原生韻律型火山巖儲(chǔ)層特征及主控因素

黃 蕓，梁舒藝，楊迪生，冀冬生，伏小鵬

(1.中國(guó)石油新疆油田分公司，新疆 烏魯木齊 830013； 2.中海石油(中國(guó))天津分公司，天津 300452)

0 引 言

近年來(lái)，中國(guó)的松遼盆地、二連盆地、渤海灣盆地、準(zhǔn)噶爾盆地以及南海部分盆地均發(fā)現(xiàn)了工業(yè)性火山巖油氣藏。勘探實(shí)踐證實(shí)，火山巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性極強(qiáng)，火山巖儲(chǔ)集空間的質(zhì)量和分布決定著油氣藏的規(guī)模和開(kāi)發(fā)效益[1-14]。其中，建設(shè)性成巖作用改造的風(fēng)化殼型儲(chǔ)層占火山巖儲(chǔ)層的主導(dǎo)地位， 距風(fēng)化殼結(jié)構(gòu)頂面300 m以深被認(rèn)為是火山巖儲(chǔ)層的勘探禁區(qū)[15-17]。隨著準(zhǔn)噶爾盆地石炭系火山巖油氣藏勘探研究的深入，除風(fēng)化殼型火山巖儲(chǔ)層之外，一種新型的火山巖儲(chǔ)層被發(fā)現(xiàn)，即“內(nèi)幕型”火山巖儲(chǔ)層，其成因與火山噴發(fā)旋回密切相關(guān)，儲(chǔ)集物性與火山巖相及巖性有關(guān)，縱向上位于風(fēng)化殼結(jié)構(gòu)帶之下但產(chǎn)能效益同樣可觀。該文提出“原生層狀多期韻律式儲(chǔ)層”的概念，簡(jiǎn)稱原生韻律型火山巖儲(chǔ)層。目前中國(guó)文獻(xiàn)多涉及火山巖內(nèi)幕油氣藏[11]，有關(guān)風(fēng)化殼之外的火山巖儲(chǔ)層特征及成因機(jī)理的研究?jī)?nèi)容少有文獻(xiàn)提及。該文結(jié)合準(zhǔn)噶爾盆地火山巖的勘探實(shí)踐，從巖石類型、儲(chǔ)層特征、空間分布、韻律性特征及成因機(jī)理等方面對(duì)原生韻律型火山巖儲(chǔ)層進(jìn)行了系統(tǒng)探討，以期在推動(dòng)準(zhǔn)噶爾盆地火山巖勘探的同時(shí)也為其他盆地的火山巖勘探提供借鑒。

1 地質(zhì)概況

準(zhǔn)噶爾盆地是中國(guó)西部主要含油氣盆地之一，經(jīng)過(guò)近10 a的火山巖勘探，呈現(xiàn)出“西油東氣”的石炭系火山巖勘探現(xiàn)狀，盆地西北緣為二疊系油源的“新生古儲(chǔ)”型的金龍油田，盆地東部為石炭系“自生自儲(chǔ)”型的克拉美麗氣田，二者均表明石炭系火山巖儲(chǔ)層不再局限于風(fēng)化殼型儲(chǔ)層，在風(fēng)化殼結(jié)構(gòu)之下的石炭系原生韻律型儲(chǔ)層呈現(xiàn)出巨大的勘探潛力，縱向上拓展了準(zhǔn)噶爾盆地石炭系火山巖勘探深度。

準(zhǔn)噶爾盆地石炭世發(fā)育海陸交互相與火山巖建造，在盆地周緣石炭系地面露頭和盆內(nèi)覆蓋區(qū)的多口石炭系探井均可見(jiàn)多期次火山噴發(fā)旋回，縱向上呈現(xiàn)中基性—酸性火山巖的巖漿演化序列[18]。盆地東、西部古生界構(gòu)造演化因洋殼關(guān)閉時(shí)間有差異，僅東部克拉美麗山前的石炭系年代地層歸屬較為明確[19]。

