瑪湖凹陷風(fēng)城組頁巖油富集機(jī)制與甜點段優(yōu)選

金之鈞，梁新平，王小軍，朱如凱a，4，張元元b，劉國平，高嘉洪

（1.北京大學(xué)a.能源研究院；b.地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871；2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；3.中國石油 大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163000；4.中國石油 勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

中國陸相盆地頁巖油資源豐富，勘探潛力巨大[1-7]，準(zhǔn)噶爾盆地二疊系咸化湖盆的白云質(zhì)巖沉積大面積分布于凹陷中心區(qū)及斜坡帶，平面上與烴源巖發(fā)育中心區(qū)疊置，為頁巖油的形成提供有利的物質(zhì)基礎(chǔ)[8-10]。根據(jù)烴源巖、儲集層、構(gòu)造背景、保存及埋深等地質(zhì)條件綜合評價，于2011 年優(yōu)選吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組埋深小于4 500 m的地區(qū)為頁巖油的重點勘探區(qū)域，部署吉25 井，獲工業(yè)油流，從而拉開了準(zhǔn)噶爾盆地頁巖油勘探序幕[8-14]。

基于吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油發(fā)現(xiàn)的啟示及瑪湖凹陷風(fēng)城組巖相展布、湖盆中心源儲共生型頁巖油富集規(guī)律的認(rèn)識，2018 年，在瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風(fēng)城組埋深大于4 500 m處，鉆探首口風(fēng)險井瑪頁1井，采用直井大段分層壓裂試油，獲得高產(chǎn)工業(yè)油流，自噴最高日產(chǎn)油50.60 m3；瑪頁1H 井水平段整體顯示好，天然裂縫發(fā)育，解釋油層總厚度為925.6 m，油層鉆遇率為90.6%；瑪頁2井鉆遇1 200 m的活躍油氣顯示段，測井解釋油層121層，累計厚度為227.6 m，風(fēng)一段頁巖油獲得重大突破，目前3.5 mm 油嘴，最高日產(chǎn)油22.35 m3；成為繼吉木薩爾凹陷蘆草溝組之后又一新的增儲上產(chǎn)接替領(lǐng)域[15]。但在勘探開發(fā)生產(chǎn)實踐中，仍面臨以下問題：①風(fēng)城組厚度多為150～1 000 m，巖性組合復(fù)雜，整體含油，但甜點分散，其控制因素不明，油氣富集段評價難度大；②甜點層薄且分散，縱向間隔大，地層富含堿性礦物，單層試油效果不理想，提產(chǎn)潛力不明確。

本文綜合風(fēng)城組頁巖油藏的地質(zhì)特征和研究現(xiàn)狀，對其儲集性、含油性和裂縫發(fā)育特征開展分析，進(jìn)行頁巖油有利層段篩選，以期為落實瑪湖凹陷風(fēng)城組頁巖油資源潛力和優(yōu)選勘探目標(biāo)區(qū)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

瑪湖凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地西北部，北靠烏夏斷裂帶，西抵中拐凸起，南接達(dá)巴松凸起，東達(dá)石英灘凸起、英西凹陷和夏鹽凸起，面積約為5 000 km2（圖1）。是在石炭紀(jì)前褶皺基底上，受周緣沖斷活動控制形成的石炭紀(jì)—第四紀(jì)凹陷，經(jīng)歷了泥盆紀(jì)—早石炭世、晚石炭世—三疊紀(jì)和侏羅紀(jì)—第四紀(jì)3 期構(gòu)造演化[15-16]?，F(xiàn)今為西陡東緩的不對稱箕狀凹陷，東西分帶，南北分段，由西向東可劃分為前陸沖斷帶、中央洼陷、火山高地、構(gòu)造坡折等多個次級構(gòu)造單元?，敽枷蒿L(fēng)城組沉積期，季節(jié)性的潮濕環(huán)境與干旱環(huán)境交替出現(xiàn)，湖水的咸化程度較高，蒸發(fā)作用形成的堿性礦物發(fā)育，整體為扇三角洲—湖泊沉積體系[17-18]，主要發(fā)育濱淺湖—半深湖沉積（圖1）。風(fēng)城組厚度為500～1 580 m，由西向東變薄直至尖滅，從下至上依次發(fā)育風(fēng)一段、風(fēng)二段和風(fēng)三段，其中風(fēng)一段在局部地區(qū)為水下火山巖相，風(fēng)二段與風(fēng)三段整體上為頁巖，發(fā)育典型的源儲一體型頁巖油藏。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷風(fēng)城組油氣資源類型與巖相平面分布Fig.1.Hydrocarbon resource types and lithofacies distribution in Fengcheng formation of Mahu sag，Junggar basin

