玛湖凹陷二叠系风城组全油气系统成藏机理

2022-11-21何文军宋永汤诗棋尤新才白雨赵毅

新疆石油地质 2022年6期

何文军，宋永，汤诗棋，尤新才，白雨，赵毅

（1.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；2.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249）

含油气系统为沉积盆地中一个自然的烃类流体系统，包含一套有效烃源岩、与该烃源岩有关的油气及油气藏形成所必须的一切地质要素及成藏作用[1-2]。其本质是揭示油气生成—排出—运移—散失—聚集的宏观规律，据此建立了“源外”“顺藤（运移路径）摸瓜（油气藏）”的油气资源分布预测思路与方法。进入21 世纪，随着非常规油气的持续发现，经典的含油气系统面临革新，需要考虑“源储一体”的页岩油气[3]、“源储紧邻”的致密油气[4]等资源类型。为此前人提出了协同“源外”常规油气与“源内”非常规油气的全油气系统[5-8]。这一概念最早由Magoon[5]提出，但当时限于非常规油气未获大的突破，经典概念内涵中并未体现非常规油气聚集。因此，为推动概念的理论化，亟需勘探生产实践证实与实例解剖研究。

准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组是盆内最优质的古老碱湖烃源岩[9]，风城组含油气系统已发现了克百和玛湖两大百里油区[10]，探明石油储量占盆地的86%。2019年以来，按照常规—非常规油气有序共生的全油气系统理念，跳出源外以及风城组源边砂砾岩常规油藏带，向着烃源灶区细粒非常规储集层探索，取得致密油和页岩油勘探的重大突破[10-11]，提交石油地质储量3.4×108t，形成了新的大规模储量增长接替区，也证实了玛湖凹陷风城组具有全油气系统。对该系统的全过程生烃、全类型储集层、全类型油藏分布及模式等静态地质特征已有报道[4，10]，但尚未发现对于形成全油气系统各静态要素的全过程耦合以及天然气序列的勘探实践等报道，尤其，近期按照“先常规，后非常规”的勘探思路，在盆1 井西凹陷和沙湾凹陷风城组高部位常规油气藏取得了沙排12 井、石西18 井等井高产油气流的新突破。亟需深化全油气系统理论研究，进一步指导油气勘探。为此，本文基于对油气聚集孔喉结构模式及非常规油气“自封闭”作用的认识[12-13]，对储集层资料以及实际生产资料进行分析，解剖玛湖凹陷风城组全类型油藏的储集层孔隙结构特征与油藏类型关系，揭示风城组各类储集层的成岩演化与烃源岩生排烃过程之间的耦合关系，以期为全油气系统理论研究提供支撑。

1 地质背景

准噶尔盆地位于准噶尔地块核心稳定区，是新疆北部大型陆内含油气盆地，总面积约为13×104km2[14]。准噶尔盆地具有双重基底结构，下基底为前寒武纪古老结晶基底，上基底为晚古生代变质岩褶皱基底。在双重基底之上，经历了海西运动、印支运动、燕山运动及喜马拉雅运动4期主要构造运动，盆地划分为6个一级构造单元和44 个二级构造单元[15]。本文研究区主体为玛湖凹陷、盆1井西凹陷和沙湾凹陷（图1）。3大凹陷构造相对稳定，地层发育齐全，自下而上依次为石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系及新生界。

研究区风城组为准噶尔地块与哈萨克斯坦板块碰撞作用背景下形成的前陆坳陷沉积[16]。西缘为加依尔山—哈拉阿拉特山向东冲断，东部为陆梁—莫索湾古隆起（图1）。古气候由温暖到干旱炎热，蒸发量由低到高，形成了陆源控制下的冲积扇—扇三角洲巨厚砂—砾岩沉积以及内源化学控制下的白云质混积细粒岩类，前者分布相对局限，后者分布广泛，发育盆地内最优质的碱湖型烃源岩[17]。储集层由砂砾岩—白云质砂岩—白云质泥页岩序次分布。油气分布受到岩相控制，形成了常规油—致密油—页岩油的有序成藏特征，形成了风城组烃源岩层系内的全油气系统[4]。

图1 研究区风城组地质概况Fig.1.Regional geological map of Fengcheng formationin the study area

