四川盆地西部二疊系火山巖氣藏成藏條件分析

羅 冰 夏茂龍 汪 華 范 毅 徐 亮 劉 冉 戰薇蕓

中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院

0 引言

四川盆地西部二疊紀中晚期廣泛發育厚層基性火山巖堆積，稱為“峨眉山玄武巖”[1]。四川盆地地腹油氣勘探發現這套火山巖地層始于1966年，在威遠西部地區以中二疊統茅口組為主要目的層的WY25井在上二疊統龍潭組鉆遇玄武巖。該盆地第一口火山巖工業氣井是位于周公山構造高部位的ZG1井，該井1992年完鉆，鉆揭二疊系玄武巖厚度301 m，測試產量為25.61×104m3/d[2]。其后為擴大勘探成果，針對玄武巖部署了H6井和ZG2井。上述兩口井的勘探失利，使四川盆地火山巖勘探進入了低潮，后續以兼探為主，但均未獲得突破。這一階段對二疊系火山巖成藏條件的研究取得了初步認識[3-4]。

近年來，中國石油西南油氣田公司針對制約四川盆地二疊系火山巖勘探的關鍵問題開展攻關，研究認為：該盆地內部基底斷裂附近可能發育噴溢相火山巖，通過地震刻畫，初步識別出簡陽—中江—三臺地區火山巖面積6 000 km2；該區火山巖下伏發育筇竹組優質烴源巖，上覆龍潭組泥巖和三疊系膏巖發育，區域保存條件良好，成藏條件優越，勘探潛力大。根據上述認識，2017年在四川盆地簡陽地區針對二疊系火山巖部署了風險探井——永探1井，該井鉆遇優質火山碎屑熔巖孔隙型儲層。中途完井測試獲22.5×104m3/d的工業氣流，實現了盆地二疊系火山碎屑巖勘探重大發現，展現了火山碎屑巖氣藏勘探潛力。筆者通過對簡陽地區火山碎屑巖氣藏特征和成藏條件分析，梳理前人對川西南地區玄武巖成藏研究成果認識，分析對比簡陽地區火山碎屑巖氣藏和川西南地區玄武巖氣藏成藏條件異同，評價四川盆地西部二疊系火山巖氣藏成藏條件，以期為進一步明確勘探方向和勘探有利區提供依據。

1 火山巖氣藏基本地質特征

1.1 火山巖分布特征

1.1.1 峨眉山玄武巖發育概況

峨眉山玄武巖是目前我國唯一被國際學術界認可的大火成巖省[5-7]。峨眉山玄武巖由東向西，其空間分布可分為4個巖區：貴州高原巖區、攀西巖區、鹽源—麗江巖區和松潘—甘孜巖區。其中貴州高原巖區和攀西巖區形成于楊子地臺。特別是攀西巖區地處古老的康滇地軸，構造背景更為特殊，具有裂谷發育特征[8-10]。鹽源—麗江巖區和松潘—甘孜巖區形成于揚子板塊西緣。盆地內鉆井、地震揭示在川西地區大面積發育峨眉山玄武巖。峨眉山玄武巖總體趨勢是西南厚，向東、北逐漸變薄，說明玄武巖噴發主體在上揚子西南部，這與前人研究的玄武巖噴發中心在滇東及西昌地區吻合[11-12]。受小江—龍門山深大斷裂南北向展布、地形和距噴發點遠近的影響[13-14]，玄武巖有向北、向東隨遠離斷裂帶逐漸變薄的趨勢，表明溢流相玄武巖噴發火山口沿斷裂呈線狀分布。在盆地內，周公山西南地區，玄武巖厚度超過300 m，向東至漢王場厚度超過200 m，再向北到大興場、熊坡、名山等地區變為50～150 m。蓮花山地區南部厚度達200 m，向北逐漸減薄至幾十米；北至邛崍市、新津縣附近尖滅。

