吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油、頁巖油地質(zhì)特征與勘探潛力

楊 智 侯連華 林森虎 羅 霞 張麗君 吳松濤 崔景偉

（ 中國石油勘探開發(fā)研究院 ）

致密油和頁巖油是源儲共生層系中、已深入到“生油灶”內(nèi)部的石油聚集[1-3]。本文中，致密油是指儲集在覆壓基質(zhì)空氣滲透率小于或等于0.1mD（空氣滲透率小于或等于1mD）的致密砂巖、致密碳酸鹽巖、混積巖等儲層中的石油[4]；頁巖油是指成熟烴源巖已生成并滯留在頁巖地層中的石油聚集，頁巖既是生油巖，又是儲集巖，石油基本未運移，屬原地滯留石油資源[4]。致密油與頁巖油均無明顯圈閉界限，地質(zhì)特征與常規(guī)石油明顯不同，單井一般無自然產(chǎn)能或自然產(chǎn)能低于工業(yè)油流下限，但在一定經(jīng)濟條件和技術措施下可獲得工業(yè)石油產(chǎn)量，這些措施包括直井縫網(wǎng)壓裂、水平井體積壓裂等[4]。目前，致密油已依靠水平井體積壓裂實現(xiàn)規(guī)模工業(yè)開采，裂縫型頁巖油及部分凝析頁巖油也可進行工業(yè)開采，孔隙型頁巖油是頁巖油資源的主體，其工業(yè)開采的條件更嚴苛，仍處于探索階段。

頁巖層系內(nèi)致密油、頁巖油已成為繼頁巖氣之后全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的新熱點[1-22]。當前，全球頁巖層系致密油、頁巖油勘探開發(fā)的重點在北美和中國，北美已實現(xiàn)規(guī)?？碧介_發(fā)，中國正處于工業(yè)先期探索階段。北美海相頁巖層系液態(tài)烴主要分布在泥盆系、石炭系和白堊系，寒武系、奧陶系、二疊系、侏羅系、中新統(tǒng)等也有分布，以古生界、中生界頁巖層系為主[9-13]；北美熱演化成熟度指標Ro介于0.9%～1.5%的海相頁巖分布面積大，地層展布穩(wěn)定，屬超壓系統(tǒng)，以輕質(zhì)油—凝析油為主，賦存豐富的可動用致密油、頁巖油資源[5-12]。中國致密油、頁巖油主要賦存于湖相盆地中，廣泛分布于鄂爾多斯盆地延長組、松遼盆地白堊系、準噶爾盆地二疊系、三塘湖盆地二疊系、渤海灣盆地沙河街組、柴達木盆地古近系—新近系、四川盆地侏羅系以及酒西盆地白堊系等頁巖層系，以中—新生界頁巖層系為主[2-4,16-18]；中國陸相頁巖層系Ro多介于0.5%～1.0%，具有地層非均質(zhì)性強、地層壓力多變、流體品質(zhì)多變等特殊性，勘探開發(fā)面臨諸多挑戰(zhàn)[2-4]。

準噶爾盆地東部二疊系蘆草溝組是中國最為古老的陸相液態(tài)烴頁巖層系之一，是近海咸化湖盆混積巖沉積[14-15]，具有源儲一體、薄層疊置、厚度較大、整體含油、連續(xù)分布的典型特征，近年來針對蘆草溝組頁巖層系，采用水平井體積壓裂等技術，吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油取得重大進展，發(fā)現(xiàn)規(guī)模整裝、連續(xù)分布的上、下兩個“甜點段”[23-25]。本文基于準噶爾盆地東部吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁巖層系實際地質(zhì)資料，分析頁巖層系致密油、頁巖油的地質(zhì)特征，研究致密油、頁巖油“甜點區(qū)”分布控制因素和資源潛力，可為揭示陸相近海咸化湖盆致密油、頁巖油形成分布規(guī)律提供有益借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

