火山岩的孔隙度和渗透率——阿根廷南巴塔哥尼亚地区的研究实例.doc

火山岩的孔隙度和渗透率阿根廷南巴塔哥尼亚地区的研究实例王立群译P.Sruoga N.Rubinstein G.Hinterwimmer摘要：中晚侏罗世Serie Tobifera岩体属于Chon-Aike岩石分区，它广泛地分布于巴塔哥尼亚地区和南极半岛。它大部分由溶结凝灰岩、外碎屑岩和流纹质熔岩体组成，曾被认为仅仅是含裂隙渗透率的次要石油储集层。采集自南部盆地的经过筛选的岩心样品的岩石学和储油物性数据可以确定这些火山岩的孔隙度和渗透率的形成过程。在冷凝和冷凝后阶段所发生的系列过程有时可以极大地改变该储集层的原始储油物性特征。其结果是在快速冷凝裂隙发育的火山玻璃和含有气管构造的非凝结熔结凝灰岩以及同生角砾岩化的流纹岩中发育更高的孔隙度和渗透率。熔结凝灰岩、块状火山玻璃和流纹岩中具有最低的渗透率。这些新数据表明构造裂隙的意义并不像以前的研究那样大，而且这些概念的应用与火山岩储层评价相关。关键词：Tobifera；南巴塔哥尼亚；火山岩；孔隙度；渗透率。1、 简介Serie Tobifera是南部盆地非正式的底部地层的名称。在传统意义上，该厚层火山岩层序因其具备明显的随机分布的储层条件，所以被认为是油气勘探的次要储层目标。虽然某些油气田延伸到了该套地层，但是作为该盆地的主要产层仍然是其上覆的Springhill砂岩体。Serie Tobifera岩体的储层特征研究得很少，仅进行了简单的评价以解释它的储油物性，认为是构造裂隙和/或凝灰岩的风化形成储集特征。但是需要详细的地质和储油物性研究以便确定这些火山岩的孔隙度和渗透率的控制因素。本文的目标是建立熔结凝灰岩流和流纹质熔岩流产出和完全冷凝之后所发生的过程以及在改变原生孔隙度和渗透率方面的作用。为了评价该过程对所选南部盆地的岩心样品的岩石学和储油物性数据进行了综合研究。2、 地质概况Serie Tobifera岩体是广泛分布的被称作Chon-Aike岩石分区的岩性地层单元（图1）。它构成一个硅质的大火成岩分区。它的面积超过包括大陆台地在内的1.7106km2的预计面积。地质年代为中晚侏罗世。在该时期，沿冈瓦纳大陆西缘发育的巴塔哥尼亚地区发生了长期的并且广泛分布的火山作用。在Deseado山发现许多低浓度的硫化金和硫化银沉积与该岩浆事件相关。较老的放射性同位素研究表现出该地层单元具有中侏罗世的地质年龄（160.7Ma）。仅最新的生物U-Pb锆石年龄数据可以定义该单元的三个主要阶段：分别是V1（188-178Ma）、V2（172-162Ma）和V3（157-153Ma）。涵盖35my时间跨度的该火山活动在冈瓦纳大陆解体的不同阶段经历了反映构造运动变化的向西迁移。该巨大的火山岩地层单元的形成与自三叠纪以来活动的区域岩石圈扩展机构是同一时代的。地震数据表明硅质岩浆作用紧密地相关于最初的伸展断层。裂谷系统由反转的半地堑组成，受控于北西-南东向主断层。裂谷系统直到早白垩世为止都很发育并最终导致大西洋的开放。在冈瓦纳大陆解体的早期阶段主要发育铁镁质到双峰式的火山作用，很可能与Karroo地幔柱所发生的活动相关。随后火山活动基本上变成硅质成分并间歇性地向着太平洋的边缘移动。距离现在最近的间歇期与E1 Quemado复合体和Ibanez地层的火山岩的形成相当。地球化学证据表明这些岩石的弧形特征说明在半静态的较长时期收敛速度的增加和在白垩纪末期该纬度下形成的岩浆弧的发育。在三叠纪的切应力旋回中该裂谷系统沿着主断层带伴随着构造反转而重新活跃。很明显，在其组成上Chon-Aike岩石分区的南部由巨厚的熔结凝灰岩台地组成，含花岗岩、熔岩穹、少量的中性熔岩和外碎屑凝灰岩。从局部上说，这些火山岩地层单元在不同地区具有不同的名称（表1）。