2 全类型油藏地质特征

风城组的油气勘探始于20 世纪60 年代，以玛湖凹陷风城组为主，受“源控”、“断控”、“油气系统”、“复合含油气系统”及“非常规”等油气地质理论的影响，勘探理念和目标类型也随之改变。近5 年来，全油气系统理念的提出与研究，推动了玛湖凹陷、沙湾凹陷及盆1 井西凹陷风城组烃源岩体系的油气勘探。按“源储耦合，有序聚集”的常规—非常规油气有序成藏模式开展整体研究与勘探部署，证实受风城组沉积体系的控制，常规砂—砾岩储集层与非常规白云质砂岩、泥页岩储集层有序分布（图1），具有常规油—致密油—页岩油的序次分布特征（图2），形成了一套烃源岩层系内的常规油—致密油—页岩油有序共生的全油气系统[10]。由于储集层类型、源储关系等成藏要素差异，不同类型油藏具有不同特征（表1）。

图2 玛湖凹陷风城组储集层与油藏类型关系典型模式剖面Fig.2.Section showing the orderly coexistence of conventional and unconventional hydrocarbons in Fengcheng formation in Mahu sag

表1 全油气系统中常规—非常规油藏成藏要素（据文献［4］修改）Table 1 .Hydrocarbon accumulation elements of conventional and unconventional reservoirs in the total petroleum system(modified from Reference[4])

2.1 常规油藏

风城组最早发现的油藏基本都是常规油藏，以玛湖凹陷南部“八区”砾岩油藏为代表。目前发现了构造-岩性油藏和地层-岩性油藏（图3a），前者主要受构造控制，后者受不整合面控制。从发现来看，以逆冲断裂或超覆尖灭带发育的近物源区砂—砾岩油藏最为普遍，埋深普遍小于4 500 m，分布相对局限，整体油藏开发效果较好，采收率达27%。

图3 玛湖凹陷风城组典型常规油藏模式Fig.3.Typical conventional reservoir patterns of Fengcheng formation in Mahu sag

常规油藏主要表现：①具有明显圈闭外形，受断裂、储集层及盖层控制形成不同类型圈闭，油气聚集于圈闭中。如“八区”油藏为发育于逆冲断裂带下倾方向砂—砾岩体中的油藏，上部为致密砾岩遮挡，上倾方向为冲断抬升的石炭系火山岩遮挡，构成断层-岩性圈闭。油藏之间不连续，相互独立，边界特征明显。②以浮力成藏为主，常规与非常规油藏储集层物性的区别，控制了储集层中流体的流动机制变化。“八区”的检乌3 井实测砂—砾岩平均孔隙度为9.8%，平均渗透率为0.5 mD，以原生粒间孔隙为主，孔喉半径普遍大于1 μm；油气在储集层中受到的毛细管阻力较小，为浮力成藏，高部位聚集，油水分异作用明显（图3a）③源储分离，需借助断裂、不整合面、砂体等优势运移通道，经过油气的二次运移调整聚集，由于浮力的作用，在成藏早期油气向高部位运移，遇到圈闭聚集成藏，故油藏中富集的油气往往为成熟—中—高成熟的高密度原油[4]。此外，还有一类发育于玛湖凹陷北部风城1 井区构造控制下的泥岩裂缝型油藏，其储集层岩性为白云质泥页岩，本身为优质烃源岩，受区域构造运动的挤压，形成鼻状构造，在鼻状构造轴部附近以及大断裂附近的应力集中区形成微裂缝发育带，造就了致密泥岩背景下以裂缝为主的油气储集空间，受到浮力作用，高部位大尺度裂缝中聚集成藏，这类油藏试油初期产油量较高，但产量递减快，后期稳产能力差（图3b）。

2.2 致密油藏

按照常规—非常规油气有序共生的全油气系统理念，跳出常规砂—砾岩油水带，围绕砂—砾岩下倾方向的斜坡区扇三角洲前缘厚层白云质砂岩部署，发现了玛湖凹陷南部玛湖28井区及北部玛49井区准连续型致密油区，提交整装控制储量2.2×108t。

