北美页岩油气勘探开发巨大成功,引发了石油地质理论和技术的创新,推动了富有机质页岩研究取得一系列重要突破。相对于北美富有机质海相泥页岩,我国东部断陷盆地泥岩相带变化快,泥页岩矿物成分、结构、有机碳含量等存在明显非均质性,严重影响页岩油气产量和有利区带优选。近年来,泌阳凹陷页岩油气勘探开发主要集中在评价方法、资源量预测等方面,对页岩非均质性(尤其是有机质分布非均质性)及其控制因素的认识还不够清晰。同时,由于泥页岩手标本和野外露头观测均具有较强的局限性,再加上风化作用和应力释放导致大多数泥岩破碎,不便于观察和描述,因此对泥岩及其非均质性的综合研究普遍较少。本文通过地震、地质、岩心、测井、录井和试油等资料,运用沉积岩石学-层序地层学-地震沉积学等理论和技术方法,分析泌阳凹陷深凹区核桃园组三段富有机质泥页岩非均质性特征,明确影响陆相富有机质页岩非均质性的控制因素,建立富有机质泥页岩发育模式,探索多学科综合识别页岩非均质性的技术方法。通过综合研究,得出如下主要成果和认识：1.构建了泌阳凹陷深凹区层序地层格架,进一步明确了富有机质页岩层划分标准,查明了层序地层格架下富有机质页岩分布规律及其特征。核三段划分出四个三级层序,每个层序进一步划分为低位体系域、湖扩体系域和高位体系域。以TOC大于2%、单层厚度大于10m连续厚度大于20m(夹层厚度小于3m)作为富有机质页岩层预测标准,在研究区核三段识别出六套富有机质页岩层,主要集中在核32层序和核33层序的湖扩体系域,高位体系域富有机质页岩层主要发育在紧邻湖扩体系域的最大湖泛面之上。其中3号和5号页岩层厚度大、分布范围广、有机质成熟度适中、有机碳含量高,是较好的有机质富集层。2.通过岩心、薄片观察,查明了研究区核三段富有机质泥页岩的宏观和微观非均质性特征,刻画了岩性相组合、有机碳和自由烃含量的垂向非均质特征。识别出纹层状和块状两种结构类型,其中纹层主要包括富有机质的黏土矿物纹层、富碳酸盐纹层、富黄铁矿纹层和粉砂纹层。矿物成分包括陆源碎屑矿物(石英、长石)、粘土矿物和碳酸盐矿物三类,其中黏土矿物和石英为研究区核三段泥页岩的主要组成矿物,次为方解石、白云石、斜长石,含有少量的钾长石、黄铁矿、菱铁矿等。层序地层格架内富有机质页岩层垂向岩性相组合呈现规律性变化：灰质页岩或云质页岩组合,一般出现在湖扩体系域初期；粘土质页岩-灰质页岩组合,表现为粘土质页岩或粉砂质页岩夹灰质或云质页岩薄层,主要出现在湖扩体系域中期；粘土质页岩-粉细砂岩组合,主要出现在湖扩体系域晚期。在页岩层内部,有机碳含量垂向变化样式可划分为相对稳定型和多个底部最大、向上降低的单元叠置。同时这些变化样式在平面上呈环带状分布,有机碳含量近湖盆中央变化相对较小而在湖盆边缘变化较大且频繁。在准层序内部,随着水体由深到浅变化,有机碳和自由烃含量在深凹中心区有机碳含量无明显变化,而在深凹边缘带呈现从底部突然增大然后向上减小3.根据有机质、矿物成分及含量的测井响应特征,建立了矿物组成的非均质性、有机质组成非均质性的测井判识方法。利用改进的△logR法、CARBOLOG法和多元回归分析法分别对研究区重点井进行有机碳含量预测,并将预测结果与有限的岩心分析资料对比,优选出能适用于研究区且精度高的方法。结果表明多元回归分析方法是多种有机碳含量计算方法中最为有效方法之一,既可以通过综合考虑多种测井参数优选出更能反映有机碳含量变化的测井参数,又可以科学规避某些受特殊矿物影响的测井参数,具有较高的准确性和普适性。