川西南地區二疊系火山巖儲層特征

王嘉琦，范存輝，裴森奇，龍虹宇，李榮容，秦啟榮

（1.西南石油大學地球科學與技術學院，四川成都 610500；2.中國石油西南油氣田分公司川西北氣礦，四川江油 621700）

峨眉山大火成巖省（ELIPs，Emeishan Large Igneous Provinces）是中–晚二疊世之交峨眉山超級地幔柱的活動產物，廣泛分布于四川、貴州和云南三省，作為中國最早被國際學術界承認的大火成巖省，峨眉山大火成巖省對四川盆地二疊紀及后期的油氣成藏有重要的影響[1–2]。

ZG1 井是四川盆地首個火山巖工業氣井，該井于1993 年測試獲氣25.61×104m3/d，證明了四川盆地內二疊系火山巖具備天然氣成藏條件，但隨后對火山巖的勘探結果均未獲得理想效果。隨著勘探思路的逐漸轉變和勘探技術的不斷進步， 2017 年首次在川西地區部署的YS1 井鉆遇厚逾300 m 的火山巖地層，測錄井顯示該井儲集性能良好[3]。2018 年部署于成都–簡陽地區的YT1 井測試獲氣22.50×104m3/d[4]，證明四川盆地該區域勘探潛力大，不再是油氣勘探的“禁區”。但總體而言，四川盆地的火山巖研究認識和勘探程度還處于較低的水平，基礎認識的不足對火山巖油氣勘探造成了極大的阻礙，特別是川西南地區，對火山巖儲層的認知仍然停留在上世紀九十年代。本文通過對川西南地區火山巖儲層的巖性、儲集空間特征、物性特征及儲層形成的主控因素進行分析，為深化川西南地區火山巖油氣勘探提供基礎資料。

1 區域地質概況

川西南地區位于四川省西南部（圖1），屬于上揚子地臺的西北緣，位于龍門山推覆構造帶及川西前陸盆地地區，地勢由南西向北東逐漸降低。火山活動具有“穿時性”，四川盆地火山活動主要發生在二疊紀的中二疊世晚期至晚二疊世早期，為“峨眉山玄武巖組”地層，從地層接觸關系來看，川西南部地區峨眉山玄武巖組與下伏下二疊統茅口組碳酸鹽巖呈假整合接觸，與上覆沙灣組砂泥巖也呈假整合接觸。

2 巖石學特征及巖相展布

圖1 研究區構造位置

火山巖根據SiO2含量可劃分為超基性巖類、基性巖類、中性巖類和酸性巖類，川西南地區二疊系峨眉山玄武巖組火山巖以基性巖類為主。依據對四川盆地二疊系火山巖的觀察結果，結合結構構造、巖石力學性質等差異，將四川盆地研究區火山巖劃分為火山熔巖、火山碎屑巖兩大類，巖石類型主要 為玄武巖、火山角礫巖、火山凝灰巖、火山集塊巖和熔結凝灰巖五類。在雅安–樂至地區可見玄武巖大面積厚層分布，火山角礫巖與凝灰巖夾于大套玄武巖之間；在成都–簡陽地區，熔結凝灰巖分布于地層頂部，厚層凝灰巖與厚層玄武巖互層。在峨眉山玄武巖組地層底部偶見厚度不一的輝綠巖，輝綠巖屬于基性侵入巖類，不屬于本次研究的主要內容。

火山熔巖主要為玄武巖，研究區內玄武巖呈鋼灰色、灰綠色、暗紫紅色，主要成分為斜長石、石英、綠泥石、鈦鐵氧化物，結構全晶質–半晶質結構和斑狀結構，構造多為塊狀和氣孔/杏仁狀構造。根據玄武巖是否含斑晶、氣孔、杏仁可細分為12 類，研究區可見其中的7 類。致密塊狀玄武巖（圖2a），為塊狀構造，偶見直徑極小的氣孔/杏仁狀構造，發育裂縫，裂縫多為縫寬小于1.0 mm 的平直縫。含氣孔/杏仁狀玄武巖、氣孔/杏仁狀玄武巖、富氣孔/杏仁玄武巖的區別主要為氣孔、杏仁體的含量，杏仁體充填情況不一，填充物主要為綠泥石、綠簾石、方解石等礦物，可見環帶狀充填（圖2b～d）。少斑玄武巖以斑狀結構為主要的識別標志，根據其杏仁體的含量再考慮氣孔/杏仁是否參與定名。

