李 想 付 磊 纪宝强 谢 磊张金龙 李 虎 秦启荣
(1.中国石油新疆油田公司石西油田作业区 新疆克拉玛依 834000;2.西南石油大学地球科学与技术学院 成都 610500)
火山岩储层是一种典型的非常规油气储层,在全球超过13 个国家/地区的40 余个盆地均获得了规模性储量及工业油气流,成为全球非常规油气资源的一个重要领域(唐华风等,2020)。根据火山岩储层特征及控制因素,一般将其分为原生和次生(改造)两类,原生型火山岩储层受控于自身的火山作用,如火山机构、火山旋回、岩性岩相等(Chen et al.,1999;Feng et al.,2008),次生型储层除了受自身火山作用外,更多与后期地质改造作用有关,如风化淋滤、构造及溶蚀作用等(孟凡超等,2021)。我国学者经过多年的科研攻关实践,特别是自2007 年以来,在火山岩油气藏研究领域中取得了显著的科研成果,总体上集中于火山岩储层特征、控制因素、形成机理及分布特征等,建立了与之配套的多种技术方法。原生型火山岩储层主要位于我国中部和东部地区,以松辽盆地和渤海湾盆地为代表,次生型火山岩储层主要位于西部的准噶尔盆地。克拉玛依油田是我国较早发现并实现火山岩油气商业开发的地区,自1980 年以来,继九区古13 井在安山岩中发现油气之后,随后在红山嘴、五区、七区、八区、车排子、石西、湖湾区等地区发现的火山岩油气藏已达40 多个,充分证实了火山岩油藏在准噶尔盆地的勘探开发潜力(衣健等,2016;孔垂显等,2017,2018;牛海瑞等,2017)。近年来,国内学者重点对车排子凸起(李学良等,2017;汪勇等,2018;魏嘉怡等,2018;李竹强等,2019;孟凡超等,2021)、中拐凸起(仲伟军等,2016;范存辉等,2017;张啸等,2019;李佳思等,2020;邹妞妞等,2021)、哈山地区(于洪洲等,2019a,2019b)等火山岩储层进行了深入的研究,有效地指导了准噶尔盆地火山岩的油气勘探。其研究思路基本为以火山岩岩性岩相着手,系统的开展储层空间类型及特征、孔隙结构、物性特征等研究,明确储层发育的控制因素及形成机理,并探讨火山岩储层的分布规律。整体而言,风化壳火山岩储层孔隙空间以原生、次生孔隙及裂缝为主,又可以分为多个亚类和小类,物性较差,储层主要受岩性岩相、挥发分逸出作用、风化淋滤作用、裂缝(断裂)以及多成因的复杂叠加作用有关,储层的分布与埋深、岩性岩相、火山地层单元、不整合面(喷发间断或构造不整合面)等有关。
石西油田石炭系火山岩油藏自1992 年石西1 井的发现以来,目前已建成了整装的现代化沙漠油气田,探明区石炭系已累计产油400 余万吨,地质储量采出程度仅10%。整体而言,该区石炭系地层构造复杂(小断裂发育,产状变化快),岩性复杂(有效厚度非均质,油水过渡带不均一),使得含油井段多,油层厚度变化大,试油效果差异大,平面上油藏开发程度不均,再加上受到异常高压、裂缝发育、底水活跃等因素的影响,制约了该油藏的高效开发。近年来,我国仅少数几位学者对该区油藏地质特征进行了相关探讨,主要涉及单井火山岩储层特征、原生气孔特征、构造样式等(马立民等,2013;张勇等,2013;李虎等,2017;李玉玺,2019;李治,2019;邹阳等,2020)。这些研究成果和认识一定程度上指导了该油田前期的勘探开发,随着勘探开发步伐的加快,研究区扩边需求强烈但效果不一,急需在最新三维地震资料下开展有利区带的优选。因此,强化该区火山岩储层特征及成藏规律的认识,厘清有利储层的影响因素,对于提高扩边开发井的成功率和油田整体的经济效益具有积极意义。
