混积页岩油甜点富集机理与含油性评价方法

蔺敬旗，曹志锋，王先虎，刘洁梨，徐睿，董旭龙

（中国石油集团测井有限公司新疆分公司，新疆 克拉玛依 834000）

0 前 言

吉木萨尔凹陷页岩油藏是中国典型的陆上混积型页岩油藏，甜点特征明显，具有源储共生的特征，是陆上页岩油国家级建设示范区，具有年产页岩油100×105t的能力，该区页岩油开发取得了阶段性突破。但对其甜点储层成因及储层流体分布认识不足，页岩油甜点进入水平井开发后普遍含水，水平井含水差异大等问题是制约页岩油高效开发的一个关键难题。通过前期的勘探开发，主要对页岩油成因、成藏条件、岩石学特征、页岩油赋存状态、可动性、产能等主控因素开展了研究[1-13]。本文通过对吉木萨尔凹陷页岩油优势甜点储层的岩性、孔隙发育特征与实验资料进行研究，试图弄清甜点成藏模式、优势甜点的成因、储层流体赋存状态及主控因素。在此基础上研究了核磁共振页岩油甜点不同类型流体分布特征及表征方法，为研究区页岩油高效开发提供技术支撑。

1 水平井甜点分布特征

吉木萨尔凹陷位于新疆准噶尔盆地东部隆起区西南端，是形成于中石炭统褶皱基底上具有西断东超特征的箕状凹陷。北部以吉木萨尔断裂为界，西部以西地断裂和老庄湾断裂为界，南部以三台断裂为界，东部为逐渐抬升的斜坡，最终过渡到古西凸起，面积约1 200 km2。研究区芦草沟组为薄互层细粒沉积，纹层与页理发育，岩性为陆源碎屑与化学沉积过渡性岩类的混积岩，发育微米、纳米孔喉系统。源储一体是其典型特征，源储共生，储中有生，自身具备源生原储条件，造就了吉木萨尔凹陷芦草沟组整体含油、满凹分布的特征，是典型的陆相页岩油油藏。目的层芦草沟组纵向发育2个甜点和，地层埋深2 500 ～4 500 m，平均厚度分别为38、44 m，属咸化湖泊相夹三角洲相沉积，页岩油甜点多源混积、岩性成分多样、孔隙结构复杂、非均质性强。

2 页岩油甜点成因机理与流体赋存状态

甜点具备相对较优的物性条件和储集空间，是页岩油勘探开发的关键与核心。依据吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组地质、岩心资料分析，吉木萨尔页岩油甜点主要受沉积、成岩、成藏的影响。甜点的发育和分布受沉积微相控制；成岩过程中的压实、胶结以及溶蚀作用不同程度改变了储层孔隙结构；生烃和构造作用进一步改善了储层孔隙结构，从而影响到甜点的含油性、可动性。

2.1 沉积微相

芦草沟组沉积时期，水平面的频繁变化造成沉积相带呈环状分布，整体上呈现由敞流湖盆逐渐变为闭流湖盆、上甜点段水体更加咸化的特点。在上甜点沉积期，从凹陷边缘到中心，远岸滩、远岸坝逐渐过渡为浅湖泥、半深湖泥及深湖泥微相，研究区南部主要发育滩坝沉积，规模和影响范围小于下甜点段。在下甜点沉积期，形成北东向展布的以滩坝相、咸化湖泊相和三角洲相为主的沉积环境。

页岩油甜点孔隙结构主要受岩石中泥质、石英、白云石含量及次生孔隙发育程度的影响。孔隙结构是影响页岩油甜点可动流体孔隙度、可动油饱和度、丰度的关键因素。因此，沉积环境对可动油丰度分布起决定性作用[6]。吉木萨尔凹陷芦草沟组主体发育三角洲、半深湖-深湖泥质、深水重力流、云坪、滨湖滩砂和碳酸盐岩浅滩沉积，甜点具有高长英质、高碳酸盐、低黏土的岩性特点及层理发育的结构特点，其主要沉积环境为受波浪作用较强的云坪、混合坪、滨湖滩砂和碳酸盐岩浅滩沉积。

依据岩性组合、测井曲线和沉积构造等对二叠系芦草沟组沉积相进行研究分析，沉积相类型为咸化湖泊相沉积，具有滨湖-浅湖、浅湖、浅湖-半深湖、半深湖、三角洲前缘和前三角洲 5 种沉积亚相，湖泥、滩坝夹湖泥、滩坝、浅滩、湖泥夹沙坝等5种沉积微相。

