四川盆地西部二疊系火山作用特征與天然氣勘探潛力

陸建林 左宗鑫 師 政 董 霞 吳清杰 宋曉波

1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所 2.中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院

0 引言

四川盆地位于揚子克拉通內(nèi)偏西北一側(cè)，由于北東向、北西向交叉的深大斷裂影響，成為近菱形的構(gòu)造—沉積盆地。處于揚子板塊、塔里木板塊、青藏高原、印度洋板塊等多個地體的交匯處，受板塊運動作用的影響較為強烈。四川盆地是一個在上揚子克拉通基礎(chǔ)上發(fā)展起來的疊合盆地，從加里東期以來受到了多期構(gòu)造運動的影響。二疊紀的峨眉地裂運動在盆地西南部形成大規(guī)模玄武巖噴發(fā)，并向東逐漸減弱，在川東的華鎣山和達州地區(qū)可見玄武巖沿裂隙噴發(fā)[1-2]。四川盆地西南部有多口井鉆遇二疊系火山巖并獲得油氣發(fā)現(xiàn)，儲層以裂縫型及孔隙型玄武巖為主。

一直以來，四川盆地西部（以下簡稱川西地區(qū)）都被認為火山巖不發(fā)育，由此限制了對該類型氣藏的探索。2016年中國石化西南油氣分公司在川西地區(qū)部署的風險探井（YS1井）在上二疊統(tǒng)鉆揭厚約300 m的火山巖地層。巖心實驗分析儲層平均孔隙度為18%，其中火山角礫巖、凝灰質(zhì)角礫巖物性最好；鉆井過程中該段氣顯示強烈，初步揭示了該領(lǐng)域在川西地區(qū)具有較好天然氣勘探前景，是一個值得探索的重要領(lǐng)域。為此，筆者從川西地區(qū)二疊系火山作用地質(zhì)特征出發(fā)，利用巖石地球化學特征，結(jié)合巖性、巖相分析及地震資料解釋識別，提出了川西地區(qū)火山噴發(fā)機制及火山機構(gòu)分布模式；分析了火山巖儲層特征、烴源條件和天然氣來源，提出了火山巖成藏模式，以期為該區(qū)火山巖氣藏勘探提供借鑒。

圖1 峨眉山大火成巖省構(gòu)造格局和分布示意圖（據(jù)本文參考文獻[6、8]修編）

1 地質(zhì)背景

四川盆地從加里東期以來受到了多期構(gòu)造運動的影響，特別是我國西南地區(qū)的四川、貴州和云南等3省廣泛分布中—晚二疊世之交峨眉山超級地幔柱的活動產(chǎn)物——世界公認的大火成巖省[3-8]，對四川盆地二疊紀及后期的油氣成藏產(chǎn)生重要的影響。

峨眉山大火成巖省主體位于揚子克拉通西緣，跨越揚子克拉通、三江造山帶和華南克拉通等3個一級構(gòu)造單元（圖1）。峨眉山大火成巖省發(fā)育巨厚且廣泛分布的基性火山巖，以玄武巖為主，玄武巖通常分為西、中、東等3大巖區(qū)，自西向東厚度呈減薄趨勢，西部最厚達5 000 m。作為世界上幾個主要大火成巖省之一，峨眉山玄武巖是被公認的地幔柱活動產(chǎn)物。

川西南地區(qū)橫跨中帶和外帶，具有火山巖發(fā)育背景。通常認為外帶火山巖發(fā)育程度低，但近期的勘探表明，外帶也可以發(fā)育較厚的火山巖，并具有一定油氣勘探潛力。四川盆地火山巖的勘探始于20世紀90年代初，隨著周公山構(gòu)造上的ZG1井在二疊系峨眉山玄武巖中獲得工業(yè)氣流，拉開了四川盆地玄武巖儲層勘探天然氣的序幕。近年來，在多個地區(qū)鉆遇玄武巖儲層，例如雷音鋪構(gòu)造的L2井鉆遇峨眉山玄武巖、漢王場構(gòu)造的H1井鉆遇二疊系杏仁狀玄武巖等，顯示出外帶也具有較大的勘探潛力。

2 火山作用特征及形成機制

2.1 火山作用特征

自ZG1井鉆遇二疊系玄武巖（厚301.5 m）以來，川西南地區(qū)先后有多口井鉆遇二疊系火山巖，如H1井（厚225 m）、DS1井（厚141.5 m）、Y1井（厚39.5 m）[9-11]，自川西南地區(qū)向盆地內(nèi)有逐漸減薄的趨勢（圖2）。2016年川西地區(qū)YS1井鉆遇峨眉山玄武巖段厚約300 m。

