混積頁巖油甜點富集機理與含油性評價方法

藺敬旗，曹志鋒，王先虎，劉潔梨，徐睿，董旭龍

（中國石油集團測井有限公司新疆分公司，新疆 克拉瑪依 834000）

0 前 言

吉木薩爾凹陷頁巖油藏是中國典型的陸上混積型頁巖油藏，甜點特征明顯，具有源儲共生的特征，是陸上頁巖油國家級建設示范區，具有年產頁巖油100×105t的能力，該區頁巖油開發取得了階段性突破。但對其甜點儲層成因及儲層流體分布認識不足，頁巖油甜點進入水平井開發后普遍含水，水平井含水差異大等問題是制約頁巖油高效開發的一個關鍵難題。通過前期的勘探開發，主要對頁巖油成因、成藏條件、巖石學特征、頁巖油賦存狀態、可動性、產能等主控因素開展了研究[1-13]。本文通過對吉木薩爾凹陷頁巖油優勢甜點儲層的巖性、孔隙發育特征與實驗資料進行研究，試圖弄清甜點成藏模式、優勢甜點的成因、儲層流體賦存狀態及主控因素。在此基礎上研究了核磁共振頁巖油甜點不同類型流體分布特征及表征方法，為研究區頁巖油高效開發提供技術支撐。

1 水平井甜點分布特征

吉木薩爾凹陷位于新疆準噶爾盆地東部隆起區西南端，是形成于中石炭統褶皺基底上具有西斷東超特征的箕狀凹陷。北部以吉木薩爾斷裂為界，西部以西地斷裂和老莊灣斷裂為界，南部以三臺斷裂為界，東部為逐漸抬升的斜坡，最終過渡到古西凸起，面積約1 200 km2。研究區蘆草溝組為薄互層細粒沉積，紋層與頁理發育，巖性為陸源碎屑與化學沉積過渡性巖類的混積巖，發育微米、納米孔喉系統。源儲一體是其典型特征，源儲共生，儲中有生，自身具備源生原儲條件，造就了吉木薩爾凹陷蘆草溝組整體含油、滿凹分布的特征，是典型的陸相頁巖油油藏。目的層蘆草溝組縱向發育2個甜點和，地層埋深2 500 ～4 500 m，平均厚度分別為38、44 m，屬咸化湖泊相夾三角洲相沉積，頁巖油甜點多源混積、巖性成分多樣、孔隙結構復雜、非均質性強。

2 頁巖油甜點成因機理與流體賦存狀態

甜點具備相對較優的物性條件和儲集空間，是頁巖油勘探開發的關鍵與核心。依據吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組地質、巖心資料分析，吉木薩爾頁巖油甜點主要受沉積、成巖、成藏的影響。甜點的發育和分布受沉積微相控制；成巖過程中的壓實、膠結以及溶蝕作用不同程度改變了儲層孔隙結構；生烴和構造作用進一步改善了儲層孔隙結構，從而影響到甜點的含油性、可動性。

2.1 沉積微相

蘆草溝組沉積時期，水平面的頻繁變化造成沉積相帶呈環狀分布，整體上呈現由敞流湖盆逐漸變為閉流湖盆、上甜點段水體更加咸化的特點。在上甜點沉積期，從凹陷邊緣到中心，遠岸灘、遠岸壩逐漸過渡為淺湖泥、半深湖泥及深湖泥微相，研究區南部主要發育灘壩沉積，規模和影響范圍小于下甜點段。在下甜點沉積期，形成北東向展布的以灘壩相、咸化湖泊相和三角洲相為主的沉積環境。

頁巖油甜點孔隙結構主要受巖石中泥質、石英、白云石含量及次生孔隙發育程度的影響?？紫督Y構是影響頁巖油甜點可動流體孔隙度、可動油飽和度、豐度的關鍵因素。因此，沉積環境對可動油豐度分布起決定性作用[6]。吉木薩爾凹陷蘆草溝組主體發育三角洲、半深湖-深湖泥質、深水重力流、云坪、濱湖灘砂和碳酸鹽巖淺灘沉積，甜點具有高長英質、高碳酸鹽、低黏土的巖性特點及層理發育的結構特點，其主要沉積環境為受波浪作用較強的云坪、混合坪、濱湖灘砂和碳酸鹽巖淺灘沉積。

依據巖性組合、測井曲線和沉積構造等對二疊系蘆草溝組沉積相進行研究分析，沉積相類型為咸化湖泊相沉積，具有濱湖-淺湖、淺湖、淺湖-半深湖、半深湖、三角洲前緣和前三角洲 5 種沉積亞相，湖泥、灘壩夾湖泥、灘壩、淺灘、湖泥夾沙壩等5種沉積微相。

