0 引言

火山熔岩和火山碎屑岩作为油气储集层^[1-2]，是目前我国中—新生代含油气盆地重要的油气储集层类型之一，具备较大勘探开发潜力。近年来，随着常规(碎屑岩和碳酸盐岩)油气资源勘探难度的不断加大，火山岩油气藏已成为油气勘探的新领域，并展现出良好的勘探前景。火山岩层系蕴藏着较大的资源潜力，目前全世界已在20多个国家336个盆地中发现火山岩油气藏或见良好油气显示^[3]。据统计，国外已发现火山岩油气藏169个，探明原油地质储量超过3.4亿t、天然气地质储量近7 000亿m^3[3]。在中国东北部松辽盆地、西北部准噶尔盆地以及三塘湖盆地等多个盆地均发现了多个火山岩油气藏，包括徐深气田、克拉美丽气田等。2018年12月17日，中国石油西南油气田分公司针对二叠系火山岩部署在成都-简阳地区的风险探井——永探1井(YT1)钻遇优质孔隙型火山碎屑熔岩储层，中途完井测试获得22.5万m³/d的高产工业气流，实现了四川盆地二叠系火山碎屑岩的重大勘探突破，展现了火山碎屑岩气藏的良好勘探潜力。由于成都—简阳地区地层接触关系复杂，关于该地区火山碎屑岩气藏天然气地球化学特征及气源研究认识存在诸多争议，且火山碎屑岩产气鲜有报道，因此本文根据钻井成果，应用分析化验数据，采用不同地区气-气对比方法，开展了该地区源-储接触关系解剖、天然气地球化学特征分析及气源综合对比。在此基础上，对二叠系火山岩气藏天然气成因进行了鉴别，对天然气来源进行了判识，以期为进一步明确火山岩气藏勘探方向和勘探有利区提供重要依据。

受晚古生代中—晚二叠世东吴运动影响，四川盆地西南部地区发生了规模巨大的火山喷发事件，形成了巨厚的峨眉山玄武岩堆积，是被国际学术界认可的中国唯一的“大火成岩省”，并受到国内外学者的广泛关注^[4-14]。“峨眉山玄武岩”由赵亚曾在1929年命名，特指覆盖于含Neoschwa-gerina虫筳化石的中二叠统茅口组之上的玄武岩。其形成于全球性重大地质变革——大陆敛合与解体的大背景之下，和板块构造体制向大陆构造体制转化过渡的关键时期。峨眉山玄武岩的喷发是晚古生代扬子板块西缘最重要的热事件和东吴运动在上扬子古陆西缘最显著的表现^[15-16]。四川盆地西南部成都—简阳地区处于火山岩发育分布区，永探1井位于该区域(图 1)，“峨眉山玄武岩”地层符号P₂β，地层归属于中二叠统，上覆上二叠统龙潭组，下伏中二叠统茅口组(图 2)。在龙潭组(吴家坪阶)之下钻遇火山碎屑熔岩，其主要矿物成分包括辉石、斜长石、角闪石等，并可见大量后期蚀变和交代产物，如钠长石、绿泥石、方解石等。永探1井储集岩类型以火山角砾熔岩、凝灰质角砾熔岩为主。储集层物性优越，主要孔隙类型包括溶蚀微孔、角砾间溶孔及气孔等。根据岩心物性分析^[17-19]显示孔隙度为6.68%~16.48%，渗透率较高，垂直渗透率为0.01×10^-3~0.43×10^-3μm²，平均为0.19×10^-3μm²，水平渗透率为0.52×10^-3~4.43×10^-3μm²，平均为2.35×10^-3μm²，测井解释储层厚度为102.60 m，为一套优质孔隙型火山碎屑熔岩储层。根据该地区二维、三维地震资料，地震预测结果表明成都—简阳地区位于靠近火山机构的主体位置，火山碎屑熔岩分布广，厚度在200~350 m之间，向火山机构边缘厚度逐渐减薄，直至尖灭^[20](图 1)。

据文献[7]修编。 图 1 四川盆地西南部成都—简阳地区火山岩分布图 Fig. 1 Distribution map of volcanic rocks in Chengdu-Jianyang area in southwest Sichuan basin

