徐家围子断陷安达凹陷火石岭组天然气成藏条件分析

刘红艳

大庆油田有限责任公司 勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712

0 引言

以往对徐家围子断陷深层的勘探主要集中于营城组火山岩和沙河子组致密气，在储层、成藏等方面取得了一些成果和认识[1-4]，火石岭组存在地层埋深大、火山岩体刻画难等问题，一直没有作为勘探的重点，仅在兼探井中见到气流。近年来，随着深层天然气勘探的不断深入，安达凹陷火石岭组由于其平面分布范围广、火山岩储层较优质、勘探前景较好，有望成为战略接替区域。松辽盆地南部小断陷火石岭组已获油气勘探突破，对松辽盆地北部火石岭组油气勘探意义重大。

前人对松辽盆地火石岭组做了大量的研究工作，主要集中在松辽盆地南部断陷地层特征[5]、储层特征[6-8]、源岩特征[9]和成藏认识[10-11]等方面。松辽盆地火石岭组下部为沉积岩，上部为火山岩、火山碎屑岩夹沉积岩[5]。发育碎屑岩与火山岩两类储层，沙河子组是深层天然气的主要来源，火石岭组具有一定的生烃能力[9]。徐家围子断陷火石岭组的研究则局限在地层分布特征及火山岩储层特征等方面[12-13]，缺乏对成藏条件及富集规律的整体认识，目前尚处于勘探的初级阶段，截至2021年底，仅有15口井钻至火石岭组，整体勘探程度低。钻探实践表明火石岭组岩芯孔隙度介于0.5%～6.7%之间，平均为2.5%，储层致密，但仍在兼探井中发现物性特征相对较好的火山岩气藏。安达凹陷DS28井获得了产量为9.3×103m3/d的低产气流，证实了徐家围子断陷火石岭组仍具有一定的油气勘探潜力。笔者依据研究区地震剖面及岩芯地化分析、铸体薄片、孔隙度资料等，从源岩、储层、盖层及区域构造活动几个方面，对徐家围子断陷安达凹陷火石岭组成藏条件进行综合分析，明确天然气富集规律，以期寻找新的勘探领域。

1 区域地质概况

徐家围子断陷是一个近SN向展布的箕状断陷。在火石岭组沉积时期，北部的安达地区、徐中南部地区局部发育控陷断裂。安达凹陷位于徐家围子断陷北部，受徐西断裂北段控制呈NNW向展布(图1)，凹陷中心位于西部，由宋站低隆起将其与徐家围子断陷主体分隔[14]。火石岭组为拼合基底向断陷盆地转化过程中形成的一套以火山岩为主的过渡层，受燕山期晚期伊泽奈崎板块NW向俯冲作用，松嫩板块由拼合基底向断陷逐渐转换，形成了坳隆相间的构造格局，地幔隆升导致大规模的岩浆活动，形成了一套以中性火山喷发岩为主的过渡层。火一段为分布局限的含煤碎屑沉积[15]，局部有火山喷发，可作为火石岭组源岩；火二段火山活动频繁，整体上为一套火山岩及火山碎屑岩建造，在火山喷发间歇的火山地貌洼地上，局部沉积了以邻近火山岩为物源的含火山岩成分的碎屑岩(图2)。火石岭组形成了火山岩、砂砾岩两种类型的储层，具备自生自储条件。沙河子组暗色泥岩广布，局部煤层发育，是断陷深层主要的烃源岩层系，登二段泥岩全区分布，是深层天然气的第一套区域盖层。

图1 徐家围子断陷安达凹陷火石岭组构造图Fig.1 Structure of Huoshiling Formation in Anda sag, Xujiaweizi fault depression

图2 安达凹陷火石岭组岩性柱状图Fig.2 Lithologic column of Huoshiling Formation in Anda sag

2 成藏条件分析

2.1 发育沙河子组和火一段、火二段3套源岩

火石岭组自下而上发育火一段、火二段和沙河子组3套源岩，形成旁生侧储、自生自储和下生上储3种源储组合样式。

火一段湖相泥岩是松辽盆地深层主要的烃源岩层系之一。安达凹陷火一段为初始拉张时期形成的断陷湖盆沉积，地震相预测发育完整的沉积体系，湖盆中部发育烃源岩，预测泥岩厚度100～400 m，面积为238 km2，火二段火山岩直接覆盖其上，源储匹配好。火二段为火山喷发间歇湖盆，局部发育碎屑岩沉积，钻遇的火二段泥岩为薄夹层，岩芯观察多见凝灰质，分选较差，见少量煤屑，饱和烃气相色谱质谱证明母质来源以高等植物为主，是以周围火山岩作为物源的近物源沉积。源岩有机质类型为Ⅱ2～Ⅲ型，与沙河子组烃源岩干酪根类型相似。从有机质丰度指标看(表1)，有机碳含量为0.10%～5.93%，平均为1.87%，含煤样品有机碳含量为5.76%～63.76%，平均值是22.56%，为中等-好的烃源岩，镜质体反射率(Ro)分别为2.8%、3.0%，为过成熟源岩，具备生烃潜力。地震相预测泥岩厚度100～300 m。

