地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (2): 206-214
引用本文
于洪洲. 准西北缘哈山地区石炭系火山岩储层特征及影响因素[J]. 地质力学学报, 2019, 25(2): 206-214.
YU Hongzhou. CHARACTERISTICS AND INFLUENCING FACTORS OF CARBONIFEROUS VOLCANIC RESERVOIRS IN HASHAN AREA, NORTHWESTERN MARGIN OF THE JUNGGAR BASIN[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(2): 206-214.
准西北缘哈山地区石炭系火山岩储层特征及影响因素
于洪洲     
中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司勘探开发研究院, 山东 东营 257000
摘要:准西北缘哈山地区石炭系火山岩形成于陆缘岛弧及大洋岛弧背景,是该区重要的勘探目标类型。为探究哈山地区火山岩储层发育及控制因素,以露头观测为基础,利用岩心、普通和铸体薄片、扫描电镜等手段,结合成像测井资料,对火山岩岩石学特征、储集特征及影响因素进行研究。研究认为石炭系火山岩主要由熔岩类玄武岩、安山岩和火山碎屑岩类火山角砾岩、凝灰岩和沉凝灰岩两大类5种岩性组成;储集空间包括溶蚀—裂缝型、裂缝—溶蚀型、溶蚀型三类16种;岩性和岩相是影响储层的内在因素,风化淋滤和构造作用是外在因素;风化淋滤作用主要发生在风化壳、火山喷发旋回界面和喷发期次界面下,构造作用产生的大量裂缝,改善储层渗滤性能的同时还有效地增大了储集空间;断裂交汇处的风化壳和喷发旋回与期次界面处的火山角砾岩、凝灰岩、安山岩发育区是有利储层分布区。该研究为预测哈山地区石炭系火山岩有利储层分布提供依据,为勘探部署提供理论支撑。
关键词火山岩    储集特征    影响因素    哈山地区    准噶尔盆地    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.02.019     文章编号:1006-6616(2019)02-0206-09
CHARACTERISTICS AND INFLUENCING FACTORS OF CARBONIFEROUS VOLCANIC RESERVOIRS IN HASHAN AREA, NORTHWESTERN MARGIN OF THE JUNGGAR BASIN
YU Hongzhou     
Exploration and Development Institute, Shengli Oil field Branch Company, SINOPEC, Dongying 257000, Shandong, China
Abstract: As important exploration targets at the northwestern margin of the Junggar basin, Carboniferous volcanic rocks formed under the background of continental island arc and oceanic island arc. In order to study the development and controlling factors of volcanic reservoirs in the Hashan area, based on outcropping observation, through studying core, ordinary and cast thin sections, scanning electron microscope and other means, combined with FMI analysis, the petrological characteristics, reservoir characteristics and influencing factors of volcanic rocks were explored. It is believed that Carboniferous volcanic rocks are mainly composed of five lithological types, which can be classified into two classes, including lava-formed rocks, such as basalt and andesite, and pyroclastic rocks, such as volcanic breccia, tuff and sedimentary tuff. There are 16 types of reservoir space, which can be classified into three larger types that are corrosion-fracture type, fracture-corrosion type and corrosion type. Lithology and lithofacies are the internal factors affecting the reservoir, while weathering, leaching and tectonics are the external factors. Weathering and leaching mainly occur under the weathering crust, the interface of volcanic eruption cycles and the interface of eruption periods. Moreover, a large number of fractures are generated by tectonism, which can not only improve the percolation performance of reservoirs, but also effectively increase the storage space. The weathering crust at the convergence zone of faults and the development areas of volcanic breccia, tuff and andesite at the interfaces of eruptive cycles and periods are favorable reservoir areas. This study provides a basis for predicting the favorable reservoir distribution of carboniferous volcanic rocks in the Hashan area and a theoretical support for exploration and deployment.
Key words: volcanic rocks    reservoir characteristics    influencing factors    Hashan region    Junggar basin    
0 引言

近年来,准噶尔盆地西北缘火山岩储层油气勘探取得一系列重大突破,先后发现了克拉玛依、白碱滩、乌尔禾、百口泉和红山嘴等油田[1~3]。哈拉阿拉特山(哈山)地区位于准噶尔盆地西北缘哈—德构造带西段,哈山1、哈浅6等多口探井在石炭系火山岩中见到良好油气显示并获得工业油流,展现出良好的勘探前景[4~5];石炭系火山岩作为上古生界重要油气勘探层系,得到越来越多的重视。火山岩做为孔隙、裂缝双重介质储层,其储层发育特征及控制因素的认识,在一定程度上影响着对有利储层分布的预测和勘探目标靶区的优选。

