玛北地区二叠系风城组油气勘探始于20世纪80年代，经过近30年的持续探索，表明玛湖地区风城组不仅是主力烃源岩，也是重要的储层^[1-6]。玛湖凹陷北斜坡带处于玛湖生烃中心，是云质页岩、碎屑岩与高孔火山岩叠覆发育区，风城组一段(风一段)主要发育高孔火山岩和碎屑岩储层，风城组二段(风二段)、风城组三段(风三段)主要发育烃源岩和云质页岩储层^[7-10]。玛湖凹陷风城组云质岩较发育，岩石脆性好，裂缝较发育，风城组烃源岩生成的油气沿裂缝倒灌运移，在风一段优质储层中富集成藏，为典型的“上生下储”型油气成藏模式^[11]。近年勘探实践证实，风二段、风三段页岩油储层特征、赋存机理和分布规律越发明了，而风一段常规油藏未受重视，勘探进展缓慢，存在一系列未解决的难题和挑战，包括储层特征不清、成因模式未建立、多种储层展布范围不明等。究其原因，主要是因为玛北地区风城组发育一套咸化湖盆(半封闭环境)页岩及白云岩与碎屑岩过渡的云质岩沉积，同时受陆源碎屑、火山影响，多套复杂岩性频繁互层叠置发育，且前期地震资料品质差，精准预测难以实现^[12]。最新钻探的重点风险探井玛页1井在风城组进行了系统取心和分段试油，其中风一段常规火山岩+碎屑岩储层小段试油即获高产工业油流，进一步证实玛北地区风一段常规油藏勘探领域的巨大潜力，风城组展现出火山岩、云质岩和碎屑岩多类型油藏共生的特征^[13-15]。本文针对玛北地区风一段，利用岩心、录井、测井、实验分析及重新采集解释的高密度地震资料等，对优质储层特征、成因等进行研究分析，建立了优质储层成因模式，在此基础上预测了优质储层分布范围。

玛北地区横跨玛湖凹陷和乌夏断裂带(图 1左)，构造上位于准噶尔盆地中央坳陷，玛湖凹陷及乌夏断裂带经历了海西、印支、燕山和喜马拉雅等多期构造运动^[16-19]。石炭纪末至二叠纪，准噶尔盆地西北缘断裂带至玛湖凹陷进入前陆发展阶段，盆地整体稳定沉降，西部玛湖凹陷二叠系发育齐全，早—中二叠世凹陷东部的陆梁隆起相对抬升，高部位未沉积二叠系佳木河组、风城组和夏子街组。中二叠统下乌尔禾组由凹陷向隆起方向呈减薄趋势，其中下乌尔禾组一段和二段向构造高部位呈超覆尖灭，下乌尔禾组三段和四段向构造高部位呈削蚀尖灭，研究区缺失上乌尔禾组。印支期构造相对稳定，三叠系广泛沉积，厚度变化不大，三叠系百口泉组向隆起方向逐层超覆，到三叠纪末形成统一的内陆坳陷沉积盆地。燕山早期构造较稳定，形成了三角洲相和湖相砂泥岩建造，燕山中晚期构造活动加剧，主要表现在中侏罗统以上地层，尤其是头屯河组明显向高部位削蚀减薄，与上覆白垩系呈角度不整合接触。燕山晚期至喜马拉雅期构造运动对玛北地区白垩纪地层影响有限，侏罗系至白垩系构造形态具有继承性^[20-23]。

图 1

图 1 玛北地区构造位置图(左)与地层结构图(右) Fig. 1 Structural location of Mabei area (left) and stratigraphic column (right)

