准噶尔盆地哈山地区石炭系火山岩储层特征及控制因素

张 震，徐国盛，袁海锋，王 诚，范 蕾

（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 非常规油气资源研究所，四川 成都 610059； 3.成都理工大学 地球科学学院，四川 成都 610059）

0 引言

随着油气勘探技术的发展，火山岩储层成为油气勘探的主要领域之一[1].火山岩储层非均质性强，控制因素难以确定，不同盆地或区域优质火山岩储层形成条件和分布规律差别较大[2－3].人们研究火山岩储层主要在火山岩岩性测井识别、火山岩裂缝特征、成岩作用对储层物性的影响和控制因素等方面，其中储层物性主控因素分析是火山岩储层研究的重点[4－12].赵宁等[4]利用5条常规测井曲线，构建测井相—岩性建模数据库，采用模糊数学方法建立准噶尔西北部火山岩岩性识别模型；康玉柱[5]根据成因将火山岩孔隙划分为原生和次生，根据形态划分为孔洞和裂缝，指出影响火山岩储集物性的因素主要包括岩性岩相、酸性流体溶蚀和断裂与构造裂缝；王仁冲、侯连华等[6－7]将火山岩的成岩作用划分为早期成岩作用和晚期成岩作用，进而细分为14种具体成岩类型，并讨论成岩作用与火山岩储集物性的关系，指出储层物性主控因素分析是火山岩储层研究的重点.

近年来，准噶尔盆地西北缘火山岩储层油气勘探取得突破性进展，发现克拉玛依、乌尔禾、百口泉和红山嘴等油田[13－15].哈山地区位于准噶尔盆地西北缘，其石炭系火山岩地层为重要的油气勘探层位，钻井发现有油气显示，具有良好油气勘探前景.人们对该地区火山岩储层的岩性特征、孔隙类型及储层主控因素等方面研究不足，影响勘探思路.笔者通过岩心、薄片及成像测井观察，根据火山岩岩性、储集空间类型及物性等研究火山岩储层特征，分析不同岩性火山岩的储集空间类型和物性特征及影响火山储层的主控因素，为该地区确定勘探有利目标及钻探井位设计提供地质依据.

1 地质概况

准噶尔盆地西北缘处于西准噶尔褶皱山系与准噶尔块体之间[16]，以哈拉阿拉特山和扎伊尔山为边界，西南至奎屯，东北至夏子街.哈山地区在构造上处于准噶尔盆地西北缘隆起乌夏断裂带西北端，长约为15km，宽约为10km，西北紧邻和什托洛盖盆地，南邻乌夏断褶带和玛湖凹陷[17]（见图1）.

图1 哈山地区构造位置Fig.1 Structural map of Hassan area

哈山构造带由石炭纪内幕逆冲开始，早二叠世发生前展式走滑逆冲，中晚二叠世开始大规模前展式走滑逆冲，三叠世末期开始大规模后展式走滑逆冲，侏罗纪后期开始压扭沉降，燕山运动晚期准噶尔盆地最终覆盖定型.该构造带石炭系地层构造样式主要发育逆掩断裂，地层顶面由东向西呈阶梯式抬升.石炭系内幕较为复杂，火山岩储层主要沿断裂带分布，平面上，不同走向和倾向的断层组合分割地层的延续性；纵向上，各种火山岩类型交互出现.

2 储层特征

2.1 岩石学特征

根据SiO2质量分数，将火山岩划分为基性岩类、中性岩类、酸性岩类和碱性岩类[6].研究区目的层系火山岩岩性变化较大，以酸性岩类中的火山碎屑岩、中性岩类中的安山岩及基性岩类中的玄武岩为主.根据岩性和薄片观察，分析哈山构造带火山岩岩石类型及特征.

