刘惠民, 文华国, 张奎华, 郭佩, 张关龙, 于洪洲, 熊伟, 周健, 徐文礼, 宋梅远, 李长志. (2024). 准噶尔盆地西北缘哈山地区风城组碱湖页岩油地质特征与勘探展望* [J]. 古地理学报, 26(5): 1017-1036.
LIU Huimin, WEN Huaguo, ZHANG Kuihua, GUO Pei, ZHANG Guanlong, YU Hongzhou, XIONG Wei, ZHOU Jian, XU Wenli, SONG Meiyuan, LI Changzhi. (2024). Geological characteristics and exploration prospects of alkaline lake shale oil of the Fengcheng Formation, Hashan area,NW Junggar Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 26(5): 1017-1036.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2024.05.095
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准噶尔盆地西北缘哈山地区风城组碱湖页岩油地质特征与勘探展望*
刘惠民1, 文华国2,3, 张奎华1, 郭佩2,3, 张关龙4, 于洪洲4, 熊伟4, 周健4, 徐文礼2,3, 宋梅远4, 李长志2,3
1 中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司,山东东营 257001
2 成都理工大学自然资源部深时地理环境重建与应用重点实验室,四川成都 610059
3 成都理工大学油气藏地质及开发工程全国重点实验室,四川成都 610059
4 中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司勘探开发研究院,山东东营 257015

第一作者简介 刘惠民,男,1969年生,2005年博士毕业于中国石油大学(华东),现为教授级高级工程师,主要从事油气勘探研究与管理工作。E-mail: hmliu@vip.163.com。

收稿日期:2024-06-19 改回日期:2024-07-22
基金资助:*中石化胜利油田科研项目(编号: 30203569-22-ZC0613-0080)资助
摘要

玛湖凹陷二叠系风城组是准噶尔盆地近年来页岩油勘探开发和增储上产的重点层位。哈拉阿拉特山地区(简称哈山地区)位于玛湖凹陷北缘,由于位于逆冲带附近且处于勘探早期,该区风城组的沉积背景、古地理位置及页岩油勘探潜力尚不明确。根据哈山地区风城组页岩油近10年的勘探开发基础资料和成果,系统梳理了该区页岩的沉积环境、岩相划分、源岩品质、含油性和储集性,探讨了哈山地区页岩油的“甜点”发育规律和勘探前景。结果表明: 玛湖主体洼陷之外,哈山地区中部风城组发育另一个碱湖沉积沉降中心,其火山喷发、沉积演化和成碱阶段与南部乌夏地区具有很好的可比性,为风城组另一富烃凹陷; 提出了风城组碱湖页岩四端元对三角页岩划分方案,将风城组页岩划分为含盐和非含盐8种页岩岩相; 整体上,哈山地区风城组黏土质页岩和钙质页岩有机质丰度最高,云质页岩和盐质页岩含油性相对较好,云质页岩和粉砂岩储集性最好,提出了云质页岩为I类甜点,粉砂岩为Ⅱ类甜点。哈山地区风城组页岩在源岩和储集层品质方面与乌夏地区风城组相当,具有较好的页岩油勘探前景。

关键词: 碱湖; 逆冲带; 页岩岩相划分; 富烃凹陷; 页岩甜点; 风城组; 准噶尔盆地
中图分类号:P588.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2024)05-1017-20
Geological characteristics and exploration prospects of alkaline lake shale oil of the Fengcheng Formation, Hashan area,NW Junggar Basin
LIU Huimin1, WEN Huaguo2,3, ZHANG Kuihua1, GUO Pei2,3, ZHANG Guanlong4, YU Hongzhou4, XIONG Wei4, ZHOU Jian4, XU Wenli2,3, SONG Meiyuan4, LI Changzhi2,3
1 Sinopec Shengli Oilfield Company,Shandong Dongying 257001,China
2 Key Laboratory of Deep-time Geography and Environment Reconstruction and Applications of Ministry of Natural Resources,;Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China
3 State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China
4 Exploration and Development Institute of Sinopec Shengli Oilfield Company,Shandong Dongying 257015,China

About the first author LIU Huimin,born in 1969,obtained Ph.D. from the China University of Petroleum(East China)in 2005. He is a professor level senior engineer who is mainly engaged in oil and gas exploration research and management. E-mail: hmliu@vip.163.com.

Fund:Sinopec Shengli Oilfield Company(No.30203569-22-ZC0613-0080)
Abstract

In recent years,the Permian Fengcheng Formation of the Mahu sag has become an important interval for shale oil exploration and newly discovered hydrocarbon reserves in the Junggar Basin. The Halaalate Mountain area(Hashan area)is located on the northern margin of the Mahu sag. Due to its proximity to the thrust belt and in the early stage of exploration,the sedimentary background,palaeogeographical location and shale oil exploration potential of the Fengcheng Formation of the Hashan area are still unclear. Based on the exploration and development practice of shale oil in the Hasan area during the past decade,the sedimentary environment,shale facies,source rock quality,oil content and reservoir quality of the Fengcheng Formation shale oil in this area were studied systematically. The results show that besides the main sag in the Mahu sag,there was another alkaline lake center of developed in the central part of the Hashan area,which is another hydrocarbon rich depression for the Fengcheng Formation. The volcanic eruption,sedimentary evolution and alkaline salts forming stage of the Hashan area bear a strong resemblance to that of the Wuxia area to the south. A four end-member classification scheme is proposed here for the alkaline lake shale in the Fengcheng Formation. The shale of the Fengcheng Formation can be divided into eight lithofacies,including four salty lithofacies and four non-salty lithofacies. On the whole,the clayey shale and calcareous shale of the Fengcheng Formation in the Hashan area have the highest organic matter abundance,the dolomitic shale and salty shale have relatively good oil content,and the dolomitic shale and siltstone have the best reservoir property. It is proposed that the dolomitic shale comprises the class-I sweet spot and the siltstone comprises the class-II sweet spot for shale exploration. For the Fengcheng Formation,shale in the Hashan area is similar to that of in the Wuxia area in terms of source rock and reservoir quality,both of which have high shale oil exploration potential.

