三塘湖盆地條湖組火山湖相沉凝灰巖致密油形成條件與富集因素

陳旋，劉俊田，馮亞琴，王昕，范譚廣，劉書強，姜書林，孔宏偉

（1.中國石油吐哈油田分公司勘探開發研究院，新疆 哈密 839009；2.中國石油吐哈油田分公司勘探公司，新疆 鄯善 838202）

2012年三塘湖盆地馬朗凹陷蘆1井在中二疊統條湖組火山碎屑巖儲集層中試油壓裂獲得10.98 t/d的工業油流，前人對該儲集層特征進行了大量研究[1-2]，認為該油藏為一套分布廣泛受巖性和物性控制的沉凝灰巖致密油藏。該巖性作為特殊儲集層，甜點區縱橫向分布難以把握，區域擴展方向不明，基礎地質理論、成藏機理及富集規律等存在諸多難題。本文通過系統解剖已知油藏，對三塘湖盆地二疊系條湖組沉凝灰巖致密油藏的成藏機理、火山噴發期次、儲集層沉積環境、巖石物性及油氣成藏富集規律等方面進行分析，揭示其資源潛力，指出勘探方向，為三塘湖盆地致密油勘探部署提供科學依據。

1 基本石油地質特征

三塘湖盆地位于西伯利亞板塊西南緣，緊鄰卡拉麥里-麥欽烏拉縫合線，屬晚泥盆—早石炭世褶皺基底上發育的多旋回疊加型殘留盆地。目前致密油勘探主要目的層屬下構造層二疊系條湖組，為海陸過渡相火山巖、碎屑巖及碳酸鹽巖沉積建造[3]。該目的層自下而上分為3段，一段沉積期盆地處于張性伸展環境，火山作用頻繁，發育正斷層為巖漿噴發通道，形成眾多火山活動帶，并在盆地沉積一套中基性火山噴發巖，局部地區有輝綠巖侵入；二段以火山間歇期泥巖及沉凝灰巖沉積為主，發育多套沉凝灰巖，底部數十米厚的玻屑晶屑沉凝灰巖，分布范圍廣，是目前三塘湖盆地致密油勘探的主力層（圖1）[4]；三段為另一火山噴發旋回，目前僅在局部地區存在。

有機地球化學分析認為，該區存在條湖組二段泥巖、沉凝灰巖及蘆草溝組二段泥巖3套烴源巖，油氣具混源充注特點[5]，油氣主要來自蘆草溝組二段烴源巖。條湖組二段泥巖樣品總有機碳平均為2.19%，蘆草溝組二段泥巖樣品總有機碳平均為3.87%，屬好烴源巖。條湖組二段底部沉凝灰巖總有機碳平均為2.21%。沉凝灰巖實測鏡質體反射率為0.5%～1.0%，蘆草溝組二段泥巖實測鏡質體反射率為0.6%～1.0%，認為馬朗凹陷條湖組二段沉凝灰巖處于低成熟-成熟早期階段，蘆草溝組二段泥巖處于低熟-成熟階段。

條湖組二段油藏儲集空間以基質微孔、脫玻化晶間微孔、溶蝕微孔和微縫等“四微”孔隙為主（圖2），存在少量有機孔，孔隙度平均16.1%，滲透率平均0.24×10-3μm，屬中高孔、特低滲儲集層。

圖1 三塘湖盆地條湖組一、二段沉積綜合圖Fig.1 Sedimentary complex chart of the first and the second section of tiaohu formation in Santanghu basin

2 火山噴發期次與沉凝灰巖類型

2.1 火山噴發期次

火山噴發期次通常指火山噴發通道或斷裂發生的一次相對集中活動，物質成分、噴發方式及噴發強度的規律性變化過程中，形成一套相序上具成因聯系的火山巖組合[6]。一次簡單火山噴發旋回就是一個火山噴發期次，一次復雜火山噴發旋回內部可劃分多個期次，地質上通過風化殼、沉積夾層、巖性界面及相序等方面識別，測井上通過對巖性相應明顯的自然伽馬、電阻率和密度曲線識別。隨地震資料精度的不斷提高，通過地震相開展火山機構識別將成為一種技術手段。

