致密火山岩物性影响因素分析与储层质量预测——以马朗-条湖凹陷条湖组为例

孟元林，胡 越，李新宁，胡安文，吴晨亮，赵紫桐，张 磊，许 丞

(1.东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆 163318； 2.中国石油 吐哈油田公司 研究院，新疆 哈密 839009；3. C & C Reservoirs Inc.,Houston,TX 77036,美国)

三塘湖盆地马朗-条湖凹陷位于新疆维吾尔自治区境内，在近期的非常规油气勘探中，取得实质性突破，Lu1,M55,M56和M57H井在条湖组二段钻遇沉凝灰岩层，良好显示。压裂后，3口井获工业油流。复查了16口老井，共发现18个油层，累积191.5 m。压裂改造后试油，6口井有5口井产出工业油流，1口井产出低产油流。致密油一般指储集在覆压基质渗透率小于或等于0.1×10-3μm2的致密砂岩、致密碳酸盐岩等储集层中的石油[1-2]。而条湖组中发现的致密油储集在沉凝灰岩中，其岩性与国内其他盆地的致密油储层不同，其成储特征和成藏规律可能与碎屑岩和碳酸盐也有一定差异。由于火山岩主要由不稳定的矿物组成,所以它们在埋藏成岩过程中的变化更大。一般来说,火山岩储集性能较好,特别是后期经构造运动和溶蚀作用形成的孔、洞、缝将原生气孔等储集空间连通[3]。但也不乏像徐家围子断陷深层营城组这样的致密火山岩储层[4]。在国外也有一些关于致密火山岩储层的报道，如印度尼西亚的贾蒂巴朗、美国的亚利桑那、格鲁吉亚的萨母戈里-帕塔尔祖利和乌克兰的外喀尔巴阡等[3-9]。在条湖组除了发育致密储层之外，还有常规储层，两种储层并存。但不同的储层具有不同的勘探思路，对于常规储层需要遵循以寻找圈闭为中心的勘探思想；而对于致密储层，油气的分布不受圈闭控制，在盆地的凹陷区和斜坡区连续分布，勘探工作遵循寻找优质储层和烃源的勘探理念[1]，可通过钻前储层质量预测(predrilling reservoir quality prediction)技术预测优质储层分布区，进一步确定有利的勘探区[10-11]。有关钻前碎屑岩储层质量预测的研究比较多[10-14]，但有关火山岩储层质量预测方面的研究尚少。本文试图探讨岩性和成岩作用对火山岩(尤其是火山碎屑岩)储层物性的控制作用，应用成岩作用数值模拟技术，在横向上预测成岩阶段，结合条湖组的岩相图，预测火山岩储层质量在平面上的变化规律，以便对不同的储层采取不同的勘探方法，为三塘湖盆地条湖组，乃至我国西部其他盆地致密油的勘探，提供科学的依据。

1 地质概况

三塘湖盆地是一个在早古生代基底上发展起来的叠合型盆地,面积约2.3×104km2。该盆地由东北冲断隆起带、中央坳陷带和西南逆冲推覆隆起带组成。中央坳陷带面积约8 000 km2，是三塘湖盆地油气聚集的主要构造单元，又进一步划分为乌通凹陷，小青凸起、汉水泉凹陷、沙河坝凸起、条湖凹陷、岔哈泉凸起、马朗凹陷、方方梁凸起、淖毛湖凹陷、苏鲁克凹陷10个二级构造单元[15]。盆地沉积盖层包括二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系与新近系。二叠系仅发育中二叠统，从下到上分为芦草沟组和条湖组。芦草沟组是三塘湖盆地一套优质烃源岩，为芦草沟组、条湖组、中下侏罗统和中上三叠统提供了丰富的油源[16]。芦草沟组烃源岩的有机质类型为Ⅰ-Ⅱ1型，有机碳含量(TOC)介于1.03%～5.80%，镜质体反射率(Ro)主要分布在0.5%～1.3%。条湖组由3个岩性段组成，条湖组一段和三段以玄武岩或安山岩为主,岩性不纯,夹少量薄层凝灰质泥岩。条二段主要为火山角砾岩、火山碎屑沉积岩、晶屑玻屑沉凝灰岩、火山熔岩、凝灰质泥岩和煤系泥岩。目前已发现的致密油流主要产自条二段玻屑晶屑沉凝灰岩。

