玛湖凹陷风城组页岩油产量影响因素及甜点评价

刘财广，季瑞雪，王伟，张融

（中国石油 新疆油田分公司a.勘探开发研究院；b.采气一厂，新疆 克拉玛依 834000）

随着国民经济的发展，中国原油对外依存度逐年提升，加快页岩油的勘探与开发成为保障国家能源安全的重点[1]。2010 年起，新疆油田在准噶尔盆地中—下二叠统的油气勘探由常规油气勘探步入非常规油气勘探阶段，经过近10 年的探索，吉木萨尔凹陷页岩油获得突破[2-5]。2014 年，准噶尔盆地玛湖凹陷部署风南14 井，风城组试油获得突破，为进一步探索玛湖凹陷风城组页岩油勘探潜力，于2019年部署玛页1井，风城组全井段取心444.70 m，获油浸级岩心6.12 m，油斑级岩心175.03 m，油迹级岩心184.23 m，试油获得高产，展示了玛湖凹陷风城组页岩油良好的勘探潜力。但玛湖凹陷风城组页岩油勘探起步晚，前人按吉木萨尔凹陷陆相页岩油勘探思路对玛湖凹陷风城组页岩油进行了全面、系统的分析及研究，认识到玛湖凹陷风城组具有岩性复杂、地层混积、源储一体、整体含油、甜点分散、裂缝发育程度不一等特点[6-11]，以吉木萨尔凹陷“三品质”为核心的中国陆相页岩油甜点评价研究成果不能满足玛湖凹陷风城组页岩油的勘探需求，亟需开展储集层综合评价工作，落实玛湖凹陷风城组页岩油有利勘探区。鉴此，本文以页岩油“三品质”评价理论为基础，建立适用于玛湖凹陷风城组页岩油的“三品质”评价方法。从烃源岩品质、储集层品质、工程品质、压裂规模、裂缝发育情况等角度出发，系统分析总有机碳含量、氯仿沥青“A”含量、孔隙度、含油饱和度、游离油含量、脆性指数、孔隙压力、两向应力差等对产量的影响，同时结合产量与裂缝及压裂的关系，综合分析影响玛湖凹陷风城组页岩油产量的主控因素，建立玛湖凹陷风城组页岩油综合甜点评价的方法，以期实现玛湖凹陷风城组页岩油有利区的精准评价，为准噶尔盆地玛湖凹陷风城组页岩油下一步勘探部署提供依据。

1 地质背景

玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北缘，风城组页岩油主要发育于玛湖凹陷北斜坡带。玛湖凹陷风城组总体向凹陷内倾斜，为西北厚、东南薄的楔型地质体[12]。风城组纵向上发育2套页岩油甜点段和1套高孔火山岩储集层，页岩油甜点段分别位于风城组三段中—下部和风城组二段，火山岩储集层位于风城组一段中—下部。风城组三段页岩油甜点主要分布在乌尔禾鼻隆及其东、西两翼，相对集中；风城组二段页岩油甜点分布范围较广，从百泉1 井区、乌尔禾鼻隆至夏72 井以西地区均有分布；风城组一段高孔火山岩储集层主要分布于乌尔禾鼻隆东翼及夏72 井以东地区。玛湖凹陷风城组为碱湖沉积，受多种沉积作用影响，形成3 大类岩性：第一类为外碎屑为主的碎屑岩类，可细分为砂砾岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩及泥岩；第二类为细碎屑岩与碳酸盐岩过渡性岩类，可细分为白云质粉砂岩、白云岩及白云质泥岩；第三类为火山岩类[13]。上述岩石类型以不同方式和比例混合沉积形成混积岩，岩石沉积韵律性强，呈纹层状与薄纹层状、薄互层状，规模一般在厘米级到毫米级。岩石粒度小、颜色深、富含黄铁矿，浅色含碱性矿物层与暗色层互层，具有矿物成分复杂、岩性纵向变化快等特征[14-15]。

2 “三品质”评价

“三品质”评价是指烃源岩品质评价、储集层品质评价和工程品质评价。“三品质”评价研究是非常规油气提产增效的基础和关键。其中，烃源岩品质主要评价资源甜点区，控制储集层含油性；储集层品质主要评价物性甜点区，控制储集层物性基础；工程品质主要评价工程甜点区，指导优化压裂[16-17]。“三品质”评价是非常规油气评价的重要内容，以此为基础开展页岩油甜点评价，优选出页岩油地质甜点和工程甜点，为后续的勘探开发提供借鉴。

