徐家围子断陷火山岩储层孔隙演化.pdf

2014 年 4 月 第 33 卷第 2 期 大庆石油地质与开发 Petroleum Geology and Oilfield Development in Daqing Apr． , 2014 Vol． 33 No． 2 收稿日期 2013-10-13 改回日期 2013-12-18 基金项目 国家重点基础研究计划 “973” 项目 2009CB219307。 作者简介 王 成, 男, 1963 年生, 高级工程师, 从事储层评价研究。 E-mailwangcheng2 petrochina． com． cn DOI 10． 3969/ J． ISSN． 1000-3754． 2014． 02． 001 徐家围子断陷火山岩储层孔隙演化 王 成 大庆油田有限责任公司勘探开发研究院, 黑龙江 大庆 163712 摘要 火山岩是松辽盆地深层最重要的储层。 通过分析岩石薄片、 铸体图像、 激光共聚焦等研究了火山岩层储 集性能的影响因素及矿物形成、 溶蚀的相对顺序。 研究表明 火山岩中存在大量微孔, 是火山玻璃脱玻化与溶 蚀共同作用的结果; 微孔隙不仅大大增加了有效储集空间, 还增加了大孔隙的连通性, 使火山岩储层形成了大孔 微孔组合, 打破了火山岩孔隙组合为孔-缝组合的传统观念; 火山岩从喷发到成为有效储层经历了原生孔隙 主要为气孔、 脱玻化孔、 孔隙稳定、 气孔充填、 形成溶孔、 天然气充注等演化阶段。 关键词 火山岩; 微孔隙; 孔隙演化; 演化序列; 松辽盆地 中图分类号TE121 文献标识码A 文章编号1000-3754 2014 02-0001-05 PORE EVOLUTION OF THE VOLCANIC RESERVOIRS IN XUJIAWEIZI FAULT DEPRESSION WANG Cheng Exploration and Development Research Institute of Daqing Oilfield Company Ltd． , Daqing 163712, China Abstract Volcanic rocks are the most important deep reservoirs in Songliao Basin. By means of analyses of the rock thin sections, cast imaging, laser con-focusing and so on, the factors influencing the accumulating properties, compositions of the minerals and dissolved order for the volcanic rocks are researched. The researches show that there are a large amount of micropores in the volcanic rocksthe results from the mutual actions between the devit- rification and dissolution of the volcanic glass. The micropores not only enlarge and expand the effective accumula- ting spaces, but also enhance the connectivity among the larger pores, so that the large-micro pores combination are