川东地区二叠系火山岩储层特征

2022-04-14孙浩伟范存辉张云峰郗爱华周远志

石油地质与工程 2022年2期

孙浩伟，范存辉，张云峰，郗爱华，周远志

（1.西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都 610500；2.中国石油西南油气田分公司重庆气矿，重庆 400000）

20 世纪60 年代，WY25 井在中二叠统首次钻遇玄武岩，但此后多口井钻遇的火山岩厚度不一，且油气显示均较差；1992 年，ZG1 井在二叠系峨眉山玄武岩组地层获日产25.61×104m3的工业气流，揭开了四川盆地火山岩油气勘探的序幕[1-6]。2018 年，YS1 井和YT1 井在峨眉山玄武岩组地层中测试，分别日产气0.14×104m3和22.50×104m3，取得了重大勘探突破；2019 年Y210 井和ST10 井在老井测试过程中于上二叠统凝灰岩中分别日产气5.00×104m3和2.90×104m3[4]；截至目前，全盆地钻遇火山岩探井共计300 余口，火山岩油气显示井在川西南、川北、川南等区块均有分布[6-8]。总体来看，四川盆地火山岩的勘探程度较低，尤其是川东地区，前人对其储层特征研究较少。本文以四川盆地东部二叠系火山岩为研究目标，利用野外调查、钻井分析、薄片观测等资料，落实火山岩岩性岩相分布，探讨火山岩储层的发育特征，为川东地区火山岩的油气勘探开发提供一定的地质依据。

1 区域地质概况

川东地区位于四川盆地东部，不是一个具体的构造单元。区域构造属川东南中隆高陡构造区的东部，也叫川东弧形褶皱带。它西起华蓥山、东至七跃山、南达南川-开隆一线，东北以万源断裂带与大巴山相接，是四川盆地稳定地块中相对活动的构造区，主要表现为以北东向为主的高陡狭长背斜带和宽缓向斜相间组成的“隔档式”构造格局（图1）。

图1 研究区构造位置展布

2 地层发育特征

2.1 地层划分

受古地理格局、火山机构、岩浆活动强度及期次的影响，四川盆地二叠系吴家坪组、龙潭组、峨眉山玄武岩组、宣威组、沙湾组为同期异相沉积。川东地区火山岩主要发育于龙潭组底部，以玄武岩与凝灰岩互层为主。

2.1.1 底界

川东地区龙潭组与下伏茅口组分界面表现为假整合接触。研究区龙潭组底部多为泥岩、页岩、碳质泥岩等，伽马值较大；下伏茅口组多为灰岩，伽马值较低。不论岩性还是伽马曲线特征，龙潭组与下伏茅口组的分界明显，且其特征全区较为普遍（图2）。

图2 川东地区龙潭组底界特征

2.1.2 顶界

川东地区龙潭组顶界与上覆长兴组分界标准一直未得到统一，龙潭组顶界与上覆地层岩性、伽马曲线特征受台槽沉积环境差异影响，可分为两种情况：①台地区：龙潭组灰岩与长兴组灰岩接触，伽马值特征相似，均较低；②海槽区：龙潭组灰岩与长兴组泥岩接触，伽马值由龙潭组向长兴组骤减（图3）。

图3 川东地区龙潭组顶界特征

2.2 地层对比

通过邻水-大天池-兴隆场-云安剖面的地层对比（图4），龙潭组地层厚度自南西向北东先减薄后增厚，由LB2 井附近的233.50 m 减薄到DT9 井的83.00 m，其中XL2 井位于厚度低值区，厚78.50 m。

图4 川东地区龙潭组地层对比剖面

川东地区龙潭组地层厚度差异较大，一般为62.30～233.50 m，80.00～140.00 m 厚度范围分布最广。整体上，龙潭组地层厚度平面上具有北厚南薄、西厚东薄的特征。大致有3 个相对薄区和4 个相对厚区，薄厚相间，呈褶皱状。

