松遼盆地德惠斷陷營城組凝灰?guī)r儲層地質特征

遲喚昭，趙玉婷，劉 財，王 桐，胡 佳，楊松杉

1.長春工程學院勘查與測繪工程學院，長春 130021 2.青島地質工程勘察院(青島地質勘查開發(fā)局)，山東 青島 266100 3.吉林大學地球探測科學與技術學院，長春 130026 4.中國石油吉林油田分公司，吉林 松原 138000

0 引言

松遼盆地是我國著名的含油氣盆地，油氣資源十分豐富[1]。德惠斷陷是松遼盆地東南斷陷帶資源最豐富的斷陷，德惠斷陷的勘探歷程達50年，部署近80口鉆井，鉆遇了32口火山巖鉆井，在火山巖主要分布的營城組和火石嶺組，相繼發(fā)現了火山熔巖和火山碎屑巖類型氣藏[2-3]。2012年，在德惠斷陷首次發(fā)現火山碎屑巖油氣藏，其巖性為凝灰?guī)r和沉凝灰?guī)r[4-5]；2013年，在吉林油田部署了Ds17井，期間測試獲5.6萬m3高產氣流，打開了德惠斷陷勘探的新局面[6]；2016年，在Ds21井營成組地層測試獲3.1萬m3高產氣流[7]；2018—2019年，相繼在Ds32井、Ds80井營城組地層發(fā)現高產氣層[8]。截至目前，德惠斷陷天然氣資源量遠超3 600×108m3，成為吉林油田第四個天然氣超1 000×108m3的規(guī)劃區(qū)[9]。

凝灰?guī)r是由火山噴發(fā)產物火山灰經過沉降作用形成的巖石，其具有凝灰結構或塵屑結構，其中火山碎屑物體積分數超過90%[10-12]，前人[13-15]研究認為，凝灰?guī)r的分布情況與火山噴發(fā)作用密切相關。當前試氣結果顯示，多口鉆井的火山碎屑巖類儲層要優(yōu)于火山熔巖類儲層，但目前關于德惠斷陷凝灰?guī)r儲層的研究相對較少。本文利用巖心、測井、地震、測試和含氣性數據等資料對德惠斷陷營城組凝灰?guī)r地質特征進行系統(tǒng)研究，構建地層結構模式，建立火山機構發(fā)育機制，探討儲層微觀孔隙特征及產能規(guī)律，以期為該區(qū)火山巖油氣勘探與開發(fā)提供幫助。

1 地質概況

研究區(qū)松遼盆地德惠斷陷位于盆地東南隆起區(qū)。該斷陷形成于早白堊世早期，是在晚古生代淺變質巖基底上發(fā)展起來的中生代沉積地層，西與農安西凸起相鄰，東與九臺階地相鄰，是比較典型的“雙斷型”斷陷，包含7個次級構造單元，主要含油氣火山巖地層為營城組、沙河子組和火石嶺組(圖1)[16-18]。研究目的層為白堊系營城組。白堊系為松遼盆地油氣勘探的主要層位，營城組在研究區(qū)西北部沉積厚度較大，地層保存較完整，具有良好的油氣成藏條件[19-21]。在整個營城組時期，火山活動較為頻繁，并且伴有較為強烈的沉降作用和構造斷裂活動，發(fā)育多旋回、多期次火山巖。營城組一段地層包括火山熔巖類、火山碎屑熔巖類、火山碎屑巖類和沉火山碎屑巖類，營城組二段地層為沉積巖類，營城組三段地層主要為火山巖類和薄層沉積巖類[4,22-23]。

圖1 研究區(qū)位置(a)及地層柱狀圖(b)

