流纹岩“类刀砍纹”成因分析及其对储层评价的意义

引用本文

李文元, 李战奎, 罗鹏, 马金鑫, 苑仁国, 李盼盼. 流纹岩“类刀砍纹”成因分析及其对储层评价的意义[J]. 录井工程, 2026,37(1): 125-130.
LI Wenyuan, LI Zhankui, LUO Peng, MA Jinxin, YUAN Renguo, LI Panpan. Genesis analysis of rhyolite "knife-cut-like" texture and its significance for reservoir evaluation[J]. Mud Logging Engineering, 2026,37(1): 125-130.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2026.01.017 复制到剪切板

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流纹岩“类刀砍纹”成因分析及其对储层评价的意义

李文元^①,^②, 李战奎^③, 罗鹏^①,^②, 马金鑫^③, 苑仁国^①,^②, 李盼盼^①

①中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司

②海洋油气勘探国家工程研究中心实验分析分中心

③中海石油（中国）有限公司天津分公司

作者简介：李文元工程师,1992年生,2019年毕业于俄罗斯国立古勃金石油与天然气大学地质资源与地质工程专业,现在中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司从事油气储层评价工作。通信地址：300450 天津市滨海新区文峰大厦713。E-mail：liwy34@cnooc.com.cn

收稿日期: 2025-11-07

摘要

为解释上海佘山流纹岩“类刀砍纹”成因,探讨其对流纹岩储层形成机理与评价方法影响的启示意义,通过野外观察、薄片分析和渤海井下数据分析,划分其发育阶段（裂缝形成期、“I”字形期、“V”字形期、“W”字形期）,并深入解析了流纹岩微观孔隙结构与溶蚀特性。结果表明：流纹岩“类刀砍纹”是长期淡水淋滤作用下裂缝优先溶蚀的产物,证实流纹岩具有高基础可溶蚀性,裂缝显著促进次生溶孔形成,二者构成储层形成的核心机理;基于此提出结合元素录井（K元素表征溶蚀因子、Si元素表征脱玻化因子）及标准化机械比能模型（裂缝因子）的储层评价方法,并通过层次分析法（AHP）建立不同分带（风化壳/母岩带）的综合评价模型,最终在渤海X井应用中与测井解释符合率达91%,为火山岩储层溶蚀-裂缝耦合机制提供了关键实证与理论支撑。

关键词: 流纹岩; 类刀砍纹; 火山岩储层; 裂缝溶蚀; 储层评价; 层次分析法

中图分类号:TE132.1 文献标志码:A

Genesis analysis of rhyolite "knife-cut-like" texture and its significance for reservoir evaluation

LI Wenyuan^①,^②, LI Zhankui^③, LUO Peng^①,^②, MA Jinxin^③, YUAN Renguo^①,^②, LI Panpan^①

①CNOOC Ener Tech-Drilling & Production Co., Tianjin 300450, China

②Experimental Analysis Subcenter, National Engineering Research Center of Offshore Oil and Gas Exploration, Tianjin 300450, China

③CNOOC China Limited Tianjin Company, Tianjin 300450, China

Abstract

To explain the genesis of the "knife-cut-like" texture in rhyolite from Sheshan, Shanghai, and to explore its enlightenment significance to the formation mechanism and evaluation methods of rhyolite reservoirs, through field observation, thin section analysis, and Bohai downhole data analysis, the development stages（fracture formation period, I-shaped period, V-shaped period and W-shaped period） were divided, and the microscopic pore structure and dissolution characteristics of the rhyolite were also analyzed in depth. The results indicate that the rhyolite "knife-cut-like" texture is a product of preferential dissolution of fractures under prolonged freshwater leaching, demonstrating rhyolite′s high inherent dissolubility, and fractures critically facilitate secondary dissolved pore formation, both of which constitute the core mechanism of reservoir formation. Based on this, a reservoir evaluation method combining element logging（K element characterizing dissolution factor, Si element characterizing devitrification factor） and a standardized mechanical specific energy model（fracture factor） was proposed. The comprehensive evaluation models for different zoning（weathering crust/parent rock zone） were established using the Analytic Hierarchy Process（AHP）, achieving a 91% coincidence rate with well logging interpretation in well X application within Bohai Sea, and providing pivotal evidence and theoretical support for the coupling mechanism of dissolution-fracture in volcanic rock reservoirs.

