火成岩油气藏逐渐成为油气勘探的热点^[1-7]。美国、墨西哥、阿根廷、俄罗斯、日本等多个国家都在火山岩储层中发现油气^[8-10]，我国也在二连盆地下白垩统、三塘湖盆地二叠系、酒泉盆地下白垩统、准噶尔盆地上二叠统等火山碎屑岩储层中获得油气勘探突破^[11-14]。四川盆地在中—晚二叠世期间发生了多幕火山活动，形成了以溢流玄武岩、火山角砾岩、凝灰岩及其相伴生的侵入岩为主的火成岩，覆盖面积约为25×10⁴ km²，被学术界公认为峨眉山大火成岩省^[15-18]。2018年，YB7井在二叠系吴家坪组—茅口组联合测试获105.9×10⁴ m³/d的高产气流，取得了吴家坪组火山碎屑岩新类型储层勘探突破。而针对该领域的研究尚处于起步阶段，勘探程度较低、研究成果较少，不能满足油气勘探开发的需求。为进一步落实川北吴家坪组火山碎屑岩油气藏储层发育特征，本文结合岩心观察、薄片及氩离子抛光扫描电镜观察、地化分析、孔渗测试、微孔联合测定等多种储层物性分析方法，分析川北地区吴家坪组火山碎屑岩储层发育特征，进一步研究其储层形成机理与分布规律，力争在该领域实现新的勘探发现。

1.   区域地质概况

川北地区北部受龙门山、米仓山和大巴山共同控制，南部为川中平缓构造带，主要包括元坝、旺苍、巴中等地区。吴家坪组沉积早期为碳酸盐缓坡；中期在东吴运动的区域拉张背景下，基底断裂活动强烈，局部形成沉积分异；晚期逐渐演化为碳酸盐台地边缘沉积。

二叠纪茅口晚期—吴家坪期为峨眉山玄武岩主要喷发期。受古地理格局、火山机构、岩浆活动强度及期次的影响，此次岩浆活动在四川盆地不同地区的发育特征各不相同。盆地西南缘康滇地区深大断裂带为主喷发中心，岩性以溢流相玄武岩为主，表现为大面积广泛分布，厚度0~400 m，由盆地边缘向盆内逐渐变薄。盆地内发育2个次喷发中心：川西地区为中心式爆发相，岩性主要为玄武岩、辉绿岩等，既有侵入岩相，也有喷出岩相，纵向上具有较强韵律性；川东地区达州—梁平一带则主要表现为玄武岩与薄层碳酸盐岩相间的层序特征，推测至少经历了2次火山喷溢，但整体规模较小^[19-22]。川北地区距离以上3个火山爆发溢流中心均有较远距离，在剑阁—旺苍—仪陇一带仅分布火山碎屑岩(图 1)。该岩类是火成岩与沉积岩之间的过渡岩类，既能识别出冷凝固结、脱玻化等典型的火成岩成岩作用，也具有溶蚀、黏土矿物转化等沉积岩成岩作用^[23-25]。近期，在YB7井、YB701井(图 2)、YB8井及邻区龙岗西—双鱼石一带多口钻井中，均钻遇厚层火山碎屑岩，厚度约为30~90 m。

图  1  四川盆地二叠系火山岩分布

修改自参考文献[20]。

Figure  1.  Distribution of Permian volcanic rocks in Sichuan Basin

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图  2  川北地区YB701井二叠系吴家坪组火山碎屑岩综合柱状图

Figure  2.  Synthesis column of volcanic clastic rocks in Wujiaping Formation of well YB701, northern Sichuan Basin