constructed for the volcanic reservoirs and the conventional idea of pore-fracture combination of the reservoirs is bro- ken through. The studies prove that the evolutional stages from eruption to effective reservoir for the volcanic rocks are summarized as follows primary pore ation mainly gas pore, devitrified pore ation, stablized pores, pore infill and dissolution, natural gas injection and so forth. Key words volcanic rock; micropore; pore evolution; evolution sequence; Songliao Basin 徐家围子断陷位于松辽盆地北部古中央隆起带 以东地区, 面积约 5 300 km2, 是松辽盆地深层天 然气和深源无机 CO2气藏的主要勘探区, 营城组 火山岩是该区深层天然气最主要的储层。 近年来, 对该区火山岩的研究主要集中在储层特征、 岩相与 储层的关系、 孔隙空间类型、 储层控制因素等方 面[1-9], 而对火山岩储层孔隙空间的演化过程研究 不足。 因此, 通过深层微观特征研究准确识别出不 同的类型孔隙, 通过火山岩储层的岩性、 物性、 孔 隙成因及其相互关系了解了火山岩储层的物性控制 因素及储集空间特征。 1 火山岩储层的基本特征 1． 1 储集岩的岩石类型 松辽盆地北部徐家围子断陷深层火山岩主要分 布在营城组, 岩石类型有 30 余种[10-12], 其中包括 熔岩和火山碎屑岩两大类 熔岩有流纹岩、 珍珠 岩、 英安岩、 安山岩、 粗安岩、 粗面岩、 玄武安山 岩、 安山玄武岩、 玄武岩; 火山碎屑岩有凝灰岩、 熔结凝灰岩、 火山角砾岩、 火山集块岩、 火山碎屑 熔岩、 沉火山碎屑岩、 火山碎屑沉积岩等。 在平面 上, 营城组火山岩的分布具有一定的规律性, 岩性 从北向南由中基性向酸性过渡, 构成火山岩储层的 岩石类型主要包括流纹岩、 凝灰岩、 熔结凝灰岩、 火山角砾岩、 玄武岩、 安山岩等。 1． 2 火山岩储层的次生矿物特征 火山岩次生矿物是指在岩浆基本凝固成固相岩 石后受到残余挥发组分和岩浆期后流体作用 蚀 变、 交代及沉淀 而生成的矿物, 往往交代原生 矿物或充填在矿物的孔隙、 晶洞中。 火山岩形成 后, 物质的带入和带出表现在 2 个方面 一是矿物 的形成和消失, 例如研究区火山岩的钠长石化、 钠 铁闪石化、 硅化、 绿泥石化以及碳酸盐化等矿物将 堵塞孔隙使孔隙度和渗透性降低, 而长石、 碳酸 盐、 钠铁闪石等矿物的溶蚀使这些矿物消失或部分 消失产生孔隙, 从而增加孔隙度和渗透性。 对徐家围子断陷 90 余口井的 1 500 多块岩石 薄片和铸体薄片鉴定结果表明, 该区次生矿物主要 有石英、 菱铁矿、 方解石、 钠长石、 绿泥石、 绿帘 石、 褐铁矿、 钠铁闪石、 云母、 黏土矿物及少量的 玉髓、 氟碳钙铈矿、 萤石、 黄铁矿、 浊沸石、 方沸 石、 葡萄石等 17 种。 1． 3 火山岩储层的物性特征 不同地区火山岩的岩性及后期改造决定了该区 火山岩储层的物性。 不同火山岩的孔隙度一般为 1 21, 按火山岩储层的类型划分标准认为以 ⅡⅣ类储层为主, 酸性岩 流纹岩、 凝灰岩、 熔结凝灰岩、 火山角砾岩 中Ⅰ、 Ⅱ类储层的比 例高于中基性岩。 