目前,已有一批学者从野外露头、钻井取心取材对石炭系火山岩储层的岩性及岩石学特征、储集空间类型、物性特征等方面做了大量研究工作[4~7],大都侧重于构造、风化淋滤、成岩作用等对火山岩储层控制作用的定性评价。但受取心资料的限制,如何利用测井资料精细刻度和识别火山岩岩性、各种因素对有利储层影响范围的定量评价、储层发育模式等方面研究却甚少,一定程度上影响了对哈山地区火山岩优势储层发育的认识和有利区预测。为此,文章根据大量的野外露头观测、钻井岩心观察、岩石薄片、铸体薄片、元素分析等结果并辅助成像测井解释成果,进行研究区石炭系火山岩的岩性识别、储层发育特征及控制因素研究,构建优势储层发育及分布模式,以期为研究区有利储层预测及目标优选提供地质依据。

1 火山岩分布及岩石学特征 1.1 火山岩分布

哈山地区及周缘火山岩主要发育于上石炭统哈拉阿拉特山组,形成于陆缘岛弧或与残留洋盆有关的岛弧背景[6]。受石炭纪以来多期运动的改造叠加,研究区发育多期次逆冲推覆构造[7~9],使得该区火山岩平面上叠合连片,纵向上多期叠置。根据三维地震、重力、电法等资料,研究区火山岩主要分布于哈山中西部哈浅3至夏12井区(图 1),面积780 km2、厚度1450~5000 m、埋深在2000~6000 m。

图 1 哈山地区位置及火山岩分布图 Fig. 1 Location and volcanic rocks distribution map of the Hashan area
1.2 岩石学特征

通过对研究区石炭系10口取心井198 m岩心、12个露头剖面观察和35块样品薄片鉴定分析的基础上,结合电成像测井响应特征,对火山岩储层岩石学特征进行了精细研究,结果表明研究区主要发育熔岩类玄武岩、安山岩和火山碎屑岩类火山角砾岩、凝灰岩和沉凝灰岩两大类5种类型火山岩。

火山岩岩性识别是储层研究的基础,不同岩性的火山岩在测井曲线上响应特征存在一定的差异[10~13]。根据岩心、薄片鉴定结果刻度常规、成像测井,明确不同岩性的测井响应特征,建立火山岩岩性识别图版,综合判别火山岩岩性(表 1)。

表 1 哈山地区火山岩测井响应特征 Table 1 Logging response characteristics of volcanic rocks in the Hashan area

玄武岩测井特征表现为“两高两低加一中”,即高密度、高电阻率、低自然伽马、低声波时差、中等中子孔隙度,但次生蚀变会导致中子孔隙度升高、密度降低,电阻降低。在微电阻率扫描成像测井(FMI)图像中多为块状构造,部分呈层状构造(图 2a)。

a—玄武岩;b—安山岩;c—火山角砾岩;d—安山质凝灰岩 图 2 哈山地区火山岩岩心薄片—测井响应特征 Fig. 2 The core thin slices and logging response characteristics of the volcanic rocks in the Hashan area

安山岩测井特征表现为“一高四中”的特征,即高电阻率、中高体积密度、中等自然伽马、中低声波时差、中低中子孔隙度。在FMI图像上呈高阻块状,具气孔构造和杏仁构造的呈带暗色斑点的块状特征(图 2b)。玄武安山岩为溢流相中基性喷出岩,成分介于玄武岩和安山岩之间,常规测井和成像测井响应特征同安山岩较为相似。

火山角砾岩测井特征为自然伽马值变化较大、中高电阻率、中高中子孔隙度、中高声波时差、中低体积密度。在FMI图像上呈杂色特征,不规则的高阻亮色团块与低阻暗色混杂排列,高阻亮色通常为火山角砾,低阻暗色的充填物分布于砾间,进而形成亮色角砾和暗色溶孔杂乱散布的组合特征(图 2c)。

由于凝灰岩的成分不同,随着成分由基性到酸性的变化,自然伽马值呈逐渐增加特征。其测井特征为:自然伽马值变化较大、高声波时差、中高电阻率、中低体积密度、中低中子孔隙度。在FMI图像上呈浅黄色斑状特征或多条断续亮色条带,亮色斑点为岩石晶屑(图 2d)。

