姜 輝 楊煉強 杜宏宇 趙應權

摘要:火山巖儲集空間按照結構成因分類法分為原生孔隙、次生孔隙和裂縫3大類型,并具有復雜的“孔縫雙重結構”,火山巖相、噴發(fā)模式、裂縫系統(tǒng)、不整合面、成巖作用及其后生環(huán)境是影響其成分、結構和構造的5大要素。其中,火山巖相、噴發(fā)模式是儲集空間形成和發(fā)育的基本動力條件,相態(tài)和噴發(fā)幅度控制孔縫成因結構;裂縫系統(tǒng)、不整合面、成巖作用及其后生環(huán)境是儲集空間改造和保存的重要地質(zhì)因素:多期次構造裂縫構成儲集空間的主體,火山巖頂部或側翼距不整合面的距離影響儲集空間帶的分布,成巖及其后生作用使得原生孔隙被次生充填或加劇溶蝕孔、縫的形成。那些經(jīng)歷過溶蝕作用和水上噴發(fā)的正交密集型裂縫系統(tǒng),將成為最有利的儲集空間體。

關鍵詞:火山巖儲集層;儲集空間;類型;影響因素

中圖分類號:TE122.2文獻標識碼:A

引 言

百余年的油氣勘探歷史中,火山巖儲集層作為一種特殊但具有廣闊前景的油氣儲集層類型已受到越來越多的重視。時至今日在火山巖中發(fā)現(xiàn)的油氣藏已遍布五大洲,世界各主要油氣產(chǎn)區(qū)幾乎均發(fā)現(xiàn)火山巖油氣藏[1-4],較為著名的有美國亞利桑那州的比聶郝比肯亞正長巖油氣藏,格魯吉亞的薩姆戈里-帕塔爾祖里凝灰?guī)r油藏,印度尼西亞賈蒂巴朗安山巖油藏等,大港棗北地區(qū)的沙三段玄武巖油氣藏,遼河盆地歐利坨子地區(qū)粗面巖油氣藏等,顯示了火山巖油氣開發(fā)的巨大潛力。

鑒于火山巖油氣藏勘探開發(fā)的重要性日益顯著,從20世紀70年代末開始,尤其是最近10 a間多位學者[5]對火山巖石學、火山巖孔隙結構特征、儲層參數(shù)分布、敏感性和非均質(zhì)性等諸多方面做了大量建設性工作,成果斐然。但是,對于影響火山巖儲集空間發(fā)育的控制因素方面卻始終缺乏系統(tǒng)有力的研究,該研究即著眼于此試從成因角度展開分析。

1 儲集空間特征

1.1 儲集空間類型

火山巖儲層儲集空間按照結構成因分類方式可分為原生孔隙、次生孔隙和裂縫3大類型。原生孔隙包括巖漿冷凝成巖過程中產(chǎn)生的各種氣孔、晶間孔、粒間孔等;次生孔隙指巖漿冷卻后遭受熱液蝕變、風化淋濾等外力作用而形成的晶屑溶孔、斑晶溶孔、基質(zhì)溶孔等;裂縫包括構造裂縫、解理縫和溶蝕裂縫等(圖1)。

火山巖儲集層的一個顯著特征就是具有復雜的“孔縫雙重結構”,這種結構是火山巖儲集層在原始噴發(fā)、巖性巖相、構造運動、成巖作用等多種因素相互作用的綜合結果[6]。火山巖的原生孔隙多呈孤立狀,孔隙度高而滲透性差,只有當溶蝕孔縫將這些原生氣孔、粒間孔連通,形成孔隙-裂縫復合式儲集空間才具有一定的儲集能力。玄武巖氣孔較其他巖類發(fā)育,但儲集性能往往不如具有溶蝕孔隙和構造裂縫的英安巖、流紋巖,就是這個原因。

