我国火山岩油气藏分布较广，主要集中在准噶尔盆地、松辽盆地、塔里木盆地、二连盆地等。与常规的碎屑岩相比，火山岩储层多为风化壳储层，该类储层具有物性非均质性强、纵横向变化快、控制因素复杂等特点。石西地区是准噶尔盆地腹部重要的油气产区，其南部的盆1井西凹陷是重要的生烃凹陷，区内石炭系火山岩储层位于构造高部位，是油气富集的有利区域。石西地区石炭系火山岩油气藏具有初期油气产量高，后期油气产量下降快的特点，为了深入分析火山岩油气藏特征，需明确火山岩储层控制因素及优质储层分布规律。研究者对准噶尔盆地周缘石炭系储层进行了大量研究，刘海磊等[1]分析了准噶尔盆地西北缘玛湖地区石炭系火山岩储层，发现火山岩储层厚度与风化壳厚度存在密切关系；范存辉等[2]研究了准噶尔盆地西北缘中拐凸起石炭系火山岩储层特征，发现火山岩有效储集空间内主要为次生孔隙和裂缝，其中，次生孔隙是构造和风化作用形成的；LI等[3]分析了准噶尔盆地腹部石西地区石炭系火山岩风化壳，发现风化壳储层土壤层和未风化带物性最差，强风化带物性最好，弱风化带物性次之。研究人员对石西地区周缘区域的火山岩风化壳储层特征进行了大量研究，积累了丰富成果，为开展火山岩储层研究提供了基础。
石西地区火山岩风化壳不仅发育在火山岩顶部，而且发育在火山岩内部。火山岩风化壳纵向上岩性具有明显的分带性，其中，下部为火山岩，上部为风化壳，顶部为沉积岩。石西地区风化壳储层具有多层性、分布广、物性好的特点[4-7]。我国东部地区也发育火山岩风化壳，但该风化壳仅发育在火山岩顶部，缺少内部风化壳[8-9]，因此，石西地区火山岩风化壳与我国东部地区火山岩风化壳具有较大区别。研究者对火山岩风化壳模式研究较多。张啸等[10]根据岩心特征将准噶尔盆地火山岩划分为强风化黏土带、风化水解带、弱风化淋滤崩解带以及无风化母岩带等；刘俊田等[11]将三塘湖盆地火山岩风化壳划分为风化黏土层、强风化碎石层、弱风化块石层和未风化岩石层等；王幼麟[12]根据三峡野外地质剖面特征将该区火山岩风化壳自上而下划分为完全风化带、强风化带、弱风化带和微风化带等；王明臣等[13]将渤海湾地区花岗岩风化壳自上而下划分为沙质风化带、砾质风化带、裂缝带、基岩带等。研究人员建立的其他地区的风化壳模式不能直接应用于石西地区风化壳储层，需要结合石西地区风化壳岩性、喷发期次等因素建立火山岩风化壳模式。本文依据8口取心井的岩心资料、岩石薄片鉴定资料、孔渗数据、扫描电镜鉴定资料，结合地震剖面、测井、钻井、试油试产等资料，分析了石西地区火山岩岩性及分布特征、火山岩喷发期次、风化壳储层分层性、风化壳储层储集空间类型、储层物性以及优质储层分布特征等。
1 区域地质概况
石西地区位于准噶尔盆地腹部，属于准噶尔盆地中央坳陷北部[14-15]，如图1所示。由于准噶尔盆地腹部前寒武系基底埋藏较深，资料较少，因此，对该基底的认识存在较大争议[16-18]，一些学者认为该基底属前寒武系结晶基底，一些学者认为该基底属洋壳和岛弧的拼合体，也有一些学者认为该基底属结晶基底和拼贴基底的双重基底[19]。在古生代时期石西地区属于中亚海槽的西准噶尔洋部分，在泥盆系沉积期，由于较老的洋壳在俯冲带消减，广阔的西准噶尔洋开始缩小，并在石炭纪末封闭。在洋盆关闭阶段，石西地区由于活动强烈，岩浆频繁喷发，石炭系火山岩发育良好[20]。受陆块碰撞影响，准噶尔盆地西北缘、东北缘强烈隆升，并向盆地逆冲，造成石西地区火山岩抬升，并发生风化和侵蚀作用[21-22]。