2 原生韻律型儲(chǔ)層的提出

近年來(lái)的勘探實(shí)踐表明，石炭系頂面風(fēng)化殼結(jié)構(gòu)之下仍然發(fā)育良好火山巖儲(chǔ)層，且油氣產(chǎn)能與風(fēng)化殼儲(chǔ)層相當(dāng)。位于盆地東部五彩灣凹陷的CS1井鉆揭石炭系厚度近3 000 m，石炭系頂面發(fā)育風(fēng)化改造的風(fēng)化殼火山巖儲(chǔ)層，向下1 100 m仍然發(fā)育火山巖儲(chǔ)層，孔滲條件甚至優(yōu)于頂面風(fēng)化殼型儲(chǔ)層；位于盆腹區(qū)滴水泉凹陷的LD1井，鉆揭石炭系火山巖厚度近2 050 m，依據(jù)LD1井連續(xù)取心的巖石孔隙度及測(cè)井解釋孔隙度分析結(jié)果，縱向上火山巖孔隙度的分布具有典型的旋回特征，與酸性火山巖表征的巖漿演化序列有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系。盡管鉆至深度超過(guò)風(fēng)化殼結(jié)構(gòu)300 m以下的探井?dāng)?shù)有限，但統(tǒng)計(jì)結(jié)果仍表明火山巖儲(chǔ)層不再是單一的風(fēng)化殼型儲(chǔ)層。風(fēng)化殼結(jié)構(gòu)之下孔隙度為10%～15%，且呈現(xiàn)縱向上的多旋回韻律特征(圖1)。

圖1 孔隙度與石炭系頂界距離關(guān)系

火山多期次連續(xù)噴發(fā)形成縱向厚達(dá)百米的溢流相熔巖。在野外露頭觀察中發(fā)現(xiàn)每一期流紋巖的頂部均發(fā)育石泡流紋巖，因其石泡特征和裂紋，相比下伏的致密流紋巖孔隙條件好，抗風(fēng)化能力弱，多表現(xiàn)為負(fù)地形；另外可見(jiàn)與多期噴發(fā)旋回對(duì)應(yīng)的氣孔玄武巖與致密玄武巖的韻律性交互，因抗風(fēng)化能力的差異，表現(xiàn)為凹凸相間的“搓板狀”風(fēng)化地貌特征。

由此提出原生韻律型火山巖儲(chǔ)層的概念：泛指在地質(zhì)年代中一直處于深埋狀態(tài)，未遭受長(zhǎng)期的地表暴露和風(fēng)化淋濾，其孔隙發(fā)育受火山熔巖噴發(fā)旋回期次、應(yīng)力作用、熱液蝕變填充、地層水和有機(jī)酸溶蝕控制的火山巖儲(chǔ)層。其與風(fēng)化殼型火山巖儲(chǔ)層的區(qū)別見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)化殼型火山巖儲(chǔ)層與原生韻律型火山巖儲(chǔ)層的特征

3 原生韻律型儲(chǔ)層特征

3.1 巖性巖相特征

準(zhǔn)噶爾盆地石炭世發(fā)育海陸交互相與火山巖建造，因火山活動(dòng)頻繁，噴發(fā)期次多，縱向上表現(xiàn)為由中基性至酸性的多旋回巖漿演化序列，奠定了原生韻律型火山巖儲(chǔ)層的物質(zhì)基礎(chǔ)。準(zhǔn)噶爾盆地原生韻律型火山儲(chǔ)層巖相以火山溢流相為主，火山通道相、火山爆發(fā)相次之。對(duì)應(yīng)的原生韻律型火山巖儲(chǔ)層類型除火山溢流相各期次噴發(fā)旋回頂部的中基性氣孔狀熔巖外，還包括溢流相的巖泡流紋巖和自碎角礫熔巖、火山通道相的隱爆角礫巖、淺成侵入相等。

溢流相：巖泡流紋巖、球粒流紋巖和珍珠巖均為一期火山活動(dòng)巖漿演化末期的酸性火山熔巖類。酸性火山熔巖由于SiO2含量較高,且含有大量的揮發(fā)組分, 在噴發(fā)至地表的過(guò)程中, 由于這些揮發(fā)組分的逃逸, 產(chǎn)生大量氣孔, 冷凝作用形成大量的收縮縫, 而脫?；饔靡伯a(chǎn)生大量放射狀微孔, 屬原生孔隙相對(duì)發(fā)育的火山巖類(圖2a)。

火山通道相和淺成侵入相：當(dāng)富含揮發(fā)組分的巖漿沿火山通道或其他裂隙上升至淺處冷凝結(jié)晶過(guò)程中，因靠近地表，溫度下降較快，氣孔逸出，保留大量的氣孔，形成與噴出地表熔巖類似的氣孔但結(jié)晶粒度要好于熔巖(圖2b)；當(dāng)頂部聚集大量富含揮發(fā)組分的熱液，溫度、壓力不斷升高的熱液內(nèi)部壓力超過(guò)圍巖的突破壓力時(shí)即發(fā)生隱蔽爆破，炸碎巖體及圍巖而成巖，表現(xiàn)為角礫成分單一，裂而不散，角礫間的勾邊填充物與角礫間的硬度差異是形成網(wǎng)狀粒緣裂縫的基礎(chǔ)(圖2c)。