同时针对无有机碳含量实测数据钻井,在不同沉积相或亚相基础上分七个区块分别建立核三上亚段有机碳含量综合预测模型,为深凹区有机质分布非均质性预测提供有效方法。根据研究区实际资料,优选出多参数回归分析法对矿物含量进行预测,同时结合岩心、薄片等资料进行验证。将样品对应深度上下20cm的测井参数平均值作为对应的测井参数值；利用SPSS软件对测井曲线值和实测矿物含量值进行多元线性回归分析,观察回归方程和回归系数的显著性,剔除不能达到相应的显著性水平的参数变量,拟合出碳酸盐(方解石或白云石)、粘土矿物和碎屑矿物含量预测模型。4.精细刻画了富有机质页岩层有机碳含量和岩性相空间展布特征。5号和3号页岩层有机碳含量均具有围绕湖盆呈环带状分布、向湖中心逐渐增大的特点,其中5号页岩层有机碳含量为2.04-4.68%,平均2.79%；3号页岩层有机碳含量为2.04-3.52%,平均2.69%,与5号页岩层相比,有机碳含量略有降低,且高丰度有机质分布范围减小。采用地震属性技术、地质统计学反演及其与地质相结合等方法,分别从垂向和平面上厘定了富有机质页岩层系中泥岩、灰质(云质)泥岩和粉细砂岩+泥岩等不同岩性相组合空间展布。地震属性技术可定性识别不同岩相的平面展布和垂向演化特征,而地质统计学反演分析可定量识别三种岩性相的分布范围。岩性相地球物理特征研究发现,纯泥岩波阻抗较低,泥质云岩波阻抗较高,砂岩和灰(云)质泥岩波阻抗处于两者之间,在此基础上采用地质统计学反演与地质相结合方法对5号页岩层岩性相空间展布特征进行分析,认为粉细砂岩+泥页岩主要发育在深凹区周缘,中部和东南部发育灰质或云质页岩,泥页岩主要位于工区北部。通过单井、连井地震属性岩性相的标定,认为研究区三角洲前缘砂体均方根振幅呈现高低之分,其中低振幅区主要为三角洲前缘近端厚层河道砂沉积,分布于研究区的SW角和NE角,而高振幅区为三角洲前缘河口坝沉积,呈NW向带状展布。前三角洲-深湖相主要为薄层浊积砂沉积。前三角洲-半深湖相均方根振幅呈低振幅,主要发育泥页岩。白云岩主要发育在东南部盆地边缘的深湖相区域。5.利用常量、微量元素、稀土元素和生物标志化合物等参数指标,分析了富有机质页岩层地球化学特征,揭示了富有机质页岩层的形成环境。5号页岩层沉积期经历了气候由干旱炎热向温暖潮湿、水体由咸水向半咸水的转变,有机质来源由浮游生物向陆源高等植物过渡。3号页岩层形成于温暖潮湿、半咸水环境,水生生物和藻类生源更占优势。富有机质页岩层地球化学特征如下：(1)5号页岩层相当硼含量处于272.14～968.98gg/g之间,且在取心段下部大小相差悬殊,向上逐渐降低且相对稳定；B/Ga值大于4.5。结合伽马蜡烷指数和β-胡萝卜烷含量的指示可知,5号页岩层沉积初期呈现分层的咸化水体条件,沉积晚期盐度分层明显减弱,为半咸水环境。Sr元素含量平均739 μ g/g,总体呈向上减小趋势；Sr/Cu值多数介于5.16-20.3之间,异常高值出现在取心段中部。这些元素及比值变化规律表明5号页岩层沉积期气候由干旱炎热向温暖潮湿过渡。5号页岩层具有低甾烷/藿烷值、高C19/C23和C20/C23三环萜烷值和C24/C26四环萜烷值的特征,且C27/C29甾烷值呈向上减小的趋势,反映出陆源有机质占优势和大量细菌降解。