优质火山岩储层发育受火山岩岩性、 岩相和成岩作用等方面控制。 成岩作用又受断层、 不整合面或风化壳、 火山物质成分等因素影响。 各种控制因素综合作用造成不同地区、 不同层位火山岩储层质量的非均质性。 通过分析发现, 火山岩储层质量的主控因素为溶蚀作用和火山物质的蚀变, 岩性和岩相次之。
1. 火山岩性与储层物性的关系
火山岩岩石类型丰富多样, 包括火山熔岩、 火山碎屑熔岩、 熔结火山碎屑岩、 火山碎屑岩、 沉火山碎屑岩和火山碎屑沉积岩等多种岩类和过渡岩类。 不同岩石类型成因机制、岩石组成、 岩石化学成分、 物理性质各不相同, 导致后期经历的成岩作用及成岩序列差异明显, 形成不同的储集空间组合, 最终造成不同岩石类型之间储层物性的明显差异。 本次研究通过岩心观察, 结合薄片分析对研究区火山岩岩性进行准确定名。
在乌夏地区, 流纹质熔结火山角砾岩和角砾质凝灰岩储层物性最好, 平均孔隙度为14.5%; 其次为球粒/石泡流纹岩, 平均孔隙度为13.3% (图4-63)。 各岩类储层质量优劣顺序为: 流纹质熔结火山角砾岩>球粒/石泡流纹岩>流纹质角砾质沉凝灰岩>流纹质火山角砾熔岩>流纹岩>熔结流纹质凝灰岩>白云岩化流纹质沉凝灰岩>流纹质凝灰质角砾岩>流纹质凝灰岩>流纹质珍珠岩>流纹质角砾质凝灰岩>流纹质沉凝灰岩>凝灰质泥岩 (表4-12)。 综上所述, 冷凝固结的熔岩和火山碎屑熔岩类储层物性较好, 主要是因为冷凝固结的成岩方式控制原生气孔的发育, 在夏72井区附近, 发育大量的原生裂隙构造—石泡。 正常的火山碎屑岩和沉火山碎屑岩储层物性较差, 是强烈的压实作用和较差的分选造成的。
图4-63 乌夏地区风城组火山岩岩石类型与储集物性之间的关系
表4-12 乌夏地区风城组不同火山岩储集物性统计结果
乌夏地区佳木河组火山岩和火山碎屑岩储层主要岩性为安山岩、玄武岩、 辉绿岩、熔结凝灰岩和凝灰岩5类。通过对物性数据的整理分析发现,凝灰岩储层物性最好; 其次为玄武岩和熔结凝灰岩, 浅层侵入的辉绿岩储层物性相对较差 (图4-64,表4-13)。
图4-64 乌夏地区佳木河组组火山岩岩石类型与储集物性之间的关系
克百地区风城组火山岩和火山碎屑岩储层主要岩性为沉火山角砾岩、沉凝灰岩、 玄武岩、火山角砾岩和凝灰岩。 其中沉火山角砾岩和火山角砾岩储层物性最好, 发育一定的剩余原生粒间孔和大量后期溶蚀孔, 熔岩和凝灰岩储层物性较差 (图4-65)。
表4-13 乌夏地区佳木河组不同火山岩储集物性统计结果
图4-65 克百地区风城组岩性-物性分析图
克百地区佳木河组火山岩储层在研究区各地区、 各层段之间质量最优。 发育岩石类型丰富多样, 包括火山熔岩类 (流纹岩、 安山岩、 玄武岩、 安山玢岩和辉绿岩)、 火山碎屑熔岩类 (火山角砾熔岩、 凝灰熔岩)、 火山碎屑岩类 (凝灰岩、 火山角砾岩) 和沉火山碎屑岩类 (沉火山角砾岩、 沉凝灰岩)。 沉凝灰岩和安山岩裂缝发育, 渗透性高; 火山角砾岩剩余原生粒间孔和次生溶蚀孔发育, 储层孔隙度大。 火山碎屑熔岩原生气孔发育, 储层孔隙性好, 但岩石致密, 渗透性差 (图4-66,表4-15)。
图4-66 克百地区佳木河组具体岩性—物性分析图
