松遼盆地鶯山-雙城斷陷白堊系致密火山巖天然氣成藏條件及主控因素

杜長鵬

（中國石油大慶油田公司勘探開發研究院，黑龍江大慶 163712）

0 引言

致密氣是一類賦存在致密砂巖、碳酸鹽巖和火山巖等低孔低滲儲層中的非常規天然氣，美國聯邦能源管理委員會將賦存于原始滲透率小于1 mD 的致密儲層內的天然氣定義為致密氣［1］。自1921 年美國首次在阿巴拉契亞盆地白堊系致密砂巖中發現致密氣以來，已在全球七十余個盆地發現工業性致密氣藏，資源量為（600～3 000）×1012m3，是常規天然氣資源量的1～5 倍［2］。2019 年美國致密氣產量為1 707.6×108m3，占天然氣產量的17.8%，揭示了致密氣巨大的資源前景［3］。我國也將孔隙度小于10%、地面滲透率小于1 mD、孔喉半徑小于1 μm的儲層定義為致密儲層［4］，并在四川、鄂爾多斯和松遼等十余個盆地發現了致密氣，估算遠景資源量為（12～100）×1012m3［5］。松遼盆地是我國重要的含油氣盆地和致密氣產區，但盆地內不同層系的探明程度極不均衡，長期以來油氣勘探集中在坳陷期的中淺層，忽視了盆地深層巨大的致密氣資源潛力［6］。近年來，隨著徐家圍子斷陷、長嶺斷陷、英臺斷陷的營城組、沙河子組致密氣的大規模開發，盆地深層致密氣逐漸成為大慶油田非常規油氣勘探的重點領域［7］。鶯山-雙城斷陷是盆地北部規模較大的外圍斷陷，也是深層致密氣勘探的重點區域［8］。早在1980 年已在坳陷期的扶余油層內發現了三站、五站、澇州等5 個次生氣藏，但目前深層天然氣勘探仍處于探索階段。2013 年，松遼盆地鶯深1、鶯深4和鶯深6 等多口探井相繼在營城組火山巖中發現致密氣，揭開了盆地內深層致密氣勘探的序幕，但鶯深3、鶯深5 和雙深10 等井區以營一段火山巖為目標的致密氣勘探失利，表明鶯山-雙城斷陷深層致密氣成藏規律復雜。以往學者們對鶯山-雙城斷陷的研究集中在斷陷結構［9］、火山噴發期次［10］和火山巖儲層［11］等方面，對深層致密儲層的成藏條件和主控因素缺乏系統研究。隨著油氣勘探深度的增大，在深埋條件下仍保持較高孔隙度的火山巖成為盆地深層油氣勘探的重要目標［12］。火山巖由于自身無生烴能力，氣藏形成受烴源巖供給和運移通道的聯合制約，同時，多期次的構造活動導致氣藏調整、改造，因此成藏規律復雜，不同地區的火山巖氣藏表現出不同的成藏規律［13］。

鶯山-雙城地區構造活動復雜，多期構造事件疊加導致各次級斷陷斷裂活動差異明顯，造成各次級斷陷成藏條件不同，影響了斷陷內火山巖氣藏的類型和規模。基于對鶯山-雙城斷陷構造特征和火山巖巖性、巖相、烴源巖和運移通道等成藏條件的分析，明確致密火山巖成藏期次及成藏主控因素，以期為鶯山-雙城斷陷營一段致密火山巖天然氣勘探方向優選提供地質依據。

1 地質概況

鶯山-雙城斷陷位于松遼盆地東部深層斷陷帶，是一個由四站斷裂、朝陽斷裂、臨江斷裂和太平莊斷裂夾持的近南北向的箕狀斷陷［14］，對青山凸起將其分隔為鶯山斷陷、雙城斷陷等2 個次級斷陷（圖1）。研究區自下而上發育斷陷期的火石嶺組（K1hs）、沙河子組（K1sh）、營城組（K1yc）、登婁庫組（K1d）和坳陷期的泉頭組（K1q）、青山口組（K2qn）、姚家組（K2y）、嫩江組（K2n）和明水組（K2m）。縱向上含油層系多，已在坳陷期的泉頭組、青山口組發現工業油藏，近年來又在營一段火山巖中陸續發現多個致密氣藏，證實了本區深層巨大的致密氣資源前景。