石西油田地理位置处于新疆克拉玛依市,构造上位于准噶尔盆地腹地的石西凸起,南、北、东面分别与盆1 井西凹陷、三南凹陷、滴水泉凹陷相邻,展现出“三面邻凹”的有利地质条件(李虎等,2017;李玉玺,2019;李治,2019)。研究区整体可分为3 个凸起两个凹槽5 个构造单元,从西往东依次为石西1 井凸起、石西1 井南凹槽、石西4 井南凸起、石莫1 井西凹槽及石莫1 井凸起(图1)。其中石西1 井凸起石炭系已基本探明,油气资源最丰富,整体形态为一受石西2 井北断裂、石002 井西断裂及石西1 井南断裂夹持的三角形垒块,其内部可进一步划分为东垒块、西掉块和北断阶3 个次级构造单元(图1)。研究区地层层序正常,钻遇地层最老为石炭系火山岩(C),二叠系仅存乌尔禾组(P2w),三叠系百口泉组(T1b)、克下组(T2k1)、克上组(T2k2)、白碱滩组(T3b),侏罗系八道湾组(J1b)、三工河组(J1s)、西山窑组(J2x),白垩系吐谷鲁组(K1t)(图2)。石炭系火山岩之上沉积了巨厚的陆相碎屑岩,厚度约4 000~4 500 m。其中石炭系以火山岩为主,岩性为浅灰绿色角砾岩、安山岩、集块岩,底部为一套灰色的玄武岩(李玉玺,2019;李治,2019)。
图1 石西油田区域构造位置(a)及石炭系顶面构造图(b)Fig.1 Regional tectonic location(a)and Carboniferous top structural map(b)of Shixi Oilfield
图2 石西油田地层综合柱状图Fig.2 Comprehensive stratigraphic histogram of Shixi Oilfield
石炭系火山岩为一个完整的喷发序列,包括熔岩、普通火山碎屑岩和过渡岩3 大类,其中熔岩占钻揭地层厚度的53%左右,在地层中最为发育(毛凯兰,2017)。熔岩类主要包括安山岩、流纹岩、英安岩和玄武岩,条带状熔岩在研究区比较常见,玄武岩仅在石西2 井可见。普通火山碎屑岩类以集块岩、集块角砾岩、火山角砾岩、角砾凝灰岩为主,以集块岩和集块角砾岩发育最广,角砾主要为安山质成分。过渡岩主要为英安岩和安山质过渡岩,英安质具有弱熔结角砾结构,安山质具有角砾熔岩结构,其中火山碎屑物占20%~75%左右。整体而言,研究区主要岩性为集块岩、条带状熔岩、角砾熔岩和致密凝灰岩,总占比超过84%(图3)。
图3 石西石炭系火山岩岩性分布直方图Fig.3 Lithology distribution histogram of Carboniferous volcanic rocks in Shixi Oilfield
研究区火山岩岩相可分为爆发相和溢流相两种,以溢流相为主(毛凯兰,2017)。爆发相的岩体规模比较小,相带窄,岩相变化快,很难形成大规模的火山岩储集体,溢流相以分布在爆发相的外围为主,是研究区油气储集的有利相带。石炭系火山岩自下而上可分为A、B、C 三段,其分布特征主要为:
A 段:以基性—中基性岩为主,岩性为溢流相的玄武安山岩和玄武岩,分布范围窄,主要分布在石西1 井、2 井的下部,SH1004、SH1104、SH1020 和SH1019 等井连线一带。
B 段:为中性岩段,纵向呈两段式分布,上部以溢流相安山岩为主,下部主要为爆发相的安山质火山角砾岩。平面上,溢流相和爆发相分布范围差异大,溢流相位于SH1110—石西1—SH1012 井连线以南一带,爆发相位于研究区东北部的石001—石004 井区。自爆发相往溢流相方向,岩性岩相逐渐过渡为爆发—溢流相的安山质角砾熔岩。
C 段:以中酸性岩为主。爆发相的英安质火山角砾岩区转移到研究区西北的石001—石019 井区一带,爆发相安山岩和流纹岩区,溢流相的安山质角砾熔岩环绕爆发相区分布。
根据岩性岩相特征可知,石炭系火山活动比较活跃而且具有多期性的特点,溢流作用和爆发作用交替变换,反映出由基性岩浆到中酸性岩浆演变的过程。石西1、石西2 井是石西地区钻揭的火山岩最全,岩相连续性较好的两口井,并且岩性和岩相具有较好的对应关系。
