准噶尔盆地玛湖凹陷风城组页岩岩相发育特征

李兆丰，唐相路，黄立良，常秋生，杨磊磊，杨再权

(1.中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；2.中国石油新疆油田分公司 勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 834000)

页岩油是继页岩气之后的又一重要接替能源，受到世界各国的广泛关注[1-3]。随着页岩气规模化的勘探开发，页岩油的勘探开发也在积极探索之中[4-5]。准噶尔盆地是我国陆相页岩油主要勘探地区之一，其中吉木萨尔凹陷页岩油勘探已获得巨大成功，落实井控储量超过10亿t，并已进入规模建产阶段[6]。玛湖凹陷二叠系风城组为一大套湖相泥页岩与云质岩互层沉积，具有良好的生油潜力，同时也是目前页岩油勘探的重点领域[7-10]。

我国陆相页岩具有岩性变化快、矿物成分复杂、沉积构造多变的特点[11]。目前，国内的页岩油储层可大致分为3类：①以碎屑矿物和黏土矿物为主的泥页岩、粉砂质泥岩以及细粉砂岩，如鄂尔多斯盆地的延长组，松辽盆地的青山口组，柴达木盆地的中侏罗统等；②碳酸盐矿物含量相对较多的，以泥质白云岩/灰岩、白云质/灰质泥岩以及泥页岩为主要岩性的储层，如渤海湾盆地的沙河街组及孔店组，江汉盆地的潜江组等；③较为特殊的，以火山碎屑为主的凝灰岩为主要储层之一，如三塘湖盆地的芦草沟组[12]。

岩相划分依据及方式的不同，直接影响到下步的储层描述方式、储层评价的精度与有效性。目前关于页岩岩相的划分方式大体可以归纳为3类：①第一类，根据矿物组成进行划分；②第二类，根据岩石结构与沉积构造进行划分；③第三类，选取多种参数组合进行划分。传统的岩相划分方案很难准确反映陆相页岩岩石学特征，不利于表征其复杂的沉积变化规律和微观储集空间特征[13-14]。笔者针对准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组页岩沉积特征，建立了风城组页岩岩相划分标准，探究了典型岩相沉积构造特征，明确了典型岩相的孔隙结构，以期为陆相页岩油气的勘探开发提供指导。

1 地质背景

准噶尔盆地是中国西部的大型含油气盆地之一，位于哈萨克斯坦板块东部、阿尔泰山与天山之间，西侧为准噶尔西部山地，东至北塔山麓。玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北缘，北部与乌夏断裂带及克百断裂带紧邻，南部为达巴松凸起，西部与中拐凸起相连，东部分布有英西凹陷、3个泉凸起及夏盐凸起3个构造单元，面积约5×103km2，是盆地主要的生烃凹陷[15-16]。玛湖凹陷自下而上发育下二叠统佳木河组(P1j)、风城组(P1f)，中二叠统夏子街组(P2x)、下乌尔禾组(P2w)和上二叠统乌尔禾组(P3w)。二叠系早期地层以陆相火山岩为主，中期以陆相湖盆沉积的云质页岩为主，晚期以陆相盆地沉积的碎屑岩为主，局部见火山岩。目的层下二叠统风城组发育1套封闭—半封闭环境下的咸化湖盆，整体以暗色细粒沉积的云质页岩和长英质页岩为主，上部过渡到碎屑岩沉积，底部发育火山岩(图1)[17-18]。

图1 准噶尔盆地玛湖凹陷构造位置及风城组地层特征Fig.1 Structural location and stratigraphic characteristics of Fengcheng Formation in Mahu Sag，Junggar Basin

