火山巖儲層孔隙結構分類與分布評價：以松遼盆地徐東地區營城組一段火山巖儲層為例

陳歡慶，蔣平，張丹鋒，李佳鴻

(中國石油勘探開發研究院，北京，100083)

儲集巖的孔隙結構是指巖石所具有的孔隙和喉道的幾何形狀、大小、分布及其連通關系。研究孔隙結構，深入揭示油氣儲層的內部結構，對油氣田勘探和開發有著重要的意義[1-9]。作為儲層地質研究的重要內容，儲層孔隙結構特征一直是研究者關注的焦點之一[10-20]。Heydari[21]對美國密西西比州上侏羅統Smackover 組石灰巖儲層的孔隙損失、流體流動和物質傳遞進行了研究。Sruoga等[22]以阿根廷南部Neuque’n盆地為例，研究了火山巖儲層中成巖作用過程對孔隙度和滲透率的控制作用。結果表明，孔隙原生和次生過程可以用來預測火山巖儲層質量，在世界許多地方為油氣勘探開發提供指導。Philip[23]對砂巖、致密砂巖和泥巖中的孔喉進行了研究。研究指出在常規儲層中孔喉直徑大小一般大于2 μm，在致密氣砂巖中為 0.03～2 μm，在泥巖中一般為 0.005～0.1 μm。Ralf等[24]對碳酸鹽孔隙結構進行了定量研究，并且分析了其對聲速和儲層滲透率的影響。結果表明，內碎屑或內晶屑和分隔開的晶簇的孔隙并不能一直通過聲波測井資料來分開，P波速度并非唯一受控于球面孔隙度的比例，大量微孔的幾何特征可以通過聲速資料來估計并用來提高滲透率評價的效果。Berger等[25]以巴基斯坦Sawan 盆地白堊紀砂巖為例，對淺海火山碎屑砂巖研究表明，發育很好的石英膠結綠泥石鑲邊提高了孔隙保存率超過20%，使儲層具有良好的滲透率，綠泥石在孔隙保存過程中的作用受淺海相的沉積環境限制。前人的研究主要集中在孔隙結構形成的機理、對儲層物性的影響以及孔隙結構的表征等方面，而對于孔隙結構的定量評價分類研究較少。對于火山巖儲層孔隙結構，前人也進行過一些相關研究[26-28]。金成志等[26]對升平開發區火山巖儲層孔隙結構與產能之間的關系進行了分析，壓汞資料統計分析結果表明，目的層火山巖孔隙結構可以劃分為粗態型(Ⅰ類)、偏粗態型(Ⅱ類)、單峰偏細態型(Ⅲ類)和單峰細態型(Ⅳ類)4種類型，其中Ⅰ類最少，Ⅲ類最發育。龐彥明等[27]對酸性火山巖儲層微觀孔隙結構進行了分析，利用壓汞資料將松遼盆地北部營城組火山巖孔隙結構劃分為粗態型、偏粗態型、偏細態型和細態型4種類型。王英南等[28]對松遼盆地興城地區營一段火山巖孔隙結構進行了分析，認為研究區目的層以原生的氣孔、脫玻化微孔、杏仁體內孔、粒間孔和次生的溶蝕孔隙為主。前人對于火山巖儲層孔隙結構的分析主要集中在地質成因分類和壓汞資料地質統計分類方面，而未見聚類分析方面的研究。本文作者主要對巖心分析測試資料進行地質統計分析和聚類評價，以松遼盆地徐深氣田徐東地區營城組一段火山巖儲層為例，對火山巖儲層孔隙結構特征進行了定量分類評價，并研究了其對開發的影響作用，以期為火山巖儲層有效開發提供支持。