表1 火石岭组及沙河子组烃源岩评价

气源对比表明，沙河子组暗色泥岩和煤系地层是深层天然气的主要贡献者[16]。对安达凹陷沙河子组及火石岭组气样进行分析，发现沙河子组气样甲烷含量平均为92.69%，干燥系数为43.43；而火石岭组气样甲烷含量为96.20%，干燥系数为67.92，沙河子组气样干燥系数较低，反映了源内成藏的特征，火石岭组气样受运移分馏的影响，甲烷含量较沙河子组高，认为火石岭组天然气主要来自于洼槽区沙河子组源岩的远距离运移。安达凹陷发育沙河子组生烃中心，生气强度>20×108m3/km2的面积为724 km2。沙河子组暗色泥岩及煤层比较发育，为本区主力烃源岩发育层系。源岩富含有机质，干酪根类型以Ⅲ型为主。暗色泥岩全区发育，厚度普遍>200 m，最厚可达1 000 m，泥岩有机碳平均含量为2.42%，生烃潜量(S1+S2)平均值为8.34 mg/g，镜质体反射率为1.2%～3.0%，平均值是2.0%，达到高-过成熟阶段(表1)。沙河子组煤层在安达凹陷广泛分布，一般厚度5～50 m，最厚150 m，有机碳平均含量为35.54%，生烃潜量(S1+S2)平均值为11.32 mg/g，镜质体反射率为1.1%～2.5%，平均值为1.8%，达到高-过成熟阶段(表1)。安达凹陷沙河子组源岩整体发育较好，煤层发育，具备较强的供烃能力。

沙河子组与火石岭组的源储接触方式有两种，一种是斜坡带源储侧向对接模式，在这种对接方式下，天然气向侧上方运移；另一种是洼槽区源内上下叠置对接模式，这种对接方式具有近源优势，但是天然气由上向下运移阻力大，若存在火山机构或者构造凸起，才能形成有效的侧向对接运移。火石岭组与沙河子组源储对接岩性模式为砂岩对接、砂泥互层对接和泥岩对接3种(图3)：沙河子组沉积相早期以扇三角洲为主，与火石岭组为砂岩对接；中期为最大湖泛期滨浅湖相，以泥岩对接为主；晚期为辫状河三角洲沉积，以互层对接为主。控陷断层一侧火石岭组分布范围要小于沙河子组边界，对接模式以泥岩对接和互层对接为主，凹陷中心为湖相泥岩沉积，对接模式为泥岩对接。

图3 沙河子组与火石岭组对接岩性模式Fig.3 Lithologic contact mode between Shahezi Formation and Huoshiling Formation

安达凹陷沙河子组烃源岩主要生气期在100～72 Ma(登娄库组沉积末期—四方台组沉积时期)，存在3次生气高峰，分别为泉头组沉积末期(95 Ma)、姚家组沉积末期(85 Ma)和嫩江组沉积末期(77 Ma)，嫩江组沉积末期生气速率最高(图4)。生气高峰出现在登娄库组盖层沉积之后，有利于深层天然气的成藏。

图4 安达凹陷沙河子组烃源岩生气史Fig.4 Gas generation history of source rocks of Shahezi Formation in Anda sag

2.2 构造活动促进成藏过程

构造活动不仅控制着断陷的形成，还控制着源岩的展布、储层的发育、圈闭的形成、油气的运聚以及盖层的有效性。就安达凹陷而言，沙河子组沉积时期的伸展作用，促进了宋站生烃中心的形成，基本奠定了未来气田的分布格局[17]。徐家围子断陷在经历了沙河子组沉积时期的强烈拉伸断陷之后，在沙河子组沉积末期，发生了强烈的挤压作用，火石岭组和沙河子组地层发生褶皱反转，形成了安达东部大型鼻状构造带。沙河子组顶面因褶皱而遭受剥蚀，部分地区剥蚀殆尽，火石岭组也遭受了较大范围的剥蚀[17]，安达东部斜坡上的火山机构暴露时间长，持久的风化剥蚀及淋滤作用，使残留火石岭组的表层岩石储集性能得到改善，成为最重要的储层类型之一。

