西泉地区石炭系内幕型火山岩储集层特征及成藏模式

范光旭，朱卡，汪莉彬，陈洪，李辉

（1.中国石油大学 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580；2.中国石油 a.新疆油田分公司；b.新疆油田分公司 勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 834000）

火山岩油气藏作为一种非常重要的非常规油气藏，一直以来都是国内外勘探研究的重要领域，几十年来，中国相继在准噶尔、塔里木、松辽、二连、四川、渤海湾等多个盆地发现了火山岩油气藏，其中不乏高产油气藏[1]。近年来，发现的火成岩油气藏也越来越多，勘探及研究成果呈现高峰增长的态势。但是，长期以来勘探和研究的重点多集中于风化壳型火山岩油气藏，对于埋藏较深、成藏条件更为复杂、勘探风险更大的内幕型火山岩油气藏的研究相对较为薄弱，随着勘探深度的加大及内幕型火山岩油气藏勘探的不断突破，内幕型火山岩油气藏逐渐成为国内外学者研究的重点领域[2]。

准噶尔盆地东部北三台凸起及周缘石炭系火山岩油藏一直是勘探及研究的重点区域，勘探工作持续围绕正向构造单元展开，钻井相对较浅，探索目标主要为石炭系顶界面下200 m以内的风化壳型火山岩体，在西泉地区先后已发现西泉1和西泉3等多个风化壳型油藏，经过几十年的勘探，高部位北三台凸起勘探程度较高。近年来，勘探思路逐渐转变，勘探方向由高勘探程度凸起带逐步转向勘探空白斜坡带，勘探深度逐渐增大，勘探目标由风化壳型过渡为风化壳型和内幕型并举。2017年，阜26井在石炭系内幕型火山岩获高产工业气流，最高日产气14×104m3，掀开了北三台凸起及周缘石炭系内幕型火山岩油气藏的勘探序幕，也展现该区域石炭系火山岩具有广阔的天然气勘探前景。但内幕型火山岩油气藏埋藏较深，油气成藏条件较风化壳型火山岩油气藏更为复杂，油气勘探开发难度和风险大。前人针对该区域的研究工作重点针对风化壳型油气藏[3-4]，可供借鉴的研究成果相对较少。本文重点对西泉地区石炭系内幕型火山岩储集层特征及气藏的成藏模式进行研究，以期对该区石炭系内幕型火山岩气藏的下一步勘探有所裨益。

1 区域地质背景

西泉地区整体为东西走向的鼻状构造，位于北三台凸起及阜康凹陷东斜坡，为北三台凸起上规模最大的鼻状构造。北三台凸起是一个持续性的古隆起，经历多期构造运动，断裂异常发育，凸起经历了长期的剥蚀，石炭系顶面凹凸不平，凸起向西倾没于阜康凹陷，石油地质条件优越，为油气运移的有利指向区，是准噶尔盆地长期的重点勘探区域[5]（图1a）。

图1 研究区构造位置（a）及石炭系综合柱状剖面（b）

北三台凸起自海西运动期开始缓慢隆升，印支运动期继续隆升，西泉鼻隆形成；燕山运动Ⅰ幕和Ⅱ幕强烈隆升，在侏罗纪后基本定型；喜马拉雅运动期构造运动相对微弱，对北三台凸起的构造格局影响较小，对该区白垩系油气运聚成藏较为有利。受构造抬升的影响，北三台凸起核部二叠系—侏罗系遭到不同程度的剥蚀，局部地区缺失，石炭系与上覆的白垩系呈不整合接触。北三台凸起周围形成了一系列地层尖灭，凸起的东部受大断裂控制，西部与阜康凹陷相连，东西走向的逆断裂十分发育，具有南北向挤压作用的特征。