YS1井的鉆探表明，在峨眉山玄武巖外帶地區(qū)也有較厚的火山巖發(fā)育，且?guī)r性、巖相特征與川西南地區(qū)有較大差異。川西南地區(qū)鉆遇的二疊系火山巖以玄武巖為主，包括少量的凝灰?guī)r及角礫巖，巖相以溢流相為主，少部分為爆發(fā)相。而川西地區(qū)YS1井巖性以凝灰?guī)r、玄武巖為主，夾部分火山巖角礫巖，巖相以爆發(fā)相為主，部分為溢流相。

巖性、巖相特征分析表明，YS1井火山巖可分為3個火山噴發(fā)旋回及一個侵入巖段，噴發(fā)類型為間隙式—淺海海底反復爆發(fā)式噴發(fā)?；鹕交顒又饕荦埲缴顢嗔芽刂疲佚埲綌嗔寻l(fā)育了眾多二級斷層以及放射狀及網(wǎng)狀斷層，受主干斷裂及次級分支斷裂控制，形成了放射狀、枝狀（網(wǎng)狀）火山通道網(wǎng)絡，進而形成了大規(guī)模的火山口群，控制了火山巖的分布。地震剖面上識別的火山通道具有垂向雜亂反射特征，通道附近地層被切穿或錯斷，通道頂部具有火山巖堆積的丘狀反射特征（圖3）。

圖2 川西南地區(qū)二疊系火山巖連井對比剖面及YS1井火山旋回綜合柱狀圖

圖3 川西地區(qū)火山巖與火山通道特征圖

川西地區(qū)火山巖分布受不同的火山機構(gòu)控制，火山巖由高地勢區(qū)向低地勢區(qū)流動，縱向疊置，橫向連片分布。火山口群之間主要以溢流相火山巖為主，近火山口溢流相和爆發(fā)相相互疊置（圖4）。由于鉆井揭示不多，以往認為川西地區(qū)位于峨眉山大火成巖省的外帶，火山活動較弱。YS1井的鉆探表明，在離地幔柱中心較遠的盆地內(nèi)受深大斷裂控制而形成了差異噴發(fā)，也有較厚的火山巖發(fā)育。

圖4 川西坳陷東部斜坡火山機構(gòu)分布模式圖

圖5 YS1井玄武巖Zr/Y—Zr圖版

圖6 YS1井玄武巖Zr—Y—Nb圖版

2.2 火山作用機制

國內(nèi)外學者對峨眉山大火成巖省的成因開展了諸多研究，普遍認為是地幔熱柱的產(chǎn)物。存在諸多證據(jù)，包括火山噴發(fā)時限、沉積學證據(jù)、巖石地球化學證據(jù)等[2-7]。巖石微量元素證據(jù)是判別火山巖構(gòu)造環(huán)境的常用手段之一[12]，國內(nèi)外學者針對峨眉山玄武巖的地球化學特征開展開了相應研究[13-14]，均認為峨眉山玄武巖屬于地幔熱柱成因。

川西地區(qū)火山巖位于峨眉山大火成巖省的外帶，其噴發(fā)背景及動力學機制研究較少。利用YS1井火山巖鋯（Zr）、釔（Y）、鈮（Nb）微量元素特征對其噴發(fā)背景進行探討。YS1井玄武巖Y/Nb比值介于0.78～1.02，屬于拉斑及堿性玄武巖的過渡區(qū)。從Zr/Y—Zr的判別圖解來看（圖5），投點區(qū)域集中在板內(nèi)玄武巖區(qū)，表明玄武巖屬于非板塊邊緣擴張環(huán)境的產(chǎn)物，即屬于板內(nèi)環(huán)境產(chǎn)物。Zr—Y—Nb的判別圖解投點區(qū)域集中在板內(nèi)鈣堿性玄武巖區(qū)（圖6）?；鹕綆r微量元素圖解表明YS1井二疊系玄武巖產(chǎn)于板內(nèi)環(huán)境，屬于鈣堿性玄武巖。

火山巖微量元素地球化學特征表明，YS1井火山巖產(chǎn)于板內(nèi)環(huán)境，具有伸展型鈣堿性火山巖特征，誘發(fā)巖漿熔融的因素可能是地幔熱柱上拱導致的地殼伸展與減薄，其噴發(fā)背景與區(qū)域上峨眉山玄武巖類似，是中二疊世末期峨眉山地幔熱柱的產(chǎn)物。

3 火山巖儲層的基本特征

儲層是油氣成藏的關(guān)鍵要素之一，針對其進行的系統(tǒng)分析是研究油氣成藏的重要組成部分。相比于常規(guī)的碎屑巖和碳酸鹽巖儲層，火山巖在形成環(huán)境、成巖演化、儲集空間和物性特征等方面存在較大的差異性[15-22]。通過利用巖心觀察與描述、鑄體薄片鑒定、壓汞曲線分析等手段，對川西地區(qū)二疊系火山巖儲層的巖石學特征、儲集空間特征以及物性特征開展研究。