作为重要的油气聚集圈闭，安达鼻状构造形成于沙河子组沉积末期，此时鼻状构造埋深0～900 m，面积575 km2，登娄库组盖层沉积后形成有效圈闭。主力生烃层系沙河子组源岩在泉头组沉积时期达到生气高峰，成藏期该鼻状构造一直存在，是天然气的重要指向区。

2.3 多火山机构叠加形成大型火山岩储层

火石岭组主要由紫色中性火山岩(安山岩、安山质火山碎屑岩和凝灰岩)、灰色陆相碎屑沉积岩组成，以中性火山岩为主，含少量碎屑岩，酸性火山岩少见。中基性火山岩占64%，酸性火山岩为10%，碎屑岩为26%。火石岭组岩芯孔隙度介于0.5%～6.7%，平均2.5%，储层致密。火山岩平均孔隙度2.9%，碎屑岩平均孔隙度2.0%。火山岩作为储集层有其自身特殊性，受压实作用影响较小，储层物性优于沉积岩储层，是深层火石岭组的主要储层类型。

依据火山喷发后残留的火山形态、距离火山口的位置，将火山岩体分为3种类型：火口区、近火口区和远火口区。火口区即火山喷发中心区，岩性主要包括火山角砾岩类、熔岩类和凝灰岩类，岩相以爆发相为主，同时发育溢流相和火山通道相；近火口区距离火山喷发中心较火口区远，岩性以火山熔岩为主，岩相包括爆发相与溢流相，以溢流相为主；远火口区距离火山喷发中心最远，岩性以沉凝灰岩等碎屑岩为主，岩相以火山沉积相为主。

火山岩发育的储集空间类型可分为原生和次生两种，其中原生孔隙可见气孔。次生孔隙可见杏仁体溶蚀孔、基质溶蚀孔、构造裂缝。孔隙、裂缝充填现象普遍，充填物包括方解石、绿泥石等。不同火山岩相储集空间类型存在差异。以DS28井为例，该井位于火口区爆发相，测井平均孔隙度为7.2%，其邻井DS34井位于近火口溢流相，平均孔隙度为1.9%。从岩性上看，DS28井岩性是安山岩，斑晶主要为斜长石和暗色矿物(角闪石或黑云母)，基质结晶较好，晶间充填隐晶质，暗色矿物和较好的结晶程度为次生溶孔的发育提供了物质基础，而DS34井岩性是玻基玄武岩，基质结晶较差，成分为镁铁玻璃质，不易溶蚀，虽然气孔发育，但是全部被沸石、硅质和玉髓充填(图5)。笔者根据少量钻井建立火石岭组储层相带发育模式，认为优势岩相是成藏的关键，火口区爆发相储层条件好于近火口溢流相。

a. DS28井，3 684 m，安山质角砾熔岩，裂缝；b. DS28井，3 664 m，安山岩，暗色矿物溶孔，基质溶孔；c. DS34井，3 396 m，玻基玄武岩，裂缝，气孔充填；d. DS34井，3 350 m，玻基玄武岩，气孔充填。图5 安达凹陷火石岭组典型薄片照片Fig.5 Photos of typical thin sections of Huoshiling Formation in Anda sag

安达地区火山岩广布，火山机构沿东西两侧SN向展布，共识别火山机构11个，火口区面积193.8 km2，东侧有利构造带内典型火口区面积132 km2，最大的单个火口区面积可达50.2 km2。

2.4 区域盖层发育稳定

在生烃与储集条件最好的安达东部斜坡，登娄库组泥岩发育稳定，与火石岭组火山岩储层直接接触，泥岩厚度一般为50～100 m，泥地比为0.49～0.6，排替压力为4～4.6 MPa，封闭性能为中-强[18]。有利区内继承性断层不发育，有利于天然气保存。登娄库组为火石岭组成藏的有效盖层。

3 天然气分布规律

3.1 天然气成藏模式

火石岭组气藏具有多源供烃、不整合-构造脊-储层疏导、火山岩体控藏的成藏特点。安达东部斜坡钻遇火石岭组的DS28井(图6)，压后自喷，产气9.3×103m3/d，产水28 m3/d，气水界面海拔-3 520.5 m。该井位于火口爆发相，地震反射特征杂乱，火口特征明确，岩性以安山岩、安山质火山角砾岩为主，孔隙度为7.2%。DS28井镜下显示孔隙类型主要为次生溶孔。DS28井区位于东部斜坡，构造位置高，储层与烃源岩呈侧向对接关系，断层提高了接触效率，爆发相优质储层为天然气侧向运移创造了条件，气藏既受岩性控制又受构造控制，为岩性-构造气藏。