（1）火山角砾岩.多为灰绿色、灰色，具有典型火山角砾结构与含气孔玻基交织结构，角砾成分多为玄武—安山质角砾和流纹质角砾（见图2（a）），角砾间充填的火山灰在后期演化过程中被碱性流体溶蚀取代，形成自形、半自形方解石.基质内气孔散乱分布，体积分数为20%，直径为0.1～0.3mm，孔内充填石英、自形方解石（见图2（b））.熔结角砾岩总体呈块状构造，内部发育孔洞，孔洞内充填黑色沥青.火山角砾岩在研究区石炭系地层中分布最为广泛，主要分布在哈浅101、哈浅102、哈浅3和哈浅6等井中.

（2）安山岩.多为灰白色、灰色，常具有斑状结构，斑晶主要由斜长石和暗色矿物组成.斜长石常见环带结构及强烈蚀变形成的溶蚀结构（见图2（c）），基质具有玻晶交织结构，斜长石微晶呈交织状或近于平行排列，含少量玻璃质（见图2（d））.岩石具有块状构造，肉眼可见细小柱状长石及大量暗色矿物，裂缝和孔隙发育，部分岩石可见气孔，气孔中充填石英，中部被方解石充填，具有多期充填特点.安山岩易受构造裂缝影响，产生裂缝型孔隙，为较好的储集空间，裂缝中常见油质充填.

（3）凝灰岩.多为灰绿色，致密质脆，岩屑和晶屑质量分数较低，肉眼难以观察到.常发生次生溶蚀变化，形成基质内溶孔（见图2（e）），溶蚀孔内多出现方解石化、硅化及绿泥石化等，显示多期次溶蚀再充填作用.后期裂缝被方解石充填，方解石再发生溶蚀，形成储集性较好的孔洞.

（4）玄武岩.为灰黑色、棕黑色，多具有粗玄结构，在不规则分布排列的斜长石长条状微晶形成的间隙中，充填若干粒状辉石和磁铁矿细小颗粒（见图2（f）），反映它形成于冷却速度较慢条件.发育气孔构造、杏仁构造和块状构造，岩石中原生气孔常见，多被后期方解石、石英或铁质充填物充填.

图2 哈山地区石炭系火山岩岩性特征Fig.2 Lithologic characteristics of Carboniferous volcanic rocks in Hassan area

2.2 储集空间类型

火山岩储集层作为非常规油气储层，分析并建立区域性、整体性储集空间分类体系，对油气勘探开发具有重要意义[17].以岩心、薄片和成像测井分析等方法，建立哈山构造带石炭系火山岩储集空间分类体系（见表1）.

2.2.1 原生储集空间

原生储集空间在研究区广泛发育，但分布不均，不同岩性火山岩发育的原生储集空间组合类型不同.火山角砾岩中发育原生砾间孔和冷凝收缩缝，玄武岩和安山岩发育气孔和晶内炸裂纹，以火山角砾岩原生孔隙度相对较高.

（1）气孔.由安山岩或玄武岩成岩时气体逸散形成，大小不一，形状多呈圆形、椭圆形和不规则形等（见图3（a））.岩心薄片观察发现，气孔多彼此独立，与次生裂缝、溶蚀孔缝连通；气孔中常充填半自形—它形金属不透明矿物及颗粒细小的重结晶的长英质矿物，形成杏仁体.

（2）砾间孔.主要包括2种类型：一种是由火山熔岩自碎角砾岩或隐爆角砾岩化形成的角砾间孔隙[17]，孔隙基本被充填或半充填（见图3（b））；另一种是火山碎屑中的火山碎屑间孔隙.砾间孔一般孔隙较大，连通性好，大小与形态受火山碎屑和火山角砾的组合形式控制，常与裂缝伴生[17].

（3）冷凝收缩缝.安山岩的微裂缝多由岩浆冷凝收缩或火山玻璃重结晶作用形成，沿晶体边缘展布，部分与溶蚀孔连通.

（4）晶内炸裂纹.形态通常不规则，常穿切晶体，后期流体多沿晶内炸裂纹对晶体进行溶蚀.晶内炸裂纹通常见于具有斑状结构岩石和含晶屑细粒火山角砾岩中.

2.2.2 次生储集空间

研究区内火山岩主要形成于石炭纪，后历经海西、印支、燕山和喜马拉雅等多期构造活动.受多种成岩作用（压实、溶解、重结晶和次生蚀变）共同影响，原生储集空间经过改造形成次生储集空间，包括基质溶蚀孔、气孔充填物内溶孔、晶内溶蚀孔和构造裂缝.

