0 引言
针对玛湖凹陷南斜坡风城组火山岩储层研究程度较低的问题，本文根据研究区的岩心、钻井与录井资料、常规测井、地层微电阻率成像测井（FMI）和多种分析化验数据，对火山岩的储层特征进行系统研究，总结火山岩储层的控制因素，结合区域构造背景分析风城组火山岩风化壳储层的有利成藏条件，以期对今后风城组火山岩整体认识和勘探突破打下基础。
1 研究区地质背景
研究区位于准噶尔盆地西北缘玛湖凹陷南斜坡，北西方向与克百断裂带相邻，南东方向为玛湖凹陷中心部位（图1），整体为一大型平缓、向南东方向倾斜的单斜构造，二叠系倾角为3°~8°，局部发育低幅度平台以及与构造、地层有关的鼻凸构造。西北缘地区在石炭纪—早二叠世时期构造活动强烈，历经多次构造抬升[10]，火山作用较为频繁，石炭系、下二叠统佳木河组、下二叠统风城组均见火山岩。风城组是本文研究的目的层段，根据岩性和沉积旋回可将风城组划分为3段，自下而上分别为风一段、风二段和风三段。风一段和风三段沉积物粒度较粗，岩性主要为扇三角洲成因的砾岩和含砾砂岩，风二段以中砂岩和细砂岩为主，顶部发育一套较为稳定的溢流相火山岩。
2 火山岩储层特征
2.1 岩性特征
研究区在石炭纪—早二叠世长期暴露于地表，由于风化剥蚀作用，位于克百断裂带的风二段火山岩近火山口岩相全部被剥蚀，现存的远火山口相分布于中拐凸起和玛湖凹陷斜坡区，整体较薄，厚度为10.7~45.2 m。同时，根据目前已有钻井的火山岩分布情况、厚度，结合地震波阻抗反演，确定了风二段火山岩的分布范围，其面积约为237 km2（图1），岩性以中基性玄武岩、安山岩和角砾—凝灰岩为主。该套火山岩自下而上可划分为3期，第一期和第三期为中基性火山溢流相，岩性主要为玄武岩和安山岩，第二期为溢流相和火山爆发相，岩性以安山岩、玄武岩和凝灰岩为主[图2（a），图2（b）]。根据K202、K204、Mh1、K81及Jl51等5口井32块样品的铸体薄片分析，玄武岩和安山岩中常见块状构造、杏仁构造和气孔构造[图2（c）—图2（f）]，气孔多呈圆—椭圆状，被全部充填或部分充填。根据4口井17块样品的全岩分析，玄武岩矿物组分主要为斜长石（65%~82%）、辉石（4%~8%）、橄榄石（1%~4%）、玻璃质（0~15%）、方沸石（1%~5%）、磁铁矿（0~4%），具有间粒、间隐结构[图2（g），图2（h）]，自形、半自形板条状微晶斜长石搭成的不规则格架，部分被辉石、磁铁矿充填形成间粒结构，部分被隐晶质—玻璃质充填形成间隐结构。相比于玄武岩，安山岩的辉石含量较低（1%~5%），基质中可见石英（1%~4%），具有交织结构和连续、残余玻晶交织结构[图2（i），图2（j）]，杂乱排列的斜长石微晶格架间隙被玻璃质、辉石、黑云母充填，个别被角闪石及少许细粒磁铁矿充填。凝灰岩主要由火山灰组成，碎屑粒径为0.1~0.6 mm，具角砾—凝灰结构[图2（k）]，常见绿泥石化、沸石化，包括玄武质角砾—凝灰岩和安山质角砾—凝灰岩。
