准噶尔盆地石西油田火山岩原生气孔分布序列及其成因

张勇¹，查明¹，陈中红¹，丁靖²

(1. 中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛，266580；

2. 中国石油 新疆油田分公司 勘探开发研究院，新疆 克拉玛依，834000)

摘要：通过岩心观察、镜下鉴定和统计分析，研究准噶尔盆地石西油田石炭系火山岩原生气孔分布序列特征，并进一步讨论其成因。结果表明：原生气孔主要发育在溢流相安山岩和玄武岩层中上部，且随深度增加而减少，形成明显的气孔分布序列。原生气孔密度(y)与深度(x)的定量关系为y=-78.98x+372 935，斜率绝对值反映熔岩旋回纵向上原生气孔密度的变化速率。进一步利用该公式计算出石西4井安山岩段顶面(4 708 m)理论原生气孔密度为1 097个/m，气孔发育的底界深度为4 721.9 m。该定量关系仅适用于一个火山熔岩旋回内部。鉴于该火山岩原生气孔分布受控于岩性岩相和火山喷发环境，进一步提出3种原生气孔分布序列理论模型，给出分析原生气孔分布序列的方法。

关键词：火山岩；原生气孔分布序列；成因；石西油田；准噶尔盆地

中图分类号：TE122.2             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)01-0251-06

Volcanic primary pore distribution sequence and its causes in Shixi Oilfield of Junggar Basin

ZHANG Yong¹, ZHA Ming¹, CHEN Zhonghong¹, DING Jing²

(1. School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China;

2. Research Institute of Exploration and Development, Xinjiang Oilfield Company of PetroChina, Karamay 834000, China)

Abstract: The volcanic primary pore distribution sequence of Carboniferous in Shixi Oilfield of Junggar Basin was studied by making use of the observation of core samples, microscopic identification and statistical analysis, and its causes were discussed. The results show that the volcanic primary pores are mainly developed at middle and upper parts of the overflow andesite and basalt and decrease with the increase of depth to form an obvious pore distribution sequence. The quantitative relationship between primary pore density (y) and depth (x) is y=-78.98x+372 935. The absolute value of slope reflects the rate of change of primary pore density in the vertical direction of a lava cyclothem. The density of the primary pores of the top of the andesite of Shixi No.4 well is 1 097 pores per meter theoretically. The bottom depth of the primary pores is 4 721.9 m. The quantitative relationship is only suitable to the lava cyclothem. The volcanic primary pores are controlled by lithology, lithofacies and volcanic eruption environment. Three kinds of theoretical models of pore distribution sequence were presented which provide a new method to analyze the pore distribution sequences.

Key words: volcanic; primary pore distribution sequence; cause; Shixi Oilfield; Junggar Basin

气孔是火山岩储层中一种重要的储集空间^[1]，多数研究者认为原生气孔是岩浆喷溢出地表冷凝过程中挥发分逸散形成的，通常分布于熔岩层顶底部^[2-7]。近年来，随着勘探技术的进步，在全国发现不少气孔型火山岩储层^[8-9]。虽然火山喷发初期形成的大量原生气孔往往是不连通的^[10]，但经过后期改造及裂缝沟通后可成为火山岩储集空间的重要组成部分。因此，研究火山岩原生气孔发育特征，总结其分布规律，对深入认识和剖析火山岩储层发育规律具有重要意义，可以为火山岩优质储层预测提供模式指导。本文以准噶尔盆地石西油田石炭系火山岩为例，通过对岩心样品、铸体薄片等进行观察，统计原生气孔的发育密度，并进行线性回归分析，研究原生气孔发育规律，建立原生气孔密度与深度的定量关系，探讨气孔分布序列的成因及理论模型。