2 頁巖油藏地質(zhì)特征

以準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷瑪頁1 井風(fēng)城組為研究對象，對其4 585—4 950 m 井段巖心進(jìn)行宏觀沉積巖石學(xué)特征觀察、薄片分析和孔滲測試，確定儲集性特征；結(jié)合總有機(jī)碳含量、巖石熱解、多溫階熱解等分析方法，開展風(fēng)城組頁巖的含油性評價以及烴類賦存狀態(tài)研究工作，分析含油性特征；最后，綜合全區(qū)裂縫發(fā)育與儲集性、含油性特征，進(jìn)行有利層段優(yōu)選。

2.1 含油性

風(fēng)城組沉積期，瑪湖凹陷經(jīng)歷了氣候由潮濕向半干旱轉(zhuǎn)變的過程，從風(fēng)一段沉積晚期至風(fēng)二段沉積早期為湖侵，之后逐漸湖退，形成全球迄今最古老的廣覆式堿湖型優(yōu)質(zhì)烴源巖，生烴潛力巨大，資源量豐富[15-18]?，敽枷蒿L(fēng)城組烴源巖全區(qū)穩(wěn)定分布，厚度相對較大，西斜坡區(qū)最厚，可達(dá)300 m?，旐? 井風(fēng)城組117 個樣品點總有機(jī)碳含量為0.08%～4.17%，平均為0.81%；總硫含量為0.006 8%～4.560 0%，平均為1.460 0%；碳硫含量比為0.02～41.01，平均為1.53；硫酸鹽還原指數(shù)為1.020%～35.880%，平均為3.880%。現(xiàn)代沉積物中，硫化與正常淡—咸水沉積之間的界線為：碳硫含量比為2.00，硫酸鹽還原指數(shù)為1.375%。當(dāng)硫酸鹽還原指數(shù)小于1.375%時，隨其增大，總有機(jī)碳含量快速降低，說明硫酸鹽還原反應(yīng)消耗有機(jī)質(zhì)較快；當(dāng)硫酸鹽還原指數(shù)大于1.375%時，硫酸鹽還原反應(yīng)強(qiáng)度增加，總有機(jī)碳含量多低于2.00%，說明硫酸鹽強(qiáng)還原反應(yīng)會持續(xù)消耗有機(jī)質(zhì)，使得總有機(jī)碳含量降低[19-24]。通過總有機(jī)碳含量和總硫含量分析，風(fēng)城組主要為硫化沉積環(huán)境，硫酸鹽還原指數(shù)整體大于1.375%，有機(jī)質(zhì)的保存強(qiáng)于消耗，較不利于形成富有機(jī)質(zhì)的頁巖，因此風(fēng)城組總有機(jī)碳含量一般小于2.00%，可能與同期發(fā)育的火山活動有關(guān)[25-26]。

