准噶尔盆地乌—夏地区二叠系风城组致密油储层特征

刘英辉，朱筱敏，朱 茂，廖宗宝，王小军，王俊怀

（1.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京102249；2.中海石油（中国）有限公司 上海分公司，上海200030；3.中海石油（中国）研究总院，北京100027；4.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆 克拉玛依834000）

0 引言

近年来，致密油、致密气、页岩油和页岩气等非常规资源已成为国内外油气勘探的新亮点，其中致密油被国外学者赞誉为“黑金”［1-4］。致密油通常是指空气渗透率＜2mD或覆压基质渗透率＜0.2mD的砂岩、粉砂岩、灰岩和白云岩等作为储层的油气资源，以分布面积大及临近优质烃源岩为特征，单井基本无自然产能，或自然产能无商业价值，但在一定的经济和技术条件下能够实现商业开发［3，5-8］。

在美国，致密油的勘探与开发技术均已成熟，目前已在19个盆地发现了致密油，可采储量高达23 亿 t［4，7］。 目前，我国石油对外依存度高达 50% 以上，急需取得油气勘探领域的重大突破，因此，致密油勘探受到人们的重视［3，5］。准噶尔盆地西北缘二叠系风城组油层岩性复杂，埋深大（4 000～5 000m），裂缝和溶孔均发育，孔隙度＜10%，渗透率＜2mD，孔喉半径多＜1μm，是典型的致密储层。2009年，风城1井在风城组获得高产油流（试油日产油109.8 t），并提交石油控制储量3 575万t；2011年，风南7井再获突破，经压裂日产油8.65～10.38 t。但是，准噶尔盆地西北缘二叠系风城组致密油勘探目前仍处于起步探索阶段，对其储层特征，特别是储集空间类型及“甜点”区分布影响因素研究程度均低。笔者利用岩心、常规薄片、铸体薄片及孔渗压汞等数据，分析准噶尔盆地乌—夏地区二叠系风城组致密油储层岩石学特征、储集空间特征和物性特征，探讨优质储层影响因素，以期为该区致密油勘探提供依据。

1 地质概况

准噶尔盆地位于新疆维吾尔自治区北部，现今构造处于哈萨克斯坦板块、西伯利亚板块和塔里木板块的交会地带，属前陆盆地。乌—夏地区位于准噶尔盆地西北缘，北靠哈拉阿拉特山，南临玛湖凹陷，西起扎伊尔山，东至红旗坝地区，勘探面积约2 000 km2（图1）。研究区逆掩构造活动强烈，深层断裂发育，同时伴生众多与主断裂平行或斜交的次生断裂，构成一系列断阶带，为油气运移成藏提供了优质通道［9-11］。

图1 准噶尔盆地乌—夏地区位置及风城组沉积相平面展布图Fig.1 Location of the Wu-Xia area and sedimentary facies of Fengcheng Formation in Junggar Basin

准噶尔盆地在早石炭世末期发生洋/陆转换，晚石炭世—早二叠世盆地发生剧烈周缘碰撞，形成二叠纪前陆盆地沉积格局［10，12］。二叠系自下而上依次发育佳木河组（P1j）、风城组（P1f）、夏子街组（P2x）以及下乌尔禾组（P2w）［13-14］，目的层风城组厚度为400～1 400m，自下而上可分为风一段、风二段和风三段，地层向东尖灭。风城组发育期，研究区构造活动剧烈，气候炎热，蒸发作用较强，淡水补给相对匮乏，同时火山活动频繁，形成了一套与扇三角洲—湖泊—火山岩相关的岩层（参见图1），为半深湖暗色白云石化泥岩与灰绿色白云石化凝灰岩间互的地层组合，仅北东部近源区见扇三角洲前缘粉—细砂岩（图 2）。

图2准噶尔盆地乌—夏地区风城组风南1井岩性序列及沉积环境Fig.2 Lithological column and sedimentary environment of Fengnan 1 well of Fengcheng Formation in Wu-Xia area of Junggar Basin

2 致密油储层特征

2.1 岩石学特征

据岩心观察、显微薄片鉴定及X射线衍射全岩分析，准噶尔盆地乌—夏地区二叠系风城组主要发育5种岩石类型：云质岩类、凝灰岩类、砂岩类、泥岩类和盐岩类，并以云质岩类为主。