3.1 巖石學特征

火山巖儲層巖石類型為火山碎屑巖類，包括含集塊火山角礫巖、凝灰質(zhì)熔結(jié)角礫巖和含角礫凝灰熔巖等，為火山爆發(fā)相的空落亞相和熱碎屑流亞相的產(chǎn)物。巖心樣品中的SiO2含量平均值為52.7%，依據(jù)硅—堿法對研究區(qū)火山巖進行化學分類，該區(qū)的火山巖為基性、中—基性巖類范疇。其主要礦物包括輝石、斜長石、石英和方解石等。黏土礦物含量較高，平均值超過15.0%，其多為輝石、基性斜長石等礦物蝕變而產(chǎn)生。

3.2 儲集空間特征

川西地區(qū)二疊系火山碎屑巖儲層的儲集空間類型十分復雜。儲集空間主要類型包括：原生孔隙、次生孔隙和裂縫等3類。原生孔隙主要包括熔凝團塊與角礫之間骨架孔隙以及熔結(jié)團塊中保存下來的氣孔（圖7-a）；次生孔隙主要為輝石、方解石等晶屑內(nèi)發(fā)育的次生溶孔，多呈網(wǎng)格狀（圖7-b）；基質(zhì)微孔主要為火山基質(zhì)脫?；a(chǎn)生的晶間孔等（圖7-c）；裂縫類型比較多樣，包括構(gòu)造縫、冷凝縫和溶蝕擴大縫等。壓汞資料顯示，儲層最大孔喉半徑介于0.25～5.15 μm，平均值為3.15 μm；孔喉中值半徑多小于0.10 μm，平均值為0.07 μm；平均排驅(qū)壓力為0.69 MPa，少數(shù)可大于2 MPa；中值壓力介于5.9～18.9 MPa?？傮w上，儲層以細－微細孔喉為主，孔隙分選中等。

圖7 YS1井火山巖儲層儲集空間類型圖

3.3 儲層物性特征

對最好的火山巖儲層段的物性分析表明，儲層整體孔隙度較高，最小值為11.8%，最大值為25.5%，平均值為18.0%，孔隙度介于18%～20%的樣品數(shù)頻率最大，占34.1%（圖8-a）；儲層滲透率變化范圍較大，最小值為0.02 mD，最大值為21.20 mD，平均值為1.90 mD，滲透率介于0.1～0.2 mD的樣品數(shù)頻率最大，占33.3%，儲層滲透率的非均質(zhì)較強（圖8-b）。

不同巖性的火山巖儲層中發(fā)育不同的儲 滲空間類型，其導致儲層物性具有差異性。其中，含集塊火山角礫巖的物性較好，孔隙度平均值為18.7%，滲透率平均值為2.1 mD，火山集塊、角礫之間的粒間孔隙為孔隙度、滲透率的主要貢獻者。凝灰質(zhì)熔結(jié)角礫巖的孔隙度較高，孔隙度平均值為18.5%，但受熔結(jié)程度的影響，滲透率非均質(zhì)性較強。而含角礫凝灰熔巖的儲層物性相對較差，孔隙度平均值為16.4%，滲透率平均值為0.2 mD。其他巖性的火山巖樣品物性較差，特別是下部旋回的玄武巖較致密。

圖8 YS1井火山巖儲層物性特征圖

4 火山巖氣藏的勘探潛力

4.1 烴源巖特征及油氣來源

四川盆地海相層系發(fā)育多套烴源層，古生界區(qū)域性的主力烴源層分別為下寒武統(tǒng)筇竹寺組、下志留統(tǒng)龍馬溪組和二疊系，具有分布廣、厚度較穩(wěn)定、品質(zhì)較優(yōu)的特征；局地性的烴源層主要因沉積相帶變化形成，如下寒武統(tǒng)滄浪鋪組、上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M等[23-26]。YS1井鉆至滄浪鋪組（未完），所鉆遇的烴源巖主要包括滄浪鋪組及二疊系烴源巖。滄浪鋪組烴源巖主要為泥質(zhì)灰?guī)r、粉砂質(zhì)頁巖，中二疊統(tǒng)梁山組烴源巖主要為頁巖及煤層，中二疊統(tǒng)棲霞組及茅口組烴源巖主要為石灰?guī)r，龍?zhí)督M烴源巖主要為泥巖夾煤層。

YS1井巖石熱解有機碳數(shù)據(jù)表明，滄浪鋪組烴源巖總有機碳含量（TOC）介于0.89%～5.24%，平均值為2.63%；龍?zhí)督M烴源巖TOC介于2.00%～5.43%，平均值為3.29%；茅口組烴源巖TOC介于0.11%～0.61%，平均值0.30%。從單井熱解數(shù)據(jù)來看，滄浪鋪組及龍?zhí)督M烴源巖有機質(zhì)豐度較高，是較好的烴源巖。茅口組石灰?guī)r部分TOC超過0.5%，也是有效的烴源巖。