2 火山岩岩性
准噶尔盆地石西地区石炭系火山岩岩性特征如图2所示。根据岩石成分划分石炭系火山岩岩性，包括安山岩、凝灰岩、沉积岩等。
1) 安山岩为中性火山岩，颜色呈褐色、灰褐色、灰色、灰绿色。安山岩中可见气孔和杏仁构造，如图2(a)、(b)、(c)、(i)所示。由图2(a)、(b)、(c)、(i)可见：安山岩斑晶为斜长石和角闪石，其中以斜长石为主，斜长石主要呈柱状，部分呈棱角状，基质为隐晶质。安山岩具有低伽马、高电阻的特征。
2) 凝灰岩为沉凝结构，颜色以灰色、深灰色为主，也有少量呈浅灰色凝灰岩，如图2(d)、(e)、(f)、(j)所示。由图2(d)、(e)、(f)、(j)可见：凝灰岩成分以斜长石晶屑和安山岩岩屑为主，胶结物为泥质，部分凝灰岩中含有火山角砾。凝灰岩具有中伽马、高电阻的特征。
3) 沉积岩包括灰色厚层—块状砂砾岩、泥岩等，如图2(g)、(h)、(k)所示。由图2(g)、(h)、(k)可见：砾岩中砾石成分为火山岩(如安山岩和凝灰岩)，砾石砾径为0.5~8.5 cm，砾石呈棱角状，分选性差，砾石间充填砂、泥等，因此，砾岩是由近源快速堆积形成。砂岩以灰色、灰绿色凝灰质岩屑砂岩为主，砂岩呈块状，且成熟度低。石西地区火山岩及相关岩性电测特征如表1所示。由表1可见：沉积岩具有高伽马、低电阻的特征。
| 岩性 | 自然伽马/API | 深电阻率/(Ω·m) | 测井特征 |
|---|---|---|---|
| 安山岩 | 12~40 | 92~280 | 低伽马，高电阻 |
| 凝灰岩 | 35~81 | 105~240 | 中伽马，高电阻 |
| 沉积岩 | 35~92 | 12~105 | 高伽马，低电阻 |
3 石炭系火山岩喷发期次
石西地区火山岩中有若干层火山岩风化物及沉积岩，火山岩形成于火山喷发的溢流期，风化壳和沉积岩形成于火山喷发的间歇期。火山喷发间歇期是火山岩风化侵蚀、搬运及沉积的主要时期，也是形成多层风化壳和沉积岩的时期[23-26]。该火山岩分布特征与我国东部古近系火山岩和火山岩风化壳分布特征存在较大差异，我国东部盆地火山岩多呈块状，仅发育火山岩顶部风化壳，火山岩内部不含风化壳。根据火山岩内部岩性组合，将石西地区火山岩划分为3个期次，自下而上分别为一期喷发、二期喷发、三期喷发，如图3、图4和表2所示。从图3、图4和表2可见：每个期次的下部为火山岩，上部为风化壳，顶部为沉积岩(部分井缺少该层)。在测井资料中，每个期次边界之下具有低伽马、低电阻特征，边界之上具有高伽马、高电阻特征。在地震资料中，期次边界具有强振幅、中—高连续性、中—低频特征，易于识别，全区可追踪对比。在平面上，石西地区南部以一期火山岩为主，中部以二期和一期火山岩为主，北部发育3个完整的火山岩期次。根据岩性平面分布判断出石西地区东部为火山口，中部为火山斜坡区，西部为地势低洼的沉积区。
| 喷发期次 | 分布区域 | 发育特征 | 岩性及组合形式 |
|---|---|---|---|
| 一期 | 全区均有 | 发育齐全，全区井中均有分布 | 南部多为块状安山岩、沉积岩，北部为安山岩、凝灰岩、沉积岩互层 |
| 二期 | 石西地区中部和北部 | 发育不全，由于剥蚀作用，石西地区南部井未见该期火山岩 | 中部多为安山岩与凝灰岩互层，北部为沉积岩、安山岩与凝灰岩互层 |
| 三期 | 石西地区南部 | 发育不全，由于剥蚀作用，石西地区中部和南部井中未见该期火山岩 | 多为沉积岩与凝灰岩互层 |