(2)3号页岩层相当硼含量为349.81-474.31μg/g,平均418.62μg/g; B/Ga值大于4.5。结合伽马蜡烷指数和β-胡萝卜烷含量的指示可知,3号页岩层沉积期盐度分层明显减弱,为半咸水环境。Sr元素含量偏低(平均477 μ g/g),Sr/Cu值介于5.3～15之间,平均9.4。这些元素及比值变化规律表明3号页岩层沉积于温暖潮湿环境。3号页岩层甾烷/藿烷值、C27/C29甾烷值相对较高,而C19/C23三环萜烷值、C20/C23三环萜烷值和C24/C26四环萜烷值较低,表明主要是以藻类有机质为主。此外,5号和3号页岩层多数实测样品V/Cr值处于2.0～4.5之间,Pr/Ph值均小于0.6,Ceanom指数均大于-0.1,反映5号和3号页岩层沉积期均为缺氧环境；5号和3号页岩层样品稀土元素分异明显,轻稀土富集而重稀土亏损,(La/Yb)N值明显大于1,δ Ce值为0.95～1.24,平均0.99,Ce异常性不明显或为正异常,反映沉积物沉积速率相对较低。6.通过有机碳含量和有机、无机元素地球化学指标的关系分析,查明了断陷湖盆有机质富集的主控因素,并总结出两类有机质富集模式。富有机质页岩层均发育于湖扩体系域,但5号页岩层有机质主要富集于湖扩体系域中下部而3号页岩层有机碳含量峰值位于最大湖泛面附近,表明相对湖平面并不是控制有机质富集的主要因素。5号和3号页岩层有机碳含量变化与氧化还原指标(V/Cr、Pr/Ph)均呈线性相关,其中3号页岩层有机碳含量变化还与古生产力指标(Cu、Ni)呈较好的相关性,表明表明良好的保存条件是5号页岩层有机质富集的主控因素,良好的保存条件为3号页岩层高生产力下的有机质富集提供了保障。在此基础上总结出两类有机质富集模式。(1)干旱炎热气候下咸化水体的盐度分层有利于形成良好的保存条件,是5号页岩层有机质富集的关键。对于5号页岩层,湖扩体系域初期以干旱气候为主,湖泊水体盐度高,易在半深湖.深湖区域产生水体分层,限制湖水循环,形成缺氧环境。即使在此浅水条件下,水体分层和缺氧环境也有利于有机质保存。湖扩体系域晚期古气候逐渐向温暖潮湿过渡,随着湖平面上升,淡水注入湖泊水体盐度降低,基本为半咸水环境,水体分层不明显,最终形成了有机碳含量在湖扩体系域初期较高而在晚期偏低的分布特征。(2)温暖潮湿气候下藻类渤发对应的高生产力水平,以及湖盆深处缺氧底水环境决定了3号页岩层有机质的富集。3号页岩层沉积期以潮湿气候为主,湖泊水体较深且为半咸水,分层现象不明显。湖扩体系域初期相对湖平面偏低,不利于有机质保存,随着相对湖平面上升带来大量营养物质和可溶无机碳,促使藻类渤发,湖泊水体中形成了中等-高初级生物生产力,同时较高的湖平面易于在深湖形成缺氧底水,有利于有机质保存,从而使3号页岩层中有机质含量随湖平面上升而明显增加。另外,核三上亚段辫状河三角洲和近岸水下扇之间的湖相泥岩中发育滑塌浊积扇,这些浊积岩的出现扰乱了湖底氧化还原条件,使湖底有机质遭受一定程度的分解,泥页岩有机碳含量降低,导致在深凹边缘区有机碳含量变化较大且频繁,而在浊积岩不发育的深凹中心有机碳含量变化相对较小。7.根据泥页岩厚度分布、有机碳含量和岩性相平面展布特征,并考虑沉积相带和夹层发育,对深凹区富有机质页岩有利区带进行了预测。进而,依据相关的甜点参数在平面上圈定出三个有利区带。