李晨, 季汉成, 靳军, 王剑, 房超, 贾海波, 黎雪, 向鹏飞, 李宗悦, 邢晓凡. (2017)准噶尔盆地克—百断裂带上盘石炭系内幕火山岩储集层特征及展布[J]. 古地理学报, 19(4): 677-691
Li Chen, Ji Hancheng, Jin Jun, Wang Jian, Fang Chao, Jia Haibo, Li Xue, Xiang Pengfei, Li Zongyue, Xing Xiaofan. (2017)Characteristics and distribution of inside volcanic reservoirs of the Carboniferous in upper-plate of Ke-Bai fault zone in Junggar Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 19(4): 677-691. DOI:10.7605/gdlxb.2017.04.053  
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准噶尔盆地克—百断裂带上盘石炭系内幕火山岩储集层特征及展布
李晨1,2, 季汉成1,2, 靳军3, 王剑3, 房超1,2, 贾海波1,2, 黎雪1,2, 向鹏飞1,2, 李宗悦1,2, 邢晓凡1,2
1 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249
2 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
3 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

第一作者简介 李晨,男,1992年生,中国石油大学(北京)硕士研究生,研究方向为储层地质学。通讯地址: 北京市昌平区中国石油大学(北京)南校区;邮政编码: 102249。E-mail: phill_lee@163.com。

通讯作者简介 季汉成,男,1966年生,中国石油大学(北京)教授,博士生导师,现主要从事沉积学及储层地质学等方面的研究工作。E-mail: jihancheng@vip.sina.com。

收稿日期:2016-11-30
摘要

准噶尔盆地克—百断裂带上盘最新钻井发现,在石炭系顶面之下较深的内幕火山岩区域获得工业油流。通过岩心、薄片、扫描电镜、主量元素和岩石物性等资料,明确了研究区石炭系内幕火山岩储集层特征及展布。研究表明,克—百断裂带上盘石炭系内幕储集层顶面最大深度位于石炭系不整合面以下 800 m,岩相(岩性)以爆发相空落亚相(凝灰岩)和溢流相下部亚相(安山岩)为主,储集空间以次生溶孔和构造缝为主。不同岩相具有不同类型和程度的成岩作用,经历了不同的孔隙演化过程。溢流相上部亚相和溢流相下部亚相孔隙演化程度最高。冷凝固结作用控制其原生孔隙的形成,构造破碎作用及溶蚀作用至关重要。受构造和溶蚀作用控制的 Ⅰ类和 Ⅱ类储集层为有效储集层,主要分布于克—百断裂附近。

关键词: 火山岩; 石炭系; 克—百断裂带; 准噶尔盆地
中图分类号:TE122.2+4 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2017)04-0677-15
Characteristics and distribution of inside volcanic reservoirs of the Carboniferous in upper-plate of Ke-Bai fault zone in Junggar Basin
Li Chen1,2, Ji Hancheng1,2, Jin Jun3, Wang Jian3, Fang Chao1,2, Jia Haibo1,2, Li Xue1,2, Xiang Pengfei1,2, Li Zongyue1,2, Xing Xiaofan1,2
1 State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249
2 College of Geoscience,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249
3 Lab and Experimental Test Research Institute,Xinjiang Oilfield Branch Company,PetroChina,Karamay 834000,Xinjiang;

About the first author Li Chen,born in 1992,is a master degree candidate in China University of Petroleum(Beijing). Now his research direction is about reservoir geology. E-mail: phill_lee@163.com.

About the corresponding author Ji Hancheng,born in 1966,is a professor and doctoral tutor of China University of Petroleum(Beijing). He is mainly engaged in sedimentology and reservoir geology. E-mail: jihancheng@vip.sina.com.

Abstract

From the latest drilling results of Ke-Bai fault zone in Jungger Basin,commercial oil are found in inside volcanic rocks of the Caboniferous which is far away beneath the Carboniferous unconformity. Based on the date of core,thin section,scanning electron microscopy,main elements and the physical properties,the characteristics and distribution of the inside volcanic reservoirs of the Caboniferous are definited. The study suggests the inside volcanic reservoirs are 800 m below the Caboniferous unconformity. The main types of lithofacies(lithology) are air fall subfacies of explosion facies(tuff)and lower subfacies of effusive facies(andesite). The main types of reservoir space are dissolved pore and tectonic fracture. Different kinds of lithofacies have different types of diagenesis and degrees of porosity evolution process. Upper effusive subfacies and lower effusive subfacies have the highest degree of pore evolution. Original interstice are controlled by the condensation. Tectonic broken and dissolution is essential to the reservoirs. Level-Ⅰ and level-Ⅱ reservoirs controlled by tectonic broken and dissolution are the effective reservoirs,which are distributed by the Ke-Bai Fault.