2.1.1 云质岩类

研究区风城组岩石普遍发育白云石化作用，其中白云石质量分数为2.2%～57.3%，平均为24.4%，岩性主要为云质凝灰岩、凝灰质白云岩、云质泥岩和云质粉砂岩等（图版Ⅰ-1～Ⅰ-4），其中云质凝灰岩最富集。云质岩类主要发育于乌尔禾断褶区及玛湖西斜坡，其中乌尔禾断褶区风4、风7和风南3井区均较发育，厚度为300～600m（参见图2）。

2.1.2 凝灰岩类

研究区风城组发育期，火山活动频繁，形成了大量的火山细粒物质，常见沉凝灰岩、熔结凝灰岩、粉砂质凝灰岩和泥质凝灰岩，它们大部分发生白云石化作用，呈灰色和灰黑色，岩性致密，常呈纹层状和块状分布。火山凝灰物质可漂移数百公里，剥蚀区多为火山凝灰物质。研究区凝灰岩类分布面积和厚度均较大，其中玛湖西斜坡厚度最大，为1 000m。

2.1.3 砂岩类

研究区北西部发育规模较小的扇三角洲—湖泊沉积体系（参见图1），岩性以凝灰质粉砂岩和泥质粉砂岩为主，多发生白云石化。砂岩类储层仅分布于北西部风城1和风城011等井区近物源区，厚度可达数十米。

2.1.4 泥质岩类

多为泥质凝灰岩，少量为凝灰质泥岩和硅质泥岩。X射线衍射分析表明，研究区细粒沉积物中黏土矿物含量很低，平均质量分数为7.6%［15］。研究区泥质岩类主要分布于扇三角洲远端的湖盆沉积区，且分布范围较小。

2.1.5 盐岩类

研究区发育一套盐岩组合，主要有硅硼钠石（NaBSi3O8）（图版Ⅰ-5）、碳钙钠石［Na2Ca2（CO3）3］、碳镁钠石［Na2Mg2（CO3）3］、硬石膏和石膏等。 盐岩富集说明地层水中富含大量的Na+，Ca2+和Mg2+，为咸化湖泊浓缩蒸发所致。盐岩富集区见异常高压网状缝（图版Ⅰ-6），可能与深部热水沿断裂上升有关［16］。盐岩类在湖盆中心水深最大处异常富集，厚度可达300～500m。

2.2 储集空间类型

据岩心观察、铸体薄片及扫描电镜分析，研究区风城组储层主要的储集空间类型为裂缝、溶孔、晶间孔和原生孔，其中裂缝是最重要的储集空间类型，溶孔次之。致密油藏为裂缝-溶孔型。

2.2.1 裂缝

乌—夏地区风城组致密油储层中，裂缝是最主要的储集空间（图版Ⅱ-1～Ⅱ-4），占储集空间的53%，对致密油有效储层的发育起到了决定性的作用。研究区主干断裂主要为百—乌断裂、夏红北断裂及乌兰林格断裂等一系列北东向和北北东向断裂（参见图1）。风城组裂缝主要为构造作用形成的构造缝，压实作用形成的泄水缝（图版Ⅱ-3）和缝合线（图版Ⅱ-4）及异常高压形成的网状缝［17-18］（图版Ⅰ-6）；以高角度裂缝（40°～70°）为主，水平缝（＜ 10°）和垂直缝（＞70°）次之。宏观裂缝（开度为0.2mm左右）仅在风26和风7等井区主断裂附近可见；微裂缝（开度为0.003～0.025mm）全区发育，靠近主断裂区富集。裂缝主要发育于云质岩类和凝灰岩类储层中，白云石为脆性矿物，故发生白云石化的地区裂缝最富集。裂缝常被白云石、方解石、石膏、硅硼钠石或沥青等充填（图版Ⅱ-2～Ⅱ-4）。微裂缝产生的面孔率平均高达1.7%，不仅大大改善了储层的连通性，而且为溶蚀流体的流动提供了通道，有利于溶孔的形成。

