準(zhǔn)噶爾盆地哈山地區(qū)石炭系火山巖儲(chǔ)層特征及控制因素

張 震，徐國(guó)盛，袁海鋒，王 誠(chéng)，范 蕾

（1.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059； 2.成都理工大學(xué) 非常規(guī)油氣資源研究所，四川 成都 610059； 3.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059）

0 引言

隨著油氣勘探技術(shù)的發(fā)展，火山巖儲(chǔ)層成為油氣勘探的主要領(lǐng)域之一[1].火山巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，控制因素難以確定，不同盆地或區(qū)域優(yōu)質(zhì)火山巖儲(chǔ)層形成條件和分布規(guī)律差別較大[2－3].人們研究火山巖儲(chǔ)層主要在火山巖巖性測(cè)井識(shí)別、火山巖裂縫特征、成巖作用對(duì)儲(chǔ)層物性的影響和控制因素等方面，其中儲(chǔ)層物性主控因素分析是火山巖儲(chǔ)層研究的重點(diǎn)[4－12].趙寧等[4]利用5條常規(guī)測(cè)井曲線，構(gòu)建測(cè)井相—巖性建模數(shù)據(jù)庫，采用模糊數(shù)學(xué)方法建立準(zhǔn)噶爾西北部火山巖巖性識(shí)別模型；康玉柱[5]根據(jù)成因?qū)⒒鹕綆r孔隙劃分為原生和次生，根據(jù)形態(tài)劃分為孔洞和裂縫，指出影響火山巖儲(chǔ)集物性的因素主要包括巖性巖相、酸性流體溶蝕和斷裂與構(gòu)造裂縫；王仁沖、侯連華等[6－7]將火山巖的成巖作用劃分為早期成巖作用和晚期成巖作用，進(jìn)而細(xì)分為14種具體成巖類型，并討論成巖作用與火山巖儲(chǔ)集物性的關(guān)系，指出儲(chǔ)層物性主控因素分析是火山巖儲(chǔ)層研究的重點(diǎn).

近年來，準(zhǔn)噶爾盆地西北緣火山巖儲(chǔ)層油氣勘探取得突破性進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)克拉瑪依、烏爾禾、百口泉和紅山嘴等油田[13－15].哈山地區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣，其石炭系火山巖地層為重要的油氣勘探層位，鉆井發(fā)現(xiàn)有油氣顯示，具有良好油氣勘探前景.人們對(duì)該地區(qū)火山巖儲(chǔ)層的巖性特征、孔隙類型及儲(chǔ)層主控因素等方面研究不足，影響勘探思路.筆者通過巖心、薄片及成像測(cè)井觀察，根據(jù)火山巖巖性、儲(chǔ)集空間類型及物性等研究火山巖儲(chǔ)層特征，分析不同巖性火山巖的儲(chǔ)集空間類型和物性特征及影響火山儲(chǔ)層的主控因素，為該地區(qū)確定勘探有利目標(biāo)及鉆探井位設(shè)計(jì)提供地質(zhì)依據(jù).

1 地質(zhì)概況

準(zhǔn)噶爾盆地西北緣處于西準(zhǔn)噶爾褶皺山系與準(zhǔn)噶爾塊體之間[16]，以哈拉阿拉特山和扎伊爾山為邊界，西南至奎屯，東北至夏子街.哈山地區(qū)在構(gòu)造上處于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣隆起烏夏斷裂帶西北端，長(zhǎng)約為15km，寬約為10km，西北緊鄰和什托洛蓋盆地，南鄰烏夏斷褶帶和瑪湖凹陷[17]（見圖1）.

圖1 哈山地區(qū)構(gòu)造位置Fig.1 Structural map of Hassan area

哈山構(gòu)造帶由石炭紀(jì)內(nèi)幕逆沖開始，早二疊世發(fā)生前展式走滑逆沖，中晚二疊世開始大規(guī)模前展式走滑逆沖，三疊世末期開始大規(guī)模后展式走滑逆沖，侏羅紀(jì)后期開始?jí)号こ两?，燕山運(yùn)動(dòng)晚期準(zhǔn)噶爾盆地最終覆蓋定型.該構(gòu)造帶石炭系地層構(gòu)造樣式主要發(fā)育逆掩斷裂，地層頂面由東向西呈階梯式抬升.石炭系內(nèi)幕較為復(fù)雜，火山巖儲(chǔ)層主要沿?cái)嗔褞Х植?，平面上，不同走向和傾向的斷層組合分割地層的延續(xù)性；縱向上，各種火山巖類型交互出現(xiàn).