Key words: volcanic rock; Carboniferous; Ke-Bai fault zone; Junggar Basin

火山岩油气藏作为非常规油气勘探领域的新兴领域, 受到越来越多的石油勘探学者的关注(Vernik, 1990; Schutter, 2003; 江怀友等, 2011)。准噶尔盆地克— 百断裂带上盘石炭系火山岩油藏为中国最早发现的火山岩油藏, 自20世纪50年代发现以来, 一直表现出蓬勃的生命力(匡立春等, 2007; 侯连华等, 2009; 罗雪等, 2013)。2007年以来, 通过对风化壳成储机理的研究, 提出风化淋滤是控制储集层形成的重要因素, 各种岩性均能形成有效储集层, 为该区石炭系储量得到进一步提高提供了新的理论基础(侯连华等, 2012, 2013; Chen et al., 2016)。2016年5月19日, 白861井在石炭系不整合面以下1500, m处试油获得日产13.92, t 的工业油流, 这表明不仅石炭系风化壳是油气勘探目的层, 内幕同样具有很大的油气勘探潜力。

准噶尔盆地克— 百断裂带火山岩的研究主要集中在风化壳, 对于内幕储集层的研究相对较少。前人多把较深于石炭系顶面的储集层, 定义成深部的风化壳储集层或者认为油气勘探潜力小, 而未予以重视(董雪梅等, 2013; 张越迁等, 2014)。研究区的油源主要来自于克— 百断裂带下盘二叠系(Jin et al., 2008), 相对于风化壳储集层, 埋藏深的内幕储集层更靠近烃源岩, 可以优先捕获深部油源产生的烃类, 应具有很好的油气勘探潜力(杨海波等, 2014; 张继伟等, 2014)。

内幕储集层(潜山内幕储集层)是指不发育在潜山顶部(风化壳), 而是大部分或者全部隐藏在潜山内部的一种储集层(华北石油勘探开发设计研究院, 1982; 赵贤正等, 2012)。与风化壳储集层相比, 内幕储集层由于受到岩性岩相、成岩作用和构造作用的综合作用, 因此更隐蔽且非均质性更强(吴兴宁等, 2011)。前人对内幕储集层的研究主要为碎屑岩、碳酸盐岩和变质岩, 对火山岩内幕的研究相对较少。沉积、成岩和构造作用控制了碎屑岩潜山内幕储集层的优劣(张晶等, 2014)。碳酸盐岩易于溶蚀, 可以形成受侧向溶蚀控制的内幕储集层(赵贤正等, 2010, 2012)。变质岩潜山内幕由于不同岩性脆性不同, 相同构造应力下形成呈条带分布的内幕储集层(Luo et al., 2005; 谢文彦等, 2006)。相对于碳酸盐岩和变质岩, 火山岩储集层内幕结构复杂、岩石类型多、储集空间类型多、非均质性强(冉启全等, 2011), 导致火山岩内幕储集层勘探难度更大。

通过对岩心宏观观察、薄片和扫描电镜微观鉴定、地球化学主量元素及物性数据等资料的综合分析, 明确研究区石炭系内幕火山岩储集层特征, 结合综合地质背景, 明确储集层发育的控制因素, 预测内幕储集层有利区。对于内幕储集层的研究既具有丰富火山岩油气勘探思路的理论意义, 又具有指导油气勘探、达到增储上产成效的实际意义。

1 地质概况

克— 百断裂带位于准噶尔盆地西部隆起中段(图 1), 早海西期经历了岛弧— 陆内的多旋回多期次间歇性火山喷发, 形成了巨厚的石炭系火山岩基底; 晚海西期, 研究区发生逆冲推覆, 石炭系抬升至地表, 经历了大约46.3, Ma的风化淋滤之后, 接受三叠系克拉玛依组的沉积进入埋藏期; 印支、燕山和喜马拉雅多期构造运动的改造之后, 形成现今的向盆地内倾伏的大型单斜构造(李军, 2008; 侯连华等, 2013; 匡立春等, 2013)。盆地内发育多条逆推断层, 不仅控制着火山岩的分布, 而且起到沟通下盘油源、为油气运移提供通道的作用(李军, 2008)。

图1 准噶尔盆地克— 百断裂带区域位置与构造地质图Fig.1 Location and geological structure of Ke-Bai fault zone of Junggar Basin

