四川盆地西部二疊系火山巖氣藏成藏條件分析

羅 冰 夏茂龍 汪 華 范 毅 徐 亮 劉 冉 戰(zhàn)薇蕓

中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院

0 引言

四川盆地西部二疊紀(jì)中晚期廣泛發(fā)育厚層基性火山巖堆積，稱為“峨眉山玄武巖”[1]。四川盆地地腹油氣勘探發(fā)現(xiàn)這套火山巖地層始于1966年，在威遠(yuǎn)西部地區(qū)以中二疊統(tǒng)茅口組為主要目的層的WY25井在上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M鉆遇玄武巖。該盆地第一口火山巖工業(yè)氣井是位于周公山構(gòu)造高部位的ZG1井，該井1992年完鉆，鉆揭二疊系玄武巖厚度301 m，測試產(chǎn)量為25.61×104m3/d[2]。其后為擴(kuò)大勘探成果，針對玄武巖部署了H6井和ZG2井。上述兩口井的勘探失利，使四川盆地火山巖勘探進(jìn)入了低潮，后續(xù)以兼探為主，但均未獲得突破。這一階段對二疊系火山巖成藏條件的研究取得了初步認(rèn)識[3-4]。

近年來，中國石油西南油氣田公司針對制約四川盆地二疊系火山巖勘探的關(guān)鍵問題開展攻關(guān)，研究認(rèn)為：該盆地內(nèi)部基底斷裂附近可能發(fā)育噴溢相火山巖，通過地震刻畫，初步識別出簡陽—中江—三臺地區(qū)火山巖面積6 000 km2；該區(qū)火山巖下伏發(fā)育筇竹組優(yōu)質(zhì)烴源巖，上覆龍?zhí)督M泥巖和三疊系膏巖發(fā)育，區(qū)域保存條件良好，成藏條件優(yōu)越，勘探潛力大。根據(jù)上述認(rèn)識，2017年在四川盆地簡陽地區(qū)針對二疊系火山巖部署了風(fēng)險探井——永探1井，該井鉆遇優(yōu)質(zhì)火山碎屑熔巖孔隙型儲層。中途完井測試獲22.5×104m3/d的工業(yè)氣流，實現(xiàn)了盆地二疊系火山碎屑巖勘探重大發(fā)現(xiàn)，展現(xiàn)了火山碎屑巖氣藏勘探潛力。筆者通過對簡陽地區(qū)火山碎屑巖氣藏特征和成藏條件分析，梳理前人對川西南地區(qū)玄武巖成藏研究成果認(rèn)識，分析對比簡陽地區(qū)火山碎屑巖氣藏和川西南地區(qū)玄武巖氣藏成藏條件異同，評價四川盆地西部二疊系火山巖氣藏成藏條件，以期為進(jìn)一步明確勘探方向和勘探有利區(qū)提供依據(jù)。

1 火山巖氣藏基本地質(zhì)特征

1.1 火山巖分布特征

1.1.1 峨眉山玄武巖發(fā)育概況

峨眉山玄武巖是目前我國唯一被國際學(xué)術(shù)界認(rèn)可的大火成巖省[5-7]。峨眉山玄武巖由東向西，其空間分布可分為4個巖區(qū)：貴州高原巖區(qū)、攀西巖區(qū)、鹽源—麗江巖區(qū)和松潘—甘孜巖區(qū)。其中貴州高原巖區(qū)和攀西巖區(qū)形成于楊子地臺。特別是攀西巖區(qū)地處古老的康滇地軸，構(gòu)造背景更為特殊，具有裂谷發(fā)育特征[8-10]。鹽源—麗江巖區(qū)和松潘—甘孜巖區(qū)形成于揚子板塊西緣。盆地內(nèi)鉆井、地震揭示在川西地區(qū)大面積發(fā)育峨眉山玄武巖。峨眉山玄武巖總體趨勢是西南厚，向東、北逐漸變薄，說明玄武巖噴發(fā)主體在上揚子西南部，這與前人研究的玄武巖噴發(fā)中心在滇東及西昌地區(qū)吻合[11-12]。受小江—龍門山深大斷裂南北向展布、地形和距噴發(fā)點遠(yuǎn)近的影響[13-14]，玄武巖有向北、向東隨遠(yuǎn)離斷裂帶逐漸變薄的趨勢，表明溢流相玄武巖噴發(fā)火山口沿斷裂呈線狀分布。在盆地內(nèi)，周公山西南地區(qū)，玄武巖厚度超過300 m，向東至漢王場厚度超過200 m，再向北到大興場、熊坡、名山等地區(qū)變?yōu)?0～150 m。蓮花山地區(qū)南部厚度達(dá)200 m，向北逐漸減薄至幾十米；北至邛崍市、新津縣附近尖滅。

