四川盆地西部二疊系火山作用特征與天然氣勘探潛力

陸建林 左宗鑫 師 政 董 霞 吳清杰 宋曉波

1.中國石化石油勘探開發研究院無錫石油地質研究所 2.中國石化西南油氣分公司勘探開發研究院

0 引言

四川盆地位于揚子克拉通內偏西北一側，由于北東向、北西向交叉的深大斷裂影響，成為近菱形的構造—沉積盆地。處于揚子板塊、塔里木板塊、青藏高原、印度洋板塊等多個地體的交匯處，受板塊運動作用的影響較為強烈。四川盆地是一個在上揚子克拉通基礎上發展起來的疊合盆地，從加里東期以來受到了多期構造運動的影響。二疊紀的峨眉地裂運動在盆地西南部形成大規模玄武巖噴發，并向東逐漸減弱，在川東的華鎣山和達州地區可見玄武巖沿裂隙噴發[1-2]。四川盆地西南部有多口井鉆遇二疊系火山巖并獲得油氣發現，儲層以裂縫型及孔隙型玄武巖為主。

一直以來，四川盆地西部（以下簡稱川西地區）都被認為火山巖不發育，由此限制了對該類型氣藏的探索。2016年中國石化西南油氣分公司在川西地區部署的風險探井（YS1井）在上二疊統鉆揭厚約300 m的火山巖地層。巖心實驗分析儲層平均孔隙度為18%，其中火山角礫巖、凝灰質角礫巖物性最好；鉆井過程中該段氣顯示強烈，初步揭示了該領域在川西地區具有較好天然氣勘探前景，是一個值得探索的重要領域。為此，筆者從川西地區二疊系火山作用地質特征出發，利用巖石地球化學特征，結合巖性、巖相分析及地震資料解釋識別，提出了川西地區火山噴發機制及火山機構分布模式；分析了火山巖儲層特征、烴源條件和天然氣來源，提出了火山巖成藏模式，以期為該區火山巖氣藏勘探提供借鑒。

圖1 峨眉山大火成巖省構造格局和分布示意圖（據本文參考文獻[6、8]修編）

1 地質背景

四川盆地從加里東期以來受到了多期構造運動的影響，特別是我國西南地區的四川、貴州和云南等3省廣泛分布中—晚二疊世之交峨眉山超級地幔柱的活動產物——世界公認的大火成巖省[3-8]，對四川盆地二疊紀及后期的油氣成藏產生重要的影響。

峨眉山大火成巖省主體位于揚子克拉通西緣，跨越揚子克拉通、三江造山帶和華南克拉通等3個一級構造單元（圖1）。峨眉山大火成巖省發育巨厚且廣泛分布的基性火山巖，以玄武巖為主，玄武巖通常分為西、中、東等3大巖區，自西向東厚度呈減薄趨勢，西部最厚達5 000 m。作為世界上幾個主要大火成巖省之一，峨眉山玄武巖是被公認的地幔柱活動產物。

川西南地區橫跨中帶和外帶，具有火山巖發育背景。通常認為外帶火山巖發育程度低，但近期的勘探表明，外帶也可以發育較厚的火山巖，并具有一定油氣勘探潛力。四川盆地火山巖的勘探始于20世紀90年代初，隨著周公山構造上的ZG1井在二疊系峨眉山玄武巖中獲得工業氣流，拉開了四川盆地玄武巖儲層勘探天然氣的序幕。近年來，在多個地區鉆遇玄武巖儲層，例如雷音鋪構造的L2井鉆遇峨眉山玄武巖、漢王場構造的H1井鉆遇二疊系杏仁狀玄武巖等，顯示出外帶也具有較大的勘探潛力。

2 火山作用特征及形成機制

2.1 火山作用特征

自ZG1井鉆遇二疊系玄武巖（厚301.5 m）以來，川西南地區先后有多口井鉆遇二疊系火山巖，如H1井（厚225 m）、DS1井（厚141.5 m）、Y1井（厚39.5 m）[9-11]，自川西南地區向盆地內有逐漸減薄的趨勢（圖2）。2016年川西地區YS1井鉆遇峨眉山玄武巖段厚約300 m。

