蜀南地区二叠系火成岩特征及储集性研究

2021-06-19江昱良秦启荣高瑞琪范存辉

特种油气藏 2021年2期

江昱良，秦启荣，2，高瑞琪，崔靖，耿超，范存辉

(1.西南石油大学，四川成都 610500；2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 610500；3.中国石油西南油气田分公司蜀南气矿，四川泸州 646000)

0 引言

有关火成岩的研究，前人多从岩性、岩相识别划分及各自展布规律等方面开展研究。迄今为止，针对火成岩岩性识别最有效的方法仍为测井识别方法：1982年以前，仅利用测井参数制作直方图与交会图；1982至1992年间，结合测井参数对火成岩骨架参数计算并运用于实际；1992年至今，成像、核磁等测井技术以及模糊数学、神经网络等方法的应用使火成岩研究达到一个新高度。关于火成岩岩相，前人多采用Rubinstein和Sruoga提出的爆发、喷溢、侵出和次火成岩四相的划分手段，其识别方法多以测井资料、钻井资料和地震资料为基础，采用测井连井对比、ECS元素俘获测井和FMI成像测井联合等手段进行岩相划分。在火成岩展布研究上，基本采用从地震资料入手，结合测井资料、钻井岩心、物性资料等对火成岩时空分布进行研究[1-3]。

火成岩储层特征研究多从储集空间类型、孔隙结构、孔渗关系等方面展开。由于火成岩的特殊性，火成岩储集空间较沉积岩储集空间更为复杂，其中一个重要体现就在次生储集空间上。火成岩储层储集空间微观结构分析研究的主要技术手段有毛管压力曲线法、铸体薄片法、扫描电镜法、CT扫描法、电阻率测井法、核磁共振测井法等[4-6]。

四川盆地自勘探开发以来，在常规油气、致密砂岩气和页岩气等方面均获得显著成果，但是在火成岩方面却鲜有油气产出。直到2018年，简阳地区YT1井火成岩段发现高产气流，日产气量约为 22.5×104m3/d，至此，四川盆地在火成岩油气勘探方面取得重大突破[7-8]。然而，与准噶尔、松辽等盆地的火成岩油气藏相比，四川盆地的二叠系火成岩具有规模有限、岩相单一及风化不充分等特征，火成岩整体勘探程度不高。由于探索间隔期较长，研究区岩心岩屑等实物资料保存较差，因此，对火成岩的研究造成一定困难。针对蜀南地区开展火成岩油气勘探工作，落实蜀南地区的火成岩分布，开展火成岩储层特征研究与分布预测，寻找并评价有利勘探区带，为深化四川盆地火成岩油气勘探提供技术支撑，对指导勘探、开发部署等具有十分重要的意义。

1 区域地质概况

蜀南地区构造上位于川西南低陡褶皱带及川南低陡褶皱带，包括威远、长宁及其以东的50余个地面及腹地构造(图1)。二叠系火山活动结束后，东吴运动使阳新统广泛抬升剥蚀，形成上下地层间假整合接触，泸州地区处于隆起中心地带，剥蚀最为严重，现今构造格局在喜山期强烈褶皱活动后基本定型[9-10]。依据峨眉山玄武岩大火成岩省分布规律，蜀南地区为四川盆地火成岩最发育地区，隶属于峨眉山玄武岩大火成岩省分布的中带地区，同属于中带地区的还有云南东部和四川的西南部。相比于四川盆地火成岩取得重大突破的成都—简阳地区，蜀南地区火成岩发育更厚、分布更广、潜力更大，更具勘探价值。

图1 研究区区域位置Fig.1 The regional location of the study area

2 蜀南地区火成岩岩性、岩相特征

通过对蜀南地区周边5条火成岩野外剖面实际踏勘，采集野外样品共365件；老井岩屑复查7口，岩屑样品复查244件，共计磨制薄片609张。结合测井、录井资料，将研究区火成岩岩性划分为玄武岩与凝灰岩2类。火成岩电性与上覆龙潭组泥页岩相比，GR值明显降低，电阻率Rt值明显增大；与下伏茅口组灰岩相比，GR值略高，电阻率Rt值略低(图2)。火成岩的岩相主要发育溢流相与爆发相，溢流相以熔岩岩浆冷凝形成的玄武岩为代表，可进一步划分为下、中、上、顶4个亚相；而爆发相主要包括以凝灰岩为代表的空落相和以角砾岩为代表的热碎屑流亚相，其中，凝灰岩在野外和井下岩屑中常见，凝灰质角砾岩在野外与井下样品中几乎不可见。

图2 G2井火成岩段综合柱状图Fig.2 The comprehensive histogram of the igneous rock section of Well G2

