車排子凸起西翼石炭系火山沉積巖儲層油氣成藏特征

陳 林

( 中國石化勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257061 )

0 引言

準(zhǔn)噶爾盆地火山巖油氣勘探始于1957年，目前，在石炭—二疊系火山巖中探明油氣儲量超過3.6×108t[24]。火山巖層系成為準(zhǔn)噶爾盆地西北緣石炭—二疊系的主力含油層系之一[25-27]。2011年，在準(zhǔn)噶爾盆地西緣車排子凸起東翼排61井石炭系火成巖中首次獲得工業(yè)油流[20]。在車排子凸起東翼石炭系火山巖油藏的勘探實(shí)踐中，苗春欣等[28]、賈春明等[29]、伊萬順等[30]研究火山巖儲層特征及成藏特征，明確石炭系有利儲層主要發(fā)育于近火山口相組合的角礫巖、玄武巖、安山巖等；對于油氣成藏方面，商豐凱等[20]建立斷層—“毯砂”復(fù)式輸導(dǎo)、有利巖相富集、“硬殼”封蓋的火山巖油氣成藏模式。在車排子凸起東翼中國石化勝利探區(qū)的石炭系火山巖中累計(jì)發(fā)現(xiàn)億噸級儲量規(guī)模，而對于車排子凸起西翼，整體研究程度較低。該區(qū)石炭系巖性與東翼的有明顯差異，整體上以遠(yuǎn)火山口相的火山—沉積巖為主，巖性較為復(fù)雜，基本不發(fā)育火山機(jī)構(gòu)，但多口井在巖性中有油氣顯示，展現(xiàn)良好的勘探前景。由于火山沉積巖為介于火成巖和沉積巖之間的過渡類型，在巖石物理性質(zhì)、組構(gòu)、儲集物性特征、油氣成藏等方面，既不同于常規(guī)火成巖，也不同于常規(guī)沉積巖[31-33]。這種遠(yuǎn)火山口相的火山沉積巖是否發(fā)育有利儲層，在遠(yuǎn)離生烴中心的背景下，油氣如何輸導(dǎo)及成藏等問題制約該區(qū)的勘探部署。筆者分析車排子凸起西翼石炭系的巖性及儲層發(fā)育特征、油氣來源、輸導(dǎo)要素、輸導(dǎo)樣式及蓋層條件等，建立研究區(qū)石炭系油氣成藏模式。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地西緣構(gòu)造位置Fig.1 Tectonic location of the west Junggar basin

車排子凸起構(gòu)造屬于準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起，西北緊鄰扎伊爾山，東面以紅車斷裂帶為界、與昌吉凹陷及中拐凸起相接，南面以艾卡斷裂為界、與四棵樹凹陷相鄰[34](見圖1)。自晚海西期隆升定型以來，長期保持正向構(gòu)造的形態(tài)[35]，整體處于昌吉凹陷和四棵樹凹陷“雙源供烴”、油氣聚集有利的構(gòu)造部位[36]。目前，在車排子凸起東、西兩翼發(fā)現(xiàn)紅山嘴、春風(fēng)、春光、車排子、卡因迪克等油田，研究區(qū)位于車排子凸起的西翼(見圖1)。

車排子凸起地層發(fā)育不全，缺失前石炭系和二疊系，自下而上依次發(fā)育石炭系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系和新近系。其中石炭系為鉆井和地震揭示的最老地層，在整個(gè)車排子凸起區(qū)有分布，鉆井揭示最大厚度為745 m(未鉆穿)，根據(jù)地震資料推測厚度大于5 km，三疊系、侏羅系及白堊系在車排子凸起西翼為一套剝蝕殘留地層，分布局限，新近系沙灣組、塔西河組和獨(dú)山子組分布范圍較廣。

2 儲層發(fā)育特征

2.1 巖石學(xué)

圖2 車排子凸起西翼石炭系鉆揭?guī)r性餅狀圖Fig.2 Pancake diagram of lithologic distribution in Carboniferous system in west wing of Chepaizi uplift

車排子凸起西翼鉆揭石炭系100 m以上的井有9口，根據(jù)巖屑錄井、巖心觀察和薄片鑒定資料，研究區(qū)石炭系發(fā)育的主要巖石類型可分為兩大類，即火山巖和沉積巖。其中，火山巖類包括凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r和玄武巖；沉積巖類包括凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)泥巖和泥巖。統(tǒng)計(jì)9口鉆揭石炭系較深井的巖性(見圖2)，凝灰質(zhì)泥巖、沉凝灰?guī)r和泥巖約占石炭系鉆揭厚度的69.42%，其次為凝灰?guī)r，約占23.86%，并發(fā)育少量的凝灰質(zhì)細(xì)砂巖(5.68%)和火成巖(如玄武巖，約占1.04%)。此外，根據(jù)研究區(qū)1∶5萬磁力異常分布圖，車排子凸起西翼主要以低磁區(qū)為主，在局部發(fā)育高磁區(qū)。因此，車排子凸起西翼石炭系以遠(yuǎn)火山口相的火山沉積巖為主，較少發(fā)育火山巖。