1.1.2 成都—簡陽火山碎屑熔巖發(fā)育概況

成都—簡陽地區(qū)永勝1、永探1井在龍?zhí)督M（吳家坪階）之下鉆遇火山碎屑熔巖，永探1井巖性主要為火山角礫熔巖、凝灰質(zhì)角礫熔巖。主要礦物為輝石、斜長石、鈉長石、角閃石，還可見大量后期蝕變和交代產(chǎn)物，如鈉長石、綠泥石、伊丁石、方解石等。根據(jù)地震預(yù)測，成都—簡陽地區(qū)靠近火山機(jī)構(gòu)的主體位置的火山巖碎屑熔巖厚度介于200～350 m，向火山機(jī)構(gòu)邊緣，厚度逐漸減薄，直至尖滅。

1.2 氣藏基本特征

1.2.1 永探1井氣藏特征

永探1井以發(fā)育噴溢相火山碎屑熔巖為主，火山角礫熔巖、凝灰質(zhì)角礫熔巖為主要儲集巖類。儲層物性較好，全直徑巖心分析孔隙度介于6.68%～13.22%，全直徑平均孔隙度為10.26%，柱塞樣平均孔隙度為13.11%。全直徑滲透率較高，垂直滲透率介于0.014～0.430 mD，平均為0.190 mD；水平滲透率介于0.52～4.43 mD，平均為2.35 mD。永探1井天然氣中甲烷含量介于98.99%～99.07%、乙烷為0.35%、丙烷為0.03%，為典型的干氣（表1）；硫化氫含量僅為0.61 mg/m3，達(dá)到民用天然氣含硫標(biāo)準(zhǔn)（低于20 mg/m3），按照含硫標(biāo)準(zhǔn)劃分為微含硫氣藏；永探1井實測地層壓力為125.625 MPa，地層溫度為135 ℃，為高溫、超高壓微含硫氣藏。

1.2.2 周公山構(gòu)造玄武巖氣藏特征

周公山地區(qū)二疊系火山巖以溢流相玄武巖為主，基質(zhì)物性差，裂縫有效地改善了儲層物性條件[1]。在ZG2井95.93 m長的巖心中，250個樣品的孔隙度范圍介于0.07%～5.23%，孔隙度大于1%的樣品有61個，占總體的24.4%；171個樣品滲透率介于5.49×10－7～4.65 mD，大于0.1 mD的樣品僅15個，占總數(shù)的8.8%，物性條件較差。從ZG1井天然氣組分及地球化學(xué)特征分析來看，周公山構(gòu)造玄武巖氣藏天然氣甲烷含量為96.59%、乙烷為0.22%、丙烷為0.008%，屬于典型的干氣（表1），基本不含硫化氫。根據(jù)實測壓力數(shù)據(jù)，ZG1井火山巖壓力梯度為0.18 MPa/100 m，折算至產(chǎn)層中部深度壓力為32.20 MPa，壓力系數(shù)為1.12，結(jié)合生產(chǎn)中出水情況分析，周公山玄武巖氣藏為常壓底水氣藏。

