準噶爾盆地瑪湖凹陷二疊系風城組堿湖型頁巖油勘探進展

宋 永 楊智峰 何文軍 甘仁忠 張 融 黃立良 徐 佩 趙辛楣 陳志祥

（ 1 中國石油新疆油田公司勘探開發研究院；2 中國石油新疆油田公司；3 中國石油杭州地質研究院；4 中國石油大學（北京）非常規油氣科學技術研究院 ）

0 引言

準噶爾盆地是一個具有多個生烴凹陷、多層系生油、多套儲蓋組合的含油氣盆地[1-3]，依據盆地類型、區域儲蓋組合特征與油氣富集規律，縱向上可劃分為下、中、上3 個成藏組合[4]?？v觀準噶爾盆地60年勘探歷程，經歷了圍凹源邊淺層、圍凹遠源上組合（J—E）與下凹近源中組合（T）、下組合（C—P）3 個階段，同時也伴隨地質理論創新與找油理念轉變，由構造圈閉、巖性圈閉向大面積巖性—地層圈閉，由常規向非常規、由單個油氣系統向全油氣系統轉變。2010 年以來準噶爾盆地進入到中、下組合的非常規勘探新階段，基于盆地資源的重新評估，認識到富烴凹陷中、下組合縱向及平面更貼近主力烴源層，資源豐富，剩余資源量達38.6×108t，資源占比為54%，確定了二疊系是盆地最重要的戰略接替層系。準噶爾盆地二疊系蘊含著豐富的油氣資源，為一套咸化湖盆的白云巖與碎屑巖過渡的云質巖沉積，大面積分布于二疊紀三大前陸盆地中心區及斜坡帶，平面上與烴源巖發育中心區疊置，為頁巖油的形成提供有利的物質基礎[5-9]。

準噶爾盆地頁巖油勘探始于2010 年，2011 年根據烴源巖、儲層、構造背景、保存及埋深等地質條件綜合評價，優選吉木薩爾凹陷二疊系埋深小于4500m的蘆草溝組為頁巖油的重點勘探領域，部署吉25 直井，喜獲工業油流，從而拉開準噶爾盆地頁巖油勘探序幕[10-13]?；诩舅_爾凹陷蘆草溝組發現的啟示，重新評估準噶爾盆地瑪湖凹陷已發現的油氣富集區帶，明確了巖相展布與構造分異控藏的規律，突破傳統浮力成藏的地質理論，建立盆地邊緣構造—巖性油藏、斜坡區源儲緊鄰型致密油與湖盆中心源儲共生型頁巖油3 類資源有序共生的新模式。2018 年在瑪湖凹陷二疊系埋深大于4500m 的風城組，鉆探首口堿湖型頁巖油風險井——瑪頁1 井，采用直井大段分層壓裂試油，獲得高產工業油流，自噴最高日產油50.6m3，累計產油5678m3，正常生產254 天，平均日產油22.5m3?，敽枷蒿L城組成為繼吉木薩爾凹陷蘆草溝組之后，準噶爾盆地頁巖油又一新的規模接替領域，具備良好的頁巖油勘探前景。目前已有學者對瑪湖凹陷風城組烴源巖、沉積環境與成藏特征開展了相關研究[14-19]，但總體處于起步階段，風城組頁巖油典型地質特征及配套技術的研究較為薄弱，嚴重制約了準噶爾盆地非常規領域下一步的勘探部署。本文在總結分析大量前人研究結果的基礎上，結合準噶爾盆地瑪湖凹陷風城組堿湖型頁巖油的最新勘探實踐，依據環瑪湖地區油氣富集規律認識，詳細梳理風城組頁巖油地質特征，系統總結頁巖油地質“甜點”地球物理評價方法與儲層改造及壓裂提產技術，以期為準噶爾盆地風城組頁巖油下一步的勘探部署和提產增效提供理論依據與技術支撐。

