准噶尔盆地东部石炭系优质火山岩储层特征及分布规律

王剑, 刘金, 陈俊, 张宝真, 周勇, 连丽霞, 李二庭

(1.中国石油新疆油田公司实验检测研究院, 克拉玛依 834000; 2.中国石油新疆油田公司风城作业区, 克拉玛依 834000; 3.中国石油大学(北京)地球科学学院, 北京 102249)

火山岩是盆地早期充填的重要组成部分,约占盆地充填体积1/4,是未来全球油气勘探的重要新领域[1]。自1887年在美国加利福尼亚州发现第一个火山岩油气藏以来,火山岩油气勘探已有130余年的历史。中国沉积盆地内火山岩分布广泛,自1957年首次在准噶尔盆地西北缘石炭系火山岩中获得工业油流以来,目前已在松辽、渤海湾、海拉尔、二连、苏北、三塘湖及四川等盆地中发现了火山岩油气藏,逐步形成了中国东部和北疆两大火山岩油气区[2-5]。火山岩油气藏已逐渐成为勘探的重要新领域和油气储量的增长点。

火山岩相分为火山通道相、爆发相、喷溢相、火山-沉积岩相和侵出相5种岩相,根据成因特征,火山岩储层划分为火山熔岩型、火山碎屑岩型、潜火山岩型3种类型[6]。火山岩储层成岩作用可划分为冷凝固结成岩阶段、岩浆期后热液阶段、表生成岩阶段和埋藏成岩阶段[7]。火山岩发育11类28种孔隙,其中原生气孔、炸裂缝和冷凝收缩缝等为特有的类型,原生孔缝与次生孔缝的组合形成优质储层[8]。火山岩储层储集空间类型多,孔隙结构复杂,从微观到宏观都表现出极强的非均质性[9-12]。总体来看前人侧重火山岩岩性岩相及喷发模式研究,注重从岩性岩相及喷发模式解释和预测优质储层。

准噶尔盆地东部石炭系火山岩勘探始于20世纪80年代初期,1980年彩参1井在滴水泉组发现天然气藏,2008年克拉美丽气田天然气整体探明。勘探实践表明准噶尔盆地东部火山岩储层勘探潜力巨大[13-15]。前人对准噶尔盆地东部石炭系储层研究主要集中在风化壳储层的储集空间类型、成岩作用等方面[16-18],缺乏对内幕火山岩岩性岩相及喷发环境的系统研究,因此优势相带或有利火山岩储层分布不明确,抑制了对深层火山岩油气的勘探。准噶尔盆地东部构造-古地理背景复杂,不同的喷发环境、构造作用必然会对优质储层的发育及演化产生重要影响[19-22]。现通过野外踏勘、岩心观察、铸体薄片鉴定、孔渗分析等,对石炭系火山岩储层特征及其控制因素细化研究,以期明确优质储层发育控制因素及优质储层的分布,为该区深化勘探提供指导。

1 地质概况

研究区位于准噶尔盆地东部隆起,二级构造单元包括滴南凸起、滴水泉凹陷、五彩湾凹陷、东道海子凹陷和白家海凸起[23](图1)。石炭系主体为海西中期沉积的地层,为一套多期喷发、多期改造而成的火山熔岩、浅层侵入岩、火山碎屑岩和(火山)沉积岩的组合,构成本区基底的最上层岩系,与上覆地层呈角度不整合接触。石炭系地层自下而上分为滴水泉组(C1d)、松喀尔苏组下亚段(C1sa)、松喀尔苏组上亚段(C1sb)、巴塔玛依内山组(C2b)和石钱滩组(C2sh)[24](图1)。

