渤海南部火山巖發(fā)育區(qū)斷裂—巖漿聯(lián)合控藏機理與勘探實踐

李果營 楊 波 韓自軍 楊海風 胡志偉 宿 雯 鄧 輝 高雁飛

（ 中海石油（中國）有限公司天津分公司 ）

新生代以來，受太平洋板塊俯沖方向變化及渤海灣盆地陸殼薄化兩大宏觀構(gòu)造運動控制，渤海海域深部巖漿活躍、構(gòu)造活動頻繁，斷裂活動—巖漿噴發(fā)耦合作用下的物質(zhì)建造與構(gòu)造改造聯(lián)合控制形成了多個火山巖發(fā)育區(qū)[1-6]。渤?；鹕綆r發(fā)育區(qū)的油氣勘探工作起步于20世紀70年代，歷經(jīng)多次自營與合作勘探，先后在石臼坨凸起部署4口探井，但均未獲得商業(yè)性勘探突破[7]，渤海油田首次進軍火山巖發(fā)育區(qū)的勘探嘗試以失敗而暫告一段落。2007—2010年，借鑒陸上火山巖發(fā)育區(qū)勘探成功經(jīng)驗，重振旗鼓，相繼在沙壘田西側(cè)和萊東—廟南等地區(qū)展開勘探部署，雖有多口井獲得了油氣層發(fā)現(xiàn)，但多以小型含油氣構(gòu)造為主，油氣分布呈現(xiàn)碎、小、散的特點，不具備開發(fā)經(jīng)濟性[8]。近年來，隨著渤海南部勘探程度的不斷提高，尤其是黃河口凹陷儲量探明率已經(jīng)達到45%，常規(guī)地質(zhì)條件下可供勘探的規(guī)模性構(gòu)造目標越來越少，與此同時，大量火山巖發(fā)育的復雜構(gòu)造區(qū)勘探程度則相對較低，面對越來越大的儲量接替壓力，加強火山巖發(fā)育區(qū)油氣成藏機理研究，加快火山巖發(fā)育區(qū)勘探節(jié)奏和步伐，將成為渤海南部實現(xiàn)油氣勘探可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

長期以來，中國東部陸相斷陷盆地關于火山巖及其成藏的研究頗多，且取得了豐富的研究成果和認識，但相關研究大多集中在火山巖儲層與控藏作用方面，而盆內(nèi)斷裂與火山巖耦合控藏作用的研究相對較少[9-10]。本文主要以渤海南部黃河口凹陷南斜坡為靶區(qū)，在地震資料精細處理以及火山機構(gòu)三維定量刻畫的基礎上，重點攻關 “斷裂—巖漿聯(lián)合控藏及油氣富集機理”核心問題，以尋求復雜火山巖發(fā)育區(qū)油氣勘探新的突破，并為渤海其他類似火山巖發(fā)育區(qū)的勘探工作提供一定指導意義。

1 地質(zhì)背景

黃河口凹陷位于渤海南部，是一個新生代單斷箕狀斷陷。黃河口凹陷南部斜坡帶是由凹陷向萊北低凸起過渡的重要構(gòu)造單元，該區(qū)緊鄰富生烴洼陷，斷裂體系發(fā)育，油源供應充足，成藏背景優(yōu)越[11-12]（圖1）。

圖1 黃河口凹陷南部斜坡帶區(qū)域位置圖

受新生代多期火山噴發(fā)影響，黃河口凹陷南部斜坡帶火山巖遍布全區(qū)，火山巖空間展布變化頻繁，且對下伏地層地震反射產(chǎn)生強烈屏蔽和干涉作用，致使研究區(qū)地震資料品質(zhì)較差，圈閉落實十分困難，同時，該區(qū)處于走滑—伸展多應力體制疊加背景下，構(gòu)造破碎、斷裂體系復雜多樣，巖漿噴發(fā)與斷裂活動疊加效應下油氣富集規(guī)律不清，加上渤海海域火山巖發(fā)育區(qū)可借鑒成功經(jīng)驗非常少，因此雖歷經(jīng)從自營到合作30余年的勘探工作，但仍未獲得任何突破性進展。近年來，著眼于渤海海域火山巖發(fā)育區(qū)自身獨特的地質(zhì)特點，通過開展復雜火山巖發(fā)育區(qū)地震資料精細處理，提高地震資料成像品質(zhì)，積極攻克“斷裂—巖漿聯(lián)合控藏機理”難題，在黃河口凹陷南部斜坡帶火山巖發(fā)育區(qū)開展精細勘探研究和部署，成功發(fā)現(xiàn)了渤海首個火山巖下大中型油氣田——渤中34-X油田，開創(chuàng)了渤?；鹕綆r發(fā)育區(qū)油氣勘探新局面。

