2017, Vol. 29
随着油气勘探开发的不断深入，非常规油气在现有经济技术条件下展示了巨大的潜力[1]。前人研究预测，目前全球常规与非常规油气资源比例为2：8[2]。新疆准噶尔盆地南缘（准南）上二叠统芦草沟组岩性以不含炭质与含炭质的陆源碎屑细粒沉积岩为主，局部夹碳酸盐岩，该层位既是重要的区域性烃源岩，也具有页岩气、页岩油及致密油等非常规油气勘探潜力[3-5]。目前，在准南吉木萨尔凹陷芦草沟组中已取得致密油勘探开发的工业性突破。前人针对准南阜康以东的吉木萨尔凹陷芦草沟组开展了致密油储层沉积特征[6]、孔渗特征[7-9]及测井岩性识别方法研究[10]，而针对准南阜康以西芦草沟组非常规油气储层特征的系统研究较为缺乏。但是，阜康以西芦草沟组地表及钻井油气显示揭示了该区芦草沟组非常规油气仍具极大的勘探潜力。因此，通过野外地质调查、岩心观察、薄片鉴定以及样品分析测试，对阜康以西芦草沟组非常规油气储层岩石类型、物性特征及储集空间的类型、特征及发育规律进行研究，以期为该区芦草沟组的后续非常规油气勘探提供参考。
1 地质概况准噶尔盆地位于欧亚构造域边缘，与特提斯构造域相邻[11]，夹持于哈萨克斯坦板块、西伯利亚板块、阿尔泰褶皱造山带和天山褶皱造山带之间，为一复合叠加盆地，经历了多期的构造运动[12-15]。其在前寒武纪结晶基底上沉积了寒武系—石炭系海相及海陆交互相地层，后经海西期周缘海槽褶皱形成盆地褶皱基底，构成准噶尔盆地前寒武纪结晶基底与海西褶皱基底的双层基底结构，成盆后接受二叠纪至今的盖层沉积。沉积环境由早中二叠世之前的海相逐渐过渡到陆相。前人研究认为，上二叠统芦草沟组为湖相沉积[16-17]，但笔者研究认为其属于扇三角洲—湖相沉积体系，且据准南芦草沟组露头（主要出露于博格达山北缘山前带，图 1）岩性、岩相组合特征，将其划分为上、中、下3段[18]（图 2）。其中，下段岩性主要为炭质泥岩与薄层状粉砂岩形成的多个向上变粗、粉砂质含量逐渐增加的沉积旋回；中段岩性主要为单层厚度较大的粉砂岩与炭质泥岩互层；上段岩性主要为炭质泥页岩夹碳酸盐岩夹层，其中的炭质泥页岩连续厚度较大，最厚可达700 m。
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下载eps/tif图 图 1 准南阜康芦草沟组露头及取样位置 Fig. 1 Outcrop of Lucaogou Formation in southern margin of Junggar Basin and sampling location |
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下载eps/tif图 图 2 乌鲁木齐葛家沟剖面芦草沟组沉积柱状图 Fig. 2 Sedimentary column of Lucaogou Formation of Gejiagou section in Urumqi |
准南阜康以西芦草沟组以陆源碎屑岩为主，夹内源碳酸盐岩。其中，陆源碎屑岩以细粒沉积岩为主，而细粒沉积岩又以富含有机质的炭质细粒沉积岩为主体。内源碳酸盐岩包含有泥晶—微晶白云岩、泥灰岩及鲕粒白云岩。芦草沟组中含炭质细粒沉积岩与不含炭质的其他岩类呈交互状产出。因此，在孔隙与裂缝的共同作用下，细粒沉积岩及其他岩石类型夹层均可成为非常规油气储层。依据含油气性及岩性、岩相组合特征，将准南阜康以西芦草沟组非常规油气储层划分为以粉砂岩为主的细粒沉积岩、以黏土岩为主的细粒沉积岩及碳酸盐岩等3类。
2.1.1 以粉砂岩为主的细粒沉积岩该类岩石主要包括粉砂岩、泥质粉砂岩、钙质粉砂岩等。此类岩石主要发育于芦草沟组下段与中段。下段通常为以粉砂岩为主的细粒沉积岩与以黏土岩为主的细粒沉积岩呈混积状态，但具有一定的韵律性，且含少量炭质及钙质；中段的粉砂岩则主要呈中厚层状，岩石均一性相对较强，较致密，含有褐铁矿。
2.1.2 以黏土岩为主的细粒沉积岩该类岩石基本上都富含有机质，主要包括粉砂质泥岩、含粉砂泥岩、白云质泥岩、钙质泥岩、钙质页岩、泥岩及页岩。该类岩石在芦草沟组上、中、下3段均有发育。其中，以上段最为发育，且连续厚度最大，通常发育水平纹层，并含磷块岩结核、黄铁矿及鳕鱼化石。
2.1.3 碳酸盐岩该类岩石主要包括泥晶—粉晶灰岩和白云岩、鲕粒白云岩。其中，泥晶—粉晶白云岩主要呈透镜状或条带状，在芦草沟组上、中、下3段均有少量产出，且通常不含炭质；泥晶—粉晶灰岩通常以厚约30 cm的层状发育于中段，且炭质含量较高，水平层理极为发育；鲕粒白云岩主要以厚30~100 cm的夹层状发育于上段，向西渐变为泥晶—粉晶灰岩。上段露头上，此类岩石裂缝中通常含沥青。
