準噶爾盆地東部石炭系優質火山巖儲層特征及分布規律

王劍, 劉金, 陳俊, 張寶真, 周勇, 連麗霞, 李二庭

(1.中國石油新疆油田公司實驗檢測研究院, 克拉瑪依 834000; 2.中國石油新疆油田公司風城作業區, 克拉瑪依 834000; 3.中國石油大學(北京)地球科學學院, 北京 102249)

火山巖是盆地早期充填的重要組成部分,約占盆地充填體積1/4,是未來全球油氣勘探的重要新領域[1]。自1887年在美國加利福尼亞州發現第一個火山巖油氣藏以來,火山巖油氣勘探已有130余年的歷史。中國沉積盆地內火山巖分布廣泛,自1957年首次在準噶爾盆地西北緣石炭系火山巖中獲得工業油流以來,目前已在松遼、渤海灣、海拉爾、二連、蘇北、三塘湖及四川等盆地中發現了火山巖油氣藏,逐步形成了中國東部和北疆兩大火山巖油氣區[2-5]。火山巖油氣藏已逐漸成為勘探的重要新領域和油氣儲量的增長點。

火山巖相分為火山通道相、爆發相、噴溢相、火山-沉積巖相和侵出相5種巖相,根據成因特征,火山巖儲層劃分為火山熔巖型、火山碎屑巖型、潛火山巖型3種類型[6]。火山巖儲層成巖作用可劃分為冷凝固結成巖階段、巖漿期后熱液階段、表生成巖階段和埋藏成巖階段[7]。火山巖發育11類28種孔隙,其中原生氣孔、炸裂縫和冷凝收縮縫等為特有的類型,原生孔縫與次生孔縫的組合形成優質儲層[8]。火山巖儲層儲集空間類型多,孔隙結構復雜,從微觀到宏觀都表現出極強的非均質性[9-12]。總體來看前人側重火山巖巖性巖相及噴發模式研究,注重從巖性巖相及噴發模式解釋和預測優質儲層。

準噶爾盆地東部石炭系火山巖勘探始于20世紀80年代初期,1980年彩參1井在滴水泉組發現天然氣藏,2008年克拉美麗氣田天然氣整體探明。勘探實踐表明準噶爾盆地東部火山巖儲層勘探潛力巨大[13-15]。前人對準噶爾盆地東部石炭系儲層研究主要集中在風化殼儲層的儲集空間類型、成巖作用等方面[16-18],缺乏對內幕火山巖巖性巖相及噴發環境的系統研究,因此優勢相帶或有利火山巖儲層分布不明確,抑制了對深層火山巖油氣的勘探。準噶爾盆地東部構造-古地理背景復雜,不同的噴發環境、構造作用必然會對優質儲層的發育及演化產生重要影響[19-22]。現通過野外踏勘、巖心觀察、鑄體薄片鑒定、孔滲分析等,對石炭系火山巖儲層特征及其控制因素細化研究,以期明確優質儲層發育控制因素及優質儲層的分布,為該區深化勘探提供指導。

1 地質概況

研究區位于準噶爾盆地東部隆起,二級構造單元包括滴南凸起、滴水泉凹陷、五彩灣凹陷、東道海子凹陷和白家海凸起[23](圖1)。石炭系主體為海西中期沉積的地層,為一套多期噴發、多期改造而成的火山熔巖、淺層侵入巖、火山碎屑巖和(火山)沉積巖的組合,構成本區基底的最上層巖系,與上覆地層呈角度不整合接觸。石炭系地層自下而上分為滴水泉組(C1d)、松喀爾蘇組下亞段(C1sa)、松喀爾蘇組上亞段(C1sb)、巴塔瑪依內山組(C2b)和石錢灘組(C2sh)[24](圖1)。

