火山巖風化殼發(fā)育規(guī)律及油氣地質(zhì)意義
——以準西車排子地區(qū)石炭系火山巖為例

林會喜，宮亞軍，趙樂強，閔飛瓊，曾治平，管永國，牛靖靖

（中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營 257015）

火山巖風化殼型油氣藏是全球范圍內(nèi)一類重要的油氣藏類型［1-6］。準噶爾盆地已發(fā)現(xiàn)克拉美麗、五彩灣、克拉瑪依及車排子等30個石炭系火山巖風化殼油氣田［7］。早期研究認為盆地石炭系儲層的發(fā)育受巖性和巖相控制，故主要針對溢流相安山巖和爆發(fā)相火山角礫巖進行勘探；但近年來，研究人員逐步認識到風化作用及其形成的風化殼對石炭系火山巖油氣成藏具有重要意義，與巖相和巖性相比，風化殼更易形成有利儲層且易高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)［7-11］。針對準噶爾盆地車排子地區(qū)石炭系儲層［12-17］及其含油氣特征的研究成果［18-19］顯示，研究區(qū)發(fā)育典型的風化殼油氣藏，但目前有關風化殼發(fā)育規(guī)律的研究較少，尤其是石炭系油氣成藏規(guī)律尚不清楚。為此，筆者對車排子地區(qū)火山巖風化殼發(fā)育特征進行研究，剖析風化殼控制下的石炭系油氣成藏規(guī)律，以期指導研究區(qū)石炭系進一步的油氣勘探。

1 地質(zhì)概況

圖1 車排子地區(qū)區(qū)域構(gòu)造位置Fig.1 Regional structural location of Chepaizi area

車排子地區(qū)位于準噶爾盆地西緣，其西北鄰近扎伊爾山，南面為四棵樹凹陷，向東以紅車斷層與沙灣凹陷相接（圖1）。石炭系包括下統(tǒng)太勒古拉組、上統(tǒng)包谷圖組和希貝庫拉斯組，屬于火山或火山-沉積建造，整體表現(xiàn)為裂隙-中心式火山噴發(fā)特征，受紅車等斷層控制，巖性、巖相多呈NS向條帶狀分布［20］。其中，溢流相多分布于斷層交匯處，巖性為玄武巖、安山巖、流紋巖及凝灰?guī)r等，紅車斷層向西以發(fā)育爆發(fā)相凝灰?guī)r和火山沉積相為主。在石炭紀末期，紅車等斷層發(fā)生大幅度擠壓逆沖［21］，其上盤石炭系大范圍抬升剝蝕，形成車排子地區(qū)石炭系頂部的大型風化殼儲集體。至侏羅紀早期，石炭系頂開始接受沉積，侏羅系、白堊系、古近系及新近系等碎屑巖地層依次超覆于石炭系之上，與石炭系之間形成多級別的區(qū)域性不整合。

2 火山巖風化殼發(fā)育規(guī)律

2.1 結(jié)構(gòu)特征

火山巖風化殼是指抬升背景下火山巖在表生環(huán)境中，經(jīng)物理與化學風化淋濾作用，形成的具有層狀結(jié)構(gòu)的地質(zhì)體［7，9，18］。通過巖礦學、地球化學、測井及物性特征等綜合分析，將車排子地區(qū)石炭系風化殼由上至下劃分為黏土層、水解層和淋濾層3個結(jié)構(gòu)層（圖2）。

2.1.1 黏土層

黏土層是指位于風化殼頂部的細粒殘積層［18，22］。其黏土化程度達80%～100%，以高嶺石、伊利石等黏土礦物為主；Fe，Ti 和Al 富集；Mg，Ca，Na 及K 流失嚴重；反映風化程度的化學蝕變指數(shù)在85 以上［18］，表明風化程度極高；孔隙度和滲透率極低，孔隙度在2.2%以下，滲透率小于0.1 mD（圖2）。

