徐家圍子斷陷安達(dá)凹陷火石嶺組天然氣成藏條件分析

劉紅艷

大慶油田有限責(zé)任公司 勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712

0 引言

以往對徐家圍子斷陷深層的勘探主要集中于營城組火山巖和沙河子組致密氣，在儲層、成藏等方面取得了一些成果和認(rèn)識[1-4]，火石嶺組存在地層埋深大、火山巖體刻畫難等問題，一直沒有作為勘探的重點，僅在兼探井中見到氣流。近年來，隨著深層天然氣勘探的不斷深入，安達(dá)凹陷火石嶺組由于其平面分布范圍廣、火山巖儲層較優(yōu)質(zhì)、勘探前景較好，有望成為戰(zhàn)略接替區(qū)域。松遼盆地南部小斷陷火石嶺組已獲油氣勘探突破，對松遼盆地北部火石嶺組油氣勘探意義重大。

前人對松遼盆地火石嶺組做了大量的研究工作，主要集中在松遼盆地南部斷陷地層特征[5]、儲層特征[6-8]、源巖特征[9]和成藏認(rèn)識[10-11]等方面。松遼盆地火石嶺組下部為沉積巖，上部為火山巖、火山碎屑巖夾沉積巖[5]。發(fā)育碎屑巖與火山巖兩類儲層，沙河子組是深層天然氣的主要來源，火石嶺組具有一定的生烴能力[9]。徐家圍子斷陷火石嶺組的研究則局限在地層分布特征及火山巖儲層特征等方面[12-13]，缺乏對成藏條件及富集規(guī)律的整體認(rèn)識，目前尚處于勘探的初級階段，截至2021年底，僅有15口井鉆至火石嶺組，整體勘探程度低。鉆探實踐表明火石嶺組巖芯孔隙度介于0.5%～6.7%之間，平均為2.5%，儲層致密，但仍在兼探井中發(fā)現(xiàn)物性特征相對較好的火山巖氣藏。安達(dá)凹陷DS28井獲得了產(chǎn)量為9.3×103m3/d的低產(chǎn)氣流，證實了徐家圍子斷陷火石嶺組仍具有一定的油氣勘探潛力。筆者依據(jù)研究區(qū)地震剖面及巖芯地化分析、鑄體薄片、孔隙度資料等，從源巖、儲層、蓋層及區(qū)域構(gòu)造活動幾個方面，對徐家圍子斷陷安達(dá)凹陷火石嶺組成藏條件進(jìn)行綜合分析，明確天然氣富集規(guī)律，以期尋找新的勘探領(lǐng)域。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

徐家圍子斷陷是一個近SN向展布的箕狀斷陷。在火石嶺組沉積時期，北部的安達(dá)地區(qū)、徐中南部地區(qū)局部發(fā)育控陷斷裂。安達(dá)凹陷位于徐家圍子斷陷北部，受徐西斷裂北段控制呈NNW向展布(圖1)，凹陷中心位于西部，由宋站低隆起將其與徐家圍子斷陷主體分隔[14]?；鹗瘞X組為拼合基底向斷陷盆地轉(zhuǎn)化過程中形成的一套以火山巖為主的過渡層，受燕山期晚期伊澤奈崎板塊NW向俯沖作用，松嫩板塊由拼合基底向斷陷逐漸轉(zhuǎn)換，形成了坳隆相間的構(gòu)造格局，地幔隆升導(dǎo)致大規(guī)模的巖漿活動，形成了一套以中性火山噴發(fā)巖為主的過渡層。火一段為分布局限的含煤碎屑沉積[15]，局部有火山噴發(fā)，可作為火石嶺組源巖；火二段火山活動頻繁，整體上為一套火山巖及火山碎屑巖建造，在火山噴發(fā)間歇的火山地貌洼地上，局部沉積了以鄰近火山巖為物源的含火山巖成分的碎屑巖(圖2)?；鹗瘞X組形成了火山巖、砂礫巖兩種類型的儲層，具備自生自儲條件。沙河子組暗色泥巖廣布，局部煤層發(fā)育，是斷陷深層主要的烴源巖層系，登二段泥巖全區(qū)分布，是深層天然氣的第一套區(qū)域蓋層。

圖1 徐家圍子斷陷安達(dá)凹陷火石嶺組構(gòu)造圖Fig.1 Structure of Huoshiling Formation in Anda sag, Xujiaweizi fault depression

