川西地區二疊系火山碎屑巖規模儲層發育主控因素與天然氣勘探潛力

謝繼容 李 亞 楊躍明 張本健 劉 冉,3 何青林 王 尉 王宇峰

1.中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院 2.中國石油西南油氣田公司3.中國石油大學（北京）地球科學院 4. 中國石油西南油氣田公司川西北氣礦

0 引言

火山巖油氣藏1887 年首次發現于美國加利福尼亞州圣華金盆地，但規模較小[1]，直至1997 年才在阿根廷油氣產能最高的Neuquen 盆地首次發現大規模火山巖油氣藏。此后，隨著火山巖油氣勘探理論與技術的不斷提升，火山巖油氣藏勘探在世界范圍內不斷取得突破。至21 世紀初，全球已發現火山巖油氣藏或有油氣顯示300 余處，其中169 處油氣藏儲量已探明[1-3]。由此，火山巖油氣藏作為一類重要的油氣資源類型受到國內外學者的重點關注，成為當前研究領域的熱點與重點。我國火山巖油氣藏勘探發展軌跡與國際基本相似，1957 年在準噶爾盆地西北緣首次獲得工業氣流。此后，從2002 年至今在松遼、渤海灣以及準噶爾等盆地相繼獲得火山巖油氣勘探的重大突破[1-4]。截至2019 年底，我國火山巖領域已探明石油地質儲量達6.0×108t，探明天然氣地質儲量達到5 800×108m3。上述火山巖油氣勘探進展展示出該領域廣闊的勘探前景，目前已成為全球油氣勘探開發的重要領域之一。

四川盆地火山巖油氣勘探始于1966 年，前期探井鉆遇的二疊系火山巖均為致密玄武巖和沉凝灰巖，其中1992 年ZG1 井鉆揭厚逾300 m 玄武巖，測試獲25.61×104m3/d 工業氣流[5]，分析為裂縫性氣藏。勘探實踐表明，四川盆地及其周緣二疊系雖發育厚層峨眉山大火成巖省溢流形成的玄武巖，野外可觀察到一定規模的爆發相火山巖發育，具備儲層條件，但受當時勘探水平的限制，無法有效刻畫該盆地內火山巖巖相及儲層展布，導致長期未能取得實質性突破。

直至2018 年12 月，川西地區YT1 井鉆揭123 m 厚的二疊系火山碎屑巖孔隙型儲層，測試獲22.5×104m3/d 工業氣流[6]，首次發現爆發相火山巖氣藏；2019 年TF2 井又鉆揭79 m 厚的二疊系火山碎屑巖孔隙型儲層，測試獲氣4.69×104m3/d。基性火山碎屑巖氣藏的發現在國內尚屬首次，實現了四川盆地火山巖天然氣勘探的重大突破，展現了火山碎屑巖領域良好的勘探前景，但同時也說明對該盆地內火山巖的認識還不清楚，對其儲層主控因素和分布規律還需要深入研究和分析。鑒于此，本次研究結合地質、地球物理以及地球化學等多種手段，重點對當前勘探熱點川西地區二疊系火山巖儲層及其主控因素進行系統研究，以明確儲層分布規律與規模，評估川西地區火山巖氣藏的勘探潛力，以期為該盆地火山巖氣藏的勘探提供理論和技術支撐。

1 區域地質概況

四川盆地位于上揚地臺偏西北一側，歷經多期構造運動后形成準平原化基底[7-8]。中二疊世末期云南、貴州及四川地區發生大規模火山噴發事件[9]，形成巨厚的超基性—基性火山巖建造，稱為“峨眉山玄武巖”，是國內唯一被國際學術界認可的大火成巖省[10]。峨眉山大火成巖省分布以大理—米易為中心，呈環帶狀減薄，可劃分為內帶、中帶、外帶[11]（圖1）。內帶巖性較為復雜，具多個噴發旋回特征，旋回底部為厚度變化大的基性火山角礫巖或集塊巖，中部為韻律式變化的玄武巖熔巖流，頂部見較多凝灰巖或沉積巖夾層，形成強烈爆發—寧靜溢流—間歇性噴溢的活動程序[13]。而中帶、外帶巖性較為單一，以高鈦玄武巖為主，主要呈深灰色，為致密狀、斑狀、杏仁狀構造；中部或底部夾玄武質火山角礫巖或凝灰質砂巖[14]。峨眉山玄武巖不整合于中二疊統茅口組石灰巖之上，與上覆上二疊統宣威組呈平行不整合接觸。