表4-14 克百地区佳木河组不同火山岩储集物性统计结果
综上所述, 研究区各类火山岩岩石类型中, 分选较好的中粗 (沉) 火山角砾岩原生粒间孔和溶蚀孔均发育, 储层物性最好; 其次为原生气孔发育的熔岩或火山碎屑熔岩, 杏仁体大量溶蚀的熔岩储层物性较好, 致密的熔岩和凝灰岩储层物性相对较差。
2.火山岩相与储层物性的关系
火山岩相反映火山岩岩石类型的空间组合关系, 不同的火山岩相储层特征不同。
在乌夏地区风城组, 发育火山沉积相、 侵出相、 喷溢相和爆发相4种火山岩相类型、9种亚相类型。 亚相划分见表4-15。 通过对不同火山岩岩相储集物性参数统计发现, 爆发相热碎屑流亚相中的水下碎屑流微相储层物性最好, 以夏72井区熔结凝灰岩为典型代表, 发育大量的石泡构造空腔孔。 其次为喷溢相上部亚相, 原生气孔及杏仁体溶蚀孔发育。分选较好的火山沉积相储层岩石物性较好, 受断层影响, 微裂缝发育, 渗透性高 (图4-67)。
表4-15 乌夏地区风城组不同火山岩岩相储集物性统计结果
图4-67 乌夏地区风城组火山岩岩相类型与储集物性之间的关系
在乌夏地区佳木河组, 发育喷溢相和爆发相两种火山岩相类型、 5种亚相类型。 亚相划分见表4-16。 通过对不同火山岩岩相储集物性参数统计发现, 喷溢相上部亚相原生气孔及杏仁体溶蚀孔发育,储层质量最好, 平均孔隙度为11.38%, 平均渗透率为0.93md。其次为爆发相空落亚相中的喷射降落微相, 发育一定的剩余原生粒间孔。 喷溢相中、 下部亚相, 岩石致密, 气孔不发育, 储层物性较差 (图4-68)。
表4-16 乌夏地区佳木河组不同火山岩岩相储集物性统计结果
图4-68 乌夏地区佳木河组火山岩岩相类型与储集物性之间的关系
在克百地区风城组, 发育火山沉积相、 喷溢相和爆发相3种火山岩相类型, 5种亚相类型。 亚相划分见图4-55。 通过对不同火山岩岩相储集物性参数统计发现, 空落亚相中弹射坠落微相和火山沉积相中再搬运火山碎屑沉积储层物性最好, 前者分选相对较好, 具有一定的磨圆; 后者被水流搬运, 具有一定的分选、 磨圆, 层理发育。 两者剩余原生粒间孔均发育。 本区发育的喷溢相上部亚相气孔全充填, 后期未发生溶蚀, 储层质量相对较差。 爆发相空落亚相喷射降落堆积物分选较差, 储层物性较差。 喷溢相中部亚相岩石致密, 孔渗性差 (图4-69)。
图4-69 克百地区风城组火山岩岩相类型与储集物性之间的关系
在克百地区佳木河组, 发育火山沉积相、 喷溢相、 爆发相和火山通道相4种火山岩相类型, 8种亚相类型。 亚相划分见表4-17。 通过对不同火山岩岩相储集物性参数统计发现, 火山沉积相中含外碎屑火山碎屑沉积岩储层物性最好, 平均孔隙度18.58%; 其次为爆发相中的弹射坠落堆积, 平均孔隙度为12.83%。本区喷溢相储层质量中等, 上部亚相和下部亚相发育少量气孔, 储层物性相对中部亚相较好 (图4-70)。
表4-17 克百地区佳木河组不同火山岩岩相储集物性统计结果
图4-70 克百地区佳木河组火山岩岩相类型与储集物性之间的关系
综上所述, 本区火山岩有利岩相为爆发相空落亚相——火山角砾岩; 爆发相热碎屑流亚相——熔结凝灰岩/火山角砾岩; 喷溢相上部亚相和下部亚相——气孔、 杏仁安山岩、玄武岩。