根據(jù)鏡下薄片分析，凝灰?guī)r主要由巖屑、晶屑及火山灰等組成。巖屑成分以流紋質(zhì)和安山質(zhì)為主；晶屑成分主要為石英，局部見長石；火山灰物質(zhì)具脫玻綠泥石化。根據(jù)蘇13井凝灰?guī)rX線衍射分析顯示，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.0%，方沸石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.0%，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43.0%，斜長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.5%，方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%，赤鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%；沉凝灰?guī)r主要由晶屑、少量巖屑和泥質(zhì)膠結(jié)物組成，具沉凝灰結(jié)構(gòu)，晶屑成分以石英為主，少量為長石、黑云母；石英多為次棱角狀；膠結(jié)物為黃褐色泥質(zhì)礦物和少量鈣質(zhì)礦物；凝灰質(zhì)砂巖具砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，顆粒占75%，主要為石英，可見少量長石和巖屑，分選較差，磨圓呈次棱角狀；填隙物為泥質(zhì)和火山灰，呈顆?！s基支撐，膠結(jié)物主要為方解石膠結(jié)，沿裂縫及微孔沉淀或由雜基重結(jié)晶形成；凝灰質(zhì)泥巖具泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要由淺褐色黏土礦物組成，混有少量火山灰，泥質(zhì)間散布少量石英晶屑；泥巖類具有泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，見少量硅質(zhì)、鐵質(zhì)或炭質(zhì)不均勻分布。

2.2 儲集空間類型及儲層物性

根據(jù)巖心、薄片、掃描電鏡及成像測井等資料，研究區(qū)目的層儲集空間類型主要為裂縫，其次可見少量次生溶蝕孔隙(見圖3)，與凸起東翼火山巖儲層孔、縫較為發(fā)育的儲集空間類型[20]具有一定差異性。研究區(qū)目的層儲集空間的裂縫主要為次生裂縫，是油氣的主要儲存空間(見圖3(a-d))，包括構(gòu)造縫、溶蝕縫等。構(gòu)造縫多發(fā)育于構(gòu)造應(yīng)力釋放帶，與斷裂有較好的相關(guān)關(guān)系，規(guī)律性好；溶蝕縫是在原有裂縫基礎(chǔ)上發(fā)生溶蝕而形成的(見圖3(d))，裂縫一般較寬，但分布較少。溶蝕孔隙是由成巖和各類溶蝕作用形成的，包括晶屑溶孔、基質(zhì)溶孔、顆粒內(nèi)溶孔等。晶屑溶孔主要發(fā)育在凝灰?guī)r和凝灰質(zhì)砂巖中，主要表現(xiàn)為長石等晶屑礦物受到溶蝕而產(chǎn)生大小不一的次生孔隙(見圖3(f-g))，形態(tài)多種多樣，常見蜂窩狀和篩孔狀(見圖3(h))；基質(zhì)溶孔主要發(fā)育在凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)泥巖中，表現(xiàn)為基質(zhì)內(nèi)的玻璃質(zhì)脫?；蚰噘|(zhì)溶蝕形成的孔隙，多呈不規(guī)則港灣狀或團(tuán)塊狀；顆粒內(nèi)溶孔主要發(fā)育在凝灰質(zhì)砂巖中，表現(xiàn)為石英、長石和巖屑顆粒邊部或內(nèi)部溶蝕作用形成的(見圖3(i))。根據(jù)巖心分析，石炭系儲層儲集空間最高可達(dá)12.0%～15.0%，大部分儲層儲集空間多在4.0%～12.0%之間，平均為9.1%，滲透率為(0.3～6.0)×10-3μm2，平均為2.5×10-3μm2。春風(fēng)油田石炭系儲層分類評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：孔隙度>10%為Ⅰ類儲層，孔隙度介于5%～10%為Ⅱ類儲層，孔隙度介于1%～5%之間為Ⅲ類儲層，有效儲層整體為Ⅱ類儲層。對于凸起東翼火山巖儲層，根據(jù)巖心分析孔隙度數(shù)據(jù)，油斑以上有效樣品平均孔隙度為12.2%，以Ⅰ—Ⅱ類儲層為主，可見凸起西翼火山沉積巖儲層物性整體差于凸起東翼火山巖儲層的。

