三塘湖盆地条湖组火山湖相沉凝灰岩致密油形成条件与富集因素

陈旋，刘俊田，冯亚琴，王昕，范谭广，刘书强，姜书林，孔宏伟

（1.中国石油吐哈油田分公司勘探开发研究院，新疆 哈密 839009；2.中国石油吐哈油田分公司勘探公司，新疆 鄯善 838202）

2012年三塘湖盆地马朗凹陷芦1井在中二叠统条湖组火山碎屑岩储集层中试油压裂获得10.98 t/d的工业油流，前人对该储集层特征进行了大量研究[1-2]，认为该油藏为一套分布广泛受岩性和物性控制的沉凝灰岩致密油藏。该岩性作为特殊储集层，甜点区纵横向分布难以把握，区域扩展方向不明，基础地质理论、成藏机理及富集规律等存在诸多难题。本文通过系统解剖已知油藏，对三塘湖盆地二叠系条湖组沉凝灰岩致密油藏的成藏机理、火山喷发期次、储集层沉积环境、岩石物性及油气成藏富集规律等方面进行分析，揭示其资源潜力，指出勘探方向，为三塘湖盆地致密油勘探部署提供科学依据。

1 基本石油地质特征

三塘湖盆地位于西伯利亚板块西南缘，紧邻卡拉麦里-麦钦乌拉缝合线，属晚泥盆—早石炭世褶皱基底上发育的多旋回叠加型残留盆地。目前致密油勘探主要目的层属下构造层二叠系条湖组，为海陆过渡相火山岩、碎屑岩及碳酸盐岩沉积建造[3]。该目的层自下而上分为3段，一段沉积期盆地处于张性伸展环境，火山作用频繁，发育正断层为岩浆喷发通道，形成众多火山活动带，并在盆地沉积一套中基性火山喷发岩，局部地区有辉绿岩侵入；二段以火山间歇期泥岩及沉凝灰岩沉积为主，发育多套沉凝灰岩，底部数十米厚的玻屑晶屑沉凝灰岩，分布范围广，是目前三塘湖盆地致密油勘探的主力层（图1）[4]；三段为另一火山喷发旋回，目前仅在局部地区存在。

有机地球化学分析认为，该区存在条湖组二段泥岩、沉凝灰岩及芦草沟组二段泥岩3套烃源岩，油气具混源充注特点[5]，油气主要来自芦草沟组二段烃源岩。条湖组二段泥岩样品总有机碳平均为2.19%，芦草沟组二段泥岩样品总有机碳平均为3.87%，属好烃源岩。条湖组二段底部沉凝灰岩总有机碳平均为2.21%。沉凝灰岩实测镜质体反射率为0.5%～1.0%，芦草沟组二段泥岩实测镜质体反射率为0.6%～1.0%，认为马朗凹陷条湖组二段沉凝灰岩处于低成熟-成熟早期阶段，芦草沟组二段泥岩处于低熟-成熟阶段。

条湖组二段油藏储集空间以基质微孔、脱玻化晶间微孔、溶蚀微孔和微缝等“四微”孔隙为主（图2），存在少量有机孔，孔隙度平均16.1%，渗透率平均0.24×10-3μm，属中高孔、特低渗储集层。

图1 三塘湖盆地条湖组一、二段沉积综合图Fig.1 Sedimentary complex chart of the first and the second section of tiaohu formation in Santanghu basin

2 火山喷发期次与沉凝灰岩类型

2.1 火山喷发期次

火山喷发期次通常指火山喷发通道或断裂发生的一次相对集中活动，物质成分、喷发方式及喷发强度的规律性变化过程中，形成一套相序上具成因联系的火山岩组合[6]。一次简单火山喷发旋回就是一个火山喷发期次，一次复杂火山喷发旋回内部可划分多个期次，地质上通过风化壳、沉积夹层、岩性界面及相序等方面识别，测井上通过对岩性相应明显的自然伽马、电阻率和密度曲线识别。随地震资料精度的不断提高，通过地震相开展火山机构识别将成为一种技术手段。

