火山碎屑巖儲層特征及其主控因素分析：以松遼盆地南部長嶺斷陷龍鳳山地區(qū)為例

鄭健，王璞珺，朱建峰，邊偉華，洪一鳴，程澤宇，季金礁

1.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長春 130061; 2.中國石油化工股份有限公司 東北油氣分公司，長春 130062

0 引言

火山碎屑巖是一種介于火山熔巖和陸源碎屑巖之間的過渡類巖石[1--2]，在油氣勘探過程中逐漸被證實具有油氣成儲成藏潛力[3--4]。在中國，火山碎屑巖作為重要儲層的地區(qū)包括二連盆地、渤海灣盆地和海拉爾盆地等[5--7]，此外，松遼盆地，準(zhǔn)噶爾盆地和三塘湖盆地等盆地內(nèi)火山碎屑巖也發(fā)育一定規(guī)模的儲層[8--9]。雖然火山碎屑巖具有與陸源碎屑巖相似的碎屑結(jié)構(gòu)，但碎屑物質(zhì)的來源、搬運方式、形態(tài)特征以及膠結(jié)方式均存在明顯差異，而且其在形成過程中先后經(jīng)歷了復(fù)雜的成巖作用改造，導(dǎo)致火山碎屑巖的儲集空間在形成與演化方面具有一定特殊性[9--11]。

火山碎屑巖儲層具有較強的空間非均質(zhì)性，表現(xiàn)為儲集空間變化復(fù)雜、儲集物性差異明顯[7]。即使在同一地區(qū)，不同層系的火山碎屑巖的物質(zhì)構(gòu)成和儲集空間也存在明顯差異。不同粒度、不同膠結(jié)類型的火山碎屑巖在多期復(fù)雜的成巖作用影響下有效孔隙的發(fā)育特征與分布規(guī)律尚不明確。筆者以松遼盆地南部長嶺斷陷龍鳳山地區(qū)鉆遇火石嶺組火山碎屑巖的6口鉆井為例，系統(tǒng)開展厘米--微米級不同尺度下的火山碎屑巖儲層特征描述，探討和總結(jié)影響火山碎屑巖儲層物性的主要因素。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

長嶺斷陷位于松遼盆地中央斷陷區(qū)南部，面積約為1.3×104km2[12]。龍鳳山次凹(又稱長嶺南次凹)位于長嶺斷陷南部(圖1)，是在火石嶺組火山巖基礎(chǔ)上發(fā)育起來的繼承性凹陷，面積約300 km2，西部受NE向北正鎮(zhèn)邊界斷層控制，東部受古隆起的影響，形成西斷、東超的箕狀斷陷構(gòu)造[15--17]。

圖1 長嶺斷陷地質(zhì)概況(a)及火石嶺組火山巖分布(b)(據(jù)文獻(xiàn)[13]及[14]修改)Fig.1 Geological setting of Changling fault depression(a) and distribution of volcanic rocks in Huoshiling Formation(b)

長嶺斷陷發(fā)育火山巖的層位主要是營城組及火石嶺組[18--19]。營城組一段和三段均發(fā)育火山碎屑巖，營一段主要發(fā)育大段流紋巖及流紋質(zhì)火山碎屑巖，營三段主要發(fā)育玄武質(zhì)集塊熔巖、玄武巖及流紋質(zhì)火山角礫巖?；鹗瘞X組發(fā)育安山巖、玄武巖及火山碎屑巖[18，20]。

本文主要研究層位火石嶺組是松遼盆地中生代斷陷期的產(chǎn)物[14]。在龍鳳山地區(qū)鉆遇火石嶺組的鉆井中，主要發(fā)育有火山熔巖、火山碎屑熔巖、火山碎屑巖以及沉火山碎屑巖4大類，以中基性火山巖為主。按鉆揭地層厚度統(tǒng)計，其中安山巖約占14%，沉火山碎屑巖約占6%，火山碎屑巖約占80%。根據(jù)膠結(jié)類型，火山碎屑巖細(xì)分為凝灰質(zhì)膠結(jié)火山碎屑巖和熔漿膠結(jié)火山碎屑熔巖，前者占總厚度63%，后者占17%。