在Deseado山，火山岩主要为平缓分布的地层并且相对来说没有发生变形。相反在安第斯山脉的该套岩层则发生了不确定的变形，在安第斯构造旋回期间发生了刺穿和断裂。Serie Tobifera岩体广泛分布在南部盆地、马尔维纳和圣朱利安盆地（图1），在智利的Ultima Esperanza地区和阿根廷的Tierra del Fuego和Islade los Estados地区发现少量的岩石露头。南部盆地或者麦哲伦盆地在阿根廷的最南端和智利面积超过170000KM2，走向为NNW-SSE，受到北部的Deseado山、西部的安第斯褶皱和冲断带以及东部的Rio Chico山的限制。覆盖古生代的变质岩基底，盆地的内部充填物质由侏罗纪的断陷硅质火山碎屑岩层序、白垩纪凹陷海相沉积岩和第三纪浅海沉积物以及陆相沉积组成。在太平洋的主边缘，该单元主要由水下的火成碎屑岩组成，与浊积层和复矿碎屑流沉积相伴生。巨厚的红褐色火山碎屑角砾岩和玻璃质碎屑岩记录了到海相沉积物的流纹质岩浆的侵入和冷凝过程。更进一步地说，在东部Serie Tobifera的岩性组成类似于Chon-Aike岩石分区的主要成分，包括地表流纹质熔岩流和熔岩穹、外碎屑和火成碎屑流。在圣朱利安盆地钻遇到1385米厚的流纹岩和流纹质凝灰岩，而在南部盆地的西部发现了2000米厚的火山集块岩。在南部盆地的最东部和西部的马尔维纳盆地发现有称为Dogger-Malm的大层序，是半地堑中的火山岩充填，由凝灰岩、凝灰质砂岩、流纹岩和少量的黑色湖相沉积岩组成。该大层序被分为两个层序，分别是1500米厚的下Tobifera和不整合地覆盖下部地层的500米厚的上Tobifera。下部的火山碎屑岩充填深谷而在基底的较高处缺失，而上Tobifera则适度地连续分布，火成碎屑岩层序向东楔入到含涡鞭藻的海相泥岩中。在Tierra del Fuego地区，与前述相当的地层是Lemaire组，厚度达到1000米，可划分为四个层序，由外碎屑凝灰岩、英安岩和流纹状玻璃质凝灰岩和深湖相富含有机质泥岩组成，这套湖相泥岩被认为是本地区的潜在烃源岩。3、 研究重点来自南部盆地南东部的九块岩心样品分别在Cerro Norte、Campo Bremen和Oceano油气田采集（图1），应用它们进行了岩石学和储油物性的综合研究。应用所选样品的铸体薄片的放大观察以评价孔隙空间的不同类型。应用He孔隙度测量仪以不变的体积单元测定了孔隙度值。孔隙度和渗透率的测量间隔是30CM。3.1、Cerro Norte气田 该气田位于构造高点，在四口探井中钻探到了纯流纹岩，厚度达到150米，在全区可进行对比。 来自Serie Tobifera岩体ACN-21和ACN-28井的两块研究样品表明它们是巨厚的淡黄灰色到淡绿色的流纹质熔岩，具有热液变质作用。ACN-21样品上发现几条倾斜的裂隙伴有相关的矿化作用和液压角砾岩化作用（图2A，1698-1700m）。它们部分到完全充填有方解石、黄铁矿、氧化铁和粘土矿物（伊利石/蒙皂石混层和高岭石。ACN-28样品的岩性是自破碎角砾岩（图2B，1728.5-1730.5米和1732.2-1734米）。形状不规则的流纹质碎屑大小为10到50厘米，嵌入到流纹岩基质中。裂隙和微裂隙构成多面体形状，而热液变质作用广泛存在。作为主要的裂隙充填矿物相有方解石、绿泥石和粘土矿物（伊利石/蒙皂石和高岭石）。 流纹岩表现为斑状结构，含30-40%的斑晶，包括石英、钾长石、少量的黑云母和不透明矿物。基质完全重结晶为霏细岩到花斑岩集合体。钾长石斑晶的一个明显特征是存在筛状结构，程度从几乎没有筛状晶体到残晶都有。新形成的富钾长石可见与老晶体不连续，环绕在晶洞的边缘。 流纹岩的孔隙度为13-28%而渗透率为0.001-6.7mD（图3），沿着垂直剖面没有变化。