2.3 有利儲層控制因素與分布

車排子凸起東翼火山巖儲層主要受巖性、巖相、火山機(jī)構(gòu)、風(fēng)化淋濾作用及構(gòu)造作用控制[20]。車排子凸起西翼石炭系遠(yuǎn)火山口相有利儲層的發(fā)育主要受巖性、巖相和斷裂作用的控制。

圖3 車排子凸起西翼石炭系儲集空間類型及特征Fig.3 Accumulation space types of Carboniferous system in west wing of Chepaizi uplift

圖4 車排子凸起西翼不同巖性儲層發(fā)育概率Fig.4 The histogram of reservoir development probability of different lithology in west wing of Chepaizi uplift

(1)巖性、巖相。對鉆遇石炭系各井的測井解釋成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，各類巖性均具有形成有利儲層的可能性，但不同巖性的儲層發(fā)育概率具有較大的差異性(見圖4)，其中凝灰質(zhì)細(xì)砂巖和凝灰?guī)r儲層發(fā)育概率相對較高，是儲層發(fā)育的有利巖性；沉凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)泥巖和泥巖儲層發(fā)育概率較低，是儲層發(fā)育的不利巖性(見圖4)。由于研究區(qū)石炭系儲集空間以裂縫為主，不同巖性三軸壓縮實(shí)驗(yàn)表明，不同巖性抵抗變形的能力差異懸殊，即不同巖性造縫能力具有差異性，是導(dǎo)致巖性控儲的主要原因。

加速度傳感裝置示意圖如圖4所示,在鋁制圓形管殼內(nèi)固定制備的PDMS薄膜,在薄膜的中心位置粘接圓柱形永磁體質(zhì)量塊,在距永磁體上表面 D=5 mm 處固定磁傳感器通過上位機(jī)對讀出采集的數(shù)據(jù),由此組成整個(gè)加速度傳感檢測裝置。

(2)斷裂體系。車排子凸起受多期構(gòu)造運(yùn)動的影響，研究區(qū)發(fā)育多個(gè)走向的斷層，使石炭系具有網(wǎng)格狀的斷裂格局。野外露頭及鉆井揭示，斷層附近為構(gòu)造裂縫的發(fā)育區(qū)，裂縫具有開啟寬度大、延伸遠(yuǎn)、傾角變化大等特點(diǎn)，特別是近南北走向和近東西走向斷層交匯處常為有利儲層發(fā)育區(qū)。Ⅱ級斷裂控制裂縫發(fā)育范圍可達(dá)1.5～2.5 km。此外，斷層及其周緣的構(gòu)造裂縫可為地層流體及大氣淡水提供滲流通道，使斷層附近地層發(fā)生溶蝕作用，形成次生溶蝕孔隙，進(jìn)一步改善儲層的物性。

研究區(qū)主要發(fā)育火山沉積巖，易溶礦物(主要為長石)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要遠(yuǎn)低于火山巖儲層的，如安山巖中長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)66.1%，火山角礫巖中長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)50.0%以上；火山沉積巖中凝灰質(zhì)砂巖的長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為41.1%，凝灰?guī)r中長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.1%，沉凝灰?guī)r中長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.4%。因此，風(fēng)化淋濾作用對火山沉積巖儲層的發(fā)育影響相對較小，與凸起東翼風(fēng)化殼型儲層具有明顯區(qū)別，也是凸起西翼石炭系儲層儲集空間以裂縫型為主、次生溶蝕孔隙為輔的主要原因。

因此，在斷裂帶發(fā)育區(qū)尋找有利巖性分布區(qū)是車排子凸起西翼有利儲層預(yù)測的關(guān)鍵。根據(jù)儲層發(fā)育的主控因素和地震資料，結(jié)合磁力數(shù)據(jù)分析和斷層分布特征，預(yù)測研究區(qū)石炭系有利儲層的宏觀分布(見圖5)。

3 油氣來源及輸導(dǎo)體系

3.1 油氣來源

對蘇1-5井石炭系原油的生物標(biāo)志化合物進(jìn)行分析，γ蠟烷含量較低，C20、C21、C23三環(huán)萜烷含量低，且呈下降型分布，而ααα20RC27、C28、C29甾烷呈“√”型分布(見圖6(a))，與四棵樹凹陷侏羅系烴源巖生物標(biāo)志化合物特征具有相似性(見圖6(b))，而與二疊系烴源巖生物標(biāo)志化合物特征具有典型差異[20]。因此，研究區(qū)油氣主要來自四棵樹凹陷侏羅系烴源巖。

