四川盆地二疊系火山巖巖相與儲層特征

文 龍 李 亞 易海永 劉 鑫 張本健 邱玉超 周 剛 張璽華

1.中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院 2.中國石油西南油氣田公司 3.中國石油西南油氣田公司川西北氣礦

0 引言

受峨眉地裂運動影響，四川、貴州及云南等地區在二疊紀中晚期廣泛發育巨型厚層基性火山巖堆積，即“峨眉山玄武巖”，是被國際學術界認可的大火成巖省[1-2]。自1966年四川盆地威西地區WY25井鉆遇玄武巖至今，四川盆地已鉆遇二疊系火山巖的井有92口。其中，1992年完鉆的ZG1井在二疊系鉆揭301.5 m玄武巖，測井解釋了厚度為14.6 m的裂縫型儲層，測試日產氣量為25.61×104m3，該井2002年投入生產，截至2010年（停產前）已累計產氣2 396.22×104m3，累計產水20.94×104m3。后續鉆探井發現玄武巖含氣性相對較差，多口井測試產水或為干層，勘探工作一度停滯。近期，位于四川盆地西部龍泉山構造帶的中石油永探1井在二疊系火山巖段鉆遇火山碎屑熔巖孔隙型儲層，氣顯示好，測試獲得日產量為22.5×104m3的工業氣流，標志著該盆地內二疊系火山巖勘探取得重大突破。

鉆探成果表明，永探1井二疊系發育的火山巖為偏堿性的基性火山碎屑熔巖，儲集物性較好，為優質孔隙型儲層，與前期鉆遇的玄武巖裂縫型儲層特征差別較大。與永探1井相距21 km的中石化永勝1井也鉆遇了同樣高孔滲的火山碎屑熔巖儲層，展現出火山碎屑熔巖具有良好的勘探前景。為此，筆者從四川盆地二疊系火山巖巖性、巖相入手，分析其巖性、巖相特征及分布特征，探討巖相控制下的巖性對火山巖儲集空間特征的控制作用，以期為四川盆地火山巖天然氣勘探部署提供依據。

1 火山巖巖石類型及巖相特征

1.1 火山巖化學成分分類

根據已完鉆井巖心和元素測井資料，四川盆地二疊系火山巖按照TAS（Total Alkali Silica）分類，主要為偏堿性或亞堿性的基性、超基性巖類。

永探1井二疊系火山巖為含火山巖角礫、灰巖角礫的火山巖碎屑熔巖，去除灰巖角礫的影響后，火山巖的二氧化硅含量介于35%～52%，在TAS圖版基性、超基性巖范圍內（圖1）。ZG2井玄武巖的SiO2含量介于45%～50%，為基性巖類，與峨眉山火山巖主體區類似[3]。

根據火山巖內K2O、Na2O含量，永探1井火山巖整體偏堿性。在TAS圖版中在堿玄巖范圍內的數據點最多，其次是副長石巖、玄武粗安巖及粗面玄武巖。ZG2井玄武巖類則堿性相對較弱，多在亞堿性范圍或在堿性—亞堿性分界線附近。

前人研究認為峨眉山玄武巖的形成與地幔柱活動有關[4-6]，永探1井呈偏堿性的基性火山巖與幔源巖漿具有相似性[7]。因此盆地內成都—簡陽地區火山巖的形成與峨眉山地幔柱活動具有一定成因聯系。

圖1 四川盆地永探1井、ZG2井二疊系火山巖TAS圖版

1.2 火山巖巖石類型

根據四川盆地內已鉆井揭示的巖性特征，參考國內對火山巖以化學成分、礦物成分及其含量、結構構造及產狀的綜合分類方法[8-9]，四川盆地內發育火山熔巖和火山碎屑熔巖、火山碎屑巖、沉火山碎屑巖4大類（表1）。

1.2.1 火山熔巖

四川盆地二疊系火山熔巖主要為玄武巖，呈雜色、灰黑色塊狀，致密堅硬（圖2-a）；礦物成分主要為長石、輝石、角閃石、磁鐵礦（表1）；鏡下呈斑狀微晶或細晶結構（圖2-b），可識別出伊丁石、綠泥石、蛋白石、沸石等次生礦物。玄武巖主要分布在四川盆地西南部雅安—樂山—屏山地區。