克— 百断裂带上盘石炭系内幕岩性复杂, 石炭系火山岩以间歇性喷发为特点, 间歇期发育大量沉积岩, 其中部分沉积岩及凝灰岩在埋藏阶段或构造活动强烈期发生区域变质或者动力变质。试油结果表明石炭系内幕火山岩累计产油11, 367, t, 沉积岩累计产油1062, t, 变质岩累计产油916, t, 油气主要产自火山岩(图 2-a)。平均每米产油水量显示, 火山岩平均每米产油26.75, t, 平均每米产水1.07, t, 平均米产油水量较沉积岩、变质岩大(图 2-b)。因此内幕火山岩是石炭系内幕储集层研究的重点岩性。

图2 克— 百断裂带上盘石炭系内幕火山岩试油产量
a— 内幕累计试油产量; b— 内幕平均米试油产量Fig.2 Well testing production of inside volcanic rocks of the Carboniferous in upper-plate of Ke-Bai fault zone

2 内幕顶面的确定

前人研究表明, 石炭系经历长期风化淋滤形成了一套具有多层结构的风化带, 不同风化体结构的厚度和物性存在差异, 在古地貌高部位斜坡带风化壳较厚, 物性最好, 向深部物性变差, 前人通过建立风化壳厚度预测模式(张年富等, 1998; 邹才能等, 2011a, 2011b; 侯连华等, 2013), 结合上下层测年结果, 推测新疆北部火山岩风化壳厚度约550, m(侯连华等, 2013)。岩石经过风化或者溶蚀其易溶组分(Ca、Mg、Na、K等)以溶液、胶体或络合物的形式被带走, 易保留组分(Al、Fe、Mg、P、Ti)相对富集(Topal, 2002; Figlia et al., 2007)。FeO和Fe2O3相对含量对风化程度变化最为敏感 (徐则民和黄润秋, 2013)。针对以上现象, 前人已经提出了多个用于风化程度评价的化学风化指数(Parker, 1970; Nesbitt and Young, 1982)。现选取其中5个最能反映火山岩风化程度的指数进行比较: α 化学蚀变系数CIA=[Al2O3/(Al2O3+CaO+Na2O+K2O)]× 100)、β 风化淋滤指数BA=[(K2O+MgO+CaO+Na2O)/Al2O3]× 100、γ 硅铁系数=SiO2/Fe2O3、δ 硅铝指数=SiO2/Al2O3和 εFeO/Fe2O3值=FeO/Fe2O3, 化学蚀变系数越大, 风化溶蚀程度越深, 其他化学风化溶蚀特征值越小, 反映的风化溶蚀程度越深(张丽萍, 2003)。

新疆北部石炭系火山岩提交储量有效孔隙度下限为6%, 有效渗透率下限为0.5× 10-3μ m2(王京红等, 2011)。130口井的2409块火山岩样品的物性数据分析结果表明, 在浅于石炭系顶面550, m和深于石炭系顶面800, m存在有效储集层(图 3)。42块样品的地球化学主量元素分析结果计算得到的化学风化指数表明, 浅于石炭系顶面550, m岩性化学风化溶蚀特征值变化波动较大, 但风化溶蚀程度总体随着深度的增加而增大, 深于石炭系顶面550, m区域风化溶蚀程度逐渐减小达到最小值, 表明风化作用逐渐减弱。深于石炭系顶面800, m风化溶蚀程度再次增大, 表明溶蚀作用开始增强(图 3)。

图3 风化壳与内幕储集层物性与化学风化指数差异性Fig.3 Reservoirs property and chemical weathering indices difference between weathering crust and inside reservoirs

综上, 风化作用能够影响的最大深度在距石炭系顶面550, m, 深于石炭系顶面800, m可能存在受溶蚀影响的有效储集层。但距石炭系顶面800, m的深度值不是绝对值, 在风化作用较弱的地区, 浅于石炭系顶面800, m同样也存在内幕储集层。

3 火山岩内幕岩性岩相特征

参考前人火山岩分类方案(王璞珺等, 2003, 2008), 根据火山岩的结构成因— 化学成分、火山碎屑粒度的分类标准综合命名克— 克断裂带上盘石炭系内幕火山岩。岩心观察与描述、薄片鉴定以及主量元素综合分析表明, 克— 百断裂带上盘石炭系内幕火山岩按结构成因分为次火山岩、火山熔岩、火山碎屑熔岩、火山碎屑岩及沉火山碎屑岩5大类(表1)。次火山岩及火山熔岩按照化学成分划分小类, 火山碎屑熔岩及火山碎屑岩结合化学成分和火山碎屑粒径划分小类, 沉火山碎屑岩按照火山碎屑粒径划分小类(表1)。

表1 克— 百地区断裂带上盘石炭系内幕火山岩类型及含量 Table1 Volcanic rock type and content of inside volcanic rocks of the Carboniferous in upper-plate of Ke-Bai fault zone

