玛页1井风城组页岩含油性与烃类赋存状态
钱门辉，王绪龙，黎茂稳，李志明，冷筠莹，孙中良
（1.中国石化a.石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所；
b.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室；
c.油气成藏重点实验室，江苏 无锡 214126；
2.中国石油 新疆油田分公司，新疆 克拉玛依 834000）
页岩油主要以游离态和吸附态2 种形式赋存[1]。游离油主要分布于以中孔、大孔为主的次生溶蚀孔和残留粒间孔中，以非极性或弱极性的低碳数直链烷烃为主。吸附油主要分布于以中—小孔为主的有机质孔和晶间孔中，以极性较强的高碳数重烃为主。勘探开发实践表明，以吸附态赋存的滞留油在现有的开发条件下动用难度大，游离油才是天然弹性能量开采方式下页岩油产能的主要贡献者。如北美Williston 盆地Bakken 组页岩油系统中可动用油主要为碳数低于15 的轻烃部分[2-3]；
济阳凹陷可动页岩油主要贡献者则是赋存于孔隙中的轻质烷烃[4-5]；
四川盆地侏罗系凉高山组页岩油∑C21-/∑C22+为4.06，油质较轻；
鄂尔多斯盆地长7段页岩油地面原油密度为0.83 g/cm3，黏度为5～20 mPa·s，整体为轻质原油；
准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩目前采出原油主要为直径300 nm以上大孔中的中质原油，游离油含量是控制水平井产油量的关键因素。因此，泥页岩体系烃类滞留量及烃类赋存状态是确定页岩油甜点的重要依据。泥页岩体系烃类滞留量是页岩油甜点存在的物质基础，而烃类赋存状态则是决定页岩油资源能否有效动用的关键。
准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组发育一套碱湖环境下的白云岩与碎屑岩过渡的白云质混积岩，分布面积大，有机质生烃能力强，平面上与烃源岩发育中心区叠置，为页岩油的形成提供了有利的物质基础[6]。自20世纪60年代起，多口井在玛湖凹陷北部风城组白云岩获得工业油流，展现良好勘探前景，但未形成大规模突破。2016 年，吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油区的勘探阶段成功以后，受此启发以及全球非常规页岩油气勘探热潮的影响，在玛湖凹陷风城组相继部署了页岩油风险探井玛页1 井以及老井复查风南14 井，均在风二段—风三段页岩段获得高产工业油流。玛湖凹陷风城组成为继吉木萨尔凹陷芦草沟组之后，准噶尔盆地页岩油又一新的接替领域，引起了高度重视。前期围绕风城组的形成环境、烃源岩、成藏特征等进行了研究，但整体处于起步阶段。页岩油地质甜点分布特征及优选、烃类赋存状态及页岩油可动性研究薄弱，制约了玛湖凹陷风城组页岩油下一步的勘探部署。本文以玛页1 井风城组页岩为研究对象，通过X 射线衍射、岩石热解、多温阶热解、荧光薄片等分析方法，系统开展风城组页岩的含油性地质甜点评价与优选以及烃类赋存状态研究，以期为风城组页岩油下一步的勘探部署与有效开发提供理论依据。
准噶尔盆地位于西伯利亚板块、哈萨克斯坦板块和塔里木板块交会区，面积约13×104km2，是中国西部典型的大型叠合富油气盆地。玛湖凹陷位于准噶尔盆地中央坳陷的西北部，东北侧与石英滩凸起和英西凹陷相邻，东南侧为三个泉凸起、夏盐凸起和达巴松凸起，西侧紧邻乌夏断裂带和克百断裂带（图1）。玛湖凹陷风城组沉积时期为典型的半干旱闭塞碱湖环境[7]，发育扇三角洲和湖泊沉积体系。受季节性潮湿环境与干旱环境交替以及局部火山活动影响[8]，主要发育内源化学沉积、近源扇三角洲陆源碎屑沉积和火山物质。玛湖凹陷风城组自下而上依次可分为风一段、风二段和风三段，风一段形成于湖盆发育初期，火山活动频繁，主要发育火山岩类、砂砾岩类和砂岩类[9]；