早石炭世研究區主體為島弧環境,發育與俯沖作用相關的火山-沉積建造,其間發育弧后盆地,沉積環境以水下為主[25-27]。晚石炭世克拉美麗洋關閉,拼合隆起成陸,在克拉美麗山南部形成前陸盆地,沉積環境以水上為主,局部水下環境[28-29]。整個石炭世沉積環境自早石炭至晚石炭由水下環境逐漸轉變為水上環境,由深水環境逐漸轉變為淺水環境,由半咸水環境轉變為淡水環境,由海相環境逐漸轉變為陸相環境[30]。

2 火山巖儲層特征

2.1 火山巖巖性巖相特征

火山巖相是指火山巖形成的地質條件及其在該條件下所形成的火山巖性特征的總合[31-33]。根據5條野外剖面、85口鉆井、1 254張薄片統計及50塊樣品的地球化學分析結果,研究區石炭系火山巖主要以鈣堿性基性-中性火山巖為主(圖2),包括熔巖類和火山碎屑巖類。主要巖性巖相為溢流相安山巖、爆發相凝灰巖為主,其次為溢流相玄武巖、爆發相火山角礫巖。

圖2 準噶爾盆地東部石炭系火山巖地球化學特征Fig.2 Geochemical characteristics of Carboniferous volcanic rocks in eastern Junggar Basin

(1)溢流相安山巖:為中性火山熔巖,形成于火山噴發旋回的中期。呈灰色、褐灰色,具交織結構、斑狀結構,塊狀構造、杏仁狀構造;斑晶主要為中基性斜長石,基質主要由細板條狀斜長石組成,細板條狀斜長石略成定向排列,斜長石間分布有綠泥石化玻璃質及微粒狀磁鐵礦[圖3(a)];杏仁體呈橢圓狀及不規則狀,多被硅質、綠泥石充填;其周邊常伴生發育有粗面安山巖、英安巖等過渡類巖性。

圖3 準噶爾盆地東部石炭系火山巖巖性特征Fig.3 Lithologic characteristics of Carboniferous volcanic rocks in eastern Junggar Basin

(2)爆發相凝灰巖:在研究區分布范圍較廣,形成于火山作用早期,巖性為深灰色、灰褐色、褐紅色凝灰巖。凝灰巖類型有晶屑凝灰巖和熔結凝灰巖,主要由弧面棱角狀玻屑、撕裂狀漿屑、長石晶屑、巖屑及火山灰組成,如圖3(b)和圖3(c)所示。火山碎屑的成分取決于巖漿的性質,成分有流紋質、安山質、玄武安山質、玄武質。凝灰巖中玻屑、漿屑多發生脫玻硅化、沸石化、綠泥石化,部分玻屑具氧化鐵染呈褐紅色。

(3)溢流相玄武巖:為基性火山熔巖,包括斑狀結構的玄武巖、玄武安山巖。顏色呈褐灰色、深灰色、暗黑色,風化面呈紫紅或深褐色。斑晶礦物成分主要為基性斜長石、單斜輝石、斜方輝石等,其中,暗色礦物多發生綠泥石化;基質具典型的間粒結構和間隱結構,如圖3(d)所示;部分玄武巖、玄武安山巖具杏仁構造及氣孔構造,多分布在每一期噴發的玄武巖的頂部及底部。杏仁及氣孔多呈橢圓狀及不規則狀,被綠泥石及方解石等礦物充填或半充填。

(4)爆發相火山角礫巖:主要有褐灰色、褐紅色、灰色火山角礫巖和火山集塊巖,分布較廣泛,特別是五彩灣井區火山角礫巖發育較多,由火山角礫及凝灰質組成,如圖3(e)所示。角礫和巖屑成分在不同的井、不同層段變化較大,主要取決于火山噴發的巖漿的性質。白堿溝剖面、滴西17和滴西18井區鉆遇的石炭系火山碎屑巖中,火山角礫、巖屑成分主要為玄武巖、玄武安山巖、安山巖;滴西14和滴西10井區成分主要為安山巖、英安巖及流紋巖。

2.2 火山巖儲集空間類型及組合

研究區石炭系火山巖儲層儲集空間分為原生孔隙、原生裂縫和次生孔隙、次生裂縫4個大類16個亞類,其中原生孔隙主要包括原生氣孔和晶間(粒間)孔,次生孔隙主要以溶蝕孔為主。原生裂縫以收縮縫最為發育。次生裂縫主要分為溶蝕縫和構造縫兩大類。