次火山岩、火山熔岩、火山碎屑熔岩及火山碎屑岩主量元素TAS图显示, 研究区火山岩为中性— 基性火山岩, 碱性及亚碱性火山岩均有出现(图4)。根据克— 百断裂带石炭系内幕火山岩352个薄片数据确定主要岩性的含量, 统计表明岩性以安山质凝灰岩和安山岩为主(表 1)。

图4 克— 百断裂带上盘石炭系内幕火山岩全碱— 硅质(TAS)图Fig.4 Total alkali-siliceous(TAS)map of inside volcanic rocks of the Carboniferous in upper-plate of Ke-Bai fault zone

根据火山岩岩性、结构及构造特征, 克— 百断裂带上盘石炭系火山岩内幕共划分为次火山岩相、爆发相、溢流相及火山沉积相4种相, 可进一步划分为6种亚相(表 2)。爆发相根据火山碎屑距离火山口远近堆积方式的不同, 可划分热碎屑流亚相及空落亚相, 热碎屑流亚相以火山碎屑熔岩为主, 空落亚相以凝灰岩为主; 溢流相根据火山熔岩流上部和下部气孔的发育程度的区别, 划分出上部亚相及下部亚相, 上部亚相以气孔杏仁火山熔岩为主, 下部亚相以无气孔杏仁的块状火山熔岩为主; 次火山岩相以次火山岩为主; 火山沉积相以沉火山碎屑岩为主。根据研究区129口钻遇内幕的取心井岩心统计, 绘制研究区岩相分布图, 爆发相空落亚相和溢流相下部亚相是研究区发育的最主要岩相(图 5)。

表2 克— 百地区断裂带上盘石炭系内幕火山岩岩相分类 Table2 Lithofacies classification of the inner Carboniferous volcanic rocks in upper-plate of Ke-Bai fault zone

图5 克— 百断裂带上盘石炭系内幕火山岩岩相分布Fig.5 Lithofacies distribution of inside volcanic rocks of the Carboniferous in upper-plate of Ke-Bai fault zone

4 火山岩内幕储集层储集空间与成岩孔隙演化
4.1 火山岩储集层空间类型

岩心观察与铸体薄片鉴定表明, 克— 百断裂带上盘石炭系火山岩内幕储集空间, 可以分为原生储集空间和次生储集空间2大类, 进一步细分为15种类型(表 3)。

表3 克— 百地区断裂带上盘石炭系内幕火山岩储集空间类型及特征 Table3 Reservoir space types and characteristic of inside volcanic rocks of the Carboniferous in upper-plate of Ke-Bai fault zone

原生储集空间由原生气孔、残余气孔、晶间孔、粒间孔及收缩缝组成。原生气孔及残余气孔(图 6-a)直径0.2~1.0, mm, 主要发育在溢流相上部亚相。收缩缝缝宽0.01~0.05, mm, 缝长0.5~0.7, mm(图 6-b), 晶间孔直径0.01~0.05, mm(图 6-c), 二者发育在溢流相下部亚相。

图6 克— 百断裂带上盘石炭系内幕火山岩储集层特征
a— 气孔杏仁安山岩, 发育原生气孔(见箭头所指深色部分), 杏仁被白色方解石充填, 气孔杏仁呈拉长椭圆状, 层状分布(见虚线), 岩相为溢流相上部亚相; 金311井, 1080, m, 岩心照片; b— 块状安山岩, 见收缩缝(见箭头所指黑色部分), 岩相为溢流相下部亚相; 克98井, 947.57, m, 扫描电镜照片; c— 块状安山岩, 板状方解石之间见晶间孔(见箭头), 岩相为溢流相下部亚相; 百509井, 1273.94, m, 扫描电镜照片; d— 气孔杏仁玄武安山岩, 斜长石斑晶中见溶孔(见箭头), 岩相为溢流相上部亚相; 白29井, 2010.91, m, 铸体薄片照片, 单偏光; e— 气孔杏仁安山岩, 杏仁内沸石溶蚀形成溶孔(见箭头), 岩相为溢流相上部亚相; 白861井, 2278.07, m, 铸体薄片照片, 单偏光; f— 气孔杏仁安山岩, 基质内见溶孔(见箭头), 岩相为溢流相上部亚相; 白861井, 2278.07, m, 铸体薄片照片, 单偏光; g— 蚀变安山岩, 构造缝中沸石被溶蚀(见箭头), 古37井, 1049, m, 铸体薄片照片, 单偏光; h— 玄武粗安斑岩, 构造缝内方解石被溶蚀成缝(见箭头), 岩相为次火山岩相; 古75井, 635.5, m, 岩心照片; i— 块状安山岩, 见倾角约77° 的构造直劈缝(见箭头), 缝中见油迹, 岩相为溢流相下部亚相; 金311井, 1075, m, 岩心照片; j— 块状安山岩, 见倾角约65° 的构造高角度缝(见箭头), 缝中见油迹, 岩相为下部亚相; 古72井, 853, m, 岩心照片; k— 玄武安山质角砾熔岩, 见倾角约32° 的构造低角度缝(见箭头), 岩相为爆发相的热碎屑流亚相; 白29井, 2007, m, 岩心照片; l— 气孔杏仁玄武粗安岩, 见构造微裂缝(见箭头), 裂缝切过斑晶, 岩相为上部亚相; 古37井, 1256, m, 铸体薄片照片, 单偏光Fig.6 Characteristics of inside volcanic rocks of the Carboniferous in upper-plate of Ke-Bai fault zone

