车排子凸起西翼石炭系火山沉积岩储层油气成藏特征

陈 林

( 中国石化胜利油田分公司 勘探开发研究院，山东 东营 257061 )

0 引言

准噶尔盆地火山岩油气勘探始于1957年，目前，在石炭—二叠系火山岩中探明油气储量超过3.6×108t[24]。火山岩层系成为准噶尔盆地西北缘石炭—二叠系的主力含油层系之一[25-27]。2011年，在准噶尔盆地西缘车排子凸起东翼排61井石炭系火成岩中首次获得工业油流[20]。在车排子凸起东翼石炭系火山岩油藏的勘探实践中，苗春欣等[28]、贾春明等[29]、伊万顺等[30]研究火山岩储层特征及成藏特征，明确石炭系有利储层主要发育于近火山口相组合的角砾岩、玄武岩、安山岩等；对于油气成藏方面，商丰凯等[20]建立断层—“毯砂”复式输导、有利岩相富集、“硬壳”封盖的火山岩油气成藏模式。在车排子凸起东翼中国石化胜利探区的石炭系火山岩中累计发现亿吨级储量规模，而对于车排子凸起西翼，整体研究程度较低。该区石炭系岩性与东翼的有明显差异，整体上以远火山口相的火山—沉积岩为主，岩性较为复杂，基本不发育火山机构，但多口井在岩性中有油气显示，展现良好的勘探前景。由于火山沉积岩为介于火成岩和沉积岩之间的过渡类型，在岩石物理性质、组构、储集物性特征、油气成藏等方面，既不同于常规火成岩，也不同于常规沉积岩[31-33]。这种远火山口相的火山沉积岩是否发育有利储层，在远离生烃中心的背景下，油气如何输导及成藏等问题制约该区的勘探部署。笔者分析车排子凸起西翼石炭系的岩性及储层发育特征、油气来源、输导要素、输导样式及盖层条件等，建立研究区石炭系油气成藏模式。

1 区域地质概况

图1 准噶尔盆地西缘构造位置Fig.1 Tectonic location of the west Junggar basin

车排子凸起构造属于准噶尔盆地西部隆起，西北紧邻扎伊尔山，东面以红车断裂带为界、与昌吉凹陷及中拐凸起相接，南面以艾卡断裂为界、与四棵树凹陷相邻[34](见图1)。自晚海西期隆升定型以来，长期保持正向构造的形态[35]，整体处于昌吉凹陷和四棵树凹陷“双源供烃”、油气聚集有利的构造部位[36]。目前，在车排子凸起东、西两翼发现红山嘴、春风、春光、车排子、卡因迪克等油田，研究区位于车排子凸起的西翼(见图1)。

车排子凸起地层发育不全，缺失前石炭系和二叠系，自下而上依次发育石炭系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系和新近系。其中石炭系为钻井和地震揭示的最老地层，在整个车排子凸起区有分布，钻井揭示最大厚度为745 m(未钻穿)，根据地震资料推测厚度大于5 km，三叠系、侏罗系及白垩系在车排子凸起西翼为一套剥蚀残留地层，分布局限，新近系沙湾组、塔西河组和独山子组分布范围较广。

2 储层发育特征

2.1 岩石学

图2 车排子凸起西翼石炭系钻揭岩性饼状图Fig.2 Pancake diagram of lithologic distribution in Carboniferous system in west wing of Chepaizi uplift

车排子凸起西翼钻揭石炭系100 m以上的井有9口，根据岩屑录井、岩心观察和薄片鉴定资料，研究区石炭系发育的主要岩石类型可分为两大类，即火山岩和沉积岩。其中，火山岩类包括凝灰岩、沉凝灰岩和玄武岩；沉积岩类包括凝灰质砂岩、凝灰质泥岩和泥岩。统计9口钻揭石炭系较深井的岩性(见图2)，凝灰质泥岩、沉凝灰岩和泥岩约占石炭系钻揭厚度的69.42%，其次为凝灰岩，约占23.86%，并发育少量的凝灰质细砂岩(5.68%)和火成岩(如玄武岩，约占1.04%)。此外，根据研究区1∶5万磁力异常分布图，车排子凸起西翼主要以低磁区为主，在局部发育高磁区。因此，车排子凸起西翼石炭系以远火山口相的火山沉积岩为主，较少发育火山岩。

