三塘湖盆地條湖組火山湖相沉凝灰?guī)r致密油形成條件與富集因素

陳旋，劉俊田，馮亞琴，王昕，范譚廣，劉書強(qiáng)，姜書林，孔宏偉

（1.中國石油吐哈油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 哈密 839009；2.中國石油吐哈油田分公司勘探公司，新疆 鄯善 838202）

2012年三塘湖盆地馬朗凹陷蘆1井在中二疊統(tǒng)條湖組火山碎屑巖儲(chǔ)集層中試油壓裂獲得10.98 t/d的工業(yè)油流，前人對(duì)該儲(chǔ)集層特征進(jìn)行了大量研究[1-2]，認(rèn)為該油藏為一套分布廣泛受巖性和物性控制的沉凝灰?guī)r致密油藏。該巖性作為特殊儲(chǔ)集層，甜點(diǎn)區(qū)縱橫向分布難以把握，區(qū)域擴(kuò)展方向不明，基礎(chǔ)地質(zhì)理論、成藏機(jī)理及富集規(guī)律等存在諸多難題。本文通過系統(tǒng)解剖已知油藏，對(duì)三塘湖盆地二疊系條湖組沉凝灰?guī)r致密油藏的成藏機(jī)理、火山噴發(fā)期次、儲(chǔ)集層沉積環(huán)境、巖石物性及油氣成藏富集規(guī)律等方面進(jìn)行分析，揭示其資源潛力，指出勘探方向，為三塘湖盆地致密油勘探部署提供科學(xué)依據(jù)。

1 基本石油地質(zhì)特征

三塘湖盆地位于西伯利亞板塊西南緣，緊鄰卡拉麥里-麥欽烏拉縫合線，屬晚泥盆—早石炭世褶皺基底上發(fā)育的多旋回疊加型殘留盆地。目前致密油勘探主要目的層屬下構(gòu)造層二疊系條湖組，為海陸過渡相火山巖、碎屑巖及碳酸鹽巖沉積建造[3]。該目的層自下而上分為3段，一段沉積期盆地處于張性伸展環(huán)境，火山作用頻繁，發(fā)育正斷層為巖漿噴發(fā)通道，形成眾多火山活動(dòng)帶，并在盆地沉積一套中基性火山噴發(fā)巖，局部地區(qū)有輝綠巖侵入；二段以火山間歇期泥巖及沉凝灰?guī)r沉積為主，發(fā)育多套沉凝灰?guī)r，底部數(shù)十米厚的玻屑晶屑沉凝灰?guī)r，分布范圍廣，是目前三塘湖盆地致密油勘探的主力層（圖1）[4]；三段為另一火山噴發(fā)旋回，目前僅在局部地區(qū)存在。

有機(jī)地球化學(xué)分析認(rèn)為，該區(qū)存在條湖組二段泥巖、沉凝灰?guī)r及蘆草溝組二段泥巖3套烴源巖，油氣具混源充注特點(diǎn)[5]，油氣主要來自蘆草溝組二段烴源巖。條湖組二段泥巖樣品總有機(jī)碳平均為2.19%，蘆草溝組二段泥巖樣品總有機(jī)碳平均為3.87%，屬好烴源巖。條湖組二段底部沉凝灰?guī)r總有機(jī)碳平均為2.21%。沉凝灰?guī)r實(shí)測(cè)鏡質(zhì)體反射率為0.5%～1.0%，蘆草溝組二段泥巖實(shí)測(cè)鏡質(zhì)體反射率為0.6%～1.0%，認(rèn)為馬朗凹陷條湖組二段沉凝灰?guī)r處于低成熟-成熟早期階段，蘆草溝組二段泥巖處于低熟-成熟階段。

條湖組二段油藏儲(chǔ)集空間以基質(zhì)微孔、脫?；чg微孔、溶蝕微孔和微縫等“四微”孔隙為主（圖2），存在少量有機(jī)孔，孔隙度平均16.1%，滲透率平均0.24×10-3μm，屬中高孔、特低滲儲(chǔ)集層。

