火山岩储集空间影响因素分析

姜 辉 杨炼强 杜宏宇 赵应权

摘要:火山岩储集空间按照结构成因分类法分为原生孔隙、次生孔隙和裂缝3大类型,并具有复杂的“孔缝双重结构”,火山岩相、喷发模式、裂缝系统、不整合面、成岩作用及其后生环境是影响其成分、结构和构造的5大要素。其中,火山岩相、喷发模式是储集空间形成和发育的基本动力条件,相态和喷发幅度控制孔缝成因结构;裂缝系统、不整合面、成岩作用及其后生环境是储集空间改造和保存的重要地质因素:多期次构造裂缝构成储集空间的主体,火山岩顶部或侧翼距不整合面的距离影响储集空间带的分布,成岩及其后生作用使得原生孔隙被次生充填或加剧溶蚀孔、缝的形成。那些经历过溶蚀作用和水上喷发的正交密集型裂缝系统,将成为最有利的储集空间体。

关键词:火山岩储集层;储集空间;类型;影响因素

中图分类号:TE122.2文献标识码:A

引 言

百余年的油气勘探历史中,火山岩储集层作为一种特殊但具有广阔前景的油气储集层类型已受到越来越多的重视。时至今日在火山岩中发现的油气藏已遍布五大洲,世界各主要油气产区几乎均发现火山岩油气藏[1-4],较为著名的有美国亚利桑那州的比聂郝比肯亚正长岩油气藏,格鲁吉亚的萨姆戈里-帕塔尔祖里凝灰岩油藏,印度尼西亚贾蒂巴朗安山岩油藏等,大港枣北地区的沙三段玄武岩油气藏,辽河盆地欧利坨子地区粗面岩油气藏等,显示了火山岩油气开发的巨大潜力。

鉴于火山岩油气藏勘探开发的重要性日益显著,从20世纪70年代末开始,尤其是最近10 a间多位学者[5]对火山岩石学、火山岩孔隙结构特征、储层参数分布、敏感性和非均质性等诸多方面做了大量建设性工作,成果斐然。但是,对于影响火山岩储集空间发育的控制因素方面却始终缺乏系统有力的研究,该研究即着眼于此试从成因角度展开分析。

1 储集空间特征

1.1 储集空间类型

火山岩储层储集空间按照结构成因分类方式可分为原生孔隙、次生孔隙和裂缝3大类型。原生孔隙包括岩浆冷凝成岩过程中产生的各种气孔、晶间孔、粒间孔等;次生孔隙指岩浆冷却后遭受热液蚀变、风化淋滤等外力作用而形成的晶屑溶孔、斑晶溶孔、基质溶孔等;裂缝包括构造裂缝、解理缝和溶蚀裂缝等(图1)。

火山岩储集层的一个显著特征就是具有复杂的“孔缝双重结构”,这种结构是火山岩储集层在原始喷发、岩性岩相、构造运动、成岩作用等多种因素相互作用的综合结果[6]。火山岩的原生孔隙多呈孤立状,孔隙度高而渗透性差,只有当溶蚀孔缝将这些原生气孔、粒间孔连通,形成孔隙-裂缝复合式储集空间才具有一定的储集能力。玄武岩气孔较其他岩类发育,但储集性能往往不如具有溶蚀孔隙和构造裂缝的英安岩、流纹岩,就是这个原因。

但并非具有裂缝系统就足够,根据对南堡凹陷火山岩岩心描述和薄片鉴定分析[7],其火山岩主要发育早、中和晚3期裂缝系统:①早期网状裂缝虽然很发育,但绿泥石充填严重,属于无效裂缝;②中期高角度构造裂缝,往往与岩心的长轴方向平行或略斜交伸入,少数为张开裂缝,充填少量方解石自形晶体,属于有效裂缝;③晚期低角度裂缝的充填程度低、规模小,属于具有一定输导能力的有效裂缝。因此,决定储集条件的关键在于裂缝的发育程度,其中早、中期裂缝的发育程度决定了孔隙度的大小;中、晚期裂缝的发育程度决定了渗透率的大小,溶蚀能力起到至关重要的催化作用。松辽盆地流纹岩储层还有一种孔隙结构组合[8],即由基质溶孔与构造裂缝的组合而成的孔隙结构,这种孔隙结构组合与众不同的是裂缝形成在先,而后酸性流体沿裂缝通道进入岩层造成岩石内基质长石微晶溶蚀而构成。

1.2 后期改造

储集空间的后期改造涉及构造运动、风化剥蚀、溶蚀淋滤等。多期构造运动一方面产生大量的构造裂缝,形成火山岩储集层独具特色的孔缝结合的二元系统;另一方面,构造活动——特别是断-褶作用导致的抬升遮挡、深埋藏、侧向尖灭对于火山岩储集体圈闭的形成十分有利。另外,火山爆发时的冲力使顶板及围岩破碎,形成大量裂隙、裂纹、粒间孔,加之多处在构造高部位或侵蚀高地,易遭受强烈风化、淋滤作用,使原生孔缝溶蚀扩大,形成最有利的储集层。