Key words: alkaline lake; thrust zone; shale lithofacies classification; hydrocarbon-rich sag; shale sweet spots; Fengcheng Formation; Junggar Basin

准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组发育世界著名的碱湖优质烃源岩, 是盆地西北缘百里油区的源岩基础(曹剑等, 2015; Guo et al., 2021a; 夏刘文等, 2022), 也是盆地近几年来继吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油勘探的重点接替层位(何海清等, 2022; 姜福杰等, 2023; 李长志等, 2024), 具有巨大的页岩油气勘探前景(唐勇等, 2023, 2024)。哈拉阿拉特山(简称哈山)地区位于玛湖凹陷北缘, 该区常被划分为玛湖凹陷风城组沉积的北部边界, 沉积相以扇三角洲和河流系统沉积为主(何海清等, 2022)。随着中石化哈浅6、哈山1、哈深斜1以及哈山5等多口井在哈山地区风城组钻遇细粒沉积物和碱盐岩沉积, 并显示具有较好的生烃潜力和油气显示(张善文, 2013; 王圣柱等, 2014; 李振明等, 2023; 张奎华等, 2023), 揭示玛湖凹陷北部边界在哈山地区之北, 并说明哈山地区风城组具有较好的页岩油气勘探前景(薛雁等, 2015; 于洪洲等, 2022; 曾治平等, 2023)。构造上, 哈山地区隶属于准噶尔盆地北缘哈-德(哈山— 德伦山)构造带的西端, 南邻玛湖富烃凹陷, 有利勘探面积逾1000 km2。

由于哈山构造带处于哈萨克斯坦板块和西伯利亚板块拼合造山的重要部位, 构造活动强烈, 风城组发育于多个逆冲构造台阶之上(王圣柱等, 2017), 造成地层对比困难、原始沉积展布及演化规律认识不清。此外, 哈山地区碱湖页岩缺乏精细岩矿学及成因研究, 页岩岩相系统分类及成因研究薄弱, 优势页岩岩相尚未明确, 并且缺乏区域烃源岩系统对比, 哈山地区烃源岩与玛湖凹陷北区其他地区缺乏系统对比研究。基于此, 综合哈山地区风城组近10年来积累的基础资料和勘探成果, 对该区风城组的基础地质特征进行了总结, 并对页岩进行了岩相划分和评价, 提出了哈山地区风城组甜点发育模式。

1 区域地质背景

哈山地区位于准噶尔盆地西北缘(图 1-a), 为哈山— 德伦山构造带西端, 呈北东— 南西向展布, 向北与达尔布特断裂及和什托洛盖盆地相接, 南部紧邻乌夏断裂带、玛湖凹陷。风城组沉积时期, 哈山逆冲带尚未造山, 该区属于玛湖凹陷沉积区的一部分(于洪洲等, 2022)。哈山主要形成于中晚二叠世— 三叠纪强烈逆冲推覆构造阶段(王圣柱等, 2017), 后期经历了侏罗纪— 白垩纪弱挤压逆冲和新生代隆升兼走滑调整(薛雁等, 2017)。现今哈山构造带平面上呈条带状展布, 整体呈东北高、西南低的特征。哈山地区断裂发育, 北东向的逆断裂体系控制研究区的主要构造形态, 由北向南逐期挤压, 南缘冲断, 北缘推覆叠加, 构成了现今的哈山主体。

图 1 a— 准噶尔盆地哈山地区所处的区域构造位置(据曾治平等, 2023; 有修改); b— 哈山地区西部构造图(据周健等, 2024); c— 哈山地区哈山5井区构造图Fig.1 a— Tectonic location of Hashan area, Junggar Basin(modified by Zeng et al., 2023); b— Structural map of the western Hashan area(after Zhou et al., 2024); c— Structural map of the Well Hashan 5 area

哈山地区自下而上发育石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系和新生界, 其中二叠系划分为下二叠统佳木河组(P1j)和风城组(P1f), 上二叠统夏子街组(P2x)和乌尔禾组(P2w)(图 1-b)。根据最新同位素年龄测定, 佳木河组已划分为石炭系, 风城组则跨上石炭统和下二叠统(Wang et al., 2021; 唐勇等, 2022a; 龚德瑜等, 2024), 但年龄仍存在争议。风城组沉积时期盆地整体处于伸展背景(张元元等, 2021), 发育多个彼此间隔的断陷(张志杰等, 2023), 控制着沉积中心和碱盐岩、烃源岩的分布(何海清等, 2022)。哈山地区风城组包括逆冲带之下的准原地风城组和逆冲带内的异地风城组(周健等, 2024), 位于哈山西部的哈深斜1井风城组以准原地沉积为主, 附近的哈山1、哈山11、哈浅6、哈浅101和哈山斜4井以异地沉积为主(图 1-b)。位于哈山中部的哈山5井既包括准原地沉积风城组, 又包括异地沉积风城组(图 1-c)。

2 沉积环境与演化特征
2.1 沉积环境划分

哈山地区风城组岩相组合复杂, 既包括以陆源碎屑为主的砂砾岩、不同粒级砂岩和页岩, 也包括以内源沉积为主的碳酸盐岩和碱盐岩, 还包括外源— 内源混杂的混积岩以及火山碎屑岩和火山岩。砂砾岩主要发育于扇三角洲沉积环境, 包括玛湖凹陷西部、北部和东部山前地带, 西部扎伊尔山在风城组沉积时期持续供源(张志杰等, 2023), 其山前形成的扇三角洲扇体向凹陷内持续进积。哈山地区北部风城组沉积边界及扇体发育位置存在较大推测性, 从东部边界物源供给强度远小于扎伊尔山, 零星发育扇三角洲沉积相。整体上, 扇三角洲以发育砾岩(图 2-a)、中粗砂岩和扇间页岩为主, 目前仅在哈深斜1井风三段观察到。哈山地区风城组亦发育薄层粉砂岩、细砂岩和中砂岩, 含量较少, 主要夹杂于页岩中, 根据沉积背景可划分为浊积砂体和滩坝砂体。浊积砂体主要夹于半深湖页岩中, 厚度一般小于1 m, 在哈山5井第3筒、第7筒和第8筒岩心中可见, 普遍被白云石胶结。滩坝砂体(图 2-b)主要发育于浅湖页岩(图 2-c)中, 厚度一般小于2 m。