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2.   火山碎屑岩储层发育特征

2.1   岩石矿物学特征

川北地区吴家坪组火山碎屑岩发育受到火山活动和沉积充填双重影响。当火山喷发频率较高时，大量火山灰物质随季风或洋流搬运并沉降，地层中凝灰质含量明显增高，泥质沉积物含量随之降低^{[5, 23, 25]}；火山喷发频率低时则相反，地层中以泥质沉积物为主，偶见凝灰质(图 2)。本文所采集的样品主要来源于川北地区YB701井。YB701井位于YB7井东南方向约3.5 km处，与YB7井位于同一圈闭内(图 1)。该井在吴家坪组进行连续取心，实测凝灰质类储层吴二段厚约22 m，吴一段厚约3 m，样品合计33件。按照凝灰质和泥质沉积物含量比例不同，可将储层岩性划分为凝灰质泥岩、泥质凝灰岩及沉凝灰岩3类(图 3)。

图  3  川北地区上二叠统吴家坪组火山碎屑岩储集岩类型

a.YB701井，6 695.20 m，凝灰质泥岩岩心，页理发育，内夹少量凝灰岩薄层，偶见黄铁矿团块；b.YB8井，7 228.29 m，凝灰质泥岩镜下特征，颜色较深，黏土矿物含量高；c.YB8井，7 228.29 m，凝灰质泥岩氩离子抛光扫描电镜特征，以黏土矿物为主，长英质含量较少；d.YB701井，6 687.30 m，泥质凝灰岩岩心，以沉凝灰岩和凝灰质泥岩互层形态为主，见水平层理、包卷层理；e.YB8井，7 213.00 m，泥质凝灰岩镜下特征，沉凝灰岩和凝灰质泥岩呈层状分布；f.YB8井，7 213.00 m，泥质凝灰岩氩离子抛光扫描电镜特征，凝灰质含量及碳酸盐矿物含量有所增加；g.YB701井，6 683.30 m，沉凝灰岩岩心，见生物碎屑及泥质碎屑颗粒杂乱排列；h.YB8井，7 211.6 m，沉凝灰岩镜下特征，颗粒相对粗大，以粉—细晶为主；i.YB8井，7 212.00 m，沉凝灰岩氩离子抛光扫描电镜特征，多种矿物杂乱排列

Figure  3.  Rock types of volcanic clastic rock reservoirs in Wujiaping Formation of Upper Permian, northern Sichuan Basin

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2.1.1   凝灰质泥岩

火山活动初期，少量火山灰沉降在水动力较低的静水环境中，与沉积充填的泥质混合后沉积成岩。凝灰质泥岩颜色一般以深灰—灰黑为主，凝灰质含量较低，黏土矿物成分整体较高，内夹少量凝灰岩薄层，偶见黄铁矿团块。该类岩性长英质及碳酸盐矿物含量较少，黏土矿物含量最高，总有机碳含量为1.4%~3.7%，平均2.1%，是研究区内发育最广泛，厚度最大的非常规储集岩类(图 3a-c)。

2.1.2   泥质凝灰岩

随着火山喷发活动逐渐频繁，火山灰大量沉降，斜坡—陆棚等低能相带沉积物中凝灰质含量逐渐升高，并有沉凝灰岩薄层出现。泥质凝灰岩是介于泥岩和沉凝灰岩之间的过渡岩类，颜色灰—深灰，以沉凝灰岩和凝灰质泥岩互层形态出现，凝灰质含量较高，黄铁矿呈星点状分布。该类岩性碳酸盐矿物含量最高，长英质较凝灰质泥岩有增加，黏土矿物含量相应降低，总有机碳含量介于1.8%~5.0%之间，平均3.0%。见水平层理、包卷层理，偶见沉凝灰岩及泥岩呈透镜体状顺层排列，反映沉积时期水动力较弱的特征(图 3d-f)。