2 火山碎屑巖儲層發(fā)育特征

2.1 火山碎屑巖的類型與特征

研究區(qū)內(nèi)火山碎屑巖中碎屑物質(zhì)主要由安山巖巖屑及斜長石晶屑等構(gòu)成，角礫粒徑最大可達(dá)8 cm，呈灰白色，多為棱角狀。膠結(jié)類型可見凝灰質(zhì)膠結(jié)(圖2C)和熔漿膠結(jié)(圖2B)等。根據(jù)膠結(jié)類型及膠結(jié)程度，研究區(qū)內(nèi)火山碎屑巖可分為熔結(jié)成因的火山碎屑熔巖及非熔結(jié)成因的普通火山碎屑巖。巖石普遍發(fā)育裂縫(圖2D、F)，可見鈣質(zhì)充填(圖2A)、沸石充填等。

A.北215井，3 218.35 m，灰黑色安山質(zhì)角礫熔巖，火山碎屑熔巖結(jié)構(gòu)，可見大量氣孔定向半定向分布，鈣質(zhì)充填嚴(yán)重，構(gòu)造裂縫發(fā)育，鈣質(zhì)充填；B.北204井，3 302.35 m，灰色安山質(zhì)角礫熔巖，火山碎屑熔巖結(jié)構(gòu)，裂縫發(fā)育，交織成網(wǎng)狀，硅質(zhì)充填嚴(yán)重；C.北203井，3 869.07 m，灰色安山質(zhì)凝灰?guī)r，火山碎屑結(jié)構(gòu)，含少量安山質(zhì)巖屑，晶屑主要是長石，含少量角礫，裂縫不發(fā)育；D.北204井，3 304.20 m，安山質(zhì)角礫熔巖，構(gòu)造裂縫貫穿，縫面平直，可切穿斑晶及角礫；E.北203井，3 865.00 m，安山質(zhì)凝灰?guī)r，長石斑晶被鈣質(zhì)交代，可見沸石充填角礫間孔；F.北213井，3 525.06 m，安山質(zhì)火山角礫巖，溶蝕作用產(chǎn)生裂縫，沿著顆粒邊緣產(chǎn)生溶蝕；G.北213井，3 525.06 m，安山質(zhì)火山角礫巖，凝灰質(zhì)膠結(jié)；H.北213井，3 525.06 m，灰綠色安山質(zhì)火山角礫巖，火山碎屑結(jié)構(gòu)，碎屑顆粒粒徑2～10 mm，微裂縫發(fā)育；I.北215井，3 218.35 m，安山質(zhì)角礫熔巖，碎屑熔巖結(jié)構(gòu)，角礫內(nèi)發(fā)育氣孔，定向性明顯，鈣質(zhì)充填。圖2 火山碎屑巖巖性特征及成巖改造Fig.2 Lithologic characteristics and diagenetic alteration of pyroclastic rocks

2.2 火山碎屑巖的儲集空間類型及組合

研究區(qū)內(nèi)火山碎屑巖的儲集空間分為原生孔隙和次生孔隙兩大類，其中次生孔隙占主要地位。原生氣孔(圖3E)及角礫間孔(圖3B)經(jīng)受強烈的鈣質(zhì)充填(圖3F)及黏土充填(圖3A)，破壞嚴(yán)重。溶蝕孔隙在研究區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育，斑晶和基質(zhì)均可被溶蝕(圖3C、D)，氣孔內(nèi)可發(fā)育多期充填--溶蝕(圖3E)，溶蝕孔隙是研究區(qū)內(nèi)最重要的有效儲集空間。網(wǎng)狀構(gòu)造裂縫發(fā)育(圖3I)，在提供一定的儲集空間的同時，有效提升了巖石的滲透性。

A.北215井，3 218.35 m，安山質(zhì)角礫熔巖 黏土礦物充填殘余，可見微裂縫；B.北213井，3 523.50 m，安山質(zhì)火山角礫巖，粒間孔隙發(fā)育，壓實固結(jié)；C.北213--1井，3 744.06 m，安山質(zhì)凝灰?guī)r，粒間孔較少發(fā)育，長石斑晶被溶蝕；D.北213--1井，3 744.06 m，安山質(zhì)凝灰?guī)r，斑晶溶蝕孔，長軸約35 μm；E.北215井，3 223.50 m，安山質(zhì)角礫熔巖，氣孔內(nèi)方解石杏仁體部分溶蝕，充填桿沸石；F.北215井，3 218.35 m，安山質(zhì)角礫熔巖，氣孔間相互連通，鈣質(zhì)充填嚴(yán)重；G.北213井，3 525.06 m，安山質(zhì)火山角礫巖，微裂縫發(fā)育；H.北204井，3 304.20 m，安山質(zhì)角礫熔巖，構(gòu)造裂縫貫穿；I.北213井，3 525.06 m，安山質(zhì)火山角礫巖，裂縫發(fā)育并相互交織，溶蝕作用沿裂縫發(fā)育。圖3 火石嶺組火山碎屑巖儲集空間特征Fig.3 Characteristics of reservoir spaces of pyroclastic rocks in Huoshiling Formation

