一准噶尔盆地西缘车排子凸起石炭系火山岩储层成因

2016-12-27孟凡超操应长刘子超王艳忠

中国石油大学学报（自然科学版） 2016年5期

孟凡超, 操应长, 崔岩, 许涛, 刘子超, 王艳忠

(1.中国石油大学地球科学与技术学院,山东青岛 266580; 2.海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室,山东青岛 266071;3.山东科技大学地球科学与工程学院,山东青岛 266590;4.中国石化胜利油田公司勘探开发研究院西部分院,山东东营 257000)

孟凡超1,2, 操应长1, 崔岩3, 许涛4, 刘子超4, 王艳忠1

通过岩心观察、薄片鉴定、元素测试、物性分析等技术手段,对准噶尔西缘车排子凸起石炭系火山岩岩性、岩相、储集空间类型、物性特征及储层成因进行详细研究。结果表明:石炭系火山岩以玄武岩、安山岩、玄武安山岩等火山熔岩和中基性火山角砾岩、凝灰岩等火山碎屑岩为主;火山岩储层储集空间主要为次生溶蚀孔隙和裂缝,属于低孔-特低渗储层;石炭系火山岩储层的形成经历了复杂的演化过程,火山岩先后经历了冷凝固结、构造抬升、表生风化淋滤、埋藏流体充填、溶蚀等后期改造作用;火山岩储集性能呈现先提高后降低再提高的演化过程。

准噶尔盆地; 车排子凸起; 石炭系; 火山岩储层; 储层演化

近年来随着盆地深层勘探的深入,火山岩油气储量增加较快,约占地层油气藏探明储量的50%以上,火山岩油气藏已逐渐成为中国油气勘探的一个重要新领域[1-2]。2000年以来,火山岩油气勘探在准噶尔、塔里木、三塘湖、松辽、渤海湾等盆地都取得了重大突破[3]。火山岩作为一类特殊的储集层,与常规沉积油气相比,在储层和成藏方面更加复杂。诸多学者对储层性质进行了系统论述[1,4-10]。目前认为火山岩储层主要有两种类型,一种为原生型火山岩储层,储层主要受岩性、岩相、火山机构、旋回期次等火山作用本身控制[5-6,8,11-14]。另一种为改造型火山岩储层,储层主要受构造、风化淋滤、溶蚀、流体充填等作用控制[1,15-16],这类油气藏在中国西部准噶尔盆地、三塘湖盆地和塔里木盆地尤为发育,具有区域性整体含油的特点[3,17-20]。准噶尔盆地自1956年在石炭系火山岩中首见油气显示以来,在石炭—二叠系火山岩中探明油气当量已超过3.6亿t[21]。火山岩已成为准噶尔盆地西北缘石炭—二叠系的主力储层,在乌夏断裂带、克百断裂带、红车断裂带都发现了储量丰富的火山岩油气藏[22-24],前人对研究区火山岩储层岩石学、储集空间及物性特征等进行过详细研究[1,15-16,25]。研究结果多为现今储层静态描述,缺乏储层演化的动态过程研究。笔者以准噶尔西缘车排子凸起石炭系火山岩作为研究对象,在储层岩心岩矿鉴定基础上,结合岩石元素分析、铸体薄片分析、流体分析、物性分析、测井解释等资料,明确研究区石炭系火山岩储层的岩石学、储集空间、物性变化特征,揭示车排子凸起石炭系火山岩储层演化过程及成储机制。

1 区域地质概况

准噶尔地块位于哈萨克斯坦、塔里木和西伯利亚三大古板块交汇部位,受控于古亚洲洋和周边造山带的演化,经历了多阶段不同性质的构造变革[26-27]。泥盆纪至二叠纪,准噶尔盆地及邻区经历了古亚洲洋的消亡到陆陆碰撞的过程[28-30](图1(a))。早石炭世早期,准噶尔盆地处于碰撞间歇期伸展-残留海闭合和陆-陆碰撞阶段,导致深部热调整和岩浆活动。石炭纪中后期,准噶尔盆地经历了造山期后裂陷槽的开启-闭合阶段[27],普遍发育火山-沉积建造,表现为火山-沉积岩裂陷盆地。火山岩年龄主要集中在340～320 Ma和300～295 Ma两个阶段[31]。晚石炭世末,准噶尔盆地受周缘板块挤压整体抬升遭受风化淋蚀,为风化壳的形成提供了前提条件。二叠纪开始,准噶尔盆地已形成独立的盆地,进入陆内盆地发育阶段[28]。

