火山岩油气储层水文地质研究

火山岩油气储层水文地质研究

据估计，世界上沉积盆地约624个，油气盆地约160个。油气储层主要包括碎屑岩、碳酸盐岩和火山岩（少量变质岩和花岗岩）。从近年油气发现特点看,碳酸盐岩和碎屑岩(陆相、海相)仍然是全球发现大型、特大型油气田及油气增储上产的最主要领域,而沉积盆地中火山岩储层油气勘探已成为部分地区的重要领域(如中国、澳大利亚等),且潜力较大。火山岩储层油气勘探已引起了不同领域学者的关注和兴趣,将于2010年召开的第十八届国际沉积学大会也将“Volcano-sedimentology”作为一个主专题进行交流。沉积盆地中火山岩本身不能生成有机烃类,其作为一类重要而复杂、特殊的储集层类型,必须与烃源岩有效匹配才能成藏,且成藏条件和成藏主控因素更为复杂。火山岩储层与沉积岩储层有很大不同(表1),其具有分布范围广、地质时代长、受埋深压实作用影响小、后期改造作用强、不具岩石类型专属性的特点。研究火山岩储层较碎屑岩和碳酸盐岩储层难度大。含火山岩盆地的构造背景分析是火山岩相带分布预测及火山岩储层预测的基础,而火山岩储层表征是火山岩储集性能评价和火山岩油藏评价的前提。笔者在广泛调研国内外火山岩油气储层研究的基础上,结合中国沉积盆地火山岩分布、储层形成与油气藏勘探的特点,通过对火山岩储层岩性、岩相分布规律,以及成岩演化与储层发育主控因素、有利储层分布预测的研究,初步建立了火山岩油气储层地质学,以期推动我国火山岩油气勘探开发工作的进一步深入。1储层地质研究储层是石油天然气勘探开发的目的层,储层性质严格控制油气的储集、产量及产能,因而储层研究是贯穿于含油气盆地勘探开发全过程的一项重要工作。随着油田勘探与开发的不断进行,寻找良好的优质储层和提高采收率已成为石油生产中两个极受关注的问题。随着石油工业、石油地质学以及该领域中新技术、新方法的发展,1971年,MacKenzie首次明确提出了“储层地质学”的概念,并着重从储层的沉积特征、油层的对比以及连通性等方面进行了论述。20世纪60年代,随着沉积学理论的基本成熟及不断深化,沉积相的概念被引入到储层的研究之中,随之诞生了储层沉积学,1987年Tillman编写出版了第一部《储层沉积学》著作。1990年1月在伦敦召开的“储层地质学进展”会议上,J.Marshall作了“20世纪90年代储层地质学”的报告,提出发展油气储层地质学,其强调用更完整的常规岩心数据、电缆测井数据、三维地震和储层数据等资料进行综合分析,更好地描述储层特征。目前,国外油气储层研究的特点是微观化、数值化和模型化。在国内,随着20世纪50年代大庆油田的发现,我国学者主要在开发地质研究中较多地涉及储层地质方面的研究工作。罗蛰潭在中国地质学会成立60周年笔谈会上,明确提到储层地质学是一门新的边缘学科。该学科涉及油气生成后如何经过初次运移、二次运移进入油气储层并保存于圈闭中,油气储层的物理性质及研究方法,油气储层的沉积环境及成岩后生变化,地质构造对油气储层的影响及控制作用,以及油气储层地质在勘探开发中的应用等。随着油田勘探与开发的不断深入以及多学科的渗入,储层地质学更趋于量化,且储层地质研究不断取得新的进展。在此期间我国出版了多部以储层地质学为主题的教科书,如《油气储层地质学》《油气储层地质》《石油天然气储层地质学》《定量储层地质学》《油气储层地质学》《碳酸盐岩储层地质学》《油气储层地质学原理与方法》等。近年来,中国火山岩油气勘探开发不断取得新的进展,而且陈建文已经提出了“火山岩储层地质学”的概念,所以说有必要系统地研究火山岩油气储层的形成机理、分布特征与评价方法。2火山岩储层发育机理1887年,在美国加利福尼亚州的圣华金盆地发现了世界上第一个火山岩油气藏,国内于1957年首次在准噶尔盆地西北缘发现了火山岩油气藏,目前在世界范围内火山岩油气藏也陆续被发现。