图 2 准噶尔盆地哈山地区风城组不同沉积环境典型岩相特征
a— 扇三角洲前缘砾岩, 哈深斜1井, 井深3308.5 m, 风三段; b— 滩坝细砂岩, 哈山5井, 井深3924.52 m, 风三段; c— 浅湖页岩, 哈山5井, 井深3931.79 m, 风三段; d— 微咸水半深湖含钙页岩, 哈浅101井, 井深2236.01 m, 风三段; e— 微咸水半深湖钙质页岩, 哈山1井, 井深2099.5 m, 风二段; f— 微咸水半深湖含云粉砂质页岩, 哈山斜4井, 井深2172.33 m, 风二段; g— 咸水半深湖云质页岩, 哈浅6井, 井深2703.25 m, 风一段; h— 咸水半深湖盐质页岩, 哈山5井, 井深4466.79 m, 风二段; i— 咸水半深湖含盐云质页岩, 哈山5井, 井深5135.57 m; j— 盐碱湖泥质碱盐岩, 哈山5井, 井深4640.9 m, 风二段; k— 盐碱湖泥质碱盐岩, 哈山5井, 井深4635.2 m, 风二段; l— 盐碱湖碱盐岩, 哈山5井, 井深4797.32 m, 风二段Fig.2 Typical lithofacies of different sedimentary environments in the Fengcheng Formation of Hashan area, Junggar Basin

表 1 准噶尔盆地哈山地区风城组不同沉积环境特征对比 Table1 Comparison of different depositional environments of the Fengcheng Formation in Hashan area, Junggar Basin

哈山地区风城组发育多种类型湖泊沉积相, 根据湖水深度可划分为滨浅湖和半深湖, 根据湖水盐度可划分微咸水碱湖、咸水碱湖和盐碱湖。结合哈山地区实际情况, 将风城组湖相环境划分为微咸水滨浅湖、微咸水半深湖、咸水半深湖和盐碱湖。微咸水半深湖指湖水盐度达到钙镁碳酸盐(白云石和方解石)沉淀的盐度, 但并未达到含钠碳酸盐沉淀的盐度, 主要发育于近物源沉积中心地带, 以哈深斜1井风二段上部为代表。该沉积环境以发育含钙页岩(图 2-d)、钙质页岩(图 2-e)、含云页岩(图 2-f)、云质页岩(图 2-g)为主。咸水半深湖指湖水盐度已达到含钠碳酸盐(Na-Ca碳酸盐和Na-Mg碳酸盐)沉淀的盐度, 但尚未达到纯碱(苏打石、天然碱等)沉淀的盐度。该环境以发育盐质页岩(图 2-h)和含盐云质页岩(图 2-i)为主, 如哈深斜1井风一段、哈山5井准原地风一段和风二段底部地层。盐碱湖指湖水盐度已达到纯碱(苏打石、天然碱等)沉淀的盐度, 主要发育泥质碱盐岩(图 2-j, 2-k)和纯碱盐岩(图 2-l), 泥质碱盐岩以层状为主, 碱盐矿物主要为碳钠镁石, 纯碱盐岩以碳酸氢钠石和天然碱为主。

2.2 单井综合分析

目前哈山地区钻遇风城组的井数较少, 主要分布于哈山西部和哈山中部。根据离物源区(扎伊尔山)的距离和受淡水输入的影响, 将哈山西部划分为近物源沉积中心, 将哈山中部划分为远物源沉积中心(图 3-a)。近物源沉积中心发育于扎伊尔山造山带前渊凹陷, 扇三角洲附近, 长期受高山河流淡水的输入影响, 盐度较远物源沉积中心湖水低。远物源沉积中心远离造山带和扇三角洲河流淡水输入, 盐度较高。两类沉积中心盐度演化和岩相组合差异较大。

图 3 准噶尔盆地哈山地区风城组近物源和远物源沉积中心沉积环境及盐度演化对比
a— 哈山地区2种类型沉积中心; b— 哈深斜1井原地沉积风城组综合柱状图; c— 哈山5井准原地(断裂之下)和异地(断裂之下)沉积风城组综合柱状图Fig.3 Comparison of sedimentary environment and salinity between proximal depocenter and distal depocenter of the Fengcheng Formation in Hashan area, Junggar Basin

近物源沉积中心沉积以哈深斜1井风城组为代表, 风一段主要发育盐质页岩、云质页岩和硅质页岩, 页岩中分散有大量碱盐矿物(主要为碳钠钙石和碳钠镁石), 部分被白云石和石英交代(图 3-b), 说明原始沉积环境盐度较高, 达到咸水条件。风二段下部页岩发育含盐云质页岩, 碱盐主要分布于泄水构造或者裂缝中, 大部分被白云石交代, 说明该阶段达到微咸水条件, 风二段上部发育钙质页岩和钙质粉砂岩, 盐度较下部云质页岩进一步降低, 说明代表浅湖环境。至风三段沉积时期, 西部扎伊尔山扇三角洲砂体已前进至哈深斜1井附近, 以沉积砂砾岩、砂岩、粉砂质页岩和钙质页岩为主。整体上, 哈深斜1井风城组盐度逐渐降低, 与扎伊尔山扇三角洲沉积逐渐向东进积有关。

