四川盆地二叠系火山岩岩相与储层特征

文 龙 李 亚 易海永 刘 鑫 张本健 邱玉超 周 刚 张玺华

1.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院 2.中国石油西南油气田公司 3.中国石油西南油气田公司川西北气矿

0 引言

受峨眉地裂运动影响，四川、贵州及云南等地区在二叠纪中晚期广泛发育巨型厚层基性火山岩堆积，即“峨眉山玄武岩”，是被国际学术界认可的大火成岩省[1-2]。自1966年四川盆地威西地区WY25井钻遇玄武岩至今，四川盆地已钻遇二叠系火山岩的井有92口。其中，1992年完钻的ZG1井在二叠系钻揭301.5 m玄武岩，测井解释了厚度为14.6 m的裂缝型储层，测试日产气量为25.61×104m3，该井2002年投入生产，截至2010年（停产前）已累计产气2 396.22×104m3，累计产水20.94×104m3。后续钻探井发现玄武岩含气性相对较差，多口井测试产水或为干层，勘探工作一度停滞。近期，位于四川盆地西部龙泉山构造带的中石油永探1井在二叠系火山岩段钻遇火山碎屑熔岩孔隙型储层，气显示好，测试获得日产量为22.5×104m3的工业气流，标志着该盆地内二叠系火山岩勘探取得重大突破。

钻探成果表明，永探1井二叠系发育的火山岩为偏碱性的基性火山碎屑熔岩，储集物性较好，为优质孔隙型储层，与前期钻遇的玄武岩裂缝型储层特征差别较大。与永探1井相距21 km的中石化永胜1井也钻遇了同样高孔渗的火山碎屑熔岩储层，展现出火山碎屑熔岩具有良好的勘探前景。为此，笔者从四川盆地二叠系火山岩岩性、岩相入手，分析其岩性、岩相特征及分布特征，探讨岩相控制下的岩性对火山岩储集空间特征的控制作用，以期为四川盆地火山岩天然气勘探部署提供依据。

1 火山岩岩石类型及岩相特征

1.1 火山岩化学成分分类

根据已完钻井岩心和元素测井资料，四川盆地二叠系火山岩按照TAS（Total Alkali Silica）分类，主要为偏碱性或亚碱性的基性、超基性岩类。

永探1井二叠系火山岩为含火山岩角砾、灰岩角砾的火山岩碎屑熔岩，去除灰岩角砾的影响后，火山岩的二氧化硅含量介于35%～52%，在TAS图版基性、超基性岩范围内（图1）。ZG2井玄武岩的SiO2含量介于45%～50%，为基性岩类，与峨眉山火山岩主体区类似[3]。

根据火山岩内K2O、Na2O含量，永探1井火山岩整体偏碱性。在TAS图版中在碱玄岩范围内的数据点最多，其次是副长石岩、玄武粗安岩及粗面玄武岩。ZG2井玄武岩类则碱性相对较弱，多在亚碱性范围或在碱性—亚碱性分界线附近。

前人研究认为峨眉山玄武岩的形成与地幔柱活动有关[4-6]，永探1井呈偏碱性的基性火山岩与幔源岩浆具有相似性[7]。因此盆地内成都—简阳地区火山岩的形成与峨眉山地幔柱活动具有一定成因联系。

图1 四川盆地永探1井、ZG2井二叠系火山岩TAS图版

1.2 火山岩岩石类型

根据四川盆地内已钻井揭示的岩性特征，参考国内对火山岩以化学成分、矿物成分及其含量、结构构造及产状的综合分类方法[8-9]，四川盆地内发育火山熔岩和火山碎屑熔岩、火山碎屑岩、沉火山碎屑岩4大类（表1）。

1.2.1 火山熔岩

四川盆地二叠系火山熔岩主要为玄武岩，呈杂色、灰黑色块状，致密坚硬（图2-a）；矿物成分主要为长石、辉石、角闪石、磁铁矿（表1）；镜下呈斑状微晶或细晶结构（图2-b），可识别出伊丁石、绿泥石、蛋白石、沸石等次生矿物。玄武岩主要分布在四川盆地西南部雅安—乐山—屏山地区。

