徐家圍子地區(qū)火山巖巖相識別機理與方法

楊學峰, 李紅娟

(大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院, 黑龍江 大慶 163712)

0 引 言

徐家圍子斷陷是受徐西、徐中2條斷裂控制的箕狀斷陷,為松遼盆地深層規(guī)模較大的斷陷,火山巖主要發(fā)育在營城組,巖性、巖相類型復雜多樣,包括流紋巖、(角礫)凝灰?guī)r、凝灰?guī)r熔巖、角礫巖等酸火山巖,安山巖、安山質(zhì)角礫巖、安山質(zhì)玄武巖、玄武巖等中、基性火山巖[1]。巖相發(fā)育爆發(fā)相、溢流相等5大相、11亞相。火山巖相控制著原生和次生儲集空間的發(fā)育程度和組合規(guī)律。通常,溢流相的上部亞相、爆發(fā)相的熱碎屑流亞相儲層物性較好,溢流相的中部亞相、爆發(fā)相的空落亞相儲層物性較差,而火山沉積相基本不發(fā)育儲層,導致徐家圍子斷陷深層火山巖氣藏發(fā)育,儲層的發(fā)育和分布、氣藏的規(guī)模大小受火山巖巖相的發(fā)育情況控制[2-6,17]。因此,在深層火山巖勘探開發(fā)中,巖相研究是決定火山巖儲層預測精度、儲量準確提交的關鍵因素之一?；鹕綆r巖相識別方法主要包括地質(zhì)法和地球物理法。地質(zhì)法是利用巖心資料通過巖心觀察、薄片鑒定等多種方法識別火山巖的成分、結(jié)構、構造等地質(zhì)特征,進而劃分火山巖巖相[7-12];地球物理方法是利用地震或測井資料實現(xiàn)巖相的識別與劃分,如根據(jù)測井曲線的形態(tài)組合進行劃分,這些方法是應用巖相的某一特征進行識別,很少對其理論基礎進行深入研究。徐家圍子斷陷主要應用巖心、巖屑和地震資料劃分巖相。巖心劃分巖相雖然準確,但是具有不連續(xù)、成本高的問題,而巖屑和地震資料劃分巖相精度相對較低,巖相識別精度僅為64.2%,亞相識別精度為52.8%,不能滿足勘探開發(fā)的需求,尚沒有相關的理論和成型的應用測井資料識別火山巖巖相方法,需要開展應用測井資料識別火山巖巖相的方法研究。

本文以地質(zhì)理論為指導,從機理上分析火山巖巖相的成分、結(jié)構和構造特征;以此為基礎,結(jié)合巖心劃相結(jié)果,研究測井資料識別巖相所需的巖石成分、結(jié)構、構造圖版,并針對徐家圍子斷陷火山巖巖相發(fā)育特征,建立火山巖巖相識別的方法和流程。

1 火山巖巖相分類

前人對松遼盆地火山巖巖相進行研究中,一般采用了王璞君等[2,17]提出的巖性-組構-成因的巖相劃分方案,將松遼盆地火山巖巖相分為5個相15個亞相,該方案強調(diào)了巖相的可識別性,即可以在巖心/巖屑、手標本、剖面上識別,也可以應用測井和地震資料進行識別。通過徐家圍子地區(qū)27口井的巖心觀察與測井信息進行對比研究,其中5個相、11個亞相在測井上具有明顯的測井響應特征,對其巖性、結(jié)構及構造特征進行了歸類(見表1),這些特征奠定了應用測井信息識別火山巖巖相的基礎。

2 測井識別火山巖巖相的機理

2.1 巖石成分識別機理

測井響應特征由礦物成分決定,圖1為火山巖的礦物成分組合,橫向表示巖石成分從超基性、基性、中性到酸性, 縱向表示了巖石礦物成分的含量,表明火山巖的礦物成分類型多樣,含量變化大。為研究不同成分的火山巖的響應機理,采用通用的礦物體積模型,通過對巖石礦物組成圖1進行分析及離散化,建立了41個不同成分的火山巖樣品數(shù)據(jù)。其中0～8點代表超基性巖、9～16點代表基性巖、17～23點代表中性巖,24～41點代表酸性巖。

表1 火山巖巖相分類及相標志

圖1 火山巖礦物組合變化簡圖[15-16]

圖2 火山巖不同測井理論值變化圖*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

按照體積模型,火山巖骨架和孔隙度為10%時(孔隙中為純水),建立了自然伽馬、中子、密度和聲波時差測井響應方程,對其測井理論值進行計算

GR=GR1V1+GR2V2+GR3V3+GR4V4+
GR5V5+GR6φ

(1)

CNL=CNL1V1+CNL2V2+CNL3V3+
CNL4V4+CNL5V5+CNL6φ

(2)