2 儲(chǔ)層特征

2.1 巖石學(xué)特征

根據(jù)SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將火山巖劃分為基性巖類、中性巖類、酸性巖類和堿性巖類[6].研究區(qū)目的層系火山巖巖性變化較大，以酸性巖類中的火山碎屑巖、中性巖類中的安山巖及基性巖類中的玄武巖為主.根據(jù)巖性和薄片觀察，分析哈山構(gòu)造帶火山巖巖石類型及特征.

（1）火山角礫巖.多為灰綠色、灰色，具有典型火山角礫結(jié)構(gòu)與含氣孔?；豢椊Y(jié)構(gòu)，角礫成分多為玄武—安山質(zhì)角礫和流紋質(zhì)角礫（見圖2（a）），角礫間充填的火山灰在后期演化過程中被堿性流體溶蝕取代，形成自形、半自形方解石.基質(zhì)內(nèi)氣孔散亂分布，體積分?jǐn)?shù)為20%，直徑為0.1～0.3mm，孔內(nèi)充填石英、自形方解石（見圖2（b））.熔結(jié)角礫巖總體呈塊狀構(gòu)造，內(nèi)部發(fā)育孔洞，孔洞內(nèi)充填黑色瀝青.火山角礫巖在研究區(qū)石炭系地層中分布最為廣泛，主要分布在哈淺101、哈淺102、哈淺3和哈淺6等井中.

（2）安山巖.多為灰白色、灰色，常具有斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶主要由斜長(zhǎng)石和暗色礦物組成.斜長(zhǎng)石常見環(huán)帶結(jié)構(gòu)及強(qiáng)烈蝕變形成的溶蝕結(jié)構(gòu)（見圖2（c）），基質(zhì)具有玻晶交織結(jié)構(gòu)，斜長(zhǎng)石微晶呈交織狀或近于平行排列，含少量玻璃質(zhì)（見圖2（d））.巖石具有塊狀構(gòu)造，肉眼可見細(xì)小柱狀長(zhǎng)石及大量暗色礦物，裂縫和孔隙發(fā)育，部分巖石可見氣孔，氣孔中充填石英，中部被方解石充填，具有多期充填特點(diǎn).安山巖易受構(gòu)造裂縫影響，產(chǎn)生裂縫型孔隙，為較好的儲(chǔ)集空間，裂縫中常見油質(zhì)充填.

（3）凝灰?guī)r.多為灰綠色，致密質(zhì)脆，巖屑和晶屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，肉眼難以觀察到.常發(fā)生次生溶蝕變化，形成基質(zhì)內(nèi)溶孔（見圖2（e）），溶蝕孔內(nèi)多出現(xiàn)方解石化、硅化及綠泥石化等，顯示多期次溶蝕再充填作用.后期裂縫被方解石充填，方解石再發(fā)生溶蝕，形成儲(chǔ)集性較好的孔洞.

（4）玄武巖.為灰黑色、棕黑色，多具有粗玄結(jié)構(gòu)，在不規(guī)則分布排列的斜長(zhǎng)石長(zhǎng)條狀微晶形成的間隙中，充填若干粒狀輝石和磁鐵礦細(xì)小顆粒（見圖2（f）），反映它形成于冷卻速度較慢條件.發(fā)育氣孔構(gòu)造、杏仁構(gòu)造和塊狀構(gòu)造，巖石中原生氣孔常見，多被后期方解石、石英或鐵質(zhì)充填物充填.

圖2 哈山地區(qū)石炭系火山巖巖性特征Fig.2 Lithologic characteristics of Carboniferous volcanic rocks in Hassan area

2.2 儲(chǔ)集空間類型

火山巖儲(chǔ)集層作為非常規(guī)油氣儲(chǔ)層，分析并建立區(qū)域性、整體性儲(chǔ)集空間分類體系，對(duì)油氣勘探開發(fā)具有重要意義[17].以巖心、薄片和成像測(cè)井分析等方法，建立哈山構(gòu)造帶石炭系火山巖儲(chǔ)集空間分類體系（見表1）.

