玛湖凹陷风城组页岩油富集机制与甜点段优选

金之钧，梁新平，王小军，朱如凯a，4，张元元b，刘国平，高嘉洪

（1.北京大学a.能源研究院；b.地球与空间科学学院，北京 100871；2.中国石化 石油勘探开发研究院，北京 100083；3.中国石油 大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163000；4.中国石油 勘探开发研究院，北京 100083）

中国陆相盆地页岩油资源丰富，勘探潜力巨大[1-7]，准噶尔盆地二叠系咸化湖盆的白云质岩沉积大面积分布于凹陷中心区及斜坡带，平面上与烃源岩发育中心区叠置，为页岩油的形成提供有利的物质基础[8-10]。根据烃源岩、储集层、构造背景、保存及埋深等地质条件综合评价，于2011 年优选吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组埋深小于4 500 m的地区为页岩油的重点勘探区域，部署吉25 井，获工业油流，从而拉开了准噶尔盆地页岩油勘探序幕[8-14]。

基于吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油发现的启示及玛湖凹陷风城组岩相展布、湖盆中心源储共生型页岩油富集规律的认识，2018 年，在玛湖凹陷下二叠统风城组埋深大于4 500 m处，钻探首口风险井玛页1井，采用直井大段分层压裂试油，获得高产工业油流，自喷最高日产油50.60 m3；玛页1H 井水平段整体显示好，天然裂缝发育，解释油层总厚度为925.6 m，油层钻遇率为90.6%；玛页2井钻遇1 200 m的活跃油气显示段，测井解释油层121层，累计厚度为227.6 m，风一段页岩油获得重大突破，目前3.5 mm 油嘴，最高日产油22.35 m3；成为继吉木萨尔凹陷芦草沟组之后又一新的增储上产接替领域[15]。但在勘探开发生产实践中，仍面临以下问题：①风城组厚度多为150～1 000 m，岩性组合复杂，整体含油，但甜点分散，其控制因素不明，油气富集段评价难度大；②甜点层薄且分散，纵向间隔大，地层富含碱性矿物，单层试油效果不理想，提产潜力不明确。

本文综合风城组页岩油藏的地质特征和研究现状，对其储集性、含油性和裂缝发育特征开展分析，进行页岩油有利层段筛选，以期为落实玛湖凹陷风城组页岩油资源潜力和优选勘探目标区提供依据。

1 地质背景

玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北部，北靠乌夏断裂带，西抵中拐凸起，南接达巴松凸起，东达石英滩凸起、英西凹陷和夏盐凸起，面积约为5 000 km2（图1）。是在石炭纪前褶皱基底上，受周缘冲断活动控制形成的石炭纪—第四纪凹陷，经历了泥盆纪—早石炭世、晚石炭世—三叠纪和侏罗纪—第四纪3 期构造演化[15-16]。现今为西陡东缓的不对称箕状凹陷，东西分带，南北分段，由西向东可划分为前陆冲断带、中央洼陷、火山高地、构造坡折等多个次级构造单元。玛湖凹陷风城组沉积期，季节性的潮湿环境与干旱环境交替出现，湖水的咸化程度较高，蒸发作用形成的碱性矿物发育，整体为扇三角洲—湖泊沉积体系[17-18]，主要发育滨浅湖—半深湖沉积（图1）。风城组厚度为500～1 580 m，由西向东变薄直至尖灭，从下至上依次发育风一段、风二段和风三段，其中风一段在局部地区为水下火山岩相，风二段与风三段整体上为页岩，发育典型的源储一体型页岩油藏。

图1 准噶尔盆地玛湖凹陷风城组油气资源类型与岩相平面分布Fig.1.Hydrocarbon resource types and lithofacies distribution in Fengcheng formation of Mahu sag，Junggar basin

2 页岩油藏地质特征

以准噶尔盆地玛湖凹陷玛页1 井风城组为研究对象，对其4 585—4 950 m 井段岩心进行宏观沉积岩石学特征观察、薄片分析和孔渗测试，确定储集性特征；结合总有机碳含量、岩石热解、多温阶热解等分析方法，开展风城组页岩的含油性评价以及烃类赋存状态研究工作，分析含油性特征；最后，综合全区裂缝发育与储集性、含油性特征，进行有利层段优选。