3 个薄区主要分布于重庆-长寿-垫江一线、大竹-丰都一带以及忠县以北-梁平以东-万州以西区域，其中厚度最薄区位于大竹-丰都中间一带，如TD93 井，厚度仅为62.30 m。

4 个厚区主要分布在重庆以西区域、邻水-垫江一线、梁平西北区域以及达州-开江-开县一带的以北区域，其中厚度最大区位于邻水以北，如LB2井，厚度可达233.50 m。

从地层分布特征来看，龙潭组沉积厚度厚薄相间的特征受地貌控制。在龙潭组沉积期前，由于茅口组的风化剥蚀形成了高低不平的地貌，影响了龙潭组地层厚度的展布，即在3 个较薄区域其地貌相对较高，4 个厚值区域其地貌相对较低。

3 岩石学特征及岩相分布

川东地区二叠系龙潭组火山岩发育段位于龙潭组底部，岩石类型主要划分为火山熔岩、普通火山碎屑岩和火山-沉积碎屑岩三大类。

3.1 火山熔岩类

火山熔岩类指岩浆沿火山通道和火山口溢流出地表，在地表经冷凝结晶形成的岩石，该类岩石基质中火山碎屑的含量一般小于10%。研究区内火山熔岩主要为基性熔岩——玄武岩，由辉石和基性斜长石组成。从结构和构造来看，玄武岩常见气孔和杏仁构造，可依此进一步描述为杏仁状玄武岩和气孔状玄武岩。

杏仁状玄武岩：杏仁体含量15%～20%，大小不一，多充填沸石、方解石、绿泥石，其中长石含量约60%，呈板条状，但不构成斑晶。沸石、方解石为蚀变矿物，沸石充填在杏仁体内部；方解石含量约20%，一般于杏仁体的外部边缘、长石粒间及粒内不规则充填或裂隙脉状充填（图5a，b）。

气孔状玄武岩：属于粗粒橄榄玄武岩，碳酸盐化强烈，多交代长石、充填杏仁体及脉状，铁镁硅酸盐暗色矿物几乎不可见，仅见方解石环边的假象，规则杏仁体约10%，有碳酸盐脉穿插（图5c）。

图5 川东地区火山岩岩石类型图版

3.2 普通火山碎屑岩类

普通火山碎屑岩类是由占90%以上的火山碎屑组成的岩石，经压积或压实作用成岩，按粒度可以分为集块岩、火山角砾岩和凝灰岩。川东地区野外及部分井段可见，全区发育范围极小、厚度薄且多呈夹层。

凝灰岩：火山碎屑含量不低于90%，占主导地位的碎屑粒径小于2.00 mm，属凝灰级，碎屑主要表现为岩屑、晶屑、玻屑（图5d）。

3.3 火山-沉积碎屑岩类

沉凝灰岩：火山碎屑含量为50%～90%，具一定的成层性，主体为粒度细小的凝灰岩。主要结构组分为凝灰级岩屑，少量长石晶屑。椭圆状、透镜状及不规则状的溶孔较发育，溶孔内多充填沥青和绿泥石。这部分沉凝灰岩的出现，代表一次岩浆爆发作用的开始，是火山灰沉降到海水中的产物。研究区主要为粒径小于2.00 mm 的沉凝灰岩。川东地区主要分布在七里峡地区、兴隆场以西地区，如FS1 井（图5e，f）。

凝灰质碎屑岩：将火山碎屑体积含量小于50%的统称为火山碎屑沉积岩，按火山碎屑含量分别冠以凝灰质碎屑岩（火山碎屑含量为25%～50%）和含凝灰碎屑岩（火山碎屑含量为10%～25%），岩石主体命名规则与普通沉积岩相同，火山碎屑小于10%时不参加命名。普遍具有沥青充注及黄铁矿沉积的特点，被认为是由于岩浆爆发在海水中并沉积形成的特征。川东地区主要分布在兴隆场地区，如FS2 井（图5g，h）。