图2 火山岩储层岩性特征及孔隙类型图（a）玄武岩，Mh16井，4 427.30~4 427.43 m，岩心；（b）杏仁玄武岩，Mh16井，4 374.85~4 374.99 m，岩心；（c）安山岩，K202井，3 965.53~3 965.68 m，岩心；（d）杏仁安山岩，K204井，4 381.70~4 381.84 m，岩心；（e）杏仁玄武岩，K204井，4 378.43 m；（f）杏仁玄武岩，K204井，4 381.51 m；（g）杏仁玄武岩，间粒结构，Mh1井，4 442.00 m；（h）杏仁玄武岩，间粒—间隐结构，Mh1井，4 440.00 m；（i）安山岩，交织结构，基质溶孔、半充填气孔、微裂缝，K204井，4 384.47 m；（j）蚀变杏仁安山岩，残余玻晶交织结构，半充填缝，K204井，4 381.51 m；（k）凝灰岩，角砾—凝灰结构，粒间孔，粒间溶孔，K204井，4 382.98 m；（l）杏仁安山岩，连续玻晶交织结构，半充填气孔，杏仁溶孔，K204井，4 382.37 m；（m）杏仁安山岩，半充填气孔，K204井，4 380.73 m；（n）安山岩，基质收缩孔，基质溶孔，K81井，3 891.78 m；（o）安山岩，微裂缝，基质溶孔，K81井，3 892.80 m；（p）安山岩，微裂缝，K204井，4 387.78 m Fig.2 Lithologic feature and pore type of volcanic reservoir |
2.2 孔隙类型与特征
研究区风城组火山岩储层发育原生气孔、次生溶孔以及微裂缝，属于孔隙—裂缝双重介质型火山岩储层。原生孔隙以半充填气孔为主[图2（l），图2(i）]，是气孔被绿泥石、沸石、方解石等半充填后剩余的孔隙，占储层总孔隙的38%。次生溶孔包括风化溶蚀孔洞、杏仁溶孔和基质溶孔，风化溶蚀孔洞主要位于风化壳上部，是火山岩由于风化淋滤作用而形成的孔洞，最大直径一般为5~35 mm，越靠近风化面溶蚀孔洞的密度和孔径越大。除溶蚀孔洞外，还发育有杏仁溶孔、基质（晶间）溶孔、基质收缩孔[图2（n），图2(o）]，但整体含量较少。受到构造和风化作用的影响，储层还发育大量的微裂缝[图2（o），图2(p）]，这些微裂缝为半充填或未被充填，对储层的物性也起到关键作用，特别是对气孔和溶孔不发育的致密储层段，微裂缝是重要的储集空间。
此外，根据Mh5、Mh7、Mh6、K201、K202、K204及Jl51井等7口井52.06 m的岩心以及FMI测井图像(图3)，研究区火山岩中裂缝非常发育，平均裂缝密度为9.98~25.5条/m，平均裂缝宽度为0.15~0.24 mm，也是一种重要的储集空间和渗滤通道。风城组火山岩裂缝受构造作用影响，主要呈北西南东走向，包括高角度缝、网状缝以及少量的低角度缝，其中高角度缝一般延伸长，裂缝张开度大，部分或全部被充填，多条裂缝相互交错可形成网状缝，高角度缝和网状缝对储层的储集空间和渗透性起决定性作用，而低角度缝一般延伸短、张开度小，对储层的影响相对较小。
2.3 储层物性特征
根据Jl51、Mh5、Mh16等8口井182块样品的孔渗分析实验，风城组玄武岩和安山岩整体属于低孔、特低渗储层，孔隙度为0.29%~16%，渗透率为(0.001~2.68)×10-3 μm2。由于火山岩的非均质性很强，气孔、溶孔以及微裂缝发育层段孔渗性远高于不发育孔缝的致密层段，使得整体样品的孔隙度和渗透率相关性较差（相关系数仅为0.28）。风城组致密火山岩孔隙度为0.29%~10.8%，平均为2.01%，而孔、缝相对发育的层段孔隙度为4.5%~16%，平均为7.8%。
3 火山岩储层控制因素
3.1 早期火山作用决定气孔发育程度