2.1 岩性划分及其特征

针对四川盆地火成岩岩性分类，前人已进行了初步的划分，主要为玄武岩、凝灰岩、凝灰质角砾岩等3种类型[11]。研究区野外与井下样品中目前暂未发现凝灰质角砾岩的存在，主要为玄武岩与凝灰岩。2种火成岩按照结构构造、相对含量以及溶蚀情况进一步划分为致密玄武岩、斑状玄武岩、气孔(杏仁)状玄武岩与正常凝灰岩、熔结凝灰岩、沉凝灰岩等6种亚类。

研究区玄武岩是基性岩浆喷发出地表之后经过冷凝、固结等一系列成岩作用形成的。在野外剖面中，玄武岩颜色常为灰绿色或者灰黑色，致密坚硬，敲击声音清脆，密度较大，常见到1～3期杏仁体存在，充填物主要为石英、方解石和绿泥石等，粒径一般为0.5～1.2 cm。野外测量玄武岩GR值较凝灰岩低，最高为121 API，最低为103 API，平均为105～115 API。玄武岩岩屑保存情况较好，棱角分明，含量明显高于凝灰岩岩屑。显微镜下玄武岩主要由细小板条状长石晶体搭成三角格架，格架中充填玻璃质、辉石以及不透明的钛铁氧化物，构成粒间隐质结构；部分薄片中可见明显的绿泥石化的长石斑晶和杏仁体；电性上表现为GR与AC值较低、中高Rt、较高CNL、高DEN等特征。为紧密结合生产实际，将研究区玄武岩划分为无斑无杏仁的致密玄武岩、斑状玄武岩和杏仁状玄武岩(图3a—c)。

图3 蜀南地区二叠系火成岩照片Fig.3 The photo of Permian igneous rocks in the southern Sichuan Basin

凝灰岩是在每一期火山爆发初期，火山灰等小于2 mm的颗粒物质经爆发气流冲击漂浮于空中，受风向的控制，经过一定时间的运移，最终降落并堆积，经埋藏、压实等作用形成。野外凝灰岩常见灰白色与灰绿色，在大气淡水作用下易被风化剥蚀，难以保存，因而野外少见保存完整的凝灰岩。凝灰岩GR值较高，最高为137 API，最低为104 API，平均为110～119 API。凝灰岩岩屑受风化、保存不当等原因破坏严重，可见蚀变作用明显。相比于玄武岩，凝灰岩GR与AC值相对偏高，Rt值为中低值。凝灰岩在显微镜下多呈现脱玻化的玻屑、火山尘与塑性岩屑3种成分。脱玻化作用发育，部分因富铁质浸染而显褐色—暗褐色，正交光下不透明。次生变化有绢云母化、绿泥石化、碳酸盐化等，可见不透明的铁质及有机质。研究区主要存在3种类型的凝灰岩：正常凝灰岩、熔结凝灰岩、沉凝灰岩(图3d—f)。

据统计，蜀南地区钻遇火成岩的井共计312口，分布在资阳、威远等22个构造上。通过摸排，火成岩段实施测井的井共有124口，钻遇玄武岩的井52口，具备岩屑实物的井18口。火成岩主要发育在上二叠统中下部地层中，整体厚度由南西向北东逐渐减薄，尖灭于荣县—宜宾—长宁一带；而北西至南东方向厚度较为稳定，其原因为受到峨眉山大火成岩省的控制，靠近地幔柱方向岩浆喷发量更大，火成岩越厚；反之越薄。玄武岩与火成岩整体厚度分布趋势相似，由南西向北东逐渐减薄，在犍为与高县2个区域递减速度加快，在威远区域有独立的玄武岩分布，在此区域存在单独的火山口。凝灰岩分布规律则有所不同，在犍为一带厚度最大，平均厚度大于30 m，最厚可达46 m，呈发散状向四周减薄(图4)。

图4 蜀南西部地区火成岩厚度Fig.4 The thickness of igneous rocks in the westernarea of the southern Sichuan Basin

2.2 岩相特征及识别

针对火成岩岩相，采用王璞珺的划分方案[12]，并根据研究区野外勘测与地震识别做出相应修改。2种手段皆可识别溢流相与爆发相，区别在于溢流相分布广泛，识别度较高；爆发相相对较少，而地震手段仅可识别出空落亚相和热碎屑流亚相，热基浪亚相少见于个别野外剖面之中。