2.1.3   沉凝灰岩

沉凝灰岩为典型的火山碎屑岩。当火山大规模喷发时，火山灰物质大量沉降并快速掩埋，形成颗粒相对粗大的沉凝灰岩。该类岩性颜色灰—浅灰色，颗粒可达粉—细晶，单层厚度大于1 m，内夹大量生物及泥质碎屑颗粒杂乱排列。该类岩性长英质、碳酸盐、黏土矿物含量均约占三分之一，总有机碳含量最低，介于0.3%~1.0%，平均0.6%。前人研究表明，由于火山灰脱玻化产物为石英、碳酸盐矿物及高岭石、蒙脱石、伊利石等黏土矿物，当脱玻化反应完全，则产物中石英与黏土矿物含量大致相当^[26]。因而在研究区经历高演化深埋成岩之后，黏土矿物部分可认为是火山灰脱玻化转化的结果。据此认为原始成分中凝灰质含量占主导地位，定名为沉凝灰岩(图 3g-i)。

2.2   物性及储集空间分布

2.2.1   物性

对YB701井吴家坪组火山碎屑岩储层岩心实测物性数据分析结果表明，该储层孔隙度为1.3%~10.6%，平均为6.3%，孔隙度大于4%的样品占比为89%(图 4a)；渗透率为(0.000 426~0.008 65)×10^-3 μm²，平均为0.001 2×10^-3 μm²(图 4b)，总体表现为中—高孔特低渗非常规储层特征(图 4c)。根据岩石学特征分别对3种岩类统计发现：凝灰质泥岩孔隙度最高，为4.7%~10.6%，平均为7.2%，其中孔隙度大于7%样品占比67%(图 4d)；泥质凝灰岩孔隙度次之，为4.0%~7.4%，平均为5.9%，有63%样品孔隙度介于4%~7%(图 4e)；沉凝灰岩孔隙度比前两者低，为1.3%~6.7%，平均为3.9%，仅有2个样品孔隙度大于4%(图 4f)。岩心物性实验结果表明，储层物性凝灰质泥岩最好，泥质凝灰岩次之，沉凝灰岩最差。

图  4  川北地区YB701井上二叠统吴家坪组火山碎屑岩储层物性特征

Figure  4.  Physical characteristics of volcanic clastic rock reservoirs in Wujiaping Formation of well YB701, northern Sichuan Basin

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2.2.2   储集空间分布

运用盖层微孔联合测定试验描述储层储集空间特征，结果表明，孔径2~50 nm的中孔提供了主要的孔体积，约占总体积的64%；小于2 nm的微孔提供了次要的孔体积，约占总体积的28.1%；而大孔约占总体积的7.9%(图 5)。结合孔隙类型及矿物含量特征认为，黏土矿物收缩孔孔径多在10~50 nm，有机质孔与五峰组—龙马溪组页岩类似，孔径多数在1~10 nm(图 5)。这两类孔隙对应微孔和中孔储集空间，占总孔隙比例为92.1%，是火山碎屑岩储层的主要储集空间。

图  5  川北地区上二叠统吴家坪组火山碎屑岩储层孔径分布

Figure  5.  Pore size distribution of volcanic clastic rock reservoirs in Wujiaping Formation of Upper Permian, northern Sichuan Basin

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2.3   储集空间类型

火山碎屑岩储层受到凝灰质和泥质两种因素的影响，储层特征复杂，储集空间多样。本文参考前人对非常规泥页岩储集空间的分类方案^[27-33]，结合铸体薄片、扫描电镜和物性数据的分析，将火山碎屑岩储层储集空间分为纳米孔隙和微米孔隙两大类。纳米孔隙主要包括黏土矿物收缩孔和有机质孔；微米孔隙主要为有机酸溶蚀孔和微裂缝。

2.3.1   黏土矿物收缩孔

黏土矿物收缩孔是指成岩过程中由于脱玻化和黏土矿物转化而形成的孔隙，与凝灰质成分密切相关。凝灰质发生脱玻化，重结晶形成黏土矿物和石英等微小矿物集合体，此时发生体积收缩，形成大量的收缩孔隙；另外，黏土矿物也发生蚀变转化，形成收缩孔隙。此类孔隙是火山碎屑岩储层最主要的孔隙类型，多呈缝状，缝宽多在10~50 nm之间，长度多在1 000 nm左右；连通性相对较好，开度变化大，在凝灰质泥岩及泥质凝灰岩中较为发育(图 6a-b)。