從蘆草溝組大量的熒光薄片來看，原油主要賦存于剩余粒間孔、粒間（粒內）溶孔、晶間孔和少量的微裂縫中。當孔隙度變高時，含油飽和度也明顯變高，且含油級別也隨之變高，可見物性對含油性的控制作用比較明顯。根據巖心含油飽和度分析，蘆草溝組儲層含油飽和度中值高達73.4%，屬于高飽和度油藏，蘆草溝組儲層源儲一體，油氣注入充足，故飽和度高。

前人勘探結果表明，吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組主要沉積相類型為湖泊相和三角洲相，有利于甜點形成的沉積環境為淺湖-半深湖亞相，發育上、下甜點，垂向上具有不同生儲組合。這種多旋回疊加的生儲蓋組合有利于油氣富集。

根據沉積物來源，蘆草溝組巖性總體可分為內源碳酸鹽巖和陸源碎屑巖，依據巖石礦物成分的不同進一步細分為砂屑云巖、泥晶云巖、云質灰巖、粉細砂巖、云質粉砂巖、粉砂質泥巖、碳質泥巖、云質泥巖、泥巖、含黃鐵礦粉砂巖10個小類。頁巖油甜點發育在濱淺湖灘壩沉積，巖性、物性變化大，物性、含油性較好的有效儲層主要以粉細砂巖、云質粉砂巖、含黃鐵礦粉砂巖這3類砂巖及砂屑云巖、泥晶云巖這2類云巖為主。其中砂巖類儲層基質孔較發育，儲集性能相對較優；砂屑云巖、泥晶云巖儲層孔隙度與滲透率比較高，微裂縫發育，滲流性能相對較優。沉積環境控制了儲層巖性，頁巖油甜點孔隙結構主要受巖石中泥質、石英和白云石含量及次生孔隙發育程度的影響，孔隙結構是影響頁巖油甜點可動流體孔隙度、可動油飽和度豐度的關鍵因素。

2.2 成巖作用

通過觀察研究區甜點儲層的巖石鑄體薄片，上甜點孔隙類型以粒間孔、粒間溶孔為主，而下甜點孔隙類型主要發育粒間溶孔，因此，巖石粒徑及成巖作用是孔隙發育程度的主控因素。成巖作用影響是指壓實作用、膠結作用和溶蝕作用的影響，其中溶蝕作用最為關鍵。

依據吉木薩爾凹陷地層孔隙度與深度關系分析，蘆草溝組地層孔隙壓力隨深度的增加而降低，孔隙度受壓實作用的影響急劇降低，儲層有效孔隙形成困難，但部分白云巖儲層的最大孔隙度在20.4%，分析認為是成巖過程中受溶蝕作用影響的結果。蘆草溝組原生孔隙被成巖早中期的方解石和白云石膠結物充填造成孔隙度降低。蘆草溝組頁巖油甜點普遍發育黏土礦物膠結物，破壞了孔隙結構，降低了儲層物性，但儲層的物性、含油性明顯受巖性控制[見圖 1 （a）、圖 1 （b）]。粉砂巖儲層的物性最好，含油飽和度最高，其原因為粉砂或砂屑等組分粗，可提供較多的易溶礦物（長石礦物），且抗壓實能力強，利于粒間或溶蝕孔喉發育，紋層狀粉砂條帶孔隙比分散粉砂顆?？紫陡l育。

圖1 頁巖油巖性、物性與含油性關系圖

根據頁巖油甜點掃描電鏡和巖心資料分析，影響可動流體孔隙發育的溶蝕作用有2種關鍵機制：同生-準同生淋濾作用和酸性流體埋藏溶蝕作用，且埋藏溶蝕是最主要的溶孔成因機制。溶蝕作用的發生主要受沉積環境和烴源巖生排烴過程雙重影響[6]。溶蝕程度控制了儲層孔隙結構及含油氣性，圖2中明顯見到溶蝕孔洞，增強了可動孔隙度。

圖2 頁巖油典型儲層鑄體薄片孔隙類型

通過對研究區的鑄體薄片及高壓壓汞資料進行分析（見表1），儲層的類型以溶蝕孔隙為主，微裂縫、剩余粒間孔欠發育，主要發育微米級、納米級孔隙。微米級孔隙以剩余粒間孔、粒間溶孔為主，多發育在砂質含量較高的粉細砂巖、云質粉砂巖中，孔隙直徑分布在3 ～50 μm；納米級孔隙以粒內溶孔（鈉長石、鉀長石、白云石粒內溶孔）、晶間孔（伊蒙混層、綠泥石、石英晶間孔）為主，孔喉半徑多小于0.1 μm。通過進行高壓壓汞實驗，發現孔喉半徑主要分布在4.5 ～36.0 nm，其次孔喉半徑大于36.0 nm。儲集空間主要為納米級的孔喉，進汞飽和度大于80%，孔喉連通性好。依據鑄體薄片、巖心分析統計，甜點的巖性儲層孔隙類型主要為粒間溶孔和粒內溶孔，其次為剩余粒間孔、微細裂縫，這增強了頁巖油的流動性。