北三台凸起及周缘石炭系自下而上为滴水泉组（C1d）、松喀尔苏组a段（C1sa）、松喀尔苏组b段（C1sb）和巴塔玛依内山组（C2b）（图1b），滴水泉组及松喀尔苏组b段为石炭系烃源岩发育层段，目前石油发现于巴塔玛依内山组，天然气发现于松喀尔苏组，本文研究层位主要为松喀尔苏组。

2 研究区火山岩储集层特征

2.1 岩性岩相特征

根据岩心观察、测井解释及镜下鉴定，西泉地区石炭系岩石类型多样，岩性复杂[6]，既有火山岩，又有火山沉积岩和碎屑岩，火山活动频繁，具有多期次喷发的特点，使得研究区石炭系不同岩性的火山岩和沉积岩横向上变化快，纵向上呈现旋回重复的特征。西泉地区石炭系内幕型火山岩气藏天然气产层主要为松喀尔苏组溢流相安山岩，上、下为凝灰质泥岩与碳质泥岩，形成良好的保存环境。西泉17井和阜26井石炭系钻揭的内幕型火山岩储集层以安山岩为主，少量薄层状火山角砾岩，2口井的松喀尔苏组b段具有相似的火山喷发旋回特征，火山岩储集层上、下均为厚层状碳质泥岩与凝灰质泥岩互层形成的致密封盖层，钻揭的内幕型火山岩储集层岩相以火山溢流相为主（图2）。

2.2 储集空间特征

有关火山岩储集空间类型特征的研究工作，几十年来国内外众多学者立足不同研究区块，总结形成了许多卓有成效的研究成果，目前对火山岩储集空间类型的划分方案可归纳为4种［7-14］。本文在充分调研前人成果的基础上，将研究区内幕型火山岩储集层的储集空间划分为3类：①原生孔隙，主要发育在火山岩岩浆喷出冷凝固结到早成岩阶段；②次生孔隙，为风化壳型火山岩储集层的重要储集空间类型，表层淡水风化淋滤作用及溶蚀作用控制该类储集空间的发育；③裂缝，形成于火山岩形成的各个阶段，可细分为未充填裂缝、半充填裂缝、全充填裂缝和充填—溶蚀裂缝。

图2 西泉地区石炭系内幕型火山岩储集层岩性和岩相

岩心观察及薄片鉴定结果（图3）表明，研究区内幕型火山岩储集层储集空间以裂缝为主，发育少量溶蚀孔隙，为裂缝-孔隙型储集层。

图3 西泉地区石炭系内幕型火山岩储集层孔隙类型

原生孔隙主要发育在溢流相火山岩熔岩及熔结角砾岩，形成于火山岩岩浆喷出结晶冷凝固结成岩阶段，包括气孔和残余气孔，气孔形态大多较为规则，呈近圆形或椭圆形，部分原生气孔经过后期成岩作用扩大，呈不规则形。部分气孔在后期成岩演化过程中被结晶矿物半充填，形成残余气孔。原生孔隙多为孤立状，在裂缝的沟通作用下可成为优质储集空间，研究区内幕型火山岩储集层原生孔隙相对不发育。

次生孔隙是在火山岩成岩作用后期由岩石中长石、黑云母等不稳定矿物斑晶在热溶液、地表及地下水溶蚀、淋滤作用下交代、溶解形成，孔隙形状多不规则，边界多为次棱角状、毛刺状。西泉地区石炭系内幕型火山岩储集层次生孔隙主要为粒内溶孔、粒间溶孔（图3a）和斑晶溶孔（图3b），占总孔隙比较小。

裂缝为西泉地区石炭系内幕型火山岩储集层的主要储集空间，镜下观察到的裂缝类型主要有未充填裂缝（图3c，图3d）和半充填裂缝（图3e，图3f）。岩心（图3g）及地层微电阻率扫描成像（FMI）测井解释成果（图4）同样显示，西泉地区内幕型火山岩储集层裂缝较为发育，主要有低角度斜交缝、网状缝和高角度缝，其中，低角度斜交缝和网状缝居多。