圖1 峨眉山玄武巖地質分布圖

四川盆地處于峨眉山大火成巖省的中帶邊緣及外帶，其周緣及內部多有火山巖的分布[12-15]（圖1）。前人研究認為，峨眉山龍門洞剖面、中坪剖面等野外剖面也可識別出爆發相火山角礫巖—溢流相玄武巖—間歇期凝灰巖的組合旋回[16]。

2 巖性特征

2.1 地球化學特征

2.1.1 主量元素

根據元素分析結果[17]，川西地區二疊系火山巖SiO2含量介于35%～52%，平均值為45.5%；以K2O 和Na2O 為主的堿質含量高，含量在4.3%～8.3%之間，平均值為6.1%，主要發育偏堿性的基性—超基性火山巖（圖2），與峨眉山大火成巖省元素組成具有相似的特征[18-19]，表明川西二疊系火山巖與峨眉山大火成巖省屬于同源。

2.1.2 微量元素

根據Zr—Zr/Y 構造環境判別圖版（圖3-a）分析可知，川西地區鉆井取心樣品火山巖中鋯元素的含量較高，與峨眉山大火成巖省東部野外剖面樣品分布范圍一致，均為板塊內部噴發玄武巖；而根據Th/Hf—Ta/Hf 構造環境判別圖版（圖3-b），川西地區火山巖屬于陸內裂谷、陸緣裂谷拉斑玄武巖以及陸內裂谷堿性玄武巖。綜上分析認為川西地區火山巖噴發環境與峨眉山大火成巖省的攀西裂谷噴發環境相近，整體為大陸板塊內部的裂谷噴發，川西地區火山巖屬于峨眉大火成巖省的一部分[20-21]。

圖2 四川盆地及周緣二疊系火山巖TAS 圖版

圖3 川西地區火山巖構造環境判別圖解

2.2 巖性特征及儲集性能

2.2.1 巖性特征

廣義的火山碎屑巖可按碎屑含量及成分劃分為火山碎屑熔巖類、正常火山碎屑巖類及火山—沉積碎屑巖類，碎屑按粒徑可分為集塊（大于64 mm）、角礫（介于2 ～64 mm）和凝灰（小于2 mm），盆地內火山碎屑以角礫和凝灰為主，少見集塊。沉積—火山碎屑巖類以沉凝灰巖及凝灰質泥巖為主。

實鉆井成果表明，川西地區二疊系火山巖儲層巖石類型以爆發相火山巖為主，包括火山碎屑熔巖及正常火山碎屑巖。火山碎屑熔巖碎屑含量介于10%～75%、熔漿膠結，碎屑粒徑以凝灰及角礫為主，成分一般與膠結物熔巖相同或相近，同時也可見少量玄武巖巖屑、漿屑或玻璃質。巖屑多呈棱角狀，形態不規則（圖4-a），普遍綠泥石化、碳酸鹽交代；漿屑則多為拉長狀或雞骨狀。火山碎屑熔巖常具有似流動構造，是塑性火山碎屑熔巖在流動冷凝過程中形成自碎角礫或塑性火山碎屑變形而成。