2.2.1 原生儲(chǔ)集空間

原生儲(chǔ)集空間在研究區(qū)廣泛發(fā)育，但分布不均，不同巖性火山巖發(fā)育的原生儲(chǔ)集空間組合類型不同.火山角礫巖中發(fā)育原生礫間孔和冷凝收縮縫，玄武巖和安山巖發(fā)育氣孔和晶內(nèi)炸裂紋，以火山角礫巖原生孔隙度相對(duì)較高.

（1）氣孔.由安山巖或玄武巖成巖時(shí)氣體逸散形成，大小不一，形狀多呈圓形、橢圓形和不規(guī)則形等（見圖3（a））.巖心薄片觀察發(fā)現(xiàn)，氣孔多彼此獨(dú)立，與次生裂縫、溶蝕孔縫連通；氣孔中常充填半自形—它形金屬不透明礦物及顆粒細(xì)小的重結(jié)晶的長(zhǎng)英質(zhì)礦物，形成杏仁體.

（2）礫間孔.主要包括2種類型：一種是由火山熔巖自碎角礫巖或隱爆角礫巖化形成的角礫間孔隙[17]，孔隙基本被充填或半充填（見圖3（b））；另一種是火山碎屑中的火山碎屑間孔隙.礫間孔一般孔隙較大，連通性好，大小與形態(tài)受火山碎屑和火山角礫的組合形式控制，常與裂縫伴生[17].

（3）冷凝收縮縫.安山巖的微裂縫多由巖漿冷凝收縮或火山玻璃重結(jié)晶作用形成，沿晶體邊緣展布，部分與溶蝕孔連通.

（4）晶內(nèi)炸裂紋.形態(tài)通常不規(guī)則，常穿切晶體，后期流體多沿晶內(nèi)炸裂紋對(duì)晶體進(jìn)行溶蝕.晶內(nèi)炸裂紋通常見于具有斑狀結(jié)構(gòu)巖石和含晶屑細(xì)?；鹕浇堑[巖中.

2.2.2 次生儲(chǔ)集空間

研究區(qū)內(nèi)火山巖主要形成于石炭紀(jì)，后歷經(jīng)海西、印支、燕山和喜馬拉雅等多期構(gòu)造活動(dòng).受多種成巖作用（壓實(shí)、溶解、重結(jié)晶和次生蝕變）共同影響，原生儲(chǔ)集空間經(jīng)過改造形成次生儲(chǔ)集空間，包括基質(zhì)溶蝕孔、氣孔充填物內(nèi)溶孔、晶內(nèi)溶蝕孔和構(gòu)造裂縫.

（1）晶內(nèi)溶蝕孔.安山巖中晶內(nèi)溶蝕孔主要發(fā)育在長(zhǎng)石單晶體內(nèi)部（見圖3（c）），多數(shù)為中性斜長(zhǎng)石，次生變化類型多樣，主要為絹云母化、黏土化、綠簾石化和方解石化等.晶內(nèi)溶蝕孔主要充填物有方解石、油質(zhì)及瀝青.

（2）基質(zhì)溶蝕孔.火山角礫巖中溶孔發(fā)育，在基質(zhì)內(nèi)常見大量超大溶孔，顯示多期次生充填特征，一期硅質(zhì)流體沿溶孔內(nèi)壁形成梳狀邊石英，二期硅質(zhì)流體充填一期流體剩余空間形成自形單晶石英（見圖3（d））.

（3）氣孔充填物內(nèi)溶孔.為氣孔被全部或部分溶蝕形成的次生孔隙，主要見于火山熔巖中.氣孔的充填物包括沸石、綠泥石、瀝青、方解石和硅質(zhì)等.如玄武安山巖中原生氣孔被次生方解石充填，方解石再被溶蝕，形成新的孔洞（見圖3（e））.

（4）構(gòu)造裂縫.由基質(zhì)被流體溶蝕或構(gòu)造等后期成巖作用改造形成，呈寬、長(zhǎng)和密集分布等特點(diǎn)，部分或完全充填硅質(zhì)、鈣質(zhì)、碳酸鹽和油質(zhì)（見圖3（f））等，具有連通原生孔隙的作用，使火山角礫巖成為良好的儲(chǔ)集空間.

