准噶尔盆地天然气藏形成的石油地质特征

准噶尔盆地天然气藏形成的石油地质特征

近年来，火山岩气藏越来越受石油地质领域的影响，成为中国油气勘探的重要新领域之一。准噶尔盆地东部石炭系火山岩油气藏勘探获得重大突破,发现了克拉美丽千亿立方米大气田,五彩湾凹陷也发现了丰富的油气显示,多口井获工业气流,上述发现为准噶尔盆地油气勘探开辟了新的领域和方向。但随着勘探工作的深入,发现准噶尔盆地东部火山岩油气藏的石油地质特征与松辽盆地火山岩气藏明显不同。本文提出影响准噶尔盆地东部火山岩油气藏形成的主要石油地质特征:前陆坳陷控制烃源岩区域展布,后碰撞火山岩是主要储层,古生代后期构造改造优化储层性质并形成聚集空间。上述认识将大力促进该区火山岩油气藏的新发现。1中泥盆世—区域构造背景准噶尔盆地周边发育多条不同性质的蛇绿岩带,其中的洋壳组分主要形成于早古生代—晚古生代早期。准噶尔盆地东部出露两条蛇绿混杂岩带(图1):北部扎河坝—阿尔曼太蛇绿岩带和南部克拉美丽蛇绿岩带。扎河坝—阿尔曼太蛇绿岩带呈北西—南东向展布(图1),向西与洪古勒楞蛇绿岩带相连,蛇绿岩形成时限为晚寒武世—早奥陶世[10,12,13,14,15,16,17,18],并可能在中泥盆世已经完成造山。克拉美丽造山带由古克拉美丽洋向北俯冲消减形成,在该套蛇绿岩枕状玄武岩之上的红色硅质岩中发现晚泥盆世法门期—早石炭世杜内期放射虫,与蛇绿岩伴生的斜长花岗岩的锆石U-Pb年龄为373Ma,表明古洋盆在早、中泥盆世—早石炭世间存在。在克拉美丽构造带南侧,下石炭统松喀尔苏组不整合覆盖在混杂带的基质和被动陆缘的泥盆系地层之上,其上被巴塔玛依内山组火山岩不整合覆盖。松喀尔苏组为典型的磨拉石建造,可以准确地限定克拉美丽造山事件的时限。通过锆石SHRIMPU-Pb年龄测定,巴塔玛依内山组火山岩的年龄为(350±6.3)Ma,为早石炭世。磨拉石的形成应不晚于上覆火山岩年龄,从而限定松喀尔苏组的形成时代不晚于350Ma。因此,晚泥盆世之前就已经出现的克拉美丽古洋盆经过洋壳俯冲消减,最终在早石炭世(350Ma)之前完全闭合,进入陆陆碰撞造山阶段,即克拉美丽造山事件时限为373~350Ma。该古洋盆在闭合过程中,古大洋岩石圈板块是向北俯冲的。后碰撞阶段以深成岩浆活动为特征。2采集区域地质情况多位学者对准噶尔盆地东部石炭系火山岩油气藏的烃源岩进行了大量研究,野外露头和钻井揭示石炭系主要发育滴水泉组和巴塔玛依内山组的夹层两套烃源岩:其中滴水泉组最大厚度可达700m以上,内暗色泥岩累积厚度达300余m,露头TOC含量为0.63%~2.51%,平均为1.15%,Tmax值为465~490℃,以Ⅱ、Ⅲ型干酪根为主,钻井揭示主要为暗色泥岩,累计厚度为61~300m,井下暗色泥岩TOC含量为0.9%~3.15%,炭质泥岩占4.42%~26.76%。该套烃源岩分布稳定,厚度大,有机质丰度和类型较好,地球化学特征显示现今处于成熟到高成熟演化阶段,被公认为东准噶尔盆地石炭系的主要烃源岩[23,24,25,26,27,28,29,30,31],多口井油样化学分析结果显示母源与滴水泉组泥岩基本一致。巴塔玛依内山组火山岩的泥岩夹层及凝灰岩有机质较丰富,具一定生油能力,双井子露头剖面厚度累计50m,钻井揭示厚度为23~520m,以暗色泥岩为主,其次为炭质泥岩和煤线,但岩性分布很不稳定,平面连续性较差,成熟度跨度较大,可能是局部烃源岩。