从芦草沟组大量的荧光薄片来看，原油主要赋存于剩余粒间孔、粒间（粒内）溶孔、晶间孔和少量的微裂缝中。当孔隙度变高时，含油饱和度也明显变高，且含油级别也随之变高，可见物性对含油性的控制作用比较明显。根据岩心含油饱和度分析，芦草沟组储层含油饱和度中值高达73.4%，属于高饱和度油藏，芦草沟组储层源储一体，油气注入充足，故饱和度高。

前人勘探结果表明，吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组主要沉积相类型为湖泊相和三角洲相，有利于甜点形成的沉积环境为浅湖-半深湖亚相，发育上、下甜点，垂向上具有不同生储组合。这种多旋回叠加的生储盖组合有利于油气富集。

根据沉积物来源，芦草沟组岩性总体可分为内源碳酸盐岩和陆源碎屑岩，依据岩石矿物成分的不同进一步细分为砂屑云岩、泥晶云岩、云质灰岩、粉细砂岩、云质粉砂岩、粉砂质泥岩、碳质泥岩、云质泥岩、泥岩、含黄铁矿粉砂岩10个小类。页岩油甜点发育在滨浅湖滩坝沉积，岩性、物性变化大，物性、含油性较好的有效储层主要以粉细砂岩、云质粉砂岩、含黄铁矿粉砂岩这3类砂岩及砂屑云岩、泥晶云岩这2类云岩为主。其中砂岩类储层基质孔较发育，储集性能相对较优；砂屑云岩、泥晶云岩储层孔隙度与渗透率比较高，微裂缝发育，渗流性能相对较优。沉积环境控制了储层岩性，页岩油甜点孔隙结构主要受岩石中泥质、石英和白云石含量及次生孔隙发育程度的影响，孔隙结构是影响页岩油甜点可动流体孔隙度、可动油饱和度丰度的关键因素。

2.2 成岩作用

通过观察研究区甜点储层的岩石铸体薄片，上甜点孔隙类型以粒间孔、粒间溶孔为主，而下甜点孔隙类型主要发育粒间溶孔，因此，岩石粒径及成岩作用是孔隙发育程度的主控因素。成岩作用影响是指压实作用、胶结作用和溶蚀作用的影响，其中溶蚀作用最为关键。

依据吉木萨尔凹陷地层孔隙度与深度关系分析，芦草沟组地层孔隙压力随深度的增加而降低，孔隙度受压实作用的影响急剧降低，储层有效孔隙形成困难，但部分白云岩储层的最大孔隙度在20.4%，分析认为是成岩过程中受溶蚀作用影响的结果。芦草沟组原生孔隙被成岩早中期的方解石和白云石胶结物充填造成孔隙度降低。芦草沟组页岩油甜点普遍发育黏土矿物胶结物，破坏了孔隙结构，降低了储层物性，但储层的物性、含油性明显受岩性控制[见图 1 （a）、图 1 （b）]。粉砂岩储层的物性最好，含油饱和度最高，其原因为粉砂或砂屑等组分粗，可提供较多的易溶矿物（长石矿物），且抗压实能力强，利于粒间或溶蚀孔喉发育，纹层状粉砂条带孔隙比分散粉砂颗粒孔隙更发育。

图1 页岩油岩性、物性与含油性关系图

根据页岩油甜点扫描电镜和岩心资料分析，影响可动流体孔隙发育的溶蚀作用有2种关键机制：同生-准同生淋滤作用和酸性流体埋藏溶蚀作用，且埋藏溶蚀是最主要的溶孔成因机制。溶蚀作用的发生主要受沉积环境和烃源岩生排烃过程双重影响[6]。溶蚀程度控制了储层孔隙结构及含油气性，图2中明显见到溶蚀孔洞，增强了可动孔隙度。

图2 页岩油典型储层铸体薄片孔隙类型

通过对研究区的铸体薄片及高压压汞资料进行分析（见表1），储层的类型以溶蚀孔隙为主，微裂缝、剩余粒间孔欠发育，主要发育微米级、纳米级孔隙。微米级孔隙以剩余粒间孔、粒间溶孔为主，多发育在砂质含量较高的粉细砂岩、云质粉砂岩中，孔隙直径分布在3 ～50 μm；纳米级孔隙以粒内溶孔（钠长石、钾长石、白云石粒内溶孔）、晶间孔（伊蒙混层、绿泥石、石英晶间孔）为主，孔喉半径多小于0.1 μm。通过进行高压压汞实验，发现孔喉半径主要分布在4.5 ～36.0 nm，其次孔喉半径大于36.0 nm。储集空间主要为纳米级的孔喉，进汞饱和度大于80%，孔喉连通性好。依据铸体薄片、岩心分析统计，甜点的岩性储层孔隙类型主要为粒间溶孔和粒内溶孔，其次为剩余粒间孔、微细裂缝，这增强了页岩油的流动性。

