准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组页岩油储层特征及控制因素

许 琳 常秋生 冯玲丽 张 妮 刘 欢

（ 1中国石油 新疆油田公司勘探开发研究院；2 中国石油 新疆油田公司石西油田作业区 ）

0 引言

近年来，随着非常规油气勘探的不断深入，页岩油已成为非常规油气发展的重点领域[1]，在全球能源结构中占据十分重要的地位。目前，准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油勘探已获得巨大成功[2]，油田开发工作正如火如荼地进行，玛湖凹陷风城组页岩油成为准噶尔盆地近年来的重要勘探领域。玛湖凹陷风城组发育一套咸化湖盆（半封闭环境）泥页岩及白云岩与碎屑岩过渡的云质岩沉积，不仅是盆地的主力烃源层，也是玛湖凹陷页岩油勘探的主要领域[3]。

前人凭借不同研究手段及分析资料对玛湖凹陷风城组的岩石特征及成因、沉积背景及形成环境、烃源岩生烃机理、潜力及评价等方面开展了大量的研究[4-7]，但没有对页岩油储层的基本特征与控制因素进行深入系统的研究。为了进一步推进准噶尔盆地页岩油勘探，本文以典型探井岩心观察、薄片鉴定、扫描电镜观测、X—射线衍射、物性分析和地球化学资料为基础，确定了玛湖凹陷风城组页岩油储层特征、控制因素等，有助于为本地区油气勘探生产部署和决策提供一定的依据。

1 地质概况

玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北缘，面积近5000km2，是公认的富烃凹陷，紧邻哈拉阿拉特山，西侧为克百断裂带和乌夏断裂带，东南侧分布有英西凹陷、三个泉凸起、夏盐凸起和达巴松凸起，西南接中拐凸起[8]（图1）。研究区风城组沉积时为一西厚东薄、西陡东缓的不对称箕状凹陷，风城组总沉积厚度为800～1800m。风城组根据岩性和电性特征可分为 3个岩性段，自下而上分别称为风城组一段（P1f1）、二段（P1f2）和三段（P1f3），各段又可分为2～3个亚段不等，整个风城组以暗色细粒—极细粒沉积物为主，内部发育大量碱性矿物沉积，碱性蒸发岩最大厚度超过200m，分布面积约300km2，可能是国内目前已知时代最古老的碳酸盐岩型盐湖（碱湖）和大型天然碱矿床[9]。风城组在细粒岩石中含不同类型和数量不等的白云石，形成不同类型的云质岩类沉积，特征与美国古近系绿河组沉积类似[10]，白云岩与云质岩类沉积较发育。风城组沉积时期湖平面升降频繁，是准噶尔盆地二叠系咸化湖盆中咸度最高的凹陷。

图1 研究区区域位置图Fig.1 Regional location map of the study area

2 风城组页岩油储层特征

2.1 储层沉积特征

二叠系风城组的古地貌特征表现为西陡东缓的不对称箕状凹陷，为一闭塞型湖泊（或咸化湖泊）。根据Degens资料：淡水碳酸盐岩沉积的δ13C值多分布在-15‰～-5‰，海相石灰岩中δ13C值则分布在-5‰～5‰[14]，风城组79个样品统计，δ13C值为-1.6‰～7.1‰显示其沉积水介质以咸水为主，具有高盐度水介质特征。Keith和Weber在对数百个侏罗纪以来沉积的海相石灰岩和淡水石灰岩同位素测定的基础上，提出了一个同位素系数(Z)的经验公式：Z=2.048×(δ13C+50)+0.498× (δ18O+50)，并认为同位素系数大于120时为海相石灰岩，小于120时为淡水石灰岩(湖相碳酸盐岩);风城组所有样品的Z值均介于120～144.99（表1），平均值为134.35，表明风城组主要为咸水沉积。同时风城组 Sr/Ba＞1、B/Ga＞7、Th/U＜2、稀土元素δCe＜1‰，也反映了咸水和还原沉积环境（表2）。咸化湖泊环境有利于白云石等碳酸盐类矿物的形成，有利于凝灰质成分的碳酸盐化，使得不同类型白云石和方解石共存于细粒岩石中。风城组岩石中常见不同形状的黄铁矿以粒状、针状、团块状、草莓状形式分布，并可见生活于咸化湖泊中的古鳕鱼化石等[11]（图2）。

