四川盆地西部二叠系火山岩气藏成藏条件分析

罗 冰 夏茂龙 汪 华 范 毅 徐 亮 刘 冉 战薇芸

中国石油西南油气田公司勘探开发研究院

0 引言

四川盆地西部二叠纪中晚期广泛发育厚层基性火山岩堆积，称为“峨眉山玄武岩”[1]。四川盆地地腹油气勘探发现这套火山岩地层始于1966年，在威远西部地区以中二叠统茅口组为主要目的层的WY25井在上二叠统龙潭组钻遇玄武岩。该盆地第一口火山岩工业气井是位于周公山构造高部位的ZG1井，该井1992年完钻，钻揭二叠系玄武岩厚度301 m，测试产量为25.61×104m3/d[2]。其后为扩大勘探成果，针对玄武岩部署了H6井和ZG2井。上述两口井的勘探失利，使四川盆地火山岩勘探进入了低潮，后续以兼探为主，但均未获得突破。这一阶段对二叠系火山岩成藏条件的研究取得了初步认识[3-4]。

近年来，中国石油西南油气田公司针对制约四川盆地二叠系火山岩勘探的关键问题开展攻关，研究认为：该盆地内部基底断裂附近可能发育喷溢相火山岩，通过地震刻画，初步识别出简阳—中江—三台地区火山岩面积6 000 km2；该区火山岩下伏发育筇竹组优质烃源岩，上覆龙潭组泥岩和三叠系膏岩发育，区域保存条件良好，成藏条件优越，勘探潜力大。根据上述认识，2017年在四川盆地简阳地区针对二叠系火山岩部署了风险探井——永探1井，该井钻遇优质火山碎屑熔岩孔隙型储层。中途完井测试获22.5×104m3/d的工业气流，实现了盆地二叠系火山碎屑岩勘探重大发现，展现了火山碎屑岩气藏勘探潜力。笔者通过对简阳地区火山碎屑岩气藏特征和成藏条件分析，梳理前人对川西南地区玄武岩成藏研究成果认识，分析对比简阳地区火山碎屑岩气藏和川西南地区玄武岩气藏成藏条件异同，评价四川盆地西部二叠系火山岩气藏成藏条件，以期为进一步明确勘探方向和勘探有利区提供依据。

1 火山岩气藏基本地质特征

1.1 火山岩分布特征

1.1.1 峨眉山玄武岩发育概况

峨眉山玄武岩是目前我国唯一被国际学术界认可的大火成岩省[5-7]。峨眉山玄武岩由东向西，其空间分布可分为4个岩区：贵州高原岩区、攀西岩区、盐源—丽江岩区和松潘—甘孜岩区。其中贵州高原岩区和攀西岩区形成于杨子地台。特别是攀西岩区地处古老的康滇地轴，构造背景更为特殊，具有裂谷发育特征[8-10]。盐源—丽江岩区和松潘—甘孜岩区形成于扬子板块西缘。盆地内钻井、地震揭示在川西地区大面积发育峨眉山玄武岩。峨眉山玄武岩总体趋势是西南厚，向东、北逐渐变薄，说明玄武岩喷发主体在上扬子西南部，这与前人研究的玄武岩喷发中心在滇东及西昌地区吻合[11-12]。受小江—龙门山深大断裂南北向展布、地形和距喷发点远近的影响[13-14]，玄武岩有向北、向东随远离断裂带逐渐变薄的趋势，表明溢流相玄武岩喷发火山口沿断裂呈线状分布。在盆地内，周公山西南地区，玄武岩厚度超过300 m，向东至汉王场厚度超过200 m，再向北到大兴场、熊坡、名山等地区变为50～150 m。莲花山地区南部厚度达200 m，向北逐渐减薄至几十米；北至邛崃市、新津县附近尖灭。

1.1.2 成都—简阳火山碎屑熔岩发育概况

成都—简阳地区永胜1、永探1井在龙潭组（吴家坪阶）之下钻遇火山碎屑熔岩，永探1井岩性主要为火山角砾熔岩、凝灰质角砾熔岩。主要矿物为辉石、斜长石、钠长石、角闪石，还可见大量后期蚀变和交代产物，如钠长石、绿泥石、伊丁石、方解石等。根据地震预测，成都—简阳地区靠近火山机构的主体位置的火山岩碎屑熔岩厚度介于200～350 m，向火山机构边缘，厚度逐渐减薄，直至尖灭。

