火山碎屑岩储层特征及其主控因素分析：以松辽盆地南部长岭断陷龙凤山地区为例

郑健，王璞珺，朱建峰，边伟华，洪一鸣，程泽宇，季金礁

1.吉林大学 地球科学学院，长春 130061; 2.中国石油化工股份有限公司 东北油气分公司，长春 130062

0 引言

火山碎屑岩是一种介于火山熔岩和陆源碎屑岩之间的过渡类岩石[1--2]，在油气勘探过程中逐渐被证实具有油气成储成藏潜力[3--4]。在中国，火山碎屑岩作为重要储层的地区包括二连盆地、渤海湾盆地和海拉尔盆地等[5--7]，此外，松辽盆地，准噶尔盆地和三塘湖盆地等盆地内火山碎屑岩也发育一定规模的储层[8--9]。虽然火山碎屑岩具有与陆源碎屑岩相似的碎屑结构，但碎屑物质的来源、搬运方式、形态特征以及胶结方式均存在明显差异，而且其在形成过程中先后经历了复杂的成岩作用改造，导致火山碎屑岩的储集空间在形成与演化方面具有一定特殊性[9--11]。

火山碎屑岩储层具有较强的空间非均质性，表现为储集空间变化复杂、储集物性差异明显[7]。即使在同一地区，不同层系的火山碎屑岩的物质构成和储集空间也存在明显差异。不同粒度、不同胶结类型的火山碎屑岩在多期复杂的成岩作用影响下有效孔隙的发育特征与分布规律尚不明确。笔者以松辽盆地南部长岭断陷龙凤山地区钻遇火石岭组火山碎屑岩的6口钻井为例，系统开展厘米--微米级不同尺度下的火山碎屑岩储层特征描述，探讨和总结影响火山碎屑岩储层物性的主要因素。

1 区域地质概况

长岭断陷位于松辽盆地中央断陷区南部，面积约为1.3×104km2[12]。龙凤山次凹(又称长岭南次凹)位于长岭断陷南部(图1)，是在火石岭组火山岩基础上发育起来的继承性凹陷，面积约300 km2，西部受NE向北正镇边界断层控制，东部受古隆起的影响，形成西断、东超的箕状断陷构造[15--17]。

图1 长岭断陷地质概况(a)及火石岭组火山岩分布(b)(据文献[13]及[14]修改)Fig.1 Geological setting of Changling fault depression(a) and distribution of volcanic rocks in Huoshiling Formation(b)

长岭断陷发育火山岩的层位主要是营城组及火石岭组[18--19]。营城组一段和三段均发育火山碎屑岩，营一段主要发育大段流纹岩及流纹质火山碎屑岩，营三段主要发育玄武质集块熔岩、玄武岩及流纹质火山角砾岩。火石岭组发育安山岩、玄武岩及火山碎屑岩[18，20]。

本文主要研究层位火石岭组是松辽盆地中生代断陷期的产物[14]。在龙凤山地区钻遇火石岭组的钻井中，主要发育有火山熔岩、火山碎屑熔岩、火山碎屑岩以及沉火山碎屑岩4大类，以中基性火山岩为主。按钻揭地层厚度统计，其中安山岩约占14%，沉火山碎屑岩约占6%，火山碎屑岩约占80%。根据胶结类型，火山碎屑岩细分为凝灰质胶结火山碎屑岩和熔浆胶结火山碎屑熔岩，前者占总厚度63%，后者占17%。

2 火山碎屑岩储层发育特征

2.1 火山碎屑岩的类型与特征

研究区内火山碎屑岩中碎屑物质主要由安山岩岩屑及斜长石晶屑等构成，角砾粒径最大可达8 cm，呈灰白色，多为棱角状。胶结类型可见凝灰质胶结(图2C)和熔浆胶结(图2B)等。根据胶结类型及胶结程度，研究区内火山碎屑岩可分为熔结成因的火山碎屑熔岩及非熔结成因的普通火山碎屑岩。岩石普遍发育裂缝(图2D、F)，可见钙质充填(图2A)、沸石充填等。

