張興勇

(中國石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

火山巖約占準噶爾盆地充填物體積的25%，是盆地深層重要的勘探目標[1]。中國火山巖總面積約為215.7×104km2，有利勘探區(qū)面積為36.0×104km2，早期勘探過程中，在多個含油氣盆地中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些油氣顯示[2]，2002年后，準噶爾盆地和松遼盆地在深層火山巖勘探中相繼發(fā)現(xiàn)多個千億方級氣田，使火山巖成為中國非常規(guī)油氣勘探的重要領(lǐng)域之一[3-4]。西北緣是準噶爾盆地油氣最富集的地區(qū)，雖然石炭系火山巖已經(jīng)歷了近70 a的勘探，但整體探明程度較低，仍有較大的勘探潛力。西北緣石炭系火山巖具有巖石類型復雜、巖性巖相變化迅速、儲集空間類型多樣、斷層和裂縫非常發(fā)育等特點，不僅使火山巖在空間上具有極強的非均質(zhì)性，而且火山構(gòu)造內(nèi)油水關(guān)系更加復雜，加劇了火山巖油氣勘探的難度[5-6]。勘探實踐表明，西北緣石炭系火山巖屬典型孔隙-裂縫性雙重介質(zhì)儲層，裂縫的發(fā)育不僅影響儲層的儲集、滲流，更控制了油氣的運聚成藏和富集高產(chǎn)，對裂縫的認識已成為制約石炭系火山巖油氣勘探成敗的關(guān)鍵。前人對準噶爾盆地火山巖儲層特征、裂縫的綜合判別以及分布預測進行了大量研究[7-9]，但對裂縫的形成控制因素尚缺乏系統(tǒng)認識。因此，通過巖心、薄片、成像測井觀察和統(tǒng)計，在石炭系火山巖裂縫發(fā)育特征分析的基礎上，明確影響裂縫發(fā)育的主要因素，為研究區(qū)火山巖油藏勘探部署提供地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

準噶爾盆地是新疆北部一個形成于擠壓構(gòu)造環(huán)境、具有復合疊加特征且呈三角形封閉的大型含油氣盆地。博羅科努山、阿爾泰山和博格達山等褶皺山系環(huán)繞盆地四周，盆地周緣逆沖推覆構(gòu)造中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)金龍、滴西、石西、克拉美麗、五彩灣等47個火山巖油氣田，是盆地目前油氣勘探的主力區(qū)[10]。晚石炭世，準噶爾盆地由開放型海相盆地轉(zhuǎn)化為封閉的內(nèi)陸盆地，盆地周邊地塊在相向運動過程中發(fā)生強烈的陸-陸碰撞，形成眾多火山弧，噴發(fā)出大量中基性火山巖，形成的石炭系火山巖是準噶爾盆地油氣勘探的重要目的層。

研究區(qū)位于盆地西北緣車排子凸起，東臨紅車斷裂帶，北以克百斷裂帶和扎伊爾山為界，是盆地腹部沙灣凹陷、盆1井凹陷、四棵樹凹陷等生油凹陷重要的油氣運移指向區(qū)(圖1)。石炭系火山巖埋深為580～2 500 m，整體呈一個由北西向南東傾伏的單斜形態(tài)，地層傾角為4～16 °，三疊系克拉瑪依組和二疊系烏爾禾組超覆不整合于石炭系基底之上。在海西、印支期北西向南東側(cè)向擠壓應力作用下，研究區(qū)發(fā)育多期規(guī)模不等的逆斷層，燕山、喜馬拉雅期斷裂持續(xù)活動，向上斷至侏羅系底部，將石炭系地層切割成多個南北成帶、西高東低的斷塊，構(gòu)成復雜的斷塊-巖性油氣藏(圖2)。紅山嘴油田是準噶爾盆地西北緣勘探程度相對較低的區(qū)塊，自20世紀50年代以來，石炭系油氣勘探不斷取得突破，累計探明含油面積為7.72 km2，探明石油地質(zhì)儲量為618.05×104t，表明研究區(qū)良好的勘探開發(fā)潛力[11]。

圖2 紅山嘴油田石炭系地層綜合柱狀圖Fig.2 The comprehensive histogram of Carboniferous strata in Hongshanzui Oilfield

