萊州灣凹陷中生代火山巖巖性巖相特征與儲層關(guān)系

劉曉健，王清斌，代黎明，郝軼偉

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

火山巖油氣藏的勘探歷史悠久，國內(nèi)外陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了大量火山巖油氣藏[1–8]，美國、阿根廷、日本等30多個國家均有火山巖油氣田被發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)準噶爾盆地、吐哈盆地、遼河盆地等多個盆地也相繼獲得多個火山巖油氣勘探突破。目前，在全球范圍內(nèi)已發(fā)現(xiàn)300余個與火山巖有關(guān)的油氣藏或油氣顯示[9]，探明的石油地質(zhì)儲量達18.38×108t，占全球石油地質(zhì)探明儲量的1%左右[10–11]，火山巖油氣還處于較低勘探程度階段。油氣在火山巖中能否成藏與儲層密切相關(guān)，而儲層發(fā)育程度受火山巖巖性、巖相控制作用明顯。馮子輝等[12]認為火山巖原生孔隙受巖性和巖相控制，后期成巖改造作用是決定原生孔隙不發(fā)育的火山巖能否成為有效儲層的關(guān)鍵因素。侯啟軍[13]在對松遼盆地火山巖儲層研究中認為火山巖結(jié)構(gòu)和相帶控制了儲層展布，成巖作用和構(gòu)造裂縫控制了儲層的有效性。因此，確定火山巖巖性、巖相和巖石學特征，既是火山巖儲層研究的基礎(chǔ)，也是火山巖儲層儲集空間類型、分布規(guī)律及其成因機制研究的前提[14–15]。

渤海灣盆地中生代火山噴發(fā)強烈，火山巖分布基本覆蓋了整個海域范圍。渤海油田在多年火山巖油氣勘探中，鉆探了錦州20–2、秦皇島30等多個中生代火山巖含油氣構(gòu)造，但至今尚未發(fā)現(xiàn)規(guī)模性油氣藏。究其原因，海域受資料錄取的限制，火山巖地震資料品質(zhì)差，用地震資料識別火山巖相難度較大；另外，火山巖巖性復(fù)雜，儲層非均質(zhì)性強，對成藏規(guī)律還認識不清。尤其是在海上高勘探成本、少井、少巖心的情況下，對火山巖油氣藏的勘探難度更大。2016年渤海油田在海域南部萊州灣盆地鉆探了墾利16構(gòu)造，發(fā)現(xiàn)高豐度油氣藏，取得了中生界火山巖油氣勘探的突破。本文通過巖心觀察描述、鑄體薄片、成像測井等資料，對墾利16構(gòu)造中生代火山巖開展巖性識別和巖相類型劃分，探討了巖性巖相對儲層的控制作用，并建立了該區(qū)火山巖相序以及不同巖性巖相與優(yōu)質(zhì)儲層的響應(yīng)關(guān)系，為該區(qū)火山巖油氣勘探提供基礎(chǔ)的地質(zhì)資料。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

萊州灣凹陷位于渤海海域東南部，面積約1 780 km2，是中生界基底上發(fā)育的新生代斷陷[16]，凹陷東為魯東隆起區(qū)，西鄰青東凹陷，南靠濰北凸起，北接萊北低凸起[17]（圖 1），整體上是受東西兩側(cè)郯廬走滑斷層和北部邊界斷層共同作用所形成，剖面上表現(xiàn)為北斷南超、東斷西超的地質(zhì)結(jié)構(gòu)[18]。始新世早期是盆地斷陷形成期，始新世晚期到漸新世是盆地走滑作用階段，盆地進一步發(fā)生漸進裂陷伸展，使斷陷湖盆繼續(xù)發(fā)展，新近紀是盆地凹陷形成階段[19]?？碧綄嵺`證實，萊州灣凹陷是一個小而肥的富烴凹陷[20]，至今仍屬于低勘探程度區(qū)，尚有較大勘探潛力。

