冷慶磊，黃玉龍, 2，冉波，張甲明，王璞珺, 2

1.吉林大學 地球科學學院，長春 130061；2.東北亞生物演化與環(huán)境教育部重點實驗室(吉林大學)，長春 130026；3. 中國石油遼河油田分公司 勘探開發(fā)研究院，遼寧 盤錦 124010

0 引言

火山碎屑巖是介于熔巖和沉積巖之間的過渡類型巖石[1-2]，在形成、固結與埋藏過程中先后經(jīng)歷了火山作用、沉積作用和成巖作用等影響，其孔隙形成、保存與演化等方面具有特殊性[3]?；鹕剿樾紟r具有與常規(guī)碎屑巖類似的碎屑結構，但在碎屑成分與形態(tài)、膠結物成分與結構、碎屑顆粒與填隙物等方面具有獨特性[4]。常規(guī)碎屑巖中碎屑顆粒經(jīng)過長時間的搬運,磨圓度和分選性較好，儲集空間以原生粒間孔隙為主，受沉積環(huán)境影響大[5]；火山碎屑巖由火山碎屑快速堆積成巖，磨圓度和分選性差，而且火山碎屑組分在成巖過程中易發(fā)生各類次生變化，導致火山碎屑巖孔隙演化過程復雜。此外，由于形成環(huán)境、礦物和化學組分、結構構造以及后期成巖過程方面的差異，火山碎屑巖在巖石物理性質和儲層物性等方面具有很強的非均質性，其中埋藏壓實作用、黏土礦物和沸石膠結作用以及溶蝕作用是引起火山碎屑儲層物性發(fā)生顯著變化的主要因素[6-7]。松遼盆地南部陸家堡凹陷下白堊統(tǒng)義縣組和九佛堂組地層中大量發(fā)育中基性火山碎屑巖[8]，九佛堂組同時發(fā)育優(yōu)質烴源巖,構成本區(qū)主力生油層[9]。近年來，與九佛堂組烴源巖相鄰的火山碎屑巖中已有多口鉆井揭示工業(yè)油流，深入開展儲層研究對于深層火山碎屑巖油氣藏勘探和開發(fā)具有重要意義。本文主要以巖芯和鉆井資料為基礎，通過系統(tǒng)的顯微觀察和面孔率測定，確定火山碎屑巖具體類型及組構特征，明確有效孔隙及其貢獻比例，系統(tǒng)分析了溶蝕孔隙類型與發(fā)育特征，并探討了溶蝕孔隙形成的控制因素，以期為火山碎屑巖油氣勘探提供地質依據(jù)。

1 地質背景與研究

研究區(qū)陸家堡凹陷隸屬松遼盆地南部開魯坳陷，位于內蒙古赤峰和通遼市境內，屬于遼河油田外圍勘探區(qū)塊的一個次級負向構造單元，呈北東向延展，面積約為2 620 km2，埋深4 500 m,由馬北斜坡帶、包日溫都斷裂構造帶、中央構造帶、交力格洼陷、三十方地洼陷和五十家子廟洼陷6個二級構造單元組成(圖1)。油氣勘探重點以陸西凹陷馬北斜坡帶和陸東凹陷三十方地等區(qū)塊為主?？碧胶脱芯磕康膶游粸橄掳讏捉y(tǒng)(K1)，自下而上包括義縣組(K1y)、九佛堂組(K1jf)、沙海組(K1sh)以及阜新組(K1f)。深層油氣儲層主要發(fā)育在九佛堂組下段和義縣組，以火山碎屑巖類為主，主要包括火山角礫熔巖、火山角礫巖、凝灰?guī)r(熔結凝灰?guī)r)、沉凝灰?guī)r和凝灰質砂巖等5類巖性，埋深575～2 966 m，單井揭示厚度最大797.5 m。近年來，隨著遼河油田外圍探區(qū)油氣勘探和研究的不斷深入，陸家堡凹陷陸續(xù)有油氣發(fā)現(xiàn)和工業(yè)油流的鉆探突破，其中陸西次凹于2013年鉆探M31井在九佛堂組下段火山碎屑巖中試油獲得日產(chǎn)原油超百噸的高產(chǎn)工業(yè)油流，成為開魯坳陷油氣勘探史上第一口日產(chǎn)超百噸的探井，展現(xiàn)了火山碎屑巖層具有良好的油氣勘探前景[10]。