玛南斜坡风二段火山岩可划分为3期火山作用，在自然伽马测井曲线上呈现出明显的三段式，3期火山岩之间为喷发/溢流间断界面，不同期次间有一定的时间间断[11]（图4）。3期火山岩中上部原生气孔（杏仁体）都十分发育，下部气孔基本不发育。以Mh5井为例[图5（a），图5（b）]，风二段顶部4 291.4~4 296 m、4 278~4 291.4 m、4 272.2~4 278 m分别为I、II、III期火山岩，火山岩可明显划分为气孔段和非气孔段。FMI测井可有效的识别火山岩气孔，受泥浆侵入的影响，气孔一般呈反映较低电阻率的黑色，形状为圆—椭圆状，气孔段在FMI图像上整体呈暗色，可见多个明显的孔洞。非气孔段气孔不发育，致密的火山岩具有高电阻率的特征，在FMI图像上表现为高阻亮色。此外，气孔段测井密度（DEN）较低，一般为2.43~2.56 g/cm3，表明储层物性相对较好，非气孔段为2.55~2.8 g/cm3，储层物性相对较差。Mh5井气孔段均位于每期火山岩的顶部，第I期火山岩的气孔段为4 291.4~4 293.5 m，厚度为2.1 m；第II期火山岩的气孔段为4 278~4 283.6 m，厚度较大，达5.6 m；第III期火山岩的气孔段为4 272.2~4 273.4 m，厚度为1.2 m。
图5 单井火山岩气孔带分布（a）Mh5井风二段火山岩柱状图，根据岩性、GR、RT和DEN可划分为I、II、III共3期火山岩;(b)Mh5井火山岩对应的FMI图像，各期火山岩顶部为气孔段，3期火山岩的气孔段自下而上气孔密度和孔径有增大的趋势;(c)Mh5井火山岩岩心特征:图5(c)-①为4 272.66~4 272.72 m岩心照片，气孔非常发育，以半充填和未充填为主，岩心表面见原油;图5(c)-②为4 273.33~4 273.44 m岩心照片，气孔较发育，充填和半充填为主;图5(c)-③为4 274.06~4 274.18 m岩心照片，未见明显气孔，岩性致密 Fig.5 Distribution of bubble in vertical |
每一期火山岩自上而下气孔数量和孔径都逐渐减少，Mh5井4 272.07~4 274.63 m取心段位于第III期火山岩上部[图5（c）]，岩心上可以观察到上部气孔十分发育，4 272.07~4 272.78 m气孔密度为120~150个/10 cm，气孔直径为0.2~1.8 cm，大多未被充填，少数被方解石半充填；取心段中部4 272.78~4 273.4 m气孔数明显减少，平均为50~80个/10 cm，孔径为0.1~1.1 cm，被方解石充填—半充填；4 273.4~4 274.63 m为气孔不发育段，岩性致密，几乎不存在气孔。
研究区在风二段火山作用时期处于陆上条件，沿断裂溢流的中基性熔岩中存在大量挥发份，熔岩缓慢冷却成岩过程中，挥发份逐渐向上溢出，在熔岩完全固结后还未溢出的挥发份便在上部形成了层状分布的气孔[12]。因此，风二段气孔主要位于每期火山岩的上部，向下气孔发育程度逐渐降低，直至无原生气孔。早期火山作用形成的原生气孔多被后期成岩作用形成的方解石、沸石等充填，表现为半充填气孔或杏仁体。
3.2 后期风化作用控制溶蚀孔、裂缝的形成
3.2.1 土壤带