2016年渤海油田鉆探了萊州灣凹陷南斜坡墾利16構(gòu)造，在中生界火山巖地層取得了較好的油氣發(fā)現(xiàn)，該區(qū)中生界主要發(fā)育白堊系下統(tǒng)義縣組，巖性以凝灰?guī)r、火山角礫巖、安山巖和沉火山角礫巖為主。

圖1 萊州灣凹陷構(gòu)造地質(zhì)概況

2 火山巖巖性特征

萊州灣凹陷中生界主要發(fā)育三大類巖石類型：火山熔巖（原地自碎角礫化熔巖、氣孔杏仁安山巖和碎裂安山巖）、火山碎屑巖（凝灰?guī)r、火山角礫凝灰?guī)r和凝灰質(zhì)火山角礫巖）和沉火山碎屑巖（沉凝灰?guī)r和沉火山角礫巖）。

2.1 火山熔巖類

火山熔巖主要為安山巖，主要分布在墾利16構(gòu)造的東部地區(qū)，巖石多為褐灰色和深灰色，斑狀結(jié)構(gòu)，巖石礦物成分主要由斑晶和基質(zhì)組成，斑晶主要由斜長石、角閃石組成，斑晶蝕變嚴重，角閃石和斜長石表面均見綠泥石化、泥鐵質(zhì)化和白云石化，基質(zhì)主要為大量板條狀斜長石微晶，斜長石平行–半平行分布（圖2a），局部見黑云母，鏡下常見氣孔–杏仁構(gòu)造，部分氣孔被綠泥石、白云石和鐵白云石等礦物充填或半充填。按相帶和結(jié)構(gòu)不同分為原地自碎角礫化熔巖、氣孔杏仁安山巖和碎裂安山巖。

2.2 火山碎屑巖類

火山碎屑巖是火山作用形成的各種火山碎屑堆積物經(jīng)過“壓實固結(jié)”而成的巖石[21]。研究區(qū)火山碎屑巖全區(qū)分布廣泛，依據(jù)火山碎屑含量和碎屑物粒度分為凝灰?guī)r、火山角礫凝灰?guī)r和凝灰質(zhì)火山角礫巖。凝灰?guī)r蝕變強烈，巖屑主要為凝灰?guī)r巖屑，晶屑主要為黑云母，見少量長石、石英，凝灰質(zhì)可見伊利石化（圖2b）。火山角礫巖主要由火山角礫和凝灰質(zhì)組成，其中火山角礫占 60%～70%，凝灰質(zhì)占30%～40%。角礫成分為安山巖，基質(zhì)為凝灰質(zhì)（火山玻璃質(zhì)），鏡下可見基質(zhì)脫?；饔幂^強（圖2c）。

2.3 沉火山碎屑巖類

沉火山碎屑巖是火山碎屑巖和沉積巖的過渡類型，受火山作用和沉積改造雙重控制，依據(jù)碎屑粒度可分為沉凝灰?guī)r、沉火山角礫巖和沉積塊巖。研究區(qū)沉凝灰?guī)r主要為紫褐色，為氧化暴露環(huán)境，巖石成分主要由細小的晶屑、巖屑和火山塵組成，晶屑主要見長石和石英，巖屑主要為安山巖巖屑，碎屑顆粒不同程度的磨圓，晶屑巖屑含量約20%，凝灰質(zhì)約80%。凝灰質(zhì)多已蝕變?yōu)轺[片狀、纖維狀水云母。

沉火山角礫巖主要呈雜色，角礫成分復(fù)雜，主要為安山巖、凝灰?guī)r，顆粒分選較差，火山角礫粒徑一般2～4 mm，最大可達12 mm，呈棱角–次棱角狀，巖石主要由火山角礫、巖屑、晶屑和細小的火山物質(zhì)組成?；鹕浇堑[粗大，含量約占40%；晶屑主要見中性斜長石、石英，含量約10%；巖屑主要為安山巖和流紋巖巖屑，含量約占25%；細小的火山凝灰質(zhì)，分布角礫間，含量25%左右（圖2d）。