次生储集空间主要由次生溶孔及构造缝组成。次生溶蚀孔缝由斑晶溶孔、杏仁溶孔、基质溶孔以及构造溶蚀缝组成(图 6-d至6-h)。构造缝有直劈缝(倾角75° ~90° )、高角度缝(倾角45° ~75° )、低角度缝(倾角15° ~45° )、水平缝(倾角0° ~15° )、网状缝以及微裂缝。直劈缝宽度为3~55, mm, 多见油斑油迹(图 6-i); 高角度缝宽度为0.2~23, mm, 多见油斑油迹(图 6-j); 低角度缝宽度为0.1~15, mm, 多被充填(图 6-k); 水平缝和网状缝宽度为0.1~8, mm, 基本全被充填。构造缝自身可以作为储集空间并起到沟通孔缝的作用, 也是油气和溶蚀流体运移的主要通道, 在构造缝及两侧多见油斑和溶蚀现象, 未充填或半充填的直劈缝及高角度缝最为典型, 是油气及溶蚀流体运移的主要通道。微裂缝多伴生在其他构造两侧, 肉眼不可辨认, 其中伴生在直劈缝和高角度缝的微裂缝见油气显示(图 6-l)。

4.2 火山岩成岩作用及孔隙演化

克— 百断裂带上盘石炭系内幕火山岩主要经历了熔结(图7-a)、脱气(图7-b)、冷凝收缩(图7-c)、溶蚀(图6-d至6-h)、充填(图7-e)、构造破碎(图7-f)等10种成岩作用(图 7), 成岩作用过程控制着储集层孔隙演化。根据研究区地质构造背景以及火山岩成岩演化过程分析, 石炭系内幕火山岩经历了4个成岩演化阶段: 冷凝固结成岩阶段(石炭纪)、热液作用阶段(早二叠世)、浅埋藏阶段(中二叠世— 早侏罗世)及深埋藏阶段(中侏罗世以后)。不同岩相经历了不同类型不同程度的建设性与破坏性成岩作用, 形成了差异性的储集空间类型。孔隙在冷凝固结成岩阶段总体增加, 热液作用阶段急剧下降, 浅埋藏阶段缓慢下降, 深埋藏阶段大幅上升, 不同岩相演化过程存在差异性(图 8)。值得注意的是石炭纪经历了多期次火山喷发, 在火山喷发间歇期同样存在着短暂的表生作用。

图7 克— 百断裂带上盘石炭系内幕火山岩成岩作用特征
a— 熔结火山角砾岩, 岩相为爆发相热碎屑流亚相, 灰色岩屑被红色岩浆熔结(见虚线); 白29井, 2012, m, 岩心照片; b— 气孔杏仁玄武安山岩, 岩相为溢流相上部亚相, 岩浆内挥发份脱气, 形成气孔, 在岩浆流的作用下气孔拉长变形, 在后期被玄武玻璃充填(见虚线); 白29井, 2010.91, m, 普通薄片照片, 单偏光; c— 块状玄武岩, 岩相为溢流相下部亚相, 岩浆由于冷凝收缩所以形成收缩缝(见箭头); 古66井, 803, m, 普通薄片照片, 单偏光; d— 沉凝灰岩, 岩相为火山沉积相, 火山碎屑由于压实作用接触紧密, 呈点— 线接触; 古66井, 874, m, 普通薄片, 单偏光; e— 气孔杏仁安山岩, 岩相为溢流相上部亚相, 杏仁内见两期充填作用, Ⅰ 期充填为微晶石英, 呈环带状(见箭头), Ⅱ 期充填物为微晶方解石和微晶石英, 见示顶底构造(见箭头); 古75井, 832, m, 普通薄片照片, 正交光; f— 凝灰岩, 岩相为爆发相空落亚相, 由于构造破碎作用产生构造缝, 构造缝切过晶屑和岩屑(见箭头); 古39井, 921.27, m, 普通薄片, 正交光Fig.7 Characteristics of inside volcanic rocks of the Carboniferous in upper-plate of Ke-Bai fault zone