截止目前，研究區(qū)內以深層火山巖儲層為勘探目標的探井總計20余口，勘探程度相對較低。本次研究是基于其中16口鉆井取獲的巖芯資料，通過巖礦鑒定與描述確定火山碎屑巖巖石類型，分析巖石組構與儲層成巖作用特征；結合掃描電鏡分析，開展儲集空間研究與各類孔隙貢獻比例量化，確定有效孔隙類型與成因；進而開展儲層物性測試，結合錄井含油氣性與試油資料，探究火山碎屑巖優(yōu)質儲層溶蝕孔隙的主控因素與分布規(guī)律。

2 火山碎屑巖儲層巖性與成巖作用

2.1 火山碎屑巖巖石類型

在遵循火山地質學和巖石學中對于火山碎屑巖

圖1 陸家堡凹陷平面位置圖及地層柱狀圖Fig.1 Location and stratigraphic histogram of Lujiapu sag

的分類與命名原則[1-2,11]的基礎上，基于研究區(qū)16口鉆井5 095 m火山碎屑巖地層，總結出九佛堂組下段—義縣組火山碎屑巖主要發(fā)育4類14種基本類型(表1)。依據(jù)膠結方式、填隙物成分和火山碎屑含量的不同，劃分火山碎屑熔巖類、普通火山碎屑巖亞類、沉火山碎屑巖亞類和火山碎屑沉積巖亞類，比例依次為19.1%、54.2%、3.2%、23.5%。其中，火山碎屑巖亞類在區(qū)內發(fā)育比例最大，是深層主要的儲集巖石類型。

義縣組(K1y)以粗?；鹕剿樾紟r發(fā)育為特征，主要發(fā)育厚層粗面質火山角礫巖/集塊巖、粗安質火山角礫巖/集塊巖。九佛堂組下段主要發(fā)育中-細粒火山碎屑巖類，以安山質火山角礫巖/凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r、凝灰質砂巖和凝灰質泥巖為主，其次有少量安山質角礫熔巖。

2.2 巖石組構

火山碎屑巖不同類/亞類的巖石組構具有一定的差異性，主要反映在膠結類型、填隙物成分以及火山碎屑類型、粒度和分選等方面(表1)。

火山碎屑熔巖類火山碎屑熔巖結構，熔巖物質含量10%～90%，主要分布在義縣組。成巖方式以熔漿膠結為主。在研究區(qū)主要發(fā)育角礫/集塊熔巖，火山碎屑以安山質、粗安質巖塊或角礫為主，含有少量被熔漿膠結的<2 mm的巖屑、晶屑。

普通火山碎屑巖亞類火山碎屑結構，火山碎屑含量>90%。成巖方式以壓結作用和膠結作用為主，火山碎屑被火山灰或火山灰經(jīng)水解作用形成的黏土礦物膠結?；編r石類型細分為火山角礫巖/集塊巖和凝灰?guī)r，火山碎屑以安山質、粗安質巖屑為主，含少量的長石、石英晶屑，一般未經(jīng)過搬運，顆粒多為棱角狀、次棱角狀，分選差?；鹕剿樾紟r廣泛分布于九佛堂組下段和義縣組，含油性較好，是該區(qū)儲層構成的主要巖石類型。

沉火山碎屑巖亞類沉火山碎屑結構，層狀構造,火山碎屑含量50%～90%，成巖方式以膠結作用為主。在研究區(qū)主要發(fā)育沉火山角礫和沉凝灰?guī)r，火山碎屑以晶屑、玻屑和巖屑為主，含有少量陸源碎屑，碎屑顆粒呈現(xiàn)不同程度的磨圓。填隙物主要為化學沉積物和少量火山灰，在鏡下觀察膠結物主要為黏土礦物、碳酸鹽和硅酸鹽礦物，長石晶屑多數(shù)被鈣質交代。

火山碎屑沉積巖亞類火山碎屑含量10%～50%，其特征更加接近于沉積巖，成巖方式主要為壓結成巖作用，填隙物主要為火山灰和泥質膠結物。碎屑以陸源碎屑為主，火山碎屑含量較少且以晶屑為主，含少量巖屑。火山碎屑磨圓度中等，呈次棱角-次圓狀。研究區(qū)主要發(fā)育凝灰質砂巖，粒級從細粒到粗粒均有發(fā)育，并以凝灰質中砂巖為主，多為火山灰及泥質混合膠結。

