準噶爾盆地哈山地區石炭系火山巖儲層特征及控制因素

張 震，徐國盛，袁海鋒，王 誠，范 蕾

（1.成都理工大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610059； 2.成都理工大學 非常規油氣資源研究所，四川 成都 610059； 3.成都理工大學 地球科學學院，四川 成都 610059）

0 引言

隨著油氣勘探技術的發展，火山巖儲層成為油氣勘探的主要領域之一[1].火山巖儲層非均質性強，控制因素難以確定，不同盆地或區域優質火山巖儲層形成條件和分布規律差別較大[2－3].人們研究火山巖儲層主要在火山巖巖性測井識別、火山巖裂縫特征、成巖作用對儲層物性的影響和控制因素等方面，其中儲層物性主控因素分析是火山巖儲層研究的重點[4－12].趙寧等[4]利用5條常規測井曲線，構建測井相—巖性建模數據庫，采用模糊數學方法建立準噶爾西北部火山巖巖性識別模型；康玉柱[5]根據成因將火山巖孔隙劃分為原生和次生，根據形態劃分為孔洞和裂縫，指出影響火山巖儲集物性的因素主要包括巖性巖相、酸性流體溶蝕和斷裂與構造裂縫；王仁沖、侯連華等[6－7]將火山巖的成巖作用劃分為早期成巖作用和晚期成巖作用，進而細分為14種具體成巖類型，并討論成巖作用與火山巖儲集物性的關系，指出儲層物性主控因素分析是火山巖儲層研究的重點.

近年來，準噶爾盆地西北緣火山巖儲層油氣勘探取得突破性進展，發現克拉瑪依、烏爾禾、百口泉和紅山嘴等油田[13－15].哈山地區位于準噶爾盆地西北緣，其石炭系火山巖地層為重要的油氣勘探層位，鉆井發現有油氣顯示，具有良好油氣勘探前景.人們對該地區火山巖儲層的巖性特征、孔隙類型及儲層主控因素等方面研究不足，影響勘探思路.筆者通過巖心、薄片及成像測井觀察，根據火山巖巖性、儲集空間類型及物性等研究火山巖儲層特征，分析不同巖性火山巖的儲集空間類型和物性特征及影響火山儲層的主控因素，為該地區確定勘探有利目標及鉆探井位設計提供地質依據.

1 地質概況

準噶爾盆地西北緣處于西準噶爾褶皺山系與準噶爾塊體之間[16]，以哈拉阿拉特山和扎伊爾山為邊界，西南至奎屯，東北至夏子街.哈山地區在構造上處于準噶爾盆地西北緣隆起烏夏斷裂帶西北端，長約為15km，寬約為10km，西北緊鄰和什托洛蓋盆地，南鄰烏夏斷褶帶和瑪湖凹陷[17]（見圖1）.

圖1 哈山地區構造位置Fig.1 Structural map of Hassan area

哈山構造帶由石炭紀內幕逆沖開始，早二疊世發生前展式走滑逆沖，中晚二疊世開始大規模前展式走滑逆沖，三疊世末期開始大規模后展式走滑逆沖，侏羅紀后期開始壓扭沉降，燕山運動晚期準噶爾盆地最終覆蓋定型.該構造帶石炭系地層構造樣式主要發育逆掩斷裂，地層頂面由東向西呈階梯式抬升.石炭系內幕較為復雜，火山巖儲層主要沿斷裂帶分布，平面上，不同走向和傾向的斷層組合分割地層的延續性；縱向上，各種火山巖類型交互出現.

2 儲層特征

2.1 巖石學特征

根據SiO2質量分數，將火山巖劃分為基性巖類、中性巖類、酸性巖類和堿性巖類[6].研究區目的層系火山巖巖性變化較大，以酸性巖類中的火山碎屑巖、中性巖類中的安山巖及基性巖類中的玄武巖為主.根據巖性和薄片觀察，分析哈山構造帶火山巖巖石類型及特征.

