松辽盆地德惠断陷营城组凝灰岩储层地质特征

迟唤昭，赵玉婷，刘 财，王 桐，胡 佳，杨松杉

1.长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春 130021 2.青岛地质工程勘察院(青岛地质勘查开发局)，山东 青岛 266100 3.吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026 4.中国石油吉林油田分公司，吉林 松原 138000

0 引言

松辽盆地是我国著名的含油气盆地，油气资源十分丰富[1]。德惠断陷是松辽盆地东南断陷带资源最丰富的断陷，德惠断陷的勘探历程达50年，部署近80口钻井，钻遇了32口火山岩钻井，在火山岩主要分布的营城组和火石岭组，相继发现了火山熔岩和火山碎屑岩类型气藏[2-3]。2012年，在德惠断陷首次发现火山碎屑岩油气藏，其岩性为凝灰岩和沉凝灰岩[4-5]；2013年，在吉林油田部署了Ds17井，期间测试获5.6万m3高产气流，打开了德惠断陷勘探的新局面[6]；2016年，在Ds21井营成组地层测试获3.1万m3高产气流[7]；2018—2019年，相继在Ds32井、Ds80井营城组地层发现高产气层[8]。截至目前，德惠断陷天然气资源量远超3 600×108m3，成为吉林油田第四个天然气超1 000×108m3的规划区[9]。

凝灰岩是由火山喷发产物火山灰经过沉降作用形成的岩石，其具有凝灰结构或尘屑结构，其中火山碎屑物体积分数超过90%[10-12]，前人[13-15]研究认为，凝灰岩的分布情况与火山喷发作用密切相关。当前试气结果显示，多口钻井的火山碎屑岩类储层要优于火山熔岩类储层，但目前关于德惠断陷凝灰岩储层的研究相对较少。本文利用岩心、测井、地震、测试和含气性数据等资料对德惠断陷营城组凝灰岩地质特征进行系统研究，构建地层结构模式，建立火山机构发育机制，探讨储层微观孔隙特征及产能规律，以期为该区火山岩油气勘探与开发提供帮助。

1 地质概况

研究区松辽盆地德惠断陷位于盆地东南隆起区。该断陷形成于早白垩世早期，是在晚古生代浅变质岩基底上发展起来的中生代沉积地层，西与农安西凸起相邻，东与九台阶地相邻，是比较典型的“双断型”断陷，包含7个次级构造单元，主要含油气火山岩地层为营城组、沙河子组和火石岭组(图1)[16-18]。研究目的层为白垩系营城组。白垩系为松辽盆地油气勘探的主要层位，营城组在研究区西北部沉积厚度较大，地层保存较完整，具有良好的油气成藏条件[19-21]。在整个营城组时期，火山活动较为频繁，并且伴有较为强烈的沉降作用和构造断裂活动，发育多旋回、多期次火山岩。营城组一段地层包括火山熔岩类、火山碎屑熔岩类、火山碎屑岩类和沉火山碎屑岩类，营城组二段地层为沉积岩类，营城组三段地层主要为火山岩类和薄层沉积岩类[4,22-23]。

图1 研究区位置(a)及地层柱状图(b)

2 凝灰岩储层地质特征

2.1 岩石学特征

通过14口钻井的岩心薄片观察，发现研究区营城组凝灰岩岩石类型多样，主要为晶屑凝灰岩、岩屑晶屑凝灰岩、晶屑沉凝灰岩、沉凝灰岩，以及少量晶屑浆屑凝灰岩和含角砾沉凝灰岩。凝灰岩组分以晶屑、岩屑为主，含有少量玻屑、火山尘和泥质等。矿物成分以石英、斜长石为主(图2a, b)，且多为棱角—次棱角状，混有方解石，含有大量的黏土矿物，局部可见次生微孔隙和微裂隙。在Ds21井，可见长石碳酸盐化(图2a)；在Ds80、83等井薄片中发现强烈的伊利石化、绿泥石化(图2c)，局部可见绢云母化，表明凝灰岩发生了风化蚀变作用[24]。此外，凝灰岩中见大量有机质(图2d)。

a.Ds21井，2 272.9 m，岩屑晶屑凝灰岩，岩心薄片，正交偏光；b.Ds80井，2 918.5 m，晶屑沉凝灰岩，铸体，正交偏光；c.Ds83井，4 105.7 m，晶屑凝灰岩，铸体，单偏光；d.Ds83井，4 095.0 m，沉凝灰岩，铸体，单偏光。Q.石英；Pl.斜长石。

