中國(guó)沉積盆地火山巖儲(chǔ)層特征與油氣聚集

毛治國(guó)，朱如凱，王京紅，蘇 玲，都占海

(1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083; 2.提高石油采收率國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083; 3.中國(guó)石油伊拉克公司，北京 100037)

中國(guó)沉積盆地火山巖儲(chǔ)層特征與油氣聚集

毛治國(guó)1，2，朱如凱1，2，王京紅1，2，蘇 玲1，2，都占海3

(1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083; 2.提高石油采收率國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083; 3.中國(guó)石油伊拉克公司，北京 100037)

在分析中國(guó)沉積盆地內(nèi)火山巖發(fā)育構(gòu)造背景與分布的基礎(chǔ)上，通過(guò)觀察、統(tǒng)計(jì)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試大量的火山巖儲(chǔ)層巖心樣品，分析火山巖儲(chǔ)層特征及油氣聚集規(guī)律。研究認(rèn)為:中國(guó)沉積盆地內(nèi)火山巖主要發(fā)育在石炭—二疊、侏羅—白堊和古近—新近等3套層系，主要形成于俯沖造山后伸展裂陷、克拉通地幔柱和斷陷3種構(gòu)造環(huán)境;不同巖性火山巖均可形成有效儲(chǔ)層;儲(chǔ)集空間類型多樣，以次生溶蝕孔、氣孔、微裂縫為主，形成孔縫雙介質(zhì)儲(chǔ)層;儲(chǔ)層物性變化大，非均質(zhì)性強(qiáng)，基本不受埋深影響，以中—較高孔隙度、低—特低滲的Ⅲ類和Ⅳ類儲(chǔ)層為主;火山巖儲(chǔ)層鄰近烴源巖發(fā)育，有利火山巖油氣聚集成藏;中國(guó)東西部火山巖油氣藏存在近源和遠(yuǎn)源2種聚集模式，東部斷陷以近源聚集為主，火山巖與烴源巖互層，西部近源與遠(yuǎn)源均存在。該研究可為中國(guó)火山巖的油氣勘探提供依據(jù)。

火山巖儲(chǔ)層;儲(chǔ)集空間;油氣聚集;準(zhǔn)噶爾盆地;松遼盆地

0 引言

沉積盆地的形成演化與火山作用和火山巖密切相關(guān)，火山巖是各類沉積盆地充填系列的重要組成部分［1］。油氣勘探實(shí)踐表明，火山巖在大陸裂谷、大陸邊緣、弧后前陸以及溝—弧體系等盆地中發(fā)育，具備油氣儲(chǔ)集條件，可以形成油氣藏［2-5］。目前，已在全球五大洲20多個(gè)國(guó)家300余個(gè)盆地中發(fā)現(xiàn)火山巖油氣藏或油氣顯示，火山巖已成為油氣勘探開(kāi)發(fā)的重要新領(lǐng)域［6］。中國(guó)已在松遼、渤海灣、海拉爾、二連、準(zhǔn)噶爾、三塘湖、塔里木、四川、江漢、蘇北等盆地發(fā)現(xiàn)火山巖油氣藏，累計(jì)探明石油儲(chǔ)量達(dá)數(shù)億噸、天然氣儲(chǔ)量達(dá)數(shù)萬(wàn)億方，初步形成了東、西部2個(gè)火山巖大油氣區(qū)［7-10］。此次研究針對(duì)中國(guó)主要含油氣盆地發(fā)育的不同時(shí)代、不同類型火山巖油氣藏，在其儲(chǔ)層特征分析的基礎(chǔ)上，研究其油氣聚集與分布規(guī)律，為火山巖的油氣勘探提供依據(jù)。

1 火山巖發(fā)育構(gòu)造背景與分布特征

中國(guó)東西部對(duì)應(yīng)上古生界、中生界、新生界3個(gè)構(gòu)造層，各沉積盆地內(nèi)火山巖主要發(fā)育在石炭—二疊、侏羅—白堊和古近—新近等3套層系(圖1、2)。整體而言，西部地區(qū)火山巖多發(fā)育于古亞洲洋構(gòu)造域的海相或海陸過(guò)渡相環(huán)境，發(fā)育集中于晚古生代，以中基性火山巖為主;東部地區(qū)火山巖發(fā)育于西太平洋被動(dòng)大陸邊緣的陸相環(huán)境，時(shí)代較新，以中新生代為主，巖性主要為中酸性火山巖(圖1、2)。

