火山碎屑岩储层溶蚀孔隙发育特征与控制因素:以松辽盆地南部陆家堡凹陷下白垩统为例

冷庆磊，黄玉龙, 2，冉波，张甲明，王璞珺, 2

1.吉林大学 地球科学学院，长春 130061；2.东北亚生物演化与环境教育部重点实验室(吉林大学)，长春 130026；3. 中国石油辽河油田分公司 勘探开发研究院，辽宁 盘锦 124010

0 引言

火山碎屑岩是介于熔岩和沉积岩之间的过渡类型岩石[1-2]，在形成、固结与埋藏过程中先后经历了火山作用、沉积作用和成岩作用等影响，其孔隙形成、保存与演化等方面具有特殊性[3]。火山碎屑岩具有与常规碎屑岩类似的碎屑结构，但在碎屑成分与形态、胶结物成分与结构、碎屑颗粒与填隙物等方面具有独特性[4]。常规碎屑岩中碎屑颗粒经过长时间的搬运,磨圆度和分选性较好，储集空间以原生粒间孔隙为主，受沉积环境影响大[5]；火山碎屑岩由火山碎屑快速堆积成岩，磨圆度和分选性差，而且火山碎屑组分在成岩过程中易发生各类次生变化，导致火山碎屑岩孔隙演化过程复杂。此外，由于形成环境、矿物和化学组分、结构构造以及后期成岩过程方面的差异，火山碎屑岩在岩石物理性质和储层物性等方面具有很强的非均质性，其中埋藏压实作用、黏土矿物和沸石胶结作用以及溶蚀作用是引起火山碎屑储层物性发生显著变化的主要因素[6-7]。松辽盆地南部陆家堡凹陷下白垩统义县组和九佛堂组地层中大量发育中基性火山碎屑岩[8]，九佛堂组同时发育优质烃源岩,构成本区主力生油层[9]。近年来，与九佛堂组烃源岩相邻的火山碎屑岩中已有多口钻井揭示工业油流，深入开展储层研究对于深层火山碎屑岩油气藏勘探和开发具有重要意义。本文主要以岩芯和钻井资料为基础，通过系统的显微观察和面孔率测定，确定火山碎屑岩具体类型及组构特征，明确有效孔隙及其贡献比例，系统分析了溶蚀孔隙类型与发育特征，并探讨了溶蚀孔隙形成的控制因素，以期为火山碎屑岩油气勘探提供地质依据。

1 地质背景与研究

研究区陆家堡凹陷隶属松辽盆地南部开鲁坳陷，位于内蒙古赤峰和通辽市境内，属于辽河油田外围勘探区块的一个次级负向构造单元，呈北东向延展，面积约为2 620 km2，埋深4 500 m,由马北斜坡带、包日温都断裂构造带、中央构造带、交力格洼陷、三十方地洼陷和五十家子庙洼陷6个二级构造单元组成(图1)。油气勘探重点以陆西凹陷马北斜坡带和陆东凹陷三十方地等区块为主。勘探和研究目的层位为下白垩统(K1)，自下而上包括义县组(K1y)、九佛堂组(K1jf)、沙海组(K1sh)以及阜新组(K1f)。深层油气储层主要发育在九佛堂组下段和义县组，以火山碎屑岩类为主，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岩等5类岩性，埋深575～2 966 m，单井揭示厚度最大797.5 m。近年来，随着辽河油田外围探区油气勘探和研究的不断深入，陆家堡凹陷陆续有油气发现和工业油流的钻探突破，其中陆西次凹于2013年钻探M31井在九佛堂组下段火山碎屑岩中试油获得日产原油超百吨的高产工业油流，成为开鲁坳陷油气勘探史上第一口日产超百吨的探井，展现了火山碎屑岩层具有良好的油气勘探前景[10]。

截止目前，研究区内以深层火山岩储层为勘探目标的探井总计20余口，勘探程度相对较低。本次研究是基于其中16口钻井取获的岩芯资料，通过岩矿鉴定与描述确定火山碎屑岩岩石类型，分析岩石组构与储层成岩作用特征；结合扫描电镜分析，开展储集空间研究与各类孔隙贡献比例量化，确定有效孔隙类型与成因；进而开展储层物性测试，结合录井含油气性与试油资料，探究火山碎屑岩优质储层溶蚀孔隙的主控因素与分布规律。