1.1.2 成都—簡陽火山碎屑熔巖發育概況

成都—簡陽地區永勝1、永探1井在龍潭組（吳家坪階）之下鉆遇火山碎屑熔巖，永探1井巖性主要為火山角礫熔巖、凝灰質角礫熔巖。主要礦物為輝石、斜長石、鈉長石、角閃石，還可見大量后期蝕變和交代產物，如鈉長石、綠泥石、伊丁石、方解石等。根據地震預測，成都—簡陽地區靠近火山機構的主體位置的火山巖碎屑熔巖厚度介于200～350 m，向火山機構邊緣，厚度逐漸減薄，直至尖滅。

1.2 氣藏基本特征

1.2.1 永探1井氣藏特征

永探1井以發育噴溢相火山碎屑熔巖為主，火山角礫熔巖、凝灰質角礫熔巖為主要儲集巖類。儲層物性較好，全直徑巖心分析孔隙度介于6.68%～13.22%，全直徑平均孔隙度為10.26%，柱塞樣平均孔隙度為13.11%。全直徑滲透率較高，垂直滲透率介于0.014～0.430 mD，平均為0.190 mD；水平滲透率介于0.52～4.43 mD，平均為2.35 mD。永探1井天然氣中甲烷含量介于98.99%～99.07%、乙烷為0.35%、丙烷為0.03%，為典型的干氣（表1）；硫化氫含量僅為0.61 mg/m3，達到民用天然氣含硫標準（低于20 mg/m3），按照含硫標準劃分為微含硫氣藏；永探1井實測地層壓力為125.625 MPa，地層溫度為135 ℃，為高溫、超高壓微含硫氣藏。

1.2.2 周公山構造玄武巖氣藏特征

周公山地區二疊系火山巖以溢流相玄武巖為主，基質物性差，裂縫有效地改善了儲層物性條件[1]。在ZG2井95.93 m長的巖心中，250個樣品的孔隙度范圍介于0.07%～5.23%，孔隙度大于1%的樣品有61個，占總體的24.4%；171個樣品滲透率介于5.49×10－7～4.65 mD，大于0.1 mD的樣品僅15個，占總數的8.8%，物性條件較差。從ZG1井天然氣組分及地球化學特征分析來看，周公山構造玄武巖氣藏天然氣甲烷含量為96.59%、乙烷為0.22%、丙烷為0.008%，屬于典型的干氣（表1），基本不含硫化氫。根據實測壓力數據，ZG1井火山巖壓力梯度為0.18 MPa/100 m，折算至產層中部深度壓力為32.20 MPa，壓力系數為1.12，結合生產中出水情況分析，周公山玄武巖氣藏為常壓底水氣藏。

表1 二疊系火山巖天然氣組分及碳同位素數據表

圖1 川西地區火山巖天然氣與相關氣藏天然氣δ13C1與δ13C2分布關系圖

2 火山巖成藏條件評價

2.1 主力烴源巖

川西地區與二疊系火山巖氣藏相關的烴源層主要有其下伏中二疊統棲霞組和茅口組[1-3]、寒武系筇竹寺組烴源巖和上覆上二疊統龍潭組烴源巖。由川西南部向中北部，3套主要相關烴源層的烴源發育程度有較大差異，區域構造強弱的變化，也使烴源層與火山巖儲層的運移疏導關系有差異。筆者認為不同區域火山巖氣藏的主力烴源巖不同，成藏模式有差異。