3. 火山岩有利储层分布规律
火山岩储层的发育受多种因素的共同控制。 火山岩本身具有特殊的矿物组成成分, 在早期的冷凝和后期的水-岩反应中容易发生矿物的流失从而发育次生的溶蚀孔洞, 形成有效的储层发育带。 但由于火山岩本身不具备生排烃的能力, 在近源的部位可能发育有机酸的溶蚀作用所形成的小范围储层发育带, 大规模的储层发育带主要是靠风化淋滤作用形成的。 同时不同的火山岩相带其受风化改造的程度不一致。 断裂作用对火山岩储层的发育和改造也具有明显的效果, 从而使火山岩储层的发育更具多样性和广泛性。 不同地区火山岩储层发育的控制因素也不尽相同, 认清火山岩储层发育的主要控制因素, 是预测火山岩储层的关键。
(1) 岩石组构决定火山岩储层孔隙发育潜力
火山岩的结构特征反映了岩浆冷凝成岩时的环境。 陆上喷发的火山熔岩流入水体中时, 遇水淬火而快速冷凝, 熔浆破碎成球状、 枕状, 而后又被碎小的火山玻璃、 火山碎屑物、 沉积物等胶结而成枕状构造, 岩石较致密, 原生孔隙较少。 同时水下喷发的火山岩由于深水静水压力大, 挥发份不易逃逸难以形成气孔, 且受水体作用, 火山岩发生明显蚀变(绿泥石化) 和充填作用, 使原生孔隙大大减少。
不同的喷发环境火山岩的特征明显不同 (表4-18)。 水下喷发, 岩浆冷凝速度快,结晶程度差, 形成了以玻璃质结构或显微晶质结构为主的类型, 主要储集空间为裂缝, 如水下炸裂缝、 岩石层理缝、 构造缝等, 气孔明显不发育。 陆上喷发, 岩浆冷凝速度缓慢,结晶充分, 斑晶形态较大, 含量也较多, 气孔发育, 纵向上火山岩储层的发育具旋回性,储层的储集空间以气孔的次生改造孔——杏仁孔为主, 后期溶蚀缝、 构造缝等构成了该类型的储层类型。 统计发现少斑、 多玻璃质以及多气孔的火山岩, 在后期的改造溶蚀过程中储集性能提高较为明显。 斑晶含量的高低与孔隙度成反比关系这主要是后期的成岩过程中基质的脱玻化作用, 使基质的孔隙度增加。 因此判别和寻找快速冷凝发育带也是寻找有利火山岩储层发育的另一种思路。
表4-18 陆上与水下喷发沉 (沉积) 特征对比表
与结构特征密切相关的岩石组分也是影响储层储集空间发育的另一个因素。 不同的岩石组分具有不同的抗溶蚀程度。 火山岩中不稳定组分如暗色矿物晶体、 基质中玻璃质等,为后期次生孔隙的形成奠定了物质基础。 通过对研究区内所选井的岩石组分统计, 发现组成火山岩的矿物如橄榄石、 长石、 辉石等均为不稳定矿物, 杏仁充填孔中沸石也是极易溶矿物, 这些均为溶蚀作用提供了良好的物质基础。 卡拉岗组火山岩储层中沸石的溶蚀是本区最主要的储集发育空间, 因此应加大对该区火山岩中沸石发育带的预测, 为寻找潜在的有利储层提供方向。
(2) 火山岩相控制火山岩有利储层分布
石炭系火山岩是由同期或不同期的火山经多次多火口喷发作用, 由各种不同火山岩相的火山岩堆积而成。 火山岩相能够揭示火山岩空间的展布规律和不同岩石类型之间的成因联系。 不同的岩相带内其孔隙类型和孔缝组合也不同, 因此对岩相的研究和划分是评价和预测火山岩储层的基础。