1.1 中國(guó)東部太平洋構(gòu)造域

中國(guó)東部顯生宙經(jīng)歷了古亞洲洋構(gòu)造域、古亞洲洋與環(huán)太平洋構(gòu)造域的疊加與轉(zhuǎn)換、太平洋構(gòu)造域三大構(gòu)造演化階段［11-12］，火山巖盆地的形成與演化主要受太平洋動(dòng)力體系控制，蒙古—鄂霍茨克洋剪刀差式閉合也可能對(duì)早白堊世盆地的形成帶來(lái)一定的影響［13-15］。中國(guó)東部大規(guī)?；鹕交顒?dòng)主要發(fā)生在早白堊世和古近紀(jì)2個(gè)地質(zhì)時(shí)期［16-17］。早白堊世強(qiáng)烈的火山活動(dòng)在松遼、海拉爾、二連等盆地?cái)嘞輰有蛑行纬纱罅炕鹕綆r;古近紀(jì)火山巖主要分布在渤海灣盆地和深大斷裂帶附近，2期重要火山事件分別是依澤奈歧板塊、太平洋板塊向東亞大陸邊緣俯沖［18-20］，東部地幔強(qiáng)烈上隆、巖石圈大規(guī)模拆沉和伸展減薄的地球動(dòng)力的構(gòu)造響應(yīng)［21-22］。

圖1 中國(guó)西部沉積盆地演化與火山巖油氣分布

松遼、海拉爾、二連等3個(gè)盆地中火山巖主要發(fā)育于早白堊世，其火山巖分布廣，厚度大，多與烴油巖互層，成儲(chǔ)條件好?？碧阶C實(shí)，松遼盆地中深層已探明的天然氣有87%賦存在該套火山巖中;渤海灣盆地古近紀(jì)火山巖類在盆地?cái)嘞輰有蛑袕V泛發(fā)育，并形成較大規(guī)模的火山巖油藏(圖1、2)。以上充分表明，早白堊世和古近紀(jì)2期構(gòu)造-火山事件不僅控制大規(guī)模火山巖的形成和分布，也為火山巖儲(chǔ)層的發(fā)育和大規(guī)?；鹕綆r油氣藏的形成奠定了基礎(chǔ)［23］。

圖2 中國(guó)東部沉積盆地演化與火山巖油氣分布

1.2 中國(guó)西部古亞洲洋構(gòu)造域

中國(guó)西部盆地主要是晚古生代以來(lái)多期形成的疊合盆地［24-26］，經(jīng)歷了長(zhǎng)期的地質(zhì)演化，發(fā)育古生界拼合結(jié)構(gòu)、中生界的泛盆地層序和上部的復(fù)合造山層序［27］，中新生代構(gòu)造作用對(duì)古生代盆地改造強(qiáng)烈［28-30］。已發(fā)現(xiàn)的油氣藏普遍具有調(diào)整、改造、破壞和再富集的特征。不同類型盆地的油氣聚集受不同地質(zhì)背景控制，如克拉通盆地的油氣聚集主要受古隆起及其斜坡帶控制，前陸盆地的油氣聚集主要受前陸沖斷帶構(gòu)造的控制［31-33］。

西部火山巖油氣藏主要分布在準(zhǔn)噶爾、塔里木、三塘湖和四川等盆地［12，34-37］，其中以新疆北部地區(qū)的準(zhǔn)噶爾盆地和三塘湖盆地火山巖油氣藏分布面積、規(guī)模和儲(chǔ)量最大。

前人大量研究表明，準(zhǔn)噶爾盆地主要受控于古亞洲洋多旋回開(kāi)合和周邊造山帶的演化，為一大型多旋回疊合盆地［24，39］。泥盆紀(jì)至二疊紀(jì)，準(zhǔn)噶爾盆地及鄰區(qū)為古亞洲洋消亡及陸—陸碰撞階段。晚古生代特別是石炭紀(jì)是準(zhǔn)噶爾盆地構(gòu)造體制的重要轉(zhuǎn)折時(shí)期。石炭紀(jì)前盆地位于古亞洲洋海域，是以洋盆俯沖、閉合、陸塊碰撞為特點(diǎn)的造山期;石炭紀(jì)后是以陸內(nèi)伸展、拗陷和造山為特點(diǎn)的盆地發(fā)育期。轉(zhuǎn)折時(shí)期的石炭紀(jì)，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，火山作用活躍。尤其是在晚石炭世，盆地由開(kāi)放型的海相盆地轉(zhuǎn)化為封閉的內(nèi)陸盆地，陸—陸強(qiáng)烈碰撞，導(dǎo)致巖漿活動(dòng)，火山大規(guī)模噴發(fā)，形成石炭—二疊紀(jì)的區(qū)域性火山巖分布。該火山巖層主要為基性—中性的玄武巖、玄武安山巖、安山巖，部分夾有酸性流紋巖和火山碎屑巖。

