渤中凹陷北部中生界火山巖儲層發(fā)育特征及主控因素*

王晨杰 張新濤 徐春強 孔栓栓 張 藜

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

20世紀80年代以來，中國陸上火山巖勘探進入了快速發(fā)展階段，探明儲量高速增長，火山巖油氣藏的發(fā)現(xiàn)速率明顯加快，隨著準噶爾盆地、松遼盆地相繼發(fā)現(xiàn)大型火山巖油氣藏[1-5]，火山巖油氣勘探重新進入了勘探家的視野。近年來，隨著立體勘探、精細勘探理念的不斷深入，國內(nèi)對火山巖油氣藏的地質(zhì)特征、成藏控制因素和油氣富集規(guī)律進行重新認識和深入探討，隨著國內(nèi)增儲上產(chǎn)的壓力不斷增加，渤海灣盆地、四川盆地也相繼發(fā)現(xiàn)了火山巖高產(chǎn)油氣流，火山巖油氣勘探作為一個新的領域，也為社會經(jīng)濟發(fā)展及國家能源安全提供了保障?？碧綄嵺`證明，火山巖勘探的成敗主要由火山巖儲層的發(fā)育程度決定，因此，尋找火山巖優(yōu)質(zhì)儲層是油氣勘探成敗的關鍵。

渤中凹陷北部火山巖分布面積廣、厚度大，油氣勘探程度低，勘探成效不理想。前人的研究[6-13]主要局限在巖性和地層特征，認為研究區(qū)主要發(fā)育玄武巖、安山巖和凝灰?guī)r，地層自上而下可進一步劃分為阜新組、沙海組、九佛堂組和義縣組，但是針對火山巖儲層物性變化快，非均質(zhì)性強的特點，在優(yōu)質(zhì)儲層主控因素方面認識不清，尤其缺乏一套針對火山巖儲層的預測技術與方法。本文在前人研究的基礎之上，通過綜合分析巖心觀察、薄片鑒定和分析化驗等資料，重新落實了研究區(qū)火山巖巖性、巖相特征，明確了火山巖優(yōu)質(zhì)儲層儲集空間類型，指出了火山巖優(yōu)質(zhì)儲層形成的主控因素及分布規(guī)律，初步建立了一套針對火山巖儲層預測的技術流程，對于渤海海域火山巖優(yōu)質(zhì)儲層預測及油氣勘探實踐具有指導作用。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究工區(qū)位于渤海中部海域，南至石臼坨凸起東傾沒端，北至遼西凸起南部斜坡帶，東西向被秦南凹陷和渤中凹陷所環(huán)繞(圖1)。工區(qū)范圍內(nèi)火山巖主要分布在中生界白堊系，地層自上而下可進一步劃分為阜新組、沙海組、九佛堂組和義縣組，均發(fā)育不同規(guī)模和不同巖性序列的地層。其中阜新組、沙海組和九佛堂組主要發(fā)育為碎屑巖，火山巖主要分布在義縣組，鋯石測年記錄巖漿活動分布在123～105 Ma之間，工區(qū)范圍內(nèi)普遍發(fā)育厚層義縣組地層。火山巖巖性涵蓋了玄武巖、安山巖、流紋巖、凝灰?guī)r和火山角礫巖等。研究區(qū)火山巖油氣勘探可追溯至20世紀70年代，以中生界火山巖為主要目的層在秦皇島30-A構造鉆探了多口探井，勘探效果整體不佳，主要是由于火山巖儲層巖性變化快，儲層物性非均質(zhì)性強，優(yōu)質(zhì)儲層分布規(guī)律認識不清，預測難度大。近年來，遼西凸起旅大25-A構造部署了一口探井LD25-A1井，中生界火山巖測試獲得日產(chǎn)近700 m3的高產(chǎn)，掀起了火山巖油氣勘探的熱潮。

