準噶爾盆地克—百斷裂帶石炭系深部巖性巖相及時空分布特征

靳　軍，王　劍，劉　金，吐遜阿依·吐拉洪，季漢成，賈海波，房　超，李　晨

(1.新疆油田公司 實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依　834000；2.中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京　102249)

克—百地區(qū)斷裂帶(以下簡稱克—百斷裂帶)上盤石炭系火山巖油藏為中國最早發(fā)現(xiàn)的火山巖油藏。自20世紀50年代發(fā)現(xiàn)以來,一直表現(xiàn)出蓬勃的生命力,勘探的重點為風化殼儲層。目前發(fā)現(xiàn)的油藏超過90%位于石炭系風化殼上,油藏距石炭系頂面0～300 m[1-6]。2016年5月19日,白861井在距石炭系不整合面1 500 m之下試油獲得日產(chǎn)13.92 t的工業(yè)油流,表明風化殼之下的深部火山巖具有較大的油氣勘探潛力。但是，目前對研究區(qū)石炭系深部火山巖巖體內(nèi)部儲層基本特征的研究尚處于空白階段，極大制約了勘探生產(chǎn)的步伐。因此,針對其巖性巖相及時空分布特征的研究，對準噶爾盆地克—百斷裂帶石炭系勘探具有重要的理論基礎(chǔ)意義。

1　研究區(qū)概況

克—百斷裂帶屬于準噶爾盆地西部隆起西北緣沖斷帶的中段[7],以大侏羅溝斷裂為界,其南為克拉瑪依構(gòu)造亞帶,其北為百口泉構(gòu)造亞帶。整體表現(xiàn)為斷階構(gòu)造模式,為“犁狀”主斷裂克拉瑪依—南白堿灘—百口泉斷裂的上盤[8-9]?？恕贁嗔褞Ь唧w劃分為一區(qū)、二區(qū)和九區(qū)等7個區(qū)塊(見圖1)。

研究區(qū)石炭系主要為火山巖地層,屬于準噶爾盆地海西期褶皺基底的一部分,形成于晚石炭世,與上覆中三疊統(tǒng)克拉瑪依組地層呈角度不整合接觸。在晚海西—印支期強烈擠壓、推覆作用下,石炭系地層經(jīng)歷了長期風化剝蝕和淋濾改造,在距頂面0～300 m深度段形成了厚度不一的風化黏土層和風化淋濾帶(風化殼)[10-12]；風化殼下部為火山巖深部巖體,可分為多個火山噴發(fā)旋回,各旋回之間以沉積夾層為界。本文著重對距石炭系頂面300 m以下的深部巖體進行巖性巖相及分布特征方面的研究。

圖1　克—百斷裂帶構(gòu)造分區(qū)圖Fig.1　Structure division of Ke-Bai fracture zone

2　巖石學特征

克—百斷裂帶上盤石炭系火山巖普遍經(jīng)歷了較大埋深后又遭受強烈的構(gòu)造抬升并接受改造[13-15],因此儲層巖性比較復雜。根據(jù)72口取心井的巖心分析,研究區(qū)深部石炭系主要發(fā)育火山巖,其次為沉積巖和變質(zhì)巖。

2.1　火山巖

克—百斷裂帶上盤石炭系火山巖屬于基性—中性火山巖,分屬亞堿性和堿性兩個系列。依據(jù)火山巖的結(jié)構(gòu)成因-化學成分-礦物成分-特征結(jié)構(gòu)-火山碎屑粒級綜合分類方案,火山巖分為以下5大類和13小類。

2.1.1次火山巖類次火山巖是在火山噴發(fā)過程中,巖漿的噴溢受阻而停留在地下較淺處的裂縫或?qū)娱g空隙中冷凝形成的巖石。研究區(qū)次火山巖發(fā)育基性(玄武玢巖)和中基性(玄武粗安斑巖)兩類巖石。次火山巖整體顯斑狀結(jié)構(gòu),基質(zhì)具間隱結(jié)構(gòu)或交織結(jié)構(gòu),巖體邊部可見氣孔和杏仁構(gòu)造(見圖2A)。