2.1.2 水解層

水解層是指處于黏土層與淋濾層之間的過渡層，具有以下特征（圖2）:①礦物發(fā)生氧化蝕變，如長石轉(zhuǎn)化為高嶺石，斜長石局部絹云母化，暗色礦物綠泥石化、簾泥石化［18］。②巖石呈角礫狀，發(fā)育網(wǎng)狀風化裂縫，平均裂縫密度為1.8條/cm，且縫內(nèi)充填泥質(zhì)、鐵質(zhì)、沸石及方解石等，充填程度為42%～90%。③與黏土層相比，水解層的Fe，Ti 和Al 富集程度低；Mg，Ca，Na 和K 流失較少；化學蝕變指數(shù)為55～90［18］。④由于較高的黏土化程度和充填程度，水解層的物性條件較差，孔隙度最大約為6%，滲透率普遍小于0.4 mD。

2.1.3 淋濾層

圖2 車排子地區(qū)排60井石炭系風化殼結(jié)構(gòu)特征剖面［15］Fig.2 Characteristics of weathering crust structure of Well Pai60 in Chepaizi area［15］

淋濾層是處于水解層與原巖之間的結(jié)構(gòu)層，基本保持原巖特征（圖2）。其礦物蝕變現(xiàn)象與水解層類似，但黏土化程度較弱，而風化裂縫較發(fā)育，平均裂縫密度為1.3條/cm，且縫內(nèi)充填方解石、沸石及泥質(zhì)，充填程度為10%～50%。元素組成與原巖趨于一致。淋濾層的顯著特征是黏土化程度弱、風化裂縫較發(fā)育、充填程度有限，因此其物性條件有較大改善，孔隙度為10%～18.5%，滲透率為0.1～500 mD，是研究區(qū)主要的油氣儲集層段。

2.2 測井識別

常規(guī)測井曲線對風化殼具有一定的響應特征（圖2），但存在多解性，且各結(jié)構(gòu)層界限不明晰［23］。為此，筆者構(gòu)建了風化殼結(jié)構(gòu)測井識別的雙因子模型:反映風化殼黏土化程度的黏土化因子（F1）和反映風化裂縫及孔隙變化特征的孔縫因子（F2）。其模型因子的表達式分別為:

模型中，黏土化因子由3部分構(gòu)成:①反映蝕變程度的變量（CNL-DEN）。巖石的蝕變程度越高，中子孔隙度相對于總孔隙度（密度孔隙度）的差值越大。②反映黏土化程度的變量（CNL×GR）?；鹕綆r巖性由基性—中性—酸性變化，其自然伽馬越來越高，而中子孔隙度越來越低，二者的乘積可以消除巖性影響，進而反映黏土化程度的變化。③前述2個變量之和除以井徑參數(shù)，可以消除擴徑影響。此外，聲波和密度分別為反映裂縫和孔隙變化的良好參數(shù)，因此孔縫因子采用聲波與密度之和的平均值，再除以井徑參數(shù)，進而消除擴徑的影響。通過研究區(qū)43 口取心井風化殼結(jié)構(gòu)層與雙因子模型的對比分析發(fā)現(xiàn)，風化殼各結(jié)構(gòu)層具有如下劃分標準:黏土層的F1和F2均大于等于0.6，水解層的F1和F2均大于等于0.3 且小于0.6，淋濾層的F1和F2均大于等于0.15 且小于0.3，原巖的F1和F2均小于0.15（圖2）。因此，利用風化殼結(jié)構(gòu)測井識別雙因子模型，可實現(xiàn)無取心井的風化殼結(jié)構(gòu)劃分。