自火山岩油气藏被发现以来,火山岩储层作为一种特殊类型的储层,其形成与分布规律就引起了人们的广泛关注。国外对于火山岩储层形成机制研究相对较早和较深入的是日本,但是以描述性研究较多。日本火山岩储层主要分布在深海底,由喷发在前古近纪基岩上的中新世流纹岩组成。流纹岩分为熔岩、枕状角砾岩和玻璃质碎屑岩,具原生和次生孔隙空间。火山岩储层中孔隙类型主要为多孔型、晶间型、似浮石结构型、珍珠结构型、晶内型、微晶间型。储层的原生孔隙空间来源于岩浆喷发时在海底的急剧冷却、破碎剥落、角砾岩化和结晶作用;次生孔隙由热液作用伴随着后来的火山活动和构造运动而产生。大裂缝发育在熔岩或枕状角砾岩中;大洞穴常出现在玻璃碎屑岩相、熔岩相和枕状角砾岩相之中;微裂缝对渗透率起着重要作用,如对南长岗气田150m深处380块岩心样品的分析表明,其孔隙度为10%~20%,各种岩相没有明显差异,但渗透率相差较大,枕状角砾岩为5~100mD,熔岩为1~20mD,玻璃质碎屑岩普遍小于1mD。近年来,随着火山岩储层油气田的不断发现,国外开始重视火山岩储层发育机理方面的研究[14~20]。PatriciaSruoga通过对阿根廷“AustralandNeuquén”盆地火山岩储层的系统研究,认为火山岩储层的孔隙度、渗透率取决于其原生岩石特征及后期成岩改造过程,将火山岩储层的形成分为原生过程和次生过程2部分(表2)。原生过程包括熔结作用、岩浆期后晶体溶蚀作用、气体逸散作用、碎裂作用,次生过程包括热液蚀变作用、淋滤作用、裂缝作用等。原生过程可能形成高的孔隙度和渗透率;次生过程主要是减孔作用,但溶蚀作用、液压破碎作用等也趋向于增加孔隙度和渗透率。中国研究火山岩储层较早的是刘明高的论文,其认为克拉玛依油田一区古65井附近可能存在一火山口。火山岩可分为溢流-熔岩相和爆发-火山碎屑岩相2个相带,次生矿物形成顺序为:早期绿泥石、方解石;中期沸石,晚期方解石。火山岩储层的孔隙类型可分8种,以晶间溶孔和溶孔最好;孔隙组合类型可分为4种,以砾缘缝-晶间孔-砾间溶孔-晶间溶孔型组合最好。火山岩储层孔隙与溶蚀作用有关,构造活动产生的裂隙是形成孔隙的基础,次生变化是形成大量次生孔隙的前提。近年来,随着松辽盆地深层和新疆北部地区晚古生代火山岩油气勘探的不断深入,针对火山岩储层方面的研究不断取得新的进展。在CNKI文献检索库中,输入“火山岩储层”关键词,从1979年至2008年共检索出发表文献268篇,2006年后相关论文的发表出现高峰期(图1),论文主要涉及火山岩储层的岩性及岩相特征、储集性、储层发育主控因素、储层评价预测技术等方面。目前就火山岩油气储层在以下方面取得了基本认识:(1)储集空间类型及成因:尽管对火山岩储层的储集空间分类方案有多种,但总体上可以将火山岩储集空间分为原生储集空间和次生储集空间2类,进一步可分为原生孔隙、原生裂缝、次生孔隙、次生裂缝四大类。(2)储层成岩演化:火山岩储层形成与演化具有阶段性,尽管不同研究者划分方案有所差异,但总体上都包括火山作用和后期成岩改造2个主要阶段。火山作用阶段包括火山喷发期火山作用及岩浆期后热液蚀变作用阶段,主要是火山物质喷溢至地表形成气孔、冷凝收缩缝和火山角砾间孔等;后期成岩改造阶段包括火山喷发间歇期风化淋滤改造、埋藏成岩期改造、抬升剥蚀期改造、构造断裂改造等阶段,主要是由于受到埋藏压实、溶蚀、淋滤、充填、断裂等作用影响,形成溶蚀孔、洞、缝及方解石、白云石、沸石等矿物的充填破坏。(3)储层发育控制因素:火山岩储集空间的形成、发展、堵塞、再形成等受岩性、喷发环境、成岩作用、构造破裂作用等因素的影响[22~24]。