阿根廷奥斯和纽奎盆地火山岩储集层的孔隙度和渗透率的演变过程.doc

阿根廷Austral和Neuqen盆地火山岩储集层的孔隙度和渗透率的演变过程 译者：王立群 Patricia Sruoga和Nora Rubinstein摘要：根据火山岩地层中地质作用的顺序及岩性特征的不同，该地层发育原生和次生孔隙而且其孔隙度和渗透率的值也不尽相同。原生地质作用过程（凝结作用、晶体的后期分解作用、气体的释放、熔岩流的破碎以及晶体的破碎等作用）可能导致高的孔隙度和渗透率的形成，含有大量气孔的非凝结熔结凝灰岩就是最有力的证明。但是次生地质作用（不同类型的改造作用）则有降低原生孔隙度的趋势。不过某些次生过程例如分解作用和高压裂隙的形成可能有助于提高总的孔隙度和渗透率。综合岩性特征和应用岩石学数据进行的过程解释所得到的结论被应用到火山岩储层评价的系统分析上。上述结论来源于阿根廷的Austral盆地的Serie Tobifera地层和Neuquen盆地的Precuyano地层中的所选火山岩岩芯样品的分析上。原生和次生地质作用过程的明确认识可能有助于预测火山岩储层的质量并能够在世界的许多地区指导石油和天然气的勘探和开发。简介正如越来越多的非常规油气田被发现和开发一样，火山岩储层的重要性也在增加。在阿根廷，Austral和Neuquen盆地的火山岩储集层形成了产油规模。Neuquen盆地具有最高的生产能力，据统计其产出阿根廷油气总量的43%和59%。尽管油气田自1960年开始生产，但是直到勘探的后十年，才开始关注作为潜在储集层的火山岩地层单元。该类储集层的即重要而又有经济价值的例子是Medanito-25de Mayo油气田。该油气田的日产量是1938m3（68439ft3、12190桶/日）的油和488106m3（17.23mmcf/日）的气。通过对该油气田的研究表明Neuquen盆地中预测的可能石油当量为70106m3（2472mmcf、440.3106桶），而在1962到2001年之间记录的累积产量为56106m3（1977mmcf，352.2106桶）。前人的工作成果尽管对火山岩方面的关注程度在增加，但是以前仅在储层特征方面有少量的研究并且仅进行了简单的预测工作以解释该类储层的发育状况。此时的研究把储层发育与构造裂隙和/或凝灰岩的风化相联系。自1998年以来，Chevron Sen Jorge主导了Austral盆地的几项研究以希望明确储层的岩石学控制因素。研究过程形成两种不同类型的火山岩储层定义：（1）、由火山作用主控的储层；（2）、由构造裂隙发育改造的储层。目的本文的目的是根据形成孔隙度和渗透率的火山作用影响因素的阐明，以孔隙形态和主控因素为基础对储层进行分类。要完成这项工作，应该系统地回顾通过综合岩性和岩石学数据的逐步解释所进行的火山岩储层评价。本研究以所选的火山岩岩芯样品为资料，岩芯来自于Austral盆地的Serie Tobifera地层和Neuquen盆地的Precuyano地层。本文的基本前提是火山岩发育的原生、次生孔隙度和渗透率都随岩性的变化和地层中同生和次生作用的发生顺序的变化而有所不同，因此准确地识别这些变化的过程要求在储层评价中确定他们的影响结果。未受改造的火山岩的分布范围较宽，从未固结的熔结凝灰岩到致密的火山玻璃和熔岩都存在，其中的任何一种岩石类型都表现有不同类型的原生孔隙。但是未受改造的岩石类型在自然界中极少发现。一般情况下不同形式的改造作用都会导致结构和矿物成分方面的变化，有时会形成次生孔隙。