4 火山岩风化壳储层垂向分带特征
火山岩风化壳储层在野外地质剖面和测井、岩心等方面均表现出分带性，不同带中储层的岩性、裂缝发育程度、测井值等均有较大差异。根据岩性及火山岩风化程度划分风化壳垂向特征可以更加准确认识风化壳储层特征。
4.1 野外剖面中风化壳分带性
新疆克拉玛依市东北向12 km吐孜阿克内沟分布有完整的火山岩风化壳剖面，火山岩风化壳划分为4层。本文研究提出的火山岩风化壳垂向分带模式如图5所示。吐孜阿克内沟火山岩风化壳剖面分层如表3所示。由图5和表3可见：风化壳自上而下分别为沉积层、砂化层、风化裂缝层、内部裂缝层，其中，风化裂缝层、内部裂缝层合称裂缝层。沉积层分布在风化壳剖面的顶部，厚度变化较大，部分剖面厚度达数十米，部分剖面不发育沉积层，所有沉积层均由近物源快速堆积形成。吐孜阿克内沟石炭系火山岩风化壳剖面如图6所示。由图6(a)和(b)可见：砂化层是火山岩的风化产物，由于风化物与砂岩类似，所以命名为砂化层。砂化层风化过程中易溶矿物风化殆尽，使风化裂缝发育，因此，砂化层物性好。风化裂缝层受到构造作用力和风化作用的改造，裂缝较发育，内部裂缝带与风化裂缝带如图6(c)所示，裂缝的密度达8~17条/m2。由图6(c)和(d)可见：内部裂缝层中裂缝的密度和规模较风化裂缝层裂缝的密度和规模小，内部裂缝层裂缝的形成与构造应力和岩浆冷凝收缩有关。基岩层中裂缝少，多为致密的火山岩。
| 风化壳分层 | 岩性及厚度 | 风化程度 | 裂缝发育程度及填充物 | |
|---|---|---|---|---|
| 沉积层 | 杂色砂砾岩，厚度为9.6 m | 未风化 | 裂缝较不发育 | |
| 砂化层 | 褐色、土黄色火山岩风化产物， 厚度为13.5 m | 风化作用强 | 裂缝发育，但充填严重，多为泥质充填 | |
| 裂缝层 | 风化裂缝带 | 灰色、褐色安山岩，厚度约为40 m | 火山岩半风化 | 裂缝发育，裂缝半充填—未充填 |
| 内部裂缝带 | 灰色、褐色安山岩，厚度约为37 m | 火山岩弱风化 | 裂缝较不发育，裂缝全充填—半充填，充填物为硅质 | |
| 基岩层 | 灰色、深灰色安山岩，厚度约为46 m | 未风化 | 裂缝不发育 | |
4.2 钻井中火山岩分带特征
钻井和岩心资料揭示了风化壳剖面的分带性，风化壳自上而下可识别出沉积层、砂化层、风化裂缝层、内部裂缝层等，如图7和表4所示。由图7和表4可见：部分井中未见沉积层，沉积层厚度变化较大，成熟度较低，多为岩屑砂岩；砂化层为原地火山岩风化产物，与砂岩类似，但裂缝较发育，岩石多呈碎裂状；风化裂缝层裂缝发育好，裂缝延伸距离长；内部裂缝层裂缝较少，且多被硅质充填；基岩层厚度较大，呈块状，裂缝不发育。裂缝在砂化层和风化裂缝层发育最好，而在沉积层、内部裂缝层和基岩层裂缝发育较少。
| 风化壳分层 | 岩性及厚度 | 裂缝发育程度 | 测井特征 | |
|---|---|---|---|---|
| 沉积层 | 灰色、深灰色凝灰质砂岩和泥岩，厚度为0~15.3 m | 裂缝不发育 | 中—高伽马、高电阻、 高密度 | |
| 砂化层 | 土黄色安山岩、凝灰岩风化物，厚度为2.8~11.5 m | 裂缝较发育，多被泥质充填 | 中伽马、中—低电阻、 低密度 | |
| 裂缝层 | 风化裂缝带 | 灰绿色破碎状安山岩、凝灰岩，厚度为6.5~32.6 m | 裂缝发育好，裂缝未充填 | 中—低伽马、高电阻率、 中—低密度 |
