松遼盆地北部汪家屯氣田營三段火山巖 氣藏儲(chǔ)層特征及其影響因素

陳 曦

(大慶油田勘探開發(fā)研究院， 黑龍江 大慶 163712)

隨著油氣勘探不斷向深層拓展，以火山巖為代表的非常規(guī)油氣資源在油氣勘探開發(fā)中的比重日益提高。尤其埋藏深度超過3 000 m的深層，是深部油氣勘探的主要目的層，其中剛性火山巖的孔隙度仍可保持10%以上[1-2]。火山巖儲(chǔ)層成因復(fù)雜，后期又經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，其儲(chǔ)層特征有別于碎屑巖和碳酸鹽巖儲(chǔ)層，因此加強(qiáng)火山巖儲(chǔ)層特征及其主控因素研究，對(duì)提升火山巖氣藏的開發(fā)效果具有重要意義。松遼盆地下白堊統(tǒng)營城組火山巖是我國目前發(fā)現(xiàn)的最大火山巖氣藏，具有氣藏類型多樣、儲(chǔ)層類型復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，火山巖儲(chǔ)層特征認(rèn)識(shí)水平已成為制約該氣藏高效開發(fā)的關(guān)鍵因素。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

松遼盆地是我國東部中、新生代火山巖發(fā)育最充分的地區(qū)之一，具有下斷上坳的雙層結(jié)構(gòu)。在晚侏羅世 — 晚白堊世斷陷盆地發(fā)育階段，盆地內(nèi)火山活動(dòng)強(qiáng)烈，形成多期疊置、分布廣泛的火山巖體。這些巨厚的火山巖與盆地?cái)嘞萜谛纬傻亩嗵谉N源巖側(cè)向連通，構(gòu)成了良好的油氣成藏組合，是松遼盆地深層的重要勘探目標(biāo)[3]。研究區(qū)位于松遼盆地北部安達(dá)凹陷，主要目的層下白堊統(tǒng)營城組含氣面積約47.2 km2，累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量近600×108m3，是盆地深層重要的天然氣富集區(qū)之一。圖1所示為松遼盆地北部汪家屯氣田構(gòu)造位置及營三段火山巖巖相圖。

在經(jīng)歷了將近20 a的高速開發(fā)后，研究區(qū)正不可避免地進(jìn)入產(chǎn)量遞減階段。在查明火山巖儲(chǔ)層特征及主控因素的前提下，尋找新的有利開發(fā)區(qū)已成為徐深氣田實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量穩(wěn)定和持續(xù)開發(fā)的重要任務(wù)。本次研究中，將綜合運(yùn)用全直徑物性、薄片、壓汞、火山巖元素等多種測試資料，在營三段火山巖氣藏儲(chǔ)層特征分析的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)剖析影響火山巖儲(chǔ)層物性的主要因素，以期為研究區(qū)火山巖氣藏的高效開發(fā)提供依據(jù)。

2 儲(chǔ)層基本特征

2.1 巖石學(xué)特征

對(duì)汪家屯地區(qū)27口井1 178.5 m段巖心156個(gè)火山巖主量元素進(jìn)行測試，可知營城組火山巖主要包括火山熔巖、火山碎屑巖和火山碎屑熔巖等3種類型。研究區(qū)火山熔巖以酸性流紋巖為主(平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)約27.21%)，有少量英安巖(平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)約18.52%)、安山巖(平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)約4.88%)和玄武巖(平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)約3.75%)。按照結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征，可將流紋巖分為微層狀流紋巖、球粒流紋巖、氣孔杏仁狀流紋巖、塊狀流紋巖、霏細(xì)巖、珍珠巖、黑耀巖等類型?；鹕剿樾紟r是由火山作用形成的各種火山碎屑物質(zhì)經(jīng)“壓實(shí)固結(jié)”而成的巖石。研究區(qū)常見火山碎屑巖類型包括流紋質(zhì)凝灰?guī)r(平均含量約15.01%)和火山角礫巖(平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)約8.44%)，同時(shí)可見少量凝灰質(zhì)砂巖(平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)約5.44%)。火山碎屑熔巖是介于火山熔巖和火山碎屑巖之間的過渡類型，是因“冷凝固結(jié)”作用而形成。按照碎屑物結(jié)構(gòu)和成分，可將火山碎屑熔巖進(jìn)一步分為流紋質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)角礫熔結(jié)凝灰?guī)r。研究區(qū)火山碎屑熔巖主要有角礫熔巖(平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)約6.56%)、熔結(jié)凝灰?guī)r(平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.56%)。圖2所示為松遼盆地北部汪家屯氣田營三段火山巖TAS圖解。