早石炭世研究区主体为岛弧环境,发育与俯冲作用相关的火山-沉积建造,其间发育弧后盆地,沉积环境以水下为主[25-27]。晚石炭世克拉美丽洋关闭,拼合隆起成陆,在克拉美丽山南部形成前陆盆地,沉积环境以水上为主,局部水下环境[28-29]。整个石炭世沉积环境自早石炭至晚石炭由水下环境逐渐转变为水上环境,由深水环境逐渐转变为浅水环境,由半咸水环境转变为淡水环境,由海相环境逐渐转变为陆相环境[30]。

2 火山岩储层特征

2.1 火山岩岩性岩相特征

火山岩相是指火山岩形成的地质条件及其在该条件下所形成的火山岩性特征的总合[31-33]。根据5条野外剖面、85口钻井、1 254张薄片统计及50块样品的地球化学分析结果,研究区石炭系火山岩主要以钙碱性基性-中性火山岩为主(图2),包括熔岩类和火山碎屑岩类。主要岩性岩相为溢流相安山岩、爆发相凝灰岩为主,其次为溢流相玄武岩、爆发相火山角砾岩。

图2 准噶尔盆地东部石炭系火山岩地球化学特征Fig.2 Geochemical characteristics of Carboniferous volcanic rocks in eastern Junggar Basin

(1)溢流相安山岩:为中性火山熔岩,形成于火山喷发旋回的中期。呈灰色、褐灰色,具交织结构、斑状结构,块状构造、杏仁状构造;斑晶主要为中基性斜长石,基质主要由细板条状斜长石组成,细板条状斜长石略成定向排列,斜长石间分布有绿泥石化玻璃质及微粒状磁铁矿[图3(a)];杏仁体呈椭圆状及不规则状,多被硅质、绿泥石充填;其周边常伴生发育有粗面安山岩、英安岩等过渡类岩性。

图3 准噶尔盆地东部石炭系火山岩岩性特征Fig.3 Lithologic characteristics of Carboniferous volcanic rocks in eastern Junggar Basin

(2)爆发相凝灰岩:在研究区分布范围较广,形成于火山作用早期,岩性为深灰色、灰褐色、褐红色凝灰岩。凝灰岩类型有晶屑凝灰岩和熔结凝灰岩,主要由弧面棱角状玻屑、撕裂状浆屑、长石晶屑、岩屑及火山灰组成,如图3(b)和图3(c)所示。火山碎屑的成分取决于岩浆的性质,成分有流纹质、安山质、玄武安山质、玄武质。凝灰岩中玻屑、浆屑多发生脱玻硅化、沸石化、绿泥石化,部分玻屑具氧化铁染呈褐红色。

(3)溢流相玄武岩:为基性火山熔岩,包括斑状结构的玄武岩、玄武安山岩。颜色呈褐灰色、深灰色、暗黑色,风化面呈紫红或深褐色。斑晶矿物成分主要为基性斜长石、单斜辉石、斜方辉石等,其中,暗色矿物多发生绿泥石化;基质具典型的间粒结构和间隐结构,如图3(d)所示;部分玄武岩、玄武安山岩具杏仁构造及气孔构造,多分布在每一期喷发的玄武岩的顶部及底部。杏仁及气孔多呈椭圆状及不规则状,被绿泥石及方解石等矿物充填或半充填。

(4)爆发相火山角砾岩:主要有褐灰色、褐红色、灰色火山角砾岩和火山集块岩,分布较广泛,特别是五彩湾井区火山角砾岩发育较多,由火山角砾及凝灰质组成,如图3(e)所示。角砾和岩屑成分在不同的井、不同层段变化较大,主要取决于火山喷发的岩浆的性质。白碱沟剖面、滴西17和滴西18井区钻遇的石炭系火山碎屑岩中,火山角砾、岩屑成分主要为玄武岩、玄武安山岩、安山岩;滴西14和滴西10井区成分主要为安山岩、英安岩及流纹岩。

2.2 火山岩储集空间类型及组合

研究区石炭系火山岩储层储集空间分为原生孔隙、原生裂缝和次生孔隙、次生裂缝4个大类16个亚类,其中原生孔隙主要包括原生气孔和晶间(粒间)孔,次生孔隙主要以溶蚀孔为主。原生裂缝以收缩缝最为发育。次生裂缝主要分为溶蚀缝和构造缝两大类。