吉木薩爾凹陷為準噶爾盆地東部隆起的二級構(gòu)造，位于東部隆起的西南部，面積約為1300km2，其邊界特征明顯，西以西地斷裂與北三臺凸起相接，北以吉木薩爾斷裂與沙奇凸起毗鄰，南面則以三臺斷裂和后堡子斷裂與阜康斷裂帶相接，向東為一個緩慢抬升的斜坡，逐漸過渡到古西凸起上。吉木薩爾凹陷現(xiàn)今平面構(gòu)造相對簡單，為半環(huán)帶狀單斜（圖1a），它是在中石炭統(tǒng)褶皺基底上發(fā)育的一個西斷東超的箕狀凹陷（圖1b）。吉木薩爾凹陷先后經(jīng)歷了海西、印支、燕山、喜馬拉雅等多期構(gòu)造運動。

準噶爾盆地形成于海西期，早二疊世晚期，盆地南緣殘存的博格達海槽開始閉合造山，形成博格達山前中二疊世早期的前陸型箕狀坳陷，吉木薩爾凹陷與博格達山前凹陷、阜康凹陷水體相連，沉積了一套南厚北薄的火山—磨拉石建造。中二疊世晚期，吉木薩爾凹陷封閉，并作為一個相對獨立的沉積單元接受蘆草溝組（P2l）的湖泊相沉積，成為吉木薩爾凹陷的主力烴源巖層，地層厚度一般為100～300m（圖1c）。三疊紀末期的印支運動使吉木薩爾凹陷東部的古西凸起強烈上升，造成吉木薩爾凹陷東斜坡三疊系、二疊系遭受不同程度的剝蝕，侏羅系與下伏地層不整合接觸。燕山期準噶爾盆地構(gòu)造活動頻繁，具有強烈的振蕩性，燕山運動在吉木薩爾凹陷有3幕，活動都較強烈，是吉木薩爾凹陷及周邊地區(qū)的主要改造期。侏羅紀末期的燕山運動Ⅱ幕使沙奇凸起快速強烈隆升，吉木薩爾斷裂強烈活動，凹陷內(nèi)侏羅系遭受嚴重剝蝕。至白堊紀時獨立的凹陷格局消失，受燕山運動Ⅲ幕的影響，吉木薩爾凹陷東南部逐漸抬升，白堊系遭受不同程度的剝蝕。新近紀—第四紀的喜馬拉雅期，南北向強大擠壓應力使北天山快速、大幅度隆升，并向盆地腹部沖斷，阜康斷裂帶下盤發(fā)育類似于前陸盆地前淵的沖斷型箕狀凹陷，而東部的古西凸起隆升緩慢，吉木薩爾凹陷自南向北新近系和第四系整體呈楔狀，地層向東逐漸減薄。

圖1 準噶爾盆地東部吉木薩爾凹陷蘆草溝組地質(zhì)概況圖

吉木薩爾凹陷自20世紀50年代勘探至今，已先后上鉆預探井或評價井數(shù)十口，所鉆探井基本均集中在東斜坡區(qū)，目的層以二疊系梧桐溝組(P3wt)為主?，F(xiàn)已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)數(shù)個二疊系梧桐溝組油藏以及石炭系、侏羅系八道灣組油藏。已鉆井均鉆揭了二疊系蘆草溝組，部分井甚至在石炭系完鉆，多數(shù)井在蘆草溝組見不同程度油氣顯示。為進一步擴大吉木薩爾凹陷東斜坡二疊系勘探成果，2010年以來，陸續(xù)在該凹陷東斜坡區(qū)上鉆了以梧桐溝組為主要目的層的預探井或評價井10余口，均鉆至蘆草溝組，各井鉆揭蘆草溝組厚度不等，以蘆草溝組為目的層的吉23井、吉25井分別鉆揭蘆草溝組220m、160m（未穿），其余井以梧桐溝組為目的層，鉆揭蘆草溝組40～60m不等。2010年后所鉆探井均在蘆草溝組見不同程度油氣顯示，針對“上、下甜點段”致密油共鉆探井26口，已試油16口，其中干井1口，含油井3口，低產(chǎn)油流井2口，工業(yè)油流井9 口，油氣顯示井9口，其中2012年在“上甜點段”鉆探的吉172-H水平井，初期產(chǎn)量為77.8t/d。最近兩年新實施的2口水平井和4口直井，試驗新的開發(fā)方式，獲得了重大進展，推動了規(guī)模儲量發(fā)現(xiàn)。二疊系蘆草溝組頁巖層系突破的關鍵是實施了水平井鉆探、細分段體積壓裂等地層改造措施，揭示了蘆草溝組致密油、頁巖油良好的發(fā)展前景。