1 地質概況

瑪湖凹陷是在前石炭紀褶皺基底的基礎上，受周緣沖斷活動控制形成的石炭紀—第四紀凹陷，自成盆期以來經歷了泥盆紀—早石炭世、晚石炭世—三疊紀、侏羅紀—第四紀3 期構造演化旋回[20]?，敽枷菸挥跍矢翣柵璧匚鞅辈?，北靠烏夏斷裂帶，西抵中拐凸起，南接達巴松凸起，東達石英灘凸起與英西凹陷，面積約為5000km2（圖1）?，敽枷莠F今為西陡東緩的不對稱箕狀凹陷，東西分帶、南北分段，由西向東可劃分為前陸沖斷帶、中央洼陷、火山高地與構造坡折等多個次級構造單元?，敽枷蒿L城組沉積期，季節性的潮濕環境與干旱環境交替出現，湖水的咸化程度較高，蒸發作用形成的堿性礦物大量發育，整體為扇三角洲—湖泊沉積體系[21-24]，發育濱淺湖—半深湖沉積亞相（圖1）。風城組沉積厚度為500～1580m，平面上由西向東厚度變薄直至尖滅，縱向上從下至上依次發育風一段（P1f1）、風二段（P1f2）與風三段（P1f3），其中風二段與風三段為典型的源儲一體型頁巖油藏。

圖1 瑪湖凹陷構造位置圖(左)與風城組地層柱狀圖（右）Fig.1 Structural location of Mahu Sag (left) and stratigraphic column of Fengcheng Formation (right)

2 堿湖型頁巖油典型地質特征

2.1 優質烴源巖發育兩類生烴母質類型

風城組沉積期，瑪湖凹陷經歷了氣候由潮濕向半干旱轉變的過程，從風一段沉積晚期至風二段沉積早期為湖侵，之后逐漸湖退，形成全球迄今最古老的廣覆式堿湖型優質烴源巖，生烴潛力大，資源量豐富[25-26]?，敽枷轃N源巖全區穩定分布，厚度相對較大，西斜坡區最厚可達300m（圖2a），縱向上風二段的生烴能力優于風三段。風城組發育獨特的藍細菌與杜氏藻兩類生烴母質類型，其中藍細菌分布于瑪湖凹陷沉積邊緣區的泥質巖地層中，杜氏藻分布于瑪湖凹陷沉積中心區的云質巖地層中（圖2b、c）。兩類烴源巖母質存在生烴差異，藍細菌早期生油，產烴率相對較低；杜氏藻晚期生油，產烴率高，造成堿湖混積型烴源巖具有成熟—高成熟雙峰式高效生油特征[27-28]。風城組烴源巖現今處于中成熟—成熟演化階段，生烴中心位于堿湖沉積中心，干酪根以Ⅱ1—Ⅱ2型為主，TOC 普遍大于1.0%，瑪湖凹陷中心TOC 高于2.5%，Ro為0.85%～1.4%，生烴潛量（S1+S2）多大于6.0mg/g（圖2d、e）?，旐? 井風城組連續取心284.31m，均見油氣顯示，厘米級巖心描述的結果表明，瑪湖凹陷風城組整體含油，為典型的堿湖型云質頁巖油。

圖2 瑪湖凹陷風城組烴源巖展布特征與有機質類型Fig.2 Source rock distribution and organic matter types of Fengcheng Formation in Mahu Sag