对Ds21井营城组凝灰岩9个样品做全岩X-射线衍射定量分析，矿物组分特征见表1。结果表明，营一段凝灰岩矿物组分较为复杂，主要矿物成分为石英、长石和黏土矿物，其中：石英体积分数为16.4%～39.7%，平均值为27.5%；钾长石体积分数为5.0%～14.5 %，平均值为8.4%；斜长石体积分数为18.5%～39.6 %，平均值为27.0%；黏土矿物体积分数较高，平均值为34.8%；方解石体积分数较低，平均值为0.8%。凝灰岩具有较低的石英体积分数和较高的斜长石体积分数，表明凝灰岩的火山灰偏中性；具有较高的黏土矿物体积分数，这与溶蚀作用密切相关[25]。

表1 研究区Ds21井营一段凝灰岩全岩矿物组分特征

2.2 地层结构特征

通过研究火山地层的基本堆积单元，可揭示火山地层结构，通常火山碎屑堆积单元由碎屑密度流堆积体冷凝固结成岩，地层产状呈连续变化[26-27]。研究区测井、钻井和三维地震为凝灰岩地层单元的刻画提供了高分辨率资料，通过盆地内部井-震联合，发现研究区凝灰岩在横向上分布广泛，在纵向上由多个叠合单元构成，其堆积单元模式如图3所示。灰色凝灰岩厚度为35 m，测井曲线呈“三高两低”的特征，“三高”指高声波时差(AC)、高自然伽马(GR)和高补偿中子(CN)，声波时差为200～290 μm/s，自然伽马为90～230 API，补偿中子为13%～34%；“两低”指低密度(DEN)和低电阻率(R)，密度为2.35～2.50 g/cm3，电阻率为580～950 Ω·m。

a.纵向叠合单元; b.成像测井特征; c.常规测井特征; d.外部形态特征。AC.声波时差；GR.自然伽马；RA1.浅测向电阻率；RA5.深测向电阻率。

2.3 火山机构地质模式

本文按照凝灰岩的发育规模和含气性特征将研究区凝灰岩火山机构分成3类：小规模、中规模和大规模凝灰岩火山机构3类，分类依据标准见表2。

表2 凝灰岩火山机构类型分类依据

2.3.1 小规模凝灰岩火山机构

Ds21井发育流纹质碎屑岩火山机构，其地质模式如图4所示，该火山机构横向延伸1 km左右，最大厚度为100 m，钻井可见凝灰岩厚度为90 m。该火山机构岩性为凝灰岩，岩相为火山沉积相。地震剖面特征：连续平行反射，表现为披盖状(图4a, b)。测井曲线特征：总体上电阻率、密度和声波曲线近平直状，但自然伽马曲线呈锯齿状(图4c)[28]。地震切片特征：根据研究区凝灰岩地震反射特征进行地震属性分析，认为凝灰岩敏感属性是反射强度属性，营城组凝灰岩反射强度属性为较高级别(图4d)。

a.过井地震剖面；b.地质模型；c.综合柱状图；d.地震切片。CNL.补偿中子；DEN.密度。

2.3.2 中规模凝灰岩火山机构

Ds32井发育流纹质火山碎屑岩火山机构，其地质模式如图5所示，该火山机构横向延伸达10 km，最大厚度近200 m，为多期次发育结果。图5c中A层段岩性为安山质晶屑凝灰岩，岩相为热基浪亚相，外形为充填状；图5c中B层段岩性为晶屑凝灰岩和含角砾凝灰岩，岩相为热基浪亚相和空落亚相互层，外形为大面积席状。测井曲线特征：声波曲线和密度曲线较为平直，自然伽马曲线在界面处发生跳跃，电阻率曲线差异较大，依据电阻率曲线划分为热基浪亚相和空落亚相。地震剖面特征：连续平行反射，同相轴连续性较好[29-30]。

a.过井地震剖面；b.地质模型；c.综合柱状图。

2.3.3 大规模凝灰岩火山机构

Ds80-Ds33-Ds83井发育凝灰质火山碎屑岩火山机构，其地质模式如图6所示，该火山机构横向延伸20 km左右，最大厚度为450 m，无钻井区域不易识别，为多期次、多碎屑流单元叠合发育模式。该火山机构岩性以凝灰岩为主，英安岩夹层自西向东逐渐减薄，岩相为热基浪亚相。测井曲线特征：声波曲线和密度曲线较为平直，呈现微齿状，自然伽马曲线在界面处呈现锯齿状。依据薄片和自然伽马曲线特征，划分两个喷发期次：期次一为英安质凝灰岩，自然伽马值较高；期次二为安山质凝灰岩，自然伽马值较低。地震剖面特征：亚平行席状反射，同相轴连续性较好。

a.过井地震剖面；b.地质模型；c.综合柱状图。

2.4 储层特征

2.4.1 储集空间类型

根据研究区凝灰岩岩心薄片统计，凝灰岩储层发育原生孔隙和次生孔隙。

原生孔隙为凝灰质脱玻化微孔隙(图7a，b)，其中图7a为石英、长石脱玻化形成脱玻化粒间孔，图7b为火山尘已脱玻化形成火山灰粒间孔。

次生孔隙有溶蚀孔、溶蚀缝、压溶缝、构造缝。

1)溶蚀孔：由矿物的溶解作用(在矿物的解理缝或气孔壁处)而形成的各类溶蚀孔，研究区溶蚀孔包括晶内溶蚀孔(主要为长石溶蚀孔)、基质溶蚀孔、浆屑溶蚀孔、粒间溶蚀孔和铸模孔等。

