致密气是一类赋存在致密砂岩、碳酸盐岩和火山岩等低孔低渗储层中的非常规天然气，美国联邦能源管理委员会将赋存于原始渗透率小于1 mD的致密储层内的天然气定义为致密气^[1]。自1921年美国首次在阿巴拉契亚盆地白垩系致密砂岩中发现致密气以来，已在全球七十余个盆地发现工业性致密气藏，资源量为（600~3 000）×10¹² m³，是常规天然气资源量的1~5倍^[2]。2019年美国致密气产量为1 707.6×10⁸ m³，占天然气产量的17.8%，揭示了致密气巨大的资源前景^[3]。我国也将孔隙度小于10%、地面渗透率小于1 mD、孔喉半径小于1 μm的储层定义为致密储层^[4]，并在四川、鄂尔多斯和松辽等十余个盆地发现了致密气，估算远景资源量为（12~100）×10¹² m^3[5]。松辽盆地是我国重要的含油气盆地和致密气产区，但盆地内不同层系的探明程度极不均衡，长期以来油气勘探集中在坳陷期的中浅层，忽视了盆地深层巨大的致密气资源潜力^[6]。近年来，随着徐家围子断陷、长岭断陷、英台断陷的营城组、沙河子组致密气的大规模开发，盆地深层致密气逐渐成为大庆油田非常规油气勘探的重点领域^[7]。莺山-双城断陷是盆地北部规模较大的外围断陷，也是深层致密气勘探的重点区域^[8]。早在1980年已在坳陷期的扶余油层内发现了三站、五站、涝州等5个次生气藏，但目前深层天然气勘探仍处于探索阶段。2013年，松辽盆地莺深1、莺深4和莺深6等多口探井相继在营城组火山岩中发现致密气，揭开了盆地内深层致密气勘探的序幕，但莺深3、莺深5和双深10等井区以营一段火山岩为目标的致密气勘探失利，表明莺山-双城断陷深层致密气成藏规律复杂。以往学者们对莺山-双城断陷的研究集中在断陷结构^[9]、火山喷发期次^[10]和火山岩储层^[11]等方面，对深层致密储层的成藏条件和主控因素缺乏系统研究。随着油气勘探深度的增大，在深埋条件下仍保持较高孔隙度的火山岩成为盆地深层油气勘探的重要目标^[12]。火山岩由于自身无生烃能力，气藏形成受烃源岩供给和运移通道的联合制约，同时，多期次的构造活动导致气藏调整、改造，因此成藏规律复杂，不同地区的火山岩气藏表现出不同的成藏规律^[13]。

莺山-双城地区构造活动复杂，多期构造事件叠加导致各次级断陷断裂活动差异明显，造成各次级断陷成藏条件不同，影响了断陷内火山岩气藏的类型和规模。基于对莺山-双城断陷构造特征和火山岩岩性、岩相、烃源岩和运移通道等成藏条件的分析，明确致密火山岩成藏期次及成藏主控因素，以期为莺山-双城断陷营一段致密火山岩天然气勘探方向优选提供地质依据。

莺山-双城断陷位于松辽盆地东部深层断陷带，是一个由四站断裂、朝阳断裂、临江断裂和太平庄断裂夹持的近南北向的箕状断陷^[14]，对青山凸起将其分隔为莺山断陷、双城断陷等2个次级断陷（图 1）。研究区自下而上发育断陷期的火石岭组（K₁hs）、沙河子组（K₁sh）、营城组（K₁yc）、登娄库组（K₁d）和坳陷期的泉头组（K₁q）、青山口组（K₂qn）、姚家组（K₂y）、嫩江组（K₂n）和明水组（K₂m）。纵向上含油层系多，已在坳陷期的泉头组、青山口组发现工业油藏，近年来又在营一段火山岩中陆续发现多个致密气藏，证实了本区深层巨大的致密气资源前景。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 松辽盆地莺山-双城断陷构造位置（a）及断陷期岩性地层综合柱状图（b） Fig. 1 Location (a) and stratigraphic column during fault depression period (b) of Yingshan-Shuangcheng fault depression in Songliao Basin

火石岭组上部岩性以厚层中基性英安岩夹粗砂岩、泥岩为主，下部为暗色泥岩、粗砂岩和砂岩互层，夹凝灰岩；沙河子组主要发育灰黑色泥岩夹薄层粗砂岩及砂泥岩互层夹煤层；营城组上部发育中厚层粗砂岩夹泥岩、粉砂岩，下部为中厚层流纹岩和火山碎屑岩；登娄库组上段发育紫红色泥岩夹中薄层砂岩，中间发育砂岩与泥岩的不等厚互层，底部发育中厚层粗砂岩；泉头组岩性以暗色泥岩和砂岩为主。