盆地内部滴水泉组主要发育在滴水泉、东道海子—五彩湾等凹陷以及陆南等地区,井下滴水泉组主要发育暗色泥岩和炭质泥岩,在滴12井、滴西2井、3井、彩26、16井及彩参2井均钻遇该套烃源岩。野外露头分布于滴水泉至双井子以东地区,其在滴水泉地区剖面出露最为完整和典型,在克拉美丽山南的双井子地区同一层位的地层称为松喀尔苏组。滴水泉组和松喀尔苏组的关系在有关单位的使用比较混乱,现将其由来简述如下:袁复礼(1930)将双井子一带的砾岩、砂岩称为山梁漂砾层,新疆石油管理局所属各地质队(1957—1958)将此地层进一步划分为滴水泉层和山梁砾石层,新疆石油管理局地调处杨文孝(1965)将两者并称为滴水泉群,新疆地质局综合研究队(1965)沿用了滴水泉层及山梁砾石层,改层为组,新疆地质局区测大队一分队(1963—1966)将滴水泉组地层改称塔木岗组,将山梁砾石组改称松喀尔苏组,《西北地区区域地层表·新疆维吾尔自治区分册》(1981)将松喀尔苏组改称滴水泉组,全国地层多重划分研究(1999)之后的文献一般弃用滴水泉组,但在油田单位依然使用滴水泉组。从名称演变历史可以知道,滴水泉组和松喀尔苏组实为一套同期的前陆沉积层系,根据前陆坳陷沉积模式(图2a),前陆坳陷构造形态一般为逆冲断层控制的不对称挠曲坳陷。在前陆坳陷不同位置具有不同的岩相组合,在靠近克拉美丽山近端的双井子地区主要是一套以多层砾岩为主的粗碎屑沉积(图3、图4C、D),向盆地中央的滴水泉地区相变为泥岩、页岩等细粒碎屑沉积(图3、图4A、B)。在造山带近端的松喀尔苏组分布在克拉美丽山南部的松喀尔苏至双井子一带,为克拉美丽混杂带褶皱基底之上的前陆磨拉石沉积建造。“磨拉石”最早由瑞士地质学家海姆在1919年提出,用于描述阿尔卑斯山麓渐新世堆积的巨厚粗碎屑岩系,其在时间上与山体隆升伴生,空间上与山前坳陷有关[34,35,36,37,38,39]。现代板块构造理论中将磨拉石重新定义为造山带中的一个大地构造相,特指发育在造山带前陆和山间盆地的沉积,是陆—陆碰撞造山阶段的标志性沉积。松喀尔苏组主要为一套海陆交互相的粗碎屑岩组成(图3、图4C、D),岩性主要以砾岩、砂砾岩为主,夹砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩及炭质页岩薄层,夹层中产丰富的植物化石。在双井子附近主要以灰黄—灰绿色砾岩、砂砾岩、含砾粗砂岩为主,夹砂岩、粉砂岩、页岩厚层及煤线,砾岩含量非常多,与砂岩之比达8∶2之多,厚度为700~1600m。根据野外统计和镜下观察,松喀尔苏组砾岩中的砾石成分复杂,以各类火山岩为主,其次为花岗岩,且含有少量蛇绿岩套中的红色硅质岩及基性、超基性岩等成分的砾石,分选和磨圆度较差,局部见砾石呈叠瓦状排列,据南向的古流向可以判断砾石来自缝合带的北侧。野外观察松喀尔苏组层理不发育,砂岩夹层的产状变化很大,综合砾石的成分、分选、磨圆度等方面看出松喀尔苏组是快速堆积的产物,具有磨拉石建造的基本特征,为典型的前陆磨拉石沉积,是克拉美丽造山事件后快速沉积产物,标志着陆—陆碰撞造山阶段的开始。在离克拉美丽缝合带较远的滴水泉剖面(图3、图4A、B),岩石粒度变细,主要以深灰色泥岩、页岩、粉砂质泥岩为主,夹泥质粉砂岩、泥灰岩及砂岩,产状近直立,厚度可达800m以上,含大量植物化石。