2 紅山嘴油田火山巖儲層特征

2.1 火山巖巖性特征

研究區(qū)石炭系火山巖儲層巖石類型多樣，以火山碎屑巖(65.2%)、火山熔巖(29.7%)為主，含少量暗色泥巖(2.4%)、凝灰質(zhì)砂礫巖(2.2%)、凝灰質(zhì)粉砂巖(0.4%)等沉積巖類。火山碎屑巖以火山沉積相灰色、灰綠色凝灰?guī)r含量最高，為41.6%，爆發(fā)相褐灰色火山角礫巖和火山沉積相深灰色沉凝灰?guī)r次之；火山熔巖以溢流相深灰色、灰綠色安山巖為主，約為24.0%，其次為侵入相深褐色玄武巖、溢流相灰綠色英安巖和淺灰色玄武安山巖(圖3)，局部見少量綠灰色輝綠巖。

圖3 紅山嘴油田石炭系火山巖TAS分類圖解

2.2 火山巖儲層物性特征

研究區(qū)火山巖儲層孔隙度為2.00%～15.90%，大部分樣品孔隙度小于10.00%，平均為4.35%；滲透率為0.01～180.00 mD，集中分布在0.01～1.00 mD，平均為0.14 mD，屬于典型的中—低孔、低—特低滲儲層。裂縫發(fā)育段儲層滲透率明顯改善，表明裂縫對儲層滲流能力提高具有重要作用(圖4)。

圖4 紅山嘴油田石炭系火山巖儲層孔隙度與滲透率關(guān)系

2.3 火山巖孔隙類型

研究區(qū)火山巖孔隙由氣孔、杏仁體孔、礫間孔、晶間孔、脫?；⒖椎仍紫都傲ｉg溶孔、粒內(nèi)溶孔、火山灰溶孔等次生孔隙構(gòu)成，面孔率為1.0%～10.0%。78個鑄體薄片統(tǒng)計表明：火山角礫巖面孔率最大，平均為8.4%，以粒間溶孔、礫間孔為主，裂縫極發(fā)育；次為安山巖，面孔率平均為5.7%，以斑晶粒內(nèi)溶孔、氣孔、杏仁體孔為主，鏡下見大量次生溶蝕裂縫；凝灰?guī)r面孔率平均為3.9%，以火山灰溶孔、晶間微孔為主，裂縫較發(fā)育；玄武巖和玄武安山巖面孔率較低，平均僅為2.3%，發(fā)育氣孔、脫?；⒖准吧倭繉娱g縫。

3 紅山嘴油田火山巖裂縫發(fā)育特征

3.1 裂縫成因分類

巖心、FMI觀察結(jié)果表明：研究區(qū)火山巖裂縫十分發(fā)育，裂縫類型復雜，以構(gòu)造縫為主，含量約為72.6%，成巖縫次之，含量為22.5%，風化縫僅為4.9%。研究區(qū)構(gòu)造裂縫主要分布在安山巖、凝灰?guī)r和火山角礫巖中，多成組分布、延伸距離遠、裂縫寬度大，裂縫面常見方解石、硅質(zhì)、綠泥石、濁沸石等礦物充填(圖5a)。石炭系火山巖形成后長時間暴露地表，遭受地表水淋濾溶蝕和風化剝蝕，在火山機構(gòu)頂部形成馬尾狀、脈狀風化縫(圖5b)，促進了后期構(gòu)造裂縫形成和次生溶蝕[12]，但大部分風化縫已充填成無效縫。成巖縫包括冷凝收縮縫、礫間縫、礫緣縫、晶間縫和溶擴縫，安山巖、玄武巖、英安巖等火山熔巖中冷凝收縮縫呈近似平行的線狀(圖5c)，延伸距離短、裂縫寬度普遍較小，是巖漿冷凝時巖石不均一收縮形成的；礫間縫和礫緣縫是火山角礫巖礫石間及礫石邊緣不規(guī)則的彎曲裂縫(圖5d)，延伸距離短但寬度大，部分被方解石、硅質(zhì)充填(圖5e)；晶間縫是凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖中碎屑顆粒間或晶屑內(nèi)部的裂縫，發(fā)育規(guī)模小、延伸距離短、形態(tài)不規(guī)則(圖5f)；溶擴縫是早期裂縫中長石、方解石、沸石等充填礦物被溶蝕擴大形成的，呈鋸齒狀、不規(guī)則狀(圖5g)，縫寬為0.05～0.20 mm，在火山機構(gòu)頂部風化殼最發(fā)育，溶擴縫溝通氣孔、晶間孔、礫間孔、粒間溶孔等不同類型孔隙，有效提高了儲層的滲流能力。