2 火山碎屑岩储层岩性与成岩作用

2.1 火山碎屑岩岩石类型

在遵循火山地质学和岩石学中对于火山碎屑岩

图1 陆家堡凹陷平面位置图及地层柱状图Fig.1 Location and stratigraphic histogram of Lujiapu sag

的分类与命名原则[1-2,11]的基础上，基于研究区16口钻井5 095 m火山碎屑岩地层，总结出九佛堂组下段—义县组火山碎屑岩主要发育4类14种基本类型(表1)。依据胶结方式、填隙物成分和火山碎屑含量的不同，划分火山碎屑熔岩类、普通火山碎屑岩亚类、沉火山碎屑岩亚类和火山碎屑沉积岩亚类，比例依次为19.1%、54.2%、3.2%、23.5%。其中，火山碎屑岩亚类在区内发育比例最大，是深层主要的储集岩石类型。

义县组(K1y)以粗粒火山碎屑岩发育为特征，主要发育厚层粗面质火山角砾岩/集块岩、粗安质火山角砾岩/集块岩。九佛堂组下段主要发育中-细粒火山碎屑岩类，以安山质火山角砾岩/凝灰岩、沉凝灰岩、凝灰质砂岩和凝灰质泥岩为主，其次有少量安山质角砾熔岩。

2.2 岩石组构

火山碎屑岩不同类/亚类的岩石组构具有一定的差异性，主要反映在胶结类型、填隙物成分以及火山碎屑类型、粒度和分选等方面(表1)。

火山碎屑熔岩类火山碎屑熔岩结构，熔岩物质含量10%～90%，主要分布在义县组。成岩方式以熔浆胶结为主。在研究区主要发育角砾/集块熔岩，火山碎屑以安山质、粗安质岩块或角砾为主，含有少量被熔浆胶结的<2 mm的岩屑、晶屑。

普通火山碎屑岩亚类火山碎屑结构，火山碎屑含量>90%。成岩方式以压结作用和胶结作用为主，火山碎屑被火山灰或火山灰经水解作用形成的黏土矿物胶结。基本岩石类型细分为火山角砾岩/集块岩和凝灰岩，火山碎屑以安山质、粗安质岩屑为主，含少量的长石、石英晶屑，一般未经过搬运，颗粒多为棱角状、次棱角状，分选差。火山碎屑岩广泛分布于九佛堂组下段和义县组，含油性较好，是该区储层构成的主要岩石类型。

沉火山碎屑岩亚类沉火山碎屑结构，层状构造,火山碎屑含量50%～90%，成岩方式以胶结作用为主。在研究区主要发育沉火山角砾和沉凝灰岩，火山碎屑以晶屑、玻屑和岩屑为主，含有少量陆源碎屑，碎屑颗粒呈现不同程度的磨圆。填隙物主要为化学沉积物和少量火山灰，在镜下观察胶结物主要为黏土矿物、碳酸盐和硅酸盐矿物，长石晶屑多数被钙质交代。

火山碎屑沉积岩亚类火山碎屑含量10%～50%，其特征更加接近于沉积岩，成岩方式主要为压结成岩作用，填隙物主要为火山灰和泥质胶结物。碎屑以陆源碎屑为主，火山碎屑含量较少且以晶屑为主，含少量岩屑。火山碎屑磨圆度中等，呈次棱角-次圆状。研究区主要发育凝灰质砂岩，粒级从细粒到粗粒均有发育，并以凝灰质中砂岩为主，多为火山灰及泥质混合胶结。