圖1 松遼盆地鶯山-雙城斷陷構造位置（a）及斷陷期巖性地層綜合柱狀圖（b）Fig.1 Location（a）and stratigraphic column during fault depression period（b）of Yingshan-Shuangcheng fault depression in Songliao Basin

火石嶺組上部巖性以厚層中基性英安巖夾粗砂巖、泥巖為主，下部為暗色泥巖、粗砂巖和砂巖互層，夾凝灰巖；沙河子組主要發育灰黑色泥巖夾薄層粗砂巖及砂泥巖互層夾煤層；營城組上部發育中厚層粗砂巖夾泥巖、粉砂巖，下部為中厚層流紋巖和火山碎屑巖；登婁庫組上段發育紫紅色泥巖夾中薄層砂巖，中間發育砂巖與泥巖的不等厚互層，底部發育中厚層粗砂巖；泉頭組巖性以暗色泥巖和砂巖為主。

2 構造演化與成藏期次

2.1 構造演化階段及特征

鶯山-雙城斷陷是松遼盆地深層斷陷群中的一個次級斷陷，其形成受盆地構造演化影響，可劃分為斷陷、坳陷和反轉等3 個演化階段［15］。區域構造背景和應力場變化分析表明，鶯山-雙城斷陷經歷了3 期伸展和3 期擠壓作用的疊加。本次研究通過對12 條格架剖面精細解釋和構造力學形變分析，將斷陷形成細分為初始斷陷（K1hs）、強烈斷陷（K1sh1）、抬升剝蝕（K1sh2）、斷陷萎縮（K1yc1）、斷坳轉換（K1yc4—K1d）、穩定坳陷（K1q—K2qn）、擠壓反轉（K2n—K2m）等7 個演化階段（圖2）。不同階段構造控制的沙河子組、營城組沉積中心規律性遷移和地層差異性疊加，是造成現今致密火山巖氣藏差異分布的重要因素。

圖2 松遼盆地鶯山-雙城斷陷構造演化剖面Fig.2 Tectonic evolution of Yingshan-Shuangcheng fault depression，Songliao Basin

鶯山-雙城斷陷的各演化階段的構造活動詳情如下：①火石嶺組沉積期為初始斷陷期，斷陷受東西向拉張作用影響，基底斷層開始活動并形成大量火山巖，為火山巖臺地沉積。利用GEOSEC 平衡剖面法對12 條構造剖面進行模擬恢復，計算各條剖面在不同時期的伸展量和擠壓量。火石嶺組沉積時的伸展量平均為3.3 km，地層分布受古地貌影響明顯，具填平補齊特征。②沙一段沉積期，斷陷東西向拉張應力增強，伸展速率加快，伸展量平均為4.5 km。控陷斷裂活動增強并控制斷陷的發育和地層展布，沉積和沉降中心均位于斷裂活動最強的斷陷北部。③沙二段沉積期，隨應力場變化，近東西向擠壓作用使控陷斷裂反轉，形成新的逆斷層，擠壓量約為1.6 km，造成沙河子組地層抬升、頂部削截。④營一段沉積時期，隨盆地拉張沉降先存的基底斷裂再次活動，控制火山噴發和地層展布，形成熔巖盆地，但各基底斷裂活動強度存在差異，導致營一段沉積時沉積中心向南遷移，沙河子組地層呈北厚南薄趨勢，營城組則呈現南厚北薄的展布特征。⑤營四段沉積期，在近東西向擠壓應力作用下地層再次抬升并形成一系列褶皺變形，斷陷中部隆起及邊緣區遭受不同程度剝蝕，剝蝕強度自東向西逐漸減弱，此時斷陷內無明顯沉積中心，以填平補齊為主。⑥泉頭組沉積期，穩定的拉張應力使研究區進入大面積穩定沉降的坳陷期，伸展量平均為8.1 km，發育大規模湖泊—三角洲沉積，地層厚度穩定，覆蓋全區。⑦嫩江組沉積末期—明水組沉積末期，北北西—南南東向的區域擠壓作用使早期斷層發生構造反轉，深部地層也隨之褶皺變形，東部地層強烈抬升剝蝕，在嫩江組頂形成區域性不整合面。鶯山-雙城斷陷深層構造格局在3 期伸展建造、3 期擠壓改造的基礎上，疊加晚期反轉改造并最終定型，形成現今西深東淺、凹隆相間的構造格局。