表1 国内部分半咸水—盐湖碳、氧同位素、Z值对比表Table 1 Comparison of carbon isotope, oxygen isotope, Z value of some domestic brackish water-salt lakes

表2 研究区风城组微量元素比值统计表Table 2 Statistics of the trace elements in Fengcheng Formation in the study area

图2 研究区二叠系风城组沉积特征Fig.2 The sedimentary characteristics of Permian Fengcheng Formation in the study area

考虑到风城组古地貌背景，结合录井、测井、岩心、地震等资料综合分析后认为，风城组在研究区主要发育扇三角洲和湖泊两种沉积相（图3）。风一段为一大套完整的湖进湖退旋回，湖水盐度逐渐变大，风一段上部碱性矿物沉积达到最厚;风二段整体为一湖水变浅的湖退沉积旋回，总体上风二段盐度最大;风三段为两个旋回，之间有一沉积间断，下旋回由风三段中、下部组成，总体是盐度变低过程。

图3 研究区二叠系风城组沉积相平面展布图Fig.3 Sedimentary facies of Permian Fengcheng Formation in the study area

2.2储层岩石学特征

研究区二叠系风城组储层岩性十分复杂，是典型的细粒沉积，夹少量粗粒碎屑物质，可见陆源碎屑岩、碳酸盐岩、蒸发岩类等。本文通过对风南1井、风南3井、风城011井、艾克1井等12口重点探井进行岩心观察、薄片鉴定、扫描电镜观测等方法，将风城组页岩油储层岩性划分为5种主要类型，分别为陆源碎屑岩、白云岩与云质岩、富有机质泥页岩、蒸发岩和火山岩（含火山碎屑岩类）。

（1）陆源碎屑岩。陆源碎屑岩是研究区风城组最为发育的岩类之一，岩性主要有细粒的细砂岩与粉砂岩、粗粒的含砾粗砂岩与砂砾岩，主要发育在玛湖凹陷的西部边缘扎伊尔山山前断裂带上[12]，垂向上主要发育在风三段和风二段的中、上部。

（2）白云岩与云质岩。钻井取心及薄片资料分析显示玛湖凹陷风城组广泛发育白云岩、泥质云岩、云质泥岩和云质粉砂岩等，且多与泥质岩互层，主要形成于陆源物质供给较少的静水湖湾环境。研究区白云石主要为泥晶与微晶结构，纹层发育，多分布于泄水通道、层间缝等[13]。

（3）富有机质泥页岩。富有机质泥页岩是玛湖凹陷风城组最重要的岩石类型之一[14]，地层富含藻类有机质，见季节性纹层，它既是烃源岩层，也是储层[15]。一般在岩心中可观察到白色条带，按其成分将富有机质泥页岩划分为富有机质云质泥页岩、富有机质灰质泥页岩及富有机质生物岩类与页岩类的岩性组合等。经测定，富有机质灰质泥页岩TOC值平均为1.6%，富有机质云质泥页岩TOC为1.0%，可见富有机质灰质泥页岩烃源岩质量更优。

（4）蒸发岩。蒸发岩是咸化湖盆最具特征的岩类，主要包括钠钙碳酸盐岩、钠碳酸盐岩、碳钠钙石岩、碳酸钠钙石岩（天然碱）、苏打石岩和钠镁碳酸盐岩、硅硼钠石岩等（图4）。通过对研究区内风城1、风南4 及风南14等多口取心井分析，发现风城组中富含碱性矿物，常见的有碳酸钠钙石、硅硼钠石、天然碱等，偶见丝硅镁石和菱水碳铁镁石。蒸发岩垂向上主要分布在凹陷中央区的风一段和风二段，平面上主要发育在凹陷中心的风城1井—风南5井—艾克1井一线以南，最大厚度超过200m，分布面积约300km2。大量碱性矿物的发现证实风城组为碱湖沉积[16]。