通过对研究区钻遇石炭系火山岩钻井岩性的识别,统计结果表明火山角砾岩、安山岩、玄武岩、凝灰岩所占比例较高(82.7%),流纹岩等岩性含量较少(< 1%)。

2 储层特征 2.1 储集空间类型

依据岩心观察、铸体薄片及扫描电镜分析结果,将哈山地区火山岩储集空间类型划分为原生和次生2大类16种储集空间类型;具体包括5种原生孔隙(气孔、晶间孔、砾间孔、冷凝收缩孔、微孔)、2种原生裂缝(冷凝收缩缝、收缩节理)、6种次生孔隙(斑晶溶孔、杏仁溶孔、基质溶孔、粒内溶孔、粒间溶孔、超大溶孔)和3种次生裂缝(构造缝、溶蚀缝、风化缝)。

原生孔隙是研究区火山熔岩的主要储集空间类型,气孔形状有圆形、椭圆形、葫芦形及不规则形态,大小不均,直径最大可达4~5 mm,一般为0.1~2 mm,大多数为0.1~0.3 mm。

由岩石的成岩和成岩后阶段的溶解、溶蚀作用形成的次生孔隙与在原生储集空间叠加共生,大大改善了火山岩储层的物性(图 3a3e)。

a—杏仁溶孔(哈山3,玄武岩,2832 m);b—基质溶孔(哈山1号剖面);c—晶间溶孔(哈浅6,648.5 m);d—粒内溶孔(哈山2号剖面);e—粒间溶孔(哈浅6,302 m);f—张裂缝(哈浅6,275.9 m);g—网状缝(哈浅6,298.9 m);h—溶蚀缝(哈浅6,298 m) 图 3 哈山地区火山岩主要储集空间类型 Fig. 3 Main reservoir space types of volcanic rocks in the Hashan area

哈山地区多期逆冲推覆构造活动强烈,构造缝是该区主要的裂缝类型[5~7]。早期形成的构造缝,裂缝开度较大,局部可见原岩角砾,反映构造运动比较剧烈,裂缝矿物充填严重,多为方解石、石英等矿物全充填,固结致密。晚期构造缝部分开启宽度相对较小,延伸长度有限,可见方解石、沸石及烃类部分充填(图 3f),部分晚期裂缝油气充填程度高。火山岩原生裂缝和早期构造缝,受到后期热液作用及地表溶蚀作用的改造发生溶蚀可形成溶蚀缝(图 3g3h);在近地表的环境下,在地表水、氧气等作用下,可形成风化破裂缝。

根据不同岩性储层孔隙和裂缝发育特征及差异性,将储集空间组合类型划分为溶蚀—裂缝型、裂缝—溶蚀型、溶蚀型三种。

溶蚀—裂缝型:富含气孔或未完全充填的杏仁体的熔岩和富含粒间孔的火山碎屑岩在经历后期构造改造作用下形成大量裂缝,使原本孤立、互不连通的原生孔隙相互连通,加之后期不整合面下的风化淋滤作用控制的建设性成岩作用如溶蚀、交代等作用下,形成新的溶蚀孔、溶蚀缝等进而较大地改善了储层物性,形成有效的储集空间(图 4a)。

图 4 哈山地区火山岩储层储集空间组合类型图 Fig. 4 The combined space types of volcanic rock reservoir in the Hashan area

裂缝—溶蚀型:富含气孔或未完全充填的杏仁体的熔岩和富含粒间孔的火山碎屑岩,受旋回面、期次面风化淋滤作用下形成大量的溶蚀孔、溶蚀缝,储层物性得到一定的改善,尤其是孔隙度增加,后期在褶皱或断裂等构造作用下形成大量的裂缝,使原本孤立的,互不连通的原生及次生孔缝相互连通,形成有效的储集空间(图 4b)。

溶蚀型:富含气孔、未完全充填的杏仁体、晶间孔的熔岩和富含粒间孔、砾间孔的火山碎屑岩受旋回面、期次面强烈风化淋滤作用下形成大量溶蚀孔储层物性得到较大的改善,尤其是孔隙度增加,渗透性得到较大的改善作用,形成的有效的储集空间(图 4c)。

