支東明 唐 勇 鄭孟林 徐 洋 曹 劍 丁 靖 趙長永

（ 1 中國石油新疆油田公司；2 中國石油新疆油田公司勘探開發(fā)研究院；3 中國石油杭州地質研究院；4 南京大學地球科學與工程學院；5 中國石油新疆油田公司勘探事業(yè)部 ）

0 引言

準噶爾盆地位于哈薩克斯坦板塊的東部，周緣被北天山造山帶、西準噶爾造山帶、克拉美麗造山帶所圍限，面積約13×104km2，是一個大型的多期含油氣疊合盆地[1]，油氣資源豐富，目前已經在石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系與新近系等發(fā)現(xiàn)了工業(yè)油氣。其中下二疊統(tǒng)風城組的勘探歷史悠久，自20世紀80年代以來，就有多口探井在盆地西北緣瑪湖凹陷北部的風城組白云巖層系內獲得工業(yè)油流，發(fā)現(xiàn)了風3井、風城1井、風南4井、艾克1井等油藏，在勘探實踐中，認為油藏主要受到構造的控制，斷裂發(fā)育程度和儲層質量優(yōu)劣是影響油氣成藏的主要因素。2011年，隨著非常規(guī)油氣地質理論的發(fā)展，勘探從常規(guī)油氣藏向致密油氣藏拓展，以致密油的勘探思路部署風南7井，在風一段、風三段均獲得油流，風三段通過壓裂日產油10.96t，引起了勘探家對風城組勘探研究的重視，圍繞風城組的形成環(huán)境、烴源巖及白云巖儲層及主控因素等進行深入研究[2-9]。

近期，隨著油氣勘探的深入，特別是風南14井的突破，逐漸認識到了風城組沉積巖石的復雜性，巖層呈薄層、互層狀，韻律性強，具有典型的頁巖油成藏特征，展示出其是中國當前陸相頁巖油勘探的重要接替領域，以常規(guī)油氣藏形成的研究認識已不能滿足勘探需求。有鑒于此，本文應用頁巖油的勘探理念，依據(jù)地震、測井、鉆井、錄井、地球化學分析測試數(shù)據(jù)等資料，對瑪湖凹陷風城組頁巖油藏進行地質特征與成藏機制研究，一方面為下步勘探部署提供依據(jù)，另一方面也為中國陸相頁巖油成藏理論提供新積累，可望具有重要的基礎理論與實踐應用研究意義。

1 地質背景

瑪湖凹陷位于準噶爾盆地西北部，是盆地中央坳陷西北部的一個次級凹陷（圖1），凹陷面積約為5000km2，現(xiàn)今地質結構具有由山前向盆地內傾伏的特點。

圖1 準噶爾盆地瑪湖凹陷位置圖Fig.1 Location of Mahu sag in the Junggar Basin

瑪湖凹陷自下而上沉積了石炭系—白堊系。石炭系是準噶爾盆地目前最下部的勘探層系，為濱淺海、海陸交互相泥巖、碳質泥巖和火山巖建造。二疊系自下而上發(fā)育下二疊統(tǒng)佳木河組（P1j）、風城組（P1f），中二疊統(tǒng)夏子街組（P2x）、下烏爾禾組（P2w）和上二疊統(tǒng)上烏爾禾組（P3w）。佳木河組主要出露在凹陷北部的烏爾禾地區(qū)，為一套灰黃色、灰綠色、灰色礫巖、砂巖、火山巖為主的建造。風城組厚0～1800m，向北增厚，向東、南、西南減薄，在北部、西部山前帶主要為一套礫巖、砂質礫巖和含礫砂巖沉積;細粒泥頁巖、碳酸鹽巖和堿性蒸發(fā)巖主要沉積在瑪湖凹陷的中北部，風城1—夏72井區(qū)勘探程度較高，是頁巖油有利勘探區(qū)（圖1）。中二疊統(tǒng)夏子街組厚500～600m，主要為一套礫巖、砂巖、砂質白云巖和白云質粉砂巖沉積，與下伏風城組為不整合接觸。下烏爾禾組厚500～1600m，為一套礫巖、砂質泥巖互層及泥巖夾含礫砂巖。風城組和下烏爾禾組是瑪湖凹陷已發(fā)現(xiàn)油氣最主要的烴源巖[10-12]。