圖1 研究工區(qū)區(qū)域位置圖Fig.1 Regional location map of the study area

2 儲層發(fā)育特征

2.1 巖性特征

通過巖心觀察和薄片鑒定，研究區(qū)中生界火山巖巖性主要為火山角礫巖、流紋巖、安山巖、玄武巖和凝灰?guī)r5種巖石類型(圖2)。王璞珺 等[14]按照成因的分類方案，將火山巖分為火山熔巖和火山碎屑巖。研究區(qū)火山熔巖主要為玄武巖、安山巖和流紋巖，玄武巖多具有間粒結(jié)構、填間結(jié)構、斑狀結(jié)構，斑晶大多為斜長石，也見有少量輝石、橄欖石和磁鐵礦等，暗色礦物多已發(fā)生蝕變，如橄欖石伊利石化、綠泥石化等，具有氣孔、杏仁構造，大多數(shù)氣孔被綠泥石及方解石充填(圖2a)，研究區(qū)僅QHD30-A1井鉆遇少量玄武巖，分布十分局限。安山巖多具有交織結(jié)構、斑狀結(jié)構，偶見玻晶交織結(jié)構、霏細-交織結(jié)構，斑晶為中性斜長石、角閃石，偶見輝石，部分氣孔發(fā)育，大多數(shù)被硅質(zhì)及方解石充填(圖2b、c)，是研究區(qū)發(fā)育的主要巖性，分布范圍較廣，厚度大，主要分布在QHD30-A構造全區(qū)及LD25-A2井區(qū)附近。流紋巖為酸性火山熔巖，常具有流紋構造，巖石多發(fā)育霏細結(jié)構、球粒結(jié)構、少見斑狀結(jié)構，斑晶成分主要為石英、酸性斜長石、堿性長石，少見黑云母等暗色礦物，基質(zhì)成分為長英質(zhì)礦物集合體(圖2d)，主要分布在LD25-A構造區(qū)及其附近。火山碎屑巖主要為火山角礫巖和凝灰?guī)r，火山角礫巖是研究區(qū)儲層物性最好的巖性，孔隙及裂縫均較為發(fā)育，多具隱爆角礫結(jié)構，角礫具有可拼接性(圖2e、f、g)，主要分布在QHD30-A1井區(qū)及LD25-A1井區(qū)附近，分布范圍較廣；凝灰?guī)r多為晶屑凝灰?guī)r，部分可見假流紋構造，晶屑成分多為石英和長石(2h、i)，巖性較為致密，主要分布在QHD30-A構造井區(qū)附近。

圖2 渤中凹陷北部火山巖巖性特征Fig.2 Lithologic characteristics of volcanic rocks in northern Bozhong sag

2.2 儲集空間類型

通過對研究區(qū)中生界火山巖的巖礦薄片、鑄體薄片、掃描電鏡等資料分析，按其形態(tài)和成因可將火山巖儲集空間分為原生孔隙、次生孔隙和裂縫3種儲集類型。

2.2.1原生孔隙

研究區(qū)僅發(fā)育少量原生孔隙，包括原生氣孔和杏仁體內(nèi)孔2種類型。

原生氣孔是含揮發(fā)份的巖漿噴出地表時由于壓力降低揮發(fā)份逸散后留下來的未被充填的氣孔[15]。原生氣孔形狀多樣，常見的有圓形、橢圓形、拉長扁平狀及不規(guī)則形態(tài)，玄武巖、安山巖、流紋巖中均有發(fā)育。研究區(qū)原生氣孔雖然較為發(fā)育，但大多數(shù)被方解石、白云石和綠泥石等充填，只有少量被保存下來(圖3a、b)。

杏仁體內(nèi)孔是由于原生氣孔未被后期方解石、綠泥石等充填完全而形成的儲集空間[16]。杏仁體內(nèi)孔的形態(tài)多為長形、多邊形或圍邊棱角狀不規(guī)則形狀。杏仁體內(nèi)礦物自形，孔隙形狀多樣，與外界不連通。研究區(qū)僅有極少數(shù)杏仁體內(nèi)孔發(fā)育(圖3c)。

圖3 渤中凹陷北部火山巖儲集空間特征Fig.3 Characteristics of volcanic reservoir space in northern Bozhong sag

2.2.2次生孔隙

次生孔隙是研究區(qū)主要的儲集空間類型，包括晶內(nèi)溶蝕孔、基質(zhì)溶孔和脫?；?種類型。

晶內(nèi)溶孔主要是長石、石英晶體中溶蝕形成的孔隙[17]。是斑狀火成巖中，斑晶被溶蝕后形成的孔隙。晶內(nèi)溶蝕孔的孔隙形態(tài)不規(guī)則，如完全溶蝕礦物，則保留原有晶體假象，主要為晶內(nèi)孔。晶內(nèi)溶蝕孔多見于節(jié)理發(fā)育的礦物斑晶內(nèi)，形狀不規(guī)則，具有較好的連通性(圖3d、e、f)。