圖5 紅山嘴油田石炭系火山巖裂縫類型

3.2 裂縫發(fā)育特征

36口取心井統(tǒng)計表明，研究區(qū)火山巖裂縫以低角度縫(傾角為15～45 °)和高角度縫(傾角為45～75 °)為主，占比分別為48.20%和41.30%(圖6a)，傾角大于75 °的垂直縫僅有9.80%，局部發(fā)育少量纖維狀、短距離延伸的水平縫。低角度斜交縫呈樹枝狀、不規(guī)則狀延伸，大部分已被方解石、綠泥石充填；高角度縫多成帶出現(xiàn)，傾向一致呈近平行狀分布，縫面光滑，部分被方解石、黃鐵礦充填；多組近似平行分布的垂直縫仍保持開啟狀態(tài)，延伸距離較長。研究區(qū)縫寬在0.05～2.00 mm均有分布(圖6b)，主要分布在0.05～1.20 mm，低角度斜交縫縫寬普遍小于0.40 m，高角度斜交縫縫寬較大，主要分布在0.20～0.60 mm，垂直縫縫寬普遍大于0.50 mm。研究區(qū)裂縫線密度分布差異較大，從0.5條/m到22.0條/m均有分布，主要分布在1.0～10.0條/m(圖6c)，北部紅60、紅33井裂縫線密度為9.3～13.4條/m，向南到紅39、車35井裂縫傾角變小、裂縫線密度為3.2～5.6條/m。裂縫長度分布在1～45 cm，集中分布在5～20 cm，其中小尺度裂縫(裂縫長度為5～10 cm)占比最高，為45.30%，裂縫長度小于5 cm的微裂縫占比次之，為29.76%，中等尺度裂縫(裂縫長度為10～20 cm)和大裂縫(裂縫長度大于20 cm)占比較低，為20.68%和4.36%(圖6d)。

圖6 紅山嘴油田石炭系火山巖裂縫發(fā)育特征Fig.6 The fracture development characteristics of Carboniferous volcanic rocks in Hongshanzui Oilfield

3.3 裂縫走向及發(fā)育期次

研究區(qū)火山巖裂縫走向與斷層延伸方向基本平行，主要有北北東、北西和近東西向3組裂縫(圖7)，以北北東向裂縫最發(fā)育，北西和近東西向裂縫僅在南部紅28—車35井區(qū)較為常見。研究區(qū)裂縫經(jīng)歷了海西晚期、印支運動和燕山運動等3次較大規(guī)模構(gòu)造運動[13]，不同期次構(gòu)造運動控制了裂縫的類型、分布。結(jié)合裂縫切割關(guān)系研究結(jié)果表明，近東西向裂縫形成最早，海西晚期，西北緣受哈薩克斯坦板塊南東向擠壓應力作用，車排子地區(qū)向東逆沖擠出[14]，在研究區(qū)形成近東西向裂縫，裂縫延伸距離短、傾角較小，以低角度斜交縫為主；印支期，研究區(qū)再次受到北西向擠壓應力作用，在平面上形成一組與最大主應力方向平行的北西向高角度剪切縫，延伸距離遠、傾角大，切割早期近東西向裂縫；燕山期，受東部紅車斷裂帶右旋擠壓作用影響，研究區(qū)在北東向擠壓應力作用下形成一系列北北東剪切裂縫，該期裂縫形成時沙灣凹陷烴源巖達到生油高峰[15]，斷層和裂縫成為溝通二疊系風城組、下烏爾禾組烴源巖和石炭系火山巖儲層的有利疏導通道，裂縫面常見瀝青充填，薄片下可見綠色、亮黃色熒光。