2.2 三源混積形成復雜巖性與多種礦物組分

依據地層組成、沉積構造、巖性特征與地球化學微量元素測試分析的結果，縱向上瑪湖凹陷風城組可劃分為淡水—較低鹽度、蒸發鹽巖類—堿化與低鹽度3 類沉積組合。受湖平面變化與高頻旋回的控制，瑪湖凹陷風城組以暗色細粒過渡性沉積巖為主，發育陸源扇三角洲碎屑巖、湖相細粒內源碳酸鹽巖、火山碎屑巖、鹽巖與混積巖5 種巖石類型（圖3）。陸源碎屑巖為巨厚的砂礫巖沉積，分布于瑪湖凹陷前陸沖斷帶的陡坡區，礦物組分以石英與長石為主。內源化學沉積的碳酸鹽巖多與細粒紋層頁巖呈互層狀沉積，位于前陸坳陷濱淺湖—半深湖區，礦物組分以方解石、白云石、鐵白云石與鐵方解石為主?；鹕剿樾紟r集中分布在瑪湖凹陷東部的濱淺湖區，巖石類型以玻屑凝灰巖與玻屑晶屑凝灰巖為主?；旆e巖由陸源碎屑巖、碳酸鹽巖與火山碎屑巖混雜堆積形成，分布于前陸斜坡的濱淺湖區，巖石成分復雜、礦物組分多樣。巨厚的鹽巖韻律層集中分布在前陸斜坡的半深湖區，礦物組分主要為純堿、小蘇打與碳鈉鈣石等。

圖3 瑪湖凹陷風城組沉積相分布與巖石類型特征Fig.3 Sedimentary facies and rock types of Fengcheng Formation in Mahu Sag

2.3 孔隙—裂縫—縫合線三重儲集介質提高儲集性能

瑪湖凹陷風城組發育宏觀與微觀兩類儲集空間類型，形成孔隙、裂縫與縫合線三重儲集空間，構成頁巖油優勢充注通道。鉆井巖心與成像測井可見厘米級溶蝕孔洞、構造縫、誘導裂縫、層理縫與溶蝕擴大縫等宏觀儲集空間類型。其中，溶蝕孔洞的分布呈現一定的層狀結構，厚度多為數米不等，電阻率整體較低。構造縫由區域構造擠壓或剪切走滑等應力作用形成，導致風城組發生破裂變形，形成高角度構造縫、中—低角度構造縫與網狀縫等高低不等、相互交錯的復雜構造裂縫系統（圖4a、b）。誘導裂縫由鉆桿與巖石相互作用形成，位于巖心中部，在成像測井圖像上呈對稱分布的兩條黑色條帶，平行于井軸、方位穩定，延伸較長。層理縫多為水平縫，發育規模與延伸長度較小，不僅增加了孔隙的連通性，促進次生孔隙的發育，同時也是良好的儲集空間（圖4c）。風城組早期發育的構造縫或次生溶蝕孔隙帶，后期經地質流體的溶蝕改造形成溶蝕擴大縫。顯微薄片與掃描電鏡可見微納米級的原生粒間孔、粒內孔、晶間孔、穿?？p與壓溶縫合線等多種微觀儲集空間類型。粒間孔多為微米級，孔徑為幾微米到幾十微米，主要是石英顆粒之間、長石顆粒之間及石英與長石顆粒之間的孔隙（圖4d）。粒內孔與晶間孔多為納米級，孔喉直徑普遍小于1μm，多為100～500nm（圖4e—g）。穿?？p為構造成因縫，多發育于白云巖與云質粉砂巖等脆性巖石中，常切穿多個礦物顆粒，裂縫寬20～80μm，呈樹枝狀發育，延伸較遠（圖4h）。風城組縫合線發育，與基質孔和微裂縫構成頁巖油有利的儲集空間（圖4i）?？p合線后期多經歷溶蝕或被白云石與鐵白云石等礦物充填，其內部富含殘余有機質，熒光觀察可見藍色與藍白色熒光。

圖4 瑪湖凹陷風城組儲集空間類型Fig.4 Types of reservoir space of Fengcheng Formation in Mahu Sag

