德惠断陷沙一段凝灰岩储层特征及测井识别

周 健，单玄龙，迟唤昭，岳庆友，苍正毅

(1.吉林大学，吉林 长春 130026；2.东北亚生物演化与环境教育部重点实验室，吉林 长春 130026)

0 引 言

随着全球对油气资源需求量的不断加大和常规油气资源的不断减少，非常规油气逐渐成为新的勘探开发领域，在能源结构中所占比例越来越大[1]。其中，致密油气藏已成为油气储量增长的新突破口。目前，世界上大部分地区均发现了致密油气资源，如美国的德克萨斯南部的Eagle Ford页岩油气田，中国鄂尔多斯盆地中生界延长组致密砂岩油气田和川中地区侏罗系致密灰岩油气藏[2]。2012年，在德惠断陷发现了新的油气藏类型——凝灰岩致密气藏[3]。凝灰岩是指火山作用产生的火山灰降落形成的具有凝灰或尘屑结构的岩石，属于由火山碎屑岩向正常沉积岩过渡的岩石类型，火山碎屑物体积分数一般为50%～90%，颗粒较细[4-5]。凝灰物质进入湖盆发生沉积作用，可通过火山灰直接从空中降落到湖盆，即“空降型”，也可通过流水搬运，经再沉积作用进入湖盆，即“水携型”[6-8]。德惠断陷沙一段凝灰岩主要是火山灰降落到汇水盆地中形成的，同时也遭受地表流水的影响，具有多变的储层类型，不同类型的储层储集性能差别较大[9]。部分学者认为，凝灰岩储层的形成与分布主要受火山作用控制[10]，目前关于凝灰岩储层特征及测井岩性识别的研究相对较少。该文拟以凝灰岩岩矿鉴定、测试数据为基础，研究德惠断陷凝灰岩储层特征，并采用测井曲线岩性识别图版，有效地评价和识别凝灰岩储层, 从而指导该区的油气勘探。

1 区域地质概况

德惠断陷位于松辽盆地东南隆起区，面积约为4 053 km2，是在晚古生代浅变质基底上发展起来的中生代沉积盆地，其内广泛发育上侏罗统和白垩系的湖泊相—河流相沉积地层,油气的生储盖组合也较为发育，为有利含油气断陷[11-12]。根据构造特征可划分为德惠地堑、农安地堑、鲍家箕状洼陷、华家斜坡带、龙王箕状洼陷、开安—合隆鼻状构造带、兰家箕状洼陷7个次级构造单元[13](图1)。华家斜坡带是此次主要研究区，钻井揭示该区由下部断陷层(火石岭组、沙河子组和营城子组)与上部凹陷层(登娄库组、泉头组、青山口组、姚家组)组成[14]。沙河子组处于快速沉降断陷期，自下而上形成了一个“粗—细—粗”的完整沉积旋回[15]。沙一段时期，受火石岭组火山作用的影响，沉积了一套厚约为30～40 m的凝灰岩，综合解释为气层—差气层，压裂后日产气为1 000～1 400 m3/d，具有一定的工业开采价值，标志着德惠断陷凝灰岩致密油气的勘探取得了一定突破。沙二段时期主要为灰黑色泥岩、粉砂岩及细砂岩的细粒沉积。垂向上沙一段主要发育火山沉积相、近岸扇及扇三角洲相沉积；沙二段以滨浅湖—深湖沉积相为主。平面上盆地边缘主要为扇三角洲、近岸扇及湖沼相沉积，中央则以深湖相沉积为主[16]。

图1德惠断陷区域地质概况

2 凝灰岩岩石学特征

德惠断陷沙一段凝灰岩储层岩石类型多样，分别为晶屑凝灰岩、玻屑晶屑凝灰岩和凝灰质砂岩。晶屑凝灰岩的原始组成以晶屑为主，含有少量凝灰级玻屑和火山尘，正交偏光镜下不消光，分布于距离火山口相对较近的地方[17](图2a、b)。玻屑晶屑凝灰岩物质组成与晶屑凝灰岩基本相同(图2c)，含有一定量的玻屑成分，但仍以晶屑为主，晶屑含量大于50%，分布于距火山口稍远的地方。二者均含有少量炭质碎屑和泥质条带，具有一定的碎屑沉积特征。凝灰质砂岩仍具凝灰结构，但陆源碎屑物质含量高，大于50%，黏土矿物含量也较高，孔隙欠发育，属于凝灰岩向沉积岩过渡的岩石类型(图2d)。凝灰质砂岩储集性能较晶屑凝灰岩和玻屑晶屑凝灰岩差。