研究表明，马朗凹陷二叠纪条湖组沉积期主要经历火山喷发期-火山灰、陆源碎屑沉积期-火山休眠期三段式沉积演化过程。每次火山活动均经历火山喷发-溢流-沉凝灰岩沉积-火山喷发平静期，即一个完整的火山活动旋回。喷发方式主要以断裂为火山通道的裂隙式火山喷发。条一段火山活动发育，岩性以火山熔岩、火山碎屑岩为主，夹火山活动短暂休止期沉积的湖相薄层泥岩。之后由于火山喷发作用减弱，进入较长的火山喷发休止期；条二段沉积初期发育喷发相沉凝灰岩，沉积期末发育大套沉凝灰质泥岩和泥岩，为火山喷发间歇期典型特征（图2）；条三段沉积时期，该区又进入火山活动发育期，以火山熔岩、火山碎屑岩为主，少量次火山岩夹湖相薄层泥岩，之后进入一个较长时间的构造抬升与地层剥蚀期。该段地层分布局限，仅凹陷西部和东部残存，由于喷发方式、岩浆自身能量的差异性，研究区改造既有的沉积湖盆，形成不同类型火山湖相沉积。

2.2 火山机构与沉凝灰岩类型及沉积环境关系

图2 条湖组二段油层段储集空间镜下照片Fig.2 The reservoir space microscopic photos of The second section of tiaohu formation

运用高精度地震资料，开展火山机构地震相应特征研究，描述火山喷发机构，结合古构造背景，对分析岩相组合、沉凝灰岩成分、结构具重要意义。

2.2.1 火山喷发机构地震相应特征

火山岩与围岩物理性质存在较大差别,界面上产生较强反射振幅，每次喷发形成的火山熔岩、火山碎屑岩及平静期沉积碎屑岩速度存在较大差异。研究发现，条湖组玄武-安山岩速度为4 200～4 500 m/s，上部沉凝灰岩速度为3 100～3 300 m/s，顶部泥岩速度偏低，小于3 000 m/s。火山岩与围岩速度差异及火山岩内部速度差异在地震剖面上表现出自身形态，具丘状反射特征。顶部为强反射,内部为弱反射，具杂乱、低频、断续反射特征。火山停止喷发后，受岩石冷缩影响，地震剖面上丘型反射体顶部呈地堑式下凹特点。地震剖面上火山口顶部同相轴呈下拉现象，同时，火山通道附近，围岩因岩浆上侵、刺穿作用被破坏，地震剖面上为杂乱反射或同相轴陡立。火山机构翼部出现上超或披盖现象，这种现象广泛存在于火山机构中,同相轴呈强反射、连续、稳定状态（图3）。

2.2.2 沉凝灰岩岩石类型及孔渗特征

条湖组沉凝灰岩主要发育玻屑沉凝灰岩、晶屑玻屑沉凝灰岩和泥质沉凝灰岩。通过对马56-15H、马56-12H等井铸体薄片鉴定、压汞毛管压力曲线分析，不同类型沉凝灰岩储集层孔渗特征具明显区别（表1）。

图3 三塘湖盆地二叠系火山喷发机构及地震、沉积相应特征Fig.3 Vulcanian eruption and seismic,sedimentary characteristics of Permian in Santanghu basin

表1 三塘湖盆地二叠系不同类型沉凝灰岩储集层特征Table 1 Reservoir features of different type of Permian tuffite in Santanghu basin

玻屑沉凝灰岩玻屑沉凝灰岩原始火山灰以玻屑成分为主，玻屑含量大于50%，粒度较小，矿物组成以石英和长石为主，黏土矿物含量低，脱玻化孔是主要孔隙类型，火山玻璃质脱玻化作用是导致该类储集层高孔低渗的主要因素。马56-15H井2 244.94 m的玻屑沉凝灰岩分析测试揭示，该类岩性分布在凝灰岩段中部，孔隙度高、数量多、分选好、偏粗歪度、喉道细小且分布均匀，是该类岩性特点，为研究区优质储集层。

晶屑玻屑沉凝灰岩晶屑玻屑沉凝灰岩原始火山灰以玻屑成分为主，玻屑含量大于50%，晶屑含量增加，颗粒较大，黏土矿物含量较玻屑沉凝灰岩高，黏土矿物充填分割孔隙，使孔隙结构复杂化，导致孔隙度下降，喉道变细。脱玻化孔为主要孔隙类型。马56-15H井2 252.34 m的晶屑玻屑沉凝灰岩分析测试揭示，该类岩性分布在凝灰岩段中部，以夹层形式分布于玻屑凝灰岩之间。孔隙度较高、分选中等、偏细歪度是该类岩性特点，储集层性能仅次于玻屑沉凝灰岩。

