2. 青海省高原咸化湖盆油气地质重点实验室;
3. 中国石油青海油田公司勘探开发研究院;
4. 中国石油学会
, Kuang Lichun1,4
, Wu Kunyu2,3
, Zhang Jing2,3
, Zhang Na2,3
, Zhang Menglin2,3
, Deng Liben2,3
, Lu Zhenhua2,3
, Li Yafeng2,3
, Zhang Qinghui2,3
2. Qinghai Key Laboratory of Plateau Saline Lake Basin Oil and Gas Geology;
3. Research Institute of Exploration & Development, PetroChina Qinghai Oilfield Company;
4. Chinese Petroleum Society
随着我国经济体量的不断增大，能源消费量也在快速增长。2022年，我国石油表观消费量约为7.19×108t，净进口量为5.08×108t，对外依存度高达71.2%[1]。然而，国内大多数已开发主力油田陆续进入开发中后期，稳产、上产困难。在此背景下，加快接替资源的勘探开发已成为油气行业科研和生产的重要任务之一。柴达木盆地英雄岭页岩发育于古近系下干柴沟组上段咸化环境，埋深小于5500m的页岩油资源量约为21×108t，埋深小于6000m的页岩油资源量约为44.5×108t[2]，是青海油田“十四五”期间增储上产最现实的勘探接替领域之一。
岩相作为沉积环境作用的结果，不仅影响着烃源岩展布、有机质丰度、干酪根类型，而且对于储层储集性、烃类流动性及可压裂性等参数具有重要的制约作用[3]，从而影响页岩油烃源岩、储层、流体、工程“四品质”评价，对咸化湖盆混积型页岩油评价尤为重要。国内外学者对混积岩岩相划分做了很多工作，有四端元（硅质碎屑砂、硅质碎屑泥、碳酸盐碎屑、灰泥）立体图分类法[4-5]；三端元（黏土、碳酸盐、陆源碎屑）混合组分岩石分类法[6]。目前，将矿物组分、沉积构造作为主要参数，将有机碳含量作为重要参数来划分页岩岩相已经成为行业内普遍采用的方法[7-13]，该划分方案可适配各研究区。英雄岭页岩混积特征明显，目前岩相划分方案尚存争议，严重制约了页岩沉积规律及页岩油甜点富集模式的认识。通过对英雄岭页岩矿物组分及沉积构造精细描述，开展页岩岩相分类方案研究，明确有利岩相/岩相组合特征，分析不同岩相页岩生烃、储集性能差异，进一步明确页岩油甜点段（区）分布、勘探潜力与重点方向，可以有效地降低地质风险，推动页岩油新领域勘探取得重要发现与进展。
1 研究区概况柴达木盆地位于青藏高原北部，是我国西部地区一个大型陆相中生代—新生代山间含油气盆地[14-20]。多期次的构造活动导致不同区域及构造部位特征不同，可将柴达木盆地划分为5个一级构造单元和24个二级构造单元（图 1a）。英雄岭凹陷位于柴西坳陷中部的英雄岭构造带西段（图 1b）；晚喜马拉雅运动以来，受区域压扭性构造应力场和岩性差异等多因素的影响[21-23]，英雄岭凹陷迅速反转隆升，发育形成褶皱、断裂和滑脱变形等多种类型的构造样式[24]。新生代以来，在东昆仑和阿尔金左行走滑断裂联合控制下，盆地沉积中心沿中轴线自西向东持续迁移[25-27]。
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图 1 柴达木盆地英雄岭凹陷构造位置与地层分布特征图 Fig. 1 Structural location of Yingxiongling Sag in Qaidam Basin and stratigraphic distribution characteristics |
英雄岭凹陷新生界从下到上共发育5套地层：古新统—始新统路乐河组（E1-2l），岩性以泥岩和含砾砂岩为主；始新统—渐新统下干柴沟组下段（E2-3xg1），岩性以泥岩、砂岩为主；渐新统下干柴沟组上段（E2-3xg2），下部主要发育暗色富有机质页岩，上部主要发育泥质灰云岩、泥质白云岩、含灰泥岩及封盖性较好的盐岩层；渐新统—中新统上干柴沟组（E3—N1sg），岩性主要为泥岩和砂岩，夹部分碳酸盐岩；中新统下油砂山组（N1xy），岩性以粉砂岩、泥岩为主（图 1c）。