表1 蘆草溝組頁巖油優勢巖性儲層壓汞參數對比表

研究區6口井實驗分析巖心含水飽和度與9口井實驗分析恒壓毛細管束縛水飽和度具有高度一致性[見圖 3 （a）、圖 3 （b） ]，頁巖油甜點地層水為毛細管束縛水，孔隙度小于13%，儲層束縛水飽和度高，是水平井出水的主要原因；同時長石砂巖油水相相對滲透率分析結果進一步驗證了儲層具有高束縛水的特征[見圖 3 （c） ]。依據孔隙度與含水飽和度的關系，可以分為4類儲層（見表2）：Ⅰ類儲層是目前頁巖油水平井優先動用的儲層；Ⅱ類儲層是目前頁巖油水平井可動用的儲層；Ⅲ類儲層是目前頁巖油水平井難動用的儲層；Ⅳ類儲層是目前頁巖油水平井不能動用的儲層。

表2 吉木薩爾頁巖油甜點分類表

圖3 吉木薩爾頁巖油甜點儲層流體分析對比

2.3 成藏作用

上、下甜點區地層的灘壩微相因其特殊的成巖作用，使其為湖泥微相產生的頁巖油提供了天然的儲集空間。吉木薩爾凹陷頁巖油甜點的構造運動不活躍，地質構造穩定，使得優質生油巖形成的頁巖油中的一部分在原生頁巖孔隙中保存，另一部分運移到相鄰的優質砂巖儲層中，形成混積頁巖油甜點，因此，頁巖油甜點具有良好的生、儲、蓋條件（見圖4）。

圖4 蘆草溝組混積型頁巖油甜點成藏模式示意圖

吉木薩爾凹陷蘆草溝組烴源層形成于湖泥微相，以中低熟烴源巖為主，烴源巖條件比較優越。蘆草溝組烴源巖大面積處于生烴范圍內，儲層厚度大、分布廣，是甜點儲層油源的主要來源，以弱運移充足到相鄰的儲層中。同時，甜點內也發育一部分有機質豐富的砂巖儲層，這些儲層紋層與頁理發育，存在毫米級源、儲組合關系，具備自生自儲條件，甜點以滯留型賦存在地層中；依據實測的總有機碳與熱模擬實驗分析的成烴轉化率計算的生烴量，自源量約占生油量的三分之一。

蘆草溝組頁巖油甜點儲集層為混積型頁巖油，生油巖、儲集層均含有豐富的有機質，生烴過程中會產生大量的有機酸，有機酸的生成和運移會造成長石和白云石遇酸發生化學反應而溶蝕，產生溶孔、溶縫，進一步改善儲層的孔隙結構。因此，儲集層物性控制了頁巖油甜點的豐度，孔隙結構的好壞直接決定了儲層含油飽和度與可動油飽和度。

3 核磁共振T2譜分簇計算不同流體孔隙度

吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油具有大孔隙親油含油、小孔隙親水含水的特征[6]，本質上影響原油狀態的是孔隙大小和結構，孔隙度、孔喉半徑與含油飽和度呈正相關，物性越好的巖心含油級別越高，油層明顯受物性控制。王林生等[13]研究表明，大孔隙優先可動，不同類型油層的產能及穩產期含水率具有明顯差異，因此，求取可動油孔隙度、可動油飽和度是水平井穩產期含水率評價的關鍵。

受核磁共振測井測量深度的限制，對于常規儲層，探測范圍基本為鉆井液濾液的侵入帶，核磁共振測井的響應主要為水的表面弛豫。核磁共振測量的總孔隙度為黏土吸附水孔隙度與有效孔隙度之和，有效孔隙度為毛細管束縛水孔隙度與可動流體孔隙度之和。有效孔隙度的計算截止值一般取3 ms，認為小于3 ms對應的孔隙體積為黏土吸附水的體積。對于碎屑巖儲層，可動流體的孔隙體積計算截止值取33 ms，由于骨架性質不同，截止值數值略有變化。儲層的孔隙半徑影響核磁共振的橫向弛豫時間，因此，常用核磁共振測井資料對儲層的孔隙結構進行評價。T2截止值是核磁共振計算束縛水飽和度、有效孔隙度的關鍵參數，對準確計算儲層參數有著重要的意義。

M. G. Prammer等[14]研究表明，不同黏土類型對應的T2譜的波峰位置不同，采取固定截止值計算的黏土束縛水體積存在較大的誤差。同樣，受地層組分、孔隙結構、潤濕相和流體黏度等因素的影響，計算可動流體孔隙體積的截止值也在縱向上不斷變化。