YS1井的鉆探表明，在峨眉山玄武巖外帶地區也有較厚的火山巖發育，且巖性、巖相特征與川西南地區有較大差異。川西南地區鉆遇的二疊系火山巖以玄武巖為主，包括少量的凝灰巖及角礫巖，巖相以溢流相為主，少部分為爆發相。而川西地區YS1井巖性以凝灰巖、玄武巖為主，夾部分火山巖角礫巖，巖相以爆發相為主，部分為溢流相。

巖性、巖相特征分析表明，YS1井火山巖可分為3個火山噴發旋回及一個侵入巖段，噴發類型為間隙式—淺海海底反復爆發式噴發。火山活動主要受龍泉山深斷裂控制，沿龍泉山斷裂發育了眾多二級斷層以及放射狀及網狀斷層，受主干斷裂及次級分支斷裂控制，形成了放射狀、枝狀（網狀）火山通道網絡，進而形成了大規模的火山口群，控制了火山巖的分布。地震剖面上識別的火山通道具有垂向雜亂反射特征，通道附近地層被切穿或錯斷，通道頂部具有火山巖堆積的丘狀反射特征（圖3）。

圖2 川西南地區二疊系火山巖連井對比剖面及YS1井火山旋回綜合柱狀圖

圖3 川西地區火山巖與火山通道特征圖

川西地區火山巖分布受不同的火山機構控制，火山巖由高地勢區向低地勢區流動，縱向疊置，橫向連片分布。火山口群之間主要以溢流相火山巖為主，近火山口溢流相和爆發相相互疊置（圖4）。由于鉆井揭示不多，以往認為川西地區位于峨眉山大火成巖省的外帶，火山活動較弱。YS1井的鉆探表明，在離地幔柱中心較遠的盆地內受深大斷裂控制而形成了差異噴發，也有較厚的火山巖發育。

圖4 川西坳陷東部斜坡火山機構分布模式圖

圖5 YS1井玄武巖Zr/Y—Zr圖版

圖6 YS1井玄武巖Zr—Y—Nb圖版

2.2 火山作用機制

國內外學者對峨眉山大火成巖省的成因開展了諸多研究，普遍認為是地幔熱柱的產物。存在諸多證據，包括火山噴發時限、沉積學證據、巖石地球化學證據等[2-7]。巖石微量元素證據是判別火山巖構造環境的常用手段之一[12]，國內外學者針對峨眉山玄武巖的地球化學特征開展開了相應研究[13-14]，均認為峨眉山玄武巖屬于地幔熱柱成因。

川西地區火山巖位于峨眉山大火成巖省的外帶，其噴發背景及動力學機制研究較少。利用YS1井火山巖鋯（Zr）、釔（Y）、鈮（Nb）微量元素特征對其噴發背景進行探討。YS1井玄武巖Y/Nb比值介于0.78～1.02，屬于拉斑及堿性玄武巖的過渡區。從Zr/Y—Zr的判別圖解來看（圖5），投點區域集中在板內玄武巖區，表明玄武巖屬于非板塊邊緣擴張環境的產物，即屬于板內環境產物。Zr—Y—Nb的判別圖解投點區域集中在板內鈣堿性玄武巖區（圖6）。火山巖微量元素圖解表明YS1井二疊系玄武巖產于板內環境，屬于鈣堿性玄武巖。

火山巖微量元素地球化學特征表明，YS1井火山巖產于板內環境，具有伸展型鈣堿性火山巖特征，誘發巖漿熔融的因素可能是地幔熱柱上拱導致的地殼伸展與減薄，其噴發背景與區域上峨眉山玄武巖類似，是中二疊世末期峨眉山地幔熱柱的產物。

3 火山巖儲層的基本特征

儲層是油氣成藏的關鍵要素之一，針對其進行的系統分析是研究油氣成藏的重要組成部分。相比于常規的碎屑巖和碳酸鹽巖儲層，火山巖在形成環境、成巖演化、儲集空間和物性特征等方面存在較大的差異性[15-22]。通過利用巖心觀察與描述、鑄體薄片鑒定、壓汞曲線分析等手段，對川西地區二疊系火山巖儲層的巖石學特征、儲集空間特征以及物性特征開展研究。

