四川盆地元坝地区上二叠统海相凝灰沉积储层特征

向 芳，肖 倩，喻显涛，黄恒旭，朱 祥

（1.成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610059； 2.成都理工大学沉积地质研究院，四川 成都 610059； 3.中国石化勘探分公司，四川 成都 610041）

近年来，在日本、古巴、美国、新西兰和土耳其的一些沉积盆地及中国的鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地、酒泉盆地、渤海湾盆地、二连盆地和松辽盆地中相继发现了火山碎屑岩储层［1-16］，从而引发了对火山碎屑岩油气勘探的关注，以及火山活动对油气烃源岩、储层影响方面的研究［17-19］。2013年，三塘湖盆地马朗凹陷中二叠统条湖组二段火山碎屑岩储层的试油成功，证实了新的油藏类型——凝灰岩致密油藏的重要性，并开辟了三塘湖盆地油气勘探的新领域［20-21］。在四川盆地，2018年简阳地区的风险探井——永探1井测试获得22.5×104m3/d的高产气流，首次在四川盆地二叠系中发现了喷溢相火山碎屑岩气藏，实现了火山岩气藏勘探的重大突破［22］。近年在永胜1井二叠系爆发相火山角砾岩层段钻遇优质孔洞型储层，见气侵、放空，油气显示良好。在川北元坝地区，2018年钻遇元坝7井茅口组顶部夹沉凝灰岩储层的台缘浅滩碳酸盐岩储层，测得105.9×104m3/d的高产工业气流［23］。这些成果表明，四川盆地二叠系火山碎屑岩可能具有较大的勘探潜力。但是，对于四川盆地二叠系海相凝灰岩储层的研究，总体较为薄弱，对储层的孔-缝特征、成岩作用类型、储层控制因素方面的认识都相对不足，从而阻碍了四川盆地二叠系海相凝灰岩油气藏的勘探和开发。

基于此，本文利用薄片鉴定、扫描电镜和能谱分析、X射线衍射（XRD）分析和物性测试等手段，以川北元坝地区上二叠统含凝灰海相混积岩为研究对象，通过对岩屑和岩心的研究，讨论凝灰沉积的储层特征，从而为四川盆地二叠系海相凝灰沉积储层的勘探开发提供参考。

1 区域地质背景及样品测试

四川盆地属于扬子地台的次级构造单元，研究区位于四川盆地北部广元—巴中境内，在构造单元上属于龙门山断褶带、米仓山隆起带和大巴山断褶带所围限的川北低平褶带（图1）。海西晚期，受秦岭洋向川中古陆海侵影响，研究区二叠系沉积了厚约600 m的海相碳酸盐岩，形成了台地—台地边缘礁滩—斜坡—陆棚的沉积格局［23］。

图1 四川盆地构造简图及研究区位置Fig.1 Schematic map showing the tectonic background of Sichuan Basin and the location of the study area

研究区二叠系从下至上划分为下二叠统栖霞组、中二叠茅口组和上二叠统吴家坪组，其中茅口组从下至上可细分为茅一段、茅二段和茅三段，吴家坪组从下至上可细分为吴一段、吴二段和吴三段。本文研究的层段主要为上二叠统吴一段至吴二段，整体岩性为一套灰色-灰黑色灰岩夹泥岩、凝灰岩的组合类型（图2）。

由于研究区钻井取心的限制，样品主要为岩屑样，因此本文以位于碳酸盐台地相带元坝2井、碳酸盐斜坡相带元坝3井、元坝6井岩屑样为参考的基础上，重点针对碳酸盐斜坡相带元坝7井中凝灰成分含量较高、深度6 934.72～6 936.75 m的取心段进行研究，共采集岩心样品18件。样品的普通薄片和铸体薄片鉴定在成都理工大学沉积地质专业实验室完成，扫描电镜和能谱分析、岩石物性测试在成都理工大学油气藏勘探与开发重点实验室完成，XRD分析在中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所实验研究中心完成。

2 凝灰沉积的岩石学特征

2.1 宏观特征

岩心中凝灰沉积常常成浅灰色纹层，与深灰色、灰黑色有机质泥岩、炭质泥岩形成纹层状互层，构成韵律层理，纹层厚度一般在0.1～10.0 mm变化（图2b，c，e），总体构成100～200 mm厚的沉积体，夹于生物灰岩、泥灰岩之中（图2a）。测井曲线中，凝灰层段出现LLD（深侧向电阻率值）和LLS（浅侧向电阻率值）相对较低（3～10 Ω·m），而GR（自然伽马值）和KTH（无铀伽马值）相对较高特征（GR＞75 API，KTH在75 API左右）。岩心中局部可见椭圆形、不规则状岩屑，孤立状分布或出现在正粒序层理下部（图2b，d）。局部可见凝灰质富集层中出现小型砂纹层理。偶见同生小型逆断层将富炭质或有机质纹层明显断开（图2e）。