位于火山岩风化壳的最上部，厚度较小，一般为0~4 m，是研究区安山岩、玄武岩在地表条件下受风化作用而形成的细粒残积物，包括黏土和火山岩细小颗粒。土壤带上部主要为黏土，是高度风化的产物，氧化铁含量较高，一般呈暗红色或褐色，在土壤带之下的火山岩中常见充填在裂缝中的暗红色黏土（图6），黏土矿物以高岭石为主。土壤带下部火山岩细小颗粒逐渐增多，风化黏土逐渐减少，且以风化程度稍弱的黏土矿物为主，可见绿泥石、沸石和方解石等火山岩中斜长石初步风化的产物。土壤层以黏土质为主，在测井曲线上表现为高自然伽玛值的特征，GR值在150 API左右，高于正常泥岩，不能作为有效储层。
3.2.2 淋滤带
淋滤带位于土壤带之下，风化作用相对减弱，以地表水的淋滤作用为主，火山岩呈半破碎状态，黏土化程度减弱，研究区内处于淋滤带的火山岩厚度一般为7~20 m。淋滤带溶蚀作用较强，溶孔非常发育（图6），最多可达50~200个/10 cm（K80井）。火山岩中一般以抗溶蚀能力较弱的气孔、杏仁体处开始形成溶蚀孔洞，随溶蚀作用增强孔洞逐渐增大，最大可达60 mm×40 mm，一般为6 mm×7 mm，少部分孔洞被方解石充填—半充填，其余均未受到后期充填。气孔较少的致密段抗溶蚀能力较强，溶孔相对不发育。淋滤带裂缝主要为不规则的微细裂缝，长度为4~10 cm，缝宽为1~2 cm。部分火山岩经蚀变作用形成蚀变玄武岩、蚀变安山岩（图6），斜长石易蚀变钠黝帘石化，火山岩中普遍见绿泥石化、碳酸盐化。
淋滤带相对于母岩具有低电阻、低密度的特征，地层微电阻率成像测井（FMI）图像上可见多个大小不一的溶蚀孔洞，整体溶蚀孔洞和裂缝较发育，可形成物性较好的洞—缝型火山岩储层，特别是淋滤带的气孔段是风城组火山岩风化壳中储层物性最好的层段，孔隙度可达12%~16%。
3.2.3 崩解带
风化壳崩解带裂缝非常发育，裂缝的类型主要是不规则网状缝和低角度缝，自上而下裂缝密度减小，缝长增加。根据Mh5、Mh16等井的岩心资料，崩裂带上部裂缝密度为9~15条/10 cm，缝长为3~12 cm，缝宽为0.5~3 cm，下部裂缝密度一般为3~10条/10cm，缝长为4~22 cm，缝宽为0.5~10 mm，裂缝被方解石充填或半充填（图6）。溶蚀孔洞不发育，只在气孔段见少量溶孔，孔洞密度最大为10~30个/10 cm，且大多被杏仁体充填或半充填，连通性差。显微镜下可观察到绿泥石化现象，但较土壤带和淋滤带已显著减少。
由于崩解带之下为致密的母岩，风化淋滤水多滞留于该层，水中携带的泥质和放射性物质多沉淀于裂缝中，使得自然伽马曲线幅度变化较快，呈“刺峰状”，在FMI图像上可见多条明显的断裂将火山岩切割为半破碎状（图6）。崩解带的裂缝能够有效的改善致密火山岩的储层物性，形成裂缝型火山岩储层，但受限于溶蚀孔洞不发育，其储层物性稍差于淋滤带，孔隙度一般为3%~12%，崩解带上部的储层物性好于下部，气孔段好于非气孔段。
3.2.4 母岩
母岩是未遭受风化作用的原岩，由于风化淋滤作用波及不到，裂缝和溶蚀孔洞均不发育，整体为致密的火山岩。裂缝主要为构造成因的高角度缝或直劈缝，裂缝延伸长度大，但充填程度较高。母岩气孔段可见半充填气孔或杏仁溶蚀孔，同时发育少量的微裂缝（图6）、基质溶孔和粒内溶孔。测井曲线上表现为低伽马、高电阻、高密度的特征，由于岩性致密、均一，其测井曲线平滑稳定，FMI上表现为高阻的亮色，储层物性很差，孔隙度一般为1%~6%。
3.3 火山岩储层发育模式