2.1.1 川西南部火山巖氣藏氣源以下二疊統為主

前人研究川西南部ZG1井二疊系玄武巖氣藏氣源主要來源于二疊系烴源巖。宋文海等[3]認為ZG1井二疊系玄武巖氣藏天然氣源主要是上二疊統龍潭組煤型氣經側向運移的結果，也可能有下伏中二疊統的混源氣。黃籍中等[2]認為ZG1井二疊系玄武巖氣藏天然氣具有“三高一低一無”特征，即高含甲烷、高干燥系數、高同位素值、低含重烴、無硫化氫，屬有機成因的煤系高成熟晚期氣，主要來自上二疊統煤系烴源層。楊毅等[1]研究認為中二疊統棲霞組和茅口組是ZG1井二疊系玄武巖氣藏主要烴源層。筆者分析發現ZG1井天然氣碳同位素值與川西南茅口組氣藏天然氣碳同位素值的分布較一致（圖1），認為ZG1井二疊系玄武巖氣藏氣源主要來源于中二疊統烴源巖。

2.1.2 成都—簡陽火山巖氣藏氣源以寒武系筇竹寺組為主

永探1井二疊系火山巖天然氣甲烷、乙烷碳同位素與相關烴源巖碳同位素值對比分析表明，天然氣來源以寒武系筇竹寺組為主。分析與火山巖相關的3套主要烴源層的干酪根同位素值分布（圖2），寒武系筇竹寺組頁巖干酪根δ13C分布于－30‰～－37‰，永探1井δ13C1和δ13C2均分布于該區間內（圖2）。中二疊統干酪根δ13C分布于－24‰～－31.6‰，上二疊統龍潭組干酪根δ13C分布于－23.5‰～－29.5‰，永探1井天然氣δ13C1和δ13C2均分布于該區間以外偏輕區域（圖2）。上述天然氣同位素與烴源層干酪跟同位素對比表明，永探1井火山巖氣源主要來源于寒武系筇竹寺組。

永探1井二疊系火山巖天然氣甲烷、乙烷碳同位素值與相關氣藏甲烷、乙烷碳同位素值對比分析表明，天然氣來源以寒武系筇竹寺組為主（圖1、2）。永探1井δ13C1介于－32.11‰～－32.22‰，平均為－32.17‰，δ13C2介于－34.06‰～－34.48‰，平均為－34.27‰（表1），為高—過成熟油型氣特征，從碳同位素值分布看與磨溪龍王廟組氣藏較一致，與威遠寒武系筇竹寺組頁巖氣接近，磨溪龍王廟組氣藏氣源主要為下伏寒武系筇竹寺組[15-19]，表明永探1井天然氣與寒武系筇竹寺組有較強親緣關系。ZG1井δ13C1為－28.10‰，δ13C2為－31.06‰（表1），相比較永探1井甲烷、乙烷同位素均顯著偏輕，表明永探1井火山巖氣源與周公山地區火山巖有較大差異。上述相關氣藏天然氣同位素對比表明，永探1井火山巖氣源主要來源于寒武系筇竹寺組。永探1井巖心上的裂縫和溶洞內發育碳質瀝青，表明烴源生油后就進入火山巖儲層，現今氣藏可能為油裂解氣藏。

永探1井二疊系火山巖天然氣組分中硫化氫含量極低，為0.61 mg/m3，體積分數為3.8×10－8，該特征與威遠寒武系頁巖氣較為一致，而以寒武系筇竹寺組為主要烴源的磨溪龍王廟組氣藏含硫化氫較高，體積分數為5.4×10－3左右。分析上述現象，筆者發現四川盆地碳酸鹽巖氣藏普遍含硫化氫，認為硫化氫來源主要與儲層有關，與氣源為海相烴源或陸相烴源無關。所以，火山巖氣藏微含硫特征并不代表烴源為陸相烴源層，與天然氣主要來源于寒武系筇竹寺組不矛盾。

2.1.3 火山巖氣藏烴源條件評價

簡陽、中江—三臺地區二疊系火山巖下伏發育寒武系德陽—安岳臺內裂陷，該裂陷呈NNW向展布，南北長320 km、東西寬50～300 km[15-17]。裂陷內下寒武統麥地坪組和筇竹寺組發育厚層優質烴源巖，烴源巖厚度介于300～450 m，是鄰區的3倍，有機碳平均含量大于2%，為鄰區的2倍，這兩套烴源巖累計生氣強度介于60×108～120×108m3/km2（圖3），為鄰區的4倍以上[18-19]。簡陽地區生烴強度介于40×108～80×108m3/km2，中江—三臺地區生烴強度介于80×108～120×108m3/km2，烴源條件優越。