2.3 物性特征

根据研究区3口钻井79块岩心样品物性分析数据统计结果，西泉地区石炭系内幕型火山岩储集层表现出低孔隙度、低渗透率和强非均质性的特征。孔隙度为1.00%～22.40%，平均为6.62%，渗透率为0.01～57.70 mD，平均为0.08 mD.高孔、高渗储集层占比较低，仅为10%左右。

2.4 控制因素分析

火山岩储集层储集空间的形成和演化是一个长期而复杂的过程，优质储集层受火山岩岩性、岩相、构造运动和成岩作用等多种因素的控制。前人针对不同研究区的火山岩优质储集层控制因素做了较多的研究工作[4，11-18]。本文在充分调研、吸收前人对火山岩储集层控制因素研究成果的基础上，对西泉地区石炭系内幕型火山岩储集层控制因素进行了分析研究。

（1）风化淋滤作用 大气淡水对岩石的风化淋滤作用在火山岩中普遍存在，对提高火山岩储集层的物性具有重要作用。松辽、准噶尔、三塘湖等盆地的火山岩发育区块的储集层研究均表明，优质火山岩储集层往往分布于风化壳的发育范围之内，风化淋滤作用能够有效控制的深度为100～150 m，在风化淋滤带内储集层物性好，随距离风化壳深度增加，风化淋滤作用呈现减弱的趋势，储集物性明显变差。风化淋滤作用对内幕型火山岩储集层的控制作用较弱，研究区内幕型火山岩储集层距离风化壳顶面较远，一般大于200 m，距离风化壳顶面200 m内的储集层物性较好，孔隙度为10%～30%，随深度增加物性逐渐变差；距风化壳顶面大于200 m存在物性异常段，仍发育物性较好的火山岩储集层，即内幕型火山岩储集层，但整体较风化壳型火山岩储集层物性差，孔隙度、渗透率普遍偏低（图5）。

图4 研究区阜26井石炭系内幕型火山岩储集层FMI测井及裂缝解释成果

（2）溶蚀作用 溶蚀作用是发生在岩石深埋阶段的一种成岩作用，是火山岩储集层中一种非常重要的建设性成岩作用。火山岩冷凝固结后，随着埋藏深度的增加，岩石中易溶组分在一定的地质条件下被溶蚀或者部分溶蚀，从而产生新的孔隙，或者使原先被充填的孔隙重新开启或扩大，形成溶蚀孔隙。该类孔隙形成于成岩作用中—后期，若形成时期较晚，不被充填，在裂缝的沟通下，易于捕获并储集油气。准噶尔盆地早石炭世构造活动强烈，西泉地区构造活动频繁，下石炭统火山岩形成后，又经历了海西运动晚期、印支运动、燕山运动等多期构造运动，断裂十分发育，酸性溶液在断裂沟通下，渗透到火山岩中，对不稳定矿物进行溶蚀，产生了各类溶蚀孔隙（图3a，图3b）。

