川西二疊系火山碎屑巖儲層特征及發(fā)育有利區(qū)

李蓉， 湯晶， 李素華， 朱蘭， 余洋

(1.中石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院， 成都 610041； 2.中石化西南油氣分公司地質中心實驗室， 成都 610081； 3.四川省地質調查院， 成都 610081)

火山巖是一種常見的油氣儲集體，具有分布范圍廣、地質時代長的特征[1]。四川盆地火山巖氣藏資源豐富，截至2020年底，盆地內鉆遇火山巖的鉆井約500口[2]，但自20世紀90年代初，部署在四川盆地西南部的周公1井在峨眉山玄武巖測獲工業(yè)氣流，后期針對玄武巖氣藏部署的鉆井都未獲得突破，測試均為水層或干層[3]。近期，川西地區(qū)永探1井在火山碎屑巖測試獲產(chǎn)22.5×104m3/d[4]，展示了川西地區(qū)火山碎屑巖良好的勘探潛力，不僅為探區(qū)油氣立體勘探提供了新層系，也打開了四川盆地火山巖勘探新局面，是現(xiàn)實的資源接替領域。

四川盆地火山巖碎屑巖成藏地質條件十分復雜[5]，存在實物資料少、巖性巖相變化大、非均質性強、平面分布規(guī)律識別困難等難點，特別是近年來盆地內火山巖氣藏研究都主要集中在玄武巖氣藏[6-7]，對火山碎屑巖氣藏研究相對薄弱。隨著永探1井獲得突破，學者們對永勝1井區(qū)開展了火山碎屑巖巖性巖相識別、儲集空間類型、成巖演化和地震相識別等研究，認為永探1井以噴溢相火山碎屑熔巖和玄武巖為主[6]，自下而上可劃分出3個次級噴發(fā)旋回[8]，產(chǎn)氣段為含角礫凝灰熔巖和少量玄武巖；儲集空間的形成主要受控于脫玻化作用、風化淋濾作用和溶蝕作用[9]，脫玻化微孔和溶蝕孔是主要儲集空間[4，10]，平面展布受巖相控制明顯；基于井-震標定，歸納梳理火山巖體在地震剖面上的不同反射特征，建立火山巖巖相識別模式，根據(jù)地震資料定性、定量識別出火山巖儲層分布范圍[3，5，11-13]。

距離永探1井21 km的YS1井在上二疊統(tǒng)鉆遇296 m厚爆發(fā)相火山巖碎屑巖地層，油氣顯示強烈。有學者研究認為YS1井為峨眉山地幔柱產(chǎn)物[14]，巖性主要為爆發(fā)相火山角礫巖，儲集空間以角礫之間的骨架孔隙為特征[15]，與永探1井儲集條件存在一定差異，體現(xiàn)了火山巖氣藏巖性巖相變化快的特點。另有學者利用測井曲線和地震數(shù)據(jù)，研究了深層斷裂對火山巖分布的影響，認為YS1井區(qū)爆發(fā)相具沿斷裂分布特點[16]。目前，關于YS1井區(qū)地質研究較少，可查閱資料非常有限，一定程度制約了川西地區(qū)火山碎屑巖勘探進展。為進一步厘清川西地區(qū)火山碎屑巖氣藏地質條件及分布特征，本次研究利用YS1井巖心、薄片和分析化驗資料，在明確儲層巖石學特征、孔隙類型、孔喉結構、地化特征的基礎上，分析儲層孔隙演化過程，通過井震結合、儲層標定、定性定量識別等手段，落實優(yōu)質火山碎屑巖儲層展布規(guī)律。研究結果對加快火山碎屑巖氣藏的勘探開發(fā)、產(chǎn)能建設等具有重要意義。