瑪湖凹陷自風城組沉積后，經歷了中二疊世、晚二疊世—三疊紀、侏羅紀、白堊紀和新生代等不同時期、不同方式的沉積、構造事件，整體被上覆上二疊統(tǒng)—新近系埋藏，主體部位埋藏深度大于5000m，埋藏深度小于4500m的區(qū)域主要在瑪湖凹陷西部和北部斜坡區(qū)，面積為1370km2。

2 風城組頁巖油藏地質特征

2.1 地層混積

瑪湖凹陷風城組總體向凹陷內傾斜，為西北厚、東南薄的地層楔型地質體，自下而上分為3段（圖2）。風一段（P1f1）厚0～412m，自西北向東南減薄，自上而下又分為2個層組。一層組（P1f11）主要為灰色、深灰色白云質頁巖、泥質白云巖、頁巖，夾薄層灰色、深灰色、灰黑色泥質粉砂巖、蒸發(fā)巖;二層組（Pf2）11在風城1—艾克1井區(qū)為灰色、深灰色頁巖、粉砂質頁巖、粉砂巖夾泥質粉砂巖，在凹陷西部百泉1井區(qū)為白云質粉砂巖、粉砂質頁巖、泥質粉砂巖等，凹陷東北部夏72井區(qū)底部主要為玄武巖、火山角礫巖、安山巖、流紋巖等。

風二段（P1f2）厚0～326m，自上而下分為3個層組。一層組（P1f21）巖性以灰色、深灰色、褐灰色泥質白云巖為主，其次為白云質頁巖，夾泥質粉砂巖、堿性蒸發(fā)巖;二層組（P1f22）巖性以灰色、深灰色白云質頁巖為主，其次為泥質白云巖，夾堿性蒸發(fā)巖、泥質粉砂巖;三層組（P1f23）巖性為灰色、深灰色頁巖、白云質頁巖。

風三段（P1f3）厚0～850m，自上而下分為3個層組。一層組（P1f31）巖性為灰色頁巖、灰褐色含礫頁巖，夾灰色、深灰色薄層含礫粉砂巖、含砂礫巖;二層組（P1f32）巖性為深灰色、灰色頁巖、白云質頁巖、泥質粉砂巖、白云質粉砂巖，夾泥質白云巖和堿性蒸發(fā)巖;三層組（P1f33）巖性為深灰色、灰色泥質白云巖與深灰色、灰色白云質頁巖互層，夾堿性蒸發(fā)巖。

圖2 瑪湖凹陷風城組綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive geological column of the Fengcheng Formation in Mahu sag

總體而言，風城組主要為一套沉積于堿湖環(huán)境，受機械、化學、生物、火山等沉積作用形成的礫巖、粉砂巖、頁巖、碳酸鹽巖、蒸發(fā)巖、生物巖、火山巖等建造，上述巖石類型以不同方式和比例混合沉積形成混積巖，巖石沉積韻律性強，呈紋層狀與薄紋層狀、薄互層狀，規(guī)模一般在厘米級到毫米級。巖石粒度細、顏色深、富含黃鐵礦，淺色含堿性礦物層與暗色層形成互層，具有礦物成分復雜、巖性縱向變化快等特征?，敽枷莸闹斜辈科毡榘l(fā)育白云質頁巖、泥質白云巖、白云質粉砂巖，夾堿性蒸發(fā)巖，巖心觀測發(fā)現(xiàn)天然堿（風20井、風南5井）;顯微觀測發(fā)現(xiàn)典型的堿性礦物蘇打石（風南5井）、氯化鎂鈉石（風城1井）、碳酸鈉鈣石（艾克1井）和硅硼鈉石（艾克1井）。堿性礦物，特別是巖心中出現(xiàn)的蘇打石和天然堿是指示堿湖沉積最為直接的證據(jù)。巖層中藻類發(fā)育，見季節(jié)性的紋層（風南1井）。