研究区溢流相是基性的玄武质岩浆大面积喷发形成，在大套的溢流相中又可通过岩性划分不同的亚相，用以判断火山喷发期次。相比于王璞珺的划分方案，研究区溢流相增加了顶部亚相，由下至上岩性分别为含火山碎屑玄武岩类、致密玄武岩类、气孔杏仁状玄武岩类与含凝灰质玄武岩类(表1)。溢流相地震特征表现为反射结构简单，内部平行反射，顶、底为波峰反射，岩性边界楔状尖灭。上二叠统龙潭组底界至火成岩顶界时差为360～400 ms，玄武岩反射多为高速与低速2种，分别为5 000、5 500 m/s，厚度在南西方向最大约为200 m，逐渐向北东减薄至尖灭。

研究区爆发相野外主要见到空落亚相，以凝灰岩为代表；部分剖面可见碎屑物质，棱角分明，表明未经过搬运直接原地沉积(表1)。地震刻画蜀南地区爆发相有2类：一类局部透镜状增厚，内部岩性界面有反射，为空落亚相；另一类整体阶梯状增厚，内部杂乱，底部为断续强峰反射。熔结火山角砾岩反射速率为4 500 m/s，多分布于天宫堂北部地区，厚度可达50余米，为热碎屑流亚相。

表1 蜀南地区火成岩岩相划分Table 1 The lithofacies division of igneous rocks in the southern Sichuan Basin

2.3 喷发模式

在火山喷发初期，大量的火山碎屑物质喷出，其中，火山灰多漂浮于空中，而角砾则迅速降落于火山口附近，随后玄武质岩浆溢流而出，填充覆盖在角砾物质之上，基性岩浆在流动—静止—冷凝的过程中，由于黏度较小，基性岩浆中的气体成分易向上逃逸，形成下部存在的巨厚致密玄武岩以及上部气体未完全逃逸的气孔杏仁状玄武岩。后期火山灰物质降落在为凝结或已冷凝的岩浆之上，交接处形成易发生蚀变的含凝灰质玄武岩，其上为凝灰岩(图5)。

图5 火成岩喷发模式图Fig.5 The diagram of igneous rock eruption pattern

依据岩相划分规则和火成岩喷发模式，将研究区野外剖面火成岩爆发过程划分为3～5个期次。期次旋回基本由凝灰岩与玄武岩简单组合而成，以溢流相玄武岩为底，以爆发相凝灰岩为顶，初步划分大套岩相旋回。井下火成岩期次仅能依靠岩屑与测井曲线组合识别，构成简单的爆发相与溢流相组合，通常可识别3～5个旋回期次(图2)，与野外旋回有较好的对应关系。野外旋回在大套划分的基础上，可依据岩性差距进一步划分相内小旋回，溢流相中岩性由底至顶依次为含碎屑玄武岩、致密玄武岩、气孔杏仁状玄武岩与含凝灰质玄武岩；爆发相中含针状气孔凝灰岩存在于致密凝灰岩之上(表1)。

3 储层特征及分布

四川盆地现已发现的火成岩储层共有3种类型，第1类为溢流相玄武岩孔隙-裂缝型储层，以ZG1井为代表；第2类为喷溢相火山碎屑岩储层，主要为角砾溶蚀形成，以YT1井为代表[13]；第3类为爆发相储层，以YS1井为代表。研究区除火山碎屑岩类储层目前尚未发现，其余2类储层均有较多发现。

3.1 储集空间类型及特征

通过薄片观察，研究区储集空间主要包括孔隙与裂缝2种类型。孔隙主要包括原生孔、溶蚀孔和残余孔3类；裂缝主要分为成岩缝、溶蚀缝和冷凝收缩缝3类(图6)。

原生孔隙是玄武熔岩流在固结时，因其内部二氧化硫、二氧化碳等气体未及时逃逸出，直接冷凝包含在玄武岩中形成的，其含量较多，但由于研究区孔隙容易遭受后期方解石、石英、绿泥石、绿帘石和磁铁矿等填充，保留较差，故而含量减少，少有保存(图6a)。溶蚀孔与残余孔是受到后期液体作用改造形成的孔隙，液体分别起到孔隙建设与破坏作用(图6b、c)。

相比于孔隙空间，裂缝具有空间更大，数量更多，作用更广等特点。其中，构造缝是已经形成的岩浆岩在后期的构造作用下形成的裂缝，其主要特征是切穿斑晶与杏仁体等前期结构与构造等(图6d)。溶蚀裂缝是后期热液或者腐蚀性液体溶蚀已经存在的裂缝或者脉体成分，对其改造形成的，主要特征为裂缝周围溶蚀现象(图6e)。冷凝收缩缝是岩浆在快速冷凝时，由液态转换为固态造成体积减小析出的裂缝空间(图6f)。

图6 蜀南地区火成岩储层空间类型Fig.6 The photos of reservoir space types of igneous rocks in the southern Sichuan Basin