火山岩相研究表明, 近火山口的爆发相带中发育的火山角砾岩、 火山集块岩、 角砾熔岩、凝灰熔岩, 物性最好; 而远火山口的凝灰岩一般难以形成厚度规模, 且物性较差。 溢流相的岩石, 性脆,受构造应力作用, 易产生裂缝,且发育有气孔、溶蚀孔等, 储集性能同样优于远离火山口相的凝灰岩。 火山通道相发育岩石结晶程度高, 后期构造作用方可改善其储层。
在陆东地区岩相与物性关系图 (图4-71) 中, 火山通道相只有4个样品, 整体表现出较好的孔渗参数, 平均孔隙度为8.48%, 平均渗透率为3.72×10-3μm2。 整体看来爆发相火山岩物性最好, 具有较好的孔隙度与渗透率参数, 平均孔隙度为9.30%, 平均渗透率为3.29×10-3μm2。 溢流相次之。 火山沉积相虽有一定的孔隙度, 但渗透率过低。
图4-71 陆东-五彩湾地区岩相与孔隙度/渗透率关系图
(3) 岩石蚀变充填作用是火山岩储层储集的主要破坏作用
由于保存温度、 压力、 流体介质性质等的变化, 特别是火山活动后期热液作用, 火山岩中多种暗色造岩矿物发生蚀变作用, 向稳定矿物转化。 同时, 热液携带大量矿物质如绿泥石、 沸石、 方解石及石英等, 在适当条件下结晶、 析出, 填充储集空间, 它们对火山岩原有的储集性具有极大的破坏。 镜下观察发现, 多数样品中原生气孔都被矿物充填, 剩余孔隙所占的数量较少, 且存在多期的充填。 在新疆北部地区, 沸石和绿泥石是火山岩储层孔隙填充的主要物质, 其他还有方解石、 硅质和石膏、 蒙脱石、 伊利石、 水铝石等。 岩石蚀变填充作用是本区石炭系火山岩储层储集的主要破坏作用。
1) 绿泥石充填
绿泥石是一种可络合的矿物, 是低温热流体蚀变产物。 在碱性环境下, 流体中富集了Fe2+、 Ca2+、 Mg2+所形成的, 主要充填于岩石的气孔及溶蚀孔隙中, 单晶呈鳞片状、 纤维状, 集合体呈放射状、 绒球状。 在杏仁状玄武岩和安山岩等气孔中充填的绿泥石, 由气孔内壁边缘向中心生长, 边缘呈皮壳状, 中心呈放射状, 气孔被充填或半充填 (图3.38B)。 同时, 绿泥石还会充填岩石的各种裂缝, 使岩石的储集性变差。 此外多数的斑晶也均发生了绿泥石化现象。 火山岩中长石蚀变的产物是绿泥石形成的主要物质来源, 本区绿泥石主要存在于致密玄武岩、 气孔 (杏仁) 玄武岩和安山岩中, 在风化玄武岩中含量较低。 绿泥石充填大大降低了火山岩储层的储集空间。
2) 沸石充填
沸石充填也是研究区比较常见的一个充填作用, 玄武岩经后期热液作用蚀变形成的特征矿物之一, 主要充填在火山角砾岩、 凝灰岩的粒间、 基质、 裂缝、 溶孔及气孔中。 研究认为本区沸石的形成主要是斜长石蚀变生成的, 以浊沸石为主, 部分为片沸石和少量的丝光沸石、 斜发沸石。 岩心观察玄武岩中沸石的含量明显多于安山岩中, 这与岩石中长石的Ca含量密切相关, 在相同的热力学条件下基性斜长石较中性斜长石更容易蚀变。 沸石的充填作用比较复杂, 显微观察表明, 研究区沸石充填有4种类型: ①沸石充填在裂缝中, 边缘呈晶簇状, 中间为自形中晶; ②沸石充填在气孔的中间部位, 呈放射状, 气孔的边缘被绿泥石充填, 这种沸石是由岩浆热液中沉淀结晶形成的; ③沸石充填在溶蚀孔隙中, 呈云朵状, 边缘常见一层黑色氧化环铁质膜; ④沸石充填在呈交织状态的长石小晶体和微晶间。