2 凝灰?guī)r儲層地質特征

2.1 巖石學特征

通過14口鉆井的巖心薄片觀察，發(fā)現研究區(qū)營城組凝灰?guī)r巖石類型多樣，主要為晶屑凝灰?guī)r、巖屑晶屑凝灰?guī)r、晶屑沉凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r，以及少量晶屑漿屑凝灰?guī)r和含角礫沉凝灰?guī)r。凝灰?guī)r組分以晶屑、巖屑為主，含有少量玻屑、火山塵和泥質等。礦物成分以石英、斜長石為主(圖2a, b)，且多為棱角—次棱角狀，混有方解石，含有大量的黏土礦物，局部可見次生微孔隙和微裂隙。在Ds21井，可見長石碳酸鹽化(圖2a)；在Ds80、83等井薄片中發(fā)現強烈的伊利石化、綠泥石化(圖2c)，局部可見絹云母化，表明凝灰?guī)r發(fā)生了風化蝕變作用[24]。此外，凝灰?guī)r中見大量有機質(圖2d)。

a.Ds21井，2 272.9 m，巖屑晶屑凝灰?guī)r，巖心薄片，正交偏光；b.Ds80井，2 918.5 m，晶屑沉凝灰?guī)r，鑄體，正交偏光；c.Ds83井，4 105.7 m，晶屑凝灰?guī)r，鑄體，單偏光；d.Ds83井，4 095.0 m，沉凝灰?guī)r，鑄體，單偏光。Q.石英；Pl.斜長石。

對Ds21井營城組凝灰?guī)r9個樣品做全巖X-射線衍射定量分析，礦物組分特征見表1。結果表明，營一段凝灰?guī)r礦物組分較為復雜，主要礦物成分為石英、長石和黏土礦物，其中：石英體積分數為16.4%～39.7%，平均值為27.5%；鉀長石體積分數為5.0%～14.5 %，平均值為8.4%；斜長石體積分數為18.5%～39.6 %，平均值為27.0%；黏土礦物體積分數較高，平均值為34.8%；方解石體積分數較低，平均值為0.8%。凝灰?guī)r具有較低的石英體積分數和較高的斜長石體積分數，表明凝灰?guī)r的火山灰偏中性；具有較高的黏土礦物體積分數，這與溶蝕作用密切相關[25]。

表1 研究區(qū)Ds21井營一段凝灰?guī)r全巖礦物組分特征

2.2 地層結構特征

通過研究火山地層的基本堆積單元，可揭示火山地層結構，通常火山碎屑堆積單元由碎屑密度流堆積體冷凝固結成巖，地層產狀呈連續(xù)變化[26-27]。研究區(qū)測井、鉆井和三維地震為凝灰?guī)r地層單元的刻畫提供了高分辨率資料，通過盆地內部井-震聯(lián)合，發(fā)現研究區(qū)凝灰?guī)r在橫向上分布廣泛，在縱向上由多個疊合單元構成，其堆積單元模式如圖3所示。灰色凝灰?guī)r厚度為35 m，測井曲線呈“三高兩低”的特征，“三高”指高聲波時差(AC)、高自然伽馬(GR)和高補償中子(CN)，聲波時差為200～290 μm/s，自然伽馬為90～230 API，補償中子為13%～34%；“兩低”指低密度(DEN)和低電阻率(R)，密度為2.35～2.50 g/cm3，電阻率為580～950 Ω·m。

a.縱向疊合單元; b.成像測井特征; c.常規(guī)測井特征; d.外部形態(tài)特征。AC.聲波時差；GR.自然伽馬；RA1.淺測向電阻率；RA5.深測向電阻率。

2.3 火山機構地質模式

本文按照凝灰?guī)r的發(fā)育規(guī)模和含氣性特征將研究區(qū)凝灰?guī)r火山機構分成3類：小規(guī)模、中規(guī)模和大規(guī)模凝灰?guī)r火山機構3類，分類依據標準見表2。

表2 凝灰?guī)r火山機構類型分類依據

2.3.1 小規(guī)模凝灰?guī)r火山機構

Ds21井發(fā)育流紋質碎屑巖火山機構，其地質模式如圖4所示，該火山機構橫向延伸1 km左右，最大厚度為100 m，鉆井可見凝灰?guī)r厚度為90 m。該火山機構巖性為凝灰?guī)r，巖相為火山沉積相。地震剖面特征：連續(xù)平行反射，表現為披蓋狀(圖4a, b)。測井曲線特征：總體上電阻率、密度和聲波曲線近平直狀，但自然伽馬曲線呈鋸齒狀(圖4c)[28]。地震切片特征：根據研究區(qū)凝灰?guī)r地震反射特征進行地震屬性分析，認為凝灰?guī)r敏感屬性是反射強度屬性，營城組凝灰?guī)r反射強度屬性為較高級別(圖4d)。