表1 二疊系火山巖天然氣組分及碳同位素數(shù)據(jù)表

圖1 川西地區(qū)火山巖天然氣與相關(guān)氣藏天然氣δ13C1與δ13C2分布關(guān)系圖

2 火山巖成藏條件評價

2.1 主力烴源巖

川西地區(qū)與二疊系火山巖氣藏相關(guān)的烴源層主要有其下伏中二疊統(tǒng)棲霞組和茅口組[1-3]、寒武系筇竹寺組烴源巖和上覆上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M烴源巖。由川西南部向中北部，3套主要相關(guān)烴源層的烴源發(fā)育程度有較大差異，區(qū)域構(gòu)造強(qiáng)弱的變化，也使烴源層與火山巖儲層的運移疏導(dǎo)關(guān)系有差異。筆者認(rèn)為不同區(qū)域火山巖氣藏的主力烴源巖不同，成藏模式有差異。

2.1.1 川西南部火山巖氣藏氣源以下二疊統(tǒng)為主

前人研究川西南部ZG1井二疊系玄武巖氣藏氣源主要來源于二疊系烴源巖。宋文海等[3]認(rèn)為ZG1井二疊系玄武巖氣藏天然氣源主要是上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M煤型氣經(jīng)側(cè)向運移的結(jié)果，也可能有下伏中二疊統(tǒng)的混源氣。黃籍中等[2]認(rèn)為ZG1井二疊系玄武巖氣藏天然氣具有“三高一低一無”特征，即高含甲烷、高干燥系數(shù)、高同位素值、低含重?zé)N、無硫化氫，屬有機(jī)成因的煤系高成熟晚期氣，主要來自上二疊統(tǒng)煤系烴源層。楊毅等[1]研究認(rèn)為中二疊統(tǒng)棲霞組和茅口組是ZG1井二疊系玄武巖氣藏主要烴源層。筆者分析發(fā)現(xiàn)ZG1井天然氣碳同位素值與川西南茅口組氣藏天然氣碳同位素值的分布較一致（圖1），認(rèn)為ZG1井二疊系玄武巖氣藏氣源主要來源于中二疊統(tǒng)烴源巖。

2.1.2 成都—簡陽火山巖氣藏氣源以寒武系筇竹寺組為主

永探1井二疊系火山巖天然氣甲烷、乙烷碳同位素與相關(guān)烴源巖碳同位素值對比分析表明，天然氣來源以寒武系筇竹寺組為主。分析與火山巖相關(guān)的3套主要烴源層的干酪根同位素值分布（圖2），寒武系筇竹寺組頁巖干酪根δ13C分布于－30‰～－37‰，永探1井δ13C1和δ13C2均分布于該區(qū)間內(nèi)（圖2）。中二疊統(tǒng)干酪根δ13C分布于－24‰～－31.6‰，上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M干酪根δ13C分布于－23.5‰～－29.5‰，永探1井天然氣δ13C1和δ13C2均分布于該區(qū)間以外偏輕區(qū)域（圖2）。上述天然氣同位素與烴源層干酪跟同位素對比表明，永探1井火山巖氣源主要來源于寒武系筇竹寺組。

永探1井二疊系火山巖天然氣甲烷、乙烷碳同位素值與相關(guān)氣藏甲烷、乙烷碳同位素值對比分析表明，天然氣來源以寒武系筇竹寺組為主（圖1、2）。永探1井δ13C1介于－32.11‰～－32.22‰，平均為－32.17‰，δ13C2介于－34.06‰～－34.48‰，平均為－34.27‰（表1），為高—過成熟油型氣特征，從碳同位素值分布看與磨溪龍王廟組氣藏較一致，與威遠(yuǎn)寒武系筇竹寺組頁巖氣接近，磨溪龍王廟組氣藏氣源主要為下伏寒武系筇竹寺組[15-19]，表明永探1井天然氣與寒武系筇竹寺組有較強(qiáng)親緣關(guān)系。ZG1井δ13C1為－28.10‰，δ13C2為－31.06‰（表1），相比較永探1井甲烷、乙烷同位素均顯著偏輕，表明永探1井火山巖氣源與周公山地區(qū)火山巖有較大差異。上述相關(guān)氣藏天然氣同位素對比表明，永探1井火山巖氣源主要來源于寒武系筇竹寺組。永探1井巖心上的裂縫和溶洞內(nèi)發(fā)育碳質(zhì)瀝青，表明烴源生油后就進(jìn)入火山巖儲層，現(xiàn)今氣藏可能為油裂解氣藏。

