川西南地区二叠系火山岩储层特征

王嘉琦，范存辉，裴森奇，龙虹宇，李荣容，秦启荣

（1.西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都 610500；2.中国石油西南油气田分公司川西北气矿，四川江油 621700）

峨眉山大火成岩省（ELIPs，Emeishan Large Igneous Provinces）是中–晚二叠世之交峨眉山超级地幔柱的活动产物，广泛分布于四川、贵州和云南三省，作为中国最早被国际学术界承认的大火成岩省，峨眉山大火成岩省对四川盆地二叠纪及后期的油气成藏有重要的影响[1–2]。

ZG1 井是四川盆地首个火山岩工业气井，该井于1993 年测试获气25.61×104m3/d，证明了四川盆地内二叠系火山岩具备天然气成藏条件，但随后对火山岩的勘探结果均未获得理想效果。随着勘探思路的逐渐转变和勘探技术的不断进步， 2017 年首次在川西地区部署的YS1 井钻遇厚逾300 m 的火山岩地层，测录井显示该井储集性能良好[3]。2018 年部署于成都–简阳地区的YT1 井测试获气22.50×104m3/d[4]，证明四川盆地该区域勘探潜力大，不再是油气勘探的“禁区”。但总体而言，四川盆地的火山岩研究认识和勘探程度还处于较低的水平，基础认识的不足对火山岩油气勘探造成了极大的阻碍，特别是川西南地区，对火山岩储层的认知仍然停留在上世纪九十年代。本文通过对川西南地区火山岩储层的岩性、储集空间特征、物性特征及储层形成的主控因素进行分析，为深化川西南地区火山岩油气勘探提供基础资料。

1 区域地质概况

川西南地区位于四川省西南部（图1），属于上扬子地台的西北缘，位于龙门山推覆构造带及川西前陆盆地地区，地势由南西向北东逐渐降低。火山活动具有“穿时性”，四川盆地火山活动主要发生在二叠纪的中二叠世晚期至晚二叠世早期，为“峨眉山玄武岩组”地层，从地层接触关系来看，川西南部地区峨眉山玄武岩组与下伏下二叠统茅口组碳酸盐岩呈假整合接触，与上覆沙湾组砂泥岩也呈假整合接触。

2 岩石学特征及岩相展布

图1 研究区构造位置

火山岩根据SiO2含量可划分为超基性岩类、基性岩类、中性岩类和酸性岩类，川西南地区二叠系峨眉山玄武岩组火山岩以基性岩类为主。依据对四川盆地二叠系火山岩的观察结果，结合结构构造、岩石力学性质等差异，将四川盆地研究区火山岩划分为火山熔岩、火山碎屑岩两大类，岩石类型主要 为玄武岩、火山角砾岩、火山凝灰岩、火山集块岩和熔结凝灰岩五类。在雅安–乐至地区可见玄武岩大面积厚层分布，火山角砾岩与凝灰岩夹于大套玄武岩之间；在成都–简阳地区，熔结凝灰岩分布于地层顶部，厚层凝灰岩与厚层玄武岩互层。在峨眉山玄武岩组地层底部偶见厚度不一的辉绿岩，辉绿岩属于基性侵入岩类，不属于本次研究的主要内容。

火山熔岩主要为玄武岩，研究区内玄武岩呈钢灰色、灰绿色、暗紫红色，主要成分为斜长石、石英、绿泥石、钛铁氧化物，结构全晶质–半晶质结构和斑状结构，构造多为块状和气孔/杏仁状构造。根据玄武岩是否含斑晶、气孔、杏仁可细分为12 类，研究区可见其中的7 类。致密块状玄武岩（图2a），为块状构造，偶见直径极小的气孔/杏仁状构造，发育裂缝，裂缝多为缝宽小于1.0 mm 的平直缝。含气孔/杏仁状玄武岩、气孔/杏仁状玄武岩、富气孔/杏仁玄武岩的区别主要为气孔、杏仁体的含量，杏仁体充填情况不一，填充物主要为绿泥石、绿帘石、方解石等矿物，可见环带状充填（图2b～d）。少斑玄武岩以斑状结构为主要的识别标志，根据其杏仁体的含量再考虑气孔/杏仁是否参与定名。