基質(zhì)溶孔是火山巖的基質(zhì)經(jīng)歷了不同程度的溶蝕，形成的細小孔洞，在顯微鏡下多呈篩狀分布[18]?；|(zhì)溶蝕孔是基質(zhì)中的長石、火山玻璃、顆粒間充填物等被溶蝕形成的孔隙?；|(zhì)溶孔呈現(xiàn)細小的篩孔狀形態(tài)，主要為溶蝕孔，具有一定的相互連通性(圖3e、f)。

脫玻化作用廣泛存在于含有玻璃質(zhì)的火山巖中，火山玻璃轉(zhuǎn)化為雛晶、微晶之間的孔隙[19]。脫?；资且环N由火山巖中的玻璃發(fā)生脫?；饔眯纬傻V物，從而造成體積的縮小，形成的微觀孔隙(圖3d、f)。

2.2.3裂縫

研究區(qū)裂縫所占儲集空間的比例雖然不大，但是可將不同尺度的孔隙連通，構成油氣流動的主要通道，極大地改善火山巖儲層的滲透性[20]。主要包括炸裂縫、構造縫與溶蝕縫3種類型。炸裂縫為經(jīng)炸裂而形成的裂縫，經(jīng)歷后期巖汁充填后、巖石具有可拼接性(圖3g)。構造縫是受到構造應力作用形成的裂縫，具有平直、延伸遠、切割程度深等特征，構造縫常常穿層、切割層理、邊緣平直、延伸遠、成組出現(xiàn)(圖3h、i、j)。溶蝕縫是對原有裂縫的改造，其發(fā)育程度與原有裂縫分布和酸性流體作用密切相關溶蝕縫呈網(wǎng)狀分布，主要沿原有的裂縫發(fā)育，多呈不規(guī)則脈狀，縫寬不一致，內(nèi)邊緣較平滑(圖3h、k、l)。溶蝕裂縫在熔巖流頂部尤其是噴發(fā)旋回頂部較為明顯。

2.3 物性特征

通過對研究區(qū)5口井38塊巖心和壁心樣品進行氣測孔隙度及滲透率測試分析，結(jié)果顯示研究區(qū)內(nèi)儲集層孔隙度2.6%～30.8%，平均值10.6%；滲透率(0.002～4.870)×10-3μm2，平均值0.420×10-3μm2，孔隙度和滲透率有較好正相關關系，儲層物性從高孔-中滲到低孔-低滲均發(fā)育。實驗結(jié)果顯示，儲層物性好壞與巖石類型也存在相關性(圖4)，火山角礫巖的平均孔隙度和滲透率物性條件最好，孔隙度12.4%～30.8%，平均值20.4%；滲透率(0.11～4.87)×10-3μm2，平均值1.65×10-3μm2。酸性流紋巖和中性安山巖物性條件較好，孔隙度2.9%～14.6%，平均值6.6%；滲透率(0.01～0.81)×10-3μm2，平均值0.05×10-3μm2。玄武巖和凝灰?guī)r物性條件最差，難以形成好儲層。

圖4 研究區(qū)不同巖性孔隙度與滲透率關系分布圖Fig.4 Distribution diagram of the relationship between porosity and permeability of different lithologies in the study area

3 火山巖優(yōu)質(zhì)儲層主控因素

通過已鉆井油氣分布及儲層物性統(tǒng)計顯示，研究區(qū)火山巖優(yōu)質(zhì)儲層主要分布在火山通道相隱爆角礫巖亞相和中酸性噴溢相上部亞相，距離火山通道越近儲層物性越好，爆發(fā)相及基性噴溢相熔巖較為致密。因此，巖性巖相和火山機構是決定中生界火山巖儲集性能的主要因素，不同巖性、巖相決定了其儲集空間類型、組合和發(fā)育程度，并間接影響次生改造作用(構造作用和溶蝕作用)的方式和強度，最終控制火成巖的儲集物性和儲層有效性。

3.1 巖性巖相及火山機構控制了優(yōu)質(zhì)儲層分布

上文所述，通過分析研究區(qū)不同巖性的孔隙度及滲透率，火山角礫巖儲層物性條件最好，是形成優(yōu)質(zhì)儲層的主要巖性，其次是酸性流紋巖和中性安山巖，也可以形成好的儲層，玄武巖和凝灰?guī)r儲層物性條件差，一般可作為蓋層。因此，火山角礫巖和中酸性氣孔熔巖是形成優(yōu)質(zhì)儲層甜點的有利巖性。

