中基性巖系火山地層、架構(gòu)和儲(chǔ)層:松遼盆地埋藏古火山與長(zhǎng)白山現(xiàn)代火山對(duì)比研究

王璞珺,何凱倫,衣 健,王寒非,孫 松,陳海潮

(1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130061;2.坎特伯雷大學(xué)地球科學(xué)系,新西蘭基督城8041)

“油儲(chǔ)”國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“30年(1988—2018)地質(zhì)-地球物理綜合研究”大大促進(jìn)了松遼盆地火山巖油氣勘探開(kāi)發(fā)[1],2000年以來(lái),在松遼盆地白堊紀(jì)火山巖層序中發(fā)現(xiàn)了一系列大中型火山巖氣藏和油藏[2]。截止2009年,火山巖油氣勘探開(kāi)發(fā)主要集中在流紋巖等酸性巖類(lèi)[3]。2010年以來(lái),在松遼盆地北部安達(dá)斷陷營(yíng)城組和南部德惠斷陷火石嶺組的中基性火山巖中,實(shí)現(xiàn)了油氣發(fā)現(xiàn)和勘探突破[4]。長(zhǎng)期的勘探開(kāi)發(fā)和實(shí)踐研究表明,埋藏古火山與現(xiàn)代火山對(duì)比研究是揭示火山巖組合與分布規(guī)律的有效途徑[5]。長(zhǎng)白山地區(qū)出露的第四紀(jì)中基性火山巖系與松遼盆地白堊紀(jì)埋藏中基性火山巖系在火山架構(gòu)、火山地層和疊置方式以及氣孔杏仁等原生結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面存在諸多相似性,二者的對(duì)比研究對(duì)于揭示埋藏古火山和更好地認(rèn)識(shí)現(xiàn)代出露火山均具有重要的借鑒意義。出露火山能夠觀察到火山巖系的細(xì)節(jié),而埋藏古火山保留了多期噴發(fā)物相互疊置的時(shí)空組合關(guān)系。

松遼盆地下白堊統(tǒng)斷陷期充填主要為火山成因地層序列[6],其中營(yíng)城組火山巖為多中心、多期次噴發(fā)的產(chǎn)物,表現(xiàn)出典型的多期疊加復(fù)合火山機(jī)構(gòu)特征[7-10]?；鹕綑C(jī)構(gòu)為一定空間和時(shí)間范圍內(nèi),在火山通道及其附近形成的各種堆積物及其結(jié)構(gòu)構(gòu)造的總稱,按火山堆積物距離噴發(fā)源的相對(duì)遠(yuǎn)近可以分為中心相帶、中部相帶和遠(yuǎn)源相帶[3,11]。盆地內(nèi)的火山地層和火山機(jī)構(gòu)可以利用地震反射特征和測(cè)井曲線特征加以識(shí)別[12-14]?？碧胶蛯?shí)踐研究表明,可以作為良好儲(chǔ)層的盆地火山巖組合,主要見(jiàn)于復(fù)合火山機(jī)構(gòu)的中心相帶[15-17]。

長(zhǎng)白山地區(qū)火山活動(dòng)始于早第四紀(jì)早期,一直持續(xù)到現(xiàn)代[18],具有噴發(fā)歷時(shí)長(zhǎng)、噴發(fā)期次多、噴發(fā)中心不斷遷移的特征,屬于多期噴發(fā)形成的層狀復(fù)合型火山[19]。歷經(jīng)造盾、造錐和堿流質(zhì)火山碎屑等噴發(fā)階段[20],長(zhǎng)白山地區(qū)相繼發(fā)育了單源火山田、洪泛玄武巖田、熔巖盾火山、中心式火山和層狀復(fù)合火山5種火山架構(gòu),是全球近2000年以來(lái)規(guī)模最大、形成和保存最完整的以中基性巖為主的現(xiàn)代火山[21-22]?？紫抖雀哌_(dá)60%及以上的浮巖在長(zhǎng)白山地區(qū)分布面積大,單層厚度可達(dá)近百米。在2000年前后的火山巖油氣勘探早期,人們?cè)噲D在松遼盆地尋找浮巖儲(chǔ)層,但未獲成功[3]。最新研究表明,火山巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層主要出現(xiàn)在各個(gè)火山噴發(fā)期次之間的火山地層界面附近,但其形成機(jī)理尚有待進(jìn)一步研究[23]。