永探1井二疊系火山巖天然氣組分中硫化氫含量極低，為0.61 mg/m3，體積分?jǐn)?shù)為3.8×10－8，該特征與威遠(yuǎn)寒武系頁巖氣較為一致，而以寒武系筇竹寺組為主要烴源的磨溪龍王廟組氣藏含硫化氫較高，體積分?jǐn)?shù)為5.4×10－3左右。分析上述現(xiàn)象，筆者發(fā)現(xiàn)四川盆地碳酸鹽巖氣藏普遍含硫化氫，認(rèn)為硫化氫來源主要與儲層有關(guān)，與氣源為海相烴源或陸相烴源無關(guān)。所以，火山巖氣藏微含硫特征并不代表烴源為陸相烴源層，與天然氣主要來源于寒武系筇竹寺組不矛盾。

2.1.3 火山巖氣藏?zé)N源條件評價

簡陽、中江—三臺地區(qū)二疊系火山巖下伏發(fā)育寒武系德陽—安岳臺內(nèi)裂陷，該裂陷呈NNW向展布，南北長320 km、東西寬50～300 km[15-17]。裂陷內(nèi)下寒武統(tǒng)麥地坪組和筇竹寺組發(fā)育厚層優(yōu)質(zhì)烴源巖，烴源巖厚度介于300～450 m，是鄰區(qū)的3倍，有機(jī)碳平均含量大于2%，為鄰區(qū)的2倍，這兩套烴源巖累計生氣強(qiáng)度介于60×108～120×108m3/km2（圖3），為鄰區(qū)的4倍以上[18-19]。簡陽地區(qū)生烴強(qiáng)度介于40×108～80×108m3/km2，中江—三臺地區(qū)生烴強(qiáng)度介于80×108～120×108m3/km2，烴源條件優(yōu)越。

川西地區(qū)中二疊統(tǒng)發(fā)育茅口組、棲霞組烴源巖。最新單井資料統(tǒng)計和野外剖面觀察表明，川西地區(qū)棲霞組泥灰?guī)r厚度在10 m左右，向川中地區(qū)厚度減薄，川西北地區(qū)棲霞組有機(jī)碳含量較高，介于1.2%～1.7%。川西地區(qū)茅口組泥灰?guī)r厚度介于80～120 m，由川西—川中—川東呈先減薄后增厚的趨勢，有機(jī)質(zhì)豐度介于1.0%～1.6%。川西地區(qū)與火山巖疊合區(qū)中二疊統(tǒng)的兩套烴源巖生氣強(qiáng)度介于6×108～ 20×108m3/km2（圖 4）。

