長嶺斷陷火山巖儲層形成及控藏作用

徐宏節(jié)，陸建林，于文修，王保華

(1.中國石化 東北油氣分公司， 長春 130062；2.中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214151)

長嶺斷陷位于松遼盆地中央斷陷帶中南部，斷陷層系火山巖發(fā)育，火山巖由于縫洞及氣孔發(fā)育，儲集性能好，是斷陷層的主要儲層，也是主要勘探目的層系。長嶺斷陷中石化探區(qū)已有近30口井鉆遇火山巖，各類火山巖均有發(fā)育，構(gòu)成了深層主要儲層。前人研究表明[1-5]，該區(qū)火山巖儲層中油氣資源豐富。但目前該地區(qū)勘探程度較低，有必要對火山巖儲層的特征進行較系統(tǒng)的闡述和研究探討，以期進一步提高對火山巖儲層的認(rèn)識。

1 火山巖儲層基本特征

1.1 巖性巖相特征

已鉆遇的火山巖包括火山熔巖、火山碎屑巖、侵入巖(次)和火山沉積巖等。

火山熔巖從基性的玄武巖、中性的安山巖到酸性的流紋巖、英安巖等均有發(fā)育。中基性熔巖大都位于鉆遇層位的中下部，酸性熔巖主要位于鉆遇層位的上部。目前勘探獲得突破的主要巖類是位于營城組上部的酸性流紋巖。

火山碎屑巖主要包括凝灰?guī)r和火山角礫巖。本區(qū)大部分探井大都見到凝灰?guī)r，最大單井連續(xù)鉆遇厚度達475 m(YN1井)，可見噴發(fā)強度之大?；鹕浇堑[巖在查干花東部斜坡普遍發(fā)育，是高強度中心式火山噴發(fā)的典型產(chǎn)物。和流紋巖一樣，位于營城組上部的凝灰?guī)r是目前獲得突破的主要儲層段。

酸性和基性侵入巖類(次火山巖類)在本區(qū)均有發(fā)育。查干花地區(qū)在營城組末期發(fā)生大規(guī)模的酸性巖漿侵入事件，在營城組底部形成大面積連片分布的侵入巖體(花崗斑巖)，形成底劈構(gòu)造，對該地區(qū)天然氣成藏起到一定的破壞作用。

火山沉積巖主要位于火山機構(gòu)邊緣較低部位。本區(qū)在DB10,DB14等井中見到火山沉積巖；DB10井累計厚度達218 m，主要為沉凝灰?guī)r、沉火山角礫巖。

長嶺斷陷火山巖分為5種相，即爆發(fā)相、溢流相、火山沉積相、次火山巖相、火山通道相[6]。

溢流相、爆發(fā)相是長嶺斷陷各個噴發(fā)旋回的主要組成部分，是長嶺斷陷的主要巖相類型，易形成好的儲層。尤其在YS1,YS101,YS102等井已發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)氣流。

火山沉積相主要在火山活動間隙階段形成。DB10和DB14井為水?dāng)y型噴發(fā)—沉積巖。這類巖石易于形成各種溶蝕孔隙，也應(yīng)是一種潛在的儲集層。

火山通道相位于連接巖漿房和地表的孔道中。主要為火山噴發(fā)物混雜堆積，熔結(jié)程度高，與周圍巖層大部不直接連通，難以成藏，如腰南1井、DB10井。

1.2 儲集空間特征

火山巖儲集空間類型多樣，按成因分，火山巖儲集空間可分為原生儲集空間和次生儲集空間2大類[7-8]。原生儲集空間是指巖漿熔結(jié)、冷凝成巖過程中產(chǎn)生的各種裂縫和孔隙，主要包括氣孔、晶間孔、原生解理縫、粒間孔和收縮縫等；次生儲集空間是指巖漿冷卻后,遭受風(fēng)化淋濾、溶蝕、構(gòu)造應(yīng)力、熱液蝕變等外力作用而形成的儲集空間，主要包括各種構(gòu)造裂縫、溶蝕孔、縫等。有效火山巖儲層的儲集空間的70%～95%由孔隙構(gòu)成，30%～5%由裂縫構(gòu)成。不同類型火山巖的殘留原生孔隙加次生(演化)孔隙構(gòu)成了多種多樣的油氣儲集層。

流紋巖類主要發(fā)育的孔隙類型有氣孔、斑晶內(nèi)溶孔和杏仁體內(nèi)孔，其次是斑晶內(nèi)熔孔、和杏仁體內(nèi)溶孔。主要發(fā)育的裂縫有構(gòu)造縫和收縮縫，還見有層間縫、風(fēng)化溶蝕縫。主要孔縫組合類型有氣孔+溶蝕孔+裂縫型、氣孔+裂縫型。