孔隙和裂缝是石炭系火山岩储层最主要的储集空间类型。其中,孔隙包括原生孔隙和次生孔隙,以后者对于油气的储集更有意义(秦小双等,2012;于洪洲,2019a;Li,2022)。原生孔隙以原生气孔、晶间孔为主,但这类孔隙往往单独出现,虽提高了储层的孔隙度,但油气的运移受阻。原生气孔指的是岩浆喷出地表冷凝后,其挥发组分散失后留下的孔隙,多为圆形、椭圆形,主要发育在熔岩流的底部和顶部(图4a、图4b);晶间孔主要指石英、长石等矿物晶体颗粒内部的孔隙,形状不规则,孔隙的大小与颗粒的大小多成正相关关系(图4c)。次生孔隙以各类溶蚀孔隙为主,如基质溶孔、砾间溶孔、晶间溶孔、砾间和砾内溶孔等,这类孔隙是矿物被溶蚀后的产物,往往边界不清楚,形状极不规则(图4d~图4f)。
裂缝不仅可以提供储集空间,还能沟通那些孤立的孔隙,从而有效地改善储层渗流能力(苏培东等,2011)。根据岩心及薄片观察,石炭系储层裂缝主要包括构造裂缝、冷凝收缩缝、砾间缝、溶蚀缝等,以构造裂缝最发育(张兴勇,2021)。构造裂缝是在构造应力作用下形成的,其分布范围广,且具有规律性。根据力学性质,可将构造裂缝分为剪切裂缝和张性裂缝,以剪切裂缝为主,其特征与张裂缝具有明显的差异性,表现为分布规律性强、延伸长度远、方向性明显、穿层性强、裂缝面平直等特点(李虎等,2017)(图4g、图4h),这些不同成因的裂缝可以将原生孔隙、次生孔隙沟通,在镜下表现得更加明显(图4i、图4j)。研究区火山岩储集空间往往与微裂缝组合而成,形成溶蚀—裂缝孔隙。根据岩心观察,本次统计了石炭系火山岩裂缝的发育特征参数,裂缝宽度一般在2.5~63.1 μm 之间(图5a),属中等缝,部分缝内充填绿泥石、方解石和硅质等,高角度裂缝充填程度明显低于水平和低角度裂缝;大部分裂缝倾角在60°~86°之间,平均大于72°,即主要为高角度和直立裂缝(图5b);裂缝密度主要集中在1.6~16 条/m(图5c)。
图4 石西油田石炭系火山岩储层储集空间类型及特征a.石003 井,4 370 m,安山岩,半充填气孔,椭圆形;b.石006 井,4 392.37 m,安山岩,气孔边缘荧光,椭圆形;c.石004 井,4 382 m,晶间孔;d.石005 井,4 464.22 m,流纹质英安岩,角砾间溶孔;e.石西2 井,4 604 m,安山岩,基质中溶孔;f.石007 井,4 383 m,安山岩,粒内溶孔;g.石002 井,4 463.00~4 463.88 m,互相平行的剪切缝;h.石003 井,4 405.00~4 405.20 m,剪切缝;i.石013 井,4 421.00~4 421.10 m,剪切缝;j.石006 井,4 371.48 m,安山岩,微裂缝Fig.4 Types and characteristics of reservoir space of Carboniferous volcanic rocks in Shixi Oilfield
图5 石西油田石炭系火山岩裂缝发育程度a.裂缝宽度;b.裂缝倾角;c.裂缝密度。Min.最小;Max.最大;Ave.平均Fig.5 Fracture development degree of Carboniferous volcanic rocks in Shixi Oilfield
裂缝的发育主要受岩性岩相、构造位置及古地貌的控制,具体表现为:爆发相的火山角砾岩裂缝发育程度明显低于溢流相的熔岩,集块岩、角砾熔岩、条带状熔岩裂缝密度较大,安山质角砾岩和角砾凝灰岩裂缝密度最低;由于构造作用的影响,在背斜长轴方向、古潜山构造高点以及距离断裂一定范围内裂缝密度较大,而相对平缓的区域则密度较小,证实了研究区以构造裂缝为主;古地貌主要通过影响风化淋滤作用控制裂缝的发育,在古地貌的低幅残丘和陡坡单元及其周边,单井裂缝厚度(超过60 m)明显大于位于洼地单元的井(李虎等,2017)。