表1 陆家堡凹陷下白垩统火山碎屑岩岩石分类及其组构特征

3 火山碎屑岩溶蚀孔隙发育特征及其量化表征

岩芯观察与薄片鉴定结果表明，区内火山碎屑岩总体上磨圆度、分选性较差，压实作用和胶结作用强烈，原生孔隙所占比例较少，有效孔隙以次生孔隙为主，占总孔隙的89.6%(表2)。其中，普通火山碎屑岩亚类原生粒间孔隙大量被火山灰、硅质及钙质填隙物充填(图2A)，碎屑颗粒以基质支撑为主，主要发育填隙物溶孔和颗粒溶孔。火山沉积岩亚类颗粒与颗粒之间多数为线-线接触(图2B)，呈颗粒支撑，主要发育颗粒溶孔。

表2 主要含油火山碎屑岩含油气性与有效孔隙类型占比

3.1 溶蚀孔隙发育特征

溶解作用可导致储层次生孔隙发育，改善储层物性。储层内溶解作用的强度一方面与储层岩性有关，同时也受地层温度、压力、流体性质及构造运动等多方面因素影响[12-13]。经薄片鉴定(铸体薄片)、面孔率分析及扫描电镜观察，陆家堡凹陷九佛堂组下段—义县组火山碎屑岩中溶解作用比较普遍，发育大量次生溶蚀孔和溶蚀缝，包括凝灰物质溶孔、长石溶孔、岩屑溶孔、浊沸石溶蚀孔及构造溶蚀缝。其中颗粒溶蚀孔主要发育在火山角砾岩及凝灰岩中，填隙物溶蚀孔主要发育在沉凝灰岩和凝灰质砂岩中，溶蚀缝在火山碎屑岩内均有发育(表3)。研究区火山碎屑溶解作用主要是由CO2流体、有机酸及大气水等溶蚀性流体的作用[14-15]，凝灰质、长石晶屑等易溶组分遭受溶解，最终形成次生孔隙。

3.1.1 颗粒溶蚀孔

火山碎屑岩在埋藏成岩过程中，由碎屑颗粒发生部分溶解而产生的一类孔隙。研究区颗粒溶蚀孔主要包括晶屑颗粒溶蚀孔(图2C、L、M)和岩屑溶蚀孔(图2D、E)两类，晶屑溶蚀孔发育程度高于岩屑溶蚀孔。晶屑溶蚀孔以长石溶蚀孔较为发育，长石溶蚀孔是长石颗粒选择性不均一溶蚀作用形成的，大多沿长石的解理面或晶裂缝发生溶蚀，形状不规则或网状分布，当晶屑全部溶解而保留其矿物晶体形状时形成铸模孔；岩屑溶蚀孔多发育于构造裂缝发育区，岩屑内部细小的长石晶屑发生溶蚀或沿岩屑颗粒边缘发生溶蚀形成次生溶蚀孔。粒内溶蚀孔是研究区主要孔隙类型之一，常与填隙物溶蚀孔伴生分布。

3.1.2 填隙物溶蚀孔

填隙物溶蚀孔主要发育沸石胶结物溶蚀孔、硅质胶结物溶蚀孔(图2F、G、H)及少量的碳酸盐胶结物溶蚀孔(图2I)和火山灰基质溶蚀孔(图2J)，其中沸石溶蚀孔形状不规则呈港湾状、锯齿状(图2K)发育于结晶较好的浊沸石胶结物中，溶蚀孔多沿浊沸石中心向边部发育，仅颗粒边缘有沸石残留。而钙质胶结物形成的溶蚀孔较少，仅胶结物边缘溶蚀一部分，而被钙质胶结物胶结的晶屑、岩屑溶蚀孔较发育(图2I)。基质溶蚀孔多发育于细粒火山灰基质内，火山灰内细小的晶屑、岩屑等易溶组分发生溶蚀形成微孔(图2J)。

由于碳酸盐矿物溶解反应的平衡常数低于长石溶解的化学反应常数，且碳酸盐矿物的溶解需要的流体pH值比长石溶解所需要的流体pH值低，碳酸盐矿物的溶解比长石矿物的溶解对水的规模和流体的侵蚀性有更高的依赖性[16]。在有机酸流体、热液流体和大气水淋滤等作用下均可导致长石的溶解[17]，形成晶内溶蚀孔和铸模孔，而溶蚀产生的Ca2+，达到一定的浓度时在合适的温压下发生沉淀[18]填充在碎屑颗粒间(图2I)。