Keyword: rhyolite; "knife-cut-like" texture; volcanic rock reservoir; fracture dissolution; reservoir evaluation; Analytic Hierarchy Process

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0 引言

近年来, 随着油气勘探开发向非常规储层发展, 火山岩类储层越来越受重视, 成为油气增储上产新方向^{[1, 2, 3, 4, 5]}。在各类火山岩中, 流纹岩是重要的火山岩储层类型之一, 以其作为主要储层的油气藏不断被发现。2002年在松辽盆地徐家围子断陷早白垩世营城组火山岩中发现了我国东部迄今最大的火山岩气田——庆深气田, 其储层以流纹岩及流纹质凝灰岩为主^[6], 此后渤海湾盆地流纹岩油气藏也获得突破^[7]。目前, 流纹岩储层研究主要集中于储集空间类型、成储机理、储层特征等^{[2, 8, 9]}, 对于裂缝与次生溶孔关系, 及裂缝对溶蚀促进作用的研究则不足。

在上海佘山流纹岩露头地质考察中, 首次发现“类刀砍纹”现象。通过野外观察与渤海井下资料研究对比, 揭示其形成与裂缝控制下的差异溶蚀作用直接相关, 深化了对裂缝促进溶蚀机制的认知。基于此现象揭示的流纹岩高基础可溶蚀性与裂缝增效规律, 建立了“元素录井-标准化机械比能”参数体系, 并结合层次分析法（AHP）构建了适用于风化壳与母岩带的流纹岩储层评价模型, 为火山岩储层的高效勘探开发提供了新方法支撑。

1 区域地质背景

上海地处长江三角洲前缘, 自晚新生代以来整体处于缓慢沉降状态, 沉积了厚达200~300 m的第四纪和新近纪松散沉积物^[10], 地形以平原为主（图1a）, 但在其西南部零星散落20余座小山丘, 为晚侏罗世-早白垩世期间喷发的流纹质岩浆冷凝后形成的剥蚀残丘和岛屿（图1b）。佘山是上海火山岩山丘的代表, 分为东佘山和西佘山, 海拔分别为100.8 m和97.0 m, 本次考察对象为西佘山（图1c）, 岩性以流纹岩、流纹斑岩为主, 流纹岩风化面呈灰褐色（图1d）, 新鲜面为浅黄色（图1e）。

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	图1 上海火山岩分布区地理位置、地质背景及西佘山地貌图与流纹岩典型照片

2 流纹岩“类刀砍纹”成因

“刀砍纹”是用来描述白云岩的一种经典现象, 常用于在野外区分白云岩与石灰岩。因为白云石相对方解石在相同条件下抗溶蚀的能力更强, 只有在裂缝处更具溶蚀性, 随着溶蚀不断进行, 裂缝不断加宽、加深而形成“刀砍纹”。本次考察流纹岩过程中也发现了类似现象, 流纹岩在裂缝处也显示出了更强的溶蚀性, 形成了“类刀砍纹”。

流纹岩主要矿物成分为长英质, 相对碳酸盐岩具有更强的难溶蚀性, 但其隐晶质长英质集合体在长期淡水淋滤作用下依然可被溶蚀。裂缝的形成增加了岩石与流体的接触面积, 从而加快了溶蚀速率, 裂缝被溶蚀并不断扩大形成的“类刀砍纹”现象——就是这种溶蚀作用加快的表现。