縱向上，風(fēng)二段的生烴能力優(yōu)于風(fēng)三段[18]。風(fēng)城組發(fā)育獨特的藍(lán)細(xì)菌與杜氏藻2 類生烴母質(zhì)，其中藍(lán)細(xì)菌分布于瑪湖凹陷沉積邊緣區(qū)的泥質(zhì)巖中，杜氏藻分布于瑪湖凹陷沉積中心區(qū)的白云質(zhì)巖中[27-30]。風(fēng)城組烴源巖現(xiàn)今處于中成熟—成熟演化階段，生烴中心位于堿湖沉積中心，瑪頁1 井干酪根以Ⅱ型—Ⅲ型為主（圖2），鏡質(zhì)體反射率為0.85%～1.40%[18]，主體處于成熟階段；頁巖中原油賦存狀態(tài)主要為游離態(tài)，平均含量約為1.61 mg/g，占平均總含油量的80%左右，含油性越好，散失程度越高，平均恢復(fù)系數(shù)為2.97?，旐? 井風(fēng)城組連續(xù)取心284.31 m，均見油氣顯示。總之，瑪湖凹陷風(fēng)城組整體含油，為典型的堿湖型白云質(zhì)頁巖油，游離油在粒間孔和層理縫中呈現(xiàn)連續(xù)分布，夾層型頁巖中游離油含量平均可超過3.00 mg/g，具近源富集特征，具備較高的含油性和可動資源潛力。

圖2 瑪頁1井風(fēng)城組有機(jī)質(zhì)類型判定Fig.2.Determination of organic matter types in Fengcheng formation in Well Maye-1

2.2 儲集性

2.2.1 巖石學(xué)特征

根據(jù)對9 口井風(fēng)城組巖心觀察，結(jié)合測井解釋，瑪湖凹陷風(fēng)城組中有石英、鉀長石、斜長石、白云石、鐵白云石、方解石、硅硼鈉石、碳鈉鈣石、黏土礦物、黃鐵礦等礦物（圖3）。瑪北地區(qū)沉積中心以半深湖—深湖白云質(zhì)泥巖和泥巖為主，發(fā)育白云質(zhì)、硅質(zhì)、灰質(zhì)、黏土質(zhì)和凝灰質(zhì)5 種類型，可細(xì)分為長英質(zhì)、硅質(zhì)、碳酸鹽和堿性礦物4類紋層。

圖3 瑪湖凹陷風(fēng)城組礦物含量分布Fig.3.Distribution of mineral contents of Fengcheng formation in Mahu sag

2.2.2 孔隙發(fā)育特征

瑪湖凹陷風(fēng)城組發(fā)育宏觀與微觀2 類儲集空間類型，形成孔隙、裂縫與縫合線三重儲集空間，構(gòu)成頁巖油優(yōu)勢充注通道[31-32]。紋層狀白云質(zhì)巖與粉砂巖是優(yōu)勢儲集巖相類型，其中發(fā)育粒間孔、晶間孔、粒內(nèi)溶蝕孔、黏土礦物層間孔、微裂隙、層理縫等，有機(jī)孔較少發(fā)育。氮氣吸附實驗結(jié)果表明，風(fēng)城組頁巖隨埋深孔隙體積變化和孔表面積變化一致，孔隙體積主要由宏孔（孔隙直徑大于50 nm）貢獻(xiàn)（圖4）。同時，宏孔和中孔（孔隙直徑為2～50 nm）均明顯受總有機(jī)碳含量和有機(jī)質(zhì)成熟度影響。頁巖孔隙的總有機(jī)碳含量小于0.75%和大于1.50%時，宏孔較發(fā)育，總孔體積（宏孔和中孔）較高；總有機(jī)碳含量小于1.00%時，中孔最發(fā)育，大于1.00%時，中孔較低。宏孔隨有機(jī)質(zhì)成熟度升高而減少，中孔隨著有機(jī)質(zhì)成熟度增加而增多。結(jié)合巖石礦物特征，宏孔發(fā)育主要與長英質(zhì)礦物相關(guān)，中孔主要與黏土礦物、斜長石及白云石相關(guān)。

圖4 瑪頁1井風(fēng)城組孔隙體積和表面積隨深度的變化Fig.4.Variations of pore volume and surface area with burial depth of Fengcheng formation in Well Maye-1