综合来看,火山岩发育特征及其分布规律,火山岩喷发方式与喷发类型,火山机构特点,各种类型火山岩相、岩性、火山机构中孔隙结构的特征及其形成机理与分布规律,火山岩储层的类型和含油性,火山岩油气藏类型及成藏条件等方面均开展了不同程度的研究。但是,目前的研究主要集中在储集空间类型与成因、储层成岩演化、储层发育控制因素等方面,且描述性研究较多,机理性研究较少或尚需深入。在油气勘探中,应针对性地开展火山岩岩性、岩相分类和命名的规范化、火山岩储层形成的演化机理、储层发育的主控因素等方面的研究。3火山岩油气储层的基本内涵3.1地质学理论体系火山岩油气储层地质学是研究含油气盆地中火山岩储层发育的构造环境、成因类型、特性、形成、演化、几何形态、分布规律、储层研究方法和描述技术以及储层评价和预测的综合性地质学科。火山岩油气储层地质学的研究,必须更多地重视多学科的交叉和综合,即与构造地质学、石油地质学、储层地质学、火山学、火山地质学、岩石学和油层物理学等理论的结合,以及地震、非地震、测井、数学地质和计算机技术等手段和方法的综合运用。3.2储层地质基础研究内容对于火山岩储层,一方面其本身具有规模和物性变化大、非均质性强的特点;另一方面,其岩石结构和矿物组成、成因、储集空间形成演化、储层流动单元、储层有效性和敏感性、成储过程和主控因素等均明显有别于沉积储层。火山岩自身发育的气孔构造均在火山作用及其以后的成岩蚀变过程中受到了充填影响,现今火山岩储层均是经过了后期的改造。火山岩油气储层地质学的任务是深入研究火山岩油气储层的宏观展布、内部结构、储层参数分布、孔隙结构等特征以及在火山岩油气田开发过程中储层参数的动态变化特征;明确储层发育的主控因素;有效预测和评价有利储层分布;形成火山岩储层开发评价技术;为火山岩油气勘探和开发领域的大发展提供理论依据;促进我国沉积盆地中火山岩石油地质基础研究的发展。其研究内容包括以下方面:(1)火山岩发育的构造环境:包括含火山岩沉积盆地的区域构造格局、盆地性质、重大构造—火山事件等。(2)火山岩旋回层序与岩相古地理:包括火山岩发育期次、旋回划分对比、火山岩发育古地貌、发育环境及空间分布模式等。(3)储层岩性-岩相特征及地质模式:包括火山岩岩性、喷发模式与火山岩岩石学特征、火山岩岩相和各亚相地质特征与岩相模式及火山机构、火山构造、火山岩体分布等。(4)储层储集空间:包括原生孔隙、次生孔隙和裂缝的发育特征、组合及其丰度,各类孔隙的连通状态等。(5)储层物理性质及其非均质性与有效性:包括孔隙度、渗透率、流体饱和度、喉道类型、孔喉配置关系以及这些参数的空间分布特征等。(6)成岩作用与演化:包括成岩作用类型、成岩阶段划分、成岩演化模式、各个演化阶段的特征以及它们之间的联系等。(7)储层发育模式:包括火山作用、热液蚀变、溶蚀改造等作用对孔隙形成和演化特征的控制作用,以及储层发育模式,储层形成物理模拟和数值模拟等。(8)储层地质建模:包括建模地质要素、储层地质模型分类、建模方法、模型效果验证等。(9)储层预测技术:包括火山岩储层预测的地质方法、测井、重磁电震技术等。(10)储层综合评价:包括单井储层评价、区域储层评价、开发储层评价、储层敏感性评价以及储层动态评价等。3.3建立储层理论体系和方法体系火山岩油气储层地质学是石油地质科学与勘探发展的趋势。作为一门学科,火山岩油气储层地质学的提出无疑有助于推动火山岩油气储层理论体系和方法体系的建立;有助于推动火山岩油气储层研究的进一步深入和勘探开发成功率的进一步提高;有助于相关方面高级专业技术人才和理论创新人才的培养。火山岩油气储层地质学作为一门多学科、多技术的综合性学科,其发展需要多学科的协同配合,与此同时它也能促进其它相关学科的发展。因而,火山岩油气储层地质学的研究,对于进一步推动火山岩油气勘探开发具有重要意义。