圖1 三塘湖盆地條湖組一、二段沉積綜合圖Fig.1 Sedimentary complex chart of the first and the second section of tiaohu formation in Santanghu basin

2 火山噴發(fā)期次與沉凝灰?guī)r類型

2.1 火山噴發(fā)期次

火山噴發(fā)期次通常指火山噴發(fā)通道或斷裂發(fā)生的一次相對(duì)集中活動(dòng)，物質(zhì)成分、噴發(fā)方式及噴發(fā)強(qiáng)度的規(guī)律性變化過程中，形成一套相序上具成因聯(lián)系的火山巖組合[6]。一次簡(jiǎn)單火山噴發(fā)旋回就是一個(gè)火山噴發(fā)期次，一次復(fù)雜火山噴發(fā)旋回內(nèi)部可劃分多個(gè)期次，地質(zhì)上通過風(fēng)化殼、沉積夾層、巖性界面及相序等方面識(shí)別，測(cè)井上通過對(duì)巖性相應(yīng)明顯的自然伽馬、電阻率和密度曲線識(shí)別。隨地震資料精度的不斷提高，通過地震相開展火山機(jī)構(gòu)識(shí)別將成為一種技術(shù)手段。

研究表明，馬朗凹陷二疊紀(jì)條湖組沉積期主要經(jīng)歷火山噴發(fā)期-火山灰、陸源碎屑沉積期-火山休眠期三段式沉積演化過程。每次火山活動(dòng)均經(jīng)歷火山噴發(fā)-溢流-沉凝灰?guī)r沉積-火山噴發(fā)平靜期，即一個(gè)完整的火山活動(dòng)旋回。噴發(fā)方式主要以斷裂為火山通道的裂隙式火山噴發(fā)。條一段火山活動(dòng)發(fā)育，巖性以火山熔巖、火山碎屑巖為主，夾火山活動(dòng)短暫休止期沉積的湖相薄層泥巖。之后由于火山噴發(fā)作用減弱，進(jìn)入較長(zhǎng)的火山噴發(fā)休止期；條二段沉積初期發(fā)育噴發(fā)相沉凝灰?guī)r，沉積期末發(fā)育大套沉凝灰質(zhì)泥巖和泥巖，為火山噴發(fā)間歇期典型特征（圖2）；條三段沉積時(shí)期，該區(qū)又進(jìn)入火山活動(dòng)發(fā)育期，以火山熔巖、火山碎屑巖為主，少量次火山巖夾湖相薄層泥巖，之后進(jìn)入一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的構(gòu)造抬升與地層剝蝕期。該段地層分布局限，僅凹陷西部和東部殘存，由于噴發(fā)方式、巖漿自身能量的差異性，研究區(qū)改造既有的沉積湖盆，形成不同類型火山湖相沉積。

2.2 火山機(jī)構(gòu)與沉凝灰?guī)r類型及沉積環(huán)境關(guān)系

圖2 條湖組二段油層段儲(chǔ)集空間鏡下照片F(xiàn)ig.2 The reservoir space microscopic photos of The second section of tiaohu formation

運(yùn)用高精度地震資料，開展火山機(jī)構(gòu)地震相應(yīng)特征研究，描述火山噴發(fā)機(jī)構(gòu)，結(jié)合古構(gòu)造背景，對(duì)分析巖相組合、沉凝灰?guī)r成分、結(jié)構(gòu)具重要意義。

