引言

北美地区是全球非常规油气开采最为成功的地区^[1-3]，页岩气和致密油大规模商业化开采扭转了20世纪70年代后美国油气产量不断下降的局面。2008年后，随着致密油的大规模开发，美国原油产量迅速增长。过去5年，美国原油产量从2010年初日产540.0$\times 10^4$ bbl(1 bbl=159 L)增长到2015年10月份日产934.7$\times 10^4$ bbl。同时，美国致密油日产量达到464.8$\times 10^4$ bbl，占到了美国原油产量的49.7%^[4]。EIA数据显示，2014年Eagle Ford组、Bakken组和二叠盆地致密油产量高达9.37$\times 10^8$ bbl，达到了总产量的90%左右，且储量也占到总储量的90%左右。因此，致密油越来越受到人们的重视^[4]。

目前，对于北美地区低渗油藏存在页岩油(Shale oil)和致密油(Tight oil)两种定义^[5-11]，而Eagle Ford组、Bakken组等主要产层的油藏源储特征表明，石油主要产自于和页岩相邻或互层的低渗透的砂岩、碳酸盐岩，因此，本文倾向于采用致密油的概念。国内外普遍接受的致密油气定义是：由一套或多套优质源岩控制的、储集在低孔低渗透(孔隙度小于12.0%、覆压基质渗透率低于0.1 mD或空气渗透率低于1.0 mD)的页岩、粉砂岩、砂岩或碳酸盐岩等致密层中，烃源岩和储层紧密接触或相近，形成源储相邻或源储互层的源储组合特征，属于源内或近源成藏油气类型^{[3, 5-8, 12-14]}。

二叠盆地是北美地区仅次于威利斯顿盆地Bakken组、海湾盆地西部Eagle Ford组的第三大致密油产区。盆地发育多套致密油有利层系，包括Wolfcamp统致密油、Leonard统Bone Spring和Spraberry致密油，其中，Wolfcamp统是非常重要的一套致密油发育层系，目前已经进行商业开采。

通过系统研究盆地和Wolfcamp统构造、沉积特征，并对其烃源岩、储层样品进行详细分析，对盆地Wolfcamp统致密油成藏条件进行了深入剖析，探讨了致密油成藏主控因素。通过本次研究，以期对中国海外油气战略选区和国内致密油勘探开发起到指导和借鉴作用。

1 地质概况

二叠盆地位于Texas州西部和新墨西哥州的东南部(图 1)，面积约为17.4$\times 10^4$ km²，是北美地区最大、油气资源最为富集的含油气盆地之一。

盆地从寒武系到白垩系都有油气发现，目前发现的油气资源大部分来自于古生界。2002年，二叠盆地油气产量占到了美国油气总产量的17%。二叠盆地的油气总产量已经超过300.0$\times 10^8$桶^[15]。目前，常规油气已经进入勘探和开发的成熟期，致密油和页岩气等非常规油气资源处于勘探开发的早期阶段，资源潜力巨大^[16]。

1.1 盆地构造地层特征

二叠盆地南部构造边界为马拉松-沃希托褶皱带，西部边界为Diablo台地和Pedernal隆起，北部边界为Matador穹窿，东部边界为Midland盆地东部陆架和Bend穹窿的西翼。

多套断裂和褶皱体系，将盆地分为多个由隆起和次盆组成的构造单元，隆起区分别是中央台地、Ozona穹窿、Pedernal隆起的西北陆架及Midland盆地东部陆架，而盆地区分别为Delaware、Val Verde及Midland盆地。其中，中央台地将Midland和Delaware盆地分开，而Ozona穹窿将Midland和Val Verde盆地分开(图 1，图 2)。整个盆地为一个“三洼两隆”的构造格局。

二叠盆地为叠合盆地，盆地演化过程中主要经历了前寒武纪裂谷、寒武纪—密西西比纪被动陆缘和宾夕法尼亚纪—二叠纪前陆等3个原型盆地演化阶段^[17]。中新生代，盆地进入后前陆期的克拉通沉降阶段，沉降速率较低，只有盆地西部在此期间的演化中受到拉腊米造山运动影响，发生翘倾，但对盆地沉积构造格局影响较小。前陆盆地演化阶段，马拉松-沃希托造山运动决定了盆地的构造格局。因此，盆地现今构造形态主要形成于二叠纪。