2 火山岩储层孔隙的成因 观察岩心和铸体薄片认为, 研究区主要的火山 岩孔隙类型有 气孔 含气孔被充填后的残余孔、 杏仁体内孔、 脱玻化孔、 溶蚀孔 包括长石、 碳 酸盐、 钠铁闪石、 火山灰、 角砾间孔、 球粒周边 及粒间收缩缝、 裂缝及微裂缝等类型[13,14]。 其中, 气孔、 脱玻化孔、 矿物溶蚀孔、 火山灰溶蚀孔、 裂 缝及微裂缝、 角砾间孔等是主要的孔隙类型。 储集空间可按照成因归纳为 3 种类型 一是与 岩石形成后的物理作用有关, 如脱玻化孔隙、 收缩 孔 缝 等; 二是溶蚀孔, 这些孔隙的形成主要 与岩石形成后的物理化学环境有关, 取决于岩石与 流体的相互作用; 三是与构造应力作用有关的裂缝 及微裂缝。 各孔隙类型一般不单独存在, 而是以某 种组合形式出现。 不同岩石的孔隙类型不同。 熔岩类的孔隙多为 气孔、 杏仁孔、 微孔、 溶孔, 气孔和微孔的发育为 流体提供了通道和空间, 因此气孔和微孔的数量在 一定程度上决定了次生孔隙的发育程度。 气孔中或 周边常常发育石英、 钠长石、 菱铁矿等矿物, 堵塞 了储集空间, 形成残余气孔或无孔隙 图 1。 脱玻化孔 微孔的一种 是重要的储集空间 之一, 此类孔隙虽然很小, 但面积大、 连通性好, 与脱玻化产生的长石溶孔结合在一起后对该区的储 集性能起到重要作用。 脱玻化孔主要出现在球粒流 纹岩中, 长石、 碳酸盐等矿物的溶蚀为沿节理部分 溶蚀, 可出现在各种类型的火山岩中。 碎屑岩的孔 隙类型以火山灰溶蚀孔隙为主。 火山灰溶孔是熔结 凝灰岩、 凝灰岩和火山角砾岩重要的储集空间之 一, 火山灰的溶蚀通常形成大量微孔隙, 由于数量 多且连通性好, 能形成好的储层。 火山灰强烈溶蚀 形成大的溶蚀孔时会形成很好的储层。 火山角砾 岩、 集块岩还具有重要的角砾间孔, 局部发育的微 裂缝可以出现在各种类型的火山岩中, 为流体及油 气的运移提供了通道。 3 孔隙的演化特征 3． 1 脱玻化的作用 火山玻璃的脱玻化导致的矿物体积缩小可产生 相当数量的微孔隙, 是研究区的重要储集空间之 2 大庆石油地质与开发 2014 年 一。 脱玻化孔隙虽小, 但其数量多、 连通性好, 也 能形成好的储层。 脱玻化作用可出现在熔岩和火山 碎屑岩两大类岩石的火山玻璃中 火山碎屑岩中 的火山灰由极微小的火山玻璃组成, 主要出现在 球粒流纹岩、 流纹质凝灰岩、 流纹质熔结凝灰岩、 流纹质凝灰角砾岩中。 火山玻璃是在过冷却及黏度增大的条件下形成 的, 不稳定, 会自动形成晶体。 脱玻化作用的产生 需要较长时间和适当的水分、 温度、 压力, 火山碎 屑岩、 珍珠岩及有流纹构造的岩石中易发生脱玻化 作用。 由于需要适当的水分, 所以脱玻化从裂隙开 始, 温度升高及压力增加都有利于脱玻化, 火山岩 埋于地下的静压力及构造应力均有利于脱玻化的发 生。 成分越呈酸性的火山岩, 结晶程度越差。 例 如, 从基性到酸性时斑晶含量逐渐减少, 斑晶越少 的火山岩基质中越易出现玻璃质。 为了评价脱玻化孔对储层的贡献, 分别对球粒 流纹岩、 熔结凝灰岩、 凝灰岩产生的脱玻化孔进行 了定量计算[15]。 脱玻化作用产生的体积缩小致使 微孔隙小于 10 μm, 在常规的偏光显微镜中难以识 别, 体积的计量也不准确 图 2 a , 因此难 确定其数量和有效性。 采用激光共聚焦的三维重建 法能够识别 1 μm 以下的微孔 缝, 局部微孔的 面孔率能够达到 30左右 图 2 b 。 火山岩脱玻化后的微孔广泛分布, 并为后期 的储层次生改造创造了渗流条件。 脱玻化微孔的产 生使后续的溶蚀现象更容易发生, 既增加了孔隙空 间, 又对原生孔隙 特别是气孔 的沟通起着决 定性的作用[16], 由此构成的大孔微孔组合成为 好的储层。 