2.2.1 火山噴發(fā)機(jī)構(gòu)地震相應(yīng)特征

火山巖與圍巖物理性質(zhì)存在較大差別,界面上產(chǎn)生較強(qiáng)反射振幅，每次噴發(fā)形成的火山熔巖、火山碎屑巖及平靜期沉積碎屑巖速度存在較大差異。研究發(fā)現(xiàn)，條湖組玄武-安山巖速度為4 200～4 500 m/s，上部沉凝灰?guī)r速度為3 100～3 300 m/s，頂部泥巖速度偏低，小于3 000 m/s?；鹕綆r與圍巖速度差異及火山巖內(nèi)部速度差異在地震剖面上表現(xiàn)出自身形態(tài)，具丘狀反射特征。頂部為強(qiáng)反射,內(nèi)部為弱反射，具雜亂、低頻、斷續(xù)反射特征?；鹕酵Ｖ箛姲l(fā)后，受巖石冷縮影響，地震剖面上丘型反射體頂部呈地塹式下凹特點(diǎn)。地震剖面上火山口頂部同相軸呈下拉現(xiàn)象，同時(shí)，火山通道附近，圍巖因巖漿上侵、刺穿作用被破壞，地震剖面上為雜亂反射或同相軸陡立?；鹕綑C(jī)構(gòu)翼部出現(xiàn)上超或披蓋現(xiàn)象，這種現(xiàn)象廣泛存在于火山機(jī)構(gòu)中,同相軸呈強(qiáng)反射、連續(xù)、穩(wěn)定狀態(tài)（圖3）。

2.2.2 沉凝灰?guī)r巖石類型及孔滲特征

條湖組沉凝灰?guī)r主要發(fā)育玻屑沉凝灰?guī)r、晶屑玻屑沉凝灰?guī)r和泥質(zhì)沉凝灰?guī)r。通過對(duì)馬56-15H、馬56-12H等井鑄體薄片鑒定、壓汞毛管壓力曲線分析，不同類型沉凝灰?guī)r儲(chǔ)集層孔滲特征具明顯區(qū)別（表1）。

圖3 三塘湖盆地二疊系火山噴發(fā)機(jī)構(gòu)及地震、沉積相應(yīng)特征Fig.3 Vulcanian eruption and seismic,sedimentary characteristics of Permian in Santanghu basin

表1 三塘湖盆地二疊系不同類型沉凝灰?guī)r儲(chǔ)集層特征Table 1 Reservoir features of different type of Permian tuffite in Santanghu basin

玻屑沉凝灰?guī)r玻屑沉凝灰?guī)r原始火山灰以玻屑成分為主，玻屑含量大于50%，粒度較小，礦物組成以石英和長(zhǎng)石為主，黏土礦物含量低，脫?；资侵饕紫额愋停鹕讲Ａз|(zhì)脫?；饔檬菍?dǎo)致該類儲(chǔ)集層高孔低滲的主要因素。馬56-15H井2 244.94 m的玻屑沉凝灰?guī)r分析測(cè)試揭示，該類巖性分布在凝灰?guī)r段中部，孔隙度高、數(shù)量多、分選好、偏粗歪度、喉道細(xì)小且分布均勻，是該類巖性特點(diǎn)，為研究區(qū)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層。

晶屑玻屑沉凝灰?guī)r晶屑玻屑沉凝灰?guī)r原始火山灰以玻屑成分為主，玻屑含量大于50%，晶屑含量增加，顆粒較大，黏土礦物含量較玻屑沉凝灰?guī)r高，黏土礦物充填分割孔隙，使孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，導(dǎo)致孔隙度下降，喉道變細(xì)。脫?；诪橹饕紫额愋?。馬56-15H井2 252.34 m的晶屑玻屑沉凝灰?guī)r分析測(cè)試揭示，該類巖性分布在凝灰?guī)r段中部，以夾層形式分布于玻屑凝灰?guī)r之間?？紫抖容^高、分選中等、偏細(xì)歪度是該類巖性特點(diǎn)，儲(chǔ)集層性能僅次于玻屑沉凝灰?guī)r。

泥質(zhì)沉凝灰?guī)r泥質(zhì)沉凝灰?guī)r原始火山灰以玻屑成分為主，玻屑含量大于50%，含少量細(xì)粒晶屑，陸源泥質(zhì)含量相對(duì)較高，達(dá)20%以上。巖石致密，泥質(zhì)碎屑的混入使該類儲(chǔ)集層質(zhì)量較差，黏土礦物含量較高（一般大于15%），脫?；紫遁^少。馬56-12H井2 110.2 m的泥質(zhì)沉凝灰?guī)r分析測(cè)試揭示，該類巖性分布在凝灰?guī)r層段頂部，由陸源泥質(zhì)混入形成。孔隙度低、顆粒較細(xì)、分選較好、偏細(xì)歪度是該類巖性特點(diǎn)，基本不具儲(chǔ)集能力。