綜上所述，中國(guó)含油氣盆地內(nèi)的火山巖形成于俯沖造山后伸展裂陷(如石炭—二疊紀(jì)準(zhǔn)噶爾、三塘湖盆地)、克拉通地幔柱(如二疊紀(jì)塔里木、四川盆地)、斷陷盆地(如侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)銀額、二連、海塔、松遼盆地及古近紀(jì)渤海灣盆地)等構(gòu)造環(huán)境?；鹕綆r出現(xiàn)于盆地基底(晚古生代)拼合階段(新疆北部地區(qū)盆地群)、早期斷陷階段(東部盆地群)、不同盆地原型疊合階段(塔里木盆地、四川盆地)等不同的構(gòu)造時(shí)期(圖1、2)。

2 火山巖儲(chǔ)層特征

火山巖是火山作用形成的一系列產(chǎn)物經(jīng)過(guò)冷卻、固結(jié)等作用形成的巖石類型，與沉積巖在形成條件、發(fā)育環(huán)境、分布規(guī)律等方面有很大不同［40］。因此，火山巖油氣儲(chǔ)層特征明顯有別于沉積巖。綜合來(lái)看，火山巖儲(chǔ)層是火山作用、構(gòu)造作用、成巖與流體作用、表生與埋藏改造作用等多種因素綜合作用結(jié)果，其特征與巖漿性質(zhì)、火山噴發(fā)方式與火山機(jī)構(gòu)類型、火山巖巖性、巖相以及火山巖形成后暴露、埋藏過(guò)程中各種流體與巖石的相互作用密切相關(guān)。

2.1 不同巖性火山巖均可形成有效儲(chǔ)層

由于構(gòu)造背景的復(fù)雜性，形成了中國(guó)含油氣盆地內(nèi)火山巖分布層系多、巖石類型多的特點(diǎn)，其中熔巖類主要有玄武巖、安山巖、英安巖、流紋巖、粗面巖等;火山碎屑巖類主要包括集塊巖、火山角礫巖、凝灰?guī)r、熔結(jié)火山碎屑巖等，另外還有輝綠巖、花崗巖等侵入巖類。上述巖類，均可形成有效儲(chǔ)層，并已發(fā)現(xiàn)油氣藏(圖1、2)。

2.2 儲(chǔ)集空間類型多樣，以次生溶蝕孔、氣孔、微裂縫為主

與沉積巖相比，火山巖儲(chǔ)集空間類型和組合更加復(fù)雜多樣。

通過(guò)觀察和分析大量的巖石樣品、微觀巖石薄片及鑄體薄片，根據(jù)其成因差異，火山巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間類型可以分為三大類14小類(表1)。原生孔隙主要為火山噴發(fā)物形成的氣孔及未被完全充填的殘余孔隙、火山角礫(粒)間孔、晶間微孔等。次生孔隙主要為火山玻璃脫?；纬傻拿摬；准案鞣N晶體礦物、顆粒溶蝕、蝕變所形成的溶孔、溶洞。裂縫的形成原因主要有3種:①火山噴發(fā)和巖漿冷卻固結(jié)過(guò)程中形成炸裂縫、收縮縫;②構(gòu)造作用所形成的構(gòu)造縫;③火山巖在表生環(huán)境風(fēng)化淋濾或埋藏環(huán)境地層流體溶蝕形成的各種風(fēng)化縫、溶蝕縫。

表1 中國(guó)火山巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間類型和特征

上述不同類型的儲(chǔ)集空間，在火山巖儲(chǔ)層中的作用也存在差異。其中，氣孔和溶蝕孔為主要儲(chǔ)集空間，一般含油較多;構(gòu)造縫和風(fēng)化縫主要起輸導(dǎo)作用，連通氣孔、溶蝕孔等儲(chǔ)集空間，也可成為儲(chǔ)集空間，但規(guī)模較小(表2)。

