鄭健，王璞珺，朱建峰，邊偉華，洪一鳴，程澤宇，季金礁

1.吉林大學 地球科學學院，長春 130061; 2.中國石油化工股份有限公司 東北油氣分公司，長春 130062

0 引言

火山碎屑巖是一種介于火山熔巖和陸源碎屑巖之間的過渡類巖石[1--2]，在油氣勘探過程中逐漸被證實具有油氣成儲成藏潛力[3--4]。在中國，火山碎屑巖作為重要儲層的地區(qū)包括二連盆地、渤海灣盆地和海拉爾盆地等[5--7]，此外，松遼盆地，準噶爾盆地和三塘湖盆地等盆地內(nèi)火山碎屑巖也發(fā)育一定規(guī)模的儲層[8--9]。雖然火山碎屑巖具有與陸源碎屑巖相似的碎屑結構，但碎屑物質(zhì)的來源、搬運方式、形態(tài)特征以及膠結方式均存在明顯差異，而且其在形成過程中先后經(jīng)歷了復雜的成巖作用改造，導致火山碎屑巖的儲集空間在形成與演化方面具有一定特殊性[9--11]。

火山碎屑巖儲層具有較強的空間非均質(zhì)性，表現(xiàn)為儲集空間變化復雜、儲集物性差異明顯[7]。即使在同一地區(qū)，不同層系的火山碎屑巖的物質(zhì)構成和儲集空間也存在明顯差異。不同粒度、不同膠結類型的火山碎屑巖在多期復雜的成巖作用影響下有效孔隙的發(fā)育特征與分布規(guī)律尚不明確。筆者以松遼盆地南部長嶺斷陷龍鳳山地區(qū)鉆遇火石嶺組火山碎屑巖的6口鉆井為例，系統(tǒng)開展厘米--微米級不同尺度下的火山碎屑巖儲層特征描述，探討和總結影響火山碎屑巖儲層物性的主要因素。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

長嶺斷陷位于松遼盆地中央斷陷區(qū)南部，面積約為1.3×104km2[12]。龍鳳山次凹(又稱長嶺南次凹)位于長嶺斷陷南部(圖1)，是在火石嶺組火山巖基礎上發(fā)育起來的繼承性凹陷，面積約300 km2，西部受NE向北正鎮(zhèn)邊界斷層控制，東部受古隆起的影響，形成西斷、東超的箕狀斷陷構造[15--17]。

圖1 長嶺斷陷地質(zhì)概況(a)及火石嶺組火山巖分布(b)(據(jù)文獻[13]及[14]修改)Fig.1 Geological setting of Changling fault depression(a) and distribution of volcanic rocks in Huoshiling Formation(b)

長嶺斷陷發(fā)育火山巖的層位主要是營城組及火石嶺組[18--19]。營城組一段和三段均發(fā)育火山碎屑巖，營一段主要發(fā)育大段流紋巖及流紋質(zhì)火山碎屑巖，營三段主要發(fā)育玄武質(zhì)集塊熔巖、玄武巖及流紋質(zhì)火山角礫巖?；鹗瘞X組發(fā)育安山巖、玄武巖及火山碎屑巖[18，20]。

本文主要研究層位火石嶺組是松遼盆地中生代斷陷期的產(chǎn)物[14]。在龍鳳山地區(qū)鉆遇火石嶺組的鉆井中，主要發(fā)育有火山熔巖、火山碎屑熔巖、火山碎屑巖以及沉火山碎屑巖4大類，以中基性火山巖為主。按鉆揭地層厚度統(tǒng)計，其中安山巖約占14%，沉火山碎屑巖約占6%，火山碎屑巖約占80%。根據(jù)膠結類型，火山碎屑巖細分為凝灰質(zhì)膠結火山碎屑巖和熔漿膠結火山碎屑熔巖，前者占總厚度63%，后者占17%。

