準噶爾盆地瑪湖凹陷風城組頁巖巖相發育特征

李兆豐，唐相路，黃立良，常秋生，楊磊磊，楊再權

(1.中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油新疆油田分公司 勘探開發研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

頁巖油是繼頁巖氣之后的又一重要接替能源，受到世界各國的廣泛關注[1-3]。隨著頁巖氣規模化的勘探開發，頁巖油的勘探開發也在積極探索之中[4-5]。準噶爾盆地是我國陸相頁巖油主要勘探地區之一，其中吉木薩爾凹陷頁巖油勘探已獲得巨大成功，落實井控儲量超過10億t，并已進入規模建產階段[6]。瑪湖凹陷二疊系風城組為一大套湖相泥頁巖與云質巖互層沉積，具有良好的生油潛力，同時也是目前頁巖油勘探的重點領域[7-10]。

我國陸相頁巖具有巖性變化快、礦物成分復雜、沉積構造多變的特點[11]。目前，國內的頁巖油儲層可大致分為3類：①以碎屑礦物和黏土礦物為主的泥頁巖、粉砂質泥巖以及細粉砂巖，如鄂爾多斯盆地的延長組，松遼盆地的青山口組，柴達木盆地的中侏羅統等；②碳酸鹽礦物含量相對較多的，以泥質白云巖/灰巖、白云質/灰質泥巖以及泥頁巖為主要巖性的儲層，如渤海灣盆地的沙河街組及孔店組，江漢盆地的潛江組等；③較為特殊的，以火山碎屑為主的凝灰巖為主要儲層之一，如三塘湖盆地的蘆草溝組[12]。

巖相劃分依據及方式的不同，直接影響到下步的儲層描述方式、儲層評價的精度與有效性。目前關于頁巖巖相的劃分方式大體可以歸納為3類：①第一類，根據礦物組成進行劃分；②第二類，根據巖石結構與沉積構造進行劃分；③第三類，選取多種參數組合進行劃分。傳統的巖相劃分方案很難準確反映陸相頁巖巖石學特征，不利于表征其復雜的沉積變化規律和微觀儲集空間特征[13-14]。筆者針對準噶爾盆地瑪湖凹陷二疊系風城組頁巖沉積特征，建立了風城組頁巖巖相劃分標準，探究了典型巖相沉積構造特征，明確了典型巖相的孔隙結構，以期為陸相頁巖油氣的勘探開發提供指導。

1 地質背景

準噶爾盆地是中國西部的大型含油氣盆地之一，位于哈薩克斯坦板塊東部、阿爾泰山與天山之間，西側為準噶爾西部山地，東至北塔山麓。瑪湖凹陷位于準噶爾盆地西北緣，北部與烏夏斷裂帶及克百斷裂帶緊鄰，南部為達巴松凸起，西部與中拐凸起相連，東部分布有英西凹陷、3個泉凸起及夏鹽凸起3個構造單元，面積約5×103km2，是盆地主要的生烴凹陷[15-16]。瑪湖凹陷自下而上發育下二疊統佳木河組(P1j)、風城組(P1f)，中二疊統夏子街組(P2x)、下烏爾禾組(P2w)和上二疊統烏爾禾組(P3w)。二疊系早期地層以陸相火山巖為主，中期以陸相湖盆沉積的云質頁巖為主，晚期以陸相盆地沉積的碎屑巖為主，局部見火山巖。目的層下二疊統風城組發育1套封閉—半封閉環境下的咸化湖盆，整體以暗色細粒沉積的云質頁巖和長英質頁巖為主，上部過渡到碎屑巖沉積，底部發育火山巖(圖1)[17-18]。

圖1 準噶爾盆地瑪湖凹陷構造位置及風城組地層特征Fig.1 Structural location and stratigraphic characteristics of Fengcheng Formation in Mahu Sag，Junggar Basin

