内蒙古二连盆地凝灰岩潜山多期风化壳形成及油气成藏效应

内蒙古二连盆地凝灰岩潜山多期风化壳形成及油气成藏效应李浩;高先志;杨德相;王会来;王苗【摘要】火山喷发的多期性是导致凝灰岩潜山纵向多期风化壳(带)发育的重要原因.从地球化学、测井响应特征和岩石学证实了二连盆地凝灰岩潜山多期风化壳(带)的存在及其特征:(1)哈31井凝灰岩地层在1062～1080 m和1165～1179 m两个井段表现为K,Na,Ca等元素淋滤,CIA指数较大,而Al,Fe,Mn,P等元素相对富集,S/A指数变小;(2)这两个层段测井响应表现为风化壳的特征,而且其测井曲线在纵向上具旋回特征并有连井上的可对比性;(3)不同喷发期次形成的凝灰岩结构、组分以及粒度不同.凝灰岩潜山多期风化壳(带)的存在对潜山油气藏的形成具有重要作用,成藏效应主要表现在储集层垂向分带性、风化壳油藏(晚期风化壳中)和内幕油藏(早期风化壳中)纵向叠置和复式油气聚集成藏模式等3个方面.文中对多期凝灰岩古风化壳的认识扩展了火山岩潜山的勘探深度,为火山岩潜山内幕油气勘探提供了理论依据.【期刊名称】《高校地质学报》【年(卷),期】2014(020)001【总页数】8页(P114-121)【关键词】凝灰岩;风化壳;潜山内幕;成藏效应;二连盆地【作者】李浩;高先志;杨德相;王会来;王苗【作者单位】同济大学海洋与地球科学学院,上海200092;中国石化股份有限公司石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所,无锡214126;中国石油大学(北京)地球科学学院,北京1022494;中国石油华北油田勘探开发研究院,任丘062552;中国石油大学(北京)地球科学学院,北京1022494;中国石化股份有限公司石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所,无锡214126【正文语种】中文【中图分类】P618.130.2尽管火山岩油气藏的发现在国外已有百年历史，但直到20世纪90年代中后期我国火山岩油气藏研究才得到重视。

近些来年，火山岩油气藏研究成果主要集中在火山岩储层的岩性与岩相分类（Gu et al.，2002；王璞王君等，2006）、火山岩机构识别（王璞王君等，2008）、火山储层评价（王传成等，2008；史艳丽和侯贵廷，2005）、火山作用对烃源岩成熟度的影响（金强，2001）等方面，但是对更为关键的火山作用与油气成藏机理的研究相对较少（Feng，2008；刘嘉麒等，2010）。

二连盆地位于中国内蒙古自治区中部，东起大兴安岭，西达乌拉特中后联合旗一带，南抵阴山山脉北麓，北至中蒙边界，东西长约1000 km，南北宽20～220 km，总面积约10×104km2，它是在海西褶皱基底上，由许多具有相似构造发育史的小型裂谷盆地（文中称凹陷）群组成，属于被动式裂谷盆地群（赵澄林等，1996；费宝生等，2001）。

盆地上古生界褶皱基底岩性具有多样性，其中区域变质岩、动力变质岩、花岗岩、凝灰岩和灰岩较发育（李浩等，2013）。

区域上，古生界凝灰岩潜山主要分布在贺根山断裂北侧附近的阿南—阿北凹陷、巴音都兰凹陷、阿尔凹陷和塔南凹陷等。

例如哈南潜山和阿尔6潜山等（图1）。

纵向上，岩性较单一，厚度大，如阿古1井钻遇视厚度高达2122 m的巨厚凝灰岩，局部层段夹薄层安山岩和辉绿岩。

板块运动导致二连盆地凝灰岩主要分布在贺根山断裂北部一侧。

内蒙古东乌旗发现了西伯利亚古陆特有的生物群——图瓦贝化化石（苏养正，1981），表明贺根山断裂北部地区属于西伯利亚板块，贺根山断裂为西伯利亚板块与华北板块的结合部，构造运动活跃。