本文通過(guò)對(duì)松遼盆地中基性巖系埋藏古火山和火山巖儲(chǔ)層的典型解剖,并將其與長(zhǎng)白山地區(qū)出露的以中基性巖系為主的現(xiàn)代火山進(jìn)行對(duì)比,探索中基性火山巖系的火山地層、火山架構(gòu)以及火山地層界面發(fā)育規(guī)律及地震、測(cè)井響應(yīng)特征,進(jìn)而揭示火山巖儲(chǔ)層的發(fā)育規(guī)律及其地質(zhì)-地球物理識(shí)別標(biāo)志；重點(diǎn)探索浮巖的形成與保存規(guī)律以及火山地層界面控制火山巖有效儲(chǔ)層的地質(zhì)機(jī)理。

1 中基性火山巖系的巖性巖相和地球化學(xué)特征

松遼盆地徐家圍子斷陷下白堊統(tǒng)火山巖是火山巖儲(chǔ)層的集中發(fā)育區(qū),巖性為中基性到酸性火山巖;巖相主要為溢流相、爆發(fā)相和火山通道相,在北部安達(dá)地區(qū)見(jiàn)侵出相。XS1井是徐深氣田的天然氣發(fā)現(xiàn)井,以該區(qū)塊為例介紹火山巖的巖性巖相一般特征。該區(qū)火山巖巖性主要為流紋巖、流紋質(zhì)(晶屑/巖屑)凝灰熔巖、流紋質(zhì)晶屑(巖屑/玻屑)凝灰?guī)r等。其中,火山碎屑(熔)巖類(lèi)總量約占75%,可見(jiàn)本區(qū)火山作用方式以爆發(fā)和溢流等復(fù)合作用為主。厚層火山巖之間夾有少量沉積巖,約占4%,它們夾于火山旋回之間,是劃分火山旋回的重要標(biāo)志層。徐深區(qū)塊火山巖巖相特征為:以爆發(fā)相為主(66.2%),其次為噴溢相(25.8%),火山通道相、侵出相和火山沉積相所占比例較少。爆發(fā)相中,熱碎屑流亞相所占比例較大(57%),是本區(qū)最常見(jiàn)的火山巖亞相類(lèi)型。本區(qū)火山作用方式以爆炸式強(qiáng)烈噴發(fā)為主,噴發(fā)類(lèi)型通常為武爾卡諾式(Vulcanian)和培雷式(Pelean)噴發(fā)。鉆井資料顯示,酸性巖與中基性巖互層或側(cè)向疊置是火山巖系發(fā)育的普遍規(guī)律。例如徐東地區(qū)以廣泛發(fā)育酸性火山巖為特點(diǎn),但亦有多口鉆井揭示有玄武巖、安山巖和粗面巖等中基性火山巖發(fā)育。徐家圍子斷陷中基性火山巖主要見(jiàn)于安達(dá)-汪家屯地區(qū),該地區(qū)以廣泛發(fā)育中基性火山熔巖為特征。對(duì)徐家圍子斷陷53口井進(jìn)行了全井段火山巖巖性厚度統(tǒng)計(jì),結(jié)果顯示,該區(qū)酸性巖、中基性巖和沉火山碎屑巖都占一定比例(圖1a),巖相類(lèi)型除主體的噴溢相和爆發(fā)相外,亦見(jiàn)火山通道相和侵出相(圖1b)。

圖1 松遼盆地徐家圍子斷陷儲(chǔ)層火山巖巖性(a)和巖相(b)構(gòu)成

在松遼盆地,鉆遇深層火山巖序列的鉆井有200多口。將火山巖化學(xué)分析結(jié)果綜合起來(lái)繪制成TAS圖(圖2),可以看出松遼盆地深層火山巖地球化學(xué)成分類(lèi)型主要有9種,分屬于亞堿性和堿性兩個(gè)系列。亞堿性系列包括玄武巖(圖中數(shù)字標(biāo)號(hào)區(qū)為11,下同)、玄武安山巖(12)、安山巖(13)、英安巖(14)、流紋巖(15),以安山巖、英安巖、流紋巖居多;堿性系列包括粗面玄武巖(6)、玄武粗安巖(7)、粗安巖(8)、粗面巖(9),以玄武粗安巖、粗安巖、粗面巖居多。

圖2 火山巖TAS圖解(松遼盆地白堊紀(jì)火山巖與長(zhǎng)白山第四紀(jì)火山巖化學(xué)成分對(duì)比)

