四川盆地西部二叠系火山作用特征与天然气勘探潜力

陆建林 左宗鑫 师 政 董 霞 吴清杰 宋晓波

1.中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所 2.中国石化西南油气分公司勘探开发研究院

0 引言

四川盆地位于扬子克拉通内偏西北一侧，由于北东向、北西向交叉的深大断裂影响，成为近菱形的构造—沉积盆地。处于扬子板块、塔里木板块、青藏高原、印度洋板块等多个地体的交汇处，受板块运动作用的影响较为强烈。四川盆地是一个在上扬子克拉通基础上发展起来的叠合盆地，从加里东期以来受到了多期构造运动的影响。二叠纪的峨眉地裂运动在盆地西南部形成大规模玄武岩喷发，并向东逐渐减弱，在川东的华蓥山和达州地区可见玄武岩沿裂隙喷发[1-2]。四川盆地西南部有多口井钻遇二叠系火山岩并获得油气发现，储层以裂缝型及孔隙型玄武岩为主。

一直以来，四川盆地西部（以下简称川西地区）都被认为火山岩不发育，由此限制了对该类型气藏的探索。2016年中国石化西南油气分公司在川西地区部署的风险探井（YS1井）在上二叠统钻揭厚约300 m的火山岩地层。岩心实验分析储层平均孔隙度为18%，其中火山角砾岩、凝灰质角砾岩物性最好；钻井过程中该段气显示强烈，初步揭示了该领域在川西地区具有较好天然气勘探前景，是一个值得探索的重要领域。为此，笔者从川西地区二叠系火山作用地质特征出发，利用岩石地球化学特征，结合岩性、岩相分析及地震资料解释识别，提出了川西地区火山喷发机制及火山机构分布模式；分析了火山岩储层特征、烃源条件和天然气来源，提出了火山岩成藏模式，以期为该区火山岩气藏勘探提供借鉴。

图1 峨眉山大火成岩省构造格局和分布示意图（据本文参考文献[6、8]修编）

1 地质背景

四川盆地从加里东期以来受到了多期构造运动的影响，特别是我国西南地区的四川、贵州和云南等3省广泛分布中—晚二叠世之交峨眉山超级地幔柱的活动产物——世界公认的大火成岩省[3-8]，对四川盆地二叠纪及后期的油气成藏产生重要的影响。

峨眉山大火成岩省主体位于扬子克拉通西缘，跨越扬子克拉通、三江造山带和华南克拉通等3个一级构造单元（图1）。峨眉山大火成岩省发育巨厚且广泛分布的基性火山岩，以玄武岩为主，玄武岩通常分为西、中、东等3大岩区，自西向东厚度呈减薄趋势，西部最厚达5 000 m。作为世界上几个主要大火成岩省之一，峨眉山玄武岩是被公认的地幔柱活动产物。

川西南地区横跨中带和外带，具有火山岩发育背景。通常认为外带火山岩发育程度低，但近期的勘探表明，外带也可以发育较厚的火山岩，并具有一定油气勘探潜力。四川盆地火山岩的勘探始于20世纪90年代初，随着周公山构造上的ZG1井在二叠系峨眉山玄武岩中获得工业气流，拉开了四川盆地玄武岩储层勘探天然气的序幕。近年来，在多个地区钻遇玄武岩储层，例如雷音铺构造的L2井钻遇峨眉山玄武岩、汉王场构造的H1井钻遇二叠系杏仁状玄武岩等，显示出外带也具有较大的勘探潜力。

2 火山作用特征及形成机制

2.1 火山作用特征

自ZG1井钻遇二叠系玄武岩（厚301.5 m）以来，川西南地区先后有多口井钻遇二叠系火山岩，如H1井（厚225 m）、DS1井（厚141.5 m）、Y1井（厚39.5 m）[9-11]，自川西南地区向盆地内有逐渐减薄的趋势（图2）。2016年川西地区YS1井钻遇峨眉山玄武岩段厚约300 m。