2 主要地質(zhì)特征

2.1 沉積特征

吉木薩爾凹陷蘆草溝組形成于殘留海封閉后的咸化湖盆沉積環(huán)境，為一套巖性較細的淺湖—深湖相沉積[14-18]。受構(gòu)造、氣候、沉積物供給等因素影響，蘆草溝組沉積時期湖盆處于深水、淺水不斷變換的環(huán)境，在吉木薩爾凹陷內(nèi)形成廣泛發(fā)育的泥晶白云巖、粉砂巖和混積巖。吉木薩爾凹陷蘆草溝組與下伏井井子溝組及上覆梧桐溝組均呈不整合接觸關系，湖盆北部地區(qū)遭受強烈剝蝕，上部地層剝蝕殆盡。整體上，隨著陸源輸入的周期變化，吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組具有2.5個三級旋回，進一步根據(jù)測井響應特征、有機質(zhì)豐度與孔隙度，可以劃分成6個地層單元（圖2）。

圖2 吉木薩爾凹陷J174井蘆草溝組測井解釋綜合柱狀圖

依據(jù)古生物、特征礦物、元素地球化學特征并結(jié)合古地理背景分析，準噶爾盆地東部為陸緣近海湖泊環(huán)境，間歇性的海水注入使湖水迅速咸化造成非海相生物群體死亡，利于生物有機質(zhì)富集而形成優(yōu)質(zhì)烴源巖和油頁巖。

P2l6對應第一個三級旋回的低位體系域，該階段水體鹽度較低，氣候溫暖，生產(chǎn)力較低，整體為淺湖相沉積，主要發(fā)育灰質(zhì)泥巖，TOC較低。

P2l5對應第一個三級旋回的湖侵+高位體系域早期，以淺湖相為主，氣溫明顯升高，水體分層加強，有機質(zhì)保存條件改善，TOC較高，主體為白云質(zhì)泥巖，夾泥質(zhì)粉砂巖和泥頁巖。凹陷北部發(fā)育小型淺水三角洲，西南部和東南部發(fā)育較大面積白云質(zhì)粉砂巖。該階段水體鹽度明顯升高，氣候炎熱，生產(chǎn)力較高，水體略微加深（圖3）。

P2l4對應第一個三級旋回的高位體系域中后期，屬于三角洲建設沉積，主體發(fā)育泥質(zhì)粉砂巖，孔隙度較高。該階段氣候炎熱，水體加深，水體鹽度有所降低，可能與海水活動的減弱有關。

P2l3對應第二個三級旋回的湖侵體系域，該階段水體進一步加深，低位體系域已不明顯，地層主要為泥頁巖、白云質(zhì)泥巖，夾泥質(zhì)粉砂巖，TOC較低，可能由陸源稀釋作用造成，該階段氣溫開始降低，轉(zhuǎn)為溫暖多雨的氣候，鹽度進一步降低。凹陷南部保留小范圍淺水三角洲砂巖沉積，北部、西南部和東南部出現(xiàn)大范圍半深湖—深湖相沉積。

圖3 吉木薩爾凹陷P2l5沉積相圖

P2l2對應第二個三級旋回的高位體系域，水體繼續(xù)加深，凹陷以半深湖沉積為主，深湖相范圍進一步擴大，主體沉積為泥頁巖、白云質(zhì)泥巖，夾泥質(zhì)粉砂巖，TOC較高。凹陷東北部和西南部發(fā)育小范圍三角洲砂巖和白云質(zhì)粉砂巖。該階段氣候已經(jīng)完全轉(zhuǎn)為溫暖，鹽度降低到微咸水程度，生產(chǎn)力很高。