根据镜下薄片分析，凝灰岩主要由岩屑、晶屑及火山灰等组成。岩屑成分以流纹质和安山质为主；晶屑成分主要为石英，局部见长石；火山灰物质具脱玻绿泥石化。根据苏13井凝灰岩X线衍射分析显示，黏土矿物质量分数为32.0%，方沸石质量分数为12.0%，石英质量分数为43.0%，斜长石质量分数为5.5%，方解石质量分数为4.5%，赤铁矿质量分数为2.0%；沉凝灰岩主要由晶屑、少量岩屑和泥质胶结物组成，具沉凝灰结构，晶屑成分以石英为主，少量为长石、黑云母；石英多为次棱角状；胶结物为黄褐色泥质矿物和少量钙质矿物；凝灰质砂岩具砂质结构，颗粒占75%，主要为石英，可见少量长石和岩屑，分选较差，磨圆呈次棱角状；填隙物为泥质和火山灰，呈颗粒—杂基支撑，胶结物主要为方解石胶结，沿裂缝及微孔沉淀或由杂基重结晶形成；凝灰质泥岩具泥质结构，主要由浅褐色黏土矿物组成，混有少量火山灰，泥质间散布少量石英晶屑；泥岩类具有泥质结构，见少量硅质、铁质或炭质不均匀分布。

2.2 储集空间类型及储层物性

根据岩心、薄片、扫描电镜及成像测井等资料，研究区目的层储集空间类型主要为裂缝，其次可见少量次生溶蚀孔隙(见图3)，与凸起东翼火山岩储层孔、缝较为发育的储集空间类型[20]具有一定差异性。研究区目的层储集空间的裂缝主要为次生裂缝，是油气的主要储存空间(见图3(a-d))，包括构造缝、溶蚀缝等。构造缝多发育于构造应力释放带，与断裂有较好的相关关系，规律性好；溶蚀缝是在原有裂缝基础上发生溶蚀而形成的(见图3(d))，裂缝一般较宽，但分布较少。溶蚀孔隙是由成岩和各类溶蚀作用形成的，包括晶屑溶孔、基质溶孔、颗粒内溶孔等。晶屑溶孔主要发育在凝灰岩和凝灰质砂岩中，主要表现为长石等晶屑矿物受到溶蚀而产生大小不一的次生孔隙(见图3(f-g))，形态多种多样，常见蜂窝状和筛孔状(见图3(h))；基质溶孔主要发育在凝灰岩、凝灰质泥岩中，表现为基质内的玻璃质脱玻化或泥质溶蚀形成的孔隙，多呈不规则港湾状或团块状；颗粒内溶孔主要发育在凝灰质砂岩中，表现为石英、长石和岩屑颗粒边部或内部溶蚀作用形成的(见图3(i))。根据岩心分析，石炭系储层储集空间最高可达12.0%～15.0%，大部分储层储集空间多在4.0%～12.0%之间，平均为9.1%，渗透率为(0.3～6.0)×10-3μm2，平均为2.5×10-3μm2。春风油田石炭系储层分类评价标准：孔隙度>10%为Ⅰ类储层，孔隙度介于5%～10%为Ⅱ类储层，孔隙度介于1%～5%之间为Ⅲ类储层，有效储层整体为Ⅱ类储层。对于凸起东翼火山岩储层，根据岩心分析孔隙度数据，油斑以上有效样品平均孔隙度为12.2%，以Ⅰ—Ⅱ类储层为主，可见凸起西翼火山沉积岩储层物性整体差于凸起东翼火山岩储层的。

2.3 有利储层控制因素与分布

车排子凸起东翼火山岩储层主要受岩性、岩相、火山机构、风化淋滤作用及构造作用控制[20]。车排子凸起西翼石炭系远火山口相有利储层的发育主要受岩性、岩相和断裂作用的控制。

图3 车排子凸起西翼石炭系储集空间类型及特征Fig.3 Accumulation space types of Carboniferous system in west wing of Chepaizi uplift

图4 车排子凸起西翼不同岩性储层发育概率Fig.4 The histogram of reservoir development probability of different lithology in west wing of Chepaizi uplift

(1)岩性、岩相。对钻遇石炭系各井的测井解释成果进行统计，各类岩性均具有形成有利储层的可能性，但不同岩性的储层发育概率具有较大的差异性(见图4)，其中凝灰质细砂岩和凝灰岩储层发育概率相对较高，是储层发育的有利岩性；沉凝灰岩、凝灰质泥岩和泥岩储层发育概率较低，是储层发育的不利岩性(见图4)。由于研究区石炭系储集空间以裂缝为主，不同岩性三轴压缩实验表明，不同岩性抵抗变形的能力差异悬殊，即不同岩性造缝能力具有差异性，是导致岩性控储的主要原因。

加速度传感装置示意图如图4所示,在铝制圆形管壳内固定制备的PDMS薄膜,在薄膜的中心位置粘接圆柱形永磁体质量块,在距永磁体上表面 D=5 mm 处固定磁传感器通过上位机对读出采集的数据,由此组成整个加速度传感检测装置。