2.3 發(fā)育主控因素

2.3.1 原巖巖性

原巖巖性對風化殼結(jié)構(gòu)發(fā)育的控制作用主要表現(xiàn)在3 個方面:①由于火山巖的脆性礦物含量較高，故其原巖本身的造縫能力強，收縮縫、構(gòu)造縫等較發(fā)育［10-12］，沿早期裂縫的風化淋濾更易形成風化裂縫（圖2），多成因類型裂縫的相互疊加強化，使得火山巖風化殼厚度遠大于碎屑巖的風化殼厚度。②火山巖的化學不穩(wěn)定礦物含量高，且基性礦物的比例越高，原巖的抗風化能力越弱，巖石越易于風化，風化殼厚度也越大，偏基性的安山巖的風化殼厚度要大于英安巖的風化殼厚度［6，18］。③原巖粒度等結(jié)構(gòu)構(gòu)造對風化淋濾具有負反饋作用，例如泥巖和凝灰?guī)r等本身由顆粒細小的偏泥質(zhì)物質(zhì)構(gòu)成，因此最易形成風化黏土層，但細粒物質(zhì)也極易堵塞微裂縫和微孔隙，進而阻礙風化作用的進行［18］；因此，泥巖和凝灰?guī)r易于形成黏土層，但厚度較薄。

2.3.2 風化時間

風化時間越長，風化程度越高，風化殼厚度往往也越大。研究區(qū)發(fā)育侏羅系與石炭系、白堊系與石炭系以及新近系與石炭系共3 個級別的風化殼，巖性主要為凝灰?guī)r，隨著沉積間斷時間的增加，不同級別界面的風化殼厚度增大，如排淺4 井侏羅系與石炭系之間的風化殼厚度為38 m，排614 井白堊系與石炭系之間的風化殼厚度為46 m，蘇1 井新近系與石炭系之間的風化殼厚度為73 m。據(jù)鄒才能等研究發(fā)現(xiàn)，風化殼厚度與風化淋濾時間呈對數(shù)關系［7］；隨風化淋濾時間的增加，風化殼厚度增大，當風化淋濾時間達到36.3 Ma（平衡時間）時，風化殼厚度約為450 m（平衡厚度），此后，風化殼厚度不再顯著增加。另據(jù)毛翔等研究發(fā)現(xiàn)，準噶爾盆地西緣隆起區(qū)的風化淋濾時間長達50 Ma［24］，大于36.3 Ma，表明研究區(qū)石炭系火山巖已充分風化。

2.3.3 古地形

宋明水等研究發(fā)現(xiàn)，古地形是控制研究區(qū)石炭系風化殼發(fā)育的主控因素之一。當古坡度小于4.5°，風化殼厚度隨古坡度增加而增大；當古坡度大于4.5°，風化殼厚度變化不明顯，黏土層集中發(fā)育于古坡度為2°～3.5°范圍內(nèi)［18］。鄒才能等對準噶爾盆地石炭系風化殼的研究結(jié)果表明，古地形對黏土層分布的影響較大；當古坡度高達42°時，依然有黏土層發(fā)育；小于42°時，黏土層則連片分布［7］。上述關于古坡度對風化殼發(fā)育控制作用的認識存在差異，可能是由于研究區(qū)范圍局限造成的，但總體上，低部位和緩坡帶利于風化殼結(jié)構(gòu)的保存，因此其風化殼普遍發(fā)育3個結(jié)構(gòu)層，且厚度較大；而凸起區(qū)和陡坡帶由于保存條件較差，黏土層或黏土層與水解層均缺失，僅發(fā)育2個或單個結(jié)構(gòu)層，且厚度較小。