1.2 气藏基本特征

1.2.1 永探1井气藏特征

永探1井以发育喷溢相火山碎屑熔岩为主，火山角砾熔岩、凝灰质角砾熔岩为主要储集岩类。储层物性较好，全直径岩心分析孔隙度介于6.68%～13.22%，全直径平均孔隙度为10.26%，柱塞样平均孔隙度为13.11%。全直径渗透率较高，垂直渗透率介于0.014～0.430 mD，平均为0.190 mD；水平渗透率介于0.52～4.43 mD，平均为2.35 mD。永探1井天然气中甲烷含量介于98.99%～99.07%、乙烷为0.35%、丙烷为0.03%，为典型的干气（表1）；硫化氢含量仅为0.61 mg/m3，达到民用天然气含硫标准（低于20 mg/m3），按照含硫标准划分为微含硫气藏；永探1井实测地层压力为125.625 MPa，地层温度为135 ℃，为高温、超高压微含硫气藏。

1.2.2 周公山构造玄武岩气藏特征

周公山地区二叠系火山岩以溢流相玄武岩为主，基质物性差，裂缝有效地改善了储层物性条件[1]。在ZG2井95.93 m长的岩心中，250个样品的孔隙度范围介于0.07%～5.23%，孔隙度大于1%的样品有61个，占总体的24.4%；171个样品渗透率介于5.49×10－7～4.65 mD，大于0.1 mD的样品仅15个，占总数的8.8%，物性条件较差。从ZG1井天然气组分及地球化学特征分析来看，周公山构造玄武岩气藏天然气甲烷含量为96.59%、乙烷为0.22%、丙烷为0.008%，属于典型的干气（表1），基本不含硫化氢。根据实测压力数据，ZG1井火山岩压力梯度为0.18 MPa/100 m，折算至产层中部深度压力为32.20 MPa，压力系数为1.12，结合生产中出水情况分析，周公山玄武岩气藏为常压底水气藏。

表1 二叠系火山岩天然气组分及碳同位素数据表

图1 川西地区火山岩天然气与相关气藏天然气δ13C1与δ13C2分布关系图

2 火山岩成藏条件评价

2.1 主力烃源岩

川西地区与二叠系火山岩气藏相关的烃源层主要有其下伏中二叠统栖霞组和茅口组[1-3]、寒武系筇竹寺组烃源岩和上覆上二叠统龙潭组烃源岩。由川西南部向中北部，3套主要相关烃源层的烃源发育程度有较大差异，区域构造强弱的变化，也使烃源层与火山岩储层的运移疏导关系有差异。笔者认为不同区域火山岩气藏的主力烃源岩不同，成藏模式有差异。

2.1.1 川西南部火山岩气藏气源以下二叠统为主

前人研究川西南部ZG1井二叠系玄武岩气藏气源主要来源于二叠系烃源岩。宋文海等[3]认为ZG1井二叠系玄武岩气藏天然气源主要是上二叠统龙潭组煤型气经侧向运移的结果，也可能有下伏中二叠统的混源气。黄籍中等[2]认为ZG1井二叠系玄武岩气藏天然气具有“三高一低一无”特征，即高含甲烷、高干燥系数、高同位素值、低含重烃、无硫化氢，属有机成因的煤系高成熟晚期气，主要来自上二叠统煤系烃源层。杨毅等[1]研究认为中二叠统栖霞组和茅口组是ZG1井二叠系玄武岩气藏主要烃源层。笔者分析发现ZG1井天然气碳同位素值与川西南茅口组气藏天然气碳同位素值的分布较一致（图1），认为ZG1井二叠系玄武岩气藏气源主要来源于中二叠统烃源岩。

2.1.2 成都—简阳火山岩气藏气源以寒武系筇竹寺组为主

永探1井二叠系火山岩天然气甲烷、乙烷碳同位素与相关烃源岩碳同位素值对比分析表明，天然气来源以寒武系筇竹寺组为主。分析与火山岩相关的3套主要烃源层的干酪根同位素值分布（图2），寒武系筇竹寺组页岩干酪根δ13C分布于－30‰～－37‰，永探1井δ13C1和δ13C2均分布于该区间内（图2）。中二叠统干酪根δ13C分布于－24‰～－31.6‰，上二叠统龙潭组干酪根δ13C分布于－23.5‰～－29.5‰，永探1井天然气δ13C1和δ13C2均分布于该区间以外偏轻区域（图2）。上述天然气同位素与烃源层干酪跟同位素对比表明，永探1井火山岩气源主要来源于寒武系筇竹寺组。

