德惠斷陷沙一段凝灰巖儲層特征及測井識別

周 健，單玄龍，遲喚昭，岳慶友，蒼正毅

(1.吉林大學，吉林 長春 130026；2.東北亞生物演化與環境教育部重點實驗室，吉林 長春 130026)

0 引 言

隨著全球對油氣資源需求量的不斷加大和常規油氣資源的不斷減少，非常規油氣逐漸成為新的勘探開發領域，在能源結構中所占比例越來越大[1]。其中，致密油氣藏已成為油氣儲量增長的新突破口。目前，世界上大部分地區均發現了致密油氣資源，如美國的德克薩斯南部的Eagle Ford頁巖油氣田，中國鄂爾多斯盆地中生界延長組致密砂巖油氣田和川中地區侏羅系致密灰巖油氣藏[2]。2012年，在德惠斷陷發現了新的油氣藏類型——凝灰巖致密氣藏[3]。凝灰巖是指火山作用產生的火山灰降落形成的具有凝灰或塵屑結構的巖石，屬于由火山碎屑巖向正常沉積巖過渡的巖石類型，火山碎屑物體積分數一般為50%～90%，顆粒較細[4-5]。凝灰物質進入湖盆發生沉積作用，可通過火山灰直接從空中降落到湖盆，即“空降型”，也可通過流水搬運，經再沉積作用進入湖盆，即“水攜型”[6-8]。德惠斷陷沙一段凝灰巖主要是火山灰降落到匯水盆地中形成的，同時也遭受地表流水的影響，具有多變的儲層類型，不同類型的儲層儲集性能差別較大[9]。部分學者認為，凝灰巖儲層的形成與分布主要受火山作用控制[10]，目前關于凝灰巖儲層特征及測井巖性識別的研究相對較少。該文擬以凝灰巖巖礦鑒定、測試數據為基礎，研究德惠斷陷凝灰巖儲層特征，并采用測井曲線巖性識別圖版，有效地評價和識別凝灰巖儲層, 從而指導該區的油氣勘探。

1 區域地質概況

德惠斷陷位于松遼盆地東南隆起區，面積約為4 053 km2，是在晚古生代淺變質基底上發展起來的中生代沉積盆地，其內廣泛發育上侏羅統和白堊系的湖泊相—河流相沉積地層,油氣的生儲蓋組合也較為發育，為有利含油氣斷陷[11-12]。根據構造特征可劃分為德惠地塹、農安地塹、鮑家箕狀洼陷、華家斜坡帶、龍王箕狀洼陷、開安—合隆鼻狀構造帶、蘭家箕狀洼陷7個次級構造單元[13](圖1)。華家斜坡帶是此次主要研究區，鉆井揭示該區由下部斷陷層(火石嶺組、沙河子組和營城子組)與上部凹陷層(登婁庫組、泉頭組、青山口組、姚家組)組成[14]。沙河子組處于快速沉降斷陷期，自下而上形成了一個“粗—細—粗”的完整沉積旋回[15]。沙一段時期，受火石嶺組火山作用的影響，沉積了一套厚約為30～40 m的凝灰巖，綜合解釋為氣層—差氣層，壓裂后日產氣為1 000～1 400 m3/d，具有一定的工業開采價值，標志著德惠斷陷凝灰巖致密油氣的勘探取得了一定突破。沙二段時期主要為灰黑色泥巖、粉砂巖及細砂巖的細粒沉積。垂向上沙一段主要發育火山沉積相、近岸扇及扇三角洲相沉積；沙二段以濱淺湖—深湖沉積相為主。平面上盆地邊緣主要為扇三角洲、近岸扇及湖沼相沉積，中央則以深湖相沉積為主[16]。

圖1德惠斷陷區域地質概況

2 凝灰巖巖石學特征

德惠斷陷沙一段凝灰巖儲層巖石類型多樣，分別為晶屑凝灰巖、玻屑晶屑凝灰巖和凝灰質砂巖。晶屑凝灰巖的原始組成以晶屑為主，含有少量凝灰級玻屑和火山塵，正交偏光鏡下不消光，分布于距離火山口相對較近的地方[17](圖2a、b)。玻屑晶屑凝灰巖物質組成與晶屑凝灰巖基本相同(圖2c)，含有一定量的玻屑成分，但仍以晶屑為主，晶屑含量大于50%，分布于距火山口稍遠的地方。二者均含有少量炭質碎屑和泥質條帶，具有一定的碎屑沉積特征。凝灰質砂巖仍具凝灰結構，但陸源碎屑物質含量高，大于50%，黏土礦物含量也較高，孔隙欠發育，屬于凝灰巖向沉積巖過渡的巖石類型(圖2d)。凝灰質砂巖儲集性能較晶屑凝灰巖和玻屑晶屑凝灰巖差。