2.2 炭质细粒沉积岩物性准南阜康以西芦草沟组中的炭质细粒沉积岩既包括以粉砂岩为主的含炭质细粒沉积岩，也包括以黏土为主的炭质细粒沉积岩。由于页岩气、致密油的生成和赋存与炭质细粒沉积岩密切相关。因此，本次研究主要针对炭质细粒沉积岩物性进行研究。
2.2.1 岩石密度准南阜康以西芦草沟组炭质细粒沉积岩密度为1.74~2.86 g/cm3，平均为2.49 g/cm3（表 1）。上段炭质细粒沉积岩密度为1.74~2.86 g/cm3，且以2.6~ 2.7 g/cm3为主；中段炭质细粒沉积岩密度为2.21~ 2.38 g/cm3，以2.3~2.4 g/cm3居多；下段炭质细粒沉积岩密度为2.46~2.72 g/cm3，并以2.4~2.5 g/cm3为主；整个芦草沟组炭质细粒沉积岩密度主要为2.2~2.9 g/cm3，且以2.6~2.7 g/cm3居多，其次为2.3~2.5 g/cm3（表 2）。
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下载CSV 表 1 准南阜康以西芦草沟组炭质细粒沉积岩物性统计 Table 1 Physical propertyies of fine-grained carbonaceous clastic rocks of Lucaogou Formation |
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下载CSV 表 2 准南阜康以西芦草沟组炭质细粒沉积岩密度不同区间样品数统计 Table 2 Sample numbers with different interval density of fine-grained carbonaceous clastic rocks of Lucaogou Formation |
芦草沟组中段炭质细粒沉积岩密度平均值明显低于上段与下段，而下段略高于上段（表 1）。芦草沟组炭质细粒沉积岩密度与其中的TOC含量具有明显的负相关性，相关系数为-0.96，即TOC含量低，则岩石密度偏高，反之，则岩石密度偏低。因此，在研究区内的钻井中可参考岩石密度测井资料来识别富有机质泥页岩段（图 3）。
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下载eps/tif图 图 3 准南阜康以西芦草沟组炭质细粒沉积岩岩石密度与TOC相关性 Fig. 3 Correlation of density with TOC of fine-grained carbonaceous ciastic rocks of Lucaogou Formation |
芦草沟组炭质细粒沉积岩孔隙度最小值为0.026%，最大值为3.980%，平均值为0.983%（表 1），孔隙度主要为0~2%。
炭质细粒沉积岩渗透率最小值为0 mD，最大值为0.243 2 mD，平均值为0.038 1 mD（表 1），81%的样品渗透率为0~0.1 mD，14%的样品渗透率为0.1~0.2 mD，5%的样品渗透率为0.2~0.3 mD。
在芦草沟组中，渗透率与孔隙度相关性较小，其相关系数为0.32。部分低孔隙度样品具有高渗透率值，这表明其渗透率值受样品中微裂缝的影响；部分高孔隙度样品具有极低渗透率值（图 4），说明芦草沟组炭质细粒沉积岩中的孔隙连通性较差。
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下载eps/tif图 图 4 准南阜康以西芦草沟组炭质细粒沉积岩渗透率-孔隙度相关性 Fig. 4 Correlation of porosity with permeability of fine-grained carbonaceous clastic rocks of Lucaogou Formation |
准南阜康以西芦草沟组炭质细粒沉积岩比表面积值分布比较离散，主要为0.1~0.5 m2/g，1.0~ 2.0 m2/g和6.0~7.0 m2/g，但介于0.1~0.2 m2/g及1.0~2.0 m2/g的样品数相对较多（表 3）。芦草沟组中，炭质细粒沉积岩比表面积最小值为0.08 m2/g，最大值为34.7 m2/g，平均值为3.40 m2/g。其中，上段炭质细粒沉积岩比表面积最小值为0.08 m2/g，最大值为34.7 m2/g，平均值为3.93 m2/g；中段炭质细粒沉积岩比表面积最小值为0.13 m2/g，最大值为1.85 m2/g，平均值为1.03 m2/g；下段炭质细粒沉积岩比表面积最小值为0.78 m2/g，最大值为1.10 m2/g，平均值为0.94 m2/g（表 1）。