图6 DS28井区气藏剖面Fig.6 Gas reservoir profile in DS28 well block

依据源储分布关系，构建4类成藏模式(图7)：①洼槽区源内凹中隆火山岩岩性-构造成藏模式；②火山喷发间歇湖盆三角洲成藏模式；③斜坡带火山岩岩性-构造成藏模式；④三角洲岩性成藏模式。其中斜坡带火山岩岩性-构造成藏模式与洼槽区源内凹中隆火山岩岩性-构造成藏模式火石岭组储层与沙河子组主力烃源岩对接效率高是深层火石岭组主要的成藏模式。

图7 安达凹陷火石岭组气藏模式Fig.7 Patterns of gas reservoir of Huoshiling Formation in Anda sag

3.2 天然气富集规律

安达凹陷沙河子组源岩厚度大、分布范围广、煤层发育、有机质丰度高。火石岭组源岩局部分布，是天然气来源的重要补充，源岩的广泛发育为气藏形成奠定了基础。火二段火山喷发规模大，火山机构连片发育，源储紧密接触，是有利的储集体。火石岭组发育岩性-构造气藏，具有如下分布规律：

(1)储层岩性决定物性，火口区爆发相储层物性相对较好，是有利的岩相类型，溶蚀作用是改善储层的重要因素。

(2)优质烃源岩控制气藏分布，松辽盆地深层断陷火山岩气藏具有近源聚集的特征[19]。

(3)火石岭组气藏类型为岩性-构造气藏，断层与火山岩体、气源有效组合，有利于天然气富集。

位于生烃中心附近、火口爆发相发育、源储断层对接的Shengshen101井、DS28井分别获29×103m3/d、9.3×103m3/d气流，证实了这一富集规律。

3.3 有利区带

源岩-岩相控制气藏分布范围，天然气具有近源成藏的特点。物性条件较好的火口爆发相优质储层是天然气富集的关键因素，构造高部位更利于储层改造及油气运移。利用petromod软件在安达凹陷进行单层构造面油气充注模拟(图8)，根据最新三维地震解释成果，建立精细的源岩层及储层地层格架，井震结合预测储层物性分布。将沙河子组作为源岩设置源岩参数，利用源岩层及储层平面构造图、源岩地化参数和储层物性分布，进行油气充注快速模拟，得到天然气在储集层顶面的充注方向。可以看出，安达凹陷火石岭组深层天然气横向运移范围相对较小，为NE向短距离充注。天然气自排出烃源岩后，经由火山口爆发、喷溢和火山通道叠合区进行垂向运移比较容易，而火二段火山岩与沙河子组源岩侧向对接，近源成藏是关键。从模拟结果看，天然气从安达深洼槽沿着斜坡运移到东部鼻状构造带，最远可到达边界的构造圈闭，火一段天然气主要聚集在西侧洼槽区北、中、南3个方向的构造圈闭中。

图8 安达凹陷火石岭组天然气聚集图Fig.8 Gas accumulation of Huoshiling Formation in Anda sag

依据安达凹陷火石岭组成藏模式及已发现气藏的分布特征，结合数值模拟结论，将安达凹陷东部近源斜坡确定为勘探有利区带。凹陷东部斜坡发育的众多火山机构与DS28井火山机构具有相似的地震反射特征，火口特征明确，火石岭组火山岩与沙河子组源岩侧向对接，源岩条件优越，埋藏较浅，是勘探的目标区域。

4 结论

(1)安达凹陷火石岭组发育火一段、火二段和沙河子组3套源岩，沙河子组作为主力烃源岩，与火石岭组侧向对接，有机质丰度高，泥岩有机碳平均含量为2.42%，含煤样品有机碳平均含量为35.64%，供烃条件有利。东部斜坡鼻状构造规模大，形成期早于源岩生气高峰，成藏匹配好。区域内火山机构叠加发育，火山岩次生溶孔、裂缝和原生孔发育。登娄库组盖层发育稳定，封闭性能中-强。

(2)储层岩性岩相及源岩分布控制着火石岭组成藏，近源斜坡是天然气有利聚集部位，火口区优势岩相是成藏的关键。安达东部斜坡临近生烃中心，火口连续发育，鼻状构造发育于此，地层埋深较浅，是安达凹陷火石岭组天然气最有利的汇聚区。