表2 中國(guó)典型火山巖儲(chǔ)層孔隙類型與比例

2.3 儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，以中—較高孔隙度、低—特低滲為主

火山巖儲(chǔ)集層的儲(chǔ)集空間具有多樣性，不同儲(chǔ)集空間相互組合，形成孔、縫雙介質(zhì)儲(chǔ)層，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致物性變化大，非均質(zhì)性非常嚴(yán)重。統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)噶爾、三塘湖、松遼等盆地火山巖(2244塊樣品)物性表明，火山碎屑巖、熔巖均可成為有效儲(chǔ)層，孔滲相關(guān)性差，以中—較高孔隙度、低—特低滲透率的Ⅲ類和Ⅳ類儲(chǔ)層為主?？紫抖茸畲罂沙^(guò)30%，平均為10%左右;滲透率顯示出強(qiáng)烈的非均質(zhì)性，最大超過(guò)1 000×10-3μm2，但總體上較低，大多數(shù)小于1×10-3μm2，其中很大部分小于0.01× 10-3μm2(圖3)。

圖3 火山巖孔隙度與滲透率關(guān)系

2.4 儲(chǔ)層物性基本不受埋深影響

通過(guò)松遼盆地與準(zhǔn)噶爾盆地鉆井巖心物性分析測(cè)試發(fā)現(xiàn)，沉積巖儲(chǔ)層孔隙度隨埋深增加，孔隙度呈指數(shù)型降低，超過(guò)4 000 m，孔隙度低于其下限，儲(chǔ)層基本無(wú)效;而火山巖儲(chǔ)層在4 000 m以下，仍有大量有效孔隙發(fā)育，并且隨埋深增加，孔隙度無(wú)明顯的變化，即巖石物性基本不受埋深影響。在埋深大于4 500 m時(shí)，仍具有較好的儲(chǔ)集物性，孔隙度可達(dá)37.20%，平均為12.12%(圖4)。

火山巖與沉積巖儲(chǔ)層物性隨埋深變化的差異，主要源于二者成巖方式的差異。火山巖為高溫巖漿直接冷卻固結(jié)成巖，巖石堅(jiān)硬致密，抗壓強(qiáng)度一般為100～350 MPa，深埋情況下儲(chǔ)層物性變化不大;而沉積巖為碎屑顆粒堆積，抗壓強(qiáng)度一般小于100 MPa，隨埋藏上覆壓力增加，逐步壓實(shí)固結(jié)成巖，巖石顆粒間接觸由點(diǎn)接觸變線接觸、凹凸接觸，物性也隨之變差。因此，超過(guò)4 500 m火山巖仍有優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育。由此可見(jiàn)，在深層油氣勘探中，火山巖層段可以作為重點(diǎn)領(lǐng)域和目標(biāo)進(jìn)行勘探。

圖4 火山巖儲(chǔ)層與沉積巖儲(chǔ)層孔隙度、埋深對(duì)比

3 火山巖儲(chǔ)層油氣聚集規(guī)律

火山巖本身不能生成有機(jī)烴類，作為一類特殊的油氣儲(chǔ)層，其油氣主要在有利儲(chǔ)蓋配置區(qū)聚集。從火山巖儲(chǔ)層與烴源巖的縱橫配置關(guān)系來(lái)看，火山巖儲(chǔ)層中的油氣主要存在近源與遠(yuǎn)源2種聚集模式(圖5)。近源聚集指縱向上火山巖與烴源巖同層或基本同層，平面上火山巖儲(chǔ)層主要分布在生烴范圍之內(nèi)，一般形成巖性或構(gòu)造-巖性油氣藏;遠(yuǎn)源聚集指縱向上火山巖與烴源巖異層，平面上火山巖儲(chǔ)層主要分布在生烴范圍之外，一般形成地層或構(gòu)造油氣藏。從已發(fā)現(xiàn)的大型火山巖油氣藏來(lái)看，以近源聚集為主(圖5)。

圖5 中國(guó)火山巖儲(chǔ)層油氣聚集模式

松遼盆地深層下白堊統(tǒng)火山巖氣藏屬典型的近源聚集［41-44］。儲(chǔ)層為火石嶺組和營(yíng)城組的火山巖，烴源巖為沙河子組(位于營(yíng)城組之下)和營(yíng)城組內(nèi)部的暗色泥巖(圖1、2)?？v向上，烴源巖與火山巖儲(chǔ)集層近距離或直接接觸，使得油氣近距離運(yùn)聚成藏。后期松遼盆地發(fā)育晚白堊世大型坳陷湖盆，構(gòu)造不活躍，使得深層火山巖氣藏保存較好，從而形成大型近源原生火山巖氣藏。

渤海灣盆地古近系火山巖油藏主要為近源聚集。沙河街組是盆地主力烴源巖，該時(shí)期火山巖也較發(fā)育，被烴源巖所包圍，形成典型的近源聚集(圖1、2、5)，如沙三段的遼河?xùn)|部凹陷歐利坨子粗面巖油藏以及南堡凹陷基性火山巖氣藏，均屬此種類型。另外，孔店組部分侵入巖中也有油藏發(fā)現(xiàn)。