| 内部裂缝带 | 灰色、深灰色块状安山岩、凝灰岩， 厚度为7.5~27.5 m | 裂缝较不发育，多被硅质充填 | 低伽马、高电阻率、中—高密度 | |
| 基岩层 | 深灰色块状安山岩、凝灰岩，厚度较大 | 裂缝不发育 | 低伽马、高电阻率、高密度 | |
根据野外地质剖面、测井、岩心等基础地质资料将石西地区火山岩风化壳剖面划分为沉积层、砂化层、风化裂缝层、内部裂缝层等。沉积层中的碎屑均来自于火山岩，火山岩经过长期的风化剥蚀，为沉积岩的形成提供了物源，沉积岩中的砾岩和砂岩的成分成熟度和结构成熟度均较低。沉积层主要分布在石西地区西部地势低洼的区域，而构造高部位沉积层较少。砂化层多分布在构造高部位，且未充填的裂缝较发育，储层物性好。风化裂缝层是整个风化壳中裂缝发育最好的层段，但不同区域裂缝的充填程度差异较大。内部裂缝层距离风化壳表面较远，裂缝发育程度较低，且多为半充填—全充填状态。风化壳上部的砂化层和风化裂缝层的溶蚀作用较强，孔隙度发育较好。距离风化壳表面越近，火山岩风化越严重，裂缝发育越好，储层物性越好。根据油气勘探和生产实践结果，石西地区火山岩储层中70%以上的油气聚集在火山岩风化壳的砂化层和风化裂缝层(即火山岩风化壳的上部地层)。根据测井资料可以识别和划分风化壳各层，砂化层的电阻和密度值均较小，风化裂缝层具有较高的电阻和中等的密度，内部裂缝层具有较高的伽马、电阻和密度。
5 火山岩风化壳储层特征
5.1 储集空间类型
石西地区火山岩风化壳储层的主要空间类型包括裂缝和溶蚀孔隙，其中，裂缝是火山岩风化壳储层主要储集空间，石西地区石炭系溶蚀斜坡区溶蚀孔洞发育特征如图8所示。从图8(a)和(b)可见：裂缝呈弯曲状，部分充填裂缝的形成与风化、构造应力密切相关[27-31]，裂缝主要分布在风化壳的上部和中部，尤其是在上部的风化裂缝层。按照裂缝的延伸方向，将石西地区火山岩中的裂缝分为2类：一类为弯曲状高角度裂缝，另一类为平直低角度裂缝。高角度裂缝的形成时期早于低角度裂缝的形成时期，高角度裂缝充填程度高，多数为全充填，而低角度裂缝充填程度低，多数为未充填和半充填。由图8(a)可见：裂缝中充填物为硅质，色白，且多沿裂缝边缘向中央充填。不同岩性裂缝的发育程度不相同，在一般情况下，安山岩中裂缝发育最好，其次为凝灰岩，沉积岩中裂缝最少。风化壳储层的另一个重要储集空间类型是溶蚀孔隙。溶蚀孔隙主要分布在安山岩中，安山岩中的长石斑晶和杏仁体均为易溶矿物，在显微镜和扫描电镜下可见长石溶蚀形成的粒内孔和铸模孔，如图8(c)、(d)、(e)、(f)所示。在溶孔内部可见高岭石、伊利石、绿泥石等黏土矿物，其中以绿泥石为主。
5.2 储层物性特征
根据125块样品实测数据分析，发现火山岩风化壳储层孔隙度总体较小，石西地区石炭系火山岩风化壳孔隙度与渗透率直方图如图9所示，图中，N为样本数。由图9可见：风化壳平均孔隙度为5.8%，平均渗透率为2.65×10-3 μm2；孔隙度为0~5%的样品占比为58%，孔隙度为5%~10%的样品占比为25%，孔隙度为10%~15%的样品占比为10%，孔隙度大于15%的样品占比为6%；风化壳储层渗透率为(0~0.5)×10-3 μm2的样品占比为82%，风化壳储层渗透率为(0.5~1.0)×10-3 μm2的样品占比为7%，风化壳储层渗透率为(1.0~1.5)×10-3 μm2的样品占比为4%，风化壳储层渗透率为(1.5~2.0)×10-3 μm2的样品占比为2%，风化壳储层渗透率大于2.0×10-3 μm2的样品占比为5%。