4岩石化地区和湿地的开发和开发我国火山岩分布面积广,总面积达215.7×104km2,预测有利勘探面积为36×104km2,初步预测火山岩总的石油资源量达到60×108t当量以上。目前已在松辽盆地、渤海湾盆地、海拉尔盆地、二连盆地、苏北盆地、准噶尔盆地、三塘湖盆地、塔里木盆地及四川盆地等诸多盆地发现了火山岩油气藏。累计探明储量已达数亿吨油和数万亿立方米天然气,几乎所有的含油气盆地内都有不同程度的火山岩油气发现和开发。北疆石炭系是近年来油气勘探取得重要突破与进展的重点勘探新领域,是中国陆上未来发展的重要接替领域之一。中国含油气盆地火山岩中剩余资源丰富,勘探潜力大,是未来油气勘探开发的重要领域。4.1陆相火山岩的分布在地质历史上,中国是一个多火山的国家,不同时代的火山岩广泛发育。海相和海陆交互相火山岩多出现于三叠纪以前,主要分布于西部,构造运动导致风化作用强,发育风化壳型储层,形成大型地层油气藏为主;陆相火山岩多出现于三叠纪以后,主要分布于东部,构造作用弱,形成原生型火山岩储层,以岩性油气藏为主。中国火山岩的种类繁多,从铁镁质到酸性、碱性火山岩均有,以中、酸性岩类分布最广。古生代火山岩与中、新生代火山岩有明显区别(表3)。4.2中国沉积盆地火山岩油气储层研究的重点领域分析4.2.1建立火山岩储层概念体系经过多年的研究,中国沉积盆地火山岩的岩性特征已基本清楚,且大量文献已做过不同程度的介绍,但是,火山岩分类和定名等体系概念有待统一,有必要基于火山岩地质学研究的内容进行统一的岩石、岩相分类命名,建立一套比较系统的火山岩储层概念体系,从根本上解决火山岩岩性、岩相分类混乱的问题,正确确定火山岩的岩石类型、火山岩相及火山岩的岩石学特征,以利于油气储层研究中的对比。4.2.2成岩作用对储层发育的影响火山岩储层形成演化机理的研究是储层研究的核心问题。火山岩储层形成经历了火山作用、岩浆期后热液蚀变作用、喷发间歇期风化淋滤改造作用、埋藏期成岩改造作用、抬升剥蚀淋滤作用、构造作用等,类型多样,其对储层发育的影响各不相同。从目前的情况看,成岩作用类型、成岩作用影响研究得较多,而类似某种成岩作用是如何影响储层发育;通过何种方式、以何种形式改造储层结构与构造;各种成岩作用发生的化学热力学条件是什么等一些具体问题需要人们进行更加深入的研究。针对目前火山岩储层成岩阶段划分不统一、没有标准的状况,笔者根据近年来对中国东、西部盆地火山岩储层成岩作用研究,建立了一个较为统一的成岩阶段划分方案(表4)。4.2.3储层结构优化中国油气勘探开发的实践表明,火山岩储层主要发育风化壳型、内幕型、裂缝型三大类。火山岩储层不同于沉积岩储层,它是内外因共同作用的结果。内因包括岩性岩相、喷发环境,其奠定了储层形成与分布的基础和储集空间的发育程度;外因包括构造作用和成岩作用,其对储层的储渗性能有明显改造。填充作用是造成火山岩储层储集性能降低的主要原因,而溶蚀作用是改善火山岩储层储集性能的关键,构造作用同样起到改善储层的作用。从已发现的火山岩油气藏来看,风化壳型储层是非常优质的储层,如准噶尔盆地及三塘湖盆地均发现了这种良好的储层,其中三塘湖的马17、马19井油气显示好。但是,目前对火山岩风化壳型储层的研究较少,仍有许多问题不甚明了,如风化壳储层的垂向分带性、各分带的成岩改造强度及其储集性均不清楚。内幕型储层近年来也不断被发现,如三塘湖盆地条湖凹陷条16井石炭系哈尔加乌组火山岩储层、准噶尔盆地北三台地区内幕型火山岩储层。其发育不仅与后期改造作用有关,而且取决于其原始喷发类型和相带,关键是如何准确地评价、预测火山岩相带。火山岩裂缝型储层的裂缝发育规律和分布研究尽管有了很大进展,但总体来看准确预测天然裂缝的分布规律和三维定量建模仍处于探索阶段。目前井孔的裂缝识别技术和方法正趋于成熟且十分