圖2 安達(dá)凹陷火石嶺組巖性柱狀圖Fig.2 Lithologic column of Huoshiling Formation in Anda sag

2 成藏條件分析

2.1 發(fā)育沙河子組和火一段、火二段3套源巖

火石嶺組自下而上發(fā)育火一段、火二段和沙河子組3套源巖，形成旁生側(cè)儲、自生自儲和下生上儲3種源儲組合樣式。

火一段湖相泥巖是松遼盆地深層主要的烴源巖層系之一。安達(dá)凹陷火一段為初始拉張時期形成的斷陷湖盆沉積，地震相預(yù)測發(fā)育完整的沉積體系，湖盆中部發(fā)育烴源巖，預(yù)測泥巖厚度100～400 m，面積為238 km2，火二段火山巖直接覆蓋其上，源儲匹配好?；鸲螢榛鹕絿姲l(fā)間歇湖盆，局部發(fā)育碎屑巖沉積，鉆遇的火二段泥巖為薄夾層，巖芯觀察多見凝灰質(zhì)，分選較差，見少量煤屑，飽和烴氣相色譜質(zhì)譜證明母質(zhì)來源以高等植物為主，是以周圍火山巖作為物源的近物源沉積。源巖有機質(zhì)類型為Ⅱ2～Ⅲ型，與沙河子組烴源巖干酪根類型相似。從有機質(zhì)豐度指標(biāo)看(表1)，有機碳含量為0.10%～5.93%，平均為1.87%，含煤樣品有機碳含量為5.76%～63.76%，平均值是22.56%，為中等-好的烴源巖，鏡質(zhì)體反射率(Ro)分別為2.8%、3.0%，為過成熟源巖，具備生烴潛力。地震相預(yù)測泥巖厚度100～300 m。

表1 火石嶺組及沙河子組烴源巖評價

氣源對比表明，沙河子組暗色泥巖和煤系地層是深層天然氣的主要貢獻(xiàn)者[16]。對安達(dá)凹陷沙河子組及火石嶺組氣樣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)沙河子組氣樣甲烷含量平均為92.69%，干燥系數(shù)為43.43；而火石嶺組氣樣甲烷含量為96.20%，干燥系數(shù)為67.92，沙河子組氣樣干燥系數(shù)較低，反映了源內(nèi)成藏的特征，火石嶺組氣樣受運移分餾的影響，甲烷含量較沙河子組高，認(rèn)為火石嶺組天然氣主要來自于洼槽區(qū)沙河子組源巖的遠(yuǎn)距離運移。安達(dá)凹陷發(fā)育沙河子組生烴中心，生氣強度>20×108m3/km2的面積為724 km2。沙河子組暗色泥巖及煤層比較發(fā)育，為本區(qū)主力烴源巖發(fā)育層系。源巖富含有機質(zhì)，干酪根類型以Ⅲ型為主。暗色泥巖全區(qū)發(fā)育，厚度普遍>200 m，最厚可達(dá)1 000 m，泥巖有機碳平均含量為2.42%，生烴潛量(S1+S2)平均值為8.34 mg/g，鏡質(zhì)體反射率為1.2%～3.0%，平均值是2.0%，達(dá)到高-過成熟階段(表1)。沙河子組煤層在安達(dá)凹陷廣泛分布，一般厚度5～50 m，最厚150 m，有機碳平均含量為35.54%，生烴潛量(S1+S2)平均值為11.32 mg/g，鏡質(zhì)體反射率為1.1%～2.5%，平均值為1.8%，達(dá)到高-過成熟階段(表1)。安達(dá)凹陷沙河子組源巖整體發(fā)育較好，煤層發(fā)育，具備較強的供烴能力。

沙河子組與火石嶺組的源儲接觸方式有兩種，一種是斜坡帶源儲側(cè)向?qū)幽Ｊ?，在這種對接方式下，天然氣向側(cè)上方運移；另一種是洼槽區(qū)源內(nèi)上下疊置對接模式，這種對接方式具有近源優(yōu)勢，但是天然氣由上向下運移阻力大，若存在火山機構(gòu)或者構(gòu)造凸起，才能形成有效的側(cè)向?qū)舆\移?；鹗瘞X組與沙河子組源儲對接巖性模式為砂巖對接、砂泥互層對接和泥巖對接3種(圖3)：沙河子組沉積相早期以扇三角洲為主，與火石嶺組為砂巖對接；中期為最大湖泛期濱淺湖相，以泥巖對接為主；晚期為辮狀河三角洲沉積，以互層對接為主?？叵輸鄬右粋?cè)火石嶺組分布范圍要小于沙河子組邊界，對接模式以泥巖對接和互層對接為主，凹陷中心為湖相泥巖沉積，對接模式為泥巖對接。