莺山-双城断陷是松辽盆地深层断陷群中的一个次级断陷，其形成受盆地构造演化影响，可划分为断陷、坳陷和反转等3个演化阶段^[15]。区域构造背景和应力场变化分析表明，莺山-双城断陷经历了3期伸展和3期挤压作用的叠加。本次研究通过对12条格架剖面精细解释和构造力学形变分析，将断陷形成细分为初始断陷（K₁hs）、强烈断陷（K₁sh¹）、抬升剥蚀（K₁sh²）、断陷萎缩（K₁yc¹）、断坳转换（K₁yc⁴— K₁d）、稳定坳陷（K₁q—K₂qn）、挤压反转（K₂n—K₂m）等7个演化阶段（图 2）。不同阶段构造控制的沙河子组、营城组沉积中心规律性迁移和地层差异性叠加，是造成现今致密火山岩气藏差异分布的重要因素。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 松辽盆地莺山-双城断陷构造演化剖面 Fig. 2 Tectonic evolution of Yingshan-Shuangcheng fault depression, Songliao Basin

莺山-双城断陷的各演化阶段的构造活动详情如下：①火石岭组沉积期为初始断陷期，断陷受东西向拉张作用影响，基底断层开始活动并形成大量火山岩，为火山岩台地沉积。利用GEOSEC平衡剖面法对12条构造剖面进行模拟恢复，计算各条剖面在不同时期的伸展量和挤压量。火石岭组沉积时的伸展量平均为3.3 km，地层分布受古地貌影响明显，具填平补齐特征。②沙一段沉积期，断陷东西向拉张应力增强，伸展速率加快，伸展量平均为4.5 km。控陷断裂活动增强并控制断陷的发育和地层展布，沉积和沉降中心均位于断裂活动最强的断陷北部。③沙二段沉积期，随应力场变化，近东西向挤压作用使控陷断裂反转，形成新的逆断层，挤压量约为1.6 km，造成沙河子组地层抬升、顶部削截。④营一段沉积时期，随盆地拉张沉降先存的基底断裂再次活动，控制火山喷发和地层展布，形成熔岩盆地，但各基底断裂活动强度存在差异，导致营一段沉积时沉积中心向南迁移，沙河子组地层呈北厚南薄趋势，营城组则呈现南厚北薄的展布特征。⑤营四段沉积期，在近东西向挤压应力作用下地层再次抬升并形成一系列褶皱变形，断陷中部隆起及边缘区遭受不同程度剥蚀，剥蚀强度自东向西逐渐减弱，此时断陷内无明显沉积中心，以填平补齐为主。⑥泉头组沉积期，稳定的拉张应力使研究区进入大面积稳定沉降的坳陷期，伸展量平均为8.1 km，发育大规模湖泊—三角洲沉积，地层厚度稳定，覆盖全区。⑦嫩江组沉积末期—明水组沉积末期，北北西—南南东向的区域挤压作用使早期断层发生构造反转，深部地层也随之褶皱变形，东部地层强烈抬升剥蚀，在嫩江组顶形成区域性不整合面。莺山-双城断陷深层构造格局在3期伸展建造、3期挤压改造的基础上，叠加晚期反转改造并最终定型，形成现今西深东浅、凹隆相间的构造格局。

研究区内3口井16个包裹体的观察结果显示，营一段火山岩以次生包裹体为主，分布于切穿石英成岩期后的微裂隙、石英胶结物和方解石胶结物中，均一温度为149~185 ℃，呈双峰型分布，主峰分别为149~160 ℃和174~185 ℃，表明营一段存在2期成藏过程^[16]。不同期次包裹体的成分和岩相学特征存在差异，激光拉曼分析表明，第1期包裹体为CH₄和CO₂的混合气（图 3a），发黄绿色、蓝色荧光，沿石英颗粒微裂隙呈线状分布，均一温度为149~158 ℃；第2期包裹体全部为CH₄（图 3b），成熟度较高，发蓝白色荧光，在晚期方解石胶结物中呈群状分布，均一温度为170~185 ℃（图 3c）。结合埋藏史分析表明，研究区泉头组沉积末期（91~97 Ma）沙河子组烃源岩R_o为1.5%，有机质成熟并开始向外排烃，但成藏规模较小；青山口组沉积末期（84~88 Ma）沙河子组烃源岩R_o达到2.0%，有机质大规模裂解生气，是研究区的主成藏期（图 3d），此时，断陷处于稳定坳陷期，构造活动较弱，有利于气藏的形成和保存。