二叠盆地在北美克拉通南缘前寒武系结晶基底的背景上，从晚寒武世开始接受沉积。盆地地层从古生界到新生界均有发育，但分布不同(图 3)。受盆地演化过程控制，古生界分布最为广泛，且以前陆演化阶段发育的上古生界为主，中、新生界为非海相沉积，只在局部地区形成薄薄的盖层。整个盆地沉积岩的厚度为5 000~8 000 m，盆地的下古生界厚度一般约为1 500 m，中古生界厚度一般约500 m，上古生界厚度一般约3 000 m，覆盖整个盆地区域，而中、新生界的总厚度约500 m，只在局部地区出露。Delaware盆地地层厚度最大，Midland盆地次之，陆棚区和中央台地地层最薄。总的来说，二叠系厚度最大，一般约2 500 m，是盆地最主要的产层，且发育多套烃源岩。其中，Wolfcamp统是一套重要的烃源岩和致密油产层。

多套烃源岩，良好生储盖组合配置、有利的圈闭形成条件及良好的油气运移聚集等成藏条件，使二叠盆地成为美国最重要的油气区之一。

1.2 Wolfcamp统沉积特征

盆地构造演化特征控制了沉积环境演化，进而决定了油气成藏要素分布及其之间的时空配置关系。在早二叠世Wolfcamp早期，马拉松-沃希托造山带持续向北移动，导致盆地剧烈变形，差异沉降隆升持续进行。这种剧烈差异沉降在Wolfcamp晚期开始减弱，应力强度减小，沉降速率降低^[18]。因此，Wolfcamp期的构造演化可以分为早晚两期，发育一个上粗下细的沉积旋回(图 4)。

Wolfcamp早期，构造强度相对较大，中央台地快速隆升，两侧次盆发生差异沉降，Delaware盆地沉降速率较高，而Midland盆地沉降速率相对较低。Wolfcampian早期基本继承了晚宾夕法尼亚世沉积的构造格局，但构造强度增大。在这种构造背景下，由于Delaware盆地快速沉降，可容纳空间增大，在盆地深盆区沉积了厚层的泥页岩，而Midland盆地由于沉积速率较低，沉积了相对较薄的泥页岩。而此时，在盆地周围的陆架区和中央台地区发育碳酸盐岩台地相沉积。因此，Wolfcamp统下部在盆地区主要发育大套的深水泥页岩沉积，形成了该地层主要的烃源岩发育层段，而在周围陆架区和中央台地区主要发育碳酸盐岩沉积。

Wolfcamp晚期，虽然沉降速率仍然相对较高，但构造运动开始减弱，盆地的可容纳空间开始逐渐变小。此时，盆地沉积中心的泥页岩沉积范围和厚度不断减小，而在周围陆架区和中央台地的碳酸盐岩台地沉积作用以加积为主，造成陆架边缘的沉积持续堆积，碳酸盐岩台地斜坡快速抬升，形成坡度比较陡的斜坡。在这种沉积古地貌背景下，之前在开阔台地或台地边缘的碳酸盐岩沉积发生垮塌，使得在斜坡区和盆地区形成一系列碎屑流或浊积水道等碳酸盐岩重力流沉积。这种重力流沉积可以形成很好的储层，直接覆盖于盆地相泥页岩沉积之上，加之后期洋流的改造作用，形成了泥岩和碳酸盐岩互层沉积。此外，在Midland盆地的东部陆架地区，还受到来自于Fort Worth盆地方向碎屑物质注入的影响，局部地区发育泥岩和陆源碎屑岩互层沉积。

1.3 Wolfcamp统岩性特征

岩芯和薄片分析结果表明，Wolfcamp统主要发育4种岩性：硅质泥岩、钙质泥岩、由碳酸盐岩碎屑形成的砾岩和粒泥灰岩/泥粒灰岩(图 5)。后两者主要是碳酸盐岩重力流沉积，后经底流改造形成，并与泥岩形成互层。

不同岩性矿物的成分分析表明，硅质泥岩和钙质泥岩具有较高的有机碳含量，平均值在3.0%以上(最高达6.3%)，黏土矿物含量较高，硅质泥岩平均为46.2%，钙质泥岩平均为34.0%。砾岩和粒泥灰岩/泥粒灰岩有机碳和黏土矿物含量较低，脆性矿物含量较高，占比在80.0%以上，主要以碳酸盐矿物、石英、长石、黄铁矿等脆性矿物为主(表 1)。从矿物成分和有机碳含量来讲，硅质泥岩和钙质页岩主要作为烃源岩，而砾岩和粒泥灰岩/泥粒灰岩，因具有较高的脆性矿物含量，更适合进行储层压裂改造，因此，这两种岩性主要作为储层。

2 Wolfcamp统致密油油气成藏条件 2.1 烃源岩特征

前面提到硅质泥岩和钙质泥岩是Wolfcamp统主要烃源岩。在Wolfcamp早期，二叠盆地正处于构造运动剧烈演化期，盆地快速沉降，在Delaware盆地和Midland盆地东部广泛发育深水盆地相沉积，发育大范围泥页岩，形成了盆地主要烃源岩。