2 页岩岩相划分方案

页岩岩相可以直观地反映页岩的颜色、构造、矿物成分、有机质特征等，是页岩沉积环境的综合表征[19]。基于页岩的岩相研究可以反映不同层位页岩的成储能力。针对玛湖凹陷风城组页岩段地层岩性变化复杂、沉积构造多变的特点，选取矿物组成和沉积构造作为指标，进行页岩岩相划分(图2)。依据矿物成分25%、50%、75%为界划分为5大类：①Ⅰ为长英质页岩类(Ⅰ1为长英质页岩、Ⅰ2为含灰/云长英质页岩、Ⅰ3为含黏土长英质页岩)；②Ⅱ为灰质页岩类(Ⅱ1为灰质页岩、Ⅱ2为含长英灰质页岩、Ⅱ3为含黏土灰质页岩)；③Ⅲ为云质页岩类(Ⅲ1为云质页岩、Ⅲ2为含长英云质页岩、Ⅲ3为含黏土云质页岩)；④Ⅳ为黏土质页岩类(Ⅳ1为黏土质页岩、Ⅳ2为含长英黏土质页岩、Ⅳ3为含灰/云黏土质页岩)；⑤Ⅴ为混合质页岩类。同时，依据层厚度划分纹层状(<1 cm)、层状(1～10 cm)和块状(>10 cm)，总计39小类。

图2 风城组页岩岩相划分方案Fig.2 Lithofacies division scheme of Fengcheng Formation shale

岩心描述及XRD实验结果表明(图3)，研究区风城组页岩主要发育纹层状长英质页岩、块状含云长英质页岩、纹层状含长英云质页岩以及纹层状含黏土长英质页岩4种典型岩相类型。

图3 风城组页岩矿物组成特征Fig.3 Characteristics of shale mineral composition in Fengcheng Formation

3 典型岩相沉积构造特征

沉积构造可以反映页岩成因及其沉积环境[20]。玛湖凹陷风城组页岩以纹层状和块状为主，沉积构造复杂多变。本文根据岩芯特征，结合显微镜下观察，对不同岩相的沉积构造特征进行探讨。

(1)纹层状长英质页岩岩相。该岩相为研究区风城组的主要岩相之一，主要发育在风二段及风一段中上部。纹层以水平纹层、波状交错层理和槽状交错层理为主，厚度一般为1～3 mm(图4(a)、图4(b)、图5(a))。发育长英质条带及团块，可见硅硼钠石等碱性矿物(图4(b)、图4(c))。

图4 典型岩相沉积构造岩心照片Fig.4 Core photo of typical lithofacies sedimentary structure

(2)块状含云长英质页岩相。该岩相主要发育在风二段及风一段顶部，常与长英质页岩形成互层。岩石常见不规则云化，形成不连续的云斑、云质团块等，形状多变(图4(d)、图4(e)、图4(f)、图5(d)、图5(e))。

图5 典型岩相沉积构造镜下照片Fig.5 Microscopic photo of typical lithofacies sedimentary structure

(3)纹层状含长英云质页岩岩相。该岩相主要发育在风二段，云质纹层常与长英质纹层伴生，以斜层理，槽状交错层理形式出现，表明沉积时期的水动力较强(图4(g))。纹层厚度一般在2～5 mm，相对较厚。发育云质团块和长英质团块，可见包卷层理、香肠构造等沉积构造，缝合线发育，可被有机质充填(图4(h)、图4(i)、图5(f))。

(4)纹层状含黏土长英质页岩岩相。该岩相主要发育在风三段中下部，纹层以水平纹层为主，一般较细且平直，也可见低角度波状层理(图4(j)、图4(i)、图5(g))。纹层组分包括黏土、有机质、方解石等，泥质条带及透镜体发育(图4(k)、图5(g)、图5(h))。

4 典型岩相孔隙结构特征

4.1 孔隙类型

选取研究区页岩典型岩相的样品进行氩离子抛光处理，再通过场发射扫描电镜(FE-SEM)进行观察。依据孔隙位置和成因不同，可将风城组页岩孔隙划分为粒间孔、粒内孔及有机质孔3种类型。研究区页岩主要发育粒间孔和粒内溶孔，有机质孔发育较少(图6)。