長(zhǎng)白山現(xiàn)代火山自2.56Ma以來(lái),經(jīng)歷了大約18期規(guī)模較大的火山噴發(fā),在火山巖地球化學(xué)成分上,構(gòu)成了完整的從玄武巖經(jīng)由粗面巖到堿性流紋巖的基性-中性偏堿性-酸性偏堿性的噴發(fā)旋回(圖3),巖相以溢流相為主[24]。從TAS圖(圖2)可以看出,長(zhǎng)白山火山巖巖石化學(xué)成分類(lèi)型主要有7種,分屬于亞堿性和堿性兩個(gè)系列,且堿性居多。亞堿性系列包括玄武巖(11)、玄武安山巖(12)、流紋巖(15);堿性系列包括粗面玄武巖(6)、玄武粗安巖(7)、粗安巖(8)、粗面巖(9),以粗面玄武巖、粗面巖居多。長(zhǎng)白山現(xiàn)代火山在火山地層和火山架構(gòu)上,經(jīng)歷了三期火山巖序列的建造,即玄武巖臺(tái)地(造臺(tái)期)、粗面巖盾狀凸起(造盾期)和黑曜巖-堿流巖穹窿(造錐期)。將長(zhǎng)白山火山巖地球化學(xué)分析結(jié)果投于圖2上,使其與松遼盆地埋藏古火山的對(duì)比更清晰,可見(jiàn)松遼盆地和長(zhǎng)白山地區(qū)火山巖從中基性至酸性皆有發(fā)育,但長(zhǎng)白山地區(qū)火山巖多屬于堿性系列,且中基性火山巖更發(fā)育,而松遼盆地火山巖多屬于亞堿性系列,且酸性火山巖更發(fā)育。

圖3 長(zhǎng)白山地區(qū)典型火山巖巖性剖面特征a 玄武巖;b 粗面巖;c 堿流巖;d 黑曜巖

2 中基性巖系火山地層和火山架構(gòu)

近年的火山巖油氣勘探揭示,松遼盆地不僅發(fā)育酸性巖儲(chǔ)層及其油氣藏,而且在松遼盆地北部安達(dá)斷陷和南部梨樹(shù)斷陷中基性火山巖中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層和高產(chǎn)油氣藏[25]。為了更好地揭示中基性巖系火山噴發(fā)規(guī)律和噴發(fā)物堆積序列特征,在松遼盆地東南緣火山巖露頭區(qū)實(shí)施了一口針對(duì)營(yíng)城組中基性火山巖內(nèi)幕的全取心鉆井(營(yíng)三D1井)。該井自地表向下深度為254m,整體上揭示了營(yíng)城組中基性巖系的火山巖地層序列(圖4a)。在此基礎(chǔ)上,依據(jù)巖性組合、巖相序列和火山地層界面可以將營(yíng)城組中基性火山巖系劃分為3個(gè)噴發(fā)旋回,由下而上依次為:旋回一,厚度約50m,巖性以流紋質(zhì)火山碎屑巖為主,夾凝灰質(zhì)砂巖、砂礫巖和透鏡狀流紋巖,巖相以爆發(fā)相為特征;旋回二,厚度約190m,巖性以玄武巖為主,發(fā)育氣孔構(gòu)造、塊狀構(gòu)造和隱爆角礫結(jié)構(gòu),大套玄武巖中間夾有薄層風(fēng)化殼和風(fēng)化產(chǎn)物構(gòu)成的含外碎屑沉積巖(厚度<1m),巖相以噴溢相為主,其次為火山通道相;旋回三,鉆井揭示厚度約16m,結(jié)合剖面出露部分累計(jì)總厚度約70m,下部巖性主要為流紋質(zhì)隱爆角礫巖,其次為含火山彈的流紋質(zhì)凝灰角礫巖,上部巖性為柱狀節(jié)理流紋巖,巖相主要為火山通道相、爆發(fā)相和侵出相?？傮w而言,營(yíng)城組三段由下而上呈現(xiàn)出酸性→基性→酸性的變化趨勢(shì),3個(gè)旋回之間的厚度比例約為1∶3∶1;其中,旋回二分布規(guī)模最大,以噴溢相玄武巖為特征,是構(gòu)成營(yíng)三段的主體(這也是長(zhǎng)期以來(lái)認(rèn)為營(yíng)城組三段主要為大套玄武巖的主要原因)。