1.2.2 火山碎屑熔岩

成都—简阳地区为火山碎屑熔岩的主要发育区。永探1井、永胜1井取心段岩性主要为火山碎屑熔岩，岩性细分为火山角砾熔岩、凝灰质角砾熔岩和含凝灰角砾熔岩。根据岩心、元素测井及成像测井资料，结合岩石角砾大小、数量及熔岩中气孔发育程度，将二叠系火山岩由下至上可划分为3个喷发旋回，每个旋回的下部角砾大且含量较多，向上角砾逐渐变小，气孔杏仁构造增多（图3）。

表1 四川盆地火山岩岩性分类表

图2 四川盆地二叠系火山岩岩性特征照片

火山碎屑熔岩中含大量角砾、凝灰，被黑色玻基质和细小的白色长英质矿物包裹（图2-c）。角砾成分与基质一致或为结晶较好的玄武岩，局部井段发育灰岩角砾。镜下可识别矿物包括伊丁石化的橄榄石、蚀变辉石、角闪石和长石（图2-d），可见大量后期蚀变和交代产物，如绿泥石和方解石等。

1.2.3 火山碎屑岩

四川盆地内发育的火山碎屑岩以凝灰岩为主，为凝灰级玻屑及火山尘构成（图2-e）。凝灰岩厚度一般较小，单层不超过5 m，且分布与火山喷发旋回关系密切。如ZG1井玄武岩顶部发育厚度为3 m的凝灰岩；ZG2井发育3个喷发旋回，旋回底部发育块状玄武岩，中部为杏仁状玄武岩，凝灰岩则发育在喷发旋回上部，单层厚度介于2～4 m，因经历表生风化作用呈红色。

1.2.4 沉火山碎屑岩

四川盆地内的沉火山碎屑岩以沉凝灰岩、凝灰质粉砂岩、凝灰质泥页岩为主。沉凝灰岩物质组成与凝灰岩基本相同，含有一定量的玻屑及晶屑（图2-f），凝灰质粉砂岩、凝灰质泥页岩则含有一定量的粉砂岩、泥页岩等陆源碎屑物质。沉火山碎屑岩类主要分布于火山岩主体区外围，如川中地区的NC2井等。

1.3 岩相特征及岩相分布

四川盆地内大面积分布的火山岩相主要有3种类型：溢流相、喷溢相和火山沉积相。

图3 永探1井火山岩段岩性柱状图

溢流相岩性为火山活动时呈熔岩状态的玄武岩，以大面积的岩流、岩被状态存在。地震反射特征为在龙潭组底界下方呈平行—亚平行或空白反射，上二叠统龙潭组底界至中二叠统底界时差大于170 ms。地震刻画溢流相主要分布在川西南雅安—乐山—屏山地区（图4），为峨眉山玄武岩主体区内的岩浆向盆地内溢流形成[10]，厚度自南西向北东逐渐减薄，在100 km范围内玄武岩厚度从近600 m逐渐减薄至消失。永探1井火山岩顶部发育厚度为10 m的玄武岩。此外，川中地区也有零星薄层玄武岩分布，如MT1井、MX105井等。

喷溢相岩性以角砾熔岩、凝灰质角砾熔岩、含凝灰角砾熔岩等火山碎屑熔岩为主。成都—简阳地区火山岩为偏碱性的基性、超级基性岩类，熔岩黏度低、流动性较好，未形成以火山碎屑岩为主的爆发相，而是在火山强烈喷发阶段在喷发中心附近发育含空落火山角砾的火山碎屑熔岩，岩性主要是熔岩及熔岩流动过程中形成的自碎角砾，与典型爆发相火山碎屑岩和溢流相玄武岩有差异，是溢流相与爆发相的过渡类型。这类岩相是四川盆地火山岩储层发育的主要相带，有必要将其单独划相，笔者将其定义为喷溢相。

钻井揭示成都—简阳地区发育喷溢相火山岩。地震反射特征为在龙潭组底界下方呈丘状杂乱或亚平行—杂乱反射，龙潭组底界至中二叠统底界时差介于170～220 ms。地震刻画表明靠近火山主体位置的成都—简阳地区火山碎屑熔岩厚度介于200～350 m，向边缘厚度逐渐减薄至50 m以下，简阳—三台地区也发育喷溢相火山岩（图4）。