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下载CSV 表 3 准南阜康以西芦草沟组炭质细粒沉积岩测试数据 Table 3 Test data of fine-grained carbonaceous sedimentary rocks of Lucaogou Formation |
芦草沟组上段炭质细粒沉积岩比表面积平均值远大于中段与下段，而中段略高于下段（表 1）。炭质细粒沉积岩比表面积与TOC含量具有负相关性（相关系数为-0.51），与黏土矿物含量（相关系数为0.29）及伊/蒙混层比（相关系数为0.57）均具有正相关性（图 5）。这表明，研究区芦草沟组炭质细粒沉积岩中，TOC含量及伊/蒙混层比是控制比表面积的一个重要因素。
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下载eps/tif图 图 5 准南阜康以西芦草沟组炭质细粒沉积岩TOC、黏土矿物含量及伊/蒙混层比与比表面积相关性 Fig. 5 Correlation of specific surface area with TOC, clay contents and I/S ratio of fine-grained carbonaceous clastic rocks of Lucaogou Formation |
芦草沟组非常规油气储集空间类型多样，主要包括宏观尺度的孔洞、裂缝及微观尺度的各种孔隙与缝隙，总体上可概括为孔隙及缝隙两大类。钻井数据表明，准南阜康以西芦草沟组非常规油气储集空间以缝隙中的紧闭无充填微裂缝为主。
2.3.1 孔隙及发育规律准南阜康以西芦草沟组所发育的孔隙包括了宏观尺度的溶蚀孔洞（肉眼可见的毫米级至厘米级）以及微观尺度（肉眼不可见的微米级）的粒间溶孔、粒内溶孔、粒间孔、粒内孔、铸模孔及有机质微孔[图 6（a）~（i）]。各种孔隙均可形成非常规油气的储集空间，但以纳米—微米级微孔为主。
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下载eps/tif图 图 6 准南阜康以西芦草沟组非常规油气储集空间类型 （a）溶蚀孔，ZY3井，1 671.50 m；（b）鲕粒白云岩中的鲕粒粒间溶孔，ZY3井，1 778.50 m；（c）鲕粒白云岩中的鲕粒粒内溶孔，ZY3井，1 778.50 m；（d）粒间溶孔，样品号P4-YP18，榆树沟；（e）长石粒内孔，样品号ZY3-CH29-4，1 002.75 m；（f）粒内溶孔，样品号ZY3-CH64-3，1 590.20 m；（g）粒间孔，样品号ZY3-CH-40-4，1 206.25 m；（h）长石晶粒及铸模孔，样品号ZY3-CH-35-4，1 106.25 m；（i）有机质内孔隙，样品号ZY3-CH-33-3，1 084.10 m；（j）顺方解石脉发育的溶蚀缝，ZY3井，1 557.00m；（k）强烈挤压揉皱形成的微裂缝与摩擦镜面，ZY3井，977.50 m；（l）粉砂岩中的缝合线，ZY3井，1 827.00 m；（m）板状矿物及溶蚀缝，样品号ZY3-CH67-3，1 654.20 m；（n）微裂缝，样品号ZY3-CH32-3，1 062.25 m；（o）颗粒间缝隙，样品号ZY3-CH-33-4，1 084.10 m Fig. 6 Reservoir space types of fine-grained carbonaceous clastic rocks of Lucaogou Formation |
宏观尺度的溶蚀孔洞主要发育在碳酸盐岩夹层中的鲕粒或裂缝发育部位，通常形成鲕粒粒内溶孔、粒间溶孔及顺缝溶孔；在构造变化剧烈的区域和碳酸盐岩夹层较多的芦草沟组上段，该类储集空间较为发育；在碳酸盐岩很不发育的中段与下段，该类储集空间很少发育。纳米—微米级微孔以有机质孔为主。芦草沟组上段炭质细粒沉积岩连续厚度及累积厚度均较大，有机质丰度高，有机质孔最发育。