圖2 萊州灣凹陷中生界不同巖性鏡下顯微特征

3 火山巖巖相特征

火山巖巖相研究對火山巖空間展布規(guī)律、古火山結(jié)構(gòu)恢復(fù)及不同巖性之間的成因聯(lián)系具重要意義[22–23]。海域火山巖地震資料品質(zhì)較差，用于識別火山巖相難度大。本文結(jié)合應(yīng)用常規(guī)測井、成像測井、巖心觀察等資料來劃分火山巖相，將該區(qū)火山巖巖相分為三種類型：爆發(fā)相、溢流相和火山沉積相（圖3）。

3.1 爆發(fā)相

巖漿中含有大量揮發(fā)成分，對圍巖產(chǎn)生巨大壓力。巖漿噴至高空形成強烈噴發(fā)柱，后由于重力作用降落堆積，在火山口附近形成碎屑錐堆積，距火山口越近厚度和粒度越大。研究區(qū)主要發(fā)育空落亞相，巖性主要為凝灰?guī)r和火山角礫巖。

空落亞相下部巖性為蝕變火山角礫，巖石蝕變強烈，角礫呈灰白色和灰綠色，不均勻分布于基質(zhì)中，角礫大小1～5 cm，最大可達11 cm，角礫普遍綠泥石化，邊緣被溶蝕成港灣狀，部分角礫破碎被基質(zhì)充填，裂縫發(fā)育，裂縫中可見鐵質(zhì)礦物充填，局部可見熒光。中部為灰綠色火山角礫凝灰?guī)r，凝灰質(zhì)含量比下部高，角礫呈灰白色，蝕變強烈，角礫普遍發(fā)生破碎。上部為深綠灰色凝灰?guī)r，火山角礫呈肉紅色，不均勻分布于基質(zhì)中，棱角狀明顯，巖心整體較致密，局部可見斷面擦痕，黃鐵礦發(fā)育。

從空落相剖面整體來看，下部為凝灰質(zhì)火山角礫巖，上部以火山角礫凝灰?guī)r和凝灰?guī)r為主，從下到上火山角礫成分逐漸降低，凝灰質(zhì)含量逐漸增高，反映了火山噴發(fā)強度逐漸降低的噴發(fā)序列。

成像測井上凝灰?guī)r段表現(xiàn)為低阻特征，具有層理構(gòu)造。凝灰質(zhì)火山角礫段電阻比凝灰?guī)r段稍高，其中可見高阻亮色火山角礫鑲嵌在熔巖基質(zhì)中。

3.2 溢流相

溢流相是巖漿在后續(xù)噴出巖漿的推動和自身重力作用下，沿地表流動過程中逐漸冷凝、固結(jié)形成。萊州灣凹陷中生界火山巖發(fā)育完整的溢流相序列，分為頂部亞相、上部亞相和中、下部亞相。火山巖頂部發(fā)育的原地自碎角礫化熔巖，成像測井表現(xiàn)為高阻、低阻相間特征，可見高亮的自碎和隱爆成因形成的火山角礫。上部亞相受巖漿氣體揮發(fā)作用影響而常見氣孔和杏仁體密集帶，發(fā)育氣孔–杏仁安山巖，部分氣孔被綠泥石、沸石等低阻礦物充填，成像測井上表現(xiàn)為整體低阻特征。中下部亞相基本不含氣孔，表現(xiàn)為安山巖基巖面貌，受后期構(gòu)造運動影響裂縫發(fā)育，形成碎裂安山巖，成像測井表現(xiàn)為高亮高阻特征，可見高角度和低角度裂縫共同發(fā)育。

3.3 火山沉積相

火山沉積相是與火山活動伴生的一種巖相，發(fā)育于火山活動間歇期，由火山碎屑占 90%～50%的沉火山碎屑巖組成[24]。研究區(qū)火山沉積相無成像測井資料，只能根據(jù)巖心觀察和鏡下鑒定來識別?；鹕匠练e相巖性主要為沉火山角礫巖，受搬運作用影響，角礫成分復(fù)雜，包含安山巖角礫、凝灰?guī)r角礫，部分為流紋巖角礫，顆粒分選差，有一定程度的磨圓。火山沉積相分布范圍小，研究區(qū)僅一口井鉆遇。