2.1 含油性

风城组沉积期，玛湖凹陷经历了气候由潮湿向半干旱转变的过程，从风一段沉积晚期至风二段沉积早期为湖侵，之后逐渐湖退，形成全球迄今最古老的广覆式碱湖型优质烃源岩，生烃潜力巨大，资源量丰富[15-18]。玛湖凹陷风城组烃源岩全区稳定分布，厚度相对较大，西斜坡区最厚，可达300 m。玛页1 井风城组117 个样品点总有机碳含量为0.08%～4.17%，平均为0.81%；总硫含量为0.006 8%～4.560 0%，平均为1.460 0%；碳硫含量比为0.02～41.01，平均为1.53；硫酸盐还原指数为1.020%～35.880%，平均为3.880%。现代沉积物中，硫化与正常淡—咸水沉积之间的界线为：碳硫含量比为2.00，硫酸盐还原指数为1.375%。当硫酸盐还原指数小于1.375%时，随其增大，总有机碳含量快速降低，说明硫酸盐还原反应消耗有机质较快；当硫酸盐还原指数大于1.375%时，硫酸盐还原反应强度增加，总有机碳含量多低于2.00%，说明硫酸盐强还原反应会持续消耗有机质，使得总有机碳含量降低[19-24]。通过总有机碳含量和总硫含量分析，风城组主要为硫化沉积环境，硫酸盐还原指数整体大于1.375%，有机质的保存强于消耗，较不利于形成富有机质的页岩，因此风城组总有机碳含量一般小于2.00%，可能与同期发育的火山活动有关[25-26]。

纵向上，风二段的生烃能力优于风三段[18]。风城组发育独特的蓝细菌与杜氏藻2 类生烃母质，其中蓝细菌分布于玛湖凹陷沉积边缘区的泥质岩中，杜氏藻分布于玛湖凹陷沉积中心区的白云质岩中[27-30]。风城组烃源岩现今处于中成熟—成熟演化阶段，生烃中心位于碱湖沉积中心，玛页1 井干酪根以Ⅱ型—Ⅲ型为主（图2），镜质体反射率为0.85%～1.40%[18]，主体处于成熟阶段；页岩中原油赋存状态主要为游离态，平均含量约为1.61 mg/g，占平均总含油量的80%左右，含油性越好，散失程度越高，平均恢复系数为2.97。玛页1 井风城组连续取心284.31 m，均见油气显示。总之，玛湖凹陷风城组整体含油，为典型的碱湖型白云质页岩油，游离油在粒间孔和层理缝中呈现连续分布，夹层型页岩中游离油含量平均可超过3.00 mg/g，具近源富集特征，具备较高的含油性和可动资源潜力。

图2 玛页1井风城组有机质类型判定Fig.2.Determination of organic matter types in Fengcheng formation in Well Maye-1

2.2 储集性

2.2.1 岩石学特征

根据对9 口井风城组岩心观察，结合测井解释，玛湖凹陷风城组中有石英、钾长石、斜长石、白云石、铁白云石、方解石、硅硼钠石、碳钠钙石、黏土矿物、黄铁矿等矿物（图3）。玛北地区沉积中心以半深湖—深湖白云质泥岩和泥岩为主，发育白云质、硅质、灰质、黏土质和凝灰质5 种类型，可细分为长英质、硅质、碳酸盐和碱性矿物4类纹层。

图3 玛湖凹陷风城组矿物含量分布Fig.3.Distribution of mineral contents of Fengcheng formation in Mahu sag

2.2.2 孔隙发育特征

玛湖凹陷风城组发育宏观与微观2 类储集空间类型，形成孔隙、裂缝与缝合线三重储集空间，构成页岩油优势充注通道[31-32]。纹层状白云质岩与粉砂岩是优势储集岩相类型，其中发育粒间孔、晶间孔、粒内溶蚀孔、黏土矿物层间孔、微裂隙、层理缝等，有机孔较少发育。氮气吸附实验结果表明，风城组页岩随埋深孔隙体积变化和孔表面积变化一致，孔隙体积主要由宏孔（孔隙直径大于50 nm）贡献（图4）。同时，宏孔和中孔（孔隙直径为2～50 nm）均明显受总有机碳含量和有机质成熟度影响。页岩孔隙的总有机碳含量小于0.75%和大于1.50%时，宏孔较发育，总孔体积（宏孔和中孔）较高；总有机碳含量小于1.00%时，中孔最发育，大于1.00%时，中孔较低。宏孔随有机质成熟度升高而减少，中孔随着有机质成熟度增加而增多。结合岩石矿物特征，宏孔发育主要与长英质矿物相关，中孔主要与黏土矿物、斜长石及白云石相关。

图4 玛页1井风城组孔隙体积和表面积随深度的变化Fig.4.Variations of pore volume and surface area with burial depth of Fengcheng formation in Well Maye-1

玛湖凹陷风城组可动油含量与宏孔体积呈线性相关，单位总有机碳烃指数与宏孔体积线性相关（图5），页岩油主要存储在宏孔孔隙中。随着中孔增多，地层可动油含量与总有机碳烃指数均下降（图5），因此，中孔不利于页岩油存储。