P2l1對應最后半個三級旋回，屬于湖侵體系域，該階段水體進一步加深，凹陷以半深湖—深湖相沉積為主，發(fā)育大套黑色泥頁巖，夾白云巖、石灰?guī)r和泥質(zhì)粉砂巖，TOC較高，孔隙度較高。該沉積期氣候重新轉(zhuǎn)為炎熱，鹽度也明顯升高，推測可能受到海水的影響，凹陷所在區(qū)域由于后期抬升遭受嚴重剝蝕，P2l1只在凹陷中心有保留。

2.2 烴源巖特征

二疊系蘆草溝組為吉木薩爾凹陷最主要的烴源巖，目前已鉆探井大多鉆遇該套烴源巖，巖性主要為一套灰黑色泥巖、白云質(zhì)泥巖，其生油巖厚度大、面積廣，厚度大于200m的有利區(qū)面積達800km2。干酪根碳同位素值主要分布在-28‰～-24‰之間，以Ⅱ型為主。泥頁巖及有機碳含量大于1.5%的碳酸鹽巖有機質(zhì)主要以藻類、腐泥組及殼質(zhì)組為主，鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組相對較少，有機質(zhì)類型較好；砂質(zhì)巖類及有機碳含量小于1.5%的碳酸鹽巖中有機質(zhì)主要以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主，有機質(zhì)類型較差。

吉木薩爾凹陷蘆草溝組烴源巖烴指數(shù)大多大于350mg/g，有機質(zhì)類型以Ⅱ型為主。蘆草溝組烴源巖主要處于成熟階段，Ro主體介于0.6%～1.1%，Ro值自東向西增加。熱演化史模擬顯示，蘆草溝組在侏羅紀末期開始進入生油階段，白堊紀—現(xiàn)今逐步進入生油、排油高峰期。對于凹陷中部的蘆草溝組，三疊紀末期埋深達低成熟油氣生排烴門限，侏羅紀末為低成熟油主要生排烴期，白堊紀—古近紀處于成熟油排烴高峰（圖4）。目前勘探結(jié)果發(fā)現(xiàn)，埋藏較淺的原油成熟度相對較低，埋藏相對深的原油成熟度較高，油質(zhì)相對較好，表明越靠近凹陷中部，油氣充注量越大。

2.3 致密儲層特征

沉積相研究表明，吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組物源主要來自周邊的古隆起。蘆草溝組為一套巖性較細的淺湖—深湖相沉積，整體上表現(xiàn)為一湖侵過程，巖性上細下粗，在凹陷西南部靠近西地斷裂處埋深最大，向東、東北和西北方向逐漸抬高。整個凹陷蘆草溝組呈南厚北薄、西厚東薄的趨勢，平均厚度約為200～350m，最大厚度可達500m。

圖4 吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組埋藏史、熱演化史圖

吉木薩爾凹陷東斜坡區(qū)二疊系蘆草溝組儲層普遍致密，局部發(fā)育溶孔型與裂縫型兩類較好儲層，儲集物性與巖性及溶蝕、裂縫發(fā)育程度有關。利用巖心、巖石薄片、常規(guī)測井、成像測井和核磁共振測井資料，對吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組巖性進行識別和定名，建立巖性識別圖版。蘆草溝組主要發(fā)育5種巖石類型：碳酸鹽質(zhì)泥巖、硅質(zhì)泥巖、碳酸鹽巖、碳酸鹽質(zhì)砂巖、硅質(zhì)砂巖（圖5）。其中碳酸鹽質(zhì)泥巖包括白云質(zhì)泥巖和灰質(zhì)泥巖，都以紋層結(jié)構(gòu)為主要特征，有機碳含量較高；碳酸鹽巖包括白云巖和石灰?guī)r，石灰?guī)r較少，白云巖通常為塊狀構(gòu)造；碳酸鹽質(zhì)砂巖包括白云質(zhì)砂巖和灰質(zhì)砂巖，灰質(zhì)砂巖較少，白云質(zhì)砂巖主要為塊狀構(gòu)造，物性較好；硅質(zhì)泥巖和硅質(zhì)砂巖都以塊狀構(gòu)造為主。從礦物三角圖可以看出，5種巖石類型的黏土礦物含量都較低。硅質(zhì)砂巖和碳酸鹽質(zhì)砂巖的長石和石英含量較高，是有利的致密油潛在儲層；碳酸鹽質(zhì)泥巖的碳酸鹽礦物和黏土礦物含量相對較高，且有機質(zhì)豐富，是有利的頁巖油潛在儲層。