2.1.2火山熔巖類火山熔巖是巖漿物質(zhì)通過火山作用中的溢流方式在地表形成的火山巖。研究區(qū)發(fā)育基性、中基性和中性3類火山熔巖。基性火山熔巖以玄武巖為主,多為隱晶斑狀結(jié)構(gòu),基質(zhì)發(fā)育間粒結(jié)構(gòu)和間隱結(jié)構(gòu)(見圖2B)。中基性火山熔巖以斑狀玄武粗安巖為主,基質(zhì)具有粗面結(jié)構(gòu)、間粒間隱結(jié)構(gòu)等,氣孔和杏仁構(gòu)造發(fā)育。中性火山熔巖以安山巖為主(見圖2C)。

2.1.3火山碎屑熔巖類火山碎屑熔巖類為火山碎屑巖向熔巖過渡的類型。研究區(qū)發(fā)育基性、中基性和中性3類火山碎屑熔巖,分別以玄武質(zhì)角礫熔巖(2～64 mm)和玄武安山質(zhì)角礫熔巖和粗安質(zhì)角礫熔巖為主?；鹕剿樾既蹘r類巖石除發(fā)育熔結(jié)結(jié)構(gòu)、斑狀結(jié)構(gòu),假流動構(gòu)造外,還顯示有熔巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造,如斑狀結(jié)構(gòu)、隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、交織結(jié)構(gòu)以及氣孔和杏仁構(gòu)造等(圖2D)。

2.1.4火山碎屑巖類火山碎屑巖是由火山爆發(fā)作用形成的同期火山碎屑物質(zhì),經(jīng)空氣或水介質(zhì)的搬運、堆積、固結(jié)而成的巖石。研究區(qū)發(fā)育中基性火山碎屑巖和中性火山碎屑巖兩類。巖石均以晶屑凝灰?guī)r為主,發(fā)育晶屑凝灰結(jié)構(gòu),火山碎屑組分全部為長石等剛性碎屑(見圖2E)。不同之處在于，中基性火山碎屑巖碎屑以暗色巖的巖屑為主,而中性以中性巖巖屑為主。

2.1.5沉火山碎屑巖類沉火山碎屑巖類是正常火山碎屑巖類和沉積巖類之間的過渡巖石類型。研究區(qū)以沉火山角礫巖(粒徑>2 mm)和沉凝灰?guī)r(粒徑<2 mm)為主,沉火山巖含有小于50%的正常的沉積物,顆粒具有次棱角—次圓狀磨圓,顯示經(jīng)過了一定距離的搬運(見圖2F)。

2.2　其他巖類

研究區(qū)除火山巖外還發(fā)育沉積巖和變質(zhì)巖。沉積巖有礫巖、砂巖、粉砂巖和泥巖(見圖2G),為火山噴發(fā)間歇期或間斷期形成的由水流搬運并沉積形成。

變質(zhì)巖按照其成因可分為區(qū)域變質(zhì)巖和動力變質(zhì)巖2大類。研究區(qū)區(qū)域變質(zhì)作用弱,發(fā)育有變質(zhì)砂巖、變質(zhì)粉砂巖和變質(zhì)泥巖。變質(zhì)巖主要是早期泥巖、粉砂巖、凝灰?guī)r及砂巖在深埋期由于溫度和壓力的增加,變質(zhì)形成的；重結(jié)晶不明顯或極輕微,鏡下可見有部分絹云母、綠泥石；具變余層理(見圖2H)。動力變質(zhì)巖以斷層角礫巖為主(見圖2F),其屬于“構(gòu)造破碎”成因的巖石,主要發(fā)育在構(gòu)造應力集中的斷層區(qū)域；原巖受應力作用破碎成角礫狀,而后被細屑或外來物質(zhì)膠結(jié)(見圖2I)。