基于野外观察、薄片分析, 依据“类刀砍纹”发育程度, 可将其发育过程划分为4个时期：裂缝形成期、“I”字形期、“V”字形期和“W”字形期。裂缝形成是“类刀砍纹”形成的基础; 在溶蚀早期, 裂缝的宽度加大, 且裂缝上下无明显宽度差异, 称之为“I”字形期; 在溶蚀中期, 随着不断被溶蚀, 裂缝持续加宽加深, 且上部接触更强溶蚀, 裂缝上下宽度差异逐步显现, 形成上宽下窄的“V”字形, 称之为“V”字形期; 到溶蚀晚期, 随着溶蚀发展到一定程度, 导致相邻“V”字形裂缝顶部接触, 形成“W”字形裂缝, 称之为“W”字形期（图2）。

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	图2 “类刀砍纹”形成时期示意及典型照片

3 流纹岩“类刀砍纹”的储层意义

3.1 流纹岩具有较高的基础可溶蚀性

本文定义“基础可溶蚀性”为无宏观裂缝条件下, 岩石因其隐晶质结构、易溶蚀矿物及微孔隙发育导致的固有溶蚀能力。流纹岩发育“类刀砍纹”, 表明其具有较高的基础可溶蚀性, 否则此现象无法形成。研究区流纹岩薄片显示, 岩石主要由石英斑晶、长石斑晶、石英-长石隐晶质集合体及玻璃质等组成（图3）。长石以钾长石为主, 斜长石次之, 钾长石风化极为严重, 颜色已蚀变为褐色（图3a）; 镜下可见玻璃质脱玻化作用形成的雏晶以及原生气孔（图3b）。前人通过溶蚀实验, 证明了流纹岩的溶蚀性：冯佳睿等^[11]通过表生淋滤溶蚀模拟实验发现, 在酸性流体条件下, 不同种类长石均可溶蚀, 斜长石颗粒表面呈现港湾状深沟或沿双晶方向溶蚀, 钾长石多为颗粒边缘或颗粒内部溶蚀; 曹英权等^[12]通过溶蚀模拟实验证实不同类型岩屑中的溶蚀矿物成分主要是长石, 其次为石英, 最易溶蚀的岩性类型为流纹岩、安山岩, 其次为花岗岩和片麻岩, 板岩及片岩较为不易溶蚀, 千枚岩最不易溶蚀, 造成溶蚀差异的主要原因是岩性、岩相以及易溶物质的含量; 曹婷婷等^[13]通过溶蚀实验证实流纹岩比花岗岩更具溶蚀性, 因为流纹岩是一种酸性喷出岩, 尽管其化学成分与花岗岩相似, 主要为长石石英质, 但在形成时冷却速度较快使矿物结晶程度较差, 导致其比完全结晶的钾长石、斜长石溶蚀更剧烈。

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	图3 流纹岩蚀变结构与孔隙发育特征

结合前人溶蚀实验和流纹岩矿物组成、微观孔隙分析认为, 流纹岩具有较高的基础可溶蚀性的原因在于：①流纹岩主要组成矿物长石具有较高溶蚀性, 且石英-长石隐晶质集合体比单独石英、长石的溶蚀性更强; ②流纹岩具有更丰富的微观气孔, 如原生气孔、收缩孔缝、脱玻化孔等, 这些微观孔隙提供了流体溶蚀空间。因此“类刀砍纹”是流纹岩较高基础可溶蚀性的宏观表现。

3.2 裂缝对流纹岩次生孔隙的促进作用

裂缝对流纹岩次生孔隙的促进机制通过“类刀砍纹”现象得到直观印证。在长期淡水淋滤过程中, 裂缝系统通过两种核心机制显著提升溶蚀效率：①裂缝网络将岩石比表面积显著扩大, 为流体渗透提供优先通道, 镜下观察显示, 钾长石斑晶在流体作用下形成蜂窝状溶孔（图3a）, 这种溶蚀使初始裂缝从“I”字形逐步演化为“V”字形, 最终形成“W”字形连通网络, 为次生孔隙发育奠定结构基础; ②裂缝加速了玻璃质脱玻化进程。薄片分析证实, 火山玻璃在流体作用下快速转化为石英-长石雏晶集合体, 生成大量微米级孔隙（图3b）。

