玛南斜坡区风城组致密油藏储集层特征及控制因素

单祥，窦洋，晏奇，陈希光，彭博，易俊峰

（1.中国石油 杭州地质研究院，杭州 310023；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）

准噶尔盆地是中国西部非常规油气勘探的重要地区，盆地东部吉木萨尔凹陷中二叠统芦草沟组油气勘探获得巨大成功[1-2]，盆地西北部玛湖凹陷下二叠统风城组为非常规油气勘探的重要层系。致密油指储集在覆压基质渗透率小于或等于0.1 mD 的致密砂岩、致密碳酸盐岩等储集层中的石油；页岩油赋存于富有机质页岩层系中，富有机质页岩层系烃源岩内粉砂岩、细砂岩和碳酸盐岩的单层厚度不大于5 m，累计厚度在页岩层系的占比小于30%。玛湖凹陷风城组具有源储分离的常规砂砾岩油藏、源储相邻的致密油藏和源储一体的页岩油藏，是常规油藏和非常规油藏有序分布的全油气系统[3-4]。玛湖凹陷玛南斜坡区是风城组致密油勘探的重要领域，2018 年部署的玛湖26井和玛湖28井钻揭风城组厚层块状白云质砂岩夹薄层白云质泥岩，源储紧邻，储集层厚度占比超过70%，储集层覆压基质渗透率小于0.1 mD，风二段试油2 层获高产，证实了玛南斜坡区风城组致密油的巨大勘探潜力。前人已针对玛湖凹陷风城组沉积环境[5-6]、油气资源潜力[7-8]、玛北地区风城组页岩油富集条件[9]、页岩储集层控制因素[10-15]等方面开展了大量研究，但对于玛南斜坡区风城组致密油研究较少，储集层特征及控制因素尚不明确。玛南斜坡区风城组发育陆源碎屑、火山碎屑和碱湖自生矿物混积成因的致密储集层，对储集层岩相类型和甜点岩性认识不清，制约了油气勘探。本文综合岩心、岩石薄片、碳氧同位素、X 射线衍射、扫描电镜、高压压汞等资料，剖析研究区风城组致密油藏储集层岩相类型及储集性能，明确甜点储集层的岩性特征，以期为该区油气勘探提供借鉴。

1 地质概况

玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北缘，面积约为5 000 km2，是盆地富油气凹陷之一。玛湖凹陷玛南斜坡区与中拐凸起、克百断裂带相邻（图1a），整体为一大型平缓向东南方向倾斜的单斜构造，二叠系倾角为3°～8°，局部发育低幅度平台及鼻凸构造，走滑断裂发育。下二叠统风城组沉积于前陆背景，伴随强烈的火山活动[16]，与上覆夏子街组、下伏佳木河组呈不整合接触，自下而上可划分为风一段、风二段和风三段。准噶尔盆地西北缘造山带冲断造成地层强烈抬升剥蚀，为风城组近源沉积提供物质，在前陆前渊凹陷及斜坡区形成了扇三角洲沉积体系，凹陷边缘发育厚层的扇三角洲平原和内前缘砂砾岩体，向湖盆区岩性逐渐过渡为扇三角洲外前缘白云质砂岩和湖相白云质泥页岩，由盆地边缘到湖盆中心，岩相整体呈现由粗到细的有序变化[3-4]。研究区风城组发育致密油藏储集层，沉积环境为三角洲外前缘，研究目的层为风二段，该段可分为4 个亚段，从风二4亚段到风二2亚段，砂岩粒度变小，整体反映湖侵退积特征，风二1亚段为玄武岩（图1b）。

图1 研究区构造位置（a）及地层岩性剖面（b）Fig.1.(a)Structural location and(b)stratigraphic column of the study area