晶内溶蚀孔：火山岩的斑晶/晶屑溶蚀孔，以长石溶蚀孔为主，由斜长石和碱性长石在酸性流体作用下发生溶蚀形成。在Ds80井岩屑晶屑凝灰岩中可见长石溶蚀孔(图7c)，通过扫描电镜清晰可见粒内溶蚀孔(图7d)。

基质溶蚀孔：由组成基质的玻璃质或微晶发生溶解作用直接形成的溶蚀孔[31]，在Ds21井晶屑凝灰岩中可见基质溶蚀孔(图7e)。

浆屑溶蚀孔：岩浆喷发到空中落地后凝固而成浆屑，后期受到地下流体溶蚀形成浆屑溶蚀孔，通常内部结晶程度由外向内逐渐增高，且碎屑弯曲。在Ds83井晶屑浆屑凝灰岩中可见浆屑溶蚀孔(图7f)。

2)溶蚀缝：在裂缝边缘处，矿物在酸性流体参与下发生溶解作用，使得原有裂缝扩大而形成。由于溶解作用程度的差异，沿裂缝伸展方向缝宽不一致，表现为不规则溶蚀边缘。在Ds80井晶屑岩屑凝灰岩中可见不规则溶蚀边缘的溶蚀缝(图7g)。

3)压溶缝：经过后期压实作用和溶蚀作用所形成的微裂缝(在矿物边界处)，在Ds80井沉凝灰岩中可见粒间压溶缝(图7h)。

a.Nong53井，2 398.0 m，灰色含砾沉凝灰岩，脱玻化粒间孔(铸体)；b.Nong53井，2 398.0 m，灰色含砾沉凝灰岩，火山灰粒间孔(铸体)；c.Ds80井，3 669.1 m，岩屑晶屑凝灰岩，长石溶蚀孔(铸体)；d.Ds83井，4 101.6 m，晶屑浆屑凝灰岩，粒内溶蚀孔(扫描电镜)；e.Ds21井，2 295.1 m，晶屑凝灰岩，基质溶蚀孔(铸体)；f.Ds83井，4 100.4 m，晶屑浆屑凝灰岩，浆屑溶蚀孔(铸体)；g.Ds80井，2 912.5 m，晶屑岩屑凝灰岩，溶蚀缝(铸体)；h.Ds80井，2 912.5 m，晶屑沉凝灰岩，压溶缝(铸体)；i.Nong52井，2 087.0 m，深灰色沉凝灰岩，构造缝(铸体)。

4)构造缝：岩石在构造应力作用下形成的裂缝。凝灰岩通常位于喷发中心附近，容易破裂而形成构造裂缝[32]。在Nong52井沉凝灰岩中可见构造缝，裂缝边缘较平直(图7i)。

这些次生孔缝是深部酸性流体和油气运移的主要通道，成为中浅部凝灰岩成储、成藏的重要因素。统计研究区凝灰岩储集空间发育频次，次生孔缝所占比例大于80%，凝灰岩储层的主要储集空间类型为溶蚀孔和溶蚀缝，溶蚀孔主要以长石溶蚀孔和基质溶蚀孔为主，并且长石溶孔对储层孔隙的贡献高达35%～55%。因此，裂缝发育程度对改善储层物性极为重要，裂缝发育是形成凝灰岩优质储层的关键因素。

2.4.2 孔渗及试气结果

分析4口钻井63块凝灰岩岩心样品的孔隙度、渗透率数据(图8)，营城组凝灰岩储层孔隙度分布范围是0.8%～19.0%，一般在5.0%～16.0%之间，渗透率一般小于0.2×10-3μm，为中孔-低渗型储层。