A.北215井，3 218.35 m，灰黑色安山质角砾熔岩，火山碎屑熔岩结构，可见大量气孔定向半定向分布，钙质充填严重，构造裂缝发育，钙质充填；B.北204井，3 302.35 m，灰色安山质角砾熔岩，火山碎屑熔岩结构，裂缝发育，交织成网状，硅质充填严重；C.北203井，3 869.07 m，灰色安山质凝灰岩，火山碎屑结构，含少量安山质岩屑，晶屑主要是长石，含少量角砾，裂缝不发育；D.北204井，3 304.20 m，安山质角砾熔岩，构造裂缝贯穿，缝面平直，可切穿斑晶及角砾；E.北203井，3 865.00 m，安山质凝灰岩，长石斑晶被钙质交代，可见沸石充填角砾间孔；F.北213井，3 525.06 m，安山质火山角砾岩，溶蚀作用产生裂缝，沿着颗粒边缘产生溶蚀；G.北213井，3 525.06 m，安山质火山角砾岩，凝灰质胶结；H.北213井，3 525.06 m，灰绿色安山质火山角砾岩，火山碎屑结构，碎屑颗粒粒径2～10 mm，微裂缝发育；I.北215井，3 218.35 m，安山质角砾熔岩，碎屑熔岩结构，角砾内发育气孔，定向性明显，钙质充填。图2 火山碎屑岩岩性特征及成岩改造Fig.2 Lithologic characteristics and diagenetic alteration of pyroclastic rocks

2.2 火山碎屑岩的储集空间类型及组合

研究区内火山碎屑岩的储集空间分为原生孔隙和次生孔隙两大类，其中次生孔隙占主要地位。原生气孔(图3E)及角砾间孔(图3B)经受强烈的钙质充填(图3F)及黏土充填(图3A)，破坏严重。溶蚀孔隙在研究区内广泛发育，斑晶和基质均可被溶蚀(图3C、D)，气孔内可发育多期充填--溶蚀(图3E)，溶蚀孔隙是研究区内最重要的有效储集空间。网状构造裂缝发育(图3I)，在提供一定的储集空间的同时，有效提升了岩石的渗透性。

A.北215井，3 218.35 m，安山质角砾熔岩 黏土矿物充填残余，可见微裂缝；B.北213井，3 523.50 m，安山质火山角砾岩，粒间孔隙发育，压实固结；C.北213--1井，3 744.06 m，安山质凝灰岩，粒间孔较少发育，长石斑晶被溶蚀；D.北213--1井，3 744.06 m，安山质凝灰岩，斑晶溶蚀孔，长轴约35 μm；E.北215井，3 223.50 m，安山质角砾熔岩，气孔内方解石杏仁体部分溶蚀，充填杆沸石；F.北215井，3 218.35 m，安山质角砾熔岩，气孔间相互连通，钙质充填严重；G.北213井，3 525.06 m，安山质火山角砾岩，微裂缝发育；H.北204井，3 304.20 m，安山质角砾熔岩，构造裂缝贯穿；I.北213井，3 525.06 m，安山质火山角砾岩，裂缝发育并相互交织，溶蚀作用沿裂缝发育。图3 火石岭组火山碎屑岩储集空间特征Fig.3 Characteristics of reservoir spaces of pyroclastic rocks in Huoshiling Formation

2.3 火山碎屑岩的储集物性

研究区内安山质凝灰岩的孔隙度变化较大，其中孔隙度最小为1.47%，最大为10.35%，从低孔至高孔均有分布，然而渗透率变化较小，最高仅为0.054×10-3μm2，最低为0.028×10-3μm2(表1、2)。凝灰岩的渗透率未随着孔隙度的增加而明显增加(图4)。相对于安山质凝灰岩，安山质火山角砾岩的孔隙度变化区间较小，最小为3.86%，最大为8.76%。渗透率变化较大，最高为12.04×10-3μm2，最低为0.015×10-3μm2(表1、2)。熔浆胶结的安山质角砾熔岩的孔隙度普遍较低，其孔隙度平均值仅为3.25%，远低于凝灰质胶结的火山碎屑岩。其几何平均渗透率为0.043×10-3μm2，与安山质凝灰岩相似。

表1 长岭断陷火石岭组火山碎屑岩孔隙度与渗透率测试结果

表2 长岭断陷火石岭组火山碎屑岩孔隙度和渗透率统计结果

3 火山碎屑岩储层物性的影响因素

3.1 火山碎屑岩粒度与胶结类型对物性的影响

通常而言，火山碎屑岩的渗透率与孔隙度呈正相关性。研究区内安山质凝灰岩和安山质火山角砾岩均为非熔浆胶结火山碎屑岩[21]，但二者孔隙度与渗透率的对应关系存在明显差异(图5)。

图5 火山碎屑岩胶结类型、粒度与孔渗关系Fig.5 Relationship among cementation types, granularity, porosity and permeability of pyroclastic rocks

