开鲁盆地陆家堡凹陷九佛堂组火山碎屑岩油藏形成控制因素分析

冉　波

(中国石油辽河油田分公司勘探开发研究院，辽宁盘锦 124010)

开鲁盆地陆家堡凹陷九佛堂组火山碎屑岩油藏形成控制因素分析

冉波

(中国石油辽河油田分公司勘探开发研究院，辽宁盘锦 124010)

摘要：开鲁盆地陆家堡凹陷九佛堂组火山碎屑岩主要包括火山角砾熔岩、火山角砾岩、凝灰岩(熔结凝灰岩)、沉凝灰岩和凝灰质砂(砾)岩等五大类岩性，且火山碎屑含量自下向上有减少的趋势。火山碎屑岩发育原生孔隙、次生孔隙、原生裂缝和次生裂缝等4类储集空间，有利火山碎屑岩储层储集空间多为“原生和次生组合型”。火山碎屑岩油藏形成受多重因素控制：白垩系下统九佛堂期为凹陷快速断陷期，该时期欠补偿沉积的深湖-半深湖相泥岩及油页岩是火山碎屑岩油藏形成的资源基础；良好的储集性能是火山碎屑岩油藏形成的有利条件。火山机构特征决定此类油藏的分布；构造应力作用增加了火山碎屑岩成藏几率；火山活动时期关系到火山碎屑岩油藏储层改造程度并最终决定油气富集程度。

关键词：陆家堡凹陷；九佛堂组；火山碎屑岩；成藏控制因素

1概况

火山碎屑岩在国内许多沉积盆地中都有广泛分布[1]，随着油气勘探程度的提高，火山碎屑岩油藏已经成为一个勘探新领域。火山碎屑岩不但具有明显的碎屑结构，而且在碎屑组分、胶结物成分与结构、碎屑颗粒与填隙物关系及矿物转化等方面，较之正常沉积的碎屑岩具有明显独特性。火山碎屑与其它类型沉积物在凹陷充填物质中共存，存在着火山岩与沉积岩的多种过渡类型岩石，主要有火山熔岩、普通火山碎屑岩、火山碎屑沉积岩和沉积火山碎屑岩[2]。它们的共同特征是均含有火山碎屑，尽管含量差别迥异，仍统称火山碎屑岩。近年虽然火山碎屑成岩作用的特殊性研究取得了快速的发展[3-6]，但因为沉积物组成和成岩环境的差别，不同盆地或不同沉积背景的火山碎屑岩油气成藏具有鲜明特色。

开鲁盆地是中生代裂陷盆地，陆家堡凹陷是该盆地目前发现的最大、最有勘探潜力的凹陷(图1)。白垩系下统九佛堂组发育大量火山碎屑岩，这些经历火山活动、埋藏和沉积作用的火山碎屑岩成岩特征具有特殊性。前人关于陆家堡凹陷沉积环境与沉积体系研究[7]很少关注或者强调火山作用机制对沉积作用,尤其是对岩石类型的影响。

火山碎屑岩油藏作为特殊储层油藏类型与火山碎屑岩石成分、结构及后期改造关系密切。2013年，陆家堡凹陷M31井在九佛堂组下段火山碎屑岩中试油获得日产油127 m3的高产工业油流，成为开鲁盆地油气勘探史上第一口日产超百吨的探井。K2井在火成岩试油，获日产30.19 m3高产工业油流，展现了陆家堡凹陷火山碎屑岩良好的勘探前景。本文旨在辨析陆家堡凹陷火山碎屑岩石类型，分析原生及次生储集空间的特征及成因，探讨影响该类有利储集层发育的因素及火山碎屑岩油藏成藏控制因素，试图为相似地区的火山碎屑岩油气勘探提供有力的参考。

2岩石学特征

火山碎屑岩地层的形成与火山活动喷发时古地貌密切相关。火山碎屑岩是介于火山熔岩和正常沉积碎屑岩之间的过渡岩性，火山作用和沉积作用双重控制了火山碎屑岩的组成和结构。根据开鲁盆地陆家堡凹陷历年钻井取心观察与岩石薄片显微鉴定，借鉴结合相关地区火山碎屑岩的研究成果和相关分类文献[2，8-9],形成了陆家堡凹陷火山碎屑岩类岩石分类。

图1　开鲁盆地重点勘探凹陷分布

火山碎屑熔岩类:熔岩基质中的火山碎屑含量10%～75%；熔结结构。化学成分按SiO2含量可划分为基性火山碎屑熔岩(52%～45%)，中性火山碎屑熔岩(52%～63%)，酸性火山碎屑熔岩(大于63%)。基本岩石类型为碎屑熔岩，包括角砾熔岩和凝灰熔岩，成岩方式为冷凝固结或熔浆胶结。