2.4 砂質頁巖—含云粉砂巖相有利于游離油富集

瑪湖凹陷風城組整體含油，微觀尺度下存在吸附態和游離態兩種頁巖油賦存形式，吸附油主要賦存在固體干酪根和礦物顆粒表面，游離油主要賦存于較大的次生溶孔與構造微裂縫中。風城組共發育云質頁巖相、砂質頁巖—含云粉砂巖相、含堿礦白云巖—泥質粉砂巖相與硅化白云巖—云質粉砂巖相4 類巖相類型（圖5），不同巖相礦物組分、儲集空間類型、孔喉結構分布與頁巖油的賦存狀態存在較大差異，其中砂質頁巖—含云粉砂巖相為風城組優勢巖相類型。云質頁巖相形成于淺湖—半深湖環境，有機質含量高、黃鐵礦豐富，有機孔與黃鐵礦晶間孔發育，偶見次生溶孔，孔隙流體中吸附油與吸附水的含量較高，微裂縫中偶見游離油富集。砂質頁巖—含云粉砂巖相形成于扇三角洲前緣沉積環境，礦物組分以石英、長石為主，白云石與有機質含量較低，次生溶孔發育，孔隙流體中游離油含量較高，游離油與吸附油二油共存。含堿礦白云巖—泥質粉砂巖相形成于濱淺湖—堿性水體沉積環境，有機質含量中等，礦物組分以白云石、鐵白云石、石英、長石、堿礦為主，白云石晶間孔與次生溶孔較發育，孔隙流體中游離油含量相對較低，含有吸附油與吸附水。硅化白云巖—云質粉砂巖相形成于濱淺湖—較高鹽度水體環境，礦物組分以中晶白云石、鐵白云石、長英質礦物為主，白云石晶間孔較發育，孔隙流體中游離油含量相對較低，含少量吸附油與吸附水。

圖5 瑪湖凹陷風城組頁巖油賦存狀態表征Fig.5 Characterization of shale oil occurrence of Fengcheng Formation in Mahu Sag

2.5 多套薄層“甜點”發育且局部集中分布

瑪湖凹陷風城組“甜點”集中分布在風三段三層組的中下部、風二段一層組的中上部和風二段三層組的中部（圖6）?？碧綄嵺`證實，風三段“甜點”橫向分布相對穩定，延伸距離較遠，區域范圍內具有良好的可追蹤對比性，試油見高產工業油流。風二段“甜點”分散，橫向相變快，非均質性更強，“甜點層”與烴源巖層、堿性礦物層呈互層狀分布，目前高產工業油流井較少。依據烴源巖品質的測井與物探評價結果，風二段為堿湖沉積背景下風城組的主力厚層烴源巖，有機質類型以II1—II2型為主，烴源巖熱演化程度較高。與風三段相比，風二段普遍發育云質巖儲層，全凹廣泛分布，地層脆性好且頁巖油具有較低原油密度（0.879g/cm3）、低凝固點（-14.8～5℃）與低黏度（50℃原油黏度為50.79mPa·s）的特征，展示出良好的勘探前景與巨大的資源潛力，是瑪湖凹陷風城組下一步增產上產的重要層系。

圖6 瑪湖凹陷風城組“甜點”空間分布特征Fig.6 Spatial distribution of shale oil “sweet spot” of Fengcheng Formation in Mahu Sag

3 配套關鍵技術進展

3.1 頁巖油“甜點”地震識別技術

瑪湖凹陷風城組為高頻旋回控制下的頻繁薄互層細粒沉積，巖性復雜多樣，地震響應特征不顯著，“甜點”鉆遇率較低，導致頁巖油產量低，嚴重影響非常規油氣的勘探進程。針對上述問題，運用井震結合方法，開展風城組頁巖油“甜點”物探預測技術攻關，形成基于地震正演模擬的巖性組合識別、基于波阻抗的儲集物性評價、基于裂縫敏感參數與線性波阻抗脆性指數評價3 項關鍵技術，實現頁巖油“甜點區”的綜合預測。（1）基于地震正演模擬的巖性組合識別技術。風城組具有白云石含量越高、儲層物性越好、“甜點段”集中發育的地質特征，造成地震反射波阻振幅較強，據此建立風城組“甜點”地震正演的地質模型，聯合地震正演模擬與均方根屬性提取，共同確定風城組的巖性組合與云質巖百分含量（圖7a）。（2）基于波阻抗的儲集物性評價技術，依據風城組巖心與測井解釋的結果，明確頁巖油“甜點體”表現為高波阻抗背景下的低阻特征，實現高孔隙度“甜點體”的精細刻畫（圖7b）。（3）基于多參數線性波阻抗脆性指數評價技術，應用巖石礦物分析法構建巖石脆性指數，揭示巖石脆性敏感參數的主控因素，明確白云石、石英含量增大，泥質含量降低，地層泊松比變小，楊氏模量變大，脆性增大的特征，預測風城組天然裂縫1200km2的有利發育區帶，為頁巖油工程“甜點”的優選奠定物質基礎（圖7c、d）。

