準(zhǔn)噶爾盆地陸東—五彩灣地區(qū)石炭系火山巖油氣藏成藏影響因素研究

柳雙權(quán)，曹元婷，趙光亮，朱軍，史基安，張順存

準(zhǔn)噶爾盆地陸東—五彩灣地區(qū)石炭系火山巖油氣藏成藏影響因素研究

柳雙權(quán)1，2，曹元婷3，趙光亮1，2，朱軍4，史基安1，張順存1

（1．中國科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000；2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依834000；4.中國石油青海油田分公司勘探開發(fā)研究院，甘肅敦煌736200）

以準(zhǔn)噶爾盆地陸東—五彩灣地區(qū)石炭系火山巖油氣藏為研究對象，利用烴源巖地球化學(xué)參數(shù)、儲層物性和鉆井等資料，對其生烴條件、儲層特征及演化、油氣運(yùn)移方式和儲蓋組合進(jìn)行了系統(tǒng)分析。研究認(rèn)為：陸東—五彩灣地區(qū)主要發(fā)育滴水泉組和巴塔瑪依內(nèi)山組共2套烴源巖，有機(jī)質(zhì)成熟度較高；儲層物性較好，非均質(zhì)性較強(qiáng)，不同類型儲層物性差別較大；形成英安巖-凝灰?guī)r、火山角礫巖-凝灰?guī)r、玄武巖-泥巖和花崗巖-泥巖等4種儲蓋組合；油氣主要以斷裂和不整合面作為運(yùn)移通道，儲集于距石炭系頂面較近的風(fēng)化殼儲層中。

石炭系；火山巖；油氣藏；影響因素；準(zhǔn)噶爾盆地

0 引言

火山巖油氣作為一種重要的非常規(guī)油氣資源，在國外已有120 a的勘探歷史［1］。中國自20世紀(jì)70年代以來，隨著松遼和準(zhǔn)噶爾等盆地大型火山巖油氣藏的發(fā)現(xiàn)，火山巖已經(jīng)由油氣勘探的禁區(qū)變成了目標(biāo)區(qū)，并取得了較大的勘探成果，顯示出巨大的勘探潛力。準(zhǔn)噶爾盆地石炭系地層中已發(fā)現(xiàn)了陸東、五彩灣和克拉美麗等多個火山巖油氣田（圖1），其油氣藏的形成與演化均已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。前人對準(zhǔn)噶爾盆地石炭系火山巖油氣藏的儲層特征［1-4］、巖性巖相［5-6］、地球化學(xué)特征［7-11］和火山機(jī)構(gòu)［12］等方面均開展了大量的研究工作，并取得了一批卓有成效的認(rèn)識與成果。然而，隨著石炭系火山巖油氣勘探的進(jìn)一步深入，一些制約火山巖油氣勘探的問題開始顯現(xiàn)，比如火山巖儲層非均質(zhì)性強(qiáng)、物性變化大、裂縫廣泛發(fā)育但分布不均勻等，這些均導(dǎo)致對火山巖油氣藏成藏機(jī)理的解釋具有多解性和片面性。筆者以陸東—五彩灣地區(qū)石炭系火山巖油氣藏為研究對象，基于取心段烴源巖的地球化學(xué)特征、儲層巖性和物性及區(qū)域斷裂的分布特征等資料，對其烴源巖發(fā)育、儲層特征、區(qū)域斷裂構(gòu)造和儲蓋組合進(jìn)行綜合研究，探討油氣藏形成的條件和影響因素，以期對火山巖油氣勘探提供借鑒。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地陸東—五彩灣地區(qū)構(gòu)造位置及地層柱狀圖Fig.1Tectonic location and stratigraphic column of Ludong-Wucaiwan area in Junggar Basin

1 地質(zhì)背景

準(zhǔn)噶爾盆地是歐亞板塊的組成部分，隸屬于其中的哈薩克斯坦古板塊，是在中晚石炭世海西期火山巖褶皺基底基礎(chǔ)上發(fā)育起來的一個多期疊合型盆地，經(jīng)歷了海西、印支、燕山和喜馬拉雅等4期構(gòu)造運(yùn)動［13-14］。盆地內(nèi)發(fā)育中上石炭統(tǒng)—第四系地層，其最大厚度為16 000 m，地層南厚北薄，盆地基底向南傾斜［15］。