图2 四川盆地元坝7井茅三段—长一段地层特征及岩心样采样部位和特征Fig.2 Stratigraphic characteristics of the 3rdmember of Maokou Formation to the 1stmember of Changxing Formation，sampling locations and characteristics of cores from Well Yuanba 7，Sichuan Basin

对岩屑普通薄片，岩心铸体和茜素红-铁氰化钾混合溶液染色薄片鉴定发现，4口钻井含有凝灰沉积的层段中，凝灰成分多与具有木质结构的炭屑（图3a）、有机质泥（图3b）、白云石和铁白云石（图3c—e）、黄铁矿和少量钠长石（图3c）、方解石共生，成分分布不均匀。凝灰成分包括4种类型，粒径小于0.005 mm的火山尘（图3f—h），粒径大于0.005 mm的岩屑（图3f，i，j）、晶屑（图3f—h，k）和玻屑（图3b，d，e，l）。岩屑的粒径一般大于0.050 mm，最大可达0.500 mm，圆状为主，可见不规则状，成分为流纹岩、凝灰岩岩屑和玻璃质岩屑。晶屑以石英晶屑为主、见少量长石晶屑和云母晶屑，常呈棱角状、碎裂状，粒径在0.100～0.050 mm。玻屑粒径在0.100～0.050 mm，很少见鸡骨状、月牙状等刚性破裂形状，常见塑性玻屑的挤压或者拉长变形。

图3 四川盆地凝灰沉积显微特征Fig.3 Microscopic features of tuffaceous deposits in the Sichuan Basin

岩心薄片鉴定结果表明（表1），含有凝灰质的层段中，火山碎屑的含量在10.00%～32.00%，平均为22.25%，碎屑粒径绝大多数小于2.000 mm，且以玻屑为主；其次可见5.00%～30.00%的有机质，14.00%～50.00%的白云石，5.00%～35.00%的炭屑，4.00%～8.00%的石膏、5.00%～20.00%的黄铁矿。局部层段含有40.00%左右的泥质和5.00%～60.00%的方解石，少量钠长石交代生屑和凝灰，含量约1.00%～4.00%。在灰岩层段中见含量约6.00%～20.00%的自生石英，交代生屑为主。

表1 四川盆地元坝7井岩心薄片成分鉴定结果Table 1 Rock components determined by thin section observation for cores from Well Yuanba 7，Sichuan Basin

扫描电镜和能谱研究显示（图4；表2），凝灰沉积整体成层性较好（图4a），可见碎屑来源和自生成因的粘土矿物（图4b—e），主要为伊利石和伊/蒙混层。并可见长石、石英晶屑及炭屑（图4f—h），以及自生成因的（铁）白云石（图4b）、石膏（图4i）、黄铁矿和方解石。

表2 四川盆地元坝7井岩心样品典型成分能谱数据Table 2 EDS data of typical compositions of core samples from Well Yuanba 7，Sichuan Basin

图4 四川盆地元坝7井吴一段岩心样品扫描电镜特征Fig.4 SEM features of core samples from the 1stmember of Wujiaping Formation in Well Yuanba 7，Sichuan Basin

岩心样品全岩XRD分析结果表明（表3），样品中碳酸盐矿物总体可达13.0%～22.1%，其中绝大部分为白云石，少量为方解石，极少量菱铁矿。样品中粘土含量较高，可达43.2%～47.2%。粘土矿物的XRD结果表明（表4），粘土矿物主要为伊/蒙混层粘土，含量高达72.0%～74.0%，其次为伊利石，含量为26.0%～28.0%，不见高岭石和绿泥石。

表3 四川盆地元坝7井全岩XRD分析结果Table 3 Analytical results of bulk-rock samples by XDR from Well Yuanba 7，Sichuan Basin

表4 四川盆地元坝7井粘土矿物XRD分析结果Table 4 Analytical results of clay minerals by XDR from Well Yuanba 7，Sichuan Basin

从薄片鉴定和XRD分析结果来看，大部分岩石中白云石含量较高，但薄片和扫描电镜观察结果表明，粉晶以上的白云石（特别是铁白云石）为后期交代成因，局部仍保留有交代后残余的凝灰成分（图3d，e，j），表明大部分白云岩的原岩为凝灰岩。