2 “斷裂—巖漿”聯(lián)動控制坡隆構(gòu)造帶的形成及規(guī)模性圈閉的發(fā)育

新生代以來，黃河口凹陷南部斜坡帶受地幔熱隆起（伸展動力）和斜向擠壓（走滑動力）雙動力源所控制，在區(qū)域右旋擠壓應力場下，發(fā)育了NNE向右旋走滑斷裂和EW向共軛左旋走滑斷裂，同時，受黃河口凹陷北部控凹斷裂旋轉(zhuǎn)翹傾作用，局部發(fā)生擠壓作用引起抬升[13-14]。在斷裂差異翹傾活動—巖漿噴發(fā)耦合作用下的物質(zhì)建造與構(gòu)造改造聯(lián)合控制形成斜坡背景之上的局部正向隆起——坡隆帶。

巖漿脈動式噴發(fā)與斷裂幕式活動控制著坡隆旋回演化，共分為3個階段：晚始新世—早漸新世雛形期、中—晚漸新世定型期、新近紀改造期（圖2）。晚始新世—早漸新世，渤海海域整體地殼薄化、巖漿局部底辟上拱形成微高古地貌，奠定斜坡區(qū)坡隆雛形。漸新世中晚期，太平洋板塊俯沖方向由NNW向NW轉(zhuǎn)變，郯廬斷裂帶右旋走滑作用顯著增強，地幔熱隆和斜向擠壓聯(lián)合誘發(fā)巖漿大規(guī)模噴發(fā)，在擠壓應力和巖漿上涌共同作用下坡隆形態(tài)進一步發(fā)展定型，形成斜坡帶局部正向隆起。新近紀以來，受新構(gòu)造運動影響，郯廬走滑斷裂再次強烈活化，早期定型的坡隆被晚期新生斷裂進一步復雜化。

圖2 黃河口凹陷南部斜坡帶坡隆構(gòu)造發(fā)育演化史圖

2.1 雛形期

始新世晚期—漸新世早期，渤海灣盆地受右旋弱走滑與水平強拉張應力控制，走滑斷裂、拉張—走滑斷裂活動微弱，黃河口凹陷以強烈斷陷活動為主，大型控盆走滑—拉張斷裂發(fā)育，但由于其切穿基底深度有限，無法溝通上地幔巖漿房。因此，該時期火山巖主要沿走滑斷裂和拉張—走滑斷裂零星分布，巖漿活動規(guī)模較小，具有中心式噴發(fā)特點，巖性主要為少量的玄武巖和凝灰?guī)r。巖漿噴發(fā)改造了微古地貌特征，形成多個局部高點，是坡隆構(gòu)造的雛形期，但由于巖漿活動微弱，早期形成的微高古地貌很快被同期的碎屑巖沉積快速填平補齊。

2.2 定型期

漸新世中晚期，受右旋強走滑與水平強拉張應力控制，整個黃河口凹陷進入斷—坳轉(zhuǎn)換期，走滑斷裂發(fā)生強烈右旋活動、拉張—走滑斷裂和走滑—拉張斷裂也進入活躍期。該時期巖漿活動的規(guī)模和頻率顯著增大，巖漿活動持續(xù)了近9Ma、多達20次以上，火山巖與砂泥巖、火山碎屑巖等頻繁互層沉積，巖性以溢流相玄武巖、安山巖和爆發(fā)相凝灰?guī)r為主，而爆發(fā)相的火山角礫巖少見，其中溢流相玄武巖呈層狀或片狀覆蓋大面積地區(qū)，最大分布面積超過60km2。由于火山巖堆積速率明顯大于圍區(qū)碎屑巖沉積速率，造成東二段厚度明顯大于周邊地層，受巖漿底辟作用，黃河口凹陷南部斜坡帶渤中34-X構(gòu)造主體東二段形成坡隆背景。