火山碎屑巖類碎屑含量大于75%，為巖屑、玻屑、晶屑及玻璃質等火山碎屑物質堆積熔結或壓實固結而成（圖4-b）。巖屑成分除玄武巖之外，還見大量石灰巖碎屑，為亮晶或泥晶生屑灰巖，可見典型茅口組米其藻及希瓦格?（圖4-c），通常重結晶作用較強而致原生結構被破壞；石灰巖碎屑多呈棱角—次棱角狀，分選較差，2 ～60 mm 不等，巖心中可見較明顯的石灰巖碎屑，具有下部大，向上逐漸減小的正粒序特征。研究區火山碎屑巖綠泥石充填作用強烈，且見碳酸鹽巖交代作用。

圖4 川西地區火山碎屑巖儲層及儲集空間特征照片

2.2.2 儲集物性

川西地區二疊系火山碎屑巖儲層整體物性屬于高孔隙度、低滲透率儲層。根據YT1 井火山碎屑熔巖段7 個巖心全直徑樣品分析，孔隙度介于6.68%～16.48%，平均值為10.26%；23 個柱塞樣孔隙度介于8.66%～16.85%，平均值為13.71%（圖5-a）；全直徑水平滲透率介于0.518 ～4.430 mD，平均值為2.350 mD，柱塞樣滲透率介于0.031 6 ～0.180 0 mD，平均值為1.850 0 mD（圖5-b），孔隙度與滲透率之間存在較強的正相關關系，相關系數達到0.77（圖5-c）。根據TF2 井的火山碎屑巖段24 個巖心全直徑樣品分析，孔隙度介于4.23%～23.12%，平均值為15.24%；38 個柱塞樣樣品，孔隙度介于0.78%～26.87%，平均值為15.12%（圖5-a）；38 個柱塞樣樣品，滲透率介于0.008 1 ～1.040 0 mD，平均滲透率0.170 0 mD（圖5-b），孔隙度與滲透率相關系數達到0.89（圖5-c），為基質孔隙發育的孔隙型儲層。

圖5 川西地區二疊系火山碎屑巖物性分布圖

2.3 儲集空間特征

2.3.1 儲集空間特征

川西地區二疊系火山巖儲層的儲集空間主要為各種次生孔隙和裂縫，原生氣孔經歷火山巖后期熱液、地表水和埋藏過程中盆地流體等因素的影響，大部分已被充填，形成杏仁構造，失去對油氣的儲集能力。

次生孔隙的主要類型包括脫玻化晶間微孔（圖4-d、e）、角礫間溶蝕孔、基質溶蝕孔、蝕變礦物溶孔等。其中脫玻化晶間微孔為火山碎屑巖噴出地表后，巖漿迅速冷卻來不及結晶，形成大量火山玻璃，后續降溫過程中火山玻璃脫玻化形成礦物微晶時，體積縮小，所形成大量彌散狀的微孔隙[22]。另外脫玻化作用生成的長石在酸性流體作用下會發生溶解。這些與脫玻化作用相關的孔隙統稱為脫玻化孔隙。角礫間溶蝕孔指粒間孔次生礦物充填后，經風化淋濾作用或流體溶蝕被再次溶解形成。基質溶蝕孔為火山巖基質的溶蝕常發生于基質蝕變、脫玻化及凝灰重結晶的部位，具有孔徑小、成群分布的特點。蝕變礦物溶孔為簾石化、碳酸鹽化、黏土化等作用，蝕變礦物相對易溶，其經過淋濾和溶蝕可形成溶蝕孔，如綠泥石晶間溶孔等（圖4-f）。

2.3.2 孔喉結構特征

巖心柱塞樣液體飽和法實測孔隙度為19.27%的樣品，經CT 掃描分析結果可見，基質孔隙發育且連通范圍廣（圖6），測試分析表明火山碎屑巖儲層雖然具有一定的非均質性，但儲集空間發育段其孔隙分布面積大、連通性好。壓汞分析結果表明，火山碎屑巖儲層孔隙結構普遍分選較好[16]，但孔喉半徑小，最大孔喉孔隙半徑僅為0.4 ～0.7 μm，壓汞曲線呈中細歪度。因此，連通性好的微孔隙是火山碎屑巖最主要的儲集空間類型。