玛北地区二叠系自下而上依次发育佳木河组(P₁j)、风城组(P₁f)、夏子街组(P₂x)和下乌尔禾组(P₂w)(图 1右)。其中风城组不仅是主力烃源岩，也是重要的储层，发育火山岩、粗粒碎屑岩和云质岩3类储层，两种或多种岩性叠置发育，为重要的含油气层系^[24-26]。风城组厚度主体介于150~1000m，自下而上划分为风一段(P₁f₁)、风二段(P₁f₂)和风三段(P₁f₃)，地层向东逐渐减薄尖灭。玛北地区风一段沉积早期至中期为淡水环境，受陆源碎屑和火山活动影响，以碎屑岩和火山岩为主，发育的高孔流纹质熔结凝灰岩是富含水蒸气、CO₂和其他挥发分的黏稠熔浆在火山强烈爆发作用下形成的产物，为一套近火山口爆发相热碎屑流亚相的堆积物，在乌尔禾鼻隆东翼及夏72井以东等广泛区域均有分布; 风一段沉积中期至晚期相对封闭，以微咸水环境为主，主要为静水沉积的去云化泥质粉砂岩、含凝灰质、有机质的粉—细砂岩、细砂岩、灰泥岩及微晶云岩等，云化作用较明显^[27]。

玛北地区风一段纵向上火山岩、碎屑岩、云质岩储层叠置发育，底部以细粒碎屑岩(粉砂岩、泥岩)为主，局部发育火山熔岩(玄武岩、安山岩、流纹岩)，中下部以粗粒碎屑岩(砂岩、含砾砂岩)为主，中部发育一套火山碎屑岩(流纹质熔结凝灰岩)，中上部以粗粒碎屑岩(砂岩、含砾砂岩、砾岩)为主，顶部以细粒云质岩(云质泥岩、云质粉砂岩)为主。其中，中下部至中上部的气孔状流纹质熔结凝灰岩、砂岩、含砾砂岩、砾岩段储层物性好，油气显示最活跃，为风一段优质储层发育段。

玛北地区风城组岩石类型复杂，纵向大段连续显示，风一段发育火山岩、碎屑岩和云质岩类，岩性复杂多变，见玄武安山岩、凝灰岩、流纹质熔结凝灰岩、砂岩、含砾砂岩、砾岩、云质泥岩、云质粉—细砂岩等多种岩石类型。

玛北地区各井钻遇的流纹质熔结凝灰岩岩性基本一致，呈灰色或灰白色块状，但熔结程度和气孔发育程度、气孔充填程度不一。薄片分析表明，玛北地区风一段流纹质熔结凝灰岩主要由弧面棱角状玻屑、撕裂状浆屑、火山尘及熔岩团块组成，部分玻屑具塑性变形，似流动构造，玻屑、浆屑具脱玻硅化、绿泥石化。岩石中发育不均匀分布的霏细岩化团块，多呈浑圆状，颜色较浅，部分团块与周围玻屑凝灰质间界线不清，部分团块边缘发育断续，团块多达砾级，分布较均匀。大量霏细岩化团块中可见气孔发育，部分团块中残余玻屑凝灰质结构明显，且其结构、玻屑延伸方向多数与周围具塑性变形的玻屑凝灰质基本一致，团块周围发育的凝灰质中可见部分玻屑和浆屑延伸至霏细岩化团块中，同时可见延伸至团块中的部分浆屑发生了熔融(图 2)。

图 2

图 2 玛页1井风一段储层岩石学特征图 Fig. 2 Reservoir petrological characteristics of the first member of Fengcheng Formation in Well Maye 1 (a)4922.6~4923.3m，中—细砂岩; (b)4908.9~4909.4m，熔结凝灰岩; (c)4881.35~4881.85m，含砾砂岩; (d)4922.95m，中—细砂岩; (e)4908.9m，熔结凝灰岩; (f)4881.62m，含砾砂岩

风一段发育两套碎屑岩储层，分别位于流纹质熔结凝灰岩段上、下，下部碎屑岩储层岩石类型主要为粉—细砂岩和含砾砂岩，上部碎屑岩储层岩石类型主要为含砾砂岩、中—细砂岩和砾岩，储集性能与岩石成熟度及成岩改造作用有关。镜下鉴定发现，风一段碎屑岩岩石组分整体以多种岩屑为主，平均含量大于55%，包括凝灰岩、泥岩等塑性岩屑，杂基大量发育，抗压实性较差，石英和长石含量相对较少，但部分砂体中石英和长石含量有所增加，储集性能较好，应为较远陆源区搬运而来(图 2)。风城组碎屑岩随埋藏深度增加，颗粒压实越紧密，越细粒的砂岩抗压实能力越弱，在大颗粒之间可保留剩余粒间孔，对储集性能起贡献作用。同时成岩作用中自生矿物的形成和溶蚀作用有利于岩石储集性能的提高，研究区岩石普遍发生白云石化，溶蚀孔发育，尤其裂缝发育区溶蚀作用强烈，风城组碎屑岩中被溶蚀的物质主要有长石、岩屑和白云石、方解石等各类自生矿物(图 2)。云质粉—细砂岩中矿物主要为石英、白云石和长石，含量为70%~85%，碎屑颗粒主要为凝灰岩(10%~15%)，其次为安山岩、霏细岩、千枚岩和泥岩，含量为5%~10%，胶结物主要为方沸石和方解石，杂基主要为泥质和高岭石。