图  6  川北地区上二叠统吴家坪组火山碎屑岩储层孔隙微观特征

a.YB7井，6 935.70 m，黏土矿物收缩孔；b.YB7井，6 934.77 m，黏土矿物收缩孔；c.YB7井，6 935.70 m，有机质孔；d.YB7井，6 935.22 m，溶蚀孔洞；e.YB7井，6 935.22 m，白云石溶孔；f.YB7井，6 935.22 m，铁白云石形成的溶孔；g.YB7井，6 935.56 m，微裂缝；h.YB701井，6 686.50 m，白云石溶孔被黏土矿物充填；i.YB7井，6 935.22 m，石膏充填早期溶孔

Figure  6.  Pore microscopic characteristics of volcanic clastic rock reservoirs in Wujiaping Formation of Upper Permian, northern Sichuan Basin

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2.3.2   有机质孔

与富有机质页岩类似，有机质孔广泛存在于火山碎屑岩储层中。川北火山碎屑岩储层有机质主要充填于碳酸盐、石英等脆性矿物之间。由于脆性矿物起到了骨架支撑的作用，有机质内部孔隙在受到压实作用时能够得到较好保存。该类孔隙可用氩离子抛光扫描电镜识别，孔径一般介于1~500 nm，多数在1~10 nm之间，大多呈圆、椭圆或不规则形状，内部常见黏土矿物充填，连通性较差，在凝灰质泥岩及泥质凝灰岩中有机质含量较高的层段较为发育(图 6c)。

2.3.3   有机酸溶蚀孔

有机酸溶蚀孔主要由成岩过程中生成的有机酸溶蚀形成，该类孔隙形态多不规则，孔隙内充填黏土矿物的混合物，其主要是由于有机质在成熟过程中生成有机酸，方解石、白云石及长石等易溶组分经有机酸溶蚀，形成大量有机酸溶蚀孔，对储集性能进一步改善。该类孔隙大小一般为1~40 μm，形状不规则，连通性较差，在易溶组分含量较高的层段较为发育(图 6d-f)。

2.3.4   微裂缝

微裂缝在作为储集空间使用的同时，也是流体的主要渗流通道。火山碎屑岩储层微裂缝宽度多在5~50 μm之间，一般比较平直，少有胶结物充填；连通性好，易形成网络，既有利于油气的大量存储，又可以显著提高储层的渗透性，在碳酸盐及长英质等脆性矿物含量较高的层段较为发育(图 6g)。

2.4   孔隙发育特征

通过对比火山碎屑岩储层三类岩性的物性特征，并结合黏土矿物、总有机质、碳酸盐矿物和石英+长石矿物含量等参数，结合储层孔隙空间特征，系统分析各类矿物对孔隙发育的控制作用。

2.4.1   黏土矿物含量

黏土矿物含量与泥质凝灰岩和凝灰质泥岩孔隙度呈正相关，与沉凝灰岩孔隙度相关性较低。结合孔隙类型及孔隙空间特征分析认为，泥质凝灰岩和凝灰质泥岩储层中黏土矿物收缩孔为影响孔隙发育的重要因素，但对沉凝灰岩储层的孔隙发育控制作用较弱。

凝灰质泥岩、泥质凝灰岩及沉凝灰岩三者在交会图中区分明显(图 7a)。凝灰质泥岩储层中黏土矿物含量最高，为45.6%~75.3%，平均62.1%；同时，孔隙度整体较高，为6.6%~8.3%，平均7.3%，表明凝灰质泥岩中黏土矿物收缩孔对储集空间的发育起到了主导作用。泥质凝灰岩储层中由于泥质比例较低，黏土矿物含量相应减少，为30.4%~42.6%，平均37.7%，同时，孔隙度比前者明显降低，为4.8%~7.0%，平均5.4%，表明在泥质凝灰岩中黏土矿物收缩孔亦对储集空间的发育起主导作用，但由于黏土矿物含量整体低于前者，导致孔隙度整体较低。沉凝灰岩黏土矿物含量较为稳定，为43.2%~45.6%，平均44.7%，孔隙度数值跨度相对较大，为1.3%~3.7%，表明沉凝灰岩储层中黏土矿物收缩孔对储集空间贡献极小。