圖6 TF2 井巖心柱塞樣CT 掃描分析圖

2.4 儲層縱橫向展布

火山巖巖性橫向變化快，在四川盆地不同地區巖性呈現較大差異[17]。川西成都—簡陽地區火山巖類展布較為穩定，具有橫向可對比性，整體上發育火山碎屑巖類、火山熔巖及侵入巖，總厚度一般介于120 ～300 m（圖7-a），總體呈現出內部厚、邊緣薄的特征。本區火山巖儲層主要為火山碎屑熔巖及火山巖碎屑巖，縱向上發育在火山巖段中上部（圖7-b），火山碎屑熔巖段厚度一般介于39 ～45 m，其下發育50 ～100 m 厚的含灰巖碎屑的火山碎屑巖，僅局部井區火山碎屑熔巖段不發育。

3 儲層發育主控因素

3.1 斷裂控制爆發相火山巖發育

圖7 川西地區火山巖縱橫向展布特征圖

重力水平總梯度異常資料顯示，川西簡陽地區發育北東、北西兩組基底斷裂，并且在斷裂交匯處剩余磁力正異常高，形態呈圓形[23]。通常磁力高異常區指示了近火山口相的主要分布位置，而本區磁力異常高區與爆發相火山巖發育區具有高度重合性，因此認為簡陽爆發相火山碎屑巖發育區屬近火口區，總體受基底斷裂交匯中心的控制。而成都—簡陽以南地區一般只發育一組北東向展布的斷裂，沿斷裂有線性分布的磁力異常高值，指示了沿斷裂形成裂隙式噴發，因此爆發相火山碎屑巖儲層不發育。

3.2 噴發旋回控制儲層的縱向分布

通過川南地區二疊系野外火山巖剖面觀測，單個噴發旋回通常以爆發相火山角礫熔巖開始（高能量），平均孔隙度達5%以上。向上逐漸轉為溢流相致密玄武巖（低能量），頂部通常發育氣孔、杏仁狀玄武巖，向上氣孔逐漸變多變大，由于氣孔充填作用影響，玄武巖平均孔隙度僅為2.21%。總之，火山角礫熔巖物性條件較玄武巖好，尤其頂部遭受風化的爆發相火山角礫熔巖，其平均孔隙度可達8.24%。

根據盆地內及周緣不同類型火山巖疊置及空間展布，分析認為川西地區發育多期火山活動[23]：第一期為近火山口的爆發相火山碎屑巖，厚度可達140 m，巖心可見茅口組灰巖角礫，為火山噴發初期能量強，將通道內茅口組石灰巖角礫帶出，同時形成大量漿屑、玻屑等火山碎屑，極易發生脫玻化作用形成微孔隙。第二期為火山碎屑熔巖—氣孔（杏仁）玄武巖旋回，火山巖中角礫大小、含量相比第一期有所降低且不見石灰巖角礫，以漿屑、玻屑及火山巖巖屑為主；向上能量減弱，轉為溢流相玄武巖，且頂部發育氣孔（杏仁）玄武巖，整體厚度為40 ～75 m 不等，局部地區本次噴發旋回不發育。前兩期噴發旋回形成的火山碎屑巖，為形成孔隙型儲層的最有利巖石類型。第三期為粒玄巖，厚度可達120 m，礦物結晶程度明顯高于頂部隱晶玄武巖，分析認為其為火山活動后期熔漿能量減弱，無法突破上覆已噴發的火山碎屑巖層，而沿著火山碎屑巖與茅口組的接觸薄弱面溢流形成；而最晚期侵入深度相對較大，結晶相對較為完全，形成致密的輝綠玢巖。由于玄武巖、粒玄巖及輝綠玢巖基質孔隙度低，無法形成優質儲層。因此，噴發旋回控制爆發相火山巖儲層的形成，儲集物性條件優越的爆發相火山碎屑巖一般發育在火山旋回早期，控制了有利儲層的縱向分布。

