Question

火山岩孔隙演化及储层成因模式

Answer 1

在成岩演化过程中, 火山岩孔隙演化特征如下 (李伟等, 2010): ①喷发岩浆在冷凝过程中, 在熔岩和火山碎屑岩中形成各种原生气孔, 在火山角砾岩中形成原生砾间孔隙。②热液阶段发生长石、石英充填, 原生孔隙被部分充填而形成残余孔或杏仁孔。③埋藏之前暴露于地表的表生阶段, 溶蚀 (解)作用、风化淋滤作用形成次生孔隙,但同时长石晶屑产生绿泥石和风化黏土层 (古土壤), 孔隙经过二次充填。 ④岩石进入早期埋藏阶段,孔隙受早期泥晶方解石充填作用、交代作用以及压实作用的影响, 孔隙进一步缩小减少。⑤由于有机酸作用, 在中期埋藏阶段熔岩、 凝灰岩中的基质溶孔和各类角砾岩中的粒间(内) 溶孔大量形成, 同时局部发生亮晶方解石充填, 使孔隙度在增大的同时也在减小。整体而言, 中等埋藏阶段是研究区次生孔隙发育, 孔隙度大幅度提高的重要成岩演化阶段。 ⑥重结晶作用在晚埋藏阶段形成晶间微孔的同时, 沉火山角砾岩 (砂砾岩) 胶结作用进一步增强, 大大降低了孔隙发育程度。 要客观认识火山岩储层, 就必须首先正确认识不同岩性 (或岩相) 火山岩储层孔隙发育状况、 演化过程及其控制因素, 建立各主要类型火山岩孔隙演化及储层成因模式。

图4-24 火山岩成岩过程中发生的几种作用及其对孔隙的影响

1. 火山岩储层孔隙演化模式

根据岩性岩相分类以及储层孔隙类型、孔隙演化和储层物性控制因素的差异性, 将准噶尔盆地石炭系火山岩孔隙演化模式归纳成4种类型, 即: ①基性—中性溢流相的玄武岩和安山岩、 ②中酸性溢流相的英安岩和流纹质的英安岩、 ③爆发相的火山角砾岩、 ④喷发沉积亚相的凝灰岩。 最其中①、 ③是准噶尔盆地火山岩储层的主要岩石类型。

(1) 爆发相火山角砾岩储层孔隙演化模式

火山角砾岩在准噶尔盆地石炭系火山岩中比较常见, 该类岩石的原生孔隙主要为裂缝, 其中最常见的是砾间缝和角砾岩基质 (火山灰) 受冷凝收缩形成的龟状裂纹。 该类火山岩在风化淋滤阶段主要沿裂缝发生一些蚀变和充填作用, 基本上是由暗色不稳定矿物的蚀变和碳酸盐类矿物 (方解石) 的充填。 火山角砾岩在埋藏成岩作用阶段发生的胶结和交代作用也主要是沿裂隙、 裂缝发生, 部分火山角砾的粒间和火山角砾中晶间也可见到少量碳酸盐类、 黏土类或沸石类矿物的充填或胶结。 在这一阶段发生的构造作用往往是对该类火山岩储层物性影响最大的作用。 由于火山角砾岩中裂隙和裂缝比较发育,受到构造作用后火山角砾岩比其他火山岩更易发生破碎, 形成更多的裂隙和裂缝。 在溶蚀改造阶段, 由于火山角砾岩中裂缝发育, 孔隙流体运动流畅, 常沿裂隙边缘发育溶蚀扩大孔 (缝)。 油气成藏过程中, 如果有火山角砾岩成为储集岩, 那么肯定构造作用是对其孔渗条件影响最大的因素。 火山角砾岩通常是火山岩中物性较好的岩石类型, 特别是在火山口和大断层附近发育的火山角砾岩, 其孔隙度常可达到10%以上 (图4-25)。