风二段经历了沉积早期的湖盆扩展期和晚期的湖盆萎缩期2 个阶段，主要发育泥质白云岩、白云质页岩、泥质粉砂岩等[10]；
风三段形成于湖盆再次扩展期，主要发育灰色页岩、白云质页岩、泥质白云岩等[11]。
图1 准噶尔盆地玛湖凹陷构造位置及风城组综合柱状剖面Fig.1.Structural location of Mahu sag and stratigraphic column of Fengcheng formation in the sag,Junggar basin
总体而言，风城组沉积韵律强，纹层与薄纹层、薄互层发育，浅色含碱性矿物层与暗色层形成互层，具有岩石类型复杂、岩性纵向变化快等特征。其中，风二段和风三段为典型的源储一体型页岩油藏，风一段主要为火山岩致密油藏。玛湖凹陷风城组具整体含油、甜点厚度大、甜点分布相对分散、油层厚度小等特征[8，12]。
2.1 样品采集
研究样品取自玛页1 井风城组取心段，其中，风一段28 块，风二段67 块，风三段15 块，采样深度为4 585.35～4 937.04 m，岩性主要包括粉砂质泥岩、泥质白云岩、粉砂岩、凝灰岩、陆源碎屑岩、火山碎屑岩等（图2）。不同层段之间的岩性组合存在明显差异，风一段主要为深灰色—灰色石灰质泥岩、凝灰质泥岩夹白云质砂岩、白云岩、凝灰质白云岩、泥质白云岩和凝灰岩，火山活动相对强烈，火山碎屑岩发育，并且含丰富的盐岩及碱性矿物；
风二段发育白云质砂岩、灰色泥岩夹泥质白云岩，并且发育大量碱性矿物，以层状碱性矿物与暗色白云质泥岩组成厚度不等的韵律为主要特征；
风三段发育灰色泥岩、泥质白云岩和白云质泥岩，碱性矿物含量相对较小。
图2 玛页1井风城组典型岩心照片Fig.2.Typical photos of cores from Fengcheng formation in Well Maye-1
2.2 实验方法
全岩X 射线衍射矿物分析遵循SY/T 5163—2018《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》，使用直径约80 μm 粉末样品，采用德国布鲁克公司D8 AD-VANCE 型X 射线衍射仪分析，每一种矿物质量分数通过分析软件计算，并参考国际标准样品的参比强度。岩石热解和多温阶热解分别遵循GB/T 18602—2012《岩石热解分析》和Q/SH 0754—2019《泥页岩中不同赋存状态的滞留烃含量测定方法》，实验仪器为HAWK 页岩分析仪，岩心样品在冷冻状态下粉碎，避免粉碎过程中轻烃受热损失[13]。首先将粉末样品加热到300 ℃，持续3 min，获取游离烃含量；
之后以25 ℃/min 加热到650 ℃，获得裂解烃含量，最高热解峰温来自于热解烃的裂解峰；
同时开展多温阶热解实验分析，200 ℃恒温1 min获取轻质游离烃含量，然后以25 ℃/min 升温至350 ℃，恒温1 min 获取中质游离烃含量，再以25 ℃/min 升温至450 ℃，恒温1 min 获取吸附烃含量，最后以25 ℃/min 升温至600 ℃，恒温1 min获取裂解烃含量。
3.1 岩相特征
岩石矿物组成是泥页岩储集空间发育的物质基础，而岩相则是连接微观研究与宏观预测的桥梁[14]，反映了泥页岩储集层的沉积构造、孔隙结构类型、有机质丰度等地球化学、地质和岩石物理信息[15-16]。有机相是指有机质的沉积相，涉及沉积岩中有机质的岩石学特征、地球化学特征、生物学特征、沉积环境、沉积岩体的展布特征等诸多因素，其中最重要的是有机质的生源特征，它不仅反映有机质的生烃质量，也反映有机质的形成环境[17]。富有机质页岩的岩相和有机相是页岩油气甜点评价的基本单元[18]，对页岩油气最终开采效果具有重要控制作用[19]，其组合分析，对泥页岩的古沉积环境和资源潜力的判识提供了快速手段。
