四川盆地二叠系火成岩分布及含气性

2019-05-17马新华徐春春李国辉应丹琳张本健李亚戴鑫范毅曾云贤

石油勘探与开发 2019年2期

马新华，徐春春，李国辉，应丹琳，张本健，李亚，戴鑫，范毅，曾云贤

（1.中国石油西南油气田公司，成都 610051；2.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院，成都 610041；3.中国石油西南油气田公司川西北矿区，四川江油 621709）

1 地质勘探概况

发生于二叠纪的伸展构造运动是一次影响广泛的构造运动，在中国西南地区以大规模基性、超基性岩浆喷发为标志。四川盆地钻遇上二叠统火成岩的井较多（95口井），大部分分布在盆地西南部（以下简称川西南）（55口井），盆地东部（以下简称川东）地区次之（35口井），在盆地中部（以下简称川中）地区的简阳、磨溪、南充等地有少量井。早期研究认为，四川盆地内上二叠统火成岩仅分布在西南部和川东地区，前者为火山溢流相，后者为侵入相。

四川盆地上二叠统火成岩为基性侵入岩和喷出岩。其中，分布于川西南地区的火成岩主要为玄武岩，见少量火山碎屑岩，与下伏中二叠统茅口组（P22）和上覆上二叠统沙湾组（P32）之间均为假整合接触，为晚二叠世早期基性岩浆活动产物[1-3]；川东地区主要为玄武岩，少量辉绿岩，夹于上二叠统龙潭组（P32）和茅口组之间；川中简阳地区的火成岩岩性复杂，为辉绿岩、玄武岩和火山碎屑岩，与下伏茅口组假整合接触，与上覆沙湾组假整合接触。

在早期勘探中，尽管在火成岩中钻井显示较多，但未引起足够重视，研究程度也较低。1992年在川西南地区针对中二叠统茅口组钻探的ZG1井在上二叠统玄武岩测试获气，但随后针对玄武岩钻探的ZG2井未获成功。2018年在简阳地区钻探YT1井在火山碎屑岩中测试获高产气流，显示四川盆地二叠系火成岩具有一定的油气勘探潜力。本文针对近期火成岩的勘探成果和分析资料，结合区域地质条件，重点对盆地西南部和川中简阳地区上二叠统火成岩的分布特征及其含气性进行探讨（见图1）。

图1 研究区位置图

2 火成岩特征

2.1 喷出岩

2.1.1 火山熔岩特征

火山熔岩由火山熔浆流在地表冷凝状态下形成[4-5]，四川盆地上二叠统火山熔岩主要为玄武岩，分布于盆地西南部、川中简阳地区、华蓥山及川东地区，以盆地西南部最发育，分布面积广。

通过对盆地西南部上二叠统玄武岩分析，矿物成分主要为斜长石（含量为 35%～60%）、辉石（5%～10%）、绿泥石（12%～30%）、钛铁矿及磁铁矿（5%～13%）、榍石（2%～10%）、方解石（2%～8%）、石英（2%～7%）、菱铁矿（小于5%）、火山玻璃质（20%～35%）。化学成分主要为铁铝硅酸岩，SiO2含量为47.11%～48.42%，Al2O3为 13.69%～14.23%，Fe2O3为13.57%～14.04%，CaO为6.95%～8.66%，MgO为4.04%～4.56%，Na2O为 1.67%～2.71%，K2O为1.10%～1.86%。

按岩石结构分类，玄武岩可分为隐晶-微晶玄武岩、斑状玄武岩、气孔状玄武岩、杏仁状玄武岩（见图2）。

图2 四川盆地上二叠统火成岩岩类图版

隐晶-微晶玄武岩指岩石中的矿物及组分分布较均匀，无定向性，也无气孔、杏仁体及斑晶，具间隐结构、块状构造，普遍发育柱状节理。

斑状玄武岩具斑状结构、填间结构、间粒结构。斑晶由多个斜长石晶簇组成聚斑，最大可达5 mm×13 mm，形态呈星散状、放射状、束状、环带状等。晶间孔隙内常见辉石、钛铁矿、磁铁矿、榍石、橄榄石等粒状矿物，亦见晶间充填玻璃质或少许片状矿物。