從X衍射測得的凝灰巖礦物組成來看(表1)，凝灰巖礦物組分比較復雜，石英、長石是主要的礦物成分，其中，石英含量為30%～47%，長石含量為25%～37 %，黏土礦物含量也較高，平均大于20%，方解石含量較少，平均小于10%。凝灰質砂巖中石英和長石礦物含量均小于凝灰巖，黏土礦物含量極高，為47%。晶屑凝灰巖和凝灰質砂巖中黏土礦物含量較高，主要原因可能是受較多陸源碎屑物質影響造成的。

圖2 德惠斷陷沙一段凝灰巖巖石學特征

表1 沙一段凝灰巖全巖礦物組分

3 凝灰巖儲層特征

3.1 儲集空間類型

德惠斷陷沙一段凝灰巖儲層較為致密，在普通薄片中難以看到孔隙，但在高分辨率的掃描電鏡和鑄體薄片下可觀察到數量巨大的微小孔隙[18]。通過分析研究區樣品的掃描電鏡圖像和鑄體薄片，可將凝灰巖微觀儲集空間分為孔隙和裂縫兩大類。

孔隙類：按成因可分為原生孔隙和次生孔隙。原生孔隙以火山灰微晶脫玻化形成的粒間微孔(圖3a)和石英長石脫玻化形成的粒間孔為主(圖3b)，這種脫玻化形成的孔隙類型通常只在火山巖中出現。一般情況下脫玻化作用的強度與玻屑含量成正比，且脫玻化作用越強，孔隙度越好[19]。

凝灰巖中次生孔隙以粒內溶孔為主，此外還有鑄模孔及黏土礦物中的孔隙(圖3c—e)，次生孔隙是凝灰巖儲層中的主要儲集空間[20]。粒內溶孔主要是長石溶蝕孔，長石溶蝕孔是由長石晶屑及長石礦物經溶蝕作用形成的，其形成過程與沉積有機質在生烴過程中產生的有機酸對不穩定礦物的溶蝕作用有關[21]。

裂縫類：裂縫能較大地提高烴類產能，即使已經被充填，但仍能影響和誘導新裂縫的產生，對致密油氣藏的開采有重要意義[22]。德惠斷陷沙一段凝灰巖儲層中可見高角度微裂縫，部分縫內被方解石充填，含氣性顯示普遍，可作為天然氣的運移通道(圖3f)。

3.2 物性特征及孔喉結構

對研究區20塊巖心樣品實測數據分析表明(表2)：德惠斷陷沙一段凝灰巖儲層物性波動較大。晶屑凝灰巖和玻屑晶屑凝灰巖孔隙度主要為7.0%～16.0%，平均為11.4%；滲透率極低，平均滲透率為0.04×10-3μm3，為中低孔、特低滲儲層。凝灰質砂巖由于晶屑和玻屑含量較低，脫玻化作用較弱，孔隙度和滲透率較差，孔隙度小于7.0%，滲透率小于0.02×10-3μm3，同時受到充填于微孔之中黏土礦物顆粒的干擾，形成低孔、特低滲儲層。

圖3 德惠斷陷沙一段凝灰巖儲集空間類型

表2 德惠斷陷沙一段凝灰巖儲層物性參數統計

對研究區沙一段2塊凝灰巖樣品的壓汞參數統計表明：排驅壓力為17～32 MPa，平均為25 MPa，中值壓力較大，大于43 MPa。較高的排驅壓力和中值壓力表明儲層滲透性很差。中值喉道半徑R50很小，喉道半徑主要為0.016～0.063 μm，表現為微細喉道特征(據SYT 6285-2011油氣儲層評價方法標準)。最大進汞飽和度較大，為35%～80%，平均為58%，退汞效率低，平均為21%，表明喉道和孔隙間的連通性較差。通過研究該區樣品毛細管曲線形態可知，壓汞曲線平臺不明顯，分選不好，為略細歪度，故儲層喉道分選性較差。綜上所述，德惠斷陷沙一段凝灰巖儲層具中低孔、特低滲、微細喉道的特征。