玛南斜坡风二段火山岩储层受到早期火山作用和后期风化作用的影响，早期火山作用决定了气孔的发育程度，气孔主要集中在各期火山岩的上部，虽大多被充填—半充填形成杏仁构造和半充填气孔，但储层物性远好于气孔不发育段。风城组与上覆的二叠系夏子街组为不整合接触，风城组沉积晚期研究区构造抬升接受风化作用，火山岩风化壳结构中淋滤带溶蚀孔洞最为发育，储层物性最好，崩解带主要为裂缝型储层。
因此，早期火山岩气孔和后期风化作用共同控制了储层的发育程度。火山岩中气孔段储层物性明显好于非气孔段，且抗风化能力较差，气孔和杏仁体极易遭受淋滤作用而形成溶孔，处于淋滤带的气孔带储层物性最好，为I类储层，其溶孔和裂缝都十分发育，孔隙度为12%~16%（表1），且由于淋滤作用向下逐渐减弱，II期火山岩气孔段物性要好于I期，III期火山岩气孔段最好；处于淋滤带的非气孔段也可见溶蚀孔洞，但由于非气孔段抗风化淋滤作用明显强于气孔段，使得淋滤带非气孔段的溶孔较小，分布较少，为II类储层，孔隙度一般为6%~13%；崩解带储集空间以裂缝为主，气孔段还发育较多的半充填气孔，孔隙度一般为7%~12%，非气孔段为裂缝型储层，孔隙度为3%~7%；母岩带无溶蚀孔洞、裂缝也极少见，起不到改善储层的作用，母岩带的气孔段孔隙主要为半充填气孔，非气孔段则几乎不发育有效孔隙，岩性十分致密，孔隙度为1%~3%，属于IV类储层。
表1 火山岩储层分类特征Table 1 Division and characteristics of volcanic reservoir |
| 风化壳结构 | 气孔发育程度 | 孔、缝发育特征 | 储层类型 | 孔隙度/% |
|---|---|---|---|---|
| 土壤带 | 无 | 无 | 非储层 | |
| 淋滤带 | 气孔段 | 溶孔（孔径大、密度大）、裂缝 | I | 12~16 |
| 非气孔段 | 裂缝、溶孔（孔径小、密度小） | II | 6~13 | |
| 崩解带 | 气孔段 | 裂缝、半充填气孔、溶孔（少量） | II | 7~12 |
| 非气孔段 | 裂缝 | III | 3~7 | |
| 母岩 | 气孔段 | 半充填气孔、裂缝（几乎不发育） | III | 2~6 |
| 非气孔段 | 少量裂缝（几乎不发育） | IV | 1~3 |
4 火山岩风化壳成藏规律
4.1 风化作用决定储层的分布
研究区风城组火山岩原岩主要为致密的中基性玄武岩和安山岩，原生气孔多数被后期充填，只有少部分半充填气孔可作为储集空间，后期风化作用形成的溶孔和裂缝是储层物性好坏的关键。火山岩风化壳结构中以淋滤带气孔段的储层物性最好，溶蚀孔洞和裂缝都十分发育，其次为崩解带上部，主要为裂缝型储层，火山岩风化壳中淋滤带和崩解带的分布决定了储层的发育情况。
不同地区的风化程度以及风化壳结构存在差异，玛湖凹陷南斜坡在风城组火山岩出露地表接受剥蚀时期为一北西高、南东低的单斜构造，受古地貌的影响，研究区构造高部位、中部、低部位风化程度和风化壳结构样式各不相同。斜坡高部位火山岩风化严重，火山岩已经完全剥蚀殆尽，缺失整个风化壳结构；斜坡中部风化作用较强，并且由于该套火山岩地层较薄，使得火山岩整体都受到风化淋滤作用的影响，母岩厚度较小，一般为0~8 m，风化壳结构以淋滤带和崩解带为主，顶部缺失由黏土和细小火山岩颗粒组成的土壤带；斜坡低部位由于风化剥蚀物覆盖以及风化作用相对较弱，火山岩风化淋滤程度较低，整体以崩解带和母岩为主。综合而言，研究区内斜坡中部火山岩风化壳储层最为有利，淋滤带和崩解带火山岩厚度大（18~30 m），呈条带状展布，整体储层物性最好。
