断陷和全面沉降三个演化阶段，形成现今南高北低的构造格局[6]。

2 层序地层划分方案

已有大量地质学者对华北晚古生代含煤地层的层序地层进行了划分，但不同学者所采用的层序划分方法与选取的层序界面不尽一致，而且其研究基础仅为盆地边缘露头区剖面及煤田钻孔资料，对河南省页岩气主要发育区域的平原覆盖区钻孔资料应用较少。本文在综合分析研究区钻孔资料的基础上，考虑到研究区石炭-二叠系沉积时期，陆表海海侵和海退具有突发性，低水位体系域并不发育，故此，本次笔者采用Embry及Johannessen(1993)提出的T-R二分层序地层模式，即海侵体系域(TST)和海退体系域(RST)，层序地层界面为最大海退面(MRS)，体系域界面为最大海泛面(MFS)[8]。

3 层序地层特征

3.1 层序、体系域界面的识别标志

层序、体系域界面的识别是层序地层学研究的关键，与经典被动大陆边缘层序地层模式相比，研究区所属华北晚古生代盆地因基底坡度极缓，难以形成大范围的侵蚀不整合[3]，因此在层序地层研究中通常采用的区域不整合面、下切谷冲刷面、构造应力转换面等界面识别方法并不能完全采纳，加大了识别难度；另外，研究区页岩气研究尚处于起步阶段，三维地震覆盖面积较小，而收集到的二维地震资料分辨率有限，太原组、山西组平均厚度均约为84 m，在二维地震剖面上仅为1—2个同相轴显示，难以用于更为精细的层序界面识别。故此，笔者在前人沉积演化研究的基础上，通过对研究区太原组-山西组钻井资料的岩性组合标志、沉积趋势转换特征、矿物成分的变化特征以及相应的测井曲线进行综合分析，对层序和体系域界面进行识别。

图1 通许隆起太原组-山西组沉积期构造背景及研究区位置Fig.1 Map showing tectonic setting during sedimentation of Taiyuan-Shanxi formation sequence and location of the study area

表1 通许隆起太原组-山西组综合地层特征Table 1 Integrated stratigraphic characteristics of Taiyuan-Shanxi formation sequence in Tongxu uplift

图2 通许隆起太原组-山西组层序格架中的岩相特征Fig.2 Lithofacies characteristics of Taiyuan-Shanxi formation sequence in the stratigraphic framea.灰黑色泥岩，黄铁矿浸染分布，太原组下部，SQ1；b.深灰色泥页岩，局部页理发育，太原组下部，SQ1；c.泥质灰岩，见方解石细脉，太原组上部，SQ3；d.灰色细砂岩，裂隙发育，山西组下部，SQ4；e.灰黑色煤，镜煤亮煤，山西组中部，SQ4；f.灰黑色粉砂质泥岩，见植物化石，山西组上部，SQ5

3.1.1 岩性、岩相组合标志

研究区太原组沉积时期整体处于海侵阶段，但海平面升降频繁，表现为三套灰岩和泥页岩的突变。通过对研究区牟页1井的岩芯观察可知，本溪组顶部铝土质泥岩(根土岩/底黏土)向上突变为太原组深灰色灰岩，说明沉积水体突然变深，该岩性突变面即为SQ1界面。SQ2、SQ3界面为灰黑色泥页岩与深灰色灰岩的岩性突变面。SQ4界面之下为山西组灰黑色泥页岩夹泥质粉砂岩，界面之上为山西组灰色砂岩。SQ5、SQ6界面均为山西组灰色泥岩与灰色细砂岩的突变面(见图2和图3)。

图3 通许隆起牟页1井太原组-山西组层序地层柱状图Fig.3 Column of Taiyuan-Shanxi formation sequence from well Mouye1 at Tongxu uplift