致密油藏储集层物性普遍较差，油藏具有以下几方面的特征：①源储相邻，为烃源岩层系内致密储集层的油气富集，空间上致密储集层与凹陷中心区泥页岩“齿状”交错，靠近油气源，具有成藏的先天优势；②岩性为陆源碎屑与碳酸盐岩共同混积的白云质砂岩（图4），碎屑颗粒为粗砂—细砂，成分以陆源石英颗粒和火山岩岩屑为主，占比超过80%，同时含有5%～10%的白云石颗粒及方解石胶结物，为混积型砂岩储集层，主要分布于扇三角洲前缘亚相；③储集层致密，孔隙度为4%～6%，渗透率普遍小于0.1 mD，微米—纳米晶间孔发育，此外，由于长英质、碳酸盐等脆性矿物含量较高，储集层脆性较强，微裂缝较发育；④整体含油，局部富集，目前钻井揭示的致密油带，均表现为纵向连续显示，但受储集层非均质的影响，部分储集层微孔隙发育，连通性差，毛细管阻力较大，油气需克服更大的毛细管阻力驱替地层水，造成局部含油饱和度低。玛湖28井区长期试采井油层含油饱和度为50%，试油初期含油率可达80%，随长期试采，油水比趋于稳定，含油率为35%～50%。总之，致密油藏与常规油藏相比，储集层孔隙结构对油气的富集作用更明显。

图4 风城组常规—非常规储集层岩性特征Fig.4.Lithologies of conventional and unconventional reservoirs in Fengcheng formation

2.3 页岩油藏

页岩油为赋存于富有机质页岩层系中的石油[18]。准噶尔盆地中—下二叠统咸化湖相优质烃源岩分布广泛，是页岩油勘探的重要层位[19]，已取得了吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油的重大发现[20]。相对于芦草沟组页岩油油质重和甜点非均质性强的特点，风城组页岩油更具特殊性。

早期发现的风3 井、风5 井、风城1 井等井，钻揭的风城组储集层均为白云质泥页岩，但受到构造运动的影响，普遍发育微裂缝，形成了裂缝型泥页岩油藏（图3b）。近几年，按照构造稳定区寻找页岩油的思路，在风城组凹陷区构造稳定的单斜区部署页岩油探井玛页1 井，取得了较大突破[21]。该井的突破以及后期试采为风城组页岩油地质特征研究提供了丰富的资料，风城组页岩油具有以下几点特征。

（1）烃源岩为咸化（碱）性湖盆背景下的优质烃源岩，干酪根类型主体为Ⅰ型—Ⅱ1型，有机质以海退或海侵背景下的封闭—半封闭碱性湖盆发育的藻类为来源，如夏40井发现了底栖宏观红藻，风南4井、风南8井、风南14井等井发现了具有一定厚度的层状藻类体[17]。根据玛页1 井风城组烃源岩品质分析结果，残余有机碳含量为0.50%～3.60%，平均为1.26%；氯仿沥青“A”含量为0.001 3%～1.880 8%，平均为0.265 4%；生烃潜量为0.07%～15.41%，平均为2.74%；镜质体反射率为0.84%～1.00%，烃源岩整体达到中—高成熟度。各类细粒岩性均具有一定生烃能力[4]，对于页岩油富集，烃源岩品质整体较好。

（2）储集层岩性多样，包括白云质粉砂岩、泥岩和白云岩（图4）。59%的样品孔隙度小于5%，孔隙度为5%～8%的样品占比32%，渗透率普遍小于0.1 mD，极其致密，微米—纳米孔隙较发育。此外，页岩油储集层碳酸盐矿物含量为5%～25%，长英质矿物含量普遍超过50%，易形成微裂缝，长石及部分碳酸盐颗粒也易溶蚀形成溶蚀孔，有效改善储集性能，油气显示整体较强（图5）。玛页1井取心238 m，均为荧光级以上，局部油浸级、油斑级砂质纹层“甜点”呈条带状分布。水槽实验证实，在远离物源区的凹陷区，咸化水体形成的异重流可较远距离搬运碎屑颗粒，形成高含长英质矿物的富砂质纹层的甜点储集层。

图5 玛页1井风城组典型岩心照片图版Fig.5.Images of typical cores from Fengcheng formation in Well Maye-1