每种类型的孔隙对火山岩总孔隙度和渗透率的贡献具有较高的可变性而且主要依赖于岩石的形成历史，例如在岩浆房中岩浆的形成到后期变化冷却及以后的其它地质作用。此后，在某种情况下可能形成构造裂隙，这可能是形成孔隙度和渗透率的主要原因。不过该作用的研究没有包括在本文中。地质概况图1：阿根廷沉积盆地分布图。概略地表示1KM的总沉积物充填（由Uliana等人修改，1989；经AAPG许可翻印。）Austral盆地的Serie Tobifera地层在阿根廷和智利最南部的Austral（或Magallanes）盆地，其面积超过23万KM2（图1）。下覆地层是古生代的变质岩基底，盆地充填由侏罗纪的断陷硅质火山碎屑岩层序、白垩纪海相沉积和第三纪浅海及陆相沉积组成（图2）。该地层同时广泛分布在Malvinas和San Julian盆地中，是ChonAike地层分区中分布广泛的岩性地层单元。它构成富含硅质成分的大岩浆区，分布面积超过预计的1.7106KM2，并包括大陆台地。火山作用期超过35my。在侏罗纪，火山作用表现为向西的迁移现象，反映冈瓦纳大陆解体的不同时期发生不同的构造变动。这个巨大的火山岩地层单元的形成是与自三叠纪以来区域岩石圈扩展活动同步的。地震资料表明这种硅质岩浆作用与最初的伸展断层密切相关。断陷系统是由反转的半地堑组成的，由北西南东向的主断层所控制。物质成分上均一的南ChonAike地层分区由巨厚的熔结凝灰岩台地组成，其中含有花岗岩、熔岩穹、中性熔岩和外碎屑凝灰岩。图2：Austral盆地的地层柱状图在太平洋沿岸，Serie Tobifera地层主要由水下火山碎屑岩组成，且与浊积层和混杂碎屑流沉积紧密地共生。巨厚的凝灰质角砾岩和玻璃质凝灰岩表明在海相环境中流纹质岩浆的侵入和迅速冷却。在东部，Serie Tobifera地层的岩性组合类似于ChonAike地层分区的地层而且还包括地表流纹质熔岩流、熔岩穹以及外碎屑和火山碎屑流沉积。在更东部的Austral盆地，DoggerMalm巨层序被划分出1500米（4900英尺）厚的下Tobifera地层，其不整合地被500米（1640英尺）厚的上Tobifera地层所覆盖。底部尽管大量充填火山碎屑岩层序，但是还没有超过基地的高度，但上Tobifera地层却是相对连续的，向东楔入的火山碎屑岩层序夹有含鞭毛虫的海相页岩。以前，Serie Tobifera地层单元被看作是油气勘探的次要储集岩，这是因为火山岩储层的发育状况难以预期。上覆的Springhill组中的砂岩是该盆地的主要产层。Neuquen盆地的Precuyano地层Neuquen盆地位于Andean Cordillera的南纬30到40之间，是三角形的盆地，面积超过16万平方公里。它从早侏罗世开始逐渐发育为陆相的内弧和后弧盆地并含有较厚的中生代到新生代沉积建造（图3）。这个扩展构造框架的开始与晚三叠纪冈瓦纳大陆解体的初期阶段相关。这个宽展的断陷系统由几个狭长的地槽组成，一般150公里长、50公里宽，含有大于2000米厚的沉积和火山岩充填。在安第斯剪切应力场变化期间，受构造倒转的影响，这些次平行的半地堑出现交替的极性变化。根据Franzese和Spalletti（2001）的研究，在三叠纪侏罗纪以来，出现过几期构造活化现象，控制着同生裂谷相的特征和分布。这些沉降中心的原始充填由双峰式火山岩、火山碎屑岩和由Gulisano等人分类的陆相外碎屑岩组成。