研究表明，馬朗凹陷二疊紀條湖組沉積期主要經歷火山噴發期-火山灰、陸源碎屑沉積期-火山休眠期三段式沉積演化過程。每次火山活動均經歷火山噴發-溢流-沉凝灰巖沉積-火山噴發平靜期，即一個完整的火山活動旋回。噴發方式主要以斷裂為火山通道的裂隙式火山噴發。條一段火山活動發育，巖性以火山熔巖、火山碎屑巖為主，夾火山活動短暫休止期沉積的湖相薄層泥巖。之后由于火山噴發作用減弱，進入較長的火山噴發休止期；條二段沉積初期發育噴發相沉凝灰巖，沉積期末發育大套沉凝灰質泥巖和泥巖，為火山噴發間歇期典型特征（圖2）；條三段沉積時期，該區又進入火山活動發育期，以火山熔巖、火山碎屑巖為主，少量次火山巖夾湖相薄層泥巖，之后進入一個較長時間的構造抬升與地層剝蝕期。該段地層分布局限，僅凹陷西部和東部殘存，由于噴發方式、巖漿自身能量的差異性，研究區改造既有的沉積湖盆，形成不同類型火山湖相沉積。

2.2 火山機構與沉凝灰巖類型及沉積環境關系

圖2 條湖組二段油層段儲集空間鏡下照片Fig.2 The reservoir space microscopic photos of The second section of tiaohu formation

運用高精度地震資料，開展火山機構地震相應特征研究，描述火山噴發機構，結合古構造背景，對分析巖相組合、沉凝灰巖成分、結構具重要意義。

2.2.1 火山噴發機構地震相應特征

火山巖與圍巖物理性質存在較大差別,界面上產生較強反射振幅，每次噴發形成的火山熔巖、火山碎屑巖及平靜期沉積碎屑巖速度存在較大差異。研究發現，條湖組玄武-安山巖速度為4 200～4 500 m/s，上部沉凝灰巖速度為3 100～3 300 m/s，頂部泥巖速度偏低，小于3 000 m/s。火山巖與圍巖速度差異及火山巖內部速度差異在地震剖面上表現出自身形態，具丘狀反射特征。頂部為強反射,內部為弱反射，具雜亂、低頻、斷續反射特征。火山停止噴發后，受巖石冷縮影響，地震剖面上丘型反射體頂部呈地塹式下凹特點。地震剖面上火山口頂部同相軸呈下拉現象，同時，火山通道附近，圍巖因巖漿上侵、刺穿作用被破壞，地震剖面上為雜亂反射或同相軸陡立。火山機構翼部出現上超或披蓋現象，這種現象廣泛存在于火山機構中,同相軸呈強反射、連續、穩定狀態（圖3）。

2.2.2 沉凝灰巖巖石類型及孔滲特征

條湖組沉凝灰巖主要發育玻屑沉凝灰巖、晶屑玻屑沉凝灰巖和泥質沉凝灰巖。通過對馬56-15H、馬56-12H等井鑄體薄片鑒定、壓汞毛管壓力曲線分析，不同類型沉凝灰巖儲集層孔滲特征具明顯區別（表1）。

圖3 三塘湖盆地二疊系火山噴發機構及地震、沉積相應特征Fig.3 Vulcanian eruption and seismic,sedimentary characteristics of Permian in Santanghu basin

表1 三塘湖盆地二疊系不同類型沉凝灰巖儲集層特征Table 1 Reservoir features of different type of Permian tuffite in Santanghu basin

玻屑沉凝灰巖玻屑沉凝灰巖原始火山灰以玻屑成分為主，玻屑含量大于50%，粒度較小，礦物組成以石英和長石為主，黏土礦物含量低，脫玻化孔是主要孔隙類型，火山玻璃質脫玻化作用是導致該類儲集層高孔低滲的主要因素。馬56-15H井2 244.94 m的玻屑沉凝灰巖分析測試揭示，該類巖性分布在凝灰巖段中部，孔隙度高、數量多、分選好、偏粗歪度、喉道細小且分布均勻，是該類巖性特點，為研究區優質儲集層。

晶屑玻屑沉凝灰巖晶屑玻屑沉凝灰巖原始火山灰以玻屑成分為主，玻屑含量大于50%，晶屑含量增加，顆粒較大，黏土礦物含量較玻屑沉凝灰巖高，黏土礦物充填分割孔隙，使孔隙結構復雜化，導致孔隙度下降，喉道變細。脫玻化孔為主要孔隙類型。馬56-15H井2 252.34 m的晶屑玻屑沉凝灰巖分析測試揭示，該類巖性分布在凝灰巖段中部，以夾層形式分布于玻屑凝灰巖之間。孔隙度較高、分選中等、偏細歪度是該類巖性特點，儲集層性能僅次于玻屑沉凝灰巖。