圖1 松遼盆地北部汪家屯氣田構(gòu)造位置及營三段火山巖巖相圖

2.2 巖相特征

汪家屯氣田是典型的陸上噴發(fā)火山巖，以裂隙 — 中心噴發(fā)方式為主，火山體沿徐深斷裂呈串珠狀分布。根據(jù)松遼盆地深層火山巖巖相劃分方案[4]，通過巖芯觀察并結(jié)合地震、測井資料分析，可知研究區(qū)主要發(fā)育火山溢流相、爆發(fā)相、火山通道相等巖相，局部可見沉凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖等火山沉積相。其中，以爆發(fā)相熱碎屑流亞相、火山通道相火山頸亞相、溢流相上部亞相和下部亞相發(fā)育最充分，該層也是研究區(qū)主要的含氣層段。

2.3 物性特征

對(duì)302個(gè)樣品進(jìn)行全直徑物性測試。結(jié)果顯示，汪家屯氣田營三段火山巖孔隙度分布范圍較廣，從0.10%～16.20%均有分布，主要分布區(qū)間為2.00%～10.00%，平均孔隙度為7.73%；滲透率變化較大，分布區(qū)間為0.01×10-3～21.36×10-3μm2，其中90%的樣品滲透率小于1.00×10-3μm2，平均滲透率為0.22×10-3μm2。按照火山巖儲(chǔ)集層描述方法(SY/T 5830 — 1993)的定義，所在儲(chǔ)層屬典型的中 — 低孔、低 — 特低滲儲(chǔ)層?；鹕綆r的孔隙度與埋藏深度之間無明顯關(guān)系，儲(chǔ)層孔隙度和滲透率不隨埋藏深度增加而減小，且孔隙度與滲透率間關(guān)系不明顯。圖3所示為汪家屯氣田營三段火山巖孔隙度與滲透率關(guān)系。

圖2 松遼盆地北部汪家屯氣田營三段火山巖TAS圖解

圖3 汪家屯氣田營三段火山巖孔隙度與滲透率關(guān)系

2.4 微觀結(jié)構(gòu)特征

火山巖儲(chǔ)集空間是由孔隙、裂縫、孔洞及其復(fù)合體組成的復(fù)雜空間[5]，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。60個(gè)樣品的壓汞測試結(jié)果顯示，汪家屯氣田營三段火山巖排驅(qū)壓力分布區(qū)間為0.34～27.65 MPa(平均11.26 MPa)，中值壓力區(qū)間為2.26～15.56 MPa(平均10.29 MPa)，最大進(jìn)汞飽和度平均僅54.88%，表明營三段儲(chǔ)層連通性總體較差。營三段火山巖儲(chǔ)層，最大連通孔喉半徑為0.027～2.122 μm(平均僅0.284 μm)，平均喉道半徑為0.008～0.574 μm(平均僅0.087 μm)，屬典型的微孔細(xì)喉型、微孔微喉型儲(chǔ)層。反映孔喉分選特征的相對(duì)分選系數(shù)和均值系數(shù)分別介于5.65～212.89(平均61.69)和0.199～97.230(平均0.390)，表明營三段儲(chǔ)層孔喉分選性極差，細(xì)小孔喉混雜，是阻礙儲(chǔ)層內(nèi)流體滲流的重要原因。

3 火山巖儲(chǔ)層影響因素

火山巖儲(chǔ)層物性的變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程，富含揮發(fā)分的巖漿噴溢至地表，冷凝后形成含大量原生氣孔的火山巖；但這些原生孔隙往往互不連通，不能形成有效儲(chǔ)層，火山巖儲(chǔ)集空間經(jīng)歷的形成、發(fā)展、堵塞和再形成等一系列過程受巖性巖相、構(gòu)造作用、成巖作用等因素的影響[6]。巖性、巖相決定原生孔隙類型及發(fā)育程度，是控制火山巖儲(chǔ)層物性的內(nèi)因；成巖作用影響儲(chǔ)層原生孔隙的保存與破壞以及次生孔隙的形成與分布，是控制火山巖儲(chǔ)層物性的外因；構(gòu)造作用形成的各種裂縫將火山巖中孤立的原生孔隙連通起來，是火山巖形成有效儲(chǔ)層的關(guān)鍵因素。