1 地質概況

徐深氣田位于黑龍江省大慶—安達境內，區域構造上位于松遼盆地北部徐家圍子斷陷，斷陷形成于晚侏羅世到早白堊世早期，地層自下而上分別為火石嶺組、沙河子組、營城組和登婁庫組及泉頭組。由于火山噴發活動頻繁，在營城組發育了大量的火山產物。火山巖儲層分布在白堊系下統的營城組一段和三段中，以酸性噴發巖為主，本次研究的目的層位為營城組一段。目前，徐深氣田已具千億方天然氣儲量規模，其中火山巖儲集層儲量占89.8%，是大慶油田天然氣開發的主要領域[28-32,34-36]。研究區徐東地區位于徐家圍子斷陷中部，目前已成為徐深氣田最重要的天然氣目標區之一，如圖1所示[28]。

2 儲層孔隙和喉道發育特征

2.1 儲層孔隙發育特征

對松遼盆地徐深氣田徐東地區營城組一段 10口井 63塊火山巖巖心分析測試資料統計分析，如圖 2所示，孔隙度多小于8%，滲透率多小于2×10-3μm2。儲層總體上屬于中低孔低滲型，局部由于裂縫發育，滲透率較高。圖2中滲透率取值大于1×10-3μm2的樣品點均發育裂縫。同時，由于火山巖成因的特殊性，不同火山巖巖性物性之間差異較大，目的層孔隙發育具有比較強的非均質性，不同巖性孔隙發育程度差異較大，如圖 2～3所示。對于一塊樣品尺度而言，CT掃描結果表明，孔隙結構發育特征可以在極短的距離內發生急劇變化(圖3)，這主要受火山噴發作用和成巖作用雙重機制的共同控制。

松遼盆地徐東地區營城組一段火山巖孔隙類型按其形成階段分為原生和次生2類，進而又根據成因和分布等特征進一步細分，如表1和圖4所示。其中原生孔隙主要包括氣孔、粒間孔、粒內孔和微孔等4種類型(本文所研究的孔隙不包括裂縫)。次生孔隙主要包括粒內溶孔、基質內溶孔和粒間溶孔等3種類型。上述各類型孔隙總體上以原生氣孔和次生溶蝕孔隙為主[26]。

圖1 徐深氣田徐東地區地層劃分特征和地理位置圖(據王英南等[28]有所改動)Fig. 1 Sketch map of stratum and structure divided of Xushen Gas Field in Songliao Basin (Amended after Wang et al[28])

圖2 松遼盆地徐東地區營城組一段火山巖儲層孔隙度與滲透率關系Fig. 2 Relationship map of porosity and permeability of volcanic reservoir of Member 1 of Yingcheng Formation in Xudong Area in Songliao Basin

通過儲層地質研究獲知，孔隙結構與巖性、巖相和火山噴發模式的關系密切。一般侵出相和爆發相多緊鄰火山通道相發育，而溢流相與火山通道相在空間上的位置距離較遠。后期的火山巖體對先期形成的火山巖體具有較強的破壞作用，先期的火山巖體在與后期火山巖體接觸界面上可以發生突變。受不同時期火山活動作用的影響，一般火山通道相和侵出相在側向上延伸1個井距，而爆發相、溢流相和火山沉積相延伸的距離要遠一些，可以達到2個井距，局部甚至更遠。研究區目的層以爆發相和溢流相為主，主要發育的巖性包括流紋巖、流紋質凝灰巖和沉火山角礫巖等。不同的火山巖相發育不同的火山巖性，對應儲層的原生孔隙，在后期的成巖作用過程中，不同時期類型各異的成巖作用對火山巖改造，破壞了部分原生孔隙，同時形成次生孔隙，火山巖巖性和巖相共同控制了儲層孔隙非均質特征。流紋巖中氣孔最為發育，而流紋質凝灰巖和沉火山角礫巖等巖性中粒間孔和溶蝕孔隙。溢流相中氣孔最發育，而爆發相中粒間孔和溶蝕孔隙最發育。從火山噴發模式上看，研究區目的層主要發育斷裂-中心式和中心式兩種類型，且以斷裂-中心式為主。一般靠近火山口的部位，原生孔隙和次生孔隙更發育。

圖3 松遼盆地徐東地區營城組一段不同巖石類型孔隙發育CT掃描特征Fig. 3 Characteristics of CT scan of pore developing in different kinds of rocks of Member1 of Yingcheng Formation in Xudong Area in Songliao Basin