1  研究区地质概况

石西油田区域构造位置处于准噶尔盆地腹部陆梁隆起南部石西凸起(图1)，北邻三南凹陷，南与盆1井西凹陷相连，具有2面临凹的有利地质条件。

该区石炭系发育一套古潜山火山岩体，被3条相向的逆断裂所夹持，形成三角形状。从钻揭情况来看，主要发育溢流相和爆发相，两者交替出现，以溢流相为主(图2)。溢流相熔岩发育较多，主要岩石类型有玄武岩、玄武安山岩、安山岩、英安岩以及流纹岩。普通火山碎屑岩主要发育角砾凝灰岩和凝灰质火山角砾岩。火山岩的产出状态及其岩石特征表明该区火山活动频繁，火山溢流作用与火山爆发作用交替出现，从而形成多期次喷发旋回的熔岩和火山碎屑岩纵向叠置、间互发育的格局。

2  气孔分布序列特征

岩心观察发现，该区火山岩原生气孔主要发育在溢流相安山岩和玄武岩层中上部(如图3和图4所示)，火山碎屑岩中很少发育。以石西4井4 720.3~4 721.67 m安山岩取心段为例，该段上部气孔十分发育，气孔直径2~8 mm，最大1 cm，大多被充填，呈孤立状分布。往下气孔减少，底部气孔基本不发育，呈现由顶到底气孔密度减少的气孔分布序列(如图5所示)。

进一步对石西4井安山岩5块岩心气孔密度进行统计，用每块岩心视域中单位长度的气孔个数表征气孔密度，统计结果如表1所示。该取心段顶部第1块岩心气孔密度最大为117.3个/m，往下气孔密度明显减少；第4块最少，为30.1个/m；第5块次之，为46.8个/m。

为进一步阐明原生气孔密度的发育趋势，将气孔密度与深度进行线性回归分析，结果如图6所示，拟合效果较好。线性回归关系为y=-78.98x+372 935，R²=0.82(其中，y为气孔密度；x为深度)。

该线性关系式可以反映原生气孔密度随深度变化的定量关系，即深度每增加1 m，气孔减少78.98个。斜率绝对值表达的意义为熔岩旋回纵向上气孔密度的变化速率。据此，可计算出该安山岩原生气孔发育的底界深度(即y=0)为4 721.9 m。理论上x=0时可以推算地表的理论原生气孔密度为372 935个/m，但该区火山岩均位于4 000 m以下，而且火山活动频繁，火山机构是多期次喷发的爆发相和溢流相的叠加，因此，不能简单地运用深度来推算气孔密度。同理，假设在该安山岩顶面(即x=4 708 m)，可以推算出理论原生气孔密度为1 097个/m，气孔极为发育，但由于可能存在多期次喷发旋回，所以，也不能简单地认为该值具有合理性。

图1  准噶尔盆地构造单元划分及石西油田位置图

Fig.1  Division of tectonic unit of Junggar Basin and position of Shixi Oilfield

图2  石西油田石西4井单井岩相图

Fig.2  Diagram of lithofacies of Shixi No.4 well in Shixi Oilfield

图3  石西4井的安山岩样品(4 721.47 m)

Fig.3  Andesite sample from Shixi No.4 well (4 721.47 m)

图4  石西3井的气孔安山岩样品(4 370 m，×70)

Fig.4  Stomatal andesite sample from Shixi No. 3 well (4 370 m, ×70)

图5  石西4井的原生气孔分布序列(4 720.30~4 721.67 m)

Fig.5  Primary pore distribution sequence from Shixi No.4 well (4 720.3-4 721.67 m)

表1  石西4井原生气孔密度

Table 1  Density of primary pores in Shixi No.4 well      个/m

图6  石西4井安山岩原生气孔密度与深度的关系

Fig.6  Relationship of andesite primary pore density and depth in Shixi No.4 well

该关系式仅适应于一期熔岩旋回。总之，在此火山作用背景下，熔岩旋回的识别和划分十分重要。

3  气孔分布序列成因

火山喷发过程中，喷出地表的熔浆中包裹的气体未能及时溢出，熔浆冷凝成岩后，溶解在岩浆中的挥发分以气体形式大量溢出，形成气孔构造^[11-13]，与下伏地层突然接触时会产生气流，也会使火山岩成岩作用中产生气孔^[14]。有些气孔呈拉长状，可指示挥发分逸散的方向。当气孔被次生矿物充填时，就形成杏仁构造。原生气孔发育受到多种因素控制，火山岩岩性岩相、喷发环境等都影响原生气孔的发育。