圖3 沙河子組與火石嶺組對接巖性模式Fig.3 Lithologic contact mode between Shahezi Formation and Huoshiling Formation

安達(dá)凹陷沙河子組烴源巖主要生氣期在100～72 Ma(登婁庫組沉積末期—四方臺組沉積時期)，存在3次生氣高峰，分別為泉頭組沉積末期(95 Ma)、姚家組沉積末期(85 Ma)和嫩江組沉積末期(77 Ma)，嫩江組沉積末期生氣速率最高(圖4)。生氣高峰出現(xiàn)在登婁庫組蓋層沉積之后，有利于深層天然氣的成藏。

圖4 安達(dá)凹陷沙河子組烴源巖生氣史Fig.4 Gas generation history of source rocks of Shahezi Formation in Anda sag

2.2 構(gòu)造活動促進(jìn)成藏過程

構(gòu)造活動不僅控制著斷陷的形成，還控制著源巖的展布、儲層的發(fā)育、圈閉的形成、油氣的運聚以及蓋層的有效性。就安達(dá)凹陷而言，沙河子組沉積時期的伸展作用，促進(jìn)了宋站生烴中心的形成，基本奠定了未來氣田的分布格局[17]。徐家圍子斷陷在經(jīng)歷了沙河子組沉積時期的強烈拉伸斷陷之后，在沙河子組沉積末期，發(fā)生了強烈的擠壓作用，火石嶺組和沙河子組地層發(fā)生褶皺反轉(zhuǎn)，形成了安達(dá)東部大型鼻狀構(gòu)造帶。沙河子組頂面因褶皺而遭受剝蝕，部分地區(qū)剝蝕殆盡，火石嶺組也遭受了較大范圍的剝蝕[17]，安達(dá)東部斜坡上的火山機構(gòu)暴露時間長，持久的風(fēng)化剝蝕及淋濾作用，使殘留火石嶺組的表層巖石儲集性能得到改善，成為最重要的儲層類型之一。

作為重要的油氣聚集圈閉，安達(dá)鼻狀構(gòu)造形成于沙河子組沉積末期，此時鼻狀構(gòu)造埋深0～900 m，面積575 km2，登婁庫組蓋層沉積后形成有效圈閉。主力生烴層系沙河子組源巖在泉頭組沉積時期達(dá)到生氣高峰，成藏期該鼻狀構(gòu)造一直存在，是天然氣的重要指向區(qū)。

2.3 多火山機構(gòu)疊加形成大型火山巖儲層

火石嶺組主要由紫色中性火山巖(安山巖、安山質(zhì)火山碎屑巖和凝灰?guī)r)、灰色陸相碎屑沉積巖組成，以中性火山巖為主，含少量碎屑巖，酸性火山巖少見。中基性火山巖占64%，酸性火山巖為10%，碎屑巖為26%。火石嶺組巖芯孔隙度介于0.5%～6.7%，平均2.5%，儲層致密?；鹕綆r平均孔隙度2.9%，碎屑巖平均孔隙度2.0%。火山巖作為儲集層有其自身特殊性，受壓實作用影響較小，儲層物性優(yōu)于沉積巖儲層，是深層火石嶺組的主要儲層類型。

依據(jù)火山噴發(fā)后殘留的火山形態(tài)、距離火山口的位置，將火山巖體分為3種類型：火口區(qū)、近火口區(qū)和遠(yuǎn)火口區(qū)?；鹂趨^(qū)即火山噴發(fā)中心區(qū)，巖性主要包括火山角礫巖類、熔巖類和凝灰?guī)r類，巖相以爆發(fā)相為主，同時發(fā)育溢流相和火山通道相；近火口區(qū)距離火山噴發(fā)中心較火口區(qū)遠(yuǎn)，巖性以火山熔巖為主，巖相包括爆發(fā)相與溢流相，以溢流相為主；遠(yuǎn)火口區(qū)距離火山噴發(fā)中心最遠(yuǎn)，巖性以沉凝灰?guī)r等碎屑巖為主，巖相以火山沉積相為主。