圖5 車排子凸起西翼石炭系頂面構(gòu)造及有利儲層分布疊合Fig.5 Structural diagram of Carboniferous roof and superposed graph of favorable reservoir distribution on west wing of Chepaizi uplift

圖6 蘇1-5井石炭系原油及四棵樹凹陷侏羅系烴源巖生物標(biāo)志物色譜圖Fig.6 The biomarker chromatogram of su1-5 well Corboniferous oil and Jurassic source rock of Sikeshu sag

3.2 油氣輸導(dǎo)體系

研究區(qū)主要發(fā)育斷層和毯砂兩類油氣輸導(dǎo)要素，形成斷—毯立體復(fù)式輸導(dǎo)的油氣運(yùn)移特征。

3.2.1 要素

(1)斷層。四棵樹凹陷總體上發(fā)育兩個(gè)主要斷裂帶，分別為艾卡斷裂帶和固爾圖斷裂帶。其中固爾圖斷裂帶主要位于四棵樹凹陷的南部，斷裂帶走向平行于伊林黑比爾根山；艾卡斷裂帶位于車排子凸起與四棵樹凹陷之間，是凸起與凹陷的邊界，是由凸起向凹陷擠壓、地層抬升斷裂形成的，由多條斷層組成，主要呈北西、北北西向走向(見圖5)。該斷裂向下切穿基底，向上延伸至中生界，部分地區(qū)延伸至新近系沙灣組底部，具有活動時(shí)間長、斷距大、延伸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，并溝通侏羅系烴源巖與侏羅系砂體和新生界沙灣組砂體，是研究區(qū)重要的油源斷層。

(2)毯砂。研究區(qū)主要發(fā)育兩套厚度大、分布廣、物性好的辮狀河三角洲前緣砂體，分別為新近系沙灣組一段和侏羅系頭屯河組，其中為石炭系儲層提供輸導(dǎo)的砂體主要為侏羅系砂體。綜合鉆井及地震資料分析表明，侏羅系砂體在四棵樹凹陷區(qū)向南進(jìn)入有效烴源巖分布區(qū)，并一直延伸至固2—高泉1井區(qū)以北(見圖7)，向北可延伸至凸起區(qū)，在凸起區(qū)主要?dú)埩粲谑肯淀斆娴奶K1-5井—春29井之間古溝谷之內(nèi)(見圖5、圖8)，通過斷面與石炭系呈側(cè)向?qū)?見圖9)。這套砂體主體厚度為20～200 m(見圖7)，孔隙度介于18%～22%，目前有艾2、四參1、卡9、卡8、卡6、西湖1、春29等井在毯砂中鉆遇豐富油氣顯示，其中卡6、春29等井獲得油氣流，表明毯砂中發(fā)生大范圍的油氣運(yùn)移，證實(shí)毯砂是一套重要的油氣橫向輸導(dǎo)層。

圖7 侏羅系頭屯河組(J2t)毯砂厚度分布Fig.7 The carpet sandstone thickness distribution of Jurassic Toutunhe formation(J2t)

3.2.2 輸導(dǎo)樣式

車排子凸起西翼石炭系油氣主要來自四棵樹凹陷侏羅系烴源巖，油源斷層為艾卡斷裂帶，橫向輸導(dǎo)層為侏羅系毯砂。由過卡8—卡10—春29—蘇1-5井近南北向的連井地震剖面(見圖10)可知，垂向上，艾卡斷裂帶溝通侏羅系烴源巖與毯砂，毯砂在卡8井區(qū)厚度為160 m，其中錄井熒光顯示28 m/4層，測井解釋平均孔隙度為20.1%，平均滲透率為160.0×10-3μm2。在春29井區(qū)，毯砂厚度近100 m，其中錄井熒光顯示11 m/2層(見圖10)，且該井侏羅系試油獲得低產(chǎn)油流，測井解釋平均孔隙度為21.4%，平均滲透率為118.3×10-3μm2。可見毯砂厚度較大，儲層物性好，輸導(dǎo)性能優(yōu)越，向北延伸至凸起區(qū)，在凸起區(qū)與石炭系呈斷面對接，有利于油氣側(cè)向輸導(dǎo)進(jìn)入石炭系。同時(shí)，毯砂上部為厚層的白堊系泥巖、粉砂質(zhì)泥巖(見圖9-10)，可作為優(yōu)質(zhì)的區(qū)域蓋層，保證油氣在侏羅系毯砂中長距離輸導(dǎo)。