（5）火山岩。火山岩是风城组重要的岩石类型之一，主要分布于玛湖凹陷斜坡的东部、东北部，北部有少量分布，以风一段最为发育。风城组大部分属于碱性—偏碱性系列火山岩类，以厚度不稳定的流纹质熔结火山碎屑岩、火山碎屑熔岩为主，岩石类型较为复杂，主要包括中酸性凝灰岩—沉凝灰岩、粗面质沉凝灰岩、熔结角砾凝灰岩、安山岩等，颜色以灰色、深灰色至灰黑色为主。

图4 研究区二叠系风城组蒸发岩类型Fig.4 The evaporite types of Permian Fengcheng Formation in the study area

根据岩石薄片及扫描电镜鉴定结果统计，玛湖凹陷二叠系风城组岩石中矿物成分种类多，垂向上变化较大，矿物类型主要以石英、长石、白云石、方解石、泥质为主，可见碳酸钠钙石、硅硼钠石、苏打石等不常见碱性矿物。黏土矿物含量很少，黏土矿物以伊/蒙混层为主，其次为伊利石。

二叠系风城组矿物中石英含量为3%～50%，平均为21%;长石以斜长石为主，斜长石含量为3%～30%，平均为14%;还含有少量的钾长石，平均含量为3%;白云石含量差异大，为1%～85%，平均为23%;方解石含量为1%～45%，平均为9.6%，在蒸发岩类岩石中几乎未见方解石[17]。碎屑颗粒分选中等，磨圆呈次圆状—次棱角状;胶结中等，胶结类型以压嵌式—孔隙式为主，压嵌式次之;以颗粒支撑和杂基支撑为主，接触方式主要为线状—点状、点状—浮状接触。根据风南1井、风南4井等16口井81块样品的X—射线衍射分析统计，风城组页岩油储层黏土矿物含量为0.34%～2.17%，以伊/蒙混层为主，其次为伊利石，含少量蒙皂石，风城组具有一定的水敏性。

2.3储层物性特征

物性特征决定储层的储集及渗流性能[18]。玛湖凹陷西斜坡二叠系风城组岩石致密，孔隙度较低，渗透率变化较大。根据艾克1井、风南1井、风南4井、风南14井等14口井871块储层样品分析（表3），风城组储层孔隙度为0.1%～30.1%，平均为4.61%，大约70%的样品孔隙度小于5%;渗透率为0.01～1020mD，平均为0.134mD，其中85%的样品渗透率小于1.0mD，表现为典型的页岩油储层特征，属于低孔、低—特低渗透储层。风二段和风三段物性相对较好，发育一定比例中孔，具有“甜点”储层特征。

从压汞数据分析可知，风城组页岩油储层孔隙结构较差，毛细管压力曲线为偏细歪度，孔隙分选不好，具有小孔隙和细喉道，最大孔喉半径分布在0.32～2.56μm，平均为1.52μm，进汞压力大，退汞效率差，属于微孔细喉储层。

表3 研究区二叠系风城组孔隙度、渗透率统计表Table 3 The statistics of porosity and permeability of Permian Fengcheng Formation in the study area

2.4储集空间类型及特征

根据岩心观察、薄片鉴定、扫描电镜观测及FMI成像测井分析，风城组储层储集空间类型主要包括粒间孔、晶间孔、溶蚀孔与裂缝等，其中裂缝和溶蚀孔为有利的储集空间。

2.4.1 粒间孔

风城组原始沉积物粒度较细，埋藏较深，受长期压实作用的影响，原始孔隙不易保存，留下来的粒间孔多为压实作用和胶结作用下残余的原生粒间孔隙[19]，呈不规则形状，多为孤立或基本不连通。粒间孔在研究区风城组分布较少，常见于发生白云岩化作用的泥岩或粉细砂岩中，孔径较小[20]，一般小于几微米，连通性差。

2.4.2 晶间孔

风城组沉积时期在泄水通道与微裂缝内充填或半充填的石英、白云石、硅硼钠石等矿物非常发育，这些矿物容易被溶蚀形成溶蚀孔，之后经过胶结等成岩作用会残留部分晶间孔[21]，这些晶间孔孔径小、渗透性较差。风城组晶间孔主要是泄水通道内和裂缝中石英晶间孔、碱性矿物晶间孔及少量的白云石晶间孔等，常与裂缝、溶蚀孔伴生（图5a）。