1.2.2 火山碎屑熔巖

成都—簡陽地區為火山碎屑熔巖的主要發育區。永探1井、永勝1井取心段巖性主要為火山碎屑熔巖，巖性細分為火山角礫熔巖、凝灰質角礫熔巖和含凝灰角礫熔巖。根據巖心、元素測井及成像測井資料，結合巖石角礫大小、數量及熔巖中氣孔發育程度，將二疊系火山巖由下至上可劃分為3個噴發旋回，每個旋回的下部角礫大且含量較多，向上角礫逐漸變小，氣孔杏仁構造增多（圖3）。

表1 四川盆地火山巖巖性分類表

圖2 四川盆地二疊系火山巖巖性特征照片

火山碎屑熔巖中含大量角礫、凝灰，被黑色?；|和細小的白色長英質礦物包裹（圖2-c）。角礫成分與基質一致或為結晶較好的玄武巖，局部井段發育灰巖角礫。鏡下可識別礦物包括伊丁石化的橄欖石、蝕變輝石、角閃石和長石（圖2-d），可見大量后期蝕變和交代產物，如綠泥石和方解石等。

1.2.3 火山碎屑巖

四川盆地內發育的火山碎屑巖以凝灰巖為主，為凝灰級玻屑及火山塵構成（圖2-e）。凝灰巖厚度一般較小，單層不超過5 m，且分布與火山噴發旋回關系密切。如ZG1井玄武巖頂部發育厚度為3 m的凝灰巖；ZG2井發育3個噴發旋回，旋回底部發育塊狀玄武巖，中部為杏仁狀玄武巖，凝灰巖則發育在噴發旋回上部，單層厚度介于2～4 m，因經歷表生風化作用呈紅色。

1.2.4 沉火山碎屑巖

四川盆地內的沉火山碎屑巖以沉凝灰巖、凝灰質粉砂巖、凝灰質泥頁巖為主。沉凝灰巖物質組成與凝灰巖基本相同，含有一定量的玻屑及晶屑（圖2-f），凝灰質粉砂巖、凝灰質泥頁巖則含有一定量的粉砂巖、泥頁巖等陸源碎屑物質。沉火山碎屑巖類主要分布于火山巖主體區外圍，如川中地區的NC2井等。

1.3 巖相特征及巖相分布

四川盆地內大面積分布的火山巖相主要有3種類型：溢流相、噴溢相和火山沉積相。

圖3 永探1井火山巖段巖性柱狀圖

溢流相巖性為火山活動時呈熔巖狀態的玄武巖，以大面積的巖流、巖被狀態存在。地震反射特征為在龍潭組底界下方呈平行—亞平行或空白反射，上二疊統龍潭組底界至中二疊統底界時差大于170 ms。地震刻畫溢流相主要分布在川西南雅安—樂山—屏山地區（圖4），為峨眉山玄武巖主體區內的巖漿向盆地內溢流形成[10]，厚度自南西向北東逐漸減薄，在100 km范圍內玄武巖厚度從近600 m逐漸減薄至消失。永探1井火山巖頂部發育厚度為10 m的玄武巖。此外，川中地區也有零星薄層玄武巖分布，如MT1井、MX105井等。

噴溢相巖性以角礫熔巖、凝灰質角礫熔巖、含凝灰角礫熔巖等火山碎屑熔巖為主。成都—簡陽地區火山巖為偏堿性的基性、超級基性巖類，熔巖黏度低、流動性較好，未形成以火山碎屑巖為主的爆發相，而是在火山強烈噴發階段在噴發中心附近發育含空落火山角礫的火山碎屑熔巖，巖性主要是熔巖及熔巖流動過程中形成的自碎角礫，與典型爆發相火山碎屑巖和溢流相玄武巖有差異，是溢流相與爆發相的過渡類型。這類巖相是四川盆地火山巖儲層發育的主要相帶，有必要將其單獨劃相，筆者將其定義為噴溢相。

鉆井揭示成都—簡陽地區發育噴溢相火山巖。地震反射特征為在龍潭組底界下方呈丘狀雜亂或亞平行—雜亂反射，龍潭組底界至中二疊統底界時差介于170～220 ms。地震刻畫表明靠近火山主體位置的成都—簡陽地區火山碎屑熔巖厚度介于200～350 m，向邊緣厚度逐漸減薄至50 m以下，簡陽—三臺地區也發育噴溢相火山巖（圖4）。