但并非具有裂縫系統(tǒng)就足夠,根據(jù)對南堡凹陷火山巖巖心描述和薄片鑒定分析[7],其火山巖主要發(fā)育早、中和晚3期裂縫系統(tǒng):①早期網(wǎng)狀裂縫雖然很發(fā)育,但綠泥石充填嚴重,屬于無效裂縫;②中期高角度構造裂縫,往往與巖心的長軸方向平行或略斜交伸入,少數(shù)為張開裂縫,充填少量方解石自形晶體,屬于有效裂縫;③晚期低角度裂縫的充填程度低、規(guī)模小,屬于具有一定輸導能力的有效裂縫。因此,決定儲集條件的關鍵在于裂縫的發(fā)育程度,其中早、中期裂縫的發(fā)育程度決定了孔隙度的大小;中、晚期裂縫的發(fā)育程度決定了滲透率的大小,溶蝕能力起到至關重要的催化作用。松遼盆地流紋巖儲層還有一種孔隙結構組合[8],即由基質(zhì)溶孔與構造裂縫的組合而成的孔隙結構,這種孔隙結構組合與眾不同的是裂縫形成在先,而后酸性流體沿裂縫通道進入巖層造成巖石內(nèi)基質(zhì)長石微晶溶蝕而構成。

1.2 后期改造

儲集空間的后期改造涉及構造運動、風化剝蝕、溶蝕淋濾等。多期構造運動一方面產(chǎn)生大量的構造裂縫,形成火山巖儲集層獨具特色的孔縫結合的二元系統(tǒng);另一方面,構造活動——特別是斷-褶作用導致的抬升遮擋、深埋藏、側向尖滅對于火山巖儲集體圈閉的形成十分有利。另外,火山爆發(fā)時的沖力使頂板及圍巖破碎,形成大量裂隙、裂紋、粒間孔,加之多處在構造高部位或侵蝕高地,易遭受強烈風化、淋濾作用,使原生孔縫溶蝕擴大,形成最有利的儲集層。

然而后期的改造過程是復雜的物理化學過程?；鹕綆r在區(qū)域構造抬升時暴露地表,遭受風化剝蝕和溶蝕淋濾作用的同時原生孔縫空間接受二次改造,產(chǎn)生大量冷凝縫、風化縫、溶蝕縫和次生溶蝕孔隙。其改造方式主要表現(xiàn)為沸石、方解石、綠泥石、石膏充填在各種中、基性火山巖,火山角礫巖和凝灰?guī)r的粒間、基質(zhì)、晶間。一般說來,綠泥石多呈鱗片狀、纖維狀微晶充填;沸石多呈交織狀態(tài)充填在長石的小晶體間;方解石多靠近孔隙壁及縫壁生長。這些次生改造作用可以完全或部分堵塞孔縫空間,造成儲集層物性急劇下降。但地層中的成巖作用、異常壓力和地熱可以引發(fā)地下流體的酸化,使得礦物無機酸活度增加、有機質(zhì)脫羧基誘發(fā)有機酸,從而產(chǎn)生溶蝕效應對儲集層又有利。

2 儲集空間影響因素

2.1 火山巖相

火山巖巖石類型和巖相是影響儲集層的重要因素(表1)。一般來說,爆發(fā)相形成的火山碎屑巖較溢流相形成的熔巖疏松,應形成較多的原生孔隙。但事實并非僅僅如此,由于壓實作用和外來物質(zhì)的充填,火山碎屑巖的原生孔隙和溢流相的熔巖氣孔都遭到不同程度的破壞,孔隙類型主要為次生孔隙,而次生孔隙主要為長石溶孔及粒間溶蝕擴大孔,它們?nèi)Q于火山巖中長石的含量及其與酸性流體的反應,這種次生孔隙在溢流相的流紋巖中最為發(fā)育[9]。對于侵出相,由于巖漿密度大,侵出地表后多以巖穹、巖鐘和巖針等產(chǎn)狀分布,巖體同化作用強而分相不明顯,次生孔隙發(fā)育較困難。

不同火山巖相在地震剖面上具有可識別性[10]。保存較完整的火山錐在常規(guī)地震剖面上一般具有丘形反射特征,火山巖頂界面表現(xiàn)為強反射,一般為上超面,上覆沉積巖地層超覆于火山巖錐體頂面。

2.2 火山噴發(fā)模式

火山噴發(fā)模式可劃分為夏威夷式、斯特朗博利式、武耳卡諾式、培雷式、布里尼式和卡特邁式6種類型[11-13],中國大陸以夏威夷式、斯特朗博利式和布里尼式噴發(fā)模式最為常見。不同的噴發(fā)模式形成不同的火山巖類型和不同的孔隙空間特征(圖2)。

2.2.1 夏威夷式(Hawaiian eruption)