2.4.3 溶蚀孔

溶蚀孔是研究区风城组最有利的储集空间类型之一(图5b、c)，在层间缝及泄水通道内及周边白云石、硅硼钠石、碳酸钠钙石等碱性矿物十分发育，这些矿物对地层水酸碱度异常敏感[22]，容易被溶蚀形成溶蚀孔，孔径大小不一。溶蚀孔多呈港湾状或长条状，为风城组页岩油储层的主要孔隙类型，包括晶间溶孔、晶内溶孔，属于微米或纳米级孔隙;在岩心和薄片中常见大量顺层或顺裂缝发育的溶孔、溶洞，并被石油沥青质充填，孔径一般不大于5μm[23]。

2.4.4 裂缝

准噶尔盆地玛湖凹陷二叠纪构造活动强烈[24]，研究区构造带形成于海西早期，到三叠纪活动微弱，侏罗纪以后基本停止。海西期发育的断裂伴生有大量的裂缝，有利于油气的运移和聚集，同时也是页岩油储层有利的储集空间类型[25]，对储层物性也起到极大的改善作用。通过对风城组页岩油储层岩心观察、薄片鉴定、扫描电镜观测及FMI成像测井资料分析，将研究区发育的裂缝划分为构造缝、异常压力缝和微裂缝3种类型。

构造缝是指岩石受构造应力的作用，超过其弹性限度后破裂而形成的裂缝[26]，构造缝在岩心上极少观察到，一般表现为高角度裂缝，边缘平直，裂缝面近垂直[27]，裂缝长度为0.1～20cm，常会有纹层的错断。异常压力缝在风城组主要表现为高压泄水缝，一般裂缝面不规则，裂缝长度较短、宽度不等[28]，常被白云石、硅硼钠石、碳酸钠钙石等碱性矿物充填，造成储层含油性差[29]。研究区发育大量微裂缝，主要包括成岩过程中形成的沿层理面低角度或水平延伸的层理缝、黏土矿物转化脱水产生的矿物收缩缝及不同纹层力学性质差异所形成的层间缝（图5d—f），这些裂缝开度为0.5～2μ m，不仅很好地改善了储层储集空间，还为流体提供了运移通道[30]。

2.5烃源岩特征

根据现有研究结果，风城组油藏原油主要来自准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组烃源岩。风城组烃源岩有机质丰度高，有机碳含量（TOC）平均为2.2%，氯仿沥青“A”含量平均为0.1493%，生烃潜力（S1+S2）为5.55mg/g，成熟度较高，镜质组反射率Ro为0.85%～1.40%，达成熟—高成熟阶段，母质类型好，以Ⅰ型与Ⅱ型干酪根为主，为较好—好烃源岩。

图5 研究区二叠系风城组储层主要储集空间类型Fig.5 The main reservoir space types of Permian Fengcheng Formation in the study area

3 储层控制因素

通过对各种资料综合分析，认为沉积环境与沉积相、岩石类型、有机碳含量、碱性矿物含量、成岩作用及裂缝是控制玛湖凹陷风城组页岩油储层发育的主要因素。

3.1 沉积环境与沉积相

沉积环境与沉积相主要是通过控制沉积物的分选、磨圆、粒度和基质含量来影响储集岩原生孔隙[31]，一般情况下，颗粒大、分选和磨圆好、基质含量低的岩石孔渗条件好[32]。风城组沉积时期主要发育一套扇三角洲—浅湖—半深湖沉积体系，以浅湖—半深湖沉积体系为主，沉积了一套咸化湖泊准同生白云岩化和后生白云岩化的混积岩，其中广泛分布的粉细砂岩、泥质粉砂岩、白云岩为页岩油储层的主要储集岩石类型。