2.2 致密火山巖天然氣成藏期次與時間

研究區內3 口井16 個包裹體的觀察結果顯示，營一段火山巖以次生包裹體為主，分布于切穿石英成巖期后的微裂隙、石英膠結物和方解石膠結物中，均一溫度為149～185 ℃，呈雙峰型分布，主峰分別為149～160 ℃和174～185 ℃，表明營一段存在2期成藏過程［16］。不同期次包裹體的成分和巖相學特征存在差異，激光拉曼分析表明，第1 期包裹體為CH4和CO2的混合氣（圖3a），發黃綠色、藍色熒光，沿石英顆粒微裂隙呈線狀分布，均一溫度為149～158 ℃；第2 期包裹體全部為CH4（圖3b），成熟度較高，發藍白色熒光，在晚期方解石膠結物中呈群狀分布，均一溫度為170～185 ℃（圖3c）。結合埋藏史分析表明，研究區泉頭組沉積末期（91～97 Ma）沙河子組烴源巖Ro為1.5%，有機質成熟并開始向外排烴，但成藏規模較小；青山口組沉積末期（84～88 Ma）沙河子組烴源巖Ro達到2.0%，有機質大規模裂解生氣，是研究區的主成藏期（圖3d），此時，斷陷處于穩定坳陷期，構造活動較弱，有利于氣藏的形成和保存。

圖3 松遼盆地鶯山-雙城斷陷白堊系包裹體激光拉曼特征與成藏期次分析Fig.3 Laser Raman characteristics of inclusions and accumulation stages of Cretaceous in Yingshan-Shuangcheng fault depression，Songliao Basin

3 火山巖氣藏成藏條件

3.1 火山巖巖性、巖相特征

通過對鶯山-雙城斷陷9 口井的巖心和263 個薄片的觀察及常量元素的測試結果顯示，營一段火山巖可劃分為火山熔巖和火山碎屑巖2 種類型，火山熔巖以流紋巖為主，體積分數平均為36.84%，其次為英安巖和安山巖，體積分數分別為18.52%和4.88%，同時見少量粗面安山巖（圖4）；火山碎屑巖以凝灰巖、火山角礫巖和角礫熔巖最為常見，體積分數分別為15.01%，8.44%和6.56%，局部見少量熔結凝灰巖。根據巖漿作用、噴發類型、巖性及其在火山機構中的相對位置，可將營一段火山巖劃分為爆發相、溢流相和火山沉積相等3 種火山巖相［17］。爆發相位于火山機構頂部、靠近火山通道，主要為角礫巖、角礫熔巖和熔結凝灰巖；溢流相位于爆發相外側，以流紋巖、英安巖、安山巖等火山熔巖為主；火山沉積相為遠離火山機構的凝灰巖、凝灰質熔巖沉積。

圖4 松遼盆地鶯山-雙城斷陷白堊系火山巖巖石類型Fig.4 Types of volcanic rocks of Cretaceous in Yingshan-Shuangcheng fault depression，Songliao Basin