2.2.2 溶蚀孔隙

研究区风城组致密油储层中溶孔占储集空间的35%，常见有晶间溶孔、粒内溶孔和基质溶孔。溶孔主要发育于白云石化强烈的乌尔禾半封闭湖湾区及风城1井区云质砂岩类储层中，被溶蚀的矿物主要有白云石、方解石以及盐类矿物（图版Ⅱ-5～Ⅱ-7）。溶蚀流体在构造挤压及热对流的驱动下常沿构造缝和层理面等构造薄弱面流动，故裂缝发育区溶蚀作用较为强烈。例如，风城1井的云质粉砂岩中溶孔为最主要的储集空间类型，占储集空间的70%以上［15］。溶孔的发育不仅改善了储层物性，而且增大了储集空间，对研究区致密储层“甜点”区的形成产生了重要作用。

2.2.3 晶间孔隙

研究区风城组致密油储层中晶间孔仅占储集空间的11%，且孔隙较小，一般不超过几微米，多由白云石化和重结晶作用等后期成岩交代作用形成。晶间孔于自生矿物中较常见，如方解石和白云石等结晶体矿物之间形成的孔隙，构造作用形成的裂缝充填物中也常见晶间孔（图版Ⅱ-8～Ⅱ-9）。晶间孔分布不均匀，常与裂缝带共生，对致密储层“甜点”的形成有一定的贡献。

2.2.4 原生孔隙

研究区风城组沉积于半封闭湖湾环境，沉积物粒度较细，并由于埋深较大（4 000～5 000m），原生孔已基本不存在，且孔隙连通性差。原生孔主要为原生剩余粒间孔，仅占储集空间的1%，常见于砂岩类致密油储层中，单独的原生孔很难形成有利储层。

2.3 储层物性特征

据研究区风城组500余块储层样品的统计数据表明，储层基质孔隙度较低，最小值为0.04%，最大值为27.3%，一般为1%～10%，平均为3.86%，孔隙度＞10%的样品仅占样品总数的5%左右；储层空气渗透率数值变化很大，最小值＜0.01mD，最大值为1 016.01mD，平均为0.17mD，＜2mD的样品占样品总数的 85% 左右（图 3），属致密储层［3，19］。 由图3可看出，研究区风城组致密油储层孔隙度和渗透率没有明显的线性关系，说明其孔隙类型主要为次生孔隙和裂缝，原生孔所占比例较低；渗透率的波动范围极大，说明裂缝的存在至关重要，是改善储层物性的主要因素。

图3 准噶尔盆地乌—夏地区风城组致密油储层孔渗关系（据文献［3］修改）Fig.3 Porosity and permeability of tight oil reservoirs ofFengcheng Formation in Wu-Xia area of Junggar Basin

研究区不同岩石类型的储层物性差异较大。其中云质粉砂岩平均孔隙度为5.23%，凝灰质白云岩平均孔隙度为6.63%，均高于风城组碎屑岩储层平均孔隙度3.86%（表1）。云质粉砂岩物性相对较好，这是由于粉砂质的分选、磨圆及抗压实能力均好于凝灰质，后期的溶蚀作用也较凝灰质强。凝灰质白云岩发生了强烈的白云石化作用，使岩石脆性加大，裂缝更发育。根据研究区取心段不同岩性储层的含油气性分析，云质粉砂岩和凝灰质白云岩含油性均相对较高（表2）。

表1 准噶尔盆地乌—夏地区风城组不同岩性孔隙度Table 1 Porosity of different lithologies of FengchengFormation in Wu-Xia area of Junggar Basin

表2 准噶尔盆地乌—夏地区风城组不同岩性储层岩心的含油气性Table 2 Cores fluorometric analysis of different rock types of Fengcheng Formation in Wu-Xia area of Junggar Basin

研究区风城组储层排驱压力一般＞3MPa，孔喉半径＜1μm，主要为0.03～1.00μm，退汞效率较差。风城组孔渗数据及喉道特征均表明研究区发育致密储层。

3 储层物性影响因素分析

准噶尔盆地乌—夏地区二叠系风城组致密油储层具有裂缝-溶孔双重介质特征，储层物性主要受白云石化作用强度、裂缝和溶孔发育程度及其耦合关系等因素影响。

3.1 白云石化作用

据岩石薄片和X射线衍射分析（参见图2），风城组云质岩类的矿物组成复杂，其中白云石的质量分数为2.2%～57.3%，很少超过50%，平均24.4%，岩性主要为云质凝灰岩、凝灰质白云岩、云质泥岩和云质粉砂岩等，以云质凝灰岩最富集，统称云质岩类。

