吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組“甜點”成因與分布預測

柳忠泉，曾治平，田繼軍，李艷麗，李萬安，張文文，張治恒

（1.中國石化勝利油田分公司勘探開發研究院，山東東營 257015；2.新疆大學地質與礦業工程學院，烏魯木齊 830047）

0 引言

頁巖油以其“源儲一體、原位聚集、規模資源”等特性逐漸成為常規油氣的重大接替資源，隨著新技術、新理論的發展，國內外頁巖油勘探開發均已取得重大的突破［1-4］。“甜點”是指在成熟烴源巖發育背景下，優質頁巖油儲層的發育段，可改造形成較高開發效益的層段，具有“源儲共生”的特征［5-8］。近年來，吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁巖油勘探開發取得了長足的進展，但對其“甜點”儲層孔隙類型、成因及其分布的認識不足仍制約著儲層品質和開發效果［9-12］。為了解決這一問題，諸多學者從地質學與地球物理學方面進行了相關研究［13-14］。地質學方面，王然等［15］認為蘆草溝組頁巖油“甜點”的優勢巖性主要是巖屑長石粉細砂巖、云屑砂巖和砂屑白云巖，儲集空間為溶蝕粒間孔、溶蝕粒內孔、裂縫；鮑海娟等［16］認為蘆草溝組頁巖油在縱向上形成了白云質砂巖（下“甜點”）—泥巖、白云質泥巖—白云質砂巖、砂質白云巖（上“甜點”）—泥巖、白云質泥巖的組合；方巧等［17］認為影響“甜點”儲層物性的主控因素為成巖作用和微裂縫發育特征；操應長等［18］認為“甜點”的不同儲集空間及物性特征是多種成巖作用復合影響所致。地球物理學方面，董巖等［19］提出了基于地震波形指示的頁巖油“甜點”高分辨率預測技術；吳俊軍等［20］通過疊后地震反演確定蘆草溝組頁巖油上“甜點”的范圍；賈曙光等［21］開展疊前和疊后地震反演預測頁巖油“甜點”，形成了頁巖油“甜點”地震預測方法。然而，現有研究多是集中對儲層孔隙類型和“甜點”預測分析，對其形成機制的研究仍較為薄弱。

綜合利用巖心、X 射線衍射、掃描電鏡、鑄體薄片和孔滲測試等資料對吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油上、下“甜點”儲層物性特征和儲集空間類型進行分析，從宏觀沉積環境和微觀成巖作用的角度討論上、下“甜點”儲層差異及形成機制；以測井、地震資料預測“甜點”的分布，以期為該區域下一步優質頁巖油勘探提供參考。

1 地質概況

依準噶爾盆地構造單元劃分，吉木薩爾凹陷位于東部隆起區，屬二級構造單元［11］，經歷了海西、印支、燕山、喜山多期次構造運動［22-23］，各期構造運動在凹陷內部以沉降為主，現今周緣被沙奇凸起、古西凸起、阜康斷裂帶、北三臺凸起所環繞，邊界明顯。凹陷西部構造埋深較大，向東地層逐漸抬升變淺，呈西斷東超的單斜形態，面積約1 278 km2［24-26］（圖1a）。蘆草溝組沉積厚度為100～350 m，是一套陸相咸化湖盆沉積，巖石粒度較細，根據測井資料及巖性特征，自下而上將二疊系蘆草溝組分為蘆一段（P2l1）和蘆二段（P2l2），其中蘆一段以細粒碎屑巖為主，碳酸鹽巖和含泥質巖類較少，蘆二段巖性在縱向上互層頻繁，碳酸鹽巖增多，混積巖類較發育。下“甜點”位于蘆一段，上“甜點”位于蘆二段（圖1b），經鉆井試油均見工業油流［27］。蘆草溝組巖石類型以泥巖、碳酸鹽巖、粉—細砂巖及多組分混積巖為主，其中儲層主要為粉砂巖、砂質白云巖、泥質白云巖、白云質砂巖和白云質泥巖。

2 “甜點”特征

2.1 巖石學特征

吉木薩爾凹陷蘆草溝組上、下“甜點”巖性復雜且存在差異［28-31］。對70 個樣品進行鏡下分析發現，上“甜點”巖石類型主要為砂質白云巖、泥質白云巖、微晶白云巖、白云質粉砂巖、泥質粉砂巖和粉砂巖，厚度占比依次為29%，19%，9%，9%，9%和6%；下“甜點”巖石類型主要為泥質白云巖、白云質泥巖、白云質粉砂巖、粉砂巖、細砂巖和微晶白云巖，厚度占比依次為30%，19%，15%，11%，9% 和8%。上“甜點”白云巖含量高于下“甜點”。

