王府断陷上侏罗统火石岭组火山岩类储层孔隙类型及微观结构特征

黄玉欣， 阮宝涛， 李忠诚， 宋文礼， 胡望水

( 1.长江大学 地球科学学院，湖北 武汉 430100； 2.中国石油吉林油田分公司 勘探开发研究院，吉林 松原 138000 )

0 引言

松辽盆地南部王府断陷深层具有良好的生、储、盖配置关系，具备天然气大规模成藏的地质条件，尤其上侏罗统火石岭组火山岩和下白垩统沙河子组火山角砾岩储层为大中型气田发育提供良好的地质基础[1-4]。

火石岭组下部粗安岩有效储层是锥状火山岩体控制下的多中心、厚层状、反韵律有效储层，主要分布在各火山机构、岩体顶面高点附近；中部火山沉积岩有效储层是局部发育的分散透镜状、层状反韵律有效储层，主要分布在沉积岩体上部和期次界面附近；上部流纹岩有效储层是层状流纹岩体控制下的连续型、薄层状、反韵律有效储层，大面积连续分布在流纹岩顶面附近[5-6]。火石岭—沙河子组火山岩储层受岩相古地理、火山喷发作用、构造作用及成岩作用等因素的综合控制[7-8]。岩相古地理主要影响火山喷发、火山岩分布及原生孔缝类型；火山喷发作用主要控制火山岩体及岩相的形态、规模和平面展布特征，决定岩石类型和组构，影响原生孔缝的形成和分布；构造作用控制构造缝的发育程度和方向，是改善储层储渗能力的重要因素[9-11]；成岩作用控制原生孔隙的保存和次生孔隙的发育、分布[8]。

储层微观结构特征决定储层质量及其油气储存能力[9-12]。目前，有关火石岭组储层储集空间类型及微观结构特征的研究相对较少。在铸体薄片观察的基础上，识别火石岭组储层主要的孔隙类型；利用可视化铸体薄片分析大尺度孔隙的微观结构特征；采用常规压汞实验数据分析小尺度孔隙的微观结构特征，揭示火石岭组储层孔隙微观结构特征。

1 区域地质概况

松辽盆地南部王府断陷是下断上坳、西陡东缓，发育侏罗系和白垩系沉积地层的复合型含油气区，断陷总面积为1.812 km2，为西断东超的箕状断陷[13](见图1)。断陷期地层厚度为0.200～3.000 km，基底最大埋深为5.400 km。在西倾东抬构造背景下，近南北向断层把各层切割成垒堑相间的构造条带，形成众多断鼻、断块圈闭，断层走向控制局部构造走向[14]。

图1 王府断陷地理位置及构造分区Fig.1 Location and structure units of Wangfu fault depression

根据地震资料及钻井揭示，王府断陷自下而上发育古生界石炭—二叠系地层，上侏罗统火石岭组，下白垩统沙河子组、营城组、登娄库组及泉头组一段、二段地层[15]。其中，上侏罗统火石岭组火山岩、下白垩统沙河子组火山角砾岩、下白垩统登娄库组和泉一段沉积岩为主要的目的层段。王府断陷在白垩纪早期伴随东北地区大规模的断陷作用而开始断陷沉积。侏罗系晚期，王府断陷作用在东北地区形成以西部控陷断层为主的一系列断层，且伴随火山作用和岩浆喷发，开始沉积一套以火山岩、火山沉积岩夹正常湖相泥岩的火石岭组地层。其中，火石岭组火山岩储层主要发育溢流相、爆发相、火山通道相和火山沉积相4种岩相。

火山熔岩主要以粗安岩、流纹岩和火山角砾岩为主。粗安岩多为火山中心式喷发产物，为中性偏碱性火山熔岩，SiO2质量分数平均为56.0%，K2O和Na2O质量分数高，CaO质量分数低；岩石多呈白色、灰色或浅黄色；常见粗面结构、斑状结构及气孔构造，斑晶由斜长石和暗色矿物组成，基质为斜长石及碱性长石；是火石岭组主要的岩石类型。