表1 陸家堡凹陷下白堊統(tǒng)火山碎屑巖巖石分類及其組構特征

3 火山碎屑巖溶蝕孔隙發(fā)育特征及其量化表征

巖芯觀察與薄片鑒定結果表明，區(qū)內火山碎屑巖總體上磨圓度、分選性較差，壓實作用和膠結作用強烈，原生孔隙所占比例較少，有效孔隙以次生孔隙為主，占總孔隙的89.6%(表2)。其中，普通火山碎屑巖亞類原生粒間孔隙大量被火山灰、硅質及鈣質填隙物充填(圖2A)，碎屑顆粒以基質支撐為主，主要發(fā)育填隙物溶孔和顆粒溶孔?；鹕匠练e巖亞類顆粒與顆粒之間多數(shù)為線-線接觸(圖2B)，呈顆粒支撐，主要發(fā)育顆粒溶孔。

表2 主要含油火山碎屑巖含油氣性與有效孔隙類型占比

3.1 溶蝕孔隙發(fā)育特征

溶解作用可導致儲層次生孔隙發(fā)育，改善儲層物性。儲層內溶解作用的強度一方面與儲層巖性有關，同時也受地層溫度、壓力、流體性質及構造運動等多方面因素影響[12-13]。經(jīng)薄片鑒定(鑄體薄片)、面孔率分析及掃描電鏡觀察，陸家堡凹陷九佛堂組下段—義縣組火山碎屑巖中溶解作用比較普遍，發(fā)育大量次生溶蝕孔和溶蝕縫，包括凝灰物質溶孔、長石溶孔、巖屑溶孔、濁沸石溶蝕孔及構造溶蝕縫。其中顆粒溶蝕孔主要發(fā)育在火山角礫巖及凝灰?guī)r中，填隙物溶蝕孔主要發(fā)育在沉凝灰?guī)r和凝灰質砂巖中，溶蝕縫在火山碎屑巖內均有發(fā)育(表3)。研究區(qū)火山碎屑溶解作用主要是由CO2流體、有機酸及大氣水等溶蝕性流體的作用[14-15]，凝灰質、長石晶屑等易溶組分遭受溶解，最終形成次生孔隙。

3.1.1 顆粒溶蝕孔

火山碎屑巖在埋藏成巖過程中，由碎屑顆粒發(fā)生部分溶解而產(chǎn)生的一類孔隙。研究區(qū)顆粒溶蝕孔主要包括晶屑顆粒溶蝕孔(圖2C、L、M)和巖屑溶蝕孔(圖2D、E)兩類，晶屑溶蝕孔發(fā)育程度高于巖屑溶蝕孔。晶屑溶蝕孔以長石溶蝕孔較為發(fā)育，長石溶蝕孔是長石顆粒選擇性不均一溶蝕作用形成的，大多沿長石的解理面或晶裂縫發(fā)生溶蝕，形狀不規(guī)則或網(wǎng)狀分布，當晶屑全部溶解而保留其礦物晶體形狀時形成鑄?？?；巖屑溶蝕孔多發(fā)育于構造裂縫發(fā)育區(qū)，巖屑內部細小的長石晶屑發(fā)生溶蝕或沿巖屑顆粒邊緣發(fā)生溶蝕形成次生溶蝕孔。粒內溶蝕孔是研究區(qū)主要孔隙類型之一，常與填隙物溶蝕孔伴生分布。

3.1.2 填隙物溶蝕孔

填隙物溶蝕孔主要發(fā)育沸石膠結物溶蝕孔、硅質膠結物溶蝕孔(圖2F、G、H)及少量的碳酸鹽膠結物溶蝕孔(圖2I)和火山灰基質溶蝕孔(圖2J)，其中沸石溶蝕孔形狀不規(guī)則呈港灣狀、鋸齒狀(圖2K)發(fā)育于結晶較好的濁沸石膠結物中，溶蝕孔多沿濁沸石中心向邊部發(fā)育，僅顆粒邊緣有沸石殘留。而鈣質膠結物形成的溶蝕孔較少，僅膠結物邊緣溶蝕一部分，而被鈣質膠結物膠結的晶屑、巖屑溶蝕孔較發(fā)育(圖2I)?；|溶蝕孔多發(fā)育于細粒火山灰基質內，火山灰內細小的晶屑、巖屑等易溶組分發(fā)生溶蝕形成微孔(圖2J)。

由于碳酸鹽礦物溶解反應的平衡常數(shù)低于長石溶解的化學反應常數(shù)，且碳酸鹽礦物的溶解需要的流體pH值比長石溶解所需要的流體pH值低，碳酸鹽礦物的溶解比長石礦物的溶解對水的規(guī)模和流體的侵蝕性有更高的依賴性[16]。在有機酸流體、熱液流體和大氣水淋濾等作用下均可導致長石的溶解[17]，形成晶內溶蝕孔和鑄?？?，而溶蝕產(chǎn)生的Ca2+，達到一定的濃度時在合適的溫壓下發(fā)生沉淀[18]填充在碎屑顆粒間(圖2I)。