3.3 黏土礦物對儲層的的影響

研究區沙一段凝灰巖儲層厚度較大，含氣普遍，但產量較低，平均為1.5×103～1.7×103m3/d。沙一段凝灰巖中黏土礦物含量較高，為15.6%～46.8%，平均為27.7% ；凝灰質砂巖中含量更高，為47.0%。黏土礦物的形成與火山碎屑巖孔隙形成時的脫玻化作用和溶蝕作用有關，此過程使火山巖黏土化嚴重。高含量的黏土礦物充填在極其微小的凝灰巖微孔中，使得儲集性能極差。對黏土礦物成分分析表明(表1)，伊蒙混層含量最高，為59%～81%，平均為72%，其次是伊利石，為13%～26%，高含量的伊蒙混層黏土礦物易于使儲層發生水鎖現象，對儲層滲透率傷害極大。

此外，凝灰巖中黏土礦物的敏感性嚴重，膨脹實驗表明，巖心遇煤油平均膨脹率為-6.50%，遇水平均膨脹率為31.25%，為強水敏特征。水敏性黏土礦物的水化、膨脹，一方面壓縮了巖石的孔喉直徑，另一方面又使一些地層微粒從孔壁上散落下來，在孔喉中遷移，并產生橋堵現象，從而降低了儲層的滲透率，造成低產。

4 凝灰巖儲層測井巖性識別

在巖心取心率低和無井的情況下，通過測井手段可以更加準確地進行巖性識別。德惠斷陷沙河子組一段自上而下分別為泥巖層、凝灰質砂巖層、凝灰巖層和火山角礫巖層。選取對巖性敏感的自然伽馬(GR)、補償密度(DEN)、聲波時差(AC)和地層真電阻率(Rt)4種測井資料，建立了德惠斷陷沙一段凝灰巖巖性識別圖版，確立了典型巖性的識別標準。

4.1 GR-DEN與AC-DEN巖性識別圖版

利用GR-DEN巖性識別圖版進行測井巖性識別(圖4a)。由圖4a可知，泥巖與凝灰巖的巖性區分較為明顯，DEN大于2.52 g/cm3為泥巖；DEN小于2.52 g/cm3為凝灰巖，泥巖的密度明顯大于凝灰巖。凝灰質砂巖與其他三者界限明顯，凝灰質砂巖GR為70～110 API，DEN為2.45～2.60 g/cm3；火山角礫巖DEN介于泥巖和凝灰巖之間，只可大體區分出其與泥巖、凝灰巖的界限，GR則不能有效的區分三者。

故利用GR可較容易地區分出凝灰質砂巖，而利用DEN可大體區分出泥巖，火山角礫巖及凝灰巖，三者DEN依次減小。

AC-DEN巖性識別圖版(圖4b)是對GR-DEN巖性識別圖版的一個良好補充，可在泥巖和凝灰巖中較好的識別火山角礫巖。火山角礫巖AC為210～230 μs/m,DEN為2.45～2.55 g/cm3，相較于泥巖和凝灰巖，分別具有較低的聲波時差和中等的密度的特征。而聲波時差曲線不能有效區分凝灰質砂巖與火山角礫巖。

圖4德惠斷陷沙一段GR-DEN與AC-DEN巖性識別圖版

4.2 Rt- AC巖性識別圖版

利用Rt-AC巖性識別圖版進行測井巖性識別(圖5)。由圖5可知，4種巖性的Rt與AC均呈現出一定的線性關系，AC隨Rt的增大而減小。泥巖Rt值最小，小于35Ω·m，AC中等，為225～255 μs/m；凝灰巖Rt偏低，為15～55 Ω·m ，AC最大，為235～285 μs/m；凝灰質砂巖Rt分布范圍較廣，為35～105 Ω·m，AC值較小，小于235 μs/m；火山角礫巖AC值最小，小于220 μs/m，Rt較大，為30～110 Ω·m。

5 結 論

(1) 德惠斷陷沙一段凝灰巖儲層發育有晶屑凝灰巖、玻屑晶屑凝灰巖和凝灰質砂巖。礦物成分以石英和長石為主，并含有一定量的黏土礦物。

(2) 凝灰巖儲層儲集空間類型以次生孔隙為主，主要為長石溶蝕孔、鑄模孔及黏土礦物中的孔隙。晶屑凝灰巖和玻屑晶屑凝灰巖儲集性能較好，具中低孔、特低滲微細喉道的特征；凝灰質砂巖儲集性能較差，具低孔、特低滲的特征。微小的喉道和以伊蒙混層為主的強水敏的黏土礦物對凝灰巖儲層滲透率傷害極大。

(3) 由測井曲線巖性識別圖版可知，凝灰巖儲層以低的DEN、相對高的GR與AC和較低的Rt，區別于泥巖、凝灰質砂巖和火山角礫巖。

圖5德惠斷陷沙一段Rt-AC巖性識別圖版

[1] 賈承造,鄭民,張永峰.中國非常規油氣資源與勘探開發前景[J].石油勘探與開發,2012,39(2):129-136.