从X衍射测得的凝灰岩矿物组成来看(表1)，凝灰岩矿物组分比较复杂，石英、长石是主要的矿物成分，其中，石英含量为30%～47%，长石含量为25%～37 %，黏土矿物含量也较高，平均大于20%，方解石含量较少，平均小于10%。凝灰质砂岩中石英和长石矿物含量均小于凝灰岩，黏土矿物含量极高，为47%。晶屑凝灰岩和凝灰质砂岩中黏土矿物含量较高，主要原因可能是受较多陆源碎屑物质影响造成的。

图2 德惠断陷沙一段凝灰岩岩石学特征

表1 沙一段凝灰岩全岩矿物组分

3 凝灰岩储层特征

3.1 储集空间类型

德惠断陷沙一段凝灰岩储层较为致密，在普通薄片中难以看到孔隙，但在高分辨率的扫描电镜和铸体薄片下可观察到数量巨大的微小孔隙[18]。通过分析研究区样品的扫描电镜图像和铸体薄片，可将凝灰岩微观储集空间分为孔隙和裂缝两大类。

孔隙类：按成因可分为原生孔隙和次生孔隙。原生孔隙以火山灰微晶脱玻化形成的粒间微孔(图3a)和石英长石脱玻化形成的粒间孔为主(图3b)，这种脱玻化形成的孔隙类型通常只在火山岩中出现。一般情况下脱玻化作用的强度与玻屑含量成正比，且脱玻化作用越强，孔隙度越好[19]。

凝灰岩中次生孔隙以粒内溶孔为主，此外还有铸模孔及黏土矿物中的孔隙(图3c—e)，次生孔隙是凝灰岩储层中的主要储集空间[20]。粒内溶孔主要是长石溶蚀孔，长石溶蚀孔是由长石晶屑及长石矿物经溶蚀作用形成的，其形成过程与沉积有机质在生烃过程中产生的有机酸对不稳定矿物的溶蚀作用有关[21]。

裂缝类：裂缝能较大地提高烃类产能，即使已经被充填，但仍能影响和诱导新裂缝的产生，对致密油气藏的开采有重要意义[22]。德惠断陷沙一段凝灰岩储层中可见高角度微裂缝，部分缝内被方解石充填，含气性显示普遍，可作为天然气的运移通道(图3f)。

3.2 物性特征及孔喉结构

对研究区20块岩心样品实测数据分析表明(表2)：德惠断陷沙一段凝灰岩储层物性波动较大。晶屑凝灰岩和玻屑晶屑凝灰岩孔隙度主要为7.0%～16.0%，平均为11.4%；渗透率极低，平均渗透率为0.04×10-3μm3，为中低孔、特低渗储层。凝灰质砂岩由于晶屑和玻屑含量较低，脱玻化作用较弱，孔隙度和渗透率较差，孔隙度小于7.0%，渗透率小于0.02×10-3μm3，同时受到充填于微孔之中黏土矿物颗粒的干扰，形成低孔、特低渗储层。

图3 德惠断陷沙一段凝灰岩储集空间类型

表2 德惠断陷沙一段凝灰岩储层物性参数统计

对研究区沙一段2块凝灰岩样品的压汞参数统计表明：排驱压力为17～32 MPa，平均为25 MPa，中值压力较大，大于43 MPa。较高的排驱压力和中值压力表明储层渗透性很差。中值喉道半径R50很小，喉道半径主要为0.016～0.063 μm，表现为微细喉道特征(据SYT 6285-2011油气储层评价方法标准)。最大进汞饱和度较大，为35%～80%，平均为58%，退汞效率低，平均为21%，表明喉道和孔隙间的连通性较差。通过研究该区样品毛细管曲线形态可知，压汞曲线平台不明显，分选不好，为略细歪度，故储层喉道分选性较差。综上所述，德惠断陷沙一段凝灰岩储层具中低孔、特低渗、微细喉道的特征。