根据最新的地震资料解释成果,结合岩心观察及单井裂缝密度数据,利用加强相干技术(AFE)对石炭系构造裂缝进行预测。从单井的验证结果可以看出,角度较大的裂缝更易容易识别;在平面分布上,开发井所在的西北方整体裂缝发育,为重要的裂缝发育带,另外研究区中部和东南部也存在两个裂缝发育带(图6)。裂缝的发育带与裂缝的影响因素、油气产能大小具有较好的对应性。
图6 石西油田石炭系顶界火山岩裂缝相干预测结果Fig.6 Results of coherent fracture prediction of Carboniferous volcanic rocks in Shixi Oilfield
根据压汞资料分析结果,石炭系火山岩平均孔喉半径在0.04~1.90 μm 之间,总体表现为细喉、微喉,这是造成储层基质渗透率低的主要原因。将石炭系油藏毛管压力曲线分为以下4 类。
Ⅰ类:是石炭系火山岩最优质的孔隙结构类型,岩性主要为英安岩。毛管压力曲线呈单峰型,平台明显,孔喉分选性好(图7a)。孔喉半径主要位于0.293~1.800 μm,占比近70%,最大孔喉半径和中值孔喉半径分别为1.800 μm 和0.594 μm,孔喉具有较好的连通性,视退汞效率59%。
Ⅱ类:是石炭系火山岩一般的孔隙结构类型,岩性主要为安山质火山角砾岩。毛管压力曲线呈单峰型,无明显的平台,孔喉分选性一般(图7b)。孔喉半径主要位于0.293~1.900 μm,占比44%,最大孔喉半径和中值孔喉半径分别为1.900 μm 和0.272 μm,孔喉连通性一般,比Ⅰ类孔隙结构差,视退汞效率33.6%。
Ⅲ类:是石炭系火山岩较差的孔隙结构类型,岩性主要为英安岩。毛管压力曲线无平坦段,孔喉分选性较差(图7c)。孔喉半径主要位于0.293~1.600 μm,占比19%,最大孔喉半径和中值孔喉半径分别为1.600 μm 和0.062 μm,孔喉连通性较差,视退汞效率24.7%。
Ⅳ类:是石炭系火山岩最差的孔隙结构类型,为非储层,岩性主要为致密凝灰岩。毛管压力曲线无明显平台,排替压力高,孔喉半径小,孔喉分选性差(图7d)。孔喉半径主要位于0.293~1.600 μm,占比19%,最大孔喉半径和中值孔喉半径分别为1.6 μm和0.062 μm,孔喉连通性较差,视退汞效率24.7%。
图7 石西油田石炭系火山岩油藏典型毛管压力曲线a.Ⅰ类;b.Ⅱ类;c.Ⅲ类;d.Ⅳ类Fig.7 Typical capillary pressure curve of Carboniferous volcanic rocks in Shixi Oilfield
石炭系火山岩储层物性资料统计分析,具有一定储集能力的岩性岩相多分布在中、酸性火山岩中。不同岩性火山岩储集能力差异明显(李伟等,2010)(表1),本次统计了主要岩性(角砾熔岩、条带状熔岩、集块岩、致密凝灰岩等)的物性特征(图8)。致密凝灰岩物性最差,64%的岩样孔隙度为4.0%~10.0%,渗透率主要分布在0.03×10-3μm2~0.63×10-3μm2之间;集块岩的孔隙度分布范围为9.0%~18.0%,占比75%,渗透率主要分布在0.10×10-3μm2~2.51×10-3μm2之间,占比80%;条带状熔岩的孔隙度分布范围为9.0%~20.0%,占比75%,渗透率主要分布在0.04×10-3μm2~1.0×10-3μm2之间,占比90%;角砾熔岩的孔隙度分布范围为9.0%~16.0%,占比60%,渗透率分布在0.03×10-3μm2~3.98×10-3μm2之间,占比80%。
表1 石西油田石炭系油藏火山岩岩性与物性参数分析表Table 1 Analysis of lithology and physical parameters of Carboniferous volcanic rocks in Shixi Oilfield