4.2 断裂—鼻凸—风化壳控制油气运聚
准噶尔盆地西北缘主要发育3种类型的断裂：第一类为形成于海西—印支早期的北东—南西向断裂，主要受到挤压作用的影响；第二类为形成于印支期的东西向或北西—南东向走滑断裂，在走滑挤压作用下形成了多个鼻凸构造；第三类为与走滑断裂相伴生的小型逆断裂，走向主要为北西—南东向[15]。研究区主要发育第二类和第三类断裂，这2类断裂在剖面上组合呈“Y”字型，构成花状构造，区域上断裂、鼻凸构造和火山岩风化壳共同控制了油气的运聚，主要体现在以下3点：①断裂控制油气运移，决定了油气纵向和平面上的分布范围，研究区内东西向大型走滑断裂主要包括大侏罗沟走滑断裂和克81井走滑断裂，深大断裂可沟通玛湖凹陷低部位风城组油源，油气沿断裂垂向、侧向运移，同时大型走滑断裂与伴生的小型断裂相匹配，使得油气进一步运移扩散在平面上广泛分布，目前已经在这2条断裂附近发现了多个油藏，是区域上重要的油气富集区；②断裂和鼻凸形成的圈闭控制油气聚集，研究区火山岩已发现的油藏多为断背斜圈闭类型，油气主要分布在鼻凸之上，油气沿断裂进入火山岩后，主要聚集在构造部位相对较高的鼻凸带，研究区内风城组二段火山岩高产井K204、K80、Jl49等井均位于鼻凸之上，而鼻凸间相对低凹的K821、K205等井产油量低或为干层（图7）；③此外，不整合面风化壳内的淋滤带和崩解带不仅是储层发育区，也起到了油气横向疏导作用，特别是裂缝发育的崩解带极大地增强了油气的渗流运移作用。
4.3 火山岩风化壳成藏模式
斜坡区风二段玄武岩和安山岩原岩较致密，只在每期火山岩上部的气孔段发育部分半充填气孔，但由于受后期构造作用暴露于地表，在风化淋滤条件下形成了一套储层物性较好的火山岩风化壳，风化壳垂向结构中淋滤带和崩解带的储层物性最好，发育洞—缝型储层和裂缝型储层，淋滤带和崩解带的分布控制了有利储层。受古地貌影响，玛南斜坡区火山岩风化壳在不同地区具有不同的结构特征，斜坡中部淋滤带和崩解带厚度大，是火山岩储层最有利的区域。玛湖凹陷低部位风城组碱湖相烃源岩形成的油气沿大型走滑断裂—小型伴生断裂—火山岩风化壳，在垂向、侧向上高效运移，最终在鼻凸构造控制的圈闭成藏，因此斜坡中部鼻凸带是风城组二段火山岩风化壳油藏发育最为有利的区域。
5 结论
（1）玛南斜坡区风二段火山岩以玄武岩和安山岩为主，储层中溶蚀孔洞和裂缝发育，原生孔主要为半充填气孔，次生溶孔包括溶蚀孔洞、基质（晶间）溶孔、基质收缩孔等，属孔隙—裂缝双重介质型储层。
(2)风二段火山岩受早期火山作用和后期风化作用共同控制，气孔主要分布于每期火山岩的上部，向下气孔发育程度逐渐降低，直至无原生气孔。风化壳自上而下可划分为土壤带、淋滤带、崩解带和母岩，淋滤带发育洞—缝型储层，崩解带发育裂缝型储层，受古地貌影响，斜坡中部是淋滤带和崩解带厚度最大的区域，储层条件最好。
(3)凹陷中心烃源岩生成的油气沿大型走滑断裂—小型伴生断裂—火山岩风化壳的路径高效运移，在鼻凸构造圈闭部位聚集成藏，斜坡中部鼻凸带风二段火山岩风化壳成藏条件最为有利，是今后勘探的重点区域。
甘公网安备 62010202000678号
