引用本文
Liu Xiaohong,Feng Mingyou,Xi Aihua,et al.Formation and evolution of the reservoir space of subvolcanic reservoir:A case study of the well Dixi 18 area in Kelameili Gasfield[J].Natural Gas Geoscience,2016,27(2):278-288.[刘小洪,冯明友,郗爱华,等.次火山岩储层储集空间形成及演化——以克拉美丽气田滴西18井区为例[J].天然气地球科学,2016,27(2):278-288.]
doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2016.02.0278
次火山岩储层储集空间形成及演化
关键词: 克拉美丽气田 滴西18井区 石炭系 次火山岩储层 正长斑岩
中图分类号:TE122.2+22 文献标志码:A 文章编号:1672-1926(2016)02-0278-11
Formation and evolution of the reservoir space of subvolcanic reservoir:A case study of the well Dixi 18 area in Kelameili Gasfield
Key words: Kelameili Gasfield; Well Dixi 18 area; Carboniferous; Subvolcanicy reservoirs; Syenite porphyry;
引言
石炭系火山岩是我国西部深部油气勘探新领域,在准噶尔盆地显示出广阔油气远景[1]。近年来,在准噶尔盆地腹部滴水泉凹陷南侧的滴南凸起发现了克拉美丽千亿立方米大气田,储层主要为石炭系火山岩[2]。目前已发现滴西10井区、滴西14井区、滴西17井区及滴西18井区等4个较大规模的气藏[3](图1),主力气层为上石炭统巴塔玛依内山组(简称巴山组),火山岩以陆上中心式和裂隙式喷发为主,主要发育中基性和中酸性火山岩,垂向上与沉积岩组成多套叠置的复合岩体[4,5],主要储集岩性为溢流相的玄武岩、爆发相的凝灰质角砾岩以及次火山岩相的正长斑岩[6,7],储层经历了复杂的成岩过程及多期次的构造运动,储集空间类型及分布方式多样[8]。其中,滴西18井区气藏由4个相互叠置的次火山岩体组成,为孔隙—裂缝双重介质火山岩储集体[9],射孔段平均日产气量超过10×104m3,最高可达55×104m3,显示了良好的勘探开发前景。 次火山岩形成于火山旋回的同期或后期,是岩浆在构造有利部位侵入到围岩中冷凝而成,与喷出地表的火山岩有同源关系,发育位置与多向或多组断裂有关[10]。次火山岩储层裂缝发育部位纵横向连续性较差,储层非均质性强,预测难度大[9]。本文以克拉美丽气田滴西18井区次火山岩储层为研究对象,在岩心观察与描述基础上,通过铸体薄片鉴定、化学元素分析、扫描电镜观察以及阴极发光分析等,探讨次火山岩储层储集空间发育的控制因素及演变规律,为我国类似火山岩储层形成机理研究提供理论依据。
1 次火山岩发育的地质背景
石炭纪是准噶尔—吐哈地块由地块裂离、拼合到克拉通内坳陷盆地演化的过渡时期,在早、晚石炭世分别经历了由伸展到聚敛的发展旋回,早石炭世以海相沉积为主,晚石炭世发育海陆交互相与火山岩建造[4]。油气成藏主要受石炭系滴水泉组和二叠系平地泉组2套烃源岩控制,在石炭系火山岩储层中形成自生自储型和上生下储型油气藏,盖层为二叠系和三叠系泥岩[11,12]。 火山喷发活动发生于早石炭世(321~369Ma)与板块俯冲作用相关的活动大陆边缘岛弧挤压构造环境[13]。巴山组自下而上发育下部(C2b1)、中部(C2b2)以及上部(C2b3)3个喷发沉积旋回,每个旋回火山能量由强变弱,形成下部火山岩、上部沉积岩的多套组合。火山岩岩相分区性明显,整体呈现西北部以中—基性溢流相为主,中部以爆发相和火山沉积相为主,东南部以中—酸性溢流相为主。其中,滴西18井区为厚层块状中—酸性浅成侵入岩与沉火山岩交互型建造的火山机构[7],火山口位于滴西8井附近,次火山通道依托滴水泉西断裂[5]。次火山岩主要发育于火山喷发沉积旋回的中、上部,火山岩体顶面整体表现为以滴西18井为中心的似背斜构造,向两侧构造降低,南边为断层所封挡,向其他方向逐渐尖灭(图2)[5]。 由于该套侵入岩侵入深度普遍小于1.5km,且与火山作用具有密切联系,因此本文将其归为次火山岩相。受石炭纪末整体抬升背景控制,火山岩遭受剥蚀,储集层主要位于石炭系顶部不整合面附近,受风化淋滤改造比较明显[12]。