圖2 原生韻律型火山巖儲(chǔ)層巖石類型

另外在盆地西北緣X72井鉆遇了一種氣孔極其發(fā)育的流紋質(zhì)熔結(jié)(角礫) 凝灰?guī)r，發(fā)育大量氣孔，氣孔分布于流紋質(zhì)、霏細(xì)巖化的團(tuán)塊和漿屑中，與其特殊的成因背景有關(guān)[20-22](圖2d)。

3.2 儲(chǔ)集空間特征

通過(guò)巖心觀察、巖石薄片與鑄體薄片鑒定、掃描電鏡分析、成像測(cè)井(FMI)等資料綜合分析，按成因?qū)?zhǔn)噶爾盆地石炭系原生韻律型火山巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間分為原生孔隙、次生孔隙和裂縫3類。原生孔隙形成的時(shí)間截止于火山巖固結(jié)成巖階段；次生孔隙形成于火山巖成巖之后，與不穩(wěn)定礦物蝕變和深埋藏有機(jī)質(zhì)熱演化的排酸作用相關(guān)；裂縫由火山爆發(fā)炸裂作用、冷凝收縮作用和斷裂活動(dòng)作用形成。該分類方案與風(fēng)化殼型儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間分類方案相似，但風(fēng)化殼型儲(chǔ)層的原生孔隙不同程度地經(jīng)歷了多次填充與溶蝕，次生孔隙的形成與地表大氣水淋濾溶蝕密切相關(guān)，以風(fēng)化淋濾作用為主導(dǎo)；原生韻律型儲(chǔ)層次生孔隙的形成受控于非地表大氣水的溶蝕作用，即埋藏成巖階段的溶蝕作用，不發(fā)育風(fēng)化殼頂部的黏土層，次生孔隙內(nèi)無(wú)再沉積的示底構(gòu)造和氧化產(chǎn)物，即此溶蝕作用“不見(jiàn)天”。

原生孔隙按成因可分為原生氣孔、殘余氣孔和晶間孔3種類型。原生氣孔主要發(fā)育在每期噴發(fā)旋回溢流相熔巖的頂、底部，以頂部居多，但在特殊的成因環(huán)境下(溫度、壓力和揮發(fā)組分含量的變化)，在淺成侵入巖和火山碎屑巖中也可發(fā)育大量原生氣孔(圖2b、d)。

次生孔隙主要為粒內(nèi)溶孔、基質(zhì)溶孔和斑晶溶孔。粒內(nèi)溶孔多集中在不穩(wěn)定的暗色礦物中，常見(jiàn)安山玄武巖中輝石顆粒晶形完整，蝕變自邊緣和解理縫開(kāi)始，后期溶孔也多發(fā)育在這些蝕變區(qū)(圖3a)；基質(zhì)溶孔多見(jiàn)于酸性火山熔巖(圖3b)和凝灰?guī)r中(圖3c)；斑晶溶孔多見(jiàn)于長(zhǎng)石斑晶發(fā)育的淺成侵入巖中，尤以堿性長(zhǎng)石斑晶為代表，長(zhǎng)石晶形保留，溶蝕孔發(fā)育(圖3d)。

圖3 原生韻律型火山巖儲(chǔ)層孔隙類型

除火山巖成巖過(guò)程中的冷凝收縮縫、隱爆角礫巖和碎斑巖(圖3e)等原生的裂縫外，后期應(yīng)力作用也可形成大量裂縫。原生孔隙多為孤立狀，常依靠裂縫的溝通作用即孔-縫組合才形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集空間(圖3f)。巖心觀察和地層微電阻率掃描成像(FMI)測(cè)井解釋成果表明，火山巖中直劈縫、低角度斜交縫、網(wǎng)狀縫較發(fā)育(圖4)，其中低角度斜交縫和網(wǎng)狀縫最為常見(jiàn)。

圖4 FMI測(cè)井及裂縫解釋成果

3.3 物性特征

準(zhǔn)噶爾盆地石炭系火山巖巖性復(fù)雜，爆發(fā)相的火山碎屑巖、溢流相的熔巖及火山通道相的淺成侵入巖均可成為原生韻律型火山巖儲(chǔ)層中的有效儲(chǔ)層。現(xiàn)有的分析化驗(yàn)資料表明，孔隙度最大為27.59%，最小為0.61%；滲透率總體上較低，大多小于1.00 mD，多為0.01 mD。236個(gè)樣品中，滲透率最大為89.05 mD，最小為0.00 mD。物性特征以中—較高孔隙度、低—中等滲透性、強(qiáng)非均質(zhì)性為主。平均孔隙度由高到低依次為自碎角礫熔巖、氣孔熔巖、杏仁狀安山巖、流紋質(zhì)火山角礫巖、球粒流紋巖、流紋質(zhì)凝灰?guī)r、英安巖、輝綠巖；平均滲透率由高到低依次為流紋質(zhì)火山角礫巖、杏仁狀熔巖、氣孔熔巖、自碎角礫熔巖、球粒流紋巖、流紋質(zhì)凝灰?guī)r、英安巖、輝綠巖。