3.4 连井岩性分布特征

通过七里峡-大天池-兴隆场剖面火山岩厚度对比（图6），龙潭组火山岩厚度自北西向南东先减薄再增厚，岩性以玄武岩、沉凝灰岩、凝灰质碎屑岩为主，火山岩主要发育于龙潭组中部及底部，连续性较好，QL45 井厚度最大，为52.00 m。而顶部的凝灰质碎屑岩直接与龙潭组灰岩、接触，说明龙潭组沉积时期是海相环境。凝灰质碎屑岩及沉凝灰岩由于碎屑间成岩胶结不好，在热液蚀变作用下溶蚀及构造破碎更容易，是沥青及天然气赋集的良好层位。

图6 川东地区火山岩厚度连井对比剖面

总体而言，川东地区火山岩主要分布在铁山-七里峡-大天池-蒲包山-黄泥塘北段、梁平及南门场南段、云安厂南、高峰场部分井以及马槽坝-云安厂东北端，厚度为0.50～63.80 m，一般厚约20.00 m。其中，大竹-梁平-开江地区厚度较大，厚度为20.00～60.00 m。

3.5 岩相分布

根据前人研究成果，四川盆地火山岩岩相划分为溢流相、喷溢相、爆发相、侵入相和火山沉积相，而川东地区只发育侵入相、溢流相和火山沉积相。

川东地区火山机构主要位于华蓥山-梁平一带，由西向东发育侵入相-溢流相-火山沉积相，以溢流相和火山沉积相为主。川东地区由于火山喷发作用影响，围绕QL45 井附近发育大规模玄武岩沉积，厚度向东逐渐递减；于L5 井附近发育侵入岩，岩性以辉绿岩为主；凝灰岩沉积主要分布于火山口附近高地貌位置，凝灰岩既可发育于沉凝灰岩下部，亦可发育于玄武岩上部，可以反映出喷发时期的差异。火山沉积相分布较广，其次为溢流相。七里峡地区为玄武岩厚值区，为溢流相；兴隆场地区位于远火山口带，主要发育凝灰质碎屑岩及沉凝灰岩，为火山沉积相，厚度较大（图7）。

图7 川东地区火山岩岩相展布

4 储层特征

4.1 储集空间特征

对火山岩而言，其孔隙结构复杂[9]，储集空间多样，非均质性强，而且火山岩本身并不具备生油条件，只能形成次生或伴生油气藏。除火山碎屑岩外，其他火山岩储集空间，如原生孔隙等在空间分布上均存在分散、不连通的特点，因此，难以形成有效的油气储集空间。只有在外部作用的影响下，火山岩体才能和其他的孔、洞、缝交织在一起，形成有效的油气储集空间[10]。

通过对川东地区钻井、野外剖面宏观与微观的鉴定与统计，研究区内孔隙类型主要包括裂缝、孔洞及微米孔等。其中，裂缝主要为构造缝和构造溶蚀缝，孔洞主要为溶蚀孔洞、气孔等，微米孔主要包括脱玻化孔、有机质生烃残留孔等。

4.1.1 裂缝

通过对研究区裂缝的观察描述发现，研究区裂缝按成因可分为构造缝、溶蚀缝两大类。与构造活动相关的裂缝即为构造缝，构造缝的几何性质反映岩石破裂时的局部应力状态；先因构造活动产生的裂缝后发生溶蚀作用所形成的缝即构造溶蚀缝。

构造缝：由于构造活动，岩石受应力作用发生破裂而形成的裂缝，一般受控于区域构造活动，延伸较远，边缘平直，方向性明显且成组出现。孔隙多未充填，孔隙大小在3.00～10.00 μm，呈椭圆状、圆状。裂缝多被硅质、石英、方解石等矿物半-全充填。缝细而平直，缝宽多为0.02～2.00 mm，宏观局部可见宽大缝，火山熔岩与火山碎屑岩中均有分布，部分未充填（图8a，b）。