凝灰?guī)r中氣孔、裂縫發(fā)育，以斷續(xù)的片狀構(gòu)造縫為主兼有細(xì)小星點狀晶間縫，有時具溶蝕縫孔洞，形成串珠狀孔隙空間；凝灰質(zhì)熔巖為小型氣孔、構(gòu)造裂縫及微溶孔?；鹕浇堑[巖類以構(gòu)造裂縫和溶蝕擴大的孔、洞、縫構(gòu)成的多樣化聯(lián)合式儲集空間為特征，屬于火山口相的巖性特征。

侵入巖巖石致密，孔隙不發(fā)育，局部裂縫可以較發(fā)育。

1.3 物性特征

火山巖儲層物性受控于多種因素，控制因素復(fù)雜。對長嶺斷陷鉆遇火山巖的取樣分析表明其孔隙度變化較大，所測樣品有效孔隙度最小值0.28%，最大值29.06%，平均5.472%；滲透率變化范圍很大，有的甚至相差幾個數(shù)量級，有效滲透率最小值0.001×10-3μm2或未檢出，最大值19.3×10-3μm2，平均0.756×10-3μm2，大部分樣品滲透率值都較小，基本上屬于低孔低滲—特低孔滲儲層。

從火山巖物性關(guān)系圖來看(圖1a)，孔隙度和深度沒有明顯的相關(guān)性，孔隙度和滲透率不隨深度變化，這是火山巖和碎屑巖儲層最明顯的區(qū)別之一。

儲層巖石的孔隙度和滲透率受許多因素制約，兩者之間有一定的關(guān)系，但不是簡單的正相關(guān)性，存在高孔低滲和低孔高滲現(xiàn)象(圖1b)。主要是由于火山巖儲集空間具有較強的非均質(zhì)性，原生儲集空間大都孤立、互不連通，大量發(fā)育的孔隙如果沒有裂隙的溝通，難以形成有效的儲層。

孔隙度與巖石密度有很好的負(fù)相關(guān)性(圖1c)；滲透率與巖石密度有一定關(guān)系，總體上看隨著巖石密度的增大滲透率有減小的趨勢，但各種裂縫的參與又使兩者之間的相關(guān)性變得復(fù)雜(圖1d)?？傮w上看，巖石密度越小，對應(yīng)儲層的物性越好。不同巖性的火山巖孔隙度都可以很發(fā)育，但孔隙較發(fā)育的火山巖滲透率不一定大，這與火山巖的分布位置和裂縫的發(fā)育程度有關(guān)。

1.4 孔喉特征

火山巖屬于非顆粒支撐巖石，與顆粒支撐的碎屑巖有本質(zhì)的不同，其孔喉結(jié)構(gòu)具有明顯的特征。根據(jù)部分樣品壓汞數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，長嶺斷陷營城組火山巖排驅(qū)壓力較高，為0.123～45.804 MPa，均值為9.418 MPa；中值壓力較高，介于0.444～105.9 MPa，平均值為43.737 MPa；最大連通半徑較小，為0.016～5.985 μm，均值為0.396 μm；中值半徑較小，為0.005～1.657 μm，平均值為0.105 μm；微觀均質(zhì)系數(shù)大部分小于0.5?？傮w上表現(xiàn)為排驅(qū)壓力較大，壓汞曲線中間平緩段較短，曲線向左下方凸出不明顯，孔喉半徑較小，主要喉道可能是溝通孔隙的微裂縫，孔喉的連通性、儲集性及滲流能力較差，非均質(zhì)性強。

圖1 長嶺斷陷營城組火山巖樣品深度—孔隙度—滲透率—巖石密度關(guān)系Fig.1 Relationship between depth, porosity, permeability and density of volcanic rock samples from Yingcheng Formation, Changling Fault Depression

1.5 儲層類型

火山巖儲層是一類特殊儲層，孔隙度差異變化大，大部分孔隙為孤立孔隙或局部連通、微連通孔隙，主要的滲流通道為裂縫，裂縫起到主要的滲流作用，是一類雙重介質(zhì)儲層，因此，火山巖儲層的測試曲線應(yīng)該表現(xiàn)為雙孔雙滲特征?？赏ㄟ^試井分析研究儲層類型和滲流特征。

圖2為長嶺斷陷部分井測試滲流特征曲線(數(shù)據(jù)來自中石化東北分公司和華東分公司測試報告)。從圖2中可以看出，各井雙對數(shù)徑向流曲線呈“V”字形(YS1井除外)，儲層均具有典型的雙重孔隙特征。