二叠系风城组沉积环境与沉积相对储层物性的影响主要表现在两个方面：①控制白云岩与云质岩发育范围;②为白云岩化作用发生提供条件。平面上受扇体物源供应的影响，扇三角洲处白云岩与云质岩发育受到抑制，含量明显较少;随着向湖盆方向推进，物源供应不充足，碎屑含量逐渐减少，白云岩与云质岩发育程度逐渐增强。风二段沉积时期为一湖水较浅的湖退沉积旋回，总体上湖泊面积最广，相应的白云岩与云质岩储层厚度及分布范围最大，此阶段主要形成大量原生孔隙，包括晶间孔、粒间孔及少量溶蚀孔。另外由于气候干旱炎热，蒸发作用较强，热液活动频繁，高盐度的残留海水盆地及安静的水体环境为白云岩化作用的发生提供了条件[33]。

3.2 岩石类型

玛湖凹陷风城组页岩油储层岩性十分复杂，是典型的细粒沉积，夹少量粗粒碎屑物质，主要为一套静水沉积的含有机质的粉细砂岩及微晶白云岩，组成岩石的矿物成分较多;岩石具不均匀云化、沸石化、硅化、硅硼钠石化及钠长石化，白云岩化作用较明显。不同岩类的储集性能差别较大，分析风城组26口取心井1504块岩心常规孔渗数据，粉细砂岩、泥质粉砂岩及白云岩储集性能相对较好（图6），孔隙度多大于5%，为研究区目的层段的主要甜点储集岩类型。统计岩石薄片、X—射线衍射等资料，发现玛湖凹陷风城组岩石主要由砂质（石英、长石、岩屑）、白云石、泥质、硅质及碱性矿物组成。通过对风城组6口井储层物性的统计发现，含白云石与硅质等脆性矿物组分较高的岩石裂缝发育程度较高，储层物性好，具备进行高效压裂改造的先天条件。

图6 研究区二叠系风城组各类岩石常规孔隙度、渗透率关系直方图Fig.6 The histogram showing relationship between the conventional rock porosity and permeability of PermianFengcheng Formation in the study area

3.3 有机碳含量

玛湖凹陷风城组页岩油储层中部分层段含有较多的泥页岩，泥岩有机质丰度也是影响储层孔隙度的因素之一[34]。不同岩性泥岩均具有较高的有机质丰度，且有机碳含量分布范围较宽。有机碳含量对储层物性的影响主要体现在有机质的赋存方式[35]，有机碳含量与储层孔隙度有良好的正相关关系（图7），即储层孔隙度总是随着有机碳含量的增大而增大。通过对研究区风城组页岩油储层岩心、铸体薄片和扫描电镜观察，泥页岩中存在大量孔隙，可为油气提供大量的储集空间[36]，块状泥岩、灰质泥岩及纹层状灰岩有机碳含量较高，有机质孔较发育，在储层有机质内部及边缘发育微裂缝[37]。

图7 研究区二叠系风城组泥页岩TOC与孔隙度的关系Fig. 7 Correlation between TOC and the porosity of Permian Fengcheng Formation in the study area

3.4 碱性矿物含量

玛湖凹陷风城组中发育大量的碱性矿物，主要有硅硼钠石、碳酸钠钙石、氯碳酸钠镁石、碳镁钠石、碳氢钠石和苏打石等，还有丝硅镁石、淡钡钛石等特殊矿物，偶见骸晶状石盐。硅硼钠石含量较高，出现在不同形态的含碱性矿物层中，主要和白云石或铁白云石伴生在一起，主要分布于风城组黑色的泥质白云岩中;碳酸钠钙石主要出现在斑点状及溶蚀晶洞状的含碱性矿物层中;氯碳酸钠镁石一般分布在硅硼钠石周围，表面蚀变现象严重[38];碳镁钠石含量较少，出现在纹层状含碱性矿物层;碳氢钠石与苏打石普遍呈纯碱层出现，并且相伴而生。碱性矿物的含量与储层孔隙度呈正相关关系（图8），碱性矿物含量越高，储层孔隙度越高。

图8 研究区二叠系风城组碱性矿物含量与孔隙度的关系Fig.8 The relationship between porosity and alkaline mineral content of Permian Fengcheng Formation in the study area

3.5 成岩作用

玛湖凹陷风城组页岩油储层成岩作用复杂、类型多样，对储层物性和孔隙演化影响最大的成岩作用主要是压实作用、溶蚀作用和白云岩化作用。

风城组储层孔隙度与埋藏深度的关系图表明，孔隙度具有随着埋藏深度的增大而减小的特征，说明压实作用发生在成岩作用的早期，中等偏强，对储层物性具有破坏作用，而溶蚀作用对储层储集性能有较强的改造作用，在4200～4800m存在次生孔隙发育带（图9）。