(1)气孔:研究区石炭系火山岩气孔大小、形态不一,呈圆形、拉长状、不规则状等,多见于玄武岩、安山岩中。火山岩形成的原生气孔被同期或后期热液矿物半充填或充填而形成杏仁体,杏仁体内常见的矿物有长英质、钙质、沸石、绿泥石和葡萄石等,如图4(a)和图4(b)所示。根据是否有杏仁充填,原生气孔可进一步划分为气孔、杏仁体收缩孔和杏仁体残余孔。

图4 准噶尔盆地东部石炭系火山岩储集空间特征Fig.4 Reservoir space characteristics of Carboniferous volcanic rocks in eastern Junggar Basin

(2)溶蚀孔:按溶蚀的对象分为杏仁体内溶孔、晶内溶孔和基质溶孔,如图4(c)和图4(d)所示。基质溶孔是火山碎屑岩、火山沉积岩或沉积岩中晶体间的基质被溶蚀形成的次生孔隙。研究区的凝灰岩多见基质溶孔,孔隙较小,呈不规则状,且分布较为不均匀。受到后期成岩作用影响,中基性火山熔岩中的斑晶被溶蚀形成的晶内溶孔,溶蚀的斑晶主要为长石晶体,其中长石斑晶易沿着解理缝优先发生溶蚀。

(3)收缩缝:岩浆冷凝过程中形成的裂缝。由于岩浆冷凝过程中不均匀收缩,会在熔岩体内造成裂缝,特别是岩浆入水快速冷却时,不仅会形成大量冷凝收缩缝,还会形成炸裂缝[34]。收缩缝多见于熔岩中,研究区可见中基性岩柱状节理、酸性岩层状节理、珍珠岩的球状裂理及充填的网状收缩缝,如图3(f)、图4(e)～图4(g)所示。

构造(溶蚀)缝:构造缝是研究区数量最多、分布最广的裂缝类型,在野外滴水泉、双井子和白碱沟剖面均可观察到较大规模的构造缝,裂缝面较为平直,延伸较远,对火山岩储层物性改造具有至关重要的作用[35],如图4(h)所示。构造缝可以切穿杏仁体、斑晶等,多见于熔结成因的火山熔岩和次火山岩中。溶蚀缝大多是对原生裂缝进行溶蚀改造而形成,如果构造缝被充填,溶蚀形成的溶蚀缝一般延伸不远,且形状极不规则,如图4(i)所示。

石炭系火山岩发育的储层空间组合类型多样,发育气孔型、气孔+裂缝型、气孔+溶孔型、溶孔+裂缝型和裂缝型5种组合类型。其中气孔+溶蚀孔和溶蚀孔+裂缝型孔隙为有利的孔隙发育组合。气孔+溶蚀孔型储层主要见于气孔-杏仁火山熔岩、火山碎屑熔岩中。溶蚀孔+裂缝型储层多见于致密安山岩、珍珠岩中,安山岩发育构造裂缝和柱状节理缝。裂缝型储层多见于致密火山熔岩,其中多见于致密玄武岩中,野外呈致密块状,斑晶粗大,构造裂缝发育。镜下多见构造缝、解理缝、基质收缩缝、斑晶炸裂缝等裂缝。

2.3 火山岩储层物性特征

火山岩储层受储集空间控制,储集空间的发育程度直接影响了火山岩储层的储集性能。而火山岩储层储集空间类型多,孔隙结构复杂,受次生成岩作用影响强烈,从微观到宏观都表现出极强的非均质性,孔、洞、缝交织在一起,储层物性有很大的差异性和突变性。根据不同喷发环境火山岩物性统计,水上喷发火山岩孔隙度平均为10.08%,渗透率为6.34 mD,水下喷发火山岩孔隙度平均为7.83%,渗透率平均为3.38 mD。水上喷发火山岩物性整体好于水下喷发火山岩。