图5 玛页1井风城组可动油含量和总有机碳烃指数与孔体积的关系Fig.5.Pore volume vs.movable hydrocarbon and hydrocarbon generation index of Fengcheng formation in Well Maye-1

综上所述，风城组页岩孔隙受地层压实作用影响不明显，页岩油主要存储在宏孔中。宏孔体积与鄂尔多斯盆地延长组长7 段近似，随有机质成熟度升高而减少，而中孔随着有机质成熟度增加而增多。玛湖凹陷风城组页岩孔隙的总有机碳含量小于0.75%和大于1.50%时，总孔体积较大。宏孔发育受到长英质相关孔隙的影响，中孔发育受到黏土矿物、斜长石、白云石等影响。

2.3 裂缝发育特征

由于区域构造挤压或剪切走滑等应力作用，研究区风城组发生破裂变形，形成高角度构造裂缝、中—低角度构造裂缝、网状裂缝等相互交错的复杂构造裂缝系统[18]。综合岩心、薄片、成像测井等资料分析，按照地质成因，可将玛湖凹陷风城组天然裂缝划分为构造裂缝、成岩裂缝和异常高压裂缝3类（图6）。其中，构造裂缝面较为平直，多发育在岩层内部，部分贯穿多个岩层；成岩裂缝以层理缝为主，发育少量缝合线，连续性相对较差，常出现弯曲和分叉；异常高压裂缝在风城组发育相对较少，产状不稳定。构造裂缝以近直立的高角度为主，中—低角度构造裂缝较少，成岩裂缝大多与地层近平行。构造裂缝的规模较小，高度通常小于25 cm；成岩裂缝在页岩层系中发育程度较高，线密度可以超过50条/m，开度集中在50 μm以下。

图6 玛湖凹陷玛页1井风城组不同类型天然裂缝Fig.6.Natural fractures in Fengcheng formation in Well Maye-1，Mahu sag

玛湖凹陷风城组天然裂缝的形成与发育受到岩性、岩石组分、岩石力学层等因素的影响。岩性是影响页岩油储集层裂缝发育程度的最基本因素，构造裂缝在粉砂质泥岩和白云质泥岩中最为发育，成岩裂缝在泥岩和白云质泥岩中最为发育。高角度构造裂缝的发育程度与黏土矿物含量呈负相关，而与脆性矿物含量呈正相关。成岩裂缝发育程度与黏土矿物和脆性矿物含量没有明显的相关性，主要受纹层密度和纹层类型的影响。构造裂缝线密度与页岩层厚度呈负相关，反映出页岩的岩石力学层对层内张裂缝的发育程度具有很强的控制作用。

玛湖凹陷风城组各段间天然裂缝差异较大，其中风一段以玄武岩和凝灰岩为主，主要发育高角度剪切裂缝。风二段发育白云质泥岩、泥岩、粉砂岩和细砂岩，除了发育较多高角度剪切裂缝，还发育大量30°～60°的中角度剪切裂缝。风三段岩性与风二段类似，除了发育高角度剪切裂缝和中角度剪切裂缝，在其顶部还存在低角度构造裂缝集中发育段。总之，风一段以火山岩为主，层理缝发育程度低，裂缝线密度较小，风二段和风三段以泥岩、粉砂岩和细砂岩为主，层理缝发育程度高，裂缝线密度大。平面上，随着离断层距离的增加，构造裂缝密度逐渐减小，在断层附近存在断层损伤带，断层损伤带的宽度与断层的规模有关。不同断层位置的构造裂缝发育程度也有所不同，通常上盘比下盘构造裂缝更为发育，断层端部的构造裂缝较中部发育。

3 有利层段筛选

3.1 基于含油性

依据游离烃含量、总有机碳含量和生烃指数，玛页1 井风城组可划分出6 个含油甜点段：①4 580.0—4 600.0 m井段，游离烃含量大于0.5 mg/g，总有机碳含量大于0.50%，生烃指数大于100；②4 613.7—4 637.7 m井段，游离烃含量大于1.5 mg/g，总有机碳含量大于1.00%，生烃指数大于200；③4 666.2—4 692.1 m 井段，游离烃含量大于2.0 mg/g，总有机碳含量大于1.00%，生烃指数大于100；④4 724.8—4 762.9 m 井段，游离烃含量大于1.5 mg/g，总有机碳含量大于1.00%，生烃指数大于200；⑤4786.8—4 810.5 m井段，游离烃含量大于1.0 mg/g，总有机碳含量大于1.00%，生烃指数大于100；⑥4 876.5—4 935.2 m 井段，游离烃含量大于1.0 mg/g，总有机碳含量大于0.50%，生烃指数大于200。