图1 研究区构造位置简图

准噶尔盆地西缘是该盆地中油气最富集、勘探程度最高的地区。西部隆起带自南至北发育有车排子凸起、西北缘断裂带和中拐凸起3个二级构造单元[32](图1(b))。车排子凸起东面紧邻红车断裂带,南面为南缘冲断带的四棵树凹陷,北西伸入扎伊尔山山前[33](图1(c))。该凸起是一个海西晚期形成且继承性发育的古凸起,现今的构造格局为喜山运动后的面貌,平面上呈三角形。石炭系自下而上发育太勒古拉组、包古图组和希贝库拉斯组。研究目的层位为石炭系希贝库拉斯组,该组主要发育火山岩,且遭受中长期风化和淋滤改造,是西北缘石炭系油气勘探主要目的层位。

2 石炭系火山岩储层特征

2.1 岩石学特征

火山岩岩性、岩相的划分是火山岩储层特征及演化研究工作的基础。由于火山岩成因复杂、种类繁多,尚没有统一的岩性划分方案。通过对车排子凸起22口钻井408 m石炭系钻井岩心描述、薄片鉴定、岩石元素分析,采用火山岩形成方式、化学成分、结构构造的三级方案进行岩性划分。首先,按照火山岩形成方式,将车排子凸起石炭系火山岩分为火山熔岩类、火山碎屑岩类、火山碎屑熔岩类、沉火山碎屑岩类。火山熔岩类在岩心中比例最大,约占63%,火山碎屑岩次之,约占21%。然后,按照火山岩化学成分,根据火山熔岩类样品的元素地球化学数据(图2),将火山熔岩类划为玄武岩、玄武安山岩、安山岩和粗面安山岩,车排子凸起石炭系火山熔岩以玄武安山岩及玄武岩为主。这与准噶尔盆地中部陆东-五彩湾石炭系火山岩成分略有差别,后者以玄武岩和粗面玄武岩为主[34-35]。此外,火山碎屑岩类的化学成分主要为玄武安山质或安山质。最后,按照火山岩的结构、构造,将火山熔岩类划分为火山熔岩、同生角砾熔岩，火山碎屑岩类分为火山集块岩、火山角砾岩、火山凝灰岩以及不同粒级之间的

过渡类型，火山碎屑熔岩以角砾熔岩为主及少量凝灰熔岩，沉火山碎屑岩主要为凝灰质泥岩和沉凝灰岩。关于岩相,依据火山作用方式,将车排子地区石炭系火山岩划分为火山通道相、爆发相、溢流相、火山沉积相。结合岩石空间位置、结构、构造等特征,溢流相又划分为角砾熔岩流亚相、板状熔岩流亚相、自碎熔岩流亚相;爆发相划分为热碎屑流亚相和空落亚相;火山沉积相划分为沉火山碎屑沉积亚相和含火山碎屑沉积亚相。

图2 石炭系火山岩TAS图

2.2 储集空间类型

车排子凸起石炭系火山岩储集空间类型包括孔隙和裂缝两种类型(表1、图3)。

表1 车排子凸起石炭系火山岩储集空间类型

续表1

图3 车排子地区石炭系火山岩储集空间类型

车排子地区石炭系火山岩储层孔隙以次生孔隙为主,原生孔隙仅保留极少量的气孔和角砾间孔。次生孔隙包括杏仁充填残余孔、杏仁收缩孔、杏仁溶蚀孔、斑晶溶蚀孔、角砾溶蚀孔、基质溶蚀孔等。火山岩中的裂缝依据成因可划分为成岩裂缝、构造裂缝以及流体改造裂缝,其中以流体改造裂缝最为常见,充分体现了流体在火山岩储层形成过程中的重要作用。

2.3 车排子凸起火山岩储层物性特征

车排子地区石炭系79个火山岩样品物性测试结果表明,孔隙度小于5%者占45.57%,介于5%～10%者占40.51%,10%～15%者占12.66%,15%～20%者占1.27%,大于20%者为0,总体上为低孔(图4(a))。渗透率小于0.05×10-3μm2者占62.03%,介于(0.05～0.1)×10-3μm2者占22.78%,介于(0.1～0.5)×10-3μm2者占了11.39%,介于(0.5～1)×10-3μm2者占1.27%,大于1×10-3μm2者占2.53%(图4(b)),总体为低孔-特低渗储层。

图4 车排子凸起石炭系火山岩储层孔隙度和渗透率分布直方图

3 石炭系火山岩储层主控因素

准噶尔西缘车排子地区晚石炭世希贝库拉斯组主要由火山岩组成。受红车断裂及次生断裂的逆冲推覆作用影响,石炭系隆升,遭受长期风化淋滤;直到侏罗纪,部分区域开始接受沉积,石炭系火山岩被埋藏[36]。因此车排子凸起火山岩冷凝固结以后,先后经历了构造抬升、表生淋滤以及埋藏作用,最终形成有利储层。