火山碎屑岩中可见火山凝灰岩、火山角砾岩、火山集块岩、熔结凝灰岩四类。凝灰岩呈赤红色或紫红色，在野外露头遭风化严重，风化色为黄色（图2e）。凝灰岩中若含角砾或含增生火山砾，则在凝灰岩前火山碎屑岩中可见火山凝灰岩、火山角砾岩、火山集块岩、熔结凝灰岩四类。凝灰岩（图2e）呈赤红色或紫红色，在野外露头遭风化严重，风化色为黄色。凝灰岩中若见角砾或含增生火山砾，则在凝灰岩前加“角砾”，表示其成分含量。在角砾凝灰岩中角砾及增生砾粒径大小不一，其小至0.5 mm，大至60.0 mm，零散分布于凝灰质基质中，多为基质支撑，可见粒序结构、层理结构。

图2 川西南地区火山岩主要岩石类型

火山角砾岩多呈青灰色、浅红色，具块状结构、凝灰角砾结构和自碎裂结构，角砾呈块状、板状、破片状产出，粒径为2.0～64.0 mm。特殊的自碎裂火山角砾岩具自碎裂结构，多为玄武质原地碎裂未经搬运而形成。

火山集块岩特征与火山角砾岩类似，但其火山碎屑物质大于64.0 mm（图2f～g）。

熔结凝灰岩（包括熔结角砾凝灰岩）火山碎屑小于2.0 mm，以发育熔结结构为明显的特征。熔结凝灰岩不是凝灰岩的亚类，在成因、结构、构造等方面熔结凝灰岩与凝灰岩均不相同。在熔结凝灰岩岩心可见透镜状、焰舌状以及压扁拉长状变形的塑性玻屑和浆屑。若其中的火山块含量大于25%，可定名为熔结角砾凝灰岩（图2h）。

辉绿岩是基性浅成侵入岩岩石，主要矿物成分为辉石和基性斜长石，还可有少量橄榄石、黑云母、石英、磷灰石、磁铁矿、钛铁矿等。基性斜长石自形程度高于辉石，常构成辉绿结构，成都–简阳地区玄武岩组底部可见灰黑色–浅灰色的辉绿岩。

整体而言，川西南地区火山岩由南西向北东逐渐减薄，油罐顶构造区域厚度减薄至38 m，而在成都–简阳地区则出现了局部的火山岩厚度增大，厚度为200～300 m。

地震资料表明，研究区外东北部的成都–简阳地区爆发相火山岩呈面状连片展布布，其余部分则广泛分布溢流相玄武岩。结合岩心观察、测井资料分析，以孙晓岗等[5]的岩相分类为标准，雅安–乐至地区火山岩大面积地以溢流相为主，夹部分爆发相下部空落亚相，成都–简阳地区则以爆发相的空落亚相及热碎屑流亚相为主，局部见火山通道相。

3 储层特征

3.1 储集空间类型

火山岩储层储集空间种类繁杂，类型众多[6–16]，其形成的原因也受多种条件制约[17–19]。根据岩心观察及镜下薄片的鉴定结果，将川西南地区二叠系火山岩储层的储集空间划分为原生孔隙、次生孔隙、裂缝三大类。

原生孔隙：火山岩在成岩过程中所形成的储集空间，在研究区内主要可见气孔、杏仁体内残余孔、晶间孔、粒间孔等。①气孔是火山岩在形成时，岩浆内的挥发组分形成气泡，随着熔浆喷溢至地表，熔浆内气泡受到的压力降低，挥发组分随之逸散后形成的孔状空间，原生气孔呈圆形、被拉长的椭圆形等不同形状，大小不一，在火山碎屑岩和火山熔岩中均有分布，面孔率约15%～17%，储集性能良好，是主要的储集空间（图3a～c）。②杏仁体内残余孔是火山岩在形成气孔以后，随着火山岩的成岩作用，矿物逐渐填充气孔，但气孔内空间并未完全被矿物填满时形成的杏仁体内孔隙，主要发育在火山熔岩之中，含量较少，面孔率约2%～3%，含油气性较差（图3d）。③晶间孔是火山岩基质中一些长石微晶之间的细小孔隙，储集性能较差。