通过对烃源岩样品的有机地化特征分析可以得出Wolfcamp统是一套非常优质烃源岩。Wolfcamp烃源岩有机碳含量较高，平均值为3.25%，绝大多数样品的TOC大于1.00%，其中，TOC大于2.00%的烃源岩样品占总量的82.65%。根据国外通常采用的烃源岩有机质丰度评价标准，Wolfcamp统为好烃源岩(图 6)^[11]。

由HI-OI有机质类型图版可知，Wolfcamp统烃源岩有机质类型较好，以Ⅱ型为主，具备生油的母质条件(图 7a)。$S_2$和TOC交会图表明烃源岩中两者具有很好的正相关性，大部分样品的TOC大于2.00%，$S_2$大于5.50 mg/g，为好烃源岩(图 7b)。由$I_{\rm{P}}$-$T_{\max}$图版可知，Wolfcamp烃源岩整体处于生油阶段，产率指数($I_{\rm{P}}$)也较高，为0.10~0.40(图 7c)。由$S_1$/$I_{\rm{TOC}}$与$T_{\max}$图版可知，Wolfcamp统烃源岩整体上含油较高，大部分样品的$S_1$/$I_{\rm{TOC}}$在50~75 mg/g，为高含油(图 7d)。

2.2 储层特征

Wolfcamp晚期，在斜坡区和盆地区深水区发育一系列碳酸盐岩碎屑流或浊积水道等重力流沉积。这种重力流沉积经过后期洋流的改造作用，形成Wolfcamp统主要的致密储层，其岩性主要是砾岩和粒泥灰岩/泥粒灰岩，成分成熟度和结构成熟度均较差。受沉积、岩性和后期成岩作用的影响，胶结致密，物性较差。

通过Midland盆地Wolfcamp统511个岩芯样品的常规岩芯分析数据可以得出(图 8)，Wolfcamp统大部分样品空气渗透率低于1.00mD，占整个统计样品的94.90%，渗透率频率分布的主峰在0.001~0.100 mD。大部分样品的孔隙度小于10.0%，占整个统计样品的93.14%，孔隙度频率分布的主峰位于4.0%~10.0%。且随着深度的加深，泥岩含量的增加，样品孔隙度、渗透率值逐渐减小。根据对致密储层的定义，Wolfcamp统储层基本属于致密储层范围，整体物性较差。

要对Wolfcamp统致密油进行有效开发，须对储层进行压裂改造，而岩石的脆性对压裂改造效果至关重要。目前，很多学者主要从岩石力学和岩石矿物成分及含量两个角度来评价岩石的脆性^[20-25]，而依据岩石矿物成分及含量来评价岩石的脆性是目前比较可靠和常用的方法。研究结果表明，岩石脆性与石英、碳酸盐等脆性矿物及黏土矿物含量有关，脆性较大的岩石，通常脆性矿物含量较高；而脆性较小岩石，黏土矿物的含量较高。对于致密储层来说，目前还没有专门的脆性评价指标，大部分借鉴页岩脆性评价指标，来评价致密储层脆性特征。北美地区非常规油气的勘探实践表明，当页岩储层黏土矿物含量小于30.0%，脆性矿物含量大于40.0%时，具有较好的压裂改造效果。

从Wolfcamp统岩石矿物成分来看，砾岩和粒泥灰岩/泥粒灰岩有机碳和黏土矿物含量较低，脆性矿物含量较高，占比在80.0%以上，岩石脆性较好，是主要的致密储层。而硅质泥岩和钙质泥岩具有较高的有机碳含量，黏土矿物含量较高，硅质泥岩平均为46.2%，钙质泥岩平均为34.0%(表 1)。可以肯定的是，Wolfcamp统单纯泥岩的脆性较差，而砾岩、粒泥灰岩/泥粒灰岩和泥岩的薄互层，改善了储层的脆性特征，提高了压裂改造的效果。

2.3 源储配置特征

盆地构造和沉积相带的演化，控制了烃源岩和储层的配置关系。通过对钻井测井、岩性综合分析可以得出，Wolfcamp统发育下细上粗的沉积旋回，且在Wolfcamp统上部发育两个下细上粗的次级沉积旋回，形成了“下源上储、源储互层”的源储配置特征(图 4, 图 9)。

测井曲线上，Wolfcamp统下部表现为高伽马，发育大套的泥页岩沉积，以烃源岩为主。Wolfcamp统上部主要为泥岩和碳酸盐岩的薄互层沉积，通过岩芯照片可以看出，薄互层沉积的单层厚度一般不足1 m(图 10)。

Wolfcamp统“下源上储、源储互层”的源储配置较好，这种自生自储源储配置关系使得致密储层与烃源岩大面积接触，油气在超压作用下经过初次运移或短距离的运移，即可进入到致密储层成藏，同时，这种源储薄互层的特点，使得单层烃源岩厚度较薄，烃源岩的排烃效率相对也比较高，非常利于致密油成藏。