风一段中下部至中上部的气孔状流纹质熔结凝灰岩、砂岩、含砾砂岩、砾岩段为相对优质储层，气孔状流纹质熔结凝灰岩储集空间主要为气孔，其次为微裂缝和基质溶孔，(含砾)砂岩、砾岩储集空间主要为剩余粒间孔，其次为粒内溶孔和微裂缝(图 3)。

图 3

图 3 玛北地区风一段储层储集空间特征图 Fig. 3 Characteristics of reservoir space of the first member Fengcheng Formation in Mabei area (a)玛页1井，4920.65m，细砂岩，剩余粒间孔、溶孔; (b)夏80井，2085.81m，细砂岩，半充填缝; (c)夏72井，4808.08m，熔结凝灰岩，气孔; (d)风南1井，4443.00m，含砾砂岩，粒内溶孔、粒间溶孔; (e)风南4井，4579.79m，粉砂岩，晶间溶孔; (f)风南4井，4578.75m，粉砂岩，溶孔; (g)夏202井，4828.40m，熔结凝灰岩，气孔; (h)夏202井，4827.82m，熔结凝灰岩，气孔中充填的绿泥石、钠长石

通过岩心观察、铸体薄片和扫描电镜分析，流纹质熔结凝灰岩储层储集空间主要为气孔，少量的微裂缝起沟通作用，并伴有部分基质溶孔(图 3)。火山口附近的气孔极为发育，随着距离火山口距离的增大，气孔发育密度减小，同时在断裂附近的气孔充填现象严重，夏201、夏72等井风城组流纹质熔结凝灰岩气孔发育，大部分孔隙未被充填，距火山口较远的玛东1、夏87_C等井气孔变小，且见部分气孔被绿泥石充填，如夏76井气孔几乎全被绿泥石充填(图 4)。

图 4

图 4 玛北地区风一段流纹质熔结凝灰岩纵向、横向展布特征图 Fig. 4 Vertical and lateral distribution characteristics of rhyolitic fused tuff of the first member of Fengcheng Formation in Mabei area

流纹质熔结凝灰岩气孔主要发育在霏细岩化团块及浆屑中，主要呈浑圆状和拉长椭圆状，孔径大小不等，沿气孔边缘见大量马牙状微晶石英和钠长石窄边。发育于霏细岩化团块中的气孔，孔径一般较大，主体大于5mm，最大可达20mm，团块被玻屑凝灰质包裹，多数界线不清，部分表现为过渡关系; 发育于浆屑和玻屑中的气孔，一般孔径较小，主体小于0.5mm。流纹质熔结凝灰岩段底部，气孔发育较少，收缩缝较常见，多分布于玻屑凝灰质中，收缩缝延伸较短，部分收缩缝中发育多期充填、交代物质，说明裂缝产生后，在漫长的成岩演化过程中，地层流体介质发生过多期改变。流纹质熔结凝灰岩储层见少量微裂缝发育，岩石孔隙度普遍较高，主体介于6%~24%，平均孔隙度为18%，最高孔隙度达27.8%，渗透率普遍较低，主体低于1mD，为典型的高孔、低渗储层。