火山沉積相是火山巖相向沉積巖相過渡的相帶，火山碎屑被水流搬運后再沉積，巖石具沉積層理和構造，主要發育沉火山碎屑巖。沉火山碎屑巖在四川盆地分布范圍較廣，鉆井揭示川西南部地區玄武巖分布區外圍、川中地區NC1—NC2井區附近及川東北部地區大天池構造DT5、QL12井等井區均有薄層狀沉凝灰巖、凝灰質粉砂巖、凝灰質泥頁巖發育。由于厚度一般較薄，地震反射特征不明顯，平面展布范圍難以刻畫龍潭組底界至中二疊統底界時差介于110～130 ms，與火山巖不發育的地區時差一致。

圖4 川西南地區火山巖相平面圖

2 火山巖儲層特征

四川盆地火山巖儲層巖性主要為火山碎屑熔巖和玄武巖。火山碎屑熔巖發育孔隙型儲層，物性好；玄武巖基質孔隙度較低，裂縫發育，為孔隙—裂縫型儲層；凝灰巖和沉凝灰巖巖性致密，儲集性能較差，多為非儲層。

2.1 火山碎屑熔巖儲層特征

火山碎屑熔巖儲層總體為物性較好、孔滲正相關性好、孔隙分布不均、孔喉結構均質性好的孔隙型儲層。孔隙型儲層基質孔隙發育，并通過孔隙網絡滲流，孔滲關系好，具有較好的儲集性[11]。

2.1.1 物性特征

永探1井火山巖段取心長度為5.63 m，取心段巖性為火山碎屑熔巖。7個全直徑樣測試孔隙度介于6.68%～13.22%，平均值為10.26%；滲透率介于0.52～4.43 mD，平均值為2.35 mD（圖5-a、b）。23個柱塞樣氦氣法測試孔隙度介于8.66%～16.85%，平均值為13.71%，主要介于14%～16%；滲透率介于0.003～0.180 mD，平均值為0.085 mD，主要介于0.10～0.20 mD（圖5-a、b），為中孔、低滲儲層。永探1井基質孔隙發育、裂縫欠發育，為孔隙型儲層，孔隙度與滲透率具有較好的正相關性（圖5-c），表明火山巖既具有儲集能力，又具有良好的滲流能力。

圖5 永探1井二疊系火山巖儲層物性特征圖

表2 四川盆地二疊系火山碎屑熔巖儲集空間類型及成因表

圖6 永探1井火山巖儲集空間類型照片

2.1.2 儲集空間類型

二疊系火山碎屑熔巖儲集空間類型較為復雜，主要為孔隙、裂縫和由它們組成的復合體。結合前人分類方案，可劃分為原生孔隙、次生孔隙和裂縫3大類[12-13]，進一步細分，研究區火山巖儲層發育殘余氣孔、脫?；⒖住⒘热芸?、粒間溶孔及構造溶蝕縫等類型（表2、圖6）。

殘余氣孔：巖漿噴出地表時，由于溫度、圍壓急劇降低，巖漿中所含的H2O、CO2等揮發分迅速達到過飽和而分離形成氣泡，這些氣泡一部分逸散于大氣中，一部分由于巖漿迅速冷卻凝固而保留在巖石中形成孔洞，形成各種大小和形狀的氣孔[9]。永探1井火山碎屑熔巖中氣孔較為發育，大小多為0.1 mm×0.1 mm，呈圓形或不規則狀，相互多不連通（圖6-a），鏡下可見綠泥石等次生礦物半充填。

脫玻化微孔：火山碎屑熔巖由于迅速冷卻來不及結晶而形成不穩定的玻璃質，玻璃質在冷卻過程中形成晶體，即為玻璃的脫玻化作用[14]。脫玻化使礦物體積縮小，可形成大量微孔隙；同時，脫?；纬傻匿X硅酸鹽等礦物在后期受溶蝕作用也可產生溶蝕孔隙。由于這兩種孔隙難以區分，故統稱為脫玻化溶蝕孔[14]。鑄體薄片鏡下可見脫?；芪g微孔呈彌散狀連片分布（圖6-b），掃描電鏡下為蜂窩狀（圖6-c），周邊礦物多為鈉長石、鉀長石或輝石。實測孔隙度、滲透率相對較高，是二疊系火山碎屑熔巖主要的儲集空間類型。

碎屑顆粒內（間）溶孔：溶蝕孔洞多是在原始孔隙（如氣孔、粒間孔）的基礎上受后期溶蝕改造而成，形成邊緣不規則、體積相對較大的儲集空間（圖6-d、e）。

裂縫：研究區火山碎屑熔巖儲層裂縫整體發育較差，多為成巖后受構造應力作用形成，并受后期流體溶蝕改造擴大[15]。一般縫壁不光滑，裂縫多寬窄不一，且有其他物質充填—半充填（圖6-f）。