DEN=DEN1V1+DEN2V2+DEN3V3+
DEN4V4+DEN5V5+DEN6φ

(3)

Δt=Δt1V1+Δt2V2+Δt3V3+Δt4V4+
Δt5V5+Δt6φ

(4)

式中,V1、V2、V3、V4、V5分別為不同的礦物體積;φ為巖石的孔隙度;GR1、GR2、GR3、GR4、GR5、GR6分別為不同的礦物測井特征值[13],計算結(jié)果見圖2。

從圖2可知,對巖性成分變化敏感的曲線為自然伽馬測井和密度測井,從超基性到酸性,自然伽馬曲線值逐漸增加,密度測井曲線值逐漸減小,為測井資料識別巖石成分奠定了理論基礎。

2.2 巖石結(jié)構、構造識別機理

通過巖心刻度后的成像測井可以類似于巖心在測井評價中應用。為確定在成像測井能反映火山巖的最小結(jié)構、構造,采用數(shù)值模擬和實驗室實際測量2種方式進行了結(jié)構、構造的識別機理。

成像測井通過測量井壁附近沖洗帶地層電阻率,以顏色的變化刻度電阻率的大小,將井筒展開后得到成像測井圖像,反映地質(zhì)特征[14]。成像測井能夠識別的地質(zhì)體可歸為點狀和線狀的組合。在實驗室內(nèi),應用電阻率掃描成像實驗裝置對直徑分別為10、5、2 mm的孔洞和寬度為1、2、5 mm的裂縫進行掃描成像。結(jié)果表明:①直徑大于5 mm的點狀體電阻率成像測井圖上有響應;②線狀體間距大于5 mm時,可單獨成像,線狀體間距小于5 mm時,圖像合并加強;③點狀體的成像測井分辨率下限為5 mm,而線狀體成像測井圖像清晰度與對比度關系較大,沒有具體的分辨率下限。同時具有裂縫和孔洞的仿真計算結(jié)果顯示,裂縫寬度為1 mm,電阻率20 Ω·m;孔洞半徑由小到大依次為1、2、4、5 mm,電阻率為10 Ω·m。它們徑向延伸均到無窮遠,背景電阻率100 Ω·m。

從火山巖的地質(zhì)理論研究中可知,巖相形成的環(huán)境使得不同巖相具有不同結(jié)構和構造[15-16]。研究表明,火山巖的結(jié)構和構造的大小足以在成像測井圖上成像顯示。測井能夠識別的火山巖結(jié)構和構造分別為包括熔巖、熔結(jié)、碎屑、隱爆角礫等結(jié)構和塊狀、氣孔、流紋、變形流紋、堆砌等構造。綜合形成結(jié)構、構造的地質(zhì)成因和巖心觀察的結(jié)構、構造現(xiàn)象,建立了火山巖的結(jié)構和構造的理論模式(見圖3)。

圖3 火山巖典型結(jié)構、構造的理論模式圖

3 火山巖巖相的測井相標志及識別方法

3.1 不同成分火山巖巖性識別

自然伽馬、密度測井對火山巖巖石成分變化敏感。在實際應用中,為消除儲層含氣性對密度曲線的影響,將密度孔隙度與中子孔隙度進行組合,構建了如式(5)所示的新的指示曲線,并與自然伽馬結(jié)合,建立了火山巖巖石成分識別圖版(見圖4)。

圖4 火山巖巖石成分識別圖版

(5)

式中,ρRHOB為密度測井值,g/cm3;φNPHI為中子孔隙度,小數(shù)。

圖5 5種火山巖構造FMI測井響應

3.2 火山巖構造識別

火山巖構造是指組成巖石的各部分(集合體)在形成巖石時,在排列充填其空間方式上所構成的巖石特點。火山巖構造是不同環(huán)境下火山成巖時的產(chǎn)物,是識別火山巖巖相、亞相的重要相標志。在巖心觀察基礎上,結(jié)合前人研究成果,總結(jié)測井能夠識別的構造5種主要構造:塊狀構造、氣孔、氣孔杏仁構造、流紋構造、變形流紋構造、堆砌構造(見圖5)。

塊狀構造[見圖5(a)]。巖石中礦物組分均勻分布所造成的一種構造。組成巖石的礦物在巖石中無定向排列,巖石各部分在成分和結(jié)構上都一樣,圖像整體上由高低阻基質(zhì)組成。微電阻率掃描成像測井(FMI)圖像上為高阻亮色分布,但常被裂縫切割,呈現(xiàn)出高阻背景下的暗色條紋,但整體較均一。