（1）晶内溶蚀孔.安山岩中晶内溶蚀孔主要发育在长石单晶体内部（见图3（c）），多数为中性斜长石，次生变化类型多样，主要为绢云母化、黏土化、绿帘石化和方解石化等.晶内溶蚀孔主要充填物有方解石、油质及沥青.

（2）基质溶蚀孔.火山角砾岩中溶孔发育，在基质内常见大量超大溶孔，显示多期次生充填特征，一期硅质流体沿溶孔内壁形成梳状边石英，二期硅质流体充填一期流体剩余空间形成自形单晶石英（见图3（d））.

（3）气孔充填物内溶孔.为气孔被全部或部分溶蚀形成的次生孔隙，主要见于火山熔岩中.气孔的充填物包括沸石、绿泥石、沥青、方解石和硅质等.如玄武安山岩中原生气孔被次生方解石充填，方解石再被溶蚀，形成新的孔洞（见图3（e））.

（4）构造裂缝.由基质被流体溶蚀或构造等后期成岩作用改造形成，呈宽、长和密集分布等特点，部分或完全充填硅质、钙质、碳酸盐和油质（见图3（f））等，具有连通原生孔隙的作用，使火山角砾岩成为良好的储集空间.

图3 哈山地区石炭系火山岩储层储集空间特征Fig.3 Characteristics of accumulating spaces of Carboniferous volcanic reservoir in Hassan area

表1 研究区火山岩储集空间类型特征Table 1 Reservoir space types and characteristics of volcanic rocks in Hassan area

2.3 储层物性特征

研究区内石炭系火山岩储层储集性能较差，总体上表现为中—低孔隙度、低—特低渗透性及非均质性极强.根据哈山地区石炭系6口井岩心分析，统计该地区孔渗参数（见表2）.

表2 哈山地区石炭系火山岩储层物性特征Table 2 Physical properties of Carboniferous volcanic reservoir in Hassan area

哈山地区石炭系火山岩储层岩石孔隙度变化较大，80%的样品孔隙度为1.44%～14.92%，平均孔隙度为6.67%，平均孔隙度最大的为火山角砾岩，其次是安山岩和凝灰岩，最小的为玄武岩.石炭系火山岩渗透率为（0.01～20.90）×10－3μm2，火山角砾岩渗透性最好，安山岩和凝灰岩次之，玄武岩渗透性最差.

研究区石炭系火山岩孔渗相关性分析表明，该区孔渗相关系数为0.389 9，表明孔渗相关性不好（见图4）.总体上，石炭系火山岩储层以中—低孔、低渗或特低渗储层为主，储层非均质性强，其中以火山角砾岩为主的储层物性最好，是石炭系最有利储集层，其次是以安山岩和凝灰岩为主的储层，以玄武岩为主的储层储集性能最差.

图4 哈山地区石炭系火山岩储层孔隙度与渗透率关系Fig.4 The diagram of porosity and permeability of Carboniferous volcanic reservoir in Hassan area

3 控制因素

3.1 岩性和岩相

火山岩原始储集性能和次生储集空间发育取决于岩性，而火山岩的岩性受到火山岩岩相控制[18－19].准噶尔盆地哈山地区石炭系火山岩由多期次的火山爆发相、溢流相和沉积相组成.火山爆发相（火山角砾岩）固结速度块、热熔程度低，砾间孔、气孔等原生储集空间发育，岩石孔隙度较高，抗压程度低，裂缝发育程度高，孔隙连通性较好，储集性能良好，是研究区重要的储集层.火山溢流相（安山岩、玄武岩）固结速度慢、热熔程度高，其中玄武岩原生孔隙度低、抗压强度大、裂缝不发育，连通性较差，储集性能较差；安山岩原生气孔和次生溶孔发育、裂缝较发育、物性较好，为研究区较好储层.火山沉积相（凝灰岩）岩性较致密，原生孔隙不发育，抗溶蚀能力较差，在构造微裂缝及溶蚀孔发育部位可形成有效储层.