圖4 松遼盆地(a)和長(zhǎng)白山(b)中基性巖系火山地層垂向序列典型特征

長(zhǎng)白山地區(qū)的火山噴發(fā)歷時(shí)較長(zhǎng),噴發(fā)期次多,噴發(fā)中心不斷遷移,噴發(fā)類(lèi)型和噴發(fā)強(qiáng)度在不斷變化,屬于多期噴發(fā)形成的層狀復(fù)合型火山[21]。該地區(qū)在花崗巖基底之上發(fā)育由塊狀玄武巖、洪泛玄武巖及柱狀節(jié)理玄武巖等多個(gè)火山地層單元構(gòu)成的大型洪泛玄武巖盾,厚度大于100m,由下而上依次為塊狀玄武巖、復(fù)成分角礫堆積、火山砂礫堆積、火山灰層及洪泛玄武巖組成的簡(jiǎn)單熔巖流和復(fù)合熔巖流(圖4b)。洪泛玄武巖主體呈現(xiàn)時(shí)代越新柱狀節(jié)理越規(guī)則的趨勢(shì)。長(zhǎng)白山地區(qū)火山巖組成了包括洪泛玄武巖、柱狀節(jié)理熔巖、渣狀熔巖、火山碎屑流沉積等共19種火山地層單元?；曰鹕絿姲l(fā)區(qū)常見(jiàn)的5種火山架構(gòu)(臺(tái)地初期的單源火山田、臺(tái)地期的洪泛玄武巖田、造盾期的熔巖盾火山、造錐期的中心式火山和從基性底座到酸性帽子整體架構(gòu)的層狀復(fù)合火山)在長(zhǎng)白山地區(qū)相繼發(fā)育[23]。對(duì)比松遼盆地埋藏火山巖系與長(zhǎng)白山中基性巖系火山地層垂向序列(圖4)可見(jiàn),松遼盆地埋藏古火山的火山地層序列中主要巖性界面為風(fēng)化殼和凝灰?guī)r夾層;而長(zhǎng)白山現(xiàn)代火山地層垂向序列中,各個(gè)期次火山噴發(fā)物之間除發(fā)育風(fēng)化殼和凝灰?guī)r夾層之外,還大量出現(xiàn)以花崗質(zhì)成分為主的砂礫堆積層,單層厚度數(shù)米到十余米,按照沉積成巖作用的一般原理,該類(lèi)松散層埋藏到盆地內(nèi)部后,相當(dāng)于中厚層狀的砂礫巖層。

火山機(jī)構(gòu)或火山架構(gòu)是火山噴出物的組合體,其內(nèi)部的疊置關(guān)系(層結(jié)構(gòu))由巖相決定,即火山機(jī)構(gòu)的內(nèi)部特征需要用巖相來(lái)描述和刻畫(huà)。換言之,火山機(jī)構(gòu)主要指火山巖體的外部形態(tài),而火山巖相及其組合和疊置關(guān)系是對(duì)火山巖體內(nèi)部構(gòu)成和變化規(guī)律的表征。因此,本次研究中提出火山機(jī)構(gòu)-巖相這一術(shù)語(yǔ),并以此為基礎(chǔ)刻畫(huà)火山巖儲(chǔ)層。首先按照火山機(jī)構(gòu)主體部分熔巖與碎屑(熔)巖組成的體積比例將迄今為止鉆探和野外露頭揭示的火山架構(gòu)劃分為3類(lèi):①碎屑巖火山機(jī)構(gòu)(火山碎屑巖和碎屑熔巖體積含量>70%);②熔巖火山機(jī)構(gòu)(熔巖體積含量>70%);③復(fù)合火山機(jī)構(gòu)(熔巖與火山碎屑巖以不同比例混合堆積)。然后根據(jù)火山機(jī)構(gòu)巖石的化學(xué)成分比例,將上述3類(lèi)火山機(jī)構(gòu)分別細(xì)劃為酸性(酸性巖含量≥50%)和中基性(酸性巖含量<50%)2型。最后,將各型火山機(jī)構(gòu)根據(jù)火山錐數(shù)目細(xì)分為無(wú)錐、單錐和多錐。通過(guò)巖性組成、成分和火山錐數(shù)目組合,將徐家圍子斷陷鉆井揭示與盆緣、長(zhǎng)白山野外剖面觀測(cè)的火山巖系組合體構(gòu)成的火山機(jī)構(gòu)劃分為16種(表1)。無(wú)論是松遼盆地內(nèi)鉆井、盆緣剖面,還是長(zhǎng)白山野外露頭剖面,觀測(cè)到的火山機(jī)構(gòu)都表現(xiàn)出以下特征:碎屑巖火山機(jī)構(gòu)以爆發(fā)相火山碎屑巖和碎屑熔巖為主,熔巖火山機(jī)構(gòu)以噴溢相熔巖為主,復(fù)合火山機(jī)構(gòu)則同時(shí)發(fā)育爆發(fā)相碎屑巖及噴溢相熔巖。