2 火山碎屑巖儲層發(fā)育特征

2.1 火山碎屑巖的類型與特征

研究區(qū)內(nèi)火山碎屑巖中碎屑物質(zhì)主要由安山巖巖屑及斜長石晶屑等構成，角礫粒徑最大可達8 cm，呈灰白色，多為棱角狀。膠結類型可見凝灰質(zhì)膠結(圖2C)和熔漿膠結(圖2B)等。根據(jù)膠結類型及膠結程度，研究區(qū)內(nèi)火山碎屑巖可分為熔結成因的火山碎屑熔巖及非熔結成因的普通火山碎屑巖。巖石普遍發(fā)育裂縫(圖2D、F)，可見鈣質(zhì)充填(圖2A)、沸石充填等。

A.北215井，3 218.35 m，灰黑色安山質(zhì)角礫熔巖，火山碎屑熔巖結構，可見大量氣孔定向半定向分布，鈣質(zhì)充填嚴重，構造裂縫發(fā)育，鈣質(zhì)充填；B.北204井，3 302.35 m，灰色安山質(zhì)角礫熔巖，火山碎屑熔巖結構，裂縫發(fā)育，交織成網(wǎng)狀，硅質(zhì)充填嚴重；C.北203井，3 869.07 m，灰色安山質(zhì)凝灰?guī)r，火山碎屑結構，含少量安山質(zhì)巖屑，晶屑主要是長石，含少量角礫，裂縫不發(fā)育；D.北204井，3 304.20 m，安山質(zhì)角礫熔巖，構造裂縫貫穿，縫面平直，可切穿斑晶及角礫；E.北203井，3 865.00 m，安山質(zhì)凝灰?guī)r，長石斑晶被鈣質(zhì)交代，可見沸石充填角礫間孔；F.北213井，3 525.06 m，安山質(zhì)火山角礫巖，溶蝕作用產(chǎn)生裂縫，沿著顆粒邊緣產(chǎn)生溶蝕；G.北213井，3 525.06 m，安山質(zhì)火山角礫巖，凝灰質(zhì)膠結；H.北213井，3 525.06 m，灰綠色安山質(zhì)火山角礫巖，火山碎屑結構，碎屑顆粒粒徑2～10 mm，微裂縫發(fā)育；I.北215井，3 218.35 m，安山質(zhì)角礫熔巖，碎屑熔巖結構，角礫內(nèi)發(fā)育氣孔，定向性明顯，鈣質(zhì)充填。圖2 火山碎屑巖巖性特征及成巖改造Fig.2 Lithologic characteristics and diagenetic alteration of pyroclastic rocks

2.2 火山碎屑巖的儲集空間類型及組合

研究區(qū)內(nèi)火山碎屑巖的儲集空間分為原生孔隙和次生孔隙兩大類，其中次生孔隙占主要地位。原生氣孔(圖3E)及角礫間孔(圖3B)經(jīng)受強烈的鈣質(zhì)充填(圖3F)及黏土充填(圖3A)，破壞嚴重。溶蝕孔隙在研究區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育，斑晶和基質(zhì)均可被溶蝕(圖3C、D)，氣孔內(nèi)可發(fā)育多期充填--溶蝕(圖3E)，溶蝕孔隙是研究區(qū)內(nèi)最重要的有效儲集空間。網(wǎng)狀構造裂縫發(fā)育(圖3I)，在提供一定的儲集空間的同時，有效提升了巖石的滲透性。

A.北215井，3 218.35 m，安山質(zhì)角礫熔巖 黏土礦物充填殘余，可見微裂縫；B.北213井，3 523.50 m，安山質(zhì)火山角礫巖，粒間孔隙發(fā)育，壓實固結；C.北213--1井，3 744.06 m，安山質(zhì)凝灰?guī)r，粒間孔較少發(fā)育，長石斑晶被溶蝕；D.北213--1井，3 744.06 m，安山質(zhì)凝灰?guī)r，斑晶溶蝕孔，長軸約35 μm；E.北215井，3 223.50 m，安山質(zhì)角礫熔巖，氣孔內(nèi)方解石杏仁體部分溶蝕，充填桿沸石；F.北215井，3 218.35 m，安山質(zhì)角礫熔巖，氣孔間相互連通，鈣質(zhì)充填嚴重；G.北213井，3 525.06 m，安山質(zhì)火山角礫巖，微裂縫發(fā)育；H.北204井，3 304.20 m，安山質(zhì)角礫熔巖，構造裂縫貫穿；I.北213井，3 525.06 m，安山質(zhì)火山角礫巖，裂縫發(fā)育并相互交織，溶蝕作用沿裂縫發(fā)育。圖3 火石嶺組火山碎屑巖儲集空間特征Fig.3 Characteristics of reservoir spaces of pyroclastic rocks in Huoshiling Formation

