火成岩风化壳储集层特征与油气产能关系研究：以准噶尔盆地红山嘴石炭系油藏为例

陈 俊，王 剑，雷海艳，马 聪，孟 颖，齐 婧

(1.中国石油新疆油田分公司实验检测研究院,新疆 克拉玛依 834000；2.新疆砾岩油藏实验室,新疆 克拉玛依 834000)

0 引 言

火成岩油气藏是一种重要的油气资源类型，目前全世界发现火成岩油气藏多达170余个[1-2]。1957年，国内在准噶尔盆地西北缘首次发现火成岩油藏——克拉玛依油田，目前已在松辽、渤海湾等11个含油气盆地发现了火成岩油气藏[3]。受有利的构造位置和强烈的建设性成岩作用共同影响，准噶尔盆地西北缘火成岩油气藏分布广，勘探潜力大，在克百断裂带、中拐凸起、车排子凸起及红山嘴地区均取得了较好的勘探成果[4-9]。长期以来，国内外学者普遍认为受岩性、岩相控制的原生型火成岩是最重要的储集层，原生型油气藏具有巨大油气勘探价值[10-12]，但前人研究新疆北部石炭系火成岩油藏中发现了风化壳型火成岩储层，与原生型火成岩储层相比，其更容易形成有利储集层，这一认识推动了风化壳型火成岩油气藏的勘探[13-14]。

2015年，通过开展石炭系构造精细解释，在红山嘴地区发现圈闭10个，圈闭均位于油源断裂附近，位置有利，预计探明储量1 500万t，具有广阔的勘探前景。前人研究[15]认为红山嘴石炭系油气层主要发育在距顶部不整合面300 m范围内，属于典型的风化壳型油藏，岩性岩相发育类型复杂。国内学者对该区火成岩岩性岩相识别、油气藏特征开展过大量研究，基本明确了储层主要发育岩性和储集空间类型[16-19]，如潘建国等[16]指出构造条件、岩相特征、裂缝发育程度和保存条件是红车断裂带火成岩油气藏油气成藏的4个关键因素。李亮等[17]认为红山嘴油田火成岩储层储集空间为裂缝和次生孔隙，裂缝对储层的形成和发育起着决定性作用，孔隙结构组合为单一裂缝及裂缝和次生孔隙组合的双重孔隙结构。苏培东等[18]认为裂缝可分为构造缝和非构造缝，超过一半的裂缝被方解石、硬石膏、沸石、硅质等自生矿物充填，裂缝以北东向为主，裂缝发育程度与构造高点、断层发育区及岩性、埋深相关。张家政等[19]将红山嘴油田火成岩裂缝储层按照成因和产状进行分类，并依据不同岩性、距石炭系顶面距离等划分出裂缝发育的优势区。但对红山嘴地区风化壳火成岩储层缺乏系统研究，风化壳对产能的控制作用认识不清，导致该区不同区块石炭系油藏勘探效果差异大的原因不明。本文结合宏微观岩矿分析、地球物理、地球化学等多种实验分析技术，综合研究红山嘴地区风化壳储层发育特征及控制因素，探讨红山嘴油藏风化壳结构及储集空间特征与油气产能之间的关系，为风化壳型火成岩油气藏勘探提供理论依据。

1 区域地质背景

1.1 位 置

红山嘴油田位于准噶尔盆地西北缘红车断裂带北部及中拐地区西部部分地区(图1)，区域构造处于盆地西北缘克-乌断裂带与车排子隆起所夹持的二级构造带上，是一个被众多断裂切割的复杂断块群，含油层系为石炭系—侏罗系，其中石炭系油藏为火成岩油藏[19]。

1.2 构造地层特征

1.2.1 构造特征

红山嘴地区所处的红车断裂带位于克—乌逆掩断裂带西南部，与中部的克—乌断裂带和东北部的乌—夏断裂带相互衔接形成一系列弧形断裂，在华力西、印支、燕山、喜马拉雅等地质时期经历了多期构造变形叠加和改造。由于受到多方向应力场的影响，红山嘴地区断裂极为发育，整体上呈现西高东低的断阶式构造，主断裂呈北北东向，后期被南北向的应力扭转形成断块构造格局。红山嘴地区石炭系顶面发育多条大断层，这些断层控制了工区内二级构造带的展布方向，同时也形成了整体由西向东，由南向北节节下降的构造格局。

