1.克夏地区火山岩成岩作用类型及特征
克夏地区火山岩及火山碎屑岩典型的成岩作用类型包括压实作用、 冷凝收缩、交代和蚀变作用、胶结及充填作用、溶蚀作用等。 不同成岩作用具有不同的形成条件及特征, 对储层物性的影响各不相同。
(1) 压实作用和冷凝收缩
压实作用是一种对储层物性具有破坏性的成岩作用。分选相对较好的中粗火山角砾岩抗压实能力较强, 可以保留一定的原生砾 (粒) 间孔。 冷凝固结的成岩方式控制原生气孔的形成。
火山碎屑岩的成岩方式不同于其他岩石。 向熔岩过渡的火山碎屑熔岩类, 由熔浆胶结, 主要是由熔浆冷凝固结而成。 而向沉积岩过渡的火山碎屑岩, 则为黏土物质、 化学沉积物及火山灰次生变化产物――蒙脱石、 绿泥石、 沸石等胶结、压实方式成岩。 正常的火山碎屑岩主要是压紧固结, 部分有火山灰分解产物或化学沉积物胶结。 镜下观察表明, 火山碎屑岩的机械压实作用主要表现为塑性颗粒间因缝合接触而变形, 片状矿物如黑云母被压弯压折, 刚性颗粒间以漂浮、 点、 线接触为主。 凝灰岩 (主要为晶屑岩屑凝灰岩) 机械压实作用较强, 表现为晶屑的脆性破裂和塑性岩屑间呈凹凸接触和缝合线接触。
火山熔岩的冷却成岩阶段是原生储集空间的形成阶段。熔浆喷出地表冷凝收缩, 气体膨胀逸出, 发生结晶作用, 形成气孔、 冷凝收缩缝、 晶间和晶内孔缝。 小的气孔多为圆一椭圆形, 大的气孔为云朵状、 长条形、波浪形到不规则形。水下喷出的气孔小, 大陆喷发的形状较复杂。 基性喷出岩中气孔形态较规则, 孔壁较平整, 酸性熔岩内由于熔浆黏度大、气体不易逸去, 气孔多为不规则状。 这些气孔常被充填成杏仁构造, 气孔-杏仁构造常位于单喷溢漩回的上部。 研究区内这些杏仁构造主要在安山岩中, 其次为流纹岩和玄武岩。
(2) 蚀变及交代作用
克夏地区下二叠统火山岩储层中, 火山物质蚀变对储层质量具有重要的影响, 从成因机制上控制优质火山岩储层发育, 主要体现在以下几个方面: ①蚀变形成沸石类矿物, 后期溶蚀, 显著提高储层质量。 ②蚀变形成方解石, 后期富镁卤水交代, 形成白云石, 是研究区云质岩类的最主要成因类型。 ③蚀变形成的方解石, 后期溶蚀, 形成一定量的溶蚀孔隙, 改善储层质量。 岩心和镜下区别于杏仁体的溶蚀。 ④蚀变形成黏土矿物, 后期转化为大量的绿泥石。 ⑤蚀变形成的绿泥石、方解石和沸石类自生矿物是区内裂缝和气孔主要的充填物。 ⑥孔隙水性质受火山物质蚀变控制, 受外源地层水影响较小。
研究区内凝灰岩中存在玻屑和火山灰的片沸石化、方沸石化和绿泥石化、方解石化、钠长石化和硅化, 长石以及角闪石晶屑的绿泥石化。其中片沸石化不利于次生溶蚀,方沸石化利于次生溶蚀, 也存在铁方解石交代片沸石、长石和岩屑。火山角砾岩中火山灰和玻屑发生绿泥石化、方解石化、浊沸石化、方沸石化和硅化, 方沸石化有利于次生溶蚀, 浊沸石化不溶, 长石晶屑绿泥石化。
沉凝灰岩和沉火山角砾岩常片沸石化或被铁方解石交代。
熔岩中的交代蚀变作用主要有以下几种形式: 基性斜长石、橄榄石及辉石等矿物十分不稳定,橄榄石变成伊丁石或蛇纹石, 辉石变成绿泥石、绿帘石、碳酸盐等; 钾、钠、硅化学成分的带入形成不同的交代蚀变作用,其中绢云母化、 白云母化、钾长石化、黑云母化反映了钾质的介入,硅化、次生石英岩化反映了硅质的带入;钠长石化、钠云母化反映了钠质的带入。此外, 由于CO2、 H2O、 H2S的作用可形成碳酸盐等矿物。