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 松辽盆地莺山-双城断陷白垩系包裹体激光拉曼特征与成藏期次分析 Fig. 3 Laser Raman characteristics of inclusions and accumulation stages of Cretaceous in Yingshan-Shuangcheng fault depression, Songliao Basin

通过对莺山-双城断陷9口井的岩心和263个薄片的观察及常量元素的测试结果显示，营一段火山岩可划分为火山熔岩和火山碎屑岩2种类型，火山熔岩以流纹岩为主，体积分数平均为36.84%，其次为英安岩和安山岩，体积分数分别为18.52% 和4.88%，同时见少量粗面安山岩（图 4）；火山碎屑岩以凝灰岩、火山角砾岩和角砾熔岩最为常见，体积分数分别为15.01%，8.44% 和6.56%，局部见少量熔结凝灰岩。根据岩浆作用、喷发类型、岩性及其在火山机构中的相对位置，可将营一段火山岩划分为爆发相、溢流相和火山沉积相等3种火山岩相^[17]。爆发相位于火山机构顶部、靠近火山通道，主要为角砾岩、角砾熔岩和熔结凝灰岩；溢流相位于爆发相外侧，以流纹岩、英安岩、安山岩等火山熔岩为主；火山沉积相为远离火山机构的凝灰岩、凝灰质熔岩沉积。

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 松辽盆地莺山-双城断陷白垩系火山岩岩石类型 Fig. 4 Types of volcanic rocks of Cretaceous in Yingshan-Shuangcheng fault depression, Songliao Basin

研究区内302个样品全直径物性的测试结果显示，营一段火山岩孔隙度为2.0%~10.0%，平均为9.6%，70% 的样品渗透率小于1.00 mD，平均仅为0.93 mD，为典型致密气储层。爆发相角砾岩、熔结角砾岩中原生孔发育，同时构造高部位风化淋滤强、易形成次生溶孔，物性最好，孔隙度平均为17.35% 和10.27%，渗透率为1.54 mD和0.72 mD（图 5）；溢流相流纹岩、英安岩中见层状分布的原生气孔和裂缝，孔隙度分别为9.60% 和8.65%，渗透率分别为1.14 mD和0.66 mD，安山岩中气孔不发育，孔隙度和渗透率分别为6.91%和0.25 mD；火山沉积相凝灰岩、凝灰质熔岩以晶间微孔为主，物性差，二者的孔隙度分别为7.88%和5.91%，渗透率分别为0.11 mD和0.09 mD。结合试气结果表明，爆发相、溢流相的火山碎屑岩和火山熔岩物性好，为研究区有利岩相类型，火山沉积相凝灰岩、凝灰质熔岩以非储层为主。

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 松辽盆地莺山-双城断陷白垩系火山岩渗透率与孔隙度关系 Fig. 5 Relationship between permeability and porosity of volcanic rocks of Cretaceous in Yingshan-Shuangcheng fault depression, Songliao Basin

莺山-双城断陷沙河子组是断陷早期沉积的一套含煤碎屑岩，是盆地深层最主要的烃源岩。研究区沙河子组烃源岩有机质丰度高，TOC值为0.19%~17.29%，平均为2.61%，S₁+ S₂（生烃潜量）为0.01~8.11 mg/g，平均为0.62 mg/g，60% 的样品为好—很好烃源岩（图 6）。烃指数HI与峰温T_max的关系表明，有机质以Ⅲ型为主，含少量Ⅱ₂型和Ⅱ₁型，具有较高的生气潜力；研究区沙河子组埋深普遍大于4 000 m，R_o为2.23%~4.43%，平均为3.26%，处于过成熟阶段。

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 松辽盆地莺山-双城断陷白垩系烃源岩有机质丰度与有机质类型 Fig. 6 Organic matter abundance and types of source rocks of Cretaceous in Yingshan-Shuangcheng fault depression, Songliao Basin