[2] 張君峰,畢海濱,許浩,等.國外致密油勘探開發新進展及借鑒意義[J].石油學報,2015,36(2):127-137.

[3] 陳旋,李杰,梁浩,等.三塘湖盆地條湖組沉凝灰巖致密油藏成藏特征[J].新疆石油地質,2014,35(4):386-390.

[4] 邱欣衛,劉池洋,毛光周,等.鄂爾多斯盆地上三疊統延長組凝灰巖夾層Th元素的富集特征[J].地質通報,2010,29(8):1185-1191.

[5] 宮清順,倪國輝,蘆淑萍,等.準噶爾盆地烏爾禾油田凝灰質巖成因及儲層特征[J].石油與天然氣地質,2010, 31(4): 481-485.

[6] ATRI A D, PIERRE F D , LANZA R, et al. Distinguishing primary and resedimented vitric volcaniclastic layers in the Burdigalian carbonate shelf deposits in Monferrato (NW Italy) [J].Sedimentary Geology, 1999,129(2):143-163.

[7] HAALAND H J, FURNES H , MARTINSEN O J. Paleogene tuffaceous intervals, Grane field (Block 25/11), Norwegian North Sea: Their depositional, pertrographical, geochemical characters and regional implications[J].Marine and Petroleum Geology, 2000,17(1):101-118.

[8] DUNGGEN S, OLGUN N , CROOT P. The role of airborne volcanic ash for the surface ocean biogeochemical iron-cycle: A review[J]. Biogeosciences, 2010, 7(3): 827-844.

[9] 馬劍,黃志龍,鐘大康,等.三塘湖盆地馬朗凹陷二疊系條湖組凝灰巖致密儲集層形成與分布[J].石油勘探與開發,2016,43(5):714-722.

[10] 邱欣衛,劉池洋,李元昊,等.鄂爾多斯盆地延長組凝灰巖夾層展布特征及其地質意義[J].沉積學報,2009,27(6):1138-1146.

[11] 趙力彬,黃志龍,馬玉杰,等.松遼盆地南部德惠斷陷深層天然氣地球化學特征及成因[J].天然氣地球科學,2006(2):177-182.

[12] 王啟,劉瑞,賈可心,等.德惠斷陷含氣儲層特征及其控制因素[J].遼寧化工,2017,46(8):785-789.

[13] 單祥,季漢成,賈海波,等.德惠斷陷下白堊統碎屑巖儲層特征及控制因素分析[J].東北石油大學學報,2014,38(4):23-31.

[14] 李文濤.民豐洼陷深層天然氣地球化學成因[J].油氣地質與采收率,2009,16(2):36-38，113.

[15] 張大智,張曉東,楊步增.徐家圍子斷陷沙河子組致密氣地質甜點綜合評價[J].巖性油氣藏,2015,27(5):98-103.

[16] 楊悅舒,劉洛夫,徐正建,等.松遼盆地南部德惠斷陷下白堊統營城組碎屑巖儲層成巖作用及成巖相[J].東北石油大學學報,2017,41(3):52-62.

[17] 馬劍,黃志龍,劉再振,等.三塘湖盆地條湖組含沉積有機質凝灰巖致密儲層特征[J].地學前緣,2015,22(6):185-196.

[18] 鄒才能,朱如凱,白斌,等.中國油氣儲層中納米孔首次發現及其科學價值[J].巖石學報,2011,27(6):1857-1864.

[19] 趙海玲,黃微,王成,等.火山巖中脫玻化孔及其對儲層的貢獻[J].石油與天然氣地質,2009,30(1):47-52，58.

[20] 程岳宏,趙厚祥,于水,等.緬甸Shwebo次盆島弧帶儲層特征與主控因素分析[J].特種油氣藏,2016,23(1):72-75，154.

[21] 徐雄飛,文川江,李玉平,等.馬朗凹陷條湖組凝灰巖致密儲層特征及形成條件分析[J].巖性油氣藏,2017,29(3):34-41.

[22] LOUCKS R G, REED R M , RUPPEL S C, et al. spectrum of poretypes and networks in mudrocks and descriptive classification for matrix-related mudrock pores[J]. AAPG Bulletin, 2012,96(6):1071-1098.