(2)断裂体系。车排子凸起受多期构造运动的影响，研究区发育多个走向的断层，使石炭系具有网格状的断裂格局。野外露头及钻井揭示，断层附近为构造裂缝的发育区，裂缝具有开启宽度大、延伸远、倾角变化大等特点，特别是近南北走向和近东西走向断层交汇处常为有利储层发育区。Ⅱ级断裂控制裂缝发育范围可达1.5～2.5 km。此外，断层及其周缘的构造裂缝可为地层流体及大气淡水提供渗流通道，使断层附近地层发生溶蚀作用，形成次生溶蚀孔隙，进一步改善储层的物性。

研究区主要发育火山沉积岩，易溶矿物(主要为长石)的质量分数要远低于火山岩储层的，如安山岩中长石质量分数可达66.1%，火山角砾岩中长石质量分数可达50.0%以上；火山沉积岩中凝灰质砂岩的长石质量分数最高，为41.1%，凝灰岩中长石质量分数为29.1%，沉凝灰岩中长石质量分数为19.4%。因此，风化淋滤作用对火山沉积岩储层的发育影响相对较小，与凸起东翼风化壳型储层具有明显区别，也是凸起西翼石炭系储层储集空间以裂缝型为主、次生溶蚀孔隙为辅的主要原因。

因此，在断裂带发育区寻找有利岩性分布区是车排子凸起西翼有利储层预测的关键。根据储层发育的主控因素和地震资料，结合磁力数据分析和断层分布特征，预测研究区石炭系有利储层的宏观分布(见图5)。

3 油气来源及输导体系

3.1 油气来源

对苏1-5井石炭系原油的生物标志化合物进行分析，γ蜡烷含量较低，C20、C21、C23三环萜烷含量低，且呈下降型分布，而ααα20RC27、C28、C29甾烷呈“√”型分布(见图6(a))，与四棵树凹陷侏罗系烃源岩生物标志化合物特征具有相似性(见图6(b))，而与二叠系烃源岩生物标志化合物特征具有典型差异[20]。因此，研究区油气主要来自四棵树凹陷侏罗系烃源岩。

图5 车排子凸起西翼石炭系顶面构造及有利储层分布叠合Fig.5 Structural diagram of Carboniferous roof and superposed graph of favorable reservoir distribution on west wing of Chepaizi uplift

图6 苏1-5井石炭系原油及四棵树凹陷侏罗系烃源岩生物标志物色谱图Fig.6 The biomarker chromatogram of su1-5 well Corboniferous oil and Jurassic source rock of Sikeshu sag

3.2 油气输导体系

研究区主要发育断层和毯砂两类油气输导要素，形成断—毯立体复式输导的油气运移特征。

3.2.1 要素

(1)断层。四棵树凹陷总体上发育两个主要断裂带，分别为艾卡断裂带和固尔图断裂带。其中固尔图断裂带主要位于四棵树凹陷的南部，断裂带走向平行于伊林黑比尔根山；艾卡断裂带位于车排子凸起与四棵树凹陷之间，是凸起与凹陷的边界，是由凸起向凹陷挤压、地层抬升断裂形成的，由多条断层组成，主要呈北西、北北西向走向(见图5)。该断裂向下切穿基底，向上延伸至中生界，部分地区延伸至新近系沙湾组底部，具有活动时间长、断距大、延伸距离远的特点，并沟通侏罗系烃源岩与侏罗系砂体和新生界沙湾组砂体，是研究区重要的油源断层。

(2)毯砂。研究区主要发育两套厚度大、分布广、物性好的辫状河三角洲前缘砂体，分别为新近系沙湾组一段和侏罗系头屯河组，其中为石炭系储层提供输导的砂体主要为侏罗系砂体。综合钻井及地震资料分析表明，侏罗系砂体在四棵树凹陷区向南进入有效烃源岩分布区，并一直延伸至固2—高泉1井区以北(见图7)，向北可延伸至凸起区，在凸起区主要残留于石炭系顶面的苏1-5井—春29井之间古沟谷之内(见图5、图8)，通过断面与石炭系呈侧向对接(见图9)。这套砂体主体厚度为20～200 m(见图7)，孔隙度介于18%～22%，目前有艾2、四参1、卡9、卡8、卡6、西湖1、春29等井在毯砂中钻遇丰富油气显示，其中卡6、春29等井获得油气流，表明毯砂中发生大范围的油气运移，证实毯砂是一套重要的油气横向输导层。

图7 侏罗系头屯河组(J2t)毯砂厚度分布Fig.7 The carpet sandstone thickness distribution of Jurassic Toutunhe formation(J2t)