通過統(tǒng)計不同火山巖相的儲集物性，火山通道相隱爆角礫巖亞相、侵出相外帶亞相和中酸性噴溢相上部亞相具有良好的原生、次生和裂縫疊合發(fā)育關系，物性條件較好(圖5)，是形成研究區(qū)優(yōu)質(zhì)儲層甜點的有利巖相。由于火山噴發(fā)通常是多期次的，因此，火山噴發(fā)期次的界面附近也可以發(fā)育有局部的優(yōu)質(zhì)儲層甜點。

圖5 研究區(qū)不同巖相火山巖物性特征Fig.5 Physical characteristics of volcanic rocks of different lithofacies in the study area

按照距離火山通道的遠近，可將火山機構劃分為近源相帶、中源相帶和遠源相帶[19]?；鹕綑C構通過控制巖相展布、巖性組合和裂縫分布控制優(yōu)質(zhì)儲層甜點的空間分布，主要體現(xiàn)在兩個方面：其一，不同類型火山機構的發(fā)育規(guī)模及其內(nèi)部巖性、巖相構成存在差異；其二，不同火山機構相帶決定了巖性、巖相組合和序列。遼西凸起南段中生界火山巖近源相帶以發(fā)育火山通道相、溢流相和侵出相為主，巖性主要發(fā)育火山角礫巖、流紋巖和安山巖，該相帶的火山巖厚度大，裂縫發(fā)育，通常構成好儲層；中源相帶以溢流相和爆發(fā)相為主，巖性主要發(fā)育凝灰?guī)r、流紋巖和安山巖，也可以形成好的儲層；遠源相帶主要發(fā)育爆發(fā)相和火山沉積相，巖性以英安質(zhì)沉凝灰?guī)r和粗安質(zhì)沉凝灰?guī)r為主。一般來說，從近源到中源到遠源相帶，巖性和巖相組合逐漸單一，儲集空間類型減少，原生孔隙、次生孔隙、裂縫發(fā)育情況均逐漸變差，儲層物性逐漸降低(圖6)?？傮w上，近源相帶儲層物性最好，是尋找火山巖優(yōu)質(zhì)儲層的首選目標。

圖6 研究區(qū)不同火山機構火山巖物性特征Fig.6 Physical characteristics of volcanic rocks in different volcanic structures in the study area

3.2 構造運動和風化淋濾對火山巖儲層的改造

構造運動和溶蝕作用對火山巖進行多期改造，從而改變火山巖體的儲集物性[22](圖7)。通常情況下，火山巖噴發(fā)冷凝過程中，可以形成一些原生孔隙及其早期裂縫，大部分則被后期熱液流體所充填，只有少部分孔縫可以保留下來，形成儲集空間。受大氣淡水風化淋濾作用改造，一些具有化學活動性的流體對先期裂縫進行溶解交代等改造，形成大量的基質(zhì)溶蝕孔縫和礫內(nèi)溶蝕孔縫；同時強烈的構造運動產(chǎn)生新的裂縫并使一些小尺度隱性裂縫發(fā)展為顯性裂縫，提高了裂縫的發(fā)育程度，可極大地改善火山巖的儲集物性。后期受上覆地層的壓實作用影響，孔隙和裂縫在一定程度上減小，部分孔縫被硅質(zhì)、泥質(zhì)充填，同時地層流體和構造運動也可形成少量的溶蝕孔縫和構造裂縫。

圖7 火山巖儲集空間演化特征Fig.7 Evolution characteristics of volcanic reservoir space

4 火山巖優(yōu)質(zhì)儲層分布預測

研究區(qū)火山巖優(yōu)質(zhì)儲層的甜點部位主要分布在火山通道隱爆角礫巖亞相、侵出相外帶亞相和中酸性噴溢相熔巖上部亞相，且距離火山通道越近儲層物性越好，因此火山巖相和火山機構的刻畫對于火山巖優(yōu)質(zhì)儲層預測至關重要。

通過井-震結(jié)合，根據(jù)地震剖面反射特征，明確研究區(qū)發(fā)育火山通道相、中酸性溢流相上部亞相、中酸性溢流相下部亞相、爆發(fā)相熱碎屑流亞相、侵出相以及火山沉積相6種巖相。其中，火山通道相為蘑菇狀外形，中—弱振幅、中—低頻、亂崗反射，主要分布在火山口附近；侵出相一般呈高縱橫比高丘狀，中—弱振幅、中—低頻、雜亂反射，研究區(qū)主要發(fā)育在大斷裂及火山口附近；中酸性溢流相中上部亞相呈多丘狀，中—強振幅、中—高頻、連續(xù)性中等反射，多分布在火山機構近源相帶；中酸性溢流相中下部亞相多呈單丘且縱橫比較小，多分布在火山機構的近—中源；爆發(fā)相熱碎屑流亞相為席狀，中—強振幅、中—高頻、連續(xù)性中等偏好，分布范圍較廣，在近中遠源均有發(fā)育；火山沉積相主要發(fā)育在火山巖相向沉積巖相過渡的區(qū)域，屬于遠火山口區(qū)域或噴發(fā)間歇期的產(chǎn)物，地震反射外形為多席狀、層狀，內(nèi)部多呈平行—亞平行反射；中—強振幅、中頻、連續(xù)性較好，通常距離火山口較遠，分布在機構的遠源部位(圖8、9)。