（3）页岩油源储一体，原油局部富集，存在层间微运移，以脉冲式生烃增压为主要动力[22]。目前发现的局部富集的砂质纹层或者碳酸盐岩溶蚀段厚度普遍小于1 m，累计厚度占比小于25%。基于源储组合划分甜点段，存在夹层型、纹层型及纯页岩型3 种类型页岩油（图6）。夹层型页岩油主要发育于风三段，其特点为米级砂质储集层上下被优质烃源岩夹持，源储比小于25%；纹层型页岩油主要发育于风二段中—下部，受高频振荡的水体影响，砂质条带与烃源岩层频繁互层沉积，源储比近50%；纯页岩型页岩油主要发育于风二段中—上部，为咸化湖盆发育的主体期，有机质含量高，形成优质烃源岩，同时外部陆源碎屑供给能力减弱，形成了纯泥页岩或者白云质泥页岩集中发育段，源储比超过75%。

图6 风城组页岩油源储组合类型划分及特征Fig.6.Classification and characteristics of shale oil source-reservoir assemblages in Fengcheng formation

综上所述，常规油气藏与非常规油气藏之间的差异主要表现在源储关系、储集层岩性、储集层物性、原油运移方式、成藏动力、赋存特征等方面（表1）。风城组全油气系统中发育全类型油藏，有其特殊性，烃源岩和各类储集层有效耦合，各要素之间在时间与空间上的演化耦合关系决定了油气富集规模。

3 序列成藏机制

3.1 粒度控制下的储集层致密化特征

对于烃源岩层系内的常规—非常规储集层，油气过路及聚集受烃源岩生排烃过程的影响，其油气富集成藏过程会有所不同，更具有连续性。由于孔隙结构的差异，不同类型的储集层油气成藏机理和成藏模式不同。

根据储集层物性、压汞实验、薄片鉴定等资料，开展8 个不同类型的油藏解剖。宏观上，源储耦合，岩相控藏（图2）。微观上，通过对比常规油藏（检乌3井区以及百泉1井区风三段砂—砾岩油藏和风城1井—乌35 井区受构造控制的白云质泥岩裂缝型油藏）、致密油藏（白25 井区、克81 井区及玛湖28 井区风三段白云质砂砾岩油藏、玛湖28 井区风二段以及玛49 井区白云质砂岩油藏）和玛页1 井区页岩油藏之间储集层物性与结构变化（图7）。总体呈现出粒度、物性及储集层致密化程度的序次变化。

图7 风城组常规—非常规储集层孔喉结构与油气成藏关系（据文献［12］修改）Fig.7.Relationship between pore-throat structure and hydrocarbon accumulation in conventional-unconventional reservoirs of Fengcheng formation(modified from Reference[12])

常规油藏储集层以粗粒砂—砾岩为主，物性整体较好，平均渗透率大于0.1 mD；平均毛细管半径大于1 μm，高压压汞实验排驱压力较小；致密储集层与页岩储集层以白云质砂岩、粉砂岩及泥页岩为主，物性较差，孔隙度小于10%，渗透率小于1.0 mD，白云质砂岩致密储集层平均毛细管半径为25～2 000 nm，粒度最小的页岩储集层平均毛细管半径小于10 nm，高压压汞结果显示排驱压力均较大。需要注意的是，部分致密储集层受微裂缝发育的影响，最大孔喉半径可能大于常规储集层，反映出各类储集层内部依然存在一定的非均质性（表2）。

表2 风城组各类储集层物性参数Table 2 .Physical parameters of conventional and unconventional reservoirs of Fengcheng formation

3.2 致密储集层中烃类“自封闭”特征

通过对风城组储集层压汞实验、微纳米CT 实验、扫描电镜以及激光共聚焦观察（图8），在致密储集层中，大孔（孔喉半径大于1 μm）中原油以游离态呈充填状赋存于矿物颗粒间以及粒内孔内，而中—小孔（孔喉半径小于1 μm）中原油以吸附态呈薄膜状赋存于矿物颗粒表面与有机质孔内。其中白云质砂岩类储集层，纳米级非连通孔隙较发育，存在较多吸附态油，连通孔隙占比低，往往以中—大连通孔隙为主（图9），游离油含量高。而粒度更细的泥页岩储集层，以中—小孔为主，整体连通孔隙占比高达78%；其中的游离油、吸附油受微米—纳米高毛细管力控制，形成“自封闭”体系，破坏该体系需要更大的压差驱动。从不同组分的赋存特征观察，粒间相对的连通孔中以轻—重质组分游离油为主（图8d），而粒内非连通溶孔则以吸附的轻烃组分为主（图8c），主要反映为成岩早期作用弱，孔隙结构好、有机质生成中—高成熟重质油弥散于大孔隙中，随着成岩作用增强，有机质成熟度升高，轻质组分烃类一方面受源储压差微运移至连通孔，另一方面则富集于距干酪根近的相对孤立的非连通孔中。