参照曾允孚和夏文杰［24］、孙善平等［25］的火山碎屑岩分类命名原则，将研究区中凝灰沉积划分为3大类：凝灰岩、沉凝灰岩和凝灰沉积岩。

凝灰岩为凝灰成分多于75%的岩石（图3f—l，图5a—c）。根据碎屑颗粒的成分可分为：晶屑凝灰岩、岩屑-晶屑凝灰岩（晶屑-岩屑凝灰岩）、玻屑凝灰岩、玻屑-岩屑凝灰岩和凝灰岩（颗粒细小，不能进行具体碎屑颗粒成分鉴定的类型）。同时该岩石类型还包括发生了次生变化，但可以推测出原岩为凝灰岩的岩石类型（3d，j），包括：凝灰质中-细晶云岩（原岩为晶屑-岩屑凝灰岩）、凝灰质泥岩（原岩为粘土化玻屑凝灰岩）、含炭凝灰质不等晶云岩（原岩为含炭玻屑-岩屑凝灰岩）、含灰含有机质凝灰质云岩（原岩为含有机质晶屑-玻屑凝灰岩）、凝灰质中-细晶云岩（原岩为岩屑凝灰岩）和含膏凝灰质细晶云岩（原岩为岩屑凝灰岩）。

沉凝灰岩为凝灰成分在50%～75%的岩石，根据成分划分为：含炭含钙晶屑凝灰岩、含云晶屑-岩屑凝灰岩、含膏含炭云质玻屑凝灰岩、含有机质含云岩屑凝灰岩、有机质泥质凝灰岩和含云有机质凝灰岩。

凝灰沉积岩为凝灰成分少于50%的岩石类型，可细分为凝灰质沉积岩（凝灰成分为25%～50%），包括：含炭凝灰质微晶灰岩、含有机质含硅含凝灰生屑灰岩、凝灰质有机质微-粉晶云岩；含凝灰沉积岩（凝灰成分为10%～25%），包括：含凝灰有机质泥岩、含凝灰泥岩、含有机质泥含凝灰粉晶灰岩和含凝灰炭质微粉晶云岩。

2.2 结构和微观构造特征

在定向岩石大薄片中（图5），可显示出明显的粒度变化特征：下部（图5a—c）主要为玻屑-岩屑凝灰岩，可见海百合、双壳或腕足等生物碎屑与岩屑、玻屑共生。岩屑主要为早期形成的凝灰岩的破碎产物，主要成圆状或椭圆状，粒径可达1 cm。岩屑和生屑定向性明显，其长径与层面平行。中部（图5d—g）火山碎屑的粒度变细，岩屑和生屑变少，主要为玻屑，含少量晶屑和岩屑。局部出现富凝灰的团块，黄铁矿化明显。火山碎屑水平定向明显，构成不规则纹层，偶见生屑垂直纹层分布。上部（图3h）纹层明显，出现多个富凝灰层（玻屑为主）和富炭屑层互层，局部出现富黄铁矿团块。顶部纹层密集，炭屑富集成层（图5i）。

图5 四川盆地元坝7井吴一段埋深6 935.22 m凝灰沉积定向大薄片显微特征（采样位置及特征见图2a，b）Fig.5 Microscopic features of tuffaceous deposits by oriented large thin section observation in the 1stmember of Wujiaping Formation at a burial depth of 6 935.22 m in Well Yuanba 7，Sichuan Basin（see Fig.2a，b for the sampling location and features）

3 孔、缝特征

铸体薄片中，凝灰层段孔隙较为发育，且多为铸模孔。根据孔隙棱角状和不规则状的外形（图6a—c），推测主要为火山碎屑溶蚀的产物。其次可见炭屑中的原生孔（图6d，e）、凝灰岩中的气孔（图6f）和极少量白云石中的溶孔（图6g）。裂缝较为发育，一般为顺层缝（图6h），其次可见少量网状和斜交层理的裂缝（图6i）。

薄片中孔缝鉴定结果表明（表5），薄片中总面孔率为1.0%～11.0%，孔隙孤立状，连通性较差。最主要的孔隙为凝灰溶蚀形成的铸模孔，面孔率最高可达10.0%左右，其次为炭屑中原生孔，局部层段可达5.0%，而白云石溶孔的面孔率一般在0.5%～2.0%。薄片中，裂缝的面缝率在0.5%～10.0%。

扫描电镜下，炭屑的原生孔常见，但多为残余状，被黄铁矿和粘土充填（图7a，b）。火山碎屑溶蚀形成不规则或圆形外形的铸模孔（图4d），局部有粘土矿物残留或充填。可见铁白云石表面形成纳米级微孔（图7c），常见混积粘土矿物和凝灰成分粘土化形成的晶间孔（图7b，d），局部可见混积有机质中的微孔（图7e）。顺层裂缝较为发育，常与粘土矿物集合体的定向方向一致（图7f）。