圖5 吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組烴源巖巖石類型圖

吉木薩爾凹陷蘆草溝組5種主要巖石類型縱向上交錯分布，物性較差，孔隙度介于2%～22%，主體小于10%，空氣滲透率介于0.0001～20mD（圖6）。碳酸鹽質(zhì)泥巖孔隙度介于1.5%～12.6%，主體小于8%，空氣滲透率主體小于0.1mD，主要發(fā)育黏土礦物粒內(nèi)孔，連通孔喉直徑主體介于7～100nm。硅質(zhì)泥巖孔隙度介于1.4%～10.0%，主體小于8%，空氣滲透率主體小于0.1mD，主要發(fā)育黏土礦物粒內(nèi)孔，連通孔喉直徑主體介于7～75nm。碳酸鹽巖孔隙度介于1.3%～22.3%，主體小于15%，空氣滲透率主體小于0.1mD，粒間孔、粒內(nèi)溶蝕孔較發(fā)育，連通孔喉直徑主體介于25～140nm。碳酸鹽質(zhì)砂巖孔隙度介于1.4%～18.4%，主體小于15%，空氣滲透率主體小于0.1mD，粒間孔、粒內(nèi)溶蝕孔較發(fā)育，連通孔喉直徑主體介于18～650nm。硅質(zhì)砂巖孔隙度介于1.9%～17.0%，主體小于15%，空氣滲透率主體小于0.1mD，粒間孔、粒內(nèi)原生孔較發(fā)育，連通孔喉直徑主體介于178～2900nm。總體看，有利儲層排序為碳酸鹽質(zhì)砂巖、硅質(zhì)砂巖、碳酸鹽巖、碳酸鹽質(zhì)泥巖、硅質(zhì)泥巖。

圖6 吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組物性交會圖

2.4 流體特征

吉木薩爾凹陷蘆草溝組11個地面原油樣品分析，原油密度介于0.8824～0.9256g/cm3，平均為0.8971g/cm3；50℃黏度為 55.2～551.8mPa·s，平均為165.2mPa·s；凝固點介于4～36℃，平均為18.5℃。相對而言，上部系統(tǒng)原油密度低，平均為0.8882g/cm3，50℃黏度平均為73.26mPa·s，凝固點高，平均為24.85℃，原油抽提組分飽和烴含量高；下部系統(tǒng)原油密度高，平均為0.9127g/cm3，50℃黏度平均為326.12mPa·s，凝固點高，平均為7.5℃，原油抽提組分芳香烴含量高。蘆草溝組致密油藏原油性質(zhì)偏重的原因，并非生物降解作用所致，主要是由低—中等的熱演化程度、藻質(zhì)體和無定形體為主的烴源巖母質(zhì)類型及源儲一體近距離運移的成藏模式造成的[26-27]。

3 資源規(guī)模及“甜點區(qū)”