2.3 火山碎屑巖的儲集物性

研究區(qū)內(nèi)安山質(zhì)凝灰?guī)r的孔隙度變化較大，其中孔隙度最小為1.47%，最大為10.35%，從低孔至高孔均有分布，然而滲透率變化較小，最高僅為0.054×10-3μm2，最低為0.028×10-3μm2(表1、2)。凝灰?guī)r的滲透率未隨著孔隙度的增加而明顯增加(圖4)。相對于安山質(zhì)凝灰?guī)r，安山質(zhì)火山角礫巖的孔隙度變化區(qū)間較小，最小為3.86%，最大為8.76%。滲透率變化較大，最高為12.04×10-3μm2，最低為0.015×10-3μm2(表1、2)。熔漿膠結的安山質(zhì)角礫熔巖的孔隙度普遍較低，其孔隙度平均值僅為3.25%，遠低于凝灰質(zhì)膠結的火山碎屑巖。其幾何平均滲透率為0.043×10-3μm2，與安山質(zhì)凝灰?guī)r相似。

表1 長嶺斷陷火石嶺組火山碎屑巖孔隙度與滲透率測試結果

表2 長嶺斷陷火石嶺組火山碎屑巖孔隙度和滲透率統(tǒng)計結果

3 火山碎屑巖儲層物性的影響因素

3.1 火山碎屑巖粒度與膠結類型對物性的影響

通常而言，火山碎屑巖的滲透率與孔隙度呈正相關性。研究區(qū)內(nèi)安山質(zhì)凝灰?guī)r和安山質(zhì)火山角礫巖均為非熔漿膠結火山碎屑巖[21]，但二者孔隙度與滲透率的對應關系存在明顯差異(圖5)。

圖5 火山碎屑巖膠結類型、粒度與孔滲關系Fig.5 Relationship among cementation types, granularity, porosity and permeability of pyroclastic rocks

火山碎屑巖的孔隙主要由碎屑粒間孔隙和火山碎屑粒內(nèi)孔隙共同構成。火山角礫巖的碎屑顆粒較大，相較凝灰?guī)r，碎屑更易保留原生氣孔。粒度較大的火山角礫巖的粒間孔體積較大，孔隙間連通性更好。而凝灰?guī)r本身顆粒較小，導致粒間孔隙尺度較小，在壓實成巖過程中，凝灰?guī)r在充填作用下更易失去粒間孔。以獲得工業(yè)氣流的B213井安山質(zhì)火山角礫巖為例，安山巖角礫內(nèi)部發(fā)育大量的微裂縫，呈網(wǎng)狀溝通(圖3I)，并可延伸至角礫外部，同時沿角礫的邊緣經(jīng)常出現(xiàn)溶蝕裂縫，使得樣品的滲透率上升[22]。而本地區(qū)的安山質(zhì)凝灰?guī)r主要發(fā)育溶蝕孔隙，孔隙之間連通性極差，裂縫幾乎不發(fā)育，即使孔隙度超過10%，滲透率也沒有明顯增加。

熔漿膠結和凝灰質(zhì)膠結是最為常見的兩種火山碎屑膠結方式，均使得火山碎屑粒間孔減小。冷凝后的熔漿常呈致密塊狀，幾乎完全充填粒間孔，而凝灰質(zhì)充填的粒間孔，因凝灰質(zhì)細碎屑顆粒的松散堆積形成基質(zhì)微孔(圖3B)。膠結方式的差異，導致研究區(qū)火山碎屑熔巖的物性相對較差?；鹕浇堑[熔巖的主要儲集空間為未被充填的氣孔和斑晶、基質(zhì)溶蝕孔，不發(fā)育粒間孔。而凝灰質(zhì)膠結的火山碎屑巖在發(fā)育與火山角礫熔巖相似的儲集空間之外，角礫間基質(zhì)微孔的保留使得其具有相對較好的儲集性能(圖4、5)。