然而后期的改造过程是复杂的物理化学过程。火山岩在区域构造抬升时暴露地表,遭受风化剥蚀和溶蚀淋滤作用的同时原生孔缝空间接受二次改造,产生大量冷凝缝、风化缝、溶蚀缝和次生溶蚀孔隙。其改造方式主要表现为沸石、方解石、绿泥石、石膏充填在各种中、基性火山岩,火山角砾岩和凝灰岩的粒间、基质、晶间。一般说来,绿泥石多呈鳞片状、纤维状微晶充填;沸石多呈交织状态充填在长石的小晶体间;方解石多靠近孔隙壁及缝壁生长。这些次生改造作用可以完全或部分堵塞孔缝空间,造成储集层物性急剧下降。但地层中的成岩作用、异常压力和地热可以引发地下流体的酸化,使得矿物无机酸活度增加、有机质脱羧基诱发有机酸,从而产生溶蚀效应对储集层又有利。

2 储集空间影响因素

2.1 火山岩相

火山岩岩石类型和岩相是影响储集层的重要因素(表1)。一般来说,爆发相形成的火山碎屑岩较溢流相形成的熔岩疏松,应形成较多的原生孔隙。但事实并非仅仅如此,由于压实作用和外来物质的充填,火山碎屑岩的原生孔隙和溢流相的熔岩气孔都遭到不同程度的破坏,孔隙类型主要为次生孔隙,而次生孔隙主要为长石溶孔及粒间溶蚀扩大孔,它们取决于火山岩中长石的含量及其与酸性流体的反应,这种次生孔隙在溢流相的流纹岩中最为发育[9]。对于侵出相,由于岩浆密度大,侵出地表后多以岩穹、岩钟和岩针等产状分布,岩体同化作用强而分相不明显,次生孔隙发育较困难。

不同火山岩相在地震剖面上具有可识别性[10]。保存较完整的火山锥在常规地震剖面上一般具有丘形反射特征,火山岩顶界面表现为强反射,一般为上超面,上覆沉积岩地层超覆于火山岩锥体顶面。

2.2 火山喷发模式

火山喷发模式可划分为夏威夷式、斯特朗博利式、武耳卡诺式、培雷式、布里尼式和卡特迈式6种类型[11-13],中国大陆以夏威夷式、斯特朗博利式和布里尼式喷发模式最为常见。不同的喷发模式形成不同的火山岩类型和不同的孔隙空间特征(图2)。

2.2.1 夏威夷式(Hawaiian eruption)

其喷出强度最低,通常与玄武岩形成有关,其喷发特点是:贫气的熔岩流沿地面作较长时间流动,而富气的部分则快速喷发至空中,范围可达1 km形成“熔岩泉”。玄武岩以夏威夷式为主,喷发相对温和而贫气。喷发后聚集在火山口附近并沿斜坡流动,具填平补齐的特点,最终易汇聚于洼陷处。由于流动性较大,喷发后易沿层流动形成薄的岩层而裂缝不发育,同时没有足够的时间进行结晶,而形成玻璃质结构,导致储集性能相对较差。

2.2.2 斯特朗博利式(Strombolian eruption)

其产生的熔岩比较黏稠,也就是说SiO₂质量分数较高,其喷发特点是:在一开放通道中,顶部含有大量气泡的熔岩多次间断性猛烈喷发,形成高度大于1 km的喷发柱。安山岩、粗面岩以斯特朗博利式为主,喷发较为猛烈,携带大量挥发性气体,便于将粗面岩冲到火山口旁边的构造高部位;易在火山口高地附近形成巨厚岩层。由于大部分暴露在空气之中,其有充足的时间进行结晶形成晶质结构;且粗面岩SiO₂质量分数较高,经过长期的剥蚀、风化,易在内部产生大量的裂缝。

2.2.3 布里尼式(Plinian eruption)

此种喷发与酸性岩浆岩的形成密切相关,喷发方式特点是:强度最高,也最为猛烈,产生的岩浆柱高达3 km,生成大量富硅、粘稠的、呈气泡状的岩浆物质。流纹岩以布里尼式猛烈喷发为主,孔隙类型多为气孔、杏仁体内孔、球粒晶间孔、斑晶溶蚀孔等,含大量富硅质酸性物质,有利于后期酸的形成,改造潜在的储集空间。