可以划分出三种类型的孔隙度：（1）、因钾长石筛状结构而产生的晶内孔隙度（图4A）；（2）、因自破碎角砾岩化作用而沿碎屑边缘发育的微裂隙（图4B）；（3）、与热液作用相关的微裂隙。3.2、Campo Bremen气田 在发育于构造高点上的该气田上钻探了三口井，分别是CBre-x2、ACBre-8和ACBre-10。Serie Tobifera岩体在此处主要为熔结凝灰岩和少量的外碎屑堆积互层。Campo Bremen熔结凝灰岩从适度的凝结到非凝结并且在垂向上分带。蒸汽相结晶带和相关的气管构造普遍发育。矿物组成为流纹质（石英、钾长石、斜长石、黑云母和不透明矿物）；这些玻璃质凝灰成分富集在玻璃质碎屑中而在石质碎屑中少见。在由绿泥石、方解石、粘土和石英组成的集块岩和与此相关的液化角砾岩中通常表现出普遍的热液变质作用。 在Cbre-x2井中，一套1.8米厚的外碎屑堆积体覆盖在非凝结的熔结凝灰岩（图5A，1775.20-1777m）之上。它是由石质的砾岩组成间夹层状的凝灰岩和鲕粒凝灰岩，砾岩中含砂岩基质和方解石胶结物。因发育良好的纹层而使熔结凝灰岩堆积表现出原生的带状结构（图5A，1778.3-1778.8m和1783.8-1785.3m）。少量的含有黄铁矿和硅质物质的矿化裂隙在垂向上切割岩心样品。 在ACBre-8井中，淡灰绿色的熔结凝灰岩因为局部的绿泥石侵入而表现出轻微的垂向构造分带。在厚度上有变化（最厚达3厘米），大量的浮石没有发生变形 并局部到完全转化为粘土。石质成分含量较低：流纹岩、安山岩和较老的熔结凝灰岩随机地分布。气管可以被识别为垂直到倾斜的开放裂隙，少数为几厘米长并且在形状上为不确定的弯曲状态（图5B，1711.3-1713.2m和1727.00-1729.3m）。它们通常在非凝结带方向上发育得最好。在最深处，因发育有硅化的层系而存在原生带。同时，也观察到几厘米长的粘土和硅质充填的热液成因的裂隙。 ACBre-10的样品具有较高的角砾岩化并且相对于热液变质作用带如ACBre-8井显现为倾斜到亚垂直分布的裂隙（图5C）。从样品的较上部到底部凝结程度逐渐增加从低程度带到明显的条带结构带分布（图5C，1759.5-1759.9m）。 熔结凝灰岩含有60-70%的玻璃质碎屑，包括浮石岩屑和玻璃碎屑。在脱玻化的椭球状、球粒和霏细结构的基质中包含石英集合体、筛状钾长石、斜长石和少量的黑云母。玻璃质碎屑结构为主，但是可以在局部观察到条纹斑状结构。通过对存在的自形微晶石英和钾长石的观察可发现蒸汽相结晶作用带。它们以晶族的形式生长在如气管、微气孔和斑晶残余空间这一类可变孔隙空间的边缘。 在这些样品中，孔隙度和渗透率沿着垂直剖面变化。熔结凝灰岩的孔隙度变化在4.8-26%之间而渗透率在0.002-164mD之间（图6）。外碎屑岩的孔隙度达到22%，渗透率达到200mD。 可以识别出五种类型的孔隙度：（1）凝结孔隙度，它依赖于熔岩流凝结的程度（图4C）；（2）气管相关孔隙度（图4D）；（3）晶间孔隙度，与钾长石的筛状结构相应；（4）微裂隙，与热液作用相关；（5）粒间孔隙度，外碎屑岩发育。3.3、Oceano油田 在位于构造高点的该油田钻探了四口探井，分别是O-39、O-40、O-42、O-43。此处的Serie Tobifera岩体表现为以下岩性：玻基斑岩、黑曜岩、玻璃质碎屑岩、熔结凝灰岩和外碎屑角砾岩。 玻基斑岩（图7A，1360-1367m；图7C、D，整个岩心）为淡黄色和淡绿色到淡红色。因珍珠玻璃和其它带有球粒和霏细结构的物质的存在而展现为巨厚的带状。局部可见假流纹带状结构。玻璃质中高程度地转变为蒙皂石、伊利石、斜发沸石、毛沸石、石英、蛋白石和绿泥石，偶尔也会出现假碎屑结构。