3　巖相特征

火山巖巖相的研究,不僅能夠揭示火山巖的時空展布規(guī)律,而且還能揭示不同巖性組合之間的成因聯(lián)系[16],為古火山結(jié)構(gòu)的恢復和儲層分布研究提供重要的依據(jù)[14,17]?？恕贁嗔褞肯抵饕l(fā)育火山巖相，其次為沉積巖相和變質(zhì)巖相?；鹕綆r巖相的劃分有多種方案[18],結(jié)合前人的劃分方案和研究區(qū)的實際情況,將研究區(qū)火山巖相組劃分為次火山相、爆發(fā)相、溢流相和火山沉積相4種，并進一步細分為6種亞相。

3.1　火山巖相的類別

3.1.1次火山相次火山相主要位于火山機構(gòu)下部幾百米到1 500 m左右,代表巖性為玢巖和斑巖，具有巖墻、巖株等侵入巖的產(chǎn)狀，主要形成于火山作用晚期。研究區(qū)鉆遇次火山巖相的井很少,巖性以玄武玢巖和玄武粗安巖為主。

3.1.2爆發(fā)相爆發(fā)相是火山爆發(fā)所產(chǎn)生的各種火山碎屑物在不同的環(huán)境下，經(jīng)成巖作用形成的各類火山碎屑巖,以火山早期及噴發(fā)高潮時最為發(fā)育。研究區(qū)石炭系內(nèi)幕火山巖包括空落亞相(下部)和熱碎屑流亞相(上部)兩種類型?？章鋪喯喟l(fā)育,巖性以火山碎屑類晶屑凝灰?guī)r為主;熱碎屑流亞相不發(fā)育,巖性主要為火山碎屑熔巖。

完整的爆發(fā)相組合測井曲線形態(tài)總體表現(xiàn)為齒狀—微齒狀箱形或鐘形—漏斗復合形態(tài)。爆發(fā)相內(nèi)部空落亞相多具有中自然伽馬、中電阻率特征,自然伽馬曲線具有高幅指狀的形態(tài),電阻率曲線具低幅齒狀箱形,局部呈高幅指狀鐘形;熱碎屑流亞相具低—中自然伽馬,中電阻率特征,自然伽馬呈鐘形,電阻率曲線具齒狀形態(tài)。

地震剖面上，爆發(fā)相表現(xiàn)為中—弱振幅、相對高頻、中—差連續(xù)性的雜亂反射特征,多呈丘狀或楔狀外形,平面相變較快。

A 中基性次火山巖(玄武粗安斑巖),斑狀結(jié)構(gòu),杏仁構(gòu)造,古37井,1 254.50～1 254.60 m;B 基性火山熔巖(玄武巖),隱晶斑狀結(jié)構(gòu),基質(zhì)具間隱結(jié)構(gòu),正交光(+),古37井,962.3 m;C 中性火山熔巖(安山巖),微晶和?；豢椊Y(jié)構(gòu),單偏光(-),古50井,1 522.4 m;D 中性火山碎屑熔巖(粗安質(zhì)角礫熔巖),火山角礫被熔漿膠結(jié),見熔巖的氣孔和杏仁構(gòu)造,單偏光(-),白29井,2 013.71 m;E 中基性火山碎屑巖(玄武安山質(zhì)凝灰?guī)r),暗色巖屑為主,發(fā)育長石、輝石和角閃石斑晶,具凝灰結(jié)構(gòu),正交光(+),白861井,2 092.14 m;F 沉火山角礫巖,火山角礫含量大于30%,磨圓度較好,古66井,673.35～673.45 m;G 砂巖,次圓滾圓狀,具層理構(gòu)造,白30井,1 873.50～1 873.55 m;H 變質(zhì)粉砂巖,重結(jié)晶作用不明顯,具變余層理,單偏光(?),古50井,1 358.62 m;I 斷層角礫巖,原巖破碎成角礫狀被細碎屑和方解石膠結(jié),古31井,205.3～205.4 m。圖2　石炭系巖性特征Fig.2　Characteristics of lithology in Carboniferous volcanic rocks