2 储集层特征

2.1 沉积环境

根据乌夏断裂带及玛湖凹陷北部斜坡区的研究，玛湖凹陷二叠系风城组沉积期为闭塞的碱湖沉积环境[12-13]。淡水湖相碳酸盐岩δ13C为-12.00‰～-6.00‰，咸水海相碳酸盐岩δ13C 为-5.00‰～5.00‰，超咸水湖δ13C 高达13.00‰[17-18]。玛南斜坡区风城组26 个碳氧同位素样品δ13C 为-1.09‰～3.82‰，反映其沉积水介质以咸水为主。其中，风二2亚段δ13C 为-1.07‰～3.82‰，风二3亚段δ13C 为-1.09‰～-0.32‰，风二2亚段δ13C较风二3亚段大，水体更咸。δ13C与古盐度关系密切，δ13C 和δ18O 通常均随着介质盐度升高而增大，Keith等[19]提出同位素系数Z：

同位素系数大于120 时，为海相碳酸盐岩；小于120 时，为湖相碳酸盐岩。计算得出研究区风二段所有样品的同位素系数为120.49～135.32，反映整体为咸水沉积环境，其中，风二2亚段同位素系数为121.61～135.32，平均为131.31；风二3亚段同位素系数为120.49～126.05，平均为123.40，风二2亚段水体盐度高于风二3亚段。碳氧同位素的相关性可以反映水体的封闭和开放程度，封闭型咸水—半咸水湖泊的δ13C和δ18O 通常具有明显的正相关关系，相关系数多为正值且随着封闭程度增大而增大。研究区风二2亚段碳氧同位素相关系数为0.707 6，反映水体较封闭；风二3亚段碳氧同位素相关系数为0.080 8，反映水体较开放（图2）。因此，研究区风二段整体为咸水沉积环境，风二2亚段水体更封闭且盐度较高，风二3亚段水体封闭性较差，盐度较风二2亚段低。风二段由深至浅岩石粒度变小，结合碳氧同位素分析可以推断，风二段沉积早期淡水注入较多，物源较充足，湖盆较开放，随着物源供给减弱，由深至浅蒸发作用变强，湖盆封闭性加强，水体咸化。

图2 研究区风二段储集层碳氧同位素分布及与现代湖泊对比（现代湖泊碳氧同位素数据引自文献［18］）Fig.2.Distribution of carbon and oxygen isotopes in the Feng 2 member reservoir in the study area and its comparison with modern lakes(the carbon and oxygen isotope data of modern lakes are quoted from Reference [18])

2.2 岩石组分与岩相类型

研究区风城组岩石组分主要有陆源碎屑、火山碎屑及自生化学沉淀矿物3种来源。陆源碎屑包括长石、岩屑和石英，长石和岩屑的含量占陆源碎屑的90%以上。典型的凝灰质火山碎屑有浆屑（图3a）、自形—半自形长石晶屑（图3b）、半自型角闪石晶屑、脱玻化为骸晶的火山灰（图3c）等。砂岩中的陆源碎屑由于水流搬运作用，磨圆较好（图3d），并且具有一定的定向性；凝灰质火山碎屑颗粒多呈棱角状，定向性不明显，被脱玻化的火山灰胶结。高含凝灰质的岩石中常见由于压溶作用形成的缝合线构造（图3e）。风城组火山碎屑物质富含Na 和Ca，基岩风化以及凝灰质水解提供了大量Na+、Ca2+、Mg2+等金属阳离子，与结合形成了风城组碱类矿物，随着水体碱度增大，碱类矿物从含Ca 类矿物（方解石和白云石）向含Na 和Ca 类矿物（碳钠钙石）以及含Na 类矿物（苏打石）过渡[20]。研究区风城组碱湖自生矿物常见方解石（图3f）、白云石（图3g）、硅硼钠石（图3h）、碳钠钙石（图3i）、碳钠镁石、苏打石等。通过全岩X 射线衍射分析可知，各类岩性均含白云石、方解石及黏土矿物，白云石含量为2.0%～42.4%，平均为16.0%；方解石含量为0～43.5%，平均为12.0%；黏土矿物含量为0～14.4%，平均为6.3%。黏土矿物总含量低，含角闪石等不稳定矿物，反映风城组沉积物化学风化作用较弱，以物理风化作用为主，这与干旱碱湖沉积环境有关。