圖4 松遼盆地徐東地區營城組一段火山巖孔隙類型巖心和鏡下薄片照片Fig. 4 Cores and sections photos of volcanic reservoir of Member1 of Yingcheng Formation in Xudong Area in Songliao Basin

2.2 儲層喉道發育特征

2個較大孔隙空間之間的連通部分為喉道[1-2]。對23口井206塊樣品壓汞資料統計分析(表2)，孔隙半徑的平均值為0.083，孔隙整體上偏小。孔喉分選系數和相對分選系數的平均值分別為1.515和49.115，分選差。均值系數平均值為0.390，總體較小，表明研究區目的層的孔隙均質性差。孔隙結構系數平均值為1.350， 整體偏大，表明儲層物性整體較差。孔喉均值最大值為0.640，最小值為0.004，平均值為0.074，表明孔喉分布不均，不同區域和不同層位差異較大，整體上喉道連通性較差。

表2 松遼盆地徐東地區營城組一段火山巖儲層孔喉特征參數Table 2 Parameters table of porosity and permeability of volcanic reservoir of Member 1 of Yingcheng Formation in Xudong Area in Songliao Basin

3 孔隙結構分類評價

應用數學地質方法進行孔隙結構分析的基本思路是，通過多元統計方法，從眾多孔隙結構參數中找出最能反映研究區儲集巖儲集性質的參數，然后通過聚類分析的方法對孔隙結構進行分類[2]。本次研究中，選擇合適的參數，選用 SPSS聚類分析軟件，對松遼盆地徐深氣田徐東地區營城組一段火山巖儲層孔隙結構進行聚類分析評價。

3.1 孔隙結構評價參數的選擇

在聚類分析的過程中，首要問題是聚類參數的選擇。研究中共收集到23口井206塊巖心樣品分析資料。樣品分析結果中反映孔隙結構特征的參數主要包括 3個方面，分別是反映孔喉大小的參數：孔喉半徑(最大值 Ra、平均值 Rp、中值 R50)、孔隙分布峰值 Rm；反映孔喉分選的參數：分選系數Sp、相對分選系數D、歪度Skp、峰態Kp、半徑均值Dm、均值系數α、特征結構參數(1/Dφ)；反映孔喉連通性和滲流能力的參數：排驅壓力Pcd、儀器最大退出效率We、汞飽和度(最大Smax、剩余Sr)，如此眾多的參數，一方面為本次孔隙結構的分析提供了較豐富的資料基礎，同時也為孔隙結構的評價帶來了很大的難度。工作中分別將上述參數與儲層滲透率進行相關分析(圖5)，結果發現參數孔隙半徑中值R50、峰態Kp和特征結構參數(1/Dφ)與儲層滲透率關系最為密切，而其余參數與儲層孔隙結構的相關性不明顯。

圖5 松遼盆地徐東地區營城組一段火山巖儲層不同孔隙結構參數與儲層滲透率單項回歸分析特征Fig. 5 Characteristics of single parameter regression analysis of different pore structure and reservoir permeability of volcanic reservoir of Member1 of Yingcheng Formation in Xudong Area in Songliao Basin

由于206塊樣品中孔隙半徑中值R50和峰態Kp部分取值缺失，而特征結構參數(1/Dφ)的取值未缺失，因此前兩者缺失部分對應的滲透率值沒有在圖中反映，導致圖5(a)，(b)和(c)的滲透率坐標取值不同。盡管如此，滲透率取值與這3項儲層孔隙結構參數之間的關系還是很直觀地表明其與孔隙結構之間有著密不可分的直接關系。進一步研究發現，在這3項參數中，峰態Kp和特征結構參數(1/Dφ)與孔隙結構的相關性要差于孔隙半徑中值R50，這一點在圖6中也有很清楚的體現。孔隙半徑中值 R50是最能影響滲透率變化的參數，其相關系數為0.957，關系式為：