圖3 萊州灣凹陷中生界火山巖相類型及相標志

4 巖相與儲層關(guān)系

不同火山巖的巖性和巖相受巖石成分和成因的影響，在后期成巖演化過程中，其原生孔隙和后期裂縫等儲集空間發(fā)育程度差異性明顯，從而形成不同的優(yōu)質(zhì)儲層類型。因此，巖性和巖相識別是火山巖類儲層研究的關(guān)鍵。本文以火山巖成因機理為出發(fā)點，對不同相帶儲層的成巖作用、孔縫組合方式和成因開展研究，明確巖性和巖相對儲層發(fā)育的控制作用，建立巖性和巖相與優(yōu)質(zhì)儲層的響應(yīng)關(guān)系。

4.1 溢流相與儲層關(guān)系

溢流相主要的巖性為原地自碎角礫化熔巖、氣孔–杏仁安山巖和碎裂安山巖。

4.1.1 原地自碎角礫化熔巖與儲層關(guān)系

原地自碎角礫化熔巖孔縫為非構(gòu)造成因，主要是熔漿冷凝收縮和后期巖漿推移作用形成，發(fā)育于溢流相頂部風化殼，呈角礫狀（圖4），角礫成分與熔巖相同，相鄰自碎角礫相互可拼接，粒間孔隙發(fā)育，內(nèi)部連通性較好，即使裂縫被充填，仍會保留一些儲集空間。儲集空間類型包括礫內(nèi)斑晶溶孔、礫間原生孔、冷凝收縮縫，主要形成于冷凝階段[25]。儲層孔隙度保持在 20%左右，滲透率 40×10-3μm2，可作為良好的油氣儲集體。

4.1.2 氣孔–杏仁安山巖與儲層關(guān)系

發(fā)育于溢流相上部亞相，具有典型的氣孔–杏仁構(gòu)造，儲集空間為原生氣孔、杏仁體內(nèi)溶孔和裂縫（圖4）。氣孔主要形成于巖漿冷凝階段，巖漿中氣體上溢在頂部形成氣孔發(fā)育帶，氣孔形狀多樣，包括圓狀和沿流動方向定向拉長的條帶狀，部分氣孔中充填或半充填方解石膠結(jié)物。氣孔分為孤立型和連通型，孤立氣孔為無效儲集空間；孤立氣孔之間通過構(gòu)造裂縫連接成為連通氣孔，形成有效儲集空間。氣孔–杏仁安山巖儲層孔隙度可達15.6%，為孔–縫組合構(gòu)造“雙孔介質(zhì)”型儲集體，是該區(qū)物性較好的巖相帶。

4.1.3 碎裂安山巖與儲層關(guān)系

發(fā)育于溢流相中下部亞相，巖漿噴發(fā)出地表，揮發(fā)組分向上運移，在頂部形成氣孔發(fā)育帶，中下部極少發(fā)育氣孔，形成少孔而致密的安山巖，原生孔隙不發(fā)育，但裂縫發(fā)育，儲集空間以構(gòu)造裂縫為主，鏡下觀察可見裂縫呈網(wǎng)狀分布、多期裂縫相互切割現(xiàn)象（圖4）。碎裂安山巖儲層平均孔隙度13.1%，滲透率14.9×10-3μm2，裂縫中熒光較強，見油氣充注，為良好的油氣儲集體。

4.2 爆發(fā)相與儲層關(guān)系

發(fā)育于爆發(fā)相的空落亞相，儲集空間類型分為兩類，一類為火山作用形成的基質(zhì)收縮縫、脫?；?，角礫間原生孔以及炸裂縫等原始孔縫；另一類為后期改造形成的斑晶溶蝕孔和沿裂縫形成的溶蝕擴大孔，原生孔隙的形成為后期流體對儲層的改造提供了較好的通道條件。研究區(qū)爆發(fā)相發(fā)育時期最