2.2.3 凝灰?guī)r脫?；饔眉皩?duì)儲(chǔ)集空間的影響

沉凝灰?guī)r儲(chǔ)層具較高孔隙度，粒間孔在壓實(shí)過程中大量損失，現(xiàn)今高孔隙度主要源于沉凝灰?guī)r脫?；饔谩＝?jīng)脫?；^程，沉凝灰?guī)r顆粒緊密排列，產(chǎn)生脫?；紫?。形成的微孔隙小，數(shù)量較多，總體孔隙度較大。

研究區(qū)沉凝灰?guī)r碎屑類型以玻屑為主，玻屑主要成分是玻璃質(zhì)，是一種極不穩(wěn)定組分，處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，火山玻璃總是趨向晶體方向轉(zhuǎn)化，即脫?；饔谩Ｓ绊懸蛩刂饕?方面：①中酸性沉凝灰?guī)r脫?；饔眯纬傻奈⒕w多且顆粒較大，易產(chǎn)生脫?；?，形成有利儲(chǔ)層；②玻屑含量越高，脫玻化形成的孔隙度越大，沉凝灰?guī)r中玻璃質(zhì)含量越高，脫玻化潛能越大，隨玻屑含量減小，脫?；紫吨饾u遞減；③有機(jī)酸含量控制脫?；俾剩瑮l湖組沉凝灰?guī)r含一定量的有機(jī)質(zhì)，埋藏過程中產(chǎn)生一定量有機(jī)酸，能有效促進(jìn)脫玻化過程的進(jìn)行。有機(jī)質(zhì)含量越高，生成的有機(jī)酸越多，pH值越低，玻璃質(zhì)的溶解速率越大，越有利于脫玻化作用的進(jìn)行。

2.2.4 不同類型沉凝灰?guī)r形成環(huán)境

前人對(duì)三塘湖盆地二疊紀(jì)古氣候、湖盆水介質(zhì)性質(zhì)及古物源等進(jìn)行恢復(fù)，認(rèn)為二疊系碎屑巖沉積環(huán)境主要為淺湖-半深湖，陸源碎屑供給少，屬穩(wěn)定湖盆環(huán)境[7]。不同類型沉凝灰?guī)r的形成主要取決于火山噴發(fā)強(qiáng)弱、不同級(jí)別斷裂形成的通道、巖漿自身能量的衰減及火山灰飄落距離的遠(yuǎn)近和供應(yīng)等因素。

條湖組沉凝灰?guī)r是火山灰直接降落湖盆中形成的，不同規(guī)模的火山噴發(fā)，形成不同的火山湖相環(huán)境?；鹕絿姲l(fā)能量弱，斷裂級(jí)別較低，通常形成火山口湖?；鹕絿姲l(fā)能量強(qiáng)，斷裂級(jí)別高，火山熔巖溢流堵塞、分割濱淺湖，形成火山堰塞湖。火山灰中較大晶屑顆粒飄落距離近，快速呈環(huán)帶狀或扇形沉降，沉積在火山口及周圍區(qū)域。因此，隨距離火山口的遠(yuǎn)近，沉凝灰?guī)r類型呈規(guī)律化，就近沉積形成晶屑玻屑沉凝灰?guī)r。一定范圍內(nèi)，距離火山口越遠(yuǎn)，玻屑含量越高，在火山堰塞湖中形成玻屑沉凝灰?guī)r，即玻屑沉凝灰?guī)r平面上主要分布在中遠(yuǎn)火山口區(qū)域。距離過遠(yuǎn)火山灰供給不足，泥質(zhì)含量增加，沉積在淺-半深湖中，形成泥質(zhì)沉凝灰?guī)r。因此，泥質(zhì)沉凝灰?guī)r平面上主要分布在遠(yuǎn)火山口區(qū)域。

