西泉地區(qū)石炭系內幕型火山巖儲集層特征及成藏模式

范光旭，朱卡，汪莉彬，陳洪，李輝

（1.中國石油大學 地球科學與技術學院，山東 青島 266580；2.中國石油 a.新疆油田分公司；b.新疆油田分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

火山巖油氣藏作為一種非常重要的非常規(guī)油氣藏，一直以來都是國內外勘探研究的重要領域，幾十年來，中國相繼在準噶爾、塔里木、松遼、二連、四川、渤海灣等多個盆地發(fā)現(xiàn)了火山巖油氣藏，其中不乏高產(chǎn)油氣藏[1]。近年來，發(fā)現(xiàn)的火成巖油氣藏也越來越多，勘探及研究成果呈現(xiàn)高峰增長的態(tài)勢。但是，長期以來勘探和研究的重點多集中于風化殼型火山巖油氣藏，對于埋藏較深、成藏條件更為復雜、勘探風險更大的內幕型火山巖油氣藏的研究相對較為薄弱，隨著勘探深度的加大及內幕型火山巖油氣藏勘探的不斷突破，內幕型火山巖油氣藏逐漸成為國內外學者研究的重點領域[2]。

準噶爾盆地東部北三臺凸起及周緣石炭系火山巖油藏一直是勘探及研究的重點區(qū)域，勘探工作持續(xù)圍繞正向構造單元展開，鉆井相對較淺，探索目標主要為石炭系頂界面下200 m以內的風化殼型火山巖體，在西泉地區(qū)先后已發(fā)現(xiàn)西泉1和西泉3等多個風化殼型油藏，經(jīng)過幾十年的勘探，高部位北三臺凸起勘探程度較高。近年來，勘探思路逐漸轉變，勘探方向由高勘探程度凸起帶逐步轉向勘探空白斜坡帶，勘探深度逐漸增大，勘探目標由風化殼型過渡為風化殼型和內幕型并舉。2017年，阜26井在石炭系內幕型火山巖獲高產(chǎn)工業(yè)氣流，最高日產(chǎn)氣14×104m3，掀開了北三臺凸起及周緣石炭系內幕型火山巖油氣藏的勘探序幕，也展現(xiàn)該區(qū)域石炭系火山巖具有廣闊的天然氣勘探前景。但內幕型火山巖油氣藏埋藏較深，油氣成藏條件較風化殼型火山巖油氣藏更為復雜，油氣勘探開發(fā)難度和風險大。前人針對該區(qū)域的研究工作重點針對風化殼型油氣藏[3-4]，可供借鑒的研究成果相對較少。本文重點對西泉地區(qū)石炭系內幕型火山巖儲集層特征及氣藏的成藏模式進行研究，以期對該區(qū)石炭系內幕型火山巖氣藏的下一步勘探有所裨益。

1 區(qū)域地質背景

西泉地區(qū)整體為東西走向的鼻狀構造，位于北三臺凸起及阜康凹陷東斜坡，為北三臺凸起上規(guī)模最大的鼻狀構造。北三臺凸起是一個持續(xù)性的古隆起，經(jīng)歷多期構造運動，斷裂異常發(fā)育，凸起經(jīng)歷了長期的剝蝕，石炭系頂面凹凸不平，凸起向西傾沒于阜康凹陷，石油地質條件優(yōu)越，為油氣運移的有利指向區(qū)，是準噶爾盆地長期的重點勘探區(qū)域[5]（圖1a）。

圖1 研究區(qū)構造位置（a）及石炭系綜合柱狀剖面（b）

北三臺凸起自海西運動期開始緩慢隆升，印支運動期繼續(xù)隆升，西泉鼻隆形成；燕山運動Ⅰ幕和Ⅱ幕強烈隆升，在侏羅紀后基本定型；喜馬拉雅運動期構造運動相對微弱，對北三臺凸起的構造格局影響較小，對該區(qū)白堊系油氣運聚成藏較為有利。受構造抬升的影響，北三臺凸起核部二疊系—侏羅系遭到不同程度的剝蝕，局部地區(qū)缺失，石炭系與上覆的白堊系呈不整合接觸。北三臺凸起周圍形成了一系列地層尖滅，凸起的東部受大斷裂控制，西部與阜康凹陷相連，東西走向的逆斷裂十分發(fā)育，具有南北向擠壓作用的特征。