火山碎屑巖中可見火山凝灰巖、火山角礫巖、火山集塊巖、熔結凝灰巖四類。凝灰巖呈赤紅色或紫紅色，在野外露頭遭風化嚴重，風化色為黃色（圖2e）。凝灰巖中若含角礫或含增生火山礫，則在凝灰巖前火山碎屑巖中可見火山凝灰巖、火山角礫巖、火山集塊巖、熔結凝灰巖四類。凝灰巖（圖2e）呈赤紅色或紫紅色，在野外露頭遭風化嚴重，風化色為黃色。凝灰巖中若見角礫或含增生火山礫，則在凝灰巖前加“角礫”，表示其成分含量。在角礫凝灰巖中角礫及增生礫粒徑大小不一，其小至0.5 mm，大至60.0 mm，零散分布于凝灰質基質中，多為基質支撐，可見粒序結構、層理結構。

圖2 川西南地區火山巖主要巖石類型

火山角礫巖多呈青灰色、淺紅色，具塊狀結構、凝灰角礫結構和自碎裂結構，角礫呈塊狀、板狀、破片狀產出，粒徑為2.0～64.0 mm。特殊的自碎裂火山角礫巖具自碎裂結構，多為玄武質原地碎裂未經搬運而形成。

火山集塊巖特征與火山角礫巖類似，但其火山碎屑物質大于64.0 mm（圖2f～g）。

熔結凝灰巖（包括熔結角礫凝灰巖）火山碎屑小于2.0 mm，以發育熔結結構為明顯的特征。熔結凝灰巖不是凝灰巖的亞類，在成因、結構、構造等方面熔結凝灰巖與凝灰巖均不相同。在熔結凝灰巖巖心可見透鏡狀、焰舌狀以及壓扁拉長狀變形的塑性玻屑和漿屑。若其中的火山塊含量大于25%，可定名為熔結角礫凝灰巖（圖2h）。

輝綠巖是基性淺成侵入巖巖石，主要礦物成分為輝石和基性斜長石，還可有少量橄欖石、黑云母、石英、磷灰石、磁鐵礦、鈦鐵礦等。基性斜長石自形程度高于輝石，常構成輝綠結構，成都–簡陽地區玄武巖組底部可見灰黑色–淺灰色的輝綠巖。

整體而言，川西南地區火山巖由南西向北東逐漸減薄，油罐頂構造區域厚度減薄至38 m，而在成都–簡陽地區則出現了局部的火山巖厚度增大，厚度為200～300 m。

地震資料表明，研究區外東北部的成都–簡陽地區爆發相火山巖呈面狀連片展布布，其余部分則廣泛分布溢流相玄武巖。結合巖心觀察、測井資料分析，以孫曉崗等[5]的巖相分類為標準，雅安–樂至地區火山巖大面積地以溢流相為主，夾部分爆發相下部空落亞相，成都–簡陽地區則以爆發相的空落亞相及熱碎屑流亞相為主，局部見火山通道相。

3 儲層特征

3.1 儲集空間類型

火山巖儲層儲集空間種類繁雜，類型眾多[6–16]，其形成的原因也受多種條件制約[17–19]。根據巖心觀察及鏡下薄片的鑒定結果，將川西南地區二疊系火山巖儲層的儲集空間劃分為原生孔隙、次生孔隙、裂縫三大類。

原生孔隙：火山巖在成巖過程中所形成的儲集空間，在研究區內主要可見氣孔、杏仁體內殘余孔、晶間孔、粒間孔等。①氣孔是火山巖在形成時，巖漿內的揮發組分形成氣泡，隨著熔漿噴溢至地表，熔漿內氣泡受到的壓力降低，揮發組分隨之逸散后形成的孔狀空間，原生氣孔呈圓形、被拉長的橢圓形等不同形狀，大小不一，在火山碎屑巖和火山熔巖中均有分布，面孔率約15%～17%，儲集性能良好，是主要的儲集空間（圖3a～c）。②杏仁體內殘余孔是火山巖在形成氣孔以后，隨著火山巖的成巖作用，礦物逐漸填充氣孔，但氣孔內空間并未完全被礦物填滿時形成的杏仁體內孔隙，主要發育在火山熔巖之中，含量較少，面孔率約2%～3%，含油氣性較差（圖3d）。③晶間孔是火山巖基質中一些長石微晶之間的細小孔隙，儲集性能較差。