3.1 巖性巖相

不同類型火山巖的化學(xué)成分和形成環(huán)境差異，導(dǎo)致其儲(chǔ)集空間類型和演化過程各異。原生孔隙不僅是汪家屯氣田營三段火山巖儲(chǔ)層重要的儲(chǔ)集空間，更是形成次生溶蝕孔隙的基礎(chǔ)。通常火山碎屑巖、碎屑熔巖中粒(礫)間孔隙發(fā)育，且多以大孔隙為主，而火山熔巖則以氣孔、脫?；⒖缀突|(zhì)內(nèi)微孔為主，孔隙細(xì)小且連通性差。物性測試表明，火山角礫巖、流紋質(zhì)凝灰?guī)r和熔結(jié)角礫巖物性明顯優(yōu)于流紋巖、安山巖和英安巖等火山熔巖。圖4所示為 汪家屯氣田營三段火山巖巖性巖相與儲(chǔ)層物性的關(guān)系。汪家屯氣田營三段火山體主要沿?cái)嗔殉蚀闋罘植?，近火山口的爆發(fā)相和火山通道相中有斷裂發(fā)育。此斷裂是大氣降水和有機(jī)酸滲濾的重要通道，后期極易發(fā)生溶蝕形成次生溶蝕孔隙。在巖漿冷凝過程中，揮發(fā)分從頂?shù)滓绯鲂纬蓪訝罘植嫉臍饪讓?，由?gòu)造作用、成巖作用形成的裂縫切穿這些氣孔使其彼此連通，在溢流相上部和下部亞相中形成有效儲(chǔ)層。由于沉積物細(xì)小且受到強(qiáng)烈的壓實(shí)作用和成巖作用，細(xì)粒的沉凝灰?guī)r極其致密，遠(yuǎn)離火山口的火山沉積相難以形成有效儲(chǔ)層。

圖4 汪家屯氣田營三段火山巖巖性巖相與儲(chǔ)層物性的關(guān)系

3.2 構(gòu)造作用

圖5所示為汪家屯氣田營三段火山巖成巖作用特征。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)火山巖儲(chǔ)層物性的影響主要是，在致密的火山巖產(chǎn)生成組、成帶分布的規(guī)則或不規(guī)則裂縫，由構(gòu)造作用形成的裂縫不僅增加了火山巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間，同時(shí)將彼此孤立的原生孔隙溝通起來，形成統(tǒng)一的儲(chǔ)滲體，鏡下常見裂縫兩側(cè)因溶蝕作用而加寬并呈鋸齒狀(見圖5a)。汪深氣田營三段火山巖中發(fā)育多組北西向、近南北向和近東西向高角度裂縫，結(jié)合薄片資料可將本區(qū)構(gòu)造裂縫分為3期。其中，第1期構(gòu)造裂縫以低角度裂縫為主，鏡下可見低角度裂縫切割石英、長石等斑晶和基質(zhì)，這些低角度縫形成時(shí)間較早，多被泥晶方解石、綠泥石充填(圖5b)；第2期構(gòu)造裂縫以高角度縫為主，切穿前期形成的低角度構(gòu)造縫，形成復(fù)雜的網(wǎng)狀體系，但裂縫中常見方解石、沸石和綠泥石，充填程度較高(圖5c)；第3期構(gòu)造裂縫是形成于深埋藏階段的高角度裂縫，切穿低角度構(gòu)造裂縫，且仍處于開啟狀態(tài)。研究區(qū)營城組火山巖中裂縫發(fā)育，鏡下統(tǒng)計(jì)裂縫面孔率為2%～6%，以構(gòu)造裂縫為主。多期次的構(gòu)造裂縫作為油氣運(yùn)移和火山熱液的重要通道，極大地促進(jìn)了次生溶蝕的范圍和強(qiáng)度，對(duì)次生孔隙的形成具有重要促進(jìn)作用。