2.1 储集层品质

页岩储集层品质评价是对储集层岩性、物性、孔隙结构、含油性、游离油含量、裂缝发育程度等关键参数进行评价，并确定储集层品质敏感参数[18-19]。玛湖凹陷风城组岩性复杂、矿物种类多样，平均孔隙度为4.61%，平均渗透率为0.134 mD，属特低孔特低渗储集层[20]。储集层流体按赋存状态可分为吸附油、可动水、毛细管水等，吸附油因具有较大的吸附能，原位改造难度大，难以动用，而游离油可以通过体积压裂实现有效开发。因此，游离油含量的连续定量表征是页岩储集层品质评价的核心[21-22]。根据扫描电镜及润湿角测量实验结果表明，与浮力成藏的水润湿常规油层不同，玛湖凹陷风城组页岩储集层为混合润湿，既有油润湿又有水润湿（图1），润湿性复杂，油水赋存状态多样，流体性质识别困难。

图1 玛湖凹陷玛页1井风城组页岩扫描电镜照片Fig.1.Microscope images of Fengcheng formation shale from Well Maye-1，Mahu sag

目前，复杂润湿性储集层流体性质识别最有效的方法是核磁共振测井，而一维核磁共振测井对于复杂润湿性储集层流体识别存在多解性，难以区分油层和水层，二维核磁共振测井通过纵向—横向弛豫时间法能有效识别复杂润湿性储集层的流体性质[23-25]。本文通过二维核磁共振岩心饱和水—离心—饱和油联测实验，明确了玛湖凹陷风城组页岩油不同赋存状态下流体的纵向弛豫时间（T1）与横向弛豫时间（T2）的比值及其在二维谱上的分布特征（图2a—图2c）。

图2 玛湖凹陷风城组二维核磁共振流体性质识别图版Fig.2.Identification chart of 2D NMR fluid properties in Fengcheng formation，Mahu sag

由实验结果可知，玛湖凹陷风城组吸附油T1与T2的比值最大；可动水T1与T2的比值小于游离油T1与T2的比值。结合测井资料，建立玛湖凹陷风城组二维核磁共振流体性质识别图版（图2d），实现了玛湖凹陷风城组游离油与吸附油的高精度评价。

2.2 烃源岩品质

有针对性地采集烃源岩样品进行有机地球化学分析，得到一系列参数进行烃源岩品质评价。一般用总有机碳含量、氯仿沥青“A”含量、可溶烃、热解烃等参数，综合分析判断有机质类型、丰度及成熟度，确定烃源岩的生烃潜力和排烃能力，为油气勘探部署和资源评价提供科学依据。

根据有机地球化学分析可知，玛湖凹陷风城组页岩油有机质类型以Ⅱ型干酪根为主，有机质丰度评价为中等—好的烃源岩，有机质成熟度为成熟阶段[26]。

针对总有机碳含量及烃源岩油气含量测井评价，学者在ΔlgR基础上，提出了具有不同适应性的测井评价模型[27-29]。玛湖凹陷风城组页岩油总有机碳含量测井计算模型：

氯仿沥青“A”含量测井计算模型：

2.3 工程品质

地质甜点及工程甜点是非常规油气勘探与开发的2 个重点研究内容[30-31]，其中，烃源岩品质及储集层品质评价主要确定地质甜点；工程品质评价主要确定工程甜点。大规模水力压裂促进页岩油效益开发，工程甜点评价是实现高效压裂的重要研究内容。工程品质评价主要包括脆性与地应力及其各向异性。

地应力方向可以根据FMI电成像测井，拾取诱导缝和井壁崩落方位以及双井径短轴长轴方位进行判别，分别指示现今最大和最小水平主应力方向[32-33]。根据岩石声速力学实验，建立玛湖凹陷风城组页岩油动态弹性参数计算模型：

由于玛湖凹陷风城组岩性、矿物复杂，应用声速和单轴力学实验确定的动态、静态弹性参数建立的转换模型关系差。分析可知动态、静态泊松比与长石相关性好，其随长石含量的增大而减小。岩石组分是造成动态、静态泊松比差异的主要因素。据此，建立了基于矿物校正后的动态、静态弹性参数转换模型：