陸東—五彩灣地區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地東北部，石炭紀(jì)的演化除了受盆地的主要地質(zhì)事件控制或影響外，同時也有自己的特點(diǎn)。早石炭世，陸東—五彩灣地區(qū)位于準(zhǔn)噶爾古陸的東北邊緣斜坡區(qū)，火山活動微弱，處于沉降期，發(fā)育了一套海陸交互的碎屑巖建造；早石炭世末—中石炭世初，準(zhǔn)噶爾地體與西伯利亞板塊碰撞使得火山噴發(fā)與巖漿侵入持續(xù)發(fā)生，研究區(qū)發(fā)育了較厚的火山巖，火山噴發(fā)間歇期沉積了具有生烴能力的炭質(zhì)泥巖（含煤層）與暗色泥巖，該套地層構(gòu)成了該區(qū)最好的一套生、儲、蓋組合；晚石炭世—早二疊世，海水由盆地東北緣逐漸退出，洋盆關(guān)閉，隨著克拉美麗山進(jìn)一步向南逆沖，在山前形成具有多個殘凹的前陸盆地，其前緣凸起位于滴南凸起一線，殘留海主要位于五彩灣—石錢灘一帶，該時期的沉積物主要來自克拉美麗山，以殘留海相和殘凹充填沉積為主［11，16-17］。研究區(qū)石炭系從老至新發(fā)育的地層有塔木崗組（C1t）、滴水泉組（C1d）、巴塔瑪依內(nèi)山組（C2b）和石錢灘組（C2-3sh）。

2 生烴條件

準(zhǔn)噶爾盆地石炭系烴源巖主要分布于準(zhǔn)東和盆地腹部地區(qū)［18］，其主力烴源巖層為下石炭統(tǒng)滴水泉組和上石炭統(tǒng)巴塔瑪依內(nèi)山組。滴水泉組發(fā)育期，研究區(qū)洋盆逐漸閉合，形成一套海陸過渡相地層［19］，巖性以灰—深灰色泥巖為主，其次為凝灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥巖和煤層。鉆井揭示地層厚度為49～221 m，其中暗色泥巖厚度為49～189 m，平均為66.5 m。該層段20口井75塊樣品的地球化學(xué)分析表明，滴水泉組烴源巖氯仿瀝青“A”質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%～1.30%；有機(jī)碳（TOC）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.17%～26.76%，有機(jī)質(zhì)豐度較高；干酪根鏡質(zhì)體反射率（Ro）為0.56%～1.83%，處于成熟—過成熟階段；干酪根類型以腐殖型（Ⅲ型）為主（表1）。

巴塔瑪依內(nèi)山組發(fā)育期，準(zhǔn)噶爾洋已經(jīng)閉合［20］，準(zhǔn)噶爾微陸塊和克拉美麗島弧帶發(fā)生碰撞，五彩灣凹陷為碰撞帶前緣的前陸盆地，形成一套陸相地層［19］，鉆井揭示烴源巖厚度為7～249 m，巖性以暗色泥巖和凝灰?guī)r為主，其次為炭質(zhì)泥巖和煤層。該層段85塊樣品的地球化學(xué)分析表明，巴塔瑪依內(nèi)山組烴源巖氯仿瀝青“A”質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%～1.27%，TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%～41.20%，有機(jī)質(zhì)豐度較高，Ro為0.61%～2.00%，處于成熟—過成熟階段；干酪根類型以Ⅲ型為主，部分井可見Ⅱ2型干酪根（參見表1）。

相對而言，巴塔瑪依內(nèi)山組烴源巖在分布范圍、厚度、TOC和Ro等方面均優(yōu)于滴水泉組，但是二者均具有較強(qiáng)的生烴能力，具有形成大型油氣田的條件。