3.3 黏土矿物对储层的的影响

研究区沙一段凝灰岩储层厚度较大，含气普遍，但产量较低，平均为1.5×103～1.7×103m3/d。沙一段凝灰岩中黏土矿物含量较高，为15.6%～46.8%，平均为27.7% ；凝灰质砂岩中含量更高，为47.0%。黏土矿物的形成与火山碎屑岩孔隙形成时的脱玻化作用和溶蚀作用有关，此过程使火山岩黏土化严重。高含量的黏土矿物充填在极其微小的凝灰岩微孔中，使得储集性能极差。对黏土矿物成分分析表明(表1)，伊蒙混层含量最高，为59%～81%，平均为72%，其次是伊利石，为13%～26%，高含量的伊蒙混层黏土矿物易于使储层发生水锁现象，对储层渗透率伤害极大。

此外，凝灰岩中黏土矿物的敏感性严重，膨胀实验表明，岩心遇煤油平均膨胀率为-6.50%，遇水平均膨胀率为31.25%，为强水敏特征。水敏性黏土矿物的水化、膨胀，一方面压缩了岩石的孔喉直径，另一方面又使一些地层微粒从孔壁上散落下来，在孔喉中迁移，并产生桥堵现象，从而降低了储层的渗透率，造成低产。

4 凝灰岩储层测井岩性识别

在岩心取心率低和无井的情况下，通过测井手段可以更加准确地进行岩性识别。德惠断陷沙河子组一段自上而下分别为泥岩层、凝灰质砂岩层、凝灰岩层和火山角砾岩层。选取对岩性敏感的自然伽马(GR)、补偿密度(DEN)、声波时差(AC)和地层真电阻率(Rt)4种测井资料，建立了德惠断陷沙一段凝灰岩岩性识别图版，确立了典型岩性的识别标准。

4.1 GR-DEN与AC-DEN岩性识别图版

利用GR-DEN岩性识别图版进行测井岩性识别(图4a)。由图4a可知，泥岩与凝灰岩的岩性区分较为明显，DEN大于2.52 g/cm3为泥岩；DEN小于2.52 g/cm3为凝灰岩，泥岩的密度明显大于凝灰岩。凝灰质砂岩与其他三者界限明显，凝灰质砂岩GR为70～110 API，DEN为2.45～2.60 g/cm3；火山角砾岩DEN介于泥岩和凝灰岩之间，只可大体区分出其与泥岩、凝灰岩的界限，GR则不能有效的区分三者。

故利用GR可较容易地区分出凝灰质砂岩，而利用DEN可大体区分出泥岩，火山角砾岩及凝灰岩，三者DEN依次减小。

AC-DEN岩性识别图版(图4b)是对GR-DEN岩性识别图版的一个良好补充，可在泥岩和凝灰岩中较好的识别火山角砾岩。火山角砾岩AC为210～230 μs/m,DEN为2.45～2.55 g/cm3，相较于泥岩和凝灰岩，分别具有较低的声波时差和中等的密度的特征。而声波时差曲线不能有效区分凝灰质砂岩与火山角砾岩。

图4德惠断陷沙一段GR-DEN与AC-DEN岩性识别图版

4.2 Rt- AC岩性识别图版

利用Rt-AC岩性识别图版进行测井岩性识别(图5)。由图5可知，4种岩性的Rt与AC均呈现出一定的线性关系，AC随Rt的增大而减小。泥岩Rt值最小，小于35Ω·m，AC中等，为225～255 μs/m；凝灰岩Rt偏低，为15～55 Ω·m ，AC最大，为235～285 μs/m；凝灰质砂岩Rt分布范围较广，为35～105 Ω·m，AC值较小，小于235 μs/m；火山角砾岩AC值最小，小于220 μs/m，Rt较大，为30～110 Ω·m。

5 结 论

(1) 德惠断陷沙一段凝灰岩储层发育有晶屑凝灰岩、玻屑晶屑凝灰岩和凝灰质砂岩。矿物成分以石英和长石为主，并含有一定量的黏土矿物。

(2) 凝灰岩储层储集空间类型以次生孔隙为主，主要为长石溶蚀孔、铸模孔及黏土矿物中的孔隙。晶屑凝灰岩和玻屑晶屑凝灰岩储集性能较好，具中低孔、特低渗微细喉道的特征；凝灰质砂岩储集性能较差，具低孔、特低渗的特征。微小的喉道和以伊蒙混层为主的强水敏的黏土矿物对凝灰岩储层渗透率伤害极大。

(3) 由测井曲线岩性识别图版可知，凝灰岩储层以低的DEN、相对高的GR与AC和较低的Rt，区别于泥岩、凝灰质砂岩和火山角砾岩。

图5德惠断陷沙一段Rt-AC岩性识别图版

[1] 贾承造,郑民,张永峰.中国非常规油气资源与勘探开发前景[J].石油勘探与开发,2012,39(2):129-136.