为便于机械化作业，需采取土地流转的形式，加快小田改大田步伐，实现土地资源和技术要素规模化。同时，加强水利设施、机耕道等配套农业机械化发展基础设施建设，提高机械化作业效率，降低作业成本，实现节本增效，推动农业产业化经营，促进水稻机插秧技术的推广。

3.1 岩性岩相

首先,岩性岩相制约着原生孔隙发育类型和程度。车排子地区石炭系火山近源相组合中的火山熔岩(玄武岩、安山岩、角砾熔岩、同生角砾熔岩)、火山碎屑岩(火山角砾岩)比远源相中的凝灰岩、沉凝灰岩原生孔隙发育。近源相中的原生孔隙主要为熔岩气孔、杏仁体内孔、晶间孔、角砾间孔,其中原生气孔最为发育,主要出现在溢流相角砾熔岩流亚相和爆发相热碎屑流亚相中的角砾中。其次,岩性岩相影响后期改造作用的程度。近源相组合(爆发相热碎屑流亚相和溢流相)在风化淋滤作用影响下都可以形成有利储层,且近源相组合中爆发相热碎屑流亚相溶蚀程度比溢流相更高,物性更佳。远源相组合(凝灰岩类)很难形成有利储层(图5)。除此以外,从垂向上同一亚相的物性变化可以看出,在没有断裂的影响下,火山岩受风化淋滤的影响深度可达350 m,而在断裂的影响下,火山岩风化壳储层厚度可达500 m。

图5 火山岩孔隙度随风化壳顶面深度变化关系

3.2 构造抬升作用

红车断裂带位于准噶尔盆地西北缘断裂带南端,车排子凸起东侧。断裂带长约70 km,宽约10～120 km,平面呈反“S”形,走向近南北,倾向NW-NNW。自北向南,由红山嘴逆冲断裂亚带、中拐反冲断裂亚带、车排子近NS向逆冲断裂亚带和车75-车77井NW向逆冲断裂亚带组成[37]。红车断裂演化历史长,石炭纪为初始发育期,活动较弱;二叠纪为逆冲推覆活动期;印支期为断裂带定型期;燕山期为余动期;晚侏罗世以后逆冲断裂才停止活动。因此受红车断裂带影响,车排子地区构造活跃,石炭系火山岩构造裂缝和构造角砾岩非常发育(图3)。在断裂影响下,火山岩风化壳厚度更大[38]。如排66井,在断裂影响下,距不整合面450 m处,火山岩角砾岩孔隙度仍达到14.5%(图5),远高于同深度未受断裂影响的火山角砾岩孔隙度。

3.3 风化淋滤作用

准噶尔西缘车排子地区石炭纪火山岩形成以后,受构造挤压作用影响,区域构造抬升,石炭系希贝库拉斯组火山岩形成后未被及时埋藏,处于新疆北部干旱—半干旱的亚热带环境下遭受长期风化剥蚀。在表生作用环境下,火山岩中不同矿物相继遭受破坏析出,形成次生孔隙,储层物性提高,形成大面积火山岩风化壳储层。通过对排浅4井石炭系凝灰质泥岩详细观察,将石炭系风化壳自上而下划分为土壤带、水解带、淋蚀带、崩解带和原岩带(图6)。

图6 排浅4井石炭系火山岩风化壳结构示意图

图7 玄武安山岩风化壳孔隙度垂向变化规律

3.4 流体的充填与溶蚀双重作用

地层中的流体活动是非常普遍的现象,流体种类也十分丰富,包括正常地层水、有机酸、有机酸脱羧形成碱性水、深部流体等。流体对储层的作用主要分为两种,一种是形成新的矿物,充填孔隙和裂缝,起到减孔作用。车排子地区钻井岩心和铸体薄片显示,石炭系火山岩中的流体活动主要体现在充填作用方面。裂缝主要被方解石充填(图3(j)、(k)),火山岩气孔则几乎全被绿泥石、硅质充填,偶见沸石和方解石充填(图3(b)、(c)),这些充填作用导致本区火山岩原生孔隙基本消失,多数裂缝处于半充填—完全充填状态。地层流体的另一个作用是溶蚀作用,起到増孔作用。本区火山岩常见早期充填方解石被溶蚀(图3(i)),但极少见硅质被溶蚀(图3(c))。可见,石炭系埋藏后地层流体活动经历了酸性—碱性—酸性的过程,早期的酸性和碱性流体活动规模远远大于后期的酸性流体活动,主要表现为绿泥石、方解石等矿物的充填,而溶蚀作用较弱。