進入東一段沉積期以來，由于巖漿活動減弱，巖漿噴發(fā)范圍逐步收縮，巖漿房逐漸冷卻，渤中34-X構(gòu)造坡隆主體整體沉降，坡隆背景消失，總體歸于平緩地勢，油田區(qū)東一段發(fā)育三角洲沉積，地層巖性組合特征與圍區(qū)基本一致，偶見玄武巖、凝灰?guī)r。

2.3 改造期

新近紀，太平洋板塊開始出現(xiàn)弧后擴張及弧后盆地，造成向西的側(cè)向推擠力；加之更新世以來持續(xù)至今的沖繩海槽弧后擴張同樣向西推擠著中國東部大陸，郯廬斷裂帶整體呈現(xiàn)較強的右旋走滑活動，引起了渤海海域強烈的新構(gòu)造運動，導致早期斷裂重新活化和持續(xù)活動、晚期次級斷裂密集發(fā)育。但新構(gòu)造運動對于坡隆的影響非常有限，早期斷裂的活化和晚期斷裂的發(fā)育進一步復雜了古近系的坡隆背景，構(gòu)造更為破碎，斷塊持續(xù)差異升降，但古近系坡隆的整體構(gòu)造形態(tài)沒有發(fā)生較大的變化，晚期斷裂主要控制了新近系的斷背斜、斷塊群構(gòu)造背景。

綜上所述，晚始新世—早漸新世的雛形期、中—晚漸新世的發(fā)展期主要受噴發(fā)型巖漿底辟作用形成微高古地貌，但受整體沉降作用或同期碎屑巖沉積填平補齊作用，坡隆古背景消失；漸新世末期高峰期是受區(qū)域東營運動而形成現(xiàn)今坡隆背景，而在進入新近紀改造期后，受構(gòu)造運動影響，坡隆背景被進一步復雜化。

在此認識的指導下，通過對火山通道相的剖面識別，建立了坡隆旋回控制下的“斷裂—火山巖”聯(lián)合控圈模式，成功實現(xiàn)了火山巖發(fā)育區(qū)的構(gòu)造精細解釋和圈閉落實，新增古近系圈閉面積36.6km2、新近系圈閉面積 30.2km2。

3 新生代巖漿活動的時空有序分布有利于深部優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育

3.1 巖漿活動產(chǎn)生的“抗壓實效應”有利于深部優(yōu)質(zhì)儲層保存

勘探實踐表明，壓實作用是導致砂巖儲層原生孔隙減少的主要因素之一，能夠有效抑制壓實作用的地質(zhì)因素對孔隙保存最為顯著。研究區(qū)沙河街組和東營組發(fā)育的溢流相、噴發(fā)相火山巖與火山通道相組合形成“橋墩型”火山結(jié)構(gòu)（圖3），火山通道相支撐溢流相火山巖形成頂板[15-16]，對下伏東三段、沙一段、沙二段儲層具有良好的支撐作用，能夠有效減弱上覆地層的壓實作用，從而有利于原生孔隙的保存。

通過對巖石薄片的鏡下觀察，研究區(qū)古近系砂巖儲層在埋深超過3000m的條件下仍能見到大量的原生粒間孔，顆粒間多為點接觸方式，表明在火山巖頂?shù)装寮盎鹕酵ǖ老嗟闹伪Ｗo作用下，儲層整體壓實程度較弱（圖4）。

圖3 黃河口凹陷南部斜坡帶“橋墩型”火山結(jié)構(gòu)發(fā)育模式圖

圖4 黃河口凹陷南部斜坡帶BZ34-X-A井古近系儲層壓實狀況圖版

與圍區(qū)正常壓實條件下碎屑巖儲層物性對比表明，同等埋深條件下，火山巖發(fā)育區(qū)古近系儲層減孔率明顯降低（圖5）。這進一步說明了研究區(qū)發(fā)育的溢流相火山巖頂、底板與火山通道相的組合產(chǎn)生了抗壓實的作用，有效降低了古近系儲層的壓實程度。