表1 芦草沟组页岩油优势岩性储层压汞参数对比表

研究区6口井实验分析岩心含水饱和度与9口井实验分析恒压毛细管束缚水饱和度具有高度一致性[见图 3 （a）、图 3 （b） ]，页岩油甜点地层水为毛细管束缚水，孔隙度小于13%，储层束缚水饱和度高，是水平井出水的主要原因；同时长石砂岩油水相相对渗透率分析结果进一步验证了储层具有高束缚水的特征[见图 3 （c） ]。依据孔隙度与含水饱和度的关系，可以分为4类储层（见表2）：Ⅰ类储层是目前页岩油水平井优先动用的储层；Ⅱ类储层是目前页岩油水平井可动用的储层；Ⅲ类储层是目前页岩油水平井难动用的储层；Ⅳ类储层是目前页岩油水平井不能动用的储层。

表2 吉木萨尔页岩油甜点分类表

图3 吉木萨尔页岩油甜点储层流体分析对比

2.3 成藏作用

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。吉木萨尔凹陷页岩油甜点的构造运动不活跃，地质构造稳定，使得优质生油岩形成的页岩油中的一部分在原生页岩孔隙中保存，另一部分运移到相邻的优质砂岩储层中，形成混积页岩油甜点，因此，页岩油甜点具有良好的生、储、盖条件（见图4）。

图4 芦草沟组混积型页岩油甜点成藏模式示意图

吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源层形成于湖泥微相，以中低熟烃源岩为主，烃源岩条件比较优越。芦草沟组烃源岩大面积处于生烃范围内，储层厚度大、分布广，是甜点储层油源的主要来源，以弱运移充足到相邻的储层中。同时，甜点内也发育一部分有机质丰富的砂岩储层，这些储层纹层与页理发育，存在毫米级源、储组合关系，具备自生自储条件，甜点以滞留型赋存在地层中；依据实测的总有机碳与热模拟实验分析的成烃转化率计算的生烃量，自源量约占生油量的三分之一。

芦草沟组页岩油甜点储集层为混积型页岩油，生油岩、储集层均含有丰富的有机质，生烃过程中会产生大量的有机酸，有机酸的生成和运移会造成长石和白云石遇酸发生化学反应而溶蚀，产生溶孔、溶缝，进一步改善储层的孔隙结构。因此，储集层物性控制了页岩油甜点的丰度，孔隙结构的好坏直接决定了储层含油饱和度与可动油饱和度。

3 核磁共振T2谱分簇计算不同流体孔隙度

吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油具有大孔隙亲油含油、小孔隙亲水含水的特征[6]，本质上影响原油状态的是孔隙大小和结构，孔隙度、孔喉半径与含油饱和度呈正相关，物性越好的岩心含油级别越高，油层明显受物性控制。王林生等[13]研究表明，大孔隙优先可动，不同类型油层的产能及稳产期含水率具有明显差异，因此，求取可动油孔隙度、可动油饱和度是水平井稳产期含水率评价的关键。

受核磁共振测井测量深度的限制，对于常规储层，探测范围基本为钻井液滤液的侵入带，核磁共振测井的响应主要为水的表面弛豫。核磁共振测量的总孔隙度为黏土吸附水孔隙度与有效孔隙度之和，有效孔隙度为毛细管束缚水孔隙度与可动流体孔隙度之和。有效孔隙度的计算截止值一般取3 ms，认为小于3 ms对应的孔隙体积为黏土吸附水的体积。对于碎屑岩储层，可动流体的孔隙体积计算截止值取33 ms，由于骨架性质不同，截止值数值略有变化。储层的孔隙半径影响核磁共振的横向弛豫时间，因此，常用核磁共振测井资料对储层的孔隙结构进行评价。T2截止值是核磁共振计算束缚水饱和度、有效孔隙度的关键参数，对准确计算储层参数有着重要的意义。

M. G. Prammer等[14]研究表明，不同黏土类型对应的T2谱的波峰位置不同，采取固定截止值计算的黏土束缚水体积存在较大的误差。同样，受地层组分、孔隙结构、润湿相和流体黏度等因素的影响，计算可动流体孔隙体积的截止值也在纵向上不断变化。