表1 準(zhǔn)噶爾盆地陸東—王彩灣地區(qū)石炭系烴源巖地球化學(xué)分析Table 1Geochemical analysis of Carboniferous hydrocarbon source rocks in Ludong-Wucaiwan area of Junggar Basin

3 火山巖儲層特征

3.1巖性與物性特征

陸東—五彩灣地區(qū)鉆遇石炭系火山巖的井約60口，其中34口具有油氣顯示。錄井?dāng)?shù)據(jù)分析、巖心觀察和薄片鑒定表明：含油氣層段火山巖巖性較為復(fù)雜，主要為安山巖（占30.76%）、凝灰?guī)r（占26.01%）和火山角礫巖（占19.24%），其次為玄武巖（占10.09%）、流紋巖（占5.23%）、花崗巖（占3.13%）與沉凝灰?guī)r（占5.01%）等。其中玄武巖與安山巖原生氣孔和次生溶蝕孔均發(fā)育，火山角礫巖原生粒間孔和次生溶蝕孔均發(fā)育。含油氣層段火山巖樣品的孔隙度統(tǒng)計結(jié)果表明：火山角礫巖儲集物性最好，平均孔隙度為15%，最大孔隙度為23%；玄武巖與安山巖次之，平均孔隙度約為12.4%；流紋巖數(shù)量相對較少，平均孔隙度接近10%（圖2）。相對而言，侵入巖類（花崗巖）由于缺乏原生孔隙，后期構(gòu)造斷裂是其形成儲集空間的主要因素，其物性較差，孔隙度為6%～8%。

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地滴西地區(qū)火山巖儲層物性特征Fig.2Porosity and permeability characteristics of volcanic rocks in Dixi area of Junggar Basin

火山巖儲層非均質(zhì)性較強(qiáng)，孔隙度與滲透率相關(guān)性差，其中基性—中性火山巖（玄武巖與安山巖等）孔滲相關(guān)性最差（R2=0.125），酸性火山巖（流紋巖等）孔滲相關(guān)性稍好（R2=0.179）。相對而言，火山碎屑巖具有較好的孔滲相關(guān)性（R2=0.231），表現(xiàn)為具有良好的儲集性能，大部分樣品孔隙度>6%，滲透率>0.5 mD。

3.2 風(fēng)化殼對儲層的影響

陸東—五彩灣地區(qū)的火山巖經(jīng)地表流體作用后才有較大的幾率成為優(yōu)質(zhì)儲層［21］。前人研究［22］表明，地表流體對火山巖儲層儲集空間的演化十分重要。研究區(qū)石炭系頂面主要為一個構(gòu)造不整合面［23］，位于古地形高部位的火山巖暴露時間長、面積大、大氣淡水淋濾時間長、遭受的各種物理和化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)烈，使原本致密的巖石易溶組分被溶蝕，導(dǎo)致次生孔隙大量發(fā)育，形成了獨(dú)特的石炭系火山巖風(fēng)化殼優(yōu)質(zhì)儲層。對準(zhǔn)噶爾盆地西北緣和陸東—五彩灣地區(qū)38口井的含油氣層深度的分析（圖3）表明，油氣層段主要分布于距石炭系風(fēng)化殼頂面200 m之內(nèi)，占油氣層總數(shù)的82.9%，距風(fēng)化殼頂面越近，風(fēng)化淋濾作用越強(qiáng)，次生孔隙越發(fā)育，越容易形成物性較好的火山巖儲層。

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地陸東—五彩灣地區(qū)火山巖油氣藏距石炭系頂面距離與油氣產(chǎn)量關(guān)系Fig.3Relation between petroleum production and depth of volcanic reservoir from the top of Carboniferous in Ludong-Wucaiwan area of Junggar Basin

4 輸導(dǎo)體系

輸導(dǎo)體系對火山巖油氣藏成藏尤為重要。作為油氣運(yùn)移的通道，輸導(dǎo)體系是由連接烴源巖與儲集層的各種運(yùn)移通道所組成的輸導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。通過對準(zhǔn)噶爾盆地陸東—五彩灣地區(qū)構(gòu)造解釋和地層展布分析，認(rèn)為研究區(qū)的油氣輸導(dǎo)體系主要包括斷裂和不整合面，控制了垂向和側(cè)向2種油氣運(yùn)移方式。

