致密火山巖物性影響因素分析與儲層質量預測
——以馬朗-條湖凹陷條湖組為例

孟元林，胡 越，李新寧，胡安文，吳晨亮，趙紫桐，張 磊，許 丞

(1.東北石油大學 地球科學學院，黑龍江 大慶 163318； 2.中國石油 吐哈油田公司 研究院，新疆 哈密 839009；3. C & C Reservoirs Inc.,Houston,TX 77036,美國)

三塘湖盆地馬朗-條湖凹陷位于新疆維吾爾自治區境內，在近期的非常規油氣勘探中，取得實質性突破，Lu1,M55,M56和M57H井在條湖組二段鉆遇沉凝灰巖層，良好顯示。壓裂后，3口井獲工業油流。復查了16口老井，共發現18個油層，累積191.5 m。壓裂改造后試油，6口井有5口井產出工業油流，1口井產出低產油流。致密油一般指儲集在覆壓基質滲透率小于或等于0.1×10-3μm2的致密砂巖、致密碳酸鹽巖等儲集層中的石油[1-2]。而條湖組中發現的致密油儲集在沉凝灰巖中，其巖性與國內其他盆地的致密油儲層不同，其成儲特征和成藏規律可能與碎屑巖和碳酸鹽也有一定差異。由于火山巖主要由不穩定的礦物組成,所以它們在埋藏成巖過程中的變化更大。一般來說,火山巖儲集性能較好,特別是后期經構造運動和溶蝕作用形成的孔、洞、縫將原生氣孔等儲集空間連通[3]。但也不乏像徐家圍子斷陷深層營城組這樣的致密火山巖儲層[4]。在國外也有一些關于致密火山巖儲層的報道，如印度尼西亞的賈蒂巴朗、美國的亞利桑那、格魯吉亞的薩母戈里-帕塔爾祖利和烏克蘭的外喀爾巴阡等[3-9]。在條湖組除了發育致密儲層之外，還有常規儲層，兩種儲層并存。但不同的儲層具有不同的勘探思路，對于常規儲層需要遵循以尋找圈閉為中心的勘探思想；而對于致密儲層，油氣的分布不受圈閉控制，在盆地的凹陷區和斜坡區連續分布，勘探工作遵循尋找優質儲層和烴源的勘探理念[1]，可通過鉆前儲層質量預測(predrilling reservoir quality prediction)技術預測優質儲層分布區，進一步確定有利的勘探區[10-11]。有關鉆前碎屑巖儲層質量預測的研究比較多[10-14]，但有關火山巖儲層質量預測方面的研究尚少。本文試圖探討巖性和成巖作用對火山巖(尤其是火山碎屑巖)儲層物性的控制作用，應用成巖作用數值模擬技術，在橫向上預測成巖階段，結合條湖組的巖相圖，預測火山巖儲層質量在平面上的變化規律，以便對不同的儲層采取不同的勘探方法，為三塘湖盆地條湖組，乃至我國西部其他盆地致密油的勘探，提供科學的依據。

1 地質概況

三塘湖盆地是一個在早古生代基底上發展起來的疊合型盆地,面積約2.3×104km2。該盆地由東北沖斷隆起帶、中央坳陷帶和西南逆沖推覆隆起帶組成。中央坳陷帶面積約8 000 km2，是三塘湖盆地油氣聚集的主要構造單元，又進一步劃分為烏通凹陷，小青凸起、漢水泉凹陷、沙河壩凸起、條湖凹陷、岔哈泉凸起、馬朗凹陷、方方梁凸起、淖毛湖凹陷、蘇魯克凹陷10個二級構造單元[15]。盆地沉積蓋層包括二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系與新近系。二疊系僅發育中二疊統，從下到上分為蘆草溝組和條湖組。蘆草溝組是三塘湖盆地一套優質烴源巖，為蘆草溝組、條湖組、中下侏羅統和中上三疊統提供了豐富的油源[16]。蘆草溝組烴源巖的有機質類型為Ⅰ-Ⅱ1型，有機碳含量(TOC)介于1.03%～5.80%，鏡質體反射率(Ro)主要分布在0.5%～1.3%。條湖組由3個巖性段組成，條湖組一段和三段以玄武巖或安山巖為主,巖性不純,夾少量薄層凝灰質泥巖。條二段主要為火山角礫巖、火山碎屑沉積巖、晶屑玻屑沉凝灰巖、火山熔巖、凝灰質泥巖和煤系泥巖。目前已發現的致密油流主要產自條二段玻屑晶屑沉凝灰巖。