风城组沉积早期，玛北地区主要发育扇三角洲—湖泊沉积体系，局部发育滩坝和浊积扇^[21]。通过多口井岩心观察、铸体薄片和扫描电镜分析，玛北地区风一段碎屑岩储层岩性以砂岩、含砾砂岩和砾岩为主，储集空间类型以剩余粒间孔为主，其次为粒内溶孔和微裂缝，同时含一些基质溶孔(图 3)。风城组沉积物有粗有细，较大颗粒间经压实和后期改造作用依然保留了部分剩余粒间孔，对储集性能起贡献作用。同时，研究区普遍发生白云石化，易被溶蚀，溶蚀孔洞发育，尤其玛北地区裂缝发育，改善了储层连通性，而且为溶蚀流体流动提供了通道，进一步有利于溶蚀孔洞的形成。岩心物性数据分析表明，实验数据与地质认识基本一致，即归属于滩坝和扇三角洲前缘的砂体物性均较好，砂体经较强水动力多次冲刷、淘洗和搬运，成分成熟度和结构成熟度较高，孔隙度主体介于3.8%~14.9%，平均为8.3%;而归属于浊积扇的砂体物性最差，为顺坡滑塌快速堆积而成，分选差，成分成熟度和结构成熟度均较低，储层质量差，孔隙度主体介于2.7%~11.4%，平均为6.2%，渗透率整体较低，70%的样品渗透率小于1mD，整体为低孔、低渗的致密碎屑岩储层。

岩心观察发现，风一段流纹质熔结凝灰岩气孔在垂向上具有明显的分带特征，表现为自下而上，气孔由少增多再减少，底段气孔少，收缩缝发育，并发育充填交代作用; 中段气孔较发育，多呈圆形或椭圆形; 上段熔结差，气孔少且呈压扁长条状(图 4)。

横向上井间对比发现，流纹质熔结凝灰岩的气孔发育状况与其在火山机构的位置关系密切。根据微幅构造、地震剖面、平面时间切片、剩余磁力分布等特征，对玛北地区古火山口进行综合识别，落实火山口14个(图 4)，火山喷发方式以裂隙喷发为主，其次为中心式喷发，火山岩体地震反射表现为丘状、杂乱特征，时间切片表现为近圆状。通常距离火山口较近的流纹质熔结凝灰岩，气孔往往较发育，随着与火山口距离的增加，流纹质熔结凝灰岩气孔含量显著降低，气孔孔径变小(图 4)。

火山熔岩中气孔较常见，因含大量挥发分的地下熔浆上涌至地表时，从地下的高压环境到地表的低压条件，压力发生骤降，熔浆快速冷凝，挥发分未能及时溢出，保存于岩石中形成气孔，但在火山碎屑岩中发现大量气孔较少见。通过对风一段流纹质熔结凝灰岩中这种特殊现象的研究分析，认为这种气孔大量产生的现象与火山喷发时炙热的火山碎屑灰流所受的水分压大小及变化有关。火山岩凝结的温度主要与其物质组成、挥发分含量及压力有关，通常熔浆基性程度越低，即SiO₂含量越高，地层压力越低，挥发分含量越高，则火山熔浆凝结温度越低。物质的熔融和凝结受多因素控制，随着温度、压力和挥发分含量等的变化，可发生相互转换，如在某共结点，随温度升高、压力增加，固体物质可发生熔融，而随温度降低，熔融物质开始凝结^[28]。

火山物质凝结与熔融，明显受水的分压影响，不同水分压条件下，共结温度不同，随着水的分压从零增高到400MPa，二元系共结温度从1100℃降至700℃左右^[29]。本文认为风城组流纹质熔结凝灰岩气孔为重熔封隔成因，其机理为：炙热的半固结火山碎屑灰流携带火山喷发时的水蒸气、汽化的地表水蒸气等大量挥发分，致使水分压增大，火山碎屑灰流熔融温度降低，从而炙热的半固结火山碎屑灰流发生重熔现象，封隔的气体不易释放，形成气孔，随后冷凝形成空腔，气孔的发育程度与该期次炙热的火山碎屑灰流厚度、地表水含量等因素有关。