新疆北部地區(qū)石炭—二疊系發(fā)育的火山巖油氣藏，既有近源聚集，也有遠(yuǎn)源聚集。其中，準(zhǔn)噶爾盆地陸東地區(qū)石炭系火山巖氣藏和三塘湖盆地牛東地區(qū)石炭—二疊系火山巖油藏以地層型的近源聚集為主，有利儲(chǔ)層主要發(fā)育于石炭系頂部不整合面附近的風(fēng)化淋濾火山巖體內(nèi)，烴源巖為石炭系內(nèi)部的暗色泥巖、煤和沉凝灰?guī)r，蓋層為石炭系不整合面上覆的二疊系和三疊系泥巖;準(zhǔn)噶爾盆地西北緣石炭—二疊系火山巖油藏則以地層型的遠(yuǎn)源聚集為主(圖5)。

總體來(lái)看，中國(guó)含油氣盆地中的火山巖油氣聚集，東部斷陷盆地以近源組合為主，火山巖與烴源巖互層，主要分布在生烴凹陷內(nèi)或附近，如渤海灣盆地下第三系和松遼盆地深層，火山巖發(fā)育在生烴層內(nèi)(圖5);西部發(fā)育近源與遠(yuǎn)源2種聚集類型，主要分布在大型不整合之下的火山巖風(fēng)化殼內(nèi)，形成地層油氣藏，如準(zhǔn)噶爾、三塘湖盆地石炭—二疊系火山巖，四川、塔里木盆地二疊系火山巖。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)中國(guó)沉積盆地內(nèi)火山巖主要發(fā)育在石炭—二疊、侏羅—白堊和古近—新近等3套層系，主要形成于俯沖造山后伸展裂陷、克拉通地幔柱和斷陷3種構(gòu)造環(huán)境。整體而言，西部地區(qū)火山巖時(shí)代集中于晚古生代，以中基性火山巖為主;東部地區(qū)火山巖時(shí)代以中新生代為主，巖性主要為中酸性火山巖。

(2)中國(guó)火山巖儲(chǔ)層巖石類型多樣，熔巖類主要有玄武巖、安山巖、英安巖、流紋巖、粗面巖等;火山碎屑巖類主要包括集塊巖、火山角礫巖、凝灰?guī)r、熔結(jié)火山碎屑巖等，另外還有輝綠巖、花崗巖等侵入巖類。儲(chǔ)集空間以孔縫雙介質(zhì)、強(qiáng)非均質(zhì)性為特征，主要發(fā)育中—較高孔隙度、低—特低滲透率的Ⅲ類和Ⅳ類儲(chǔ)層。

(3)火山巖儲(chǔ)層鄰近烴源巖發(fā)育，有利于火山巖油氣聚集成藏。中國(guó)東西部火山巖油氣藏存在近源和遠(yuǎn)源2種聚集模式，東部斷陷以近源聚集為主，火山巖與烴源巖互層;西部近源與遠(yuǎn)源均存在。

致謝:中國(guó)石油大慶油田公司、新疆油田分公司、吐哈油田分公司為本次研究提供了珍貴的樣品和資料。國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“火山巖油氣藏的形成機(jī)制與分布規(guī)律”項(xiàng)目組其他研究人員提供了諸多的信息、建議和意見(jiàn)，在此一并深表謝意!

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編輯林樹(shù)龍

TE122

A

1006-6535(2015)05-0001-08

20150410;改回日期:20150804

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“中國(guó)陸相致密油(頁(yè)巖油)形成機(jī)理與富集規(guī)律”(2014CB239000)及“古生代火山巖儲(chǔ)層分布規(guī)律及其改造特征”(2009CB219304);國(guó)家科技重大專項(xiàng)“巖性地層油氣藏成藏規(guī)律、關(guān)鍵技術(shù)及目標(biāo)評(píng)價(jià)”(2011ZX05001);中國(guó)石油集團(tuán)公司科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目“巖性地層油氣藏成藏規(guī)律研究與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)”(2014B-03)

毛治國(guó)(1977-)，男，高級(jí)工程師，2000年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院石油工程專業(yè)，2008年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，獲博士學(xué)位，2010年中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院博士后流動(dòng)站出站，研究方向?yàn)橛蜌鈨?chǔ)層地質(zhì)，現(xiàn)從事油氣儲(chǔ)層研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.05.001