2.3.2 缝隙及发育规律缝隙包括了宏观尺度（肉眼可见）的裂缝、溶蚀缝、缝合线及微观尺度（肉眼不可见）的微裂缝、纹层缝、溶蚀缝、粒间缝及黏土矿物内部缝[图 6（j）~（o）]，可分为构造缝及非构造缝两大类。对于流体而言，缝隙具双重作用，它既可成为流体运移通道，又可成为有效的储集空间；既可破坏油气藏，导致油气散失，又可改善储层，提高储层孔隙连通性及渗透率。准南阜康以西芦草沟组岩石缝隙中可见大量的油气显示。在露头上岩石缝隙中干沥青充填较普遍，而井下岩石缝隙中含油较普遍（图 7）。在ZY3井所揭示的芦草沟组上段，因强烈揉皱而产生的大量无充填紧闭微裂缝中气显示很强烈。因此，芦草沟组天然裂缝发育的部位易形成非常规油气“甜点”，而这种有利的天然裂缝在区域上通常伴随着断裂所形成的强烈挤压与揉皱部位集中发育，在芦草沟组上段以黏土为主的细粒沉积岩中最易形成密集微裂缝[图 6（k）]，而中段与下段因以粉砂岩为主的细粒沉积岩很发育，致使岩石整体抗压强度较高而难以在构造挤压下形成密集微裂缝。
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下载eps/tif图 图 7 准南芦草沟组岩石缝隙中的油显示 （a）上段泥晶白云岩夹层裂缝中的沥青，甘沟剖面；（b）上段含炭质含泥粉砂岩缝隙中的油显示，ZY2井岩心，1 311.5 m Fig. 7 Oil show in carbonaceous siltstones fracture of Lucaogou Formation |
另外，从构造裂缝发育的期次来看，在准南阜康以西芦草沟组中只存在2期构造所留下的痕迹，而且这2期构造运动均控制了芦草沟组中的油气运聚。其中，第1期构造运动所形成的裂缝是在挤压背景下所产生的共轭剪节理，多被方解石脉全充填，之后局部被溶蚀，并有油充注。因此，推断该期构造运动及伴生裂缝的形成早于芦草沟组生排烃期。该期共轭剪节理形成2组裂缝，第1组高角度斜交或近于垂直层面，而第2组则低角度斜交或平行层面。该期裂缝通常发育在向斜或背斜翼部。
第2期构造运动所留下的最显著的痕迹是在芦草沟组中产生强烈的挤压、揉皱，该期构造运动有以下特征：① 在脆性岩石中形成的裂缝中无方解石脉充填，通常为沥青或油充填；② 常在第1期构造运动后形成的方解石脉中见到该期构造运动所留下的擦痕、阶步或方解石脉在该期构造应力作用下发生强烈的重结晶；③ 在塑性较强的泥页岩中通常形成强烈的揉皱破碎，并伴随大量紧闭微裂缝，可成为良好的页岩气储集空间。因此，推断该期构造运动及伴生的裂缝与芦草沟组生排烃高峰期大致相当。
以上2期构造运动均控制了博格达北缘芦草沟组的油气运聚。第2期构造运动形成的无脉充填缝及第1期构造运动后的方解石脉溶蚀缝均成为页岩气与石油的良好储集空间。
前人研究认为，在侏罗纪末期，芦草沟组烃源岩几乎全部进入了成熟阶段[19]。从沉积演化特征来看，晚二叠世至早侏罗世，准南处于非挤压背景下的构造沉降阶段，而早侏罗世至晚侏罗世，准南则处于构造抬升阶段；博格达山初始隆升时间发生在侏罗纪末—白垩纪初期[20]，而且第1次大规模强烈的构造隆升也发生于这期间[21]。故综合推断，在晚二叠世地层中大量形成共轭方解石脉的第1期构造运动应当发生于燕山运动中期所导致的博格达山第1次大规模强烈构造隆升时期，即为侏罗纪末，而第2期无脉充填紧闭构造缝及强烈的挤压揉皱则形成于白垩纪初期，即燕山运动中期。因此，燕山运动是准南芦草沟组缝隙型储集空间形成的主要因素。
3 结论（1）准南阜康以西芦草沟组非常规油气储层以3种岩石类型为主，分别是以粉砂岩为主的细粒沉积岩、以黏土岩为主的炭质细粒沉积岩及碳酸盐岩。
（2）准南阜康以西芦草沟组炭质细粒沉积岩密度为1.74~2.86 g/cm3，平均为2.49 g/cm3，岩石密度与TOC含量呈很好的负相关性；孔隙度以0~2%为主，渗透率以0~0.1 mD为主；比表面积以0.1~ 0.5 m2/g及1.0~2.0 m2/g为主，上段炭质细粒沉积岩比表面积平均值为5.02 m2/g，明显高于中段及下段，TOC含量及伊/蒙混层比是控制比表面积的重要因素。
（3）准南阜康以西芦草沟组非常规油气储层储集空间类型由孔隙和缝隙两大类构成。孔隙多以微观尺度的纳米—微米级孔隙为主，而宏观尺度的孔隙多发育于碳酸盐岩夹层中。缝隙的发育分2期：第1期为侏罗纪末所形成的共轭剪节理，并被方解石脉充填，后期被部分溶蚀而充注油气；第2期为白垩纪初期所形成的无脉充填缝，被油气充注；燕山运动是准南芦草沟组中缝隙型储集空间形成的主要因素。
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