圖7 瑪湖凹陷風城組“甜點”地震評價技術應用效果Fig.7 Application results of shale oil“sweet spot”seismic evaluation technology of Fengcheng Formation in Mahu Sag

3.2 頁巖油三品質測井評價技術

瑪湖凹陷風城組頁巖韻律性強、頻繁互層、巖性為碳酸鹽巖與細粒碎屑巖過渡巖類，目前缺乏針對性的定量分類評價參數。通過開展堿湖頁巖油測井評價方法與技術研究，形成了一套適用于瑪湖凹陷風城組頁巖油烴源巖品質、儲層品質與工程品質的測井評價技術，建立了風城組頁巖油“三品質”評價的鐵柱子，共識別“甜點”17 層，實現頁巖油“甜點段”的縱向連續表征（圖8）。（1）烴源巖品質評價，游離烴S1指仍存在于烴源巖中的輕烴含量，TOC 指烴源巖中有機質的含量?；赟1和TOC，構建烴源巖品質因子RPI=(S1×S1/TOC)×100，實現了風城組烴源巖有效性的評價。依據產液剖面測量結果與RPI 的交會分析，確定日產量為零、RPI=85.6 為有效烴源巖的下限值。（2）儲層品質評價，通過對地質實驗數據統計分析，連通孔隙度φc越大，物性越好；孔喉中值半徑R50越大，孔隙結構越好；游離油孔隙度φo越大，含油性越好?；跉w一化的連通孔隙度φc、孔喉中值半徑R50和游離油孔隙度φo，構建儲層品質因子RQI=φc歸一化×R50歸一化×φo歸一化×103，實現風城組儲層品質評價。依據產液剖面測量結果與RQI 的交會分析，確定日產量為零、RQI=0.1 為儲層“甜點”的下限值。（3）工程品質評價，基于巖心多級應力循環三軸壓縮與差應變實驗的結果，形成巖石力學參數與地應力的塑性計算方法，構建脆性指數、最小水平主應力、應力差3 個關鍵參數，解決了頁巖地層可壓裂性評價、水平井軌跡優化設計與壓裂分段分簇的關鍵技術難題。

圖8 瑪湖凹陷瑪頁1 井風城組“三品質”綜合評價成果圖Fig.8 Results of“three qualities”comprehensive reservoir evaluation of Fengcheng Formation in Well Maye1，Mahu Sag