吉木薩爾凹陷蘆草溝組賦存豐富的致密油、頁巖油資源，資源規(guī)模主要受烴源巖成熟度、富有機質(zhì)頁巖厚度、高孔隙度致密儲層厚度等控制。

3.1 致密油、頁巖油資源計算公式

致密油、頁巖油含油資源量（Go）采用容積法計算，公式為：

式中 A——面積，m2；

H——高度，m；

φ——有效孔隙度，%；

So——含油飽和度，%；

Bo——體積膨脹系數(shù)，取值為1。

蘆草溝組各層致密油、頁巖油主要資源評價參數(shù)及結(jié)果見表1。

3.2 致密油資源規(guī)模

垂向上，吉木薩爾凹陷致密油主要有兩個主力段，上段以P2l1為主（“上甜點段”），下段以P2l4為主（“下甜點段”）。若按照5%的采收率計算，吉木薩爾凹陷致密油技術可采資源量約0.91×108t，其中“上甜點段”為0.43×108m3，“下甜點段”為0.15×108t（表1）。

平面上，吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油資源豐度最大為14.0m3/m2，主要分布在J32井附近埋深3500m上下的凹陷中心部位，全區(qū)致密油資源豐度平均為1.7m3/m2，其中“下甜點段”很高，平均達到1.3m3/m2。

3.3 頁巖油資源規(guī)模

垂向上，吉木薩爾凹陷頁巖油也主要有兩個主力段，上段以P2l2為主（“上甜點段”），下段以P2l5為主（“下甜點段”）。若按照3%的采收率計算，吉木薩爾凹陷頁巖油技術可采資源量約為1.10×108t，其中“上甜點段”為0.51×108m3，“下甜點段”為0.59×108t（表1）。

表1 蘆草溝組各分層致密油、頁巖油主要地質(zhì)參數(shù)及資源量計算結(jié)果

平面上，吉木薩爾凹陷蘆草溝組上部（P2l2）頁巖油資源豐度最大為3.1m3/m2，位于深部J32井以西4300～4500m，全區(qū)頁巖油資源豐度平均為0.5m3/m2，凹陷中部豐度相對較高；蘆草溝組下部（P2l5）頁巖油資源豐度最大為3.8m3/m2，全區(qū)頁巖油資源豐度平均為0.8m3/m2，高豐度位于凹陷中部。

3.4 勘探“甜點區(qū)”

綜合評價吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油、頁巖油資源分布：蘆草溝組“上甜點段”集中分布在凹陷中部J015井—J174井—J30井一線（圖7）；蘆草溝組“下甜點段”在凹陷自東南向西，大面積連續(xù)分布（圖8）。

圖7 吉木薩爾凹陷蘆草溝組“上甜點段”致密油、頁巖油資源豐度

圖8 吉木薩爾凹陷蘆草溝組“下甜點段”致密油、頁巖油資源豐度

4 結(jié)論

(1）吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖層系為近海湖盆富有機質(zhì)沉積，發(fā)育上、下兩個含油系統(tǒng)，具有源儲一體、薄層疊置、厚度較大、整體含油、連續(xù)分布特征。烴源巖主要發(fā)育在P2l2和P2l5，巖性主要為碳酸鹽質(zhì)泥巖和硅質(zhì)泥巖，有機碳含量多大于4%，Ⅱ型干酪根為主，Ro介于0.6%～1.1%，具規(guī)模生烴能力；儲層普遍較致密，巖性主要為碳酸鹽巖、碳酸鹽質(zhì)砂巖、硅質(zhì)砂巖，孔隙度主體介于6%～12%，空氣滲透率小于0.1mD，連通孔喉直徑主體介于幾十至幾百納米，具規(guī)模儲油能力；頁巖層系以常壓—弱超壓為主，流體流動性較差。

(2）經(jīng)評價，吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油、頁巖油資源豐富，致密油技術可采資源量為0.91×108t，致密油“甜點區(qū)”主要分布于凹陷中部；頁巖油技術可采資源量為1.10×108t，頁巖油“甜點區(qū)”也主要分布于凹陷中部。

致謝：本文撰寫過程中得到了鄒才能、胡素云、劉玉章、莫偉堅、員爭榮、翁定為、趙忠英、張昕、余杰、鐘理理、Simon Falser、邵雨、雷德文、賈希玉等領導和專家的大力支持和幫助，在此一并致謝！