图3 川西南地区火山岩储集空间类型

次生孔隙：火山岩在后生成岩作用阶段，受到埋藏压实、地层水与有机酸等共同作用而形成的溶蚀孔隙[20]，溶蚀孔形状大多呈不规则形，在火山熔岩和火山碎屑岩中均发育，是主要的次生孔隙类型。研究区内次生孔隙以基质内溶蚀孔、粒间溶孔、微孔为主。①在玄武岩中多基质中的微晶和玻璃质溶解形成的基质内溶蚀孔（图3e），发育较少，多为绿泥石充填。②在火山碎屑岩中，原生的粒间孔经后期的溶蚀扩大，形成粒间溶蚀孔（图3f）。③微孔泛指火山熔岩基质的微晶之间、火山碎屑岩的火山灰或火山尘之间未被充填的孔隙，基质微孔主要分布在细粒火山碎屑物质含量较高的火山岩当中，当后期成岩作用使其发生脱玻化作用和风化作用时，则可形成次生脱玻化微孔和火山灰溶蚀微孔（图3g）。微孔是熔结凝灰岩的主要储集空间类型，呈弥散状分布，面孔率约为5%～8%。

裂缝：研究区内可见构造裂缝、冷凝收缩缝、柱状节理缝和溶蚀缝。①构造裂缝为岩石受应力作用形成，见共轭X 缝、网状缝等，多为缝宽小于1 mm的平直缝，在火山熔岩中将岩体切割成破裂的网格状，在火山碎屑岩中切穿气孔与角砾（图3h）。②冷凝收缩缝形成于熔浆喷出后的冷凝收缩作用，可见相互平行的弧状裂缝，缝宽小于1 mm，多为未充填，在火山碎屑岩中可见冷凝收缩缝沟通气孔（图3i）。③柱状节理缝形成于熔岩冷却时所形成的柱状体节理，在宏观的大规模致密玄武岩中可见。④溶蚀缝因地下水溶蚀作用而形成，形状往往不规则，相较于溶蚀孔，溶蚀缝的形状更加长而狭窄。

3.2 储层物性特征

从孔隙度分析结果来看（图4），火山碎屑岩的孔隙度优于火山熔岩的孔隙度，熔结凝灰岩的孔隙度最好。YT1 井62 个测试样品中，19 个熔结凝灰岩样品的孔隙度平均达13.76%，最大孔隙度为16.48%，最小孔隙度也达8.66%，爆发相普通火山碎屑岩（角砾岩、凝灰岩）的平均孔隙度为1.53%，最大孔隙度为4.96%；溢流相玄武岩孔隙度最低，平均为1.18%。从渗透率测试结果来看（图5），火山岩的渗透率普遍较低。其中，ZG2 井渗透率样品187 个，渗透率小于1.000×10–3μm2的样品数185 个，平均渗透率为1.600×10–3μm2；H6 井渗透率样品18 个，平均渗透率为2.400×10–3μm2；YT1 井渗透率样品19 个，平均渗透率为0.850×10–3μm2。原始分析数据结果显示，ZG2 井和H6 井的平均渗透率高是因为在ZG2井中最高渗透率可达12.000×10–3μm2，H6 井中最高渗透率达13.500×10–3μm2，初步认为是这部分样品中出现了裂缝，改善了岩石的渗透率。

从孔隙度与渗透率的相关性来看（图6），熔结凝灰岩的孔渗相关度达0.689 5，表现出较好的相关性。熔结凝灰岩中孔隙空间连通性好，其孔隙度越大，渗透率也越高，呈现出孔隙型储层的特征。普通火山碎屑岩及玄武岩储层孔渗相关性低于0.050 0，孔隙孤立性强，判断储层类型为孔隙–裂缝型[21]。