YS1井的钻探表明，在峨眉山玄武岩外带地区也有较厚的火山岩发育，且岩性、岩相特征与川西南地区有较大差异。川西南地区钻遇的二叠系火山岩以玄武岩为主，包括少量的凝灰岩及角砾岩，岩相以溢流相为主，少部分为爆发相。而川西地区YS1井岩性以凝灰岩、玄武岩为主，夹部分火山岩角砾岩，岩相以爆发相为主，部分为溢流相。

岩性、岩相特征分析表明，YS1井火山岩可分为3个火山喷发旋回及一个侵入岩段，喷发类型为间隙式—浅海海底反复爆发式喷发。火山活动主要受龙泉山深断裂控制，沿龙泉山断裂发育了众多二级断层以及放射状及网状断层，受主干断裂及次级分支断裂控制，形成了放射状、枝状（网状）火山通道网络，进而形成了大规模的火山口群，控制了火山岩的分布。地震剖面上识别的火山通道具有垂向杂乱反射特征，通道附近地层被切穿或错断，通道顶部具有火山岩堆积的丘状反射特征（图3）。

图2 川西南地区二叠系火山岩连井对比剖面及YS1井火山旋回综合柱状图

图3 川西地区火山岩与火山通道特征图

川西地区火山岩分布受不同的火山机构控制，火山岩由高地势区向低地势区流动，纵向叠置，横向连片分布。火山口群之间主要以溢流相火山岩为主，近火山口溢流相和爆发相相互叠置（图4）。由于钻井揭示不多，以往认为川西地区位于峨眉山大火成岩省的外带，火山活动较弱。YS1井的钻探表明，在离地幔柱中心较远的盆地内受深大断裂控制而形成了差异喷发，也有较厚的火山岩发育。

图4 川西坳陷东部斜坡火山机构分布模式图

图5 YS1井玄武岩Zr/Y—Zr图版

图6 YS1井玄武岩Zr—Y—Nb图版

2.2 火山作用机制

国内外学者对峨眉山大火成岩省的成因开展了诸多研究，普遍认为是地幔热柱的产物。存在诸多证据，包括火山喷发时限、沉积学证据、岩石地球化学证据等[2-7]。岩石微量元素证据是判别火山岩构造环境的常用手段之一[12]，国内外学者针对峨眉山玄武岩的地球化学特征开展开了相应研究[13-14]，均认为峨眉山玄武岩属于地幔热柱成因。

川西地区火山岩位于峨眉山大火成岩省的外带，其喷发背景及动力学机制研究较少。利用YS1井火山岩锆（Zr）、钇（Y）、铌（Nb）微量元素特征对其喷发背景进行探讨。YS1井玄武岩Y/Nb比值介于0.78～1.02，属于拉斑及碱性玄武岩的过渡区。从Zr/Y—Zr的判别图解来看（图5），投点区域集中在板内玄武岩区，表明玄武岩属于非板块边缘扩张环境的产物，即属于板内环境产物。Zr—Y—Nb的判别图解投点区域集中在板内钙碱性玄武岩区（图6）。火山岩微量元素图解表明YS1井二叠系玄武岩产于板内环境，属于钙碱性玄武岩。

火山岩微量元素地球化学特征表明，YS1井火山岩产于板内环境，具有伸展型钙碱性火山岩特征，诱发岩浆熔融的因素可能是地幔热柱上拱导致的地壳伸展与减薄，其喷发背景与区域上峨眉山玄武岩类似，是中二叠世末期峨眉山地幔热柱的产物。

3 火山岩储层的基本特征

储层是油气成藏的关键要素之一，针对其进行的系统分析是研究油气成藏的重要组成部分。相比于常规的碎屑岩和碳酸盐岩储层，火山岩在形成环境、成岩演化、储集空间和物性特征等方面存在较大的差异性[15-22]。通过利用岩心观察与描述、铸体薄片鉴定、压汞曲线分析等手段，对川西地区二叠系火山岩储层的岩石学特征、储集空间特征以及物性特征开展研究。