根据不同地区野外样品的物性测试结果，玄武岩孔隙度为1.82%～5.59%，平均为4.72%；渗透率为0.012 8～0.023 7 mD，平均为0.019 0 mD。凝灰岩野外样品风化程度较高，孔隙度最高可达19.03%，渗透率最高可达0.129 0 mD。研究区火成岩总体孔隙度与渗透率均较低，属于低孔低渗型致密储层。因此，常规手段对研究区火成岩油气藏寻找与研究有一定限制，而应将裂缝的研究提升至首位。

3.2 蜀南地区储层类型及特征

蜀南地区火成岩储层主要为溢流相玄武岩储层与空落相凝灰岩储层2种类型。在火成岩段已有油气水显示的井14口。油气水显示的情况在凝灰岩、玄武岩以及交汇界面各占一定比例，这直接证明研究区井下储层的存在。

玄武岩储层为三类储层，主要分布于裂缝发育区，与非储层段玄武岩相比，储层段有GR、AC与CNL值升高，Rt与RXO值相应降低的特点。如WS1井储层段玄武岩呈深灰和灰绿色，部分玄武岩层段见方解石细脉及气孔构造，裂缝发育，少见它形晶方解石晶粒，偶见它形晶石英，整个玄武岩段共计6层137 m。凝灰岩中孔隙含量相对较少，主要为溶蚀孔隙与针状孔隙，分布于空落亚相上部。凝灰岩储层为二类储层，整体呈现总体厚度小、不稳定、易被溶蚀及改造等特点。如GS1井共有2套凝灰岩，电性表现为较低GR、SP偏负、中高AC、高CNL、中低Rt，测井解释为产层段。综合岩屑、测井以及野外物性资料，凝灰岩储层更优于玄武岩储层，而凝灰岩中熔结凝灰岩更占优势，为一类储层，其形成靠近火山口，可见假流纹构造，测井上具有较低GR、较高AC、中低Rt与CAL偏高的特征(图7)。

图7 蜀南地区火成岩有利储层发育区Fig.7 The favorable reservoir development area ofigneous rocks in the southern Sichuan Basin

针对储层研究结果，结合烃源岩、盖层等要素，优选Y210井作为测试井，结果显示有间歇性低产气流输出，疑似凝灰岩溶蚀产物堵塞喉道，导致天然气不能迅速产出。

3.3 火成岩储层主控因素

与松辽、渤海湾、准噶尔等盆地发现的工业性火成岩油气藏相比，研究区火成岩储层控制因素更具多样性。东部盆地火成岩沿断裂呈条带状分布，储层的主要控制因素为构造断裂，为构造-岩性油气藏；西部地区因多次的地层抬升运动形成大量的风化壳，为整装地层型储层[13-18]。而研究区火成岩受到峨眉山大火成岩省的控制，其控制影响因素以岩性、岩相、构造作用以及流体活动为主，风化壳影响较小。

(1) 火成岩的岩性、岩相决定了其基本孔隙类型与储集性能，是后期储集空间演化的重要基础。峨眉山大火成岩省控制着基性岩浆持续喷发，时间较长，使得玄武岩岩浆经历长期的高温，在缓慢冷却的过程中会造成大量气体向上逃逸，在旋回顶部形成较为富集的孔隙，但孤立存在；溢流相中部至下部受到底部的低温地层影响形成网状的收缩缝(表1)。

(2) 构造运动对裂缝的发育起到充分的强化作用，从而改善了储层物性。虽然在火成岩形成的过程中已经存在部分的孔隙与裂缝，但是彼此之间并不连通，且因为基性岩浆黏度小，冷却时间过长，大量气体逃逸，导致研究区原生孔隙相对较少。在此基础上，研究区东吴运动与华南运动分别形成NW—SE和NE—SW大型断裂，伴生形成了大量的构造裂缝，不仅可以直接作为储集空间，还可作为闭塞的原生孔隙空间的连通通道和后续流体进入的溶蚀通道存在。

(3) 流体活动控制次生孔隙的演化，对储层起到正反两方面影响。深部热液与有机酸等流体沿着构造作用产生的裂缝进入孔隙空间之中，当其中携带的矿物质发生沉积时，堵塞储集空间，此时为破坏作用。当流体对原有的孔隙空间、裂缝充填物以及杏仁体充填物产生溶蚀，形成溶蚀孔时，此时为建设作用。

此外，喷发环境对储层的形成也有一定的影响。如研究区部分火成岩可见淬碎等明显水下深海喷发现象，指示岩浆外覆压力极高，阻止气体的流出，使得富含杏仁体的孔隙空间存在，而岩浆与海水的快速结合形成特殊的储集空间——炸裂缝。