综上所述,松喀尔苏组为前陆磨拉石建造,从克拉美丽造山带近端以粗碎屑沉积为主向坳陷中央的岩石粒度变细,相变为细粒碎屑岩,且厚度变薄,因此松喀尔苏组和滴水泉组为同期的前陆坳陷沉积,该前陆坳陷大致平行于克拉美丽缝合带沿北西方向展布,位于克拉美丽山和博格达山之间的东部隆起的位置可能是该前陆坳陷的前缘隆起带(图1)。前陆坳陷中央位置是滴水泉组烃源岩发育的有利部位。3巴塔玛依内山组火山岩特征现已证实,石炭系巴塔玛依内山组火山岩是东准噶尔地区已发现的五彩湾及克拉美丽等大气田的主要储层,数十口井已钻遇该套火山岩,具有不同程度的油气显示。三塘湖盆地的哈尔加乌组火山岩中发现良好油气显示,多口井获取自喷商业油流,在卡拉岗组也获取高产工业油流。前人对陆东—五彩湾地区石炭系火山岩储层的岩性、岩相、孔隙类型和储层物性方面进行了大量研究[3,27,42,43,44,45,46],结果表明火山岩储层岩性岩相类型多样,五彩湾地区以安山岩为主,其次为玄武岩、熔岩和火山碎屑岩,陆东主要为中基性火山熔岩和中酸性火山碎屑岩,储集空间包括气孔、残余孔、溶蚀孔和裂缝,并以次生孔缝为主,裂缝主要是后期构造裂缝,平均孔隙度和渗透率分别为8.14%和1.14×10-3μm2。东准地区不同地段广泛分布的火山岩具有不同属性特征。巴塔玛依内山组覆盖在前陆磨拉石沉积之上(图2b),是形成于后碰撞期伸展背景下的火山活动产物。该套火山岩分布广泛,克拉美丽山两侧均有分布,不受克拉美丽缝合带的控制,在巴塔玛依内山、双井子和北塔山地区都有分布,向北东可延至纸房,南东至巴里坤煤矿一带(图1)。火山岩分布同样不受现今构造格局控制,在盆地内部的陆梁、五彩湾和滴水泉等地区均有分布,厚度不一,岩性变化大。巴塔玛依内山组命名地点位于克拉美丽造山带南侧的双井子一带。它角度不整合于松喀尔苏组之上,甚至超覆在上泥盆统和克拉美丽混杂岩带之上。不同地区该套火山岩出露特征存在差异。在建组剖面的巴塔玛依山附近,火山岩以中—中基性的安山玢岩、玄武玢岩为主,夹大量的酸性霏细岩、珍珠岩及火山碎屑岩。在克拉美丽造山带北侧的开仁托让格,则以霏细岩及酸性火山碎屑岩为主,夹安山玢岩等。在北塔山主要为安山玢岩、杏仁状辉石安山玢岩为主,夹大量炭质粉砂岩及砂岩夹层。巴塔玛依山附近该套火山岩上部粗面安山岩样品SHRIMPU-Pb锆石年龄为(350±6.3)Ma,为早石炭世火山岩。含有蛇绿岩组分的、巨厚的磨拉石建造是洋盆闭合阶段的标志,而覆盖其上的火山岩无疑是后碰撞岩浆活动的标志,巴塔玛依内山组火山岩覆盖在磨拉石建造松喀尔苏组之上,因此其为后碰撞火山岩。在准噶尔盆地东南端木垒凹陷的大石头地区以及柯克巴斯他乌一带分布着一套陆相火山岩,被称作缪林托凯陶山组,该套火山岩底部主要发育黑绿色橄榄玄武玢岩和灰绿色凝灰岩,夹安山玢岩及英安斑岩,中部主要为灰白色、灰绿色微层状层凝灰岩和灰绿色凝灰岩,相变为安山玢岩、英安岩等,上部为一套肉红色、紫红色流纹岩夹英安斑岩及霏细岩,局部地段变为酸性火山角砾岩。该套火山岩中安山岩锆石SHRIMPU-Pb年龄为(345.6±7.1)Ma,为早石炭世火山岩,其岩石组合特征及时代与巴塔玛依内山组火山岩相似,表明这套后碰撞火山岩一直可以延续到木垒凹陷东侧。准噶尔北部乌伦古凹陷的扎河坝地区,出露有原1∶20万地质图标示的巴塔玛依内山组火山岩,基本上沿乌伦古河的北侧分布,出露宽度十几km,主要为一套灰褐色、灰紫色、灰绿色的玄武安山岩、安山玢岩、流纹斑岩夹凝灰质砂岩。该组与下伏下石炭统南明水组呈角度不整合接触,与上部含煤碎屑岩建造苏都库都克组呈断裂接触。