2.1.3 孔隙結構特征

孔隙結構是影響儲層滲流能力的主要因素，壓汞、CT掃描等試驗結果表明，火山碎屑熔巖儲層結構整體較好。CT掃描反映孔隙的分布有較強的非均質性，毛細管壓力曲線則表明孔喉分布的均質性較好，表現出火山碎屑熔巖孔隙強非均質分布與孔喉結構均質分布的特殊儲層特征。

圖7為巖心柱塞樣CT掃描圖，紅色區域為連通范圍廣的孔隙，藍色、綠色部分代表連通范圍小的孔隙，這表明巖石非均質性強，一部分孔隙發育較好，相互間連通性也較好；一部分較為致密。

圖7 永探1井巖心CT掃描孔隙分析視圖

圖8 永探1井巖心樣品毛細管壓力曲線圖

毛細管壓力曲線總體呈現出中細歪度、分選較好、以中小喉為主的儲層特征（圖8）。圖8-a為井深5 650.92 m樣品，其孔隙度為16.85%，滲透率為0.125 mD，中值半徑為0.151 μm，最大孔喉半徑為0.658 μm，最大進汞飽和度為88.20%，退汞效率為43.06%；圖8-b為井深5 648.15 m樣品，其孔隙度為10.32%，滲透率為0.011 mD，中值半徑為0.070 μm，最大孔喉半徑為0.408 μm，最大進汞飽和度為83.73%，退汞效率為29.96%。兩個樣品的毛細管壓力曲線特征與物性測試成果表現較為一致。

2.2 玄武巖儲層特征

玄武巖儲層總體為基質孔隙度低、裂縫發育的孔隙—裂縫型儲層。裂縫性儲層的裂縫多發育在物性相對較差、致密的巖石中，滲透率與孔隙度之間關系沒有規律[11]。

2.2.1 儲層物性

根據周公山和漢王場構造231個玄武巖巖心樣品孔隙度測試結果，玄武巖孔隙度平均值為2.20%，主要分布介于1%～3%，占全部樣品的54%，表明研究區玄武巖孔隙度相對較低，儲集能力比火山碎屑熔巖差。

2.2.2 儲集空間類型

玄武巖主要發育殘余氣孔、粒間溶孔、冷凝收縮縫、構造裂縫等儲集空間（圖9）。

殘余氣孔：玄武巖噴發旋回上段可見大量氣孔及杏仁體，主要呈圓形或不規則形，氣孔多被玉髓、石英或瀝青充填—半充填，形成殘余氣孔，但連通性較差（圖9-a、b）。

溶蝕孔隙：玄武巖儲層中也可見礦物部分或全部被溶蝕形成的溶蝕孔隙，主要發生在長石或蝕變礦物附近，形狀多不規則（圖9-c、d）。

裂縫：玄武巖中裂縫較發育，多為冷凝收縮縫、構造縫及構造溶蝕縫等。裂縫可能溝通孤立的殘余氣孔，擴大儲層儲集滲流能力，在裂縫交匯處，更容易形成溶蝕擴大孔等（圖9-e、f）。

圖9 ZG2井玄武巖儲集空間類型照片

3 火山巖儲層主控因素

火山巖儲層成因特殊，影響其儲層發育的因素較多，主要與巖性、巖相、后期流體改造及構造作用等因素有關，這幾種因素共同作用控制了儲層品質與分布。

3.1 火山巖巖性控制儲集空間類型，是優質儲層形成的基礎

巖心、鏡下薄片觀測及物性測試結果表明，在四川盆地發育的火山巖中，火山碎屑熔巖的原生孔隙及溶蝕孔隙最為發育，玄武巖次之，凝灰巖及沉凝灰巖儲集性能差。

玄武巖與峨眉山大火成巖省有密切的成因聯系，噴發范圍廣、厚度大、下部巖漿房規模較大等因素使已噴出的玄武巖經受持續高溫、緩慢冷卻，結晶較充分，礦物顆粒排列緊密，晶間孔隙不發育。同時氣體隨著溫度下降而逐漸揮發出來，來不及散逸者聚集至噴發旋回上部，可形成較為富集的氣孔。

火山碎屑熔巖表現出快速冷凝的特征，礦物結晶程度低，玻璃質含量較高。在其快速冷卻的過程中大量氣體未能散逸，使巖石中的微孔得以保存，形成物性好的儲層。另外，巖石冷卻過程中經歷脫玻化作用，也形成大量彌散狀孔隙。噴溢相火山碎屑熔巖發育區位置距離峨眉山大火成巖省噴發中心較遠、厚度相對較薄、規模較小，下部無大規模巖漿活動持續供熱，且古地貌較川西南地區溢流相玄武巖區低，可能為水下噴發，為其快速冷卻形成優質儲層創造了有利條件。