3.2 火山巖儲層物性特征

研究區內302 個樣品全直徑物性的測試結果顯示，營一段火山巖孔隙度為2.0%～10.0%，平均為9.6%，70% 的樣品滲透率小于1.00 mD，平均僅為0.93 mD，為典型致密氣儲層。爆發相角礫巖、熔結角礫巖中原生孔發育，同時構造高部位風化淋濾強、易形成次生溶孔，物性最好，孔隙度平均為17.35%和10.27%，滲透率為1.54 mD和0.72 mD（圖5）；溢流相流紋巖、英安巖中見層狀分布的原生氣孔和裂縫，孔隙度分別為9.60%和8.65%，滲透率分別為1.14 mD 和0.66 mD，安山巖中氣孔不發育，孔隙度和滲透率分別為6.91%和0.25 mD；火山沉積相凝灰巖、凝灰質熔巖以晶間微孔為主，物性差，二者的孔隙度分別為7.88%和5.91%，滲透率分別為0.11 mD和0.09 mD。結合試氣結果表明，爆發相、溢流相的火山碎屑巖和火山熔巖物性好，為研究區有利巖相類型，火山沉積相凝灰巖、凝灰質熔巖以非儲層為主。

圖5 松遼盆地鶯山-雙城斷陷白堊系火山巖滲透率與孔隙度關系Fig.5 Relationship between permeability and porosity of volcanic rocks of Cretaceous in Yingshan-Shuangcheng fault depression，Songliao Basin

3.3 火山巖氣藏烴源巖特征

鶯山-雙城斷陷沙河子組是斷陷早期沉積的一套含煤碎屑巖，是盆地深層最主要的烴源巖。研究區沙河子組烴源巖有機質豐度高，TOC值為0.19%～17.29%，平均為2.61%，S1+S2（生烴潛量）為0.01～8.11 mg/g，平均為0.62 mg/g，60%的樣品為好—很好烴源巖（圖6）。烴指數HI與峰溫Tmax的關系表明，有機質以Ⅲ型為主，含少量Ⅱ2型和Ⅱ1型，具有較高的生氣潛力；研究區沙河子組埋深普遍大于4 000 m，Ro為2.23%～4.43%，平均為3.26%，處于過成熟階段。

圖6 松遼盆地鶯山-雙城斷陷白堊系烴源巖有機質豐度與有機質類型Fig.6 Organic matter abundance and types of source rocks of Cretaceous in Yingshan-Shuangcheng fault depression，Songliao Basin

3.4 火山巖氣藏運移通道類型

勘探實踐表明，烴源巖與火山體之間高效的輸導通道是火山巖氣藏形成的必要條件［18］。松遼盆地鶯山-雙城斷陷營一段火山巖形成后經歷了多期擠壓和伸展的交替作用過程，初始和強烈斷陷期強烈的伸展作用在研究區形成了大量北東向的基底斷裂。營一段沉積期隨著盆地大規模拉張沉降和火山活動，基底斷裂再次活動，剛性的火山巖在構造應力作用下發生破裂，火山體內形成眾多斷面陡傾、短距離延伸的小斷層，這些小斷層普遍向下斷至沙河子組地層，在穩定坳陷期仍保持開啟，是天然氣垂向運移的重要通道。氣藏剖面對比和試氣結果也表明，研究區大部分氣井均位于這些小斷裂附近，遠離斷裂的井如五深1、青2 和廟深1 等井基本無天然氣充注（圖7）。火山巖儲層非均質性強、側向連通性差，油氣難以在火山巖內大規模側向運移。營一段火山巖形成后長期暴露地表、遭受風化剝蝕，在鶯山斷陷東部和雙城斷陷形成大面積的風化殼，是營一段火山巖天然氣運移的有利通道。野外露頭觀察也揭示，雖然研究區營一段風化殼上部風化黏土層和風化堆積層普遍致密，但下部的風化淋濾層和裂縫層仍具有較高的物性［19］，尤其雙城斷陷，剝蝕厚度最大約100 m，是天然氣側向運移的重要通道。

圖7 松遼盆地鶯山-雙城斷陷白堊系營一段斷裂與不整合面分布Fig.7 Distribution of faults and unconformities of the first member of Yingcheng Formation of Cretaceous in Yingshan-Shuangcheng fault depression，Songliao Basin