本文利用全岩矿物组成测试结果，结合岩相和有机相划分方案[19]，对风城组不同层段的岩石矿物组成、岩相类型和有机相开展分析。结果显示，玛页1井风城组主要的岩石矿物组成按含量高低依次为长英质矿物（钾长石、斜长石、石英等）、碳酸盐矿物（方解石、白云石、铁白云石、菱铁矿等）和黏土矿物，整体表现为混积岩特征，不同层段矿物组成发育不同，纵向非均质性较强（图3a）。
图3 玛湖凹陷风城组页岩矿物组成及岩相、有机相划分Fig.3.Mineral compositions and division of lithofacies and organic facies of Fengcheng formation shale in Mahu sag
风一段底部（4 913.26—4 933.06 m）灰质细砂岩段，长英质矿物含量为51.30%～61.11%，平均为54.90%；
碳酸盐矿物含量为14.10%～31.80%，平均为25.50%；
黏土矿物含量为7.50%～27.90%，平均为12.50%。风一段中部（4 864.87—4 913.26 m）火成岩夹泥岩、砂砾岩段，长英质矿物含量为10.30%～78.40%，平均为49.00%；
碳酸盐矿物含量为8.80%～68.40%，平均为21.90%；
黏土矿物含量为6.10%～37.50%，平均为17.30%，黄铁矿异常发育，平均为8.20%。风一段上部（4 835.75—4 864.87 m）灰色泥岩及白云质泥岩段，长英质矿物含量为10.30%～81.00%，平均为37.00%；
碳酸盐岩矿物含量为11.80%～67.90%，平均为34.90%；
黏土矿物含量为4.30%～37.50%，平均为15.80%。
风二段较风一段黏土矿物含量明显降低，长英质矿物含量增加，表现为低黏土矿物含量、高碳酸盐矿物含量和高长英质矿物含量的特征。其中，黏土矿物含量为2.62%～34.57%，平均仅为8.70%；
碳酸盐矿物含量为7.70%～73.60%，平均为34.40%；
长英质矿物含量为18.50%～86.50%，平均为49.90%，整体上以纹层状页岩为主，没有明显分段界限。
风三段较风二段黏土矿物含量有所增高，平均为18.90%；
碳酸盐矿物含量为8.60%～61.40%，平均为33.30%；
长英质矿物含量为30.10%～53.90%，平均为42.00%，与风二段类似，岩相组合界线不明显。
3.2 有机相特征
依据风城组主要矿物组成进行岩相及有机相划分（图3b），可以看出，风城组岩心主要集中在中—低碳长英质页岩相、中—低碳混积页岩相和中—低碳碳酸盐质页岩相，不同层位岩相分布存在差异，风一段上部页岩岩相主要集中于中—低碳碳酸盐质页岩相以及长英质页岩相，风二段3 种岩相均有分布，而风三段主要集中于混积页岩相。
从有机相类型划分结果来看（图3b），风城组页岩以有机相A 类（高含硫海相碳酸盐/蒸发岩相）、A/B类（高含硫海相碳酸盐/蒸发岩相与中含硫海相硅质碎屑岩混合相）和C类（低含硫淡水湖相）为主[19]，D/E/F 类（低含硫陆相）不发育，有机质含量不高，平均为1%左右，风二段以陆相富碳酸盐质页岩为主，有机质类型为Ⅰ型—Ⅱ型，碳酸盐岩与页岩呈互层或夹层形式，沉积有机质在早期成岩作用阶段通过微生物硫酸盐还原作用形成富硫干酪根，降低了干酪根热降解成熟度门限[20-21]，由此表现为低演化阶段生烃特征[22]。
3.3 烃源岩特征