2 岩性与物性特征

2.1 岩性和岩相特征

马朗-条湖凹陷条二段储层主要是一套中基性的火山岩(图1)[15]。火山熔岩主要为安山岩和玄武岩(图2a)。火山碎屑岩由普通火山碎屑岩、沉积火山碎屑岩、火山碎屑沉积岩组成，包括火山角砾岩、凝灰岩、凝灰质砂岩、凝灰质粉砂岩、凝灰质泥岩、晶屑玻屑沉凝灰岩(图2b—f)，晶屑以斜长石为主。

三塘湖盆地条二段火山碎屑岩最大的特征是粒度较细(图2b—d)，44块样品的粒度分析结果表明，80.56%的样品粒径小于0.25 mm，相当于泥-细砂的粒级；有59.4%样品的粒径小于0.062 5 mm，和粉砂与泥的粒径相当。

2.2 物性特征和孔隙结构特征

由于火山碎屑岩的粒度较细，所以其孔喉半径较小，主要发育微孔(图2b,c,e)和孔喉半径小于1 μm的纳米级孔喉(图2e)。20块样品压汞的统计结果表明，纳米级孔喉占88.3%。

较细的孔喉导致了储层较低的渗透率和相对较高的孔隙度，411块样品的统计结果表明(表1)，渗透率分布在0.05×10-3～122.39×10-3μm2，孔隙度分布在0.4%～27.8%。渗透率小于1×10-3μm的样品占84.84%。由此可见，条湖组大部分火山岩属于致密储层，但也发育少部分常规储层。根据我国石油与天然气行业致密储层的标准，致密储层是指覆压基质渗透率小于0.1×10-3μm2的储层[2]。为了确定致密储层的孔隙度上限，本文研究了马朗-条湖凹陷覆压基质渗透率与地表孔隙度之间的相关性(图3)。由图可见，当覆压基质渗透率为0.1×10-3μm2时，地表孔隙度为9%左右。也就是说，条湖组致密储层的物性上限是9%。

3 火山岩储层物性的主要影响因素

已有的研究表明，影响火山岩储层孔隙度和渗透率的主要地质因素有岩性岩相、构造作用、火山岩的埋深及其所处的成岩阶段[17-23]。构造作用可以形成裂缝，使火山岩储层的物性变好。但对致密储层而言，主要研究的是基质孔隙度和渗透率。因此，三塘湖盆地火山岩储层孔隙度和渗透率的主要影响因素，就可归结为岩性相和火山岩所处的成岩阶段及其埋深。

图1 三塘湖盆地马朗-条湖凹陷条湖组二段岩相Fig.1 Lithofacies map of P2t2 in the Malang-Tiaohu Sag of Santanghu Basin

图2 条湖组火山岩储层微观照片Fig.2 Microscopic photos of volcanic reservoirs of P2ta.T19井，玄武岩，杏仁构造，杏仁体内溶孔，斑晶溶孔，2 703.51～2 703.65 m，铸体(-);b.M56井，玻屑凝灰岩，玻屑微孔， 2 144.86～2 144.99 m，铸体(-);c.M56井，玻屑凝灰岩，玻屑微孔，晶屑溶孔， 2 141.87～2 141.97 m，铸体(-);d.M56井，碳酸盐化晶屑凝灰岩，晶屑溶孔，2 144.99～2 145.13 m，铸体(-);e.Lu1井，粒间微孔发育，凝灰岩， 2 546.912～547.06 m，场发射环境扫描电镜;f.M55井，粒间孔，方解石充填孔隙，晶屑岩屑沉凝灰岩，2 267.40～2 267.56 m，铸体(-)