氣孔杏仁構造[見圖5(b)]。巖漿沿地殼裂隙噴溢于地表,在流動冷凝過程中,所含的揮發(fā)物質(zhì)向外逸散,留下空洞,有圓形、橢圓形及其他不規(guī)則的形狀,這樣,該類噴出巖就具有氣孔狀構造了。氣孔構造被巖漿后礦物所充填,形成杏仁構造。氣孔的形狀有所不同,有時拉長有一定方向性。氣孔后期被綠泥石等黏土礦物重填或充滿流體,導電性能強,因此氣孔顯示為高阻亮色背景下的暗色斑點狀,同時由于氣孔是在流動過程中形成的,因此與流動方向及形成環(huán)境有關,是火山巖巖相的重要標志。杏仁則由于充填物與原巖成分差異,則可能顯示為亮色和暗色2種情況。

流紋構造[見圖5(c)]。當巖漿流溢于地表,由于其中的礦物具有色調(diào)的差異性,在流動過程中,造成由不同顏色的條紋和拉長的氣孔等表現(xiàn)出來的一種流動構造,是酸性火山巖中最為常見的構造。它是由不同顏色,不同成分的條紋,條帶和球粒,雛晶定向排列,以及拉長的氣孔等表現(xiàn)出來的一種流動構造,是在熔漿流動過程中形成的。FMI圖像表現(xiàn)為條帶狀明暗相間的條紋,條紋連續(xù)性好,亮色部分主要成分是熔漿,暗色條紋主要成分是一些暗色礦物及充填有導電能力較強的氣孔。

變形流紋構造[見圖5(d)]。有強烈揉皺狀的流紋構造,包括流面構造和流線構造。成像圖像上整體表現(xiàn)為雜色,低阻橙色基質(zhì)明暗相間,近于等距的正弦線組成流紋面,黑色低阻條紋切割流紋面,呈現(xiàn)明顯地強烈揉皺狀流紋構造,屬不規(guī)則明暗相間條帶狀模式,具有明顯變形流紋構造。

圖6 常見火山巖構造圖

堆砌構造[見圖5(e)]。堆砌構造是剛性和/或塑性火山角礫別較細?；鹕轿镔|(zhì)或熔漿膠結(jié),形成貌似混凝土狀的火山巖角礫/集塊(熔)巖。其中剛性角礫無磨圓,塑性漿屑和基質(zhì)少見流動拉長現(xiàn)象。FMI圖像上高阻亮斑狀的火山角礫呈混凝土狀混雜堆積,不具分選和磨圓。

3.3 火山巖結(jié)構識別

火山巖結(jié)構是指巖石物質(zhì)組分的結(jié)晶程度、顆粒大小、形態(tài)特征以及它們之間的相互關系等?；鹕綆r中,不同的結(jié)構往往代表著不同的地質(zhì)成因,是火山巖巖相重要的標志。常見的火山巖結(jié)構包括:熔巖結(jié)構、碎屑熔巖結(jié)構、熔結(jié)結(jié)構、隱爆角礫結(jié)構、碎屑結(jié)構(見圖6)。

熔巖結(jié)構[見圖6(a)]在火山巖中最為常見,是識別火山熔巖的重要依據(jù)。熔巖結(jié)構是指在巖心上不具有粒度特征的斑狀結(jié)構、交織結(jié)構和少斑結(jié)構,3種結(jié)構在成像上難以區(qū)分,故合稱為熔巖結(jié)構。在成像圖上整體由色調(diào)均勻的高阻亮色及中低阻橙色基質(zhì)組成,不具有粒狀特征,屬塊狀模式。熔結(jié)結(jié)構[見圖6(b)]是塑性玻屑、巖屑等經(jīng)火山灰流運移堆積時,靠本身的高溫溶結(jié)而成,塑性巖屑發(fā)生壓扁變形、定向拉長。這些碎屑呈近平行狀分布,可含有剛性巖屑和晶屑,是火山碎屑流亞相的典型標志。FMI圖像上可見高阻亮色的蠕蟲狀漿屑平行排列,壓扁拉長特征明顯,氣孔較發(fā)育。隱爆角礫結(jié)構[見圖6(c)]是在火山口附近或潛火山巖體的頂部,由于強烈爆破使巖體本身及其頂部圍巖破碎成大小不等的各種角礫,被其自身成分或某些氣液礦物膠結(jié)形成,角礫形態(tài)多為棱角狀、次棱角狀,是識別隱爆角礫巖亞相典型標志。在FMI圖像上顯示為不規(guī)則組合亮斑模式和亮暗截切模式,具有明顯的隱爆角礫結(jié)構特征?；鹕剿樾冀Y(jié)構[見圖6(d)]是指火山爆發(fā)所產(chǎn)生的火山碎屑的總稱,是碎屑含量達到90%以上并被相應的更細小的碎屑(通常為火山塵)壓實固結(jié)所產(chǎn)生的結(jié)構?；鹕剿樾家话銥閯傂詭r屑和晶屑,無壓扁拉長特征。成像圖上顯示角礫結(jié)構清晰,高阻亮色角礫大小不均,粒度之間相互支撐,混雜堆積,棱角清晰,不具磨圓特征。碎屑熔巖結(jié)構[見圖6(e)]熔巖流動中由于地形與地貌的影響,或后期風化淋濾作用,熔巖破碎形成具有火山碎屑結(jié)構特征的火山熔巖。碎屑大小不一,成分相同,碎塊之間具有很好的復原性。常位于溢流相頂部。FMI圖像上不連續(xù)線狀模式背景下的亮斑模式,顯示出裂縫切割與碎屑顆粒狀。