岩心样品物性测试数据表明（表6），岩石的孔隙度为2.64%～11.60%，渗透率为（0.000 11～0.015 50）× 10-3μm2，为超低渗储层，对比表5和表6发现，渗透率相对高值层位与薄片中裂缝面缝率相对高值层位吻合，且渗透率与孔隙度有一定的相关性，表明孔隙度大的样品相对渗透率更高。

表5 四川盆地元坝7井铸体薄片中的储集空间特征Table 5 Reservoir space characteristics shown by casting thin section observation from Well Yuanba 7,Sichuan Basin

表6 四川盆地元坝7井岩心样品压汞孔、渗值Table 6 Porosity and permeability values obtained by MIP test of the cores from Well Yuanba 7，Sichuan Basin

4 主要成岩作用类型及成岩序列

研究结果表明，研究区凝灰沉积发生的主要成岩作用包括5种类型。①重结晶作用：表现为玻屑脱玻化，形成霏细结构（图3b）；早期泥质杂基重结晶形成伊利石和伊/蒙混层（图4d）。②胶结作用：主要表现为火山尘胶结火山碎屑（图3f—h），形成凝灰岩。③交代作用：可见（铁）白云石、黄铁矿和粘土矿物交代岩屑和玻屑（图3d，图3i，图4c，图4d，图8a）；钠长石和白云石交代生屑（图3c，图5a）。④溶蚀作用：岩屑和玻屑被溶蚀，形成粒内溶孔和铸模孔（图4d，图6a—c）；白云石表面形成微溶孔（图6g，图7c）。⑤充填作用：表现为白云石、石膏、粘土矿物和黄铁矿充填炭屑原生孔（图6d，图6e，图7a）；白云石、石膏充填有机质形成的裂缝（图5i）；溶孔中发生石膏、方解石和（铁）白云石充填（图6b，图8f）。其中，白云石、粘土矿物和黄铁矿的交代作用，火山尘胶结作用和溶蚀作用是主要的成岩作用类型。石膏的充填和交代作用、方解石充填作用局部较为发育，其他作用类型相对较为少见。

图6 四川盆地元坝7井铸体薄片中显微孔、缝特征Fig.6 Micrographs showing the pore and fracture features on casting thin sections from Well Yuanba 7，Sichuan Basin

图7 四川盆地元坝7井吴一段岩心中扫描电镜下的孔、缝特征Fig.7 Pore and fracture features on SEM images of cores from the 1stmember of Wujiaping Formation in Well Yuanba 7，Sichuan Basin

图8 四川盆地元坝地区吴一段—吴二段凝灰沉积主要成岩作用和成岩序列Fig.8 Micrographs showing the major diagenetic modifications and diagenetic sequences of the tuffaceous deposits in the 1stand 2ndmembers of Wujiaping Formation，Yuanba area，Sichuan Basin

通过薄片和扫描电镜中各种成岩作用形成产物的先后关系，获得研究层段主要成岩研究序列的证据如下：

1）10 μm大小的黄铁矿自形晶集合体普遍可见，并可直接生长在炭屑之上，或充填炭屑中的原生孔（图8a）；

2）交代生屑和火山碎屑或充填溶孔的钠长石被（铁）白云石交代（图8b，c）；

3）脱玻化和粘土化凝灰质被（铁）白云石交代（图8d，e）；

4）凝灰中溶蚀的铸模孔被（铁）白云石充填（图6b）；

5）有机质中形成的裂缝被白云石和石膏充填（图 3i）；

6）粗晶方解石交代钠长石和（铁）白云石，可见残余斑块状铁白云石（图8f）。

因此，成岩序列为：首先是黄铁矿形成、凝灰质脱玻化和粘土化；其次为钠长石充填孔隙和交代生屑；再次为（铁）白云石交代凝灰质、钠长石和充填溶孔；最后出现石膏和方解石。由于溶孔中主要充填了钠长石和（铁）白云石以及少量自生粘土，说明溶蚀作用发生在凝灰质脱玻化和早期粘土化作用之后，钠长石和（铁）白云石出现之前。