細粒巖石的巖礦分析數(shù)據(jù)表明，風城組混積巖成分大致可分為5類（圖3）：①與陸源碎屑有關的礦物成分（圖3a），主要為長石、石英和黏土礦物等，長石碎屑的含量遠高于石英碎屑;②與火山沉積作用有關的礦物成分（圖3b），主要為斜長石、鉀長石及石英晶屑等，少部分為難以鑒定的微細火山顆粒，如火山塵等;③與生物作用相關的藻類和細菌類（圖3c），風城組烴源巖生烴母質具有細菌發(fā)育、藻類豐度高、缺乏高等植物的特點，藍細菌發(fā)育生長紋層和生物席，鹽湖環(huán)境綠藻普遍發(fā)育;④與化學沉積相關的礦物（圖3d、e），如碳氫鈉石、碳酸鈉鈣石、硅硼鈉石、蘇打石、氯碳鈉鎂石等堿性礦物，方解石、白云石等碳酸鹽類礦物;⑤成巖膠結或交代作用形成的相關礦物（圖3f），包括（鐵或含鐵）方解石、（鐵或含鐵）白云石、沸石類（如方沸石、斜發(fā)沸石、濁沸石）及自生石英、黃鐵礦、菱鐵礦等。

圖3 瑪湖凹陷風城組巖石礦物特征Fig.3 Mineralogical characteristics of the Fengcheng Formation in Mahu sag

2.2 源儲一體

瑪湖凹陷北部發(fā)現(xiàn)的眾多油氣田的油源主要來自于風城組，風城組富含有機質和分散狀黃鐵礦，依據(jù)有機巖石學、有機地球化學、無機地球化學等資料，證實風城組堿湖烴源巖生烴母質具有細菌發(fā)育、藻類豐度高、缺乏高等植物的特點，發(fā)育紋層和生物席，烴源巖累計厚度最大超過200m[3]，分布穩(wěn)定。以數(shù)據(jù)積累較多的風二段和風三段為例（圖4a），風二段烴源巖有機碳含量一般在0.5%～2%，最高達3.5%以上;風三段烴源巖有機碳含量也一般為0.5%～2%，最高為2.8%。生烴潛量的變化趨勢類似（圖4b），風二段、風三段烴源巖的生烴潛量最高為26mg/g，并且風二段的相對更高。有機質類型主要為Ⅱ型（圖4c）。根據(jù)Tmax數(shù)據(jù)，現(xiàn)有烴源巖樣品似乎大多處于未成熟—成熟演化階段（圖4d），但需要注意的是，因為這套堿湖云質混積巖中滯留烴豐富，會造成Tmax數(shù)據(jù)偏低的“假象”，因此風城組烴源巖的實際熱演化程度更高[3]?？傊?，風城組發(fā)育優(yōu)質烴源巖，特別是處于成堿高峰期的風二段，優(yōu)質烴源巖面積可達近1000km2，巖性為獨特的云質混積巖，既有白云巖類，也有頁巖類[13]。

圖4 瑪湖凹陷風城組烴源巖有機地球化學剖面[3]Fig.4 Organic geochemical profile of source rocks of the Fengcheng Formation in Mahu sag

風城組烴源巖最發(fā)育層段也是甜點發(fā)育層段，甜點層與烴源巖層呈互層或屬于同層。以風二段為例，發(fā)育大量堿性蒸發(fā)巖，巖層厚度不等，從幾毫米至數(shù)千毫米變化較大，一般層厚數(shù)厘米，與深灰色富含星點狀黃鐵礦的白云質頁巖、白云質粉砂巖、粉砂質頁巖等互層，呈韻律出現(xiàn)。堿性礦物層常與暗色頁巖、暗色白云質頁巖組成厚度不等的韻律，夾于堿性蒸發(fā)巖中的泥質白云巖是風二段的主要甜點層。根據(jù)近200個樣品分析，風城組甜點層主要為低孔低滲透儲層，白云質粉砂巖孔隙度為0.55%～6.04%，平均為2.66%;滲透率為0.08～1.7mD，平均為0.85mD。泥質白云巖孔隙度為0.36%～11.3%，平均為6.21%;滲透率為3.06～7.12mD，平均為5.09mD。