永探1井二叠系火山岩天然气甲烷、乙烷碳同位素值与相关气藏甲烷、乙烷碳同位素值对比分析表明，天然气来源以寒武系筇竹寺组为主（图1、2）。永探1井δ13C1介于－32.11‰～－32.22‰，平均为－32.17‰，δ13C2介于－34.06‰～－34.48‰，平均为－34.27‰（表1），为高—过成熟油型气特征，从碳同位素值分布看与磨溪龙王庙组气藏较一致，与威远寒武系筇竹寺组页岩气接近，磨溪龙王庙组气藏气源主要为下伏寒武系筇竹寺组[15-19]，表明永探1井天然气与寒武系筇竹寺组有较强亲缘关系。ZG1井δ13C1为－28.10‰，δ13C2为－31.06‰（表1），相比较永探1井甲烷、乙烷同位素均显著偏轻，表明永探1井火山岩气源与周公山地区火山岩有较大差异。上述相关气藏天然气同位素对比表明，永探1井火山岩气源主要来源于寒武系筇竹寺组。永探1井岩心上的裂缝和溶洞内发育碳质沥青，表明烃源生油后就进入火山岩储层，现今气藏可能为油裂解气藏。

永探1井二叠系火山岩天然气组分中硫化氢含量极低，为0.61 mg/m3，体积分数为3.8×10－8，该特征与威远寒武系页岩气较为一致，而以寒武系筇竹寺组为主要烃源的磨溪龙王庙组气藏含硫化氢较高，体积分数为5.4×10－3左右。分析上述现象，笔者发现四川盆地碳酸盐岩气藏普遍含硫化氢，认为硫化氢来源主要与储层有关，与气源为海相烃源或陆相烃源无关。所以，火山岩气藏微含硫特征并不代表烃源为陆相烃源层，与天然气主要来源于寒武系筇竹寺组不矛盾。

2.1.3 火山岩气藏烃源条件评价

简阳、中江—三台地区二叠系火山岩下伏发育寒武系德阳—安岳台内裂陷，该裂陷呈NNW向展布，南北长320 km、东西宽50～300 km[15-17]。裂陷内下寒武统麦地坪组和筇竹寺组发育厚层优质烃源岩，烃源岩厚度介于300～450 m，是邻区的3倍，有机碳平均含量大于2%，为邻区的2倍，这两套烃源岩累计生气强度介于60×108～120×108m3/km2（图3），为邻区的4倍以上[18-19]。简阳地区生烃强度介于40×108～80×108m3/km2，中江—三台地区生烃强度介于80×108～120×108m3/km2，烃源条件优越。

川西地区中二叠统发育茅口组、栖霞组烃源岩。最新单井资料统计和野外剖面观察表明，川西地区栖霞组泥灰岩厚度在10 m左右，向川中地区厚度减薄，川西北地区栖霞组有机碳含量较高，介于1.2%～1.7%。川西地区茅口组泥灰岩厚度介于80～120 m，由川西—川中—川东呈先减薄后增厚的趋势，有机质丰度介于1.0%～1.6%。川西地区与火山岩叠合区中二叠统的两套烃源岩生气强度介于6×108～ 20×108m3/km2（图 4）。

图2 川西地区火山岩天然气碳同位素值与相关气藏及烃源层干酪根碳同位素值分布图

2.2 储层发育控制因素及分布

川西地区发育两种主要岩性：火山碎屑岩与玄武岩，其储层类型因岩性不同具有差异，控制储层发育的因素也不同。

以周公山地区为代表的玄武岩储层为孔隙—裂缝双介质类型储层，低孔隙度—中等渗透率特征[20]。ZG2井岩心基质孔隙度为2.2%，基质孔隙发育程度较差。盆地内溢流相玄武岩的发育与峨眉山大火成岩省有密切的成因联系，溢流范围广、厚度大、下部岩浆房规模也较大，使已喷出的玄武岩经受持续高温，缓慢冷却因而结晶较充分，矿物晶体间孔隙不发育。同时气体随着温度下降而逐渐挥发出来，来不及散逸的则聚集至喷发旋回上部，可形成较为富集的气孔。因此溢流相火山岩上部为储层发育较有利的部位。ZG2井岩心裂缝较发育，全直径岩心分析垂向和水平渗透率分别为24.0 mD、22.6 mD。裂缝发育受构造和断层的控制，是玄武岩基质孔隙联通的必要条件。

简阳—秋林地区发育的喷溢相火山碎屑熔岩则表现出快速冷凝的特征。快速冷却使矿物结晶程度低，玻璃质含量较高，经历脱玻化作用后形成大量弥散状孔隙；储层中发育大量后期蚀变矿物，如绿泥石、绿帘石、伊丁石等，认为后期受热液蚀变和表生溶蚀作用使孔隙进一步溶蚀扩大，形成脱玻化溶蚀孔隙。简阳地区喷溢相火山岩距离峨眉山大火成岩省喷发中心较远，较川西南地区玄武岩规模较小，有可能为水下喷发，为其快速冷却形成优质储层创造了有利条件。