據(jù)斷裂分布、地震反射特征、鉆井資料及二疊系沉積環(huán)境，地震剖面上識(shí)別出火山活動(dòng)帶，建立火山口控制沉凝灰?guī)r火山湖相類型及分布模式（圖4），認(rèn)為馬朗凹陷二疊系條湖組晶屑玻屑沉凝灰?guī)r分布在距離火山口最近地方，屬火山口湖相沉積環(huán)境，馬7塊屬該類型。玻屑沉凝灰?guī)r分布在與火山口有一定距離的火山活動(dòng)帶兩側(cè)沉積洼地，屬火山堰塞湖相沉積環(huán)境，馬56塊屬該類型。泥質(zhì)沉凝灰?guī)r主要分布在湖盆水體較深地方，屬遠(yuǎn)火山口湖相沉積環(huán)境，如馬7井以南區(qū)域等。

3 沉凝灰?guī)r致密油富集因素

3.1 烴源巖的有效配置及持續(xù)充注機(jī)理是致密油藏富集的關(guān)鍵

條湖組沉凝灰?guī)r致密油藏具“混源充注”特點(diǎn)，條湖組二段中發(fā)育的暗色泥巖和沉凝灰質(zhì)具很好的生烴能力，是一套較好的烴源巖；蘆草溝組二段泥巖為主要烴源巖，該套地層分布范圍廣，有機(jī)質(zhì)豐度高，有機(jī)質(zhì)類型好，處于低熟-成熟階段，是三塘湖盆地主力烴源巖，與上覆儲(chǔ)集體形成良好配置關(guān)系。條湖組沉凝灰?guī)r具一定生烴能力，生成的原油在孔隙中形成油膜，對(duì)沉凝灰?guī)r起潤濕作用，改變了巖石原有的潤濕性，親水性減弱，親油性增強(qiáng)，有效降低了油氣進(jìn)入儲(chǔ)集層的毛細(xì)管阻力。

圖4 火山口控制沉凝灰?guī)r火山湖相類型及分布模式Fig.4 Distribution pattern and volcanic lake type of tuffite

3.2 盆地穩(wěn)定的構(gòu)造背景和淺水湖盆環(huán)境是沉凝灰?guī)r致密油儲(chǔ)集層連續(xù)、穩(wěn)定分布的基礎(chǔ)

火山灰顆粒經(jīng)空中漂移后直接落入水體，避免了遭受風(fēng)化搬運(yùn)可能造成的成分流失。由于火山灰顆粒極細(xì)，以粉砂級(jí)、泥級(jí)為主，在陸源輸入及水動(dòng)力較強(qiáng)的濱湖地帶不易保存，不利于形成連續(xù)、穩(wěn)定分布的儲(chǔ)集層。目前發(fā)現(xiàn)沉凝灰?guī)r普遍發(fā)育波狀層理或粒序?qū)永?，說明其形成時(shí)期水動(dòng)力較弱。此外，巖心中有機(jī)泥質(zhì)紋層、生物碎屑的發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步說明沉凝灰?guī)r沉積時(shí)期，陸源碎屑影響較小，同時(shí)，條湖組沉積時(shí)期，坡度相對(duì)較緩的凹陷北部淺湖-半深湖區(qū)域，由火山噴發(fā)引起的熔巖溢流形成的多個(gè)火山堰塞湖，發(fā)育多個(gè)局部低洼部位，為大面積連續(xù)性沉凝灰?guī)r致密油儲(chǔ)集層的形成和保存提供了有利場(chǎng)所。