张元元等在扎河坝地区对原巴塔玛依内山组浅红色流纹斑岩进行锆石SHRIMPU-Pb定年,年龄为(275.6±2.8)Ma,表明该套火山岩是早二叠世火山岩,为一套板内环境的双峰式火山岩,该套二叠纪板内火山岩与三塘湖和红柳河等地区发育的二叠纪板内火山岩形成于相似的构造环境,与卡拉岗组火山岩相对应,而与巴塔玛依内山附近的巴塔玛依内山组不是一套火山岩。三塘湖地区从早石炭世—二叠纪火山活动活跃,早石炭世火山岩发育于盆地周边;盆地内火山岩建造主要是哈尔加乌组火山岩和二叠系卡拉岗组火山岩。其在区域上呈面状展布,基本没有发生构造变形。三塘湖地区哈尔加乌组火山岩主要以中性喷出岩和火山碎屑岩为主,夹基性、酸性喷出岩。熔岩以灰褐色玄武安山岩、安山岩为主,发育气孔杏仁状构造。卡拉岗组为一套巨厚的中—酸性火山岩及火山碎屑岩。哈尔加乌组火山岩下伏老爷庙组为一套陆相—滨海相正常碎屑岩,并含可靠的烃源岩。哈尔加乌组安山岩的锆石SHRIMPU-Pb年龄为(319.6±9.8)Ma,位于早、晚石炭世界限附近,表明该组火山岩早石炭世晚期—晚石炭世早期的火山活动。该套火山岩形成于后碰撞伸展转换的构造背景,火山岩分布不受古生代造山事件控制。卡拉岗组火山岩与乌伦古河流域扎河坝地区二叠纪火山岩一致,为板内火山岩。东准噶尔火山岩气藏储层主要为下石炭统巴塔玛依内山组,形成于后碰撞伸展背景下,广泛分布于克拉美丽缝合带两侧,不受造山带和构造单元控制,在克拉美丽山和博格达山之间均有分布。不同地区火山岩特征有所变化和不同。4储层岩性及其对工业气流层位的响应由于后碰撞阶段区域性的伸展作用,准噶尔盆地及其邻区于二叠纪发育断陷构造(图2c),形成现今所见的凹隆相间的构造格局(图1),受区域伸展变形作用的改造,断陷以发育高角度正断层为特征,褶皱变形微弱。受断裂带改造的是火山岩和前陆坳陷沉积层系。二叠纪的伸展构造形成若干个箕状断陷(图5),而现今准噶尔盆地构造单元的划分,主要基于石炭纪的造山带格局和二叠纪的断陷构造。如图1所示,受克拉美丽造山的影响,形成北北西向的构造单元,之后叠加二叠纪断陷,形成南北向的构造格局。在早二叠世,沉积作用仍受到石炭纪造山事件的影响,该时期沉积相带的展布主要平行于克拉美丽造山带,为北西方向,中二叠世之后受到南北向断裂控制,不再受造山带影响,沉积相带主要为南北方向。三叠纪之后,为陆内盆地演化阶段,发育板内坳陷盆地。二叠纪断陷构造及其之后发生的后期改造变形,造成火山岩风化、淋滤,构造运动产生构造裂缝,改善优化了火山岩储层的储集性能,提供有利油气运移通道和储集空间。勘探实践证实,火山岩有效储层岩性多样,不同岩性在条件适宜的情况下都可以成为有效储层。根据各井取心资料,五彩湾地区储层岩性主要为火山角砾岩和安山岩,还有玄武岩和凝灰岩,以安山质火山角砾岩为主(图6)。彩25、203井区主要为安山岩—玄武岩组合,彩27、彩29、彩201和彩202井区主要发育火山角砾岩。各井油气产层岩性不同,彩25井有两段岩层获得工业气流,分别是3030~3040m安山质火山角砾岩和3302~3320m安山岩段;彩201井在2894~2914m的安山质火山角砾岩段获得日产气59844m3的工业气流;彩27井在2778~2790m安山岩段获得日产油0.79t,日产气6210m3的工业气流;彩参1井获工业气流层位为2860~2890m的玄武岩段,日产气2840m3;彩深1井产油气岩性为安山岩、玄武岩和凝灰岩,以玄武岩和安山岩为主,其中3434~3554m的玄武岩段获日产气238m3。