济阳坳陷古近系沙三下亚段发育一套富有机质湖相泥页岩,自开始勘探以来,已有多口钻井在沙三下亚段泥页岩层段获得高产工业油流,展现了良好的页岩油勘探潜力。与北美地区广泛分布的海相页岩地层不同,济阳坳陷沙三下亚段是陆相湖盆沉积,其岩相受湖盆面积、物源、湖平面变化等因素的影响较大,非均质性特征明显,且其控制因素尚不明确,因此北美地区页岩油开发的经验不能直接用于中国陆相页岩油的勘探开发。本文应用地球化学、岩石学和沉积学理论,在建立层序地层格架的基础上,精细划分并厘定岩相类型,阐明层序格架内泥页岩宏观和微观非均质特征及变化规律,建立岩相与多环境控制因素的联系,探讨优势岩相类型,确定页岩油有利勘探目的层段。通过本次研究,主要取得了如下认识:1.建立了研究区沙三下亚段泥页岩层系的层序地层格架。基于测井、岩心观察以及元素地球化学等参数的研究,在识别层序界面的基础上将沙三下亚段划分为1个三级层序,其由湖扩体系域(EST)、早期高位体系域(EHST)和晚期高位体系域(LHST)组成;对关键井(罗69井和利页1井)进行了层序划分,并对其内部沉积构成及特征进行了归纳总结,建立起东营凹陷、渤南洼陷地区连井剖面;并以体系域为单位编制各地区泥页岩厚度平面分布图,各体系域厚度相当且发育稳定。2.提出了针对陆相断陷湖盆泥页岩的岩相类型划分方案。综合考虑泥页岩的矿物组成、沉积构造和有机质丰度,建立了济阳坳陷泥页岩岩相划分方案,命名按照“有机质丰度+结构+成分+相”,将济阳坳陷沙三下亚段划分为十余种岩相,其中以发育含有机质纹层状泥质灰岩、富有机质纹层状泥质灰岩、富有机质纹层状灰质泥岩、富有机质层状灰质泥岩、富有机质层状泥质灰岩和富有机质块状灰质泥岩为主。总结了各类岩相的基本特征,在此基础上对主要岩相在垂向上的演化规律进行分析,湖扩体系域以含有机质纹层状泥质灰岩和富有机质纹层状泥质灰岩为主,早期高位体系域主要由富有机质纹层状灰质泥岩、富有机质层状灰质泥岩和富有机质层状泥质灰岩组成,晚期高位体系域主要被富有机质层状泥质灰岩、富有机质层状灰质泥岩和富有机质块状灰质泥岩所控制。3.查明了层序格架下研究区沙三下亚段泥页岩岩相的宏观和微观多重非均质性特征及变化规律。宏观非均质性方面,泥页岩颜色从下至上由灰白色变为灰黑色,即颜色由浅变深;纹层在湖扩体系域和早期高位体系域发育良好,而在晚期高位体系域少有发育;裂缝则表现为从湖扩体系域至晚期高位体系域时期逐渐减少的趋势。微观非均质性方面,碳酸盐岩矿物含量从湖扩体系域至晚期高位体系域逐渐减少,而粘土矿物和陆源碎屑含量向上增加,黄铁矿含量变化不大,仅在顶部出现异常高值;TOC在湖扩体系域均值较低,在晚期高位体系域均值比早期高位体系域均值略高;藻类化石丰度从湖扩体系域至晚期高位体系域增加;孔隙度在湖扩体系域均值最高,早期高位体系域和晚期高位体系域的孔隙度则较低,同时渗透率也是湖扩体系域最高,早期高位体系域和晚期高位体系域较低。最后总结并提炼出济阳坳陷沙三下亚段储层质量非均质性模式。4.明确了沙三下亚段泥页岩岩相非均质性形成的控制因素。济阳坳陷沙三下亚段泥页岩岩相非均质性主要受控于构造运动、古气候、古水深、古盐度、古生产力和古氧化还原。在一定的构造背景下,气候由相对干冷-相对暖湿-暖湿,水深逐渐增大,盐度持续降低,古生产力由较高-高-较低,从强还原逐渐到还原性。并建立了岩相与沉积环境的关系,不同类型的岩相,其特征不同,沉积环境、发育层位也有差别,并可以由沉积环境的特点推测岩相类型。5.优选出了沙三下亚段层序格架内页岩油勘探有利层段。对各体系域含油性进行对比分析,探讨非均质性对含油性的影响及其控制因素。预测富有机质纹层状泥质灰岩、富有机质纹层状灰质泥岩、富有机质层状泥质灰岩和富有机质层状灰质泥岩为优势有利岩相类型,在此基础上,综合考虑泥页岩层的含油性和可压裂性,认为渤南洼陷早期高位体系域和东营凹陷沙三下亚段全井段,无论是从远景储层还是压裂开采方面都是最具潜力的页岩油有利勘探目的层段。