其噴出強度最低,通常與玄武巖形成有關,其噴發(fā)特點是:貧氣的熔巖流沿地面作較長時間流動,而富氣的部分則快速噴發(fā)至空中,范圍可達1 km形成“熔巖泉”。玄武巖以夏威夷式為主,噴發(fā)相對溫和而貧氣。噴發(fā)后聚集在火山口附近并沿斜坡流動,具填平補齊的特點,最終易匯聚于洼陷處。由于流動性較大,噴發(fā)后易沿層流動形成薄的巖層而裂縫不發(fā)育,同時沒有足夠的時間進行結晶,而形成玻璃質(zhì)結構,導致儲集性能相對較差。

2.2.2 斯特朗博利式(Strombolian eruption)

其產(chǎn)生的熔巖比較黏稠,也就是說SiO₂質(zhì)量分數(shù)較高,其噴發(fā)特點是:在一開放通道中,頂部含有大量氣泡的熔巖多次間斷性猛烈噴發(fā),形成高度大于1 km的噴發(fā)柱。安山巖、粗面巖以斯特朗博利式為主,噴發(fā)較為猛烈,攜帶大量揮發(fā)性氣體,便于將粗面巖沖到火山口旁邊的構造高部位;易在火山口高地附近形成巨厚巖層。由于大部分暴露在空氣之中,其有充足的時間進行結晶形成晶質(zhì)結構;且粗面巖SiO₂質(zhì)量分數(shù)較高,經(jīng)過長期的剝蝕、風化,易在內(nèi)部產(chǎn)生大量的裂縫。

2.2.3 布里尼式(Plinian eruption)

此種噴發(fā)與酸性巖漿巖的形成密切相關,噴發(fā)方式特點是:強度最高,也最為猛烈,產(chǎn)生的巖漿柱高達3 km,生成大量富硅、粘稠的、呈氣泡狀的巖漿物質(zhì)。流紋巖以布里尼式猛烈噴發(fā)為主,孔隙類型多為氣孔、杏仁體內(nèi)孔、球粒晶間孔、斑晶溶蝕孔等,含大量富硅質(zhì)酸性物質(zhì),有利于后期酸的形成,改造潛在的儲集空間。

2.3 不整合面

地質(zhì)研究表明,較大的孔、洞、縫均發(fā)育于斷裂帶和不整合面附近,這是由于火山巖的噴發(fā)和溢流是有期次性的,火山巖的冷凝過程也不均一。每次火山噴發(fā)間歇,可能要經(jīng)過一個相對長期的地表暴露,接受風化淋濾作用而產(chǎn)生次生風化殼型孔隙、斑晶溶蝕孔、基質(zhì)內(nèi)溶蝕孔、溶蝕裂縫等,該類孔縫的形成也進一步改造和溝通了原生氣孔。因此火山巖頂部或側翼距不整合面的接觸距離就成為影響火山巖儲集空間發(fā)育的重要控制因素(圖3)。

2.4 裂縫系統(tǒng)

2.4.1 裂縫的測井識別

(1) 常規(guī)測井識別。在常規(guī)測井曲線上,裂縫主要引起“鈾異常富集、聲波時差增大或跳波、中子挖掘效應、密度減小、電阻率降低”等測井異常響應。

隨裂縫發(fā)育程度的增加,鈾異常指標、次生孔隙度指標和深淺側向幅度差增大,視孔隙結構指數(shù)減小。進一步研究結果表明,鈾異常指標法則易受巖性變化的影響,次生孔隙度指標法易受孔隙結構變化的影響,視孔隙結構指數(shù)法易受流體性質(zhì)變化的影響,深淺側向幅度差法易受“雙軌”狀鉆井誘導縫和壓裂縫的影響。相對而言,以次生孔隙度指標和視孔隙結構指數(shù)2種方法求取效果較好[14]。

(2) FMI裂縫識別。FMI(Formation Micro Imager)是一種微電阻率成象測井儀,通過微電極矩陣探測井壁四周導電性的變化,分辨率高達0.5 cm。FMI通過正弦線理論擬合方式,可識別高電導縫、微裂縫和鉆井誘導縫。

在FMI圖像上,高電導縫表現(xiàn)為深色(黑色)正弦曲線,通常為開啟的構造裂縫或充填導電物質(zhì)(如泥質(zhì))的充填縫;微裂縫是指各種延伸局限和在FMI圖像上難以進行理論擬合的不規(guī)則分布裂縫,與巖石類型和裂縫成因有關,主要包括冷凝收縮縫、節(jié)理縫、礫間縫等各種成巖縫以及局部充填或閉合的構造裂縫;鉆井誘導縫表現(xiàn)為沿井壁對稱出現(xiàn)的羽狀或雁列狀深色曲線,為鉆井過程中產(chǎn)生的非天然裂縫。