岩石力学中，根据单轴压缩时应力—应变曲线所反映的岩石变形特征，常把岩石分为弹脆性岩石、弹塑性岩石和塑性岩石3 种，弹性形变与塑性形变一定程度上反映了岩石脆性[34-35]。据此，结合岩石应力—应变实验，确定玛湖凹陷风城组页岩脆性指数计算公式：

脆性与静态杨氏模量也具有较好的相关性，脆性指数测井参数计算模型：

孔隙压力的计算采用泥岩声波欠压实模型[36]：

前人在研究二叠纪盆地垂向水力压裂扩展时提出了黏塑性应力松弛模型[35]：

在应力松弛模型的基础上，结合差应变实验及岩石蠕变性实验，确定玛湖凹陷风城组页岩油应力计算模型：

最终建立了适用于玛湖凹陷风城组页岩油的“三品质”评价模型，各类参数评价结果与实验分析数据相吻合（图3），其中计算结果与岩心分析结果交会图位于中线，计算结果与实验分析结果误差小，评价模型精度高。

图3 玛页1井“三品质”综合评价Fig.3.Comprehensive evaluation of“three qualities”for Well Maye-1

3 产量影响因素分析及综合甜点评价

3.1 产量影响因素

页岩油有利靶区既是页岩油地质甜点区，又是工程甜点区[16]。因此，能表征页岩油地质和工程甜点的主要敏感参数即为页岩油产量影响因素。在玛湖凹陷风城组8口页岩油探井“三品质”评价基础上，分析各个参数与产量的关系，寻找影响产量的主要敏感参数。

3.1.1 地质甜点

对比评价结果可知，游离油孔隙度越高，产油量越高。以风南14井为例，S4层基质物性与S1层、S2层相差不大，总孔隙度均为4%～5%，但日产油量相差较大；S3 层较S1 层、S2 层及S4 层相比，总孔隙度大，但日产液量相差不大（表1）。

表1 风南14井试油段参数Table 1 .Parameters of the perforated intervals in Well Fengnan-14

为厘清产量与地质甜点参数的关系，分别将产量与烃源岩品质参数和储集层品质参数做进一步分析。发现米产油量和米加砂量的比值（用比值去除压裂规模对产油量的影响）与游离油孔隙度呈正相关关系，相关系数为0.965 4（图4a）；米产液量与米加砂量的比值与总孔隙度相关性不高（图4b）。即玛湖凹陷风城组页岩油总孔隙度对产量控制作用不明显，游离油孔隙度是影响产量的主控因素。因此，游离油孔隙度为地质甜点的主要敏感参数。

3.1.2 工程甜点

分析工程品质参数对产量的影响可知，米产液量和米加砂量的比值与最小水平主应力呈负相关关系，最小水平主应力越小，产液量越大（图4c）。米产油量和米加砂量的比值与脆性指数呈正相关关系，脆性指数越大，米产油量和米加砂量的比值越大（图4d）。产液量和产油量与孔隙压力系数均有一定正相关关系，孔隙压力系数越大，米产油量和米加砂量的比值、米产液量和米加砂量的比值越大（图4e、图4f）。综合分析，最小水主应力和孔隙压力对产液量控制作用显著，对产油量控制作用不显著，脆性指数对产油量控制作用显著。因此，脆性指数为工程甜点的主要敏感参数。

图4 玛湖凹陷风城组产量与页岩储集层各参数的关系Fig.4.Relationships between production and parameters of the shale reservoirs in Fengcheng formation of Mahu sag

3.1.3 裂缝及压裂规模

水力压裂是提高页岩油产量及效益开发的有效手段，与北美海相及中国其他地区页岩油不同，玛湖凹陷风城组页岩油埋深大（大于3 500 m），且裂缝发育，玛页1井裂缝评价显示，玛湖凹陷风城组一段、风城组二段及风城组三段裂缝均发育，发育天然裂缝147条，以高角度高阻缝为主。声波远探测评价结果显示，风城组井周裂缝同样发育（图3）。本文按裂缝发育程度及有效性，分析压裂规模对产量的影响。研究结果显示，产液量与加液量和加砂量都呈正相关关系（图5），因此，对于深层页岩油，压裂依然是提高产量的有效手段，裂缝发育程度及有效性是影响产量的关键参数。

图5 玛湖凹陷风城组产液量与加液量及加砂量的关系Fig.5.Liquid production vs.added liquid volume and added sand volume

