火山岩储层孔隙结构分类与分布评价：以松辽盆地徐东地区营城组一段火山岩储层为例

陈欢庆，蒋平，张丹锋，李佳鸿

(中国石油勘探开发研究院，北京，100083)

储集岩的孔隙结构是指岩石所具有的孔隙和喉道的几何形状、大小、分布及其连通关系。研究孔隙结构，深入揭示油气储层的内部结构，对油气田勘探和开发有着重要的意义[1-9]。作为储层地质研究的重要内容，储层孔隙结构特征一直是研究者关注的焦点之一[10-20]。Heydari[21]对美国密西西比州上侏罗统Smackover 组石灰岩储层的孔隙损失、流体流动和物质传递进行了研究。Sruoga等[22]以阿根廷南部Neuque’n盆地为例，研究了火山岩储层中成岩作用过程对孔隙度和渗透率的控制作用。结果表明，孔隙原生和次生过程可以用来预测火山岩储层质量，在世界许多地方为油气勘探开发提供指导。Philip[23]对砂岩、致密砂岩和泥岩中的孔喉进行了研究。研究指出在常规储层中孔喉直径大小一般大于2 µm，在致密气砂岩中为 0.03～2 µm，在泥岩中一般为 0.005～0.1 µm。Ralf等[24]对碳酸盐孔隙结构进行了定量研究，并且分析了其对声速和储层渗透率的影响。结果表明，内碎屑或内晶屑和分隔开的晶簇的孔隙并不能一直通过声波测井资料来分开，P波速度并非唯一受控于球面孔隙度的比例，大量微孔的几何特征可以通过声速资料来估计并用来提高渗透率评价的效果。Berger等[25]以巴基斯坦Sawan 盆地白垩纪砂岩为例，对浅海火山碎屑砂岩研究表明，发育很好的石英胶结绿泥石镶边提高了孔隙保存率超过20%，使储层具有良好的渗透率，绿泥石在孔隙保存过程中的作用受浅海相的沉积环境限制。前人的研究主要集中在孔隙结构形成的机理、对储层物性的影响以及孔隙结构的表征等方面，而对于孔隙结构的定量评价分类研究较少。对于火山岩储层孔隙结构，前人也进行过一些相关研究[26-28]。金成志等[26]对升平开发区火山岩储层孔隙结构与产能之间的关系进行了分析，压汞资料统计分析结果表明，目的层火山岩孔隙结构可以划分为粗态型(Ⅰ类)、偏粗态型(Ⅱ类)、单峰偏细态型(Ⅲ类)和单峰细态型(Ⅳ类)4种类型，其中Ⅰ类最少，Ⅲ类最发育。庞彦明等[27]对酸性火山岩储层微观孔隙结构进行了分析，利用压汞资料将松辽盆地北部营城组火山岩孔隙结构划分为粗态型、偏粗态型、偏细态型和细态型4种类型。王英南等[28]对松辽盆地兴城地区营一段火山岩孔隙结构进行了分析，认为研究区目的层以原生的气孔、脱玻化微孔、杏仁体内孔、粒间孔和次生的溶蚀孔隙为主。前人对于火山岩储层孔隙结构的分析主要集中在地质成因分类和压汞资料地质统计分类方面，而未见聚类分析方面的研究。本文作者主要对岩心分析测试资料进行地质统计分析和聚类评价，以松辽盆地徐深气田徐东地区营城组一段火山岩储层为例，对火山岩储层孔隙结构特征进行了定量分类评价，并研究了其对开发的影响作用，以期为火山岩储层有效开发提供支持。