英雄岭凹陷下干柴沟组上段沉积期为封闭咸化湖盆沉积环境，早中期（Ⅳ—Ⅵ油组）古盐度较低，半深湖相页岩发育，厚度多在700~1000m，局部可达2000m[2]；晚期（Ⅰ—Ⅲ油组）为盐湖沉积体系，发育蒸发岩（盐岩），形成研究区内有利盖层（图 1c）。2021年11月，探索英雄岭（下干柴沟组上段）页岩油领域，柴平1井首获突破，360天累计产油1.1×104t；截至2023年底已在干柴沟地区实施探平直井、水平井31口，落实上、中、下3个甜点集中段，井控含油面积70km2；目前投产12口水平井，日产油120~130t，展现了良好的勘探开发前景。
2 岩石学特征及岩相划分 2.1 矿物组成英雄岭地区古近系下干柴沟组上段页岩矿物成分复杂，混积特征明显。综合柴2-4井、柴13井、柴906井、狮60井60.58m岩心薄片鉴定和X-射线衍射全岩矿物组分分析，岩石矿物组成以白云石、方解石和黏土矿物为主（图 2），其次为石英和长石，部分层段含少量硬石膏、钙芒硝和黄铁矿等。其中，方解石含量在4.7%~82.4%之间，平均为18.1%，中值为14.5%；白云石含量在7.0%~88.5%之间，平均为27.3%，中值为21.1%；石英含量在4.4%~62.6%之间，平均为15.6%，中值为13.7%；长石含量在3.5%~22.6%之间，平均为18.1%，中值为12.2%；黏土矿物含量在6.8%~49.0%之间，平均为23.9%，中值为19.4%。黏土矿物分布较为稳定，其组成以伊利石为主，占62.6%，伊/蒙混层占28.2%，蒙皂石占9.2%（图 3），混层比为5%~7%。总体来看，脆性矿物（碳酸盐矿物+陆源碎屑）含量一般高于65%。
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图 2 干柴沟地区下干柴沟组上段页岩岩心矿物含量箱状分布图 Fig. 2 Box distribution of mineral contents of shale core samples in the upper member of Lower Ganchaigou Formation in Ganchaigou area |
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图 3 干柴沟地区下干柴沟组上段岩心黏土矿物含量分布图 Fig. 3 Distribution of clay mineral content of shale core samples in the upper member of Lower Ganchaigou Formation in Ganchaigou area |
层理是细粒沉积中较为重要的沉积构造类型，其发育情况可以再现细粒沉积（物）岩的形成过程与形成环境[28-30]；同时，层理的厚度、形态、发育程度、几何关系和差异性等因素也会对岩石力学性质及储层储集性能产生重要影响。英雄岭页岩层理形态以连续、板状、平行层理为主（图 4），部分砂纹受陆源碎屑输入变化影响呈不连续、板状、平行状产出，局部受风暴、滑塌、地震等事件性沉积作用影响而呈不平行、曲线状产出，表明页岩沉积期沉积环境以半深湖—深湖为主，水体整体较深，受波浪改造作用较弱。系统取心段岩心和薄片统计结果表明，英雄岭页岩层理厚度普遍较薄，按照层理厚度1cm为界，可划分为纹层状与层状，其中，纹层状构造占总取心厚度的70%，层状构造占总取心厚度的30%。
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图 4 英雄岭地区柴2-4井页岩典型层理构造图 Fig. 4 Typical bedding structure of shale in Well Chai 2-4 in Yingxiongling area (a) 2800.5m，纹层状灰云岩；(b) 2807.2m，纹层状云灰岩；(c) 2810.80m，铸体薄片，纹层状云灰岩；(d) 2821.15m，层状灰云岩；(e) 2811.95m，层状泥岩；(f) 2833.31m，普通薄片，层状泥岩 |
在进行页岩岩相划分时，可以选择颜色、矿物组分、沉积构造、粒度、生物群落和有机碳含量等诸多参数，其中以沉积构造、矿物组分及有机碳含量最为常见。结合英雄岭地区实际情况，页岩层段具有低有机碳含量（TOC为0.4%~2.8%，平均为1.0%）、高生烃潜量（S1+S2为400~600mg/g）的特点，烃源岩在干酪根降解生烃和可溶有机质早期生烃的共同影响下，具有极高的生烃强度和烃转化率，单位有机碳生烃潜量是其他陆相页岩油的3~5倍[2]。由于其有机碳含量普遍低于传统有效烃源岩有机碳含量下限（2%），因此本文不将有机碳含量作为岩相划分参数。按照测井好表征、工业好应用、科学较合理的原则，以及“二元”命名原则，优选沉积构造和矿物组分两项参数将页岩岩相划分为5类：层状灰云岩、层状云灰岩、纹层状灰云岩（纹层状灰云质页岩）、纹层状云灰岩（纹层状云灰质页岩）、纹层状黏土质页岩（图 5）。