3.1.3溢流相溢流相是熾熱的巖漿自火山口向外溢流形成的各類熔巖,多形成于火山強烈爆發(fā)以后。研究區(qū)溢流相發(fā)育,垂向上具有一定的成層性,分為上部和下部亞相,主要為火山熔巖類巖石。下部亞相的代表巖性為玄武巖和安山巖等,位于流動單元或冷凝單元的下部,原生孔隙不發(fā)育,巖石脆性強,裂縫容易形成和保存。上部亞相代表巖性為氣孔杏仁玄武巖、氣孔杏仁安山巖,位于流動單元或冷凝單元的上部,原生孔隙較發(fā)育。

溢流相的測井曲線總體較平滑,曲線形態(tài)以微齒狀箱形或鐘形為主。下部亞相以低自然伽馬、低聲波時差、低密度、低中子和高電阻率為特點,形態(tài)為弱齒化箱形;上部亞相與下部亞相曲線特征相似,但自然伽馬和中子較下部略有增加,曲線形態(tài)以齒化箱形為特征。

地震剖面上，溢流相表現(xiàn)為中—弱振幅、中—低頻率、連續(xù)性相對較好的地震反射特征,平行—亞平行地震反射結(jié)構(gòu),整體呈層狀、透鏡狀外形,分布較穩(wěn)定。

3.1.4火山沉積相火山沉積相是沉積巖與火山巖共生的一種巖相,多形成于爆發(fā)間歇期或火山旋回的后期,距離火山口較遠[19]。研究區(qū)火山沉積相分布范圍非常廣泛,代表巖性為沉火山凝灰?guī)r和沉火山角礫巖,火山碎屑具有一定的磨圓,多與其他火山巖互層或以夾層形式出現(xiàn)。沉火山凝灰?guī)r中，水平及平行層理發(fā)育,局部出現(xiàn)礫石細層。

火山沉積相測井曲線總體以中自然伽馬、低—中電阻率為特點。自然伽馬為齒化鐘形和箱形,電阻率曲線以齒化箱形或指形為主；同時，自然伽馬曲線與電阻率曲線呈鏡像關(guān)系。

3.2　其他巖相

研究區(qū)石炭系地層在火山活動間隙期沉積巖相發(fā)育,且以扇三角洲相為特征,發(fā)育有扇三角洲平原、扇三角洲前緣和前扇三角洲3個亞相,分別對應沉積巖中的礫巖、砂巖和粉砂-泥巖。

沉積巖相測井曲線總體以低—中自然伽馬和中電阻率為特點。扇三角洲平原亞相以齒狀的低自然伽馬和微齒狀的低電阻率為特點;扇三角洲前緣亞相以鐘形低—中自然伽馬和齒化鐘形低—中電阻率為特點;前扇三角洲亞相以高幅指狀的中自然伽馬和齒狀低電阻率為特點。地震剖面上，沉積相組以上超充填為主,多具有層狀外形特征,表現(xiàn)為頂?shù)讖姺瓷?內(nèi)部中—弱振幅、中—高頻率、中等連續(xù)性的平行—亞平行反射特征。

變質(zhì)巖相主要涉及的是深埋期區(qū)域淺變質(zhì)形成的變質(zhì)砂巖和變質(zhì)泥巖,其測井曲線以高幅指狀的中—高自然伽馬和高幅指狀—箱狀的中—高電阻率為特點,且電阻率曲線和自然電位曲線鏡像對應。地震反射具有低頻率、弱振幅、不連續(xù)的特點,反射外形不一致,多呈穹狀。研究區(qū)鉆遇斷層角礫巖的井較少,且鉆揭厚度較少,代表性較差。

4　巖相分布特征

通過取心井巖性巖相分析,以巖相-測井識別模板為依據(jù),對克—百斷裂帶上盤石炭系17口井進行巖相及亞相劃分。在地層旋回格架的基礎(chǔ)上,根據(jù)巖相的地震響應特征,以測井解釋結(jié)果為約束，對地震剖面上的巖性巖相進行識別,并在此基礎(chǔ)上對各個旋回的巖性巖相的空間分布特征進行研究。