a.過井地震剖面；b.地質模型；c.綜合柱狀圖；d.地震切片。CNL.補償中子；DEN.密度。

2.3.2 中規(guī)模凝灰?guī)r火山機構

Ds32井發(fā)育流紋質火山碎屑巖火山機構，其地質模式如圖5所示，該火山機構橫向延伸達10 km，最大厚度近200 m，為多期次發(fā)育結果。圖5c中A層段巖性為安山質晶屑凝灰?guī)r，巖相為熱基浪亞相，外形為充填狀；圖5c中B層段巖性為晶屑凝灰?guī)r和含角礫凝灰?guī)r，巖相為熱基浪亞相和空落亞相互層，外形為大面積席狀。測井曲線特征：聲波曲線和密度曲線較為平直，自然伽馬曲線在界面處發(fā)生跳躍，電阻率曲線差異較大，依據電阻率曲線劃分為熱基浪亞相和空落亞相。地震剖面特征：連續(xù)平行反射，同相軸連續(xù)性較好[29-30]。

a.過井地震剖面；b.地質模型；c.綜合柱狀圖。

2.3.3 大規(guī)模凝灰?guī)r火山機構

Ds80-Ds33-Ds83井發(fā)育凝灰質火山碎屑巖火山機構，其地質模式如圖6所示，該火山機構橫向延伸20 km左右，最大厚度為450 m，無鉆井區(qū)域不易識別，為多期次、多碎屑流單元疊合發(fā)育模式。該火山機構巖性以凝灰?guī)r為主，英安巖夾層自西向東逐漸減薄，巖相為熱基浪亞相。測井曲線特征：聲波曲線和密度曲線較為平直，呈現微齒狀，自然伽馬曲線在界面處呈現鋸齒狀。依據薄片和自然伽馬曲線特征，劃分兩個噴發(fā)期次：期次一為英安質凝灰?guī)r，自然伽馬值較高；期次二為安山質凝灰?guī)r，自然伽馬值較低。地震剖面特征：亞平行席狀反射，同相軸連續(xù)性較好。

a.過井地震剖面；b.地質模型；c.綜合柱狀圖。

2.4 儲層特征

2.4.1 儲集空間類型

根據研究區(qū)凝灰?guī)r巖心薄片統(tǒng)計，凝灰?guī)r儲層發(fā)育原生孔隙和次生孔隙。

原生孔隙為凝灰質脫玻化微孔隙(圖7a，b)，其中圖7a為石英、長石脫玻化形成脫玻化粒間孔，圖7b為火山塵已脫玻化形成火山灰粒間孔。

次生孔隙有溶蝕孔、溶蝕縫、壓溶縫、構造縫。

1)溶蝕孔：由礦物的溶解作用(在礦物的解理縫或氣孔壁處)而形成的各類溶蝕孔，研究區(qū)溶蝕孔包括晶內溶蝕孔(主要為長石溶蝕孔)、基質溶蝕孔、漿屑溶蝕孔、粒間溶蝕孔和鑄模孔等。

晶內溶蝕孔：火山巖的斑晶/晶屑溶蝕孔，以長石溶蝕孔為主，由斜長石和堿性長石在酸性流體作用下發(fā)生溶蝕形成。在Ds80井巖屑晶屑凝灰?guī)r中可見長石溶蝕孔(圖7c)，通過掃描電鏡清晰可見粒內溶蝕孔(圖7d)。

基質溶蝕孔：由組成基質的玻璃質或微晶發(fā)生溶解作用直接形成的溶蝕孔[31]，在Ds21井晶屑凝灰?guī)r中可見基質溶蝕孔(圖7e)。

漿屑溶蝕孔：巖漿噴發(fā)到空中落地后凝固而成漿屑，后期受到地下流體溶蝕形成漿屑溶蝕孔，通常內部結晶程度由外向內逐漸增高，且碎屑彎曲。在Ds83井晶屑漿屑凝灰?guī)r中可見漿屑溶蝕孔(圖7f)。

2)溶蝕縫：在裂縫邊緣處，礦物在酸性流體參與下發(fā)生溶解作用，使得原有裂縫擴大而形成。由于溶解作用程度的差異，沿裂縫伸展方向縫寬不一致，表現為不規(guī)則溶蝕邊緣。在Ds80井晶屑巖屑凝灰?guī)r中可見不規(guī)則溶蝕邊緣的溶蝕縫(圖7g)。