泥质沉凝灰岩泥质沉凝灰岩原始火山灰以玻屑成分为主，玻屑含量大于50%，含少量细粒晶屑，陆源泥质含量相对较高，达20%以上。岩石致密，泥质碎屑的混入使该类储集层质量较差，黏土矿物含量较高（一般大于15%），脱玻化孔隙较少。马56-12H井2 110.2 m的泥质沉凝灰岩分析测试揭示，该类岩性分布在凝灰岩层段顶部，由陆源泥质混入形成。孔隙度低、颗粒较细、分选较好、偏细歪度是该类岩性特点，基本不具储集能力。

2.2.3 凝灰岩脱玻化作用及对储集空间的影响

沉凝灰岩储层具较高孔隙度，粒间孔在压实过程中大量损失，现今高孔隙度主要源于沉凝灰岩脱玻化作用。经脱玻化过程，沉凝灰岩颗粒紧密排列，产生脱玻化孔隙。形成的微孔隙小，数量较多，总体孔隙度较大。

研究区沉凝灰岩碎屑类型以玻屑为主，玻屑主要成分是玻璃质，是一种极不稳定组分，处于热力学不稳定状态，火山玻璃总是趋向晶体方向转化，即脱玻化作用。影响因素主要有3方面：①中酸性沉凝灰岩脱玻化作用形成的微晶体多且颗粒较大，易产生脱玻化孔，形成有利储层；②玻屑含量越高，脱玻化形成的孔隙度越大，沉凝灰岩中玻璃质含量越高，脱玻化潜能越大，随玻屑含量减小，脱玻化孔隙逐渐递减；③有机酸含量控制脱玻化速率，条湖组沉凝灰岩含一定量的有机质，埋藏过程中产生一定量有机酸，能有效促进脱玻化过程的进行。有机质含量越高，生成的有机酸越多，pH值越低，玻璃质的溶解速率越大，越有利于脱玻化作用的进行。

2.2.4 不同类型沉凝灰岩形成环境

前人对三塘湖盆地二叠纪古气候、湖盆水介质性质及古物源等进行恢复，认为二叠系碎屑岩沉积环境主要为浅湖-半深湖，陆源碎屑供给少，属稳定湖盆环境[7]。不同类型沉凝灰岩的形成主要取决于火山喷发强弱、不同级别断裂形成的通道、岩浆自身能量的衰减及火山灰飘落距离的远近和供应等因素。

条湖组沉凝灰岩是火山灰直接降落湖盆中形成的，不同规模的火山喷发，形成不同的火山湖相环境。火山喷发能量弱，断裂级别较低，通常形成火山口湖。火山喷发能量强，断裂级别高，火山熔岩溢流堵塞、分割滨浅湖，形成火山堰塞湖。火山灰中较大晶屑颗粒飘落距离近，快速呈环带状或扇形沉降，沉积在火山口及周围区域。因此，随距离火山口的远近，沉凝灰岩类型呈规律化，就近沉积形成晶屑玻屑沉凝灰岩。一定范围内，距离火山口越远，玻屑含量越高，在火山堰塞湖中形成玻屑沉凝灰岩，即玻屑沉凝灰岩平面上主要分布在中远火山口区域。距离过远火山灰供给不足，泥质含量增加，沉积在浅-半深湖中，形成泥质沉凝灰岩。因此，泥质沉凝灰岩平面上主要分布在远火山口区域。

据断裂分布、地震反射特征、钻井资料及二叠系沉积环境，地震剖面上识别出火山活动带，建立火山口控制沉凝灰岩火山湖相类型及分布模式（图4），认为马朗凹陷二叠系条湖组晶屑玻屑沉凝灰岩分布在距离火山口最近地方，属火山口湖相沉积环境，马7块属该类型。玻屑沉凝灰岩分布在与火山口有一定距离的火山活动带两侧沉积洼地，属火山堰塞湖相沉积环境，马56块属该类型。泥质沉凝灰岩主要分布在湖盆水体较深地方，属远火山口湖相沉积环境，如马7井以南区域等。

3 沉凝灰岩致密油富集因素

3.1 烃源岩的有效配置及持续充注机理是致密油藏富集的关键

条湖组沉凝灰岩致密油藏具“混源充注”特点，条湖组二段中发育的暗色泥岩和沉凝灰质具很好的生烃能力，是一套较好的烃源岩；芦草沟组二段泥岩为主要烃源岩，该套地层分布范围广，有机质丰度高，有机质类型好，处于低熟-成熟阶段，是三塘湖盆地主力烃源岩，与上覆储集体形成良好配置关系。条湖组沉凝灰岩具一定生烃能力，生成的原油在孔隙中形成油膜，对沉凝灰岩起润湿作用，改变了岩石原有的润湿性，亲水性减弱，亲油性增强，有效降低了油气进入储集层的毛细管阻力。