图3 研究区风二段储集层镜下特征Fig.3.Microscopic characteristics of the Feng 2 member reservoir in the study area

研究区风城组储集层陆源碎屑、火山碎屑和自生矿物多元混积，岩性复杂，根据矿物组成的岩性定名较为繁琐。根据沉积构造，将岩石分为块状和纹层状；根据方解石和白云石含量，将岩石分为石灰质（方解石含量大于15%）和白云质（白云石含量大于15%）；根据岩石粒度，将岩石分为中—细砂岩、细砂岩、粉砂岩和泥岩。按照上述分类方法，将研究区风城组致密油藏储集层划分为块状石灰质中—细砂岩相、块状白云质细砂岩相、纹层状白云质粉砂岩相和纹层状白云质泥岩相4种优势岩相类型。

（1）块状石灰质中—细砂岩相 岩石呈灰白色，整体为块状层理或不明显的粒序层理（图4a）。岩石组分主要为石英、长石和火山碎屑，陆源碎屑颗粒呈次圆状，与火山喷发来源碎屑有显著区别（图4b）。粒间被绿泥石、方解石以及铁方解石胶结，部分颗粒被方解石交代。具有中自然伽马、低电阻率、低密度特征（图4c）。主要发育在风二4亚段三角洲外前缘—内前缘过渡带。

（2）块状白云质细砂岩相 岩石呈灰色或灰白色，整体为块状层理（图4d）。岩石组分包括石英、长石、岩屑、凝灰质、碳钠钙石、方解石、白云石等，碎屑颗粒常被碳酸盐矿物交代。凝灰质主要为半自形棱角状长石晶屑、半自形角闪石晶屑、粒间火山灰填隙物等（图4e）。具有高自然伽马、中—高电阻率、中—低密度特征（图4f）。主要发育在风二3亚段。

（3）纹层状白云质粉砂岩相 岩石呈灰色或深灰色，岩心见明暗交替的纹层结构，可见负载构造、火焰构造、揉皱构造等重力流成因的标志（图4g）。明层富砂，暗层富泥级火山灰。岩石组分有粉砂级石英、长石、薄层状自生方解石以及分散状白云石，碎屑颗粒常被碳酸盐矿物交代（图4h）。具有高自然伽马、高电阻率、高密度特征（图4i）。主要发育在风二2亚段靠近湖盆的三角洲外前缘。

（4）纹层状白云质泥岩相 岩石多呈深灰色或黑色，岩心见有明暗交替的纹层结构，明层富自生碳酸盐矿物，如碳钠钙石和方解石；暗层富泥级长英质及有机质（图4j）。岩石组分主要为来自火山灰的泥级长英质矿物，黏土矿物含量低，有机质含量高，常见黄铁矿，薄片可见碎屑纹层和富有机质纹层。常见碳钠钙石和硅硼钠石，顺纹层或穿纹层分布（图4k），与泄水缝中的矿物沉淀有关，多为成岩期产物。具有高自然伽马、中—高电阻率、高密度特征（图4l）。主要发育在风二2亚段低能安静的滨浅湖。

图4 研究区风二段岩相类型及特征Fig.4.Lithofacies and characteristics of the Feng 2 member in the study area

2.3 储集空间特征

根据铸体薄片及扫描电镜分析结果，研究区风城组储集空间为孔隙和裂缝2 大类，孔隙包括残余粒间孔、火山碎屑溶孔和白云石晶间孔。块状石灰质中—细砂岩以残余粒间孔和火山碎屑溶孔为主，孔隙直径通常为20～100 μm（图5a、图5b）；块状白云质细砂岩以残余粒间孔和凝灰质溶孔为主，孔隙直径通常为10～20 μm（图5c、图5d）；纹层状白云质粉砂岩以粒间微孔为主，孔隙直径为1～10 μm（图5e、图5f）；纹层状白云质泥岩以晶间孔为主，孔隙直径小于1 μm（图5g）。裂缝包括构造缝和矿物层间缝（图5h、图5i）。研究区风城组特低孔特低渗储集层的原始渗流能力非常差，裂缝发育可提高储集层有效性，微裂缝能沟通微小孔隙，有效增大储集层渗透率，改善储集层渗流能力。