3.3 流纹岩在应力条件下的脆性强

流纹岩的矿物组成与花岗岩类似, 使得流纹岩与花岗岩具有相近的力学性质, 受力易表现较强脆性。在西佘山接近山顶的一处流纹岩露头（图4a）, 发育非常丰富的裂隙, 而其左下方的闪长玢岩侵入体, 内部裂隙相较流纹岩减少（图4b）。这表明流纹岩在构造应力作用下易于破裂, 为裂缝广泛发育提供了先天条件。

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	图4 上海西佘山流纹岩露头裂隙发育特征

4 流纹岩储层随钻评价方法

基于前述流纹岩“类刀砍纹”的储层意义, 本研究从基础可溶蚀性及裂缝发育程度两个方面对流纹岩进行储层随钻评价方法研究。

4.1 基于元素录井的基础可溶蚀性评价

流纹岩基础可溶蚀性从两方面评价。

（1）钾长石含量：钾长石作为流纹岩最易溶蚀的矿物, 其水解反应（2KAlSi₃O₈+2H⁺+H₂O→ Al₂Si₂O₅（OH）₄+4SiO₂+2K⁺）是溶蚀过程的核心化学机制, 通过元素录井获取K元素质量百分数, 建立溶蚀因子：

$F_{di} = \frac{C_{K} - C_{Kmin}}{C_{Kmax} - C_{Kmin}}$

式中：F_di为溶蚀因子, 无量纲; C_K为元素录井所测得K元素质量百分数, %; $C_{Kmin}$ 和 $C_{Kmax}$ 分别为区块元素录井所测得K元素质量百分数的最小值和最大值, %。

（2）脱玻化作用强度：前人研究, 脱玻化作用强度与岩石中石英含量、地貌高低及断层发育相关^[14], 其中地貌高低和断层发育在后文分带建立标准及裂缝评价中已体现, 为避免重复, 通过元素录井获取Si元素质量百分数, 建立脱玻化因子：

$F_{de} = \frac{C_{Si} - C_{Simin}}{C_{Simax} - C_{Simin}}$

式中：F_de为脱玻化因子, 无量纲; C_Si为元素录井所测得Si元素质量百分数, %; C_{Si min}和C_{Si max}分别为区块元素录井所测得Si元素质量百分数的最小值和最大值, %。

4.2 基于机械比能的裂缝发育程度评价

流纹岩具有相对高的均质性, 裂缝发育会显著降低岩石强度, 因此引入机械比能模型通过能量消耗间接评价流纹岩裂缝发育情况。1964年, Teale提出岩石钻进中机械比能的概念, 即钻头在钻压和扭矩作用下破碎单位体积岩石所消耗的机械能, 其表达式为^[15]：

$E_{MSE} = \frac{4 W_{ob}}{π d_{b}^{2}} + \frac{480 R_{pm} M}{d_{b}^{2} v}$

式中：E_MSE为机械比能, MPa; W_ob为钻压, kN; d_b为钻头直径, m; R_pm为转盘转速, r/min; M为扭矩, kN· m; v为钻速, m/h。

针对上述传统机械比能模型存在可对比性差、解释标准不统一的问题, 李鸿儒等^[16]提出标准化机械比能模型。标准化机械比能考虑了若干参数的标准值, 其表达式为：

$E_{MSEB} = \frac{{W_{obB}}^{- α}}{{W_{ob}}^{- α}} \cdot \frac{R_{pmB}}{R_{pm}} \cdot \frac{1}{1 + h} \cdot \frac{ρ_{B}}{ρ} E_{MSE}$

式中：E_MSEB为标准化机械比能, MPa; W_obB为标准钻压, kN; R_pmB为标准转盘转速, r/min; h为钻头磨损量; ρ_B为标准当量钻井液密度, 一般取目的层段钻井液密度均值, g/cm³; ρ为钻井液密度, g/cm³; α为钻压系数, 无量纲。