石西地区石炭系孔隙度与渗透率交汇如图10所示。由图10可见：孔隙度与渗透率正比例关系不明显，储层孔隙以次生孔隙和裂缝为主，原生孔隙较少；火山岩风化壳储层属于低孔低渗型且以裂缝占主导的储层；风化壳储层物性纵向上变化较大，其变化特征与风化壳的分带性有关；风化壳砂化层的孔隙度和渗透率较大，平均孔隙度为15.6%，平均渗透率为11.4×10-3 μm2；风化裂缝层平均孔隙度为8.7%，平均渗透率为27.5×10-3 μm2；内部裂缝层平均孔隙度为1.3%，平均渗透率为0.9×10-3 μm2。由图7可见：风化壳自上而下的储层物性逐渐变差，试油结果显示油气主要富集在砂化层和风化裂缝层。
6 火山岩风化壳优质储层分布规律
高有峰等[32-34]研究认为火山岩古潜山风化壳是一个完整的溶蚀—胶结系统。受溶蚀和胶结作用的影响，风化壳储层物性的平面分布具有不均一性。根据风化壳平面裂缝发育程度和充填程度，将石西地区火山岩风化壳平面划分为溶蚀台地区、溶蚀斜坡区和溶蚀洼陷区等。石西地区石炭系溶蚀洼地裂缝多被充填如图11所示。由图11可见：溶蚀台地区分布在构造高部位，该区域地势较平坦，但也有局部汇水洼地，该区溶蚀作用和胶结作用均较强，平均孔隙度为8.5%，平均渗透率为26×10-3 μm2；溶蚀斜坡区分布在溶蚀台地和溶蚀洼地之间的过渡区域，该区地表降水流动性强，溶蚀作用强，胶结作用微弱，该区平均孔隙度为13.2%，平均渗透率为87×10-3 μm2；溶蚀洼陷区位于地势低洼的汇水区域，也是沉积物大量沉积的区域，溶蚀作用微弱，胶结作用强，该区平均孔隙度为2.5%，平均渗透率为0.46×10-3 μm2。
根据风化壳平面上裂缝充填程度和溶孔发育程度可以判断：风化壳优质储层主要分布在溶蚀斜坡区，该区是储层物性最好的区域，也是优质储层分布最广的区域；其次为溶蚀台地区，该区胶结作用相对较强，物性较斜坡区物性差。石西地区溶蚀斜坡与溶蚀洼陷区试油结果分布如图12所示。由图12可见：溶蚀斜坡区风化壳厚度最大，溶蚀台地和溶蚀洼陷区风化壳厚度逐渐减小。溶蚀斜坡区试油效果最好，多数井达到工业油流级别，平均产油为31 t/d，溶蚀斜坡区是石西地区主要的油气产区；其次为溶蚀台地区，溶蚀洼陷区试油结果最差，平均产油仅为5.8 t/d，油气产量最低。除石西地区分布火山岩溶蚀斜坡外，准噶尔盆地边缘地区也分布众多火山岩斜坡，这些斜坡区域是寻找优质火山岩储层的首选之地，也是火山岩油气藏勘探的重点区域。
7 结论
1) 石炭系古潜山风化壳自上而下划分为沉积层、砂化层、裂缝层和基岩层，其中裂缝层可划分为风化裂缝层和内部裂缝层。火山岩古潜山风化壳油气主要集中分布在砂化层和裂缝层，尤其是裂缝层中的风化裂缝层。
2) 石西地区石炭系划分为3个喷发期次，每个喷发期次分为火山喷发期和火山喷发间歇期，火山喷发期形成安山岩和凝灰岩，而火山喷发间歇期形成火山岩风化壳和凝灰质砂砾岩等沉积岩。
3) 将石西地区石炭系火山岩溶蚀体系划分为溶蚀台地、溶蚀斜坡和溶蚀洼地。溶蚀台地区既有溶蚀作用也有胶结作用，储层物性较好；溶蚀斜坡区溶蚀作用强烈，裂缝充填程度低，储层物性最好；溶蚀洼地以胶结作用为主，物性最差。
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