理论表明核磁共振T2谱是满足正态高斯分布的多个分量之和，结合现代的数学算法和软件实现，可以将核磁共振T2谱分解为多个分量（孔隙簇）。以分解的3个子谱为例，即A谱、B谱和C谱，分别对应为核磁共振的黏土吸附水谱、毛细管束缚流体谱和可动流体谱。利用高斯函数进行子谱拟合，可以将黏土束缚水的缺失谱补充完整。对核磁共振测量谱进行子谱拟合，可有效避免信号强度大的子谱尾谱对邻近子谱叠加影响，从而提高计算精度，消除核磁共振尾谱的噪声，这些处理极大地提高储层参数的计算精度。

核磁共振测井的原始数据为一系列回波串数据，回波串实际上是各种孔径孔隙中氢核弛豫特征的综合反映。不同的孔径具有不同的回波幅度衰减曲线，通过对回波的处理可以得到T2谱分布及有效孔隙度参数，选择恰当的T2截止值可有效计算地层毛细管束缚水孔隙体积和自由流体体积，用经验公式估算地层的渗透率。储层孔隙度由黏土束缚水孔隙度、毛细管束缚水孔隙度及可动流体孔隙度组成，因此，在测量横向弛豫时间时，核磁共振测井应用脉冲序列CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）得到的回波串不是单指数衰减，而是由多个指数衰减的和，可表示为

式中，M（t）是时间为t时测量的磁化矢量；Mj（0）为来自第j个弛豫分量的磁化矢量的初始值；T2j为第j个横向弛豫分量的衰减时间。

对于核磁共振T2截止值的确定，可以转化为对核磁共振T2谱在时间域的近似求解。

式中，i=1，2，3分别对应黏土吸附水、毛细管束缚流体和可动流体孔隙度谱；ai为谱峰的幅度；bi为谱峰的位置；ci为谱的宽度（与谱的衰减有关）；y（t）为T2谱，t为横向弛豫时间。

上述公式满足正态分布的高斯函数的累加和，引入一定的约束条件（如人工交互），用高斯函数进行拟合，即可求得参数a、b、c，实现黏土吸附水、毛细管束缚流体和可动流体核磁共振T2谱的有效分离，构建了核磁共振T2谱的孔隙度分簇计算方法。

通过上述方法计算16口水平井的游离油（可动油）饱和度。J×井为吉木萨尔页岩油开发区的一口水平井，图5为该井的核磁共振测井处理成果图，依据计算的游离油含量确定甜点厚度为1 000 m，该油井最高日产油110 t，年产油12 457 t，表明高游离油饱和度是高产稳产的主控因素。

图5 J×井的核磁共振测井处理成果图

基于核磁共振分簇解释和可动孔隙度计算的游离油饱和度与稳定含水率的关系对比分析，分簇计算的游离油饱和度精度更高，相关性由82.02%提高到93.41%。因此，核磁共振测井对水平井产能、产水率的评价显得尤为关键。

4 结 论

（1）吉木萨尔凹陷页岩油甜点发育程度受沉积微相、成岩作用、成藏作用控制。沉积环境形成了源储频繁互层的混积岩体系，岩性粗细及成分控制了储层孔隙大小，是页岩油甜点形成的基础；成岩作用的压实、胶结、溶蚀决定了孔隙结构，是可动油形成的关键；成藏作用有机烃形成与排出进一步改善了储层孔隙结构，含油性受物性控制。

（2）页岩油甜点储层孔隙结构与储层中油水含量以及轻-重质烃组分在核磁共振T2谱上分布的相对位置有关，不同状态的流体在横向弛豫时间上交叉分布，从小到大分别以吸附水（微孔）、游离水（小孔）、重质烃组分（中孔）和轻质烃组（大孔）分为主。将核磁共振T2谱信号分解成3个具有高斯分布的频谱，实现了黏土吸附水、毛细管束缚流体和可动流体核磁共振T2谱的有效分离，构建了核磁共振T2谱谱分簇计算页岩油甜点不同类型流体分布特征的方法，提高了可动油饱和度精度。

（3）核磁共振是页岩油测井评价的重要手段。求准水平井含水率的关键是基于核磁共振求准游离油饱和度，游离油饱和度与水平井产能、稳定含水率具有较好的一致性。

（4）页岩油甜点的含油性与可动性与储层的品质相关，储层的含油性由高到低依次为Ⅰ类储层、Ⅱ类储层、Ⅲ类储层、Ⅳ类储层；可动油饱和度是页岩油产能的关键地质因素，可动油饱和度越高，产能越高，含水率越低。因此，水平井应以Ⅰ类储层为目标，兼顾Ⅱ类储层，Ⅲ类以下储层在现阶段开发价值低。