泥質沉凝灰巖泥質沉凝灰巖原始火山灰以玻屑成分為主，玻屑含量大于50%，含少量細粒晶屑，陸源泥質含量相對較高，達20%以上。巖石致密，泥質碎屑的混入使該類儲集層質量較差，黏土礦物含量較高（一般大于15%），脫玻化孔隙較少。馬56-12H井2 110.2 m的泥質沉凝灰巖分析測試揭示，該類巖性分布在凝灰巖層段頂部，由陸源泥質混入形成。孔隙度低、顆粒較細、分選較好、偏細歪度是該類巖性特點，基本不具儲集能力。

2.2.3 凝灰巖脫玻化作用及對儲集空間的影響

沉凝灰巖儲層具較高孔隙度，粒間孔在壓實過程中大量損失，現今高孔隙度主要源于沉凝灰巖脫玻化作用。經脫玻化過程，沉凝灰巖顆粒緊密排列，產生脫玻化孔隙。形成的微孔隙小，數量較多，總體孔隙度較大。

研究區沉凝灰巖碎屑類型以玻屑為主，玻屑主要成分是玻璃質，是一種極不穩定組分，處于熱力學不穩定狀態，火山玻璃總是趨向晶體方向轉化，即脫玻化作用。影響因素主要有3方面：①中酸性沉凝灰巖脫玻化作用形成的微晶體多且顆粒較大，易產生脫玻化孔，形成有利儲層；②玻屑含量越高，脫玻化形成的孔隙度越大，沉凝灰巖中玻璃質含量越高，脫玻化潛能越大，隨玻屑含量減小，脫玻化孔隙逐漸遞減；③有機酸含量控制脫玻化速率，條湖組沉凝灰巖含一定量的有機質，埋藏過程中產生一定量有機酸，能有效促進脫玻化過程的進行。有機質含量越高，生成的有機酸越多，pH值越低，玻璃質的溶解速率越大，越有利于脫玻化作用的進行。

2.2.4 不同類型沉凝灰巖形成環境

前人對三塘湖盆地二疊紀古氣候、湖盆水介質性質及古物源等進行恢復，認為二疊系碎屑巖沉積環境主要為淺湖-半深湖，陸源碎屑供給少，屬穩定湖盆環境[7]。不同類型沉凝灰巖的形成主要取決于火山噴發強弱、不同級別斷裂形成的通道、巖漿自身能量的衰減及火山灰飄落距離的遠近和供應等因素。

條湖組沉凝灰巖是火山灰直接降落湖盆中形成的，不同規模的火山噴發，形成不同的火山湖相環境。火山噴發能量弱，斷裂級別較低，通常形成火山口湖。火山噴發能量強，斷裂級別高，火山熔巖溢流堵塞、分割濱淺湖，形成火山堰塞湖。火山灰中較大晶屑顆粒飄落距離近，快速呈環帶狀或扇形沉降，沉積在火山口及周圍區域。因此，隨距離火山口的遠近，沉凝灰巖類型呈規律化，就近沉積形成晶屑玻屑沉凝灰巖。一定范圍內，距離火山口越遠，玻屑含量越高，在火山堰塞湖中形成玻屑沉凝灰巖，即玻屑沉凝灰巖平面上主要分布在中遠火山口區域。距離過遠火山灰供給不足，泥質含量增加，沉積在淺-半深湖中，形成泥質沉凝灰巖。因此，泥質沉凝灰巖平面上主要分布在遠火山口區域。

據斷裂分布、地震反射特征、鉆井資料及二疊系沉積環境，地震剖面上識別出火山活動帶，建立火山口控制沉凝灰巖火山湖相類型及分布模式（圖4），認為馬朗凹陷二疊系條湖組晶屑玻屑沉凝灰巖分布在距離火山口最近地方，屬火山口湖相沉積環境，馬7塊屬該類型。玻屑沉凝灰巖分布在與火山口有一定距離的火山活動帶兩側沉積洼地，屬火山堰塞湖相沉積環境，馬56塊屬該類型。泥質沉凝灰巖主要分布在湖盆水體較深地方，屬遠火山口湖相沉積環境，如馬7井以南區域等。

3 沉凝灰巖致密油富集因素

3.1 烴源巖的有效配置及持續充注機理是致密油藏富集的關鍵

條湖組沉凝灰巖致密油藏具“混源充注”特點，條湖組二段中發育的暗色泥巖和沉凝灰質具很好的生烴能力，是一套較好的烴源巖；蘆草溝組二段泥巖為主要烴源巖，該套地層分布范圍廣，有機質豐度高，有機質類型好，處于低熟-成熟階段，是三塘湖盆地主力烴源巖，與上覆儲集體形成良好配置關系。條湖組沉凝灰巖具一定生烴能力，生成的原油在孔隙中形成油膜，對沉凝灰巖起潤濕作用，改變了巖石原有的潤濕性，親水性減弱，親油性增強，有效降低了油氣進入儲集層的毛細管阻力。