火山沉积相是火山岩相向沉积岩相过渡的相带，火山碎屑被水流搬运后再沉积，岩石具沉积层理和构造，主要发育沉火山碎屑岩。沉火山碎屑岩在四川盆地分布范围较广，钻井揭示川西南部地区玄武岩分布区外围、川中地区NC1—NC2井区附近及川东北部地区大天池构造DT5、QL12井等井区均有薄层状沉凝灰岩、凝灰质粉砂岩、凝灰质泥页岩发育。由于厚度一般较薄，地震反射特征不明显，平面展布范围难以刻画龙潭组底界至中二叠统底界时差介于110～130 ms，与火山岩不发育的地区时差一致。

图4 川西南地区火山岩相平面图

2 火山岩储层特征

四川盆地火山岩储层岩性主要为火山碎屑熔岩和玄武岩。火山碎屑熔岩发育孔隙型储层，物性好；玄武岩基质孔隙度较低，裂缝发育，为孔隙—裂缝型储层；凝灰岩和沉凝灰岩岩性致密，储集性能较差，多为非储层。

2.1 火山碎屑熔岩储层特征

火山碎屑熔岩储层总体为物性较好、孔渗正相关性好、孔隙分布不均、孔喉结构均质性好的孔隙型储层。孔隙型储层基质孔隙发育，并通过孔隙网络渗流，孔渗关系好，具有较好的储集性[11]。

2.1.1 物性特征

永探1井火山岩段取心长度为5.63 m，取心段岩性为火山碎屑熔岩。7个全直径样测试孔隙度介于6.68%～13.22%，平均值为10.26%；渗透率介于0.52～4.43 mD，平均值为2.35 mD（图5-a、b）。23个柱塞样氦气法测试孔隙度介于8.66%～16.85%，平均值为13.71%，主要介于14%～16%；渗透率介于0.003～0.180 mD，平均值为0.085 mD，主要介于0.10～0.20 mD（图5-a、b），为中孔、低渗储层。永探1井基质孔隙发育、裂缝欠发育，为孔隙型储层，孔隙度与渗透率具有较好的正相关性（图5-c），表明火山岩既具有储集能力，又具有良好的渗流能力。

图5 永探1井二叠系火山岩储层物性特征图

表2 四川盆地二叠系火山碎屑熔岩储集空间类型及成因表

图6 永探1井火山岩储集空间类型照片

2.1.2 储集空间类型

二叠系火山碎屑熔岩储集空间类型较为复杂，主要为孔隙、裂缝和由它们组成的复合体。结合前人分类方案，可划分为原生孔隙、次生孔隙和裂缝3大类[12-13]，进一步细分，研究区火山岩储层发育残余气孔、脱玻化微孔、粒内溶孔、粒间溶孔及构造溶蚀缝等类型（表2、图6）。

残余气孔：岩浆喷出地表时，由于温度、围压急剧降低，岩浆中所含的H2O、CO2等挥发分迅速达到过饱和而分离形成气泡，这些气泡一部分逸散于大气中，一部分由于岩浆迅速冷却凝固而保留在岩石中形成孔洞，形成各种大小和形状的气孔[9]。永探1井火山碎屑熔岩中气孔较为发育，大小多为0.1 mm×0.1 mm，呈圆形或不规则状，相互多不连通（图6-a），镜下可见绿泥石等次生矿物半充填。

脱玻化微孔：火山碎屑熔岩由于迅速冷却来不及结晶而形成不稳定的玻璃质，玻璃质在冷却过程中形成晶体，即为玻璃的脱玻化作用[14]。脱玻化使矿物体积缩小，可形成大量微孔隙；同时，脱玻化形成的铝硅酸盐等矿物在后期受溶蚀作用也可产生溶蚀孔隙。由于这两种孔隙难以区分，故统称为脱玻化溶蚀孔[14]。铸体薄片镜下可见脱玻化溶蚀微孔呈弥散状连片分布（图6-b），扫描电镜下为蜂窝状（图6-c），周边矿物多为钠长石、钾长石或辉石。实测孔隙度、渗透率相对较高，是二叠系火山碎屑熔岩主要的储集空间类型。

碎屑颗粒内（间）溶孔：溶蚀孔洞多是在原始孔隙（如气孔、粒间孔）的基础上受后期溶蚀改造而成，形成边缘不规则、体积相对较大的储集空间（图6-d、e）。

裂缝：研究区火山碎屑熔岩储层裂缝整体发育较差，多为成岩后受构造应力作用形成，并受后期流体溶蚀改造扩大[15]。一般缝壁不光滑，裂缝多宽窄不一，且有其他物质充填—半充填（图6-f）。