云质岩类的产状以纹层状、条带状（图版Ⅰ-1～Ⅰ-2）、团块状、丝絮状和星散状为主，常沿层理和裂隙充填分布，镜下呈半自形—自形，以粉晶—细晶为主，常见雾心亮边和环带交代残余结构（图版Ⅰ-3～Ⅰ-4）。其中纹层状微晶白云石推测为准同生成因，以晶形差、颗粒小和层状分布为特征［20］；星散状与丝絮状粉—细晶白云石为中埋藏成因，以粉—细晶、半自形—自形和雾心亮边发育为特征；团块状细—中晶白云石可能为中—深埋藏成因或与热液活动密切相关，以晶面不规则紧密接触为特征。

白云石不仅脆性大，而且易发生溶蚀，岩石白云石化有利于产生有效储集空间（参见表1）。研究区风城组泥岩、粉砂岩和凝灰岩的平均孔隙度分别为0.6%，3.64%和2.71%，发生白云石化后分别为3.35%，5.23%和6.63%，储层物性得到了改善。岩心、测井及地震反演综合研究均表明，风城组云质岩类主要分布于乌尔禾—风城地区。

3.2 裂缝发育程度及其影响因素

在风城组致密油储层中，裂缝对有效储层的形成和分布均起到决定性的作用，是研究区致密油储层高产最重要的影响因素。裂缝的识别可通过岩心观察、成像测井及地震方法来进行。储层裂缝的成因不同，分布规律和影响因素也均不相同。纵向上，裂缝发育主要受岩性影响，岩石发生白云石化后，其脆性普遍变大，在构造作用力下极易发产破裂；平面上，裂缝发育程度主要受构造条件影响，一般情况下主断裂附近为裂缝发育的密集区。乌尔禾断褶带深层断裂异常发育，加之白云石化程度最大，岩石脆性大，为研究区裂缝最富集的地带。

裂缝的存在不仅可以作为致密油的储集空间，而且为油气及溶蚀流体均提供了优质运移通道。裂缝的发育程度直接影响着原油产量，如风3井风城组凝灰质白云岩距断裂近，裂缝密度达10.6条/m，日产原油100 t以上；远离断裂的风南4井风城组凝灰质白云岩裂缝密度小，仅0.5条/m，日产原油2 t。

3.3 溶孔发育程度及其与裂缝配置关系

风城组致密油储层（特别是砂岩类储层）溶孔的发育程度决定了储层的有效性。溶孔的发育主要受岩性影响，砂岩类储层最易发育溶孔，白云石、方解石、硅硼钠石和盐岩等自生矿物均易发生溶蚀。其次，裂缝是溶蚀流体运移的优良通道，溶孔经常伴随裂缝发育。有机质生烃排放出大量有机酸，这些有机酸是溶蚀流体的主要来源。溶孔在云质粉砂岩中最为发育，在主断裂带附近也较发育。

溶孔发育程度及其与裂缝配置关系的优劣均极大地影响致密油储层的产量，如乌355井在井深3 177～3 197m裂缝和溶孔发育且配置关系较好，溶孔被裂缝有效连通，日产油23 t；乌351井在井深3 310～3 322m溶孔孤立，裂缝不发育，溶孔未被有效连通，日产油不足 1 t［15］。

4 结论

（1）准噶尔盆地西北缘二叠系风城组油层岩性复杂，以云质岩类为主；储集空间类型以裂缝和溶孔为主，埋深大（4 000～5 000m），原生孔不发育；孔隙度为1%～10%，渗透率＜2mD，孔喉半径多＜1μm，为典型的致密型储层。