流纹岩为酸性火山熔岩，SiO2质量分数超过69.0%；岩石以灰白、灰色、紫红色为主；具有斑状结构和流动构造、气孔构造，其中斑状结构中斑晶为石英及钾长石、酸性斜长石，偶见暗化黑云母、角闪石，由于熔浆黏度高，气孔构造与中基性喷出岩气孔略有不同，表现为不规则的孔壁向孔心弧形突出的特点；基质通常具有霏细结构、球粒结构或玻璃质结构；是火石岭组重要的岩石类型。

火山碎屑岩主要是由火山作用产生的各种火山碎屑物质原地堆积，或经过空气或水介质的短距离搬运、堆积，再经过压实固结而形成的岩石。基质中分布的火山碎屑物质量分数超过90.0%，根据火山碎屑大小，分为集块岩(粒径大于64.0 mm)、火山角砾岩(粒径介于2.0～64.0 mm)、凝灰岩(粒径小于2.0 mm)。火山熔岩—火山碎屑岩过渡类指火山碎屑物被熔浆胶结、冷凝固结形成的岩石，或火山熔岩中夹有较多火山碎屑的一种过渡岩类，其中火山碎屑质量分数介于10.0%～90.0%，包括火山碎屑熔岩类和熔结火山碎屑岩类。

火石岭组储层总体为低孔低渗储层，孔隙度小于12.0%，渗透率多小于1.000×10-3μm2。不同岩性的储层物性变化大，其中火山碎屑岩中的集块熔岩物性较好，孔隙度为10.9%，渗透率为3.620×10-3μm2；火山熔岩中的粗面岩物性最差，孔隙度为2.7%，渗透率为0.013×10-3μm2(见图2)。

图2 研究区火石岭组不同岩性储层孔渗统计Fig.2 Porosity and permeability of different lithologies in the Huoshiling formation in the study area

2 储集空间类型及成因机制

2.1 储集空间类型

观察王府断陷10口井(见图1)的251个火石岭铸体薄片，火石岭组火山岩储层原生及残余粒间孔不发育，主要以次生孔隙为主。

2.1.1 溶蚀孔

主要是火山岩形成后，经过后期热液蚀变、地下水溶蚀、风化淋滤等作用溶解不稳定矿物组分而形成的次生孔隙[16-17]。孔隙形态多呈港湾状、囊状等，孔径不等。根据次生孔隙形态、结构特点及成因机制，可细分为2种类型。

(1)斑晶内溶孔：斑晶被溶蚀而形成的孔隙，溶蚀对象包括长石、石英、橄榄石、辉石和角闪石等。孔隙形态不规则，多呈蠕虫状、港湾状，如完全溶蚀矿物，只残存原晶体假象为铸模孔；斑晶内溶孔孔径介于0.5～3.0 mm(见图3(a))。

图3 研究区火石岭组火山岩储层孔隙类型Fig.3 Pore types of the Huoshiling formation volcanic reservoir in the study area

(2)基质溶孔：多为熔岩基质部分、火山碎屑岩细粒碎屑部分的易溶组分被溶蚀而形成的孔隙，包括微晶长石内和微晶间的溶蚀孔[18]。王府气田基质溶孔普遍发育，以溢流相火山熔岩、爆发相火山碎屑岩最为发育，主要发育在凝灰岩、粗安岩和粗面岩中(见图4)。基质溶孔形态极不规则、大小不等、分布极不均匀(见图3(b))。

2.1.2 脱玻化微孔

脱玻化是玻璃质火山岩中常见的成岩作用，是在环境条件改变或有流体参与时，玻璃质熔岩转变成结晶质或隐晶质矿物的过程。受结晶作用体积变小的影响，脱玻化作用使原本致密的玻璃质熔岩产生次生孔隙，有利于溶蚀作用的发生，是促进火山岩形成有效储层的重要成岩作用[19-20]。火石岭脱玻化微孔尺度小、喉道细，以纳米级孔喉为主(见图3(c))，多发育于球粒流纹岩、熔结凝灰岩、凝灰岩和粗安岩储层(见图4)。

图4 研究区火石岭组不同岩性孔隙类型Fig.4 Pore types in different lithologies in the study area in the Huoshiling formation