图4 火山口控制沉凝灰岩火山湖相类型及分布模式Fig.4 Distribution pattern and volcanic lake type of tuffite

3.2 盆地稳定的构造背景和浅水湖盆环境是沉凝灰岩致密油储集层连续、稳定分布的基础

火山灰颗粒经空中漂移后直接落入水体，避免了遭受风化搬运可能造成的成分流失。由于火山灰颗粒极细，以粉砂级、泥级为主，在陆源输入及水动力较强的滨湖地带不易保存，不利于形成连续、稳定分布的储集层。目前发现沉凝灰岩普遍发育波状层理或粒序层理，说明其形成时期水动力较弱。此外，岩心中有机泥质纹层、生物碎屑的发现，进一步说明沉凝灰岩沉积时期，陆源碎屑影响较小，同时，条湖组沉积时期，坡度相对较缓的凹陷北部浅湖-半深湖区域，由火山喷发引起的熔岩溢流形成的多个火山堰塞湖，发育多个局部低洼部位，为大面积连续性沉凝灰岩致密油储集层的形成和保存提供了有利场所。

3.3 火山湖相发育规模和火山灰空降成因的沉积方式是不同类型沉凝灰岩形成的要因

不同类型火山湖相沉积，决定了条湖组沉凝灰岩类型，随断裂系统级次的不同、火山喷发能量强度的大小及火山灰空降到湖盆的沉积方式，距离火山口的远近，沉凝灰岩的类型呈规律化，距离火山口远近，形成不同类型的沉凝灰岩，晶屑玻屑沉凝灰岩通常形成于火山口湖相，越远玻屑含量越高，形成玻屑沉凝灰岩，泥质沉凝灰岩主要是远火山口的湖相产物。

3.4 脱玻化作用和溶蚀作用有效改善了储集层储集空间

孔隙结构研究表明，条湖组沉凝灰岩致密油储集层发育火山灰粒间微孔、脱玻化微孔及晶屑溶蚀微孔3类微孔隙及微缝。脱玻化微孔是主要储集空间。玻屑脱玻化后由于体积变小，释放出大量微孔隙。处于低成熟至中成熟阶段的湖盆有机质，在热演化过程中释放出的有机酸对玻屑、长石质晶屑及早期脱玻化形成的长石溶蚀，形成次生溶蚀孔隙，有效改善了储集层储集空间。

3.5 沟通芦草沟组优质烃源岩的断缝疏导体系、稳定盖层及后期稳定的构造环境为条湖组沉凝灰岩聚集成藏提供了保障

断裂和风化壳是二叠系芦草沟组油气运移的主要输导通道。马朗凹陷条湖组一段在二叠纪末期区域抬升遭风化淋滤改造，形成凹陷北部区域型风化壳，为油气横向运移的主要通道；下部芦草沟组主力烃源岩生成的大量烃，通过断裂和风化壳向上垂向运移聚集到条湖组沉凝灰岩储集层中，此外，条湖组顶部区域上发育的沉凝灰质泥岩、泥岩，为一套良好盖层，油气成藏后，三塘湖盆地构造运动相对较弱，油气藏未经历大规模破坏，多因素共同为三塘湖盆地此类特殊致密油藏提供了保障。

4 结论

（1）三塘湖盆地火山湖相沉凝灰岩致密油成藏地质条件优越，条湖组沉积时期具多期次火山喷发，火山机构叠置，存在3类沉凝灰岩类型，有利储集体岩性为中酸性玻屑沉凝灰岩，储集空间以基质微孔、脱玻化晶间微孔、溶蚀微孔和微缝等“四微”孔隙为主，脱玻化晶间微孔、溶蚀微孔是主要的储集空间。存在火山口湖相、火山堰塞湖相两类火山湖相沉凝灰岩沉积，其中火山堰塞湖相面积大，分布范围广，是有利的储集体相带。

（2）三塘湖盆地条湖组沉凝灰岩油藏，分布广泛。烃源岩的有效配置及持续充注、盆地稳定的构造背景和浅水湖盆环境、火山湖相发育类型、中酸性火山灰和空降成因的沉积方式、后期的脱玻化和溶蚀作用、沟通条湖组储集体的断缝疏导体系，共同控制着油藏的富集及成藏规模。下一步寻找具有火山堰塞湖相的玻屑沉凝灰岩发育区是致密油勘探区域扩展的主要研究重点。

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