依据本次提出的重熔封隔成因机理，结合气孔发育特征认为：风城组火山喷发时，碎屑灰流底段散热快，弱熔结，气体上侵，气泡少，收缩缝发育，并见到收缩缝中发生多期充填、交代作用，还见到后期有熔浆灌入的现象; 中段挥发分聚集，热量被有效保存，有利于塑性玻屑和浆屑熔结，气体被封存，多发育于发生局部重熔的霏细岩化团块中，团块中可见残余结构较明显，主要呈圆形和椭圆形，气孔形态保存较完整，气孔中充填和交代作用微弱，边缘可见马牙状微晶石英和钠长石窄边; 上段散热快，熔结差，气体迅速散溢，气孔保存较差，气孔少且呈压扁长条状(图 4)。

油气分布规律与富集程度受火山岩体展布、规模及特征控制，玛北地区风一段流纹质熔结凝灰岩展布与火山口位置、火山喷发时的风力、风向和地表地势相关，距火山口较近的谷地，流纹质熔结凝灰岩厚度较大。流纹质熔结凝灰岩底段收缩微裂缝发育，渗流作用较好，且紧邻油源，可作为油气运移、聚集的场所; 中上段，尤其是中段，气孔最发育，可作为良好的油气储层。

最新钻探的玛页1井在风城组系统取心，首次连续取心证明在流纹质熔结凝灰岩上下各发育一套碎屑岩储层，流纹质熔结凝灰岩下部发育的碎屑岩储层以粉—细砂岩、含砾砂岩为主，上部发育的碎屑岩储层以含砾砂岩、中—细砂岩和砾岩为主，两套碎屑岩含油气性均较好。

玛北地区风一段碎屑岩优质储层受沉积相带、岩石组分、溶蚀作用发育程度等控制。沉积早期，由物源区供给的碎屑物质在风城组下盘区域快速入湖，近源堆积形成扇三角洲沉积体系，在玛北地区发育扇三角洲前缘沉积体系，储层以砂岩和含砾砂岩为主，部分来自扇三角洲前缘的沉积物经搬运后再次沉积，在较强的水动力作用下，淘洗干净，形成成熟度较高的砂质滩坝，为较好的储层。此外，玛北地区风城组发育一定规模砾岩储层，为扇三角洲平原分流河道沉积物顺坡滑塌、快速堆积形成的浊积扇沉积物，岩石分选差，杂基含量高，储层质量相对较差。岩石组分是影响储层质量的重要因素，远离物源区的碎屑岩组分中石英、长石含量有所增加，抗压实性有所提升，有利于孔隙保存。玛北裂缝发育地区，地层流体沿裂缝流动，酸性流体溶蚀作用较强，储层遭受溶蚀形成溶孔和溶洞，对储层改善作用意义重大，斜坡区裂缝相对欠发育，溶蚀作用相对较弱，局部增孔作用明显。根据岩石薄片镜下分析，流纹质熔结凝灰岩上下两套碎屑岩中除陆源颗粒外，还见到一些与其下部火山岩特征一致的颗粒，认为玛北地区风一段碎屑岩为远源陆源碎屑与近源火山岩剥蚀混积而成(图 5)。

图 5

图 5 玛页1井风一段储层成因分析图 Fig. 5 Analysis of reservoir genesis of the first member of Fengcheng Formation in Well Maye 1

优质储层发育受岩性、岩相及成岩作用等方面的控制，通过玛北地区风一段岩性及物性统计分析，岩性是控制优质储层发育的主要因素，后期溶蚀和构造作用对储层起到一定改善作用，流纹质熔结凝灰岩中充填胶结作用对原生气孔起破坏作用，少量孔隙被绿泥石充填。玛北地区风一段沉积时期火山活动较强烈，火山岩多期广泛分布，与沉积岩叠置发育，之后火山活动逐渐减弱，以沉积岩为主。

通过成因分析，建立了玛北地区风一段3套优质储层成因模式，其形成过程可描述为：佳木河组沉积晚期火山活动强烈，火山岩大范围发育，顶部的玄武安山岩长时间暴露遭受风化剥蚀; 风一段沉积早期远源的陆源碎屑与近源剥蚀的火山岩混积形成风一段底部第一套粉—细砂岩、含砾砂岩储层; 风一段沉积中期火山活动开始频繁发生，炙热的火山碎屑灰流受水分压作用的影响重熔封隔形成气孔状流纹质熔结凝灰岩储层; 随后，暴露的流纹质熔结凝灰岩部分遭受风化剥蚀，湖平面发生水退、水进，搬运的陆源碎屑与剥蚀的流纹质熔结凝灰岩混合沉积，形成流纹质熔结凝灰岩上部的一套含砾砂岩、中—细砂岩、砾岩储层(图 6)。