远物源沉积中心以哈山5井准原地沉积风城组为代表, 风一段与哈深斜1井一致, 发育盐质页岩和含盐页岩, 该阶段盐度已达到咸水阶段(图 3-c)。该咸水环境持续至风二段下部, 期间经历了短暂的盐碱湖沉积。至风二段上部盐度增加, 进入盐碱湖时期, 沉积有层状碱岩。由于哈山5井处于哈山逆冲带内, 4500 m以上地层为异地沉积, 将盐碱湖斜坡区地层推覆至哈山5井处, 以第3筒岩心为代表, 主要发育碳钠钙石质页岩和硅硼钠石质页岩。异地沉积风二段和风一段盐度明显较原地风城组低, 以沉积含云页岩、粉砂质页岩为主, 夹泥质粉砂岩和云质细砂岩, 代表浅湖相和滩坝沉积。整体上, 哈山5井盐度经历了由咸水至盐水再至微咸水的演化过程。

2.3 风城组沉积环境演化

由于哈山地区处于玛湖凹陷北部边缘, 钻遇风城组的井数较少, 结合整个玛湖凹陷北部的钻井和已有沉积环境研究成果(何海清等, 2022; 唐勇等, 2022b; 倪敏婕等, 2023; 张志杰等, 2023), 借以恢复哈山地区风城组不同时期的沉积环境。早二叠世为准噶尔盆地扭张期, 构造活动强烈, 盆地西北缘抬升导致古特提斯洋逐渐向东南方向退出, 除博格达地区发育残留海沉积外盆地其他地区以陆相沉积为主(张志杰等, 2023)。风城组主要发育于准噶尔盆地中央坳陷带西部, 沿西准噶尔残余洋和北天山残余洋的闭合带分布于玛湖凹陷— 盆1井西凹陷— 沙湾凹陷— 阜康凹陷一线, 发育多个碱湖中心(何海清等, 2022)。

风一段沉积时期处于晚石炭世间冰期, 气候整体较为干旱(Wang et al., 2021)。玛湖凹陷北部火山活动强烈, 北部、西部和东部的物源供应不强, 以近源堆积为主, 为湖盆欠补偿阶段(图 4-a)。该时期在玛湖凹陷北部发育艾克1井— 哈深斜1井和哈山5井2个咸水碱湖区, 之间以水下低隆相隔。该阶段主要为碱湖预备期, 盐度并未达到大规模沉积碱盐的程度, 但在沉积中心发育盐质页岩和含盐云质页岩。该阶段在乌— 夏地区发育火山岩带, 此外哈山5井同样发育玄武岩和凝灰质砂砾岩。

图 4 准噶尔盆地玛湖凹陷北部风城组沉积相展布特征(综合何海清等, 2022; 唐勇等, 2022b; 倪敏婕等, 2023; 张志杰等, 2023; 有修改)
a— 风一段沉积时期, 湖盆欠补偿阶段; b— 风二段沉积时期, 湖盆平衡补偿阶段; c— 风三段沉积时期, 湖盆过补偿阶段Fig.4 Distribution of sedimentary facies of the Fengcheng Formation in northern Mahu sag, Junggar Basin (modified from He et al., 2022; Tang et al., 2022b; Ni et al., 2023; Zhang et al., 2023)

风二段沉积时期亦处于晚石炭世间冰期, 气候仍整体较为干旱(Wang et al., 2021)。该时期哈山地区北部和西部物源供应增强, 为湖盆平衡补偿期(图 4-b)。哈深斜1井所处的沉积中心受西— 北部物源供应增强的影响, 水体盐度降低, 以沉积钙质、云质和粉砂质页岩为主。艾克1井— 哈深斜1井碱湖向南迁移并扩大, 在南部沉积有大量层状碱盐和盐质页岩。哈山5井所处的沉积中心亦处于主要成碱期, 成碱阶段对比性好。此阶段乌夏地区火山喷发停止, 仅在东北部有火山喷发。

风三段沉积时期处于早二叠世大冰期(Wang et al., 2021), 气候变得寒冷潮湿。该时期降水增多, 北部和西部物源供应进一步增强, 盆地边缘三角洲砂体从北部和西部向湖盆中心推进, 砂砾岩发育至哈深斜1井附近, 晚期发育至艾克1井附近, 东部三角洲扇体沉积终止。风城组整体砂质含量增加, 为湖盆过补偿阶段(图 4-c)。碱湖水体整体变浅, 盐度降低, 层状碱盐沉积终止。深湖环境缩至风南5井附近, 以沉积云质页岩为主。浅湖范围扩大, 在三角洲前缘附近发育大量滩坝砂体。该阶段火山仍活跃在湖盆东北部。

3 碱湖页岩岩相划分

风城组为典型的盐碱湖沉积, 其页岩的矿物组成复杂, 碱盐(碳钠钙石、碳钠镁石、氯碳钠镁石、苏打石、碳氢钠石等)和硼酸盐矿物(硅硼钠石和水硅棚钠石)发育(Guo et al., 2021b), 黏土矿物含量较少, 自生钾长石、钠长石和石英发育(郭佩等, 2023; Li et al., 2023; 李长志等, 2024)。根据传统的三端元(黏土质、长英质和碳酸盐质)划分方案, 风城组页岩主要归于长英质页岩端元(黄玉越等, 2022; 钱门辉等, 2022; 杨帆等, 2022)。三端元划分方案一方面未考虑风城组碱盐和硼酸盐矿物的发育和富集, 另一方面难以满足风城组页岩精细研究和空间预测的需求。

针对哈山地区风城组2口最新钻井(哈山5井和哈深斜4井)的岩心和岩屑共231个样品进行XRD解释, 重点识别和分析碱盐、硼酸盐、含镁黏土矿物等罕见矿物的含量。由此得到了风城组页岩的4个矿物组合: 碱盐矿物(包括Na-碳酸盐和Na-硼酸盐)、长英质矿物(长石和石英)、碳酸盐矿物(方解石和白云石)和黏土矿物, 其中碱盐矿物在含盐地层中平均含量高于35%(图 5-a), 说明传统的三端元页岩划分方案不适合盐度较大的咸化湖盆页岩。

图 5 准噶尔盆地哈山地区风城组页岩岩相划分
a— 含盐地层矿物组成; b— 非含盐地层矿物组成; c— 哈山地区风城组页岩划分图示Fig.5 Classification of shale lithofacies in the Fengcheng Formation of Hashan area, Junggar Basin