杏仁状玄武岩指玄武岩中见杏仁体分布，杏仁体的形成系岩浆中易挥发物在冷凝过程中逃逸后形成气孔[6]，后被硅质（石英、葡萄石、玉髓）、绿泥石、沸石、菱铁矿、方解石、沥青等充填，蚀变普遍，形如杏仁，这类岩石称杏仁状玄武岩。在气孔未被充填或弱充填则称为气孔状玄武岩。气孔（杏仁）多呈 1～3 mm圆或扁圆状，有时因熔岩流动、挤压、拉长、爆裂而呈蝌蚪状。

2.1.2 火山碎屑岩特征

火山碎屑岩见于火山喷发机构中，特别是中心爆发式火山机构。四川盆地上二叠统火山碎屑岩主要分布于简阳地区，在YT1井钻遇131 m火山碎屑岩。川东及川西南地区火山碎屑岩不发育。

据YT1井上二叠统火山碎屑岩 35个岩心样品分析，方解石含量最高，平均值为42.0%，最高95.5%；次为黏土矿物，平均含量为19.8%，最大值57.7%；再次为斜长石，平均值为15.5%，最大值41.4%。此外，常见矿物还有钾长石（平均含量为3.7%）、石英（平均含量为9.6%）、方沸石（平均含量为 6.4%）等，部分样品还见铁白云石、白云石、黄铁矿、刚玉等矿物。YT1井火山碎屑岩中黏土矿物和方解石是含量高的主要矿物，显示火山碎屑岩次生蚀变强烈。地球化学分析表明，SiO2含量为 35.44%～52.84%，平均值为43.08%，Na2O+K2O含量为2.27%～8.36%，平均值为5.91%，在SiO2-（Na2O+K2O）关系图版上属碱性玄武岩，部分点落在拉斑玄武岩区内（见图3），可见YT1井玄武岩在化学成分上既具有碱性玄武岩特点，也具有拉斑玄武岩特点，属偏碱性的过渡型玄武岩浆喷发。与康滇地区玄武岩相比有明显的差异，与大陆裂谷碱性玄武岩和世界玄武岩平均值相比，SiO2含量偏低，而Na2O+K2O含量偏高[7-8]（见表1）。

图3 二叠系火山岩SiO2-（Na2O+K2O）关系图

火山碎屑岩中火山碎屑形态不规则，常呈刀刃状、三角状、港湾状、树枝状及撕裂状等。粒径差异较大，大者可为集块，小者可为晶屑。成分以火山熔岩冷凝的玄武岩为主。具角砾、斑杂、凝灰结构。

表1 不同地区二叠系玄武岩化学成分含量对比表

此外，常见火山熔岩与火山碎屑岩之间的过渡性岩类，如凝灰质熔岩、凝灰质角砾岩等。

2.2 侵入岩

主要为辉绿岩，分布范围相对较小，分布于川东地区部分钻井中，如TD3井辉绿岩厚20 m，分布于龙潭组下部；川中简阳地区YT1井见28 m厚的辉绿岩，分布于玄武岩及火山碎屑岩之下。主要矿物为普通辉石和基性斜长石，少量橄榄石、磁铁矿。斜长石自形程度高于辉石，前者呈半自形-自形，辉石多呈他形晶，常见辉石包裹斜长石、橄榄石。

3 火成岩分布

基于钻井、地震及露头资料分析，四川盆地上二叠统火成岩平面上主要分布于 3个区域：盆地西南部为溢流相玄武岩，其喷溢中心为康滇地区深大断裂带[9]，表现为大面积玄武岩分布，盆地西南部玄武岩是其组成部分；盆地中西部的简阳—三台地区为中心式爆发相，既有侵入岩（辉绿岩），也有喷出相的火山熔岩（玄武岩）和火山碎屑岩；东部达州—梁平地区则仅为侵入和喷出岩相的辉绿岩和玄武岩（见图4）。

火山活动及火成岩的分布受控于深大张性断裂的活动时期及强度。二叠纪中国南方表现为伸展构造环境[10]，在此背景下，断开基底的深大张性断裂活动使岩浆上涌并侵入沉积岩中或喷出地表，盆地内火成岩分布与华蓥山、龙泉山断裂带的活动相关。