圖3 川西南地區火山巖儲集空間類型

次生孔隙：火山巖在后生成巖作用階段，受到埋藏壓實、地層水與有機酸等共同作用而形成的溶蝕孔隙[20]，溶蝕孔形狀大多呈不規則形，在火山熔巖和火山碎屑巖中均發育，是主要的次生孔隙類型。研究區內次生孔隙以基質內溶蝕孔、粒間溶孔、微孔為主。①在玄武巖中多基質中的微晶和玻璃質溶解形成的基質內溶蝕孔（圖3e），發育較少，多為綠泥石充填。②在火山碎屑巖中，原生的粒間孔經后期的溶蝕擴大，形成粒間溶蝕孔（圖3f）。③微孔泛指火山熔巖基質的微晶之間、火山碎屑巖的火山灰或火山塵之間未被充填的孔隙，基質微孔主要分布在細粒火山碎屑物質含量較高的火山巖當中，當后期成巖作用使其發生脫玻化作用和風化作用時，則可形成次生脫玻化微孔和火山灰溶蝕微孔（圖3g）。微孔是熔結凝灰巖的主要儲集空間類型，呈彌散狀分布，面孔率約為5%～8%。

裂縫：研究區內可見構造裂縫、冷凝收縮縫、柱狀節理縫和溶蝕縫。①構造裂縫為巖石受應力作用形成，見共軛X 縫、網狀縫等，多為縫寬小于1 mm的平直縫，在火山熔巖中將巖體切割成破裂的網格狀，在火山碎屑巖中切穿氣孔與角礫（圖3h）。②冷凝收縮縫形成于熔漿噴出后的冷凝收縮作用，可見相互平行的弧狀裂縫，縫寬小于1 mm，多為未充填，在火山碎屑巖中可見冷凝收縮縫溝通氣孔（圖3i）。③柱狀節理縫形成于熔巖冷卻時所形成的柱狀體節理，在宏觀的大規模致密玄武巖中可見。④溶蝕縫因地下水溶蝕作用而形成，形狀往往不規則，相較于溶蝕孔，溶蝕縫的形狀更加長而狹窄。

3.2 儲層物性特征

從孔隙度分析結果來看（圖4），火山碎屑巖的孔隙度優于火山熔巖的孔隙度，熔結凝灰巖的孔隙度最好。YT1 井62 個測試樣品中，19 個熔結凝灰巖樣品的孔隙度平均達13.76%，最大孔隙度為16.48%，最小孔隙度也達8.66%，爆發相普通火山碎屑巖（角礫巖、凝灰巖）的平均孔隙度為1.53%，最大孔隙度為4.96%；溢流相玄武巖孔隙度最低，平均為1.18%。從滲透率測試結果來看（圖5），火山巖的滲透率普遍較低。其中，ZG2 井滲透率樣品187 個，滲透率小于1.000×10–3μm2的樣品數185 個，平均滲透率為1.600×10–3μm2；H6 井滲透率樣品18 個，平均滲透率為2.400×10–3μm2；YT1 井滲透率樣品19 個，平均滲透率為0.850×10–3μm2。原始分析數據結果顯示，ZG2 井和H6 井的平均滲透率高是因為在ZG2井中最高滲透率可達12.000×10–3μm2，H6 井中最高滲透率達13.500×10–3μm2，初步認為是這部分樣品中出現了裂縫，改善了巖石的滲透率。

從孔隙度與滲透率的相關性來看（圖6），熔結凝灰巖的孔滲相關度達0.689 5，表現出較好的相關性。熔結凝灰巖中孔隙空間連通性好，其孔隙度越大，滲透率也越高，呈現出孔隙型儲層的特征。普通火山碎屑巖及玄武巖儲層孔滲相關性低于0.050 0，孔隙孤立性強，判斷儲層類型為孔隙–裂縫型[21]。

