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(zhì)研究院;4 南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院;5 中國石油新疆油田公司勘探事業(yè)部 )
準(zhǔn)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(zhǔn)噶爾造山帶、克拉美麗造山帶所圍限,面積約13×104km2,是一個(gè)大型的多期含油氣疊合盆地[1],油氣資源豐富,目前已經(jīng)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(fēng)城組的勘探歷史悠久,自20世紀(jì)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(fēng)城組白云巖層系內(nèi)獲得工業(yè)油流,發(fā)現(xiàn)了風(fēng)3井、風(fēng)城1井、風(fēng)南4井、艾克1井等油藏,在勘探實(shí)踐中,認(rèn)為油藏主要受到構(gòu)造的控制,斷裂發(fā)育程度和儲層質(zhì)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(zhì)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(fēng)南7井,在風(fēng)一段、風(fēng)三段均獲得油流,風(fēng)三段通過壓裂日產(chǎn)油10.96t,引起了勘探家對風(fēng)城組勘探研究的重視,圍繞風(fēng)城組的形成環(huán)境、烴源巖及白云巖儲層及主控因素等進(jìn)行深入研究[2-9]。
近期,隨著油氣勘探的深入,特別是風(fēng)南14井的突破,逐漸認(rèn)識到了風(fēng)城組沉積巖石的復(fù)雜性,巖層呈薄層、互層狀,韻律性強(qiáng),具有典型的頁巖油成藏特征,展示出其是中國當(dāng)前陸相頁巖油勘探的重要接替領(lǐng)域,以常規(guī)油氣藏形成的研究認(rèn)識已不能滿足勘探需求。有鑒于此,本文應(yīng)用頁巖油的勘探理念,依據(jù)地震、測井、鉆井、錄井、地球化學(xué)分析測試數(shù)據(jù)等資料,對瑪湖凹陷風(fēng)城組頁巖油藏進(jìn)行地質(zhì)特征與成藏機(jī)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(chǔ)理論與實(shí)踐應(yīng)用研究意義。
瑪湖凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地西北部,是盆地中央坳陷西北部的一個(gè)次級凹陷(圖1),凹陷面積約為5000km2,現(xiàn)今地質(zhì)結(jié)構(gòu)具有由山前向盆地內(nèi)傾伏的特點(diǎn)。
圖1 準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhì)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(fēng)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(fēng)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(zhì)礫巖和含礫砂巖沉積;細(xì)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(fēng)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(zhì)白云巖和白云質(zhì)粉砂巖沉積,與下伏風(fēng)城組為不整合接觸。下烏爾禾組厚500~1600m,為一套礫巖、砂質(zhì)泥巖互層及泥巖夾含礫砂巖。風(fēng)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(fēng)城組沉積后,經(jīng)歷了中二疊世、晚二疊世—三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)和新生代等不同時(shí)期、不同方式的沉積、構(gòu)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。
瑪湖凹陷風(fēng)城組總體向凹陷內(nèi)傾斜,為西北厚、東南薄的地層楔型地質(zhì)體,自下而上分為3段(圖2)。風(fēng)一段(P1f1)厚0~412m,自西北向東南減薄,自上而下又分為2個(gè)層組。一層組(P1f11)主要為灰色、深灰色白云質(zhì)頁巖、泥質(zhì)白云巖、頁巖,夾薄層灰色、深灰色、灰黑色泥質(zhì)粉砂巖、蒸發(fā)巖;二層組(Pf2)11在風(fēng)城1—艾克1井區(qū)為灰色、深灰色頁巖、粉砂質(zhì)頁巖、粉砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖,在凹陷西部百泉1井區(qū)為白云質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)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(fēng)二段(P1f2)厚0~326m,自上而下分為3個(gè)層組。一層組(P1f21)巖性以灰色、深灰色、褐灰色泥質(zhì)白云巖為主,其次為白云質(zhì)頁巖,夾泥質(zhì)粉砂巖、堿性蒸發(fā)巖;二層組(P1f22)巖性以灰色、深灰色白云質(zhì)頁巖為主,其次為泥質(zhì)白云巖,夾堿性蒸發(fā)巖、泥質(zhì)粉砂巖;三層組(P1f23)巖性為灰色、深灰色頁巖、白云質(zhì)頁巖。
風(fēng)三段(P1f3)厚0~850m,自上而下分為3個(gè)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(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖、白云質(zhì)粉砂巖,夾泥質(zhì)白云巖和堿性蒸發(fā)巖;三層組(P1f33)巖性為深灰色、灰色泥質(zhì)白云巖與深灰色、灰色白云質(zhì)頁巖互層,夾堿性蒸發(fā)巖。
圖2 瑪湖凹陷風(fēng)城組綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive geological column of the Fengcheng Formation in Mahu sag