图8 白云质砂岩典型储集空间与原油赋存特征Fig.8.Typical reservoir spaces and oil occurrences of dolomitic sandstone

图9 玛页1井白云质粉砂岩压汞曲线Fig.9.Mercury intrusion test results of dolomitic sandstone reservoirs in Well Maye-1

3.3 全类型储集层的动态“封闭”成藏

综合前人对于风城组储集层成岩作用过程[23-24]与生排烃过程[22]研究成果及目前各类油藏生产特征，开展孔喉结构的演化与油气运移充注调整的动态耦合过程分析（图10）。

图10 常规—非常规全油气系统源储耦合成藏过程示意图Fig.10.Hydrocarbon accumulation process of conventional and unconventional reservoirs in the total petroleum system under a source-reservoir coupling pattern

（1）成岩早期—初次排烃—油气输导运移阶段晚二叠世—早三叠世为烃源岩初次排烃期（镜质体反射率为0.50%～0.70%），储集层处于成岩早期，成岩作用弱，渗透性较好，油气可在层间横向运移，在断裂开启或者顶部封盖条件差的情况下，油气向上运移调整，在源外有效圈闭中聚集成藏，此时期无论哪种类型储集层，均表现为大孔喉的高渗透层，浮力作用占主导。

（2）常规油藏形成—致密储集层动态“封闭”成藏阶段随着凹陷深埋持续加大，烃源岩成熟度升高（镜质体反射率为0.75%～1.00%），早侏罗世形成第一期生排烃高峰，高部位常规储集层成岩作用相对弱，上倾方向断层活动停止封闭，顶部中二叠统泥岩盖层压实封盖，形成圈闭，油气聚集成藏，形成常规油藏。

下倾方向的白云质砂岩、泥页岩细粒储集层受成岩作用影响，孔喉减小，小于1 μm，运移烃受小孔喉的毛细管作用滞留，受到大规模幕式生排烃形成的高源储压差作用影响，突破毛细管阻力，油气进一步向上运移，在常规储集层中浮力成藏，开始油水分异；在白云质砂岩、白云质泥页岩相对致密的储集层中形成烃类幕式滞留与排出，成岩早期的微米—纳米孔喉赋存的地层水因储集层进一步致密化，滞留于储集层中；其中，非连通孔隙中可能存在一定量的束缚水，这部分地层水赋存于微米—纳米孔喉中。玛湖28 井区致密油藏试油初期含油率普遍超过80%，长期试采含油率下降并趋于稳定。主要原因在于压裂改造后的致密储集层，部分赋存地层水的非连通孔或微米—纳米孔喉的力平衡被破坏。初期含油率高是因连通孔喉及相对大孔喉中的游离油优先流动至井筒，经压裂改造后的微米—纳米或非连通孔喉中的地层水缓慢排出。常规储集层中早期的中—大孔喉赋存的烃类受到储集层致密化影响，毛细管力大于浮力，形成滞留烃。例如，“八区”油藏下倾方向的“水带”，试油过程中也普遍含油，但含油率相对较低，是部分微米—纳米孔喉中对早期赋存的油气所形成的毛细管力大于浮力作用，得以保存下来，压裂改善了孔喉结构，破坏了其平衡状态，随地层水排出，类似“海绵吸水”效应。

（3）致密储集层“自封闭”成藏阶段随着烃源岩生排烃持续进行（镜质体反射率为1.00%～1.20%），当源储压差不足以突破致密储集层中的毛细管力，滞留于孔隙中的烃类“自封闭”成藏，以游离态、吸附态分布于微米—纳米孔喉系统中，形成致密油和页岩油。玛页1井风城组实测的包裹体均一温度为60～110 ℃，呈现单峰型，为持续的供烃特征。

综上所述，常规油藏与致密油藏之间受到孔喉结构致密化程度的不同，非常规油藏“自封闭”体系形成物性边界，虽然看似岩性是连续的，但其内部的储集层物性有变化，导致非常规油藏无圈闭界限，呈准连续—连续分布的特点。但各类型油气藏之间是流体场的动态平衡，宏观的封闭条件必不可少。