火山巖發(fā)育的儲集空間類型可分為原生和次生兩種，其中原生孔隙可見氣孔。次生孔隙可見杏仁體溶蝕孔、基質(zhì)溶蝕孔、構(gòu)造裂縫?？紫?、裂縫充填現(xiàn)象普遍，充填物包括方解石、綠泥石等。不同火山巖相儲集空間類型存在差異。以DS28井為例，該井位于火口區(qū)爆發(fā)相，測井平均孔隙度為7.2%，其鄰井DS34井位于近火口溢流相，平均孔隙度為1.9%。從巖性上看，DS28井巖性是安山巖，斑晶主要為斜長石和暗色礦物(角閃石或黑云母)，基質(zhì)結(jié)晶較好，晶間充填隱晶質(zhì)，暗色礦物和較好的結(jié)晶程度為次生溶孔的發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，而DS34井巖性是?；鋷r，基質(zhì)結(jié)晶較差，成分為鎂鐵玻璃質(zhì)，不易溶蝕，雖然氣孔發(fā)育，但是全部被沸石、硅質(zhì)和玉髓充填(圖5)。筆者根據(jù)少量鉆井建立火石嶺組儲層相帶發(fā)育模式，認(rèn)為優(yōu)勢巖相是成藏的關(guān)鍵，火口區(qū)爆發(fā)相儲層條件好于近火口溢流相。

a. DS28井，3 684 m，安山質(zhì)角礫熔巖，裂縫；b. DS28井，3 664 m，安山巖，暗色礦物溶孔，基質(zhì)溶孔；c. DS34井，3 396 m，?；鋷r，裂縫，氣孔充填；d. DS34井，3 350 m，?；鋷r，氣孔充填。圖5 安達(dá)凹陷火石嶺組典型薄片照片F(xiàn)ig.5 Photos of typical thin sections of Huoshiling Formation in Anda sag

安達(dá)地區(qū)火山巖廣布，火山機構(gòu)沿東西兩側(cè)SN向展布，共識別火山機構(gòu)11個，火口區(qū)面積193.8 km2，東側(cè)有利構(gòu)造帶內(nèi)典型火口區(qū)面積132 km2，最大的單個火口區(qū)面積可達(dá)50.2 km2。

2.4 區(qū)域蓋層發(fā)育穩(wěn)定

在生烴與儲集條件最好的安達(dá)東部斜坡，登婁庫組泥巖發(fā)育穩(wěn)定，與火石嶺組火山巖儲層直接接觸，泥巖厚度一般為50～100 m，泥地比為0.49～0.6，排替壓力為4～4.6 MPa，封閉性能為中-強[18]。有利區(qū)內(nèi)繼承性斷層不發(fā)育，有利于天然氣保存。登婁庫組為火石嶺組成藏的有效蓋層。

3 天然氣分布規(guī)律

3.1 天然氣成藏模式

火石嶺組氣藏具有多源供烴、不整合-構(gòu)造脊-儲層疏導(dǎo)、火山巖體控藏的成藏特點。安達(dá)東部斜坡鉆遇火石嶺組的DS28井(圖6)，壓后自噴，產(chǎn)氣9.3×103m3/d，產(chǎn)水28 m3/d，氣水界面海拔-3 520.5 m。該井位于火口爆發(fā)相，地震反射特征雜亂，火口特征明確，巖性以安山巖、安山質(zhì)火山角礫巖為主，孔隙度為7.2%。DS28井鏡下顯示孔隙類型主要為次生溶孔。DS28井區(qū)位于東部斜坡，構(gòu)造位置高，儲層與烴源巖呈側(cè)向?qū)雨P(guān)系，斷層提高了接觸效率，爆發(fā)相優(yōu)質(zhì)儲層為天然氣側(cè)向運移創(chuàng)造了條件，氣藏既受巖性控制又受構(gòu)造控制，為巖性-構(gòu)造氣藏。

圖6 DS28井區(qū)氣藏剖面Fig.6 Gas reservoir profile in DS28 well block

依據(jù)源儲分布關(guān)系，構(gòu)建4類成藏模式(圖7)：①洼槽區(qū)源內(nèi)凹中隆火山巖巖性-構(gòu)造成藏模式；②火山噴發(fā)間歇湖盆三角洲成藏模式；③斜坡帶火山巖巖性-構(gòu)造成藏模式；④三角洲巖性成藏模式。其中斜坡帶火山巖巖性-構(gòu)造成藏模式與洼槽區(qū)源內(nèi)凹中隆火山巖巖性-構(gòu)造成藏模式火石嶺組儲層與沙河子組主力烴源巖對接效率高是深層火石嶺組主要的成藏模式。

圖7 安達(dá)凹陷火石嶺組氣藏模式Fig.7 Patterns of gas reservoir of Huoshiling Formation in Anda sag