变质成分也作为溶洞、气孔、珍珠岩裂隙、快速冷凝裂隙和构造裂隙等开放空间的充填物质而出现，少量的变质物质作为晶体的交代成分产出。以晶族和岩脉形式产出的方解石少见。晶体含量较高（达到40%），包括斜长石、透长石、石英和黑云母；可见少量的石质碎屑。可经常见到分散状存在的晶体。 巨厚玻基斑岩的最明显特征是多边弧形的裂隙系统形成的拼图结构（图7A，1360-1367m；图7C、D，整个岩心）。这些快速冷凝形成的裂隙在一个扩展的网格系统中被连接起来。珍珠结构也非常发育，同时快速冷凝形成的微裂隙包围珍珠岩表示在快速冷凝之后发生了玻璃水合作用。快速冷凝裂隙和珍珠岩裂隙被产生混杂分布在基质中的开放空间的玻璃溶解作用所拉长。存在碳氢化合物浸入形成的分带（图7C，1178.7-1171.3m和1184-1185m）。在O-43井岩心的较上部位发现典型的碎裂构造，表明存在构造变形。它代表部分密集的移位裂隙和形成原始碎裂构造的碎裂带（图7D，1305-1306.2m）。玻璃质和晶体的破碎、弯曲、移位和变形是明显的，而在一般情况下表现出碎裂结构，例如云母鱼结构、多米诺结构等。 黑曜岩选择性地被蒙皂石、绢云母、硅质、斜发沸石和少量的绿泥石交代。虽然玻璃变质较为普遍，但是主要的火山岩特征，例如平行和波状流纹条带（图7B，1263.5-1264m和1265-1265.4m），球粒、珍珠岩裂隙和快速冷凝裂隙仍然得以保留。珍珠岩裂隙被快速冷凝裂隙包围的特征在变质程度较低的部位清晰可见。火山玻璃的含量将近95%，种类范围是从淡绿黑色的原生珍珠岩和部分脱玻化的玻璃到几乎完全淡黄灰色至橙色的变质玻璃。脱玻化作用产生球粒、扇状和蝴蝶结结构。沿着快速冷凝和珍珠岩裂隙的玻璃质熔结作用普遍存在。晶体含量很低（为2%），包括斜长石和少量的石英。破碎的晶体发育。 上覆的玻璃质碎屑岩（图7B，1266-1268m）看起来很像玻璃质角砾岩的高变质产物，颜色为淡红黄色到淡绿灰色。代表原地碎屑的特征，例如拼图结构、快速冷凝裂隙、碎晶和粒径分级可以清楚地识别。角砾岩为单矿物碎屑，由棱角状到次棱角状的含气孔的玻璃质碎屑组成。珍珠岩质的黑曜岩碎屑为主而浮石次之。粒径的范围在鲕粒和块状（4-5cm）之间，它们侵入到部分脱玻化的火山灰基质之内。脱玻化作用表现为球粒、微霏细结构和椭球结构。破碎的斜长石和石英晶体普遍存在。蒙皂石、硅质和斜发沸石是主要的变质矿物，发生遍布的玻璃质交代作用或完全充填裂隙。 熔结凝灰岩是浅橙灰色的块状鲕粒凝灰岩，在该段地层的较上部位含有某些鲕粒层。该单元被变质矿物充填的裂隙所切割。白色到橙色的波纹状浮石部分地被粘土和斜发沸石所交代。沿着该单元，凝结程度逐渐降低。虽然石质含量较低且带状玻璃质与鲕粒互层，但是在熔结凝灰岩单元的较上部位发现了熔结凝灰岩和石英岩碎屑（图7B，1268.2-1268.8m和1269.2-1269.7m）。丰富的火山灰基质中包含大量的部分被斜发沸石交代的玻璃碎屑。晶体含量较低（为10%），主要为斜长石、石英和少量的黑云母。 向上变粗的外碎屑角砾岩（图7A，1367-1375m），包含不同类型的火成碎屑岩，在厚度上达到1.5m。多数的碎屑与浅绿色绿泥石化的非常细粒的凝灰岩相符，含有与溶洞不连通的微裂隙，它的结构为玻璃质碎屑结构，含悬浮状的通常被绿泥石交代的斑状玻屑。碎屑的形态表现为特别高的扭曲状并且相互挤压接触，表明在堆积时期的塑性特征。层状的、富含有机质的鲕粒凝灰岩碎屑被解释为火成碎屑物质的涌出（图7A，1367-1369m）偶然可见。向下碎屑颗粒的粒径大体上降低且角砾变成基质支撑。不同源的玻璃质岩屑，例如珍珠岩质玻璃、脱玻化玻璃、浮石、斑状流纹岩和玻基斑岩丰富。基质与含氧化铁侵入的隐晶质成分相符合。 孔隙度和渗透率具有很高的可变性。