圖3 哈山地區(qū)石炭系火山巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間特征Fig.3 Characteristics of accumulating spaces of Carboniferous volcanic reservoir in Hassan area

表1 研究區(qū)火山巖儲(chǔ)集空間類型特征Table 1 Reservoir space types and characteristics of volcanic rocks in Hassan area

2.3 儲(chǔ)層物性特征

研究區(qū)內(nèi)石炭系火山巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能較差，總體上表現(xiàn)為中—低孔隙度、低—特低滲透性及非均質(zhì)性極強(qiáng).根據(jù)哈山地區(qū)石炭系6口井巖心分析，統(tǒng)計(jì)該地區(qū)孔滲參數(shù)（見表2）.

表2 哈山地區(qū)石炭系火山巖儲(chǔ)層物性特征Table 2 Physical properties of Carboniferous volcanic reservoir in Hassan area

哈山地區(qū)石炭系火山巖儲(chǔ)層巖石孔隙度變化較大，80%的樣品孔隙度為1.44%～14.92%，平均孔隙度為6.67%，平均孔隙度最大的為火山角礫巖，其次是安山巖和凝灰?guī)r，最小的為玄武巖.石炭系火山巖滲透率為（0.01～20.90）×10－3μm2，火山角礫巖滲透性最好，安山巖和凝灰?guī)r次之，玄武巖滲透性最差.

研究區(qū)石炭系火山巖孔滲相關(guān)性分析表明，該區(qū)孔滲相關(guān)系數(shù)為0.389 9，表明孔滲相關(guān)性不好（見圖4）.總體上，石炭系火山巖儲(chǔ)層以中—低孔、低滲或特低滲儲(chǔ)層為主，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，其中以火山角礫巖為主的儲(chǔ)層物性最好，是石炭系最有利儲(chǔ)集層，其次是以安山巖和凝灰?guī)r為主的儲(chǔ)層，以玄武巖為主的儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能最差.

圖4 哈山地區(qū)石炭系火山巖儲(chǔ)層孔隙度與滲透率關(guān)系Fig.4 The diagram of porosity and permeability of Carboniferous volcanic reservoir in Hassan area

3 控制因素

3.1 巖性和巖相

火山巖原始儲(chǔ)集性能和次生儲(chǔ)集空間發(fā)育取決于巖性，而火山巖的巖性受到火山巖巖相控制[18－19].準(zhǔn)噶爾盆地哈山地區(qū)石炭系火山巖由多期次的火山爆發(fā)相、溢流相和沉積相組成.火山爆發(fā)相（火山角礫巖）固結(jié)速度塊、熱熔程度低，礫間孔、氣孔等原生儲(chǔ)集空間發(fā)育，巖石孔隙度較高，抗壓程度低，裂縫發(fā)育程度高，孔隙連通性較好，儲(chǔ)集性能良好，是研究區(qū)重要的儲(chǔ)集層.火山溢流相（安山巖、玄武巖）固結(jié)速度慢、熱熔程度高，其中玄武巖原生孔隙度低、抗壓強(qiáng)度大、裂縫不發(fā)育，連通性較差，儲(chǔ)集性能較差；安山巖原生氣孔和次生溶孔發(fā)育、裂縫較發(fā)育、物性較好，為研究區(qū)較好儲(chǔ)層.火山沉積相（凝灰?guī)r）巖性較致密，原生孔隙不發(fā)育，抗溶蝕能力較差，在構(gòu)造微裂縫及溶蝕孔發(fā)育部位可形成有效儲(chǔ)層.

3.2 構(gòu)造活動(dòng)

經(jīng)歷多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造演化過程復(fù)雜，形成復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)及大量派生裂縫.鉆井結(jié)果顯示：石炭系主要火山巖類型包括安山巖、凝灰?guī)r、玄武巖和火山角礫巖等，裂縫發(fā)育特征有明顯差異.宏觀上，由XRMI溶蝕孔洞成像圖及部分鉆井取心可知，構(gòu)造作用在巖體內(nèi)發(fā)育高角度裂縫（70°～80°）和低角度斜交縫（30°～45°），順裂縫巖心成像顏色為暗黑色，表明裂縫作為高導(dǎo)層，內(nèi)部多充填油氣等低阻流體，為良好的流體運(yùn)移、儲(chǔ)存空間.微觀上，研究區(qū)火山巖巖心和薄片觀察顯示，裂縫多切過原本獨(dú)立存在的、互不連通的或連通性很差的火山巖原生孔洞與次生溶孔，進(jìn)而提高火山巖的孔隙度和滲透性（見圖5）.此外，裂縫為地層深部流體上升通道，流體可溶蝕孔隙充填物，進(jìn)而增大裂縫寬度、改善儲(chǔ)層，裂縫和液體的相互作用對(duì)改善儲(chǔ)層物性形成良性循環(huán).