通過對3 口井204 個樣品進行X 射線衍射分析發現，吉木薩爾凹陷蘆草溝組整體呈正韻律沉積特征，沉積環境持續變化，縱向上礦物組分差異明顯，其中方解石含量自下而上呈現出持續降低的特征；白云石含量則呈持續增高的趨勢；長英質礦物和黏土礦物在“甜點”發育段占比明顯區別于其他層段。整體而言，上“甜點”石英、長石以及白云石含量高于下“甜點”，黏土礦物、方解石含量低于下“甜點”；下“甜點”TOC含量高于上“甜點”（圖2）。

2.2 物性特征

通過分析研究區蘆草溝組70 個樣品的物性參數可知，上“甜點”孔隙度為4.2%～18.3%，均值為9.4%，滲透率為0.000 1～0.100 0 mD，均值為0.063 7 mD；下“甜點”孔隙度為4.2%～18.3%，均值為9.3%，滲透率為0.001 0～1.000 0 mD，均值為0.023 1 mD。上“甜點”56%以上的樣品孔隙度大于7.0%，所有樣品滲透率小于0.100 0 mD（圖3a），下“甜點”79%以上的樣品孔隙度大于7.0%，但超過95%的樣品滲透率不足0.100 0 mD（圖3b）。此外，巖性不同，孔隙度和滲透率也表現出較弱相關性（表1），符合吉木薩爾凹陷多源混積、非均質性強的頁巖油儲層特征［32-34］。

表1 吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組“甜點”巖性及物性統計Table 1 Lithologies and physical properties of sweet spots of Permian Lucaogou Formation in Jimsar Sag

2.3 儲集空間類型

研究區蘆草溝組儲層面孔率較低，為0.16%～7.78%，均值為0.53%，原生孔隙和次生孔隙并存。通過薄片及掃描電鏡分析發現，儲層發育原生粒間孔、粒間溶孔、粒內溶孔、晶間溶孔、微裂縫等，以粒間溶孔、粒內溶孔為主。在鏡下可見剩余粒間孔和溶蝕孔并存（圖4a），證明原生孔隙受成巖作用影響被破壞；粒間溶孔發育的程度受溶蝕作用的影響，殘余粒間孔被溶蝕擴大，形成了許多分布不均勻的粒間溶孔（圖4b）；粒內溶孔常發育在長石和白云石等不穩定的礦物中，受酸性流體溶蝕，一般形成條帶狀溶孔，對儲層貢獻較大（圖4a），多見于上“甜點”段；蘆草溝組儲層中多發育白云石晶間孔和方解石晶間孔，孔徑較小，連通性較差（圖4c，4d）；微裂縫主要受成巖作用的影響，受構造活動影響較小（圖4e—4g），裂縫中后期充填有方解石、白云石（圖4f），鏡下可見瀝青物質充填其中（圖4h），證明其可作為烴類物質運移的通道。此外，儲層也發育因礦物溶蝕形成的白云石、方解石、高嶺石晶間溶孔和因砂巖粒間雜基被溶蝕形成的基質溶孔（圖4i），但這些孔徑一般較小且連通性差，溶蝕程度弱，對儲層的貢獻較小。

3 “甜點”發育機理

頁巖油“甜點”通常具備相對較優的物性條件和儲集空間，對頁巖油含油性和可開采性具有重要的地質意義。通過對吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組宏觀沉積體系以及微觀巖石學分析，認為其“甜點”發育受多重因素的影響，沉積微相在宏觀上控制著“甜點”的發育和分布；成巖過程中的壓實、膠結以及溶蝕作用不同程度改變了儲層物性條件；生烴和構造作用也是影響儲層發育的重要因素。

3.1 沉積微相對“甜點”物性的影響

對研究區39 口井的巖石類型、顏色、巖性組合、測井曲線和沉積構造等沉積相標志進行綜合分析，共識別出三角洲相和咸化湖泊相2 種沉積相類型，三角洲前緣、濱湖、淺湖、半深湖和深湖5 種沉積亞相，近岸壩、遠岸壩、近岸灘、遠岸灘、淺湖泥、半深湖泥、深湖泥、云坪及分流河道等9 種沉積微相（圖5）。

蘆草溝組沉積時期，水平面的頻繁變化造成沉積相帶呈環狀分布［26］，整體上呈現由敞流湖盆逐漸變為閉流湖盆，上“甜點”段水體更加咸化的特點［13，26］。在上“甜點”沉積期，從凹陷邊緣到中心，遠岸灘、遠岸壩逐漸過渡為淺湖泥、半深湖泥及深湖泥微相（圖6a），研究區南部主要發育灘壩沉積，規模和影響范圍小于下“甜點”。在下“甜點”沉積期，形成了呈北東向展布的以灘壩相、咸化湖泊相和三角洲相為主的沉積環境（圖6b）。