3)壓溶縫：經過后期壓實作用和溶蝕作用所形成的微裂縫(在礦物邊界處)，在Ds80井沉凝灰?guī)r中可見粒間壓溶縫(圖7h)。

a.Nong53井，2 398.0 m，灰色含礫沉凝灰?guī)r，脫玻化粒間孔(鑄體)；b.Nong53井，2 398.0 m，灰色含礫沉凝灰?guī)r，火山灰粒間孔(鑄體)；c.Ds80井，3 669.1 m，巖屑晶屑凝灰?guī)r，長石溶蝕孔(鑄體)；d.Ds83井，4 101.6 m，晶屑漿屑凝灰?guī)r，粒內溶蝕孔(掃描電鏡)；e.Ds21井，2 295.1 m，晶屑凝灰?guī)r，基質溶蝕孔(鑄體)；f.Ds83井，4 100.4 m，晶屑漿屑凝灰?guī)r，漿屑溶蝕孔(鑄體)；g.Ds80井，2 912.5 m，晶屑巖屑凝灰?guī)r，溶蝕縫(鑄體)；h.Ds80井，2 912.5 m，晶屑沉凝灰?guī)r，壓溶縫(鑄體)；i.Nong52井，2 087.0 m，深灰色沉凝灰?guī)r，構造縫(鑄體)。

4)構造縫：巖石在構造應力作用下形成的裂縫。凝灰?guī)r通常位于噴發(fā)中心附近，容易破裂而形成構造裂縫[32]。在Nong52井沉凝灰?guī)r中可見構造縫，裂縫邊緣較平直(圖7i)。

這些次生孔縫是深部酸性流體和油氣運移的主要通道，成為中淺部凝灰?guī)r成儲、成藏的重要因素。統(tǒng)計研究區(qū)凝灰?guī)r儲集空間發(fā)育頻次，次生孔縫所占比例大于80%，凝灰?guī)r儲層的主要儲集空間類型為溶蝕孔和溶蝕縫，溶蝕孔主要以長石溶蝕孔和基質溶蝕孔為主，并且長石溶孔對儲層孔隙的貢獻高達35%～55%。因此，裂縫發(fā)育程度對改善儲層物性極為重要，裂縫發(fā)育是形成凝灰?guī)r優(yōu)質儲層的關鍵因素。

2.4.2 孔滲及試氣結果

分析4口鉆井63塊凝灰?guī)r巖心樣品的孔隙度、滲透率數據(圖8)，營城組凝灰?guī)r儲層孔隙度分布范圍是0.8%～19.0%，一般在5.0%～16.0%之間，滲透率一般小于0.2×10-3μm，為中孔-低滲型儲層。

圖8 研究區(qū)凝灰?guī)r儲層孔滲特征

根據試氣、試采資料顯示，Ds21、Ds32、Ds80等井產氣較好，Ds33、Ds83等井產氣較差。其中：Ds21井日產氣達到17.292 km3，氣層單層厚度近12 m，達到了高產，原因是該井具有較高的孔隙度和滲透率；Ds32井2 414.0～2 420.0 m井段日產氣達到117.053 km3，主要產氣段分為上、下兩段，且上、下段厚度均為15 m，中間夾差氣層，這是因為該井凝灰?guī)r埋深較淺，所受壓實作用較小[9,33]；Ds80井日產氣為121.582 km3，氣層單層厚度高達25 m，這是因為凝灰?guī)r儲層孔滲較好，且位于構造高部位。而Ds33井日產氣為2.076 km3，日產水為1.5 m3，Ds83井日產氣為0.205 km3，日產水為2 m3，解釋結果均為差氣層，這是因為深層凝灰?guī)r受壓實作用導致儲滲性能降低[9,33]。

2.4.3 儲層分析

根據孔滲及試氣結果可知，研究區(qū)發(fā)育較好的凝灰?guī)r儲層，但高產井較少，低產井較多。凝灰?guī)r受到酸性水溶液的溶蝕作用，形成大量溶蝕孔縫，具有較高孔隙度，理論上易形成高產氣層[34-38]。研究區(qū)高產氣層具有較好的孔隙度和滲透率，裂縫發(fā)育程度較高，通常埋藏較淺，在構造高部位尤為發(fā)育。