图9 研究区二叠系风城组孔隙度与埋藏深度的关系Fig.9 Correlation between porosity and buried depth of Permian Fengcheng Formation in the study area

研究区风城组页岩油储层发育的储集空间类型主要为溶蚀孔和裂缝，储层中溶蚀作用比较发育，通过对大量样品进行镜下鉴定、扫描电镜观察及岩矿分析，发现石英、长石、方解石、白云石、沸石、碳钠钙石、硅硼钠石等矿物均容易发生溶蚀分解，形成大量微米级、纳米级孔隙，对改善储层物性有一定的贡献。

研究区风城组储层白云岩化作用广泛发育，是改善储层物性重要的成岩作用之一，主要表现为：沿纹层分布的准同生白云岩化作用形成微晶白云石，云质重结晶作用形成细晶白云石，沿裂缝及周围发生白云岩化及去白云岩化作用形成中—细晶白云石及方解石[39]。玛湖凹陷风城组丰富的镁离子来源为白云岩化作用提供了物质基础：①风城组发育一定规模的残留海沉积[40]，海水中含有丰富的Ca2+、Mg2+、Sr2+、Mn2+、V5+等离子，是研究区地层水中镁离子的重要来源之一;②在埋藏压实过程中伊利石向蒙脱石转化释放大量的Mg2+，以及在埋藏状态下缓慢分解的有机质也会释放部分Mg2+，有利于白云石的形成，从而发生强烈的白云岩化作用[41]。白云岩化作用会产生白云石晶间孔，对储层物性具有一定的改善作用，主要表现在增强岩石脆性，使之在构造作用下更易发生破碎，产生裂缝。

3.6 裂缝

研究区风城组储层岩性致密，其物性受控于裂缝的发育情况。裂缝通常受构造运动、溶蚀作用和地层岩石脆性特征共同控制。岩石中的裂缝会随着地层岩石脆性的增大而增多，裂缝的形成有利于储层后期的压裂改造[42]。玛湖凹陷处于克百断裂带和乌夏断裂带的转换带附近，应力环境复杂，在构造演化过程中，应力方向发生了转变，使研究区风城组内发育了多种走向的断裂和复杂裂缝组合。构造作用所产生的裂缝对储层的贡献不仅体现在改善储层储集空间，而且还体现在为后期的溶蚀作用提供流体运移的通道[43]。通过岩心、铸体薄片、FMI成像测井及试井资料研究分析，研究区风城组储层具有裂缝—孔隙型双重介质的特点，溶蚀孔与裂缝的发育程度和配置关系优劣决定了有效孔隙的发育，同时也决定了油气产能的高低。研究区风城组储层裂缝和溶蚀孔配置关系好，故在靠近断裂带附近多发现高产油气流井[44]。

4 结论

玛湖凹陷在二叠系风城组沉积时期主要发育一套扇三角洲—浅湖—半深湖沉积体系，沉积了一套咸化湖泊准同生白云岩化和后生白云岩化的混积岩，岩石类型主要包括陆源碎屑岩、白云岩与云质岩、富有机质泥页岩、蒸发岩、火山岩，风城组富含碱性矿物，常见的有碳酸钠钙石、硅硼钠石、天然碱等，储层基质孔隙度低，渗透率变化较大，属于微孔细喉、低孔、低—特低渗透储层，裂缝和溶蚀孔为风城组有利的储集空间。

沉积环境与沉积相、岩石类型、有机碳含量、碱性矿物含量、成岩作用及裂缝是控制页岩油储层发育的6个主要因素，其中沉积环境决定了白云质岩类岩石的分布范围，广泛分布的粉细砂岩、泥质粉砂岩、白云岩为页岩油储层的主要储集岩石类型，有机碳含量、碱性矿物含量与储层物性呈正相关关系，白云岩化作用增强了岩石脆性，溶蚀作用决定了次生孔隙的形成，构造活动下发育大量裂缝，能有效改善储层物性。