1.2.2 地层沉积特征

红山嘴地区发育石炭系(C)、二叠系夏子街组(P2x)、上乌尔禾组(P3w)、三叠系下克拉玛依组(T2k1)、上克拉玛依组(T2k2)、白碱滩组(T3b)、侏罗系八道湾组(J1b)、三工河组(J1s)、西山窑组(J2x)、头屯河组(J2t)、齐古组(J3q)和白垩系吐谷鲁组(K1tg)，石炭系基底未钻穿。火成岩主要发育在石炭系，区内石炭系埋深500～2 487 m，目前钻遇厚度为1 400.5 m，地层岩性为灰色、绿灰色安山岩夹灰色凝灰质砂砾岩、粉砂岩，褐灰色、灰色火山碎屑岩，灰色、深灰色沉凝灰岩，局部发育有绿灰色辉绿岩、玄武岩及少量泥岩。由于石炭纪末期的构造抬升作用，地层整体遭受强烈的风化剥蚀和淋滤改造，形成了厚度不一的风化壳。

2 火成岩储层岩石学特征

2.1 岩性岩相及地球化学特征

岩性观察和显微镜下鉴定结果显示:红山嘴地区发育侵入岩、次火山岩、火山熔岩、火山碎屑熔岩、火山碎屑岩和沉火山碎屑岩6大类火成岩，以火山熔岩和火山碎屑岩为主，其中火山熔岩以安山岩为主，火山碎屑岩以凝灰岩为主(表1)。岩相以爆发相、喷溢相、次火山相、侵出相和火山-沉积相5种为主(表2)。区内火成岩岩相横向变化大，由东向西表现为爆发相增多、喷溢相减少的特点[20]。

表1 红山嘴地区石炭系火成岩分类表

Condie[21]按照板块构造模式将火成岩的形成环境划分为板块边缘和板块内部两大类，并进一步细分为聚敛边缘、离散边缘、边缘盆地、大洋盆地、裂谷系、克拉通和碰撞带等不同的构造环境和相应的火成岩岩石构造组合。全碱-SiO2(TAS)和AFM图解显示，红山嘴地区火成岩以钙碱性系列发育为主，反映该区大地构造环境与板块边缘的聚敛环境类似(图2)。

根据中基性火成岩微量元素分析结果，构造环境判别图解显示，红山嘴地区火成岩主要趋于板内玄武岩的特征，由此判断研究区的构造环境可能是处于兼有两种类型玄武岩特征的某种特定过渡构造环境中(图3)。

表2 红山嘴地区石炭系火成岩岩相划分表

2.2 储集空间特征

2.2.1 储集空间类型

红山嘴地区火成岩储集空间类型多、孔隙结构复杂、构造裂缝发育，可以分为孔隙和裂缝两大类包括15小类储集空间。

(1)孔隙发育特征 包括原生气孔、半充填气孔、晶间孔和粒间孔4类原生孔隙以及斑晶溶孔、杏仁体溶蚀孔和基质溶孔3类次生溶孔。原生孔隙大多呈孤立状，彼此不连通，部分后期被各种矿物不同程度地充填，这类孔隙主要发育在喷溢相上部亚相的熔岩中(图4(a))。次生溶孔是本区火成岩储层中最为常见的孔隙，各类火成岩受风化淋滤改造均可形成次生溶蚀孔，是火成岩最主要的次生储集空间(图4(b))。