2.4.2 裂縫成因

受火山噴發(fā)旋回性和噴發(fā)時間無序性的影響以及后期構造運動和溶蝕作用的改造,火山巖的裂縫系統(tǒng)發(fā)育極不均一,多次的構造運動導致了裂縫的多期性,常可見到早期裂縫被晚期裂縫所切割。

其中,構造裂縫是影響火山巖儲集性能的關鍵因素?；鹕綆r作為儲集層,一個顯著的特點是一般在實驗室測定的巖心滲流能力大大低于實際試油所得的巖石滲流能力,主要就是由于構造裂縫不但本身也是一種重要的儲集空間類型,而且使原本互不連通的孔隙連通起來成為有效孔隙,形成一個暢通的滲流系統(tǒng)。按照裂縫的組合樣式,可分為正交裂縫體系、斜交裂縫體系、無序裂縫體系3種,再根據(jù)構造運動的強度,可細分為密集型、過渡型和稀疏型3種亞類,裂縫的切割、溶蝕能力依次減弱(表2)。塔河地區(qū)多組無充填物的開啟性構造張裂縫和剪裂縫統(tǒng)計結果顯示[15]多為高角度裂縫(傾角大于70°),其次為傾斜裂縫(傾角為31～70°)和低角度裂縫(傾角小于30°)。這些裂縫屬于斜交密集型構造裂縫體系(表2),裂縫寬度多為1～2 mm,長度以5～15 cm占優(yōu)勢(58.1%),其次為15～25 cm。裂縫面密度0.001 3～0.171 1條/cm²,平均為0.023 63條/cm²。這些互相截切的高密度裂縫切割深、延伸遠、方向性明顯,有利于地層水的滲入發(fā)生次生溶蝕作用,構成了該區(qū)最為有利的儲集帶。

其他成因的裂縫還有因火山巖冷凝時形成的收縮縫和火山巖遭受風化侵蝕形成的溶蝕縫,多為硅質(zhì)和碳酸巖質(zhì)所充填,原生縫隙空間很小,但也不同程度地改善了火山巖的儲集性能。

2.5 成巖作用及其后生環(huán)境

2.5.1 成巖作用

成巖作用對火山巖儲集性能的影響主要表現(xiàn)在2個方面:一是加劇了火山巖原生孔隙的次生充填,形成杏仁體內(nèi)孔,產(chǎn)生鐵白云石充填,降低了儲集性能;二是加劇了溶蝕孔、縫的形成,改善了儲集性能(圖4)。

(1) 壓實作用?；鹕綆r抗壓實能力較碎屑巖和碳酸鹽巖高,孔隙特別是溢流相剛性巖體分布零散、韻律無規(guī)則,不易受壓實作用影響,隨埋深增大孔隙度變化不明顯。即在埋深較大的情況下,仍可能有較好的物性條件。

(2) 氣體膨脹結晶作用。火山巖漿噴出地表冷凝收縮,氣體迅速膨脹發(fā)生結晶作用,形成大量氣孔和部分收縮縫。不同巖性火山巖在成巖時受溫度、壓力、圍巖及通道的影響,氣體膨脹時的強度是不一樣的,氣體膨脹作用越強,所形成的火山巖孔隙越發(fā)育。相同條件下玄武巖的氣孔最發(fā)育,其次為安山巖,流紋巖最差。這些孔隙多為原生孔隙,孔隙度較高但彼此連通性很差,難以形成有效儲集層。

(3) 溶蝕和交代作用。溶蝕作用使得大量長石以及酸性流體進入火山巖孔、縫系統(tǒng),原生充填孔隙遭受溶蝕。一方面,由于巖漿余熱導致地層水溫升高,使得火山巖中的硅酸鹽礦物釋放出Fe²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺、Na⁺、Si⁴⁺等離子,形成伊利石、方解石、綠泥石等成巖礦物,交代部分礦物并充填、堵塞孔隙和喉道。另一方面,溫度的升高有利于長石(鉀長石)在有機酸中(羧酸)的溶解,有機酸可以增加地層水中鋁離子的活度,有機酸陰離子與鋁陽離子的結合形成絡合物易被流體帶走,沖開堵塞的孔隙通道而形成次生孔隙(顯微鏡下可見長石和石英斑晶的溶蝕邊緣和斑晶內(nèi)溶孔)。另外,無機酸(碳酸)也可以溶解長石而蝕變?yōu)楦邘X石及其他陰陽離子隨流體排出,但溶蝕速度與H⁺供應能力卻比有機酸小得多。但總的說來,溶蝕作用改善了火山巖的孔隙空間和滲透能力。