小規(guī)模凝灰?guī)r火山機構通常可形成單層工業(yè)氣層，例如Ds21井日產氣達到17.292 km3，氣層單層厚度近10 m。中規(guī)模凝灰?guī)r火山機構通常可形成單層或多層工業(yè)氣層，例如Ds32井日產氣達到117.053 km3，氣層單層厚度高達15 m。大規(guī)模凝灰?guī)r火山機構通常可形成多層工業(yè)氣層，例如Ds80井試氣，日產氣達到121.528 km3，氣層單層厚度高達25 m，多個試氣層位解釋為氣層。

凝灰?guī)r能否形成儲層不僅可以利用鑄體薄片和測試資料進行判斷，還可以利用測井資料進行區(qū)分。以德深16井凝灰?guī)r為例：凝灰?guī)r氣層補償中子值較低，密度值明顯較小；而不含氣凝灰?guī)r補償中子值較高，密度值較大(圖9)。因此，可以利用補償中子和密度來劃分凝灰?guī)r儲層。

圖9 德深16 井凝灰?guī)r儲層DEN-CNL測井交會圖

根據凝灰?guī)r全巖礦物組分和儲集空間發(fā)育特征可知：長石類礦物含量較高，且它在溶蝕作用下形成了大量的長石溶蝕孔，這是形成凝灰?guī)r儲層的有利因素；而黏土礦物體積分數較高，這是形成凝灰?guī)r儲層的不利因素。研究區(qū)黏土礦物體積分數較高，平均值大于30%，最高可達50%，凝灰?guī)r孔隙形成與基質脫玻化作用、溶蝕作用有關，該過程使火山巖黏土化，黏土礦物的存在不利于形成裂隙和誘導裂縫[39]。黏土礦物主要為伊蒙混層，巖心遇水膨脹率大于30%，易于發(fā)生儲層敏感性和水鎖現象。伊蒙混層體積分數較高、伊利石體積分數較低，蒙脫石向伊利石轉換不完全，說明演化作用還處于過成熟早期階段[39]。因此，研究區(qū)凝灰?guī)r黏土礦物特征是儲層低產的一個重要因素。

除此之外，筆者認為壓實作用是凝灰?guī)r儲層低產的另一個重要因素。研究區(qū)深層凝灰?guī)r儲層受到壓實作用影響，原生孔隙不發(fā)育，微觀孔隙以溶蝕孔縫為主，連通性較差；通過物性分析判定為中孔-低滲型儲層，孔滲關系不相匹配。以Ds80井凝灰?guī)r為例，較淺部位(2 912.5～2 935.0 m)日產氣達121.582 km3，較深部位(3 654.0～3 669.1 m)日產氣降為0.173 km3，說明深層凝灰?guī)r受壓實作用導致儲滲性能明顯降低。

3 結論

1)德惠斷陷營城組凝灰?guī)r礦物成分主要為石英、長石和黏土礦物，火山灰偏中性；凝灰?guī)r測井曲線呈“三高兩低”的特征，即高聲波時差、高自然伽馬、高補償中子、低密度和低電阻率。

2)凝灰?guī)r儲層原生孔隙所占比例不到20%，原生氣孔以脫玻化孔為主，次生孔隙所占比例大于80%，包含溶蝕孔、溶蝕縫、壓溶縫和構造縫。儲層的主要儲集空間類型為溶蝕孔和溶蝕縫，溶蝕孔主要以長石溶蝕孔和基質溶蝕孔為主，并且長石溶孔對儲層孔隙的貢獻高達35%～55%。因此，裂縫發(fā)育是形成凝灰?guī)r優(yōu)質儲層的關鍵因素。

3)營城組凝灰?guī)r儲層為中孔-低滲型儲層，在中淺部(尤其是構造高部位)地區(qū)易形成高產氣層，較高的長石類礦物體積分數是形成凝灰?guī)r儲層的有利因素，利用測井曲線(補償中子+密度)可有效預測凝灰?guī)r儲層。儲層低產因素有兩個：一是黏土礦物(尤其是伊蒙混層)體積分數較高，儲層易發(fā)生敏感性和水鎖現象；二是深部受壓實作用影響，孔隙連通性差，孔滲關系不相匹配。