圖8 蘇13井區(qū)石炭系頂面立體顯示圖Fig.8 Carboniferous top surface stereoscopic display of Su13 well area

圖9 排4—春29井近東西向地質(zhì)剖面(導(dǎo)航見圖8)Fig.9 Near east-west geological section of Pai4 well to Chun29 well(the navigation line is shown in fig.8)

因此，石炭系油氣輸導(dǎo)樣式為：侏羅系烴源巖生成的油氣沿艾卡斷裂帶油源斷層向上輸導(dǎo)至侏羅系毯砂，在侏羅系毯砂上部白堊系區(qū)域性泥巖蓋層的遮擋下，油氣在侏羅系毯砂中長距離橫向運(yùn)移至盆緣凸起區(qū)，進(jìn)而運(yùn)移進(jìn)入與毯砂呈斷面對接的石炭系儲層(見圖10)。

圖10 過卡8—卡10—春29—蘇1-5井連井地震剖面(導(dǎo)航見圖7)

此外，石炭系長期持續(xù)抬升、遭受強(qiáng)烈的風(fēng)化淋濾作用，長期的風(fēng)化作用在石炭系頂面形成一層風(fēng)化黏土層和充填程度較高的致密水解帶。根據(jù)巖心標(biāo)定測井，利用常規(guī)多參數(shù)測井曲線，對不整合結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效識別，在單井上，石炭系頂部普遍發(fā)育風(fēng)化黏土層和水解帶，其厚度一般為2～50 m，如蘇2井厚度為12 m，蘇1-5井厚度為8 m，其橫向分布較為穩(wěn)定，可作為有效的垂向封堵層。

4 油氣成藏模式及應(yīng)用效果

圖11 車排子凸起西翼石炭系油氣成藏模式Fig.11 Hydrocarbon pooling patte of Carboniferous System in west wing of Chepaizi uplift

建立車排子凸起西翼石炭系油氣成藏模式：四棵樹凹陷侏羅系烴源巖生油、侏羅系毯砂橫向輸導(dǎo)、石炭系頂面硬殼封蓋、在與侏羅系毯砂呈側(cè)向?qū)拥氖肯禂鄩K圈閉中富集成藏(見圖11)。

蘇1-5井—春29井區(qū)兩個(gè)古溝谷的西側(cè)，以及蘇14井以北兩個(gè)有利儲層發(fā)育區(qū)為侏羅系毯砂與石炭系呈斷面?zhèn)认驅(qū)拥挠欣攲?dǎo)區(qū)(見圖5、圖8)，有利勘探面積約為360 km2，古溝谷東側(cè)，侏羅系毯砂與石炭系呈不整合接觸(見圖9)，由于石炭系頂部普遍發(fā)育一套物性差的風(fēng)化黏土層及水解帶，油氣難以側(cè)向運(yùn)移進(jìn)入石炭系。因此，優(yōu)先對三維區(qū)內(nèi)蘇3古溝谷西側(cè)石炭系有利儲層分布區(qū)部署蘇13井，在石炭系累計(jì)鉆遇上百米的油氣顯示，中途測試獲得日產(chǎn)油超過20 m3高產(chǎn)輕質(zhì)油流，上報(bào)預(yù)測儲量超過4×107t，取得較好的勘探效果。

5 結(jié)論

(1)車排子凸起西翼石炭系巖性主要為火山沉積巖，巖性主要為凝灰質(zhì)泥巖、沉凝灰?guī)r、凝灰?guī)r、泥巖及凝灰質(zhì)細(xì)砂巖，儲層主要發(fā)育的巖性為凝灰質(zhì)細(xì)砂巖和凝灰?guī)r。巖性與斷裂是車排子凸起西翼石炭系火山沉積巖儲層發(fā)育的主控因素，而風(fēng)化淋濾作用對儲層發(fā)育的影響較小，儲集空間為裂縫—孔隙型，以裂縫為主。

(2)車排子凸起西翼石炭系油氣主要來自四棵樹凹陷侏羅系烴源巖，艾卡斷裂帶油源斷層和侏羅系毯砂是石炭系油藏輸導(dǎo)的關(guān)鍵，成藏模式為四棵樹凹陷侏羅系烴源巖生油、侏羅系毯砂橫向輸導(dǎo)、石炭系頂面硬殼封蓋、在與侏羅系毯砂呈側(cè)向?qū)拥氖肯禂鄩K圈閉中富集成藏。

(3)明確蘇1-5—春29井區(qū)兩個(gè)古溝谷的西側(cè)，以及蘇14井區(qū)北側(cè)石炭系有利儲層發(fā)育區(qū)為最有利的油氣輸導(dǎo)區(qū)。

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