尽管彩11、彩53和彩46井也发育火山角砾岩,但全部落空或油气显示微弱,因此可看出岩性并不是控制东准噶尔火山岩储层的主要因素,不同岩性在条件适宜的情况下都可以成为有效储层。岩性对储层物性的影响主要表现为对后期成岩作用和构造作用的不同响应。熔岩除在喷出地表时会因挥发份的逃逸形成原生气孔外,在构造应力作用下,更易形成大量次生孔缝。对于火山角砾岩,爆发时各种碎屑物在压实作用过程中由于支撑作用,会留下大量的原生孔缝。根据五彩湾地区石炭系火山岩顶面构造图(图7),对研究区各井进行构造解剖发现彩25、彩201、彩27井三口工业气流井均位于一个西倾鼻状构造上(图7),均为构造轴部的局部高点,而位于构造翼部的彩51井与彩25井岩性岩相等其他因素均相同,却为干层井。彩46、彩55、彩53、彩11井钻遇火山岩均为火山角砾岩,只有位于背斜核部的彩55井获得工业气流,并且油气显示揭示构造部位越高油气显示越活跃。由此可见,研究区产气层均位于局部构造的高部位,或者火山机构核部,这些构造高部位风化作用强,次生孔缝较发育。沿断裂带分布的火山岩,如彩27井,在断裂活动过程中形成众多的裂隙以及破碎带,使得原来孤立的气孔连通起来,会增加火山岩储层的有效孔隙度,从而提高油气的储集性能。火山岩喷发后暴露地表,遭受后期风化淋滤作用,形成溶蚀孔隙和裂缝,对火山岩储层起到改造作用。东准噶尔石炭系顶部存在不整合面,火山岩形成后遭受了不同程度的风化剥蚀和构造破碎作用,裂缝更为发育,储层物性显著改善,沿风化壳形成优质储层,在不整合面之上,不同时代的地层覆盖在石炭系火山岩风化壳之上,形成火山岩储层的良好盖层。后期构造活动对火山岩储层的后期改造、裂缝的形成起着至关重要的作用,裂缝不仅本身可以作为储集空间,还为油气的渗漏和运移提供了有利通道,显著改善各类火山岩的渗透性能。因此东准噶尔火山岩气藏主要受到后期构造变形控制,油气主要分布于构造高部位的风化壳中,在火山岩内部少量发育。准噶尔盆地及其邻区于二叠纪发育断陷构造,形成现今凹凸相间构造格局,二叠纪及之后发生的后期构造变形,改善优化了火山岩储层的储集性能,提供有利于油气运移的通道和储集空间。火山岩岩性、岩相不是控制储层的主要因素,构造高点的风化壳等部位是油气主要分布地带。5有利油气成藏控制因素准噶尔盆地东部火山岩气藏的形成受三要素联合控制:前陆坳陷沉积体系控制了烃源岩展布,后碰撞火山岩为有利储层,二叠纪之后的后期改造优化储层并在构造高点形成有利聚集场所。东准噶尔以下石炭统滴水泉组为烃源岩的油气藏勘探目标,应遵循前陆坳陷沉积特征,即前陆坳陷中央地区为有利烃源岩发育地带,有机质保存好,具有生烃潜力。后碰撞火山岩储层分布广泛,不受克拉美丽造山带和现今构造单元控制,在造山带两侧和盆地东部均有分布,是气藏勘探的主要目标层位,其储集性能受后期改造。火山岩的岩性、岩相不是控制储层的主要因素,二叠纪及其之后发生构造变形作用,造成火山岩风化、淋滤以及构造裂缝,改善了火山岩储层的储集性能,提供有利于油气运移的通道和储集空间。而凹陷和凸起边界附近的突起或坳陷中的构造高部位(图2),经历了不同程度的风化淋滤和构造作用,储层物性更好,是油气有利聚集部位。上述成藏控制因素已被勘探证实,如已发现的五彩湾气田,克拉美丽气田等均位于控藏三要素叠合分布区内:其处于前陆坳陷中央区域,为良好烃源岩发育区带,石炭系火山岩分布厚度大,该地区断裂发育,