總體而言,風(fēng)城組主要為一套沉積于堿湖環(huán)境,受機(jī)械、化學(xué)、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(qiáng),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(xì)、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(fù)雜、巖性縱向變化快等特征。瑪湖凹陷的中北部普遍發(fā)育白云質(zhì)頁巖、泥質(zhì)白云巖、白云質(zhì)粉砂巖,夾堿性蒸發(fā)巖,巖心觀測發(fā)現(xiàn)天然堿(風(fēng)20井、風(fēng)南5井);顯微觀測發(fā)現(xiàn)典型的堿性礦物蘇打石(風(fēng)南5井)、氯化鎂鈉石(風(fēng)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(fēng)南1井)。
細(xì)粒巖石的巖礦分析數(shù)據(jù)表明,風(fēng)城組混積巖成分大致可分為5類(圖3):①與陸源碎屑有關(guān)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(yuǎn)高于石英碎屑;②與火山沉積作用有關(guān)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(xì)火山顆粒,如火山塵等;③與生物作用相關(guān)的藻類和細(xì)菌類(圖3c),風(fēng)城組烴源巖生烴母質(zhì)具有細(xì)菌發(fā)育、藻類豐度高、缺乏高等植物的特點(diǎn),藍(lán)細(xì)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(xué)沉積相關(guān)的礦物(圖3d、e),如碳?xì)溻c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(jié)或交代作用形成的相關(guān)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(fēng)城組巖石礦物特征Fig.3 Mineralogical characteristics of the Fengcheng Formation in Mahu sag
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(fēng)城組,風(fēng)城組富含有機(jī)質(zhì)和分散狀黃鐵礦,依據(jù)有機(jī)巖石學(xué)、有機(jī)地球化學(xué)、無機(jī)地球化學(xué)等資料,證實(shí)風(fēng)城組堿湖烴源巖生烴母質(zhì)具有細(xì)菌發(fā)育、藻類豐度高、缺乏高等植物的特點(diǎn),發(fā)育紋層和生物席,烴源巖累計(jì)厚度最大超過200m[3],分布穩(wěn)定。以數(shù)據(jù)積累較多的風(fēng)二段和風(fēng)三段為例(圖4a),風(fēng)二段烴源巖有機(jī)碳含量一般在0.5%~2%,最高達(dá)3.5%以上;風(fēng)三段烴源巖有機(jī)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(fēng)二段、風(fēng)三段烴源巖的生烴潛量最高為26mg/g,并且風(fēng)二段的相對更高。有機(jī)質(zhì)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?yàn)檫@套堿湖云質(zhì)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(fēng)城組烴源巖的實(shí)際熱演化程度更高[3]??傊?,風(fēng)城組發(fā)育優(yōu)質(zhì)烴源巖,特別是處于成堿高峰期的風(fēng)二段,優(yōu)質(zhì)烴源巖面積可達(dá)近1000km2,巖性為獨(dú)特的云質(zhì)混積巖,既有白云巖類,也有頁巖類[13]。
圖4 瑪湖凹陷風(fēng)城組烴源巖有機(jī)地球化學(xué)剖面[3]Fig.4 Organic geochemical profile of source rocks of the Fengcheng Formation in Mahu sag
風(fēng)城組烴源巖最發(fā)育層段也是甜點(diǎn)發(fā)育層段,甜點(diǎn)層與烴源巖層呈互層或?qū)儆谕瑢?。以風(fēng)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(diǎn)狀黃鐵礦的白云質(zhì)頁巖、白云質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)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(zhì)頁巖組成厚度不等的韻律,夾于堿性蒸發(fā)巖中的泥質(zhì)白云巖是風(fēng)二段的主要甜點(diǎn)層。根據(jù)近200個(gè)樣品分析,風(fēng)城組甜點(diǎn)層主要為低孔低滲透儲層,白云質(zhì)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(zhì)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(fēng)城組甜點(diǎn)表現(xiàn)為裂縫—孔隙雙重介質(zhì)特點(diǎn)。其中,基質(zhì)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(wǎng)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(fēng)城1井風(fēng)一段甜點(diǎn)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(fēng)城1井風(fēng)三段甜點(diǎn)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。
瑪湖凹陷風(fēng)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(fēng)一段火山巖和凹陷西南部斜坡區(qū)風(fēng)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(fēng)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(zhǔn)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(fēng)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(fēng)南5井為例,巖屑熒光累計(jì)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(fēng)一段泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)白云巖中途測試,5mm油嘴獲油204t/d、氣12540m3/d。