通过标准化机械比能上滑和下滑的均值获得标准化机械比能基值, 其表达式为：

$E_{MSEJ} = \frac{E_{MSEU} + E_{MSED}}{2}$

式中：E_MSEJ为标准化机械比能基值, MPa; E_MSEU为计算点以上30个数据点中标准化机械比能按大小排序之后的前12个值的平均值, MPa; E_MSED为计算点以下30个数据点中标准化机械比能按大小排序之后的前12个值的平均值, MPa。

裂缝越发育, 则标准化机械比能越偏离基值, 因此建立裂缝因子：

$F_{f} = 1 - \frac{E_{MSEB}}{E_{MSEJ}}$

式中：F_f为裂缝因子, 无量纲。

4.3 流纹岩储层综合评价

为了量化溶蚀因子、脱玻化因子和裂缝因子在火山岩风化壳储层及其母岩带中的相对贡献, 进而建立更精细化的储层综合评价模型, 本研究引入层次分析法（Analytic Hierarchy Process, AHP）。AHP是一种系统化的多准则决策技术, 其核心原理在于通过构建判断矩阵, 将复杂的决策问题分解为目标、准则、方案等层次, 并在各层中利用两两比较的方式, 将决策者的经验判断定量化, 最终计算出各因素相对于总目标的权重。具体步骤如下：

（1）建立层次结构：将储层综合评价作为目标层（最高层）, 溶蚀因子、脱玻化因子和裂缝因子作为准则层（中间层）。

（2）构造判断矩阵：针对目标层下的准则层因子, 邀请地质专家根据其对储层质量形成的相对重要性建立判断矩阵, 鉴于风化壳储层形成机制（如强溶蚀作用）和母岩带原生储层形成机制（如裂缝发育程度）存在显著差异, 分别构建了对应的判断矩阵（表1、表2）。

表1 风化壳储层综合评价因子的判断矩阵

表2 母岩带储层综合评价因子的判断矩阵

（3）计算权重向量及一致性检验：对两个判断矩阵分别进行计算, 求解各因子相对于储层综合评价的权重, 并依据一致性比率（CR）判断矩阵是否满足一致性要求（通常要求CR<0.1）, 结果表示均满足一致性要求（表3）, 确保专家判断的逻辑合理性。

表3 储层综合评价因子权重计算及一致性检验

（4）建立综合评价模型：基于计算得到的各因子权重, 建立适用于风化壳和母岩带的综合评价公式：

S_wc=0.081 0F_di+0.188 4F_de+0.730 6F_f

式中：S_wc为风化壳储层综合评价得分, 无量纲。

S_mr=0.065 7F_di+0.148 9F_de+0.785 4F_f

式中：S_mr为母岩带储层综合评价得分, 无量纲。

溶蚀因子、脱玻化因子及裂缝因子在储层段应表现为较高值, 因此储层段的评价标准为S_wc、S_mr曲线突增且值较高处。

5 应用概况

将流纹岩储层综合评价方法应用于渤海中生界流纹岩潜山X井中（图5）, 在随钻过程中, 首先利用元素录井、工程录井数据实时计算溶蚀因子、脱玻化因子和裂缝因子, 然后分别通过风化壳及母岩带储层综合评价得分进行储层随钻评价。如图5所示, 随钻评价结果与测井解释对比, 二者符合性较好, 符合率为91%, 证实该评价方法的有效性。

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	图5 渤海中生界流纹岩潜山X井储层评价应用

6 结论

（1）流纹岩的“类刀砍纹”现象指示流纹岩具有较高的基础可溶蚀性, 裂缝的形成促进了次生溶孔的形成, 裂缝发育和高基础可溶蚀性是流纹岩储层形成的内在机理。

（2）在流纹岩储层随钻评价过程中, 应用层次分析法将元素录井（K元素表征溶蚀因子、Si元素表征脱玻化因子）及标准化机械比能模型（裂缝因子）融合形成综合评价方法。该方法应用于渤海中生界流纹岩潜山X井中, 评价效果较好, 与测井解释符合率为91%, 为火山岩储层的快速、精准评价提供了有效的技术手段。

编辑王丙寅

参考文献

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