图6 典型岩相孔隙形态特征Fig.6 Characteristics of typical lithofacies pore morphology

不同岩相主要发育的孔隙类型及成因有所不同。纹层状长英质页岩主要发育粒间孔和粒内孔，可见有机质孔，原生粒间孔形态不规则，孔径50～500 nm，在该岩相内普遍发育(图6(a))；溶蚀粒间孔以椭圆形为主，孔径100～1 000 nm，相对较大，连通性较好(图6(b))；粒内溶孔一般发育，孔径较小，一般在20～200 nm，连通性较差；有机质可与黄铁矿伴生形成有机质孔，形态以狭缝型为主(图6(c))，孔径20～200 nm。块状含云长英质页岩以粒内溶蚀孔和狭缝型粒间孔为主，有机质孔发育不明显，溶蚀孔孔径相对较大，可在50～500 nm，但连通性一般(图6(d))；狭缝型粒间孔连通性相对较好，但孔径普遍较小，在20～200 nm(图6(e))。纹层状含长英云质页岩溶蚀作用明显，主要发育粒间和粒内溶蚀孔，孔径普遍较小，在50～400 nm，粒间孔的连通性要好于粒内孔，未见有机质孔发育(图6(f)、图6(g))。含黏土长英质页岩发育狭缝型粒间孔，孔径较小，普遍小于100 nm，连通性一般(图6(h))；可见粒内溶蚀孔，形态以椭圆形为主，孔径在20～100 nm，连通性相对较差(图6(i))，未见有机质孔发育。

4.2 孔径分布

此次研究选用高压压汞法，对研究区风城组不同岩相页岩样品进行孔隙结构定量表征。据实验结果可知，页岩孔体积为0.002 9～0.079 0 cm3/g，平均孔体积为0.028 8 cm3/g(图7)。孔径主要集中在10～100 nm，呈单峰或双峰分布，微米级孔隙对孔体积的贡献很小。

图7 典型岩相孔径分布特征Fig.7 Typical lithofacies pore size distribution characteristics

不同岩相的孔径分布特征不同。长英质孔体积为0.064 6～0.079 0 cm3/g，平均为0.071 8 cm3/g，主要由20～80 nm的孔径贡献，储集能力最好；含云长英质页岩孔体积范围为0.01 53～0.046 3 cm3/g，平均为0.030 8 cm3/g，主要由10～50 nm的孔径贡献，储集能力相对较好；含长英云质页岩孔体积为0.008 2～0.009 8 cm3/g，平均为0.009 0 cm3/g，主要由10～30 nm的孔径贡献，储集能力相对较差；含黏土长英质页岩孔体积为0.002 8～0.004 9 cm3/g，平均孔体积0.003 9 cm3/g，主要由10～30 nm的孔径贡献，储集能力最差。

根据压汞实验参数可知，风城组页岩储层孔隙度较低，渗透率极低，非均质性较强(表1)。不同岩相中，长英质页岩孔渗最好，汞饱和度最高，表明孔隙连通性最好，饱和度中值压力最低，整体物性最好，属于优质页岩油储层；含云长英质页岩、含长英云质页岩孔渗相对较好，汞饱和度相对较高，连通性相对较好，属于较好页岩油储层；含黏土长英质页岩孔渗极低，汞饱和度最低，连通性最差，属于较差页岩油储层。

表1 典型岩相压汞实验参数Tab.1 Typical lithofacies mercury intrusion test parameters

5 结论

通过对准噶尔盆地玛湖凹陷风城组页岩岩相进行类型划分、岩芯和镜下观察、XRD和压汞实验分析，得到以下结论。

(1)建立了基于“矿物组成+沉积构造”的岩相划分方案，用来评价准噶尔盆地玛湖凹陷风城组页岩岩相发育特征，风城组主要发育纹层状长英质页岩、块状含云长英质页岩、纹层状含长英云质页岩以及纹层状含黏土长英质页岩4种典型岩相。

(2)4种岩相具有差异性的沉积构造特征。长英质页岩多发育长英质条带、团块，含云长英质页岩、含长英云质页岩常见不规则云化，长英质与云质纹层、条带常伴生发育。

(3)研究区风城组主要发育粒间孔、粒内溶孔，有机质孔发育较少，孔体积主要由10～100 nm孔径贡献。不同岩相对页岩孔隙结构有较大影响，纹层状长英质页岩的孔体积、孔隙连通性及物性最好，是风城组页岩油储集最有利的岩相；含云长英质页岩及含长英云质页岩的孔隙结构及物性次之；含黏土长英质页岩孔隙结构及物性最差，不利于页岩油储集。