圖5 黃河口凹陷南部斜坡帶與秦南地區(qū)古近系儲層壓實程度對比圖

3.2 火山噴發(fā)導致的“早堿晚酸、酸堿共控”的復雜成巖場利于古近系優(yōu)質(zhì)儲層形成與改造

晚始新世—漸新世時期，黃河口凹陷南部斜坡帶巖漿活動頻繁，巖漿熱液上涌攜帶大量深層鹵水，加上同沉積期受噴發(fā)玄武巖中富鐵鎂礦物的水解作用，形成了堿性水介質(zhì)微環(huán)境。堿性水體環(huán)境有利于沸石的發(fā)育，同時促使白云石的包殼并抑制石英次生加大，從而有利于原始孔隙的保存[17-18]。研究發(fā)現(xiàn)，黃河口凹陷沙一段、沙二段砂巖儲層中鈉長石化和石英溶蝕現(xiàn)象普遍，鈉長石化多沿著鉀長石節(jié)理縫與鉀長石邊緣發(fā)生，鉀長石的鈉長石化與石英溶蝕表明成巖后期發(fā)育堿性的孔隙流體。同時，還見到含鐵白云石沿顆粒周圍呈櫛殼狀分布，表明沉積期生成的白云石在深埋階段的堿性、還原孔隙流體中轉(zhuǎn)化為鐵白云石（圖6）。此外，東營組砂巖中沸石膠結(jié)物含量較高，在碎屑顆粒間、火山巖屑氣孔內(nèi)都見到沸石，氣孔孔壁為綠泥石，中心為沸石（圖7a—f），表明綠泥石的沉淀比沸石要早，反映東營組沉積時期是一種富含鎂鐵質(zhì)的水介質(zhì)環(huán)境，明顯受到東營組沉積時期玄武巖噴發(fā)的影響。玄武巖中的鎂鐵質(zhì)溶解，形成富含鎂鐵質(zhì)的水介質(zhì)環(huán)境，有利于沸石的形成，廣泛發(fā)育的沸石呈板狀、柱狀充填粒間及火山巖屑氣孔中，使顆粒呈懸浮狀，增強了砂體的抗壓強度，也使得儲層中的原生孔隙得以最大程度保存。

新構(gòu)造運動以來，黃河口凹陷主力烴源巖進入大規(guī)模生排烴期，與烴類相伴生的有機酸流體沿活動斷裂、儲層進入地層水中，孔隙流體性質(zhì)發(fā)生變化，形成了酸性水介質(zhì)微環(huán)境，并促使長石、沸石等顆粒發(fā)生溶蝕（圖7g—i），有利于晚期次生孔隙的發(fā)育。整體而言，巖漿噴發(fā)背景下，古近系具有“早堿晚酸、酸堿共控”的復雜成巖場，有利于深部優(yōu)質(zhì)碎屑巖儲層的發(fā)育。

圖6 黃河口凹陷南部斜坡帶BZ34-X-A井古近系儲層石英溶蝕現(xiàn)象、鈉長石化和黏土膜成巖現(xiàn)象圖版

圖7 黃河口凹陷南部斜坡帶BZ34-X-A井古近系儲層中與玄武巖噴發(fā)相關的沸石成巖現(xiàn)象與沸石溶蝕孔圖版

4 斷裂活動與巖漿噴發(fā)的時空有序配置控制火山巖發(fā)育區(qū)的油氣差異富集

勘探證實，黃河口凹陷南部斜坡帶具有西部“深富淺貧”、東部“淺富深貧”的油氣富集特點，構(gòu)造區(qū)西部為巖漿噴發(fā)中心，斷裂雖晚期活動，但由于火山巖厚度大，油氣主要富集于深層；而東部由于巖漿活動較弱，火山巖厚度較小，且斷層晚期活躍，油氣主要富集于淺層。針對研究區(qū)裂隙式噴發(fā)的火山巖特殊構(gòu)造，通過分析火山巖的發(fā)育與斜坡帶斷裂活動、構(gòu)造形態(tài)對油氣成藏控制作用，認為斷裂活動與巖漿噴發(fā)的時空有序配置為火山巖發(fā)育區(qū)油氣富集提供了優(yōu)越的地質(zhì)條件。