圖5 裂縫對(duì)儲(chǔ)層的影響Fig.5 The influence of fracture on volcanic reservoir

3.3 風(fēng)化淋濾作用和溶蝕作用

風(fēng)化淋濾作用和溶蝕作用是決定火山巖儲(chǔ)層次生孔縫發(fā)育狀況的主要成巖后生作用，次生孔縫的發(fā)育是影響火山巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的重要因素.準(zhǔn)噶爾盆地西北緣哈山地區(qū)石炭系與上覆地層間存在一個(gè)較大的不整合面；火山巖形成后大多經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)化剝蝕[15]，受表生成巖作用和大氣降水的淋濾溶蝕作用影響，產(chǎn)生大量的孔、洞、縫.

隨著埋藏深度的增加，研究區(qū)石炭系火山巖之上地層及南部不同時(shí)代瑪湖生烴凹陷中發(fā)育的烴源巖逐漸進(jìn)入成熟階段，在熱演化過程中產(chǎn)生大量機(jī)酸且釋放CO2等組分，融入成巖作用產(chǎn)生的水中而形成酸性流體，通過不整合面、裂縫和斷層等進(jìn)入火山巖儲(chǔ)層中，使火山巖中的方解石、綠泥石等充填物和硅酸鹽等造巖礦物被溶蝕，產(chǎn)生溶蝕孔縫，不同程度地改善儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能：（1）凝灰?guī)r儲(chǔ)層致密，原生基質(zhì)孔隙難以成為有效儲(chǔ)層，只有經(jīng)過構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生大量裂縫且發(fā)生溶蝕作用，才能形成有效儲(chǔ)層；（2）火山角礫巖發(fā)育原生礫間孔，但多被方解石、綠泥石充填，并且連通性較差、儲(chǔ)滲能力一般，只有裂縫發(fā)育，增強(qiáng)原生礫間孔之間的連通性，促進(jìn)溶蝕作用，才能有效改善此類儲(chǔ)層的儲(chǔ)滲能力，而形成良好儲(chǔ)層；（3）安山巖抗壓強(qiáng)度弱，產(chǎn)生大量裂縫，溶蝕作用溶蝕長(zhǎng)石斑晶和玻璃基質(zhì)等，改善儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能；（4）玄武巖難以形成裂縫，溶蝕作用不強(qiáng)，難以有效改善儲(chǔ)層.

4 結(jié)論

（1）準(zhǔn)噶爾盆地西北緣哈山地區(qū)石炭系火山巖主要為酸性巖類的火山角礫巖和凝灰?guī)r、中性巖類的安山巖，以及基性巖類的玄武巖，其他巖性少量分布.

（2）研究區(qū)火山巖儲(chǔ)集空間類型分為原生和次生兩類，原生儲(chǔ)集空間主要為氣孔和礫間孔，次生儲(chǔ)集空間主要為次生溶孔和次生裂縫，次生儲(chǔ)集空間為主要儲(chǔ)集空間類型.

（3）研究區(qū)石炭系火山巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能普遍較差，總體表現(xiàn)為中—低孔隙度、低—特低滲透性、非均質(zhì)性極強(qiáng)，其中火山角礫巖物性最好，為石炭系最有利儲(chǔ)集層，其次為安山巖和凝灰?guī)r，玄武巖儲(chǔ)集性能最差.

（4）火山巖的巖性、巖相、構(gòu)造活動(dòng)及溶蝕作用是儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的主要影響因素：巖性和巖相決定火山巖的儲(chǔ)集性能；構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)化儲(chǔ)層中裂縫的發(fā)育程度和規(guī)模，有利油氣運(yùn)聚且有助于產(chǎn)生溶蝕作用；溶蝕作用有效改善儲(chǔ)層次生孔隙的發(fā)育，提高巖石孔隙度與滲透率.

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