(1)氣孔:研究區石炭系火山巖氣孔大小、形態不一,呈圓形、拉長狀、不規則狀等,多見于玄武巖、安山巖中。火山巖形成的原生氣孔被同期或后期熱液礦物半充填或充填而形成杏仁體,杏仁體內常見的礦物有長英質、鈣質、沸石、綠泥石和葡萄石等,如圖4(a)和圖4(b)所示。根據是否有杏仁充填,原生氣孔可進一步劃分為氣孔、杏仁體收縮孔和杏仁體殘余孔。

圖4 準噶爾盆地東部石炭系火山巖儲集空間特征Fig.4 Reservoir space characteristics of Carboniferous volcanic rocks in eastern Junggar Basin

(2)溶蝕孔:按溶蝕的對象分為杏仁體內溶孔、晶內溶孔和基質溶孔,如圖4(c)和圖4(d)所示。基質溶孔是火山碎屑巖、火山沉積巖或沉積巖中晶體間的基質被溶蝕形成的次生孔隙。研究區的凝灰巖多見基質溶孔,孔隙較小,呈不規則狀,且分布較為不均勻。受到后期成巖作用影響,中基性火山熔巖中的斑晶被溶蝕形成的晶內溶孔,溶蝕的斑晶主要為長石晶體,其中長石斑晶易沿著解理縫優先發生溶蝕。

(3)收縮縫:巖漿冷凝過程中形成的裂縫。由于巖漿冷凝過程中不均勻收縮,會在熔巖體內造成裂縫,特別是巖漿入水快速冷卻時,不僅會形成大量冷凝收縮縫,還會形成炸裂縫[34]。收縮縫多見于熔巖中,研究區可見中基性巖柱狀節理、酸性巖層狀節理、珍珠巖的球狀裂理及充填的網狀收縮縫,如圖3(f)、圖4(e)～圖4(g)所示。

構造(溶蝕)縫:構造縫是研究區數量最多、分布最廣的裂縫類型,在野外滴水泉、雙井子和白堿溝剖面均可觀察到較大規模的構造縫,裂縫面較為平直,延伸較遠,對火山巖儲層物性改造具有至關重要的作用[35],如圖4(h)所示。構造縫可以切穿杏仁體、斑晶等,多見于熔結成因的火山熔巖和次火山巖中。溶蝕縫大多是對原生裂縫進行溶蝕改造而形成,如果構造縫被充填,溶蝕形成的溶蝕縫一般延伸不遠,且形狀極不規則,如圖4(i)所示。

石炭系火山巖發育的儲層空間組合類型多樣,發育氣孔型、氣孔+裂縫型、氣孔+溶孔型、溶孔+裂縫型和裂縫型5種組合類型。其中氣孔+溶蝕孔和溶蝕孔+裂縫型孔隙為有利的孔隙發育組合。氣孔+溶蝕孔型儲層主要見于氣孔-杏仁火山熔巖、火山碎屑熔巖中。溶蝕孔+裂縫型儲層多見于致密安山巖、珍珠巖中,安山巖發育構造裂縫和柱狀節理縫。裂縫型儲層多見于致密火山熔巖,其中多見于致密玄武巖中,野外呈致密塊狀,斑晶粗大,構造裂縫發育。鏡下多見構造縫、解理縫、基質收縮縫、斑晶炸裂縫等裂縫。

2.3 火山巖儲層物性特征

火山巖儲層受儲集空間控制,儲集空間的發育程度直接影響了火山巖儲層的儲集性能。而火山巖儲層儲集空間類型多,孔隙結構復雜,受次生成巖作用影響強烈,從微觀到宏觀都表現出極強的非均質性,孔、洞、縫交織在一起,儲層物性有很大的差異性和突變性。根據不同噴發環境火山巖物性統計,水上噴發火山巖孔隙度平均為10.08%,滲透率為6.34 mD,水下噴發火山巖孔隙度平均為7.83%,滲透率平均為3.38 mD。水上噴發火山巖物性整體好于水下噴發火山巖。