2.3 生、储、盖匹配

川西南周公山地区火山岩与中二叠统烃源形成下生上储组合，火山岩上部发育上二叠统沙湾组砂泥岩及三叠系膏盐层，生、储、盖组合较好。区域构造、断裂较发育，对保存条件有较大影响。简阳地区二叠系火山岩源、储、盖组合匹配良好，成藏条件好。火山岩下伏为德阳—安岳裂陷内筇竹寺组厚层优质烃源岩，断层由灯影组断至飞仙关组内部，有效沟通源岩和储层，形成下生上储的近源高效组合（图5）。火山岩上覆上二叠统龙潭组泥岩厚度大，是良好的直接盖层，三叠系厚层膏岩盖层广覆式分布，为优质区域盖层。

图3 四川盆地下寒武统筇竹寺组生烃强度图

2.4 圈闭类型及含气有利区分析

根据前人研究成果，周公山构造玄武岩气藏受构造、断层、裂缝、岩性控制，气藏属裂缝—孔隙型储层块状底水气藏[1-4]。成都—简阳地区二叠系火山岩整体发育一个大型的构造—岩性（地层）复合圈闭。成都—简阳二叠系火山岩位于现今向东南抬升的构造斜坡位置，不发育构造圈闭，永探1井已经获得工业气流，向高部位火山岩地层逐渐减薄，岩相可能变为溢流相，直至火山岩尖灭，圈闭东南部构造高部位由火山岩岩性变化及地层尖灭形成遮挡，是圈闭形成的关键控制因素（图6），永探1井测试产纯气，不产地层水，测试段底界海拔约为－5210 m，初步证实成都—简阳地区有利含气区面积达1 300 km2，展现出巨大的勘探潜力；位于圈闭低部位的永胜1井测试气水同产，推测区域气水界面可能在永胜1井附近，整个区域火山岩的含气有利区可能进一步扩展，勘探前景广阔。

2.5 成藏条件评价

图4 四川盆地中二叠统生烃强度图

图5 成都—简阳地区永胜1井—永探1井连井地震剖面图

成都—简阳地区二叠系火山岩具有良好的成藏条件，烃源岩条件好，储层发育，发育区域性盖层和良好保存条件。火山岩下伏为德阳—安岳裂陷内下寒武统厚层烃源岩，有机质丰度高、厚度大。该套烃源岩生成的烃类向上沿龙泉山断裂穿过沧浪铺组后，直接进入火山岩储层（图5）。该区为火山机构主体位置，火山岩相为近火山喷发的喷溢相，岩性以火山碎屑熔岩为主，永探1井钻井揭示的储层以孔隙性储层为主，孔隙度平均值高达10.26%。火山岩上部发育广覆式的龙潭组泥岩和三叠系膏岩盖层。生、储、盖条件好，断层沟通烃源岩，有利于简阳地区形成大面积的构造—岩性气藏（图5）。中江—三台地区火山岩分布面积超4 000 km2，与简阳地区具有相似的成藏条件，是下一步勘探集中突破的有利区。周公山—汉王场地区烃源和保存条件是制约勘探的关键问题，该区寒武系烃源岩不发育，主要为中二叠统烃源，烃源条件相对简阳地区较差，该区断裂发育，保存条件也较简阳地区差。川西南—蜀南地玄武岩区下一步火山岩天然气勘探方向应向东部扩展，找寒武系烃源发育、有较好保存条件的区域。

图6 成都—简阳地区火成岩构造—岩性复合圈闭气藏剖面及含气有利区预测图

3 结论

1）简阳地区永探1井二叠系火山碎屑岩气藏天然气来源以寒武系筇竹寺组为主。简阳地区德阳—安岳裂陷内发育巨厚的寒武系优质烃源岩，为火山碎屑岩气藏提供了充足的气源。

2）简阳地区永探1井喷溢相火山碎屑岩具有快速冷凝的特征，有利于形成脱玻化微孔，叠合后期蚀变和溶蚀作用，发育以脱玻化溶蚀微孔为主要储集空间的孔隙型储层。

3）简阳地区火山碎屑岩储层与寒武系烃源岩为下生上储的近源高效源储组合，上覆发育龙潭组泥岩和三叠系膏岩作为良好盖层，封堵烃类向上运移，生、储、盖组合良好。烃源断层有效沟通了源岩和储层，发育构造—岩性复合圈闭，天然气成藏条件优越、勘探潜力大。

4）中江—三台地区火山岩分布面积超4 000 km2，与简阳地区具有相似的成藏条件，是下一步勘探集中突破的有利区。川西南—蜀南地区玄武岩下一步天然气勘探方向应向东部扩展，找寒武系烃源岩发育、有较好保存条件的区域。