2 頁巖巖相劃分方案

頁巖巖相可以直觀地反映頁巖的顏色、構造、礦物成分、有機質特征等，是頁巖沉積環境的綜合表征[19]。基于頁巖的巖相研究可以反映不同層位頁巖的成儲能力。針對瑪湖凹陷風城組頁巖段地層巖性變化復雜、沉積構造多變的特點，選取礦物組成和沉積構造作為指標，進行頁巖巖相劃分(圖2)。依據礦物成分25%、50%、75%為界劃分為5大類：①Ⅰ為長英質頁巖類(Ⅰ1為長英質頁巖、Ⅰ2為含灰/云長英質頁巖、Ⅰ3為含黏土長英質頁巖)；②Ⅱ為灰質頁巖類(Ⅱ1為灰質頁巖、Ⅱ2為含長英灰質頁巖、Ⅱ3為含黏土灰質頁巖)；③Ⅲ為云質頁巖類(Ⅲ1為云質頁巖、Ⅲ2為含長英云質頁巖、Ⅲ3為含黏土云質頁巖)；④Ⅳ為黏土質頁巖類(Ⅳ1為黏土質頁巖、Ⅳ2為含長英黏土質頁巖、Ⅳ3為含灰/云黏土質頁巖)；⑤Ⅴ為混合質頁巖類。同時，依據層厚度劃分紋層狀(<1 cm)、層狀(1～10 cm)和塊狀(>10 cm)，總計39小類。

圖2 風城組頁巖巖相劃分方案Fig.2 Lithofacies division scheme of Fengcheng Formation shale

巖心描述及XRD實驗結果表明(圖3)，研究區風城組頁巖主要發育紋層狀長英質頁巖、塊狀含云長英質頁巖、紋層狀含長英云質頁巖以及紋層狀含黏土長英質頁巖4種典型巖相類型。

圖3 風城組頁巖礦物組成特征Fig.3 Characteristics of shale mineral composition in Fengcheng Formation

3 典型巖相沉積構造特征

沉積構造可以反映頁巖成因及其沉積環境[20]。瑪湖凹陷風城組頁巖以紋層狀和塊狀為主，沉積構造復雜多變。本文根據巖芯特征，結合顯微鏡下觀察，對不同巖相的沉積構造特征進行探討。

(1)紋層狀長英質頁巖巖相。該巖相為研究區風城組的主要巖相之一，主要發育在風二段及風一段中上部。紋層以水平紋層、波狀交錯層理和槽狀交錯層理為主，厚度一般為1～3 mm(圖4(a)、圖4(b)、圖5(a))。發育長英質條帶及團塊，可見硅硼鈉石等堿性礦物(圖4(b)、圖4(c))。

圖4 典型巖相沉積構造巖心照片Fig.4 Core photo of typical lithofacies sedimentary structure

(2)塊狀含云長英質頁巖相。該巖相主要發育在風二段及風一段頂部，常與長英質頁巖形成互層。巖石常見不規則云化，形成不連續的云斑、云質團塊等，形狀多變(圖4(d)、圖4(e)、圖4(f)、圖5(d)、圖5(e))。

圖5 典型巖相沉積構造鏡下照片Fig.5 Microscopic photo of typical lithofacies sedimentary structure

(3)紋層狀含長英云質頁巖巖相。該巖相主要發育在風二段，云質紋層常與長英質紋層伴生，以斜層理，槽狀交錯層理形式出現，表明沉積時期的水動力較強(圖4(g))。紋層厚度一般在2～5 mm，相對較厚。發育云質團塊和長英質團塊，可見包卷層理、香腸構造等沉積構造，縫合線發育，可被有機質充填(圖4(h)、圖4(i)、圖5(f))。

(4)紋層狀含黏土長英質頁巖巖相。該巖相主要發育在風三段中下部，紋層以水平紋層為主，一般較細且平直，也可見低角度波狀層理(圖4(j)、圖4(i)、圖5(g))。紋層組分包括黏土、有機質、方解石等，泥質條帶及透鏡體發育(圖4(k)、圖5(g)、圖5(h))。

4 典型巖相孔隙結構特征

4.1 孔隙類型

選取研究區頁巖典型巖相的樣品進行氬離子拋光處理，再通過場發射掃描電鏡(FE-SEM)進行觀察。依據孔隙位置和成因不同，可將風城組頁巖孔隙劃分為粒間孔、粒內孔及有機質孔3種類型。研究區頁巖主要發育粒間孔和粒內溶孔，有機質孔發育較少(圖6)。