北三臺凸起及周緣石炭系自下而上為滴水泉組（C1d）、松喀爾蘇組a段（C1sa）、松喀爾蘇組b段（C1sb）和巴塔瑪依內山組（C2b）（圖1b），滴水泉組及松喀爾蘇組b段為石炭系烴源巖發(fā)育層段，目前石油發(fā)現(xiàn)于巴塔瑪依內山組，天然氣發(fā)現(xiàn)于松喀爾蘇組，本文研究層位主要為松喀爾蘇組。

2 研究區(qū)火山巖儲集層特征

2.1 巖性巖相特征

根據(jù)巖心觀察、測井解釋及鏡下鑒定，西泉地區(qū)石炭系巖石類型多樣，巖性復雜[6]，既有火山巖，又有火山沉積巖和碎屑巖，火山活動頻繁，具有多期次噴發(fā)的特點，使得研究區(qū)石炭系不同巖性的火山巖和沉積巖橫向上變化快，縱向上呈現(xiàn)旋回重復的特征。西泉地區(qū)石炭系內幕型火山巖氣藏天然氣產(chǎn)層主要為松喀爾蘇組溢流相安山巖，上、下為凝灰質泥巖與碳質泥巖，形成良好的保存環(huán)境。西泉17井和阜26井石炭系鉆揭的內幕型火山巖儲集層以安山巖為主，少量薄層狀火山角礫巖，2口井的松喀爾蘇組b段具有相似的火山噴發(fā)旋回特征，火山巖儲集層上、下均為厚層狀碳質泥巖與凝灰質泥巖互層形成的致密封蓋層，鉆揭的內幕型火山巖儲集層巖相以火山溢流相為主（圖2）。

2.2 儲集空間特征

有關火山巖儲集空間類型特征的研究工作，幾十年來國內外眾多學者立足不同研究區(qū)塊，總結形成了許多卓有成效的研究成果，目前對火山巖儲集空間類型的劃分方案可歸納為4種［7-14］。本文在充分調研前人成果的基礎上，將研究區(qū)內幕型火山巖儲集層的儲集空間劃分為3類：①原生孔隙，主要發(fā)育在火山巖巖漿噴出冷凝固結到早成巖階段；②次生孔隙，為風化殼型火山巖儲集層的重要儲集空間類型，表層淡水風化淋濾作用及溶蝕作用控制該類儲集空間的發(fā)育；③裂縫，形成于火山巖形成的各個階段，可細分為未充填裂縫、半充填裂縫、全充填裂縫和充填—溶蝕裂縫。

圖2 西泉地區(qū)石炭系內幕型火山巖儲集層巖性和巖相

巖心觀察及薄片鑒定結果（圖3）表明，研究區(qū)內幕型火山巖儲集層儲集空間以裂縫為主，發(fā)育少量溶蝕孔隙，為裂縫-孔隙型儲集層。

圖3 西泉地區(qū)石炭系內幕型火山巖儲集層孔隙類型

原生孔隙主要發(fā)育在溢流相火山巖熔巖及熔結角礫巖，形成于火山巖巖漿噴出結晶冷凝固結成巖階段，包括氣孔和殘余氣孔，氣孔形態(tài)大多較為規(guī)則，呈近圓形或橢圓形，部分原生氣孔經(jīng)過后期成巖作用擴大，呈不規(guī)則形。部分氣孔在后期成巖演化過程中被結晶礦物半充填，形成殘余氣孔。原生孔隙多為孤立狀，在裂縫的溝通作用下可成為優(yōu)質儲集空間，研究區(qū)內幕型火山巖儲集層原生孔隙相對不發(fā)育。

次生孔隙是在火山巖成巖作用后期由巖石中長石、黑云母等不穩(wěn)定礦物斑晶在熱溶液、地表及地下水溶蝕、淋濾作用下交代、溶解形成，孔隙形狀多不規(guī)則，邊界多為次棱角狀、毛刺狀。西泉地區(qū)石炭系內幕型火山巖儲集層次生孔隙主要為粒內溶孔、粒間溶孔（圖3a）和斑晶溶孔（圖3b），占總孔隙比較小。

裂縫為西泉地區(qū)石炭系內幕型火山巖儲集層的主要儲集空間，鏡下觀察到的裂縫類型主要有未充填裂縫（圖3c，圖3d）和半充填裂縫（圖3e，圖3f）。巖心（圖3g）及地層微電阻率掃描成像（FMI）測井解釋成果（圖4）同樣顯示，西泉地區(qū)內幕型火山巖儲集層裂縫較為發(fā)育，主要有低角度斜交縫、網(wǎng)狀縫和高角度縫，其中，低角度斜交縫和網(wǎng)狀縫居多。