火山碎屑岩类：火山碎屑含量大于75%；火山碎屑结构。化学成分按SiO2含量可划分为基性火山碎屑岩(52%～45%)，中性火山碎屑岩(52%～63%)，酸性火山碎屑岩(大于63%)。基本岩石类型细分为火山角砾岩和凝灰岩，其中火山角砾岩成岩方式以熔结和压实固结为主；凝灰岩按粒度细分为粗粒凝灰岩、中粒凝灰岩、细粒凝灰岩、粉粒凝灰岩，成岩方式为冷凝固结或压实固结。

沉积火山碎屑岩类：火山碎屑含量75%～50%；正常沉积碎屑小于50%；火山碎屑结构。化学成分按SiO2含量可划分为基性沉积火山碎屑岩(52%～45%)，中性沉积火山碎屑岩(52%～63%)，酸性沉积火山碎屑岩(大于63%)。基本岩石类型为沉凝灰岩，按粒度细分为粗粒沉凝灰岩、中粒沉凝灰岩、细粒沉凝灰岩、粉粒沉凝灰岩，成岩方式为压实固结或化学胶结。

火山碎屑沉积岩类：火山碎屑含量小于50%；正常沉积碎屑大于50%；碎屑结构。基本岩石类型为凝灰质碎屑岩，按粒度细分为凝灰质砾岩、凝灰质粗砂岩、凝灰质中砂岩、凝灰质细砂岩、凝灰质粉砂岩、凝灰质泥岩，成岩方式为压实固结或化学胶结。

4种类型岩石的排列顺序反映出火山作用由强到弱，而沉积作用影响不断增强。

3火山碎屑岩储层特征

3.1储集空间特征

通过薄片鉴定(普通薄片和铸体薄片)，结合扫描电镜观察分析，总结陆家堡凹陷九佛堂组的火山碎屑岩储层一共发育有4种储集空间类型。

原生孔隙：原生孔隙主要包括完整粒间孔、残余粒间孔、碎屑颗粒内孔。其中，完整粒间孔周围颗粒边缘规则、干净，无胶结物；残余粒间孔是由胶结物充填完整粒间孔而形成，使孔喉半径减小，降低储层孔隙度和渗透率；碎屑颗粒内孔主要表现为玻屑和火山岩屑随火山喷出后其内部挥发性气体外逸而在其内部形成粒内孔。

次生孔隙：次生孔隙主要包括溶蚀粒内孔、溶蚀粒间孔和溶蚀填隙物内孔。次生孔隙主要是由酸性流体溶蚀可溶性组分引起的，且主要发育在地层不整合面附近和裂缝较为发育、渗流能力好的部位。

原生裂缝：九佛堂组储层原生裂缝主要表现为冷凝收缩缝，是岩浆喷出地表后快速冷凝造成不同火山碎屑物质等冷凝收缩形成的裂缝。

次生裂缝：次生裂缝包括溶蚀缝和构造裂缝。溶蚀缝是由酸性流体溶蚀火山岩冷凝收缩缝和早期构造裂缝而成的。构造裂缝是由构造应力作用的结果，主要集中发育于断裂带附近。

通过岩石薄片鉴定及扫描电镜观察分析，九佛堂组储层原生储集空间所占比例偏低，且主要发育在凝灰质含量极低的砂砾岩中；酸性流体溶蚀、溶解作用所形成的次生孔隙为数众多，居主导地位。镜下观察，以上4种储集空间单独存在的情况不多，而是几种类型共存形成火山碎屑岩特有的储集空间组合，如“原生储集空间+次生储集空间”组合等。一般而言，原生和次生组合型储集空间孔隙结构要好于单一孔隙类型，相应储层物性也占优[10]。

3.2储层物性及变化规律

陆家堡凹陷九佛堂组火山碎屑岩储层总体上属于中低孔-特低渗型储层。九佛堂组上段储层孔隙度值11.40%～25.50%，平均值15.99%，约92%的孔隙度集中落在10%～25%，属于中低孔隙度；渗透率值(0.01～28.6)×10-3μm2，平均值3.45×10-3μm2，主要分布区间小于10×10-3μm2，整体属于特低渗透率。