4.1　巖性巖相垂向分布特征

從17口單井的巖性巖相分析來看,每個旋回底部多以溢流相的中性安山巖噴發(fā)開始,以火山沉積巖或沉積巖結(jié)束,部分井以爆發(fā)相凝灰?guī)r形成單獨一個噴發(fā)旋回。

鉆井和測井巖相分析揭示的巖相組合主要有6種,分別為:① 爆發(fā)相-溢流相;② 溢流相-爆發(fā)相;③ 溢流相-火山沉積相/沉積相;④ 溢流相-爆發(fā)相-火山沉積相/沉積相;⑤ 爆發(fā)相-溢流相-火山沉積相/沉積相;⑥ 溢流相-次火山巖相。以白861井為例,其位于研究區(qū)西北部的九區(qū),內(nèi)部發(fā)育的巖相組合以溢流相-爆發(fā)相-火山沉積相/沉積相為主。含油層主要位于物性相對較好的爆發(fā)相和溢流相的火山巖相組中(見圖3)。

4.2　巖性巖相平面分布特征

研究區(qū)第三旋回鉆遇井達64口,對其進行了巖性巖相的平面分布特征研究。克—百斷裂帶石炭系火山巖溢流相在一區(qū)和黑油山區(qū)發(fā)育,在7西區(qū)古27井附近局部發(fā)育,巖性以安山巖為主,多沿克—百斷裂帶分布。北黑油山斷裂與克—百斷裂之間分布有少量溢流相玄武巖,同時，北黑油山斷裂以北見少量爆發(fā)相的火山角礫巖分布。一般火山爆發(fā)多以粗粒的火山角礫巖和基性的火山熔巖開始,越靠近火山口,火山角礫巖和基性火山巖越多,因此推測火山口主體位于北黑油山斷裂與克—百斷裂之間。爆發(fā)相的空落亞相在六、九區(qū)和七東區(qū)發(fā)育,巖性主要為凝灰?guī)r;熱碎屑流亞相總體不發(fā)育?；鹕匠练e相僅發(fā)育在北黑油山斷裂以西的三區(qū)局部,巖性主要為沉凝灰?guī)r,可能為古地貌低洼處(見圖4)。

沉積相在九區(qū)越靠近東北部越發(fā)育,北東向上由扇三角洲平原亞相過渡到前扇三角洲亞相。區(qū)域變質(zhì)成因的變質(zhì)砂巖和變質(zhì)泥巖主要在研究區(qū)西北部呈帶狀分布,為盆地西北緣多期推覆作用導致的區(qū)域變質(zhì)作用所致[20-21](見圖4)。這是因為火山間歇期，在遠離火山口的位置，沉積碎屑巖較發(fā)育,在后期地層沿斷裂疊瓦狀推覆的過程中,逐漸被深埋,受溫壓的變化,碎屑巖發(fā)生了變質(zhì)作用。因此，變質(zhì)巖主要沿斷裂帶呈帶狀分布。受距離火山口遠近和火山機構(gòu)展布的控制,各單井火山巖、變質(zhì)巖和沉積巖所占比例差別較大,具有明顯的分區(qū)特征。具體表現(xiàn)為，一、二、六、七區(qū)內(nèi)的單井火山巖相發(fā)育,靠近西北部扎伊爾山,變質(zhì)巖相發(fā)育;沉積巖相在東北部九區(qū)的單井上發(fā)育。