勘探实践表明，烃源岩与火山体之间高效的输导通道是火山岩气藏形成的必要条件^[18]。松辽盆地莺山-双城断陷营一段火山岩形成后经历了多期挤压和伸展的交替作用过程，初始和强烈断陷期强烈的伸展作用在研究区形成了大量北东向的基底断裂。营一段沉积期随着盆地大规模拉张沉降和火山活动，基底断裂再次活动，刚性的火山岩在构造应力作用下发生破裂，火山体内形成众多断面陡倾、短距离延伸的小断层，这些小断层普遍向下断至沙河子组地层，在稳定坳陷期仍保持开启，是天然气垂向运移的重要通道。气藏剖面对比和试气结果也表明，研究区大部分气井均位于这些小断裂附近，远离断裂的井如五深1、青2和庙深1等井基本无天然气充注（图 7）。火山岩储层非均质性强、侧向连通性差，油气难以在火山岩内大规模侧向运移。营一段火山岩形成后长期暴露地表、遭受风化剥蚀，在莺山断陷东部和双城断陷形成大面积的风化壳，是营一段火山岩天然气运移的有利通道。野外露头观察也揭示，虽然研究区营一段风化壳上部风化黏土层和风化堆积层普遍致密，但下部的风化淋滤层和裂缝层仍具有较高的物性^[19]，尤其双城断陷，剥蚀厚度最大约100 m，是天然气侧向运移的重要通道。

图 7

Fig. 7

下载原图 图 7 松辽盆地莺山-双城断陷白垩系营一段断裂与不整合面分布 Fig. 7 Distribution of faults and unconformities of the first member of Yingcheng Formation of Cretaceous in Yingshan-Shuangcheng fault depression, Songliao Basin

松辽盆地莺山-双城断陷各主干断裂差异性活动控制次级断陷沉降规模，造成沙河子组、营城组沉积中心规律性迁移和沙河子组烃源岩与营一段火山岩储层间的差异性叠加。沙河子组集中在下部沙一段，强烈断陷期仅四站断裂、临江断裂开始活动，控制了沙一段地层的展布，沉积中心位于北部莺山断陷。连井剖面对比也显示，沙一段烃源岩局限于四站断裂、临江断裂所夹持的局部深凹区，南部双城断陷缺失沙河子组地层，烃源岩不发育（图 8）。

图 8

Fig. 8

下载原图 图 8 松辽盆地莺山-双城断陷白垩系沙河子组地层厚度与断裂活动强度（a）、营一段火山岩厚度（b）及东西向地层剖面（c） Fig. 8 Thickness and fault activity intensity of Shahezi Formation (a), thickness of volcanic rocks of the first member of Yingchang Formation (b) and EW stratigraphic profile (c) of Cretaceous in Yingshan-Shuangcheng fault depression, Songliao Basin

断陷萎缩期，太平庄断裂、朝阳断裂开始活动，强烈的断裂和火山作用在全区形成广泛的火山岩，断裂作为营一段岩浆上涌、喷发的主要通道，控制了火山岩的分布^[20]。断裂活动较强的莺山断陷中部和双城断陷南部形成2个沉降、沉积中心，营一段火山岩也集中在南部四站断裂—太平庄断裂之间。断坳转换期，各断层活动性减弱，盆地开始稳定沉降并形成覆盖全区的营四段砂砾岩和登娄库组泥岩，为火山岩气藏提供了稳定的区域盖层。断裂的差异性活动造成各次级断陷内源-储的差异性叠加，是控制火山岩气藏分布的主要因素。

地震反演预测和钻井资料揭示，受四站断裂、临江断裂控制，沙一段烃源岩集中在莺山断陷北部，莺深5井附近厚度最大，为710 m（图 9a）。烃源岩热演化只有达到一定程度才能向外排烃，尤其是处于生烃演化末期的气藏对成熟度的要求更为严格^[21]。研究区青山口组主成藏期沙河子组埋深普遍小于3 000 m，仅莺深6—莺深1井附近热演化程度高，R_o大于3.0%，处于过成熟阶段。生烃模拟显示其生气强度为（300~850）×10⁸ m³/km²，最大可达900×10⁸ m³/km²，排气强度为（50~200）×10⁸ m³/km²，最大可达260×10⁸ m³/km²。高成熟的烃源岩作为营一段火山岩主要气源控制了气藏的宏观展布，气藏围绕生烃凹陷呈环状展布（图 9b）。

图 9

Fig. 9

下载原图 图 9 松辽盆地莺山-双城断陷白垩系沙河子组烃源岩厚度（a）与成熟度特征（b） Fig. 9 Thickness (a) and maturity (b) of source rocks of Cretaceous Shahezi Formation in Yingshan-Shuangcheng fault depression, Songliao Basin