3.2 天然氣富集規(guī)律

安達(dá)凹陷沙河子組源巖厚度大、分布范圍廣、煤層發(fā)育、有機質(zhì)豐度高?；鹗瘞X組源巖局部分布，是天然氣來源的重要補充，源巖的廣泛發(fā)育為氣藏形成奠定了基礎(chǔ)?；鸲位鹕絿姲l(fā)規(guī)模大，火山機構(gòu)連片發(fā)育，源儲緊密接觸，是有利的儲集體?；鹗瘞X組發(fā)育巖性-構(gòu)造氣藏，具有如下分布規(guī)律：

(1)儲層巖性決定物性，火口區(qū)爆發(fā)相儲層物性相對較好，是有利的巖相類型，溶蝕作用是改善儲層的重要因素。

(2)優(yōu)質(zhì)烴源巖控制氣藏分布，松遼盆地深層斷陷火山巖氣藏具有近源聚集的特征[19]。

(3)火石嶺組氣藏類型為巖性-構(gòu)造氣藏，斷層與火山巖體、氣源有效組合，有利于天然氣富集。

位于生烴中心附近、火口爆發(fā)相發(fā)育、源儲斷層對接的Shengshen101井、DS28井分別獲29×103m3/d、9.3×103m3/d氣流，證實了這一富集規(guī)律。

3.3 有利區(qū)帶

源巖-巖相控制氣藏分布范圍，天然氣具有近源成藏的特點。物性條件較好的火口爆發(fā)相優(yōu)質(zhì)儲層是天然氣富集的關(guān)鍵因素，構(gòu)造高部位更利于儲層改造及油氣運移。利用petromod軟件在安達(dá)凹陷進(jìn)行單層構(gòu)造面油氣充注模擬(圖8)，根據(jù)最新三維地震解釋成果，建立精細(xì)的源巖層及儲層地層格架，井震結(jié)合預(yù)測儲層物性分布。將沙河子組作為源巖設(shè)置源巖參數(shù)，利用源巖層及儲層平面構(gòu)造圖、源巖地化參數(shù)和儲層物性分布，進(jìn)行油氣充注快速模擬，得到天然氣在儲集層頂面的充注方向?？梢钥闯?，安達(dá)凹陷火石嶺組深層天然氣橫向運移范圍相對較小，為NE向短距離充注。天然氣自排出烴源巖后，經(jīng)由火山口爆發(fā)、噴溢和火山通道疊合區(qū)進(jìn)行垂向運移比較容易，而火二段火山巖與沙河子組源巖側(cè)向?qū)?，近源成藏是關(guān)鍵。從模擬結(jié)果看，天然氣從安達(dá)深洼槽沿著斜坡運移到東部鼻狀構(gòu)造帶，最遠(yuǎn)可到達(dá)邊界的構(gòu)造圈閉，火一段天然氣主要聚集在西側(cè)洼槽區(qū)北、中、南3個方向的構(gòu)造圈閉中。

圖8 安達(dá)凹陷火石嶺組天然氣聚集圖Fig.8 Gas accumulation of Huoshiling Formation in Anda sag

依據(jù)安達(dá)凹陷火石嶺組成藏模式及已發(fā)現(xiàn)氣藏的分布特征，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)論，將安達(dá)凹陷東部近源斜坡確定為勘探有利區(qū)帶。凹陷東部斜坡發(fā)育的眾多火山機構(gòu)與DS28井火山機構(gòu)具有相似的地震反射特征，火口特征明確，火石嶺組火山巖與沙河子組源巖側(cè)向?qū)樱磶r條件優(yōu)越，埋藏較淺，是勘探的目標(biāo)區(qū)域。

4 結(jié)論

(1)安達(dá)凹陷火石嶺組發(fā)育火一段、火二段和沙河子組3套源巖，沙河子組作為主力烴源巖，與火石嶺組側(cè)向?qū)?，有機質(zhì)豐度高，泥巖有機碳平均含量為2.42%，含煤樣品有機碳平均含量為35.64%，供烴條件有利。東部斜坡鼻狀構(gòu)造規(guī)模大，形成期早于源巖生氣高峰，成藏匹配好。區(qū)域內(nèi)火山機構(gòu)疊加發(fā)育，火山巖次生溶孔、裂縫和原生孔發(fā)育。登婁庫組蓋層發(fā)育穩(wěn)定，封閉性能中-強。

(2)儲層巖性巖相及源巖分布控制著火石嶺組成藏，近源斜坡是天然氣有利聚集部位，火口區(qū)優(yōu)勢巖相是成藏的關(guān)鍵。安達(dá)東部斜坡臨近生烴中心，火口連續(xù)發(fā)育，鼻狀構(gòu)造發(fā)育于此，地層埋深較淺，是安達(dá)凹陷火石嶺組天然氣最有利的匯聚區(qū)。