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

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PatriciaSruoga和NoraRubinstein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SerieTobifera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-25deMayo油气田。该油气田的日产量是1938m3（68439ft3、12190桶/日）的油和488×106m3（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70×106m3（2472mmcf、440.3×106桶），而在1962到2001年之间记录的累积产量为56×106m3（1977mmcf，352.2×106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，ChevronSenJorge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SerieTobifera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SerieTobifera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SanJulian盆地中，是Chon——Aike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1.7×106KM2，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Chon——Aike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，SerieTobifera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，SerieTobifera地层的岩性组合类似于Chon——Aike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，Dogger——Malm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，SerieTobifera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AndeanCordillera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ArroyoLapa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CordilleradelViento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Barrancadelosloros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1——15.76md（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，BarrancadelosLoros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，CampoBremenfield,ACBrex-8。（c）：浮石内孔隙（P=浮石，F=长石晶体），BarrancadelosLoros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，BarrancadelosLoros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，BarrancadelosLoros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，BarrancadelosLoros地区的三号岩芯。（g）：含蒸汽相晶体的气孔（V=气孔），BarrancadelosLoros地区的三号岩芯。（h）：含衬在孔隙内的蒸汽相晶体的气孔，BarrancadelosLoros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