瑪湖凹陷風(fēng)城組可動油含量與宏孔體積呈線性相關(guān)，單位總有機(jī)碳烴指數(shù)與宏孔體積線性相關(guān)（圖5），頁巖油主要存儲在宏孔孔隙中。隨著中孔增多，地層可動油含量與總有機(jī)碳烴指數(shù)均下降（圖5），因此，中孔不利于頁巖油存儲。

圖5 瑪頁1井風(fēng)城組可動油含量和總有機(jī)碳烴指數(shù)與孔體積的關(guān)系Fig.5.Pore volume vs.movable hydrocarbon and hydrocarbon generation index of Fengcheng formation in Well Maye-1

綜上所述，風(fēng)城組頁巖孔隙受地層壓實作用影響不明顯，頁巖油主要存儲在宏孔中。宏孔體積與鄂爾多斯盆地延長組長7 段近似，隨有機(jī)質(zhì)成熟度升高而減少，而中孔隨著有機(jī)質(zhì)成熟度增加而增多?，敽枷蒿L(fēng)城組頁巖孔隙的總有機(jī)碳含量小于0.75%和大于1.50%時，總孔體積較大。宏孔發(fā)育受到長英質(zhì)相關(guān)孔隙的影響，中孔發(fā)育受到黏土礦物、斜長石、白云石等影響。

2.3 裂縫發(fā)育特征

由于區(qū)域構(gòu)造擠壓或剪切走滑等應(yīng)力作用，研究區(qū)風(fēng)城組發(fā)生破裂變形，形成高角度構(gòu)造裂縫、中—低角度構(gòu)造裂縫、網(wǎng)狀裂縫等相互交錯的復(fù)雜構(gòu)造裂縫系統(tǒng)[18]。綜合巖心、薄片、成像測井等資料分析，按照地質(zhì)成因，可將瑪湖凹陷風(fēng)城組天然裂縫劃分為構(gòu)造裂縫、成巖裂縫和異常高壓裂縫3類（圖6）。其中，構(gòu)造裂縫面較為平直，多發(fā)育在巖層內(nèi)部，部分貫穿多個巖層；成巖裂縫以層理縫為主，發(fā)育少量縫合線，連續(xù)性相對較差，常出現(xiàn)彎曲和分叉；異常高壓裂縫在風(fēng)城組發(fā)育相對較少，產(chǎn)狀不穩(wěn)定。構(gòu)造裂縫以近直立的高角度為主，中—低角度構(gòu)造裂縫較少，成巖裂縫大多與地層近平行。構(gòu)造裂縫的規(guī)模較小，高度通常小于25 cm；成巖裂縫在頁巖層系中發(fā)育程度較高，線密度可以超過50條/m，開度集中在50 μm以下。

圖6 瑪湖凹陷瑪頁1井風(fēng)城組不同類型天然裂縫Fig.6.Natural fractures in Fengcheng formation in Well Maye-1，Mahu sag

瑪湖凹陷風(fēng)城組天然裂縫的形成與發(fā)育受到巖性、巖石組分、巖石力學(xué)層等因素的影響。巖性是影響頁巖油儲集層裂縫發(fā)育程度的最基本因素，構(gòu)造裂縫在粉砂質(zhì)泥巖和白云質(zhì)泥巖中最為發(fā)育，成巖裂縫在泥巖和白云質(zhì)泥巖中最為發(fā)育。高角度構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度與黏土礦物含量呈負(fù)相關(guān)，而與脆性礦物含量呈正相關(guān)。成巖裂縫發(fā)育程度與黏土礦物和脆性礦物含量沒有明顯的相關(guān)性，主要受紋層密度和紋層類型的影響。構(gòu)造裂縫線密度與頁巖層厚度呈負(fù)相關(guān)，反映出頁巖的巖石力學(xué)層對層內(nèi)張裂縫的發(fā)育程度具有很強(qiáng)的控制作用。