2.1.3 构造缝

构造缝指在构造应力作用下形成构造裂隙和构造碎裂岩，表现为固结的火山岩被破碎成不规则形状和大小的块体，其特征与构造应力方向及强度有关[21]。构造运动的多期性导致多期裂缝，构造缝开度大、延伸远、倾角大、充填复杂，不同级别和期次构造产生的裂缝叠加，表现形式复杂。王府气田构造碎裂作用比较发育，在城深9、城深11、城深5、王府1等井的凝灰岩、粗安岩和粗面岩中见构造破裂缝(见图4)，沿构造裂缝有沥青质和油气分布，常可见早期充填裂缝被晚期未充填裂缝切割的现象(见图3(d))。构造缝是重要的渗流通道，火山岩储层原生孔缝储集能力低，难以形成有效储层，后期通过构造缝的沟通作用构成有效疏导体系，储层具有较好的储渗能力，从而形成有效储层[17]。

2.1.4 粒间溶蚀缝

指沿原生缝、矿物解理缝或在原有次生缝发生溶蚀作用而扩溶的缝隙。火石岭溶蚀缝在研究区比较发育，最常见的是碳酸盐胶结物、长石与部分岩屑的溶蚀，石英较少溶蚀。缝面弯曲且凹凸不平，存在分叉现象，裂缝宽窄不一，缝宽介于0.1～15.0 mm(见图3(e))。根据产状，可划分为柱状、层状和网状溶蚀缝，对改善储层物性具有重要作用。

因此，火石岭组储层的储集空间主要由次生孔隙和裂缝组成。次生孔隙主要以溶蚀孔、脱玻化微孔为主；裂缝主要以构造缝、粒间溶蚀缝等为主。熔岩类主要发育脱玻化微孔，火山碎屑岩主要发育溶蚀孔和构造缝，熔岩—火山碎屑岩主要发育溶蚀孔和脱玻化微孔。

图5 研究区火石岭组储层成因机制Fig.5 Machenism of Huoshiling formation in the study area

2.2 成因机制

火石岭组有效储层品质受溶蚀、脱玻化和构造等作用控制，受压实、压溶作用影响小[15]。结合王府断陷构造演化史，火石岭沉积时期，受燕山运动第Ⅱ、Ⅲ幕影响，大陆隆起作用加强，造成区域形成拉张裂缝，产生一系列北北西向的区域性张性断裂，并伴随大规模的火山爆发和侵入[7,13,17]。溶蚀作用和裂缝作用的耦合增强储层储集能力，改善储层渗流能力。对于溶蚀区，若裂缝发育，则形成高孔高渗储层；若裂缝不发育，则形成高孔低渗储层。对于非溶蚀区，通常形成低孔低渗储层(见图5)。因此，溶蚀作用和裂缝作用对改善储层质量起促进作用。

3 微观孔隙结构特征

为研究侏罗系火石岭组火山岩储层微观孔隙结构特征[22]，采用可视化铸体薄片分析相对大尺度(孔隙直径大于10.00 μm)孔隙结构特征，利用常规压汞实验分析相对小尺度(孔隙直径小于10.00 μm)孔隙结构特征[23-24]。其中常规压汞实验分析10口井(见图1)的67个样品(见表1)。

3.1 大尺度孔隙

利用具有图像分析功能的扫描电镜，对铸体薄片进行背散射电子成像定量分析，获取孔隙和喉道的类型、孔喉配位数(孔隙与周围孔隙连通的喉道数量，砂岩的配位数一般为2～15)及孔隙半径等参数，揭示大尺度孔喉系统的孔隙结构特征。

表1 研究区压汞实验样品

图6 研究区火石岭组不同岩性孔隙结构特征Fig.6 The variation of large-scale pore structure with lithologies in the Huoshiling formation in the study area

火石岭组火山岩储层不同岩性的大尺度孔喉系统差异较大(见图6)。其中，火山熔岩孔喉半径为4.97～26.98 μm，平均为11.98 μm；火山碎屑岩孔喉半径为15.10～33.40 μm，平均为21.10 μm；熔岩—火山碎屑岩过渡类孔喉半径为5.70～39.04 μm，平均为19.35 μm。火山熔岩配位数为0.010～0.240，平均为0.080；火山碎屑岩配位数为0.020～0.110，平均为0.070；熔岩—火山碎屑岩过渡类配位数为0.010～0.390，平均为0.180。对于平均孔喉半径和平均配位数，火山碎屑岩(集块岩、火山角砾岩、凝灰岩)和熔岩—火山碎屑岩过渡类的大尺度孔喉系统较为发育。