徐家围子断陷的火山岩以酸性为主, 仅 在安达地区出现一定数量的中基性火山岩, 因此脱 玻化微孔的形成在全区具有很好的条件。 3． 2 充填的作用 为了定量评价不同类型孔隙及气孔的充填作 用, 不仅确定了不同成因的孔隙 如面孔率、 气 孔、 脱玻化孔、 长石溶孔、 火山灰溶孔、 角砾间 孔、 微裂缝 含量, 而且对原生气孔 喷发时的 总气孔、 残余气孔、 充填气孔及气孔的充填物类 型 如石英、 方解石、 菱铁矿、 铁质氧化物、 长 石、 绿泥石等 进行了系统分析。 由于火山岩的 原生孔隙主要为气孔, 因此主要研究了气孔的充填 作用对储层的影响。 以 XS-9 井的流纹岩为例, 其 气孔含量与原生气孔含量的变化趋势基本一致, 面 孔率的变化趋势与气孔含量的变化趋势也一致 图 3, 因此认为火山熔岩的面孔率主要受气孔含 量的制约, 气孔含量又与原生气孔、 充填气孔的含 量有关。 气孔含量虽受到充填作用的影响, 但原生 气孔含量是研究残余气孔含量的基础。 3． 3 溶解的作用 火山岩的溶蚀作用与砂岩的溶蚀作用机理相 似, 也是由酸性水溶蚀不稳定组分形成的次生孔 隙。 徐家围子断陷营城组火山岩具备发生溶蚀作用 的有利因素有 4 个 ①区内火山岩含有的较多矿物 如长石、 绿泥石、 绿帘石、 钠铁闪石、 碳酸盐 等 在酸性流体中发生溶蚀, 这些不稳定组分为 形成溶蚀孔隙奠定了物质基础; ②火山岩体在构造 3第 33 卷 第 2 期 王 成 徐家围子断陷火山岩储层孔隙演化 应力作用下产生了构造裂缝, 为酸性溶液的运移提 供了通道, 火山岩中气孔、 收缩缝等后生孔隙与构 造缝连通也可作为酸性溶液运移的通道; ③大气降 水的作用提供了充足的有机、 无机酸溶液, 该区火 山岩喷发时沿断裂面渗流的大气层降水使地层水保 持酸性; ④生烃过程中形成的酸性溶液就近进入火 山岩层, 与其中的易溶组分发生反应而形成各种次 生溶孔。 因此, 该区火山岩中次生溶蚀孔隙发育并 成为火山岩最有利的储集空间。 3． 4 孔隙的演化序列 由于气孔出现在火山岩的形成阶段, 可见气孔 是最先形成的。 脱玻化孔 包括火山灰溶蚀孔 和长石溶孔是在火山岩原岩的玻璃和矿物中产生 的, 因此这 2 种孔隙会在次生孔隙中首先产生, 而 次生矿物的溶蚀孔是在次生矿物形成之后产生的, 应该是形成于次生矿物之后。 根据显微镜下的岩石 学特征, 为孔隙的形成、 演化顺序提供了岩石学证 据。 3． 4． 1 脱玻化孔形成于长石溶孔之前 SH2-1 井中球粒流纹岩的气孔被石英等矿物充 填, 脱玻化形成的钾长石穿插在充填气孔的石英 中, 说 明 钾 长 石 形 成 于 石 英 生 成 之 前 图 1 a , 而石英又充填在长石溶孔中, 说明石英形 成于长石溶孔生成之后。 因此, 推断脱玻化孔形成 于长石溶孔之前, 从脱玻化作用的地质事实及实 验、 理论计算也可支持这一岩石学证据。 温度的升 高有利于玻璃质中质点的活动及重新排列, 直接影 响着脱玻化的时间, 高温可来源于岩浆的喷出、 侵 入岩的烘烤、 热变质、 热液活动等。 实验及理论计 算结果表明, 当温度为300 ℃时, 由玻璃质变为霏 细结构需 1106a; 当温度为 400 ℃ 时, 只需数千 年[17]。 来自上覆地层及构造活动的压力能促进脱 玻化, 火山岩喷出后被埋于地下, 受到一定力和岩 浆中热量等影响又产生一定的温度和水分而易于脱 玻化, 可见火山岩喷出地表后很快就能产生脱玻化 作用。 3． 4． 2 钠铁闪石、 菱铁矿溶孔形成于长石溶孔之后 在 XS-603 等井区广泛发育钠铁闪石的同时, 在长石溶孔中可以见到钠铁闪石, 显然钠铁闪石形 成于长石溶孔生成之后, 然后才发生钠铁闪石的溶 蚀而形成菱铁矿及铁质氧化物。 