瑪湖凹陷風(fēng)城組各段間天然裂縫差異較大，其中風(fēng)一段以玄武巖和凝灰?guī)r為主，主要發(fā)育高角度剪切裂縫。風(fēng)二段發(fā)育白云質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖和細(xì)砂巖，除了發(fā)育較多高角度剪切裂縫，還發(fā)育大量30°～60°的中角度剪切裂縫。風(fēng)三段巖性與風(fēng)二段類似，除了發(fā)育高角度剪切裂縫和中角度剪切裂縫，在其頂部還存在低角度構(gòu)造裂縫集中發(fā)育段?？傊L(fēng)一段以火山巖為主，層理縫發(fā)育程度低，裂縫線密度較小，風(fēng)二段和風(fēng)三段以泥巖、粉砂巖和細(xì)砂巖為主，層理縫發(fā)育程度高，裂縫線密度大。平面上，隨著離斷層距離的增加，構(gòu)造裂縫密度逐漸減小，在斷層附近存在斷層損傷帶，斷層損傷帶的寬度與斷層的規(guī)模有關(guān)。不同斷層位置的構(gòu)造裂縫發(fā)育程度也有所不同，通常上盤比下盤構(gòu)造裂縫更為發(fā)育，斷層端部的構(gòu)造裂縫較中部發(fā)育。

3 有利層段篩選

3.1 基于含油性

依據(jù)游離烴含量、總有機(jī)碳含量和生烴指數(shù)，瑪頁1 井風(fēng)城組可劃分出6 個含油甜點段：①4 580.0—4 600.0 m井段，游離烴含量大于0.5 mg/g，總有機(jī)碳含量大于0.50%，生烴指數(shù)大于100；②4 613.7—4 637.7 m井段，游離烴含量大于1.5 mg/g，總有機(jī)碳含量大于1.00%，生烴指數(shù)大于200；③4 666.2—4 692.1 m 井段，游離烴含量大于2.0 mg/g，總有機(jī)碳含量大于1.00%，生烴指數(shù)大于100；④4 724.8—4 762.9 m 井段，游離烴含量大于1.5 mg/g，總有機(jī)碳含量大于1.00%，生烴指數(shù)大于200；⑤4786.8—4 810.5 m井段，游離烴含量大于1.0 mg/g，總有機(jī)碳含量大于1.00%，生烴指數(shù)大于100；⑥4 876.5—4 935.2 m 井段，游離烴含量大于1.0 mg/g，總有機(jī)碳含量大于0.50%，生烴指數(shù)大于200。

3.2 基于物性

（1）Ⅰ類甜點 孔隙度為3.5%～17.0%，滲透率為0.01～1.70 mD，瑪頁1 井風(fēng)城組可劃分出4 個Ⅰ類甜點段：①4 586—4 617 m井段為白云質(zhì)粉砂巖、白云質(zhì)泥巖及石灰質(zhì)泥巖，以溶蝕孔、層理縫及微裂縫為主，其中中孔相對發(fā)育，與黏土礦物含量有關(guān)；②4 628—4 648 m 井段以白云質(zhì)粉砂巖與紋層狀白云質(zhì)泥巖為主，溶蝕孔、粒間孔、層理縫及微裂縫較為發(fā)育；③4 670—4 700 m 井段以白云質(zhì)泥巖與粉砂巖為主，宏孔較發(fā)育，主要發(fā)育粒間孔、層理縫及少量微裂縫；④4 725—4 760 m 井段為紋層狀白云質(zhì)泥巖、白云質(zhì)粉砂巖、硅質(zhì)巖，以溶蝕孔、層理縫為主，宏孔較發(fā)育。

（2）Ⅱ類甜點 孔隙度為3.0%～10.0%，滲透率為0.01～0.80 mD?，旐? 井風(fēng)城組共劃分出2 個Ⅱ類甜點段：①4 776—4 806 m井段，以紋層狀白云質(zhì)泥巖和白云質(zhì)粉砂巖為主，儲集空間以溶蝕孔和層理縫為主，宏孔較發(fā)育；②4 822—4 840 m 井段，巖相為白云質(zhì)巖，儲集空間以粒間孔和溶蝕孔為主。