绿泥石常与沸石伴生, 岩心观察发现, 绿泥石和沸石的产状和分布大体上一致, 但其形成的次序却不同, 成岩早期绿泥石的形成早于沸石, 成岩后期气孔、 孔洞中沉淀结晶的绿泥石晚于沸石。 熔岩正常埋藏演化未发生溶蚀的过程中, 熔岩气孔发育带的上部常发育绿泥石填充, 往下逐渐发育沸石与绿泥石的混合过渡带, 下部多数发育沸石的填充。 这种现象的原因目前还不清楚。 成岩中受风化、 淋滤、 溶蚀的作用, 熔岩中沸石、 绿泥石均遭受不同程度的溶蚀。 风化作用强时, 填充物完全溶蚀, 岩石中未见绿泥石, 但仍可见少量二次充填的沸石; 风化作用中等或较弱时, 岩心中可见未溶蚀或弱溶蚀的绿泥石, 以及沸石的溶蚀、 半溶蚀孔。
(4) 裂缝发育程度是决定火山岩储层渗透性的关键因素
火山岩的储集空间与砂岩有明显不同, 除火山碎屑岩外, 其他各种类型的火山岩所发育的晶间、 晶内、 收缩洞穴、 粒间及气孔等原生孔隙具有分散性, 之间不能构成网络, 难以形成有效的油气储集空间。 因此, 火山岩体中各种缝隙的发育状况对改善火山岩储层意义重大。 火山岩体内各种孔、 洞经过与裂缝交织在一起才可构成良好的油气储集空间, 因此火山岩的储集性能与裂缝发育程度密切相关。
石炭系火山岩裂缝普遍发育。 其中在准噶尔盆地西北缘地区裂缝最为发育, 统计西北缘石炭系火山岩岩心样品4200余块, 其裂缝密度平均可达28条/10cm, 最大达到250条/10cm(图4-72)。 但不同岩性火山岩裂缝的发育程度存在差异, 由火山角砾岩、 角砾熔岩、 熔岩依次增大。 火山角砾岩由于压实和火山灰充填作用, 使得原生孔隙遭到破坏, 主要储集空间由后期成岩溶蚀作用的次生孔隙和构造成因的裂缝构成; 玄武岩、 安山岩等熔岩主要微晶和隐晶结构, 除了局部有少量的晶间孔和气孔外因基质孔隙不发育,储集空间主要为构造裂缝、 溶缝和溶孔。
图4-72 准噶尔盆地西北缘石炭系各岩性裂缝密度示意图
石炭系火山岩渗透率大于1.0md样品, 均为裂缝或节理发育样品。 由此可以看出,裂缝的发育程度是决定火山岩储层渗透性的关键因素。 成岩过程中的冷凝收缩、 构造作用、 流体溶蚀作用是本地区裂缝形成的3种主要因素。 沿断裂带或风化不整合面分布的火山岩, 裂缝最为发育, 如石南1井和彩27井, 在断裂活动过程中形成众多裂隙把原来孤立的气孔连通起来, 使得储层的有效孔隙度和渗透率大大增加, 从而提高油气的储集性能。
(5) 风化淋滤和埋藏溶蚀决定火山岩优质储层发育带
对多数火山岩来讲, 孔隙发育程度与淋滤作用密切相关, 淋滤作用不但可以使岩石破碎, 也可以使岩石的化学成分发生显著的变化, 如发生矿物的溶解、 氧化、 水化和碳酸盐化等。 新疆北部地区石炭系火山岩由于后期蚀变和矿物充填, 镜下可见储集空间以表生作用下淡水淋滤形成的次生型溶蚀孔隙 (洞) 和复合型孔隙-裂缝为主。
火山岩储层物性的主控因素是构造裂缝及风化壳的发育程度。 新疆北部地区, 石炭系顶面为全区构造不整合, 中晚三叠世在挤压构造环境下形成大范围的隆起。 在温带半干旱气候下, 长期暴露的火山岩受物理化学风化作用形成风化壳, 构成该区最有利的储层类型——风化壳型火山岩储层。 在构造高部位, 大气淡水淋滤时间长, 次生孔隙发育, 而在构造低部位, 溶蚀作用形成的孔隙多已被绿泥石、 方解石充填。