构造溶蚀缝：野外和镜下常见溶蚀缝或与溶蚀有关的缝，溶蚀常沿构造缝或缝合线发生，宽度较大，约0.20～5.00 mm。局部与溶蚀孔洞构成缝洞系统，裂缝多被硅质、石英、方解石等矿物半-全充填，并呈现出一定的胶结次序。火山碎屑岩、熔岩中均有分布（图8c）。

图8 川东地区火山岩储集空间类型图版

4.1.2 孔洞

溶蚀孔洞：主要为基质或斑晶被溶蚀后产生的孔隙，呈圆、椭圆及不规则状，大小不一，以毫米-厘米级为主，少量分米级，充填程度及充填物类型多样，火山碎屑岩、火山熔岩中均有分布，后者主要为热液成因。玄武岩中杏仁体内溶蚀孔大多为10.00～30.00 μm，溶蚀形成的弥散状微孔孔径约为20.00～200.00 μm，充填程度及充填物类型多样，多为绿泥石、方解石、沸石等矿物（图8d）。

晶内溶蚀孔：主要为地层水、热液、生烃过程中产生的有机酸等对不稳定矿物的溶蚀所形成，多为长石矿物内的孔隙，可见长石等晶体被溶蚀后变成隐晶硅质，形成长石矿物假晶，孔隙多未充填，孔隙大小为3.00～10.00 μm，呈椭圆状、圆状。

气孔：主要是指火山熔岩或浅层脉体边缘呈球形、椭球形的孔洞，直径约0.20～2.00 mm，是岩浆中的气体所占据的空间。研究区气孔既有原生的又有受成岩改造（热液为主）形成的。受热液改造的气孔多不规则，呈定向排列，多见热液矿物充填（图8e，f）。

脱玻化孔：主要为脱玻化的作用使其产生石英、长石微晶，致使玻璃质的体积变小，从而形成晶间微孔，未充填，粒径多为纳米级（图8g）。

有机质生烃残留孔：主要为在一定的条件下有机质发生生烃反应体积缩小而产生，多呈圆形、椭圆形或不规则状，粒径大小为纳米级（图8h）。

4.2 储层物性特征

选取华蓥山剖面玄武岩样品及井下样品进行孔隙度、渗透率测试（表1），测得玄武岩孔隙度为0.40%～1.43%，平均值为0.96%，渗透率为0.000 1×10-3～ 0.000 9×10-3μm2，平均值为0.000 4×10-3μm2；凝灰质碎屑岩平均孔隙度3.45%，平均渗透率0.002 8×10-3μm2。DT002-4 井沉凝灰岩岩心柱塞样品孔隙度为1.30%～5.05%，平均值为3.26%；渗透率为0.000 1×10-3～0.191 0×10-3μm2，平均值为0.029 0×10-3μm2。均属于低孔低渗储层。

表1 川东地区火山岩物性统计

综合测试结果分析，物性由好到差依次为凝灰质碎屑岩、沉凝灰岩、气孔状玄武岩、致密玄武岩。

5 储层主控因素

5.1 岩性岩相

研究区二叠系龙潭组火山岩储层主要为沉凝灰岩、凝灰质碎屑岩、玄武岩。其中，物性最好的岩类为凝灰质碎屑岩，沉凝灰岩物性略低于凝灰质碎屑岩；玄武岩孔隙度、渗透率均不高，整体物性差，但是气孔状玄武岩的物性相对较好。因此，从岩性上来看，川东地区二叠系火山岩储集性能由好到差依次为，凝灰质碎屑岩、沉凝灰岩、气孔状玄武岩、致密玄武岩。

不同火山岩岩类物性存在差异的主要原因在于，火山沉积相的凝灰质碎屑岩、沉凝灰岩等受搬运风化和后期溶蚀改造的影响，易形成良好的储集空间，储集性能最好；溢流相的玄武岩受喷发方式和构造作用影响形成的气孔和裂缝，是储层形成的重要因素，但储集性能低于火山沉积相凝灰岩类。