图8 石西油田石炭系火山岩主要岩性物性分布a~d.分别为角砾熔岩、条带状熔岩、集块岩、致密凝灰岩的孔隙度分布;e~h.分别为对应的渗透率分布Fig.8 Physical property distribution of main lithology of Carboniferous volcanic rocks in Shixi Oilfield
已有研究证实(李治,2019;于洪洲,2019b),研究区二叠系风城组烃源岩生油高峰为三叠纪。石炭系部分区域在中三叠世前已经接受了二叠纪、早三叠世的沉积,但仅限于构造低部位,因此风城组烃源岩已经生成的油气虽可以运移至石炭系地层,但难以保存和聚集成藏,这与现今石001、石002、石005 等井发现的沥青相对应,证实了这一时期油气的运移过程。在侏罗纪时,二叠系乌尔禾组烃源岩进入生油高峰,石炭系火山岩已覆盖了晚三叠世较厚的湖相泥岩,对于油气的保存具有积极意义,使得这一套烃源岩生成的油气聚集于石炭系火山岩储层中,是石炭系火山岩的第一期成藏。在中-晚侏罗世对应的燕山构造运动作用下,研究区形成了以侏罗纪—三叠纪的褶皱、断裂为主的构造,已形成早期的石炭系油藏遭到破坏,沿着这些深浅层断裂运移至侏罗系,形成了侏罗系的次生油气藏。到白垩纪后,研究区构造活动已变的十分微弱,原已形成的圈闭得以保存,并最终形成了现今的石炭系油藏,即对应的研究区第二期成藏。因此,研究区石炭系火山岩展现出“两期成藏”的特征,油源主要为盆1 井西凹陷二叠系乌尔禾组烃源岩。
研究区石炭系火山岩储层储集空间主要为裂缝—溶蚀孔隙,无裂缝几乎无法形成有效空间,储集物性最好的地区为古潜山火山岩主体部位。石炭系火山岩裂缝—孔隙型储集体属深层(中部埋深平均为4 385.7 m)、孔隙中等(孔隙半径平均28.28 μm)、喉道微细(喉道半径平均为0.093~0.328 μm)、渗透率低、非均质性强等特征。
研究区在早泥盆世—石炭纪岛弧火山岩发育,广泛分布钙碱性火山岩。石炭纪—二叠纪早期活跃的断裂—火山活动,奠定了陆梁隆起内部构造格局,此时,研究区所处的陆南凸起整体呈现抬升的状态,二叠—早三叠世在高部位缺失,而在南北的凹陷和凸起的低部位沉积了厚度差异较大的沉积物。在这个时期,全盆地处于填平补齐阶段。晚三叠世,全盆地整体下降,进入泛盆沉积时期,在整个陆南凸起上普遍覆盖了厚>200 m 的上三叠统暗色湖相泥岩,成为该区一套厚度较大、分布稳定的区域性盖层。因此,三叠系百口泉组为研究区广泛发育的盖层。
研究区位于石西凸起与滴南凸起结合部,具备三面邻凹的特点,是油气向石西、石南、陆梁等油气田运移的必经之路。整体而言,研究区北部环三南凹陷石炭系井石西3、石南4、夏盐1 等井均无成藏,三南凹陷生烃能力较差;滴水泉凹陷烃源岩主要供给滴南凸起气藏,对研究区石炭系的影响较小。因此,石西油田石炭系油气主要来源为盆1 井西凹陷的下乌尔禾组烃源岩,主要具备两个优势油气运输通道(图9):一为石西凸起正南北方向通道,这条油气运移通道为石西石炭系油藏的主要通道(图10a);二为石西8—石西4 井方向通道,这条通道是石西4 获得工业油流及石西8 浅层侏罗系成藏的主要运输通道,另外,这条通道之上的盆东1 井侏罗系三工河组、三叠系白碱滩组、二叠系下乌尔禾组见较好油气显示,证明了该油气运输通道的可靠性(图10b)。
图9 石西油田石炭系火山岩油气运移优势通道示意Fig.9 Schematic diagram of dominant channels for oil and gas migration of Carboniferous volcanic rocks in Shixi Oilfield
图10 石西油田石炭系火山岩油气运移优势通道地震剖面a.第一油气优势运移通道,过L9011N 二维测线地震解释剖面;b.第二油气优势运移通道,过石西8—石西4 连井地震剖面Fig.10 Seismic profile of dominant channel for oil and gas migration of Carboniferous volcanic rocks in Shixi Oilfield