研究区溢流相玄武岩、安山岩和爆发相火山角砾岩物性较好。以五彩湾地区为例,石炭系火山岩物性统计结果表明,火山熔岩类中,安山岩物性较玄武岩好,平均有效孔隙度和平均有效渗透率分别为7.49%和0.85 mD,而玄武岩平均有效孔隙度和平均有效渗透率分别为4.78%和1.94 mD,如图5所示。火山碎屑熔岩类中,熔结角砾岩储层物性最好,平均有效孔隙度和平均有效渗透率分别为9.34%和0.39 mD。火山碎屑岩类中,火山角砾岩物性较凝灰岩更好,平均有效孔隙度和平均有效渗透率分别为9.63%和2.66 mD,而凝灰岩平均有效孔隙度和平均有效渗透率分别为8.28%和0.16 mD,如图5所示。

图5 准噶尔盆地五彩湾地区石炭系不同岩性物性直方图Fig.5 Histogram of physical properties in Carboniferous different lithology in Wucaiwan area, Junggar Basin

3 火山岩储层发育模式

3.1 火山岩岩相组合及喷发模式

一个完整的火山喷发形成的岩相序列在纵向上为火山通道相→爆发相→溢流相→浅成侵入相→火山沉积相,这只是一个理想的火山喷发的岩相序列模式,但是实际情况只会出现其中的两三种岩相。

(1)远火山口岩相组合:水上喷发远火山口岩相组合表现为爆发相热碎屑流亚相与溢流相互层。通常发育粗火山碎屑岩、具有熔结结构的火山碎屑岩和熔岩,通常表现为氧化色,发育较多的气孔杏仁构造,熔结结构较为明显,火山岩中长石晶形较为完整。熔结凝灰岩发育为红色,为典型的水上喷发水上沉积。水上喷发水上沉积模式在上石炭统普遍发育。水下喷发远火山口岩相组合表现为溢流相、火山沉积相、正常沉积相韵律,如图6所示。

(2)近火山口岩相组合:水下喷发火山岩经常受到水体干扰,在火山岩之间形成暗色泥岩,岩相以爆发相-侵出相-火山沉积相-沉积相组合为特征,如图6所示。研究区泉4井出现典型岩性细碧岩,滴西17井出现焦化鱼骨化石,为水下喷发水下沉积模式。常形成典型岩性珍珠岩或细碧岩[图2(f)],同时火山碎屑物质立即与水体混合伴随着火山沉积相和沉积相的出现。水上喷发模式发育火山通道相-近火山口爆发相-溢流相组合。

3.2 火山岩储层发育模式

3.2.1 喷发环境对火山岩储层的影响

水上近火山口爆发相是水上喷发环境最有利储层发育相带(图7)。水上近火山口爆发相角砾岩(含角砾凝灰岩)角砾分选差,砾间孔缝发育,角砾内部和角砾间溶蚀孔隙发育,具有高孔特征。滴西14井石炭系上部水上近火山口爆发相含角砾凝灰岩物性较好,溶孔溶缝发育,其中3 652～3 672 m岩心显示为红色含角砾凝灰岩,对应成像测井可见暗色低阻凝灰质以及其中的亮色高阻角砾,储集空间类型主要以溶蚀孔为主,溶蚀孔主要发育在玻屑和角砾内,平均孔隙度达16.9%,平均渗透率为25.4 mD为中孔低渗储层,试油结果显示为油气同层,油产量6.41 t/d,气产量9.14×104m2/d,如图8(a)所示。

图7 准噶尔盆地东部石炭系不同喷发环境火山岩储层物性特征Fig.7 Reservoir physical characteristics of Carboniferous volcanic rocks in different eruptive environments in eastern Junggar Basin