图8 研究区凝灰岩储层孔渗特征

根据试气、试采资料显示，Ds21、Ds32、Ds80等井产气较好，Ds33、Ds83等井产气较差。其中：Ds21井日产气达到17.292 km3，气层单层厚度近12 m，达到了高产，原因是该井具有较高的孔隙度和渗透率；Ds32井2 414.0～2 420.0 m井段日产气达到117.053 km3，主要产气段分为上、下两段，且上、下段厚度均为15 m，中间夹差气层，这是因为该井凝灰岩埋深较浅，所受压实作用较小[9,33]；Ds80井日产气为121.582 km3，气层单层厚度高达25 m，这是因为凝灰岩储层孔渗较好，且位于构造高部位。而Ds33井日产气为2.076 km3，日产水为1.5 m3，Ds83井日产气为0.205 km3，日产水为2 m3，解释结果均为差气层，这是因为深层凝灰岩受压实作用导致储渗性能降低[9,33]。

2.4.3 储层分析

根据孔渗及试气结果可知，研究区发育较好的凝灰岩储层，但高产井较少，低产井较多。凝灰岩受到酸性水溶液的溶蚀作用，形成大量溶蚀孔缝，具有较高孔隙度，理论上易形成高产气层[34-38]。研究区高产气层具有较好的孔隙度和渗透率，裂缝发育程度较高，通常埋藏较浅，在构造高部位尤为发育。

小规模凝灰岩火山机构通常可形成单层工业气层，例如Ds21井日产气达到17.292 km3，气层单层厚度近10 m。中规模凝灰岩火山机构通常可形成单层或多层工业气层，例如Ds32井日产气达到117.053 km3，气层单层厚度高达15 m。大规模凝灰岩火山机构通常可形成多层工业气层，例如Ds80井试气，日产气达到121.528 km3，气层单层厚度高达25 m，多个试气层位解释为气层。

凝灰岩能否形成储层不仅可以利用铸体薄片和测试资料进行判断，还可以利用测井资料进行区分。以德深16井凝灰岩为例：凝灰岩气层补偿中子值较低，密度值明显较小；而不含气凝灰岩补偿中子值较高，密度值较大(图9)。因此，可以利用补偿中子和密度来划分凝灰岩储层。

图9 德深16 井凝灰岩储层DEN-CNL测井交会图

根据凝灰岩全岩矿物组分和储集空间发育特征可知：长石类矿物含量较高，且它在溶蚀作用下形成了大量的长石溶蚀孔，这是形成凝灰岩储层的有利因素；而黏土矿物体积分数较高，这是形成凝灰岩储层的不利因素。研究区黏土矿物体积分数较高，平均值大于30%，最高可达50%，凝灰岩孔隙形成与基质脱玻化作用、溶蚀作用有关，该过程使火山岩黏土化，黏土矿物的存在不利于形成裂隙和诱导裂缝[39]。黏土矿物主要为伊蒙混层，岩心遇水膨胀率大于30%，易于发生储层敏感性和水锁现象。伊蒙混层体积分数较高、伊利石体积分数较低，蒙脱石向伊利石转换不完全，说明演化作用还处于过成熟早期阶段[39]。因此，研究区凝灰岩黏土矿物特征是储层低产的一个重要因素。

除此之外，笔者认为压实作用是凝灰岩储层低产的另一个重要因素。研究区深层凝灰岩储层受到压实作用影响，原生孔隙不发育，微观孔隙以溶蚀孔缝为主，连通性较差；通过物性分析判定为中孔-低渗型储层，孔渗关系不相匹配。以Ds80井凝灰岩为例，较浅部位(2 912.5～2 935.0 m)日产气达121.582 km3，较深部位(3 654.0～3 669.1 m)日产气降为0.173 km3，说明深层凝灰岩受压实作用导致储渗性能明显降低。

3 结论

1)德惠断陷营城组凝灰岩矿物成分主要为石英、长石和黏土矿物，火山灰偏中性；凝灰岩测井曲线呈“三高两低”的特征，即高声波时差、高自然伽马、高补偿中子、低密度和低电阻率。

2)凝灰岩储层原生孔隙所占比例不到20%，原生气孔以脱玻化孔为主，次生孔隙所占比例大于80%，包含溶蚀孔、溶蚀缝、压溶缝和构造缝。储层的主要储集空间类型为溶蚀孔和溶蚀缝，溶蚀孔主要以长石溶蚀孔和基质溶蚀孔为主，并且长石溶孔对储层孔隙的贡献高达35%～55%。因此，裂缝发育是形成凝灰岩优质储层的关键因素。

3)营城组凝灰岩储层为中孔-低渗型储层，在中浅部(尤其是构造高部位)地区易形成高产气层，较高的长石类矿物体积分数是形成凝灰岩储层的有利因素，利用测井曲线(补偿中子+密度)可有效预测凝灰岩储层。储层低产因素有两个：一是黏土矿物(尤其是伊蒙混层)体积分数较高，储层易发生敏感性和水锁现象；二是深部受压实作用影响，孔隙连通性差，孔渗关系不相匹配。