1 地质概况

徐深气田位于黑龙江省大庆—安达境内，区域构造上位于松辽盆地北部徐家围子断陷，断陷形成于晚侏罗世到早白垩世早期，地层自下而上分别为火石岭组、沙河子组、营城组和登娄库组及泉头组。由于火山喷发活动频繁，在营城组发育了大量的火山产物。火山岩储层分布在白垩系下统的营城组一段和三段中，以酸性喷发岩为主，本次研究的目的层位为营城组一段。目前，徐深气田已具千亿方天然气储量规模，其中火山岩储集层储量占89.8%，是大庆油田天然气开发的主要领域[28-32,34-36]。研究区徐东地区位于徐家围子断陷中部，目前已成为徐深气田最重要的天然气目标区之一，如图1所示[28]。

2 储层孔隙和喉道发育特征

2.1 储层孔隙发育特征

对松辽盆地徐深气田徐东地区营城组一段 10口井 63块火山岩岩心分析测试资料统计分析，如图 2所示，孔隙度多小于8%，渗透率多小于2×10-3µm2。储层总体上属于中低孔低渗型，局部由于裂缝发育，渗透率较高。图2中渗透率取值大于1×10-3µm2的样品点均发育裂缝。同时，由于火山岩成因的特殊性，不同火山岩岩性物性之间差异较大，目的层孔隙发育具有比较强的非均质性，不同岩性孔隙发育程度差异较大，如图 2～3所示。对于一块样品尺度而言，CT扫描结果表明，孔隙结构发育特征可以在极短的距离内发生急剧变化(图3)，这主要受火山喷发作用和成岩作用双重机制的共同控制。

松辽盆地徐东地区营城组一段火山岩孔隙类型按其形成阶段分为原生和次生2类，进而又根据成因和分布等特征进一步细分，如表1和图4所示。其中原生孔隙主要包括气孔、粒间孔、粒内孔和微孔等4种类型(本文所研究的孔隙不包括裂缝)。次生孔隙主要包括粒内溶孔、基质内溶孔和粒间溶孔等3种类型。上述各类型孔隙总体上以原生气孔和次生溶蚀孔隙为主[26]。

图1 徐深气田徐东地区地层划分特征和地理位置图(据王英南等[28]有所改动)Fig. 1 Sketch map of stratum and structure divided of Xushen Gas Field in Songliao Basin (Amended after Wang et al[28])

图2 松辽盆地徐东地区营城组一段火山岩储层孔隙度与渗透率关系Fig. 2 Relationship map of porosity and permeability of volcanic reservoir of Member 1 of Yingcheng Formation in Xudong Area in Songliao Basin

通过储层地质研究获知，孔隙结构与岩性、岩相和火山喷发模式的关系密切。一般侵出相和爆发相多紧邻火山通道相发育，而溢流相与火山通道相在空间上的位置距离较远。后期的火山岩体对先期形成的火山岩体具有较强的破坏作用，先期的火山岩体在与后期火山岩体接触界面上可以发生突变。受不同时期火山活动作用的影响，一般火山通道相和侵出相在侧向上延伸1个井距，而爆发相、溢流相和火山沉积相延伸的距离要远一些，可以达到2个井距，局部甚至更远。研究区目的层以爆发相和溢流相为主，主要发育的岩性包括流纹岩、流纹质凝灰岩和沉火山角砾岩等。不同的火山岩相发育不同的火山岩性，对应储层的原生孔隙，在后期的成岩作用过程中，不同时期类型各异的成岩作用对火山岩改造，破坏了部分原生孔隙，同时形成次生孔隙，火山岩岩性和岩相共同控制了储层孔隙非均质特征。流纹岩中气孔最为发育，而流纹质凝灰岩和沉火山角砾岩等岩性中粒间孔和溶蚀孔隙。溢流相中气孔最发育，而爆发相中粒间孔和溶蚀孔隙最发育。从火山喷发模式上看，研究区目的层主要发育断裂-中心式和中心式两种类型，且以断裂-中心式为主。一般靠近火山口的部位，原生孔隙和次生孔隙更发育。

图3 松辽盆地徐东地区营城组一段不同岩石类型孔隙发育CT扫描特征Fig. 3 Characteristics of CT scan of pore developing in different kinds of rocks of Member1 of Yingcheng Formation in Xudong Area in Songliao Basin