水下近火山口侵出相是水下喷发环境最有利储层发育相带(图7)。岩浆遇水形成珍珠岩具有球状弧形裂缝,有利于后期沿裂缝进行溶蚀改造,形成大量网状裂缝。以滴西22井为例,该井发育有大段水下近火山口侵出相的珍珠岩,物性较好,裂缝和溶蚀孔非常发育。其中3 636～3 708 m为大段侵出相珍珠岩顶部夹小段凝灰岩,储集空间主要为弧形裂缝以及沿裂缝发育的溶蚀孔缝,是珍珠岩成为有利储层的良好基础,通过孔渗分析其孔隙度为18%,渗透率为12.76 mD,为中孔低渗储层。成像测井中发育有细小拉长的网状孔缝,如图8(b)所示。

对比水上水下喷发火山岩的储集空间类型和成岩作用类型,发现虽然水下喷发的火山岩常发育炸裂缝、脱玻化孔等,但同样容易遭受蚀变、充填等作用,如果没有受到后期构造、有机质以及风化淋虑的改造,其储集性能可能较差;而陆上喷发火山岩,其储集空间组合方式相比水下更加丰富,原生孔缝空间更大,加上其保存环境大多处于水上环境,使得其更容易受到风化淋虑的改造,进一步改善储集性能。因此从喷发环境对储层的影响方面看,水上喷发环境的火山岩储集性能要好于水下喷发环境。

3.2.2 构造作用对火山岩储层的影响

石炭系地层经历了由海西期至喜山期的多期地质构造运动,构造特征复杂。构造运动诱发断裂和大量构造缝的产生。裂缝是火山岩油气储集空间的重要组成部分,同时又是重要的渗流通道和后续油气运移通道[36-37]。火山熔岩和次火山岩比较致密,脆性较大,容易产生构造裂缝。构造缝不仅沟通孔隙形成有效储集空间,而且起到连通作用,为后期酸性流体进入火山岩进一步发生溶蚀作用提供了有利通道,研究区发育大量的构造裂缝,对火山物性的改善起到了积极作用,使储层物性变好[38]。

准东地区火山活动具有沿断裂呈串珠-中心式分布的特征,其中滴西-五彩湾地区为裂隙-中心式喷发,沙帐地区主体为中心式喷发。对于上石炭统,受到构造活动影响,靠近断裂的储层发育有大量的裂缝(图9)。同时靠近断裂和裂缝水上易淋滤溶蚀,主要发育裂缝+溶蚀孔隙型储层其物性相比远离断裂的储层有明显改善,且高产井距离断裂都较近。例如,滴西17井3 633～3 670 m,日产油19.56 t,日产气25.172万m3。此外,对于下石炭统,火山岩以水下环境为主,靠近断裂可沟通烃源岩与储层,为后期有机酸溶蚀创造有利条件,形成裂缝、溶蚀孔+裂缝型储层。

图9 准噶尔盆地东部石炭系火山岩成像测井中裂缝发育特征Fig.9 Fracture characteristics in imaging logging of Carboniferous volcanic rocks in eastern Junggar Basin

4 优质火山岩分布及预测

4.1 优质火山岩储层垂向分布

根据地震测线开展连井相分析,并根据过井剖面的地震反射特征,结合各个井区单、连井相分析的结果,进一步绘制研究区各井区的火山岩剖面相图,并通过相交测线的剖面进行验证和补充。以研究区滴西井区为例,根据分层以及对地震剖面的追踪对比发现,在滴西井区石炭系顶部可见明显的剥蚀现象,上石炭统厚度较薄,井区东、西部可见巴山组地层,中部地层已剥蚀消失(图10)。下石炭统基本得以保留。滴西井区除下石炭底部的大套泥质沉积岩外,其余主要以溢流相和爆发相为主,夹少量火山沉积相(图10)。