海西运动使华北板块向北俯冲到西伯利亚板块之下，引发西伯利亚板块地幔岩浆上涌，形成沿板块边界分布的火山活动带，造成二连盆地古生界凝灰岩沿贺根山断裂一线的北侧发育。

目前对火山岩潜山的研究主要关注火山岩顶部的风化壳（李平平等，2006；王京红等，2011）。

关于风化壳的结构、发育机制等问题国内外研究程度较深（王君等，2010；刘俊田，2009；Hopkins，1999；Stanley et al.，1996）。

但目前对火山岩潜山内幕研究程度相对较浅，相关报道很少。

火山岩内部是否发育储集层，火山岩潜山是否形成内幕，这是火山岩油气深层勘探要解决的关键问题。

二连盆地古生界火山岩岩性主要为凝灰岩。

由于火山岩喷发常具周期性，在喷发间歇期凝灰岩地层暴露地表遭受风化作用，在其顶部会形成风化壳（带）。

根据相关理论，火山喷发的多期性可导致凝灰岩地层纵向上形成多个古风化壳（带），由此推测凝灰岩潜山可能存在多期内幕。

以下从凝灰岩的地球化学、岩石学和测井响应特征阐明凝灰岩潜山发育多期古风化壳（带）。

3.1 实验原理及方法基于纵向上遭受风化作用的强弱程度不同，凝灰岩地层由上至下划分为风化带、半化风带和未风化的原岩（李浩等，2013；刘俊田，2009）。

相较于风化程度较弱的半风化带，强风化带一般表现为K，Na和Ca淋滤，且CIA指数（CIA=Al2O3/（Al2O3+CaO+Na2O+K2O）较大，而Al2O3，Fe2O3，MnO，P2O5等相对富集，S/A指数（S/A=SiO2/Al2O3）逐渐变小（Maravelaki et al.，1999；刘宝柱等，1998）。

本项研究将通过测试凝灰岩样品的Al2O3等10种主要元素的氧化物的百分含量，来识别风化壳发育的位置及其结构。

作者采集了二连盆地哈南凹陷哈31井古生界凝灰岩潜山地层岩芯样品共7个，样品测试在中国地质科学院试验测试中心完成，检测仪器为X荧光光谱仪（PW4400），检测方法依据GB/T14506.28-2010。

样品经初碎和细磨至160目以上，低温烘干。

Fe2O3和CaO用EDTA滴定，Al2O3用Cu2SO4滴定，SiO2用NaOH滴定，TiO2用比色法，K2O和Na2O用原子吸收法分别测得其百分含量。

3.2 实验结果哈31井进“山”深度为1162 m。

依据主量元素测试分析结果建立了哈南凝灰岩潜山地层风化指数剖面（表1，图2）。

哈31井1162～1080 m段和1165～1179 m段可见Al2O3，Fe2O3，MnO和P2O5富集，CaO，K2O，Na2O有减小趋势，CIA指数增大，以及S/A指数较小，表明这两个井段为古风化壳发育的位置，即本区哈南凝灰岩潜山地层中至少存在两期风化壳。

4.1 测井曲线的旋回性由于强风化带和半风化带经过长期的风化淋滤作用，岩石裂缝较发育，而且部分岩石遭受风化作用形成粘土，因此测井响应总体为“高自然伽玛、低密度、低补偿中子、声波跳跃、高Th含量和局部扩径”的特征。

具体而言，强风化带具有较低的电阻率，高声波时差，低密度，高中子，自然伽玛幅度较大，能谱曲线呈指尖状；半风化带一般具有较高的电阻率，声波时差变化幅度减小，较低密度，较低中子，自然伽玛和能谱曲线均呈指状；未风化基岩测井曲线较平直（图3）。

因此，在一个火山岩喷发旋回中，物性由上至下逐渐变差，自然伽玛、井径和三孔隙度曲线值总体趋势变小。

图3反映哈31井1074～1185 m段的测井曲线值呈现由高值向低值变化的两个旋回分布特征显示储集层由好变差的旋回分布特征。

这种测井曲线的旋回性在连井上也具有可对比性。

连井对比表明，阿南凹陷哈南凝灰岩潜山至少发育三期凝灰岩，相应的发育3个风化壳（带）（图4）。

4.2 岩性特征不同期次火山喷发强度和岩浆组分的不同一般会造成凝灰岩的矿物组分、结构上的差异。

如哈31井晚期喷发的凝灰岩（1062～1162 m井段）颗粒较粗，为火山尘结构，且见安山质岩屑，而早期喷发的凝灰岩（1162 m以下）颗粒较细，以火山灰结构为主，不见岩屑（图5）。