火山岩岩性岩相决定原生气孔的发育^[15]。熔岩流在冷凝过程中，挥发分从顶底部溢出，形成层状分布的气孔层^[16]。尤其是火山作用晚期的溢流相熔岩为好，气孔多集中于熔岩层上部或顶部^[3]。岩心观察发现，该区原生气孔分布序列多分布于溢流相火山熔岩层的中上部，以安山岩和玄武岩中居多，而火山碎屑岩中气孔则很少发育。

火山喷发环境不同，原生气孔发育特征也不相同。按喷发环境，火山喷发可以划分为水下喷发和陆上喷发2种类型。水下喷发岩浆冷凝速度快，结晶程度差，形成以玻璃质结构或显微晶质结构为主的火山岩，由于深水静水压力大挥发分不易逃逸，难以形成气孔，同时受水体作用，火山岩发生明显蚀变和充填作用，使原生孔隙大大减少，岩石较致密^[17]。陆上喷发岩浆冷凝速度缓慢，结晶充分，斑晶形态较大含量较多，发育较多原生气孔。例如三塘湖盆地石炭系陆上喷发火山岩中，原生气孔构成最主要的储集空间，是造成该盆地卡拉岗组物性好于哈尔加乌组的根本原因^[18]。准噶尔盆地陆西地区火山喷发环境是岛弧发展后期，属于岛弧近大陆一侧，在地壳增厚的环境下喷发^[19]。因此，石西油田偏向于陆上喷发环境，有利于原生气孔的生成。

4  气孔分布序列理论模型

不同火山喷发期次和旋回，熔浆成分和其中挥发分等因素不一致；即使同一喷发期次，熔浆和挥发分成分也可能不一致，会导致挥发分以不同的速率溢出，形成不同的气孔分布序列。通过观察岩心发现，不同熔岩旋回中原生气孔密度变化的速率是不一致的，例如石西4井4 605~4 608.5 m英安岩气孔极少，裂缝不发育，与4 720.3~4 721.67 m安山岩气孔分布序列特征明显不同。根据气孔密度变化速率(即直线斜率)的组合关系，可以得出3种原生气孔分布序列的理论模型(表2)。

表2  石西油田原生气孔分布序列理论模型

Table 2  Theoretical models of primary pore distribution sequence of Shixi Oilfield

由于本次研究观察岩心有限，仅能根据有限的观察和统计提出气孔分布序列的理论模型，该理论模型尚需在实践中检验其正确性。但是，该理论模型提供一种分析和对比气孔分布序列的方法，可判断两期火山熔岩旋回的期次。

5  结论

(1) 石西油田石炭系火山岩原生气孔随深度的增加形成气孔密度减小的分布序列。拟合出石西4井安山岩取心段原生气孔密度与深度的定量关系式为y=-78.98x+372 935，拟合度为0.82。计算出该安山岩原生气孔发育的底界深度为4 721.9 m，顶界(深度4 708 m)理论原生气孔密度为1 097个/m。该定量关系式仅适应于一个熔岩旋回内部。

(2) 火山岩岩性岩相决定原生气孔的发育，气孔多集中于溢流相安山岩和玄武岩层中上部。水下喷发难以形成气孔，陆上喷发气孔较发育。研究区火山喷发环境属于岛弧近大陆一侧，偏向于陆上喷发环境，较有利于原生气孔生成。

(3) 提出3种气孔分布序列的理论模型，分析其特征及意义，提供一种分析和对比气孔分布序列的方法，可判断两期火山熔岩旋回的期次。

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(编辑  邓履翔)

收稿日期：2011-12-09；修回日期：2012-04-10

基金项目：国家重大科技专项(2011ZX05001-001-006)

通信作者：张勇(1985-)，男，山东潍坊人，博士研究生，从事油气成藏机理与分布规律研究；电话：18953259683；E-mail: zhangyong315315@126.com