在Precuyano地层中，基本层序出露在Arroyo Lapa地区，由厚层的碎屑流、凝灰岩、含橄榄石玄武岩和流纹质熔结凝灰岩组成。 图3：Neuquen盆地的地层柱状图在西Cordillera del Viento地区，Precuyano地层由上三叠统的双峰式火山岩组成，含有与之有成因联系的沉积岩，上覆地层是下侏罗统的火山碎屑堆积物和浅海相沉积岩。在Catriel台地区，自1960年以来，在Precuyano地层中发现油气田。该地层的年代为219ma和182ma，以侧向上的岩性变化为特征，包括凝灰岩、熔结凝灰岩、流纹岩和外碎屑岩。作为烃源岩的湖相沉积间互于层序中。方法应用肉眼观察和铸体薄片鉴定的综合分析评价了Austral盆地南东部和Neuquen盆地东部所选火山岩岩芯样品的不同类型的孔隙空间（图4和图5）。岩石学分析方法也被应用于这些样品中以测定孔隙度和渗透率的变化范围。孔隙度的测定使用了定量样品并用He孔隙度测定仪进行测定，结论中综合了岩相和岩性的分析结果（表1）。作用根据本文的目的，原生作用被定义为在封闭的系统条件下，火山岩从开始形成到最后冷却之间所发生的那些作用。含浮石的火山碎屑岩如熔结凝灰岩存在由高热保持能力所引起的延时冷却现象。这样，在结晶矿物和不稳定矿物相之间的相互作用方面，在后期阶段非常活跃。与此相反，熔岩和致密的火山玻璃则迅速地冷却，与前述相应的后期阶段发育短。在这里，后生作用被定义为在开放系统条件下，在完全冷却之后，火山岩演变的后期作用过程，例如改造作用、变质作用和构造变形。图4：Austral盆地研究区位置图原生作用火山作用能够不同程度地影响原生孔隙度和渗透率的形成和发展变化，包括凝结作用、后期晶体分解作用、气体释放、熔岩流破碎和晶体破碎作用。现将每种作用的结果概述如下：凝结作用在火山碎屑岩中，气孔的形成是控制原生孔隙度和渗透率的主要作用过程。熔结凝灰岩中的天然气孔构成了适合于释放分散气体的孔隙空间，气孔的聚合由岩浆的破碎和碎屑间孔的发育所决定。在熔结凝灰岩堆积的早期冷却阶段，凝结作用是原生孔隙发育的主要控制因素。在非凝结到中等凝结程度的堆积物中，孔隙空间由早期形成的排气通道、松散的岩屑物质和不稳定的浮石碎屑构成。除了碎屑间孔隙之外，其它的与凝结相关的孔隙类型如浮石内孔隙也可以识别到。 图5：Precuyano沉积中心的分布和Neuquen 盆地研究区位置图当凝结程度增加时，孔隙度值成比例地减小。Dobson等人（2003）认为熔结凝灰岩具有与相应的凝结程度相一致的较宽孔隙度范围值。因此非凝结的浮石凝灰岩显示非常高的孔隙度值（平均值为53%），弱凝结的火山灰流凝灰岩具有较高的孔隙度值（平均值为34%），而中等到致密凝结的凝灰岩显示中等的孔隙度值（平均值为15%）。来自Austral盆地的Bremen油气田的岩芯显示与凝结程度的垂直分带相关的较宽孔隙度范围值。岩芯样品由非凝结到中等凝结程度的熔结凝灰岩组成，含有次要的外碎屑薄层沉积物。蒸发相结晶带和相关的气管构造普遍发育。可观察到典型的浮石内孔隙和碎屑间孔隙。非凝结的熔结凝灰岩显示较高的孔隙度，达到26%。但是很难否认凝结作用所带来的影响，因而也必须考虑气管和气孔的相对贡献。在凝结带，孔隙度降低到最低值（4.8%，表1）。来自Neuquen盆地Barranca de los loros地区的一号岩芯和二号岩芯含有熔结凝灰岩，具不同程度的凝结作用，发育浮石内孔隙和碎屑间孔隙。在中等凝结的熔结凝灰岩中，孔隙度达到14%，而在非凝结的熔结凝灰岩中，孔隙度达到18.5%（表1）。