4.1斷裂體系

火山噴發(fā)自始至終都伴隨著斷裂活動，研究區(qū)火山巖體通常沿基底斷裂發(fā)育帶分布［24］，如滴南凸起上火山巖體主要沿滴水泉北斷裂和滴水泉斷裂呈“串珠狀”分布，火山口常位于東西向與北東向基底斷裂交會處，因此，早期的基底斷裂控制了火山巖儲層的平面分布。

斷裂控制著油氣的垂向運(yùn)移。油氣沿斷裂向上運(yùn)移遇到頂部封隔層后，在斷裂兩邊形成油氣藏，在油藏壓力超過上部遮擋層封蓋壓力之前依次在下部圈閉中成藏［25］。研究區(qū)大型斷裂分布廣泛，垂向與橫向斷距均較大，溝通了油源與儲層，使油氣沿斷裂進(jìn)入到有利的儲集體中，形成了構(gòu)造背景下的油氣成藏。

在火山噴發(fā)期或后期，斷裂發(fā)育使脆性火山巖在構(gòu)造應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂縫，成為了儲層內(nèi)部流體的輸導(dǎo)體系，增加了火山巖儲層的滲流能力。晚石炭世準(zhǔn)東地區(qū)經(jīng)歷了強(qiáng)烈的褶皺隆起構(gòu)造運(yùn)動，使上石炭統(tǒng)火山巖體整體抬升，構(gòu)造應(yīng)力局部集中發(fā)育區(qū)產(chǎn)生斷裂，主斷裂伴生次級斷裂，次級斷裂伴生裂縫［1，26］，對改善儲層物性和形成斷層圈閉均起到了重要作用。因此，斷裂系統(tǒng)的發(fā)育不僅對溝通烴源巖與儲層間意義重大，而且對油氣的聚集成藏具有重要作用（圖4）。

圖4 準(zhǔn)噶爾盆地五彩灣地區(qū)油氣成藏示意圖①構(gòu)造背景上的巖性成藏；②火山巖內(nèi)幕相控藏；③火山巖地層成藏Fig.4Sketch map of hydrocarbon accumulation in Wucaiwan area of Junggar Basin

4.2不整合體系

不整合面代表著區(qū)域性的沉積間斷或剝蝕事件，其下伏地層由于遭受風(fēng)化剝蝕和溶蝕淋濾，容易形成具有較高孔隙度和滲透率的古風(fēng)化殼、古巖溶帶或淋濾帶，對油氣橫向運(yùn)移非常有利［27］。此外不整合面的分布具有區(qū)域性和穩(wěn)定性的特點(diǎn)，它能夠橫向連接相互獨(dú)立的砂體構(gòu)成有效的運(yùn)移通道，是油氣長距離側(cè)向運(yùn)移的重要通道［28］。同時，遭受風(fēng)化淋濾作用的巖石儲集性能加強(qiáng)，可作為油氣成藏的重要儲集體［29］。

研究區(qū)石炭系地層巖性以火山巖為主，儲層之間自身橫向連通性較差，油氣橫向運(yùn)移的通道相對不發(fā)育，在這種情況下，不整合面就成為油氣橫向運(yùn)移的主要通道。研究區(qū)彩27井和彩深1井石炭系巴塔瑪依內(nèi)山組上段均見到油氣顯示，其油氣均來源于滴水泉組烴源巖，在沒有斷裂溝通的情況下，不整合面成為油氣長距離運(yùn)移的唯一可能性通道（圖4）。彩27井和彩深1井油藏類型均為不整合面遮擋地層油氣藏，說明不整合面對油氣的聚集起到了重要作用。

5 儲蓋組合

據(jù)陸東—五彩灣地區(qū)地震資料解釋和測井與試油數(shù)據(jù)分析表明，同一生烴凹陷中，有利的火山巖儲層和必要的遮擋條件均是火山巖成藏的關(guān)鍵。通過對已發(fā)現(xiàn)油氣藏的儲集層和蓋層的分析，相對有利的儲蓋組合可以分為以下4種類型。