3.2 综合甜点评价

根据地质甜点主要敏感参数游离油孔隙度和工程甜点主要敏感参数脆性指数，建立储集层品质指数。研究表明，平均日产油量与储集层品质指数呈正相关关系，相关系数为0.862 4（图6a）。

玛湖凹陷风城组页岩油裂缝发育程度及有效性也是影响产量的关键参数，平均日产油量与统计射孔段10 m 内有效裂缝条数呈正相关关系，相关系数为0.805 9（图6b）。

图6 玛页1井平均日产油量与储集层品质指数及裂缝数量的关系Fig.6.Average daily oil production vs.reservoir quality index and fracture quantity in Well Maye-1

据此，根据储集层品质指数及裂缝密度建立了玛湖凹陷风城组页岩油综合甜点评价标准（表2）。

表2 玛湖凹陷风城组页岩油综合甜点评价标准Table 2 .Comprehensive evaluation criteria for shale oil sweet spots of Fengcheng formation in Mahu sag

根据玛湖凹陷风城组页岩油综合甜点评价标准，优化了水平井玛页1H井压裂的分段分簇方案，前8段虽然储集层品质不好，储集层品质指数总体较低，但裂缝总体较发育（图7）。依据综合评价结果认为玛页1H井4 680—5 725 m 水平段Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类储集层厚度分别为452 m、172 m和421 m，前8段压裂后最高日产油量为50 m3，证实了综合甜点评价标准的可靠性。

图7 玛页1H井综合甜点评价结果Fig.7.Comprehensive evaluation results of sweet spots in Well Maye-1H

4 结论

（1）以页岩油“三品质”评价为基础，建立适用于玛湖凹陷风城组页岩油“三品质”测井综合评价技术体系，主要为以氯仿沥青“A”含量及总有机碳含量定量评价为核心的烃源岩品质评价技术；以游离油孔隙度定量评价为核心的储集层品质评价技术；以脆性指数定量评价为核心的工程品质评价技术。

（2）玛湖凹陷风城组游离油孔隙度为影响产油量核心因素。玛湖凹陷风城组总体裂缝发育，在裂缝发育井段，依旧有产油潜力。在考虑基质的同时，应当注意裂缝发育区。大规模体积压裂为有效提产手段，玛湖凹陷风城组微隙裂缝发育，裂缝网络复杂，对压裂形成复杂缝网具有积极的促进作用。

（3）以玛湖凹陷风城组页岩油“三品质”测井综合评价技术体系为基础，结合裂缝密度建立的综合甜点评价标准应用效果好，可靠性高，可为页岩油“三品质”评价、产量影响因素分析及综合甜点评价提供方法和思路。

符号注释

A——氯仿沥青“A”含量，%；

AC——实测声波时差，μs/m；

ACy——泥岩压实预测声波时差，μs/m；

b——岩石弹性柔度量度；

BIr——岩石力学参数计算脆性指数；

BIw——测井参数计算脆性指数；

CNL——补偿中子，%；

CNLbl——中子曲线基线值，%；

d——深度，m；

DENave——全井泥岩段平均密度，g/cm3；

Ed——动态杨氏模量，GPa；

Es——静态杨氏模量，GPa；

IP——储集层品质指数，%；

k——地区经验系数；

LOM——有机质成熟度相关参数；

n——应力松弛指数；

PORfo——游离油孔隙度，%；

pp——孔隙压力，MPa；

γd——动态泊松比；

γdc——基于矿物校正的动态泊松比；

γs——静态泊松比；

Rbl——电阻率曲线基线值，Ω·m；

Rt——地层真电阻率，Ω·m；

Sh——烃源岩含烃饱和度，%；

Shmax——最大水平主应力，MPa；

Shmin——最小水平主应力，MPa；

Sv——上覆地层应力，MPa；

t——地层埋深时间，104a；

TOC——总有机碳含量，%；

vp——纵波速度，m/s；

vs——横波速度，m/s；

Vf——长石类矿物相对含量，%；

ε0——应变，mm；

εa——弹性应变，mm；

εb——塑性应变，mm；

ρb——烃类密度，g/cm3；

ρo——岩石体积密度，g/cm3；

ϕT——岩石总孔隙度，%；

Δ lgR——声波时差曲线与电阻率曲线之间的距离，m。