图4 松辽盆地徐东地区营城组一段火山岩孔隙类型岩心和镜下薄片照片Fig. 4 Cores and sections photos of volcanic reservoir of Member1 of Yingcheng Formation in Xudong Area in Songliao Basin

2.2 储层喉道发育特征

2个较大孔隙空间之间的连通部分为喉道[1-2]。对23口井206块样品压汞资料统计分析(表2)，孔隙半径的平均值为0.083，孔隙整体上偏小。孔喉分选系数和相对分选系数的平均值分别为1.515和49.115，分选差。均值系数平均值为0.390，总体较小，表明研究区目的层的孔隙均质性差。孔隙结构系数平均值为1.350， 整体偏大，表明储层物性整体较差。孔喉均值最大值为0.640，最小值为0.004，平均值为0.074，表明孔喉分布不均，不同区域和不同层位差异较大，整体上喉道连通性较差。

表2 松辽盆地徐东地区营城组一段火山岩储层孔喉特征参数Table 2 Parameters table of porosity and permeability of volcanic reservoir of Member 1 of Yingcheng Formation in Xudong Area in Songliao Basin

3 孔隙结构分类评价

应用数学地质方法进行孔隙结构分析的基本思路是，通过多元统计方法，从众多孔隙结构参数中找出最能反映研究区储集岩储集性质的参数，然后通过聚类分析的方法对孔隙结构进行分类[2]。本次研究中，选择合适的参数，选用 SPSS聚类分析软件，对松辽盆地徐深气田徐东地区营城组一段火山岩储层孔隙结构进行聚类分析评价。

3.1 孔隙结构评价参数的选择

在聚类分析的过程中，首要问题是聚类参数的选择。研究中共收集到23口井206块岩心样品分析资料。样品分析结果中反映孔隙结构特征的参数主要包括 3个方面，分别是反映孔喉大小的参数：孔喉半径(最大值 Ra、平均值 Rp、中值 R50)、孔隙分布峰值 Rm；反映孔喉分选的参数：分选系数Sp、相对分选系数D、歪度Skp、峰态Kp、半径均值Dm、均值系数α、特征结构参数(1/Dφ)；反映孔喉连通性和渗流能力的参数：排驱压力Pcd、仪器最大退出效率We、汞饱和度(最大Smax、剩余Sr)，如此众多的参数，一方面为本次孔隙结构的分析提供了较丰富的资料基础，同时也为孔隙结构的评价带来了很大的难度。工作中分别将上述参数与储层渗透率进行相关分析(图5)，结果发现参数孔隙半径中值R50、峰态Kp和特征结构参数(1/Dφ)与储层渗透率关系最为密切，而其余参数与储层孔隙结构的相关性不明显。

图5 松辽盆地徐东地区营城组一段火山岩储层不同孔隙结构参数与储层渗透率单项回归分析特征Fig. 5 Characteristics of single parameter regression analysis of different pore structure and reservoir permeability of volcanic reservoir of Member1 of Yingcheng Formation in Xudong Area in Songliao Basin

由于206块样品中孔隙半径中值R50和峰态Kp部分取值缺失，而特征结构参数(1/Dφ)的取值未缺失，因此前两者缺失部分对应的渗透率值没有在图中反映，导致图5(a)，(b)和(c)的渗透率坐标取值不同。尽管如此，渗透率取值与这3项储层孔隙结构参数之间的关系还是很直观地表明其与孔隙结构之间有着密不可分的直接关系。进一步研究发现，在这3项参数中，峰态Kp和特征结构参数(1/Dφ)与孔隙结构的相关性要差于孔隙半径中值R50，这一点在图6中也有很清楚的体现。孔隙半径中值 R50是最能影响渗透率变化的参数，其相关系数为0.957，关系式为：