A.晶屑巖屑凝灰?guī)r，膠結成巖作用，雜基支撐(M15-7井，1 057.5 m)；B.沉凝灰?guī)r，壓實成巖作用，顆粒與顆粒之間呈典型的線接觸關系(M30井，592.1 m)；C.a為鑄?？祝琤為晶內溶蝕孔(M31井，1 188.5 m，晶屑巖屑凝灰?guī)r，單偏光)；D.c為安山質巖屑溶蝕孔(L1井，1 594.3 m，安山質火山角礫巖，單偏光)；E.d為巖屑內溶蝕孔，e為巖屑(M15井，1 535.8 m，粗面質火山角礫巖，掃描電鏡)；F.f為硅質膠結物溶蝕孔，孔內充填干瀝青(M15井，1 499.45 m，火山角礫巖，單偏光)；G.h為g處電鏡；H.g、h處能譜元素；I.i為斜長石鑄膜孔，j為鈣質膠結物，斜長石溶蝕生成鈣離子是鈣質填充物的主要來源(M31井，1 116.16 m，沉凝灰?guī)r，單偏光)；J.基質溶蝕孔，k為細?；鹕交一|，基質內細小的晶屑發(fā)生溶蝕而形成微孔(J3井，1 539.3 m，晶屑巖屑凝灰?guī)r，正交偏光)；K.沸石膠結物溶蝕孔，l為沸石溶蝕殘留(M31井，1 188.5 m，正交偏光)；L.為斜長石溶蝕孔，m為斜長石；M.m處的能譜(K2井，沉凝灰?guī)r，掃描電鏡)；N.n為構造溶蝕縫，填隙物發(fā)生溶蝕(M31-X3井，1 174.77 m，火山角礫巖，正交偏光)；O.o為構造溶蝕縫，同時在構造溶蝕縫周圍伴隨發(fā)育晶屑溶蝕孔(M9井，765.39 m,凝灰質砂巖，泥質膠結,單偏光)。圖2 火山碎屑巖溶蝕孔顯微特征Fig.2 Microscopic characteristics of dissolution pores in pyroclastic rocks

3.1.3 溶蝕縫

構造裂縫被早期形成的黏土礦物、碳酸鹽礦物及沸石部分充填，后期經(jīng)酸性流體溶蝕后而形成次生溶蝕孔隙。構造溶蝕縫寬度一般較大，常貫穿整個薄片(圖2N、O)。

3.2 溶蝕孔隙分類與量化表征

采用CIAS2000圖像分析軟件進行面孔率測量，選擇一張鑄體薄片，在正交偏光和單偏光鏡下確定顆粒邊界、巖屑晶屑種類及膠結物、孔隙類型，然后在偏光顯微鏡同等倍數(shù)的情況下隨機選取3個視域進行測量，如果任意2次統(tǒng)計結果誤差超過25%，則選擇5個視域進行測量，盡量避免孔隙分布不均勻對測量結果造成影響。總結出陸家堡凹陷九佛堂組—義縣組儲層火山碎屑巖共發(fā)育3類6種溶蝕孔隙(表4)。其中填隙物溶蝕孔占比最高，有效孔隙貢獻比平均為39.3%，主要發(fā)育在填隙物含量較高的沉凝灰?guī)r和凝灰質砂巖中；顆粒溶蝕孔主要包括晶屑溶蝕孔和巖屑溶蝕孔，有效孔隙貢獻比平均為46.8%，主要發(fā)育在火山角礫巖及凝灰?guī)r中；構造溶蝕縫有效孔隙貢獻比平均為10.9%，在火山碎屑巖內均有發(fā)育(表3)。

表3 不同火山碎屑巖中溶蝕孔隙類型及其構成比例

4 溶蝕孔隙的控制因素

4.1 早期膠結作用有利于粒間孔隙保存

早期的膠結作用(硅質膠結、鈣質膠結、沸石膠結及火山灰膠結)(圖2A)，減少地層壓實作用對原生孔隙的破壞，有利于原生粒間孔隙空間及裂縫的保存，為后期溶蝕孔隙的形成提供基礎[19-22]。但晚期由斜長石及黏土礦物的溶蝕產(chǎn)生大量的Ca2+，當達到一定的濃度時在合適的溫壓下發(fā)生沉淀[18]，進而堵塞溶蝕孔隙，阻礙酸性流體的流動,不利于形成溶蝕孔隙，只有長石晶屑和基質發(fā)生溶蝕形成晶內溶蝕孔和基質溶蝕孔(圖2I)。