3.3 火山湖相發(fā)育規(guī)模和火山灰空降成因的沉積方式是不同類型沉凝灰?guī)r形成的要因

不同類型火山湖相沉積，決定了條湖組沉凝灰?guī)r類型，隨斷裂系統(tǒng)級(jí)次的不同、火山噴發(fā)能量強(qiáng)度的大小及火山灰空降到湖盆的沉積方式，距離火山口的遠(yuǎn)近，沉凝灰?guī)r的類型呈規(guī)律化，距離火山口遠(yuǎn)近，形成不同類型的沉凝灰?guī)r，晶屑玻屑沉凝灰?guī)r通常形成于火山口湖相，越遠(yuǎn)玻屑含量越高，形成玻屑沉凝灰?guī)r，泥質(zhì)沉凝灰?guī)r主要是遠(yuǎn)火山口的湖相產(chǎn)物。

3.4 脫?；饔煤腿芪g作用有效改善了儲(chǔ)集層儲(chǔ)集空間

孔隙結(jié)構(gòu)研究表明，條湖組沉凝灰?guī)r致密油儲(chǔ)集層發(fā)育火山灰粒間微孔、脫?；⒖准熬既芪g微孔3類微孔隙及微縫。脫玻化微孔是主要儲(chǔ)集空間。玻屑脫玻化后由于體積變小，釋放出大量微孔隙。處于低成熟至中成熟階段的湖盆有機(jī)質(zhì)，在熱演化過程中釋放出的有機(jī)酸對(duì)玻屑、長(zhǎng)石質(zhì)晶屑及早期脫?；纬傻拈L(zhǎng)石溶蝕，形成次生溶蝕孔隙，有效改善了儲(chǔ)集層儲(chǔ)集空間。

3.5 溝通蘆草溝組優(yōu)質(zhì)烴源巖的斷縫疏導(dǎo)體系、穩(wěn)定蓋層及后期穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境為條湖組沉凝灰?guī)r聚集成藏提供了保障

斷裂和風(fēng)化殼是二疊系蘆草溝組油氣運(yùn)移的主要輸導(dǎo)通道。馬朗凹陷條湖組一段在二疊紀(jì)末期區(qū)域抬升遭風(fēng)化淋濾改造，形成凹陷北部區(qū)域型風(fēng)化殼，為油氣橫向運(yùn)移的主要通道；下部蘆草溝組主力烴源巖生成的大量烴，通過斷裂和風(fēng)化殼向上垂向運(yùn)移聚集到條湖組沉凝灰?guī)r儲(chǔ)集層中，此外，條湖組頂部區(qū)域上發(fā)育的沉凝灰質(zhì)泥巖、泥巖，為一套良好蓋層，油氣成藏后，三塘湖盆地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)較弱，油氣藏未經(jīng)歷大規(guī)模破壞，多因素共同為三塘湖盆地此類特殊致密油藏提供了保障。

4 結(jié)論

（1）三塘湖盆地火山湖相沉凝灰?guī)r致密油成藏地質(zhì)條件優(yōu)越，條湖組沉積時(shí)期具多期次火山噴發(fā)，火山機(jī)構(gòu)疊置，存在3類沉凝灰?guī)r類型，有利儲(chǔ)集體巖性為中酸性玻屑沉凝灰?guī)r，儲(chǔ)集空間以基質(zhì)微孔、脫?；чg微孔、溶蝕微孔和微縫等“四微”孔隙為主，脫?；чg微孔、溶蝕微孔是主要的儲(chǔ)集空間。存在火山口湖相、火山堰塞湖相兩類火山湖相沉凝灰?guī)r沉積，其中火山堰塞湖相面積大，分布范圍廣，是有利的儲(chǔ)集體相帶。

（2）三塘湖盆地條湖組沉凝灰?guī)r油藏，分布廣泛。烴源巖的有效配置及持續(xù)充注、盆地穩(wěn)定的構(gòu)造背景和淺水湖盆環(huán)境、火山湖相發(fā)育類型、中酸性火山灰和空降成因的沉積方式、后期的脫?；腿芪g作用、溝通條湖組儲(chǔ)集體的斷縫疏導(dǎo)體系，共同控制著油藏的富集及成藏規(guī)模。下一步尋找具有火山堰塞湖相的玻屑沉凝灰?guī)r發(fā)育區(qū)是致密油勘探區(qū)域擴(kuò)展的主要研究重點(diǎn)。

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