3.1 川西南地区

盆地西南部上二叠统玄武岩属裂隙式大陆溢流相，厚度为0～400 m，底与中二叠统茅口组（P22m）不整合接触，顶与上二叠统沙湾组（P32）不整合接触。以玄武岩为主，局部见火山碎屑岩，未见辉绿岩。蒲江—青神—犍为—沐川—屏山一带向盆内开始分支变薄，累计厚度为50～150 m，尖灭线位于邛崃、盐井沟、仁寿、威西、宜宾等地，并与龙潭组（P31）过渡（见图5）。

图4 四川盆地二叠系火成岩相分布图

图5 川西南地区上二叠统峨眉玄武岩组对比图

该区火成岩分布具 3个特点：①厚度变化总体趋势是由盆地边缘向盆内逐渐变薄，总体厚度变化不大，尚未发现异常厚或薄的地区；②从厚度小于150 m时开始分支变薄为2～7个小层，个别达 10个，但相对保持稳定并延续较远的是靠近底部的玄武岩段；③盆地内玄武岩厚度变化梯度为3.75%，相当于坡度13′。

纵向上溢流相玄武岩喷发具有明显的韵律性，单韵律层自下而上：火山碎屑岩（不发育）→深灰、灰色斑状玄武岩（不稳定）→深灰带紫色微晶-隐晶玄武岩→深灰绿色气孔状、杏仁状玄武岩。单韵律层厚度10.5～41.1 m，最多可划分10个喷溢韵律层。

3.2 川中简阳—三台地区

该区目前有2口井（YT1井、YS1井）钻遇上二叠统火成岩，火成岩底与茅口组不整合接触，顶与长兴组（P32）不整合接触，火成岩岩性结构自下而上表现为辉绿岩、玄武岩、火山碎屑岩，既有侵入岩相，也有喷出岩相，火山机构为中心式火山喷发。

中心式火山喷发也具有韵律性，纵向上自下而上为火山碎屑岩（集块岩、角砾岩）→火山熔岩→凝灰质熔岩的演化序列（见图6）。

图6 简阳地区YT1井上二叠统峨眉山玄武岩组柱状图

根据井-震标定，火山岩顶部断续强反射，火山岩内部杂乱亮点反射、杂乱、楔状反射，火山岩地震反射形态呈丘状（见图7）。利用已有的钻孔及地震资料预测火山碎屑岩的分布，沿龙泉山断裂带有 3个火山碎屑岩分布区，可能代表3个火山喷发体系，平面上呈团块状，自南而北分别为：简阳喷发体系面积约1 650 km2、中江喷发体系面积约750 km2、三台喷发体系面积约2 100 km2，中心厚度一般为200～350 m，向外减薄至尖灭。

图7 简阳地区火山喷发相地震反射特征图

3.3 川东地区

在华蓥山地面露头及达州、梁平等地区35口井的钻孔中见玄武岩、辉绿岩，厚度4～65 m。以玄武岩为主，辉绿岩仅见于少数钻井中（见图8），分布于龙潭组（P31）下部。从YA8井玄武岩之间夹薄层碳酸盐岩看，该区至少经历了两次火山喷溢。

4 火成岩的储集特征

4.1 火山熔岩

四川盆地西南部二叠系火山熔岩储集空间类型可分为孔隙和裂缝两大类。孔隙类型可见残余溶蚀孔洞、气孔、粒内（晶内）溶孔、粒间（晶间）溶孔、晶间孔等；裂缝主要为柱状节理、构造裂缝（见图9）。火山熔岩不同岩类均有一定的储集性，但储集空间类型不同，杏仁状、气孔状、斑状玄武岩主要以孔隙为主，构造裂缝次之；而致密玄武岩主要以柱状节理为主，构造裂缝次之，孔隙不发育。

玄武岩比较致密，储集物性较差。基质孔隙度小于4.0%者占样品数93.94%，4.0%～7.0%者占5.05%，大于 7.0%者仅占 1.01%，平均孔隙度仅为 1.39%。其中，气孔状玄武岩孔隙度最高，平均孔隙度为5.41%；微晶-隐晶玄武岩孔隙度最小，平均孔隙度仅为 0.85%（见表2）。

通过测井解释，盆地西南部二叠系玄武岩储集层孔隙度大于 1.0%、裂缝发育中等的单井厚度为 4.3～50.6 m，储地比为8.9%～57.7%，其中孔隙度大于1.5%的储集层单井厚度为0～32.1 m，储地比为0～29.7%，反映火山熔岩储集性能普通较差。储集层主要分布在喷发旋回的中上部或顶部，储集层横向连通可对比性相对较差[11]。