(2)裂缝发育特征 包括原生的冷凝收缩缝、直劈缝、高角度缝、低角度缝、水平缝、网状缝和微裂缝6种构造缝以及次生的溶蚀缝。原生的冷凝收缩缝是岩浆冷凝、结晶过程中形成的裂缝，裂缝均呈开张式，但裂开规模不大，裂开部分只呈拉开而不错动，缝宽0.01～0.05 mm(图4(c))。构造缝是火成岩受构造应力后形成的一系列裂隙，按照产状划分为直劈缝(75°～90°)、高角度缝(45°～75°)、低角度缝(15°～45°)、水平缝(0°～15°)、微裂缝以及网状缝。直劈缝和高角度缝多见油斑油迹，低角度缝多被充填，水平缝和网状缝基本全被充填(图4(d))，微裂缝多伴生在其他构造缝两侧(图4(e))，其中伴生在直劈缝和高角度缝的微裂缝可见油气显示。次生构造溶蚀缝是在岩浆固结成岩后，受后期构造运动、风化淋滤等作用影响形成的一系列裂缝，部分构造缝被充填后成为无效裂缝，但经受后期热液作用改造发生溶蚀—溶解作用后可再次形成有效裂缝——构造溶蚀缝(图4(f))。构造溶蚀缝往往连接已有的储集空间，是深层油气运移的重要通道。

2.2.2 孔隙和裂缝有效性评价

(1)孔隙有效性 红山嘴地区火成岩储层孔隙发育类型多样，孔隙类型的差异及分布直接决定着储层质量的好坏。通过对不同岩性的孔隙类型进行统计比较发现，火山熔岩原生气孔大量发育且半充填气孔发育比例比较高；而火山碎屑岩主要发育粒间孔和基质溶孔。以火山熔岩发育为主的上部亚相是原生气孔分布最有利的范围，而溶蚀孔分布有利区受淋滤溶蚀作用强度的控制。

(2)裂缝有效性 裂缝有效性决定着油气分布规律和油藏类型的确定。而裂缝有效性受裂缝产状、裂缝密度以及充填情况的多因素控制。

通过对研究区不同产状裂缝的物性数据分析显示，直劈缝的有效孔隙度在2.5%～19.4%之间，平均15.4%，渗透率在6.5×10-3～945.4×10-3μm2之间，平均665.7×10-3μm2；高角度缝有效孔隙度在1.5%～12.5%之间，平均8.5%，渗透率在0.9×10-3～124.2×10-3μm2之间，平均65.3×10-3μm2；低角度缝的有效孔隙度在0.2%～9.5%之间，平均6.7%，渗透率在0.1×10-3～5.8×10-3μm2之间，平均2.4×10-3μm2；网状缝的有效孔隙度在0.1%～7.4%之间，平均3.8%，渗透率在0.03×10-3～1.7×10-3μm2之间，平均0.54×10-3μm2；水平缝的有效孔隙度在0.1%～2.2%之间，平均1.2%，渗透率在0.004×10-3～0.86×10-3μm2之间，平均0.31×10-3μm2(图5)。直劈缝和高角度缝对储层物性贡献明显，其次为低角度缝和网状缝。依据研究区裂缝产状和裂缝密度特征，划分裂缝级次：I级裂缝主要发育直劈缝，且裂缝密度大于20 条/m，有效裂缝最发育，多为半充填缝；Ⅱ级裂缝以高角度裂缝为主，每米岩心裂缝数为12～20 条之间，多为半充填的有效裂缝,可见油斑-油迹；Ⅲ级裂缝以低角度裂缝为主，裂缝密度为5～12 条/m，多为半充填缝-全充填的非有效缝，部分裂缝可见油迹或未见油；Ⅳ级以水平裂缝为主，且每米岩心裂缝数小于5 条，多为全充填的非有效缝，未见油。

2.2.3 储集空间组合特征

根据不同储集空间类型的组合特征可将红山嘴地区火成岩储集空间组合划分为4类(表3)。其中，Ⅰ类为原生气孔—溶蚀孔—I级裂缝型：其特征主要表现为原生储集空间与溶蚀孔缝同时发育，后被I级裂缝改造，发育原生气孔、晶间孔、溶蚀孔、收缩缝、直劈缝、溶蚀缝及微裂缝等多种类型储集空间，该类储集空间组合物性最好，平均孔隙度达7.7%。Ⅱ类为溶蚀孔—I/Ⅱ级裂缝型：其特征主要表现为溶蚀孔缝被Ⅰ或Ⅱ级裂缝改造，主要发育溶蚀孔、直劈缝、溶蚀缝和微裂缝，该类储集空间组合物性较好, 平均孔隙度达6.2%；Ⅲ类为Ⅲ级裂缝型：由Ⅲ级裂缝改造形成的储集空间，主要发育低角度缝、网状缝，物性相对较差，该类储集空间组合平均孔隙度为3.4%；Ⅳ类为Ⅳ级裂缝型：由Ⅳ级裂缝改造形成的储集空间，发育少量水平缝和网状缝，物性最差，平均孔隙度2.0%。