火山碎屑岩的孔隙主要由碎屑粒间孔隙和火山碎屑粒内孔隙共同构成。火山角砾岩的碎屑颗粒较大，相较凝灰岩，碎屑更易保留原生气孔。粒度较大的火山角砾岩的粒间孔体积较大，孔隙间连通性更好。而凝灰岩本身颗粒较小，导致粒间孔隙尺度较小，在压实成岩过程中，凝灰岩在充填作用下更易失去粒间孔。以获得工业气流的B213井安山质火山角砾岩为例，安山岩角砾内部发育大量的微裂缝，呈网状沟通(图3I)，并可延伸至角砾外部，同时沿角砾的边缘经常出现溶蚀裂缝，使得样品的渗透率上升[22]。而本地区的安山质凝灰岩主要发育溶蚀孔隙，孔隙之间连通性极差，裂缝几乎不发育，即使孔隙度超过10%，渗透率也没有明显增加。

熔浆胶结和凝灰质胶结是最为常见的两种火山碎屑胶结方式，均使得火山碎屑粒间孔减小。冷凝后的熔浆常呈致密块状，几乎完全充填粒间孔，而凝灰质充填的粒间孔，因凝灰质细碎屑颗粒的松散堆积形成基质微孔(图3B)。胶结方式的差异，导致研究区火山碎屑熔岩的物性相对较差。火山角砾熔岩的主要储集空间为未被充填的气孔和斑晶、基质溶蚀孔，不发育粒间孔。而凝灰质胶结的火山碎屑岩在发育与火山角砾熔岩相似的储集空间之外，角砾间基质微孔的保留使得其具有相对较好的储集性能(图4、5)。

图4 火山碎屑岩孔隙度与渗透率的相关性Fig.4 Correlation between porosity and permeability of pyroclastic rocks

3.2 成岩改造对物性的影响

火山碎屑在压实成岩过程中，由于火山碎屑自身性质，地层流体和构造活动等因素差异，其经历的成岩改造的过程不尽相同，最终导致火山碎屑岩的储集物性发生明显改变[6,18]。本地区影响火山碎屑岩储集性能的成岩作用主要有充填作用、溶蚀作用以及构造作用等。

充填作用主要与火山碎屑岩成岩作用过程中的热液流体活动有关，具体表现为火山碎屑内气孔(图3F)与粒间孔(图3B)的充填。常见充填物有钙质、硅质及沸石类矿物。充填作用常具多期多成分特点，B215井的安山质角砾中的气孔，在经历早期钙质充填之后，又被杆沸石充填(图3E)，还可见到黏土矿物充填(图3A)。充填作用对岩石储集性能具有极大的破坏作用，在降低岩石的孔隙度的同时，还会大幅度降低岩石的渗透率。

研究区火山碎屑岩的原生储集空间因充填作用而损失严重，现有有效储集空间以次生储集空间为主，溶蚀作用对次生储集空间的形成起了至关重要的作用[17]，溶蚀作用为含CO2热液流体、有机酸和大气水等共同作用的结果[23]。溶蚀作用不仅发生在火山碎屑岩的斑晶和基质中，早期的充填物也可被溶蚀[24]。本地区主要的溶蚀类型有杏仁体内溶蚀，斑晶溶蚀及基质溶蚀。斜长石斑晶因溶蚀程度不同而呈斑点状、环带状或连片状溶蚀(图3C、D)。早期形成的钙质杏仁体在后期也呈现一定程度的溶蚀 (图3E)。此外，溶蚀作用也可形成溶蚀缝[14,17]， B213井安山质火山角砾岩中大量发育的溶蚀裂缝极大地改善了岩石的储集性能(图3G、I)。

构造作用形成的节理及微裂缝对火山碎屑岩的孔隙度贡献不明显，但会显著提高其渗透性。B204井的安山质角砾熔岩，3个样品的孔隙度差距较小，平均为2.02%，但渗透率呈现数量级的差异，最低的为0.017×10-3μm2，最高为1.028×10-3μm2(表1)。对比3个样品，在高渗透率样品的铸体薄片中可以观察到3条长裂缝，最长可达1.5 cm，几乎贯穿薄片(图2D)，平均宽度0.02 mm，而另两个低渗透率样品中未发现相似裂缝。

4 结论

(1)龙凤山地区火石岭组已钻遇的火山碎屑岩主要以中基性的火山碎屑岩为主，主要包括安山质凝灰岩，安山质火山角砾岩以及安山质角砾熔岩。

(2)龙凤山地区火石岭组火山碎屑岩物性受粒度及胶结类型影响，火山角砾岩具有最优储集能力。

(3)成岩作用对龙凤山地区火石岭组火山碎屑岩物性改造强烈，充填作用、溶蚀作用和构造作用发育，充填作用对原生储集空间破坏严重，现有有效储集空间为溶蚀作用与构造作用形成的溶蚀孔隙和网状微裂缝。