九佛堂组下段孔隙度为0.80%～22.10%，平均值13.29%，约80%的孔隙度集中落在10%～22%，属于中低孔隙度；渗透率值为(0.023～46.60)×10-3μm2，平均值1.99×10-3μm2，主要分布区间小于8×10-3μm2，整体属于特低渗透率。

陆家堡凹陷九佛堂组储层物性在横、纵向分布上呈明显的规律性。

九佛堂组储层孔隙度和渗透率在横向上分布的特点为越靠近凹陷陡坡带扇三角洲沉积体系的扇三角洲前缘亚相储层孔隙度和渗透率越高，凹陷内有古义县火山背景的应力相对集中的构造带孔隙度和渗透率同样较好。

九佛堂组火山碎屑岩储层孔隙度纵向变化符合随埋深增加储层孔隙度逐渐降低的规律。在九佛堂组上段由于火山碎屑含量有减少的趋势，储层物性整体向好；在九佛堂组下段由于火山碎屑含量较高，储层物性整体较差，在局部火山机构附近受应力改造及后期成岩作用会出现储层物性明显变好的现象。

4火山碎屑岩油藏形成控制因素

4.1优质烃源岩是基础

陆家堡凹陷是开鲁盆地油气生成条件最好的凹陷之一。据辽河油田2002年第三次资源评估结果，陆家堡凹陷石油地质资源量为2.5×108t，说明陆家堡凹陷具有丰富的石油和天然气资源供给，有着广阔的勘探前景。陆家堡凹陷发育3个主力生油洼陷，包括三十方地洼陷、交力格洼陷和五十家子庙洼陷，有效烃源岩分布面积约580 km2。白垩系下统暗色泥岩是陆家堡凹陷的重要烃源岩层，主要分布在九佛堂组，以褐色油页岩、深灰色泥岩为主，为半深湖-深湖相沉积，该套成熟烃源岩厚度266～542 m，有机质类型以Ⅰ～ⅡA型为主，有机碳含量3.3%、氯仿沥青“A”值0.4%、Ro为0.53%，属于低成熟-成熟好烃源岩，具有较高的生烃能力，为九佛堂组形成自生自储型成藏组合提供生油条件。

4.2良好的储集性能是条件

火山作用控制的堆积与搬运形成了特定的岩相。借鉴我国松辽盆地中生代[11-12]的火山碎屑岩相发育认识，结合开鲁盆地陆家堡凹陷火山岩特点,本区九佛堂组下段发育3种类型火山岩相:热碎屑流亚相、热基浪亚相和空落亚相。火山活动喷发形成的火山碎屑及所携带的正常碎屑在凹陷内部堆积, 与沉积作用相互交织,发育在近火山口相带, 即使受到湖泊沉积水体的作用, 但仍然认为是热基浪作用、热碎屑流作用和空落作用等火山作用居主导。发育在火山斜坡向湖泊过渡的各微相带显然是湖泊作用与火山作用的联合作用结果，且湖泊水体作用的影响具有明显优势。

九佛堂时期，断裂活动强烈，凹陷快速下沉；在凹陷边部剥蚀区火山岩经风化、搬运等沉积作用，形成以沉凝灰岩及凝灰质砂岩为主的扇三角洲沉积体系；在水下古火山口附近，依然存在火山热液作用，对九佛堂组下段的岩性和储层进行再次改造。岩性主要为硅化凝灰岩、沉凝灰岩。

硅化凝灰岩火山碎屑岩部分已经硅化，硅质含量可达80%以上；原岩以火山泥球凝灰岩为主，经过火山后期硅质热液交代，同时伴随油气生成排出的有机酸形成溶孔，使孔隙空间进一步扩大；其主要储集空间为硅质交代残余粒间孔、溶孔为主，成岩缝、构造缝为辅。测井解释为油层，为好储集岩。

沉凝灰岩以粒间、粒内、碎屑溶蚀形成的溶蚀孔为主，测井解释一般为差油层或干层，为差储集岩或者非储集岩。

4.3火山活动时期是关键

火山活动和构造作用相辅相成，构造作用从根本上控制着火山活动。白垩系下统义县期(凹陷初始张裂期):地壳拉张断裂，火山大规模喷发，形成了凹陷雏形并造就了火山岩充填序列。白垩系下统九佛堂期(快速裂陷期)：边界断层强烈活动，盆地快速下沉，边界断层附近发育近岸水下扇，斜坡发育辫状河三角洲，凹陷中心为半深湖-深湖相沉积。这一时期凹陷边部的凸起提供了以火山岩碎屑为主的沉积母源，在凹陷内部局部地区的义县期火山活动并没有完全沉寂，仍有小规模喷发活动。在九佛堂组下段局部火山机构控制影响下，形成了以火山熔岩、火山碎屑岩为主，沉积火山碎屑岩、火山碎屑沉积岩为辅的岩石类型。这些局部火山经历了义县期大规模喷发，九佛堂早期局部小规模喷发活动，九佛堂晚期局部蠕动，到沙海初期完全沉寂的完整历程(图2、图3)。九佛堂期活动的火山不但可形成以火山碎屑岩为储集体的储集空间，而且对临近沉积的火山碎屑沉积岩有明显的储层改造作用。