A.晶屑岩屑凝灰岩，胶结成岩作用，杂基支撑(M15-7井，1 057.5 m)；B.沉凝灰岩，压实成岩作用，颗粒与颗粒之间呈典型的线接触关系(M30井，592.1 m)；C.a为铸模孔，b为晶内溶蚀孔(M31井，1 188.5 m，晶屑岩屑凝灰岩，单偏光)；D.c为安山质岩屑溶蚀孔(L1井，1 594.3 m，安山质火山角砾岩，单偏光)；E.d为岩屑内溶蚀孔，e为岩屑(M15井，1 535.8 m，粗面质火山角砾岩，扫描电镜)；F.f为硅质胶结物溶蚀孔，孔内充填干沥青(M15井，1 499.45 m，火山角砾岩，单偏光)；G.h为g处电镜；H.g、h处能谱元素；I.i为斜长石铸膜孔，j为钙质胶结物，斜长石溶蚀生成钙离子是钙质填充物的主要来源(M31井，1 116.16 m，沉凝灰岩，单偏光)；J.基质溶蚀孔，k为细粒火山灰基质，基质内细小的晶屑发生溶蚀而形成微孔(J3井，1 539.3 m，晶屑岩屑凝灰岩，正交偏光)；K.沸石胶结物溶蚀孔，l为沸石溶蚀残留(M31井，1 188.5 m，正交偏光)；L.为斜长石溶蚀孔，m为斜长石；M.m处的能谱(K2井，沉凝灰岩，扫描电镜)；N.n为构造溶蚀缝，填隙物发生溶蚀(M31-X3井，1 174.77 m，火山角砾岩，正交偏光)；O.o为构造溶蚀缝，同时在构造溶蚀缝周围伴随发育晶屑溶蚀孔(M9井，765.39 m,凝灰质砂岩，泥质胶结,单偏光)。图2 火山碎屑岩溶蚀孔显微特征Fig.2 Microscopic characteristics of dissolution pores in pyroclastic rocks

3.1.3 溶蚀缝

构造裂缝被早期形成的黏土矿物、碳酸盐矿物及沸石部分充填，后期经酸性流体溶蚀后而形成次生溶蚀孔隙。构造溶蚀缝宽度一般较大，常贯穿整个薄片(图2N、O)。

3.2 溶蚀孔隙分类与量化表征

采用CIAS2000图像分析软件进行面孔率测量，选择一张铸体薄片，在正交偏光和单偏光镜下确定颗粒边界、岩屑晶屑种类及胶结物、孔隙类型，然后在偏光显微镜同等倍数的情况下随机选取3个视域进行测量，如果任意2次统计结果误差超过25%，则选择5个视域进行测量，尽量避免孔隙分布不均匀对测量结果造成影响。总结出陆家堡凹陷九佛堂组—义县组储层火山碎屑岩共发育3类6种溶蚀孔隙(表4)。其中填隙物溶蚀孔占比最高，有效孔隙贡献比平均为39.3%，主要发育在填隙物含量较高的沉凝灰岩和凝灰质砂岩中；颗粒溶蚀孔主要包括晶屑溶蚀孔和岩屑溶蚀孔，有效孔隙贡献比平均为46.8%，主要发育在火山角砾岩及凝灰岩中；构造溶蚀缝有效孔隙贡献比平均为10.9%，在火山碎屑岩内均有发育(表3)。

表3 不同火山碎屑岩中溶蚀孔隙类型及其构成比例

4 溶蚀孔隙的控制因素

4.1 早期胶结作用有利于粒间孔隙保存

早期的胶结作用(硅质胶结、钙质胶结、沸石胶结及火山灰胶结)(图2A)，减少地层压实作用对原生孔隙的破坏，有利于原生粒间孔隙空间及裂缝的保存，为后期溶蚀孔隙的形成提供基础[19-22]。但晚期由斜长石及黏土矿物的溶蚀产生大量的Ca2+，当达到一定的浓度时在合适的温压下发生沉淀[18]，进而堵塞溶蚀孔隙，阻碍酸性流体的流动,不利于形成溶蚀孔隙，只有长石晶屑和基质发生溶蚀形成晶内溶蚀孔和基质溶蚀孔(图2I)。