石西凸起位于盆1 井西凹陷复合油气系统内,从三叠纪至今,油气的排出源源不断,具有十分优越的烃源条件。风城组源岩在三叠纪至早白垩世末为主要的主要排油期,排油速率最大为三叠纪,排气速率最大为早白垩世。下乌尔禾组源岩侏罗纪至早白垩世末为主要的排油期,排气期为白垩纪至今。在风城组源岩和下乌尔禾组源岩的主要排烃期,盆1 井西凹陷北斜坡一直处于盆1 井西凹陷、阜康凹陷、沙湾凹陷、莫南凸起以及油气运移的方向上。综合以上分析认为,石西油田石炭系成藏主要受油源断裂、岩性岩相的综合控制,表现为盆1 井西凹陷提供的油源通过断裂运移至物性较高的岩体成藏,产能主要受物性影响,开采过程中水上升快主要受裂缝沟通影响(图11)。
图11 石西油田石炭系火山岩油气成藏模式Fig.11 Hydrocarbon accumulation model of Carboniferous volcanic rocks in Shixi Oilfield
此外,根据已钻井油气显示和石西凸起构造单元分析,我们发现东垒块在石炭系油气资源最丰富,初期产能及累计产能情况最好,出水情况较其他构造单元较少。分析认为其主要受控于油藏厚度、构造形态及岩性岩相3 个方面的影响(图12)。首先,油藏厚度是决定产能高低的最直观因素,油藏厚度越大,产能越高。研究区东垒块最厚,产能最高,最厚点集中在SH1025 井背斜及石西1 井背斜附近,最厚可达250 m,西部石013 井背斜及SH1041 井背斜次之,厚度大约在150 m 左右,油气资源最丰富点位于东垒块,北断阶次之,西掉块最差,与油藏厚度基本呈正相关,表明了油藏厚度的可靠性。其次,构造形态从一定程度上影响着油藏厚度,因此间接的影响着石炭系油气资源的分布,在3 个次一级构造单元中,东垒块油气资源最丰富,西掉块最差。此外,次一级构造单元还可以细分为高地、斜坡及洼地,其中高地产能最高、斜坡次之、洼地较差。通过对石炭系井出油气井产能统计,其中万吨级以上井大多数集中在高地,少部在斜坡,无井分布在洼地。再次,岩性岩相主要通过影响储集性能从而控制油气的显示及产能情况,研究区储层物性较好的为溢流相的火山熔岩中。
图12 石西油田石炭系火山岩油气产量与油藏厚度、构造形态的关系Fig.12 Relationship between oil and gas production and reservoir thickness and structural form of Carboniferous volcanic rocks in Shixi Oilfield
(1)石西油田石炭系火山岩类型包括熔岩、普通火山碎屑岩和过渡岩,以集块岩、条带状熔岩、角砾熔岩和致密凝灰岩为主;岩相可分为爆发相和溢流相两种,以溢流相为主。自下而上可分为3 个岩相段,分别为基性至中基性岩段、中性岩段以及中酸性岩段。
(2)石炭系火山岩储层储集空间类型以次生孔隙和构造裂缝为主,构造裂缝对于储集性能的改善具有重要意义,其与原生和次生孔隙沟通形成的溶蚀—裂缝孔隙是重要的储集空间。构造裂缝表现为倾角大、宽度中等、密度差异大等特征,裂缝的发育受岩性岩相、构造位置及古地貌的控制。
(3)石炭系火山岩储层基质渗透率低,平均孔喉半径在0.04~1.90 μm 之间,表现为细喉、微喉特征,孔隙结构可以分为4 类,以Ⅰ类孔隙最优。不同岩性的孔隙度和渗透率具有明显的差异性,集块岩和角砾熔岩表现为较高孔较高渗,条带状熔岩为较高孔较低渗特征,致密凝灰岩物性最差。
(4)石炭系火山岩储层成藏的烃源条件、储盖条件、运移条件等均较好,烃源岩主要来自盆1 井西凹陷二叠系乌尔禾组,油气运移通道主要为石西凸起正南北方向通道和石西8—石西4 井方向通道,表现为“两个优势运移通道、两期成藏”的特征。油藏厚度、构造形态及岩性岩相条件是火山岩油气富集高产的重要因素,油藏厚度是决定产能高低的最直观因素。