2.3 火山碎屑巖的儲集物性

研究區(qū)內(nèi)安山質(zhì)凝灰?guī)r的孔隙度變化較大，其中孔隙度最小為1.47%，最大為10.35%，從低孔至高孔均有分布，然而滲透率變化較小，最高僅為0.054×10-3μm2，最低為0.028×10-3μm2(表1、2)。凝灰?guī)r的滲透率未隨著孔隙度的增加而明顯增加(圖4)。相對于安山質(zhì)凝灰?guī)r，安山質(zhì)火山角礫巖的孔隙度變化區(qū)間較小，最小為3.86%，最大為8.76%。滲透率變化較大，最高為12.04×10-3μm2，最低為0.015×10-3μm2(表1、2)。熔漿膠結(jié)的安山質(zhì)角礫熔巖的孔隙度普遍較低，其孔隙度平均值僅為3.25%，遠(yuǎn)低于凝灰質(zhì)膠結(jié)的火山碎屑巖。其幾何平均滲透率為0.043×10-3μm2，與安山質(zhì)凝灰?guī)r相似。

表1 長嶺斷陷火石嶺組火山碎屑巖孔隙度與滲透率測試結(jié)果

表2 長嶺斷陷火石嶺組火山碎屑巖孔隙度和滲透率統(tǒng)計結(jié)果

3 火山碎屑巖儲層物性的影響因素

3.1 火山碎屑巖粒度與膠結(jié)類型對物性的影響

通常而言，火山碎屑巖的滲透率與孔隙度呈正相關(guān)性。研究區(qū)內(nèi)安山質(zhì)凝灰?guī)r和安山質(zhì)火山角礫巖均為非熔漿膠結(jié)火山碎屑巖[21]，但二者孔隙度與滲透率的對應(yīng)關(guān)系存在明顯差異(圖5)。

圖5 火山碎屑巖膠結(jié)類型、粒度與孔滲關(guān)系Fig.5 Relationship among cementation types, granularity, porosity and permeability of pyroclastic rocks

火山碎屑巖的孔隙主要由碎屑粒間孔隙和火山碎屑粒內(nèi)孔隙共同構(gòu)成?；鹕浇堑[巖的碎屑顆粒較大，相較凝灰?guī)r，碎屑更易保留原生氣孔。粒度較大的火山角礫巖的粒間孔體積較大，孔隙間連通性更好。而凝灰?guī)r本身顆粒較小，導(dǎo)致粒間孔隙尺度較小，在壓實成巖過程中，凝灰?guī)r在充填作用下更易失去粒間孔。以獲得工業(yè)氣流的B213井安山質(zhì)火山角礫巖為例，安山巖角礫內(nèi)部發(fā)育大量的微裂縫，呈網(wǎng)狀溝通(圖3I)，并可延伸至角礫外部，同時沿角礫的邊緣經(jīng)常出現(xiàn)溶蝕裂縫，使得樣品的滲透率上升[22]。而本地區(qū)的安山質(zhì)凝灰?guī)r主要發(fā)育溶蝕孔隙，孔隙之間連通性極差，裂縫幾乎不發(fā)育，即使孔隙度超過10%，滲透率也沒有明顯增加。

熔漿膠結(jié)和凝灰質(zhì)膠結(jié)是最為常見的兩種火山碎屑膠結(jié)方式，均使得火山碎屑粒間孔減小。冷凝后的熔漿常呈致密塊狀，幾乎完全充填粒間孔，而凝灰質(zhì)充填的粒間孔，因凝灰質(zhì)細(xì)碎屑顆粒的松散堆積形成基質(zhì)微孔(圖3B)。膠結(jié)方式的差異，導(dǎo)致研究區(qū)火山碎屑熔巖的物性相對較差。火山角礫熔巖的主要儲集空間為未被充填的氣孔和斑晶、基質(zhì)溶蝕孔，不發(fā)育粒間孔。而凝灰質(zhì)膠結(jié)的火山碎屑巖在發(fā)育與火山角礫熔巖相似的儲集空間之外，角礫間基質(zhì)微孔的保留使得其具有相對較好的儲集性能(圖4、5)。