圖4 火山口控制沉凝灰巖火山湖相類型及分布模式Fig.4 Distribution pattern and volcanic lake type of tuffite

3.2 盆地穩定的構造背景和淺水湖盆環境是沉凝灰巖致密油儲集層連續、穩定分布的基礎

火山灰顆粒經空中漂移后直接落入水體，避免了遭受風化搬運可能造成的成分流失。由于火山灰顆粒極細，以粉砂級、泥級為主，在陸源輸入及水動力較強的濱湖地帶不易保存，不利于形成連續、穩定分布的儲集層。目前發現沉凝灰巖普遍發育波狀層理或粒序層理，說明其形成時期水動力較弱。此外，巖心中有機泥質紋層、生物碎屑的發現，進一步說明沉凝灰巖沉積時期，陸源碎屑影響較小，同時，條湖組沉積時期，坡度相對較緩的凹陷北部淺湖-半深湖區域，由火山噴發引起的熔巖溢流形成的多個火山堰塞湖，發育多個局部低洼部位，為大面積連續性沉凝灰巖致密油儲集層的形成和保存提供了有利場所。

3.3 火山湖相發育規模和火山灰空降成因的沉積方式是不同類型沉凝灰巖形成的要因

不同類型火山湖相沉積，決定了條湖組沉凝灰巖類型，隨斷裂系統級次的不同、火山噴發能量強度的大小及火山灰空降到湖盆的沉積方式，距離火山口的遠近，沉凝灰巖的類型呈規律化，距離火山口遠近，形成不同類型的沉凝灰巖，晶屑玻屑沉凝灰巖通常形成于火山口湖相，越遠玻屑含量越高，形成玻屑沉凝灰巖，泥質沉凝灰巖主要是遠火山口的湖相產物。

3.4 脫玻化作用和溶蝕作用有效改善了儲集層儲集空間

孔隙結構研究表明，條湖組沉凝灰巖致密油儲集層發育火山灰粒間微孔、脫玻化微孔及晶屑溶蝕微孔3類微孔隙及微縫。脫玻化微孔是主要儲集空間。玻屑脫玻化后由于體積變小，釋放出大量微孔隙。處于低成熟至中成熟階段的湖盆有機質，在熱演化過程中釋放出的有機酸對玻屑、長石質晶屑及早期脫玻化形成的長石溶蝕，形成次生溶蝕孔隙，有效改善了儲集層儲集空間。

3.5 溝通蘆草溝組優質烴源巖的斷縫疏導體系、穩定蓋層及后期穩定的構造環境為條湖組沉凝灰巖聚集成藏提供了保障

斷裂和風化殼是二疊系蘆草溝組油氣運移的主要輸導通道。馬朗凹陷條湖組一段在二疊紀末期區域抬升遭風化淋濾改造，形成凹陷北部區域型風化殼，為油氣橫向運移的主要通道；下部蘆草溝組主力烴源巖生成的大量烴，通過斷裂和風化殼向上垂向運移聚集到條湖組沉凝灰巖儲集層中，此外，條湖組頂部區域上發育的沉凝灰質泥巖、泥巖，為一套良好蓋層，油氣成藏后，三塘湖盆地構造運動相對較弱，油氣藏未經歷大規模破壞，多因素共同為三塘湖盆地此類特殊致密油藏提供了保障。

4 結論

（1）三塘湖盆地火山湖相沉凝灰巖致密油成藏地質條件優越，條湖組沉積時期具多期次火山噴發，火山機構疊置，存在3類沉凝灰巖類型，有利儲集體巖性為中酸性玻屑沉凝灰巖，儲集空間以基質微孔、脫玻化晶間微孔、溶蝕微孔和微縫等“四微”孔隙為主，脫玻化晶間微孔、溶蝕微孔是主要的儲集空間。存在火山口湖相、火山堰塞湖相兩類火山湖相沉凝灰巖沉積，其中火山堰塞湖相面積大，分布范圍廣，是有利的儲集體相帶。

（2）三塘湖盆地條湖組沉凝灰巖油藏，分布廣泛。烴源巖的有效配置及持續充注、盆地穩定的構造背景和淺水湖盆環境、火山湖相發育類型、中酸性火山灰和空降成因的沉積方式、后期的脫玻化和溶蝕作用、溝通條湖組儲集體的斷縫疏導體系，共同控制著油藏的富集及成藏規模。下一步尋找具有火山堰塞湖相的玻屑沉凝灰巖發育區是致密油勘探區域擴展的主要研究重點。

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