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据文献[7]修编。 图 2 四川盆地西南部成都—简阳地区地层柱状图 Fig. 2 Stratigraphic histogram of Chengdu-Jianyang area in southwest Sichuan basin

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永探1井二叠系火山岩气藏天然气为典型的干气，干燥系数达0.997，天然气烃类组分主要为CH₄和C₂H₆，CH₄质量分数分别为98.99%、99.07%，平均为99.03%，C₂H₆质量分数低，平均为0.35%，非烃类组分中CO₂和N₂的平均质量分数分别为0.07%、0.46%，不含H₂S，与周公1井相比CH₄质量分数略高，见表 1。由此可见，永探1井火山岩气藏天然气均为干气，C₂H₆质量分数低，C₃H₈质量分数几乎没有，这与成熟度高，C₂H₆、C₃H₈均被裂解有关。永探1井实测地层压力为125.625 MPa，地层温度达135 ℃，气藏类型属于高温、超高压微含硫气藏。天然气甲烷、乙烷碳同位素分布较为集中，甲烷碳同位素(δ¹³C₁)分别为-32.22‰、-32.11‰，平均为-32.17‰，乙烷碳同位素(δ¹³C₂)分别为-34.06‰、-34.48‰，平均为-34.27‰(表 1)，乙烷碳同位素较轻。

天然气甲烷、乙烷碳同位素是研究天然气成因最有效、最直接的方法。已有大量研究成果表明，天然气中CH₄及其同系物的碳同位素特征差异主要受原始母质继承性和成熟度控制^[21]。在低成熟条件下形成的天然气富集¹²C，其碳同位素组成较轻，随着源岩成熟度的增高，形成的天然气越来越富集重同位素¹³C，此外腐泥型烃源岩生成的天然气CH₄及其同系物碳同位素组成比腐殖型烃源岩生成的天然气偏轻^[15-17]。甲烷同系物δ¹³C值随成熟度增加而增大，且同源甲烷及其同系物(乙烷、丙烷(C₃)和丁烷(C₄)) 碳同位素随着烃分子的碳数增加而增大，即δ¹³C₁ <δ¹³C₂ <δ¹³C₃ < δ¹³C₄。乙烷碳同位素受成熟度影响较小，主要与烃源岩母质类型有关，具有良好的母质继承性，是天然气成因判别的重要指标。通常δ¹³C₂≤-28.00‰为油型气，δ¹³C₂≥-28.00‰为煤成气^[21-22]。

永探1井火山岩气藏天然气乙烷碳同位素明显小于-28‰，为处于高—过成熟阶段的典型油型气特征。研究区H₂S质量分数很低，表明天然气未受硫酸盐热化学反应(TSR)影响^[23]。进一步根据干酪根降解气和原油裂解气ln(C₂/C₃)-ln(C₁/C₂)判识图版^[21-22]，为便于对比，将四川盆地主要层系天然气的ln(C₁/C₂)和ln(C₂/C₃)数据绘编于图 3中(数据来源于中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院分析实验中心)。由图 3可见，两大类型天然气(即以干酪根初次裂解为主的川中须家河组煤系天然气和以原油(或分散液态烃)二次裂解为主的海相天然气)的界线特征非常明显。永探1井火山岩气藏天然气主要位于原油裂解气区域，为原油的二次裂解气。另据岩心、薄片及能谱分析表明，永探1井裂缝和溶洞内发育大量残余沥青，进一步表明烃源岩生油后就进入火山岩储层，现今气藏为原油的二次裂解气，如图 4所示。此外，永探1井火山岩气藏甲烷、乙烷碳同位素基本上发生了倒转(即δ¹³C₁>δ¹³C₂)，天然气同位素发生倒转的原因可能与有机和无机的混合、水溶分馏效应及不同气源混合等有关^{[21-22, 24-25]}，具体成因有待进一步分析。

数据来源于中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院分析实验中心。 图 3 不同演化阶段干酪根降解气与原油裂解气判识图 Fig. 3 Identification diagram of kerogen degradation gas and crude oil cracking gas at different evolution stages