3.3 火山機構控制有利爆發相平面展布

通過三維地震可視化雕刻技術，對川西地區火山機構進行刻畫（圖8）。成都—簡陽地區火山口、火山錐和熔巖流等火山地貌容易識別且空間發育規模較大，反映出川西地區火山活動劇烈，為大規模發育爆發相的火山碎屑巖儲層提供了地質背景。對比不同地區火山巖儲層厚度，YT1 井區距離火山噴發中心最近，爆發相火山碎屑巖層厚度最大、旋回最完全；而TF2 井區距離火山噴發中心相對稍遠，火山碎屑巖儲層發育厚度相對小且旋回相對不完整，缺失第二期次的火山巖；ZJ2 井、ST1 井距離噴發中心最遠，因此火山巖厚度小、旋回發育不完全，難以形成有利儲層。因此火山機構位置、火山作用強度及噴發期次共同控制了火山巖相的發育，從而控制了火山巖儲層的平面及縱向展布。

圖8 簡陽地區火山機構與火山巖厚度分布圖

3.4 巖性及成巖改造控制儲層孔隙發育

火山碎屑巖原始儲集空間發育，在埋藏演化過程中，伴隨不同類型成巖作用的發生，對儲層的儲集空間及發育程度進行改造。膠結作用和溶蝕作用是對儲層儲集物性影響最大的兩類成巖作用，膠結作用主要導致儲層儲集空間的減少，物性降低；而溶蝕作用則相反，能夠增加儲層儲集空間，使得儲層物性變好。膠結作用與溶蝕作用的發育程度是控制儲層現今物性差異分布的主要原因[24]。本區膠結作用以碳酸鹽膠結作用為主，為飽和碳酸鈣流體沿優勢運移通道流動沉淀的產物，因而其多充填較大的原始孔隙，特別是在不同噴發旋回的分界面附近，導致流體活動活躍，易造成大量碳酸鹽沉積。溶蝕作用主要受大氣淡水和酸性孔隙流體發育程度控制，多為沿著斷層運轉至儲層的酸性流體與易溶礦物如長石等發生水巖作用形成，因而，斷裂附近是溶蝕作用最為發育的位置。綜上所述，在膠結作用和溶蝕作用的雙重控制下，斷裂發育地區的單次噴發旋回中部是優質儲層發育的主要位置。

4 川西火山巖氣藏的勘探潛力

4.1 烴源巖特征與油氣來源

川西地區二疊系基性—超基性火山巖下伏發育多套烴源巖層，為油氣大規模的生成提供了條件。天然氣碳同位素特征是判定天然氣成因的重要參數之一，通過對TF2 井和YT1 井天然氣碳同位素分析可知，甲烷的δ13C1分布區間為－32.11‰～－2.87‰，而乙烷的δ13C2分布區間為－33.61‰～－35.25‰（圖9），為典型的油型氣來源特征，且甲烷、乙烷的碳同位素值與下寒武統烴源巖的碳同位素值相近，表明火山巖氣藏主要來源于筇竹寺組烴源巖。與此同時，甲烷和乙烷的碳同位素特征與下寒武統龍王廟組天然氣相似，而龍王廟組氣藏主要由筇竹寺組供烴，從而進一步佐證了天然氣來自筇竹寺組烴源巖。

四川盆地下寒武統烴源巖沉積中心發育在德陽—安岳臺內裂陷內部，該裂陷形成于震旦紀燈影組沉積時期，受區域拉張的控制，呈近南北向展布，南北長320 km，東西寬50 ～300 km[25-28]。槽內下寒武統烴源巖以麥地坪組和筇竹寺組泥質巖為主，對燈影組沉積期裂陷填平補齊，地層厚度大。裂陷內麥地坪組和筇竹寺組主要黑色泥頁巖，厚度普遍可達300 ～450 m，有機碳平均含量大于2%，兩套烴源巖累計生氣強度高達（100 ～180）×108m3/km2，生烴潛力巨大。受志留紀末期加里東運動影響，川西地區下古生界受到強烈剝蝕，二疊系直接與下寒武統滄浪鋪組呈不整合接觸，且成都—簡陽地區的火山巖位于德陽—安岳裂陷之上。因此火山巖氣藏具有近源充注的優勢。與此同時，二疊系火山巖與筇竹寺組之間發育多條垂向斷層，高角度斷裂的發育為油氣大規模運聚提供了有利通道。由此可見，裂陷內的厚層優質烴源巖為成都—簡陽地區火山巖提供了充足的氣源基礎。