2.3.4 斷裂

車排子地區(qū)石炭系斷裂十分發(fā)育，其對風化殼形成及其儲集性的改善具有重要的控制作用［7，25］?？拷鼣嗔褞⒘芽p發(fā)育，垂直斷面1.5 km 范圍內(nèi)是微裂縫集中發(fā)育區(qū)［8］，斷裂-微裂縫組成的斷-縫網(wǎng)絡改善了巖石的滲流能力，地表水沿斷-縫網(wǎng)絡向下風化淋濾，距斷面1.5 km 范圍風化殼厚度顯著增大，且其厚度隨與主斷裂距離的增加而減小，剖面上具有漏斗狀的下拉風化特征。如前所述，受火山巖脆性程度及不穩(wěn)定礦物含量等影響，沿斷-縫網(wǎng)絡的風化淋濾作用，導致不同巖性的淋濾層（儲層）厚度和儲集空間類型具有明顯差異（圖3）。例如位于主斷裂附近、微裂縫發(fā)育的排66 井火山角礫巖，其風化殼厚度達237 m，儲集空間主要為角礫邊緣的次生溶蝕縫（圖3a）；含較多不穩(wěn)定礦物的排666井玄武安山巖和排667 井玄武巖的風化殼厚度為94～115 m，儲集空間多為溶蝕孔縫型，且溶蝕孔多沿微裂縫分布（圖3b，3c）；蘇13 井凝灰?guī)r風化殼厚度僅為69 m，儲集空間以裂縫型為主（圖3d）。雖然斷裂對風化殼的控制作用僅在有限的范圍，但對風化殼的儲集性具有顯著改善。統(tǒng)計結(jié)果顯示，風化殼內(nèi)的“斷縫體”是研究區(qū)石炭系油井高產(chǎn)的主要原因之一［12］。

2.4 發(fā)育模式

受原巖巖性、風化時間、古地形和斷裂等因素控制，車排子地區(qū)主要形成3 種類型的風化殼（圖4）:Ⅰ型風化殼發(fā)育黏土層、水解層和淋濾層3個結(jié)構(gòu)層，由于黏土層受局部低洼控制而有效保存，因此該類型主要位于古地形的緩坡低洼帶，且局部分布，研究區(qū)凸起東、西兩翼的緩坡低洼區(qū)均發(fā)育該類型風化殼［18，24］；Ⅱ型風化殼發(fā)育水解層和淋濾層2 個結(jié)構(gòu)層，沿Ⅰ型風化殼向外，表生保存條件變差，松散的黏土層缺失，而水解層保存，因此該類型多沿Ⅰ型風化殼周緣呈環(huán)帶狀展布；Ⅲ型風化殼僅發(fā)育淋濾層1 個結(jié)構(gòu)層，凸起高部位風化作用最為強烈，黏土層和水解層難以保存，僅發(fā)育淋濾層，且其分布范圍也最大。

綜上所述，北疆在石炭系沉積后的間斷期處于干旱-半干旱的亞熱帶氣候［4］。在漫長的地質(zhì)歷史時期內(nèi)，巖性影響較?。?］，故風化殼厚度主要取決于風化時間。古地形高部位為強風化區(qū)，表生保存條件差，黏土層或黏土層與水解層均缺失，多發(fā)育2個或單個結(jié)構(gòu)層的風化殼，因此，古地形控制風化殼結(jié)構(gòu)層的完整性。風化殼短期的（平衡時間內(nèi)）、局部的變化受斷裂和巖性控制，如沿斷裂呈漏斗狀的局部下拉風化特征（圖4）。

3 火山巖風化殼對油氣成藏的控制作用

基于前人對準噶爾盆地石炭系24 個風化殼油藏研究成果［7-8］，結(jié)合車排子地區(qū)11 個風化殼油藏剖析結(jié)果，認為風化殼對油氣成藏的控制作用主要表現(xiàn)在儲集作用、封蓋作用及輸導作用3個方面。

圖3 車排子地區(qū)石炭系風化殼主要儲集類型Fig.3 Main storage types of Carboniferous weathering crust in Chepaizi area

圖4 車排子地區(qū)火山巖風化殼發(fā)育模式Fig.4 Development model of Carboniferous weathering crust in Chepaizi area