圖4 火山碎屑巖孔隙度與滲透率的相關(guān)性Fig.4 Correlation between porosity and permeability of pyroclastic rocks

3.2 成巖改造對物性的影響

火山碎屑在壓實成巖過程中，由于火山碎屑自身性質(zhì)，地層流體和構(gòu)造活動等因素差異，其經(jīng)歷的成巖改造的過程不盡相同，最終導(dǎo)致火山碎屑巖的儲集物性發(fā)生明顯改變[6,18]。本地區(qū)影響火山碎屑巖儲集性能的成巖作用主要有充填作用、溶蝕作用以及構(gòu)造作用等。

充填作用主要與火山碎屑巖成巖作用過程中的熱液流體活動有關(guān)，具體表現(xiàn)為火山碎屑內(nèi)氣孔(圖3F)與粒間孔(圖3B)的充填。常見充填物有鈣質(zhì)、硅質(zhì)及沸石類礦物。充填作用常具多期多成分特點，B215井的安山質(zhì)角礫中的氣孔，在經(jīng)歷早期鈣質(zhì)充填之后，又被桿沸石充填(圖3E)，還可見到黏土礦物充填(圖3A)。充填作用對巖石儲集性能具有極大的破壞作用，在降低巖石的孔隙度的同時，還會大幅度降低巖石的滲透率。

研究區(qū)火山碎屑巖的原生儲集空間因充填作用而損失嚴(yán)重，現(xiàn)有有效儲集空間以次生儲集空間為主，溶蝕作用對次生儲集空間的形成起了至關(guān)重要的作用[17]，溶蝕作用為含CO2熱液流體、有機酸和大氣水等共同作用的結(jié)果[23]。溶蝕作用不僅發(fā)生在火山碎屑巖的斑晶和基質(zhì)中，早期的充填物也可被溶蝕[24]。本地區(qū)主要的溶蝕類型有杏仁體內(nèi)溶蝕，斑晶溶蝕及基質(zhì)溶蝕。斜長石斑晶因溶蝕程度不同而呈斑點狀、環(huán)帶狀或連片狀溶蝕(圖3C、D)。早期形成的鈣質(zhì)杏仁體在后期也呈現(xiàn)一定程度的溶蝕 (圖3E)。此外，溶蝕作用也可形成溶蝕縫[14,17]， B213井安山質(zhì)火山角礫巖中大量發(fā)育的溶蝕裂縫極大地改善了巖石的儲集性能(圖3G、I)。

構(gòu)造作用形成的節(jié)理及微裂縫對火山碎屑巖的孔隙度貢獻(xiàn)不明顯，但會顯著提高其滲透性。B204井的安山質(zhì)角礫熔巖，3個樣品的孔隙度差距較小，平均為2.02%，但滲透率呈現(xiàn)數(shù)量級的差異，最低的為0.017×10-3μm2，最高為1.028×10-3μm2(表1)。對比3個樣品，在高滲透率樣品的鑄體薄片中可以觀察到3條長裂縫，最長可達(dá)1.5 cm，幾乎貫穿薄片(圖2D)，平均寬度0.02 mm，而另兩個低滲透率樣品中未發(fā)現(xiàn)相似裂縫。

4 結(jié)論

(1)龍鳳山地區(qū)火石嶺組已鉆遇的火山碎屑巖主要以中基性的火山碎屑巖為主，主要包括安山質(zhì)凝灰?guī)r，安山質(zhì)火山角礫巖以及安山質(zhì)角礫熔巖。

(2)龍鳳山地區(qū)火石嶺組火山碎屑巖物性受粒度及膠結(jié)類型影響，火山角礫巖具有最優(yōu)儲集能力。

(3)成巖作用對龍鳳山地區(qū)火石嶺組火山碎屑巖物性改造強烈，充填作用、溶蝕作用和構(gòu)造作用發(fā)育，充填作用對原生儲集空間破壞嚴(yán)重，現(xiàn)有有效儲集空間為溶蝕作用與構(gòu)造作用形成的溶蝕孔隙和網(wǎng)狀微裂縫。