但也會出現(xiàn)類似于均質(zhì)氣藏滲流特征的壓力恢復(fù)曲線，如圖2中YS1井壓力恢復(fù)曲線，從2006年到2007年的2次測試中均表現(xiàn)為均質(zhì)氣藏的滲流特征，這和預(yù)想的情況不符。因為裂縫的滲流是存在的，所以，曲線表現(xiàn)出這樣的特征。只有一種情況即孔隙滲流的作用很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于裂縫的滲流貢獻，氣藏范圍內(nèi)主要靠裂縫起滲流作用，所以表現(xiàn)出由裂縫滲流占主導(dǎo)作用的“似均質(zhì)滲流特征”。

2 火山巖儲層形成特征

依據(jù)火山巖儲層形成過程特征，可將火山巖儲層的形成分為2個主要階段：初始成巖階段及成巖后生階段[8]。初始成巖階段指地下巖漿醞釀噴發(fā)到噴發(fā)至地表冷凝成巖，形成固態(tài)火山巖的階段，形成原生孔隙；成巖后生階段則包括巖漿成巖后，在漫長的地表或埋藏過程中所發(fā)生一切作用和變化的階段，形成次生孔隙。初始成巖階段主要受控于巖漿冷凝過程的各類火山作用。

圖2 長嶺斷陷部分探井試井解釋雙對數(shù)典型曲線Fig.2 Log-log curves of well testing interpretation of wells in Changling Fault Depression

2.1 火山作用

火山作用階段的成巖作用包括氣體逸散作用、熔結(jié)作用、晶體溶蝕作用、巖流破裂作用、晶體破碎作用等；產(chǎn)生的儲集空間主要包括氣孔、熔孔、晶間孔、原生解理縫、粒間孔和收縮縫、淬火縫等。其中以揮發(fā)分逸散作用和熔結(jié)作用為主，主要形成氣孔和粒間孔等原生孔隙。

對于較厚的熔巖層或火山碎屑巖層，由于成巖是跟外界的接觸程度不一樣，氣孔發(fā)育程度存在較大的差異性。一般在巖層上部氣孔發(fā)育，中部氣孔數(shù)量明顯減少，到底部很少有分布。對碎屑巖巖層，不同部位熔結(jié)程度不同，粒間孔發(fā)育程度不同；熔結(jié)程度高時可使孔隙完全消失，低熔結(jié)程度使粒間孔發(fā)育。對于凝灰?guī)r層其頂面和底面降溫快，熔結(jié)程度低，易于形成好的儲層。

原生裂縫是火山作用階段形成的重要儲集空間，主要包括晶體微裂隙、冷凝收縮縫、節(jié)理等。冷凝收縮縫是由于溫度變化使巖石體積收縮形成的，能連通氣孔和其它孔隙，共同形成很好的儲集空間系統(tǒng)，在薄片上較普遍。

2.2 成巖后生作用

成巖后生作用過程主要包括溶蝕作用、風(fēng)化淋濾作用和構(gòu)造運動等，不同的作用過程對孔隙空間產(chǎn)生不同的影響，這一過程在很大程度上改變了火山巖的儲集特性。

溶蝕作用是決定原生孔隙是否具有儲集性的關(guān)鍵因素。由于火山巖中不穩(wěn)定組分(如長石斑晶、黑云母等)、成巖碳酸鹽等易溶膠結(jié)物在火山熱液和生排烴過程中形成的酸液等的作用下，溶蝕形成許多次生晶內(nèi)與粒間溶孔，加強了孔隙之間的連通性，在一定程度上改善了原生孔隙，使火山巖的物性得到根本的改善。

水上噴發(fā)的古火山機構(gòu)形成之初，大都處于暴露狀態(tài)，易遭受風(fēng)化剝蝕和淋濾作用，形成風(fēng)化溶蝕孔、縫，從而對火山巖儲集性能有較大的改善作用。特別是位于構(gòu)造高部位的火山機構(gòu)，頂部巖層的儲集性能一般較好。腰英臺為古隆起，古構(gòu)造高度比東側(cè)查干花地區(qū)高出近300 m，風(fēng)化程度明顯要高，長期風(fēng)化剝蝕使腰英臺地區(qū)物性明顯好于其它地區(qū)，孔隙度可達28%左右，而東側(cè)所鉆探井孔隙度基本都小于7%。

流紋巖儲層在成巖演化過程中，流紋質(zhì)玻璃發(fā)生脫?；饔?，形成球狀、放射狀或纖維狀的長英質(zhì)礦物，在巖石中出現(xiàn)相當(dāng)數(shù)量的微孔隙。脫?；饔眯纬傻奈⒖紫犊烧紟r石孔隙的20%～70%[9]。

在成巖后生作用過程也存在較強的破壞作用，如重結(jié)晶和晶體充填作用。當(dāng)溫壓條件發(fā)生變化，孔洞中的礦物質(zhì)發(fā)生重結(jié)晶作用，從熱液中析出，形成長石和石英晶體，這些晶體生長在孔洞和縫之中，占據(jù)了一定的孔隙空間，降低了儲集空間。

