0 引言
受峨眉地幔柱活动影响，四川盆地大面积分布二叠系厚层基性火山岩，盆内火山岩厚度中心主要在川西南地区，局部厚度在300 m以上。自20世纪60年代至今，四川盆地针对二叠系火山岩储层开展了多轮探索，取得了一定突破。其中，1992年开钻的ZG1井钻遇301.5 m二叠系玄武岩，测试日产气量25.61×104 m3，首获火山岩工业气流，累计产气2 396×104 m3，揭开了玄武岩气藏勘探的序幕［1］，后期部署ZG2等多口钻井，测试以水层和干层为主，表明裂缝性储层勘探潜力有限。2018年底，中国石油部署的YT1井获得重大发现［2-4］，在二叠系钻遇厚层火山碎屑熔岩储层，测试日产气量22.5×104 m3，标志四川盆地二叠系火山岩勘探取得重大进展。
川东涪陵北部地区二叠系茅口组碳酸盐岩地层受东吴运动差异剥蚀的影响，形成广泛发育的不整合面。东吴运动后3 Ma内，涪陵北部地区发生了较大规模的火山喷发事件［5］，显著的剥蚀古地形，对火山岩浆流向起明显控制作用，在局部区域的茅三段内部沉积了多类型火山岩。截至目前，涪陵北部二叠系火山岩整体勘探程度较低，区内仅L2井在二叠系茅三段钻遇10.2 m的火山碎屑岩储层，孔隙度在3.4%~5.7%之间，全烃最高为18.73%，虽然一定程度上揭示了该领域在川东地区具有良好的勘探潜力，但同时也说明对研究区火山碎屑岩规模储层的分布认识还不清楚，对其成藏的有利目标优选还需进一步探索。
鉴于此，本文研究结合地质—地球物理等多种研究方法，从正—反演的角度研究火山碎屑岩储层发育规模及成藏匹配关系2个关键问题，以明确规模有效储层的分布范围，优选火山碎屑岩的有利勘探区，以期为该区火山碎屑岩气藏勘探提供思路和技术借鉴。
1 区域地质概况
研究区位于川东涪陵北部弧形高陡构造带，属于万县复向斜苟家场—黄泥塘—大池干斜列背斜带中的拔山寺向斜，构造呈北东向延伸，总面积约为1 600 km2。区内钻遇二叠系火山岩的探井共5口，仅L2井钻遇二叠系茅三段火山碎屑岩，其余钻遇岩性均为沉凝灰岩、凝灰质泥岩和灰岩。
中晚二叠世，云贵川地区发生了峨眉山大火成岩省事件［6］，在川东涪陵一带形成了多个火山喷发点，受到涪陵北部的火山机构影响，涪陵北部地区茅三段具有火山碎屑岩发育背景，但平面上呈现了一定分带性，岩相由近火山口带向远火山口带依次表现为火山熔岩、火山碎屑岩、沉火山碎屑岩及灰岩的相序变化，由北往南火山碎屑岩的厚度亦呈现减薄趋势。
2 岩石学特征
2.1 火山熔岩
2.2 火山碎屑岩
2.3 沉火山碎屑岩与火山碎屑沉积岩
2.4 连井分布特征
通过L2—S1—S2—X1井茅三段连井岩性对比显示，茅三段火山岩厚度由东北往西南逐渐减薄至尖灭，岩性以火山碎屑岩、玄武岩、沉凝灰岩为主，主要发育在茅三段的中下部。由于受到涪陵北部地区火山喷发作用的影响，相对靠近火山口的L2井茅三段以火山角砾碎屑岩夹玄武岩组合为主，连续厚度达19.5 m，其中火山碎屑岩厚度占比达58.7%；远火山口的S1井、S2井以沉凝灰岩—凝灰质泥岩层为主，连续厚度在15~20 m之间，与上部灰岩直接接触；远火山口西南部的X1井茅三段主要发育厚层灰岩和泥灰岩（图3）。综合薄片、钻井和露头资料，涪陵北部火山碎屑岩分布受火山机构控制明显，主要分布在L2井以北的地区。
3 火山碎屑岩储层特征及预测
3.1 储集特征
涪陵北部二叠系茅三段火山碎屑岩储层物性整体为中—低孔隙度、低渗透率储层。根据L2等井火山碎屑岩相关测试结果分析，孔隙度主要介于3.4%~8%之间，平均值为5.7%；渗透率主要介于（0.004~0.013）×10-3 μm2之间，平均值为0.05×10-3 μm2，孔隙度与渗透率具有较好正相关性，相关系数可达0.89（图4）。
涪陵北部火山碎屑岩储层的储集空间类型比较复杂，主要为孔隙和裂缝的复合体，有效储集空间为粒间溶孔、粒内溶孔、晶间溶孔及少量基质溶孔等。溶蚀孔隙多是在原始孔隙的基础上受后期溶蚀改造而成，形成边缘不规则的储集空间。研究区火山碎屑岩裂缝整体发育规模不大，多为成岩后期构造应力作用而形成，一般缝壁不光滑，裂缝多宽窄不一，呈现为其他物质充填—半充填分布状态（图5）。