5.2 成岩作用

由于不同岩性岩相的储层成因有较大差异，因此在探讨成岩作用对储层形成的控制因素时按照研究区内主要的两类岩性（凝灰岩类和玄武岩）进行分析。

5.2.1 凝灰岩类

凝灰岩、沉凝灰岩及凝灰质碎屑岩储层的形成主要受脱玻化作用、矿物蚀变、溶蚀作用、有机质生烃作用及后期构造破裂作用的影响，形成各类储集空间。

（1）脱玻化作用：川东地区沉凝灰岩及凝灰质碎屑岩类中，由于火山物质脱玻化作用形成长石及石英，使得原有火山物质所占体积缩小，形成纳米级的脱玻化收缩孔，这些脱玻化孔隙所占储集空间的比例约为1/3～1/2，而且此类孔隙后期充填较少，可形成有效储集空间。

（2）蚀变改造作用：火山岩储层的发育与蚀变改造作用密切相关，蚀变改造作用可以有效提高储层孔渗性能，改善孔喉结构，有利于发育火山岩规模储层。

川东地区二叠系火山岩多属于基性岩类，其中铁镁质含量较高，形成的高铁镁矿物稳定性差，在后期流体充注过程中，容易发生蚀变改造。火山岩物质组分、地层温度、压力、流体性质等均影响矿物蚀变作用的发生。在沉凝灰岩、凝灰质碎屑岩中常见矿物的蚀变作用，这是由于这两种岩石中的火山物质自身的物质组成和结构不稳定，最容易发生矿物的蚀变，其中蚀变作用由强到弱的顺序依次为凝灰质物质、长石、岩屑和石英。凝灰质蚀变转化的矿物主要有三种，分别为凝灰质的高岭石化、绿泥石化和伊利石化。

（3）溶蚀作用：在火山岩深埋过程中，晶屑以及充填在早期孔缝系统中的矿物及蚀变新矿物易被地层水和有机酸等流体溶蚀，形成的微观孔隙系统是沉凝灰岩、凝灰质碎屑岩主要的储集空间类型。

脱玻化形成的长石也易受到酸性流体的蚀变作用产生次生孔隙，这对于孔隙空间的形成来说具有良好的建设作用；而石英的稳定性好，因此石英溶蚀孔隙很少。

5.2.2 玄武岩

对于玄武岩而言，除气孔状玄武岩外，其本身较为致密，原生储集空间很少，储层的发育更加依赖于溶蚀改造作用。玄武岩富含硅质不饱和的镁铁质矿物，在地表氧化带中受地表水影响易发生风化淋滤作用。除此之外，地下水，特别是来自深部富含挥发性组分的高腐蚀性流体，易与岩石发生水-岩反应，一方面溶蚀火山岩形成次生溶蚀孔隙，另一方面使热液中携带的化学组分在温度、压力等外界条件适合的情况下充填孔隙。前者对储集性能具有建设性作用，后者则起到破坏性作用。

5.3 构造作用

川东地区玄武岩、沉凝灰岩及凝灰质碎屑岩中裂缝均较为发育，并以构造缝及构造溶蚀缝为主，细小缝未充填，宽大缝多被充填或者半充填。裂缝发育程度与火山岩蚀变强度及充填物分布具有规律性。裂缝发育的地方火山岩蚀变程度高，热液的溶蚀作用形成大量的次生孔隙，对储集空间的改造具有建设性作用；热液流体顺裂缝进入火山岩时，流体蚀变产物及流体本身携带的物质也可沉淀和充填于火山岩孔隙，充填物通常表现为多种矿物的组合蚀变充填，比如玄武岩中的气孔被绿泥石、硅质等多期次充填，沉凝灰岩中的蚀变黏土矿物充填在微孔中等，这些孔隙后期再次充填的过程，对储层具有破坏性作用。