1 地質背景

研究區(qū)位于四川盆地西部，西側為龍門山推覆構造帶，東側為川中隆起區(qū)(圖1)，構造形變總體特征為從龍門山往盆地中部形變依次減弱，構造樣式成帶有規(guī)律地展布。中晚二疊世之交，峨眉山地幔柱持續(xù)隆升，發(fā)生了大規(guī)模巖漿底侵作用，根據(jù)地表露頭及本區(qū)鉆井資料揭示，龍?zhí)督M與茅口組之間沉積了大套火山巖，以火山碎屑巖和玄武巖為主。根據(jù)巖性組合和元素特征，可將火山巖自下而上劃分出三個噴發(fā)旋回(圖2)，第一旋回由輝綠巖、輝長巖、熔結凝灰?guī)r及玄武巖組成，旋回底部與茅口組灰?guī)r呈平行不整合接觸；第二旋回由玄武質含杏仁凝灰?guī)r和玄武巖組成，巖性、結構單一；第三旋回由玄武質熔結凝灰?guī)r、玄武質角礫熔結凝灰?guī)r、凝灰(熔)巖和凝灰?guī)r組成，旋回頂部與龍?zhí)督M鋁土質泥巖呈平行不整合接觸。

圖1 川西坳陷構造位置Fig.1 Tectonic position in Western Sichuan Depression

圖2 川西坳陷火山巖剖面Fig.2 Permian volcanic rock section in Western Sichuan Depression

川西地區(qū)發(fā)育多個火山噴發(fā)中心，以裂隙式噴發(fā)模式為主，火山巖呈近橢圓形北東向展布，其中YS1井所屬噴發(fā)中心位于該井以南龍泉一帶，預測最大厚度超過300 m；另外，新都—洛帶、龍寶梁、知新場、廣漢、大邑等地區(qū)亦存在多個火山機構，預測最大厚度亦超過300 m，多個噴發(fā)中心形成的火山機構平面上可能存在疊置。

2 火山巖儲層基本特征

2.1 巖石學特征

根據(jù)火山碎屑巖成巖方式和構造特征，可以分為熔結火山碎屑巖和正常火山碎屑巖2個亞類，為火山爆發(fā)相的空落亞相和熱碎屑流亞相產(chǎn)物[15]。研究區(qū)火山巖儲層巖石類型為正常火山碎屑巖類，由后期壓實作用固結而成，火山角礫間多為火山灰充填，具高伽馬、高聲波時差、低電阻特征。按粒度范圍以及破碎和堆積特點進一步可分為火山凝灰?guī)r、火山角礫巖和火山集塊巖3種。

2.1.1 火山凝灰?guī)r

指粒徑小于2 mm火山巖碎屑物質占50%以上的火山碎屑巖，YS1井鉆揭含角礫凝灰?guī)r最為發(fā)育[圖3(a)]，具凝灰結構，主要由石英、長石晶屑、塑性巖屑和火山灰組成，凝灰質中見少量晶屑。火山角礫含量達10%～40%，火山角礫、漿屑、巖屑及部分玻屑被方解石交代，局部可見低角度方解石脈(寬0.5～1.5 cm)和綠泥石化。杏仁孔呈不規(guī)則狀，面孔率1%～8%，孔徑0.2～5 mm，多被方解石、綠泥石、硅質、石英半充填-全充填，局部發(fā)育粒間溶孔和擴溶縫。

2.1.2 火山角礫巖

火山角礫直徑2～64 mm占50%以上的火山碎屑巖，分選磨圓差[圖3(b)]，主要由火山角礫和火山灰等組成，含量70%～80%，具火山角礫結構，不等粒、斑雜構造，角礫大多小于1 cm，局部2～3 cm，成分以長石為主，次為石英和巖屑。基質中部分晶屑可見綠泥石化[圖3(c)、圖3(d)]。孔隙類型較多，面孔率3%～6%，孔徑0.2～2 mm，溶縫發(fā)育，部分溶縫被方解石充填，孔縫連通性較好。

2.1.3 火山集塊巖

集塊被壓緊膠結后形成火山集塊巖[圖3(e)]，粒徑大于64 mm，其成分與火山角礫巖相同，兩者只是粒級上的差異。面孔率5%～12%，集塊邊界溶蝕明顯[圖3(f)]。

圖3 YS1井火山碎屑巖儲層巖石學特征Fig.3 Petrology characteristics of volcanic rock reservoir

2.2 儲集空間類型

前期學者因研究區(qū)域的不同，分別建立了各具特色的火山巖儲集空間的分類體系，但都將儲集空間歸結為原生孔隙和次生孔隙兩大類。川西地區(qū)二疊系火山碎屑巖儲集空間類型復雜，主要包括殘余氣孔、基質微孔、溶蝕孔隙和裂縫。