圖8 渤中凹陷北部火山巖相地震反射特征Fig.8 Seismic reflection characteristics of volcanic facies in northern Bozhong sag

本文通過建立火山巖噴發(fā)模式及不同火山巖相地震相響應特征，精細刻畫不同火山巖相及火山機構的平面展布特征，尋找優(yōu)質(zhì)儲層的發(fā)育區(qū)，主要包括以下6個方面：①火山通道識別(圖10a)：研究區(qū)共識別出25個火山通道，主要分布在斷裂附近，以裂隙式噴發(fā)模式為主。②火山巖相刻畫(圖10b)：通過類比不同巖相的剖面形態(tài)及地震反射特征，對研究區(qū)主要發(fā)育的6種巖相進行剖面精細刻畫及平面組合，結(jié)果顯示研究區(qū)火山通道相、侵出相和中酸性溢流相等優(yōu)質(zhì)巖相發(fā)育，分布面積廣，具有形成好儲層的巖相基礎。③火山機構刻畫(圖10c)：研究區(qū)近源相帶主要分布在火山口附近，以溢流相、爆發(fā)相為主，巖性以中酸性為主，火山巖厚度大，裂縫發(fā)育，通常構成好儲層；中源相帶以爆發(fā)相為主，局部發(fā)育溢流相，儲層物性中等；遠源相帶主要發(fā)育火山沉積相，巖性以沉凝灰?guī)r為主，物性差。④平面屬性分析(圖10d)：通過疊前能量衰減差、疊后地震紋理和疊后螞蟻體屬性分析，研究區(qū)以發(fā)育北西-南東向和近南北向兩組裂縫為主，主要分布在斷裂附近。⑤優(yōu)質(zhì)儲層分布(圖10e)：通過論證“巖性巖相—火山機構—裂縫”三方面因素綜合分析，將研究區(qū)儲層劃分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類，其中Ⅰ類儲層主要分布在QHD30-A、LD25-A構造和LD25-A構造的北部和南部，Ⅰ類儲層和Ⅱ類儲層全區(qū)分布面積約占35%，為油氣的成藏提供了良好的儲層條件。⑥圈閉疊合及有利區(qū)(圖10f)：通過中生界頂面圈閉發(fā)育特征及儲層分布情況，研究區(qū)圈閉與儲層具有較好疊合性，主要為Ⅰ類、Ⅱ類儲層，旅大25-A構造的南部及北部分別發(fā)育一個有利目標區(qū)，具有較大勘探潛力。

圖9 研究區(qū)火山巖相地震剖面特征(剖面位置見圖1)Fig.9 Seismic profile characteristics of volcanic facies in the study area(see Fig.1 for location)

圖10 渤中凹陷北部火山巖優(yōu)質(zhì)儲層分布預測圖Fig.10 Distribution prediction map of high quality volcanic reservoir in northern Bozhong sag

5 結(jié)論

1) 研究區(qū)中生界火山巖以發(fā)育火山角礫巖、流紋巖、安山巖、玄武巖和凝灰?guī)r5種巖性為主，儲集空間主要發(fā)育次生孔隙和裂縫。

2) 綜合分析認為巖性巖相和火山機構是控制研究區(qū)優(yōu)質(zhì)儲層分布的主要因素，中酸性巖類是優(yōu)質(zhì)儲層形成的基礎，火山通道相隱爆角礫巖亞相、侵出相外帶亞相和溢流相上部亞相是優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育的最有利的相帶，而構造運動和風化淋濾對火山巖儲層再改造，增加儲層的孔隙度和滲透性。

3) 通過建立不同火山巖相地震相響應特征，精細刻畫不同火山巖相及火山機構的平面展布特征，并結(jié)合裂縫發(fā)育特征及圈閉發(fā)育特征，最終明確了旅大25-A構造的北部及南部是優(yōu)質(zhì)儲層的發(fā)育位置，具有較大勘探潛力。