图8 克— 百断裂上盘石炭系内幕火山岩成岩作用及孔隙演化序列图
①— 次火山岩相; ②— 上部亚相; ③— 下部亚相; ④— 热碎屑流亚相; ⑤— 空落亚相; ⑥— 火山沉积相Fig.8 Diagenesis and porosity evolution sequence of inside volcanic rocks of the Carboniferous in upper-plate of Ke-Bai fault zone

克— 百断裂带上盘石炭纪冷凝固结成岩阶段火山大规模爆发, 岩浆在深部结晶分异, 并从地下喷出、溢出地表或者侵入较浅地层, 通过冷凝收缩作用、熔结作用或者压实作用固结成岩, 形成如原生气孔、粒间孔、晶间孔和收缩缝等原生储集空间。多旋回多期次的喷发, 形成了多种化学成分的火山岩, 多种喷发成岩方式形成了多种结构的火山岩相, 火山岩相的差异性从这里开始形成。研究区次火山岩原生储集空间多被充填, 有效孔隙度数据不能反映原生储集空间孔隙度, 因此采用面孔率估算孔隙度。薄片观察表明, 各类岩相由于形成方式的差异性, 孔隙度存在差异性, 总体呈现增加趋势, 增孔3%~30%, 溢流相上部亚相增孔最大。

早二叠世热液作用阶段, 岩石由于冷凝结晶过程中释放出富含矿物质热水溶液, 热液渗入气孔和裂缝中冷凝沉淀, 发生Ⅰ 期胶结作用和Ⅰ 期充填作用, 充填胶结物以微晶石英、方解石和绿泥石为主, 原生储集空间遭受破坏(图7-e)。同时由于热液的作用, 镁铁矿物及基性斜长石发生矿物交代蚀变作用, 研究区普遍存在辉石和角闪石的绿泥石化、基性斜长石的高岭石化及碳酸盐化、绿泥石的浊沸石化及碳酸盐化以及浊沸石的碳酸盐化。交代蚀变作用对孔隙度的贡献是双向的: 一方面矿物多水化膨胀蚀变, 使孔隙度相对降低; 另一方面矿物蚀变使矿物碱性化及细粒化, 更容易被带走或有机酸溶蚀。交代蚀变多为溶蚀作用提供物质基础, 其对物性的影响无法估算, 因此交代蚀变作用对孔隙度的影响在此不做考虑。通过对薄片面孔率计算表明, 各种岩相由于原生储集空间物性的差异, 使得各岩相减孔程度不同, 总体减孔1%~12%, 溢流相上部亚相减孔最显著达。

浅埋藏阶段初期克— 百断裂带逆冲推覆整体抬升, 石炭系出露地表风化淋滤, 风化壳开始形成, 内幕仍然处于埋藏状态, 淋滤风化的残余液体沿深大断裂及风化缝向下渗透, 进入内幕储集层的气孔及裂缝中进行充填, 发生Ⅱ 期胶结作用和Ⅱ 期充填作用。Ⅱ 期充填多见示顶底构造, 下部主要为绿泥石和方解石, 上部主要为浊沸石和微晶石英。火山岩中的示顶底构造对火山岩层的顶底识别及火山岩相的划分具有指导意义(郭沫贞等, 2010)。逆冲推覆过程中的构造破碎作用对内幕储集层进行改造。通过数据表明, 破坏性成岩作用使得孔隙度降低1%~13%, 溢流相上部亚相最明显, 建设性成岩作用使得孔隙度增加3%~8%, 溢流相下部亚相最明显。总体来说, 浅埋藏阶段上部亚相和次火山岩相孔隙度总体降低, 其他岩相总体上升, 溢流相下部亚相增幅最大。

中侏罗世以后, 研究区进入深埋藏阶段, 克— 百断裂带下盘的3套烃源岩: 下二叠统风城组、乌尔禾组以及下侏罗统八道湾组, 分别在晚侏罗世— 早白垩世、晚白垩世— 古近纪及新近纪— 第四纪有机质成熟(沈扬等, 2015), 并从深部沿断裂排酸, 发生3期溶蚀作用。同时印支燕山运动引起的2期构造破碎作用使得研究区储集层得到改善。研究资料表明, 各期溶蚀作用期间, 各类岩相孔隙度增加1%~5%, 溢流相上部亚相增孔最多。2期构造运动效果一致, 各类岩相孔隙度增加2%~6%, 溢流相下部亚相增孔最多。