殘余氣孔：巖漿被噴出地表后壓力驟減，在流動過程中所含揮發(fā)份(H2O、CO2、HCl、SO2、HF等)體積增大，陸續(xù)從巖石中逸散出來，而未能逸出的揮發(fā)份被封閉在熔巖中形成氣孔[17]。氣孔為熔結團塊中保留下來的孔隙，主要發(fā)育于火山熔巖流動單元的中上部，圓形為主，部分氣孔常沿巖漿流動方向被定向拉長，呈橢圓形、葫蘆形及不規(guī)則形態(tài)[圖4(a)]，大小不一，可孤立出現(xiàn)，也可呈蜂窩狀出現(xiàn)。氣孔的連通性較差，多被后期或同期熱液中含有的長英質、鈣質、沸石、綠泥石和葡萄石等充填形成杏仁體[圖4(b)]。

基質微孔：為火山基質脫玻化產(chǎn)生的晶間孔[15]，研究區(qū)發(fā)育大量彌散型冷凝微孔[圖4(c)]，孔徑0.1～0.3 mm，分布于以“火山灰泥”為主的火山熔凝團塊中，部分微孔受硅酸鹽礦物溶蝕，形成溶蝕孔隙。偏光鏡下，火山灰泥基質透光性差，特別是受不均勻綠泥石化影響，基質微孔在鏡下特征不明顯，造成物性測試孔隙度高，鏡下觀察面孔率偏低的現(xiàn)象。

次生溶孔：YS1井礦物X衍射分析具有較高的黏土礦物含量6.3%～17.8%，反映其經(jīng)歷了較長的表生作用期。鏡下觀察，除原生孔隙受后期溶蝕改造而成的溶蝕孔隙外(如基質溶孔、玻屑溶孔和粒間溶孔)[圖4(d)]，大量輝石、方解石等晶屑內也發(fā)育次生溶孔，孔徑0.1～0.5 mm，個別薄片面孔率達10%。如圖4(e)所示，偏光鏡下可見沿輝石長軸方向(主解理面方向)發(fā)生了大量的溶蝕，形成了較多的溶蝕孔隙(面孔率約30%左右)，而右邊及下部長石，除見到火山熔漿的熔蝕穿孔外，幾乎無后期溶蝕特征。

裂縫：研究區(qū)裂縫種類較多，整體發(fā)育程度較差，多為成巖期后受構造應力作用形成的構造縫[圖4(f)]，受溶蝕作用改造形成擴溶縫。還發(fā)育小規(guī)模冷凝收縮縫，常見于具有熔結結構的火山碎屑巖中，呈不規(guī)則狀產(chǎn)出，為熔漿噴出地表后，熔巖體內因冷凝收縮開裂形成裂縫，縫寬0.5～1.0 mm。

2.3 物性及孔喉結構特征

YS1井物性測試顯示，火山巖儲層孔隙度最大值為25.5%，最小值為11.8%，平均為18.0%，峰值在15%～20%[圖5(a)]，占65.4%；滲透率最大為21.20 mD，最小為0.03 mD，平均值為1.92 mD，峰值為0.1～0.2 mD[圖5(b)]，占33.3%。研究區(qū)內火山巖儲集性能差距較大，非均質性較強。孔隙度和滲透率之間的關系較明顯，二者之間具有一定的相關性[圖5(c)]。

火山巖儲層儲滲空間類型主要受巖性控制，不同巖性儲層物性差異較大。含集塊角礫巖物性最好，孔隙度11.8%～22.1%，平均值18.7%，滲透率為0.16～6.94 mD，平均2.10 mD，火山集塊、角礫之間的礫間孔為該類儲層主要儲集空間，孔滲條件好。凝灰質角礫巖物性次之，孔隙度14.9%～19.8%，平均值17.3%，滲透率非均質性強0.17～2.63 mD，平均1.40 mD，可能凝灰質致密了部分礫間孔。凝灰質集塊巖和含角礫凝灰?guī)r樣品孔隙度較高，平均16.8%，但滲透率很低，平均0.40 mD。其他巖性物性較差，特別是旋回下部玄武巖較致密。