圖2 川西地區(qū)火山巖天然氣碳同位素值與相關(guān)氣藏及烴源層干酪根碳同位素值分布圖

2.2 儲層發(fā)育控制因素及分布

川西地區(qū)發(fā)育兩種主要巖性：火山碎屑巖與玄武巖，其儲層類型因巖性不同具有差異，控制儲層發(fā)育的因素也不同。

以周公山地區(qū)為代表的玄武巖儲層為孔隙—裂縫雙介質(zhì)類型儲層，低孔隙度—中等滲透率特征[20]。ZG2井巖心基質(zhì)孔隙度為2.2%，基質(zhì)孔隙發(fā)育程度較差。盆地內(nèi)溢流相玄武巖的發(fā)育與峨眉山大火成巖省有密切的成因聯(lián)系，溢流范圍廣、厚度大、下部巖漿房規(guī)模也較大，使已噴出的玄武巖經(jīng)受持續(xù)高溫，緩慢冷卻因而結(jié)晶較充分，礦物晶體間孔隙不發(fā)育。同時氣體隨著溫度下降而逐漸揮發(fā)出來，來不及散逸的則聚集至噴發(fā)旋回上部，可形成較為富集的氣孔。因此溢流相火山巖上部為儲層發(fā)育較有利的部位。ZG2井巖心裂縫較發(fā)育，全直徑巖心分析垂向和水平滲透率分別為24.0 mD、22.6 mD。裂縫發(fā)育受構(gòu)造和斷層的控制，是玄武巖基質(zhì)孔隙聯(lián)通的必要條件。

簡陽—秋林地區(qū)發(fā)育的噴溢相火山碎屑熔巖則表現(xiàn)出快速冷凝的特征?？焖倮鋮s使礦物結(jié)晶程度低，玻璃質(zhì)含量較高，經(jīng)歷脫玻化作用后形成大量彌散狀孔隙；儲層中發(fā)育大量后期蝕變礦物，如綠泥石、綠簾石、伊丁石等，認(rèn)為后期受熱液蝕變和表生溶蝕作用使孔隙進(jìn)一步溶蝕擴(kuò)大，形成脫玻化溶蝕孔隙。簡陽地區(qū)噴溢相火山巖距離峨眉山大火成巖省噴發(fā)中心較遠(yuǎn)，較川西南地區(qū)玄武巖規(guī)模較小，有可能為水下噴發(fā)，為其快速冷卻形成優(yōu)質(zhì)儲層創(chuàng)造了有利條件。

2.3 生、儲、蓋匹配

川西南周公山地區(qū)火山巖與中二疊統(tǒng)烴源形成下生上儲組合，火山巖上部發(fā)育上二疊統(tǒng)沙灣組砂泥巖及三疊系膏鹽層，生、儲、蓋組合較好。區(qū)域構(gòu)造、斷裂較發(fā)育，對保存條件有較大影響。簡陽地區(qū)二疊系火山巖源、儲、蓋組合匹配良好，成藏條件好?；鹕綆r下伏為德陽—安岳裂陷內(nèi)筇竹寺組厚層優(yōu)質(zhì)烴源巖，斷層由燈影組斷至飛仙關(guān)組內(nèi)部，有效溝通源巖和儲層，形成下生上儲的近源高效組合（圖5）?；鹕綆r上覆上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M泥巖厚度大，是良好的直接蓋層，三疊系厚層膏巖蓋層廣覆式分布，為優(yōu)質(zhì)區(qū)域蓋層。

圖3 四川盆地下寒武統(tǒng)筇竹寺組生烴強(qiáng)度圖

2.4 圈閉類型及含氣有利區(qū)分析

根據(jù)前人研究成果，周公山構(gòu)造玄武巖氣藏受構(gòu)造、斷層、裂縫、巖性控制，氣藏屬裂縫—孔隙型儲層塊狀底水氣藏[1-4]。成都—簡陽地區(qū)二疊系火山巖整體發(fā)育一個大型的構(gòu)造—巖性（地層）復(fù)合圈閉。成都—簡陽二疊系火山巖位于現(xiàn)今向東南抬升的構(gòu)造斜坡位置，不發(fā)育構(gòu)造圈閉，永探1井已經(jīng)獲得工業(yè)氣流，向高部位火山巖地層逐漸減薄，巖相可能變?yōu)橐缌飨?，直至火山巖尖滅，圈閉東南部構(gòu)造高部位由火山巖巖性變化及地層尖滅形成遮擋，是圈閉形成的關(guān)鍵控制因素（圖6），永探1井測試產(chǎn)純氣，不產(chǎn)地層水，測試段底界海拔約為－5210 m，初步證實成都—簡陽地區(qū)有利含氣區(qū)面積達(dá)1 300 km2，展現(xiàn)出巨大的勘探潛力；位于圈閉低部位的永勝1井測試氣水同產(chǎn)，推測區(qū)域氣水界面可能在永勝1井附近，整個區(qū)域火山巖的含氣有利區(qū)可能進(jìn)一步擴(kuò)展，勘探前景廣闊。