圖4 川西南地區火山巖儲層孔隙度

圖5 川西南地區火山巖儲層滲透率

圖6 川西南地區火山巖儲層孔滲關系

4 儲層主控因素

4.1 巖性巖相

巖性巖相對火山巖儲層的控制作用最為明顯。從前文物性分析及儲集空間特征來看，爆發相熔結凝灰巖具有良好的儲集性能，也是最有利的儲集體；爆發相的火山角礫巖的儲集性能次之，主要儲集空間為成巖過程中形成的原生孔隙及原生孔隙受溶蝕擴大而形成的次生粒間孔，孔隙度雖好，但其孔隙連通性稍顯不足。溢流相玄武巖的儲集性能則相對差一些，這是由于玄武巖在形成過程中，溫度持續較為穩定，冷卻速度緩慢，巖石中礦物結晶較為充分，礦物顆粒排列緊密，晶間孔隙發育不足，主要的儲集空間為玄武巖噴發期次頂部的原生氣孔[22]，但氣孔形成一方面會被綠泥石、方解石等礦物充填成杏仁狀構造，降低了孔隙度，另一方面，原生氣孔的孤立性較強，使得溢流相玄武巖的儲集性能不足。

4.2 風化（淋濾、溶蝕）作用

川西南地區的茅口–龍潭期是以陸相噴發為主，噴發期內受表生風化作用改造。據前人研究，峨眉山頂部發育有一套古風化殼，這說明二疊系火山巖曾經受長期的風化淋濾影響。從測井資料來看，本區峨眉山玄武巖組段上覆地層普遍發育鋁土質泥巖，說明其噴發后也長期受表生風化作用改造。因此，川西南地區火山巖大量的溶蝕孔隙來源于風化作用，風化作用極大地改善了火山巖的儲集物性，也使得峨眉山玄武巖組的有效儲層多發育在頂部及每套噴發期次的頂端。

4.3 構造作用

對于火山巖儲層來說，裂縫的主要作用有兩方面：一方面，裂縫本身可以作為儲集空間的一種，提升火山巖儲層的儲集性；另一方面，裂縫可以連接原本相對孤立的孔隙空間，對儲層的滲透性能有所改善，在川西南地區，溢流相致密玄武巖孔隙空間連通性差，若無裂縫連通，幾乎不可能作為儲層。川西南部地區ZG1 井產氣段受強烈的構造作用的影響，鏡下見微裂縫發育，瀝青多見，可見構造縫在周公山地區對儲層段的改善起主要作用。從ZG2 井的全直徑物性實驗結果來看（表1），有裂縫發育的玄武巖的滲透率較未發育裂縫的巖樣有了較為明顯的提升，滲透率可達到20.000×10–3μm2以上。在玄武巖中，裂縫會極大地改善巖石的儲集性能，為流體提供額外的流動通道，增強油氣滲流能力[23]。

表1 ZG2 井全直徑物性測試

5 結論

（1）川西南地區火山巖巖石類型可分為火山熔巖和火山碎屑巖兩大類型，巖石類型主要為巖石類型主要為玄武巖、火山角礫巖、火山凝灰巖、火山集塊巖和熔結凝灰巖五類；發育溢流相、爆發相和火山通道相。

（2）爆發相熔結凝灰巖儲層物性優良，儲集空間類型主要為次生溶蝕孔隙，儲集空間組合類型為孔隙型；爆發相火山碎屑巖儲層物性較好，儲集空間以原生孔隙及裂縫為主，可見次生溶蝕孔隙，為孔隙–裂縫型儲層；溢流相玄武巖較為致密，原生孔隙孔洞孤立，為孔隙–裂縫型儲層。

（3）有利的巖性、巖相是儲層發育的基礎，風化淋濾及溶蝕作用對儲層進行改造，構造運動是儲層不可缺少的條件。川西南地區爆發相為最有利的儲集巖相，溢流相次之；火山噴發間歇期的風化淋濾及后期溶蝕有效地擴大儲集空間并改善儲集性能；構造運動產生的裂縫不僅本身可以作為儲滲空間，還可以溝通火山巖的孤立孔隙，從而改善儲層的滲透性能。