图5 西泉地区石炭系火山岩储集层物性与距石炭系顶界距离关系

（3）裂缝 裂缝不仅对内幕型火山岩储集层物性的改善具有重要作用，对内幕型气藏的聚集成藏也具有重要意义。北三台凸起为继承性古隆起，构造运动活跃，经历多期次强烈构造运动，形成了大量的断裂和裂缝，明显提高了研究区石炭系内幕型火山岩储集层的储集及渗流能力（图3，图4）。裂缝对研究区的作用主要表现为：下石炭统致密的火山岩在后期多期次强烈构造运动作用下，沿断裂带形成了大量裂缝，这些裂缝成为了火山岩储集层重要的储集空间，同时在裂缝的沟通下，原本孤立的原生孔隙和次生孔隙成为有效储集空间，增加火山岩储集层的储集及渗流能力。同时裂缝也是研究区内幕型火山岩气藏重要的输导通道。岩心及铸体薄片观察统计表明，该区储集空间类型以裂缝为主，而且溶蚀孔隙也往往伴随裂缝发育（图3），阜26井3 440—3 450 m高产气层段荧光薄片的荧光显示亮度高，荧光主要分布在裂缝内，且裂缝内荧光颜色最深，亮度最强，由裂缝向基质荧光强度逐渐变弱，颜色逐渐变浅（图3f），由此证明，西泉地区石炭系内幕型火山岩储集层中的天然气是沿裂缝输导贯入聚集成藏，同时也进一步证明裂缝型储集空间在西泉地区石炭系内幕型火山岩储集层中的重要性；裂缝发育区为地下水和酸性溶液提供了输送通道，地下水及酸性溶液在裂缝的沟通下，对不稳定矿物发生溶蚀作用，形成溶蚀孔隙，起到改善火山岩储集层物性的作用，研究区西泉17井和西泉114井岩心、铸体薄片观察显示，内幕型火山岩储集层中溶蚀孔隙多与裂缝伴生（图3a，图3b）。

3 研究区油气藏特征

北三台凸起石炭系古隆起长期位于油气汇聚的指向区，可汇聚阜康凹陷石炭系和二叠系平地泉组生成的油气，次级鼻隆间发育的松喀尔苏组b段烃源岩也能供烃成藏，因此，研究区石炭系一直是重要的勘探层位。

内幕型火山岩油气藏具有近距离运移成藏的特点，围绕烃源岩发育区和深大断裂带分布。烃源岩、储集层和断裂共同控制内幕型火山岩油气藏的分布［19-20］。在借鉴前人对凸起区风化壳型油藏特征研究成果的基础上［5，20］，综合研究区烃源岩、输导体系和储集层发育特点，总结了研究区松喀尔苏组b段岩性和松喀尔苏组a段构造内幕气藏的成藏模式（图6）。

图6 西泉地区石炭系火山岩油气成藏模式

3.1 烃源特征及油气源分析

准噶尔盆地东部地区石炭系烃源岩以泥岩和碳质泥岩为主，其次为煤岩、凝灰岩及沉凝灰岩，烃源岩有机质丰度较高，有机质类型主要为Ⅲ型，以生气为主。二叠系是准噶尔盆地最主要烃源岩发育层系，准东地区平地泉组（P2p）生油岩有机质丰度达到了较好—最好烃源岩标准，烃源岩有机质主要为Ⅰ型和Ⅱ型，以生油为主。

关于研究区石炭系巴塔玛依内山组原油的来源，前人做了大量研究，其原油与研究区二叠系梧桐沟组（P3wt）原油地化特征相似，主要来源于侧向接触和顶部不整合接触的阜康凹陷中二叠统平地泉组［5，20］。

天然气组分主要包括烃类气体的甲烷及其同系物和CO2，N2等非烃气体，其组分特征是油气成因信息的主要来源，是研究天然气成因的重要依据。从阜26井石炭系天然气组分来看（表1），甲烷含量为93.90%，重烃（C2+）含量为2.63%，非烃气体N2的含量为3.47%.与卡拉麦里地区典型石炭系来源天然气组分特征相似，均具有甲烷含量相对较高，重烃含量一般低于10%，非烃气体含量一般低于5%，以N2为主，含微量CO2的特征。阜26井石炭系天然气组成偏干，干燥系数为0.97，属于干气，应为石炭系烃源岩高成熟阶段的产物。

3.2 运聚特征

（1）运移方式 西泉地区多期断裂和不整合面构成了良好的油气输导系统。研究区内部发育多组近东西向的深大逆断裂，松喀尔苏组b段及滴水泉组烃源岩生成的天然气沿深大断裂向上运聚成藏；而阜康凹陷中二叠统平地泉组烃源岩生成的原油沿石炭系顶面大型不整合面运聚成藏。