研究区内玄武岩的交代蚀变作用主要表现为岩石的碳酸盐化和长石的片沸石化, 安山岩主要表现为岩石的碳酸盐化、绿泥石化和帘石化, 其中帘石化在气孔和收缩缝附近尤其强烈; 英安岩和流纹岩主要表现为岩石碳酸盐化、硅化, 长石斑晶方解石化和高岭石化、基质钠长石化、硅化和方沸石化。
(3) 胶结及充填作用
研究区火山岩和火山碎屑岩储层中的胶结物和充填物与火山物质蚀变关系密切, 同时与火山热液具有成因联系。 气孔和裂缝中常见的充填矿物为绿泥石、沸石和方解石, 其次为硅质。充填气孔的矿物有单成分或复成分,一般中心常形成晶洞或晶簇。有些气孔充填物与岩石蚀变形成的矿物组合比较相近, 可能是岩石在地表冷却后遭受热液交代, 引起岩石中组分的移动填充气孔形成了杏仁; 也有的充填物比较简单,可能是由于岩浆结晶时保存在气孔中的热液冷却形成。
根据岩心观察结合岩石薄片研究结果, 克夏地区断裂带附近火山岩胶结作用普遍发育, 孔隙、裂缝基本全部被胶结物充填。但是各断裂的成岩胶结物类型不同, 存在多种各具地质意义的成岩胶结矿物相带, 主要表现为克百地区克拉玛依断裂的绿泥石-浊沸石相带、南白碱滩断裂及426井断裂的方解石 (早期碳酸盐) 相带、 百口泉断裂的方解石 (早期碳酸盐) -黏土矿物相带、西百乌断裂的方解石 (早期碳酸盐) -铁方解石(晚期碳酸盐) 相带和乌夏地区夏红北断裂的沥青-铁白云石 (晚期碳酸盐) -菱铁矿相带。
1) 克拉玛依断裂带
通过对钻遇克拉玛依断裂的古25和547井岩心观察发现,该断裂带内胶结作用强烈,诱导裂缝带内裂缝发育且普遍被胶结物充填 (图4-28, 图4-29)。
图4-28 古25井综合柱状图及岩心照片
图4-29 547井综合柱状图及岩心照片
进一步通过岩石薄片观察发现古25井断裂带内岩性主要为玄武岩。 斑状间隐间粒结构, 胶结致密。 岩石中斑晶含量约20%～40%, 由板柱状基性斜长石和辉石组成。 基质由细小柱状斜长石组成格架, 格架间分布粒状辉石和玻璃质, 玻璃质脱玻具铁质析出。 岩石中较均匀分布有约3%～5%的杏仁体, 杏仁体较为细小, 外形极不规则, 由绿泥石充填形成。 接近断裂核心部位岩石受压扭性构造应力作用具强的挤压碎裂, 岩石后期具绿泥石化和不均匀浊沸石化 (图4-30)。
图4-30 古25井岩石薄片照片
钻遇克拉玛依断裂的547井断裂诱导裂缝带内岩性主要为安山岩, 交织结构, 岩石中杏仁体中早期充填绿泥石, 晚期充填浊沸石。 基质斜长石间充填的隐晶质具脱玻现象。 岩石中见大量微裂缝, 缝中充填绿泥石和浊沸石 (图4-31)。
图4-31 547井岩石薄片照片
通过岩石薄片分析表明, 克拉玛依断裂诱导裂缝带内岩性主要为玄武岩、 安山岩。 岩石后期具绿泥石化和浊沸石化现象及脱玻现象, 杏仁体被绿泥石、 浊沸石充填。 岩石受应力破碎, 裂缝发育, 缝中充填绿泥石、 浊沸石。 因此, 克拉玛依断裂带胶结物类型属于绿泥石-浊沸石相带。
2) 南白碱滩断裂带及426井断裂带