表3 红山嘴地区石炭系火成岩储集空间组合分类表

3 红山嘴地区火成岩风化壳储层结构特征

侯连华等[22-23]通过对取心资料的分析研究，提出新疆北部石炭系火成岩具有土壤层、水解带、淋蚀带、崩解I带、崩解Ⅱ带和母岩带6层风化壳结构模型。红山嘴地区风化壳储层按照风化作用强弱，自上而下分为水解带、淋蚀带、崩解I带、崩解Ⅱ带和母岩五个分带(图6)。

3.1 岩心及薄片特征

红山嘴地区风化壳顶部水解带是火成岩强蚀变后的产物，以火成岩细小颗粒和泥岩为主。岩心大部分变色，只有局部岩块保持原有颜色，岩石的组构结构大部分已破坏，多被风化分解碎裂成泥土，储集性能差。淋蚀带以风化淋滤、构造碎屑和热液蚀变作用为主，是火成岩较强蚀变后的产物，以火成岩碎块为主，次生孔隙和裂缝发育。岩石或裂缝面大部分变色，但断口仍保持新鲜岩石色泽，风化裂缝发育。崩解带填充溶蚀作用明显，是火成岩中等蚀变的产物，以较大火成岩碎块为主,次生孔隙和裂缝较发育,但裂缝和气孔常被充填或半充填，岩石或裂缝面有轻微褪色，岩石组构无变化，大部分裂隙闭合或为硅质充填，仅沿大裂缝有风化蚀变现象。崩解带根据物性可以分为I和Ⅱ带。崩解I带岩石半破碎，溶蚀孔和裂缝较发育，被半充填；崩解Ⅱ带岩石半破碎，以发育裂缝为主，偶见少量溶蚀孔发育，多被充填或半充填。

3.2 钻测井特征

火成岩风化程度与风化壳结构密切相关，不同结构层储集层物性差别很大，准确评价火成岩风化程度可为划分和评价风化壳结构提供依据。基于对取心井样品及测井资料的研究，可以利用测井资料对风化壳结构进行划分，建立风化指数模型(Fi)[23]:

(1)

式中：GRb,GR,GRmin,GRmax为未风化火成岩自然伽马、处理井段火山岩自然伽马、处理井段火成岩最小自然伽马、处理井段火成岩最大自然伽马，API；Rd,Rdmin,Rdmax为处理井段火成岩深侧向电阻率、处理井段火成岩深侧向电阻率最小值、处理井段火成岩深侧向电阻率最大值，Ω·m；Ci,Cimin,Cimax为储集层变化指数、储集层变化指数最小值、储集层变化指数最大值；Pi,Pimin,Pimax为孔隙度变化指数、孔隙度变化指数最小值、孔隙度变化指数最大值。

通过测井数据统计计算，红山嘴地区火成岩储层从母岩到水解带，风化指数模型Fi逐渐变小，整体表现为水解带Fi<0；淋蚀带0≤Fi<1.5；崩解Ⅰ带1.5≤Fi<2.5；崩解Ⅱ带2.5≤Fi<4。由此可根据Fi值定性判断划分风化壳结构。

3.3 元素特征

根据地球化学分析结果，计算不同结构层中的Fe2O3、Al2O3、TiO2、MgO、CaO、NaO2等主量元素的含量，按照K=[a(Fe2O3)+b(Al2O3)+c(TiO2)]/[d(MgO)+e(CaO)+f(NaO2)][24]进行分析计算(其中a、b、c、d、e、f是指样品中相应的氧化物的百分含量)，所得结果K代表各风化壳分带之间的分配标准。利用K可以表征风化程度并划分不同结构层，水解带7