图5 研究区风二段储集空间特征Fig.5.Reservoir spaces of the Feng 2 member in the study area

2.4 孔隙结构特征

通过高压压汞实验对研究区风城组储集层孔隙结构进行研究，不同岩相孔隙结构差异较大（图6）。块状石灰质中—细砂岩排驱压力一般小于5 MPa，孔喉半径主要为60～1 200 nm，半径为250～400 nm 的孔喉对渗透率起主要贡献；块状白云质细砂岩排驱压力为5～10 MPa，孔喉半径主要为15～100 nm，半径为40～100 nm的孔喉对渗透率起主要贡献；纹层状白云质粉砂岩排驱压力为10～20 MPa，孔喉半径主要为4～63 nm，半径为25～40 nm 的孔喉对渗透率起主要贡献；纹层状白云质泥岩排驱压力多大于45 MPa，孔喉半径主要为10～25 nm，半径为16～25 nm 的孔喉对渗透率起主要贡献。参考鄂尔多斯盆地三叠系长6 段致密储集层，临界喉道半径下限定为54 nm，块状石灰质中—细砂岩和块状白云质细砂岩喉道半径较大，原油在储集层中以游离态为主；纹层状白云质粉砂岩和纹层状白云质泥岩喉道半径多小于临界喉道半径，原油不能在储集层中自由流动，呈吸附态。

图6 研究区风二段储集层孔隙结构特征Fig.6.Characteristics of reservoir pore structures in the Feng 2 member in the study area

3 储集层控制因素

3.1 岩相类型

不同岩相类型储集层品质差异大，岩相类型通过控制沉积物的组分和结构来影响储集层储集性能，块状石灰质中—细砂岩相陆源碎屑含量最高，碎屑颗粒较粗，分选和磨圆好，原始渗透性好，由于砂质刚性颗粒的抗压实作用强，粒间原生孔隙得以最大程度保存，实测孔隙度为4.4%～10.2%，平均为6.9%。随着岩相从块状石灰质中—细砂岩相变为块状白云质细砂岩相，再变为纹层状白云质粉砂岩相及纹层状白云质泥岩相，岩石中陆源碎屑含量不断减小，而火山碎屑特别是细粒的火山灰含量逐渐增大，导致岩石抗压实能力减弱，不利于粒间孔隙保存。其中，块状白云质细砂岩相孔隙度为1.8%～8.8%，平均为4.6%；纹层状白云质粉砂岩相和纹层状白云质泥岩相孔隙度分别为1.0%～4.5%，平均仅为2.8%。岩相变化是沉积环境变化的直接体现，纹层状白云质粉砂岩相和纹层状白云质泥岩相形成于较为封闭的碱湖，白云石、碳钠钙石、硅硼钠石等自生矿物发育，虽发育一定数量的纳米级晶间孔隙，但喉道窄，储集层致密。

3.2 成岩作用

研究区风城组致密储集层成岩作用复杂，对储集层孔隙演化影响较大的有压实作用、溶蚀作用以及火山碎屑的脱玻化作用。

压实作用主要影响储集层原生孔隙的保存，不同岩相压实作用差异大，陆源碎屑及火山晶屑含量高的岩石抗压实能力强。

溶蚀作用是风城组储集层次生孔隙的重要成因之一，储集层富含火山岩屑、长石晶屑等易溶组分，致密油源储一体，生烃有机酸无需大规模运移即可溶蚀储集层中的易溶组分。由薄片及扫描电镜观察可见，长石以及火山碎屑溶蚀，形成大量微米级孔隙，铸体薄片面孔率统计结果显示，溶孔占显孔的35%。