4 火山巖氣藏成藏主控因素

4.1 沉積中心遷移和源-儲的差異性疊加

松遼盆地鶯山-雙城斷陷各主干斷裂差異性活動控制次級斷陷沉降規模，造成沙河子組、營城組沉積中心規律性遷移和沙河子組烴源巖與營一段火山巖儲層間的差異性疊加。沙河子組集中在下部沙一段，強烈斷陷期僅四站斷裂、臨江斷裂開始活動，控制了沙一段地層的展布，沉積中心位于北部鶯山斷陷。連井剖面對比也顯示，沙一段烴源巖局限于四站斷裂、臨江斷裂所夾持的局部深凹區，南部雙城斷陷缺失沙河子組地層，烴源巖不發育（圖8）。

圖8 松遼盆地鶯山-雙城斷陷白堊系沙河子組地層厚度與斷裂活動強度（a）、營一段火山巖厚度（b）及東西向地層剖面（c）Fig.8 Thickness and fault activity intensity of Shahezi Formation（a），thickness of volcanic rocks of the first member of Yingchang Formation（b）and EW stratigraphic profile（c）of Cretaceous in Yingshan-Shuangcheng fault depression，Songliao Basin

斷陷萎縮期，太平莊斷裂、朝陽斷裂開始活動，強烈的斷裂和火山作用在全區形成廣泛的火山巖，斷裂作為營一段巖漿上涌、噴發的主要通道，控制了火山巖的分布［20］。斷裂活動較強的鶯山斷陷中部和雙城斷陷南部形成2 個沉降、沉積中心，營一段火山巖也集中在南部四站斷裂—太平莊斷裂之間。斷坳轉換期，各斷層活動性減弱，盆地開始穩定沉降并形成覆蓋全區的營四段砂礫巖和登婁庫組泥巖，為火山巖氣藏提供了穩定的區域蓋層。斷裂的差異性活動造成各次級斷陷內源-儲的差異性疊加，是控制火山巖氣藏分布的主要因素。

4.2 高成熟的烴源巖

地震反演預測和鉆井資料揭示，受四站斷裂、臨江斷裂控制，沙一段烴源巖集中在鶯山斷陷北部，鶯深5 井附近厚度最大，為710 m（圖9a）。烴源巖熱演化只有達到一定程度才能向外排烴，尤其是處于生烴演化末期的氣藏對成熟度的要求更為嚴格［21］。研究區青山口組主成藏期沙河子組埋深普遍小于3 000 m，僅鶯深6—鶯深1 井附近熱演化程度高，Ro大于3.0%，處于過成熟階段。生烴模擬顯示其生氣強度為（300～850）×108m3/km2，最大可達900×108m3/km2，排氣強度為（50～200）×108m3/km2，最大可達260×108m3/km2。高成熟的烴源巖作為營一段火山巖主要氣源控制了氣藏的宏觀展布，氣藏圍繞生烴凹陷呈環狀展布（圖9b）。

圖9 松遼盆地鶯山-雙城斷陷白堊系沙河子組烴源巖厚度（a）與成熟度特征（b）Fig.9 Thickness（a）and maturity（b）of source rocks of Cretaceous Shahezi Formation in Yingshan-Shuangcheng fault depression，Songliao Basin

4.3 天然氣重要富集區

高效的輸導體系是火山巖成藏的有利保證，位于通源斷裂附近的優質儲層是天然氣重要富集區［22］。研究區經歷了3 期伸展、3 期擠壓的交替作用，其中營四段沉積時期，近東西向擠壓作用使深層形成隆凹相間的構造格局，營一段頂面構造也基本定型。遠離通源斷裂的構造圈閉由于缺乏有效的運移通道，基本無天然氣充注，如三深1、三深2 井試氣均為干井（圖10a）。研究區內靠近通源斷裂的爆發相、溢流相等優質儲層則為天然氣富集的有利目標，如鶯深2、鶯深6、川深1 等井區（圖10b）。雙城斷陷雖然遠離生、排烴中心，但營一段頂面不整合發育，與通源斷裂配合形成立體輸導通道，天然氣在靠近不整合面和通源斷裂的爆發相、溢流相火山巖中富集成藏，如雙11、雙深1 井試氣均獲工業氣流。