高效的输导体系是火山岩成藏的有利保证，位于通源断裂附近的优质储层是天然气重要富集区^[22]。研究区经历了3期伸展、3期挤压的交替作用，其中营四段沉积时期，近东西向挤压作用使深层形成隆凹相间的构造格局，营一段顶面构造也基本定型。远离通源断裂的构造圈闭由于缺乏有效的运移通道，基本无天然气充注，如三深1、三深2井试气均为干井（图 10a）。研究区内靠近通源断裂的爆发相、溢流相等优质储层则为天然气富集的有利目标，如莺深2、莺深6、川深1等井区（图 10b）。双城断陷虽然远离生、排烃中心，但营一段顶面不整合发育，与通源断裂配合形成立体输导通道，天然气在靠近不整合面和通源断裂的爆发相、溢流相火山岩中富集成藏，如双11、双深1井试气均获工业气流。

图 10

Fig. 10

下载原图 图 10 松辽盆地莺山-双城断陷白垩系营一段断裂（a）、火山岩相、不整合面及气藏分布（b） Fig. 10 Distribution of faults (a), volcanic lithofacies, unconformities and gas reservoirs (b) of the first member of Yingcheng Formation of Cretaceous in Yingshan-Shuangcheng fault depression, Songliao Basin

构造特征、成藏条件及主控因素分析表明，松辽盆地莺山-双城断陷营一段火山岩天然气具有“源（烃源岩）-断（断层）/面（不整合面）-体（火山体）”三元耦合控藏特征，据此可建立莺山断陷“下生上储、断体匹配、近源垂向运移”和双城断陷“侧生侧储、断面联合、远源侧向运聚”2种成藏模式。

莺山断陷中部深凹区烃源岩厚度大、有机质丰度和热演化程度高，是研究区主要的生、排烃中心，生、排气强度分别为（300~500）×10⁸ m³/km²和（100~200）×10⁸ m³/km²，气源条件最好；营一段火山机构位于生、排烃中心之上，与沙一段烃源岩直接接触，源储匹配关系好。高大的火山机构在深凹区形成凹中隆的构造格局，是天然气运移的有利目标区；天然气沿断裂向上运移，在通源断裂附近的爆发相、溢流相储层内聚集形成构造-岩性气藏（图 11），是研究区最有利勘探区。

图 11

Fig. 11

下载原图 图 11 松辽盆地莺山-双城断陷白垩系火山岩气藏成藏模式 Fig. 11 Accumulation model of volcanic gas reservoirs of Cretaceous in Yingshan-Shuangcheng fault depression, Songliao Basin

双城断陷烃源岩不发育，天然气主要来自西部莺山断陷，气源条件较差；断陷西部火山机构与深凹区烃源岩组成侧生侧储的配置关系。由于双城断陷远离生烃中心，断裂和不整合面组成的立体输导通道成为天然气成藏的关键因素，油气自生烃中心排出后，首先沿断裂垂向运移至不整合面，在不整合面下的爆发相火山岩中聚集形成地层-岩性气藏，与通源断裂相连通的不整合面之下的地层和岩性圈闭是双城断陷火山岩天然气富集的主要区域。

（1）松辽盆地莺山-双城断陷经历了3期伸展和3期挤压作用的叠加，可划分为初始断陷、强烈断陷、抬升剥蚀、断陷萎缩、断坳转换、稳定坳陷和挤压反转等7个演化阶段。青山口组沉积末期天然气大规模成藏时，研究区处于稳定坳陷期，构造活动弱，有利于气藏的形成和保存。

（2）研究区营一段以火山碎屑岩、火山熔岩为主，物性较差，为典型致密气储层；沙河子组烃源岩有机质丰度高，处于过成熟阶段，是火山岩气藏主要的气源岩；大规模排烃前形成的深层断裂与不整合组成天然气运移的有利通道。

（3）火山岩气藏的形成受“源-断/面-体”组合关系控制，断裂差异性活动造成沉积中心迁移和源-储的差异性叠加，高成熟的烃源岩控制火山岩气藏的宏观展布，通源断裂附近的爆发相、溢流相等有利岩相是天然气重要富集区。研究区气藏可划分为莺山断陷“下生上储、断体匹配、近源垂向运移”和双城断陷“侧生侧储、断面耦合、远源侧向运聚”2种成藏模式。