研究區溢流相玄武巖、安山巖和爆發相火山角礫巖物性較好。以五彩灣地區為例,石炭系火山巖物性統計結果表明,火山熔巖類中,安山巖物性較玄武巖好,平均有效孔隙度和平均有效滲透率分別為7.49%和0.85 mD,而玄武巖平均有效孔隙度和平均有效滲透率分別為4.78%和1.94 mD,如圖5所示。火山碎屑熔巖類中,熔結角礫巖儲層物性最好,平均有效孔隙度和平均有效滲透率分別為9.34%和0.39 mD。火山碎屑巖類中,火山角礫巖物性較凝灰巖更好,平均有效孔隙度和平均有效滲透率分別為9.63%和2.66 mD,而凝灰巖平均有效孔隙度和平均有效滲透率分別為8.28%和0.16 mD,如圖5所示。

圖5 準噶爾盆地五彩灣地區石炭系不同巖性物性直方圖Fig.5 Histogram of physical properties in Carboniferous different lithology in Wucaiwan area, Junggar Basin

3 火山巖儲層發育模式

3.1 火山巖巖相組合及噴發模式

一個完整的火山噴發形成的巖相序列在縱向上為火山通道相→爆發相→溢流相→淺成侵入相→火山沉積相,這只是一個理想的火山噴發的巖相序列模式,但是實際情況只會出現其中的兩三種巖相。

(1)遠火山口巖相組合:水上噴發遠火山口巖相組合表現為爆發相熱碎屑流亞相與溢流相互層。通常發育粗火山碎屑巖、具有熔結結構的火山碎屑巖和熔巖,通常表現為氧化色,發育較多的氣孔杏仁構造,熔結結構較為明顯,火山巖中長石晶形較為完整。熔結凝灰巖發育為紅色,為典型的水上噴發水上沉積。水上噴發水上沉積模式在上石炭統普遍發育。水下噴發遠火山口巖相組合表現為溢流相、火山沉積相、正常沉積相韻律,如圖6所示。

(2)近火山口巖相組合:水下噴發火山巖經常受到水體干擾,在火山巖之間形成暗色泥巖,巖相以爆發相-侵出相-火山沉積相-沉積相組合為特征,如圖6所示。研究區泉4井出現典型巖性細碧巖,滴西17井出現焦化魚骨化石,為水下噴發水下沉積模式。常形成典型巖性珍珠巖或細碧巖[圖2(f)],同時火山碎屑物質立即與水體混合伴隨著火山沉積相和沉積相的出現。水上噴發模式發育火山通道相-近火山口爆發相-溢流相組合。

3.2 火山巖儲層發育模式

3.2.1 噴發環境對火山巖儲層的影響

水上近火山口爆發相是水上噴發環境最有利儲層發育相帶(圖7)。水上近火山口爆發相角礫巖(含角礫凝灰巖)角礫分選差,礫間孔縫發育,角礫內部和角礫間溶蝕孔隙發育,具有高孔特征。滴西14井石炭系上部水上近火山口爆發相含角礫凝灰巖物性較好,溶孔溶縫發育,其中3 652～3 672 m巖心顯示為紅色含角礫凝灰巖,對應成像測井可見暗色低阻凝灰質以及其中的亮色高阻角礫,儲集空間類型主要以溶蝕孔為主,溶蝕孔主要發育在玻屑和角礫內,平均孔隙度達16.9%,平均滲透率為25.4 mD為中孔低滲儲層,試油結果顯示為油氣同層,油產量6.41 t/d,氣產量9.14×104m2/d,如圖8(a)所示。

圖7 準噶爾盆地東部石炭系不同噴發環境火山巖儲層物性特征Fig.7 Reservoir physical characteristics of Carboniferous volcanic rocks in different eruptive environments in eastern Junggar Basin