烃源岩是生油的基础，烃源岩品质是影响成藏质量的重要因素，从有机地球化学角度看，烃源岩生烃潜力主要取决于有机质丰度、类型和成熟度[23]，三者互为补充，有机质丰度高、Ⅰ型或Ⅱ型有机质中等成熟的烃源岩具有较大的生烃潜力。本文主要从有机质丰度、成熟度、类型和形成环境4 个方面对玛湖凹陷风城组烃源岩进行评价。
3.3.1 有机质丰度
总有机碳含量可以被认为是烃源岩中碳含量的直接量度，由于有机质类型、成熟度等因素影响，不同类型有机质的生烃潜量存在差异，因此不能仅依靠总有机碳含量对烃源岩品质进行评价，结合生烃潜量进行烃源岩品质评价是目前应用较多的方法[24-25]。前人研究表明，相较于淡水或半咸水湖烃源岩，碱湖烃源岩具有生烃转化率高且持续生烃的特点[26]，因此即使总有机碳含量较低，其生烃潜量可能较高，应用传统的烃源岩评价标准可能会低估风城组的资源潜力。前人结合玛湖凹陷情况以及实验结果，依据总有机碳含量和生烃潜量将烃源岩品质分为非烃、一般、好、较好和优秀5类[27]。本文借鉴其分类标准对玛湖凹陷风城组烃源岩品质进行划分，主要为较好—优秀烃源岩；
风二段烃源岩品质最好，主要为好—优秀烃源岩，风一段烃源岩的品质一般，主要为好烃源岩，少量烃源岩的品质较差，但主体上为好—较好烃源岩；
风三段的烃源岩品质相对较差，在每个分类标准范围内均有分布（图4）。
图4 玛湖凹陷风城组页岩烃源岩品质评价Fig.4.Source rock quality evaluation of Fengcheng formation shale in Mahu sag
3.3.2 有机质成熟度
热演化程度是决定页岩油藏资源潜力的重要参数[28-29]，而热解峰温是评价热演化程度最常用的参数之一[30]。研究区页岩样品热解峰温分布于410～460 ℃（图5），不同层位的热解峰温存在较大差异，其中，埋藏较深的风一段热解峰温普遍偏低，主要为415～445 ℃，位于中部的风二段热解峰温相对升高，主要为430～445 ℃，埋藏最浅的风三段的热成熟度最高，热解峰温主要为430～450 ℃，该异常现象反映风一段可能对运移油有贡献。风一段下部4 915～4 940 m 游离烃含量普遍较高，但是裂解烃含量和氢指数偏低，显示出典型的储集层特征，表明该层位的油气多为运移而来。且风一段下部碱湖白云质混积岩中滞留烃丰富，造成了热解峰温偏低，因此风城组烃源岩的热演化程度更高[2，31]。整体上，风城组热解峰温主要为430～450 ℃，其随深度的变化特征可以看出，玛页1井风城组页岩已经达到了成熟阶段。玛页1 井风城组的平均镜质体反射率为1.1%[32]，为成熟阶段。
图5 玛湖凹陷风城组页岩热解峰温随深度的变化Fig.5.Variation of Tmax with the shale depth in Fengcheng formation,Mahu sag
3.3.3 有机质类型
氢指数和最高热解峰温均可用于判断有机质的类型[33]。结果表明，研究区风城组页岩氢指数为21.62～304.41 mg/g，平均为164.96 mg/g，以Ⅱ1型及Ⅱ2型干酪根为主，不同层位的有机质类型差异不大（图6）。有机质显微组分分析显示，风城组有机质显微组分主要是镜质组和惰质组，而富氢组分的壳质组和腐泥组含量较低，与吉木萨尔凹陷芦草沟组咸化湖相页岩有机质显微组分构成相差较大，与前人分析的细菌、藻类和无定型优质生烃母质有很大差异[34]，可能与碱湖环境对生烃母质的改造有关。模拟实验表明，风城组油气同生，生气能力优于咸化湖相页岩[35]，反映了碱湖环境下特殊的有机质构成及潜在的页岩气勘探潜力。
图6 玛湖凹陷风城组有机质类型划分Fig.6.Classification of organic matters in Fengcheng formation of Mahu sag
3.3.4 有机质形成环境