3.2.2 输导样式

车排子凸起西翼石炭系油气主要来自四棵树凹陷侏罗系烃源岩，油源断层为艾卡断裂带，横向输导层为侏罗系毯砂。由过卡8—卡10—春29—苏1-5井近南北向的连井地震剖面(见图10)可知，垂向上，艾卡断裂带沟通侏罗系烃源岩与毯砂，毯砂在卡8井区厚度为160 m，其中录井荧光显示28 m/4层，测井解释平均孔隙度为20.1%，平均渗透率为160.0×10-3μm2。在春29井区，毯砂厚度近100 m，其中录井荧光显示11 m/2层(见图10)，且该井侏罗系试油获得低产油流，测井解释平均孔隙度为21.4%，平均渗透率为118.3×10-3μm2。可见毯砂厚度较大，储层物性好，输导性能优越，向北延伸至凸起区，在凸起区与石炭系呈断面对接，有利于油气侧向输导进入石炭系。同时，毯砂上部为厚层的白垩系泥岩、粉砂质泥岩(见图9-10)，可作为优质的区域盖层，保证油气在侏罗系毯砂中长距离输导。

图8 苏13井区石炭系顶面立体显示图Fig.8 Carboniferous top surface stereoscopic display of Su13 well area

图9 排4—春29井近东西向地质剖面(导航见图8)Fig.9 Near east-west geological section of Pai4 well to Chun29 well(the navigation line is shown in fig.8)

因此，石炭系油气输导样式为：侏罗系烃源岩生成的油气沿艾卡断裂带油源断层向上输导至侏罗系毯砂，在侏罗系毯砂上部白垩系区域性泥岩盖层的遮挡下，油气在侏罗系毯砂中长距离横向运移至盆缘凸起区，进而运移进入与毯砂呈断面对接的石炭系储层(见图10)。

图10 过卡8—卡10—春29—苏1-5井连井地震剖面(导航见图7)

此外，石炭系长期持续抬升、遭受强烈的风化淋滤作用，长期的风化作用在石炭系顶面形成一层风化黏土层和充填程度较高的致密水解带。根据岩心标定测井，利用常规多参数测井曲线，对不整合结构进行有效识别，在单井上，石炭系顶部普遍发育风化黏土层和水解带，其厚度一般为2～50 m，如苏2井厚度为12 m，苏1-5井厚度为8 m，其横向分布较为稳定，可作为有效的垂向封堵层。

4 油气成藏模式及应用效果

图11 车排子凸起西翼石炭系油气成藏模式Fig.11 Hydrocarbon pooling patte of Carboniferous System in west wing of Chepaizi uplift

建立车排子凸起西翼石炭系油气成藏模式：四棵树凹陷侏罗系烃源岩生油、侏罗系毯砂横向输导、石炭系顶面硬壳封盖、在与侏罗系毯砂呈侧向对接的石炭系断块圈闭中富集成藏(见图11)。

苏1-5井—春29井区两个古沟谷的西侧，以及苏14井以北两个有利储层发育区为侏罗系毯砂与石炭系呈断面侧向对接的有利输导区(见图5、图8)，有利勘探面积约为360 km2，古沟谷东侧，侏罗系毯砂与石炭系呈不整合接触(见图9)，由于石炭系顶部普遍发育一套物性差的风化黏土层及水解带，油气难以侧向运移进入石炭系。因此，优先对三维区内苏3古沟谷西侧石炭系有利储层分布区部署苏13井，在石炭系累计钻遇上百米的油气显示，中途测试获得日产油超过20 m3高产轻质油流，上报预测储量超过4×107t，取得较好的勘探效果。

5 结论

(1)车排子凸起西翼石炭系岩性主要为火山沉积岩，岩性主要为凝灰质泥岩、沉凝灰岩、凝灰岩、泥岩及凝灰质细砂岩，储层主要发育的岩性为凝灰质细砂岩和凝灰岩。岩性与断裂是车排子凸起西翼石炭系火山沉积岩储层发育的主控因素，而风化淋滤作用对储层发育的影响较小，储集空间为裂缝—孔隙型，以裂缝为主。

(2)车排子凸起西翼石炭系油气主要来自四棵树凹陷侏罗系烃源岩，艾卡断裂带油源断层和侏罗系毯砂是石炭系油藏输导的关键，成藏模式为四棵树凹陷侏罗系烃源岩生油、侏罗系毯砂横向输导、石炭系顶面硬壳封盖、在与侏罗系毯砂呈侧向对接的石炭系断块圈闭中富集成藏。

(3)明确苏1-5—春29井区两个古沟谷的西侧，以及苏14井区北侧石炭系有利储层发育区为最有利的油气输导区。

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