4 石炭系火山岩储层演化

车排子地区石炭系火山岩有利储层的形成经历了长期、复杂的演化过程(图8)。

图8 石炭系火山岩储层成因模式

按时间先后顺序,包括如下几个过程:①冷凝固结期，岩浆喷出地表,温度降低,冷凝固结形成火山岩,期间形成了大量原生孔隙,主要包括原生气孔、冷凝收缩裂缝、晶间孔隙等,此时火山岩具有一定的储集性能,但孔隙间缺乏沟通,渗透性较差;②热液流体期，火山岩形成以后,岩浆晚期热液活动频繁,热液活动常导致原生气孔被充填,常见的充填矿物包括绿泥石、沸石,通常沿着气孔或者成岩裂缝的内壁呈半充填状态,降低了储集性能;③构造抬升期，伴随红车断裂的逆冲推覆作用,石炭系火山岩被整体抬升,形成大量构造裂缝,大大增加了储层的储集物性且使原有孔隙被连通;④风化淋滤期，石炭系火山岩构造抬升以后,经历了长期的风化作用,形成大量次生溶蚀孔隙和风化裂缝,大大增强了火山岩储集物性;⑤埋藏流体活动期，侏罗纪开始,受构造影响,区域开始接受沉积,火山岩逐渐被埋藏,接受地层流体作用。地层流体具有双重作用,一方面,方解石、硅质等矿物质逐渐充填早期形成的气孔和裂缝,降低了火山岩储集物性;另一方面,有机酸活动溶蚀早期充填矿物,提高储层物性。

5 结论

(1)车排子凸起石炭系火山岩岩石类型包括火山熔岩、火山碎屑岩、火山碎屑熔岩和火山沉积岩。火山熔岩以玄武安山岩、玄武岩、安山岩为主,少量粗面玄武岩;火山碎屑岩包括火山角砾岩、凝灰岩以及相应过渡粒级岩性;火山碎屑熔岩主要为角砾熔岩,少量凝灰熔岩。火山沉积岩主要为沉凝灰岩和凝灰质泥岩。

(2)石炭系火山岩储层储集空间主要为次生溶蚀孔隙和裂缝,少量原生孔隙。火山岩为低孔-特低渗储层。

(3)石炭系火山岩先后经历了冷凝固结、岩浆期后热液活动、红车断裂逆冲推覆构造、表生风化淋滤、埋藏流体充填、晚期流体溶蚀等作用。断裂构造、风化淋滤、晚期流体溶蚀作用有效提高了火山岩储集物性,流体充填作用则降低了火山岩储层物性。火山岩储层物性经历了先提高后降低再提高的演化过程。

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(编辑徐会永)

Genesis of Carboniferous volcanic reservoirs in Chepaizi salient in western margin of Junggar Basin

MENG Fanchao1,2, CAO Yingchang1, CUI Yan3, XU Tao4, LIU Zichao4,WANG Yanzhong1

(1.SchoolofGeosciencesinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.LaboratoryforMarineMineralResources,QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology,Qingdao266071,China;3.CollegeofEarthScienceandEngineering,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China;4.WesternBranch,InstituteofExplorationandDevelopment,ShengliOilfield,Dongying257000,China)

Carboniferous volcanic rock is an important reservoir type in Chepaizi salient, western margin of Junggar Basin. Based on the results of core observation, thin section identification, element test and physical property analysis, this study analyzed the lithology, lithofacies, reservoir space types, physical property and genesis of the Carboniferous volcanic rocks. The results reveal that Carboniferous volcanic rocks are dominated by volcanic lava (including basalt, andesite, and basaltic andesite) and pyroclastic rocks (including intermediate-basic volcanic breccias and tuff).The volcanic rocks are low porosity and ultra-low permeability reservoirs, with main reservoir space of secondary dissolved pore and fracture. The Carboniferous volcanic rocks have undergone intense reformation at late stage, including condensation consolidation, tectonic uplifting, weathering leaching, and cavity filling and dissolution. The quality of volcanic reservoirs is changed accordingly: first improved by tectonic uplifting or weathering leaching, then deteriorated by cavity filling, and finally improved by dissolution.

Junggar Basin; Chepaizi salient; Carboniferous; volcanic reservoirs; reservoirs evolution

2016-03-21

中央高校基本科研业务费专项(15CX05007A,15CX08001A);国家自然科学基金项目(41302102);山东省自然科学基金项目(ZR2012DL10)

孟凡超(1982-),男,副教授,博士,研究方向为岩石学。E-mail:mfc1982@126.com。

1673-5005(2016)05-0022-10

10.3969/j.issn.1673-5005.2016.05.003

TE 122.2

孟凡超,操应长,崔岩,等. 准噶尔盆地西缘车排子凸起石炭系火山岩储层成因[J]. 中国石油大学学报(自然科学版),2016,40(5):22-31.

MENG Fanchao, CAO Yingchang, CUI Yan,et al. Genesis of Carboniferous volcanic reservoirs in Chepaizi salient in western margin of Junggar Basin[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2016,40(5):22-31.