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a. 火山碎屑熔岩，5 645.76~5 645.98 m，储层沥青十分发育，红色箭头指示为沥青；b.火山碎屑熔岩，5 645.72 m，储层沥青包裹长石矿物；c.火山碎屑岩储层沥青能谱分析图片，5 645.50~5 645.76 m；d.火山碎屑岩储层沥青能谱分析，5 645.72 m。 图 4 永探1井岩心及镜下沥青照片 Fig. 4 Core and microscopic reservoir bitumen photos of Well YT1

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四川盆地西南部成都—简阳地区处于乐山—龙女寺古隆起核部，受加里东运动影响，该地区地层缺失严重, 完全缺失或部分缺失地层包括下寒武统筇竹寺组上部、沧浪铺组、龙王庙组，中—上寒武统、奥陶系、志留系、泥盆系及石炭系，缺失地层厚度超1 500 m(图 5)。钻井地层对比分析同样表明，川西南古隆起剥蚀核部地区如周公山、汉王场地区周公1井、汉深1井中二叠统梁山组与下寒武统筇竹寺组直接接触，成都—简阳地区永探1井中二叠统梁山组与下寒武统沧浪铺组直接接触(图 6)。

图 5 四川盆地二叠纪沉积前古地质图 Fig. 5 Pre-Paleogeological map of Permian sedimentation in Sichuan basin

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GR. 自然伽马；d. 深度；RT. 深电阻率；RXO. 冲洗带电阻率。 图 6 周公1井-汉深1井-永探1井地层对比图 Fig. 6 Stratigraphic correlation map of Well Zhougong 1, Well Hanshen 1 and Well YT1

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四川盆地海相地层发育震旦系陡山沱组、下寒武统筇竹寺组、下志留统龙马溪组以及中二叠统4套优质烃源岩层系。震旦系陡山沱组烃源岩岩性主要为泥岩，在四川盆地西南部地区分布范围有限，盐亭、广安等地区厚度达到30 m，绵阳、广元一带为10~20 m，其他地区小于10 m。四川盆地西南部成都—简阳地区基本上位于“德阳—安岳台内裂陷槽”之上，该裂陷呈近南北向展布，南北长为320 km、东西宽为50~300 km^[25-27]。裂陷内下寒武统筇竹寺组烃源岩十分发育，岩性主要为泥岩，优质烃源岩厚度大，为50~250 m，残余有机碳质量分数高，平均为3.62%，有机质类型为Ⅰ型，处于高—过成熟阶段，生气强度为(180~240)×10⁸m³/km²。永探1井火山岩气藏直接坐落于其生气中心之上，近源成藏十分有利(图 7a)。下志留统龙马溪组烃源岩岩性主要为泥岩、炭质页岩，受沉积背景的影响，该套烃源岩在四川盆地东部、南部及北部地区发育，在川西南部地区受加里东运动影响整体剥蚀(图 5)。中二叠统烃源岩包括栖霞组、茅口组碳酸盐岩和梁山组泥质烃源岩。其中：栖霞组烃源岩岩性主要为生屑灰岩和泥灰岩，总厚度为10~30 m，生屑灰岩残余有机碳质量分数平均为0.38%，泥灰岩残余有机碳质量分数平均为0.36%，生气强度为(1.50~8.50)×10⁸m³/km²；茅口组烃源岩岩性主要为泥灰岩、生屑灰岩和硅质岩，总厚度为40~140 m，生气强度为(2.00~12.00)×10⁸m³/km²，有机质类型为Ⅰ-Ⅱ，处于高—过成熟阶段；梁山组发育暗色煤系泥质烃源岩，属陆源残积相沉积，岩性主要为黑色炭质页岩、黑色页岩，局部夹煤线，厚度一般为2~20 m，有机碳质量分数为0.50%~31.68%，生气强度为(8.00~20.00)×10⁸m³/km²(图 7b)。通过地层接触关系解剖、烃源岩条件分析表明，永探1井直接坐落于德阳—安岳台内裂陷之上，下寒武统筇竹寺组巨厚烃源岩发育区，初步分析认为永探1井火山岩气藏天然气主要来自下寒武统德阳-安岳裂陷内厚层寒武系优质烃源岩，部分来源于中二叠统。

a. 火山岩与下寒武统烃源岩生气强度叠合图；b. 火山岩与中二叠统烃源岩生气强度叠合图。 图 7 研究区源-储接触关系分析图 Fig. 7 Analysis diagram of source-reservoir contact relationship in the study area