K=-2.187 1R502+2.482 8R50-0.014 4據此，研究認為孔隙半徑中值R50可以替代其他2個參數來參與孔隙結構分類。因此最終在進行孔隙結構分類評價時選出代表滲流能力的滲透率，反映孔隙發育程度的孔隙度和反映孔喉大小的孔隙半徑中值R50作為本區孔隙結構評價分類的參數。

3.2 孔隙結構評價結果

選擇有效孔隙度、總滲透率和孔喉半徑中值這 3個參數，其中考慮到裂縫的影響，總滲透率中包含裂縫滲透率。剔除掉奇異值，對23口井206塊壓汞分析資料，選用目前流行的聚類分析軟件 SPSS進行聚類分析，3個參數的權重在軟件中賦予，將研究區目的層的孔隙結構可以劃分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ 4類，如圖6和表3所示。數據處理采用的方法是歐幾里德距離平方，然后生成歐幾里德距離平方矩陣。在聚類方法的選擇上，對比Pearson correlation，Chebychev，Minkowski，Block 和 Ward’ s method 等方法[33]，根據能有效分類，且3項參數的類別劃分結果變化趨勢一致而且符合目前開發現狀的原則，選用Ward’s method方法進行聚類。其中Ⅰ類孔隙結構的主體孔隙度為13.0%左右，滲透率主體位于0.20×10-3μm2左右；Ⅱ類孔隙結構的主體孔隙度為8.8%左右，滲透率主體位于0.10×10-3μm2左右；Ⅲ類孔隙結構的主體孔隙度為6.3%左右，滲透率主體位于0.05×10-3μm2左右；Ⅳ類孔隙結構的主體孔隙度為4.0%左右，滲透率主體位于0.04×10-3μm2左右。從圖6可以看出：孔隙度和滲透率關系密切，受裂縫影響，在每種孔隙結構類型中都有滲透率的高值點存在，總體上，4類孔隙結構之間界限清楚，這也說明了本次分類參數選擇和方法選擇的正確性。從表3可以看出：4種類型的孔隙結果總體上界限明顯，由于是多參數劃分孔隙結果，因此在有些參數處不同類型的孔隙結構類型取值有交集。

圖6 松遼盆地徐東地區營城組一段火山巖儲層不同孔隙結構類別孔滲關系Fig. 6 Pore-permeability relationship of different pore structure types of volcanic reservoir of Member 1 of Yingcheng Formation in Xudong Area in Songliao Basin

表3 徐深氣田徐東地區營城組一段火山巖儲層物性數據孔隙結構評價結果統計表Table 3 Statistics of pore structure evaluated by using reservoir properties data of volcanic reservoir of Member1 of Yingcheng Formation in Xudong Area in Songliao Basin

4 孔隙結構分布評價及其對儲層開發的影響

孔隙結構對儲層開發的影響主要通過影響儲層的儲集空間和滲流能力來體現，不同的孔隙類型具有特征的儲集空間和滲流能力，這些通過上述的孔隙結構分類結果充分體現。對17口井77塊樣品統計分析，總體上，孔隙結構以Ⅲ類和Ⅳ類為主，Ⅰ類和Ⅱ類為輔(圖7)。樣品主要分布在小層YC1Ⅰ1和小層YC1Ⅰ2中(表4)，因此統計的結果對于這2個小層的孔隙結構特征表現的相對真實，而對于其余3個小層的反映就要差一些。