圖7 紅山嘴油田石炭系火山巖裂縫走向玫瑰花圖及不同期次裂縫發(fā)育特征Fig.7 The fracture strike rose diagram of Carboniferous volcanic rock in Hongshanzui Oilfield and characteristics of fracture development in different stages

4 紅山嘴油田火山巖裂縫發(fā)育主控因素

4.1 巖性影響裂縫類型及孔縫組合

不同巖性火山巖礦物組成和形成方式的差異性決定了該火山巖孔隙和裂縫數(shù)量、孔-縫組合類型的差異性。

研究區(qū)火山熔巖裂縫最發(fā)育，從酸性巖到中基性、基性巖，巖石黏度和脆性降低，裂縫發(fā)育程度也隨之降低[16]。其中，安山巖中裂縫約占全部巖心裂縫的42.0%，裂縫線密度平均為15.6條/m，以氣孔、杏仁體孔、構(gòu)造裂縫和氣孔、基質(zhì)溶孔、構(gòu)造裂縫組合為主，物性較好，孔隙度平均為6.59%，滲透率平均為0.56 mD；英安巖裂縫較發(fā)育，但裂縫數(shù)量較少，僅有2.1%，裂縫線密度平均為8.5條/m，以杏仁體孔、構(gòu)造裂縫組合為主；隨SiO2含量減少，玄武巖和玄武安山巖中鐵鎂礦物含量增加、密度增大，構(gòu)造裂縫不發(fā)育，僅為全部裂縫的2.5%，孔縫組合以原生氣孔與少量冷凝收縮縫為主，由于缺乏裂縫的溝通，儲層雖具有一定的儲集性能，但滲流能力較低，孔隙度平均為4.9%,滲透率平均為0.18 mD。火山角礫巖中剛性碎屑物含量高，極易破碎形成裂縫，巖心上裂縫線密度平均為12.2 條/m，占全部裂縫的14.8%，礫間孔、礫間縫、礫緣縫組合，物性最好，孔隙度平均為7.2%，滲透率平均為0.73 mD；凝灰?guī)r裂縫較發(fā)育，裂縫線密度平均為9.3條/m，發(fā)育晶間孔、粒間孔、粒間溶孔、晶間縫、溶擴縫組合，孔隙度平均為4.6%,滲透率平均為0.38 mD。由碎屑火山物質(zhì)形成的沉凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂礫巖雖沉積時易發(fā)生溶蝕，但其顆粒細小，在壓實作用下巖性致密，裂縫不發(fā)育，物性最差，孔隙度平均僅為2.7%,滲透率平均僅為0.09 mD。

4.2 風化殼控制風化裂縫形成及次生溶蝕縫發(fā)育

研究區(qū)石炭系火山巖形成后，長期暴露地表，早二疊世佳木河組沉積前，一直處于風化剝蝕階段，至三疊世克下組沉積期，火山巖才完全被埋藏進入埋藏成巖階段。巖心和FMI觀察表明，石炭系火山機構(gòu)頂部風化殼附近是風化裂縫集中發(fā)育區(qū)，風化殼下200 m范圍內(nèi)可見大量馬尾狀、脈狀風化縫，部分風化縫內(nèi)礦物被大氣降水溶蝕呈鋸齒狀。風化作用使致密火山巖破裂呈不規(guī)則碎塊，同時風化縫作為大氣降水的運移通道，促進深部火山巖淋濾溶蝕，鏡下可見風化縫附近發(fā)育大量次生溶蝕孔、縫。隨著風化殼距離增大，風化強度減弱，儲層裂縫線密度和物性也隨之降低。研究區(qū)具工業(yè)產(chǎn)能的試油層，85%以上分布在風化殼以下100 m范圍內(nèi)，表明風化殼對裂縫形成和物性改善具有重要影響[17]。