（1）火山角礫巖.多為灰綠色、灰色，具有典型火山角礫結構與含氣孔玻基交織結構，角礫成分多為玄武—安山質角礫和流紋質角礫（見圖2（a）），角礫間充填的火山灰在后期演化過程中被堿性流體溶蝕取代，形成自形、半自形方解石.基質內氣孔散亂分布，體積分數為20%，直徑為0.1～0.3mm，孔內充填石英、自形方解石（見圖2（b））.熔結角礫巖總體呈塊狀構造，內部發育孔洞，孔洞內充填黑色瀝青.火山角礫巖在研究區石炭系地層中分布最為廣泛，主要分布在哈淺101、哈淺102、哈淺3和哈淺6等井中.

（2）安山巖.多為灰白色、灰色，常具有斑狀結構，斑晶主要由斜長石和暗色礦物組成.斜長石常見環帶結構及強烈蝕變形成的溶蝕結構（見圖2（c）），基質具有玻晶交織結構，斜長石微晶呈交織狀或近于平行排列，含少量玻璃質（見圖2（d））.巖石具有塊狀構造，肉眼可見細小柱狀長石及大量暗色礦物，裂縫和孔隙發育，部分巖石可見氣孔，氣孔中充填石英，中部被方解石充填，具有多期充填特點.安山巖易受構造裂縫影響，產生裂縫型孔隙，為較好的儲集空間，裂縫中常見油質充填.

（3）凝灰巖.多為灰綠色，致密質脆，巖屑和晶屑質量分數較低，肉眼難以觀察到.常發生次生溶蝕變化，形成基質內溶孔（見圖2（e）），溶蝕孔內多出現方解石化、硅化及綠泥石化等，顯示多期次溶蝕再充填作用.后期裂縫被方解石充填，方解石再發生溶蝕，形成儲集性較好的孔洞.

（4）玄武巖.為灰黑色、棕黑色，多具有粗玄結構，在不規則分布排列的斜長石長條狀微晶形成的間隙中，充填若干粒狀輝石和磁鐵礦細小顆粒（見圖2（f）），反映它形成于冷卻速度較慢條件.發育氣孔構造、杏仁構造和塊狀構造，巖石中原生氣孔常見，多被后期方解石、石英或鐵質充填物充填.

圖2 哈山地區石炭系火山巖巖性特征Fig.2 Lithologic characteristics of Carboniferous volcanic rocks in Hassan area

2.2 儲集空間類型

火山巖儲集層作為非常規油氣儲層，分析并建立區域性、整體性儲集空間分類體系，對油氣勘探開發具有重要意義[17].以巖心、薄片和成像測井分析等方法，建立哈山構造帶石炭系火山巖儲集空間分類體系（見表1）.

2.2.1 原生儲集空間

原生儲集空間在研究區廣泛發育，但分布不均，不同巖性火山巖發育的原生儲集空間組合類型不同.火山角礫巖中發育原生礫間孔和冷凝收縮縫，玄武巖和安山巖發育氣孔和晶內炸裂紋，以火山角礫巖原生孔隙度相對較高.

（1）氣孔.由安山巖或玄武巖成巖時氣體逸散形成，大小不一，形狀多呈圓形、橢圓形和不規則形等（見圖3（a））.巖心薄片觀察發現，氣孔多彼此獨立，與次生裂縫、溶蝕孔縫連通；氣孔中常充填半自形—它形金屬不透明礦物及顆粒細小的重結晶的長英質礦物，形成杏仁體.

（2）礫間孔.主要包括2種類型：一種是由火山熔巖自碎角礫巖或隱爆角礫巖化形成的角礫間孔隙[17]，孔隙基本被充填或半充填（見圖3（b））；另一種是火山碎屑中的火山碎屑間孔隙.礫間孔一般孔隙較大，連通性好，大小與形態受火山碎屑和火山角礫的組合形式控制，常與裂縫伴生[17].

（3）冷凝收縮縫.安山巖的微裂縫多由巖漿冷凝收縮或火山玻璃重結晶作用形成，沿晶體邊緣展布，部分與溶蝕孔連通.

（4）晶內炸裂紋.形態通常不規則，常穿切晶體，后期流體多沿晶內炸裂紋對晶體進行溶蝕.晶內炸裂紋通常見于具有斑狀結構巖石和含晶屑細粒火山角礫巖中.