4 火山巖巖相識別方法及流程

4.1 沉積巖和火山巖的識別

沉積巖在常規(guī)測井上電阻率較低,成像測井圖像上具有明顯的沉積構造。當沉積巖的母巖是火山巖時,其膠結(jié)成分為凝灰?guī)r,火山巖與沉積巖則較難區(qū)分,但在地層元素俘獲能譜測井(ECS)資料上沉積巖的釓、鈣、鐵、鈦元素含量均較低。因此,應用ECS測井巖性識別圖版(見圖7)和成像測井模式圖綜合識別火山巖與沉積巖。

圖7 沉積巖(砂礫巖)與火山巖測井識別圖版

4.2 火山巖巖石成分、結(jié)構、構造識別

不同成分的火山巖代表不同巖漿源噴出地表的產(chǎn)物、巖漿巖成因以及形成環(huán)境,具有不同的噴發(fā)旋回。應用火山巖常規(guī)測井巖性識別圖版(見圖4)識別火山巖的巖石成分。

電成像測井能夠提供直觀的井下地層巖石物理圖像,可以直觀反映巖石的結(jié)構、構造特征。應用結(jié)構、構造識別圖版(見圖5和圖6)識別火山巖的結(jié)構、構造特征。

4.3 火山巖旋回與期次的界面識別

火山噴發(fā)過程中,一般在噴發(fā)能量變化上具有從強到弱的規(guī)律,形成的巖相類型也呈現(xiàn)出有規(guī)律地變化。因此,先確定火山巖旋回與期次的界面,能夠提高測井劃分火山巖巖相的精度。例如,火山巖期次內(nèi)部結(jié)構特征表現(xiàn)為相序連續(xù)或準連續(xù),火山活動強度變化過程:弱—強—弱、強—弱等,對應的相序變化:噴溢相—爆發(fā)相—噴溢相(/侵出相/火山通道相)、爆發(fā)相—噴溢相(—侵出相/火山通道相)。根據(jù)王璞珺等[2]的研究成果,火山巖旋回、期次的界面包括沉積夾層、風化殼、巖性界面和火山灰層,以巖心劃分界面為基礎,總結(jié)研究區(qū)界面的測井響應特征見表2,以此識別期次和旋回。

表2 期次/旋回界面的測井響應特征表

4.4 火山巖巖相和亞相劃分

火山巖巖相成因研究及巖心資料表明,火山巖成分、結(jié)構、構造是火山巖巖相測井識別的相標志。在期次/旋回界面內(nèi),應用巖心劃相結(jié)果對巖相分類標志進行刻度后(見表1),根據(jù)表1中的對應關系劃分火山巖巖相。

5 應用效果

×S××井的3 860～3 890 m井段巖性為流紋巖;電成像測井圖像上表現(xiàn)為條帶狀明暗相間的條紋,條紋連續(xù)性好,亮色部分主要成分是熔漿,氣孔發(fā)育,呈圓形與流紋平行,是流紋構造,為溢流相上部亞相[見圖8(a)]。4 041.0 m～4 088.0 m井段巖性為熔結(jié)火山角礫凝灰?guī)r,電成像圖像上表現(xiàn)為高阻亮色的蠕蟲狀漿屑平行排列,壓扁拉長特征明顯,氣孔較發(fā)育,是熔結(jié)結(jié)構,為爆發(fā)相熱碎屑流亞相[見圖8(b)]。

應用該方法對徐家圍子地區(qū)132口井的火山巖巖相進行了劃分,經(jīng)24口井42個層取心段地質(zhì)相驗證,巖相符合率為84.6%,亞相符合率為77.2%。

6 結(jié) 論

(1) 以地質(zhì)理論為基礎,采用數(shù)值模擬和實驗的方法,分析測井識別火山巖巖相成分、結(jié)構、構造的機理。

(2) 在地質(zhì)相分類特征基礎上,提取了火山巖成分、結(jié)構、構造等相標志,建立了常規(guī)測井識別火山巖成分圖版,成像測井識別結(jié)構、構造的模型圖。

(3) 測井識別火山巖巖相的方法在徐家圍子斷陷火山巖識別中,巖相與亞相識別符合率較高,應用效果較好。

圖8 ×S××井巖相識別成果圖*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

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