表1 火山機(jī)構(gòu)-巖性巖相-發(fā)育規(guī)模-儲(chǔ)集空間關(guān)系

3 盆地埋藏中基性火山巖系的測(cè)井和地震識(shí)別

本次研究將松遼盆地營(yíng)城組火山機(jī)構(gòu)劃分為酸性碎屑巖火山機(jī)構(gòu)、酸性熔巖火山機(jī)構(gòu)、酸性復(fù)合火山機(jī)構(gòu)、中基性熔巖火山機(jī)構(gòu)和中基性復(fù)合火山機(jī)構(gòu)5類(lèi)。下面概述各類(lèi)火山機(jī)構(gòu)的地質(zhì)、地震及測(cè)井特征。

1) 酸性熔巖火山機(jī)構(gòu)。該類(lèi)火山機(jī)構(gòu)以噴溢相酸性熔巖為主,常見(jiàn)流紋巖等,典型地震、測(cè)井特征見(jiàn)圖5。地震反射特征呈亞平行-波狀反射、中等頻率、強(qiáng)-中等振幅、好-差連續(xù)性的特點(diǎn)。自然伽馬(GR)曲線呈低幅齒化近平直形態(tài),伽馬值一般大于90API。深淺側(cè)向(LLD/LLS)曲線呈中低幅齒化近平直形態(tài)。聲波時(shí)差(AC)曲線呈微齒化平直形態(tài)。占火山機(jī)構(gòu)70%厚度的曲線符合上述特征時(shí),可識(shí)別為酸性熔巖火山機(jī)構(gòu)。

2) 酸性碎屑巖火山機(jī)構(gòu)。碎屑巖火山機(jī)構(gòu)以爆發(fā)相為主體,由流紋質(zhì)熔結(jié)角礫巖和流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r組成,典型地震、測(cè)井特征見(jiàn)圖6。地震反射特征呈平行反射、中等頻率、強(qiáng)振幅、連續(xù)性好的特點(diǎn)。自然伽馬(GR)曲線呈低幅齒化-高幅齒化不平直形態(tài),伽馬值一般大于90API。深淺側(cè)向(LLD/LLS)曲線呈微齒化-高幅齒化不平直形態(tài)。聲波時(shí)差(AC)曲線呈微齒化-高幅齒化不平直形態(tài)。占火山機(jī)構(gòu)70%厚度的曲線符合上述特征時(shí),可識(shí)別為酸性碎屑巖火山機(jī)構(gòu)。

3) 酸性復(fù)合火山機(jī)構(gòu)。該類(lèi)火山機(jī)構(gòu)以爆發(fā)相和噴溢相為主,巖性以酸性熔巖和火山碎屑(熔)巖疊置發(fā)育為特征,典型地震、測(cè)井特征見(jiàn)圖7。地震反射特征呈亞平行反射、中-低頻率、強(qiáng)-中等振幅、中等連續(xù)性的特點(diǎn)。自然伽馬(GR)曲線呈低幅齒化不平直形態(tài),伽馬值一般大于90API。深淺側(cè)向(LLD/LLS)曲線呈中高幅齒化指形-箱形形態(tài)。當(dāng)伽馬值大于90API,曲線特征不符合酸性熔巖和酸性碎屑巖火山類(lèi)型時(shí),可識(shí)別為酸性復(fù)合火山機(jī)構(gòu)。