黏土矿物中伊蒙混层的层间K+吸附作用较强，对有机质和液态烃具有较强的吸附力[36-37]，与有机质发育有密切关系[38]，前人研究表明，无论是泥页岩还是现代沉积，黏土矿物含量一般与有机质发育呈正相关[39]。然而，风城组页岩黏土矿物含量整体与总有机碳含量呈负相关（图7a），一方面可能与碱湖环境下水中抑制了蒙皂石伊利石化[40]，另一方面也反映出碱湖极端环境对生烃母质组成的控制和筛选效应[41]。碳酸盐矿物中白云石比例可近似反映Mg/Ca[42]，随着蒸发作用增强，盐度增高，Mg/Ca 逐渐升高，碳酸盐矿物中白云石比例也逐渐增大。风城组页岩中白云石比例与总有机碳含量呈弱正相关（图7b），表明高盐度水体有利于风城组页岩有机质富集与保存。因此，风城组页岩中有机质形成并富集于咸化的低黏土环境。
图7 玛湖凹陷风城组页岩矿物与总有机碳含量的关系Fig.7.Relationship between mineral contents and TOC of Fengcheng formation shale in Mahu sag
3.4 含油性特征
含油性评价是判断油气藏是否有商业开采价值的重要手段，其中热解实验参数主要包括游离烃含量、裂解烃含量和总有机碳含量。玛湖凹陷风城组页岩游离烃含量、裂解烃含量和总有机碳含量分布范围分别为0.04～10.46 mg/g、0.07～26.49 mg/g 和0.28%～4.17%（图8），其中，风一段页岩游离烃含量为0.04～5.71 mg/g，平均为1.03 mg/g，裂解烃含量为0.07～26.49 mg/g，平均为3.40 mg/g，总有机碳含量为0.25%～4.17%，平均为0.91%；
风二段页岩游离烃含量为0.07～10.46 mg/g，平均为1.54 mg/g，裂解烃含量为0.05～7.37 mg/g，平均为2.38 mg/g，总有机碳含量为0.21%～1.67%，平均为0.93%；
风三段页岩游离烃含量为0.15～9.26 mg/g，平均为2.97 mg/g，裂解烃含量为0.14～4.64 mg/g，平均为1.79 mg/g，总有机碳含量为0.28%～1.81%，平均为0.77%。依据深度与含油性的相关性特征可以发现，玛页1井风城组页岩在4 580.00—4 600.00 m、4 613.69—4 637.73 m、4 666.17—4 692.11 m、4 724.85—4 762.93 m、4 786.78—4 810.50 m和4 876.47—4 935.15 m井段含油性相对较好。纵向上可划分为6 个含油性较好的甜点层，其中页岩油发育甜点层为层1—层5，层6为致密油发育层[10]。
图8 玛湖凹陷风城组页岩含油性综合柱状剖面Fig.8.Composite column showing oil-bearing properties of Fengcheng formation shale in Mahu sag
进一步通过对比不同层段游离烃含量与总有机碳含量的关系可知（图9），层2 以及层4 纹层状长英质页岩发育段的含油性最好，平均游离烃含量分别为2.06mg/g和2.69mg/g，含油饱和度指数大于100mg/gTOC，黏土矿物含量整体较低（图10a），石英和长石类脆性矿物的发育与游离烃含量呈较好的正相关性（图10b），表明风城组页岩储集层主要是长英质页岩，脆性矿物发育，可压性较好，展现了风城组页岩良好的页岩油勘探前景。
图9 玛湖凹陷风城组页岩不同甜点层游离烃含量与总有机碳含量的关系Fig.9.Relationship between free hydrocarbon content and TOC of sweet spot intervals in Fengcheng formation of Mahu sag