任康緒等[16]研究發現，由于K2O、Na2O等堿性組分化學活動性較強，堿性組分含量與溶蝕增孔量呈較好的線性正相關關系，因此富堿性火山巖更容易發生溶蝕，產生較好的次生儲集空間?；鹕綆r的溶蝕增孔中長石類尤其是堿性長石溶孔往往占比更高[16]。前已述及，盆地內火山碎屑熔巖比玄武巖相對更富堿性，且富含鉀長石和鈉長石，因此在后期成巖改造過程中更易溶蝕增孔，發育更多的次生儲集滲流空間。

3.2 火山巖巖相控制優質儲層的分布

溢流相玄武巖儲層中，氣孔多聚集在噴發旋回中上部，若疊加裂縫溝通孔隙，溢流相火山巖旋回頂部則能成為孔隙發育較有利的相帶。溢流相平面上主要分布于川西南部地區，研究區玄武巖厚度較大，縱向上多發育3～5個噴發旋回，可形成良好的油氣儲集體。

噴溢相內發育的火山碎屑熔巖，脫?；⒖准昂笃谌芪g孔隙均較發育，儲層儲集物性好，為四川盆地發現的最優質的火山巖儲層類型。噴溢相火山巖主要發育在成都—簡陽—三臺地區，呈條帶狀展布，是目前勘探的最有利區帶（圖4）。

3.3 裂縫是溝通孔隙、改善儲集物性的關鍵

裂縫不僅是火山巖儲層重要的儲集空間，也起著溝通孔隙、提高儲層儲集滲流能力的重要作用[17]。玄武巖巖性致密，極易產生裂縫，如ZG2井玄武巖可見大量裂縫，成為最主要的儲集滲流空間之一[18]。裂縫也是后期溶蝕流體進入的通道，為改善儲層儲集性能提供基礎[19]。

3.4 流體活動控制次生孔隙的演化

王文才等[20]、王正瑛等[21]研究認為，峨眉山玄武巖頂部形成了以紅土化為主、厚薄不一、分帶明顯的古風化殼，表明二疊系火山巖形成之后經歷了長期的風化淋濾作用。風化作用產生大量的溶蝕孔隙，能極大地改善火山巖的儲集物性[22]。

埋藏成巖過程中火山巖儲層還經歷了堿性流體和酸性流體的疊加改造。目前峨眉山大火成巖省已被公認為是地幔柱活動的產物，地幔流體富含堿質，具有較強的溶解能力[23]，能使已形成的礦物發生蝕變、溶蝕，提供更多的油氣運移通道和儲集空間。如火山巖儲層中可見大量的綠泥石（圖2、6），為輝石、角閃石及云母等礦物受堿性熱流體蝕變而成[24-25]。但在溶蝕原有物質增大孔隙的同時，綠泥石、次生石英等新礦物的形成，也會降低孔隙度、滲透率[26]。

成巖后期的排烴過程形成各種有機酸，使前期形成的堿性環境中穩定的堿性長石、沸石等礦物發生溶解，產生各種蝕變礦物和溶蝕空間等[27]。因此，火山巖儲層形成的過程中，不斷接受流體的改造，發生各種溶解、蝕變、膠結或充填作用，改變儲層的儲集物性。

4 結論

1）四川盆地火山巖儲層巖性多樣，優質儲層主要發育在火山噴溢相火山碎屑熔巖中，溢流相玄武巖儲集性能次之。

2）火山碎屑熔巖儲層儲集空間以脫?；⒖住⒘龋ㄩg）溶孔及殘余氣孔為主，脫玻化微孔大量發育，是儲層的主要儲集空間；儲層具有孔隙分布非均質性強、孔喉分布較均質的特點。

3）火山碎屑熔巖快速冷凝形成大量脫玻化微孔、儲集巖堿性組分含量高，易受后期熱流體溶蝕增孔；玄武巖儲層裂縫發育，形成后受風化淋濾作用等，促使了溶孔、裂縫等儲集空間的發育。

4）四川盆地火山巖儲層的平面展布主要受巖相控制，川西南部地區雅安—樂山—屏山地區主要發育孔隙—裂縫型玄武巖儲層，成都—簡陽—三臺地區主要發育孔隙型火山碎屑熔巖儲層。