4.1 脈動式巖漿噴發(fā)與幕式斷裂活動耦合控制古近系油氣富集

始新世—早中漸新世，巖漿噴發(fā)呈早弱晚強的脈動式，早期伸展作用強、巖漿作用弱，火山裂隙式噴發(fā)，展布局限，未大規(guī)模侵占沉積空間，研究區(qū)發(fā)育了大型辮狀河三角洲沉積。晚漸新世，伸展作用減弱，巖漿活動增強，呈大規(guī)模的中心式—裂隙式噴發(fā)，形成平面廣泛分布的溢流相火山巖蓋層，利于油氣的垂向保存；與此同時，火山活動后期巖漿在斷裂帶內(nèi)冷凝成巖，有力增強了斷層側(cè)向封堵能力[19]。隨著斷裂晚期的幕式活動，油氣不斷充注，最終形成高豐度油氣富集塊（圖8）。

圖8 黃河口凹陷南部斜坡帶油氣差異富集模式圖

4.2 火山巖“空白區(qū)”與運移斷層的有效配置控制淺層油氣富集

黃河口凹陷南部斜坡帶東二段—東一段發(fā)育了大規(guī)模的溢流相火成巖，廣泛發(fā)育的玄武巖可作為蓋層，運移斷層與其展布特征的有效配置決定了油氣的成藏層系。

研究區(qū)巖漿噴發(fā)中心區(qū)東一段、東二段火成巖厚度發(fā)育大（大于200m），同時分別向東西兩側(cè)減?。▓D9）。東側(cè)處于巖漿噴發(fā)邊緣區(qū)，其東營組火成巖發(fā)育規(guī)模小、厚度薄，火成巖體分散疊置，形成眾多的巖漿發(fā)育“空白區(qū)”，使得深部油源可以較容易地突破火成巖蓋層從而在新近系明下段成藏。同時，研究區(qū)晚期斷層活動性由西向東逐漸增強。東側(cè)控凹斷層在新近系控制了極淺水三角洲砂體的發(fā)育，并且深部溝通黃河口凹陷沙三段烴源巖，這種優(yōu)質(zhì)的源儲配置關系又疊加在火成巖空白區(qū)之上，故形成了東區(qū)淺層油氣富集成藏。

圖9 黃河口凹陷南部斜坡帶東一段、東二段火山巖厚度平面分布圖

5 火山巖發(fā)育區(qū)油氣勘探關鍵技術

5.1 基于火山機構(gòu)“三相”特征的空間定量刻畫技術

研究區(qū)火山巖空間發(fā)育不均衡，能量屏蔽作用強，空間速度變化快，地震資料品質(zhì)差，火山機構(gòu)三維定量刻畫是有利目標精細構(gòu)造解釋和成圖的重要基礎[20-25]。為此，首先通過展開研究區(qū)火成巖“巖性—測井特征—地震反射特征”三相特征分析，確定了玄武巖、凝灰?guī)r、輝綠巖、沉凝灰?guī)r和凝灰質(zhì)砂泥巖的速度密度特征，在精細標定基礎上明確了各類火成巖對應的地震反射特征。其次，以三相分析為基礎，充分利用屬性掃描、斷裂特征分析和已鉆井巖性統(tǒng)計，最終確定了該區(qū)巖漿噴發(fā)模式及火山巖相帶劃分。通過以地質(zhì)模式為指導，井震結(jié)合，進行多尺度理論模型正演，實現(xiàn)了分巖相、分巖性與多數(shù)據(jù)、多屬性、多維次針對巖漿活動期次及噴發(fā)模式的屬性宏觀描述，并針對火山通道相和溢流相進行屬性閾值的三維定量刻畫，進一步展示該區(qū)巖漿噴發(fā)模式和活動差異。最后，從有效儲層刻畫出發(fā)，對占據(jù)有效儲層空間的火山通道相進行多尺度、多參數(shù)的正演分析，確定“振幅—方差體地震屬性分級—拾取”刻畫火山巖的三維可視化新方法，在研究區(qū)共刻畫火山機構(gòu)11組，實現(xiàn)火山巖的定量化時空雕刻，為儲量計算提供了可靠依據(jù)（圖10）。