菱铁矿溶孔形成于 长石 溶 孔 之 后 的 现 象 比 较 常 见, 如 在 XS-603 井 3 515． 43 m 处为流纹质熔结凝灰岩, 说明长石 溶蚀孔被菱铁矿、 铁质氧化物充填 图 1 b 。 由此可见, 菱铁矿溶孔形成于长石溶孔之后。 3． 4． 3 方解石、 菱铁矿溶孔形成于钠铁闪石溶孔之 后 在薄片中可见到钠铁闪石溶孔内充填方解石、 菱铁矿及铁质氧化物, 因此认为方解石、 菱铁矿溶 孔形成于钠铁闪石溶孔之后 图 1 c 。 钠铁 闪石、 菱铁矿及铁质氧化物共生的现象较普遍, 可 能是钠铁闪石分解成菱铁矿及铁质氧化物的原因。 3． 4． 4 绿泥石形成于菱铁矿之后 绿泥石形成于菱铁矿之后的证据是在 XSh-13 井 4 249． 32 m 处看到安山岩中原生气孔发育, 但 大部分都被次生矿物充填, 气孔充填物的顺序为菱 铁矿→绿泥石→玉髓 图 1 d 。 绿泥石形成 于石英之后的证据是在 XSh-15 井 3 680． 82 m 处看 到流纹质凝灰岩中石英脉发育, 绿泥石生长在石英 上。 3． 4． 5 绿帘石形成于绿泥石之前 ZS-10 井的 2 880 2 898 m 深度段为工业气 层, 岩石类型为球粒流纹岩, 在该段岩石中发育大 量的绿泥石及绿帘石次生矿物。 绿泥石充填于长石 斑晶的溶孔中, 在长石斑晶的溶孔中没有见到有绿 帘石充填, 在同一个薄片中可以见到长石斑晶溶孔 中沉淀的绿泥石和绿帘石发生溶蚀而形成的溶孔。 由此可见, 绿泥石形成于长石斑晶溶蚀之后, 而绿 帘石则未必形成于长石斑晶溶蚀之后, 当绿帘石发 生溶蚀时绿泥石未发生溶蚀说明绿帘石形成于绿泥 石之前。 在大量的铸体薄片观察的基础上获得的孔隙形 成、 演化顺序为 原生孔隙 主要为气孔 →脱 玻化孔→长石溶孔→钠铁闪石溶孔→菱铁矿、 方解 石溶孔→绿帘石溶孔→绿泥石溶孔。 在孔隙形成 4 大庆石油地质与开发 2014 年 后, 不断有矿物充填, 尤其是石英和方解石在研究 区为成片、 多期次分布。 例如 石英既可以首先充 填在气孔中, 也可以充填在菱铁矿溶孔中; 充填在 菱铁矿溶孔中的石英有次生加大现象, 说明石英有 多次生长。 方解石也是多期次形成的, 既能形成于 菱铁矿之前, 也能形成于菱铁矿之后; 早期形成的 方解石多充填气孔, 晚期形成的方解石常充填裂缝 和溶孔。 构造裂缝的发育非常不均衡, 有的区、 段裂缝 十分发育且具有多期次性。 早期的裂缝多被充填成 为无效裂缝; 晚期的裂缝规模小, 大多没有被充 填, 属于有一定输导能力的有效裂缝。 3． 5 孔隙演化阶段 根据最新的火山岩年龄测试数据, 认为原生孔 隙形成阶段 即火山岩的形成阶段 距今 111 115 Ma。 脱玻化微孔和风化淋滤次生孔隙形成阶段 主要处在火山岩形成到浅埋阶段, 为火山岩形成后 至营四段早期。 孔隙稳定阶段为热沉降后至泉头组 早期, 古埋深一般小于 1 200 m, 溶蚀、 充填作用 虽然可以发生但不强烈。 孔隙充填及溶蚀大量产生的阶段为泉头组至嫩 江组晚期, 最大古埋深能达到 3 000 m。 区内大量 的自生石英包裹体形成温度为95 170 ℃, 自生石 英与其他自生矿物形成的相对时间表明该阶段是充 填的最主要阶段。 由于该阶段也是烃源岩向储层排 烃的重要时期, 大量的酸性水首先进入储层并溶蚀 了其中的凝灰质岩层, 所形成的火山碎屑岩是主要 的储集空间, 而对熔岩基质部分和气孔充填物的溶 蚀则形成了熔岩内的次生孔隙。 孔隙被天然气持续 充注的阶段发生在溶蚀孔隙形成之后。 4 结 论 1 火山岩从喷发到形成储层经历了原生孔 隙 主要为气孔 形成、 脱玻化孔形成、 孔隙稳 定、 气孔充填和各类溶孔形成、 天然气充注等演化 过程。 