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前述说明天然气碳同位素特征与天然气母质类型具有直接的联系，同样也是天然气气源分析的关键。从天然气甲烷、乙烷碳同位素对比分析图(图 8)可以看出，永探1井二叠系火山岩气藏天然气与川中安岳气田下寒武统龙王庙组气藏天然气具有十分相似的分布范围。已有大量研究成果基本证实下伏下寒武统筇竹寺组优质烃源岩为川中安岳气田下寒武统龙王庙组气藏天然气主要来源^[26-28]，间接表明永探1井二叠系火山岩气藏天然气与下伏下寒武统筇竹寺组具有较强母源关系。相邻地区周公山构造周公1井玄武岩气藏天然气甲烷碳同位素(δ¹³C₁)为-28.10‰，天然气乙烷碳同位素(δ¹³C₂)为-31.06‰(表 1)，相比较而言永探1井二叠系火山岩气藏天然气甲烷、乙烷同位素均显著偏轻，但天然气甲烷、乙烷同位素均发生倒转(即δ¹³C₁>δ¹³C₂)，说明天然气成因最大可能与不同来源天然气混源有关。

部分数据据文献[26-28]。 图 8 永探1井火山岩气藏与不同地区相关层系天然气δ13C2与δ13C1关系对比图 Fig. 8 Comparison chart of natural gas δ13C2 and δ13C1 between Well YT1 and related strata in different areas

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四川盆地海相烃源岩干酪根碳同位素变化规律明显，从震旦系到下古生界，干酪根的碳同位素基本上由轻变重：上震旦统烃源岩干酪根碳同位素δ¹³C为-33.40‰~-29.20‰，稍微偏重；下寒武统烃源岩干酪根碳同位素δ¹³C分布范围为-36.60‰~-31.70‰；上奥陶统—下志留统烃源岩干酪根碳同位素δ¹³C值主要为-31.00‰~-28.00‰^[29-30]，明显比下寒武统要重一些；中二叠统烃源岩干酪根δ¹³C分布于-31.60‰~-24.00‰之间；上二叠统龙潭组、长兴组烃源岩干酪根碳同位素为-28.79‰~ -23.00‰，其中龙潭组煤的碳同位素值大于-24.00‰^[31]。永探1井火山岩岩心储层沥青碳同位素分布在-35.20‰~-35.10‰之间，整体较轻。与相关烃源岩干酪根碳同位素对比，永探1井二叠系火山岩气藏天然气甲烷、乙烷碳同位素、沥青碳同位素均分布于下寒武统筇竹寺组干酪根碳同位素区间内，分析认为天然气来源以下寒武统筇竹寺组为主(图 9)。

部分数据据文献[30-33]。 图 9 永探1井与不同层系烃源岩干酪根和沥青碳同位素对比图 Fig. 9 Comparison chart of Kerogen and bitumen carbon isotope of Lower Paleozoic between Well YT1 and related strata in different layer system

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通过成都—简阳地区源-储接触关系解剖、烃源岩条件分析，结合不同地区相关气藏天然气甲烷、乙烷碳同位素与相关烃源岩干酪根碳同位素对比分析结果，笔者认为，永探1井二叠系火山岩气藏天然气主要来源于下寒武统筇竹寺组，部分来源于中二叠统。

1) 永探1井天然气均为典型的干气，干燥系数达0.997，CH₄质量分数高，平均为99.03%，C₂H₆质量分数低，平均为0.35%，C₃H₈几乎没有，不含H₂S。

2) 天然气甲烷、乙烷碳同位素值均较低，甲烷碳同位素平均值为-32.17‰，乙烷碳同位素平均值为-34.27‰，且岩心及镜下可见大量沥青，表明永探1井火山岩气藏天然气为原油二次裂解气。

3) 永探1井火山碎屑岩气藏天然气主要来源于德阳—安岳台内裂陷内部发育的巨厚下寒武统筇竹寺组优质烃源岩，部分来源于中二叠统。