2 次火山岩岩石学特征
2.1 岩石类型及特征
2.1.1 正长斑岩
正长斑岩具似斑状结构,斑晶主要为正长石,自形程度高,粒度为1~5mm,表面污浊,普遍发生高岭土化,具卡斯巴双晶[图3(e)]。基质主要为微晶—细晶结构的正长石和少量石英、黑云母,黑云母含量普遍小于5%,表面常被氧化呈暗褐色[图3(e)]。
2.1.2 二长斑岩
二长斑岩具似斑状结构,斑晶主要为正长石和斜长石,见较多的暗色矿物斑晶:正长石表面污浊、具卡斯巴双晶;斜长石表面较干净,具聚片双晶,边缘常被较脏的正长石所包围;暗色矿物主要为角闪石,含量在5%~10%之间,绿泥石化现象普遍[图3(f)]。基质主要为微晶—细晶结构的长石、黑云母以及石英,见绿泥石充填次生溶蚀孔隙[图3(f)]。
2.1.3 粗面斑岩
粗面斑岩具斑状结构、多斑结构和自碎斑结构,斑晶主要为正长石,见少量斜长石和角闪石斑晶。长石斑晶常被高岭石、硅质以及方解石等矿物交代[图3(g)]。基质为隐—显晶质结构,由板条状微晶长石构成粗面结构,见冷凝收缩作用形成的近似于六边形的收缩缝以及隐爆作用形成的炸裂缝[图3(g),图3(h)]。
2.2 化学成分特征
根据岩石化学分析结果,滴西18井区次火山岩化学成分以SiO2为主,平均含量为66.3%;其次是Al2O3,平均含量为15.2%;K2O+Na2O的平均含量为9.66%,Fe2O3的平均含量为4.71%、CaO的平均含量为1.42%,MgO的平均含量为0.45%,里特曼指数为2.99~6.04,平均为4.06。由于化学成分中SiO2含量偏高,普遍大于65%,不少学者将其归为酸性岩大类,岩石类型为花岗岩、花岗斑岩[3,4],也有认为是正长斑岩[5,6]。 根据岩石里特曼指数在3.3~9之间,w(K2O+Na2O)=9%~10%,K2O/Na2O>1等[14],结合石英含量少(小于20%),斑晶矿物主要为正长石,基本不见石英等特征,经综合分析后认为,滴西18井区广泛发育的次火山岩应属中性偏碱性岩,岩石类型主要为正长斑岩、二长斑岩以及粗面斑岩,而不应定名为花岗岩、花岗斑岩。 岩石中SiO2含量偏高主要是由于岩石中含有以下3种成因的石英:①岩浆结晶作用形成的基质石英,主要呈半自形—自形粒状与斑晶长石及基质长石近于同时形成;②交代作用形成的石英,主要呈蠕虫状发育于钾长石边部;③成岩作用过程中形成的自生石英,充填次生溶孔、裂缝或围绕石英形成次生加大边。根据产出状态及阴极发光特征,可将上述3种石英明显的区分开[图3(i)—图3(l)],详见第3.3节。
2.3 储集空间类型及物性特征
通过铸体薄片观察,结合扫描电镜、阴极发光分析等,研究区次火山岩储集空间类型以斑晶晶内溶孔、晶间溶孔、基质溶孔以及构造缝等次生孔隙为主,产层段主要以各类次生溶蚀孔隙的组合形式出现,且由裂缝沟通成为有效储层[图3(m)—图3(p)]。 滴西18井区次火山岩孔隙度在1.7%~12.8%之间,平均为7.7%,主要分布在6%~10%范围内;渗透率主要分布在(0.01~1.0)×10-3μm2之间,最高可达200×10-3μm2以上,孔隙度、渗透率相关性较差,裂缝对渗透性的贡献性大。裂缝的存在提供了流体流动的额外通道,大大增强了油气的渗流能力,同时也为油气储存提供了附加的储集空间[15]。
3 储集空间发育控制因素分析
火山岩优质储层主要受岩相、优势岩性、裂缝、喷发期次(旋回)和成岩后生作用等5大因素控制[16]。滴西18井区次火山岩中广泛发育的次生孔隙主要是在原生孔缝的基础上,后经构造期风化淋滤作用以及埋藏期溶蚀作用改造后形成的。
3.1 岩浆冷凝作用与原生储集空间的形成