圖9 四川盆地部分地區碳同位素分布圖

4.2 火山巖儲層有利區

川西地震刻畫結果顯示，三維區內火山機構特征清晰，發育火山口、火山錐、熔巖流等火山地貌，可識別出中心式、多點式及裂隙式3 種火山口類型。簡陽地區主要以沿斷裂的多點式噴發和中心式噴發為主，爆發相儲層集中發育，實鉆井鉆遇爆發相儲層厚度一般介于80 ～160 m，測井解釋孔隙度為13.2%～22.82%，儲層有效厚度介于35 ～110 m，地震預測有利區面積達1 750 km2（圖10），具有較大規模。中江—三臺地區以裂隙式噴發為主的溢流相集中發育區，表現為火山巖厚度總體厚度減薄，爆發相儲層欠發育，一般僅厚10 m 左右，以溢流相致密玄武巖為主。此外，川西南—蜀南地區雖然鉆井多鉆遇厚層狀玄武巖，但新地震、非地震資料及野外露頭剖面觀測結果均顯示該地區也有一定規模的爆發相火山碎屑巖分布，其儲層分布及發育規律值得下一步深入研究。

圖10 YT1 井三維區爆發相火山巖儲層分布預測圖

4.3 天然氣勘探潛力

如前所述，盆地內火山碎屑巖優質儲層主要發育在火山活動早期形成的爆發相中，縱向上位于厚層火山巖層的中上部。下伏筇竹寺組烴源巖大規模生排烴后，油氣可沿高角度斷裂直接進入上覆的火山巖儲層中。地震刻畫結果顯示，成都—簡陽地區爆發相火山巖特征清晰，且具有沿斷裂多點式噴發特征，展布面積大，在大規模油氣運聚的條件下，該區火山巖的天然氣資源豐度可達19.35×108m3/km2。同時在上覆龍潭組優質蓋層和下伏厚層粒玄巖及輝綠玢巖的封堵作用下，現今YT1 井實測地層壓力系數高達2.22，遠高于我國其他地區火山巖油氣藏的壓力系數，充分證實了該區良好的封蓋條件，同時也為油氣大規模聚集提供了保證。綜上所述，“源儲緊鄰—斷層輸導—頂底封堵”的成藏模式，為天然氣在火山巖儲層的規模成藏提供了有利的地質條件。因此，川西地區二疊系火山巖未來具備良好的天然氣勘探潛力，是四川盆地天然氣規模勘探和效益開發的重要對象之一。

5 結論

1）四川盆地二疊系基性火山碎屑巖與峨眉山大火成巖省同源，同屬板塊內部噴發。爆發相的火山碎屑巖為川西地區有利儲層的巖石類型，儲集空間以脫玻化溶蝕微孔、溶蝕孔為主，孔隙半徑整體較小，分選較好。

2）研究區兩組近垂直的基底斷裂控制了火山作用中心，火山噴發旋回控制了儲層的縱向分布，最有利的火山碎屑巖為火山作用早期形成；火山機構控制有利相帶的平面展布，靠近火山噴發中心的區帶，有利于形成發育爆發相的火山碎屑巖儲層。

3）火山巖天然氣主要來自于筇竹寺組烴源巖，空間上發育的多條高角度斷裂為油氣運聚提供了通道，上覆龍潭組提供了優質蓋層，為火山巖天然氣大規模運聚提供了有利的油氣成藏組合。