圖5 瑪湖凹陷風(fēng)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(fēng)城組頁巖油藏甜點(diǎn)巖性主要為粉砂巖和泥質(zhì)白云巖??v向上劃分為上、中、下3個(gè)甜點(diǎn)體(圖2)。上甜點(diǎn)體主要位于風(fēng)三段的二、三層組,甜點(diǎn)體厚度大,一般為5~60m,被頁巖隔層分隔為3~7個(gè)甜點(diǎn)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(fēng)城1井為例,在風(fēng)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(fēng)南7井在上甜點(diǎn)體試油獲得10.96t/d的工業(yè)油流。
中甜點(diǎn)體厚度為30~60m,巖性主要為泥質(zhì)白云巖,在風(fēng)二段的3個(gè)層組分散發(fā)育,與堿性礦物層、富有機(jī)質(zhì)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(fēng)南2井在兩層泥質(zhì)白云巖中分別獲得5.24t/d和6.63t/d的工業(yè)油流。
下甜點(diǎn)體在風(fēng)一段的一、二層組均有發(fā)育,厚度為45~60m。風(fēng)城1井風(fēng)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(chǎn)油流;一層組的泥質(zhì)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(fēng)南14井風(fēng)一段一層組分3層壓裂,初期最高日產(chǎn)油41m3,194天累計(jì)產(chǎn)油2109m3。
綜上所述,瑪湖凹陷北部頁巖油有利勘探區(qū)風(fēng)城組具有多層系含油、分層聚集、準(zhǔn)連續(xù)分布特征(圖5),風(fēng)一段油氣顯示最好,風(fēng)一段、風(fēng)三段試油都見高產(chǎn)油氣流,風(fēng)二段甜點(diǎn)分散,油層薄,甜點(diǎn)層與烴源巖層、堿性礦物層互層分布。
瑪湖凹陷頁巖油藏原油主要來自風(fēng)城組烴源巖,具有自生自儲特征。風(fēng)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(zhì)[5],其生油潛力比咸水湖盆大[17-18]。風(fēng)城組沉積時(shí)期瑪湖凹陷北部為生烴中心,烴源巖厚度較大、分布廣(圖6)?,敽枷荼辈匡L(fēng)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(diǎn)層運(yùn)移聚集。
圖6 瑪湖凹陷北部風(fēng)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(fēng)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(fēng)城組頁巖油含油性主要取決于甜點(diǎn)體,甜點(diǎn)體又受沉積作用控制,與特定的沉積微相相關(guān),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(xì)分成兩種類型。① 受濱淺湖相沉積控制的甜點(diǎn)體。不同類型和不同級別湖退沉積作用控制的甜點(diǎn)體為各類淺灘、灘壩等沉積,巖石類型為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、白云質(zhì)粉砂巖。這類甜點(diǎn)主要發(fā)育在風(fēng)三段的上甜點(diǎn)體,如風(fēng)南1井4100m處上下,斷續(xù)延伸至風(fēng)南4井和風(fēng)南7井(圖7)。風(fēng)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(fēng)南1井。與湖進(jìn)沉積相關(guān)的淺湖沉積甜點(diǎn)體主要為干鹽湖或堿湖環(huán)境形成的泥質(zhì)白云巖和白云質(zhì)頁巖,以風(fēng)二段為主,風(fēng)一段上部和風(fēng)三段下部也有發(fā)育,平面上分布于風(fēng)南7井、風(fēng)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(zhì)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(nèi)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(diǎn)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(diǎn),規(guī)模一般相對較小,由于鉆井?dāng)?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(fēng)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(shí)強(qiáng),巖石物性較差。
瑪湖凹陷風(fēng)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(guān)鍵。風(fēng)城組有效的云質(zhì)巖類儲層包括白云質(zhì)粉砂巖、白云質(zhì)頁巖、泥質(zhì)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(fēng)城1井區(qū)。
風(fēng)城組頁巖油甜點(diǎn)儲層中發(fā)育網(wǎng)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(gòu)造活動是風(fēng)城組裂縫發(fā)育的重要控制因素[23-24]。風(fēng)城1井區(qū)地震資料顯示,該區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育(圖8),這些斷裂活動導(dǎo)致風(fēng)城1井區(qū)風(fēng)城組遭受了強(qiáng)烈改造,裂縫發(fā)育,這是風(fēng)城1井風(fēng)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(zhì)解釋剖面圖[1]Fig.8 Seismic geological interpretation section of northern Mahu sag[1]
準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷風(fēng)城組發(fā)育堿湖頁巖油藏,風(fēng)城組既是優(yōu)質(zhì)的生油層,也是儲層。烴源巖有機(jī)質(zhì)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(zhì)巖類源儲一體巖性組合,存在上、中、下3個(gè)甜點(diǎn)富集層段,具有多層系含油、準(zhǔn)連續(xù)分布的成藏特征。
頁巖油的成藏與富集受烴源巖、構(gòu)造、沉積相的聯(lián)合控制。風(fēng)城組堿湖優(yōu)質(zhì)烴源巖分布控制著頁巖油的分布范圍,多期構(gòu)造變形對甜點(diǎn)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。