风城组四端元矿物的发育对比发现, 风城组页岩中碱盐矿物和黏土矿物具有“ 相斥性” , 在碱湖中心含盐地层中, 黏土矿物缺失或者含量很少(< 3%)(图 5-a), 而在湖盆斜坡和边缘非含盐地层中, 黏土矿物平均含量超过20%(图 5-b)。长英质矿物和碳酸盐矿物在含盐和非含盐地层中具有一定含量(> 15%), 可以同时参与含盐和非含盐页岩的命名。造成黏土矿物在碱湖含盐地层中贫乏的主要原因, 在于碎屑黏土矿物在高碱、高盐水体中不稳定, 易转化为沸石、水硅硼钠石、钾长石、钠长石等自生硅酸盐矿物(郭佩等, 2023; Li et al., 2023), 在进一步埋藏和升温过程中沸石进一步转化为长石。因此, 鉴于碱湖沉积中碱盐矿物和黏土矿物的“ 相斥性” , 以及二者均是“ 塑性矿物” 的特点, 作者创新性地建立了对三角图解, 以长英质矿物和碳酸盐矿物为共享二端元(图 5-c)。由于碳酸盐矿物(方解石+白云石)的含量主要分布于5%~35%之间, 很少发育白云岩(白云石含量大于50%)和灰岩。考虑到“ 云质岩” 在油田实际生产中应用的普遍性, 为更好地区分云质岩(白云石含量大于25%)和非云质岩, 进一步划分出25%的线。由此得出如图 5-c的对三角图, 包含8个岩相: 碱盐岩、盐质页岩、含盐粉砂岩、含盐云质页岩、粉砂岩、云(钙)质页岩、黏土质页岩和黏土岩, 其中“ 含” 代表含量在15%~25%之间, “ 质” 代表含量在25%~50%之间。该页岩岩相划分方案从风城组自身的矿物组成特点出发, 不仅弥补了传统三端元法未包含盐类矿物的缺陷, 而且充分考虑了实际生产研究中常用的岩性术语。

不同页岩岩相代表的沉积环境和盐碱度条件不同, 可以很好地进行页岩空间预测。其中粉砂岩在风城组最为常见, 以碎屑长石和石英为主(图 6-a), 主要发育于浅湖环境的滩坝中。哈山地区滩坝粉砂岩主要发育于近物源沉积中心风三段和远物源沉积中心异地风三段(图 7)。黏土岩(黏土矿物含量大于50%)在风城组较为罕见(6-b), 目前主要发现于哈山5井异地风三段的第一、二筒心(图 7)和哈山斜4井岩心中, 以富集海泡石为特点, 代表湖泊边缘的湖沼环境。黏土质页岩主要发育于近物源沉积中心, 代表微咸水湖泊沉积, 以哈山斜4井为代表(图 5-c), 黏土矿物仍以海泡石(图 6-c)为主, 其次是蒙脱石和伊利石。钙质页岩发育环境的盐度略高于黏土质页岩和黏土岩的沉积环境, 方解石保存较好, 未被白云石交代, 主要呈纹层状(图 6-d)、条带状、斑晶状或者团块状, 主要发育于近物源沉积中心浅湖或者微咸水半深湖页岩中(图 7)。云质页岩盐度较钙质页岩高(图 6-e), 主要发育于咸水半深湖相和咸水浅湖相中, 如风5井和玛页1井等(图 7)。

图 6 准噶尔盆地哈山地区风城组不同页岩岩相微观特征
a— 泥质粉砂岩, 哈山5井, 井深4182.45 m; b— 黏土岩, 哈山5井, 井深4186.49 m; c— 黏土质页岩, 哈山斜4井, 井深2174.71 m; d— 钙质页岩, 哈山1井, 井深2099.55 m; e— 云质页岩, 哈浅6井, 井深2544.5 m; f— 含盐粉砂岩, 哈山5井, 井深4438.5 m; g— 含盐云质页岩, 哈山5井, 井深4466.79 m; h— 盐质页岩, 哈山5井, 井深4457.03 m; i— 泥质碱盐岩, 哈山5井, 井深4644.8 mFig.6 Microscopic characteristics of different shale lithofacies in the Fengcheng Formation of Hashan area, Junggar Basin

图 7 准噶尔盆地哈山地区不同岩相页岩分布特征(剖面位置见图 1-a)Fig.7 Distribution of different shale lithofacies in the Fengcheng Formation of Hashan area, Junggar Basin (profile location is referred to Fig.1-a)

含盐粉砂岩和含盐云质页岩发育于碱湖中心的预备成碱期, 盐类矿物含量低于25%, 以碳钠钙石、碳钠镁石和硅硼钠石为主。含盐粉砂岩主要发育于哈山5井异地沉积风二段下部和准原地沉积风一段(图 7), 属于碱湖中心的细粒重力流沉积(冯有良等, 2023), 在高盐碱条件下粉砂岩被碱盐胶结或者发育自生碱盐。因此, 尽管粉砂岩和含盐粉砂岩主要矿物均为碎屑石英和长石, 但二者的沉积环境和形成过程差异较大。含盐云质页岩主要发育于远物源沉积中心准原地沉积风二段和风一段(图 7), 沉积于大规模成碱前期。盐质页岩(图 6-h)和泥质碱盐(图 6-i), 主要为泥质层和盐质层互层形成, 或盐类矿物大量分散于页岩基质中, 主要分布于盐碱湖中心和斜坡区, 发育于远物源沉积中心准原地沉积风二段和风一段(图 7)。