2.3 構(gòu)造作用

剛性的火山巖地層極易在各種外力的作用下破裂，特別是受長期構(gòu)造運動影響，形成多期的、不同規(guī)模、不同層次的裂縫，甚至是規(guī)模性的斷裂[10-11]。由于裂縫連通了孤立的原生氣孔，從而使氣孔變?yōu)橛行Э紫?，使儲集性能大大改善。各種類型的裂縫在本區(qū)各類火山巖中廣泛存在，極大地增加了儲層的滲透性。但早期的裂縫大都被充填，晚期的開啟性裂縫起到主要滲流和儲集作用。

3 火山巖儲層分布特征及控藏作用

3.1 火山機構(gòu)分布特征及對儲層的控制作用

利用地震和鉆井資料對火山巖地層進行了噴發(fā)旋回和期次的劃分，不同旋回火山噴發(fā)特點有差異，既有爆發(fā)式噴發(fā)、溢流式噴發(fā)，也有混合式噴發(fā)。整個營城期從早期到中晚期火山爆發(fā)次數(shù)和爆發(fā)強度增加，火山活動有逐漸加強的特點，但中期有火山活動間隙階段。在營城末期形成了以厚層的凝灰?guī)r和流紋巖為主的火山巖地層；不同地區(qū)火山噴發(fā)旋回和期次有較大差異，形成復(fù)雜的火山巖地層組合。

在旋回劃分的基礎(chǔ)上對火山機構(gòu)分布進行了研究，結(jié)合野外地質(zhì)考察、火山地質(zhì)研究和詳細(xì)的地震剖面分析，編制了火山機構(gòu)分布圖。這些火山活動形成的大小不等的多個火山機構(gòu)，橫向并列，相互疊置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形成巨厚的連片分布的火山巖地層。

火山機構(gòu)確定了有效儲層在其中的空間分布范圍，火山機構(gòu)中的火山活動旋回(期次)和其控制的各類火山巖相決定了其中火山巖儲層的分布。

在以上研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合裂縫發(fā)育程度、儲層形成機理和火山巖相的研究，綜合確定了研究區(qū)的有利儲層分布(圖3)。

3.2 儲層分布特點及控藏作用

長嶺斷陷營城組火山巖平面上厚度和物性變化均很大。一般在火山口附近物性好，孔隙和裂縫均較發(fā)育；而向火山體邊緣地區(qū)，厚度和物性均較差。

在縱向上，每一個旋回(4級)或期次的溢流相的上部微相和爆發(fā)相的上部和下部微相均是非常有利的勘探層位，不同相帶之間的不整合面為有利儲層發(fā)育部位。

圖3 長嶺斷陷腰英臺—查干花地區(qū)有利儲層分布示意Fig.3 Distribution of favorable reservoirs in Yaoyingtai-Chaganhua region, Changling Fault Depression

風(fēng)化淋濾作用對長期暴露的火山機構(gòu)具有非常強的改造作用，處于古構(gòu)造高點的火山機構(gòu)頂部的火山巖地層是有利的儲層發(fā)育帶，如腰英臺構(gòu)造。

火山儲層非均質(zhì)性強，溝通火山巖儲層和烴源的裂縫的發(fā)育非常重要，沒有這類裂縫儲層可能是無效儲層。因此，與斷裂具有良好組合關(guān)系的火山巖圈閉在油氣運移充注和裂縫發(fā)育程度上具有明顯的優(yōu)勢。

4 結(jié)論及建議

1)長嶺斷陷火石嶺組和營城組各類火山巖發(fā)育，分布面積廣、厚度大，有利于形成有效的火山巖儲層，不同性質(zhì)的斷裂控制了不同的火山噴發(fā)類型和不同性質(zhì)火山巖的分布。

2)火山巖儲層不受埋深限制，在深斷陷具有良好儲集能力，高孔低滲、低孔高滲特色明顯；儲集空間類型以氣孔、溶蝕孔隙及與裂縫的組合為主，裂縫的存在改善了儲層的滲流能力；儲層類型以雙孔雙滲為主，少數(shù)具有似均質(zhì)滲流等特征。

3)火山巖優(yōu)質(zhì)儲層的形成受多重因素控制，有利相帶是火山巖儲層發(fā)育的基礎(chǔ)，構(gòu)造運動是儲層形成的關(guān)鍵，風(fēng)化淋濾及溶解作用是優(yōu)質(zhì)儲層形成的重要條件。

4)發(fā)育在斷裂帶附近構(gòu)造高部位的火山機構(gòu)成藏條件較為有利。

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