儲層滲流能力主要受孔喉結構影響，壓汞試驗結果表明，儲層最大孔喉半徑介于0.25～5.15 μm，平均值為3.15 μm；孔喉中值半徑多小于0.10 μm，平均0.07 μm；最大孔喉半徑為3.15 μm；平均排驅壓力為0.69 MPa，少數(shù)可大于2 MPa；中值壓力介于5.9～18.9 MPa，最大進汞飽和度為90.45%，退汞效率為37.21%。火山碎屑巖儲層孔喉結構整體較好，以細-微細孔喉為主，孔隙分選中等。

2.4 化學成分特征

根據(jù)YS1井巖心和元素測井資料，按照TAS(total alkali silica)投圖對川西二疊系火山巖進行分類，反映YS1井火山巖與川西南周公2井溢流玄武巖特征相似，與鄰區(qū)永探1井特征稍有差異。YS1井鉆揭二疊系存在三期火山噴發(fā)，縱向上發(fā)育三套中酸性爆發(fā)相火山碎屑巖及溢流相玄武巖，火山巖SiO2介于45.43%～50.59%，在TAS圖版基性巖范圍內[圖6(a)]，周公2井玄武巖為基性巖類，SiO2含量介于45%～50%，與峨眉山火山巖主體區(qū)類似[18]，鄰區(qū)永探1井火山巖SiO2含量介于35%～52%，屬于基性、超基性巖范圍[4]。

圖6 YS1井火山碎屑巖儲層儲集空間特征Fig.6 Chemical characteristics of volcanic rock reservoir in Western Sichuan

YS1井火山巖全堿(K2O+Na2O)含量2.36%～6.11%，平均4.72%，顯示火山巖整體偏亞堿性，TAS圖版中落在亞堿性玄武安山巖范圍內的數(shù)據(jù)點最多，其次是玄武巖和苦橄玄武巖。周公2井玄武巖與YS1井相比偏堿性，除亞堿性范圍，部分樣品分布在堿性-亞堿性分界線附近。永探1井火山巖則整體偏堿性，樣品多為堿性玄武巖[4]。

前人研究認為地幔柱活動形成了峨眉山玄武巖[19]，利用Zr/Y與Zr、TiO2與Zr圖解，YS1井二疊系玄武巖樣品點主要位于板內玄武巖區(qū)域[圖6(b)、圖6(c)]，表明YS1井玄武巖系屬于非板塊邊緣環(huán)境中擴張作用的產(chǎn)物，與峨眉山玄武巖特征類似，因此研究區(qū)火山巖的形成與峨眉山地幔柱活動具有一定關聯(lián)。

3 成巖序列及孔隙演化

綜合各類成巖作用特征及形成期次，建立川西爆發(fā)相火山碎屑巖儲層成巖作用及孔隙演化序列(圖7)，將研究區(qū)火山碎屑巖儲層成巖階段劃分為同生成巖階段、表生成巖階段和埋藏成巖階段3個成巖階段。

圖7 川西火山巖成巖作用序列圖Fig.7 Sequence map of volcanic diagenesis in Western Sichuan

3.1 同生成巖階段

火山巖噴出地表之后，首先進入同生成巖階段，該階段成巖作用以揮發(fā)逸散作用、冷凝收縮作用和火山熱液作用為主。巖漿噴溢出地表過程中，巖漿中的水和二氧化碳等揮發(fā)組分，形成氣孔，是火山巖原生孔隙的主要形成作用。炙熱巖漿在地表由于溫度降低發(fā)生不均勻的冷凝，形成冷凝收縮縫，但該類裂縫規(guī)模較小。儲層殘余面孔率40%左右。

熱液作用階段成巖作用以充填作用、溶蝕作用、交代作用和脫玻化作用為主。高溫階段杏仁體內及火山角礫巖溶蝕孔洞被綠簾石、硅質、透閃石、沸石等充填，沸石呈片狀、放射狀產(chǎn)出，殘余面孔率降至30%左右。中溫階段發(fā)生多次充填和溶蝕作用，充填作用使氣孔及溶蝕孔隙部分被纖維狀微晶綠泥石和沸石充填；溶蝕作用又將部分綠泥石溶蝕，形成溶孔；同時，交代作用使輝石被綠泥石化、綠簾石化，殘余面孔率進一步降低，為13%～22%。低溫階段，鐵質、硅質、綠泥石、方解石等繼續(xù)充填殘余孔隙；輝石、斜長石等斑晶被綠泥石、沸石、方解石等交代；受脫玻化作用影響，火山玻璃等基質重結晶[20]，轉化為微細晶斜長石斑晶，礦物體積縮小產(chǎn)生脫玻化孔隙，殘余面孔率約11%。