2.3 物性特征

根據(jù)研究區(qū)3口鉆井79塊巖心樣品物性分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果，西泉地區(qū)石炭系內幕型火山巖儲集層表現(xiàn)出低孔隙度、低滲透率和強非均質性的特征。孔隙度為1.00%～22.40%，平均為6.62%，滲透率為0.01～57.70 mD，平均為0.08 mD.高孔、高滲儲集層占比較低，僅為10%左右。

2.4 控制因素分析

火山巖儲集層儲集空間的形成和演化是一個長期而復雜的過程，優(yōu)質儲集層受火山巖巖性、巖相、構造運動和成巖作用等多種因素的控制。前人針對不同研究區(qū)的火山巖優(yōu)質儲集層控制因素做了較多的研究工作[4，11-18]。本文在充分調研、吸收前人對火山巖儲集層控制因素研究成果的基礎上，對西泉地區(qū)石炭系內幕型火山巖儲集層控制因素進行了分析研究。

（1）風化淋濾作用 大氣淡水對巖石的風化淋濾作用在火山巖中普遍存在，對提高火山巖儲集層的物性具有重要作用。松遼、準噶爾、三塘湖等盆地的火山巖發(fā)育區(qū)塊的儲集層研究均表明，優(yōu)質火山巖儲集層往往分布于風化殼的發(fā)育范圍之內，風化淋濾作用能夠有效控制的深度為100～150 m，在風化淋濾帶內儲集層物性好，隨距離風化殼深度增加，風化淋濾作用呈現(xiàn)減弱的趨勢，儲集物性明顯變差。風化淋濾作用對內幕型火山巖儲集層的控制作用較弱，研究區(qū)內幕型火山巖儲集層距離風化殼頂面較遠，一般大于200 m，距離風化殼頂面200 m內的儲集層物性較好，孔隙度為10%～30%，隨深度增加物性逐漸變差；距風化殼頂面大于200 m存在物性異常段，仍發(fā)育物性較好的火山巖儲集層，即內幕型火山巖儲集層，但整體較風化殼型火山巖儲集層物性差，孔隙度、滲透率普遍偏低（圖5）。

圖4 研究區(qū)阜26井石炭系內幕型火山巖儲集層FMI測井及裂縫解釋成果

（2）溶蝕作用 溶蝕作用是發(fā)生在巖石深埋階段的一種成巖作用，是火山巖儲集層中一種非常重要的建設性成巖作用?；鹕綆r冷凝固結后，隨著埋藏深度的增加，巖石中易溶組分在一定的地質條件下被溶蝕或者部分溶蝕，從而產(chǎn)生新的孔隙，或者使原先被充填的孔隙重新開啟或擴大，形成溶蝕孔隙。該類孔隙形成于成巖作用中—后期，若形成時期較晚，不被充填，在裂縫的溝通下，易于捕獲并儲集油氣。準噶爾盆地早石炭世構造活動強烈，西泉地區(qū)構造活動頻繁，下石炭統(tǒng)火山巖形成后，又經(jīng)歷了海西運動晚期、印支運動、燕山運動等多期構造運動，斷裂十分發(fā)育，酸性溶液在斷裂溝通下，滲透到火山巖中，對不穩(wěn)定礦物進行溶蝕，產(chǎn)生了各類溶蝕孔隙（圖3a，圖3b）。