Wolfcamp统致密油的这种源储配置关系，决定了其上部是致密储层相对集中发育的层段，而目前针对Wolfcamp统致密油开采的已有水平钻探和压裂主要集中于地层的上部。致密储层和烃源岩的优良配置，使得Wolfcamp统成为了二叠盆地非常重要的致密油发育层系。

3 Wolfcamp统致密油成藏主控因素

Wolfcamp致密油作为近源成藏的油气藏类型，成藏控制因素相对比较单一，基本不受构造控制，其主要产层和产能分布主要受烃源岩、储层和源储配置控制，烃源岩特征为最核心的控制因素，它决定了资源丰度，优质产能基本都位于成熟优质烃源岩的范围内；储层特征和“下源上储、源储互层”源储配置关系决定了致密油主要产层、油气运移方式和排烃效率，是致密油富集的关键因素。优质烃源岩供烃，源储一体，近距离垂向运移充注成藏模式，使得Wolfcamp统成为了二叠盆地重要的致密油发育层系，并在盆地大规模连续分布。

3.1 优质烃源岩是致密油富集的核心控制因素

二叠盆地Wolfcamp统优质烃源岩主要受成熟度的控制，当$R_{\rm{o}}>0.6$，认为其进入生油窗，根据这个标准，确定盆地成熟烃源岩分布范围(图 11)。成熟烃源岩在盆地大面积分布，位于埋藏较深的盆地中心位置，同时，也是页岩厚度相对较大的位置。两个次盆由于沉积差异和页岩厚度差异，优质烃源岩主要位于Delaware盆地，在该次盆中，页岩沉积厚度较大，且热演化程度相对较高，处于生油高峰阶段；而Midland盆地页岩厚度较小，且成熟度相对较低。因此，Delaware盆地具有更好的烃源岩条件。盆地致密油初始产能分布图也表明，Delaware盆地致密油的初始产量要明显高于Midland盆地，且目前的产能基本都位于成熟优质烃源岩的范围内，因此，成熟烃源岩发育区基本上也就是致密油的有利发育区。

3.2 储层特征和源储配置关系是Wolfcamp统致密油富集的关键因素

除优质烃源岩外，Wolfcamp统致密油分布还受致密储层甜点区分布的影响。由于致密储层主要是重力流沉积，沉积物源主要来自于盆地中央台地和周围陆架，因此，靠近中央台地和陆架的地区储层厚度、物性和脆性均较好，是致密储层主要的甜点区。在Midland盆地的东部陆架地区，还受到来自于Fort Worth盆地方向碎屑物质注入的影响，局部地区陆源碎屑岩储层较发育，物性和岩石脆性较好。从初始产能分布来看，初始产量高的部位基本位于靠近中央台地和陆架的地区，这种特征在Midland盆地表现尤为明显(图 11)。这主要是因为Midland盆地烃源岩比Delaware盆地差，致密储层甜点区的控制作用更为明显。

“下源上储、源储互层”源储配置关系对油气充注成藏具有重要的控制作用，为致密油的形成提供了优越的先天条件。油气运移的驱动力主要有浮力、构造应力和异常流体压力，其中，对致密油的油气成藏起主要作用的是烃源岩生烃过程中产生的异常高压。致密油成藏过程中，由于储层物性较差，非均质性较强，且缺乏断层、不整合等运移通道，不具备油气长距离运移的输导条件，只能短距离近源或源内成藏。这就需要强大的源储压差来作为致密油连续充注成藏的驱动力。烃源岩评价结果表明，Wolfcamp统烃源岩目前大部分已经进入成熟阶段，开始大规模生排烃，产生强大的异常流体压力，而“下源上储、源储互层”源储配置关系，使得源储紧密相邻，在源储压差的作用下，油气经过初次运移或短距离的运移，即可进入到Wolfcamp统上部的致密储层成藏，提高了烃源岩的排烃效率，非常利于致密油成藏。

4 结论

(1) Wolfcamp期可以分为早晚两期构造演化，不同时期的构造和沉积相带演化，控制了地层岩性特征，决定了烃源岩、储层特征及二者的配置关系。

(2) 作为近源成藏的油气藏类型，Wolfcamp致密油具有较好的成藏条件。优质烃源岩、较好的储层脆性特征、优良的源储配置特征，使得Wolfcamp统成为二叠盆地重要的致密油发育层系。

(3) Wolfcamp致密油产层和产能分布主要受烃源岩、储层和源储配置控制。烃源岩特征为最核心的控制因素，它决定了资源丰度；储层特征和“下源上储、源储互层”源储配置关系决定了致密油主要产层、油气运移方式和排烃效率，是致密油富集的关键因素。