（2）运移方向 阜康凹陷平地泉组烃源岩生成的原油运移方向主要有2个，一是沿断裂向上运移至新地层成藏，二是沿底部与石炭系间的大型不整合面进入石炭系成藏。石炭系天然气运移方向有2个：①松喀尔苏组b段及滴水泉组烃源岩生成的天然气，大部分沿断裂向上进入松喀尔苏组b段及松喀尔苏组a段火山岩储集空间，少部分进入断裂沟通的巴塔玛依内山组火山岩储集层；②松喀尔苏组b段烃源岩生成的天然气，侧向就近进入松喀尔苏组a段潜山型火山岩体。

表1 西泉地区和卡拉麦里地区天然气组分特征

3.3 油气成藏模式

（1）巴塔玛依内山组风化壳型油藏 北三台凸起巴塔玛依内山组火山岩位于石炭系顶面大型风化壳之下，储集层物性优越。二叠系发育的厚层泥岩为良好的盖层，而火山岩与凝灰岩旋回性多期次发育，凝灰岩成为良好的侧向遮挡层。阜康凹陷中二叠统平地泉组烃源岩生成的大量原油沿不整合面运移至高部位巴塔玛依内山组聚集形成“新生古储”的风化壳型油藏（图6）。

（2）松喀尔苏组b段岩性气藏 松喀尔苏组b段岩性以碳质泥岩、凝灰质泥岩为主，夹安山岩，为典型的内幕型火山岩储集层。松喀尔苏组b段火山岩与烃源岩直接接触，同时火山岩体通过深大断裂与底部滴水泉组烃源岩沟通，而松喀尔苏组b段与滴水泉组烃源岩生成的天然气可单独或同时向松喀尔苏组b段火山岩储集层聚集成藏。松喀尔苏组b段岩性气藏存在两种成藏模式，“源储对接”多面近源成藏模式及“源储对接、下生上储”双源成藏模式（图6）。

（3）松喀尔苏组a段构造气藏 研究区松喀尔苏组a段发育一系列凸起，构造条件优越，以中基性英安岩、安山岩为主，直接与顶部松喀尔苏组b段烃源岩对接，同时通过深大断裂与底部滴水泉组烃源岩沟通，而松喀尔苏组b段与滴水泉组烃源岩生成的天然气可单独或同时向松喀尔苏组a段凸起聚集形成构造气藏，气藏同样存在两种成藏模式，“源储对接”侧向近源成藏模式及“源储对接、下生上储”双源成藏模式（图6），为研究区下一步深层天然气勘探的重要领域，潜力巨大。

4 结论

（1）西泉地区石炭系火山喷发频繁，松喀尔苏组内幕型火山岩储集层岩性以溢流相安山岩为主；储集空间类型以裂缝为主，发育少量溶蚀孔隙，研究区储集层整体具有孔隙和缝隙相互组合的“双孔介质”特征。

（2）内幕型火山岩储集层埋藏深，距离风化壳深度大于200 m，为强非均质性、低孔、低渗储集层。综合分析认为，研究区火山岩岩性、岩相是形成优质储集层的基础，后期表生成岩阶段风化淋滤作用对研究区内幕型火山岩储集层没有明显的控制作用；在埋藏成岩阶段溶蚀作用下形成了一定数量的溶蚀孔隙，溶蚀作用能够促进石炭系内幕型储集层物性的改善；裂缝发育程度是影响石炭系内幕型火山岩储集层物性及有效性的重要因素。

（3）西泉地区石炭系发育巴塔玛依内山组风化壳型油藏，松喀尔苏组b段岩性及松喀尔苏组a段构造2类内幕气藏。油藏分布在凸起区石炭系顶部风化壳发育带，气藏具有近源近距离运移成藏的特点，烃源岩控制天然气的分布，早期相对较差的储集环境为天然气的富集提供了有利的保存条件，后期石炭系烃源岩大量生气并在有效储集空间聚集成藏，主要分布在石炭系深层斜坡带，勘探程度低，勘探领域广阔，潜力巨大。