2.3 不整合面

地质研究表明,较大的孔、洞、缝均发育于断裂带和不整合面附近,这是由于火山岩的喷发和溢流是有期次性的,火山岩的冷凝过程也不均一。每次火山喷发间歇,可能要经过一个相对长期的地表暴露,接受风化淋滤作用而产生次生风化壳型孔隙、斑晶溶蚀孔、基质内溶蚀孔、溶蚀裂缝等,该类孔缝的形成也进一步改造和沟通了原生气孔。因此火山岩顶部或侧翼距不整合面的接触距离就成为影响火山岩储集空间发育的重要控制因素(图3)。

2.4 裂缝系统

2.4.1 裂缝的测井识别

(1) 常规测井识别。在常规测井曲线上,裂缝主要引起“铀异常富集、声波时差增大或跳波、中子挖掘效应、密度减小、电阻率降低”等测井异常响应。

随裂缝发育程度的增加,铀异常指标、次生孔隙度指标和深浅侧向幅度差增大,视孔隙结构指数减小。进一步研究结果表明,铀异常指标法则易受岩性变化的影响,次生孔隙度指标法易受孔隙结构变化的影响,视孔隙结构指数法易受流体性质变化的影响,深浅侧向幅度差法易受“双轨”状钻井诱导缝和压裂缝的影响。相对而言,以次生孔隙度指标和视孔隙结构指数2种方法求取效果较好[14]。

(2) FMI裂缝识别。FMI(Formation Micro Imager)是一种微电阻率成象测井仪,通过微电极矩阵探测井壁四周导电性的变化,分辨率高达0.5 cm。FMI通过正弦线理论拟合方式,可识别高电导缝、微裂缝和钻井诱导缝。

在FMI图像上,高电导缝表现为深色(黑色)正弦曲线,通常为开启的构造裂缝或充填导电物质(如泥质)的充填缝;微裂缝是指各种延伸局限和在FMI图像上难以进行理论拟合的不规则分布裂缝,与岩石类型和裂缝成因有关,主要包括冷凝收缩缝、节理缝、砾间缝等各种成岩缝以及局部充填或闭合的构造裂缝;钻井诱导缝表现为沿井壁对称出现的羽状或雁列状深色曲线,为钻井过程中产生的非天然裂缝。

2.4.2 裂缝成因

受火山喷发旋回性和喷发时间无序性的影响以及后期构造运动和溶蚀作用的改造,火山岩的裂缝系统发育极不均一,多次的构造运动导致了裂缝的多期性,常可见到早期裂缝被晚期裂缝所切割。

其中,构造裂缝是影响火山岩储集性能的关键因素。火山岩作为储集层,一个显著的特点是一般在实验室测定的岩心渗流能力大大低于实际试油所得的岩石渗流能力,主要就是由于构造裂缝不但本身也是一种重要的储集空间类型,而且使原本互不连通的孔隙连通起来成为有效孔隙,形成一个畅通的渗流系统。按照裂缝的组合样式,可分为正交裂缝体系、斜交裂缝体系、无序裂缝体系3种,再根据构造运动的强度,可细分为密集型、过渡型和稀疏型3种亚类,裂缝的切割、溶蚀能力依次减弱(表2)。塔河地区多组无充填物的开启性构造张裂缝和剪裂缝统计结果显示[15]多为高角度裂缝(倾角大于70°),其次为倾斜裂缝(倾角为31～70°)和低角度裂缝(倾角小于30°)。这些裂缝属于斜交密集型构造裂缝体系(表2),裂缝宽度多为1～2 mm,长度以5～15 cm占优势(58.1%),其次为15～25 cm。裂缝面密度0.001 3～0.171 1条/cm²,平均为0.023 63条/cm²。这些互相截切的高密度裂缝切割深、延伸远、方向性明显,有利于地层水的渗入发生次生溶蚀作用,构成了该区最为有利的储集带。

其他成因的裂缝还有因火山岩冷凝时形成的收缩缝和火山岩遭受风化侵蚀形成的溶蚀缝,多为硅质和碳酸岩质所充填,原生缝隙空间很小,但也不同程度地改善了火山岩的储集性能。

2.5 成岩作用及其后生环境

2.5.1 成岩作用

成岩作用对火山岩储集性能的影响主要表现在2个方面:一是加剧了火山岩原生孔隙的次生充填,形成杏仁体内孔,产生铁白云石充填,降低了储集性能;二是加剧了溶蚀孔、缝的形成,改善了储集性能(图4)。

(1) 压实作用。火山岩抗压实能力较碎屑岩和碳酸盐岩高,孔隙特别是溢流相刚性岩体分布零散、韵律无规则,不易受压实作用影响,随埋深增大孔隙度变化不明显。即在埋深较大的情况下,仍可能有较好的物性条件。