圖5 汪家屯氣田營三段火山巖成巖作用特征

3.3 成巖作用

營三段火山巖儲(chǔ)層的形成，經(jīng)歷了巖漿冷凝階段、熱液作用階段、表生階段和埋藏階段等多個(gè)成巖演化階段，期間復(fù)雜的成巖作用影響了原生孔隙的保存狀況和次生孔隙的形成，這些都是形成現(xiàn)今物性分布的關(guān)鍵因素[7]。

(1)巖漿冷凝階段。巖漿冷凝階段氣體溢出作用是形成原生儲(chǔ)集空間的主要作用，鏡下常見氣孔呈壓扁拉長狀、呈定向排列，部分氣孔被石英、方解石充填成杏仁體孔(見圖5d)；同時(shí)由于巖漿快速冷凝，礦物晶體結(jié)晶形成脫?；⒖祝@也是火山巖儲(chǔ)層重要的原生孔隙類型(見圖5e)。

(2)熱液作用階段。營三段火山活動(dòng)間歇期受火山熱液作用，火山巖中礦物蝕變，形成石英、鈉長石、綠泥石、方解石、菱鐵礦等礦物充填原生孔隙和裂縫，對(duì)儲(chǔ)集空間造成極大破壞(見圖5f)。

(3)表生階段。營三段火山巖暴露地表時(shí)，位于高部位的火山巖遭受風(fēng)化剝蝕使巖石破碎形成網(wǎng)狀的風(fēng)化裂縫(見圖5g)。這些裂縫不但溝通了不同類型儲(chǔ)集空間，同時(shí)富含CO2的大氣降水可以通過這些風(fēng)化縫網(wǎng)，對(duì)火山巖產(chǎn)生持續(xù)的淋濾作用，使火山巖中易溶組分發(fā)生溶蝕形成次生溶蝕孔隙。鏡下常見火山灰中易溶組分溶蝕形成的蜂窩狀火山灰溶孔(見圖5h)。

(4)埋藏階段。營三段火山巖長期處于承壓、還原環(huán)境，強(qiáng)烈的壓實(shí)作用使火山碎屑巖中粒間孔隙部分喪失，局部可見顆粒緊密壓實(shí)形成的縫合裂縫(見圖5i)，但壓實(shí)作用對(duì)由冷凝固結(jié)形成的火山熔巖和火山碎屑熔巖影響較小。隨著埋藏深度的增加，營三段下伏沙河子組烴源巖成熟后形成大量有機(jī)酸，通過斷層、裂縫進(jìn)入營三段儲(chǔ)層并與火山巖中礦物反應(yīng)形成次生溶蝕孔縫，鏡下可見長石沿解理面溶蝕(見圖5j)，局部可見顆粒溶蝕形成的鑄模孔隙(見圖5k)。這一時(shí)期,強(qiáng)烈的溶蝕對(duì)儲(chǔ)層物性改善具有重要的意義。在埋藏晚期，隨著有機(jī)酸消耗殆盡和成巖環(huán)境的變化，地層水中鐵方解石、鐵白云石等再次沉淀，充填原生氣孔和粒間孔隙，形成杏仁體孔(見圖5l)，造成儲(chǔ)層物性喪失。這是破壞火山巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間的重要原因。

4 結(jié) 語

汪深氣田營三段火山巖以流紋巖、英安巖、安山巖等火山熔巖和火山角礫巖、凝灰?guī)r等火山碎屑巖為主，孔隙度普遍小于5.00%，滲透率小于1.00×10-3μm2，屬典型的中 — 低孔、低 — 特低滲儲(chǔ)層。

營三段火山巖孔喉細(xì)小，屬典型的微孔細(xì)喉型、微孔微喉型儲(chǔ)層，孔喉分選性、連通性差，細(xì)小的孔喉混雜，是阻礙儲(chǔ)層內(nèi)流體滲流的重要原因。

巖性巖相、成巖作用和構(gòu)造作用是影響火山巖儲(chǔ)層物性的主要因素。其中，巖性巖相決定了火山巖原生孔隙類型和發(fā)育程度；成巖作用影響儲(chǔ)層原生孔隙的保存與破壞、次生孔隙的形成與分布；構(gòu)造作用形成的各種裂縫將火山巖中孤立的原生孔隙連通起來，是火山巖形成有效儲(chǔ)層的關(guān)鍵因素。