川西地區中二疊統發育茅口組、棲霞組烴源巖。最新單井資料統計和野外剖面觀察表明，川西地區棲霞組泥灰巖厚度在10 m左右，向川中地區厚度減薄，川西北地區棲霞組有機碳含量較高，介于1.2%～1.7%。川西地區茅口組泥灰巖厚度介于80～120 m，由川西—川中—川東呈先減薄后增厚的趨勢，有機質豐度介于1.0%～1.6%。川西地區與火山巖疊合區中二疊統的兩套烴源巖生氣強度介于6×108～ 20×108m3/km2（圖 4）。

圖2 川西地區火山巖天然氣碳同位素值與相關氣藏及烴源層干酪根碳同位素值分布圖

2.2 儲層發育控制因素及分布

川西地區發育兩種主要巖性：火山碎屑巖與玄武巖，其儲層類型因巖性不同具有差異，控制儲層發育的因素也不同。

以周公山地區為代表的玄武巖儲層為孔隙—裂縫雙介質類型儲層，低孔隙度—中等滲透率特征[20]。ZG2井巖心基質孔隙度為2.2%，基質孔隙發育程度較差。盆地內溢流相玄武巖的發育與峨眉山大火成巖省有密切的成因聯系，溢流范圍廣、厚度大、下部巖漿房規模也較大，使已噴出的玄武巖經受持續高溫，緩慢冷卻因而結晶較充分，礦物晶體間孔隙不發育。同時氣體隨著溫度下降而逐漸揮發出來，來不及散逸的則聚集至噴發旋回上部，可形成較為富集的氣孔。因此溢流相火山巖上部為儲層發育較有利的部位。ZG2井巖心裂縫較發育，全直徑巖心分析垂向和水平滲透率分別為24.0 mD、22.6 mD。裂縫發育受構造和斷層的控制，是玄武巖基質孔隙聯通的必要條件。

簡陽—秋林地區發育的噴溢相火山碎屑熔巖則表現出快速冷凝的特征。快速冷卻使礦物結晶程度低，玻璃質含量較高，經歷脫玻化作用后形成大量彌散狀孔隙；儲層中發育大量后期蝕變礦物，如綠泥石、綠簾石、伊丁石等，認為后期受熱液蝕變和表生溶蝕作用使孔隙進一步溶蝕擴大，形成脫玻化溶蝕孔隙。簡陽地區噴溢相火山巖距離峨眉山大火成巖省噴發中心較遠，較川西南地區玄武巖規模較小，有可能為水下噴發，為其快速冷卻形成優質儲層創造了有利條件。

2.3 生、儲、蓋匹配

川西南周公山地區火山巖與中二疊統烴源形成下生上儲組合，火山巖上部發育上二疊統沙灣組砂泥巖及三疊系膏鹽層，生、儲、蓋組合較好。區域構造、斷裂較發育，對保存條件有較大影響。簡陽地區二疊系火山巖源、儲、蓋組合匹配良好，成藏條件好。火山巖下伏為德陽—安岳裂陷內筇竹寺組厚層優質烴源巖，斷層由燈影組斷至飛仙關組內部，有效溝通源巖和儲層，形成下生上儲的近源高效組合（圖5）。火山巖上覆上二疊統龍潭組泥巖厚度大，是良好的直接蓋層，三疊系厚層膏巖蓋層廣覆式分布，為優質區域蓋層。