圖6 典型巖相孔隙形態特征Fig.6 Characteristics of typical lithofacies pore morphology

不同巖相主要發育的孔隙類型及成因有所不同。紋層狀長英質頁巖主要發育粒間孔和粒內孔，可見有機質孔，原生粒間孔形態不規則，孔徑50～500 nm，在該巖相內普遍發育(圖6(a))；溶蝕粒間孔以橢圓形為主，孔徑100～1 000 nm，相對較大，連通性較好(圖6(b))；粒內溶孔一般發育，孔徑較小，一般在20～200 nm，連通性較差；有機質可與黃鐵礦伴生形成有機質孔，形態以狹縫型為主(圖6(c))，孔徑20～200 nm。塊狀含云長英質頁巖以粒內溶蝕孔和狹縫型粒間孔為主，有機質孔發育不明顯，溶蝕孔孔徑相對較大，可在50～500 nm，但連通性一般(圖6(d))；狹縫型粒間孔連通性相對較好，但孔徑普遍較小，在20～200 nm(圖6(e))。紋層狀含長英云質頁巖溶蝕作用明顯，主要發育粒間和粒內溶蝕孔，孔徑普遍較小，在50～400 nm，粒間孔的連通性要好于粒內孔，未見有機質孔發育(圖6(f)、圖6(g))。含黏土長英質頁巖發育狹縫型粒間孔，孔徑較小，普遍小于100 nm，連通性一般(圖6(h))；可見粒內溶蝕孔，形態以橢圓形為主，孔徑在20～100 nm，連通性相對較差(圖6(i))，未見有機質孔發育。

4.2 孔徑分布

此次研究選用高壓壓汞法，對研究區風城組不同巖相頁巖樣品進行孔隙結構定量表征。據實驗結果可知，頁巖孔體積為0.002 9～0.079 0 cm3/g，平均孔體積為0.028 8 cm3/g(圖7)。孔徑主要集中在10～100 nm，呈單峰或雙峰分布，微米級孔隙對孔體積的貢獻很小。

圖7 典型巖相孔徑分布特征Fig.7 Typical lithofacies pore size distribution characteristics

不同巖相的孔徑分布特征不同。長英質孔體積為0.064 6～0.079 0 cm3/g，平均為0.071 8 cm3/g，主要由20～80 nm的孔徑貢獻，儲集能力最好；含云長英質頁巖孔體積范圍為0.01 53～0.046 3 cm3/g，平均為0.030 8 cm3/g，主要由10～50 nm的孔徑貢獻，儲集能力相對較好；含長英云質頁巖孔體積為0.008 2～0.009 8 cm3/g，平均為0.009 0 cm3/g，主要由10～30 nm的孔徑貢獻，儲集能力相對較差；含黏土長英質頁巖孔體積為0.002 8～0.004 9 cm3/g，平均孔體積0.003 9 cm3/g，主要由10～30 nm的孔徑貢獻，儲集能力最差。

根據壓汞實驗參數可知，風城組頁巖儲層孔隙度較低，滲透率極低，非均質性較強(表1)。不同巖相中，長英質頁巖孔滲最好，汞飽和度最高，表明孔隙連通性最好，飽和度中值壓力最低，整體物性最好，屬于優質頁巖油儲層；含云長英質頁巖、含長英云質頁巖孔滲相對較好，汞飽和度相對較高，連通性相對較好，屬于較好頁巖油儲層；含黏土長英質頁巖孔滲極低，汞飽和度最低，連通性最差，屬于較差頁巖油儲層。

表1 典型巖相壓汞實驗參數Tab.1 Typical lithofacies mercury intrusion test parameters

5 結論

通過對準噶爾盆地瑪湖凹陷風城組頁巖巖相進行類型劃分、巖芯和鏡下觀察、XRD和壓汞實驗分析，得到以下結論。

(1)建立了基于“礦物組成+沉積構造”的巖相劃分方案，用來評價準噶爾盆地瑪湖凹陷風城組頁巖巖相發育特征，風城組主要發育紋層狀長英質頁巖、塊狀含云長英質頁巖、紋層狀含長英云質頁巖以及紋層狀含黏土長英質頁巖4種典型巖相。

(2)4種巖相具有差異性的沉積構造特征。長英質頁巖多發育長英質條帶、團塊，含云長英質頁巖、含長英云質頁巖常見不規則云化，長英質與云質紋層、條帶常伴生發育。

(3)研究區風城組主要發育粒間孔、粒內溶孔，有機質孔發育較少，孔體積主要由10～100 nm孔徑貢獻。不同巖相對頁巖孔隙結構有較大影響，紋層狀長英質頁巖的孔體積、孔隙連通性及物性最好，是風城組頁巖油儲集最有利的巖相；含云長英質頁巖及含長英云質頁巖的孔隙結構及物性次之；含黏土長英質頁巖孔隙結構及物性最差，不利于頁巖油儲集。