5 凝灰沉积储层控因讨论

凝灰沉积的孔隙特征表明，研究层位中的孔隙可以分为两种尺度类型。①微米级：主要为凝灰成分形成的溶孔，大小约10～50 μm。其次为炭屑中的原生孔、凝灰岩中的气孔和极少量白云石中的溶孔。②纳米级：主要为原生和次生粘土矿物间的晶间孔；其次为有机质中的微孔、白云石表面的小溶孔。薄片鉴定结果表明（表5），凝灰成分溶蚀形成的铸模孔和粒内溶孔是最重要的孔隙类型，但这些孔较为孤立，连通性较差。扫描电镜下，纳米级粘土矿物的晶间孔发育，但这些微孔分布在伊利石或伊/蒙混层粘土矿物之间，连通性较差。但是，薄片和扫描电镜特征均表明，岩石中裂缝，特别是顺层缝发育，裂缝既可以成为储集空间，同时也是油气运移的有效通道，因此较高的裂缝面缝率对于提高岩层的储集性具有重要的作用。而混积泥质和粘土化产物的定向性，以及凝灰沉积中发育的纹层可能是造成顺层缝发育的重要原因。

研究层段中，造成孔、缝减少的主要原因是充填作用，薄片和扫描电镜的研究均表明，溶孔和裂缝中的主要充填物是（铁）白云石和石膏，其次为黄铁矿、粘土矿物和少量方解石。郭欣欣等［26-27］通过CO2流体和碱性地层水对火山碎屑岩改造作用的实验研究证实，CO2流体对火山碎屑的溶蚀更有效。自生石膏的形成与含有H2S的酸性热液先期溶蚀火山物质析出钙离子有密切关系［28］。同时，薄片鉴定发现具有波状消光特征的白云石存在（图8d），全岩XRD表明岩石中存在重晶石，而钠长石化作为热水沉积的标志性矿物在海底热液成岩作用中普遍可见，是海底热液与海水混合后的产物［29］。因此，本文认为，酸性热液是造成凝灰物质发生溶蚀的原因，并且由于水-岩反应的结果，热液后期变为碱性，从而造成（铁）白云石、石膏和少量钠长石、重晶石的充填和交代。前人的研究认为［30-33］，火山碎屑岩中的伊/蒙混层粘土是火山灰在碱性成岩条件下形成的产物。通过Deconinck等对研究区以西广元朝天剖面中、晚二叠世/早三叠世钾质斑脱岩的研究发现，其成岩温度达到180℃［33］，而研究区伊/蒙混层中蒙脱石的含量为10%，按照碎屑岩成岩阶段划分行业标准（SY/T 5477—2003）可知岩石的成岩温度到达140～175℃。由此可见碱性热液环境有利于伊利石或伊/蒙混层粘土的形成和保存，因此对粘土矿物中纳米级晶间孔的具有一定贡献。

6 结论

1）四川盆地元坝地区上二叠统的海相凝灰沉积主要包括3大类：凝灰岩、沉凝灰岩和凝灰沉积岩。其中，凝灰岩包括岩屑凝灰岩、晶屑凝灰岩、玻屑凝灰岩及其过渡类型，同时，由于成岩后生作用强烈，可形成多种次生岩石类型。沉凝灰岩和凝灰沉积岩主要为凝灰与粘土矿物、有机质、方解石等混积形成的岩石类型。

2）凝灰层段主要的成岩作用包括5种类型：重结晶作用、胶结作用、交代作用、溶蚀作用和充填作用。其中，白云石、粘土矿物和黄铁矿的交代作用，火山尘胶结作用和溶蚀作用是主要的成岩作用类型。

3）主要孔隙类型包括炭屑中的原生孔、凝灰岩中的气孔、泥质沉积中粘土矿物晶间孔、凝灰成分溶蚀孔、凝灰成分粘土化形成的晶间孔、有机质中的微孔、白云石溶孔，薄片中总面孔率为1.0%～11.0%。微米级凝灰成分溶蚀孔和纳米级自生粘土矿物晶间孔构成主要的储集空间。凝灰层段中裂缝较为常见，薄片裂缝面缝率为0.5%～10.0%，裂缝对于改善凝灰质储层的储-渗性非常重要，而混积泥质和自生粘土的定向性以及凝灰沉积中发育的纹层有利于顺层缝的形成。

4）热液作用对储层的形成具有重要控制作用：酸性热液造成凝灰物质发生溶蚀，对微米级溶蚀孔的形成具有重要作用。水-岩反应后形成的碱性热液造成（铁）白云石、石膏和少量钠长石、重晶石的充填和交代，造成部分原生孔和溶孔减少。同时碱性热液又有利于伊利石或伊/蒙混层粘土的形成和保存，从而对纳米级晶间孔的形成具有贡献。

致谢：该研究得到了中国石油化工股份有限公司勘探分公司专家和同行的指导和帮助，在此致以衷心的感谢。