依据岩石风化指数CIA=Al2O3/(Al2O3+NaO2+K2O+CaO)×100%对岩石风化程度进行判定[25]。当CIA≤50%，说明岩石未风化，当50%≤CIA<100%，说明岩石风化严重，当CIA>100%，说明岩石彻底风化。红山嘴地区火成岩的CIA值大多介于50%至100%，说明该区火成岩风化淋蚀严重。对比凝灰岩和安山岩的CIA指数发现，不同岩性风化淋蚀程度存在明显差异，凝灰岩相对于熔岩类更容易接受风化淋蚀(图7(b))，因此凝灰岩相对熔岩类更易形成次生溶蚀孔。

4 红山嘴地区火成岩风化壳储层的控制因素

红山嘴地区在晚石炭世和早二叠世广泛发育火成岩。各个地层间发育多个不整合面，这些不整合面长期暴露地表，遭受风化淋滤溶蚀，形成风化壳。根据石炭系火成岩储层孔隙度与距石炭系顶部深度关系显示，孔隙度较大的样品主要分布于风化壳附近或距风化壳较近处，孔隙度大于8%的样品主要分布于距石炭系顶面200 m以内，孔隙度在3%～8%的样品主要分布于距石炭系顶面200～400 m以内。表明了风化壳对储层具有较大的改造作用。

4.1 古地貌的影响

风化淋蚀形成岩溶古地貌，不同古地貌风化壳结构存在差异，淋蚀程度不同，横向对比性差[26-27]。红山嘴地区单井储盖层发育特征与风化壳结构划分研究结果表明，该区岩溶古地貌主要发育岩溶高地、岩溶斜坡和岩溶洼地，全区西部地貌较高，向东过渡到洼地，东部局部区域出现斜坡区。古地貌与风化壳厚度没有直接关系，但它控制着风化壳内部结构的配比。古地貌洼地地区风化水解带发育，古地貌斜坡区淋蚀带厚，原生孔隙被风化淋滤缝连通，物性较好，古地貌高地淋蚀带和崩解带均较为发育，孔隙和裂缝常被充填或半充填，物性变差，而母岩的分布受古地貌影响很小(图8)。研究区东部古地貌斜坡区淋蚀带发育，是储层物性高值发育区。

4.2 风化壳纵向结构影响

在相同表生环境下，由于岩石强度、脆性及可溶性矿物等的差异，形成的风化壳储集性能差别较大[28]。风化淋蚀时间差异造成风化壳储层物性不同，未风化时，只有火山角砾岩能形成有效储层，其他火成岩为非有效储层。弱风化时，火山角砾岩、安山岩和玄武岩均能形成有效储层，而凝灰岩不能形成有效储层。强风化时，不同火成岩均能形成有效储层，且各类火成岩孔渗均好于同时代、同岩性的原生型火成岩。

红山嘴地区风化壳顶部水解带通常风化程度非常强，多被分解碎裂成泥土，岩性致密，物性差，可以作为盖层，有效封存储集层内的油气，对产能建设有积极贡献；淋蚀带和崩解I带是风化淋蚀改造较好区，储层物性最好。

5 红山嘴地区火成岩风化壳结构对产能的控制作用

根据现场单井产量情况、单井改造与否及单井稳产性能将试产井划分为高产井、改造高产井、快速衰减井和低产井4类，针对4类井所处的构造位置、产油储层岩性岩相特征、储集空间组合及风化壳发育特征研究发现，不同油气产能与火山岩风化壳储层特征及储集空间组合具有很好的对应关系(表4)，高产井主要位于古地貌斜坡区，风化溶蚀作用强，油气产在淋蚀带；改造高产井经压裂改造能获得高产油流，主要位于古地貌斜坡区，风化溶蚀作用强，油气产在淋蚀带；快速衰减井主要位于古地貌低洼带，风化溶蚀作用较差，油气产在淋蚀带和崩解I带；低产井主要位于古地貌高地，风化溶蚀改造后孔隙和裂缝被充填，油气主要产在崩解I带。将此规律应用到缺少岩心、薄片、地球物理资料的井中，可以进行产能情况预测，对提高探井成功率，指导风化壳型火成岩油藏勘探评价具有重要指导意义。