3.2 小尺度孔隙

利用常规压汞实验，获取微孔孔隙和喉道的孔喉半径均值、最大孔喉半径、中值半径、排替压力和中值压力等参数，揭示小尺度孔喉系统的孔隙结构特征[25-29]。

3.2.1 压汞参数

火石岭组不同岩性类储层的压汞参数差异较大。火山熔岩和熔岩—火山碎屑岩过渡类排替压力平均分别为4.4、4.6 MPa，火山碎屑岩排替压力为6.1 MPa，火山熔岩和熔岩—火山碎屑岩过渡类排替压力较小(见图7(a))。汞饱和度中值压力相对差异较大，火山熔岩、火山碎屑岩和熔岩—火山碎屑岩过渡类的分别为19.9、16.6和28.4 MPa(见图7(a))。火山熔岩和熔岩—火山碎屑岩过渡类的最大孔喉半径较大(分别为8.50、7.50 μm)，火山碎屑岩的最大孔喉半径相对较小(为3.90 μm)(见图7(b))。火山熔岩中值孔喉半径较大，约为0.08 μm；熔岩—火山碎屑岩过渡类中值孔喉半径相对较小，约为0.04 μm(见图7(b))。对比最大进汞饱和度、残余压汞饱和度和退汞效率，火山熔岩和熔岩—火山碎屑岩过渡类的微观孔隙结构好于火山碎屑岩的(见图7(c))。

3.2.2 孔隙结构分类

根据压汞实验数据，分析王府气田火石岭储层孔隙结构和压汞曲线形态特征，将储层孔隙结构分为三种类型。

Ⅰ型孔隙结构的毛管压力曲线形态表现为向左下靠拢、凹向右上的特征，表明歪度较粗、分选较好；且具有排替压力低(小于1.0 MPa)、汞饱和度中值压力低(小于2.0 MPa)、最大进汞饱和度高的特征(见图8中城8井29号样品)。Ⅰ型孔隙结构储集空间以基质溶孔、粒内溶孔为主，裂缝发育，孔缝组合模式多，储渗能力强；主要发育于气孔流纹岩、角砾熔岩和熔结凝灰岩，储层有效性好。

Ⅱ型孔隙结构的毛管压力曲线形态为近45°直线，不发育平台段，表明歪度、分选中等；表现为排替压力较高(1.0～7.5 MPa)，汞饱和度中值压力较高(1.0～10.0 MPa)，最大汞饱和度较低(见图8中城深7井7号样品)。Ⅱ型孔隙结构储集空间以溶蚀孔为主，裂缝较发育，储渗能力中等；主要发育于流纹岩、角砾熔岩、熔结凝灰岩和晶屑凝灰岩，储层有效性中等。

图7 研究区火石岭组不同岩性类压汞参数

Ⅲ型孔隙结构的毛管压力曲线形态向右上靠拢、凹向左下，不发育平台段，表明歪度极细、分选差；表现为排替压力高(大于7.5 MPa)，汞饱和度中值压力高(大于105.0 MPa)，最大进汞饱和度低(见图8中城深14井5号样品)。Ⅲ型孔隙结构储集空间以微孔、粒内孔、基质溶孔、粒内溶孔和粒间溶孔为主，裂缝不发育，储渗能力差；主要发育于熔结凝灰岩、熔结角砾岩、沉凝灰岩、沉火山角砾岩和凝灰岩，储层有效性差。

火石岭组Ⅰ型孔隙结构不发育。角砾熔岩Ⅱ、Ⅲ型孔隙结构占比分别为37.5%、62.5%；粗安岩和凝灰岩Ⅱ、Ⅲ型孔隙结构占比分别为33.3%、66.7%；凝灰熔岩Ⅱ、Ⅲ型孔隙结构占比分别为12.5%、87.5%，孔隙结构相对较好；流纹岩、粗面岩、火山角砾岩以Ⅲ型孔隙结构为主，孔隙结构相对较差(见图9)。熔岩类储层的小尺度储集空间发育较差，火山碎屑岩的小尺度储集空间较为发育。