2.5 成藏條件評價

圖4 四川盆地中二疊統(tǒng)生烴強(qiáng)度圖

圖5 成都—簡陽地區(qū)永勝1井—永探1井連井地震剖面圖

成都—簡陽地區(qū)二疊系火山巖具有良好的成藏條件，烴源巖條件好，儲層發(fā)育，發(fā)育區(qū)域性蓋層和良好保存條件?；鹕綆r下伏為德陽—安岳裂陷內(nèi)下寒武統(tǒng)厚層烴源巖，有機(jī)質(zhì)豐度高、厚度大。該套烴源巖生成的烴類向上沿龍泉山斷裂穿過滄浪鋪組后，直接進(jìn)入火山巖儲層（圖5）。該區(qū)為火山機(jī)構(gòu)主體位置，火山巖相為近火山噴發(fā)的噴溢相，巖性以火山碎屑熔巖為主，永探1井鉆井揭示的儲層以孔隙性儲層為主，孔隙度平均值高達(dá)10.26%?；鹕綆r上部發(fā)育廣覆式的龍?zhí)督M泥巖和三疊系膏巖蓋層。生、儲、蓋條件好，斷層溝通烴源巖，有利于簡陽地區(qū)形成大面積的構(gòu)造—巖性氣藏（圖5）。中江—三臺地區(qū)火山巖分布面積超4 000 km2，與簡陽地區(qū)具有相似的成藏條件，是下一步勘探集中突破的有利區(qū)。周公山—漢王場地區(qū)烴源和保存條件是制約勘探的關(guān)鍵問題，該區(qū)寒武系烴源巖不發(fā)育，主要為中二疊統(tǒng)烴源，烴源條件相對簡陽地區(qū)較差，該區(qū)斷裂發(fā)育，保存條件也較簡陽地區(qū)差。川西南—蜀南地玄武巖區(qū)下一步火山巖天然氣勘探方向應(yīng)向東部擴(kuò)展，找寒武系烴源發(fā)育、有較好保存條件的區(qū)域。

圖6 成都—簡陽地區(qū)火成巖構(gòu)造—巖性復(fù)合圈閉氣藏剖面及含氣有利區(qū)預(yù)測圖

3 結(jié)論

1）簡陽地區(qū)永探1井二疊系火山碎屑巖氣藏天然氣來源以寒武系筇竹寺組為主。簡陽地區(qū)德陽—安岳裂陷內(nèi)發(fā)育巨厚的寒武系優(yōu)質(zhì)烴源巖，為火山碎屑巖氣藏提供了充足的氣源。

2）簡陽地區(qū)永探1井噴溢相火山碎屑巖具有快速冷凝的特征，有利于形成脫?；⒖祝B合后期蝕變和溶蝕作用，發(fā)育以脫?；芪g微孔為主要儲集空間的孔隙型儲層。

3）簡陽地區(qū)火山碎屑巖儲層與寒武系烴源巖為下生上儲的近源高效源儲組合，上覆發(fā)育龍?zhí)督M泥巖和三疊系膏巖作為良好蓋層，封堵烴類向上運移，生、儲、蓋組合良好。烴源斷層有效溝通了源巖和儲層，發(fā)育構(gòu)造—巖性復(fù)合圈閉，天然氣成藏條件優(yōu)越、勘探潛力大。

4）中江—三臺地區(qū)火山巖分布面積超4 000 km2，與簡陽地區(qū)具有相似的成藏條件，是下一步勘探集中突破的有利區(qū)。川西南—蜀南地區(qū)玄武巖下一步天然氣勘探方向應(yīng)向東部擴(kuò)展，找寒武系烴源巖發(fā)育、有較好保存條件的區(qū)域。