原生储集空间的形成主要受到侵入期岩浆冷凝作用的控制:岩浆冷凝作用阶段初期,岩浆中的挥发组分逸出形成气孔,随着结晶作用的进行,矿物之间形成少量晶间孔隙;岩浆结晶阶段晚期和末期,火山岩逐步冷凝固结,由岩石体积收缩产生收缩缝[17];当
图3 滴西18井区次火山岩岩性及储集空间特征
Fig.3 Lithology and pore space characteristics of subvolcanic rocks in well Dixi 18 area
图4 滴西1824井次火山岩储层综合柱状图
Fig.4 Column map of sub-volcanic rock reservoir of well Dixi 1824
图5 滴西1804井—滴西18井—滴西1823井—滴西1824井—滴西182井—滴西181井连井火山岩相对比
Fig.5 Lithofacies columnar correlation maps of wells of Dixi 1804-Dixi 18-Dixi 1823-Dixi 1824-Dixi 182-Dixi 181
3.2 风化淋滤作用与次生孔隙的形成
石炭系顶部古风化壳的存在为研究区次火山岩的溶蚀提供了渗流通道,并加剧了不整合面之下原生孔缝相对较发育的外部相带的次火山岩的溶蚀作用[20]。相比之下,位于滴西18井、滴西182井、滴西184井等构造高部位的次火山岩暴露于地表时间较长,在风化淋滤作用的影响下,易发生风化、破碎、溶蚀等作用,产生裂缝、溶孔等次生空间形成有利储层。如图3(a)所示,位于岩体顶部的次火山岩沿裂缝两侧次生溶孔发育异常,裂缝中充填地表环境下形成的含高价铁的红色风化黏土及渗流粉砂;此外,位于次火山岩中部的正长斑岩中也可见由大气淡水下渗过程中携带的渗滤泥充填次生溶孔,并与后期充填方解石构成示顶底构造的现象[21]。受古风化剥蚀面的影响,在距次火山岩顶部的一定深度内,风化缝及次生溶孔普遍发育,油气显示效果也较好(图4)[22]。 位于中心部位的火山岩厚度较大,原生渗流通道不发育,但易在构造应力作用下产生裂缝,有利于流体进入对其不稳定组分进行溶蚀,后期构造作用以及溶蚀作用改造成为该相带能否形成优质储层的关键。
3.3 埋藏成岩作用对储层的改造
3.3.1 交代作用
交代作用在研究区次火山岩储层中极为常见,主要有正长石的高岭土化、硅化、碳酸盐化以及镁铁矿物的铁染、绿泥石化等,还可见长石之间相互交代形成条纹结构、环带结构以及蠕英结构的现象[图3(e)—图3(h)]。 经过阴极发光下的图象分析,可识别出发蓝色光和不发光的2种不同类型石英与发褐色、黄色、鲜红色以及不发光的4种不同成因类型长石[图3(i)—图3(l)]。 石英发光可能是由于铝取代硅以及晶内的微量元素含量变化引起,温度常常控制石英中铝对硅的替代比例以及微量元素的溶解度;随着温度的降低,矿物中Al含量呈逐渐升高的趋势,而Ti含量则逐渐降低,石英的发光强度也逐渐减弱[24-26]。据此推断:发蓝色光呈半自形—自形石英粒状充填于长石斑晶之间的石英与斑晶长石及基质长石近于同时形成;发蓝色光的蠕虫状石英形成于高温快速冷凝的条件下,为含硅热液交代成因;充填于次生孔隙及裂缝中的石英为成岩自生石英,由于其形成温度较低,在阴极发光下不发光。 根据前人研究成果,结合岩相学特征及电子探针分析结果认为:发暗色光的为钠长石比例较高的斜长石,发黄色光的为钾长石,发血红色光的为自生钠长石,不发光的为高岭土化正长石[26-28]。根据不同发光长石相互之间的关系推测研究区长石主要经历了3个阶段的交代蚀变过程:①岩浆期后含硅热液流体作用于钾长石时,多余的SiO2在钾长石边部单独结晶形成弯曲的蠕虫状石英;当其作用于斜长石时,沿斜长石边部渗入进行交代,形成钾长石条纹及钾长石环边;②随着热液的运移及与围岩作用,热液由酸性逐渐转变为弱碱性,长石发生钠长石化现象,在其边缘及裂缝中形成富含Fe3+的发血红色光的自生钠长石,甚至交代整个长石;③成岩作用早期阶段,正长石、斜长石边缘钾长石发生高岭土化而显污浊,斜长石表面则相对较洁净。 交代作用是一种矿物代替另一种矿物的同步过程,既可以发生原有孔隙被充填,也可以形成一部分次生孔隙。如角闪石的绿泥石化、正长石的钠长石化以及高岭石化是一种建设性的作用,可形成一部分次生孔隙空间,而碳酸盐化则使岩石变得致密,储集性能几乎完全丧失。