2 巖性與物性特征

2.1 巖性和巖相特征

馬朗-條湖凹陷條二段儲層主要是一套中基性的火山巖(圖1)[15]。火山熔巖主要為安山巖和玄武巖(圖2a)。火山碎屑巖由普通火山碎屑巖、沉積火山碎屑巖、火山碎屑沉積巖組成，包括火山角礫巖、凝灰巖、凝灰質砂巖、凝灰質粉砂巖、凝灰質泥巖、晶屑玻屑沉凝灰巖(圖2b—f)，晶屑以斜長石為主。

三塘湖盆地條二段火山碎屑巖最大的特征是粒度較細(圖2b—d)，44塊樣品的粒度分析結果表明，80.56%的樣品粒徑小于0.25 mm，相當于泥-細砂的粒級；有59.4%樣品的粒徑小于0.062 5 mm，和粉砂與泥的粒徑相當。

2.2 物性特征和孔隙結構特征

由于火山碎屑巖的粒度較細，所以其孔喉半徑較小，主要發育微孔(圖2b,c,e)和孔喉半徑小于1 μm的納米級孔喉(圖2e)。20塊樣品壓汞的統計結果表明，納米級孔喉占88.3%。

較細的孔喉導致了儲層較低的滲透率和相對較高的孔隙度，411塊樣品的統計結果表明(表1)，滲透率分布在0.05×10-3～122.39×10-3μm2，孔隙度分布在0.4%～27.8%。滲透率小于1×10-3μm的樣品占84.84%。由此可見，條湖組大部分火山巖屬于致密儲層，但也發育少部分常規儲層。根據我國石油與天然氣行業致密儲層的標準，致密儲層是指覆壓基質滲透率小于0.1×10-3μm2的儲層[2]。為了確定致密儲層的孔隙度上限，本文研究了馬朗-條湖凹陷覆壓基質滲透率與地表孔隙度之間的相關性(圖3)。由圖可見，當覆壓基質滲透率為0.1×10-3μm2時，地表孔隙度為9%左右。也就是說，條湖組致密儲層的物性上限是9%。

3 火山巖儲層物性的主要影響因素

已有的研究表明，影響火山巖儲層孔隙度和滲透率的主要地質因素有巖性巖相、構造作用、火山巖的埋深及其所處的成巖階段[17-23]。構造作用可以形成裂縫，使火山巖儲層的物性變好。但對致密儲層而言，主要研究的是基質孔隙度和滲透率。因此，三塘湖盆地火山巖儲層孔隙度和滲透率的主要影響因素，就可歸結為巖性相和火山巖所處的成巖階段及其埋深。

圖1 三塘湖盆地馬朗-條湖凹陷條湖組二段巖相Fig.1 Lithofacies map of P2t2 in the Malang-Tiaohu Sag of Santanghu Basin

圖2 條湖組火山巖儲層微觀照片Fig.2 Microscopic photos of volcanic reservoirs of P2ta.T19井，玄武巖，杏仁構造，杏仁體內溶孔，斑晶溶孔，2 703.51～2 703.65 m，鑄體(-);b.M56井，玻屑凝灰巖，玻屑微孔， 2 144.86～2 144.99 m，鑄體(-);c.M56井，玻屑凝灰巖，玻屑微孔，晶屑溶孔， 2 141.87～2 141.97 m，鑄體(-);d.M56井，碳酸鹽化晶屑凝灰巖，晶屑溶孔，2 144.99～2 145.13 m，鑄體(-);e.Lu1井，粒間微孔發育，凝灰巖， 2 546.912～547.06 m，場發射環境掃描電鏡;f.M55井，粒間孔，方解石充填孔隙，晶屑巖屑沉凝灰巖，2 267.40～2 267.56 m，鑄體(-)