根據(jù)鑄體薄片、電鏡資料分析，風城組甜點表現(xiàn)為裂縫—孔隙雙重介質特點。其中，基質孔隙主要表現(xiàn)為晶間孔、晶間溶孔及溶蝕孔;裂縫類型有斜交縫、網狀縫和直劈縫，裂縫密度為3～10條/m，裂縫寬度一般為0.2～10mm，裂縫長度為5～120cm。根據(jù)巖心和FMI測井資料分析，越靠近斷裂帶，裂縫越發(fā)育。風城1井風一段甜點孔隙度為1.2%～27.3%，平均為5.98%;滲透率為0.011～171mD，平均為0.09mD，局部發(fā)育中高孔中滲透儲層（孔隙度27.3%，滲透率171mD）。風城1井風三段甜點孔隙度為1%～14.76%，平均為5.26%;滲透率為0.014～111.29mD，平均為0.74mD。

2.3整體含油

瑪湖凹陷風城組整體含油，存在3種類型的油氣藏，第一類以凹陷東北部風一段火山巖和凹陷西南部斜坡區(qū)風三段火山巖為主形成的火山巖油氣藏[14-15];第二類主要分布在凹陷北部和西部山前帶的下盤，以礫巖油藏為主[16];第三類主要分布在凹陷北部風城1井—夏72井區(qū)（圖1），為賦存在混積巖中的頁巖油藏，具有橫向準連續(xù)分布、縱向多層系含油的特征（圖5）。

瑪湖凹陷北部地區(qū)鉆遇風城組的探井多數(shù)見連續(xù)的、不同程度的油氣顯示，縱向跨度為300～500m。以風南5井為例，巖屑熒光累計厚度為870m，氣測解釋油層8層厚111m、油氣同層1層厚3m、含油水層1層厚3m、差油層1層厚9m，風一段泥質粉砂巖、泥質白云巖中途測試，5mm油嘴獲油204t/d、氣12540m3/d。

圖5 瑪湖凹陷風城組頁巖油成藏剖面模式圖Fig.5 Schematic profile of shale oil accumulation in the Fengcheng Formation of Mahu sag

風城組頁巖油藏甜點巖性主要為粉砂巖和泥質白云巖?？v向上劃分為上、中、下3個甜點體（圖2）。上甜點體主要位于風三段的二、三層組，甜點體厚度大，一般為5～60m，被頁巖隔層分隔為3～7個甜點層，單層厚度為3～15m，發(fā)育相對集中，一般存在1～4層油層。以風城1井為例，在風三段熒光顯示厚度146m，發(fā)育6層油層，單層厚度為10～30m，中間被頁巖分隔。風南7井在上甜點體試油獲得10.96t/d的工業(yè)油流。

中甜點體厚度為30～60m，巖性主要為泥質白云巖，在風二段的3個層組分散發(fā)育，與堿性礦物層、富有機質泥頁巖互層發(fā)育，單層厚度較薄，一般為1～10m，被泥頁巖類分隔。風南2井在兩層泥質白云巖中分別獲得5.24t/d和6.63t/d的工業(yè)油流。

下甜點體在風一段的一、二層組均有發(fā)育，厚度為45～60m。風城1井風一段熒光顯示厚度為474m，在二層組存在2層油層，厚20～50m，厚油層試油獲得油109.8t/d、氣33200m3/d的高產油流;一層組的泥質白云巖中存在6層油層，單層厚度為1～6m，試油獲油10.47 t/d。風南14井風一段一層組分3層壓裂，初期最高日產油41m3，194天累計產油2109m3。

綜上所述，瑪湖凹陷北部頁巖油有利勘探區(qū)風城組具有多層系含油、分層聚集、準連續(xù)分布特征（圖5），風一段油氣顯示最好，風一段、風三段試油都見高產油氣流，風二段甜點分散，油層薄，甜點層與烴源巖層、堿性礦物層互層分布。

3 頁巖油成藏控制因素與機制

3.1 生烴中心控制著頁巖油的發(fā)育區(qū)

瑪湖凹陷頁巖油藏原油主要來自風城組烴源巖，具有自生自儲特征。風城組烴源巖層中堿性礦物普遍發(fā)育，堿湖水體生物貧乏，但菌藻類發(fā)育，以菌藻類為主的生油母質[5]，其生油潛力比咸水湖盆大[17-18]。風城組沉積時期瑪湖凹陷北部為生烴中心，烴源巖厚度較大、分布廣（圖6）。瑪湖凹陷北部風一段地層壓力系數(shù)為1.71～1.74，地層溫度為98～100℃，生烴增壓是超壓形成的重要因素，烴源巖生成的油氣在超壓環(huán)境中向相鄰的甜點層運移聚集。