2.5.2 成巖后生環(huán)境

儲集空間形成與演化的成巖后生環(huán)境主要有水下噴發(fā)環(huán)境、水上噴發(fā)環(huán)境和埋藏環(huán)境。

(1) 水下噴發(fā)環(huán)境。當熱的熔巖進入水中表面驟然冷凝使局部形成玻璃質(zhì)外殼,阻礙了自熔巖中分異出的熱液或殘留巖漿流出巖體之外,使具有豐富鐵、鎂、硅質(zhì)成分的熱液只能進入前期已形成的氣孔中,并冷凝結晶或蝕變成為氣孔中的充填物,從而形成杏仁體。主要特征有:①綠泥石化普遍;②碳酸鹽含量高;③玻璃質(zhì)含量高;④氣孔被廣泛充填不發(fā)育,杏仁體普遍;⑤火山巖層間有湖相或海相泥巖隔層。水下噴發(fā)環(huán)境以水解作用、溶解作用及充填作用為主,氣孔多被綠泥石、硅質(zhì)、方解石過早地充填,因此該環(huán)境對巖石的儲集性能具有負面影響。但是另一方面,水下噴發(fā)環(huán)境對火山碎屑流頂/底氣孔帶、爆發(fā)相凝灰?guī)r孔隙的形成可能有利,這是因為水解/溶解作用對疏松、細粒的碎屑流、凝灰?guī)r孔隙的酸解、疏通更為有效。

(2) 水上噴發(fā)環(huán)境。由于處于水上環(huán)境,每次噴發(fā)時間之間為長期的水上風化剝蝕期。因此,噴發(fā)期所形成的火山巖頂部遭受強烈的風化、淋濾作用,形成類似于殘積的火山砂礫巖層,是次生孔隙發(fā)育的主要時期。主要特征有:①噴液的火山巖結晶程度高,具有冷凝速度慢的特點;②巖石氣孔發(fā)育,盡管仍被充填,但反映了水上常壓環(huán)境;③具有明顯的大氣環(huán)境表生成巖作用的特點。水上噴發(fā)環(huán)境由于慢速冷凝、玻璃質(zhì)含量低、結晶程度高、旋回性明顯,是火山巖儲集性最有利的環(huán)境。

(3) 埋藏環(huán)境。依據(jù)埋藏的深度,可細分為早期埋藏、中期埋藏和晚期埋藏3種環(huán)境。早期埋藏的成巖作用以交代和充填作用為主,因此這一環(huán)境對孔隙的形成不利,將導致前期形成的孔隙大為減少。中期埋藏,在有機質(zhì)成熟過程中形成的大量有機酸將導致成巖介質(zhì)向酸性轉化,對前期形成的碳酸鹽充填物進行一定程度上的溶解,增加有效儲集空間。大量碳酸鹽礦物的溶解和油氣充注主要發(fā)生在這一時期。晚期埋藏發(fā)生在油氣運移之后,生油期形成的有機酸因與碳酸鹽礦物作用逐漸減弱,介質(zhì)又逐漸恢復堿性環(huán)境。同時由于油氣的存在,使整個地層水系統(tǒng)成為強還原環(huán)境,形成大量的鐵白云石、方解石及黃鐵礦,再一次充填已有的孔隙或裂縫。因此,這一環(huán)境也不利于儲集層的發(fā)育。

3 結 論

火山巖儲集空間按照結構成因分類方式,可分為原生孔隙、次生孔隙和裂縫3大類型。儲集空間的最終形成是多期次的構造運動、風化剝蝕、溶蝕淋濾共同作用的結果?；鹕綆r相、火山噴發(fā)模式、不整合面、裂縫系統(tǒng)、成巖作用及其后生環(huán)境是影響儲集空間成分、結構和構造的重要因素。其中,裂縫系統(tǒng)和成巖作用(環(huán)境)是形成有利儲集層最重要的先天和后天因素。

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