4.3 斷層活動控制裂縫分布

通常巖層受到擠壓時發(fā)生形變，隨構(gòu)造應力持續(xù)增加，當達到火山巖破裂值時，地層發(fā)育斷層活動并伴生大量裂縫。研究區(qū)石炭系發(fā)育大量逆斷層，不同構(gòu)造運動階段，火山巖沿著最大擠壓應力方向發(fā)生破裂，形成的裂縫走向與斷層方向一致。同時，斷層不同部位應力大小不同，相應的巖層構(gòu)造曲率也各不相同，造成平面上裂縫數(shù)量和發(fā)育程度的差異性分布[18]。斷層活動對火山巖儲層形成裂縫起到重要作用，斷層通過控制其周圍應力分布來影響裂縫的發(fā)育，距離斷層越近，構(gòu)造應力和構(gòu)造曲率越大、火山巖變形程度越高，相應的裂縫也越發(fā)育。FMI統(tǒng)計表明，靠近斷層的紅62、紅72井裂縫線密度普遍大于8.0 條/m，而遠離斷層的紅36井裂縫線密度小于6.0條/m，離斷層最近的紅山4井裂縫線密度超過10.0條/m，最大可達13.8條/m，說明斷層對裂縫分布具有重要控制作用。

4.4 成巖作用充填裂縫并加劇裂縫非均質(zhì)性

儲層裂縫的形成和保存是一個動態(tài)演化過程[19]。對裂縫形成具有建設性的成巖作用主要有炸裂作用、冷凝收縮、風化作用和有機酸溶蝕；而熔結(jié)作用、巖漿期后熱液蝕變和充填、碳酸鹽膠結(jié)、黏土礦物膠結(jié)等破壞性成巖作用充填、堵塞裂縫，使其成為無效縫?；鹕剿樾紟r中由炸裂作用形成的炸裂縫、礫間縫和火山熔巖中冷凝收縮形成的冷凝收縮縫、晶間縫是研究區(qū)火山巖主要的成巖裂縫，但這些原生裂縫在埋藏階段由于巖漿期后熱液蝕變和充填、碳酸鹽膠結(jié)、黏土礦物膠結(jié)作用，普遍遭受方解石、綠泥石、濁沸石、硅質(zhì)等次生礦物的充填，降低了早期裂縫的有效性。研究區(qū)中基性火山巖中基性斜長石、輝石含量較高，晚侏羅世沙灣凹陷烴源巖成熟時形成的有機酸沿裂縫進入火山巖儲層，沿長石斑晶的節(jié)理縫、邊緣發(fā)生溶蝕，并溶蝕早期裂縫中充填的方解石礦物，形成大量溶擴縫，同時使部分早期裂縫再次張開形成有效縫，加劇了儲層裂縫的非均質(zhì)性。

5 結(jié) 論

(1) 紅山嘴油田石炭系火山巖以火山碎屑巖、火山熔巖為主，含少量凝灰質(zhì)砂礫巖、粉砂巖、沉凝灰?guī)r等沉積巖類；儲層孔隙度平均為4.35%，滲透率平均為0.14 mD，屬典型中—低孔、低—特低滲儲層；不同巖性儲層中均可見規(guī)模不等的裂縫，是致密火山巖成為有效儲層的關(guān)鍵。

(2) 紅山嘴油田石炭系火山巖以構(gòu)造縫為主，成巖縫、風化縫次之；發(fā)育近東西、北西、北北東向3組裂縫，以低角度斜交縫和高角度縫為主，是海西晚期、印支和燕山運動擠壓應力作用的產(chǎn)物；具有南北裂縫線密度差異大、裂縫寬度小、以小尺度縫和微裂縫為主的特點。

(3) 巖性、風化殼、斷層分布和成巖作用是影響火山巖裂縫發(fā)育的主要因素，不同巖性火山巖礦物組成差異造成發(fā)育裂縫類型、密度各不相同，進而造成不同巖性儲層孔縫組合和物性差異；風化強度的差異控制了風化殼內(nèi)風化縫的形成及溶蝕縫的發(fā)育，風化縫集中分布在風化殼下100 m范圍內(nèi)；斷層活動控制了伴生裂縫走向，離斷層越近，構(gòu)造應力和構(gòu)造曲率越大，火山巖變形程度越高，相應的裂縫密度也越高；成巖作用充填早期裂縫，在破壞原生裂縫的同時對原生裂縫進行改造，形成一定的溶蝕縫加劇裂縫非均質(zhì)性。