4 不同页岩岩相评价
4.1 页岩生烃潜力

页岩的生烃潜力直接影响页岩中的油气含量, 是进行页岩油气评价必须研究的内容。页岩的生烃潜力评价通常需要考虑有机质丰度、类型和成熟度等几个指标(Jarvie, 2014; 金芸芸等, 2024)。鉴于哈山地区之南的乌夏断裂带内风城组页岩油的勘探已取得较大突破(唐勇等, 2022b, 2023, 2024), 将哈山地区风城组与乌夏断裂带的风城组进行对比, 有助于整体评价哈山地区风城组的页岩油勘探前景。通过对比2个地区风城组的TOC、生烃潜力(S1+S2)、岩石热解Tmax和氢指数(HI), 发现哈山地区风城组在有机质丰度、类型和成熟度3个方面与南部乌夏地区的风城组均相当(图 8-a, 8-b, 8-c)。哈山地区风城组烃源岩主要处于一般至好烃源岩的范畴(图 8-a), 以II1和II2型干酪根为主(图 8-b), 整体已达到成熟阶段(图 8-c)。

图 8 准噶尔盆地风城组有机质丰度及类型评价
a— 哈山地区与乌夏地区风城组有机质丰度对比(乌夏地区数据来源于Guo et al., 2021a); b— 哈山地区与乌夏地区风城组有机质类型和成熟度对比(乌夏地区数据来源于Guo et al., 2021a); c— 哈山地区与乌夏地区风城组TOC分布频率对比; d— 哈山地区风城组不同页岩岩相有机质丰度对比; e— 哈山地区风城组不同页岩岩相有机质类型和成熟度对比; f— 哈山地区有机质RO随深度变化趋势Fig.8 Abundance and type evaluation of organic matter in the Fengcheng Formation, Junggar Basin

哈山地区不同页岩岩相有机质丰度差异较大, 黏土质页岩有机质丰度最高, 其次是云质页岩, 盐质页岩、含盐粉砂岩和泥质碱盐有机质丰度最低(图 8-d), 且黏土质页岩的有机质类型较其他岩相好, 以I型和II1型为主(图 8-e)。这表明沉积于低盐碱度环境的页岩具有相对较高的有机质丰度和较好的有机质类型, 前者可能与高盐度水体的古生产力较低有关, 而后者可能与不同盐碱度水体生物类型不同有关(Hou et al., 2022)。乌夏地区风城组高碱盐水体环境沉积的页岩有机质丰度同样低于低碱盐水体环境沉积的页岩(Guo et al., 2021a)。哈山地区异地沉积和准原地沉积风城组干酪根RO整体大于0.6%, 其中近物源沉积中心风城组RO介于0.8%~1.2%之间, 表明有机质已成熟。哈山5井风城组原地沉积和准原地沉积风城组有机质RO绝大部分大于1.2%, 有机质已达到过成熟(图 8-f)。由此可知, 哈山地区风城组页岩有机质已成熟, 且具有较好的生烃潜力。

4.2 页岩含油性

页岩的含油性是辨别页岩是否具有商业性开采价值的重要参数(金芸芸等, 2024), 常利用岩石荧光、岩石热解参数S1、含油饱和度指数(OSI=S1/TOC)分析对页岩含油性进行评价(蒋启贵等, 2016; 李志明等, 2019; 钱门辉等, 2022)。荧光分析结果表明, 近物源沉积中心风城组页岩荧光相对较高(图 9-a至9-j), 以哈山斜4井为代表, 页岩基质发强烈荧光(图 9-e至9-h), 而远物源沉积中心哈山5井风城组不同页岩岩相均几乎不发荧光(图 9-k, 9-l)。一般而言, 具有强荧光的页岩含油性比弱荧光页岩好。然而, 风城组强荧光页岩的S1和TOC值反而低于较强荧光甚至弱荧光页岩(图 10-a), 反映哈山地区风城组页岩的荧光强度与含油性关系没有明显关系, 并且与有机质丰度也同样相关性弱。进一步分析页岩的荧光强度与成熟度的联系发现前者受控于后者, 表现在相对高成熟度的页岩荧光弱, 而相对低成熟度的页岩具较强的荧光(图 10-b)。

图 9 准噶尔盆地哈山地区风城组不同岩相页岩荧光特征
a-b— 含钙页岩基质发强烈黄色荧光, 哈深斜1井, 井深3349 m; c-d— 含钙页岩含有零星藻质体, 哈山1井, 井深2099.8 m; e-f— 含云页岩基质发强烈黄色荧光, 哈山斜4井, 井深2171.85 m; g-h— 页岩基质发强烈黄色荧光, 哈山斜4井, 井深2174.23 m; i-j— 泥质白云岩含有零星藻质体, 哈浅6井, 井深2541.6 m; k-l— 泥质碱盐岩发绿色荧光, 哈山5井, 井深5131.84 mFig.9 Fluorescence characteristics of different shale lithofacies in the Fengcheng Formation of Hashan area, Junggar Basin

图 10 准噶尔盆地哈山地区风城组页岩含油性评价
a— 哈山地区风城组不同有机质丰度和含油性页岩有机质荧光强度; b— 哈山地区风城组不同成熟度页岩有机质荧光强度; c— 哈山地区与乌夏地区风城组S1对比(乌夏地区数据来源于Guo et al., 2021a); d— 哈山地区与乌夏地区风城组S1/TOC对比(乌夏地区数据来源于Guo et al., 2021a); e— 哈山地区风城组不同页岩岩相S1对比; f— 哈山地区风城组不同页岩岩相S1/TOC对比Fig.10 Evaluation of oil contents of the Fengcheng Formation shale in Hashan area, Junggar Basin

哈山地区风城组页岩与乌夏地区风城组页岩有机质丰度相似, 但前者含油性相对较差, S1和S1/TOC均小于后者(图 10-c, 10-d)。进一步对比分析不同岩相页岩的含油性发现, 云质页岩、盐质页岩的S1和S1/TOC较泥质页岩和粉砂质页岩高(图 10-e, 10-f), 表明沉积于高盐碱水体的页岩含油性好于沉积于低盐碱水体的页岩。高盐碱页岩相的含油性相对较好, 可能与盐类矿物对油气的生成有催化作用相关(王娟, 2009), 也可能与生存于高碱盐水体环境的生物母质具有更高的转化率有关(Hou et al., 2022)。乌夏地区风城组页岩也存在类似的情况, 高碱盐水体环境沉积的页岩含油性好于低碱盐水体环境沉积的页岩含油性(Guo et al., 2021a)。