对钻遇南白碱滩断裂及其分支断裂426井断裂的415井、 416井、 417井、 426井、435井、 439井和534井的岩心观察发现, 南白碱滩断裂带内胶结作用强烈, 诱导裂缝带内裂缝普遍被胶结物充填 (图4-32, 图4-33)。
图4-32 439井综合柱状图及岩心照片
图4-33 417井综合柱状图及岩心照片
进一步通过岩石薄片分析发现, 417井钻遇南白碱滩断裂带内主要为安山质岩屑凝灰岩, 岩屑凝灰结构, 胶结致密。 岩石中主要由安山岩岩屑组成, 岩石由火山灰胶结, 后期具绿泥石化和方沸石化现象。 受构造应力作用, 构造破裂缝发育, 破裂缝中充填方解石和方沸石。 接近断裂核心部位可见碎裂化火山凝灰岩和碎裂化安山岩, 碎裂缝中充填方解石。 偶见杏仁体也由方解石充填且具有绿泥石化现象 (图4-34)。
图4-34 417井岩石薄片照片
岩石薄片分析发现439井钻遇南白碱滩断裂带内主要为玄武岩、 安山岩, 胶结致密。岩石中长石格架间玻璃质均已脱玻蚀变为绿泥石, 并具微粒状铁质析出。 岩石受构造应力作用具挤压破裂, 破裂缝中充填方解石。接近断裂核心部位见硅化粉砂质泥岩。 岩石具强的硅化, 受构造应力作用具挤压破裂, 破裂缝中充填方解石、 硅质 (图4-35)。
图4-35 439井岩石薄片照片
426井钻遇的南白碱滩断裂分支断裂-426井断裂诱导裂缝带中岩性主要为火山灰凝灰岩。 火山灰凝灰结构, 胶结致密。 岩石受构造应力作用具挤压破裂, 破裂缝呈羽状排列, 缝中充填方解石 (图4-36)。
图4-36 426井岩石薄片照片
通过岩石薄片分析表明, 南白碱滩断裂及426井断裂带内岩性主要为安山岩、 火山灰凝灰岩。 岩石受构造应力作用破裂缝发育, 主要为方解石充填, 其次为方沸石、 硅质充填。 火山灰胶结物具绿泥石化和方沸石化, 玻璃质脱玻蚀变成绿泥石, 方解石胶结物交代泥质杂基。 因此, 南白碱滩断裂带胶结物类型属于方解石 (早期碳酸盐) 相带。
(4) 溶蚀作用
溶蚀作用和火山物质蚀变控制研究区优质火山岩储层发育。 溶蚀作用是本区火山岩储集层发育的建设性成岩作用。 有两类: 第一类发生在火山喷发间歇期, 在地表或近地表条件下, 各种风化淋滤作用使火山岩中气孔、原生裂缝等被溶蚀。 气孔溶蚀扩大并与溶蚀裂缝相连通。 薄片中见到的溶蚀孔隙边缘黑色氧化铁泥质膜是地表、 近地表氧化环境风化淋滤作用的结果, 还可见辉石和长石斑晶的晶内溶孔。 第二类是沿后期构造裂缝发生的广泛而强烈的溶蚀作用, 形成溶蚀裂缝、溶孔和溶洞。 岩心中常见大的溶缝和溶洞。 第三类是地下酸性流体作用造成的溶蚀, 在薄片中见到溶孔中含油现象和溶孔发育附近有较多沥青充填缝。
研究区内玄武岩溶蚀作用整体不强, 仅少量辉石和长石溶蚀, 以及少量基质孔; 流纹岩发育较少, 主要为长石斑晶的溶蚀。 安山岩溶蚀作用较强, 主要为长石和角闪石选择性溶蚀, 气孔溶蚀扩大, 呈不规则状, 尤以482井2332～2349m井段的碎裂英安岩溶蚀强烈, 次生孔面孔率在3%～5.5%之间; 在克81井3891～3893.6m井段的玄武岩杏仁体强烈溶蚀, 形成大量的溶蚀孔洞。
研究区火山岩溶蚀作用发育强度主要受断裂、 不整合面或风化壳、 岩石类型和围岩四个因素控制。
1) 断裂