图4-25 爆发相火山角砾岩储层孔隙演化模式图

(2) 溢流相玄武岩、 安山岩储层孔隙演化模式

准噶尔盆地石炭系玄武岩和安山岩通常为灰色和褐灰色, 致密块状, 常具有交织结构、含斑结构, 气孔状构造。该类岩石的原生孔隙最主要的是气孔, 气孔含量变化非常大(3%～30%以上), 气孔含量主要取决于岩浆中挥发组分的含量。 因此, 在离火山口较近的玄武岩和安山岩, 以及岩浆表层的玄武岩和安山岩中气孔相对比较发育。 此外, 玄武岩和安山岩中还发育有少量晶间孔和收缩缝 (解理缝), 但这些原生孔隙含量都较低, 对该类岩石储层物性影响不大 (图4-26)。 石炭系火山岩形成后大都遭受较长时间的风化淋滤作用, 在风化淋滤阶段, 玄武岩和安山岩基质 (主要为长石微晶) 和斑晶常发生不同程度的绿泥石化、 蒙脱石化, 在这一阶段部分气孔也可能被淡水方解石充填。 之后, 该类储层进入了埋藏成岩作用和构造作用阶段, 在该阶段储集岩中发育的破坏性成岩作用主要为胶结、 交代作用, 气孔被黏土矿物和碳酸盐矿物大量充填, 晶间孔和基质孔隙中也常充填有碳酸盐类、 沸石类和黏土类等矿物。 但构造作用下, 部分岩石发生断裂和破碎。 产生的裂隙不但改善了岩石的储集性, 而且为后期油气的运移和聚集创造了有利条件。 随着埋藏深度的增加, 富含有机酸和羧酸的酸性孔隙流体进入火山岩储层, 将对玄武岩和安山岩气孔中的碳酸盐矿物、 斑晶和基质中的长石等不稳定矿物发生溶蚀, 形成的次生溶蚀孔隙改善了该类火山岩储层物性条件。 该类火山岩形成的有效油气储层, 其中最主要的储集空间主要为气孔中 (包括杏仁体中) 原生或次生的孔隙和构造裂缝, 其他孔隙类型对储层物性条件影响相对较小。 研究区玄武岩和安山岩非常发育, 分布极为广泛, 该类岩石通常物性条件并不是很好, 孔隙度大都低于10%。 气孔发育的和熔渣状玄武岩的物性条件通常较好, 孔隙度常达到15%以上。 但是这类岩石分布相对比较局限, 主要分布于火山口附近,并与火山爆发规模存在密切关系。

图4-26 溢流相玄武岩、 安山岩储层孔隙演化模式图

2.风化壳型、 原生型火山岩储层成因模式

准噶尔盆地火山岩主要形成于石炭-二叠纪, 经历了中、新生代漫长的后生成岩作用,形成了该地区独具特色的火山岩储层类型: 风化壳型火山岩储层和原生型火山岩储层 (图4-27, 表4-11)。 两类火山岩储层早期都经历了成岩作用阶段的喷发冷凝作用、 火山活动后期的热液作用以及火山喷发间歇期的表生作用, 后期由于构造、埋藏作用的不同产生分化。

图4-27 准噶尔盆地石炭系火山岩储层成因模式图

表4-11 石炭系火山岩储层类型特征对比表

(1) 风化壳型火山岩储层

石炭系末期, 准噶尔盆地构造运动剧烈, 在挤压构造环境下形成大范围的隆起, 石炭系顶面长期暴露剥蚀形成全区构造不整合面。 在温带半干旱气候下, 暴露的火山岩长期遭受大气淡水的风化淋滤作用, 形成纵向厚度大、 平面上分布范围广的风化岩层。 该风化岩层经中新生代深埋作用和地层流体的进一步溶蚀作用, 从而构成该区最有利的储层类型——风化壳型火山岩储层。 在构造高部位, 大气淡水淋滤时间长, 次生孔隙发育; 而在构造低部位, 溶蚀作用形成的孔隙多数已被绿泥石、 方解石充填。 风化程度的强弱是影响风化壳储层储集性能的关键。 一般通过矿物的蚀变程度、黏土矿物类型、碱金属和碱土金属的减少来判断储层风化程度的强弱。 常见矿物的抗风化能力由小到大的次序为: 方解石<橄榄石<辉石<角闪石<长石<云母<黏土矿物<石英。 随着风化程度的加强岩石中的Ca、 Na、 Mg、 K及SiO₂等流失的程度逐渐加强, 因此相同矿物蚀变程度的强弱也是判别风化程度的主要依据。

风化壳储层在地震上表现为低速、低密度、低阻抗值, 与致密火山岩形成鲜明对比,反演效果良好, 应用波阻抗反演可有效预测风化壳储层的平面展布特征。

(2) 原生型火山岩储层

在石炭系内部, 大部分火山岩由于上覆岩层厚, 在地质年代中一直处于深埋状态, 未遭受长期的暴露和风化淋滤。 火山岩原生储集空间, 在经历后生成岩作用阶段的埋藏压实、热液蚀变填充、地层水和有机酸溶蚀等作用后, 大部分原生孔隙得以保留, 储集空间以原生孔缝为主, 构成该区与风化壳型储层完全不同的另一类有利的储层类型——原生型火山岩储层。