图  7  川北地区YB701井上二叠统吴家坪组火山碎屑岩储层孔隙度与矿物含量交会特征

Figure  7.  Intersection characteristics of porosity and mineral content of volcanic clastic rock reservoirs in Wujiaping Formation of well YB701, northern Sichuan Basin

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2.4.2   总有机碳含量

总有机碳含量与火山碎屑岩储层三类岩性的孔隙度总体呈正相关关系。证实有机碳含量作为影响泥岩储层孔隙发育的重要因素，对火山碎屑岩储层的孔隙发育也有一定贡献。

对比分析三类岩性数据认为，凝灰质泥岩总有机碳含量为1.69%~4.06%，平均2.83%；泥质凝灰岩总有机碳含量为1.83%~2.84%，平均2.52%。二者均为凝灰质与泥质的混合岩性，总有机碳含量较为接近，但凝灰质泥岩孔隙度整体较高，而泥质凝灰岩孔隙度明显较低，表明二者孔隙受总有机碳影响较小，推测孔隙发育主要受其他因素控制。沉凝灰岩主要成分为外来火山灰，总有机碳含量整体较低，与另外两种岩性区分明显(图 7b)。

2.4.3   碳酸盐矿物含量

碳酸盐矿物与孔隙度大致呈负相关。凝灰质泥岩碳酸盐矿物含量整体较低，为9.5%~30.1%，平均16.5%；泥质凝灰岩碳酸盐矿物含量整体高于前者，为24.4%~38.0%，平均30.7%；沉凝灰岩碳酸盐矿物含量为21.4%~28.4%，平均25.9%。结合孔隙类型及孔隙空间特征分析认为，碳酸盐矿物的存在降低了黏土矿物和有机质的比例，所以间接降低了储集空间(图 7c)。

2.4.4   长石+石英矿物含量

三类岩性长英质含量多分布在20%~30%之间，与孔隙度相关性不强(图 7d)。

3.   储层发育主控因素

火山碎屑岩储层成因复杂，孔隙类型多样，厚度变化较大，非均质性较强。通过对火山碎屑岩储层分布规律、储层特征等方面综合研究，总结储层发育主控因素。

3.1   古火山口位置和沉积古地貌

结合川北地区地震资料和钻井揭示的火山碎屑岩分布特征认为，近火山口的斜坡—陆棚环境有利于发育火山碎屑岩储层。

川北地区吴家坪期火山活动活跃，发现大量火山口及火山侵入通道。在广元回龙河剖面，见宽26 m，长67 m的辉绿岩侵入岩柱垂直地层出露。在地震剖面上，也见到大量火山口及火山通道的地震响应特征。川北地区整体离火山口较近，具有火山碎屑岩发育的基础。川北地区处于开江—梁平陆棚台盆分异活动区，大规模发育同沉积正断层及由之形成的断斜坡。古火山喷发后，火山灰受到古季风或古洋流的影响，运移到相对低能的斜坡—陆棚环境沉积，形成厚度较大的火山碎屑岩(图 8)。

图  8  川北地区上二叠统吴家坪组火山碎屑岩发育模式

Figure  8.  Development model of volcanic clastic rocks in Wujiaping Formation of Upper Permian, northern Sichuan Basin