岩相孔隙度/%渗透率/(10-3 μm2)储层物性分类凝灰岩和角砾岩0.4～2411.18(132)0.005 4～122.395.53(67)Ⅰ类晶屑玻屑沉凝灰岩0.9～27.88.82(345)0.005～120.572.69(284)Ⅱ类火山碎屑沉积岩0.4～15.86.77(61)0.05～5.130.72(27)Ⅲ类火山熔岩0.9～11.25.29(51)0.05～8.660.69(33)Ⅳ类

图3 覆压基质渗透率与地表孔隙度关系曲线Fig.3 Relationship curve between matrix permeability and surface porosity

3.1 岩性和岩相对储层物性的影响

条湖组岩性和岩相对火山岩储层的物性具有明显的控制作用，凝灰岩和角砾岩的物性最好，晶屑玻屑沉凝灰岩和火山碎屑沉积岩的物性次之，火山熔岩最差(表1)。4种岩相火山岩的孔隙度分别为11.18%，8.82%，6.77%和5.29%，渗透率分别为5.53×10-3，2.69×10-3，0.72×10-3和0.69×10-3μm2。

根据贾承造提出的我国致密油储层物性分类标准[24]，本文将三塘湖盆地条湖组的储层分为4类：Ⅰ类储层的孔隙度≥9 %，孔隙流体服从达西定律，属于常规储层；Ⅱ类储层的孔隙度间于7%～9%，属于低致密储层；Ⅲ类储层的孔隙度在4%～7%之间，属于高致密储层；Ⅳ类储层的孔隙度小于4%，属于差储层。根据这一储层物性划分标准，条湖组的角砾岩和凝灰岩属于Ⅰ类储层，晶屑玻屑沉凝灰岩属于Ⅱ类储层，火山碎屑沉积岩和火山熔岩整体上属于Ⅲ类储层(表1)。

火山岩的岩性和岩相对储层的含油性也具有一定的控制作用，目前所发现的工业油流井绝大多数分布在玻屑晶屑沉凝灰岩中(图1)。

3.2 成岩作用对火山岩储层物性的控制

机械压实作用、胶结作用和充填作用是条湖组火山岩储层主要的破坏性成岩作用，可使储层的孔隙度减小，形成致密储层(图2b，f)。溶蚀作用、脱玻化作用和交代作用是条湖组储层的主要建设性成岩作用，可使火山岩储层的孔隙度增加(图2c，d)。但总的来看，随埋深和地温的增加，成岩作用增强，火山岩的孔隙度降低[17-23]，其原因是：随埋深和地温的升高，泥岩中的粘土矿物发生转化，排出大量Si4+，Ca2+，Fe3+，Mg2+和Na+，进入相邻的火山岩孔隙中，当孔隙流体的离子浓度达到饱和之后，以矿物质的形式沉淀下来，胶结火山碎屑岩的颗粒，充填火山熔岩的孔隙，使其孔隙度不断减小[23]。

为了研究三塘湖盆地马朗-条湖凹陷成岩作用对火山岩储层孔隙度的影响，在镜质体反射率(Ro)、孢粉颜色TAI、色谱-质谱、热解分析、X-衍射、普通薄片、铸体薄片、扫描电镜、电子探针等分析化验的基础上，依据石油行业标准(SY/T 5477—2003)碎屑岩成岩阶段划分规范[25]，对三塘湖盆地马朗-条湖凹陷的碎屑岩和火山碎屑岩进行了成岩阶段划分(表2)。

在早成岩阶段A期，成岩作用以机械压实为主，发育早期压实相，储层弱固结-半固结，碎屑颗粒间呈悬浮接触，储层主要发育原生粒间孔。在早成岩阶段B期，胶结作用增强，以碳酸盐胶结和粘土胶结为主，发育早期胶结相。在该阶段的晚期，有机质开始发生热降解，脱去含氧官能团，形成有机酸，溶蚀长石和玻屑形成次生孔隙。在中成岩阶段A1亚期，Ro=0.5%～0.7%，有机质进入生油门限，在生成油气的同时，形成大量有机CO2和有机酸，溶蚀储层，形成孔次生孔隙(图2c,d)，发育早期溶蚀相。