4.3 不同岩相孔隙演化差异性控制因素

溢流相上部亚相冷凝固结阶段相对于其他岩相其冷凝固结阶段去气作用形成的原生气孔更多, 这是火山熔岩物性好于其他岩类的基础。虽然这些气孔由于充填作用被全充填或部分充填, 但气孔内充填物绿泥石、沸石、方解石等多是在碱性和弱碱性条件下形成, 有机酸优先溶蚀这些区域, 溢流相上部亚相在深埋阶段孔隙度增加较大。溢流相上部亚相为脆性火山熔岩, 其在构造破碎作用下也可产生较多的裂缝。溢流相下部亚相虽然原生储集空间发育程度较小, 但岩石脆性强, 裂缝容易形成, 因此构造破碎作用对其影响最大。爆发相热碎屑流亚相既含有气孔又具有碎屑结构, 使得它受到溶蚀作用和构造破碎作用的双重影响。次火山岩相原生储集空间发育程度相对就较弱, 岩石脆性程度较弱。爆发相空落亚相和火山沉积相, 原生储集空间最少, 且岩石偏塑性, 孔隙演化程度最差。

5 有效储集层展布

通过对储集层控制因素分析, 综合评价有效储集层, 利用多因素叠合确定有效储集层展布区域。

5.1 储集层控制因素

5.1.1 岩相

原生储集空间是火山岩储集层形成的基础, 其发育受岩相控制。不同岩相的岩性、储集空间类型及原生储集空间发育程度也有所不同(表 4)。研究发现, 原生储集空间主要发育于溢流相上部亚相, 构造裂缝在溢流相下部亚相和爆发相热碎屑流亚相最发育。

表4 克— 百断裂带上盘石炭系内幕火山岩相主要储集空间及原生储集空间面孔率 Table4 Main reservoir space types and surface porosity of primary reservoir space of inside volcanic lithofacies of the Carboniferous in upper-plate of Ke-Bai fault zone

次生储集空间对为杏仁溶孔和斑晶基质溶孔。杏仁体的展布受气孔控制, 因此气孔发育较多的溢流相上部亚相更容易被溶蚀。溶蚀现象同时也多发生在碱性长石斑晶或碱性基质中。依据碱性里特曼指数的分类内幕储集层多为钙碱性和碱钙性, 越靠近的深部越偏碱钙性。依据TAS图的碱性分类, 内幕储集层越深部越偏碱性总体来说, 内幕区域越深, 岩性越偏碱性。因此深部的溢流相上部亚相更容易被溶蚀(图 9)。

图9 克— 百断裂带上盘石炭系内幕火山岩碱性垂向分布图Fig.9 Vertical distribution of alkalinity of inside volcanic rocks of the Carboniferous in upper-plate of Ke-Bai fault zone

5.1.2 构造活动

构造活动产生的构造裂缝起到改善孤立原生储集空间的作用, 构造缝常切穿气孔和角砾, 是原本孤立的原生储集空间相互连通, 同时构造裂缝也是酸性流体的运移通道, 促进了溶蚀孔缝的产生。

裂缝级次受构造应力和岩相控制, 通过统计火山岩取心井裂缝密度和产状, 结合溢流相下部亚相和爆发相热碎屑流亚相分布范围, 确定裂缝级次分布范围。Ⅰ 级裂缝发育直劈裂缝, 且裂缝密度13~24条/m, 有效裂缝最发育, 多为开启缝— 半充填缝。Ⅱ 级裂缝为高角度裂缝, 且每米岩心裂缝数为8~35条, 有效裂缝较发育, 多为半充填缝。Ⅲ 级裂缝为低角度裂缝, 裂缝密度为5~65条/m, 有效裂缝较不甚发育, 多为半充填缝— 全充填缝。Ⅳ 级裂缝为水平裂缝和网状缝, 且每米岩心裂缝数为3~27条, 有效裂缝较不发育, 多为全充填缝。

5.1.3 成岩作用

通过以上研究表明, 成岩作用中酸性流体溶蚀作用对内幕的改造起着一定的作用。溶蚀研究区的酸性流体主要来自于下盘烃源岩的生烃排酸。溶蚀作用优先发生在深部碱性溢流相上部亚相, 并沿油气运移通道断层两侧进行溶蚀。