虽然在本例中，后期的分解作用改造了原生孔隙度，但很明显凝结是其主控因素。本例中的原生渗透率很低，原因是孔隙不连通，中等凝结的地层其渗透率小于1md，而非凝结的地层其渗透率值为115.76md（表1）。后期晶体分解作用图6：（a）碎屑间孔：在非凝结熔结凝灰岩的碎屑之间发育小的孔隙，Barranca de los Loros地区的一号岩芯。（b）：凝结类型熔结凝灰岩，大的扁平碎屑，没有观察到孔隙空间，Campo Bremen field, AC Bre x-8。（c）：浮石内孔隙（P=浮石，F=长石晶体），Barranca de los Loros地区的二号岩芯。（d）、封闭的浮石内孔隙，小的孔隙（箭头）被识别于未破碎的浮石岩屑中，Barranca de los Loros 地区的二号岩芯。（e）：晶内网状孔，微小的孔隙发育在部分溶解的钾长石晶体中，Barranca de los Loros 地区的三号岩芯。（f）：晶内印模孔，钾长石晶体几乎被完全溶解，Barranca de los Loros 地区的三号岩芯。（g）：含蒸汽相晶体的气孔（V=气孔），Barranca de los Loros 地区的三号岩芯。（h）：含衬在孔隙内的蒸汽相晶体的气孔，Barranca de los Loros 地区的三号岩芯。具体内容见正文说明。在后期作用中，长石的变化包括低PH值岩浆液体中的初期分解作用和新长石矿物的频繁沉淀作用。长石分解的最佳限定时间是在残余的结晶表面存在蒸汽相结晶时以及新形成的钾长石的沉淀阶段。从随机分布的微小晶洞到较大的残余晶体都存在晶内网状孔。根据孔隙的大小，其相关的孔隙类型可能是晶内孔隙和印模孔隙（表2，图6e、f）。虽然这些孔隙类型对提高总孔隙度有贡献，但是渗透率仍然较低。这是因为孔隙不连通，所形成的新长石矿物的沉淀可能部分地或完全地堵塞孔隙空间。这种类型的孔隙一般在流纹岩和熔结凝灰岩中观察到，Austral盆地的Cerro Novte流纹岩由巨厚的斑状熔岩组成，斑晶的含量达到3040%，含各种矿物如石英、钾长石、少量的黑云母和不透明矿物，斑晶嵌入到霏细岩基质中。钾长石的解理构造存在于刚刚结晶的晶体到残余的晶面上。新形成的富钾长石明显与老晶体不连续，衬在晶内孔的表面。这些巨厚的熔岩显示中等的孔隙度值（在1318%范围内）和非常低的渗透率（0.0010.44md）（表1）。Austral和Neuquen盆地的熔结凝灰岩普遍存在含不同形式的网状晶内孔隙的钾长石。但是晶体分解对总孔隙度的贡献则难以评价，这是因为其它作用参与的结果，如凝结作用、熔岩流的破碎和/或气体的释放等。气体的释放因迅速的减压作用，岩浆中的不稳定成分在地表被释放，包括气体。该过程可由气孔、气管和火山气通道的存在上解读出来。与迅速冷却所形成的熔岩不同，熔结凝灰岩由于非凡的热保持能力而以长时间的冷却过程为特征。非凝结的或轻微凝结的熔结凝灰岩一般表现有蒸汽相分带，多发育于冷却单元的上部。热气体的渗滤可能维持较长时间，而且它强烈地受到凝结程度、熔结凝灰岩堆积的冷却速率及不稳定组分的成分和含量的影响。但是，蒸汽相结晶带的发育主要依赖于孔隙空间的有效性，没有蒸汽相结晶作用就不能出现这种分带。这种分带可通过磷石英、方石英或石英的小晶镞的生长来识别，以及通过气孔、气管中的碱性长石、浮石碎屑和残余晶面来识别。根据晶鏃是否衬附在晶间孔的边缘，判断相关的孔隙类型是气孔还是含有蒸汽相（图6g、h、7a）的气孔（表2）。