2.2 储层物性特征

根据对哈山地区石炭系溶蚀—裂缝型储层的统计,储集岩性多为火山角砾岩、凝灰岩与安山岩;岩心、薄片、成像测井显示,孔隙结构明显,裂缝非常发育,孔隙度一般分布9.4%~18.6%,平均14.5%,渗透率一般分布于5.2~52.8 md,平均27.1 md,综合评价为好储层(图 4a)。

裂缝—溶蚀型储层一般发育在火山角砾岩和流纹岩中,以溶蚀孔隙为主,裂缝相对较发育,成像测井上孔隙结构明显;孔隙度一般分布在2.15%~11.39%,平均5.64%,渗透率一般分布在0.01~6.72 md,平均0.87 md,综合评价为较好储层(图 4b)。

溶蚀型储层一般发育在安山岩和凝灰岩中溶蚀孔隙非常发育,成像测井上孔隙结构明显,孔隙度一般分布在2.3%~14.1%,平均5.18%,渗透率一般分布在0.1~68.28 md,平均3.83 md,综合评价为好储层(图 4c)。

3 影响因素 3.1 岩性岩相

火山岩形成背景及喷发方式决定了火山机构类型、岩性组合及早期成岩作用类型方面有较大的差异性,进而也决定了火山岩在后期抗风化溶蚀能力及造缝能力的不同[10~13]。也就是说岩性岩相作用控制了储层原生储集空间类型及后期可能改造的程度。

通过对15口探井、数百米岩心的统计表明,石炭系岛弧建造火山岩不同部位对应岩性组合控制了优良储层的发育(图 5)。岛弧中心及近端部位岩相以爆发相和溢流相为主,岩性以安山岩、火山角砾岩、凝灰岩为主,抗压强度小,在后期构造改造作用下,容易产生裂缝,不稳定矿物含量高,容易被溶蚀;而岛弧边部以沉凝灰岩、凝灰质砂岩夹薄层凝灰岩为主,火山岩抗压强度大,不易被溶蚀。

图 5 石炭系岛弧建造火山岩成储综合评价图 Fig. 5 Comprehensive evaluation of the reservoir forming and oil gathering in the Carboniferous volcanic rocks formed by rifting

由此来看,岩性和岩相控制了优质储层发育的潜力,以岛弧中心及近端成储条件最为优越,远端储层发育程度较差或不发育储层。

3.2 风化淋滤

风化淋滤作用主要发生在风化壳、火山喷发旋回界面、火山喷发期次界面下,受不同构造位置的影响,三者风化结构的影响范围有着较大的差异。

(1) 风化壳

风化壳结构纵向通常划分为五个带:土壤层、水解带、淋滤带、崩解带及未蚀变带[14~16],其影响深度范围为300~500 m,其中在淋滤带和崩解带内储层物性好,为含油气的主要层段[17~19]。根据不同元素遭受风化淋滤的迁移能力差异性,Al、Fe、Ti等难迁移元素相对富集,Ca、Mg、K等易迁移元素明显缺乏。研究采用化学蚀变指数CIA和K来刻画岩石风化程度的重要指标,计算公式为:

$ {\rm{CIA}} = [a({\rm{A}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}})/(a({\rm{A}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}) + b\left( {{\rm{CaO}}} \right) + c({\rm{N}}{{\rm{a}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}) + d({{\rm{K}}_{\rm{2}}}{\rm{O}})] \times 100 $ (1)
$ \begin{array}{l} \;\;\;\;{\rm{K}} = a({\rm{F}}{{\rm{e}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_3}) + b({\rm{A}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}) + c({\rm{Ti}}{{\rm{O}}_2})/\\ d\left( {{\rm{MgO}}} \right) + e\left( {{\rm{CaO}}} \right) + f({\rm{Na}}{{\rm{O}}_2}) \end{array} $ (2)

其中abcdef为样品中相应氧化物百分含量。当岩石未发生风化时,CIA值低于50,K值低于1;当完全风化时,CIA值为100,K值大于7;岩石半风化时,50 < CIA < 100,1 < K > 7。

根据火山岩主量元素数据计算风化指数,分析其纵向变化规律,精确厘定风化壳的影响深度及风化壳结构。研究结果表明,研究区风化壳结构可分为风化粘土层、半风化带和未风化带。如哈浅6井石炭系顶部135~139 m井段为一套破碎状紫红色泥岩,化学风化指数CIA=75~87,K=49~55,为风化粘土层;139~210 m井段为厚层蚀变玄武岩,裂缝较为发育,见溶蚀孔缝,测井孔隙度为4%~18%,化学风化指数CIA=55~62,K=2.1~5.6,为半风化岩层;210 m井段以下为未经改造的未风化层。

