吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油储层发育特征与成藏条件研究

李杰，邓孙华，坎尼扎提，张旭，孙江河，顾晶晶，贺文同

1.新疆油田公司 工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000；2.吉林大学 建设工程学院，长春 130026；3.吉林大学 地球科学学院，长春 130061

0 引言

新疆准噶尔盆地吉木萨尔凹陷蕴藏有丰富的非常规油气资源，该资源的有效开发将对中国油气资源供给产生重要的影响[1--2]。通过近年的勘探发现，吉木萨尔凹陷中部地区油气资源潜力较大，钻遇油气主要分布在二叠系芦草沟组地层[3]。芦草沟组在研究区内埋深平均为3 300 m，较大的地层沉积相变化导致岩性复杂，给储层预测及油气勘探开发带来了极大挑战[4]。近年来，一些学者从不同角度对吉木萨尔凹陷复杂岩体油气储层进行了研究，基于岩石学理论，结合储层发育特征与物性测试结果，刻画主力储集空间，解剖地层间储集优劣性[5--6]。考虑到芦草沟组的甜点层位与储集层岩性物性关系密切，本研究通过研究区内多口钻井，对研究区内芦草沟组页岩油甜点区储层的岩石与矿物特征进行精细研究，结合储层孔隙发育特征与储集物性测试，查明储层成岩演化、优质储层成因，总结出成藏的地层主控条件，以期为吉木萨尔凹陷深层油气勘探提供一定的指导。

1 研究区地质背景

图1 吉木萨尔凹陷地质图Fig.1 Geological map of Jimusar sag

1.泥岩；2.粉砂质泥岩；3.粉砂岩；4.白云岩；5.凝灰质云岩；6.凝灰岩。图2 二叠系芦草沟组综合柱状图Fig.2 Comprehensive histogram of Permian Lucaogou Formation

2 岩石学特征分析

笔者通过对研究区内多口地质调查井岩芯进行岩芯编录可知，芦草沟组地层发育完整，地层厚度平均为246.21 m，识别出968个小层，共54种岩性，单层厚度平均为0.25 m(0.01～2.25 m)，以泥级碎屑与云质混积岩为主，层理发育多为毫米级，是典型的混积岩地层(图3)。混积岩是机械碎屑沉积、化学沉积或火山作用等多源混积的产物，具有细粒沉积、岩性多样、频繁薄层交互和非均质性强的特点，是中国页岩油的富集与重要储集层[4--6]。甜点层位岩性以白云质粉砂岩、白云质细砂岩、岩屑白云岩和岩屑长石细砂岩为主。上甜点区在芦草沟组二段，主要为3种岩性，从上至下第一种为岩屑白云岩，第二种主要为岩屑长石粉砂岩与岩屑长石细砂岩，而第三种为白云质岩屑砂岩。

a. 3 274.35 m粉砂质白云岩； b.3 276.11 m粉砂岩；c.3 285.07 m云质粉砂岩；d. 3 274.75 m白云质粉砂岩，铸体；e.3 267.15 m白云岩屑细纱岩，铸体； f. 3 287.07 m白云质粉砂岩，铸体。图3 J174井岩芯与铸体薄片照片Fig.3 Photos and casting lamella observation of cores in Well J174

下甜点区地层岩性主要为白云质细粒砂岩与粉砂质白云岩。根据前人关于该地区的研究可知，芦草沟组属于咸化湖泊相夹三角洲相，而甜点位层属于浅湖--半深湖亚相湖泥微相与滩坝微相，下甜点区还存在少量前三角洲亚相地层[6--8,10]。可见古湖泊环境具有多旋回性，在垂向剖面频繁出现不同生储组合。滩坝微相形成于湖盆的抬升和收缩期，常形成优质的油储地层。而湖盆扩张或下沉期，有利于形成半深湖亚相的湖泥微相，发育以黏土矿物为主的生油岩系及盖层。当多个生储组合垂向上频繁出现时，可能造成一个组合的盖层即为第二个组合的生油层，从而造成生储盖组合垂向上的重叠。前人勘探结果表明，这种多旋回的发育在湖盆中部的叠加生储盖组合最易富集油气资源[10--11]。

在岩性研究的基础上，对研究区芦草沟组139块岩石样品的矿物开展X射线衍射实验，研究发现岩石矿物成分复杂，多为过渡类岩性，纵向上非均质性强，识别出的矿物有12种，以白云石、石英与斜长石为主，成分成熟度低(表1,图4)。上甜点区地层中灰质含量整体上<10%，一般1%～5%，方解石以交代残余或碎屑颗粒的形式存在，而白云石的含量总体上最高，上甜点区中下段地层岩石中泥质含量高，并含有绿泥石、绿蒙混层，所以在开发过程中应注意酸敏反应产生沉淀[12--13]。下甜点区地层岩石中，灰质含量相对较高，超过十分之一的样品灰质含量>25%，方解石多以交代碎屑、充填泄水缝或裂缝的形式存在，部分岩石中含有黄铁矿[14]。

表1 甜点储层岩芯X衍射代表性岩性分析表Table 1 X--ray diffraction mineral analysis of sweet spot reservoir core

图4 甜点储层全岩矿物组成统计图Fig.4 Statistics of mineral composition of whole rock in sweet spot reservoir