圖10 火山機構(gòu)空間定量刻畫立體顯示圖

5.2 火山巖發(fā)育區(qū)構(gòu)造校正成圖技術

局部分布的相對高速且不同累計厚度火成巖的存在，會使得其下伏地層地震反射同相軸在時間域中發(fā)生不同程度的上拉，造成原本連續(xù)的下伏地層同相軸發(fā)生扭曲、錯斷等假象，也可能造成原本不相連地層的地震同相軸相互交織在一起，增加了解釋難度[20-22，26-28]。針對研究區(qū)內(nèi)鉆井資料少、火成巖橫向變化快、單層厚度薄等特點，采用了基于地震疊加速度場的無井約束波阻抗反演技術，完成無井條件下的約束稀疏脈沖反演，得到全頻帶的絕對波阻抗數(shù)據(jù)，通過高通濾波，生成相對波阻抗數(shù)據(jù)用于各層系的火成巖刻畫，實現(xiàn)了火成巖累計厚度的定量描述。以微層狀楔狀模型為正演模型基礎，得到火成巖與下伏地層時間校正量關系式，并利用Backus等效介質(zhì)理論，獲得了利用圍巖替代火成巖的時深關系。利用最新的時深關系進行基礎的時深轉(zhuǎn)換后，再將火成巖影響疊加從而獲得較為準確的時深轉(zhuǎn)換成果，最終恢復了火成巖下構(gòu)造的真實面貌。與傳統(tǒng)常速成圖對比，該方法預測的深度誤差平均降低了46%（圖11）。

6 勘探實踐與啟示

圖11 黃河口凹陷南部斜坡帶渤中34-X構(gòu)造變速成圖效果對比

近年來，為了探索渤海南部火山巖發(fā)育區(qū)含油氣性，尋找新的油氣勘探接替陣地，針對制約新生界火山巖發(fā)育區(qū)的勘探難題，通過重點攻關火山巖發(fā)育區(qū)油氣成藏機理，圍繞黃河口凹陷南部斜坡帶持續(xù)開展勘探工作，累計鉆探井11口，探井成功率達100%，其中有3口探井獲得油氣層近百米，深淺層測試均獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)油氣流，最高日產(chǎn)油超過280m3，成功發(fā)現(xiàn)了渤中34-X油田，共新增三級石油地質(zhì)儲量超過8500×104m3，新增探明石油地質(zhì)儲量超過5000×104m3，為渤海油田“十三五”穩(wěn)產(chǎn)3000×104t提供了有力的儲量支持。同時，通過不斷勘探實踐與系統(tǒng)總結(jié)，總結(jié)出了渤海南部火山巖發(fā)育區(qū)多項創(chuàng)新地質(zhì)認識和勘探新技術，對其他類似火山巖復雜地區(qū)油氣勘探具有重要參考指導意義，也將會加快推動渤海南部其他火山巖發(fā)育區(qū)（如萊州灣凹陷墾利6構(gòu)造區(qū)、萊北低凸起墾利4-5構(gòu)造區(qū)）的勘探進程。

渤中34-X油田是近兩年中國近海發(fā)現(xiàn)的新生界火山巖區(qū)單體規(guī)模最大的優(yōu)質(zhì)油氣田。該油田的勘探成功開辟了渤海油田油氣勘探新領域，展現(xiàn)了渤?；鹕綆r發(fā)育區(qū)良好的勘探前景，證實了 “斷裂—巖漿”聯(lián)合控制油氣成藏機理及相關勘探技術在火山巖發(fā)育區(qū)勘探中的有效性和適用性。但鑒于海上油氣勘探高成本、高風險的特點，鉆井數(shù)量相比陸上油田數(shù)量較少，對火山巖體的精細刻畫主要基于地震資料預測、后續(xù)探井證實的井震結(jié)合方法，因此，資料樣本數(shù)據(jù)具有一定的局限性。另外，本研究基于井震結(jié)合與火山巖巖相帶劃分，對于區(qū)域范圍內(nèi)火山機構(gòu)預測和“斷裂—巖漿”聯(lián)合控藏已經(jīng)有了較為成熟的研究，但斷裂活動誘導與巖漿主動噴發(fā)的內(nèi)在驅(qū)動機制及控藏機理仍然需要進一步深入。