图4 川西南地区火山岩储层孔隙度

图5 川西南地区火山岩储层渗透率

图6 川西南地区火山岩储层孔渗关系

4 储层主控因素

4.1 岩性岩相

岩性岩相对火山岩储层的控制作用最为明显。从前文物性分析及储集空间特征来看，爆发相熔结凝灰岩具有良好的储集性能，也是最有利的储集体；爆发相的火山角砾岩的储集性能次之，主要储集空间为成岩过程中形成的原生孔隙及原生孔隙受溶蚀扩大而形成的次生粒间孔，孔隙度虽好，但其孔隙连通性稍显不足。溢流相玄武岩的储集性能则相对差一些，这是由于玄武岩在形成过程中，温度持续较为稳定，冷却速度缓慢，岩石中矿物结晶较为充分，矿物颗粒排列紧密，晶间孔隙发育不足，主要的储集空间为玄武岩喷发期次顶部的原生气孔[22]，但气孔形成一方面会被绿泥石、方解石等矿物充填成杏仁状构造，降低了孔隙度，另一方面，原生气孔的孤立性较强，使得溢流相玄武岩的储集性能不足。

4.2 风化（淋滤、溶蚀）作用

川西南地区的茅口–龙潭期是以陆相喷发为主，喷发期内受表生风化作用改造。据前人研究，峨眉山顶部发育有一套古风化壳，这说明二叠系火山岩曾经受长期的风化淋滤影响。从测井资料来看，本区峨眉山玄武岩组段上覆地层普遍发育铝土质泥岩，说明其喷发后也长期受表生风化作用改造。因此，川西南地区火山岩大量的溶蚀孔隙来源于风化作用，风化作用极大地改善了火山岩的储集物性，也使得峨眉山玄武岩组的有效储层多发育在顶部及每套喷发期次的顶端。

4.3 构造作用

对于火山岩储层来说，裂缝的主要作用有两方面：一方面，裂缝本身可以作为储集空间的一种，提升火山岩储层的储集性；另一方面，裂缝可以连接原本相对孤立的孔隙空间，对储层的渗透性能有所改善，在川西南地区，溢流相致密玄武岩孔隙空间连通性差，若无裂缝连通，几乎不可能作为储层。川西南部地区ZG1 井产气段受强烈的构造作用的影响，镜下见微裂缝发育，沥青多见，可见构造缝在周公山地区对储层段的改善起主要作用。从ZG2 井的全直径物性实验结果来看（表1），有裂缝发育的玄武岩的渗透率较未发育裂缝的岩样有了较为明显的提升，渗透率可达到20.000×10–3μm2以上。在玄武岩中，裂缝会极大地改善岩石的储集性能，为流体提供额外的流动通道，增强油气渗流能力[23]。

表1 ZG2 井全直径物性测试

5 结论

（1）川西南地区火山岩岩石类型可分为火山熔岩和火山碎屑岩两大类型，岩石类型主要为岩石类型主要为玄武岩、火山角砾岩、火山凝灰岩、火山集块岩和熔结凝灰岩五类；发育溢流相、爆发相和火山通道相。

（2）爆发相熔结凝灰岩储层物性优良，储集空间类型主要为次生溶蚀孔隙，储集空间组合类型为孔隙型；爆发相火山碎屑岩储层物性较好，储集空间以原生孔隙及裂缝为主，可见次生溶蚀孔隙，为孔隙–裂缝型储层；溢流相玄武岩较为致密，原生孔隙孔洞孤立，为孔隙–裂缝型储层。

（3）有利的岩性、岩相是储层发育的基础，风化淋滤及溶蚀作用对储层进行改造，构造运动是储层不可缺少的条件。川西南地区爆发相为最有利的储集岩相，溢流相次之；火山喷发间歇期的风化淋滤及后期溶蚀有效地扩大储集空间并改善储集性能；构造运动产生的裂缝不仅本身可以作为储渗空间，还可以沟通火山岩的孤立孔隙，从而改善储层的渗透性能。