3.1.2 沉积趋势转换面

沉积趋势转换面主要指最大海泛面，其下表现为海侵的沉积趋势，其上则为海退的沉积趋势。研究区陆表海沉积存在两种沉积旋回，一种是，石炭系本溪组顶部与太原组底部“根土岩+碳质泥岩/煤层+海相灰岩”的旋回[9]，根土岩的发育表示沉积时期地表相对暴露，碳质泥岩/煤层+海相灰岩的连续发育代表海平面持续上升，在大面积分布的以海相石灰岩或含海相化石的泥岩为顶板的含煤旋回层序中，煤层多是在海侵过程中形成的[10]，故此处可作为最大海泛面；另一种是，沉积旋回，即“潟湖相泥岩+潮坪相粉砂岩与泥岩互层+深色泥页岩+碳质泥岩/煤层”旋回，代表沉积环境逐渐由潟湖向混合坪、泥坪、泥炭坪过渡，代表沉积水体逐渐变浅(图3)。

3.1.3 矿物成分

研究区在山西组沉积早期发生大范围海退，沉积环境逐渐由陆表海转变为三角洲沉积，此时区内普遍发育分流河道沉积，但是由于研究区所属华北地区南部整体地势较为平缓，分流河道在发育过程中难以形成深切谷，而是频繁侧向迁移，形成连接成片的席状砂体[3]。虽然在岩芯、地震资料上难以发现明显的河流下切冲刷面沉积标志，但该席状砂体上下的沉积环境、古生物组合，陆源碎屑成分及微量元素组成等一般都有明显变化，故而可作为层序界面。在山西组下部普遍发育中厚层灰色细砂岩，俗称大占砂岩，该砂岩之下主要为灰岩、泥岩、砂岩和煤的岩性组合，普遍发育有孔虫、蜓类、海百合茎等古生物，为陆表海沉积；自砂岩始则主要为砂岩、粉砂岩、泥岩和煤的岩性组合，泥岩中部分发育植物碎片化石，对应为三角洲沉积。该种砂体主要为三角洲河口沙坝-分流河道沉积，往往对应着一次小规模的海侵。

3.1.4 测井相识别标志

研究区太原组—山西组沉积时期，整体处于海陆过渡相沉积期，海平面升降频繁，测井曲线也会发生相应变化。针对海陆过渡相页岩气层系，常规测井曲线与层序的相关关系不甚明显，此时最具有代表性的为自然伽马能谱测井曲线，泥页岩中有机质及黏土矿物相对富集，其对放射性物质具有吸附作用，故而一般泥页岩的含量与伽马能谱U以及GR曲线呈正相关关系。同时，Th化合物可反映物源的远近，其通常与物源距离呈负相关[2]。w(Th)/w(U)值也常作为沉积环境的判别标志，通常w(Th)/w(U)值>7为陆相淡水沉积，w(Th)/w(U)值<7海相沉积。在研究区w(Th)/w(U)值<7时，其泥页岩有机质含量相对较高，故而w(Th)/w(U)值也可指示层序界面(见图3)。

3.2 层序格架及特征

本文在前人研究的基础上，通过对通许隆起钻井资料进行分析，按照上述层序和体系域界面识别标志，将通许隆起太原组—山西组识别出6个三级层序SQ1—SQ6。其中，太原组—山西组陆表海沉积划分为3个三级层序SQ1—SQ3，主要发育(灰)黑色泥页岩；山西组三角洲沉积划分为3个三级层序SQ4—SQ6，主要发育灰色泥页岩(见图4)。

SQ1和SQ2：分别为太原组下部、太原组中部地层。该层序的层序底界面为海侵上超面，其中SQ1在研究区与下伏地层石炭系本溪组层整合接触。层序界面之上的海侵期沉积主要为碳质泥岩与海相灰岩互层，主要为局限台地沉积，Gr呈增高趋势；最大海泛面位于灰岩顶端，含有黄铁矿结核，代表强还原环境，w(Th)/w(U)值由低值向中值转变(见图3)。随后进入海退体系域，主要为潮坪与潟湖沉积，砂质含量有所增多，底部为黄铁矿大量发育的潟湖相灰黑色泥页岩，向上过渡为混合坪相灰黑色泥页岩夹粉砂岩、潮沟相薄层细砂岩，上部为泥坪、泥炭坪沉积，Gr呈下降趋势，总体构成向上变浅的层序沉积序列(见图3)。从东南至西北方向，海退体系域中灰黑色泥岩所夹粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和细砂岩有增多趋势，且泥页岩的厚度逐渐变小(见图4)，说明该时期研究区物源主要来源于西北方向。在SQ1层序发育时期，海侵作用强烈，且构造相对稳定，故而广泛发育富有机质泥页岩。该层段富有机质泥页岩平均厚度约为30 m，横向分布稳定，是页岩气富集的最有利层段。SQ2在研究区也普遍发育，但整体相对较薄。