5.1 英安巖-凝灰?guī)r組合

英安巖-凝灰?guī)r組合以滴西10井和彩25井為代表，儲層主要為上石炭統(tǒng)的英安巖，非均質(zhì)性較強(qiáng)，物性差，儲集空間由溶孔、晶間孔和裂縫組成。蓋層為石炭系凝灰?guī)r，厚度為10～50 m，平均為23.86 m［圖5（a）］。

圖5 準(zhǔn)噶爾盆地陸東—五彩灣地區(qū)石炭系火山巖油氣藏儲蓋組合綜合特征Fig.5Reservoir-caprock assemblage characteristics of volcanic reservoir in Ludong-Wucaiwan area of Junggar Basin

5.2火山角礫巖-凝灰?guī)r組合

火山角礫巖-凝灰?guī)r組合以滴西14井為代表，儲層主要為上石炭統(tǒng)的火山角礫巖，物性較好，非均質(zhì)性中等，儲集空間由粒間孔及微裂縫所組成。蓋層為石炭系凝灰?guī)r，厚度為22～181 m，平均為69.2 m。蓋層厚度從滴西到五彩灣地區(qū)呈現(xiàn)出由厚變薄的趨勢［參見圖5（b）］。

5.3 玄武巖-泥巖組合

玄武巖-泥巖組合以滴西17井為代表，儲層主要為上石炭統(tǒng)的玄武巖，物性中等，但滲透率低，非均質(zhì)性較強(qiáng)，儲集空間由氣孔、溶孔和裂縫組成。蓋層為二疊系泥巖，平均厚度>80 m，是一套封蓋性較好的局部蓋層，在五彩灣地區(qū)，泥巖厚度最大為153 m，顯示出較好的油氣封蓋性能［參見圖5（c）］。

5.4 花崗巖-泥巖組合

花崗巖-泥巖組合以滴西18井為代表，儲層主要為上石炭統(tǒng)的花崗巖，物性較差，非均質(zhì)性中等，儲集空間由溶孔和裂縫組成。蓋層為二疊系泥巖，雖然分布范圍比較局限，但是由于該套泥巖厚度較大，平均厚度>100 m，可作為下部成藏的封蓋性極好的局部蓋層［參見圖5（d）］。與上述3種儲蓋組合相比，該類儲蓋組合分布較少，多見于斷裂發(fā)育強(qiáng)烈的地帶。

6 火山巖成藏演化分析

石炭紀(jì)形成期間，準(zhǔn)噶爾盆地作為獨(dú)立的增生楔盆地，克拉美麗洋俯沖下的火山作用強(qiáng)烈，爆發(fā)相的火山角礫巖在地表構(gòu)成高點(diǎn)，凝灰?guī)r與沉凝灰?guī)r均廣泛發(fā)育，滴西地區(qū)東部發(fā)育溢流相酸性巖（流紋巖和英安巖）、西部以中基性玄武巖和安山巖為主，而侵入相花崗斑巖與花崗巖均沿構(gòu)造薄弱帶發(fā)育。陸東—五彩灣地區(qū)廣泛發(fā)育滴水泉組和巴塔瑪依內(nèi)山組海陸過渡相泥巖，為石炭系烴源巖的發(fā)育提供了必要條件。之后克拉美麗洋閉合，研究區(qū)火山作用逐漸減弱并最終進(jìn)入火山間歇期，區(qū)域內(nèi)經(jīng)歷了強(qiáng)烈的擠壓抬升作用，巴塔瑪依內(nèi)山組火山巖露出海面接受風(fēng)化淋濾，發(fā)育為區(qū)域性火山巖風(fēng)化殼；期間伴隨著廣泛的斷裂活動，有效改善了火山巖內(nèi)部的滲流輸導(dǎo)體系。二疊系泥巖和石炭系凝灰?guī)r均覆蓋于火山巖儲層之上，為火山巖風(fēng)化殼儲層提供了必要的蓋層保存條件（圖6）?？傊?，研究區(qū)石炭系火山巖成藏演化經(jīng)歷了火山巖形成、風(fēng)化淋濾、埋藏構(gòu)造、泥巖蓋層形成和油氣充注聚集成藏等階段。