4 流体可动用性

根据岩心完全饱和水状态及最大离心力作用下储层的含水饱和度特征，确定火石岭组储层基质可动流体饱和度，在不同尺度微观孔隙结构共同作用下揭示流体流动特征，为后期油田开发中流体可动用性研究奠定基础。

不同岩性储层可动流体饱和度差异大(见图10)。火石岭组集块熔岩、凝灰岩可动流体平均饱和度分别为29.3%、26.4%，相对较高。集块熔岩发育大尺度孔隙，凝灰岩既发育大尺度孔隙也发育Ⅱ型小尺度孔隙结构，对比储层孔隙结构和可动流体饱和度，储层大尺度孔隙及Ⅱ型小尺度孔隙结构对可动流体含量起主导作用。凝灰熔岩可动流体饱和度平均为16.3%，相对最低。因此，Ⅲ型小尺度孔隙结构不利于流体的储存。

图8 研究区火石岭储层压汞曲线形态分类Fig.8 Mercury injection curves of the the Huo-shiling formation in the study area

图9 研究区火石岭组不同岩性孔隙结构特征Fig.9 Pore structure of different lithologies in the Huoshiling formation in the study area

不同岩性在不同离心力作用下的可动流体饱和度特征差异大(见图11)。当离心力从50.0 MPa增加到200.0 MPa，凝灰岩可动流体饱和度从9.9%增加到26.3%，集块熔岩和凝灰熔岩可动流体饱和度从12.5%、7.7%分别增加到25.3%、18.2%时，流体可动用性相对较好，排替压力影响相对较大。粗安岩可动流体饱和度平均为14.5%，可动用性较差，离心力无影响，反映储层流体可动用性差。具有大尺度孔隙及Ⅱ型小尺度孔隙结构的集块熔岩和凝灰熔岩等对排替压力更为敏感，以Ⅲ型小尺度孔隙结构为主的熔岩类储层不利于可动流体的储集和流动。

图10 研究区火石岭组储层可动流体饱和度Fig.10 Comparison of movable fluid saturation in different reservoirs in Huoshiling formation in the study area

图11 研究区火石岭组储层不同离心力作用下的可动流体饱和度特征Fig.11 Movable fluid saturation under different centrifugal forces in the Huoshiling formation in the study area

5 结论

(1)王府断陷上侏罗统火石岭组储层的储集空间主要由次生孔隙和裂缝构成。次生孔隙主要以溶蚀孔、脱玻化微孔为主；裂缝主要以构造缝、粒间溶蚀缝等为主。熔岩类主要发育脱玻化微孔，火山碎屑岩主要发育溶蚀孔和构造缝，熔岩—火山碎屑岩主要发育溶蚀孔和脱玻化微孔。火石岭组有效储层品质受溶蚀、脱玻化和构造等作用控制，溶蚀作用和裂缝作用的耦合增强储层储集能力，改善储层渗流能力。

(2)火石岭组储层不同岩性的大尺度孔喉系统差异较大。在平均孔喉半径和平均配位数方面，火山碎屑岩(集块岩、火山角砾岩、凝灰岩)和熔岩—火山碎屑岩过渡类的大尺度孔喉系统较为发育。

(3)火山熔岩和熔岩—火山碎屑岩过渡类的微观孔隙结构好于火山碎屑岩的，火石岭储层小尺度孔隙结构分为三种类型。Ⅰ型孔隙结构基本不发育。角砾熔岩、粗安岩、凝灰岩和凝灰熔岩主要以Ⅱ、Ⅲ型微观孔隙结构为主，孔隙结构相对较好。流纹岩、粗面岩和火山角砾岩孔隙结构以Ⅲ型为主，孔隙结构相对较差。与火山碎屑岩和熔岩—火山碎屑过渡岩相比，熔岩类储层不利于可动流体的储集和流动。具有大尺度孔隙及Ⅱ型小尺度孔隙结构的集块熔岩和凝灰熔岩流体可动用性更好，且对排替压力更为敏感。