3.2 储层发育主控因素
3.2.1 火山岩岩相是储层形成的基础
火山岩岩性、岩相是影响火山岩储集性能的主要地质因素，不同火山相带具有不同岩性组合。近火山口及周缘地区多为喷溢相火山碎屑岩，相对富集火山角砾，厚度较大，以中低孔、低渗为主，储集物性较好，为原生储集空间发育的有利岩相带。研究区主要位于近火山口过渡带，发育火山碎屑岩和沉凝灰岩2种火山岩类型，火山碎屑岩储集性能相对更加优越。
3.2.2 溶蚀作用及裂缝改造是改善储集物性的关键
3.3 火山碎屑岩储层预测
3.3.1 火山碎屑岩相预测
根据研究区L2井、S1井和X1井3口典型井的地质统计结果显示，该3口钻井茅三段的上、下围岩的岩性组合稳定（上覆吴一段为稳定低速和高速灰岩的岩性组合，下伏茅二段为稳定的高速灰岩），但茅三段内部岩性显著差异，L2井茅三段发育厚层的中—高速、高密度火山碎屑岩夹玄武岩；S1井茅三段发育厚层的低速、低密度的沉凝灰岩—凝灰质泥岩；X1井茅三段上部为厚层高速、中高密度的灰岩（泥质灰岩）。从连井地震剖面上可以看出，当茅三段发育火山碎屑岩时，L2井为低频、底界中—弱波峰反射；当发育沉凝灰岩—凝灰质泥岩时，S1井为中—低频、底界强波峰反射；当发育灰岩时，X1井为高频、底界弱波峰反射（图6）。
为验证茅三段发育火山碎屑岩、沉凝灰岩—凝灰质泥岩及灰岩不同岩性组合的地震反射特征的合理性，根据研究区火山岩相理论沉积模式建立了地质模型（图7），不同层段岩性（火山碎屑岩、沉凝灰岩—凝灰质泥岩、泥岩、灰岩）速度和密度是由测井资料统计得到（表1）。正演模拟结果显示，分别发育火山碎屑岩、沉凝灰岩—凝灰质泥岩和灰岩的正演响应与钻井地震剖面整体相似，充分说明：研究区茅三段不同的岩性组合表现出频率—振幅的组合差异变化，利用茅三段底界振幅—频率综合属性可以较好表征岩相组合。振幅—频率综合属性预测结果反映高值区为沉凝灰岩—凝灰质泥岩相，中值区为火山碎屑岩相，中低值区为灰岩相，预测岩相呈现由北往南火山碎屑岩过渡到沉凝灰岩—凝灰质泥岩和灰岩的分布规律，与区域地质规律吻合，其中火山碎屑岩岩相主要分布在研究区的北部，面积约为141.4 km2（图8）。
图7 涪陵北部火山岩岩相模型（a）和正演模拟（b）Fig.7 Pyroclastic rock facies model(a) and seismic model(b) in northern Fuling |
表1 涪陵北部茅三段及相邻地层岩性地球物理参数Table 1 Lithological and geophysical parameters of Mao3 Member and adjacent strata in northern Fuling |
| 地层 | 岩性 | 速度/（m/s） | 密度/（g/cm3） |
|---|---|---|---|
| 吴一段 | 围岩 | 6 150 | 2.74 |
| 泥岩 | 3 100 | 2.4 | |
| 茅三段 | 灰岩 | 5 860 | 2.65 |
| 沉凝灰岩—凝灰质泥岩 | 4 350 | 2.48 | |
| 火山碎屑岩—玄武岩 | 5 700 | 2.80 | |
| 茅二段 | 围岩 | 6 150 | 2.70 |
3.3.2 古地貌及裂缝破碎带预测
在大规模火山爆发之前茅口组沉积末期，受峨眉山地幔柱上升冲击影响，盆地内发生了一次持续1.0~1.5 Ma差异抬升的构造运动，称为东吴运动。该构造运动导致茅口组大面积抬升遭受差异剥蚀［12］，形成的落差不整合面对后期的火山碎屑岩的改造产生了影响。由于东吴运动前后沉积的吴家坪组顶、底2套层位在研究区地震剖面上均较易追踪（图6），因此可以将其作为古地貌预测的2个基准面进行印模厚度分析。根据近年茅口组勘探经验表明［13］，不整合界面上覆地层厚度相对较薄区域，其火山岩相对发育，且岩溶作用较强；反之，火山岩厚度较薄且岩溶作用较弱。研究区L2井吴家坪组厚度薄（49 m），发育火山碎屑岩且具有一定溶蚀特征，以L2井吴家坪组厚度为依据，进一步优选了火山碎屑岩相中强岩溶地貌区域。