图4 通许隆起太原组-山西组层序地层格架内优质泥页岩储层分布Fig.4 Map showing distribution of quality muddy shale reservoir in frame of Taiyuan-Shanxi formation sequence

SQ3：相当于太原组上部与山西组下部，层序界面为海侵上超面，与下伏地层整合接触。海侵体系域主要为台地和潟湖沉积，主要发育灰色灰岩，Gr呈增高趋势，w(Th)/w(U)值整体为中低值；海退体系域主要为潮坪相泥和粉砂沉积，Gr呈下降趋势，w(Th)/w(U)值整体为中值。

SQ4：相当于山西组中部，层序界面为岩性突变面。海侵体系域主要为水下分流河道沉积，发育一套细砂岩、泥质粉砂岩，向上粒度逐渐变细，泥质含量逐渐增加，Gr呈增高趋势；最大海泛面为该套砂岩顶端与灰色泥页岩的岩性突变面，w(Th)/w(U)值呈现尖峰高值；随后过渡为海退体系域，表现为分流间湾沉积微相，顶部发育黑色煤层沉积，Gr呈下降趋势(图3)。该时期物源方向仍为西北方向，因此水下分流河道砂在西北方向发育较厚，向东南方向逐渐减薄甚至不发育；海退体系域中煤层则自西北向东南方向逐渐增厚，泥页岩主要发育于体系域下部，整体颜色较浅(图4)。

SQ5和SQ6：主要发育在研究区西北部的山西组上部三角洲平原沉积亚相中，均表现为短期小幅的海侵和海退，两者层序界面均为岩性突变面，界面之下为灰色泥页岩，界面之上为灰色中-细砂岩。泥页岩主要发育于海侵体系域中，但分布较薄且与粉砂岩、细砂岩频繁互层，难以形成规模的页岩气储层。由于该时期古地貌仍为北高南低，向东南方向水体相对较深，研究区东南部此时还未过渡至三角洲平原沉积，因此泥页岩发育相对较厚，但与太原组相比，整体颜色均较浅。

4 层序地层对页岩气储层的影响

页岩气储层评价中，泥页岩有效厚度、w(TOC)值、成熟度、孔隙度和渗透率、储集空间类型、脆性指数、含气性和保存条件等都是重要的参数。层序地层直接或间接地对这些页岩气储层评价参数产生影响，本文将从矿物类型、w(TOC)值、脆性指数、孔隙度和渗透率等参数入手，探讨研究区太原组—山西组各层序对页岩气储层的控制作用。

4.1 层序地层对有机质富集的影响

统计数据表明，SQ1—SQ3泥页岩w(TOC)值整体较高，平均值>2%(表2)。且在各体系域内，与海平面变化呈正相关趋势(图5)。如前所述，SQ1—SQ3发育(灰)黑色泥页岩沉积，多见水平层理及黄铁矿沉积，反映较强的还原环境；该时期研究区整体处于陆表海沉积，较SQ4—SQ6三角洲沉积时期水体相对较深，沉积物供给较弱，盆地可容纳空间较为充足。因而有机质可以得到长期稳定的沉积，且还原环境可使有机质免遭氧化。

SQ4—SQ6泥页岩w(TOC)均值<2%(表2)。但在各层序内，w(TOC)值仍与海平面变化呈正相关关系(图5)。据岩性观察，SQ4—SQ6主要发育灰色泥页岩、灰色泥质粉砂岩互层，沉积环境为浅水弱氧化环境；与SQ1—SQ3相比，该时期相对海平面降低，盆地可容纳空间亦有所减小，故而该阶段沉积的泥页岩厚度变薄，且与粉砂岩、细砂岩频繁互层。