图10 玛湖凹陷风城组页岩矿物含量与游离烃含量的关系Fig.10.Relationship between mineral content and free hydrocarbon content of Fengcheng formation shale in Mahu sag
3.5 烃类赋存状态
对页岩油产能起贡献的主要是游离态的可动烃，因此可动烃含量及其占总烃含量比例是评价页岩油成藏质量的重要参数[43-44]。多温阶热解具有准确表征页岩中不同赋存状态烃含量的优势，评价参数主要包括游离烃中轻质烃类含量、游离烃中重质烃类含量、吸附/互溶束缚态烃类含量、衍生游离烃含量、游离烃/吸附烃以及游离烃占总烃比例。玛湖凹陷风城组页岩游离烃中轻质烃类含量较高，为0.03～5.09 mg/g，平均为0.70 mg/g。层间非均质性较强，含油性较高的部位主要集中在风二段顶部、风二段中部和风一段中—下部。其中，风二段顶部和中部平均游离烃含量为1.46～1.50 mg/g，风一段中—下部致密油发育层平均游离烃含量为3.08 mg/g。2 种油气富集类型的游离烃含量相差较大，但吸附烃含量相差较小，平均为0.31～0.36 mg/g，较高的游离烃/吸附烃是风城组页岩油赋存状态的主要特征，泥页岩段平均游离烃/吸附烃为3，灰质细砂岩段游离烃/吸附烃高达5。游离烃含量总体较高，在泥页岩段和灰质细砂岩段平均游离油占总油比例为80%～90%，反映了风城组成熟度较高、油质较轻及可动性较好的特征。
由于矿物、干酪根表面润湿性差异以及分子极性的不同，游离烃含量存在较大差异。游离烃含量主要与长英质矿物含量有关（图11a），吸附烃含量主要与总有机碳含量相关（图11b），前人通过溶胀实验得出，有机质吸附能力是矿物的10倍以上[37]。有机质对于烃类的吸附能力在干酪根演化前期，其生成的烃量远远无法满足干酪根的吸附能力，因此其吸附的烃量呈现增加的状态；
烃生成量大于干酪根吸附能力之后，烃源岩开始向外排烃。紧邻烃源岩的纹层状长英质页岩发育的大量粒间孔隙、基质孔和层理缝（图12），为烃类的富集提供了较好的赋存空间。
图11 玛湖凹陷风城组矿物含量和总有机碳含量与烃类含量的关系Fig.11.Relationship between mineral content/TOC and hydrocarbon content of Fengcheng formation in Mahu sag
图12 玛湖凹陷风城组烃类赋存空间特征Fig.12.Spatial characteristics of hydrocarbon occurrence in Fengcheng formation of Mahu sag
（1）玛湖凹陷风城组页岩矿物成分主要包括黏土矿物、碳酸盐矿物和长英质矿物，碱性矿物发育。岩相组合主要为中—低碳长英质页岩相、中—低碳混积页岩相和中—低碳碳酸盐质页岩相。
（2）玛湖凹陷风城组风二段烃源岩品质最好，风一段烃源岩品质主要为好，部分烃源岩品质一般，少数烃源岩品质较差，风三段烃源岩品质相对较差。有机质显微组分以镜质组和惰质组为主，烃源岩主要集中在成熟阶段，有机质类型多为Ⅱ1型及Ⅱ2型，主要形成于咸化的低黏土环境。
（3）风城组页岩纵向上可划分为6 个含油性较好的甜点层，风二段顶部以及中部的纹层状长英质页岩发育段的含油性最好，平均游离烃含量均为1.50 mg/g左右，储集层黏土矿物含量整体较低，脆性矿物发育。
（4）较高的游离烃/吸附烃是风城组页岩油赋存状态的主要特征，游离烃含量总体较高，平均游离油占总油比例为80%～90%，成熟度较高，油质较轻，可动性较好，展现了良好的页岩油勘探开发前景。
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