靠近断裂, 杏仁体充填程度高, 后期溶蚀程度也高。 酸性地层水或大气淡水易沿着断层进入岩层, 发生溶蚀。
2) 不整合面或风化壳
靠近不整合面或风化壳, 受地层水或大气淡水影响明显, 杏仁体大量溶蚀。 在克81井残留的风城组二段顶部发育一期喷溢相泛流玄武岩, 与上覆夏子街组碎屑岩呈不整合接触。 玄武岩中发育大量的杏仁体, 后期地层水沿不整合面运移进入玄武岩地层, 杏仁体大量溶蚀, 形成大小不等的溶蚀孔洞 (图4-37)。
图4-37 不整合面对杏仁体溶蚀的影响 (以克81井风城组为例)
3) 岩性
远离断裂、 不整合面或风化壳的熔岩以及冷凝固结的火山碎屑岩, 微裂缝不发育, 岩石致密, 酸性流体难以进入岩层发生溶蚀。 通常, 压实固结、 分选相对较好的中粗火山角砾岩溶蚀作用较强, 储层物性较好。
4) 围岩
沉积围岩的影响如烃源岩层排酸、渗透层地层水渗入等, 利于火山岩溶蚀作用的发生。
2.克夏地区火山岩孔隙演化规律及成岩序列
(1) 火山碎屑岩
空落的火山碎屑岩和正常压实、碎屑流成因的火山碎屑岩孔隙演化过程明显不同于熔岩类和冷凝固结的火山碎屑岩类。 正常压实固结成岩的火山碎屑岩、 原生砾 (粒) 间孔的发育有利于后期溶蚀作用的进行。 砾 (粒) 间孔和后期形成的微裂缝是酸性流体进入岩石内部的通道, 在后期构造作用形成的微裂缝不发育的情况下, 火山碎屑岩中砾 (粒) 间孔的重要性凸显出来。 火山角砾岩经过砾 (粒) 间孔压实缩孔、 胶结充填、 胶结物和颗粒溶蚀等成岩变化后, 储集空间组合变成粒内溶孔+ (剩余) 粒间孔 (图4-38), 可能含有一定量的微裂缝。 凝灰岩主要的储集空间类型为基质溶孔和微裂缝。
图4-38 火山角砾岩中的剩余原生砾 (粒) 间孔颗粒间孔, 沉火山角砾岩, 596井, 2472.69m, 左:(-); 右 (+)
火山角砾岩中含有大量的凝灰岩岩屑、 安山岩岩屑等。 这些火山凝灰物质是形成沸石矿物的主要物质基础。 沸石形成于低温、 强碱性环境中。 由于火山凝灰岩粒度细, 并含有大量低温时不稳定的矿物, 在受溶液作用迅速分解后可放出大量K+、 Na+、 Ca2+、Mg2+等离子, 使溶液呈强碱性, 很有利于沸石的形成。 低温条件下, 沸石矿物从高pH值和高盐度的溶液中沉淀出来, 充填粒间孔隙或交代凝灰岩岩屑以及以斜长石为主的中基性火山岩。 当沸石化作用强烈发生时, 岩石中大部分的有效原生孔隙已丧失, 只剩下沸石矿物的晶间孔。
(2) 熔岩
熔岩类、 熔结火山碎屑岩类和火山碎屑熔岩类为冷凝固结成岩, 原生孔隙的发育直接受冷凝固结控制。 同时, 冷凝固结的成岩方式, 使岩石致密, 渗透性较差, 在没有后期微裂缝改造的情况下, 酸性流体很难进入岩石内部使其溶蚀。 冷凝固结熔岩类孔隙的发育演化过程为: 气孔和收缩缝的形成、胶结充填-后期构造微裂缝的改造-杏仁体和斑晶、 基质溶蚀等, 储集空间组合为 (少量) 剩余原生气孔+杏仁体溶蚀孔+斑晶和基质溶孔+微裂缝。
熔岩中气孔和裂缝的充填物主要来自火山物质 (包括基质和斑晶) 蚀变, 同时也有冷凝早期地表热液作用的产物。 岩心和薄片观察, 充填具有多期性, 每一期充填物质有所不同 (图4-39)。
图4-39 火山岩储层气孔多期充填