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图 5 英雄岭地区柴2-4井下干柴沟组上段页岩岩相划分及特征图 Fig. 5 Lithofacies classification and characteristics of shale in the upper member of Lower Ganchaigou Formation in Well Chai 2-4 in Yingxiongling area |
柴2-4、柴906、柴908等8口取心井876块岩心分析化验结果表明，英雄岭页岩烃源岩有机质丰度与岩相类型具有较好的相关性，纹层状云灰岩有机碳含量平均为1.23%，有机质类型以Ⅰ—Ⅱ1型为主；纹层状黏土质页岩有机碳含量平均为1.13%，有机质类型以Ⅱ1—Ⅱ2型为主；纹层状灰云岩有机碳含量平均为0.97%，有机质类型以Ⅱ1—Ⅱ2型为主；层状云灰岩有机碳含量平均为0.86%，有机质类型以Ⅱ2—Ⅲ型为主；层状灰云岩有机质丰度较低，有机碳含量平均为0.78%，有机质类型以Ⅱ1—Ⅱ2型为主（图 6）。现场取心观察表明，层状灰云岩具有较好的含油性，但因为测试标准不要求样品洗油[31]，所以测得的生烃指标与纹层状云灰岩近似，均较高。综合评价认为，纹层状云灰岩是英雄岭凹陷最为优质的烃源岩，纹层状黏土质页岩次之，也具有较好生烃能力。
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图 6 英雄岭地区下干柴沟组上段页岩不同岩相地球化学特征图 Fig. 6 Geochemical characteristics of various shale lithofacies in the upper member of Lower Ganchaigou Formation in Yingxiongling area |
通过QEMSCAN（扫描电镜矿物定量评价）与SEM（扫描电子显微镜）精细解剖，发现有机质主要赋存在黏土质纹层与方解石纹层交界处（图 7），纹层状云灰岩之所以有机质丰度最高，可能与其沉积期季节变化有关[32]。
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图 7 英雄岭地区下干柴沟组上段纹层段有机质分布图 Fig. 7 Organic matter distribution in the laminated section in the upper member of Lower Ganchaigou Formation in Yingxiongling area |
英雄岭凹陷干柴沟地区E2-3xg2富有机质页岩储层发育不同尺度、不同类型的多种储集空间，主要为广泛发育的晶间孔和纹层缝，部分晶/粒间溶孔及构造缝。勘探生产证实，不同的储集空间类型，其储集能力大小、渗流能力强弱具有较大差异。
3.2.1 储集空间类型岩心观察、薄片鉴定、氩离子抛光—扫描电镜和成像测井结果表明，研究区内储集空间主要分为3类：晶间孔、晶/粒间溶孔和纹层缝。
晶间孔是英雄岭凹陷干柴沟地区E2-3xg2储层中最主要的储集空间类型（图 8a—c）。灰云岩储层由于经历了准同生期白云石化作用，白云石晶格内部的离子交换造成了晶体体积收缩，从而形成大量纳米—微米级别的白云石晶间孔[33]。氩离子抛光—扫描电镜检测表明，晶间孔边缘较为光滑，有明显的棱角状，直径多集中于300~600nm，一般小于800nm（图 8a—c）。通过压汞和数字岩心测试表明，晶间孔的喉道半径较细（多小于100nm），属于典型的小孔—细喉型。
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图 8 干柴沟地区下干柴沟组上段页岩储集空间类型图 Fig. 8 Reservoir space types of shale in the upper member of Lower Ganchaigou Formation in Ganchaigou area (a) 柴2-4井，2800.34m，层状灰云岩，晶间孔；(b) 柴12井，3529.97m，层状灰云岩，晶间孔；(c) 柴2-4井，2812.97m，层状云灰岩，晶间孔；(d) 柴2-4井，2812.97m，层状灰云岩，溶蚀孔；(e) 柴12井，3526.01m，层状灰云岩，溶蚀孔；(f) 柴906井，3230.77m，层状灰云岩，溶蚀孔；(g) 柴2-4井，2843.91m，纹层状云灰岩，岩心照片；(h) 柴2-4井，2843.91m，纹层状云灰岩，纹层缝；(i) 柴2-4井，2843.91m，纹层状云灰岩，纹层缝 |