巖相孔隙度/%滲透率/(10-3 μm2)儲層物性分類凝灰巖和角礫巖0.4～2411.18(132)0.005 4～122.395.53(67)Ⅰ類晶屑玻屑沉凝灰巖0.9～27.88.82(345)0.005～120.572.69(284)Ⅱ類火山碎屑沉積巖0.4～15.86.77(61)0.05～5.130.72(27)Ⅲ類火山熔巖0.9～11.25.29(51)0.05～8.660.69(33)Ⅳ類

圖3 覆壓基質滲透率與地表孔隙度關系曲線Fig.3 Relationship curve between matrix permeability and surface porosity

3.1 巖性和巖相對儲層物性的影響

條湖組巖性和巖相對火山巖儲層的物性具有明顯的控制作用，凝灰巖和角礫巖的物性最好，晶屑玻屑沉凝灰巖和火山碎屑沉積巖的物性次之，火山熔巖最差(表1)。4種巖相火山巖的孔隙度分別為11.18%，8.82%，6.77%和5.29%，滲透率分別為5.53×10-3，2.69×10-3，0.72×10-3和0.69×10-3μm2。

根據賈承造提出的我國致密油儲層物性分類標準[24]，本文將三塘湖盆地條湖組的儲層分為4類：Ⅰ類儲層的孔隙度≥9 %，孔隙流體服從達西定律，屬于常規儲層；Ⅱ類儲層的孔隙度間于7%～9%，屬于低致密儲層；Ⅲ類儲層的孔隙度在4%～7%之間，屬于高致密儲層；Ⅳ類儲層的孔隙度小于4%，屬于差儲層。根據這一儲層物性劃分標準，條湖組的角礫巖和凝灰巖屬于Ⅰ類儲層，晶屑玻屑沉凝灰巖屬于Ⅱ類儲層，火山碎屑沉積巖和火山熔巖整體上屬于Ⅲ類儲層(表1)。

火山巖的巖性和巖相對儲層的含油性也具有一定的控制作用，目前所發現的工業油流井絕大多數分布在玻屑晶屑沉凝灰巖中(圖1)。

3.2 成巖作用對火山巖儲層物性的控制

機械壓實作用、膠結作用和充填作用是條湖組火山巖儲層主要的破壞性成巖作用，可使儲層的孔隙度減小，形成致密儲層(圖2b，f)。溶蝕作用、脫玻化作用和交代作用是條湖組儲層的主要建設性成巖作用，可使火山巖儲層的孔隙度增加(圖2c，d)。但總的來看，隨埋深和地溫的增加，成巖作用增強，火山巖的孔隙度降低[17-23]，其原因是：隨埋深和地溫的升高，泥巖中的粘土礦物發生轉化，排出大量Si4+，Ca2+，Fe3+，Mg2+和Na+，進入相鄰的火山巖孔隙中，當孔隙流體的離子濃度達到飽和之后，以礦物質的形式沉淀下來，膠結火山碎屑巖的顆粒，充填火山熔巖的孔隙，使其孔隙度不斷減小[23]。

為了研究三塘湖盆地馬朗-條湖凹陷成巖作用對火山巖儲層孔隙度的影響，在鏡質體反射率(Ro)、孢粉顏色TAI、色譜-質譜、熱解分析、X-衍射、普通薄片、鑄體薄片、掃描電鏡、電子探針等分析化驗的基礎上，依據石油行業標準(SY/T 5477—2003)碎屑巖成巖階段劃分規范[25]，對三塘湖盆地馬朗-條湖凹陷的碎屑巖和火山碎屑巖進行了成巖階段劃分(表2)。

在早成巖階段A期，成巖作用以機械壓實為主，發育早期壓實相，儲層弱固結-半固結，碎屑顆粒間呈懸浮接觸，儲層主要發育原生粒間孔。在早成巖階段B期，膠結作用增強，以碳酸鹽膠結和粘土膠結為主，發育早期膠結相。在該階段的晚期，有機質開始發生熱降解，脫去含氧官能團，形成有機酸，溶蝕長石和玻屑形成次生孔隙。在中成巖階段A1亞期，Ro=0.5%～0.7%，有機質進入生油門限，在生成油氣的同時，形成大量有機CO2和有機酸，溶蝕儲層，形成孔次生孔隙(圖2c,d)，發育早期溶蝕相。