4.2 层序地层对泥页岩脆性的影响

泥页岩的脆性主要与矿物组分有关，通常硅质矿物和碳酸盐矿物含量越高，脆性越大，脆性指数越高。通过对牟页1井太原组—山西组的脆性指数进行统计分析可以发现，整体上，SQ1至SQ3，泥页岩平均脆性矿物质量分数以>50%为主，而SQ4至SQ6则普遍<50%(表2)。此外，在各海退体系域内，泥页岩脆性矿物质量分数呈升高趋势，即与海平面升降呈负相关趋势(见图5)。

表2 牟页1井太原组-山西组各层序孔隙度、渗透率、w(TOC)值、脆性指数统计结果Table 2 Statistics of porosity, permeability, w(TOC) and mass fraction of brittle minerals for each sub-sequence from well Mouye1

图5 牟页1井太原组—山西组层序w(TOC)值、孔-渗、脆性矿物质量分数变化关系Fig.5 Relationship of w(TOC), porosity, permeability and mass fraction of brittle minerals in Taiyuan-Shanxi formation sequence from well Mouye1

图6 通许隆起太原组和山西组泥页岩样品次生孔隙特征Fig.6 Features of secondary pores of muddy shale in Taiyuan formation and Shanxi formationa.石英表面溶孔，太原组，SQ1；b.有机质收缩缝，太原组，SQ2；c.生烃溶蚀孔，太原组，SQ1

4.3 层序地层对泥页岩孔、渗的影响

牟页1井34个样品的孔隙度、渗透率分析数据表明，除SQ4外，泥页岩孔隙度均为2%～4%，且埋藏较深的SQ1和SQ2孔隙度相对较小；渗透率普遍偏低，以0.001～1 mD为主，其中SQ1、SQ3渗透率相对较高，大于0.1 mD(见表2)。通过扫描电镜观察，研究区泥页岩样品次生溶蚀孔洞(图6)普遍发育，说明研究区泥页岩储层后期成岩改造相对较强；此外，孔隙度和渗透率相关性较差，且岩芯及成像测井资料表明研究区泥页岩层段裂缝，说明研究区泥页岩储层受后期构造作用影响较大。与川南及渝东南地区五峰组—龙马溪组黑色页岩相比[1,4-5]，通许隆起海陆过渡相泥页岩相对较薄，且与砂岩、煤、碳酸盐岩互层分布，受沉积后期成岩及构造作用影响较大，总体上，研究区泥页岩储层物性与层序相关性不强。

5 结语

(1)通许隆起海陆过渡相层序地层特征独特，岩性复杂，且未发育典型的侵蚀不整合面和下切谷冲刷面。但其岩性组合丰富、沉积趋势转换特征明显、典型矿物成分发育规律易寻、自然伽马能谱测井曲线响应特征显著，整体上依然可以为层序界面的识别提供丰富的识别标志，据此建立了通许隆起中部太原组—山西组层序地层格架，共划分出6个三级层序(SQ1—SQ6)，其中SQ1—SQ3以陆表海沉积为主；SQ4—SQ6以三角洲沉积为主。受物源方向影响，整体上，自西北至东南，通许隆起中部地区泥页岩厚度和范围相对变大。

(2)通许隆起中部太原组—山西组泥页岩厚度、w(TOC)值与脆性指数受层序控制较为明显。SQ1—SQ3可容纳空间相对较大，海退体系域普遍发育(灰)黑色页岩，泥页岩段w(TOC)值普遍大于2%，脆性矿物质量分数普遍大于50%，且从SQ1到SQ3依次增高；在各体系域内，w(TOC)值与相对海平面变化呈正相关，脆性矿物质量分数与相对海平面变化呈负相关。

(3)通许隆起中部太原组—山西组泥页岩储层次生溶蚀孔、裂缝普遍发育，储层物性由于受后期成岩作用、构造作用影响较大，与层序的相关性相对较差。SQ1—SQ3孔隙度平均为2.68%，在研究区为中等大小；渗透率普遍较低，SO1和SQ3相对较高，平均为0.26 mD。

(4)综合分析表明，通许隆起中部地区海陆过渡相地层中，SQ1—SQ3海退体系域下部的w(TOC)值相对较高，脆性指数普遍大于50%，孔隙度大小中等，渗透率相对较高，海退体系域泥页岩相对较厚，且向东南方向有增厚趋势，故东南方向海退体系域早期为优质页岩气储层发育层段。