3.2 沉積微相及巖性控制了甜點物性與頁巖油聚集層位

圖6 瑪湖凹陷北部風城組有效烴源巖厚度圖Fig.6 Thickness of effective source rocks in the Fengcheng Formation in northern Mahu sag

圖7 風南7井—夏72井沉積相連井剖面圖Fig.7 Sedimentary section across Wells Fengnan 7 and Xia 72

風城組頁巖油含油性主要取決于甜點體，甜點體又受沉積作用控制，與特定的沉積微相相關，在沉積旋回和沉積層序中具有特定的位置、面積和厚度，可細分成兩種類型。① 受濱淺湖相沉積控制的甜點體。不同類型和不同級別湖退沉積作用控制的甜點體為各類淺灘、灘壩等沉積，巖石類型為泥質粉砂巖、粉砂巖、白云質粉砂巖。這類甜點主要發(fā)育在風三段的上甜點體，如風南1井4100m處上下，斷續(xù)延伸至風南4井和風南7井（圖7）。風一段的中下部及堿性礦物不甚發(fā)育地區(qū)的部分層段也有零星發(fā)育，如風南1井。與湖進沉積相關的淺湖沉積甜點體主要為干鹽湖或堿湖環(huán)境形成的泥質白云巖和白云質頁巖，以風二段為主，風一段上部和風三段下部也有發(fā)育，平面上分布于風南7井、風南5井、艾克1井西南地區(qū)的堿性蒸發(fā)巖發(fā)育區(qū)。云質巖類沉積段中的堿性礦物、長石、方解石、白云石易溶蝕，次生粒間孔或粒內溶孔及微納米晶間孔是頁巖油重要的儲集空間[19]。②重力流沉積型甜點體。主要發(fā)育在半深湖環(huán)境，是濁流、碎屑流或滑塌沉積作用形成的甜點，規(guī)模一般相對較小，由于鉆井數(shù)量有限，取心相對較少，大部分重力流沉積很難識別。艾克1井風三段可能存在重力流沉積，主要為含礫粉砂巖及含砂礫巖，巖石分選性較差，填隙物含量高、成巖壓實強，巖石物性較差。

3.3 構造變形控制了甜點層裂縫發(fā)育

瑪湖凹陷風城組物性總體較差，巖心觀察表明，除裂縫發(fā)育的層段外，孔隙度小于5%的巖石含油性一般較差，以碎屑巖相對較好，滲透率一般很低，常壓滲透率一般小于1mD。因此裂縫對頁巖油的聚集非常關鍵。風城組有效的云質巖類儲層包括白云質粉砂巖、白云質頁巖、泥質白云巖等多種巖性，主要儲集空間為裂縫，占總儲集空間的54%[20-21]，裂縫能有效連通溶孔，改善儲層儲集性能，易于頁巖油富集，如風城1井區(qū)。

風城組頁巖油甜點儲層中發(fā)育網狀縫和高角度縫，其次為水平縫、直劈縫、微裂縫和不規(guī)則縫[22]。斷裂構造活動是風城組裂縫發(fā)育的重要控制因素[23-24]。風城1井區(qū)地震資料顯示，該區(qū)斷裂構造發(fā)育（圖8），這些斷裂活動導致風城1井區(qū)風城組遭受了強烈改造，裂縫發(fā)育，這是風城1井風一段在4193～4272m試油獲油109.8t/d的重要因素。

圖8 瑪湖凹陷北部地震地質解釋剖面圖[1]Fig.8 Seismic geological interpretation section of northern Mahu sag[1]

4 結論

準噶爾盆地瑪湖凹陷風城組發(fā)育堿湖頁巖油藏，風城組既是優(yōu)質的生油層，也是儲層。烴源巖有機質豐度高、類型好、成熟度適中，利于生油;發(fā)育粉砂巖類與云質巖類源儲一體巖性組合，存在上、中、下3個甜點富集層段，具有多層系含油、準連續(xù)分布的成藏特征。

頁巖油的成藏與富集受烴源巖、構造、沉積相的聯(lián)合控制。風城組堿湖優(yōu)質烴源巖分布控制著頁巖油的分布范圍，多期構造變形對甜點層段物性具有重要的改造作用，沉積微相和巖石物性控制了頁巖油的富集層段。