2.2.2 次生儲集空間

研究區內火山巖主要形成于石炭紀，后歷經海西、印支、燕山和喜馬拉雅等多期構造活動.受多種成巖作用（壓實、溶解、重結晶和次生蝕變）共同影響，原生儲集空間經過改造形成次生儲集空間，包括基質溶蝕孔、氣孔充填物內溶孔、晶內溶蝕孔和構造裂縫.

（1）晶內溶蝕孔.安山巖中晶內溶蝕孔主要發育在長石單晶體內部（見圖3（c）），多數為中性斜長石，次生變化類型多樣，主要為絹云母化、黏土化、綠簾石化和方解石化等.晶內溶蝕孔主要充填物有方解石、油質及瀝青.

（2）基質溶蝕孔.火山角礫巖中溶孔發育，在基質內常見大量超大溶孔，顯示多期次生充填特征，一期硅質流體沿溶孔內壁形成梳狀邊石英，二期硅質流體充填一期流體剩余空間形成自形單晶石英（見圖3（d））.

（3）氣孔充填物內溶孔.為氣孔被全部或部分溶蝕形成的次生孔隙，主要見于火山熔巖中.氣孔的充填物包括沸石、綠泥石、瀝青、方解石和硅質等.如玄武安山巖中原生氣孔被次生方解石充填，方解石再被溶蝕，形成新的孔洞（見圖3（e））.

（4）構造裂縫.由基質被流體溶蝕或構造等后期成巖作用改造形成，呈寬、長和密集分布等特點，部分或完全充填硅質、鈣質、碳酸鹽和油質（見圖3（f））等，具有連通原生孔隙的作用，使火山角礫巖成為良好的儲集空間.

圖3 哈山地區石炭系火山巖儲層儲集空間特征Fig.3 Characteristics of accumulating spaces of Carboniferous volcanic reservoir in Hassan area

表1 研究區火山巖儲集空間類型特征Table 1 Reservoir space types and characteristics of volcanic rocks in Hassan area

2.3 儲層物性特征

研究區內石炭系火山巖儲層儲集性能較差，總體上表現為中—低孔隙度、低—特低滲透性及非均質性極強.根據哈山地區石炭系6口井巖心分析，統計該地區孔滲參數（見表2）.

表2 哈山地區石炭系火山巖儲層物性特征Table 2 Physical properties of Carboniferous volcanic reservoir in Hassan area

哈山地區石炭系火山巖儲層巖石孔隙度變化較大，80%的樣品孔隙度為1.44%～14.92%，平均孔隙度為6.67%，平均孔隙度最大的為火山角礫巖，其次是安山巖和凝灰巖，最小的為玄武巖.石炭系火山巖滲透率為（0.01～20.90）×10－3μm2，火山角礫巖滲透性最好，安山巖和凝灰巖次之，玄武巖滲透性最差.

研究區石炭系火山巖孔滲相關性分析表明，該區孔滲相關系數為0.389 9，表明孔滲相關性不好（見圖4）.總體上，石炭系火山巖儲層以中—低孔、低滲或特低滲儲層為主，儲層非均質性強，其中以火山角礫巖為主的儲層物性最好，是石炭系最有利儲集層，其次是以安山巖和凝灰巖為主的儲層，以玄武巖為主的儲層儲集性能最差.

圖4 哈山地區石炭系火山巖儲層孔隙度與滲透率關系Fig.4 The diagram of porosity and permeability of Carboniferous volcanic reservoir in Hassan area

3 控制因素

3.1 巖性和巖相

火山巖原始儲集性能和次生儲集空間發育取決于巖性，而火山巖的巖性受到火山巖巖相控制[18－19].準噶爾盆地哈山地區石炭系火山巖由多期次的火山爆發相、溢流相和沉積相組成.火山爆發相（火山角礫巖）固結速度塊、熱熔程度低，礫間孔、氣孔等原生儲集空間發育，巖石孔隙度較高，抗壓程度低，裂縫發育程度高，孔隙連通性較好，儲集性能良好，是研究區重要的儲集層.火山溢流相（安山巖、玄武巖）固結速度慢、熱熔程度高，其中玄武巖原生孔隙度低、抗壓強度大、裂縫不發育，連通性較差，儲集性能較差；安山巖原生氣孔和次生溶孔發育、裂縫較發育、物性較好，為研究區較好儲層.火山沉積相（凝灰巖）巖性較致密，原生孔隙不發育，抗溶蝕能力較差，在構造微裂縫及溶蝕孔發育部位可形成有效儲層.