3.1 淋濾層為有利儲層

準噶爾盆地石炭系以中基性火山巖為主，原始物性較差，其不同巖性需經(jīng)歷長期風化才可以形成有利儲層［7，24-25］。侯連華等對準噶爾盆地2 671個樣品統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，有效儲層發(fā)育在距石炭系頂界以下0～550 m，其最大孔隙度達32%［25］。研究結(jié)果表明，研究區(qū)不同巖性作為有效儲層的前提條件是須處于淋濾層內(nèi)，且有效儲集體隨淋濾層發(fā)育深度范圍的變化而變化，即有效儲層受風化殼結(jié)構(gòu)層控制。距石炭系頂部40 m，黏土層和水解層較為發(fā)育，其物性條件差，最大孔隙度為5.88%，最大滲透率為0.36 mD。距石炭系頂部40～380 m 淋濾層的孔隙度為7%～18%，滲透率為0.1～500 mD，是研究區(qū)儲層發(fā)育段（圖1），巖性為火山角礫巖、安山巖、玄武巖、英安巖及凝灰?guī)r等，處于淋濾層內(nèi)的各類火山巖均可以成為有利的儲集體。而距石炭系頂部380 m 以下，淋濾層不發(fā)育，火山巖孔隙度顯著減小，僅在斷裂作用影響下孔隙度有所增加。

3.2 黏土層與水解層為有效蓋層

石炭系上覆的中-新生界泥巖被認為是風化殼型地層油藏的封蓋層［9］，但不同風化殼結(jié)構(gòu)層的微觀封堵能力分析結(jié)果表明，黏土層與水解層可以成為有效的直接蓋層。黏土層與水解層的實測突破壓力為0.5～6.8 MPa，依據(jù)毛細管力公式計算，其可以封蓋的油柱高度可達上百米，而已發(fā)現(xiàn)的油藏高度多為10～130 m，即黏土層與水解層的臨界封堵高度遠大于油藏的油柱高度。宏觀上，較大范圍分布的黏土層與水解層構(gòu)成有效的區(qū)域蓋層，兩者與淋濾層的組合使得研究區(qū)石炭系風化殼具備儲蓋一體的組合特征，可形成大規(guī)模風化殼型地層圈閉群（圖4）。

3.3 淋濾層與上覆砂體為重要輸導層

準噶爾盆地石炭系頂部不整合面常被認為起到側(cè)向輸導作用［7，9，25］，但研究區(qū)風化殼結(jié)構(gòu)解剖與油氣運移地球化學示蹤研究表明［19］，石炭系油氣的聚集成藏是通過風化殼內(nèi)的淋濾層及其上覆毯狀砂體（毯砂）來輸導運移的，兩者與油源斷層匹配，形成斷層-毯砂、斷層-淋濾層、斷層-毯砂-淋濾層3種類型輸導方式，進而控制風化殼內(nèi)的油氣運聚成藏。

斷層-毯砂輸導方式 在石炭系上覆地層中，發(fā)育侏羅系八道灣組和新近系沙灣組2 套毯砂，其物性較好，橫向連通，且與紅車油源斷層相接，構(gòu)成斷層-毯砂輸導體系。在凸起上，2 套毯砂與淋濾層錯斷對接，油氣在對接處富集成藏。例如排685 井油藏，八道灣組毯砂與紅車油源斷層構(gòu)成的斷層-毯砂是其油氣成藏的高效輸導方式［18-19，27］（圖5）。在斷層-毯砂輸導方式控制下，毯砂與淋濾層錯斷對接區(qū)均為有利的油氣成藏區(qū)。

斷層-淋濾層輸導方式 廣泛分布的淋濾層厚度達數(shù)十米，且物性好，并與紅車油源斷層相接，構(gòu)成斷層-淋濾層輸導體系。油氣運移地球化學示蹤研究證實，車21、排66油藏均為通過斷層-淋濾層輸導方式運聚成藏（圖5）［19］。發(fā)育較完整的Ⅰ和Ⅱ型風化殼分布區(qū)主要為該輸導方式，這是由于水解層和黏土層的存在一方面阻止油氣的垂向散失，另一方面確保淋濾層內(nèi)的油氣發(fā)生一定的橫向運移，但鑒于火山巖巖性多變，其輸導距離較毯砂的小，即在該輸導方式下，靠近油源斷裂帶較為有利。