在远离风化壳的石炭系内部, 有机质在热演化过程中生成大量的有机酸和碳酸, 促使孔隙水和层间水的pH值大幅度下降, 从而使这些溶解力很强的酸性水进入储集层中, 导致在碱性孔隙水中比较稳定的沸石矿物发生溶蚀形成沸石溶蚀孔, 构成该区另一类有利的储层类型——原生型火山岩储层。
(6) 不同地区火山岩储层分析与对比
新疆北部地区石炭系火山岩主要形成于伸展裂谷 (盆内) 和岛弧环境 (盆缘), 多火山口、 多期次喷发, 火山熔岩和火山碎屑物交替喷出、 相互叠置, 平面上大面积分布。 火山岩岩性和岩石类型多样, 但总体以中基性的玄武岩、 安山岩和火山角砾岩为主, 夹有厚层火山沉积碎屑岩和沉积岩层, 经后期构造运动、 风化淋滤、 地层流体、 埋藏等复杂的改造过程, 形成多岩性、 多类型的孔缝双介质储集空间, 为油气提供了良好的储层条件。
从目前研究来看, 准噶尔盆地石炭系火山岩以串珠状、 多火山口喷发为主已发现的火山岩储层岩石类型有玄武岩、 安山岩、 流纹岩、 花岗岩、 自碎角砾岩、 火山角砾岩、 凝灰岩等 (表4-19)。
表4-19 滴西地区典型井火山岩储层岩性对比表
由于不同盆地、 不同构造区带火山喷发强弱、期次、 岩性以及成岩作用后期改造的差异性, 其储集空间类型、储层成因、 储层发育程度也不尽相同 (表4-20)。
表4-20 准噶尔盆地不同地区火山岩储层分区对比表
综合以上研究认为, 火山岩储层的分布规律与优质火山岩相带、 风化淋滤带、 有利的成岩部位密切相关。 ①火山岩相分布控制了有利储层分布, 溢流相顶部自碎角砾岩发育带以及气孔发育带, 决定了火山岩储层的分布火山喷发的期次性、 纵向上储层发育的韵律性。 ②风化淋滤决定了优质储层的发育带。 风化淋滤对储层具有积极的改善作用, 增大了储集空间, 提高了储集性能。 优质储层主要分布在风化壳以及沿断层向下350m的范围内以及每期沉积间断期旋回顶部。 ③有利成岩部位是火山岩优质储层分布区, 生烃中心指向区和风化淋滤斜坡带是有利储层的发育区。 同时断裂发育区的展布是火山岩储层油气高产分布区, 裂缝极大地改善了储层渗透率, 提高了储集性能。
根据上述因素, 将准噶尔盆地石炭系火山岩有利区分为3类, 即:
1) 一类有利区: 是研究区最有利火山岩储层分布地区, 主要发育于断裂发育区的石炭系顶部风化淋滤层。 火山岩储层类型以Ⅰ类和Ⅱ类为主, 部分为Ⅲ类储层。 该类有利区, 在准噶尔盆地主要分布于西北缘断裂上盘、 陆梁隆起的石西凸起和滴南凸起、 东部隆起的北三台凸起。
2) 二类有利区: 是研究区有利火山岩储层分布地区, 主要发育于断裂发育区的的火山爆发相周围, 火山岩储层类型以Ⅰ类和Ⅱ类为主, 部分为Ⅲ类储层。 该类有利区, 在准噶尔盆地主要分布于陆梁隆起的夏盐凸起和滴北凸起、 东部隆起的五彩湾凹陷、 中央坳陷的白家海凸起。
3) 三类有利区: 是研究区较有利火山岩储层分布地区, 主要为火山爆发相和溢流相。火山岩储层类型Ⅲ类为主, 局部为Ⅰ类和Ⅱ类。 该类有利区在准噶尔盆地主要分布于陆梁隆起的滴水泉凹陷周缘、 东部隆起的五彩湾凹陷、 中央坳陷的莫北凸起。