晶/粒间溶孔是因准同生期由于大气淡水对颗粒内部进行选择性溶蚀而形成，形态多不规则（图 8d—f）。强烈的溶蚀作用可将整个颗粒溶蚀，形成外形保持完整的铸模孔，后期可被石膏等胶结物半充填或全充填，孔隙之间呈孤立状态，彼此不连通。以这类孔隙为主的储层，物性较好，孔隙度一般大于8%，渗透率大于1mD，可形成规模储层。
纹层缝是由沉积期形成的季节性黏土质纹层与碳酸盐纹层之间存在的天然薄弱面（纹理面）演化而成。裂缝形状大多平直规则延伸，尺度从微米级到毫米级均有发育，可成为油气高速渗流通道。英雄岭地区岩心中纹层缝内普遍含油（图 8g），在原位样品的铸体薄片中可看到纹层缝发育（图 8h—i）。统计表明，纹层状岩相纹层缝最发育，层状岩相次之。
除上述3类外，英雄岭页岩还发育有粒间孔、铸模孔和角砾孔（洞），但这几类储集空间发育规模不大，对储层贡献较小。
3.2.2 储层物性特征根据研究区柴2-4、柴12、柴906等12口取心井578m岩心920块分析化验数据统计，岩心孔隙度分布范围为2.9%~22.4%，平均为5.7%，中值为4.9%；以基质孔隙度下限为3%统计，平均孔隙度为6.1%，中值孔隙度为5.8%。对比分析表明，英雄岭页岩不同岩相储层其孔隙度差异显著，其中，层状灰云岩、纹层状灰云岩孔隙度较大，孔隙单一，晶间孔发育；纹层状云灰岩、层状云灰岩、纹层状黏土质页岩孔隙度相对较小，发育少量大尺寸孔隙，其中纹层状黏土质页岩孔隙结构相对较差（图 9、图 10）。储层渗透率分布范围为0.01~31.02mD，平均为0.48mD，中值为0.05mD，不同岩相储层渗透率均较低，差异不明显，整体属于特低渗储层（图 9、图 10）。结合孔隙度、渗透率特征分析，英雄岭页岩储层属于低孔特低渗储层[34]。综合评价认为，层状灰云岩是英雄岭凹陷最为优质的储层，纹层状灰云岩次之。
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图 9 英雄岭凹陷页岩油不同岩相孔渗特征图 Fig. 9 Pore and permeability characteristics of shale with various lithofacies in Yingxiongling Sag |
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图 10 英雄岭凹陷页岩油不同岩相孔径特征图 Fig. 10 Pore size characteristics of shale with various lithofacies in Yingxiongling Sag |
由于页岩油属于“原生源储”石油资源，烃类生成后未经过运移或运移距离很短[35]。我国陆相页岩矿物组成和岩石类型复杂，形成了极具特色且类型多样的湖相页岩层系，储层“甜点”是原位滞留及微距运移油气的有利场所[36]。因此，有利源储组合是页岩油富集成藏的重要基础。
通过对英雄岭页岩不同岩相储集性能和生烃能力分析认为，纹层状云灰岩和纹层状黏土质页岩是研究区有利烃源岩岩相，层状灰云岩和纹层状灰云岩是研究区有利储层岩相，各类岩相构成了不同的源储组合模式。厘清有利源储组合模式，有利于明确页岩油甜点段（区）分布，为页岩油规模效益勘探提供理论基础。
4.1 有利源储组合评价标准利用地质统计学方法开展综合分析，实现页岩油甜点综合性、定量化精准评价。基于试油、试采数据，通过皮尔逊相关性分析，梳理出与日产油相关性较强的评价指标作为综合定量评价页岩油甜点的参数，包括岩相、孔隙度、含油饱和度、脆性矿物含量、S1、TOC、碳酸盐含量；采用标准化处理、主成分分析降维和优化各指标权重等技术手段，计算出综合评价指数，建立页岩油甜点评价标准，从而将有利源储组合划分为3类（表 1）。
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表 1 英雄岭地区页岩油有利源储组合（甜点段）分级评价标准表 Table 1 Classified evaluation standard for favorable source rock-reservoir combination (sweet spot section) of shale oil in Yingxiongling area |