3.3 堿湖型頁巖油“甜點”儲層改造工程技術

瑪湖凹陷風城組“甜點”薄且分散、大尺度裂縫欠發育、儲層閉合應力高、地層富含堿性礦物，為充分解放該區頁巖油產能，結合高分辨率地震預測、“甜點”測井評價與前期儲層改造的現況，開展地質工程一體化攻關，初步形成工程“甜點”精細評價的4 項關鍵技術。（1）“甜點”優選及精細分層技術。在地質“甜點”確立的基礎上，優選段內應力差小、脆性較好的巖層為頁巖油的工程“甜點”，開展水力裂縫縱向擴展能力評價研究，優化段簇間距，實現儲層縱向充分改造。（2）全充填體積壓裂技術。采用10～12m3/min 排量提高縫內凈壓力，利用大排量滑溜水有效開啟微細裂縫，凍膠連續攜砂形成高導流主縫，實現多尺度裂縫系統的有效支撐，提高儲層改造的體積效果（圖9a）。（3）深層安全加砂技術。受埋深和巖性的影響，儲層閉合應力高、抗壓強度大，水力裂縫縫寬窄，加砂難度大。采用套管壓裂工藝，降低施工泵壓，開展管柱力學校核，限定最高壓力，確保井筒安全。同時通過前置預判段塞+中—小粒徑組合+低砂比起步+小臺階增幅的“四合一”工藝，避免了因儲層砂比敏感及套管容積大導致的砂堵風險，實現儲層安全加砂（圖9b）。（4）研發防鈣垢聚合物壓裂液體系。風城組富含硼、鋯等金屬離子，地層水礦化度高[（7～17）×104mg/L]，偏弱堿性，使用瓜爾膠壓裂液出現返膠現象，使用酸性聚合物壓裂液體系，解決返膠難題，但酸性聚合物壓裂液破膠后呈酸性（pH ＜5），易與儲層礦物形成鈣球顆粒，堵塞井筒，影響生產。據此研發堿性免混配聚合物壓裂液體系，有效抑制含碳酸鈣礦物的溶蝕，初步解決了返膠和返碳酸鈣顆粒的問題（圖9c、d）。

圖9 瑪湖凹陷風城組“甜點”儲層改造技術應用效果Fig.9 Application results of“sweet spot”reservoir stimulation technology of Fengcheng Formation in Mahu Sag

4 結論

（1）瑪湖凹陷風城組發育全球迄今最古老的廣覆式堿湖優質烴源巖，發育藍細菌與杜氏藻兩類生油母質類型，具有成熟—高成熟雙峰式高效生油特征。風城組沉積期瑪湖凹陷整體為扇三角洲—湖泊沉積體系，發育陸源碎屑、內源碳酸鹽與火山物質混積背景下的云質頁巖相、砂質頁巖—含云粉砂巖相、含堿礦白云巖—泥質粉砂巖相與硅化白云巖—云質粉砂巖相共4 類巖相類型。風城組儲集空間類型為孔隙、裂縫與縫合線三重介質，存在游離油與吸附油兩種賦存狀態，其中砂質頁巖—含云粉砂巖相為風城組優勢巖相類型，控制頁巖油的宏觀富集，游離油含量較高。風城組頁巖油“甜點”具有整體分散且局部富集的地質特征，風二段是下一步增產上產的重要層系。

（2）瑪湖凹陷風城組為準噶爾盆地陸相頁巖油勘探接替的新領域，基于勘探實踐與科研探索，初步形成高分辨率地震“甜點”預測、基于“三品質”測井評價與頁巖油配套儲層改造3 項關鍵技術。綜合預測了風城組頁巖油“甜點區”巖性、物性與裂縫的空間分布規律，實現頁巖油“甜點段”三品質的縱向連續表征，并對工程“甜點”進行精細評價與優選，厘定埋深5500m 以淺1200km2的“甜點區”，識別“甜點段”17 層并實現儲層的規模效益改造?，敽枷蒿L城組頁巖油顯示了巨大的資源潛力與良好的勘探前景。

（3）目前瑪湖凹陷堿湖型頁巖油的勘探開發已初見成效，但仍需開展地質工程一體化技術攻關，實現頁巖油高效勘探與規模效益開采。①精細刻畫瑪湖凹陷風城組風二段“甜點”的空間分布規律，建立分類評價標準，進一步加強風二段頁巖油的勘探力度，實現瑪湖凹陷風城組頁巖油的全面突破。②針對壓裂液返排過程中出現鹽結晶與結垢、堵塞井筒，影響頁巖油正常排采的問題，仍需繼續開展防止井筒堵塞與壓裂液體系優化的技術攻關工作，著力加強高含堿礦地層壓裂液配伍性的研究。