3.2 基于物性

（1）Ⅰ类甜点 孔隙度为3.5%～17.0%，渗透率为0.01～1.70 mD，玛页1 井风城组可划分出4 个Ⅰ类甜点段：①4 586—4 617 m井段为白云质粉砂岩、白云质泥岩及石灰质泥岩，以溶蚀孔、层理缝及微裂缝为主，其中中孔相对发育，与黏土矿物含量有关；②4 628—4 648 m 井段以白云质粉砂岩与纹层状白云质泥岩为主，溶蚀孔、粒间孔、层理缝及微裂缝较为发育；③4 670—4 700 m 井段以白云质泥岩与粉砂岩为主，宏孔较发育，主要发育粒间孔、层理缝及少量微裂缝；④4 725—4 760 m 井段为纹层状白云质泥岩、白云质粉砂岩、硅质岩，以溶蚀孔、层理缝为主，宏孔较发育。

（2）Ⅱ类甜点 孔隙度为3.0%～10.0%，渗透率为0.01～0.80 mD。玛页1 井风城组共划分出2 个Ⅱ类甜点段：①4 776—4 806 m井段，以纹层状白云质泥岩和白云质粉砂岩为主，储集空间以溶蚀孔和层理缝为主，宏孔较发育；②4 822—4 840 m 井段，岩相为白云质岩，储集空间以粒间孔和溶蚀孔为主。

3.3 基于裂缝密度

根据裂缝密度，玛页1井风城组储集层可分为2类甜点：Ⅰ类构造裂缝线密度大于5 条/m，层理缝线密度大于45 条/m；Ⅱ类构造裂缝线密度大于2 条/m，层理缝线密度大于30条/m（表1）。综合岩性组合、储集性、含油性、裂缝发育程度等，玛页1 井纵向上可以划分为4个相对集中的甜点段（图7）。

图7 玛页1井风城组甜点段划分Fig.7.Division of sweet spots of Fengcheng formation in Well Maye-1

表1 基于裂缝密度对玛页1井风城组有利层段划分Table 1 .Division of favorable intervals of Fengcheng formation in Well Maye-1 based on fracture density

（1）4 613—4 637 m 甜点段 游离烃含量大于1.5 mg/g，总有机碳含量大于1.00%，生烃指数大于200；白云质粉砂岩与纹层状白云质泥岩为主，溶蚀孔及粒间孔（50 nm～4 μm）较为发育，构造裂缝线密度为7.97条/m，层理缝线密度为46.13条/m。

（2）4 666—4 692 m 甜点段 游离烃含量大于2.0 mg/g，总有机碳含量大于1.00%，生烃指数大于100，白云质泥岩与粉砂岩为主，构造裂缝线密度为5.14条/m，层理缝线密度为50.49条/m。

（3）4 725—4 756 m 甜点段 游离烃含量大于1.5 mg/g，总有机碳含量大于1.0%，生烃指数大于200；纹层状白云质泥岩、白云质粉砂岩及硅质岩发育，构造裂缝线密度为2.32 条/m，层理缝线密度为34.47条/m。

（4）4 786—4 808 m 甜点段 游离烃含量大于1.0 mg/g，总有机碳含量大于1.00%，生烃指数大于100；纹层状白云质泥岩、白云质粉砂岩为主，构造裂缝线密度为2.41条/m，层理缝线密度为31.93条/m。

4 结论

（1）玛湖凹陷风城组岩相以纹层状粉砂质泥页岩和白云岩为主，岩石组分以陆源碎屑（石英和长石）及碳酸盐矿物为主，孔隙体积主要由宏孔贡献。烃源岩有机质类型以Ⅱ型为主，处于生油高峰期，游离油含量较高。裂缝以构造裂缝、成岩裂缝和异常高压裂缝为主，其中构造裂缝分为穿层剪切裂缝、顺层剪切裂缝和层内张裂缝，成岩裂缝主要为层理缝、缝合线和收缩缝，层理缝有压溶型、收缩型和异常高压型3 类，风二段、风三段发育较多中—高角度剪切裂缝和低角度构造裂缝，其形成与发育受到岩性、矿物组分、岩石力学层等因素的影响。

（2）综合岩性组合及储集性、含油性等特征，划分出4 个相对集中的甜点段。勘探开发实践中，建议在直井多段试油试采的同时，考虑选择含油性好、裂缝较发育的风二段4 725—4 756 m 和4 786—4 808 m 甜点段，开展地质基础研究与地质工程一体化技术攻关，实施水平井提产试验，以实现风城组页岩油勘探开发的全面突破。