图 6

图 6 玛北地区风一段优质储层成因过程模式图 Fig. 6 Genetic process model of high-quality reservoir of the first member of Fengcheng Formation in Mabei area

玛北地区风一段主体发育碎屑岩和火山岩储层，顶部发育较小规模云质岩储层，风一段优质储层从下至上依次为粉—细砂岩+含砾砂岩段、流纹质熔结凝灰岩段和含砾砂岩+中—细砂岩+砾岩段，呈两套碎屑岩夹一套火山岩的分布特征。测井曲线特征表现为，3套储层密度整体均较低，平均为2.49g/cm³; 电阻率差别较大，中部流纹质熔结凝灰岩为高电阻率，平均为50.9Ω·m，两套碎屑岩整体均为低电阻率，平均为21.3Ω·m; 下部碎屑岩自然伽马低，平均为86API，中部流纹质熔结凝灰岩为高自然伽马，平均为166API，上部碎屑岩为中高自然伽马，平均为145API。井震标定结果表明，前期地震资料基础差，3套储层岩性在地震上无明显的波阻抗界面，不能单独识别，表现为低速、低密度、低阻的特点，合成记录为“强波谷+半波峰”的组合特征。但由于3套储层岩性差异明显，尤其是流纹质熔结凝灰岩储层非均质性非常强，分层预测意义重大，因此，本次针对玛北核心区三维地震资料进行了重新处理解释，提高分辨率处理后，新资料保幅性好，信噪比高，有效反映了风一段高孔火山岩横向上的变化，井震标定结果表明两套碎屑岩中间的流纹质熔结凝灰岩在提频后多出一套弱反射，通过波形指示反演，利用高阻抗背景下的微幅度差异对3套储层岩性分布范围进行预测(图 7)。通过预测可知，风一段上部碎屑岩厚度主体介于5~28m，有利面积为70km²，主要分布于风南1井区和玛页1井区; 中部流纹质熔结凝灰岩厚度主体介于8~30m，有利面积为170km²，下部碎屑岩厚度主体介于10~30m，有利面积为127km²，均主要分布于风南14井—夏40井的广大区域(图 7)。基于成因模式，结合储层预测技术，最新部署钻探的新井与预测结果相符，风城组勘探研究取得了较大进展。

图 7

图 7 玛北地区风一段优质储层井震标定与有利区分布图 Fig. 7 Well-seismic calibration and favorable zone distribution of high-quality reservoir of the first member of Fengcheng Formation in Mabei area

(1) 玛北地区风一段纵向上发育粉细砂岩+含砾砂岩段、气孔状流纹质熔结凝灰岩段、含砾砂岩+中细砂岩+砾岩段3套相对优质储层，储集空间以气孔、剩余粒间孔为主。其中流纹质熔结凝灰岩为典型的高孔、低渗储层，纵向上自下而上，气孔由少增多再减少，横向上距离火山口越近，气孔越发育; 碎屑岩主体为低孔、低渗储层，由远源陆源碎屑与近源火山岩剥蚀混积而成。

(2) 气孔状流纹质熔结凝灰岩为重熔封隔成因，即炙热的半固结火山碎屑灰流携带大量挥发分，造成水分压增高，熔融温度降低，炙热的半固结火山碎屑发生重熔，封隔的气体不易释放，形成气孔。明确流纹质熔结凝灰岩气孔成因和发育特征，有助于进一步高效预测此类优质储层有利区。

(3) 经过提高分辨率处理，前期不能单独识别，在地震剖面上表现为“强波谷+半波峰”组合特征的3套优质储层可被单独分辨，利用高阻抗背景下的微幅度差异，通过波形指示反演，预测风一段上段碎屑岩有利面积为70km²，中段流纹质熔结凝灰岩有利面积为170km²，下段碎屑岩有利面积为127km²。