3.1 巖石學特征

火山巖儲層巖石類型為火山碎屑巖類，包括含集塊火山角礫巖、凝灰質熔結角礫巖和含角礫凝灰熔巖等，為火山爆發相的空落亞相和熱碎屑流亞相的產物。巖心樣品中的SiO2含量平均值為52.7%，依據硅—堿法對研究區火山巖進行化學分類，該區的火山巖為基性、中—基性巖類范疇。其主要礦物包括輝石、斜長石、石英和方解石等。黏土礦物含量較高，平均值超過15.0%，其多為輝石、基性斜長石等礦物蝕變而產生。

3.2 儲集空間特征

川西地區二疊系火山碎屑巖儲層的儲集空間類型十分復雜。儲集空間主要類型包括：原生孔隙、次生孔隙和裂縫等3類。原生孔隙主要包括熔凝團塊與角礫之間骨架孔隙以及熔結團塊中保存下來的氣孔（圖7-a）；次生孔隙主要為輝石、方解石等晶屑內發育的次生溶孔，多呈網格狀（圖7-b）；基質微孔主要為火山基質脫玻化產生的晶間孔等（圖7-c）；裂縫類型比較多樣，包括構造縫、冷凝縫和溶蝕擴大縫等。壓汞資料顯示，儲層最大孔喉半徑介于0.25～5.15 μm，平均值為3.15 μm；孔喉中值半徑多小于0.10 μm，平均值為0.07 μm；平均排驅壓力為0.69 MPa，少數可大于2 MPa；中值壓力介于5.9～18.9 MPa。總體上，儲層以細－微細孔喉為主，孔隙分選中等。

圖7 YS1井火山巖儲層儲集空間類型圖

3.3 儲層物性特征

對最好的火山巖儲層段的物性分析表明，儲層整體孔隙度較高，最小值為11.8%，最大值為25.5%，平均值為18.0%，孔隙度介于18%～20%的樣品數頻率最大，占34.1%（圖8-a）；儲層滲透率變化范圍較大，最小值為0.02 mD，最大值為21.20 mD，平均值為1.90 mD，滲透率介于0.1～0.2 mD的樣品數頻率最大，占33.3%，儲層滲透率的非均質較強（圖8-b）。

不同巖性的火山巖儲層中發育不同的儲 滲空間類型，其導致儲層物性具有差異性。其中，含集塊火山角礫巖的物性較好，孔隙度平均值為18.7%，滲透率平均值為2.1 mD，火山集塊、角礫之間的粒間孔隙為孔隙度、滲透率的主要貢獻者。凝灰質熔結角礫巖的孔隙度較高，孔隙度平均值為18.5%，但受熔結程度的影響，滲透率非均質性較強。而含角礫凝灰熔巖的儲層物性相對較差，孔隙度平均值為16.4%，滲透率平均值為0.2 mD。其他巖性的火山巖樣品物性較差，特別是下部旋回的玄武巖較致密。

圖8 YS1井火山巖儲層物性特征圖

4 火山巖氣藏的勘探潛力

4.1 烴源巖特征及油氣來源

四川盆地海相層系發育多套烴源層，古生界區域性的主力烴源層分別為下寒武統筇竹寺組、下志留統龍馬溪組和二疊系，具有分布廣、厚度較穩定、品質較優的特征；局地性的烴源層主要因沉積相帶變化形成，如下寒武統滄浪鋪組、上二疊統龍潭組等[23-26]。YS1井鉆至滄浪鋪組（未完），所鉆遇的烴源巖主要包括滄浪鋪組及二疊系烴源巖。滄浪鋪組烴源巖主要為泥質灰巖、粉砂質頁巖，中二疊統梁山組烴源巖主要為頁巖及煤層，中二疊統棲霞組及茅口組烴源巖主要為石灰巖，龍潭組烴源巖主要為泥巖夾煤層。