2 孔隙经历了原生孔隙 主要为气孔 → 脱玻化孔→长石溶孔→钠铁闪石溶孔→菱铁矿、 方 解石溶孔→绿帘石溶孔→绿泥石溶孔等演化过程。 3 目前存在于熔岩类孔隙的类型主要为气 孔、 杏仁孔、 微孔与溶孔, 火山碎屑岩的孔隙类型 以火山灰溶蚀孔隙为主 包括脱玻化微孔, 此特 征是储层复杂演化的最终结果。 4 微孔主要是由火山玻璃脱玻化和溶蚀共 同作用产生的, 可以用质量平衡法计算脱玻化形成 的微孔隙数量, 酸性火山岩因脱玻化的作用使孔隙 度增加 7左右。 5 微孔隙不仅增加了有效储集空间, 还增 加了大孔隙的连通性, 使火山岩储层构成了新的大 孔微孔组合。 参考文献 [1] 蒙启安, 门广田, 赵洪文, 等 ． 松辽盆地中生界火山岩储层特 征及对气藏的控制作用 [J] ． 石油与天然气地质, 2002, 23 3 285-288． [2] 陈庆春, 朱东亚, 胡文暄, 等 ． 试论火山岩储层的类型及其成 因特征 [J] ． 地质论评, 2003, 49 3 286-291． [3] 刘万洙, 王璞珺, 门广田, 等 ． 松辽盆地北部深层火山岩储层 特征 [J] ． 石油与天然气地质, 2003, 24 1 28-31． [4] 王璞珺, 迟元林, 刘万洙, 等 ． 松辽盆地火山岩相 类型、 特 征和储层意义 [J] ． 吉林大学学报 地球科学版, 2003, 33 4 449-456． [5] 王璞珺, 陈树民, 刘万洙, 等 ． 松辽盆地火山岩相与火山岩储 层的关系 [J] ． 石油与天然气地质, 2003, 24 1 18-24． [6] 侯英姿 ． 松辽盆地杏山莺山地区火山岩储集空间类型特征及 其控制因素 [J] ． 特种油气藏, 2003, 10 1 99-102． [7] 刘为付 ． 松辽盆地徐家围子断陷深层火山岩储层特征及有利区 预测 [J] ． 石油与天然气地质, 2004, 25 1 115-119． [8] 刘为付, 王永生, 杜刚 ． 松辽盆地徐家围子断陷营成组火山岩 储集层特征 [J] ． 特种油气藏, 2004, 11 2 6-9． [9] 吴磊, 徐怀民, 季汉成, 等 ． 松辽盆地杏山地区深部火山岩有 利储层的控制因素及分布预测 [J] ． 现代地质, 2005, 19 4 585-595． [10] 邵红梅, 毛庆云, 姜洪启, 等 ． 徐家围子断陷营城组火山岩 气藏储层特征 [J] ． 天然气工业, 2006, 26 6 29-32． [11] 刘启, 舒萍, 李松光, 等 ． 松辽盆地北部深层火山岩气藏综 合描 述 技 术 [ J] ．大 庆 石 油 地 质 与 开 发, 2005, 24 3 21-23． [12] 曲延明, 舒萍, 王强 ． 兴城气田火山岩储层特征研究 [J] ． 天然气勘探与开发, 2006, 29 3 13-16． [13] 王成, 赵海玲, 张民志, 等 ． 松辽盆地北部深层天然气储层 特征 [J] ． 天然气工业, 2006, 26 6 25-28． [14] 刘成林, 杜蕴华, 高嘉玉 ． 松辽盆地深层火山岩储层成岩作 用与孔隙演化 [J] ． 岩性油气藏, 2008, 20 4 33-37． [15] 冯子辉, 王成, 方伟, 等 ． 大庆油田石油地质实验技术新进 展 [J] ． 大庆石油地质与开发, 2009, 28 5 54-59． [16] 王成,邵红梅,张安达,等,徐家围子断陷火山岩储层次生孔隙 分布及意义[J]． 大庆石油地质与开发,2010,295 1-5． [17] 邱家骤, 陶奎元, 赵俊磊, 等 ． 火山岩 [M] ． 北京 地质 出版社, 1996 1-58． 编辑宋玉梅 5第 33 卷 第 2 期 王 成 徐家围子断陷火山岩储层孔隙演化