4.2 岩石组构与差异溶蚀

溶蚀孔隙与岩石组分具有一定的关系，在本研究区晶屑溶蚀孔和填隙物溶蚀孔发育；岩屑溶蚀略少于晶屑溶蚀孔，多为内部细小的长石基质发生溶蚀；填隙物溶蚀孔主要沿内部开始溶蚀,逐渐向边

表4 陆家堡凹陷下白垩统火山碎屑岩溶蚀孔隙类型与发育特征

Table 4 Types and development characteristics of dissolution pores of Lower Cretaceous pyroclastic rocks in Lujiapu sag

部扩散，而岩屑溶蚀孔主要沿边部溶蚀；从火山碎屑本身来看火山碎屑岩含量多的岩石溶蚀孔较为发育，而且晶屑溶蚀孔多于岩屑溶蚀孔。

从胶结物本身来看，以硅质胶结物、火山灰胶结为主的火山碎屑岩溶蚀孔隙好于以钙质胶结物为主的火山碎屑岩。以黏土胶结为主的沉火山碎屑岩由于早期抗压强度较低，原生孔隙不易保存，阻碍后期热液的次生改造，致使溶蚀孔隙发育较少，仅发育少量的构造溶蚀缝和晶屑岩屑溶蚀孔。

4.3 构造裂缝增强储层连通性

构造裂缝不仅增强储层的连通性而且有利于次生孔隙的形成和保存。在构造活动强烈的区域不仅使岩石产生裂缝，而且构造裂缝的形成为地下酸性水溶液活动提供了良好的通道，附近的火山碎屑岩在地下酸性水溶液的长期影响下，形成各种类型的次生孔隙。而远离构造裂缝或构造裂缝不发育的区域次生溶蚀孔隙发育相对变差。

5 有效储层的分布规律

义县组经历过多期次的火山喷发，单井揭示火山岩连续厚度最大达797.5 m，但组段内含油显示仅发育在义县组顶部界面(图3)，以火山通道相及爆发相为主。其顶部覆盖九佛堂组早期沉积的一套较为稳定的暗色泥岩，既可以作为烃源岩在有机质成熟演化过程中为九佛堂组下段—义县组火山碎屑岩提供溶蚀性流体[10]，也可以作为局部盖层对义县组火山碎屑岩储层油气进行封堵，同时也可作为该岩体的生油层，构成上生下储的储层模式。综上所述，靠近义县组界面时对火山碎屑岩溶蚀改造作用更强，有利于形成次生溶蚀孔隙，是有效储层发育区。

图3 义县组火山碎屑岩含油气显示与顶面距离关系图Fig.3 Histogram of relation between oil and gas shows of pyroclastic rocks and distance from top of Yixian Formation

6 结论

(1)陆家堡凹陷九佛堂组下段—义县组火山碎屑岩主要发育4类14种基本类型。主要包括火山碎屑熔岩类、普通火山碎屑岩亚类、沉火山碎屑岩亚类和火山碎屑沉积岩亚类，占比依次为19.1%、54.2%、3.2%、23.5%。

(2)火山碎屑岩储集空间以次生溶蚀孔为主(平均占总孔隙的89.6%)，共识别出3类6种次生溶蚀孔隙类型，平均面孔率为4.9%。其中长石溶蚀孔占比33.7%，岩屑溶蚀孔占比16.1%，填隙物溶蚀孔占比39.3%，溶蚀缝占比10.9%。凝灰岩类储层面孔率最高(5.6%～9.5%)，凝灰质砂岩类储层面孔率次之(1.7%～7.2%)，火山角砾岩类储层面孔率最低(1.7%～4.0%)。

(3)火山碎屑岩储集性能与岩石早期胶结作用、岩石组构、构造裂缝连通、喷发界面及有机酸注入等因素有关，其中早期胶结作用及岩石组构是次生溶蚀孔隙形成的主要控制因素。