5.1 高产井

高产井以H019井为例，该井试油日产量总体在10 t以上，且一直维持高产，最高日产油达77.2 t(图9)。该井位于古地貌斜坡区，产油段储层类型为裂缝-孔隙型储层，储层主要发育火山角砾岩和凝灰岩，岩相为爆发相空落亚相，发育原生气孔、晶间孔、溶蚀孔、直劈缝、高角度缝、溶蚀缝等多种类型储集空间，储集空间组合为Ⅰ类(原生气孔—溶蚀孔—I级裂缝型)。经风化淋蚀改造后，孔隙发育更好，晚期裂缝沟通孔隙，地层流体顺裂缝对孔隙进行改造，油气主要产在淋蚀带(图10(a))。

5.2 改造高产井

改造高产井以H053井为例，该井经压裂改造后试油日产量可达到10 t以上，最高日产油达32.49 t(图9)。该井位于古地貌斜坡区，产油段储层类型为裂缝-孔隙型储层，储层主要发育玄武岩，岩相为喷溢相下部亚相，原生气孔发育少，主要发育溶蚀孔、直劈缝、高角度缝、溶蚀缝等储集空间类型，储集空间组合为Ⅱ类(溶蚀孔—I/Ⅱ级裂缝型)。经风化淋蚀改造后，孔隙发育较好，晚期裂缝沟通孔隙，油气主要产在淋蚀带(图10(b))。

5.3 快速衰减井

快速衰减井以H44井为例，该井前期日产油量可达10 t以上，但随着开采时间产油量快速下降(图9)。该井位于古地貌低洼带，产油段储层类型为裂缝型储层，储层主要发育沉凝灰岩，岩相为火山沉积相，原生气孔不发育，风化淋蚀作用较差，晚期发育少量裂缝，储集空间组合为Ⅲ类(Ⅲ级裂缝型)。地层流体顺裂缝对储层进行改造，油气产在淋蚀带和崩解I带(图10(c))。

5.4 低产井

研究区低产井以HS5井为例，该井日产量基本维持在3 t以下(图9)。该井位于古地貌高地，产油段储层类型为裂缝型储层。储层主要发育凝灰岩、沉凝灰岩及凝灰质砂岩，岩相为火山沉积相，原生气孔不发育，风化淋蚀改造后孔隙和裂缝多被充填，晚期发育少量裂缝，储集空间组合为Ⅳ类(Ⅳ级裂缝型)。油气主要产在崩解I带(图10(d))。

6 结 论

(1)准噶尔盆地红山嘴油田石炭系发育侵入岩、次火山岩、火山熔岩、火山碎屑熔岩和沉火山碎屑岩六大类火成岩，形成的构造环境与板块边缘聚敛环境类似，发育原生气孔—溶蚀孔—Ⅰ级裂缝型、溶蚀孔—Ⅰ/Ⅱ级裂缝型、Ⅲ级裂缝型和Ⅳ级裂缝型四类储集空间组合，Ⅰ—Ⅳ类储层物性依次变差。

(2)红山嘴火成岩风化壳储层自上而下发育水解带、淋蚀带、崩解Ⅰ带、崩解Ⅱ带、母岩带5个分带，火成岩风化淋滤作用十分强烈，且不同岩性风化淋蚀程度存在明显差异，凝灰岩相对熔岩类更容易接受风化淋蚀。

(3)红山嘴地区横向上发育岩溶高地、岩溶斜坡和岩溶洼地3种岩溶古地貌，不同岩溶古地貌控制着风化壳内部结构的配比。古地貌洼地水解带发育，斜坡区淋蚀带厚度大，高地淋蚀带和崩解带均较为发育，母岩带分布受古地貌影响小。纵向上水解带风化强多被分解形成泥岩盖层，对油气成藏具有重要的封堵作用，而淋蚀带和崩解I带是风化淋蚀改造区，物性最好。

(4)红山嘴地区火成岩油藏不同油气产能与风化壳结构具有很好的对应关系，高产井和改造高产井均位于古地貌斜坡区，风化溶蚀作用强，油气产在淋蚀带。快速衰减井主要位于古地貌低洼带，风化溶蚀作用较差，油气产在淋蚀带和崩解I带；低产井主要位于古地貌高地，风化溶蚀改造后孔隙和裂缝多被充填，油气主要产在崩解I带。