在显微镜下，气管表现为难以描述的树枝状裂隙系统，它们垂直地发育在主要的作用界面上并通常一部分与不稳定的浮石碎屑相连接。与气管相关的孔隙度（图7b，表2）都有较高的渗透率值，这是因为高效的裂隙网络通道存在的结果。不稳定相在促进脱玻化方面是很重要的因素，但是因为玻璃转化为晶体相不存在体积的变化，所以可预见到不发生原生孔隙度的变化。Austral盆地Campo Bremen地区的非凝结熔结凝灰岩中的气管表现为垂直到倾斜的开放裂隙，长度为几厘米，形状错综复杂。它们都含有具蒸汽相结晶的气孔。这些蒸汽相结晶由细小的石英、钾长石的自形晶体组成。在含气管的非凝结区，存在较高的孔隙度（26%）和较高的渗透率（42164md）（表1）。在非凝结层的正下方，气管不发育。熔结凝灰岩以低孔低渗为特征。气管的存在对提高渗透率有明显的作用，能够从0.03增加到164md。熔岩流的破碎作用在高粘性的岩浆中，熔岩流的层间相对流动会产生页理、流动孔化和自破碎角砾岩化现象。页理是熔岩体移动的结果，可以是平坦的（带状和层状流）或可变的扭曲褶皱状。页理可通过结晶度的变化、孔隙度、晶粒的大小、球粒的含量、脱玻化的程度和颜色来区别。相应的孔隙空间称为连通的层状孔隙（Interflow Laminar Porosity），是在层间相对流动时，因剪切应力的作用形成的。一般情况下，应力场垂直地分布于主流线方向并产生应力裂隙孔隙类型（Tension Crack Related Porosity）（图7c，表2）。图7：（a）：气孔（V=气孔）。（b）:气管，气体通道表现为难以描述的垂直于浮石碎屑表面的裂隙系统（点线）。（c）：应力裂隙孔隙类型（点线），垂直于层流方向（箭头）。（d）：晶间孔（cavitation），微小的孔隙被观察于晶体之间。（e）晶间孔（cavitation）,小的面状孔发育在晶体之间，基质晶体突起（箭头）。（f）：碎屑内孔（Interclast porosity），孔隙空间为碎屑颗粒之间的网状裂隙系统。（g）：碎屑内孔（箭头）+晶内印模孔（M）。（h）：分散晶体间孔（PS=晶体碎屑之间的孔隙）。详细说明见正文。流动孔化是指岩浆在朔性到脆性过渡阶段因流动发生岩浆破碎，在熔岩中形成孔隙的一种作用。流动孔与气孔和晶间孔不同，主要特征是平坦的形状、粗糙的孔壁和其在基质中突出等特点（图7e、f），这表明与捕获的气体的膨胀形成的气孔具有不同的成因。这种类型的孔隙（表2）是不连通的，因此不增加孔隙度。自破碎角砾岩化图8：（a）：海绵状孔，小的孔隙均匀地分布在基质中。（b）：海绵状孔，可见中等大小的孔隙。（c）：“溶洞”，孔隙空间比（a）、（b）大。（d）：残留气孔（drusy），次生矿物部分充填气孔，减少了孔隙空间（点线）。（e）：交代孔（lacy），铁镁质斑晶被粘土和绢云母集合体交代，显示小的和不连通的孔隙。（f）：次生网状孔。（g）速冷裂隙孔，在大的网状裂隙内发育小型网状裂隙系统。（h）:角砾间孔，硅质沉淀充填大部分裂隙空间，减少了孔隙空间（点线），详见正文解释。自破碎角砾岩化是在熔岩流动时，因热量差异引起的。孔隙空间沿熔岩的破碎角砾边缘分布，这是因为流纹岩质碎屑相对松散以及在角砾化过程中形成了网状的裂隙。这种内碎屑类型的孔隙（表2）的空间较小，但是它们可以互连构成网状，所以增加了渗透率的值。Cerro Norte流纹岩发育有含内碎屑孔隙类型的自破碎角砾岩（图7g、h），它改造了晶间类型的孔隙。