K=-2.187 1R502+2.482 8R50-0.014 4据此，研究认为孔隙半径中值R50可以替代其他2个参数来参与孔隙结构分类。因此最终在进行孔隙结构分类评价时选出代表渗流能力的渗透率，反映孔隙发育程度的孔隙度和反映孔喉大小的孔隙半径中值R50作为本区孔隙结构评价分类的参数。

3.2 孔隙结构评价结果

选择有效孔隙度、总渗透率和孔喉半径中值这 3个参数，其中考虑到裂缝的影响，总渗透率中包含裂缝渗透率。剔除掉奇异值，对23口井206块压汞分析资料，选用目前流行的聚类分析软件 SPSS进行聚类分析，3个参数的权重在软件中赋予，将研究区目的层的孔隙结构可以划分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ 4类，如图6和表3所示。数据处理采用的方法是欧几里德距离平方，然后生成欧几里德距离平方矩阵。在聚类方法的选择上，对比Pearson correlation，Chebychev，Minkowski，Block 和 Ward’ s method 等方法[33]，根据能有效分类，且3项参数的类别划分结果变化趋势一致而且符合目前开发现状的原则，选用Ward’s method方法进行聚类。其中Ⅰ类孔隙结构的主体孔隙度为13.0%左右，渗透率主体位于0.20×10-3μm2左右；Ⅱ类孔隙结构的主体孔隙度为8.8%左右，渗透率主体位于0.10×10-3μm2左右；Ⅲ类孔隙结构的主体孔隙度为6.3%左右，渗透率主体位于0.05×10-3μm2左右；Ⅳ类孔隙结构的主体孔隙度为4.0%左右，渗透率主体位于0.04×10-3μm2左右。从图6可以看出：孔隙度和渗透率关系密切，受裂缝影响，在每种孔隙结构类型中都有渗透率的高值点存在，总体上，4类孔隙结构之间界限清楚，这也说明了本次分类参数选择和方法选择的正确性。从表3可以看出：4种类型的孔隙结果总体上界限明显，由于是多参数划分孔隙结果，因此在有些参数处不同类型的孔隙结构类型取值有交集。

图6 松辽盆地徐东地区营城组一段火山岩储层不同孔隙结构类别孔渗关系Fig. 6 Pore-permeability relationship of different pore structure types of volcanic reservoir of Member 1 of Yingcheng Formation in Xudong Area in Songliao Basin

表3 徐深气田徐东地区营城组一段火山岩储层物性数据孔隙结构评价结果统计表Table 3 Statistics of pore structure evaluated by using reservoir properties data of volcanic reservoir of Member1 of Yingcheng Formation in Xudong Area in Songliao Basin

4 孔隙结构分布评价及其对储层开发的影响

孔隙结构对储层开发的影响主要通过影响储层的储集空间和渗流能力来体现，不同的孔隙类型具有特征的储集空间和渗流能力，这些通过上述的孔隙结构分类结果充分体现。对17口井77块样品统计分析，总体上，孔隙结构以Ⅲ类和Ⅳ类为主，Ⅰ类和Ⅱ类为辅(图7)。样品主要分布在小层YC1Ⅰ1和小层YC1Ⅰ2中(表4)，因此统计的结果对于这2个小层的孔隙结构特征表现的相对真实，而对于其余3个小层的反映就要差一些。