YS1井巖石熱解有機碳數據表明，滄浪鋪組烴源巖總有機碳含量（TOC）介于0.89%～5.24%，平均值為2.63%；龍潭組烴源巖TOC介于2.00%～5.43%，平均值為3.29%；茅口組烴源巖TOC介于0.11%～0.61%，平均值0.30%。從單井熱解數據來看，滄浪鋪組及龍潭組烴源巖有機質豐度較高，是較好的烴源巖。茅口組石灰巖部分TOC超過0.5%，也是有效的烴源巖。

YS1井在火山巖段測試過程中獲得一定量的天然氣，天然氣以烴類氣體為主，非烴氣體含量小于5%，在烴類氣體中甲烷含量超過99%，重烴氣體（C2+）

含量極低，均小于0.5%，干燥系數大于99，屬于典型的干氣。同位素特征是判定天然氣成因的重要參數之一[23,27]，主要反映母質類型的乙烷碳同位素特征表明（圖9），YS1井二疊系火山巖天然氣具有典型的油型氣特征，與川西地區陸相天然氣具有明顯的區別。甲烷—乙烷碳同位素特征類似于下寒武統龍王廟組天然氣，氣源可能主要來自下寒武統烴源巖，同時乙烷碳同位素特征接近茅口組及長興組天然氣，表明二疊系烴源巖可能也有貢獻。

圖9 川西地區天然氣甲烷和乙烷碳同位素值分布特征圖

4.2 天然氣成藏組合

川西地區二疊系火山巖下發育多套烴源巖層系，源儲關系主要為下生上儲，斷層可能是油氣主要的運移通道。如川西坳陷東部知新場地區，二疊系及寒武系之間發育較多的垂向斷層（圖10），部分垂向深斷層可能是早期的巖漿通道，后期也可作為油氣的運移通道。數量眾多的垂向斷層溝通了火山巖與下伏的寒武系及二疊系烴源巖，火山巖地層具備較有利的油氣運移條件。

圖10 川西坳陷東部知新場地區二疊系火山巖成藏模式圖

從蓋層情況來看，川西地區火山巖的封蓋條件較好，發育兩類蓋層。其中龍潭組為一套分布穩定的泥質巖，可起到有效的封蓋作用。YS1井實際鉆遇龍潭組69.5 m，巖性主要為深灰色灰、黑色泥質灰巖、泥巖、鋁土質泥巖；此外，火山巖段內部發育的致密夾層，也可以作為有效的蓋層。

源儲關系分析表明，二疊系火山巖成藏組合主要為下生上儲型。下寒武統及中二疊統烴源巖生成的烴類由斷裂溝通，垂向運移至火山巖儲層中，形成了下生上儲的組合關系（圖10）。

4.3 天然氣勘探潛力

中二疊世末期的峨眉地裂運動，形成了在云貴川地區大面積分布的峨眉山玄武巖，在四川盆地內部，受深斷裂控制火山活動也較強烈，火山巖也有規模分布。川西地區爆發相、溢流相火山巖均有發育，鉆井揭示火山巖儲層物性好，具備形成大規模優質火山巖儲層的條件。盆地內部烴源條件好，溝通烴源的斷層發育，疏導條件較好，可形成有利的天然氣成藏組合。因此，川西地區二疊系火山巖具備良好的天然氣勘探潛力。

5 結論

1）川西地區二疊系火山巖發育，與峨眉山玄武巖具有一致的構造環境，是峨眉山地幔熱柱的產物。與深大斷裂相關的斷裂體系形成了放射狀、枝狀及網狀火山通道，控制了川西地區火山巖的分布。

2）川西地區火山巖受垂向斷裂控制，發育多個火山機構，火山噴發發育3個旋回和一個侵入巖段，為間隙式噴發—淺海海底反復爆發式噴發。火山巖縱向疊置，橫向連片分布。

3）火山巖巖性以凝灰巖、玄武巖，部分火山角礫巖為主。巖石結構組成復雜，形態變化多樣。發育爆發相、溢流相、侵入相等多種相態類型。部分層段火山巖儲層發育、物性好，儲集空間類型以熔凝團塊與角礫之間骨架孔隙、溶蝕孔隙及基質微孔隙為主。

4）圍繞火山巖層段發育多套有效烴源巖，與火山巖層段形成有效的油氣成藏組合，具有較好的天然氣勘探前景，是值得探索的重要領域。