图2　过M31井地震剖面

构造作用与火山活动对陆家堡凹陷九佛堂组火山碎屑岩储集层成岩演化的控制作用主要表现在以下3个方面:①凹陷的构造演化和沉积演化过程受构造作用掌控，决定了火山活动喷发的时间、规模，因而从根本上决定了火山碎屑物质的出处及时空展布特征，而火山碎屑物质对于九佛堂组成岩演化过程具有显著影响，首先该区火山碎屑岩成分成熟度和结构成熟度较低，且塑性的火山碎屑物质抗压实能力较差，导致在早成岩阶段压实作用较强；其次火山碎屑物质的不稳定性决定了其易受酸性流体影响而发生溶蚀溶解作用，造成次生孔隙十分发育，其中火山碎屑组分溶蚀孔隙占了很大比例。②构造作用可引发众多构造裂缝，裂缝不仅可以作为新生的储集空间，而且可成为有机酸和地下水的流动通道，从而促进裂缝周围储层的溶解溶蚀作用。③火山活动和构造作用可引发大规模的热流体活动事件，一方面可以促成溶蚀作用和蚀变作用的发生，另一方面可使潜在烃源岩受热烘烤，提前进入生油窗[13]，致使有机酸和CO2的大量生成，随着有机酸和CO2进入储集层，有益于溶蚀溶解作用的进行，明显改善储集层物性。陆家堡凹陷九佛堂组储集层火山碎屑岩发育多种脉体，包括方解石脉、石英脉和碳酸盐脉等，其中以方解石脉最为常见，而脉体是热流体事件的产物，是热流体活动最直接的证据[14]，说明研究区九佛堂组曾受到火山活动引起的热流体事件的影响。

图3　古火山背景对沉积影响模式

5结论

(1)陆家堡凹陷九佛堂组地层是一套包含火山碎屑熔岩、沉积火山碎屑岩和火山碎屑沉积岩在内的火山碎屑岩与正常沉积岩的混杂沉积岩系。火山碎屑岩包括火山熔岩、火山角砾岩、凝灰岩(熔结凝灰岩)、沉凝灰岩和凝灰质砂(砾)岩，且火山碎屑含量自下向上有减少的趋势。

(2)火山碎屑岩发育原生孔隙、次生孔隙、原生裂缝和次生裂缝4类储集空间，九佛堂组储层原生储集空间所占比例偏低，酸性流体溶蚀、溶解作用所形成的次生孔隙为数众多，居主导地位。原生和次生组合型储集空间孔隙结构要好于单一孔隙类型，相应储层物性也占优。

(3)构造和火山活动通过限定火山碎屑物质的来源、裂缝的产生、热流体事件等来影响储层的成岩演化过程。陆家堡凹陷九佛堂组火山碎屑岩储层储集性能与岩性岩相、构造运动、有机质热演化和成岩作用等因素有关，其中火山岩岩性、岩相和火山碎屑岩成岩作用是涉及该类储层储集性能变化的主控因素。

(4)火山碎屑岩油藏形成受多重条件共同控制：优质烃源岩生排烃产生充足的油源是火山碎屑岩油气成藏的根本保障；良好的储集性能是火山碎屑岩油藏形成的基本条件;火山机构特征决定该类油藏的分布；构造应力作用增加了火山碎屑岩成藏几率；火山活动时期关系到火山碎屑岩油藏储层改造程度并最终决定油气富集程度。

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编辑：吴官生

文章编号：1673-8217(2016)01-0001-05

收稿日期：2015-10-24

作者简介：冉波，高级工程师，硕士，1974年生，1997年毕业于西南石油学院石油与天然气勘查专业，2008年硕士毕业于大庆石油学院石油与天然气工程专业，现从事石油地质综合研究工作。

基金项目：中国石油天然气集团公司重大科技专项“辽河油田原油千万吨持续稳产关键技术研究-辽河滩海外围规模储量发现关键技术及有利目标优选研究”(2012E-3002)。

中图分类号：TE112.322

文献标识码：A