圖4 火山碎屑巖孔隙度與滲透率的相關性Fig.4 Correlation between porosity and permeability of pyroclastic rocks

3.2 成巖改造對物性的影響

火山碎屑在壓實成巖過程中，由于火山碎屑自身性質(zhì)，地層流體和構造活動等因素差異，其經(jīng)歷的成巖改造的過程不盡相同，最終導致火山碎屑巖的儲集物性發(fā)生明顯改變[6,18]。本地區(qū)影響火山碎屑巖儲集性能的成巖作用主要有充填作用、溶蝕作用以及構造作用等。

充填作用主要與火山碎屑巖成巖作用過程中的熱液流體活動有關，具體表現(xiàn)為火山碎屑內(nèi)氣孔(圖3F)與粒間孔(圖3B)的充填。常見充填物有鈣質(zhì)、硅質(zhì)及沸石類礦物。充填作用常具多期多成分特點，B215井的安山質(zhì)角礫中的氣孔，在經(jīng)歷早期鈣質(zhì)充填之后，又被桿沸石充填(圖3E)，還可見到黏土礦物充填(圖3A)。充填作用對巖石儲集性能具有極大的破壞作用，在降低巖石的孔隙度的同時，還會大幅度降低巖石的滲透率。

研究區(qū)火山碎屑巖的原生儲集空間因充填作用而損失嚴重，現(xiàn)有有效儲集空間以次生儲集空間為主，溶蝕作用對次生儲集空間的形成起了至關重要的作用[17]，溶蝕作用為含CO2熱液流體、有機酸和大氣水等共同作用的結果[23]。溶蝕作用不僅發(fā)生在火山碎屑巖的斑晶和基質(zhì)中，早期的充填物也可被溶蝕[24]。本地區(qū)主要的溶蝕類型有杏仁體內(nèi)溶蝕，斑晶溶蝕及基質(zhì)溶蝕。斜長石斑晶因溶蝕程度不同而呈斑點狀、環(huán)帶狀或連片狀溶蝕(圖3C、D)。早期形成的鈣質(zhì)杏仁體在后期也呈現(xiàn)一定程度的溶蝕 (圖3E)。此外，溶蝕作用也可形成溶蝕縫[14,17]， B213井安山質(zhì)火山角礫巖中大量發(fā)育的溶蝕裂縫極大地改善了巖石的儲集性能(圖3G、I)。

構造作用形成的節(jié)理及微裂縫對火山碎屑巖的孔隙度貢獻不明顯，但會顯著提高其滲透性。B204井的安山質(zhì)角礫熔巖，3個樣品的孔隙度差距較小，平均為2.02%，但滲透率呈現(xiàn)數(shù)量級的差異，最低的為0.017×10-3μm2，最高為1.028×10-3μm2(表1)。對比3個樣品，在高滲透率樣品的鑄體薄片中可以觀察到3條長裂縫，最長可達1.5 cm，幾乎貫穿薄片(圖2D)，平均寬度0.02 mm，而另兩個低滲透率樣品中未發(fā)現(xiàn)相似裂縫。

4 結論

(1)龍鳳山地區(qū)火石嶺組已鉆遇的火山碎屑巖主要以中基性的火山碎屑巖為主，主要包括安山質(zhì)凝灰?guī)r，安山質(zhì)火山角礫巖以及安山質(zhì)角礫熔巖。

(2)龍鳳山地區(qū)火石嶺組火山碎屑巖物性受粒度及膠結類型影響，火山角礫巖具有最優(yōu)儲集能力。

(3)成巖作用對龍鳳山地區(qū)火石嶺組火山碎屑巖物性改造強烈，充填作用、溶蝕作用和構造作用發(fā)育，充填作用對原生儲集空間破壞嚴重，現(xiàn)有有效儲集空間為溶蝕作用與構造作用形成的溶蝕孔隙和網(wǎng)狀微裂縫。