图8 川东地区上二叠统龙潭组对比图

4.2 火山碎屑岩

分布于盆地中西部简阳地区二叠系火山碎屑岩的储集空隙可分为两大类：孔洞和裂缝。孔洞主要发育溶蚀残余孔洞、残余气孔、颗粒（晶体）内溶孔、颗粒（晶体）间溶蚀孔、晶间孔、冷凝收缩孔、脱玻化微孔、砾间孔洞等；裂缝以柱状节理和构造裂缝为主。

据 YT1井岩心分析，火山碎屑岩的孔隙度为8.66%～16.48%，平均值为13.76%，渗透率为（0.604～4.430）×10-3μm2，平均值为 2.446 3×10-3μm2（见图10）。测井解释储集层厚度为100.3 m，平均孔隙度为12.5%。

对比喷发相火山碎屑岩与溢流相玄武岩的储集性能，二者具有明显的差异，表明四川盆地火成岩这类特殊储集岩中，火山碎屑岩的储集性能更优。

5 火成岩的含气性

5.1 天然气特征

目前，盆地西南部的 ZG1井在上二叠统井深2 870～2 883 m的玄武岩中射孔测试获天然气25.61×104m3/d；盆地中西部简阳地区YT1井在上二叠统井深5 628～5 644 m、5 646～5 675 m的火山碎屑岩测试获气22.5×104m3/d。

盆地西南部的ZG1井和ZG2井天然气具有“三高、两低、一无”特点（见表3），即高甲烷含量（91.2%～96.59%）、高干燥系数（99.8%）、高同位素组成（δ13C1为-28.1‰、δ13C2为-31.56‰、δ18O 为-135.4‰）；低重烃（无丁烷及更重组分）、低二氧化碳（0～0.042%）；无硫化氢。对比分析，天然气主要来自中二叠统，并可能有更老烃源岩层（寒武系筇竹寺组）天然气混入。川西南地区玄武岩储集层总体上属于超低孔渗，储集层类型以孔隙-裂缝型为主，厚度较小，横向变化较快。

简阳地区YT1井火山碎屑岩中天然气组分与ZG1井有相似特征，甲烷含量98.9%，乙烷和丙烷含量分别为0.35%、0.03%，无丁烷及更重组分，无硫化氢，二氧化碳含量0.18%。分析认为天然气来自寒武系筇竹寺组烃源岩。简阳—三台地区火山碎屑岩储集层以中—高孔渗为特征，厚度较大，储集层品质较优，以裂缝-孔隙型储集层为主。

5.2 火成岩成藏地质条件

火成岩气藏的形成与常规气藏成藏并无多少特殊性，必须具备生、储、盖、运、聚、保等要素的匹配，若成藏条件优越、匹配关系良好，同样可形成大型高丰度气藏。反之，则不能成藏或气藏规模小。

火成岩本身不具生烃能力，需外源供给。川西南地区火山岩下伏烃源岩层主要为中二叠统碳酸盐岩和下寒武统筇竹寺组，但该区因加里东运动抬升剥蚀至震旦系—下寒武统，筇竹寺组残厚小（ZG1井残厚为13.5 m），生烃能力较差，烃源主要来自中二叠统[12]，但中二叠统碳酸盐岩生烃能力欠佳。因此，盆地西南部玄武岩的气源略显不足。

图9 四川盆地上二叠统火成岩储集空间图版

简阳—三台地区火成岩下伏烃源岩层同为中二叠统和寒武系筇竹寺组，但该区在早古生代为“德阳—安岳裂陷槽”[13]，寒武系筇竹寺组烃源岩厚度较大（200～350 m），生烃能力强，是主要烃源层（见表4）。

火成岩气藏的保存条件的优劣对气藏的形成具有重要作用。盆地西南部以低陡断褶构造为主，褶皱幅度较高、断层发育；一方面大大地改善了储渗条件和输导体系，使下伏烃源岩层生成的油气部分运移至玄武岩圈闭而成藏；但另一方面，深大断裂带，特别是靠近露头区的断裂带必然会造成气藏的破坏。比较而言，简阳—三台地区位于川中—川西过渡带，构造形变程度较低，断层较少，断层规模小；局部盖层为上二叠统泥页岩，区域性盖层为三叠系嘉陵江组和雷口坡组膏盐岩，保存条件优越。