3.2 构造活动

经历多期次构造运动，研究区内构造演化过程复杂，形成复杂的断裂系统及大量派生裂缝.钻井结果显示：石炭系主要火山岩类型包括安山岩、凝灰岩、玄武岩和火山角砾岩等，裂缝发育特征有明显差异.宏观上，由XRMI溶蚀孔洞成像图及部分钻井取心可知，构造作用在岩体内发育高角度裂缝（70°～80°）和低角度斜交缝（30°～45°），顺裂缝岩心成像颜色为暗黑色，表明裂缝作为高导层，内部多充填油气等低阻流体，为良好的流体运移、储存空间.微观上，研究区火山岩岩心和薄片观察显示，裂缝多切过原本独立存在的、互不连通的或连通性很差的火山岩原生孔洞与次生溶孔，进而提高火山岩的孔隙度和渗透性（见图5）.此外，裂缝为地层深部流体上升通道，流体可溶蚀孔隙充填物，进而增大裂缝宽度、改善储层，裂缝和液体的相互作用对改善储层物性形成良性循环.

图5 裂缝对储层的影响Fig.5 The influence of fracture on volcanic reservoir

3.3 风化淋滤作用和溶蚀作用

风化淋滤作用和溶蚀作用是决定火山岩储层次生孔缝发育状况的主要成岩后生作用，次生孔缝的发育是影响火山岩储层储集性能的重要因素.准噶尔盆地西北缘哈山地区石炭系与上覆地层间存在一个较大的不整合面；火山岩形成后大多经历较长时间的风化剥蚀[15]，受表生成岩作用和大气降水的淋滤溶蚀作用影响，产生大量的孔、洞、缝.

随着埋藏深度的增加，研究区石炭系火山岩之上地层及南部不同时代玛湖生烃凹陷中发育的烃源岩逐渐进入成熟阶段，在热演化过程中产生大量机酸且释放CO2等组分，融入成岩作用产生的水中而形成酸性流体，通过不整合面、裂缝和断层等进入火山岩储层中，使火山岩中的方解石、绿泥石等充填物和硅酸盐等造岩矿物被溶蚀，产生溶蚀孔缝，不同程度地改善储层储集性能：（1）凝灰岩储层致密，原生基质孔隙难以成为有效储层，只有经过构造运动产生大量裂缝且发生溶蚀作用，才能形成有效储层；（2）火山角砾岩发育原生砾间孔，但多被方解石、绿泥石充填，并且连通性较差、储渗能力一般，只有裂缝发育，增强原生砾间孔之间的连通性，促进溶蚀作用，才能有效改善此类储层的储渗能力，而形成良好储层；（3）安山岩抗压强度弱，产生大量裂缝，溶蚀作用溶蚀长石斑晶和玻璃基质等，改善储层的储集性能；（4）玄武岩难以形成裂缝，溶蚀作用不强，难以有效改善储层.

4 结论

（1）准噶尔盆地西北缘哈山地区石炭系火山岩主要为酸性岩类的火山角砾岩和凝灰岩、中性岩类的安山岩，以及基性岩类的玄武岩，其他岩性少量分布.

（2）研究区火山岩储集空间类型分为原生和次生两类，原生储集空间主要为气孔和砾间孔，次生储集空间主要为次生溶孔和次生裂缝，次生储集空间为主要储集空间类型.

（3）研究区石炭系火山岩储层的储集性能普遍较差，总体表现为中—低孔隙度、低—特低渗透性、非均质性极强，其中火山角砾岩物性最好，为石炭系最有利储集层，其次为安山岩和凝灰岩，玄武岩储集性能最差.

（4）火山岩的岩性、岩相、构造活动及溶蚀作用是储层储集性能的主要影响因素：岩性和岩相决定火山岩的储集性能；构造活动强化储层中裂缝的发育程度和规模，有利油气运聚且有助于产生溶蚀作用；溶蚀作用有效改善储层次生孔隙的发育，提高岩石孔隙度与渗透率.

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