4 主控因素

4.1 巖漿演化噴發(fā)旋回

每期火山噴發(fā)噴溢出的熔巖流在地表流動(dòng)過(guò)程中，由于冷凝固結(jié)作用，使熔漿中揮發(fā)組分從熔巖流的頂部和底部溢出。在每期溢流相熔巖層(厚度為5～25 m)頂部和底部發(fā)育一定數(shù)量的原生氣孔、晶間孔及冷凝收縮縫，儲(chǔ)層條件較好，其中間部位為孔隙不發(fā)育的致密熔巖，儲(chǔ)層條件較差；另外受噴發(fā)強(qiáng)度和巖漿流動(dòng)速度影響，在每期溢流相熔巖層的頂部還會(huì)發(fā)育孔隙條件較好的自碎角礫熔巖。多期噴溢相的縱向疊置導(dǎo)致孔隙度呈現(xiàn)韻律性的旋回特征。LD1井發(fā)育火山巖多期噴發(fā)旋回，選取了距石炭系頂面近500 m的中酸性熔巖井段4 100.00～4 300.00 m，其巖心實(shí)測(cè)和測(cè)井解釋孔隙度均呈現(xiàn)韻律性特征(圖5)。

圖5 火山巖孔隙度韻律性特征及某期溢流相熔巖層的孔隙發(fā)育

4.2 蝕變及溶蝕作用

石炭系火山巖以中基性熔巖為主，其暗色礦物含量較高，F(xiàn)e、Mg含量高的礦物穩(wěn)定性差，極易蝕變。這種蝕變作用雖然會(huì)使礦物體積膨脹阻塞孔隙，但也為后期埋藏成巖階段的溶蝕作用創(chuàng)造了條件；另外在遠(yuǎn)離風(fēng)化殼的石炭系內(nèi)部，有機(jī)質(zhì)在熱演化過(guò)程中生成大量的有機(jī)酸和碳酸，促使孔隙水和層間水的pH值大幅度下降，導(dǎo)致在堿性孔隙水中比較穩(wěn)定的沸石礦物發(fā)生溶蝕形成沸石溶蝕孔，大量堿性長(zhǎng)石斑晶和富長(zhǎng)石的基質(zhì)因介質(zhì)環(huán)境由堿性變酸性而發(fā)生斑晶、基質(zhì)溶蝕孔。溶蝕孔隙的形成也優(yōu)先發(fā)育于噴發(fā)旋回對(duì)應(yīng)的氣孔熔巖中，與早期形成的原生氣孔共同構(gòu)成韻律性的孔隙發(fā)育特征。

5 結(jié) 論

(1) 原生韻律型火山巖儲(chǔ)層是指在地質(zhì)年代中一直處于深埋狀態(tài)，未遭受地表暴露和風(fēng)化淋濾，在經(jīng)歷后生成巖作用階段的埋藏壓實(shí)、熱液蝕變填充、地層水和有機(jī)酸溶蝕等作用后，大部分原生孔隙仍得以保留且有別于風(fēng)化殼型儲(chǔ)層的一類火山巖儲(chǔ)層。其分布具有大面積、大跨度、縱向分布不受埋深控制的特點(diǎn)。

(2) 準(zhǔn)噶爾盆地石炭系原生韻律型火山巖儲(chǔ)層對(duì)應(yīng)的火山巖巖相以火山溢流相為主，火山通道相、火山爆發(fā)相次之。對(duì)應(yīng)的火山巖巖石類型除各期次噴發(fā)旋回頂部的中基性氣孔狀熔巖外，還有巖泡流紋巖、流紋質(zhì)角礫凝灰?guī)r、自碎角礫熔巖和隱爆角礫巖等特殊巖類。

(3) 準(zhǔn)噶爾盆地石炭系原生韻律型火山巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間以原生孔隙、次生孔隙和裂縫為主。原生孔隙主要為原生氣孔、殘余氣孔和晶間孔3種類型；次生孔隙常見(jiàn)有粒內(nèi)溶孔、基質(zhì)溶孔和斑晶溶孔；裂縫則以低角度斜交縫和網(wǎng)狀縫最為常見(jiàn)。

(4) 準(zhǔn)噶爾盆地石炭系原生韻律型火山巖儲(chǔ)層的主控因素主要為火山多旋回噴發(fā)期次和深埋藏階段的蝕變、溶蝕作用。