2.1.3 孔隙结构特征

孔隙结构是影响储层渗流能力的主要因素，压汞、CT扫描等试验结果表明，火山碎屑熔岩储层结构整体较好。CT扫描反映孔隙的分布有较强的非均质性，毛细管压力曲线则表明孔喉分布的均质性较好，表现出火山碎屑熔岩孔隙强非均质分布与孔喉结构均质分布的特殊储层特征。

图7为岩心柱塞样CT扫描图，红色区域为连通范围广的孔隙，蓝色、绿色部分代表连通范围小的孔隙，这表明岩石非均质性强，一部分孔隙发育较好，相互间连通性也较好；一部分较为致密。

图7 永探1井岩心CT扫描孔隙分析视图

图8 永探1井岩心样品毛细管压力曲线图

毛细管压力曲线总体呈现出中细歪度、分选较好、以中小喉为主的储层特征（图8）。图8-a为井深5 650.92 m样品，其孔隙度为16.85%，渗透率为0.125 mD，中值半径为0.151 μm，最大孔喉半径为0.658 μm，最大进汞饱和度为88.20%，退汞效率为43.06%；图8-b为井深5 648.15 m样品，其孔隙度为10.32%，渗透率为0.011 mD，中值半径为0.070 μm，最大孔喉半径为0.408 μm，最大进汞饱和度为83.73%，退汞效率为29.96%。两个样品的毛细管压力曲线特征与物性测试成果表现较为一致。

2.2 玄武岩储层特征

玄武岩储层总体为基质孔隙度低、裂缝发育的孔隙—裂缝型储层。裂缝性储层的裂缝多发育在物性相对较差、致密的岩石中，渗透率与孔隙度之间关系没有规律[11]。

2.2.1 储层物性

根据周公山和汉王场构造231个玄武岩岩心样品孔隙度测试结果，玄武岩孔隙度平均值为2.20%，主要分布介于1%～3%，占全部样品的54%，表明研究区玄武岩孔隙度相对较低，储集能力比火山碎屑熔岩差。

2.2.2 储集空间类型

玄武岩主要发育残余气孔、粒间溶孔、冷凝收缩缝、构造裂缝等储集空间（图9）。

残余气孔：玄武岩喷发旋回上段可见大量气孔及杏仁体，主要呈圆形或不规则形，气孔多被玉髓、石英或沥青充填—半充填，形成残余气孔，但连通性较差（图9-a、b）。

溶蚀孔隙：玄武岩储层中也可见矿物部分或全部被溶蚀形成的溶蚀孔隙，主要发生在长石或蚀变矿物附近，形状多不规则（图9-c、d）。

裂缝：玄武岩中裂缝较发育，多为冷凝收缩缝、构造缝及构造溶蚀缝等。裂缝可能沟通孤立的残余气孔，扩大储层储集渗流能力，在裂缝交汇处，更容易形成溶蚀扩大孔等（图9-e、f）。

图9 ZG2井玄武岩储集空间类型照片

3 火山岩储层主控因素

火山岩储层成因特殊，影响其储层发育的因素较多，主要与岩性、岩相、后期流体改造及构造作用等因素有关，这几种因素共同作用控制了储层品质与分布。

3.1 火山岩岩性控制储集空间类型，是优质储层形成的基础

岩心、镜下薄片观测及物性测试结果表明，在四川盆地发育的火山岩中，火山碎屑熔岩的原生孔隙及溶蚀孔隙最为发育，玄武岩次之，凝灰岩及沉凝灰岩储集性能差。

玄武岩与峨眉山大火成岩省有密切的成因联系，喷发范围广、厚度大、下部岩浆房规模较大等因素使已喷出的玄武岩经受持续高温、缓慢冷却，结晶较充分，矿物颗粒排列紧密，晶间孔隙不发育。同时气体随着温度下降而逐渐挥发出来，来不及散逸者聚集至喷发旋回上部，可形成较为富集的气孔。

火山碎屑熔岩表现出快速冷凝的特征，矿物结晶程度低，玻璃质含量较高。在其快速冷却的过程中大量气体未能散逸，使岩石中的微孔得以保存，形成物性好的储层。另外，岩石冷却过程中经历脱玻化作用，也形成大量弥散状孔隙。喷溢相火山碎屑熔岩发育区位置距离峨眉山大火成岩省喷发中心较远、厚度相对较薄、规模较小，下部无大规模岩浆活动持续供热，且古地貌较川西南地区溢流相玄武岩区低，可能为水下喷发，为其快速冷却形成优质储层创造了有利条件。