4.3 页岩储集性

哈山地区风城组页岩发育多种类型的储集空间, 包括(1)颗粒溶孔, 主要是碎屑钾长石(图 11-a)、钠长石(图 11-b)和微晶白云石(图 11-c)发育较多溶孔, 多为大于50 nm的宏孔; (2)晶间孔, 包括自生钾长石(图 11-d)、钠长石(图 11-e)、石英(图 11-f)、Na-碳酸盐(图 11-g)、Na-Ca/Mg-碳酸盐(图 11-h)和黏土矿物的晶间孔(图 11-i), 亦多为大于50 nm的宏孔; (3)有机质孔, 包括充填于孔隙中沥青的残余孔(图 11-j)和干酪根内部的孔隙(图 11-k, 11-l); (4)裂缝。

图 11 准噶尔盆地哈山地区风城组不同页岩岩相主要孔隙类型
a— 粉砂岩, 微粒状条纹长石发育溶蚀孔, 哈山1井, 井深2094.5 m; b— 粉砂岩, 钠长石溶蚀孔发育, 哈浅6井, 井深2703.55 m; c— 含云粉砂岩, 白云石发育少量溶蚀孔、微裂缝, 哈山斜4井, 井深2174.71 m; d— 黏土质页岩, 微粒状方解石、钠长石相间分布, 发育少量溶蚀孔, 哈深斜1井, 井深3685.8 m; e— 盐质页岩, 沥青边缘少量收缩孔隙发育, 哈山5井, 井深4799.5 m; f— 含盐粉砂岩, 沥青边缘少量收缩孔隙发育, 哈山5井, 井深4462.42 m; g— 泥质碱盐岩, 碳钠钙石与碳钠镁石颗粒间缝隙较发育, 哈山5井, 井深4649.88 m; h— 充填的有机质放大, 部分有机质内见残余的孔洞, 哈山5井, 井深3928.5 m; i— 含钙页岩, 片状滑石集合体发育晶间孔缝, 哈深斜1井, 井深3346.2 m; j— 泥质粉砂岩, 有机质内残余孔洞, 哈山5井, 井深3928.5 m; k— 云质页岩, 有机质碎片内孔隙发育良好, 哈山5井, 井深4642.8 m; l— 云质页岩, 有机质发育稀疏状孔隙, 哈浅101井, 井深2241.5 mFig.11 Main pore types of different shale lithofacies of the Fengcheng Formation in Hashan area, Junggar Basin

不同类型页岩岩相发育的主要孔隙不同, 其中粉砂岩和泥质粉砂岩以长石溶蚀孔、碳酸盐矿物溶蚀孔、有机质内孔和黏土矿物晶间孔缝为主; 黏土质页岩和钙质页岩以收缩缝、粒缘缝和长石、碳酸盐矿物晶间孔和溶蚀孔, 云质页岩以收缩缝、粒缘缝和长石、碳酸盐矿物晶间孔和溶蚀孔为主; 盐质页岩和泥质碱盐岩以盐类矿物发育微裂缝, 碳酸盐、石英、长石矿物晶间孔、有机质内孔及缝为主。总体上, 形成于盐度较低的粉砂岩和黏土质页岩以长石和碳酸盐矿物溶孔、有机质内孔和黏土矿物晶间孔缝为主; 形成于盐度较高的云质页岩、盐质页岩和泥质碱盐岩以自生矿物晶间孔和有机质内孔为主。

哈山地区风城组页岩除发育微孔和中孔外, 还发育有大量裂缝和伴生的溶孔(张奎华等, 2023)。裂缝充填多种类型矿物, 包括方解石、白云石、碳钠钙石、石英或碳酸氢钠石。早成岩阶段形成的裂缝形状弯曲不规则, 宽度变化较大, 方向不固定, 长度不超过1 m, 主要充填碳钠钙石(图 12-a), 后期局部被方解石交代。这种类型的裂缝可能为与地震相关的泄水缝。中晚成岩阶段形成的裂缝一般较为笔直, 位于断裂带附近的裂缝多为三角破裂缝, 与后期构造作用有关, 在低盐度沉积地层中以充填方解石为主(图 12-b), 在高盐度沉积地层中以充填碳酸氢钠石为主(图 12-c)。其中哈山斜4井风城组页岩中裂缝油气显示较好, 充填大量稠油(图 12-d)。通过岩石CT扫描技术观察, 页岩的主要宏孔与碳酸盐矿物的分布关系较小, 而与裂缝的发育有关(图 12-e)。

图 12 准噶尔盆地哈山地区风城组页岩中的裂缝
a— 碳钠钙石充填的泄水缝, 哈山5井, 井深5134.82 m; b— 方解石充填的构造缝, 哈山5井, 井深4464.93 m; c— 碳酸氢钠石充填的破裂缝, 哈山5井, 井深4081.75 m; d— 泥质粉砂岩构造缝中充填稠油, 哈山斜4井, 井深2173.10 m; e— 岩心CT扫描, 孔隙的发育程度与基质中碳酸盐矿物分布关系较小, 与裂缝关系较大, 哈浅6井, 井深2698.2 mFig.12 Fractures in the Fengcheng Formation shale of Hashan area, Junggar Basin

哈山地区风城组不同页岩岩相的孔渗特征有所差别(图 13)。风城组页岩孔隙度主要介于0.2%~5%之间, 平均孔隙度以黏土质页岩和钙质页岩最低, 云质页岩和粉砂岩最高, 但整体差别不大, 整体小于2%(图 13-a)。页岩渗透率主要介于0.002× 10-3~1.5× 10-3 μ m2之间, 平均渗透率以云质页岩最高, 其余岩相均较低, 其中盐质页岩的渗透率接近于0(图 13-b)。通过低温液氮吸附实验得知, 哈山地区风城组页岩孔径在9~27 nm之间, 中孔以2~25 μ m为主, 不同页岩岩相的孔径不同, 以粉砂岩孔径最高。