5.2 储集层综合评价

根据不同储集空间组合关系划分4类储集层, 不同储集层具有不同的物性特征(图 10)。Ⅰ 类储集层(原生— 溶蚀-Ⅰ 级裂缝型、原生-Ⅰ 级裂缝型、溶蚀-Ⅰ 级裂缝型): 为原生储集空间或溶蚀孔缝被Ⅰ 级裂缝改造, 该类储集空间组合物性最好, 平均孔隙度达32.47%, 平均渗透率达1559.39× 10-3μ m2; Ⅱ 类储集层(原生— 溶蚀-Ⅱ 级裂缝型、原生-Ⅱ 级裂缝型、溶蚀-Ⅱ 级裂缝型、Ⅰ 级裂缝型): 为原生储集空间或溶蚀孔缝被Ⅱ 级裂缝改造, 或者不发育原生储集空间及溶蚀孔缝仅仅由Ⅰ 级裂缝改造, 该类储集空间组合物性较好, 平均孔隙度为9.46%, 平均渗透率为326.15× 10-3μ m2; Ⅲ 类储集层(Ⅲ 级裂缝型): 为原生储集空间及溶蚀孔缝不发育, 由Ⅲ 级裂缝改造, 该类储集空间组合平均孔隙度为5.53%, 平均渗透率为28.10× 10-3μ m2; Ⅳ 类储集层(Ⅳ 级裂缝型): 为原生储集空间及溶蚀孔缝不发育, 由Ⅳ 级裂缝改造, 该类储集空间组合平均孔隙度为2.40%, 平均渗透率为0.16× 10-3μ m2。

图10 克— 百断裂带上盘石炭系内幕火山岩储集层分类
Ⅰ 类储集层为原生— 溶蚀-Ⅰ 级裂缝型、原生-Ⅰ 级裂缝型、溶蚀-Ⅰ 级裂缝型; Ⅱ 类储集层为原生— 溶蚀-Ⅱ 级裂缝型、原生-Ⅱ 级裂缝型、溶蚀-Ⅱ 级裂缝型、Ⅰ 级裂缝型; Ⅲ 类储集层为Ⅲ 级裂缝型; Ⅳ 类储集层为Ⅳ 级裂缝型Fig.10 Reservoir classification of inside volcanic rocks of the Carboniferous in upper-plate of Ke-Bai fault zone

5.3 有效储集层展布

新疆北部石炭系火山岩提交储量有效孔隙度下限为6%, 有效渗透率下限为0.5× 10-3μ m2(王京红等, 2011), 因此参照火山岩储集物性标准, 认为有效储集层为孔隙度大于6%、渗透率大于0.5× 10-3μ m2的储集层。有效储集层受岩相、构造断裂以及成岩作用控制。溢流相上部亚相控制原生储集空间及溶蚀物质的展布(图 5), 构造断裂控制构造裂缝和溶蚀通道的展布(图 11-a), 成岩作用中有机酸溶蚀沿溶蚀带控制次生溶蚀区域的展布(图 11-b)。

图11 克— 百断裂带上盘石炭系内幕火山岩有效储集层叠合展布图
a— 裂缝分级分布图; b— 溶蚀区分布图; c— 储集层分布图Fig.11 Efficacious reservoir distribution overlay map of inside volcanic rocks of the Carboniferous in upper-plate of Ke-Bai fault zone

将岩相分布图、裂缝分级分布图和溶蚀区分布图叠合, 共同确定储集空间展布(图 11-c)。Ⅰ 类和Ⅱ 类储集层为有效储集层, 受断裂控制, 主要分布在克— 百断裂附近, 在垂向上成条带分布, 深部的储集层由于更易溶蚀, 因此具有较好的物性特征。

6 结论

1)内幕储集层顶面最大深度位于石炭系顶面以下800, m, 岩性为基性— 中性火成岩, 包括次火山岩、火山熔岩、火山碎屑岩熔岩、火山碎屑岩和沉火山碎屑岩5大类岩石。各大类岩性按照化学成分及碎屑颗粒粒径可以分为各个小类。存在次火山岩相、爆发相、溢流相和沉火山碎屑岩相4个岩相6个亚相。

2)存在2大类14小类原生和次生储集空间。以溶蚀孔及构造缝为主。存在10种成岩作用划分4个成岩阶段, 不同岩相成岩作用类型及程度不同, 孔隙演化过程存在差异。冷凝固结成岩阶段的固结成岩作用控制原生储集空间的产生, 热液作用阶段及浅埋藏阶段, 储集空间被大幅破坏, 深埋藏阶段的构造破碎作用及溶蚀作用对次生储集的形成贡献较大。溢流相上部亚相和溢流相下部亚相孔隙演化程度最高。

3)有效储集层受岩相、构造断裂以及成岩作用控制。岩相特征控制原生储集空间及溶蚀物质的展布, 构造断裂控制构造裂缝和溶蚀通道的展布, 成岩作用中有机酸溶蚀控制溶蚀区域的展布。Ⅰ 类储集层和Ⅱ 类储集层可作为有利储集层。有利储集层主要沿克— 百断裂分布。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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