不同的微相類型發育不同巖性組合，儲層物性也有所差異［35］，如表2 所列，近岸灘和遠岸灘微相對應的物性最好，其次為遠岸壩和云坪，半深湖泥則明顯物性較差；下“甜點”整體物性較好，比上“甜點”分布范圍大。此外，沉積微相還影響后期成巖作用和生烴排酸等過程［12］。靠近凹陷邊界，沉積環境主要以灘壩相為主，離物源更近，原生粒間孔和剩余粒間孔較發育，平均孔隙度為5.4%～12.4%，平均滲透率為0.054 0～0.114 0 mD，是有利于優質儲層形成的環境。靠近凹陷中部，以淺水環境為主，細粒沉積物增多，物性也相對降低，平均孔隙度為1.8%～7.3%，平均滲透率為0.007 0～0.062 0 mD，但其烴源巖配置好，有利于烴源巖的發育。

表2 吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組沉積微相物性參數統計Table 2 Physical property parameters of sedimentary microfacies of Permian Lucaogou Formation in Jimsar Sag

3.2 成巖作用對儲集空間的影響

除沉積環境對儲層物性的影響之外，研究區蘆草溝組“甜點”還受到壓實作用、膠結作用和溶蝕作用的共同影響。

（1）壓實作用：蘆草溝組壓實減孔率與地層埋深成正相關（圖7），石英、長石等剛性顆粒含量隨深度的增加逐漸減少（參見圖2），抗壓實能力降低。鏡下可見炭質、有機質、伊利石順層定向分布（圖8a，8b），礦物顆粒接觸關系也受此影響，儲層孔隙受到嚴重破壞，下“甜點”沉積環境以云坪及遠岸灘為主，碳酸鹽巖含量高于上“甜點”，壓實作用對下“甜點”物性的改變尤為明顯。

（2）膠結作用：蘆草溝組碳酸鹽膠結物主要包括方解石和白云石（圖8c），其形成溫度具有2 個明顯的區間，分別為69.63～91.73 ℃和99.63～122.89 ℃［36］，說明蘆草溝組發生了2 期碳酸鹽膠結。第Ⅰ期碳酸鹽膠結造成約60%的減孔率，由于發生于早成巖期，以堿性環境為主，快速的壓實埋深使泥巖排出堿性咸化湖地層水，導致巖層中Ca2+濃度升高［37-39］，膠結作用加強，大量原生孔隙被碳酸鹽膠結物充填。第Ⅱ期碳酸鹽膠結物形成于中成巖階段［40］，由于烴源巖生烴作用導致大量有機酸生成［41］，沉積環境過渡為弱堿性，難以提供碳酸鹽大量膠結的物質基礎。由于上“甜點”沉積期水體比下“甜點”更加咸化，上“甜點”碳酸鹽膠結物含量高于下“甜點”。

蘆草溝組黏土礦物膠結也普遍發育，伊利石以勢能最低的方式定向分布于基質或溶孔內（圖8d）；伊/蒙混層在儲層中以不規則形式產出，填充于基質或粒間孔隙中（圖8e），破壞了孔隙結構，降低了儲層物性。

（3）溶蝕作用：晚侏羅世末期和晚白堊世末期是蘆草溝組烴源巖的2 個主要排烴期［28］，存在2 期大規模有機酸排酸期，對應2 期溶蝕作用。第Ⅰ期有機酸溶蝕長石，緊鄰的排烴期會使得溶蝕孔隙被有機質所充填（圖8f，8g）；第Ⅱ期溶蝕作用發生于晚白堊世，以未充填溶蝕孔為特征（圖8h）；第Ⅰ期溶蝕作用增孔率略大于第Ⅱ期。溶蝕作用是蘆草溝組“甜點”形成的重要成巖過程，有機質在成熟過程中釋放大量有機酸和CO2，降低了孔隙流體的pH值［42］，促進了溶蝕作用的發生，掃描電鏡下可見長石碎屑邊緣的溶蝕現象（圖8h）。此外，由于受黏土礦物轉化過程產生無機酸的影響［43］，高嶺石晶體間也形成了少量晶間溶孔（圖8i）。蘆草溝組礦物溶蝕的先后順序為凝灰質組分、長石、方解石和白云石［13］。隨著堿性流體pH 值的降低，溶蝕作用由弱變強，因此就會導致溶蝕高峰形成較晚，儲層質量得到改善的時間也較晚。

綜合不同成巖作用的影響分析（圖9）認為，早成巖期堿性環境下地層埋深快速增大，壓實作用和膠結作用導致孔隙度迅速減小，后經生烴排酸中和，在中成巖期弱堿性環境下溶蝕作用增強，形成大量溶蝕孔，改善了儲層性質。蘆草溝組上、下“甜點”孔隙度的演化規律由強壓實—較強膠結—弱溶蝕—再膠結的成巖作用規律所控制。