通过对研究区15口探井统计表明,风化壳对储层物性影响深度一般小于180 m;随着距离风化壳顶界面深度的增加,风化淋滤对储层的改造程度降低,孔隙度也呈降低趋势(图 6a)。

a—风化壳度储层物性影响;b—旋回界面对储层物性影响;c—期次界面对储层物性影响 图 6 风化壳及喷发旋回、期次对火山岩储层物性影响结构图 Fig. 6 Structure chart of the influences of weathering crust, eruptive cycle and phase on the physical properties of volcanic rock reservoirs

(2) 旋回、期次界面

喷发旋回(期次)间存在一定时间的暴露,发生风化淋滤作用对储层具有一定的改善作用。哈山地区旋回界面对储层影响范围小于100 m(图 6b),期次界面对火山岩储层影响范围小于60 m(图 6c)。通过对比分析,每期旋回界面之下均发育较好淋滤改造型储层,风化淋滤带厚度约40 m(图 6);储层孔隙度一般为10%~20%,平均值为14.5%;渗透率0.2~59 mD,平均为14.4 mD。从含油性来看,喷发旋回界面之下含油性整体较好,一般为油迹、油斑显示,反映出火山喷发间歇期淋滤作用对火山岩储层物性的改善作用。

3.3 构造作用

在多期挤压构造应力作用下,火山岩形成不同规模的断裂和裂隙,这些裂隙在改善储层渗滤性能的同时,还有效地增大了储层的储集空间[5~6, 20]

钻井和野外露头裂缝发育特征及统计结果显示,按照裂缝成因类型可分为构造缝、溶蚀缝及风化缝,其中对该区储层具有较大意义的主要为构造缝,包括构造剪切缝和张性缝两种类型。露头、钻井成像测井统计显示,研究区主要发育近东西、北东东—南西西及北北东—南南西三组构造裂缝,以70°~90°高角度裂缝为主,裂缝间距主要分布在2~5 cm,裂缝高度主要分布在10~40 cm,裂缝长度主要分布在3~5 m。

裂缝形成以后,其在储层当中能否起到储集空间和渗流通道的作用取决于后期成岩作用过程。研究区火山岩裂缝充填物有方解石、黄铁矿、硅质、绿泥石、有机质(沥青、油迹)等,其中以构造裂缝充填度最低,以未充填缝(55%)、局部充填—半充填缝(31%)为主,以富含油、油斑和荧光显示为主;其次为全充填缝(14%),局部仅见荧光显示;裂缝的发育程度直接影响着油气显示程度,表现出“无缝不成藏”的特征。

由此来看,裂缝的发育不仅能提高火山岩的基础性能,同时也是油气运移的良好通道,因此寻找裂缝有利集中发育带是寻找油气富集区的关键要素之一。

4 结论

(1) 哈山地区石炭系火山岩主要发育于岛弧环境,由熔岩类玄武岩、安山岩和火山碎屑岩类火山角砾岩、凝灰岩和沉凝灰岩两大类5种岩性组成。

(2) 火山岩主要储集空间类型包括原生孔隙和裂缝、次生孔隙和次生裂缝两大类和原生气孔、斑晶溶孔、杏仁溶孔、基质溶孔、粒内溶孔、粒间溶孔、构造缝、溶蚀缝等16种类型,其中以溶蚀孔缝和构造裂缝为主要储集空间;根据其发育特征及差异性,可划分为溶蚀—裂缝型、裂缝—溶蚀型、溶蚀型3种类型,其中以溶蚀—裂缝型和溶蚀型储层性能最好。

(3) 火山岩岩性和岩相是影响火山岩储层的内在因素,以岛弧中心及近端爆发相和溢流相的火山角砾岩、安山岩成储条件最为优越;风化淋滤作用主要发生在风化壳、火山喷发旋回界面、火山喷发期次界面下,三者对储层物性影响深度分别在180 m、100 m、60 m以内;多期运动改造形成的不同规模断裂和裂缝,不仅改善储层渗滤性能,同时还有效地增大了储集空间。断裂交汇处的风化壳和喷发旋回与期次界面处的火山角砾岩、凝灰岩、安山岩发育区是有利储层分布区。

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