3 孔隙发育特征与物性分析

通过对甜点区的岩石铸体薄片进行观察可知，上甜点区储层岩石孔隙主要为粒间孔与粒间溶孔，而下甜点区储层岩石则是以粒间溶孔为主，孔隙发育程度主要受粒径及成岩作用影响(图5)。上甜点区地层的部分薄片可见云质砂岩的压实作用较强，形成大量缝合线，而重结晶作用使矿物颗粒间形成大量粒间孔隙与白云石晶间溶蚀孔隙。在下甜点区地层的薄片中比较常见的是，由于所处地层埋深增大，矿物颗粒因所承受的构造应力或上覆地层压力超过孔隙流体压力发生溶解形成晶格变形，导致粒间孔减少。此外，在下甜点区岩石薄片中，还发现方解石或白云石颗粒受到溶蚀作用，其边缘呈不规则港湾状，导致形成了沟通良好的溶蚀孔隙，使该段地层物性提高[15]。

a.J10025井3 542.31 m细砂岩粒间孔与粒间溶孔；b. J31井2 722.73 m细砂岩粒间孔与粒间溶孔；c. J31井2 725.36 m粉砂岩粒间孔与粒间溶孔；d. J176井3 046.21 m粉砂岩粒间孔与粒间溶孔；e. J10022井3 478.25 m粉砂岩粒间孔与粒间溶孔；f. J305井3 579.3 m白云质细砂岩粒间溶孔；g. J10022井3 479.26 m粉砂岩粒间溶孔；h. J32井3 726.66 m泥质粉砂岩粒间孔与粒间溶孔。图5 甜点区岩石铸体薄片孔隙照片Fig.5 Microphotographs of pores in rock casting lamella in sweet spot area

甜点区的细粒混积物在多种成岩作用的综合作用下，地层中发育大量复杂的纳米级孔喉系统，其孔渗性主要由纳米级孔喉控制[16--17]。高压压汞实验结果表面，岩样中纳米级孔喉占储集空间的65%以上，以微细孔喉为主，进汞饱和度可达80%以上，孔喉连通性好，粉砂岩好于砂屑白云岩。据常规孔隙度与常规渗透率分析结果显示，上下甜点区地层在覆压下的孔隙度平均为11%，覆压渗透率平均为0.01 mD，<0.1mD的样品占比为90%以上(图6，表2)。对比不同岩性岩石分类讨论其物性差异，发现岩屑长石粉细砂岩>云屑砂岩>砂屑云岩。

a. 砂屑云岩常规孔隙度直方图；b.岩屑长石粉细砂岩常规孔隙度直方图；c.云屑砂岩常规孔隙度直方图岩常规孔隙度直方图；d.砂屑云岩常规渗透率分析直方图；e.岩屑长石粉细砂岩常规渗透率分析直方图；f.云屑砂岩常规渗透率分析直方图。图6 甜点区典型岩石孔隙度与渗透率分布Fig.6 Typical rock porosity and permeability distribution in sweet spot area

表2 甜点区典型岩石孔隙度与渗透率统计Table 2 Statistics of porosity and permeability distribution of typical rock samples in sweet spot area

4 甜点区地层成藏条件分析

吉木萨尔凹陷烃源岩条件比较优越，芦草沟组主要烃源层形成于湖泥微相，烃源岩类型以中低熟页岩为主[18]。芦草沟组烃源岩储层厚度大、分布广，大面积处于生烃范围内，因此吉木萨尔甜点区有充足优质的油源[19]。而吉木萨尔上下甜点区地层沉积为混积岩，滩坝与湖泥微相互层。上下甜点区地层的滩坝微相因其特殊的成岩作用，使其为湖泥微相产生的页岩油提供了天然的储集空间。在研究区内，储层岩体的断裂活动与褶皱构造少，区域地质构造稳定[20]。形成的页岩油一部分保存在原生页岩孔隙中，另一部分则运移到孔隙空间较大的砂岩中[21]。在稳定的地质条件下，甜点区同时具备优质的生油岩与储层空间优异的砂岩储层，是页岩油藏生--储--保的理想条件。

另一方面，甜点区地层同时存在有两个不利因素，一是页岩油的富集程度明显受到储集层物性的限制，孔隙空间的大小直接决定了储层含油率，二是孔喉的大小与孔隙的连通性也与储集层含油率相关，这两点受控于云质和砂质的含量与成岩作用[22]。所以对于芦草沟组页岩油开发需要进行体积压裂将储集层改造才能获得工业油流[23]。

5 结论

(1)研究区域内芦草沟组地层发育完整，地层厚度平均为246.21 m，以泥级碎屑与云质混积岩为主，层理发育多为毫米级，是典型的混积岩地层。岩石矿物成分复杂，多为过渡类岩性，以白云石、石英与斜长石为主。

(2)甜点位层属于浅湖--半深湖亚相湖泥微相与滩坝微相，以及少量前三角洲亚相地层，可见古湖泊环境具有多旋回性，在垂向剖面频繁出现不同生储组合。

(3)上甜点区储层岩石孔隙主要为粒间孔与粒间溶孔，而下甜点区储层岩石则是以粒间溶孔为主,孔隙发育程度主要受粒径及成岩作用影响，以微细孔喉为主，孔渗性主要由纳米级孔喉控制。

(4)芦草沟组主要烃源层为湖泥微相，进入生烃门限，产生充足优质的页岩油油源。上下甜点区地层的滩坝微相为页岩油成藏提供了天然的储集空间。页岩油的富集程度明显受到储集层物性的限制，建议开发时采取相应的储层改造方案。