滴西地区火山喷发可大致分为3个旋回,旋回间有明显的沉积夹层或者岩性的突变面,火山机构不同位置,每个旋回的岩相组合序列存在差异。近火山口处主要以爆发+溢流相的岩相组合为主,远火山口处主要以爆发凝灰相+火山沉积相的岩相组合为主,与火山沉积物共同形成远火山口的岩相组合。下石炭整体以水下喷发火山岩为主,上石炭统整体以水上喷发火山岩为主。通过统计发现,研究区主要都以溢流相玄武岩、安山岩和爆发相火山角砾岩为最佳储层,水上喷发环境整体优于水下喷发的环境。

4.2 优质火山岩储层平面分布

喷发环境控制的优势岩相与构造裂缝控制着火山岩优质储层的分布[39]。在分析喷发环境以及环境对研究区储层影响的基础上,根据准噶尔盆地东部地区野外剖面和井下岩心的孔隙度、物性和储集空间的观察和统计,结合不同喷发环境分布特征,对研究区火山岩有利储层进行预测。

研究区下石炭统主要为水下喷发环境,水下喷发火山岩中主要以溢流相玄武岩和安山岩为主,但气孔不太发育,主要靠后期构造、成岩等作用进一步改造成为良好的储层,如图11(a)所示。水下喷发环境还常见珍珠岩,该岩性裂理及其发育且极易被后期溶蚀改造,成为水下喷发环境中一类有利储层岩性。其次为爆发相中的火山角砾岩和凝灰岩,爆发相中的火山角砾岩中原生孔隙常发育气孔和砾间缝,通过后期改造,其储集性能可能会成为火山岩中最好的,但由于其分布范围有限,不能成为研究区最优储层。凝灰岩在研究区分布范围最广,但是由于其储集性能非常依赖后期的成岩作用改造,原生的凝灰岩储集性能不佳,但在风化剥蚀严重的区域可能成为较好的储层,因此能够成为储层的凝灰岩纵横向范围也受到了一定限制,难以形成大范围优质储层。下石炭统有利的火山岩区带主要分布在滴西地区、五彩湾地区和东部大井地区,如图11(b)所示。

图11 准噶尔盆地东部下石炭统火山岩岩相与有利储层预测图Fig.11 Lower Carboniferous volcanic lithofacies and favorable reservoir prediction in eastern Junggar Basin

上石炭统主要的环境类型为水上喷发,而研究区水上喷发火山岩中的储层,主要以溢流相中的玄武岩和安山岩为主,其次为爆发相中的火山角砾岩和凝灰岩,如图12(a)所示。玄武岩和安山岩的储集空间组合类型以原生气孔和节理缝为主。经观察统计,研究区水上喷发玄武岩和安山岩普遍发育原生气孔,可以通过后期构造、成岩的改造进一步进化为气孔+裂缝型、气孔+溶蚀孔型、裂缝型等类型,成为研究区主要的火山岩储层。而爆发相中的火山角砾岩和凝灰岩,其储集性能与后期改造与水下喷发类似。上石炭统继承了下石炭统火山岩分布部分特征,并进一步扩大,有利的火山岩区依旧主要分布在滴西地区、五彩湾地区和东部大井地区,如图12(b)所示。

5 结论

(1)准噶尔盆地东部石炭系火山岩主要以钙碱性基性-中性火山岩为主,主要发育溢流相安山岩、爆发相凝灰岩为主,其次为溢流相玄武岩、爆发相火山角砾岩。

(2)石炭系火山岩储层中气孔+溶蚀孔和溶蚀孔+裂缝型孔隙为有利的孔隙组合类型,溢流相玄武岩、安山岩和爆发相火山角砾岩物性及孔隙组合类型最好。

(3)优质火山岩储层发育受火山喷发环境、岩性岩相以及后期构造改造综合控制。石炭系火山岩水上近火山口爆发相和水下近火山口侵出相是最有利储层发育带,有利火山岩区带主要分布在准噶尔盆地东部滴西地区、五彩湾地区和东部大井地区。