火山岩储集层产能的主要控制因素有：(1) 储集层岩性岩相；(2) 储集层物性及孔隙、裂缝发育程度和类型；(3) 构造位置及边底水；(4) 应力敏感性；(5)压裂增产措施；(6) 钻井液、完井液及压裂液对储集层的伤害程度等[34]。徐正顺等[34]根据产能的主要控制因素，将火山岩储集层产能分为3 类。Ⅰ类：稳定自然产能大于10万m3/d，试采动态特征为产量稳定、压力下降缓慢，初步测算的井控储量大于10 亿m3，稳定产能为试气无阻流量的1/3～1/4。Ⅱ类：压裂后稳定产能大于 5 万 m3/d ,试采动态特征为产量相对稳定、压力下降较慢，初步测算的井控储量为 1～5亿 m3，稳定产能为试气无阻流量的 1/5～1/6。Ⅲ类：压裂后稳定产能小于5万m3/d ,试采动态特征为产量和压力都下降较快，井控储量小于1 亿m3，稳定产能小于试气无阻流量的1/6。单纯考虑孔隙结构与产能之间的关系，发现本次研究中所划分的Ⅰ类和Ⅱ类孔隙结构大体对应Ⅰ类和Ⅱ类产能(以Ⅱ类产能为主，因为Ⅰ类产能在整个研究区都很少)。而Ⅲ类和Ⅳ类孔隙结构主要对应Ⅲ类产能。因此Ⅰ类和Ⅱ类孔隙结构就成为首选的开发区域。从天然气分布范围来看，天然气主要分布于研究区东北部靠近徐东断裂和西南部靠近徐中断裂附近断裂-中心式火山喷发模式发育的部位，同时在研究区中北部XS28井附近中心式喷发模式发育的区域。研究中对主力层YC1I1小层不同分类结果在平面上的展布特征进行了分析，如图8所示。从图 8可以看出：孔隙结构Ⅰ类和Ⅱ类主要发育在XS21，XS21-1，XS28，XS301，XS302，XS14和 XS12等井处，即研究区中部偏西部以及中部偏东北的区域，这些区域也是天然气重点的分布区域和开发的重点地区，在开发方案设计过程中为井位部署的首选位置。

图7 松辽盆地徐东地区营城组一段小层YC1Ⅰ1和小层YC1Ⅰ2孔隙结构分类样品分布特征Fig. 7 Distributing characteristics of pore structure of classified samples of layer YC1Ⅰ1 and layer YC1Ⅰ2 of Member1 of Yingcheng Formation in Xudong Area in Songliao Basin

表4 松辽盆地徐东地区营城组一段孔隙结构分析样品分布层位统计Table 4 Statistics of classified samples of pore structure analyzed of Member1 of Yingcheng Formation in Xudong Area in Songliao Basin

5 结论

(1) 孔隙结构是储层内部结构发育的重要体现，对认识储层的孔渗特征意义重大。岩心分析测试资料统计分析，徐深气田徐东地区营城组一段火山岩孔隙度多小于8%，渗透率多小于2×10-3µm2。储层总体上属于中低孔低渗型，局部由于裂缝发育，渗透率较高。CT扫描成像结果表明，不同岩性或同一岩性孔隙结构非均质性强烈。

图8 松辽盆地徐东地区营城组一段YC1I1小层孔隙结构分类样品分布特征Fig. 8 Characteristics of classified samples distributing of pore structure of Member 1 of Yingcheng Formation in Xudong Area in Songliao Basin

(2) 研究区目的层火山岩孔隙类型按其形成阶段分为原生和次生两大类，进而又根据成因、分布和特征进行进一步细分，其中原生孔隙主要包括气孔、粒间孔、粒内孔和微孔等4种类型。次生孔隙主要包括粒内溶孔、基质内溶孔和粒间溶孔等3种类型。孔喉分布不均，不同区域和不同层位差异较大，整体上喉道连通性较差，孔隙和喉道发育受岩性和岩相影响巨大。

(3) 在利用分析测试资料进行孔隙和喉道分类定量评价时，孔隙度、渗透率和孔喉中值3项指标是最佳选择。利用 SPSS软件可以实现孔隙结构的定量分类评价。研究区目的层火山岩储层孔隙喉道可以划分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ 4种类型，其中以Ⅲ类和Ⅳ类为主。

(4) 平面上主力层YC1I1小层中，孔隙结构Ⅰ类和Ⅱ类主要发育在 XS21，XS21-1，XS28，XS301，XS302，XS14和XS12等井处，即研究区中部偏西部以及中部偏东北的区域，这些区域也是开发的重点地区，在开发方案设计过程中为井位部署的首选位置。

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