4.2 巖石組構與差異溶蝕

溶蝕孔隙與巖石組分具有一定的關系，在本研究區(qū)晶屑溶蝕孔和填隙物溶蝕孔發(fā)育；巖屑溶蝕略少于晶屑溶蝕孔，多為內部細小的長石基質發(fā)生溶蝕；填隙物溶蝕孔主要沿內部開始溶蝕,逐漸向邊

表4 陸家堡凹陷下白堊統(tǒng)火山碎屑巖溶蝕孔隙類型與發(fā)育特征

Table 4 Types and development characteristics of dissolution pores of Lower Cretaceous pyroclastic rocks in Lujiapu sag

部擴散，而巖屑溶蝕孔主要沿邊部溶蝕；從火山碎屑本身來看火山碎屑巖含量多的巖石溶蝕孔較為發(fā)育，而且晶屑溶蝕孔多于巖屑溶蝕孔。

從膠結物本身來看，以硅質膠結物、火山灰膠結為主的火山碎屑巖溶蝕孔隙好于以鈣質膠結物為主的火山碎屑巖。以黏土膠結為主的沉火山碎屑巖由于早期抗壓強度較低，原生孔隙不易保存，阻礙后期熱液的次生改造，致使溶蝕孔隙發(fā)育較少，僅發(fā)育少量的構造溶蝕縫和晶屑巖屑溶蝕孔。

4.3 構造裂縫增強儲層連通性

構造裂縫不僅增強儲層的連通性而且有利于次生孔隙的形成和保存。在構造活動強烈的區(qū)域不僅使巖石產(chǎn)生裂縫，而且構造裂縫的形成為地下酸性水溶液活動提供了良好的通道，附近的火山碎屑巖在地下酸性水溶液的長期影響下，形成各種類型的次生孔隙。而遠離構造裂縫或構造裂縫不發(fā)育的區(qū)域次生溶蝕孔隙發(fā)育相對變差。

5 有效儲層的分布規(guī)律

義縣組經(jīng)歷過多期次的火山噴發(fā)，單井揭示火山巖連續(xù)厚度最大達797.5 m，但組段內含油顯示僅發(fā)育在義縣組頂部界面(圖3)，以火山通道相及爆發(fā)相為主。其頂部覆蓋九佛堂組早期沉積的一套較為穩(wěn)定的暗色泥巖，既可以作為烴源巖在有機質成熟演化過程中為九佛堂組下段—義縣組火山碎屑巖提供溶蝕性流體[10]，也可以作為局部蓋層對義縣組火山碎屑巖儲層油氣進行封堵，同時也可作為該巖體的生油層，構成上生下儲的儲層模式。綜上所述，靠近義縣組界面時對火山碎屑巖溶蝕改造作用更強，有利于形成次生溶蝕孔隙，是有效儲層發(fā)育區(qū)。

圖3 義縣組火山碎屑巖含油氣顯示與頂面距離關系圖Fig.3 Histogram of relation between oil and gas shows of pyroclastic rocks and distance from top of Yixian Formation

6 結論

(1)陸家堡凹陷九佛堂組下段—義縣組火山碎屑巖主要發(fā)育4類14種基本類型。主要包括火山碎屑熔巖類、普通火山碎屑巖亞類、沉火山碎屑巖亞類和火山碎屑沉積巖亞類，占比依次為19.1%、54.2%、3.2%、23.5%。

(2)火山碎屑巖儲集空間以次生溶蝕孔為主(平均占總孔隙的89.6%)，共識別出3類6種次生溶蝕孔隙類型，平均面孔率為4.9%。其中長石溶蝕孔占比33.7%，巖屑溶蝕孔占比16.1%，填隙物溶蝕孔占比39.3%，溶蝕縫占比10.9%。凝灰?guī)r類儲層面孔率最高(5.6%～9.5%)，凝灰質砂巖類儲層面孔率次之(1.7%～7.2%)，火山角礫巖類儲層面孔率最低(1.7%～4.0%)。

(3)火山碎屑巖儲集性能與巖石早期膠結作用、巖石組構、構造裂縫連通、噴發(fā)界面及有機酸注入等因素有關，其中早期膠結作用及巖石組構是次生溶蝕孔隙形成的主要控制因素。