理論表明核磁共振T2譜是滿足正態高斯分布的多個分量之和，結合現代的數學算法和軟件實現，可以將核磁共振T2譜分解為多個分量（孔隙簇）。以分解的3個子譜為例，即A譜、B譜和C譜，分別對應為核磁共振的黏土吸附水譜、毛細管束縛流體譜和可動流體譜。利用高斯函數進行子譜擬合，可以將黏土束縛水的缺失譜補充完整。對核磁共振測量譜進行子譜擬合，可有效避免信號強度大的子譜尾譜對鄰近子譜疊加影響，從而提高計算精度，消除核磁共振尾譜的噪聲，這些處理極大地提高儲層參數的計算精度。

核磁共振測井的原始數據為一系列回波串數據，回波串實際上是各種孔徑孔隙中氫核弛豫特征的綜合反映。不同的孔徑具有不同的回波幅度衰減曲線，通過對回波的處理可以得到T2譜分布及有效孔隙度參數，選擇恰當的T2截止值可有效計算地層毛細管束縛水孔隙體積和自由流體體積，用經驗公式估算地層的滲透率。儲層孔隙度由黏土束縛水孔隙度、毛細管束縛水孔隙度及可動流體孔隙度組成，因此，在測量橫向弛豫時間時，核磁共振測井應用脈沖序列CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）得到的回波串不是單指數衰減，而是由多個指數衰減的和，可表示為

式中，M（t）是時間為t時測量的磁化矢量；Mj（0）為來自第j個弛豫分量的磁化矢量的初始值；T2j為第j個橫向弛豫分量的衰減時間。

對于核磁共振T2截止值的確定，可以轉化為對核磁共振T2譜在時間域的近似求解。

式中，i=1，2，3分別對應黏土吸附水、毛細管束縛流體和可動流體孔隙度譜；ai為譜峰的幅度；bi為譜峰的位置；ci為譜的寬度（與譜的衰減有關）；y（t）為T2譜，t為橫向弛豫時間。

上述公式滿足正態分布的高斯函數的累加和，引入一定的約束條件（如人工交互），用高斯函數進行擬合，即可求得參數a、b、c，實現黏土吸附水、毛細管束縛流體和可動流體核磁共振T2譜的有效分離，構建了核磁共振T2譜的孔隙度分簇計算方法。

通過上述方法計算16口水平井的游離油（可動油）飽和度。J×井為吉木薩爾頁巖油開發區的一口水平井，圖5為該井的核磁共振測井處理成果圖，依據計算的游離油含量確定甜點厚度為1 000 m，該油井最高日產油110 t，年產油12 457 t，表明高游離油飽和度是高產穩產的主控因素。

圖5 J×井的核磁共振測井處理成果圖

基于核磁共振分簇解釋和可動孔隙度計算的游離油飽和度與穩定含水率的關系對比分析，分簇計算的游離油飽和度精度更高，相關性由82.02%提高到93.41%。因此，核磁共振測井對水平井產能、產水率的評價顯得尤為關鍵。

4 結 論

（1）吉木薩爾凹陷頁巖油甜點發育程度受沉積微相、成巖作用、成藏作用控制。沉積環境形成了源儲頻繁互層的混積巖體系，巖性粗細及成分控制了儲層孔隙大小，是頁巖油甜點形成的基礎；成巖作用的壓實、膠結、溶蝕決定了孔隙結構，是可動油形成的關鍵；成藏作用有機烴形成與排出進一步改善了儲層孔隙結構，含油性受物性控制。

（2）頁巖油甜點儲層孔隙結構與儲層中油水含量以及輕-重質烴組分在核磁共振T2譜上分布的相對位置有關，不同狀態的流體在橫向弛豫時間上交叉分布，從小到大分別以吸附水（微孔）、游離水（小孔）、重質烴組分（中孔）和輕質烴組（大孔）分為主。將核磁共振T2譜信號分解成3個具有高斯分布的頻譜，實現了黏土吸附水、毛細管束縛流體和可動流體核磁共振T2譜的有效分離，構建了核磁共振T2譜譜分簇計算頁巖油甜點不同類型流體分布特征的方法，提高了可動油飽和度精度。

（3）核磁共振是頁巖油測井評價的重要手段。求準水平井含水率的關鍵是基于核磁共振求準游離油飽和度，游離油飽和度與水平井產能、穩定含水率具有較好的一致性。

（4）頁巖油甜點的含油性與可動性與儲層的品質相關，儲層的含油性由高到低依次為Ⅰ類儲層、Ⅱ類儲層、Ⅲ類儲層、Ⅳ類儲層；可動油飽和度是頁巖油產能的關鍵地質因素，可動油飽和度越高，產能越高，含水率越低。因此，水平井應以Ⅰ類儲層為目標，兼顧Ⅱ類儲層，Ⅲ類以下儲層在現階段開發價值低。