综合评价结果表明（图 11），一类有利源储组合为纹层状云灰岩与层状灰云岩互层，这一组合具有最优质的烃源岩与储层。以柴902井为例，压裂后3mm油嘴自喷，试油最高日产油32.5m3，日产气2582m3，14个月累计产油3306m3，累计产气94×104m3，具有高产、稳产的特征，采用经验拟合分析法——Duong递减法[37]开展生产动态拟合，计算柴902井EUR为1.7×104t。二类有利源储组合包含纹层状云灰岩与层状灰云岩互层，同时夹有纹层状灰云岩、砂岩、层状泥岩。以柴907井为例，压裂后3mm油嘴自喷，试油最高日产油8.65m3，18天累计产油78.33m3（返排率为57.59%），具有一定稳产能力，采用Duong递减法开展生产动态拟合，计算柴907井EUR为1.2×104 t。三类有利源储组合主要是层状泥岩、层状灰云岩、纹层状灰云岩互层组合。以柴904井为例，压裂后4mm油嘴自喷，试油最高日产油4.11m3，20天累计产油34.22m3（返排率为64.98%），采用Duong递减法开展生产动态拟合，计算柴904井EUR为0.74×104 t。
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图 11 英雄岭页岩油源储组合关系图 Fig. 11 Characteristics of various source rock-reservoir combinations of Yingxiongling shale oil |
通过生产验证认为，英雄岭页岩层状灰云岩—纹层状云灰岩互层为最有利源储组合。基于新标准，优选了柴12井13箱体层状灰云岩靶层试油，3mm油嘴最高日产油18m3，日产气6696m3，试油11天累计产油144.78m3，累计产气6.27×104m3，落实了新的建产箱体。
4.2 有利源储组合空间分布英雄岭页岩发育厚度超过1000m，纵向上非均质性较强，各类源储组合相互叠置。不同组合表现出不同的烃源岩、储层及含油性等特征，如在纹层状云灰岩—层状灰云岩组合中，纹层状灰云岩含油饱和度可达80%，TOC分布在1.2%~2.8%之间，S1分布在2~6mg/g之间，孔隙度分布在2%~5.4%之间，主要为原位滞留烃；层状灰云岩含油饱和度分布在60%~80%之间，TOC分布在0.5%~1%之间，S1分布在5~8mg/g之间，孔隙度分布在6%~10%之间，以高TOC邻层微距运移烃为主（图 12）。
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图 12 英雄岭地区下干柴沟组上段页岩有利源储组合综合评价柱状图 Fig. 12 Comprehensive evaluation results of favorable source rock-reservoir combinations of shale in the upper member of Lower Ganchaigou Formation in Yingxiongling area |
干柴沟区块油藏剖面连井图上可以看出：纵向上，上甜点以一类层为主，中甜点以一类层为主、二类层也有分布，下甜点以二类层为主，展现了较强的非均质性；平面上，无论是主体区柴10井—柴12井—柴905井，还是外围斜坡区扩展的柴15井、柴13井、柴910井层间连续性均较好，非均质性较弱，平面展布较稳定，展现了良好的勘探潜力（图 13）。
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图 13 英雄岭地区干柴沟区块油藏连井剖面图 Fig. 13 Cross well oil reservoir section in Ganchaigou block in Yingxiongling area |
（1）英雄岭地区下干柴沟组上段页岩区别于国内外其他盆地页岩，具有鲜明的独特性：混积特征明显、脆性矿物含量高、有机碳含量低、沉积厚度大。
（2）岩相及岩相组合对甜点的发育起控制作用，影响着页岩油甜点综合评价。英雄岭页岩油富集主控因素为烃源岩品质、储层物性及源储组合类型。
（3）英雄岭地区各甜点段横向上展布较连续，纵向上具有较强的非均质性。
（4）下步将深化岩相与源岩品质、储层品质、工程品质与流动品质的研究工作，助推甜点区/段优选，为英雄岭页岩油规模高效开发提供技术支撑。
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