[2] 张君峰,毕海滨,许浩,等.国外致密油勘探开发新进展及借鉴意义[J].石油学报,2015,36(2):127-137.

[3] 陈旋,李杰,梁浩,等.三塘湖盆地条湖组沉凝灰岩致密油藏成藏特征[J].新疆石油地质,2014,35(4):386-390.

[4] 邱欣卫,刘池洋,毛光周,等.鄂尔多斯盆地上三叠统延长组凝灰岩夹层Th元素的富集特征[J].地质通报,2010,29(8):1185-1191.

[5] 宫清顺,倪国辉,芦淑萍,等.准噶尔盆地乌尔禾油田凝灰质岩成因及储层特征[J].石油与天然气地质,2010, 31(4): 481-485.

[6] ATRI A D, PIERRE F D , LANZA R, et al. Distinguishing primary and resedimented vitric volcaniclastic layers in the Burdigalian carbonate shelf deposits in Monferrato (NW Italy) [J].Sedimentary Geology, 1999,129(2):143-163.

[7] HAALAND H J, FURNES H , MARTINSEN O J. Paleogene tuffaceous intervals, Grane field (Block 25/11), Norwegian North Sea: Their depositional, pertrographical, geochemical characters and regional implications[J].Marine and Petroleum Geology, 2000,17(1):101-118.

[8] DUNGGEN S, OLGUN N , CROOT P. The role of airborne volcanic ash for the surface ocean biogeochemical iron-cycle: A review[J]. Biogeosciences, 2010, 7(3): 827-844.

[9] 马剑,黄志龙,钟大康,等.三塘湖盆地马朗凹陷二叠系条湖组凝灰岩致密储集层形成与分布[J].石油勘探与开发,2016,43(5):714-722.

[10] 邱欣卫,刘池洋,李元昊,等.鄂尔多斯盆地延长组凝灰岩夹层展布特征及其地质意义[J].沉积学报,2009,27(6):1138-1146.

[11] 赵力彬,黄志龙,马玉杰,等.松辽盆地南部德惠断陷深层天然气地球化学特征及成因[J].天然气地球科学,2006(2):177-182.

[12] 王启,刘瑞,贾可心,等.德惠断陷含气储层特征及其控制因素[J].辽宁化工,2017,46(8):785-789.

[13] 单祥,季汉成,贾海波,等.德惠断陷下白垩统碎屑岩储层特征及控制因素分析[J].东北石油大学学报,2014,38(4):23-31.

[14] 李文涛.民丰洼陷深层天然气地球化学成因[J].油气地质与采收率,2009,16(2):36-38，113.

[15] 张大智,张晓东,杨步增.徐家围子断陷沙河子组致密气地质甜点综合评价[J].岩性油气藏,2015,27(5):98-103.

[16] 杨悦舒,刘洛夫,徐正建,等.松辽盆地南部德惠断陷下白垩统营城组碎屑岩储层成岩作用及成岩相[J].东北石油大学学报,2017,41(3):52-62.

[17] 马剑,黄志龙,刘再振,等.三塘湖盆地条湖组含沉积有机质凝灰岩致密储层特征[J].地学前缘,2015,22(6):185-196.

[18] 邹才能,朱如凯,白斌,等.中国油气储层中纳米孔首次发现及其科学价值[J].岩石学报,2011,27(6):1857-1864.

[19] 赵海玲,黄微,王成,等.火山岩中脱玻化孔及其对储层的贡献[J].石油与天然气地质,2009,30(1):47-52，58.

[20] 程岳宏,赵厚祥,于水,等.缅甸Shwebo次盆岛弧带储层特征与主控因素分析[J].特种油气藏,2016,23(1):72-75，154.

[21] 徐雄飞,文川江,李玉平,等.马朗凹陷条湖组凝灰岩致密储层特征及形成条件分析[J].岩性油气藏,2017,29(3):34-41.

[22] LOUCKS R G, REED R M , RUPPEL S C, et al. spectrum of poretypes and networks in mudrocks and descriptive classification for matrix-related mudrock pores[J]. AAPG Bulletin, 2012,96(6):1071-1098.