（2）白云石化作用、裂缝和溶孔的形成作用共同影响研究区风城组相对优质储层的发育，尤其是裂缝局部异常发育的地区，储层被改造，连通性变好，可形成“甜点”。其分布主要受以下因素影响：①岩石发生白云石化作用的强度。强烈的白云石化作用导致岩石脆性变大，更易产生裂缝，且白云石容易发生溶蚀。②主断裂的发育强度。伴随主断裂产生的众多裂缝和微裂缝，不仅增大了储层的储集空间，并且为溶蚀流体的运移提供了优质通道。③溶蚀作用的强度。白云石和云质粉砂岩均容易发生溶蚀作用，产生一定的储集空间。

［1］ 雷群，王红岩，赵群，等.国内外非常规油气资源勘探开发现状及建议［J］.天然气工业，2008，28（12）：7-10.

［2］ 李玉喜，张金川.我国非常规油气资源类型和潜力［J］.国际石油经济，2011，19（3）：61-67.

［3］ 贾承造，邹才能，李建忠，等.中国致密油评价标准、主要类型、基本特征及资源前景［J］.石油学报，2012，33（3）：343-350.

［4］ 付锁堂，张道伟，薛建勤，等.柴达木盆地致密油形成的地质条件及勘探潜力分析［J］.沉积学报，2013，31（4）：672-682.

［5］ 匡立春，唐勇，雷德文，等.准噶尔盆地二叠系咸化湖相云质岩致密油形成条件与勘探潜力［J］.石油勘探与开发，2012，39（6）：657-667.

［6］ 姚泾利，邓秀芹，赵彦德，等.鄂尔多斯盆地延长组致密油特征［J］.石油勘探与开发，2013，40（2）：150-158.

［7］ 林森虎，邹才能，袁选俊，等.美国致密油开发现状及启示［J］.岩性油气藏，2011，23（4）：25-30.

［8］ Arthur J D，Bohm B，Coughlin B J ，et al. Evaluating the environmentalimplications of hydraulic fracturing in shale gas reservoirs ［C］. SPEAmericas E&P Environment and Safety Conference：San Antonio，Texas，2008.

［9］ 冯建伟，戴俊生，鄢继华，等.准噶尔盆地乌夏前陆冲断带构造活动-沉积响应［J］.沉积学报， 2009，27（3）：494-502.

［10］ 陈发景，汪新文.准噶尔盆地的原型和构造演化［J］.地学前缘，2005，12（3）：77-89.

［11］ 曲江秀，邱贻博，时振峰，等.准噶尔盆地西北缘乌夏断裂带断裂活动与油气运移［J］.新疆石油地质，2007，28（4）：403-405.

［12］ 陈新，卢华复，舒良树，等.准噶尔盆地构造演化分析新进展［J］.高校地质学报，2002，8（3）：257-267.

［13］ 牛海青，陈世悦，张鹏，等.准噶尔盆地乌夏地区二叠系储集层特征及影响因素分析［J］.古地理学报，2009，11（4）：425-434.

［14］ 冯有良，张义杰，王瑞菊，等.准噶尔盆地西北缘风城组白云岩成因及油气富集因素［J］.石油勘探与开发，2011，38（6）：685-692.

［15］ 朱世发.混积地层储层发育机理和主控因素分析——以准噶尔盆地乌—夏地区二叠系风城组为例［D］.北京：中国石油大学（北京），2011.

［16］ 蒋宜勤，文华国，祁利祺，等.准噶尔盆地乌尔禾地区二叠系风城组盐类矿物和成因分析［J］.矿物岩石，2012，32（2）：105-114.

［17］ 潘晓添，郑荣才，文华国，等.准噶尔盆地乌尔禾地区风城组云质致密油储层特征［J］.成都理工大学学报：自然科学版，2013，40（3）：315-325.

［18］ 潘晓添.准噶尔盆地西北缘风城组湖相热液白云岩形成机理［D］.成都：成都理工大学，2013.

［19］ 赵靖舟，吴少波，武富礼.论低渗透储层的分类与评价标准——以鄂尔多斯盆地为例［J］.岩性油气藏，2007，19（3）：28-31.

［20］ 殷建国，丁超，辜清，等.准噶尔盆地西北缘乌风地区风城组白云质岩类储层特征及控制因素分析［J］.岩性油气藏，2012，24（5）：83-88.

图版Ⅰ