3.2 構造活動

經歷多期次構造運動，研究區內構造演化過程復雜，形成復雜的斷裂系統及大量派生裂縫.鉆井結果顯示：石炭系主要火山巖類型包括安山巖、凝灰巖、玄武巖和火山角礫巖等，裂縫發育特征有明顯差異.宏觀上，由XRMI溶蝕孔洞成像圖及部分鉆井取心可知，構造作用在巖體內發育高角度裂縫（70°～80°）和低角度斜交縫（30°～45°），順裂縫巖心成像顏色為暗黑色，表明裂縫作為高導層，內部多充填油氣等低阻流體，為良好的流體運移、儲存空間.微觀上，研究區火山巖巖心和薄片觀察顯示，裂縫多切過原本獨立存在的、互不連通的或連通性很差的火山巖原生孔洞與次生溶孔，進而提高火山巖的孔隙度和滲透性（見圖5）.此外，裂縫為地層深部流體上升通道，流體可溶蝕孔隙充填物，進而增大裂縫寬度、改善儲層，裂縫和液體的相互作用對改善儲層物性形成良性循環.

圖5 裂縫對儲層的影響Fig.5 The influence of fracture on volcanic reservoir

3.3 風化淋濾作用和溶蝕作用

風化淋濾作用和溶蝕作用是決定火山巖儲層次生孔縫發育狀況的主要成巖后生作用，次生孔縫的發育是影響火山巖儲層儲集性能的重要因素.準噶爾盆地西北緣哈山地區石炭系與上覆地層間存在一個較大的不整合面；火山巖形成后大多經歷較長時間的風化剝蝕[15]，受表生成巖作用和大氣降水的淋濾溶蝕作用影響，產生大量的孔、洞、縫.

隨著埋藏深度的增加，研究區石炭系火山巖之上地層及南部不同時代瑪湖生烴凹陷中發育的烴源巖逐漸進入成熟階段，在熱演化過程中產生大量機酸且釋放CO2等組分，融入成巖作用產生的水中而形成酸性流體，通過不整合面、裂縫和斷層等進入火山巖儲層中，使火山巖中的方解石、綠泥石等充填物和硅酸鹽等造巖礦物被溶蝕，產生溶蝕孔縫，不同程度地改善儲層儲集性能：（1）凝灰巖儲層致密，原生基質孔隙難以成為有效儲層，只有經過構造運動產生大量裂縫且發生溶蝕作用，才能形成有效儲層；（2）火山角礫巖發育原生礫間孔，但多被方解石、綠泥石充填，并且連通性較差、儲滲能力一般，只有裂縫發育，增強原生礫間孔之間的連通性，促進溶蝕作用，才能有效改善此類儲層的儲滲能力，而形成良好儲層；（3）安山巖抗壓強度弱，產生大量裂縫，溶蝕作用溶蝕長石斑晶和玻璃基質等，改善儲層的儲集性能；（4）玄武巖難以形成裂縫，溶蝕作用不強，難以有效改善儲層.

4 結論

（1）準噶爾盆地西北緣哈山地區石炭系火山巖主要為酸性巖類的火山角礫巖和凝灰巖、中性巖類的安山巖，以及基性巖類的玄武巖，其他巖性少量分布.

（2）研究區火山巖儲集空間類型分為原生和次生兩類，原生儲集空間主要為氣孔和礫間孔，次生儲集空間主要為次生溶孔和次生裂縫，次生儲集空間為主要儲集空間類型.

（3）研究區石炭系火山巖儲層的儲集性能普遍較差，總體表現為中—低孔隙度、低—特低滲透性、非均質性極強，其中火山角礫巖物性最好，為石炭系最有利儲集層，其次為安山巖和凝灰巖，玄武巖儲集性能最差.

（4）火山巖的巖性、巖相、構造活動及溶蝕作用是儲層儲集性能的主要影響因素：巖性和巖相決定火山巖的儲集性能；構造活動強化儲層中裂縫的發育程度和規模，有利油氣運聚且有助于產生溶蝕作用；溶蝕作用有效改善儲層次生孔隙的發育，提高巖石孔隙度與滲透率.

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