3.3 基于裂縫密度

根據(jù)裂縫密度，瑪頁1井風(fēng)城組儲集層可分為2類甜點：Ⅰ類構(gòu)造裂縫線密度大于5 條/m，層理縫線密度大于45 條/m；Ⅱ類構(gòu)造裂縫線密度大于2 條/m，層理縫線密度大于30條/m（表1）。綜合巖性組合、儲集性、含油性、裂縫發(fā)育程度等，瑪頁1 井縱向上可以劃分為4個相對集中的甜點段（圖7）。

圖7 瑪頁1井風(fēng)城組甜點段劃分Fig.7.Division of sweet spots of Fengcheng formation in Well Maye-1

表1 基于裂縫密度對瑪頁1井風(fēng)城組有利層段劃分Table 1 .Division of favorable intervals of Fengcheng formation in Well Maye-1 based on fracture density

（1）4 613—4 637 m 甜點段 游離烴含量大于1.5 mg/g，總有機(jī)碳含量大于1.00%，生烴指數(shù)大于200；白云質(zhì)粉砂巖與紋層狀白云質(zhì)泥巖為主，溶蝕孔及粒間孔（50 nm～4 μm）較為發(fā)育，構(gòu)造裂縫線密度為7.97條/m，層理縫線密度為46.13條/m。

（2）4 666—4 692 m 甜點段 游離烴含量大于2.0 mg/g，總有機(jī)碳含量大于1.00%，生烴指數(shù)大于100，白云質(zhì)泥巖與粉砂巖為主，構(gòu)造裂縫線密度為5.14條/m，層理縫線密度為50.49條/m。

（3）4 725—4 756 m 甜點段 游離烴含量大于1.5 mg/g，總有機(jī)碳含量大于1.0%，生烴指數(shù)大于200；紋層狀白云質(zhì)泥巖、白云質(zhì)粉砂巖及硅質(zhì)巖發(fā)育，構(gòu)造裂縫線密度為2.32 條/m，層理縫線密度為34.47條/m。

（4）4 786—4 808 m 甜點段 游離烴含量大于1.0 mg/g，總有機(jī)碳含量大于1.00%，生烴指數(shù)大于100；紋層狀白云質(zhì)泥巖、白云質(zhì)粉砂巖為主，構(gòu)造裂縫線密度為2.41條/m，層理縫線密度為31.93條/m。

4 結(jié)論

（1）瑪湖凹陷風(fēng)城組巖相以紋層狀粉砂質(zhì)泥頁巖和白云巖為主，巖石組分以陸源碎屑（石英和長石）及碳酸鹽礦物為主，孔隙體積主要由宏孔貢獻(xiàn)。烴源巖有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ型為主，處于生油高峰期，游離油含量較高。裂縫以構(gòu)造裂縫、成巖裂縫和異常高壓裂縫為主，其中構(gòu)造裂縫分為穿層剪切裂縫、順層剪切裂縫和層內(nèi)張裂縫，成巖裂縫主要為層理縫、縫合線和收縮縫，層理縫有壓溶型、收縮型和異常高壓型3 類，風(fēng)二段、風(fēng)三段發(fā)育較多中—高角度剪切裂縫和低角度構(gòu)造裂縫，其形成與發(fā)育受到巖性、礦物組分、巖石力學(xué)層等因素的影響。

（2）綜合巖性組合及儲集性、含油性等特征，劃分出4 個相對集中的甜點段。勘探開發(fā)實踐中，建議在直井多段試油試采的同時，考慮選擇含油性好、裂縫較發(fā)育的風(fēng)二段4 725—4 756 m 和4 786—4 808 m 甜點段，開展地質(zhì)基礎(chǔ)研究與地質(zhì)工程一體化技術(shù)攻關(guān)，實施水平井提產(chǎn)試驗，以實現(xiàn)風(fēng)城組頁巖油勘探開發(fā)的全面突破。