YS1井在火山巖段測試過程中獲得一定量的天然氣，天然氣以烴類氣體為主，非烴氣體含量小于5%，在烴類氣體中甲烷含量超過99%，重烴氣體（C2+）

含量極低，均小于0.5%，干燥系數(shù)大于99，屬于典型的干氣。同位素特征是判定天然氣成因的重要參數(shù)之一[23,27]，主要反映母質(zhì)類型的乙烷碳同位素特征表明（圖9），YS1井二疊系火山巖天然氣具有典型的油型氣特征，與川西地區(qū)陸相天然氣具有明顯的區(qū)別。甲烷—乙烷碳同位素特征類似于下寒武統(tǒng)龍王廟組天然氣，氣源可能主要來自下寒武統(tǒng)烴源巖，同時乙烷碳同位素特征接近茅口組及長興組天然氣，表明二疊系烴源巖可能也有貢獻。

圖9 川西地區(qū)天然氣甲烷和乙烷碳同位素值分布特征圖

4.2 天然氣成藏組合

川西地區(qū)二疊系火山巖下發(fā)育多套烴源巖層系，源儲關(guān)系主要為下生上儲，斷層可能是油氣主要的運移通道。如川西坳陷東部知新場地區(qū)，二疊系及寒武系之間發(fā)育較多的垂向斷層（圖10），部分垂向深斷層可能是早期的巖漿通道，后期也可作為油氣的運移通道。數(shù)量眾多的垂向斷層溝通了火山巖與下伏的寒武系及二疊系烴源巖，火山巖地層具備較有利的油氣運移條件。

圖10 川西坳陷東部知新場地區(qū)二疊系火山巖成藏模式圖

從蓋層情況來看，川西地區(qū)火山巖的封蓋條件較好，發(fā)育兩類蓋層。其中龍?zhí)督M為一套分布穩(wěn)定的泥質(zhì)巖，可起到有效的封蓋作用。YS1井實際鉆遇龍?zhí)督M69.5 m，巖性主要為深灰色灰、黑色泥質(zhì)灰?guī)r、泥巖、鋁土質(zhì)泥巖；此外，火山巖段內(nèi)部發(fā)育的致密夾層，也可以作為有效的蓋層。

源儲關(guān)系分析表明，二疊系火山巖成藏組合主要為下生上儲型。下寒武統(tǒng)及中二疊統(tǒng)烴源巖生成的烴類由斷裂溝通，垂向運移至火山巖儲層中，形成了下生上儲的組合關(guān)系（圖10）。

4.3 天然氣勘探潛力

中二疊世末期的峨眉地裂運動，形成了在云貴川地區(qū)大面積分布的峨眉山玄武巖，在四川盆地內(nèi)部，受深斷裂控制火山活動也較強烈，火山巖也有規(guī)模分布。川西地區(qū)爆發(fā)相、溢流相火山巖均有發(fā)育，鉆井揭示火山巖儲層物性好，具備形成大規(guī)模優(yōu)質(zhì)火山巖儲層的條件。盆地內(nèi)部烴源條件好，溝通烴源的斷層發(fā)育，疏導條件較好，可形成有利的天然氣成藏組合。因此，川西地區(qū)二疊系火山巖具備良好的天然氣勘探潛力。

5 結(jié)論

1）川西地區(qū)二疊系火山巖發(fā)育，與峨眉山玄武巖具有一致的構(gòu)造環(huán)境，是峨眉山地幔熱柱的產(chǎn)物。與深大斷裂相關(guān)的斷裂體系形成了放射狀、枝狀及網(wǎng)狀火山通道，控制了川西地區(qū)火山巖的分布。

2）川西地區(qū)火山巖受垂向斷裂控制，發(fā)育多個火山機構(gòu)，火山噴發(fā)發(fā)育3個旋回和一個侵入巖段，為間隙式噴發(fā)—淺海海底反復爆發(fā)式噴發(fā)?；鹕綆r縱向疊置，橫向連片分布。

3）火山巖巖性以凝灰?guī)r、玄武巖，部分火山角礫巖為主。巖石結(jié)構(gòu)組成復雜，形態(tài)變化多樣。發(fā)育爆發(fā)相、溢流相、侵入相等多種相態(tài)類型。部分層段火山巖儲層發(fā)育、物性好，儲集空間類型以熔凝團塊與角礫之間骨架孔隙、溶蝕孔隙及基質(zhì)微孔隙為主。

4）圍繞火山巖層段發(fā)育多套有效烴源巖，與火山巖層段形成有效的油氣成藏組合，具有較好的天然氣勘探前景，是值得探索的重要領(lǐng)域。