圖3　白861井綜合柱狀圖Fig.3　Synthetic histogram of Bai 861 well

通過火山巖噴發(fā)序列、巖相組合關(guān)系的研究可知，研究區(qū)巖相發(fā)育模式表現(xiàn)為：火山爆發(fā)期以發(fā)育火山巖為主,靜默期以沉積巖為主,深埋期以變質(zhì)巖為主(見圖5)。其中，深埋期的變質(zhì)巖,巖性主要是變質(zhì)砂巖和變質(zhì)泥巖,主要是火山靜默期的砂、泥巖在深埋的過程中淺變質(zhì)而成；由于受強壓實和變質(zhì)作用,孔隙不發(fā)育,物性較差,裂縫也不甚發(fā)育,一般不作為儲層(見圖6)。克—百地區(qū)斷裂帶上盤石炭系主體上具有布里尼式噴發(fā)(爆炸式噴發(fā))的特征,巖漿黏度大、爆發(fā)強烈,火山碎屑物常達90%以上,火山碎屑巖發(fā)育。由于爆發(fā)強烈及巖漿物質(zhì)的大量拋出,常形成錐頂崩塌的破火山口,火山機構(gòu)復雜。

圖4　石炭系火山巖巖性、巖相平面分布圖Fig.4　Lithology distribution of Carboniferous volcanic rocks

圖5　石炭系巖相發(fā)育模式Fig.5　Lithofacies model of Carboniferous volcanic rocks

5　儲集性能特征

火山巖的儲集性能取決于孔隙和裂縫的發(fā)育程度,其中直劈縫和高角度縫對儲層的物性改造貢獻較大。根據(jù)研究區(qū)56口井共517個實測孔隙度以及實測滲透率統(tǒng)計結(jié)果可知，研究區(qū)不同巖性的物性特征存在較大差異,斷層角礫巖和溢流相安山巖孔隙度最好。這是因為斷層角礫巖因受構(gòu)造作用孔隙和裂縫較發(fā)育,而安山巖,尤其是溢流相上部亞相安山巖氣孔比較發(fā)育。其中，安山巖孔隙度在0.29%～39.56%,平均為12.79%,滲透率在(0.004～13 605)×10-3μm3,平均為157.5×10-3μm3(見圖6)。不同巖性巖相裂縫發(fā)育程度不同。溢流相(下部亞相)安山巖、熱碎屑流亞相火山角礫熔巖和動力變質(zhì)成因的斷層角礫巖，直劈縫和高角度縫密度較大,其中溢流相(下部亞相)直劈縫和高角度縫可達13條/m(見圖6)。

圖6　石炭系儲層物性與巖性巖相關(guān)系圖Fig.6　Relationship between reservoirs property and lithology-lithofacies in Carboniferous volcanic rocks

綜合來看,研究區(qū)有利的火山巖儲層為安山巖,一區(qū)、七區(qū)和黑油山區(qū)是該區(qū)下一步油氣儲層研究和工作的重點。

6　結(jié)　論

1)克—百斷裂帶上盤石炭系內(nèi)幕巖性以火山巖為主,其次為沉積巖和變質(zhì)巖?；鹕綆r發(fā)育次火山巖、火山熔巖、火山碎屑熔巖、火山碎屑巖和沉火山碎屑巖5類巖石。內(nèi)幕儲層發(fā)育火山巖相、沉積巖相和變質(zhì)巖相3個巖相組?；鹕綆r相組發(fā)育次火山相、爆發(fā)相、溢流相和火山沉積相4種相類型,并可進一步細分為6種亞相。

2)石炭系內(nèi)幕儲層在空間分布上具有3個特點:① 每個旋回底部多以中性安山巖噴發(fā)開始,以火山沉積巖或沉積巖結(jié)束；②巖相發(fā)育模式表現(xiàn)為火山爆發(fā)期以發(fā)育火山巖為主,靜默期以沉積巖為主,深埋期以變質(zhì)巖為主，爆發(fā)期形成的火山碎屑巖在縱向上占有較大比重;③ 西北部靠近逆沖帶附近，變質(zhì)砂巖較發(fā)育,東南部靠近克—百斷裂附近，火山熔巖及溢流相發(fā)育,東北部沉積巖較發(fā)育。

3)研究區(qū)有利的火山巖儲層為溢流相安山巖,一區(qū)、七區(qū)和黑油山區(qū)是該區(qū)下一步油氣儲層研究和工作的重點。

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