圖6 準(zhǔn)噶爾盆地滴西地區(qū)火山巖油氣藏發(fā)育模式Fig.6The development pattern of volcanic reservoir in Dixi area of Junggar Basin

7 結(jié)論

（1）準(zhǔn)噶爾盆地陸東—五彩灣地區(qū)主要發(fā)育滴水泉組和巴塔瑪依內(nèi)山組共2套烴源巖，TOC和Ro均較高，具有較強(qiáng)的生烴能力；儲層巖性變化較大，玄武巖、安山巖與流紋巖均較發(fā)育，儲層物性均較好，非均質(zhì)性均較強(qiáng)；斷裂和不整合面均是油氣運(yùn)移的主要輸導(dǎo)體系，溝通了油源與儲層，形成了多套含油氣層系，控制了油氣的垂向和側(cè)向運(yùn)移。

（2）陸東—五彩灣地區(qū)石炭系火山巖油氣藏主要包括4種類型的儲蓋組合：英安巖-凝灰?guī)r組合、火山角礫巖-凝灰?guī)r組合、玄武巖-泥巖組合和花崗巖-泥巖組合。

（3）陸東—五彩灣地區(qū)油氣成藏經(jīng)歷了火山巖形成、風(fēng)化淋濾、埋藏構(gòu)造、泥巖蓋層形成和油氣充注聚集成藏等階段。油氣主要儲集于距石炭系頂面較近的風(fēng)化殼儲層中。

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（本文編輯：李在光）

Influencing factors of Carboniferous volcanic reservoir in Ludong-Wucaiwan area,Junggar Basin

LIU Shuangquan1，2，CAO Yuanting3，ZHAO Guangliang1，2，ZHU Jun4，SHI Ji’an1，ZHANG Shuncun1
（1.Key Laboratory of Petroleum Resources Research，Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3.Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Xinjiang Oilfield Company，Karamay 834000，Xinjiang，China；4.Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Qinghai Oilfield Company，Dunhuang 736200，Gansu，China）

By use of the geochemical parameters of hydrocarbon source rocks,reservoir properties and drilling data,this paper analyzed the hydrocarbon generation conditions,reservoir characteristics and evolution,hydrocarbon migration pattern and reservoir-caprock assemblage of Carboniferous volcanic reservoir in Ludong-Wucaiwan area.The result shows that there mainly developed two sets of hydrocarbon source rocks within the Dishuiquan Formation and Batamayineishan Formation in Ludong-Wucaiwan area,and the rocks have high organic matter maturity.The reservoirs possess the characteristic of good properties,strong heterogeneity and a greater physical properties difference between different types of reservoir.Faults and unconformity surfaces are the main hydrocarbon migration channel.As the oil and gas enter into the reservoir along these channels,they formed four reservoir-caprock assemblages∶dacitetuff, volcanic breccias-tuff,basalt-mudstone and granite-mudstone.Oil and gas reservoirs mainly enrich in the weathering crustreservoir which is close to the top of the Carboniferous.

Carboniferous；volcanic rock；reservoir；influencingfactors；Junggar Basin

TE122.3

：A

1673-8926（2014）05-0023-07

2014-01-23；

2014-03-24

國家重大科技專項(xiàng)“準(zhǔn)噶爾盆地深層火山巖儲集體形成演化與分布預(yù)測”（編號：2011ZX05008-003-40）資助

柳雙權(quán)（1989-），男，中國科學(xué)院大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橛蜌鈨拥刭|(zhì)學(xué)。地址：（730000）甘肅省蘭州市東崗西路382號中國科學(xué)院蘭州地質(zhì)研究所。E-mail：cdut524@gmail.com

史基安（1958-），男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事儲層沉積學(xué)及石油天然氣地質(zhì)學(xué)研究。E-mail：jashi@lzb.ac.cn。