3.1 岩石学特征

火山岩储层岩石类型为火山碎屑岩类，包括含集块火山角砾岩、凝灰质熔结角砾岩和含角砾凝灰熔岩等，为火山爆发相的空落亚相和热碎屑流亚相的产物。岩心样品中的SiO2含量平均值为52.7%，依据硅—碱法对研究区火山岩进行化学分类，该区的火山岩为基性、中—基性岩类范畴。其主要矿物包括辉石、斜长石、石英和方解石等。黏土矿物含量较高，平均值超过15.0%，其多为辉石、基性斜长石等矿物蚀变而产生。

3.2 储集空间特征

川西地区二叠系火山碎屑岩储层的储集空间类型十分复杂。储集空间主要类型包括：原生孔隙、次生孔隙和裂缝等3类。原生孔隙主要包括熔凝团块与角砾之间骨架孔隙以及熔结团块中保存下来的气孔（图7-a）；次生孔隙主要为辉石、方解石等晶屑内发育的次生溶孔，多呈网格状（图7-b）；基质微孔主要为火山基质脱玻化产生的晶间孔等（图7-c）；裂缝类型比较多样，包括构造缝、冷凝缝和溶蚀扩大缝等。压汞资料显示，储层最大孔喉半径介于0.25～5.15 μm，平均值为3.15 μm；孔喉中值半径多小于0.10 μm，平均值为0.07 μm；平均排驱压力为0.69 MPa，少数可大于2 MPa；中值压力介于5.9～18.9 MPa。总体上，储层以细－微细孔喉为主，孔隙分选中等。

图7 YS1井火山岩储层储集空间类型图

3.3 储层物性特征

对最好的火山岩储层段的物性分析表明，储层整体孔隙度较高，最小值为11.8%，最大值为25.5%，平均值为18.0%，孔隙度介于18%～20%的样品数频率最大，占34.1%（图8-a）；储层渗透率变化范围较大，最小值为0.02 mD，最大值为21.20 mD，平均值为1.90 mD，渗透率介于0.1～0.2 mD的样品数频率最大，占33.3%，储层渗透率的非均质较强（图8-b）。

不同岩性的火山岩储层中发育不同的储 渗空间类型，其导致储层物性具有差异性。其中，含集块火山角砾岩的物性较好，孔隙度平均值为18.7%，渗透率平均值为2.1 mD，火山集块、角砾之间的粒间孔隙为孔隙度、渗透率的主要贡献者。凝灰质熔结角砾岩的孔隙度较高，孔隙度平均值为18.5%，但受熔结程度的影响，渗透率非均质性较强。而含角砾凝灰熔岩的储层物性相对较差，孔隙度平均值为16.4%，渗透率平均值为0.2 mD。其他岩性的火山岩样品物性较差，特别是下部旋回的玄武岩较致密。

图8 YS1井火山岩储层物性特征图

4 火山岩气藏的勘探潜力

4.1 烃源岩特征及油气来源

四川盆地海相层系发育多套烃源层，古生界区域性的主力烃源层分别为下寒武统筇竹寺组、下志留统龙马溪组和二叠系，具有分布广、厚度较稳定、品质较优的特征；局地性的烃源层主要因沉积相带变化形成，如下寒武统沧浪铺组、上二叠统龙潭组等[23-26]。YS1井钻至沧浪铺组（未完），所钻遇的烃源岩主要包括沧浪铺组及二叠系烃源岩。沧浪铺组烃源岩主要为泥质灰岩、粉砂质页岩，中二叠统梁山组烃源岩主要为页岩及煤层，中二叠统栖霞组及茅口组烃源岩主要为石灰岩，龙潭组烃源岩主要为泥岩夹煤层。