3.3.2 溶蚀作用
当岩层处于深埋阶段时,有机质脱羧产生的大量有机酸溶液和由矿物间的相互作用产生的无机酸溶液,通过孔隙、裂缝等和火山岩体相沟通,改变了流体介质的性质,促使长石等不稳定硅酸盐矿物的溶解[29]。酸性水溶蚀作用在研究区次火山岩储层中非常常见,主要为斜长石斑晶及基质长石的溶蚀以及部分辉石、角闪石、黑云母等镁铁矿物的溶蚀[图3(m)—图3(p)]。 在酸性介质中,斜长石会发生选择性溶蚀,优先溶蚀富钙的斜长石,其次是富钠的,最后才会溶蚀富钾的碱性长石[30][图6(a)],在荧光照射下,斜长石 的发光明显呈现出环带状[图6(b)],电子探针线扫描结果显示,显示荧光的长石主要为钠长石,而钾长石荧光显示不明显[图6(c)],与前人研究结果一致。溶蚀作用形成大量次生溶蚀孔隙,对次火山岩储层的形成起到积极作用。
3.3.3 充填作用
长石等铝硅酸盐矿物在酸性流体的作用下,会释放出大量游离的Ca2+、Mg2+、Fe2+、Si4+等[30],为自生石英、绿泥石及碳酸盐矿物的形成提供足量的金属阳离子。通过薄片显微镜下观察,扫描电镜分 析以及阴极发光分析等,自生石英、簇状绿泥石以及
图6 次火山岩长石斑晶溶蚀特征及其成分变化
Fig.6 Microcorrosion features and composition changes of feldspar phenocrysts in the subvolcanic rocks
4 次火山岩储层形成及演变过程
根据上述研究成果,认为次火山岩储层形成及演化可划分为3个阶段:侵入期—原生储集空间形成阶段、构造期—次生储集空间形成阶段及埋藏期—封闭体系储集空间重新分配阶段。 侵入期—原生储集空间形成阶段[图7(a)]:岩浆侵入围岩时期是原生储集空间形成的主要时期,火山岩岩相分布决定了原生储集空间展布位置,是形成优质储层的基础。次火山岩外带为最有利的原生储集空间发育带,以晶间孔、隐爆砾间孔、炸裂缝为主,其次为中带,内带原生孔隙发育最差。 构造期—风化淋滤作用形成次生储集空间[图7(b)]:构造期是次生储集空间形成的主要时 期,构造作用形成裂缝沟通岩体与大气环境形成开 放体系,裂缝连通孤立孔隙,构成各种孔缝组合方式,裂缝发育带是有利储层分布带。火山岩所处的构造位置决定了裂缝的发育程度,越靠近火山口、深大断裂以及风化剥蚀面等关键部位,裂缝越发育,表生溶蚀作用越强。 埋藏期—封闭体系储集空间重新分配[图7(c)]:埋藏期系统处于封闭体系,是储集空间重新分布的主要时期,成岩作用改变储层三维空间展布位置。酸性流体对原生孔隙进行改造,形成形态及大小各异的次生溶孔。由于流体性质的改变,在部分孔隙中形成残余沥青、自生矿物充填,造成火山岩体内部
图7 次火山岩储层形成及演化过程示意
Fig.7 Formation and evolution of subvolcanic reservoir in well Dixi 18 area
5 结论
(1)滴西18井区次火山岩岩性单一,主要为正长斑岩,局部井段见少量二长斑岩、粗面斑岩,属中—酸性偏碱性岩。储集空间类型以斑晶晶内溶孔、晶间溶孔、基质溶孔以及构造缝等次生孔隙为主,原生储集空间的形成主要受到侵入期岩浆冷凝作用的控制,次生储集空间的形成主要受构造期风化淋滤作用以及埋藏期成岩作用的控制。 (2)岩浆侵入围岩时期是原生储集空间形成的主要时期,火山岩岩相分布决定了原生储集空间展布空间位置,是形成优质储层的基础,次火山岩外带为最有利的原生储集空间发育带。 (3)构造期是次生储集空间形成的主要时期,构造作用形成的裂缝沟通岩体及大气环境形成开放体系,裂缝发育带是有利储层分布带。火山岩所处的构造位置决定了裂缝的发育程度,越靠近火山口、深大断裂以及风化剥蚀面等关键部位,裂缝越发育,表生溶蚀作用越强。 (4)埋藏期系统处于封闭体系,是储集空间重新分布的主要时期,成岩作用改变储层三维空间展布位置。酸性流体对原生孔隙进行改造,形成形态及大小各异的次生溶孔,并在流体性质改变时在部分孔隙中形成残余沥青、自生矿物充填,导致火山岩体内部储层非均质性明显。
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