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3.2   脱玻化、黏土矿物转化及次生溶蚀作用

火山灰脱玻化作用主要发生在浅埋藏作用以前，矿物重结晶形成微小矿物集合体，体积发生收缩，形成大量孔隙。但由于四川盆地二叠纪峨眉山火成岩主要为碱性岩类^[34]，富含Ca²⁺、Al³⁺、Mg²⁺、Fe²⁺，可形成石膏、黄铁矿、铁白云石等^[35-36]，大量充填脱玻化作用形成的孔隙(图 6h-i)，使孔隙度显著降低。后期中—深埋过程中，黏土矿物继续发生蚀变演化，矿物分子发生脱水收缩，在黏土矿物内部及边缘形成大量狭长片状矿物收缩孔，极大提升储层孔隙空间；同时，烃类热演化释放的有机酸对早期充填物中的可溶物质进行溶蚀改造，形成溶蚀孔隙改善储集空间。综合分析认为，火山碎屑岩储层在沉积成岩过程中，受到脱玻化、充填、黏土矿物转化及次生溶蚀等成岩作用，早期脱玻化形成的孔隙多被埋藏过程中形成碱性岩类充填，现今储层主要孔隙为黏土矿物转化形成的收缩孔和有机酸溶蚀形成的孔隙。

3.3   黏土矿物含量

储层三类岩性中，凝灰质泥岩和泥质凝灰岩储层黏土矿物含量较高，孔隙度整体较高，且二者分布呈正相关，随着黏土矿物含量增加，黏土矿物孔大量发育，储层孔隙显著增加，证实黏土矿物孔对储层孔隙起到控制作用。而总有机碳含量变化对孔隙度影响并不明显，推测有机质孔受高演化程度和吴家坪组Ⅲ型干酪根特征的影响，有机质孔欠发育，对储层孔隙贡献有限。结合孔隙分布特征和镜下观察结果，认为上述两类岩性储层孔隙主要为纳米级黏土矿物收缩孔。沉凝灰岩储层黏土矿物含量与孔隙度变化相关性不强，黏土矿物孔贡献有限；总有机碳含量整体较低，有机质孔亦不发育。结合镜下观察结果，明确该类岩性储层主要孔隙为微米级有机酸溶蚀孔。

综合盖层微孔联合测定试验结果，储层孔隙空间以小于50 nm的纳米孔隙为主，黏土矿物收缩孔为火山碎屑岩储层主要储集空间，黏土矿物含量是储层孔隙发育的主要控制因素。

4.   结论

(1) 川北地区吴家坪组火山碎屑岩储层为中—高孔特低渗非常规储层，按岩性特征可分为凝灰质泥岩、泥质凝灰岩及沉凝灰岩三类。凝灰质泥岩颜色以深灰—灰黑为主，黏土矿物及有机质含量较高；沉凝灰岩晶粒相对较粗，内夹大量生物及泥质碎屑颗粒杂乱排列；泥质凝灰岩特征介于前两者之间，形态上多以沉凝灰岩和凝灰质泥岩互层出现。储层物性凝灰质泥岩最好，泥质凝灰岩次之，沉凝灰岩最差。

(2) 储层孔隙主要分为纳米孔隙、微米孔隙两大类。纳米孔隙主要以黏土矿物收缩孔为主，有机质孔为辅；微米孔隙以有机酸溶蚀孔为主，偶见宽度5~50 μm的微裂缝。在纳米孔隙中，小于50 nm的微孔—中孔占总孔隙的比例为92.1%，是储层主要储集空间。

(3) 凝灰质泥岩和泥质凝灰岩储层黏土矿物含量较高，孔隙主要为纳米级黏土矿物收缩孔，为火山碎屑岩储层最主要储集空间。沉凝灰岩储层碳酸盐矿物含量较高，孔隙主要为微米级有机酸溶蚀孔。有机质孔受高演化程度和吴家坪组Ⅲ型干酪根演化特征的影响，对储层孔隙发育贡献有限。

(4) 火山碎屑岩储层主要分布于近古火山口的低能沉积环境，在川北元坝—龙岗西—双鱼石一带广泛发育。储层发育主要受火山灰脱玻化作用及次生有机酸溶蚀作用控制。火山灰脱玻化重结晶形成微小矿物集合体，生成大量矿物收缩孔隙；后期有机质热演化成熟释放出有机酸对可溶物质进行溶蚀改造，形成溶蚀孔隙，进一步扩大储集空间。