表2馬朗-條湖凹陷成巖特征和成巖階段劃分
Table2DiageneticcharacteristicsanddiageneticstagesofMalang-TiaoSag

圖4 馬朗-條湖凹陷蘆草溝組烴源巖干酪根元素組成與有機質熱演化Fig.4 Elementary composition of kerogen and thermal evolution of organic matter in Malang-Tiaohu Sag

4 儲層質量預測

4.1 預測原理

表3 條湖組成巖作用對儲層物性的影響Table 3 Impacts of diagenesis on reservoir porosity and permeability of Tiaohu Formation

表4 條湖組巖相和成巖作用對儲層物性的綜合影響與儲層分類Table 4 Integrated effects of lithofacies and diagenesis on porosity and permeability of reservoirs of Tiaohu Formation

由上可見，處于相同成巖階段、而且屬于同一巖相的儲層，其類型和質量相同，物性相近。因此，依據表4中各種巖性處于不同成巖階段所對應的不同類型儲層，就可以通過疊合三塘湖盆地條湖組巖相圖和相應的碎屑巖成巖階段預測圖，預測儲層類型和質量在平面上的分布特征。

4.2 碎屑巖成巖階段橫向預測

為了在橫向上預測成巖階段，本文綜合考慮地層時代、巖性、古氣候、構造運動對成巖作用的影響，選取成巖階段劃分常用、在目前的技術條件下能夠定量，模擬的成巖參數鏡質體反射率(Ro)、甾烷異構化指數SI[C29甾烷S/(R+S)]、伊/蒙混層中蒙皂石層的含量S、自生石英含量Vq、古地溫T，分別模擬其隨時間的變化規律[29-34]，并構建成巖指數ID，在時空領域內進行成巖作用數值模擬，由計算機自動劃分成巖階段[35]：

ID(x，y，z，t)=a1T(x，y，z，t)/TB+a2Ro(x，y，z，t)/

RB+a3[100-S(x，y，z，t)]/(100-SB)+

a4SI(x，y，z，t)/SIB+a5Vq(x，y，z，t)/VB

(1)

式中:ID是成巖指數；t為時間，Ma；x，y，z為三維空間坐標；a1，a2，a3，a4，a5分別代表成巖指標T，Ro，S，SI，Vq的權值，本文分別取0.2，0.5，0.1，0.1，0.1，其總和為1.0；TB，RB，SB，SIB，VB分別為T，Ro，S，SI，Vq在中成巖階段B2亞期末的值(表1)，分別取175 ℃，2.00%,5%,0.52,12%。

4.3 儲層質量和類型平面預測

圖5 馬朗-條湖凹陷條湖組二段成巖階段和成巖相預測Fig.5 Prediction of diagenetic stage and diagenetic facies of P2t2 in Malang-Tiaohu Sag

圖6 馬朗-條湖凹陷條湖組二段儲層類型與質量預測Fig.6 Prediction of reservoir types and quality of P2t2 in Malang-Tiaohu Sag

5 結論

1) 從盆地邊部到中央，條二段成巖作用逐漸增強，依次發育早期膠結相、早期溶蝕相、中期溶蝕相和晚期溶蝕相，縱向上相鄰的成巖相橫向上也相鄰，這一規律可以稱為“成巖相律”。已發現的油流井主要分布在中期溶蝕相和早期溶蝕相。

2) 條湖組儲層物性的主控因素是巖相和所處的成巖階段，通過疊合巖相分布圖和成巖階段預測圖，可以在橫向上預測儲層的類型和質量。目前已發現的工業氣流井主要位于低致密儲層(Ⅱ類)和高致密(Ⅲ類)儲層分布區。

3) 在Ⅰ類儲層分布區，應遵循以尋找圈閉為中心的勘探思路；在Ⅱ類和Ⅲ類儲層分布區，則應注重儲層和烴源的研究。

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