总的孔隙度范围值是13到28%，渗透率是0.0016.7md（表1）。来自于Neuquen盆地Barranca de los loros地区的流纹质熔岩含自破碎角砾岩和熔岩，中到高孔隙度范围值在12.723.05%，平均值为18%。低孔隙度值（1315%）属于流纹岩层段，中孔隙度值（1720%）属于自破碎角砾岩部分，而高孔隙度值（2223%）则是由构造裂隙引起的（表1）。含包裹体斑晶的破碎作用在火山碎屑喷发时，气体的作用引起含包裹体的斑晶的强烈破碎。孔隙空间在分散的晶体碎片之间形成，称为分散状晶体间孔（表2）。在斑状熔岩和火山碎屑岩中，一般会发现少量的分散状斑晶。它们形成小的且相互孤立的孔隙，对总孔隙度无有意义的贡献（图7d）。次生作用次生作用由岩石和它所处的环境之间的相互作用引起，广义上说包括两种不同类型，即后期改造作用和裂隙的形成。现将这两种作用概述如下：后期改造作用后期改造作用包括由化学和物理变化产生的所有结构上的和矿物成分上的变化，包括成岩作用、风化作用、浅变质作用和热液改造作用。改造作用的强度受原生孔隙，尤其是凝结作用以及裂隙的控制。改造作用包括新矿物交代原生矿物及在开放孔隙中次生矿物的沉淀。该过程不一定受矿物形成机制的限制并可能导致质量的损失。当孔隙空间较小或者是中等大小时，所形成的孔隙呈海绵状，而当孔隙空间较大时，所形成的孔隙有如“溶洞”（图8a、b、c）。次生矿物的沉淀作用部分地充填到开放的孔隙中从而降低了孔隙度。Dobson等人（2003）测得经受明显的硅化作用的火山碎屑岩样品有50%的孔隙度降低。当次生矿物部分充填气孔和裂隙时，导致晶间孔隙类型的形成（表2，图8d）。形成松散分布的细粒集合体的次生矿物，如粘土、绢云母产生小的、不连续的孔隙。Stimac等人（2004）讨论了受高度改造作用的凝灰岩中的这种孔隙类型并测得了较低的孔隙度和渗透率值（分别是4%和0.113md）。但是，在快速成岩环境下形成的次生矿物，尤其是形成细粒集合体的那些矿物，能够在物理和/或化学变化的作用下，形成次生裂隙甚至印模孔隙（表2，图8f）。来自Austral盆地的Oceano油田的岩芯中，玻璃质斑岩显示出由玻璃质分解（表1）形成的孔隙度（1537.6%）和渗透率（1md）的增加。在Neuquen盆地的Barranca de los loros地区的二号岩芯中，玻璃质的分解很少影响到孔隙度的增加（1618.56%），而渗透率则较大（18md）（表1），表明存在较高的孔隙连通性。尽管次生裂隙孔隙度广泛地发育于Neuquen盆地和Austral盆地的岩芯中，但是它们对总孔隙度和渗透率值的贡献还是难以评价，这是因为其它类型的孔隙改造作用同时作用在该区的结果。裂隙三种不同的作用过程可以形成裂隙，即构造运动、迅速冷却作用和热液角砾岩化作用。因为构造裂隙本身就涉及很广而且超出本文的研究范围，所以此处不予以讨论。迅速冷却当火山爆发发生在水下或者熔岩流流入水中或水饱和的沉积物中时，因炽热的岩浆体和冷水突然接触而形成速冷裂隙。与冷却相关的热剪切力一般形成网状的弯曲裂隙。剧烈的破碎作用形成玻璃质碎屑岩，显示原地破碎特征，这些特征包括角砾化结构、单一化学组成和粒度的降低。如果在开放的孔隙内没有次生矿物的沉淀作用，那么与速冷裂隙相关的孔隙度和渗透率就会出现较高的值。该值也可能由火山玻璃的水合作用所引起的变化额外地增大。来自Austral盆地Oceano油田的岩芯中含有受迅速冷却的强烈影响所形成的玻璃质斑岩和黑曜岩。该作用形成网状的弯曲裂隙系统，而且含