YS1井岩石热解有机碳数据表明，沧浪铺组烃源岩总有机碳含量（TOC）介于0.89%～5.24%，平均值为2.63%；龙潭组烃源岩TOC介于2.00%～5.43%，平均值为3.29%；茅口组烃源岩TOC介于0.11%～0.61%，平均值0.30%。从单井热解数据来看，沧浪铺组及龙潭组烃源岩有机质丰度较高，是较好的烃源岩。茅口组石灰岩部分TOC超过0.5%，也是有效的烃源岩。

YS1井在火山岩段测试过程中获得一定量的天然气，天然气以烃类气体为主，非烃气体含量小于5%，在烃类气体中甲烷含量超过99%，重烃气体（C2+）

含量极低，均小于0.5%，干燥系数大于99，属于典型的干气。同位素特征是判定天然气成因的重要参数之一[23,27]，主要反映母质类型的乙烷碳同位素特征表明（图9），YS1井二叠系火山岩天然气具有典型的油型气特征，与川西地区陆相天然气具有明显的区别。甲烷—乙烷碳同位素特征类似于下寒武统龙王庙组天然气，气源可能主要来自下寒武统烃源岩，同时乙烷碳同位素特征接近茅口组及长兴组天然气，表明二叠系烃源岩可能也有贡献。

图9 川西地区天然气甲烷和乙烷碳同位素值分布特征图

4.2 天然气成藏组合

川西地区二叠系火山岩下发育多套烃源岩层系，源储关系主要为下生上储，断层可能是油气主要的运移通道。如川西坳陷东部知新场地区，二叠系及寒武系之间发育较多的垂向断层（图10），部分垂向深断层可能是早期的岩浆通道，后期也可作为油气的运移通道。数量众多的垂向断层沟通了火山岩与下伏的寒武系及二叠系烃源岩，火山岩地层具备较有利的油气运移条件。

图10 川西坳陷东部知新场地区二叠系火山岩成藏模式图

从盖层情况来看，川西地区火山岩的封盖条件较好，发育两类盖层。其中龙潭组为一套分布稳定的泥质岩，可起到有效的封盖作用。YS1井实际钻遇龙潭组69.5 m，岩性主要为深灰色灰、黑色泥质灰岩、泥岩、铝土质泥岩；此外，火山岩段内部发育的致密夹层，也可以作为有效的盖层。

源储关系分析表明，二叠系火山岩成藏组合主要为下生上储型。下寒武统及中二叠统烃源岩生成的烃类由断裂沟通，垂向运移至火山岩储层中，形成了下生上储的组合关系（图10）。

4.3 天然气勘探潜力

中二叠世末期的峨眉地裂运动，形成了在云贵川地区大面积分布的峨眉山玄武岩，在四川盆地内部，受深断裂控制火山活动也较强烈，火山岩也有规模分布。川西地区爆发相、溢流相火山岩均有发育，钻井揭示火山岩储层物性好，具备形成大规模优质火山岩储层的条件。盆地内部烃源条件好，沟通烃源的断层发育，疏导条件较好，可形成有利的天然气成藏组合。因此，川西地区二叠系火山岩具备良好的天然气勘探潜力。

5 结论

1）川西地区二叠系火山岩发育，与峨眉山玄武岩具有一致的构造环境，是峨眉山地幔热柱的产物。与深大断裂相关的断裂体系形成了放射状、枝状及网状火山通道，控制了川西地区火山岩的分布。

2）川西地区火山岩受垂向断裂控制，发育多个火山机构，火山喷发发育3个旋回和一个侵入岩段，为间隙式喷发—浅海海底反复爆发式喷发。火山岩纵向叠置，横向连片分布。

3）火山岩岩性以凝灰岩、玄武岩，部分火山角砾岩为主。岩石结构组成复杂，形态变化多样。发育爆发相、溢流相、侵入相等多种相态类型。部分层段火山岩储层发育、物性好，储集空间类型以熔凝团块与角砾之间骨架孔隙、溶蚀孔隙及基质微孔隙为主。

4）围绕火山岩层段发育多套有效烃源岩，与火山岩层段形成有效的油气成藏组合，具有较好的天然气勘探前景，是值得探索的重要领域。