圖4 溢流相火山噴發(fā)模式與儲層響應(yīng)關(guān)系

晚，分布與火山序列的頂部，儲層受風化改造較強，由于埋藏較淺，成巖程度較弱，儲層物性較好（圖5）。該類儲層平均孔隙度為23.7%，優(yōu)質(zhì)儲層厚度可達40～50 m，可作為該區(qū)優(yōu)質(zhì)儲層的目標。

圖5 爆發(fā)相火山噴發(fā)模式與儲層響應(yīng)關(guān)系

4.3 火山沉積相與儲層關(guān)系

沉火山角礫巖發(fā)育于火山沉積相，搬運距離短，成分和結(jié)構(gòu)成熟度低，顆?；祀s后經(jīng)壓實、成巖作用形成。粒間充填大量細小的火山凝灰質(zhì)，部分蝕變?yōu)轺[片狀、纖維狀伊利石充填礫間。此外，安山質(zhì)火山巖在后期成巖過程中析出大量鐵質(zhì)礦物堵塞孔隙（圖6），后期改造作用較弱。儲層物性較差，平均孔隙度12.7%，滲透率1.06×10-3μm2，孔縫不發(fā)育，不易形成有效儲集體。

萊州灣凹陷中生界火山巖巖性、巖相與儲層的成因關(guān)系密切，在對二者關(guān)系分析的基礎(chǔ)上對研究區(qū)儲層進行了分類，建立了該區(qū)的火山巖巖相與優(yōu)質(zhì)儲層的對應(yīng)關(guān)系。爆發(fā)相中凝灰?guī)r和火山角礫巖發(fā)育于研究區(qū)火山巖相序列的頂部，早期火山成因的孔縫為后期溶蝕流體提供了良好的滲流通道，并且儲層分布廣、厚度大，為Ⅰ類儲層。溢流相頂部亞相中的原地自碎火山角礫安山巖受巖漿自碎作用控制孔縫發(fā)育，儲層物性好，但由于厚度較薄，分布范圍局限，為Ⅱ類優(yōu)質(zhì)儲層；溢流相上部亞相受巖漿作用控制形成的氣孔安山巖，原生孔隙發(fā)育，再加上后期構(gòu)造作用產(chǎn)生的裂縫對氣孔的連通作用，形成物性較好的Ⅱ類優(yōu)質(zhì)儲層；溢流相中下部亞相的脆性熔巖在后期構(gòu)造運動的影響下，形成裂縫性儲層，也可作為良好的油氣儲集空間，可歸為Ⅱ類儲層?；鹕匠练e相中沉火山角礫巖后期成巖作用對儲層破壞性作用較大，儲層物性較差，為非儲層。Ⅰ類和Ⅱ類儲層在錄井和測井解釋中均為油層，并且均在該類儲層中取出原油樣品。

圖6 火山沉積相火山噴發(fā)模式與儲層響應(yīng)關(guān)系

5 結(jié)論

（1）萊州灣凹陷中生界火山巖主要發(fā)育原地自碎角礫化熔巖、氣孔–杏仁安山巖、碎裂安山巖、蝕變凝灰?guī)r、火山角礫凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)火山角礫巖、沉凝灰?guī)r和沉火山角礫巖等巖石類型。中生界火山巖巖相主要發(fā)育爆發(fā)相，溢流相頂部、上部和中下部亞相以及火山沉積相 3大類 5小類火山巖巖相類型。

（2）火山巖巖相對儲層控制作用明顯，爆發(fā)相中的凝灰?guī)r和火山角礫巖儲層物性最好，為Ⅰ類儲層；溢流相中頂部亞相原地自碎角礫熔巖、上部亞相氣孔安山巖和中下部亞相碎裂安山巖可劃為Ⅱ類儲層，Ⅰ、Ⅱ類儲層為油氣的有利儲集相帶；沉火山角礫巖受沉積和成巖作用控制，孔縫發(fā)育程度較低，為非儲層。

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