除了具有低渗透率（0.003-0.18mD）的玻璃质碎屑岩之外，快速冷凝的玻璃质（玻基斑岩和黑曜岩）达到优良的孔隙度和渗透率值（为37.6%和762mD）。外碎屑角砾岩表现出很高的孔隙度和渗透率的易变性（9.4-32%）（0.002-6.4mD，但是通常小于1MD）。熔结凝灰岩在孔隙度上表现为17-30%而渗透率较低（小于0.1mD）（图8）。 可以识别出五种类型的孔隙度：（1）快速冷凝相关的孔隙度，在致密的玻璃质中（图9A）；（2）普遍存在的玻璃溶解作用相关的孔隙度（图9B）；（3）原生孔隙度，非凝结到贫凝结的熔结凝灰岩；（4）次生孔隙度，由构造变形产生；（5）在外碎屑角砾岩中发育的粒间孔隙度。4、 孔隙度和渗透率的控制因素在火山岩被保存到界面上之后发生了若干过程，但是有关这些过程如何改变岩石的孔隙度和渗透率则很少知道。与迅速冷凝保存的熔岩不同，熔结凝灰岩流因其特别的热容量而延长了它的冷凝历史。它们经历了如下两个阶段：（1）早期保存阶段，包括气孔化作用和碎裂作用；（2）晚期保存阶段，包括冷凝和后冷凝历史（表2）。火成碎屑岩的气孔化作用是主要的原生孔隙度和渗透率的控制因素。熔结凝灰岩的气孔特征产生了适合于释放分散气相的孔隙空间。其基本机理是气孔合并这样的连续过程，最终导致熔融相物质的瓦解。原生孔隙度的发育依赖于气孔化、气孔的大小、时间、压力差和粘度。在该过程中充填其内的斑晶的破碎而产生沿破碎边缘的孔隙空间（图9D）。在冷凝时影响火成碎屑岩和熔岩的不同过程有时大体上能够改变它们的原始储油物性。在该阶段冷凝是火成碎屑岩原生孔隙度的首要控制因素。在非冷凝到适度冷凝的熔结凝灰岩堆积中，孔隙空间与原始气孔、气囊、波状的浮石碎屑和松散堆积的玻璃质碎屑相关（图4C）。进一步的冷凝减小了孔隙度。但是由于孔隙体系没有连通，甚至是非凝结的岩石，其原生渗透率也相当低。正如在Campo Bremen气田的样品研究中看到的那样，因为凝结作用孔隙度明显降低而渗透率总是较低（图6）。在早期冷凝历史中的几个后期作用过程，例如长石的蚀变、硅化作用和蒸汽相结晶可能改变原始的储油物性参数。这种在流纹岩和熔结凝灰岩中观察到的长石的筛状结构是在后期的流体作用下由晶体相的溶解而产生。控制长石溶解的最佳时间是在残留部分中存在蒸汽相晶体和新形成钾长石的沉淀（图4A）。这种筛状结构形成晶间孔隙度，但因连通性差而使渗透率较低，如Cerro Norte气田中的流纹岩（图3）。离子质谱仪研究证明了长石的原生孔隙度因微孔隙的存在而产生且大致成比例于父岩浆中的水的含量。这些微孔隙产生的微渗透性允许流体进入到颗粒之间而导致溶解作用的发生。长石的蚀变作用包括最初的溶解阶段，流体的PH值较低，之后是沉淀作用。但是在浓度较低的溶液中，次生矿物的沉淀不一定发生。后期的硅化作用广泛分布且无处不在，并以巨厚的玻璃质交代形式展现。在熔结凝灰岩堆积中蒸汽相结晶作用的发育因存在气管构造和相互连通的互为垂直的浮石碎屑而产生明显的渗透率增加（图6）（图4D）。在流纹质熔岩中，自破碎角砾岩化作用是可以增加孔隙度和渗透率的冷凝过程，如Cerro Norte流纹岩（图3）。沿着熔岩碎屑的边缘，因为在角砾岩化期间相对松散堆积的流纹质碎屑而发育孔隙空间。孔隙较小但是这些孔隙形成连通的状态。岩浆和水的相互作用引发快速冷凝破碎作用和玻璃质碎屑岩的形成。Oceano油田的岩心为岩浆和水的相互作用提供了强有力的证据：丰富的玻璃、形成玻基斑岩和黑曜岩的快速冷凝裂隙、具有拼图结构的玻璃质碎屑岩堆积和在变质集块岩中存在斜发沸石。快速冷凝裂隙系统成为非常好的连通孔隙系统（图8和9A）。紧密相关的其它作用也改善了渗透率。水的相互作用也形成玻璃的溶解和变质。在Oceano油田，玻璃质的溶解增加了孔隙度和渗透率（图9B），扩展了不同成因的开放空间。而变质仅当玻璃质被云母和粘土集合体交代