3.2 表生成巖階段

表生期儲層主要受溶蝕作用、構造破裂作用和充填作用改造，非選擇性的溶蝕特征明顯，斜長石、鈉長石、輝石等被大氣水溶解形成溶蝕孔，但通過鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，YS1井火山巖受表生溶蝕作用改造較弱，該階段形成的溶蝕空間有限。見少量交代作用形成的方解石充填。疊加構造破裂作用形成的多期構造縫，面孔率為11%～12%。

3.3 埋藏成巖階段

埋藏成巖階段儲層受壓實作用、充填作用和溶蝕作用改造。壓實作用使儲層變致密，成巖晚期，殘余孔隙被瀝青或黃鐵礦充填，面孔率達到最低3%。后期，成烴酸性流體通過斷層以及次生裂縫的滲流作用進入火山巖儲層中，較高的古地溫使水和巖石反應更加活躍，易溶組分發(fā)生溶蝕作用[21]，單偏鏡下觀察，前期被充填的原生孔隙中有沿節(jié)理縫方向發(fā)育的溶蝕孔，部分杏仁體和晶屑被溶蝕，形成粒內孔、晶間次生孔隙，儲層最終殘余面孔率維持在4%左右。

4 火山碎屑巖儲層發(fā)育有利區(qū)

4.1 儲層橫向展布

四川盆地火山噴發(fā)方式復雜，火山巖巖性組合、橫向展布厚度變化較大(圖8)。川西南地區(qū)火山巖主要為溢流相玄武巖，厚度由南向北逐漸減薄，周公1井鉆揭301 m玄武巖，至油1井僅厚約52 m；川西地區(qū)YS1井鉆揭厚296 m火山巖，以爆發(fā)相火山碎屑巖為主，其次為溢流相玄武巖、玄武質熔巖，與相鄰的永探1井巖性旋回也因噴發(fā)方式、巖石化學成分、斷裂發(fā)育情況不同而具有一定差異。總體上，爆發(fā)相火山碎屑巖主要發(fā)育在川西地區(qū)，厚度大，連續(xù)性一般。

4.2 儲層平面展布

火山巖儲層巖性為爆發(fā)相火山碎屑巖，鉆井標定火山巖發(fā)育段地震響應特征主要為丘狀、斷續(xù)、雜亂、強振幅反射，火山巖內部振幅、相位變化快，優(yōu)質火山巖儲層主要發(fā)育的頂部第三旋回內，總體爆發(fā)相角礫巖為中強振幅丘狀外型，內部雜亂反射，時間厚度明顯增大。根據(jù)火山巖反射特征，開展定量火山巖儲層預測，預測結果顯示爆發(fā)相角礫巖儲層平面上主要分布在YS1井區(qū)、新都、廣漢、龍寶梁和大邑地區(qū)，厚度達140～200 m，面積1 754.51 km2(圖9)。

圖9 川西火山碎屑巖儲層發(fā)育有利區(qū)Fig.9 Favorable reservoir zone in Western Sichuan

5 結論

(1)川西地區(qū)火山碎屑巖儲層主要發(fā)育在火山角礫巖中，為一套高孔低滲裂縫-孔隙型儲層，殘余氣孔、基質微孔、次生溶孔為主要儲集空間。

(2)研究區(qū)火山巖的形成與峨眉山地幔柱活動具有一定關聯(lián)，儲集空間主要受同生成巖階段、表生成巖階段和埋藏成巖階段充填、交代和溶蝕作用改造，儲層最終面孔率4%左右。

(3)YS1井區(qū)、廣漢、知新場、大邑和龍寶梁地區(qū)爆發(fā)相火山碎屑巖發(fā)育厚度大，面積1 754.51 km2，為儲層發(fā)育有利區(qū)。