4) 中基性熔巖火山機(jī)構(gòu)。該類(lèi)火山機(jī)構(gòu)以噴溢相中基性熔巖為主,常見(jiàn)氣孔-杏仁構(gòu)造玄武巖、安山巖和粗面巖,典型地震、測(cè)井特征見(jiàn)圖8。地震反射特征呈平行反射、高頻率、強(qiáng)振幅、連續(xù)性好的特點(diǎn)。自然伽馬(GR)曲線呈微齒化平直形態(tài),伽馬值一般小于90API。深淺側(cè)向(LLD/LLS)曲線呈低幅齒化平直形態(tài)。聲波時(shí)差(AC)曲線呈低幅齒化近平直形態(tài)。占火山機(jī)構(gòu)70%厚度的曲線符合上述特征時(shí),可識(shí)別為中基性熔巖火山機(jī)構(gòu)。

圖5 酸性熔巖火山機(jī)構(gòu)(XS23井)典型測(cè)井、地震響應(yīng)特征

圖6 酸性碎屑巖火山機(jī)構(gòu)(XS21-1井)典型測(cè)井、地震響應(yīng)特征

圖7 酸性復(fù)合火山機(jī)構(gòu)(XS21井)典型測(cè)井、地震響應(yīng)特征

圖8 中基性熔巖火山機(jī)構(gòu)(DS302井)典型測(cè)井、地震響應(yīng)特征

5) 中基性復(fù)合火山機(jī)構(gòu)。該類(lèi)火山機(jī)構(gòu)以爆發(fā)相和噴溢相為主,巖性以中基性熔巖和火山碎屑(熔)巖疊置發(fā)育為特征,典型地震、測(cè)井特征見(jiàn)圖9。地震反射特征呈平行-亞平行、中等頻率、強(qiáng)-中等振幅、好-中等連續(xù)性的特點(diǎn)。自然伽馬(GR)曲線呈低幅齒化反向箱形形態(tài)。深淺側(cè)向(LLD/LLS)曲線呈低幅齒化箱形形態(tài)。聲波時(shí)差(AC)曲線呈低幅齒化箱形形態(tài)。占火山機(jī)構(gòu)70%厚度的曲線符合上述特征時(shí),可識(shí)別為中基性復(fù)合火山機(jī)構(gòu)。

火山旋回是指火山巖的縱向序列關(guān)系,代表地質(zhì)時(shí)代先后順序噴出物的垂向疊置;而火山機(jī)構(gòu)是同源或準(zhǔn)同源噴出物堆積體的空間展布。即,前者側(cè)重時(shí)間關(guān)系,后者側(cè)重空間關(guān)系。因此,對(duì)某個(gè)區(qū)塊(一定空間單元)、某一火山巖旋回(一定時(shí)間跨度)而言,不同類(lèi)型的火山機(jī)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)重疊。火山巖噴發(fā)主要依據(jù)巖性變化、巖相序列、沉積夾層、測(cè)井曲線變化、地震相特征[26]來(lái)劃分旋回期次。以安達(dá)-汪家屯地區(qū)DS1井為例(圖10):旋回一為爆發(fā)相與火山沉積相的酸性火山碎屑巖和沉火山碎屑巖旋回,地震反射特征呈席狀、平行-亞平行、中等頻率、強(qiáng)-中等振幅、中等連續(xù)性的特點(diǎn);自然伽馬曲線呈低幅齒化-高幅齒化不平直形態(tài)、伽馬值一般大于90API,深淺側(cè)向、聲波時(shí)差曲線呈微齒化-高幅齒化不平直形態(tài);分為兩個(gè)期次,1期為爆發(fā)相凝灰?guī)r和火山沉積相沉火山角礫巖互層,2期為爆發(fā)相凝灰?guī)r(下部)和火山沉積相沉火山角礫巖及凝灰?guī)r(上部)。旋回二為噴溢相中基性巖旋回,地震反射特征呈席狀、平行-亞平行、高-中頻率、強(qiáng)振幅、連續(xù)性好的特點(diǎn);自然伽馬曲線呈低幅齒化近平直形態(tài)、伽馬值一般小于90API,深淺側(cè)向、聲波時(shí)差曲線呈低幅齒化近平直形態(tài);分為兩個(gè)期次,1期為噴溢相玄武巖夾凝灰?guī)r,2期為噴溢相粗安巖。旋回三為以爆發(fā)相和噴溢相為主的酸性火山碎屑巖夾中基性巖旋回,地震反射特征呈楔狀、平行-亞平行、高-中頻率、強(qiáng)-中等振幅、中等連續(xù)性的特點(diǎn);自然伽馬曲線呈低幅齒化反向箱形形態(tài),深淺側(cè)向、聲波時(shí)差曲線呈低幅齒化箱形形態(tài);分為兩個(gè)期次,1期為爆發(fā)相凝灰?guī)r(下部)和噴溢相安山巖與爆發(fā)相凝灰?guī)r互層(上部),2期為噴溢相玄武巖與爆發(fā)相凝灰?guī)r互層,中間夾噴溢相與火山沉積相的沉凝灰?guī)r。旋回一和旋回二通過(guò)旋回一頂部的火山沉積相地層劃分,旋回二和旋回三通過(guò)中間火山噴發(fā)間歇期的沉積巖夾層劃分。