图 13 准噶尔盆地哈山地区不同页岩岩相孔渗特征
a— 平均孔隙度对比; b— 平均渗透率对比Fig.13 Porosity, permeability characteristics of different shale facies in the Fengcheng Formation of Hashan area, Junggar Basin

5 哈山地区页岩“ 甜点” 发育规律

通过上述不同页岩岩相的生烃潜力、含油性和储集性的对比, 发现不同页岩岩相在源岩品质、含油性和储集层品质有所差别(表 2)。

表 2 准噶尔盆地哈山地区风城组不同页岩岩相特征对比 Table2 Comparison of different shale lithofacies in the Fengcheng Formation of Hashan area, Junggar Basin

综合3个方面的条件, 将云质页岩划分为哈山地区风城组的I类甜点, 该页岩岩相的有机质丰度较高、含油性好, 且平均孔隙度和渗透率最高, 为自生自储的甜点类型。I类甜点主要分布在微咸水半深湖环境中, 位于碱湖中心和边缘区的过渡地带, 风城组各个层段均有发育, 以风二段最为发育(图 4); 同时盐碱湖中心成碱预备期亦发育Ⅰ 类甜点, 如远物源沉积中心的风一段(图 7)。粉砂岩为Ⅱ 类甜点, 该页岩岩相的有机质丰度虽然较低, 但是储集层品质较好, 孔隙度较高, 可由相邻的富有机质页岩运输油气。Ⅱ 类甜点主要为分布于沉积中心周缘的滩坝粉砂岩(图 4)和位于沉积中心的重力流粉砂岩, 其中滩坝粉砂岩以风三段最为发育(图 7)。其余页岩岩相, 如钙质页岩和黏土质页岩, 虽然源岩品质较高, 但储集层品质较差, 可作为较好的烃源岩。盐质页岩的源岩品质最差, 储集层品质尤其是渗透率很差, 且塑性矿物含量较高, 为非甜点页岩岩相。哈山地区风城组页岩的甜点岩相, 与乌夏地区风城组页岩具有很大的相似性, 如玛页1井的页岩油甜点主要分布在风三段粉砂岩和风二段云质页岩中(金之钧等, 2022)。

此外, 受逆冲构造运动的影响, 哈山地区风城组埋藏深度变化较大, 逆冲带内的异地沉积风城组普遍埋藏较浅(< 3000 m), 准原地沉积风城组埋藏较深(> 3000 m)(图 1-b, 1-c)。不同构造部位风城组有机质成熟度不同, 影响了页岩油的资源类型。以哈山5井为代表的远物源中心沉积, 虽然盐湖演化特征与乌夏地区盐碱湖区一致, 但哈山5井准原地沉积风城组有机质成熟度已达到高成熟阶段(RO> 1.2%), 有机质不发荧光(图 10-b)。准原地沉积风城组(含盐)云质和盐质页岩的氯仿沥青“ A” 高于异地沉积风城组云质页岩、黏土质页岩和粉砂岩, 说明碱盐矿物的存在易堵塞孔缝, 有利于滞留已生成的烃类物质。哈山5井风一段的成碱预备期以沉积(含盐)云质页岩和盐质页岩为主, 并夹杂重力作用形成的含盐粉砂岩, 云质页岩和粉砂岩为页岩甜点。目前, 哈山5井在风一段页岩油的试油成功, 证实了成碱预备期(含盐)云质页岩作为甜点的较大潜力。准原地沉积风二段以碱盐岩和盐质页岩为主, 甜点岩相发育较少。

与远物源沉积中心不同, 近物源沉积中心的准原地沉积和异地沉积风城组岩相组合特征较为相似, 具有纵向上相似的演化特征(图 7), 说明该区异地沉积风城组搬运距离较近。原地沉积和异地沉积风城组有机质成熟度相当(0.8%< RO< 1.2%), 均处于成熟阶段, 以生油为主。页岩有机质丰度普遍高于远物源沉积中心云质和盐质页岩, 部分样品有机质发强烈荧光。热解S1较低与岩心放置时间过长, 轻烃逸散有关。总体上, 风三段微咸水阶段和风二段咸水阶段的云质页岩和泥质粉砂岩有机质丰度高于风一段咸水半深湖环境的盐质页岩, 且页岩储集空间以中孔为主, 且裂缝发育, 为页岩的优势岩相。

6 结论

1)准噶尔盆地西北缘哈山地区哈山5井风城组原始碱盐沉积的钻遇, 不仅证实了哈山地区非风城组的原始沉积边界, 而且揭示了哈山之下隐藏着风城组的另一碱湖中心和富烃凹陷, 其湖泊演化和成碱阶段与南部的乌夏地区碱湖中心具有很好的可比性。

2)提出了针对风城组独特的盐碱湖性质的四端元对三角形页岩划分方案, 划分了含盐和非含盐的8类页岩岩相, 该划分方案从风城组“ 碱盐矿物丰富” 、“ 碱盐与黏土矿物互斥性” 以及“ 方解石— 白云石总含量普遍小于35%” 的实际出发, 既达到了量化的要求, 也满足了风城组实际研究的需要。

3)风城组不同页岩岩相的源岩品质、含油性和储集性差异较大, 整体上黏土质页岩和钙质页岩有机质最丰富, 云质页岩和盐质页岩含油性最高, 粉砂岩和云质页岩储集性能最好, 由此将云质页岩划为风城组的I类甜点岩相, 粉砂岩划为Ⅱ 类甜点岩相。

4)哈山地区风城组页岩在源岩品质和储集层品质方面均与乌夏地区风城组具有很好的可比性, 说明哈山地区页岩油具有很好的勘探前景。其中碱湖中心成碱预备期的(含盐)云质页岩和重力流沉积的含盐粉砂岩、斜坡过渡区的云质页岩以及围绕碱湖中心外围的滩坝粉砂岩, 是哈山地区页岩油勘探的目标甜点。

(责任编辑 郑秀娟; 英文审校 李 攀)

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