5.1 储集层垂向分布具有分带性5.1.1 同一喷发旋回中优质储集层分布在强风化带从孔隙类型来看，强风化带主要为溶蚀孔、溶蚀缝，半风化带主要为构造缝。

这是因为暴露于地表的凝灰岩在大气、地表水等风化淋滤作用下，其中的玻屑和岩屑易被溶蚀，利于溶蚀型储集层的形成。

一般而言，离潜山顶面越近，风化淋滤、溶蚀作用越强，裂缝、溶蚀孔洞型储集层越发育；半风化带淋滤溶蚀作用减弱，多为构造缝。

距离风化壳顶面越远，地表水越难渗滤进去，发生的溶蚀作用越弱，加之上覆地层压力的影响，构造裂缝越易被压实，缝宽变窄，因此只能见到小裂缝，向下逐渐变为致密的岩石（图6）。

从裂缝发育程度来看，强风化带较半风化带更发育。

如哈31井1068.0～1073.19 m取心段属于强风化带，岩石较破碎，岩心裂缝线密度超过30条/m，该井1110.0～1117.21 m属于半风化带，岩心裂缝线密度约15条/m，1179.4～1180.35 m井段为致密的未风化原岩带，岩心上少见裂缝发育。

从储集层厚度来看，强风化带优质储集层较半风带发育。

统计显示强风化带厚度平均值为39 m，Ⅰ类好储集层平均厚26 m，储地比平均值高达66.9%；半风化带厚度平均值为69 m，Ⅰ类好储集层平均厚14 m，储地比平均值仅20.7%（图7）。

而且风化带试油效果较好，如哈31井在1071.8～1115.4 m段试油为油水同层，日产液达4.75 m3/d。

5.1.2 多期喷发旋回形成多个风化壳，进而垂向上形成多个储集层发育带喷发间歇期潜山顶部的先期构造缝和原生孔经风化淋滤、溶蚀扩大、形成溶蚀型储集层；同一喷发间歇期，由潜山顶往下，风化淋滤作用减弱、储集层发育程度逐渐变差。

多期火山喷发、多次风化淋滤作用形成多个凝灰岩古风化壳，从而产生凝灰岩储集层纵向上分带不连续分布（图8）。

5.2 凝灰岩风化壳油藏和内幕油藏的纵向叠置凝灰岩多期风化壳纵向叠置导致凝灰岩储集层纵向分布厚度大，且分带分布。

因此，在具备供烃窗口、有效输导体系以及配套条件下，即可形成凝灰岩潜山风化壳油藏（山头型）和内幕型油藏（高先志等，2008；2011）。

换言之，凝灰岩潜山油藏并非只有风化壳块状油藏，也存在内幕型层状油藏。

风化壳型油藏和内幕型油藏构成的多层系层状油藏可能存在多个油水界面。

以阿尔6凝灰岩潜山为例，测井解释2443～2665 m井段，共解释Ⅰ类储集层6层共38.7 m，Ⅱ类储集层9层共110.0 m，储地比高达67.0%，其中Ⅰ类好储集层单层厚度为3～13 m，综合解释油层7层，两个油水界面分别为2520 m和2550 m。

5.3 复式油气聚集成藏模式古生界凝灰岩潜山的多期风化壳形成的多个孔缝发育带作为储集层，致密段（未风化的原岩）作为盖层，可形成多重储盖组合。

不同储盖组合的油气独自成藏，表现在油气来源、输导体系类型和油气充注时间的不同。

图9中，早期风化壳油藏（内幕型）与深层阿尔善组（K1ba）成熟烃源岩直接接触，输导通道主要为凝灰岩早期风化带内部的孔缝体系，表现为单源立体式供烃－多期风化壳短距离输导源内潜山成藏模式；晚期风化壳油藏（山头型）位于生烃门限深度以上，深层腾一段（K1bt1）和阿尔善组成熟烃源岩生成的油气沿塔4断层和Pz/K1ba不整合（相当于晚期风化壳）运移后聚集成藏，表现为混源单（双）向供烃－复式输导源外潜山成藏模式。