水下近火山口侵出相是水下噴發環境最有利儲層發育相帶(圖7)。巖漿遇水形成珍珠巖具有球狀弧形裂縫,有利于后期沿裂縫進行溶蝕改造,形成大量網狀裂縫。以滴西22井為例,該井發育有大段水下近火山口侵出相的珍珠巖,物性較好,裂縫和溶蝕孔非常發育。其中3 636～3 708 m為大段侵出相珍珠巖頂部夾小段凝灰巖,儲集空間主要為弧形裂縫以及沿裂縫發育的溶蝕孔縫,是珍珠巖成為有利儲層的良好基礎,通過孔滲分析其孔隙度為18%,滲透率為12.76 mD,為中孔低滲儲層。成像測井中發育有細小拉長的網狀孔縫,如圖8(b)所示。

對比水上水下噴發火山巖的儲集空間類型和成巖作用類型,發現雖然水下噴發的火山巖常發育炸裂縫、脫玻化孔等,但同樣容易遭受蝕變、充填等作用,如果沒有受到后期構造、有機質以及風化淋慮的改造,其儲集性能可能較差;而陸上噴發火山巖,其儲集空間組合方式相比水下更加豐富,原生孔縫空間更大,加上其保存環境大多處于水上環境,使得其更容易受到風化淋慮的改造,進一步改善儲集性能。因此從噴發環境對儲層的影響方面看,水上噴發環境的火山巖儲集性能要好于水下噴發環境。

3.2.2 構造作用對火山巖儲層的影響

石炭系地層經歷了由海西期至喜山期的多期地質構造運動,構造特征復雜。構造運動誘發斷裂和大量構造縫的產生。裂縫是火山巖油氣儲集空間的重要組成部分,同時又是重要的滲流通道和后續油氣運移通道[36-37]。火山熔巖和次火山巖比較致密,脆性較大,容易產生構造裂縫。構造縫不僅溝通孔隙形成有效儲集空間,而且起到連通作用,為后期酸性流體進入火山巖進一步發生溶蝕作用提供了有利通道,研究區發育大量的構造裂縫,對火山物性的改善起到了積極作用,使儲層物性變好[38]。

準東地區火山活動具有沿斷裂呈串珠-中心式分布的特征,其中滴西-五彩灣地區為裂隙-中心式噴發,沙帳地區主體為中心式噴發。對于上石炭統,受到構造活動影響,靠近斷裂的儲層發育有大量的裂縫(圖9)。同時靠近斷裂和裂縫水上易淋濾溶蝕,主要發育裂縫+溶蝕孔隙型儲層其物性相比遠離斷裂的儲層有明顯改善,且高產井距離斷裂都較近。例如,滴西17井3 633～3 670 m,日產油19.56 t,日產氣25.172萬m3。此外,對于下石炭統,火山巖以水下環境為主,靠近斷裂可溝通烴源巖與儲層,為后期有機酸溶蝕創造有利條件,形成裂縫、溶蝕孔+裂縫型儲層。

圖9 準噶爾盆地東部石炭系火山巖成像測井中裂縫發育特征Fig.9 Fracture characteristics in imaging logging of Carboniferous volcanic rocks in eastern Junggar Basin

4 優質火山巖分布及預測

4.1 優質火山巖儲層垂向分布

根據地震測線開展連井相分析,并根據過井剖面的地震反射特征,結合各個井區單、連井相分析的結果,進一步繪制研究區各井區的火山巖剖面相圖,并通過相交測線的剖面進行驗證和補充。以研究區滴西井區為例,根據分層以及對地震剖面的追蹤對比發現,在滴西井區石炭系頂部可見明顯的剝蝕現象,上石炭統厚度較薄,井區東、西部可見巴山組地層,中部地層已剝蝕消失(圖10)。下石炭統基本得以保留。滴西井區除下石炭底部的大套泥質沉積巖外,其余主要以溢流相和爆發相為主,夾少量火山沉積相(圖10)。