圖10 松遼盆地鶯山-雙城斷陷白堊系營一段斷裂（a）、火山巖相、不整合面及氣藏分布（b）Fig.10 Distribution of faults（a），volcanic lithofacies，unconformities and gas reservoirs（b）of the first member of Yingcheng Formation of Cretaceous in Yingshan-Shuangcheng fault depression，Songliao Basin

5 火山巖氣藏成藏模式

構造特征、成藏條件及主控因素分析表明，松遼盆地鶯山-雙城斷陷營一段火山巖天然氣具有“源（烴源巖）-斷（斷層）/面（不整合面）-體（火山體）”三元耦合控藏特征，據此可建立鶯山斷陷“下生上儲、斷體匹配、近源垂向運移”和雙城斷陷“側生側儲、斷面聯合、遠源側向運聚”2 種成藏模式。

鶯山斷陷中部深凹區烴源巖厚度大、有機質豐度和熱演化程度高，是研究區主要的生、排烴中心，生、排氣強度分別為（300～500）×108m3/km2和（100～200）×108m3/km2，氣源條件最好；營一段火山機構位于生、排烴中心之上，與沙一段烴源巖直接接觸，源儲匹配關系好。高大的火山機構在深凹區形成凹中隆的構造格局，是天然氣運移的有利目標區；天然氣沿斷裂向上運移，在通源斷裂附近的爆發相、溢流相儲層內聚集形成構造-巖性氣藏（圖11），是研究區最有利勘探區。

圖11 松遼盆地鶯山-雙城斷陷白堊系火山巖氣藏成藏模式Fig.11 Accumulation model of volcanic gas reservoirs of Cretaceous in Yingshan-Shuangcheng fault depression，Songliao Basin

雙城斷陷烴源巖不發育，天然氣主要來自西部鶯山斷陷，氣源條件較差；斷陷西部火山機構與深凹區烴源巖組成側生側儲的配置關系。由于雙城斷陷遠離生烴中心，斷裂和不整合面組成的立體輸導通道成為天然氣成藏的關鍵因素，油氣自生烴中心排出后，首先沿斷裂垂向運移至不整合面，在不整合面下的爆發相火山巖中聚集形成地層-巖性氣藏，與通源斷裂相連通的不整合面之下的地層和巖性圈閉是雙城斷陷火山巖天然氣富集的主要區域。

6 結論

（1）松遼盆地鶯山-雙城斷陷經歷了3 期伸展和3期擠壓作用的疊加，可劃分為初始斷陷、強烈斷陷、抬升剝蝕、斷陷萎縮、斷坳轉換、穩定坳陷和擠壓反轉等7 個演化階段。青山口組沉積末期天然氣大規模成藏時，研究區處于穩定坳陷期，構造活動弱，有利于氣藏的形成和保存。

（2）研究區營一段以火山碎屑巖、火山熔巖為主，物性較差，為典型致密氣儲層；沙河子組烴源巖有機質豐度高，處于過成熟階段，是火山巖氣藏主要的氣源巖；大規模排烴前形成的深層斷裂與不整合組成天然氣運移的有利通道。

（3）火山巖氣藏的形成受“源-斷/面-體”組合關系控制，斷裂差異性活動造成沉積中心遷移和源-儲的差異性疊加，高成熟的烴源巖控制火山巖氣藏的宏觀展布，通源斷裂附近的爆發相、溢流相等有利巖相是天然氣重要富集區。研究區氣藏可劃分為鶯山斷陷“下生上儲、斷體匹配、近源垂向運移”和雙城斷陷“側生側儲、斷面耦合、遠源側向運聚”2種成藏模式。