圖5 西泉地區(qū)石炭系火山巖儲集層物性與距石炭系頂界距離關系

（3）裂縫 裂縫不僅對內幕型火山巖儲集層物性的改善具有重要作用，對內幕型氣藏的聚集成藏也具有重要意義。北三臺凸起為繼承性古隆起，構造運動活躍，經(jīng)歷多期次強烈構造運動，形成了大量的斷裂和裂縫，明顯提高了研究區(qū)石炭系內幕型火山巖儲集層的儲集及滲流能力（圖3，圖4）。裂縫對研究區(qū)的作用主要表現(xiàn)為：下石炭統(tǒng)致密的火山巖在后期多期次強烈構造運動作用下，沿斷裂帶形成了大量裂縫，這些裂縫成為了火山巖儲集層重要的儲集空間，同時在裂縫的溝通下，原本孤立的原生孔隙和次生孔隙成為有效儲集空間，增加火山巖儲集層的儲集及滲流能力。同時裂縫也是研究區(qū)內幕型火山巖氣藏重要的輸導通道。巖心及鑄體薄片觀察統(tǒng)計表明，該區(qū)儲集空間類型以裂縫為主，而且溶蝕孔隙也往往伴隨裂縫發(fā)育（圖3），阜26井3 440—3 450 m高產(chǎn)氣層段熒光薄片的熒光顯示亮度高，熒光主要分布在裂縫內，且裂縫內熒光顏色最深，亮度最強，由裂縫向基質熒光強度逐漸變弱，顏色逐漸變淺（圖3f），由此證明，西泉地區(qū)石炭系內幕型火山巖儲集層中的天然氣是沿裂縫輸導貫入聚集成藏，同時也進一步證明裂縫型儲集空間在西泉地區(qū)石炭系內幕型火山巖儲集層中的重要性；裂縫發(fā)育區(qū)為地下水和酸性溶液提供了輸送通道，地下水及酸性溶液在裂縫的溝通下，對不穩(wěn)定礦物發(fā)生溶蝕作用，形成溶蝕孔隙，起到改善火山巖儲集層物性的作用，研究區(qū)西泉17井和西泉114井巖心、鑄體薄片觀察顯示，內幕型火山巖儲集層中溶蝕孔隙多與裂縫伴生（圖3a，圖3b）。

3 研究區(qū)油氣藏特征

北三臺凸起石炭系古隆起長期位于油氣匯聚的指向區(qū)，可匯聚阜康凹陷石炭系和二疊系平地泉組生成的油氣，次級鼻隆間發(fā)育的松喀爾蘇組b段烴源巖也能供烴成藏，因此，研究區(qū)石炭系一直是重要的勘探層位。

內幕型火山巖油氣藏具有近距離運移成藏的特點，圍繞烴源巖發(fā)育區(qū)和深大斷裂帶分布。烴源巖、儲集層和斷裂共同控制內幕型火山巖油氣藏的分布［19-20］。在借鑒前人對凸起區(qū)風化殼型油藏特征研究成果的基礎上［5，20］，綜合研究區(qū)烴源巖、輸導體系和儲集層發(fā)育特點，總結了研究區(qū)松喀爾蘇組b段巖性和松喀爾蘇組a段構造內幕氣藏的成藏模式（圖6）。

圖6 西泉地區(qū)石炭系火山巖油氣成藏模式

3.1 烴源特征及油氣源分析

準噶爾盆地東部地區(qū)石炭系烴源巖以泥巖和碳質泥巖為主，其次為煤巖、凝灰?guī)r及沉凝灰?guī)r，烴源巖有機質豐度較高，有機質類型主要為Ⅲ型，以生氣為主。二疊系是準噶爾盆地最主要烴源巖發(fā)育層系，準東地區(qū)平地泉組（P2p）生油巖有機質豐度達到了較好—最好烴源巖標準，烴源巖有機質主要為Ⅰ型和Ⅱ型，以生油為主。

關于研究區(qū)石炭系巴塔瑪依內山組原油的來源，前人做了大量研究，其原油與研究區(qū)二疊系梧桐溝組（P3wt）原油地化特征相似，主要來源于側向接觸和頂部不整合接觸的阜康凹陷中二疊統(tǒng)平地泉組［5，20］。

天然氣組分主要包括烴類氣體的甲烷及其同系物和CO2，N2等非烴氣體，其組分特征是油氣成因信息的主要來源，是研究天然氣成因的重要依據(jù)。從阜26井石炭系天然氣組分來看（表1），甲烷含量為93.90%，重烴（C2+）含量為2.63%，非烴氣體N2的含量為3.47%.與卡拉麥里地區(qū)典型石炭系來源天然氣組分特征相似，均具有甲烷含量相對較高，重烴含量一般低于10%，非烴氣體含量一般低于5%，以N2為主，含微量CO2的特征。阜26井石炭系天然氣組成偏干，干燥系數(shù)為0.97，屬于干氣，應為石炭系烴源巖高成熟階段的產(chǎn)物。

3.2 運聚特征

（1）運移方式 西泉地區(qū)多期斷裂和不整合面構成了良好的油氣輸導系統(tǒng)。研究區(qū)內部發(fā)育多組近東西向的深大逆斷裂，松喀爾蘇組b段及滴水泉組烴源巖生成的天然氣沿深大斷裂向上運聚成藏；而阜康凹陷中二疊統(tǒng)平地泉組烴源巖生成的原油沿石炭系頂面大型不整合面運聚成藏。