滴西地區火山噴發可大致分為3個旋回,旋回間有明顯的沉積夾層或者巖性的突變面,火山機構不同位置,每個旋回的巖相組合序列存在差異。近火山口處主要以爆發+溢流相的巖相組合為主,遠火山口處主要以爆發凝灰相+火山沉積相的巖相組合為主,與火山沉積物共同形成遠火山口的巖相組合。下石炭整體以水下噴發火山巖為主,上石炭統整體以水上噴發火山巖為主。通過統計發現,研究區主要都以溢流相玄武巖、安山巖和爆發相火山角礫巖為最佳儲層,水上噴發環境整體優于水下噴發的環境。

4.2 優質火山巖儲層平面分布

噴發環境控制的優勢巖相與構造裂縫控制著火山巖優質儲層的分布[39]。在分析噴發環境以及環境對研究區儲層影響的基礎上,根據準噶爾盆地東部地區野外剖面和井下巖心的孔隙度、物性和儲集空間的觀察和統計,結合不同噴發環境分布特征,對研究區火山巖有利儲層進行預測。

研究區下石炭統主要為水下噴發環境,水下噴發火山巖中主要以溢流相玄武巖和安山巖為主,但氣孔不太發育,主要靠后期構造、成巖等作用進一步改造成為良好的儲層,如圖11(a)所示。水下噴發環境還常見珍珠巖,該巖性裂理及其發育且極易被后期溶蝕改造,成為水下噴發環境中一類有利儲層巖性。其次為爆發相中的火山角礫巖和凝灰巖,爆發相中的火山角礫巖中原生孔隙常發育氣孔和礫間縫,通過后期改造,其儲集性能可能會成為火山巖中最好的,但由于其分布范圍有限,不能成為研究區最優儲層。凝灰巖在研究區分布范圍最廣,但是由于其儲集性能非常依賴后期的成巖作用改造,原生的凝灰巖儲集性能不佳,但在風化剝蝕嚴重的區域可能成為較好的儲層,因此能夠成為儲層的凝灰巖縱橫向范圍也受到了一定限制,難以形成大范圍優質儲層。下石炭統有利的火山巖區帶主要分布在滴西地區、五彩灣地區和東部大井地區,如圖11(b)所示。

圖11 準噶爾盆地東部下石炭統火山巖巖相與有利儲層預測圖Fig.11 Lower Carboniferous volcanic lithofacies and favorable reservoir prediction in eastern Junggar Basin

上石炭統主要的環境類型為水上噴發,而研究區水上噴發火山巖中的儲層,主要以溢流相中的玄武巖和安山巖為主,其次為爆發相中的火山角礫巖和凝灰巖,如圖12(a)所示。玄武巖和安山巖的儲集空間組合類型以原生氣孔和節理縫為主。經觀察統計,研究區水上噴發玄武巖和安山巖普遍發育原生氣孔,可以通過后期構造、成巖的改造進一步進化為氣孔+裂縫型、氣孔+溶蝕孔型、裂縫型等類型,成為研究區主要的火山巖儲層。而爆發相中的火山角礫巖和凝灰巖,其儲集性能與后期改造與水下噴發類似。上石炭統繼承了下石炭統火山巖分布部分特征,并進一步擴大,有利的火山巖區依舊主要分布在滴西地區、五彩灣地區和東部大井地區,如圖12(b)所示。

5 結論

(1)準噶爾盆地東部石炭系火山巖主要以鈣堿性基性-中性火山巖為主,主要發育溢流相安山巖、爆發相凝灰巖為主,其次為溢流相玄武巖、爆發相火山角礫巖。

(2)石炭系火山巖儲層中氣孔+溶蝕孔和溶蝕孔+裂縫型孔隙為有利的孔隙組合類型,溢流相玄武巖、安山巖和爆發相火山角礫巖物性及孔隙組合類型最好。

(3)優質火山巖儲層發育受火山噴發環境、巖性巖相以及后期構造改造綜合控制。石炭系火山巖水上近火山口爆發相和水下近火山口侵出相是最有利儲層發育帶,有利火山巖區帶主要分布在準噶爾盆地東部滴西地區、五彩灣地區和東部大井地區。