圖3 四川盆地下寒武統筇竹寺組生烴強度圖

2.4 圈閉類型及含氣有利區分析

根據前人研究成果，周公山構造玄武巖氣藏受構造、斷層、裂縫、巖性控制，氣藏屬裂縫—孔隙型儲層塊狀底水氣藏[1-4]。成都—簡陽地區二疊系火山巖整體發育一個大型的構造—巖性（地層）復合圈閉。成都—簡陽二疊系火山巖位于現今向東南抬升的構造斜坡位置，不發育構造圈閉，永探1井已經獲得工業氣流，向高部位火山巖地層逐漸減薄，巖相可能變為溢流相，直至火山巖尖滅，圈閉東南部構造高部位由火山巖巖性變化及地層尖滅形成遮擋，是圈閉形成的關鍵控制因素（圖6），永探1井測試產純氣，不產地層水，測試段底界海拔約為－5210 m，初步證實成都—簡陽地區有利含氣區面積達1 300 km2，展現出巨大的勘探潛力；位于圈閉低部位的永勝1井測試氣水同產，推測區域氣水界面可能在永勝1井附近，整個區域火山巖的含氣有利區可能進一步擴展，勘探前景廣闊。

2.5 成藏條件評價

圖4 四川盆地中二疊統生烴強度圖

圖5 成都—簡陽地區永勝1井—永探1井連井地震剖面圖

成都—簡陽地區二疊系火山巖具有良好的成藏條件，烴源巖條件好，儲層發育，發育區域性蓋層和良好保存條件。火山巖下伏為德陽—安岳裂陷內下寒武統厚層烴源巖，有機質豐度高、厚度大。該套烴源巖生成的烴類向上沿龍泉山斷裂穿過滄浪鋪組后，直接進入火山巖儲層（圖5）。該區為火山機構主體位置，火山巖相為近火山噴發的噴溢相，巖性以火山碎屑熔巖為主，永探1井鉆井揭示的儲層以孔隙性儲層為主，孔隙度平均值高達10.26%。火山巖上部發育廣覆式的龍潭組泥巖和三疊系膏巖蓋層。生、儲、蓋條件好，斷層溝通烴源巖，有利于簡陽地區形成大面積的構造—巖性氣藏（圖5）。中江—三臺地區火山巖分布面積超4 000 km2，與簡陽地區具有相似的成藏條件，是下一步勘探集中突破的有利區。周公山—漢王場地區烴源和保存條件是制約勘探的關鍵問題，該區寒武系烴源巖不發育，主要為中二疊統烴源，烴源條件相對簡陽地區較差，該區斷裂發育，保存條件也較簡陽地區差。川西南—蜀南地玄武巖區下一步火山巖天然氣勘探方向應向東部擴展，找寒武系烴源發育、有較好保存條件的區域。

圖6 成都—簡陽地區火成巖構造—巖性復合圈閉氣藏剖面及含氣有利區預測圖

3 結論

1）簡陽地區永探1井二疊系火山碎屑巖氣藏天然氣來源以寒武系筇竹寺組為主。簡陽地區德陽—安岳裂陷內發育巨厚的寒武系優質烴源巖，為火山碎屑巖氣藏提供了充足的氣源。

2）簡陽地區永探1井噴溢相火山碎屑巖具有快速冷凝的特征，有利于形成脫玻化微孔，疊合后期蝕變和溶蝕作用，發育以脫玻化溶蝕微孔為主要儲集空間的孔隙型儲層。

3）簡陽地區火山碎屑巖儲層與寒武系烴源巖為下生上儲的近源高效源儲組合，上覆發育龍潭組泥巖和三疊系膏巖作為良好蓋層，封堵烴類向上運移，生、儲、蓋組合良好。烴源斷層有效溝通了源巖和儲層，發育構造—巖性復合圈閉，天然氣成藏條件優越、勘探潛力大。

4）中江—三臺地區火山巖分布面積超4 000 km2，與簡陽地區具有相似的成藏條件，是下一步勘探集中突破的有利區。川西南—蜀南地區玄武巖下一步天然氣勘探方向應向東部擴展，找寒武系烴源巖發育、有較好保存條件的區域。