3.3.3 火山碎屑岩储层厚度预测
通过L2井火山碎屑岩的岩石物理响应特征分析可知，研究区火山碎屑岩岩石物理特征表现为低伽马、中—高密度、相对高速、高阻抗特征，与围岩相比火山碎屑岩的高密度特征最明显，储层表现为高密度背景下的低密度特点。储层与密度相关性好，密度门槛值约为2.68~2.81 g/cm3，在钻井约束下利用基于相控的波形指示密度反演，实现了研究区火山碎屑岩储层的定量预测［图11（a）］。
L2井的反演剖面结果显示，该方法精细刻画了L2井茅三段两期的火山碎屑岩储层，厚度累计约10.4 m，预测吻合率达90%；平面预测结果反映，在火山碎屑岩有利圈闭内储层广泛发育，厚度主要介于5~18 m之间，10 m以上的高值区主要分布在有利圈闭的东北部［图11（b）］，面积为73.7 km2，具有一定的勘探前景。
4 油气勘探潜力
4.1 源岩演化和圈闭匹配
川东南涪陵地区二叠系发育多套厚层的邻近优质烃源岩，为天然气成藏富集夯实了资源基础［16］。研究区多口钻井和露头资料的研究成果表明，下二叠统茅三段烃源岩厚度介于10~30 m之间，TOC含量为4.65%，R O值在2.0%~2.24%之间，平均值为2.3%；上二叠统吴家坪组烃源岩以深灰色沉凝灰岩、凝灰质泥岩与灰黑色炭质泥岩为主，并夹煤层，厚度一般为10~70 m，TOC含量介于5.2%~6.1%之间，R O值在2.0%~2.91%之间，平均值为2.4%，整体为高成熟—过成熟阶段，为较好的源岩品质。
4.2 火山碎屑岩气藏勘探潜力
前已述及，近年来四川盆地火山碎屑岩经过多轮的探索，取得一些突破，表明二叠系火山碎屑岩具有较好的勘探潜力，揭示“规模储层”和“有利源储配置”是成藏富集关键要素［17］。涪陵北部茅三段火山碎屑岩紧邻二叠系生烃中心，2套烃源岩生烃强度在（10~60）×108 m3/km2之间，具有“双源供烃、近源成藏”的优势［18］。研究区火山碎屑岩储层厚度较大（大于10 m）的区域为宽缓向斜斜坡区，后期构造变形相对较弱，有利于油气调整与保存。同时，在直接盖层吴家坪组沉凝灰岩、泥质灰岩和区域盖层嘉陵江组百米厚层膏盐岩、石膏质碳酸盐岩的封堵作用下，涪陵北部部分单井的现今地层压力系数可高达1.73，与川西地区火山岩油气藏具有较好的可比性，充分证实了该区良好的封盖条件，也为油气近源充注提供了动力。
综上所述，研究区内火山碎屑岩具有良好的生储盖时空匹配关系，为火山碎屑岩储层的规模成藏奠定了良好的地质基础，但由于涪陵北部火山碎屑岩勘探程度相对较低，钻井样本相对较少，可在研究区东北部有利储层区进行老井复试和探井部署，深化火山碎屑岩储层的地震地质综合研究认识，进一步加大风险勘探力度，对于开拓四川盆地东部二叠系火山岩新类型及增储上产具有重要的战略意义。
5 结论
（1）四川盆地涪陵北部二叠系茅三段发育了三大类火山岩相，分别为火山熔岩、火山碎屑岩、沉火山碎屑岩—火山碎屑沉积岩。近火山口的火山碎屑岩受岩相、构造—成岩作用双重控制，发育溶蚀孔隙及裂缝等多类储集空间，具有较好储集条件。
（2）研究区茅三段火山岩碎屑岩具有低频、底界中—弱波峰、层间断续杂乱的地震反射特征及中—高密度、相对高阻抗的岩石物理特征，通过“岩相—地貌—裂缝—储厚”逐级约束刻画流程，预测茅三段火山碎屑岩有利储层主要位于研究区东北部，厚度为10~20 m，面积约为73.7 km2。
（3）研究区茅三段火山碎屑岩具有良好的成藏条件，特别是二叠系吴家坪组、茅三段的烃源岩近源供烃优势明显，上覆吴家坪组和嘉陵江组封盖性能优越，岩性圈闭形成时间早于生烃高峰，源盖储的时空匹配关系良好，具有规模勘探的潜力。
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