原始孔隙度的計算公式［44］為

式中：So為特拉斯克分選系數，So=P25/P75，在粒度概率累積曲線可以求得，P25和P75分別為粒度概率累積曲線上25%和75%處對應的顆粒直徑，mm。

由上式計算得出上、下“甜點”的原始孔隙度分別為24.6%和25.9%，經壓實和膠結作用減孔過程和溶蝕作用增孔過程后，平均孔隙度變為9.4%和9.3%。

4 “甜點”分布預測

4.1 測井響應特征

吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組共發育上、下2套“甜點”，在對蘆草溝組測井響應特征和波阻抗特征進行分析的基礎上，總結了“甜點”巖性及其常規測井曲線的響應特征（圖10），上“甜點”巖性自然伽馬（GR）、深側向電阻率（RLLD）為高值，且曲線呈尖峰狀；下“甜點”巖性GR呈中值，RLLD值明顯升高。核磁孔隙度能直觀反映儲層物性［45］，可作為識別“甜點”的敏感參數，核磁孔隙度高于5.5% 與“甜點”有較高的對應關系［19］，綜合含油氣性分析發現物性越好，含油性越好（圖11）。

4.2 地震反演結果

在反演剖面上，中高阻抗特征即為“甜點”的反映，如圖12 所示，P2l2與P2l1的“甜點”橫向分布較穩定、厚度大，上“甜點”向北在吉15 井附近遭受剝蝕，向南在吉5 井附近遭受剝蝕，主要在凹陷中東部發育，南北不發育，下“甜點”在凹陷內均有分布。

4.3 “甜點”分布特征

本次研究統計了80 口鉆井資料，結合測井響應、波阻抗特征分析與沉積相展布，繪制了吉木薩爾凹陷蘆草溝組上、下“甜點”厚度圖。上“甜點”主要分布在凹陷東斜坡處，北部在吉36-12 井—吉36-6 井—吉35 井—吉15 井—吉151 井—吉20 井一線遭受剝蝕，南部在吉5 井—吉45 井一線遭受剝蝕，厚度大于15 m 的上“甜點”呈近東西向寬緩帶狀分布，在吉174 井附近上“甜點”厚度達40 m 以上，吉23 井達45 m 以上，西部吉頁1 井厚度為38 m，總體來說，凹陷中心最厚，向凹陷邊緣逐漸變薄（圖13a）。下“甜點”在全凹陷均有分布，厚度大于25 m的下“甜點”呈近東西向寬緩帶狀分布，厚度向北、向南緩慢減小，向東快速減小，其中吉頁1 井下“甜點”厚度最厚可達73 m。總體而言，凹陷西部厚于東部，南部厚于北部（圖13b）。

5 結論

（1）吉木薩爾凹陷蘆草溝組上“甜點”巖性主要為砂質白云巖、泥質白云巖及白云質粉砂巖。下“甜點”巖性主要為泥質白云巖、白云質粉砂巖、粉砂巖及白云質泥巖，上“甜點”石英、長石以及白云石含量高于下“甜點”，黏土礦物、方解石含量低于下“甜點”。儲層具有原生孔和次生孔并生，次生孔為主的特點，也可見微裂縫發育。次生孔包括粒內溶孔、粒間溶孔、基質溶孔和礦物晶間溶孔，其中又以粒內溶孔和粒間溶孔最常見、占比最大。

（2）吉木薩爾凹陷蘆草溝組灘壩微相和云坪微相以粉細砂巖、云質巖類為主，物性較以泥巖為主的半深湖泥微相更優。壓實作用和膠結作用封堵了儲層原始孔隙，溶蝕作用對改善儲層物性有一定效果，是形成“甜點”的重要成巖過程。壓實作用的減孔率略高于膠結作用，上“甜點”碳酸鹽膠結物含量高于下“甜點”。

（3）吉木薩爾凹陷蘆草溝組上“甜點”具有“高自然伽馬-高電阻率”的特征，測井曲線呈尖峰狀；下“甜點”具有“中自然伽馬-高電阻率”的特征；核磁孔隙度可作為研究區儲層評價分類和“甜點”識別的敏感參數，核磁孔隙度高于5.5%與“甜點”有較好的對應關系；“甜點”在地震反演上表現為中高阻抗特征。

（4）吉木薩爾凹陷蘆草溝組上“甜點”主要分布在凹陷中東部，厚度由凹陷中心向邊緣逐漸減小；下“甜點”在全凹陷均有分布，呈西厚東薄，南厚北薄分布趨勢。