(2) 气体膨胀结晶作用。火山岩浆喷出地表冷凝收缩,气体迅速膨胀发生结晶作用,形成大量气孔和部分收缩缝。不同岩性火山岩在成岩时受温度、压力、围岩及通道的影响,气体膨胀时的强度是不一样的,气体膨胀作用越强,所形成的火山岩孔隙越发育。相同条件下玄武岩的气孔最发育,其次为安山岩,流纹岩最差。这些孔隙多为原生孔隙,孔隙度较高但彼此连通性很差,难以形成有效储集层。

(3) 溶蚀和交代作用。溶蚀作用使得大量长石以及酸性流体进入火山岩孔、缝系统,原生充填孔隙遭受溶蚀。一方面,由于岩浆余热导致地层水温升高,使得火山岩中的硅酸盐矿物释放出Fe²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺、Na⁺、Si⁴⁺等离子,形成伊利石、方解石、绿泥石等成岩矿物,交代部分矿物并充填、堵塞孔隙和喉道。另一方面,温度的升高有利于长石(钾长石)在有机酸中(羧酸)的溶解,有机酸可以增加地层水中铝离子的活度,有机酸阴离子与铝阳离子的结合形成络合物易被流体带走,冲开堵塞的孔隙通道而形成次生孔隙(显微镜下可见长石和石英斑晶的溶蚀边缘和斑晶内溶孔)。另外,无机酸(碳酸)也可以溶解长石而蚀变为高岭石及其他阴阳离子随流体排出,但溶蚀速度与H⁺供应能力却比有机酸小得多。但总的说来,溶蚀作用改善了火山岩的孔隙空间和渗透能力。

2.5.2 成岩后生环境

储集空间形成与演化的成岩后生环境主要有水下喷发环境、水上喷发环境和埋藏环境。

(1) 水下喷发环境。当热的熔岩进入水中表面骤然冷凝使局部形成玻璃质外壳,阻碍了自熔岩中分异出的热液或残留岩浆流出岩体之外,使具有丰富铁、镁、硅质成分的热液只能进入前期已形成的气孔中,并冷凝结晶或蚀变成为气孔中的充填物,从而形成杏仁体。主要特征有:①绿泥石化普遍;②碳酸盐含量高;③玻璃质含量高;④气孔被广泛充填不发育,杏仁体普遍;⑤火山岩层间有湖相或海相泥岩隔层。水下喷发环境以水解作用、溶解作用及充填作用为主,气孔多被绿泥石、硅质、方解石过早地充填,因此该环境对岩石的储集性能具有负面影响。但是另一方面,水下喷发环境对火山碎屑流顶/底气孔带、爆发相凝灰岩孔隙的形成可能有利,这是因为水解/溶解作用对疏松、细粒的碎屑流、凝灰岩孔隙的酸解、疏通更为有效。

(2) 水上喷发环境。由于处于水上环境,每次喷发时间之间为长期的水上风化剥蚀期。因此,喷发期所形成的火山岩顶部遭受强烈的风化、淋滤作用,形成类似于残积的火山砂砾岩层,是次生孔隙发育的主要时期。主要特征有:①喷液的火山岩结晶程度高,具有冷凝速度慢的特点;②岩石气孔发育,尽管仍被充填,但反映了水上常压环境;③具有明显的大气环境表生成岩作用的特点。水上喷发环境由于慢速冷凝、玻璃质含量低、结晶程度高、旋回性明显,是火山岩储集性最有利的环境。

(3) 埋藏环境。依据埋藏的深度,可细分为早期埋藏、中期埋藏和晚期埋藏3种环境。早期埋藏的成岩作用以交代和充填作用为主,因此这一环境对孔隙的形成不利,将导致前期形成的孔隙大为减少。中期埋藏,在有机质成熟过程中形成的大量有机酸将导致成岩介质向酸性转化,对前期形成的碳酸盐充填物进行一定程度上的溶解,增加有效储集空间。大量碳酸盐矿物的溶解和油气充注主要发生在这一时期。晚期埋藏发生在油气运移之后,生油期形成的有机酸因与碳酸盐矿物作用逐渐减弱,介质又逐渐恢复碱性环境。同时由于油气的存在,使整个地层水系统成为强还原环境,形成大量的铁白云石、方解石及黄铁矿,再一次充填已有的孔隙或裂缝。因此,这一环境也不利于储集层的发育。

3 结 论

火山岩储集空间按照结构成因分类方式,可分为原生孔隙、次生孔隙和裂缝3大类型。储集空间的最终形成是多期次的构造运动、风化剥蚀、溶蚀淋滤共同作用的结果。火山岩相、火山喷发模式、不整合面、裂缝系统、成岩作用及其后生环境是影响储集空间成分、结构和构造的重要因素。其中,裂缝系统和成岩作用(环境)是形成有利储集层最重要的先天和后天因素。

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