斷層-毯砂-淋濾層輸導方式 該輸導方式與斷層-毯砂輸導方式不同，其主要發(fā)育在黏土層和水解層缺失的Ⅲ型風化殼發(fā)育區(qū)，且多為超覆對接，形成類似“天窗”式垂向?qū)虞攲?。例如?0井油藏（圖5），因此處于毯砂超覆尖滅帶的淋濾層是十分有利的勘探目標區(qū)。

3.4 油氣成藏模式

綜合分析前人針對油氣藏特征和油氣來源的研究成果［19，26-27］，建立車排子地區(qū)石炭系火山巖油氣成藏模式。車排子凸起東翼的油氣來自于沙灣凹陷中二疊統(tǒng)烴源巖，而西翼的油氣來自于四棵樹凹陷侏羅系烴源巖［19，27］，處于凹凸轉(zhuǎn)換帶的紅車斷層和艾卡斷層被證實分別為東翼和西翼的油源斷層［27］。從油源斷層到凸起區(qū)，橫向達50 km 的旁源側(cè)圈配置（圖1）決定了輸導方式為研究區(qū)石炭系油氣成藏的控制因素，油氣經(jīng)油源斷層進入風化殼淋濾層，并橫向運移成藏，或進入石炭系上覆的2套毯砂進行橫向運移，并于毯砂與淋濾層的錯斷對接及超覆對接處聚集成藏（圖5）。研究區(qū)石炭系風化殼油氣成藏模式可概括為:雙源側(cè)向供烴，斷層-毯砂-淋濾層復合輸導，風化殼型圈閉聚集。

4 結(jié)論

圖5 車排子地區(qū)石炭系風化殼油氣成藏模式Fig.5 Hydrocarbon accumulation model of Carboniferous weathering crust in Chepaizi area

準西車排子地區(qū)石炭系火山巖風化殼發(fā)育黏土層、水解層和淋濾層3個結(jié)構(gòu)層。原巖巖性、風化時間、古地形及斷裂控制風化殼發(fā)育及展布，其中風化時間決定風化殼厚度，古地形控制風化殼結(jié)構(gòu)的完整性，原巖巖性和斷裂僅在一定地質(zhì)歷史時期內(nèi)產(chǎn)生影響。在平面上，以局部緩坡低洼區(qū)發(fā)育的具有3 個結(jié)構(gòu)層的Ⅰ型風化殼為中心，向外依次為具有2個結(jié)構(gòu)層的Ⅱ型風化殼和單個結(jié)構(gòu)層的Ⅲ型風化殼，且風化殼厚度逐漸減小，淋濾層普遍發(fā)育。

受風化淋濾作用及其形成的結(jié)構(gòu)層控制，車排子地區(qū)石炭系火山巖淋濾層內(nèi)各類巖性均可成為有利儲層，黏土層和水解層是風化殼型地層圈閉的有效蓋層，淋濾層與上覆砂體是風化殼內(nèi)油藏的重要橫向輸導層。研究區(qū)石炭系火山巖風化殼油氣成藏具有斷層-毯砂、斷層-淋濾層以及斷層-毯砂-淋濾層3 種輸導方式，受其控制油氣主要分布于毯砂-淋濾層錯斷對接區(qū)、近斷裂帶及毯砂-淋濾層超覆對接區(qū)。研究區(qū)石炭系火山巖油氣成藏模式為雙源側(cè)向供烴、斷層-毯砂-淋濾層復合輸導及風化殼型圈閉聚集。

符號解釋

F1——黏土化因子，無量綱；CNL——中子測井曲線歸一化數(shù)值，無量綱；DEN——密度測井曲線歸一化數(shù)值，無量綱；GR——自然伽馬測井曲線歸一化數(shù)值，無量綱；CAL——井徑測井曲線歸一化數(shù)值，無量綱；F2——孔縫因子，無量綱；AC——聲波時差測井曲線歸一化數(shù)值，無量綱。