任康绪等[16]研究发现，由于K2O、Na2O等碱性组分化学活动性较强，碱性组分含量与溶蚀增孔量呈较好的线性正相关关系，因此富碱性火山岩更容易发生溶蚀，产生较好的次生储集空间。火山岩的溶蚀增孔中长石类尤其是碱性长石溶孔往往占比更高[16]。前已述及，盆地内火山碎屑熔岩比玄武岩相对更富碱性，且富含钾长石和钠长石，因此在后期成岩改造过程中更易溶蚀增孔，发育更多的次生储集渗流空间。

3.2 火山岩岩相控制优质储层的分布

溢流相玄武岩储层中，气孔多聚集在喷发旋回中上部，若叠加裂缝沟通孔隙，溢流相火山岩旋回顶部则能成为孔隙发育较有利的相带。溢流相平面上主要分布于川西南部地区，研究区玄武岩厚度较大，纵向上多发育3～5个喷发旋回，可形成良好的油气储集体。

喷溢相内发育的火山碎屑熔岩，脱玻化微孔及后期溶蚀孔隙均较发育，储层储集物性好，为四川盆地发现的最优质的火山岩储层类型。喷溢相火山岩主要发育在成都—简阳—三台地区，呈条带状展布，是目前勘探的最有利区带（图4）。

3.3 裂缝是沟通孔隙、改善储集物性的关键

裂缝不仅是火山岩储层重要的储集空间，也起着沟通孔隙、提高储层储集渗流能力的重要作用[17]。玄武岩岩性致密，极易产生裂缝，如ZG2井玄武岩可见大量裂缝，成为最主要的储集渗流空间之一[18]。裂缝也是后期溶蚀流体进入的通道，为改善储层储集性能提供基础[19]。

3.4 流体活动控制次生孔隙的演化

王文才等[20]、王正瑛等[21]研究认为，峨眉山玄武岩顶部形成了以红土化为主、厚薄不一、分带明显的古风化壳，表明二叠系火山岩形成之后经历了长期的风化淋滤作用。风化作用产生大量的溶蚀孔隙，能极大地改善火山岩的储集物性[22]。

埋藏成岩过程中火山岩储层还经历了碱性流体和酸性流体的叠加改造。目前峨眉山大火成岩省已被公认为是地幔柱活动的产物，地幔流体富含碱质，具有较强的溶解能力[23]，能使已形成的矿物发生蚀变、溶蚀，提供更多的油气运移通道和储集空间。如火山岩储层中可见大量的绿泥石（图2、6），为辉石、角闪石及云母等矿物受碱性热流体蚀变而成[24-25]。但在溶蚀原有物质增大孔隙的同时，绿泥石、次生石英等新矿物的形成，也会降低孔隙度、渗透率[26]。

成岩后期的排烃过程形成各种有机酸，使前期形成的碱性环境中稳定的碱性长石、沸石等矿物发生溶解，产生各种蚀变矿物和溶蚀空间等[27]。因此，火山岩储层形成的过程中，不断接受流体的改造，发生各种溶解、蚀变、胶结或充填作用，改变储层的储集物性。

4 结论

1）四川盆地火山岩储层岩性多样，优质储层主要发育在火山喷溢相火山碎屑熔岩中，溢流相玄武岩储集性能次之。

2）火山碎屑熔岩储层储集空间以脱玻化微孔、粒内（间）溶孔及残余气孔为主，脱玻化微孔大量发育，是储层的主要储集空间；储层具有孔隙分布非均质性强、孔喉分布较均质的特点。

3）火山碎屑熔岩快速冷凝形成大量脱玻化微孔、储集岩碱性组分含量高，易受后期热流体溶蚀增孔；玄武岩储层裂缝发育，形成后受风化淋滤作用等，促使了溶孔、裂缝等储集空间的发育。

4）四川盆地火山岩储层的平面展布主要受岩相控制，川西南部地区雅安—乐山—屏山地区主要发育孔隙—裂缝型玄武岩储层，成都—简阳—三台地区主要发育孔隙型火山碎屑熔岩储层。