（2）運移方向 阜康凹陷平地泉組烴源巖生成的原油運移方向主要有2個，一是沿斷裂向上運移至新地層成藏，二是沿底部與石炭系間的大型不整合面進入石炭系成藏。石炭系天然氣運移方向有2個：①松喀爾蘇組b段及滴水泉組烴源巖生成的天然氣，大部分沿斷裂向上進入松喀爾蘇組b段及松喀爾蘇組a段火山巖儲集空間，少部分進入斷裂溝通的巴塔瑪依內山組火山巖儲集層；②松喀爾蘇組b段烴源巖生成的天然氣，側向就近進入松喀爾蘇組a段潛山型火山巖體。

表1 西泉地區(qū)和卡拉麥里地區(qū)天然氣組分特征

3.3 油氣成藏模式

（1）巴塔瑪依內山組風化殼型油藏 北三臺凸起巴塔瑪依內山組火山巖位于石炭系頂面大型風化殼之下，儲集層物性優(yōu)越。二疊系發(fā)育的厚層泥巖為良好的蓋層，而火山巖與凝灰?guī)r旋回性多期次發(fā)育，凝灰?guī)r成為良好的側向遮擋層。阜康凹陷中二疊統(tǒng)平地泉組烴源巖生成的大量原油沿不整合面運移至高部位巴塔瑪依內山組聚集形成“新生古儲”的風化殼型油藏（圖6）。

（2）松喀爾蘇組b段巖性氣藏 松喀爾蘇組b段巖性以碳質泥巖、凝灰質泥巖為主，夾安山巖，為典型的內幕型火山巖儲集層。松喀爾蘇組b段火山巖與烴源巖直接接觸，同時火山巖體通過深大斷裂與底部滴水泉組烴源巖溝通，而松喀爾蘇組b段與滴水泉組烴源巖生成的天然氣可單獨或同時向松喀爾蘇組b段火山巖儲集層聚集成藏。松喀爾蘇組b段巖性氣藏存在兩種成藏模式，“源儲對接”多面近源成藏模式及“源儲對接、下生上儲”雙源成藏模式（圖6）。

（3）松喀爾蘇組a段構造氣藏 研究區(qū)松喀爾蘇組a段發(fā)育一系列凸起，構造條件優(yōu)越，以中基性英安巖、安山巖為主，直接與頂部松喀爾蘇組b段烴源巖對接，同時通過深大斷裂與底部滴水泉組烴源巖溝通，而松喀爾蘇組b段與滴水泉組烴源巖生成的天然氣可單獨或同時向松喀爾蘇組a段凸起聚集形成構造氣藏，氣藏同樣存在兩種成藏模式，“源儲對接”側向近源成藏模式及“源儲對接、下生上儲”雙源成藏模式（圖6），為研究區(qū)下一步深層天然氣勘探的重要領域，潛力巨大。

4 結論

（1）西泉地區(qū)石炭系火山噴發(fā)頻繁，松喀爾蘇組內幕型火山巖儲集層巖性以溢流相安山巖為主；儲集空間類型以裂縫為主，發(fā)育少量溶蝕孔隙，研究區(qū)儲集層整體具有孔隙和縫隙相互組合的“雙孔介質”特征。

（2）內幕型火山巖儲集層埋藏深，距離風化殼深度大于200 m，為強非均質性、低孔、低滲儲集層。綜合分析認為，研究區(qū)火山巖巖性、巖相是形成優(yōu)質儲集層的基礎，后期表生成巖階段風化淋濾作用對研究區(qū)內幕型火山巖儲集層沒有明顯的控制作用；在埋藏成巖階段溶蝕作用下形成了一定數(shù)量的溶蝕孔隙，溶蝕作用能夠促進石炭系內幕型儲集層物性的改善；裂縫發(fā)育程度是影響石炭系內幕型火山巖儲集層物性及有效性的重要因素。

（3）西泉地區(qū)石炭系發(fā)育巴塔瑪依內山組風化殼型油藏，松喀爾蘇組b段巖性及松喀爾蘇組a段構造2類內幕氣藏。油藏分布在凸起區(qū)石炭系頂部風化殼發(fā)育帶，氣藏具有近源近距離運移成藏的特點，烴源巖控制天然氣的分布，早期相對較差的儲集環(huán)境為天然氣的富集提供了有利的保存條件，后期石炭系烴源巖大量生氣并在有效儲集空間聚集成藏，主要分布在石炭系深層斜坡帶，勘探程度低，勘探領域廣闊，潛力巨大。