表2马朗-条湖凹陷成岩特征和成岩阶段划分
Table2DiageneticcharacteristicsanddiageneticstagesofMalang-TiaoSag

图4 马朗-条湖凹陷芦草沟组烃源岩干酪根元素组成与有机质热演化Fig.4 Elementary composition of kerogen and thermal evolution of organic matter in Malang-Tiaohu Sag

4 储层质量预测

4.1 预测原理

表3 条湖组成岩作用对储层物性的影响Table 3 Impacts of diagenesis on reservoir porosity and permeability of Tiaohu Formation

表4 条湖组岩相和成岩作用对储层物性的综合影响与储层分类Table 4 Integrated effects of lithofacies and diagenesis on porosity and permeability of reservoirs of Tiaohu Formation

由上可见，处于相同成岩阶段、而且属于同一岩相的储层，其类型和质量相同，物性相近。因此，依据表4中各种岩性处于不同成岩阶段所对应的不同类型储层，就可以通过叠合三塘湖盆地条湖组岩相图和相应的碎屑岩成岩阶段预测图，预测储层类型和质量在平面上的分布特征。

4.2 碎屑岩成岩阶段横向预测

为了在横向上预测成岩阶段，本文综合考虑地层时代、岩性、古气候、构造运动对成岩作用的影响，选取成岩阶段划分常用、在目前的技术条件下能够定量，模拟的成岩参数镜质体反射率(Ro)、甾烷异构化指数SI[C29甾烷S/(R+S)]、伊/蒙混层中蒙皂石层的含量S、自生石英含量Vq、古地温T，分别模拟其随时间的变化规律[29-34]，并构建成岩指数ID，在时空领域内进行成岩作用数值模拟，由计算机自动划分成岩阶段[35]：

ID(x，y，z，t)=a1T(x，y，z，t)/TB+a2Ro(x，y，z，t)/

RB+a3[100-S(x，y，z，t)]/(100-SB)+

a4SI(x，y，z，t)/SIB+a5Vq(x，y，z，t)/VB

(1)

式中:ID是成岩指数；t为时间，Ma；x，y，z为三维空间坐标；a1，a2，a3，a4，a5分别代表成岩指标T，Ro，S，SI，Vq的权值，本文分别取0.2，0.5，0.1，0.1，0.1，其总和为1.0；TB，RB，SB，SIB，VB分别为T，Ro，S，SI，Vq在中成岩阶段B2亚期末的值(表1)，分别取175 ℃，2.00%,5%,0.52,12%。

4.3 储层质量和类型平面预测

图5 马朗-条湖凹陷条湖组二段成岩阶段和成岩相预测Fig.5 Prediction of diagenetic stage and diagenetic facies of P2t2 in Malang-Tiaohu Sag

图6 马朗-条湖凹陷条湖组二段储层类型与质量预测Fig.6 Prediction of reservoir types and quality of P2t2 in Malang-Tiaohu Sag

5 结论

1) 从盆地边部到中央，条二段成岩作用逐渐增强，依次发育早期胶结相、早期溶蚀相、中期溶蚀相和晚期溶蚀相，纵向上相邻的成岩相横向上也相邻，这一规律可以称为“成岩相律”。已发现的油流井主要分布在中期溶蚀相和早期溶蚀相。

2) 条湖组储层物性的主控因素是岩相和所处的成岩阶段，通过叠合岩相分布图和成岩阶段预测图，可以在横向上预测储层的类型和质量。目前已发现的工业气流井主要位于低致密储层(Ⅱ类)和高致密(Ⅲ类)储层分布区。

3) 在Ⅰ类储层分布区，应遵循以寻找圈闭为中心的勘探思路；在Ⅱ类和Ⅲ类储层分布区，则应注重储层和烃源的研究。

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