火山碎屑的脱玻化作用对储集层主要起破坏作用，仅在少量薄片中发现火山玻璃的脱玻化孔隙，常见岩石被脱玻化的火山灰胶结。受原始火山灰组分以及脱玻化程度的控制，玻屑凝灰岩储集层较晶屑凝灰岩储集层物性更好，酸性火山灰较中—基性火山灰更易于脱玻化[21-23]。酸性火山灰SiO2含量高，Mg和Fe含量低，与基性火山灰相比，酸性火山灰中的Si-O 四面体含量更高，共用氧角顶数更多，氧的有效静电荷更少，对阳离子的吸引能力较弱，此种Si-O 结构和Al-O 结构更容易从原来的玻璃质中脱离，形成石英、长石等矿物。研究区风城组火山灰以晶屑为主，且晶屑类型主要为斜长石，反映火山灰源自中性岩浆，不利于脱玻化作用。风城组碱性成岩条件下，火山碎屑水解脱玻化产物更有利于长石晶屑形成长石次生加大，进一步堵塞粒间孔隙，降低了研究区风城组储集层孔隙发育程度。

3.3 裂缝

玛湖凹陷风城组受多期构造运动的影响，二叠世海西运动使准噶尔盆地西北缘成为碰撞隆起带以及与隆起带相邻的碰撞前陆型沉积区，剧烈的构造运动造成西北缘发育大型逆冲断裂以及相关的复杂褶皱；印支运动和燕山运动导致的推覆构造活动又不同程度地改造了海西运动期断裂分布，造就了现今的断裂和裂缝发育格局。裂缝发育程度受构造运动及储集层脆性控制[24-28]。研究区风城组致密储集层富含长英质矿物、方解石、白云石等脆性矿物，黏土矿物含量低。根据全岩X 射线衍射结果可知，利用（石英+长石+方解石+白云石+碳钠钙石）含量/矿物总量计算储集层脆性指数，上述4 类岩相均超80%，整体脆性较强，有利于裂缝发育。

按照产状将研究区风城组储集层裂缝分为直劈缝、斜交缝和水平缝3 类。直劈缝在块状石灰质中—细砂岩和块状白云质细砂岩中较发育，倾角多大于80°（图7a、图7b），长度多大于30 cm，最长达240 cm，裂缝面较平整，通常无填充物。斜交缝倾角大于30°（图7c），长度通常为8～20 cm，开度约为1 mm，偶见裂缝壁有白色方解石胶结物。水平缝在研究区风城组储集层中最为普遍，尤其在纹层状白云质粉砂岩中十分发育，水平缝倾角小于30°，裂缝密度多为2～8条/dm，最大可达10 条/dm，沿着岩心水平缝可见原油渗出（图7d、图7e），铸体薄片中水平缝开度约为25 μm（图7f）。成像测井资料显示，高产油井段均发育裂缝，体现了裂缝与孔隙的配置控制油气产能，裂缝发育是油气高产的必要条件。

图7 研究区风城组储集层裂缝特征Fig.7.Fracture characteristics of the reservoirs in the Fengcheng formation in the study area

4 结论

（1）玛南斜坡区风城组为封闭咸化湖盆沉积，由陆源碎屑、火山碎屑和自生矿物按不同比例混合沉积形成储集层，按照沉积构造、胶结物类型以及岩石粒度，将储集层岩相类型划分为块状石灰质中—细砂岩相、块状白云质细砂岩相、纹层状白云质粉砂岩相和纹层状白云质泥岩相4类。

（2）研究区风城组储集层孔隙类型有残余粒间孔、火山碎屑溶孔、矿物晶间孔、微裂缝等。块状石灰质中—细砂岩相和块状白云质细砂岩相发育直径为10～100 μm 的大孔隙，孔喉半径多大于63 nm；纹层状白云质粉砂岩相和纹层状白云质泥岩相孔隙直径小于10 μm，孔喉半径小于63 nm。

（3）优势储集岩相是优质储集层形成的基础，溶蚀作用决定次生孔隙的形成，火山灰脱玻化形成长英质胶结物加剧储集层致密化，裂缝发育是油气高产的必要条件。研究区块状石灰质中—细砂岩相和块状白云质细砂岩相压实作用相对较弱，细粒火山灰含量相对较低，物性和孔隙结构较好，是较优质的储集层。