火山巖儲集層產能的主要控制因素有：(1) 儲集層巖性巖相；(2) 儲集層物性及孔隙、裂縫發育程度和類型；(3) 構造位置及邊底水；(4) 應力敏感性；(5)壓裂增產措施；(6) 鉆井液、完井液及壓裂液對儲集層的傷害程度等[34]。徐正順等[34]根據產能的主要控制因素，將火山巖儲集層產能分為3 類。Ⅰ類：穩定自然產能大于10萬m3/d，試采動態特征為產量穩定、壓力下降緩慢，初步測算的井控儲量大于10 億m3，穩定產能為試氣無阻流量的1/3～1/4。Ⅱ類：壓裂后穩定產能大于 5 萬 m3/d ,試采動態特征為產量相對穩定、壓力下降較慢，初步測算的井控儲量為 1～5億 m3，穩定產能為試氣無阻流量的 1/5～1/6。Ⅲ類：壓裂后穩定產能小于5萬m3/d ,試采動態特征為產量和壓力都下降較快，井控儲量小于1 億m3，穩定產能小于試氣無阻流量的1/6。單純考慮孔隙結構與產能之間的關系，發現本次研究中所劃分的Ⅰ類和Ⅱ類孔隙結構大體對應Ⅰ類和Ⅱ類產能(以Ⅱ類產能為主，因為Ⅰ類產能在整個研究區都很少)。而Ⅲ類和Ⅳ類孔隙結構主要對應Ⅲ類產能。因此Ⅰ類和Ⅱ類孔隙結構就成為首選的開發區域。從天然氣分布范圍來看，天然氣主要分布于研究區東北部靠近徐東斷裂和西南部靠近徐中斷裂附近斷裂-中心式火山噴發模式發育的部位，同時在研究區中北部XS28井附近中心式噴發模式發育的區域。研究中對主力層YC1I1小層不同分類結果在平面上的展布特征進行了分析，如圖8所示。從圖 8可以看出：孔隙結構Ⅰ類和Ⅱ類主要發育在XS21，XS21-1，XS28，XS301，XS302，XS14和 XS12等井處，即研究區中部偏西部以及中部偏東北的區域，這些區域也是天然氣重點的分布區域和開發的重點地區，在開發方案設計過程中為井位部署的首選位置。

圖7 松遼盆地徐東地區營城組一段小層YC1Ⅰ1和小層YC1Ⅰ2孔隙結構分類樣品分布特征Fig. 7 Distributing characteristics of pore structure of classified samples of layer YC1Ⅰ1 and layer YC1Ⅰ2 of Member1 of Yingcheng Formation in Xudong Area in Songliao Basin

表4 松遼盆地徐東地區營城組一段孔隙結構分析樣品分布層位統計Table 4 Statistics of classified samples of pore structure analyzed of Member1 of Yingcheng Formation in Xudong Area in Songliao Basin

5 結論

(1) 孔隙結構是儲層內部結構發育的重要體現，對認識儲層的孔滲特征意義重大。巖心分析測試資料統計分析，徐深氣田徐東地區營城組一段火山巖孔隙度多小于8%，滲透率多小于2×10-3μm2。儲層總體上屬于中低孔低滲型，局部由于裂縫發育，滲透率較高。CT掃描成像結果表明，不同巖性或同一巖性孔隙結構非均質性強烈。

圖8 松遼盆地徐東地區營城組一段YC1I1小層孔隙結構分類樣品分布特征Fig. 8 Characteristics of classified samples distributing of pore structure of Member 1 of Yingcheng Formation in Xudong Area in Songliao Basin

(2) 研究區目的層火山巖孔隙類型按其形成階段分為原生和次生兩大類，進而又根據成因、分布和特征進行進一步細分，其中原生孔隙主要包括氣孔、粒間孔、粒內孔和微孔等4種類型。次生孔隙主要包括粒內溶孔、基質內溶孔和粒間溶孔等3種類型。孔喉分布不均，不同區域和不同層位差異較大，整體上喉道連通性較差，孔隙和喉道發育受巖性和巖相影響巨大。

(3) 在利用分析測試資料進行孔隙和喉道分類定量評價時，孔隙度、滲透率和孔喉中值3項指標是最佳選擇。利用 SPSS軟件可以實現孔隙結構的定量分類評價。研究區目的層火山巖儲層孔隙喉道可以劃分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ 4種類型，其中以Ⅲ類和Ⅳ類為主。

(4) 平面上主力層YC1I1小層中，孔隙結構Ⅰ類和Ⅱ類主要發育在 XS21，XS21-1，XS28，XS301，XS302，XS14和XS12等井處，即研究區中部偏西部以及中部偏東北的區域，這些區域也是開發的重點地區，在開發方案設計過程中為井位部署的首選位置。

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