圖9 中基性復(fù)合火山機(jī)構(gòu)(DS1井)典型測(cè)井、地震響應(yīng)特征

目前開(kāi)展盆地火山巖地層和火山旋回劃分對(duì)比的基本原則是:組內(nèi)劃段、段內(nèi)劃分旋回、同一旋回在區(qū)域內(nèi)可對(duì)比、同源火山形成的同一旋回內(nèi)部劃分的期次可對(duì)比?，F(xiàn)以松遼盆地北部徐家圍子斷陷為例說(shuō)明復(fù)合型火山機(jī)構(gòu)的地震識(shí)別與刻畫(huà)。本區(qū)XS13井和XS13-1井相距約1100m,均發(fā)育營(yíng)城組一段旋回二和旋回三,其中旋回二包含4個(gè)期次,旋回三僅包含1個(gè)期次,各期次內(nèi)部巖性組合、巖相序列和測(cè)井曲線變化特征都可以很好地進(jìn)行對(duì)比(圖11)。旋回二為中基性火山巖與火山碎屑巖旋回,地震相特征為席狀、平行-亞平行、中等頻率、強(qiáng)振幅、連續(xù)性好的特點(diǎn);自然伽馬曲線呈中低幅齒化反向箱形形態(tài)、伽馬值較小,深淺側(cè)向、聲波時(shí)差曲線呈中-高幅齒化不平直形態(tài)。該火山旋回分為4個(gè)期次,1期為沉火山碎屑巖,2期XS13井為中基性巖和酸性火山碎屑巖,而XS13-1井為沉積巖及角礫巖,3期為熔結(jié)凝灰?guī)r和凝灰熔巖,4期為基性火山巖和角礫巖,不同期次之間的地震相與測(cè)井曲線特征不同,期次界面處存在突變點(diǎn)。旋回三為酸性火山巖旋回,地震相特征為席狀、亞平行、中等頻率、強(qiáng)振幅、連續(xù)性好的特點(diǎn);自然伽馬曲線呈低幅齒化近平直形態(tài)、伽馬值中等,深淺側(cè)向、聲波時(shí)差曲線呈中-低幅齒化近平直形態(tài)。相應(yīng)地,在連井地震剖面上,也可以實(shí)現(xiàn)旋回和期次的劃分和對(duì)比。從圖11可以看出,旋回二與旋回三之間呈不整合接觸,主要是由于兩個(gè)旋回之間的巖性差異所造成的巖層產(chǎn)狀不一致而形成的噴發(fā)不整合界面(旋回二巖性為中基性熔巖與酸性火山碎屑巖互層、產(chǎn)狀內(nèi)傾,旋回三巖性為酸性火山巖、產(chǎn)狀外傾)。

圖10 安達(dá)斷陷營(yíng)城組三段中基性巖系火山巖巖石類(lèi)型-測(cè)井曲線-地震反射特征對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖11 XS13—XS13-1井區(qū)營(yíng)城組一段中基性巖系地震-測(cè)井特征

4 討論

4.1 火山巖原生屬性與儲(chǔ)層關(guān)系

火山巖原生屬性是指火山噴發(fā)物形成和就位過(guò)程中產(chǎn)生和保留下來(lái)的地質(zhì)屬性,主要包括火山巖的巖性巖相、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、火山地層單元、界面和疊置關(guān)系等。在徐家圍子地區(qū),包括徐東和安達(dá)-汪家屯地區(qū),火山巖有效儲(chǔ)層及其含氣性都與火山巖旋回有顯著相關(guān)性,說(shuō)明火山旋回與有效儲(chǔ)層及其含氣性之間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系。本節(jié)重點(diǎn)討論火山地層界面對(duì)火山巖有效儲(chǔ)層的控制作用和火山巖的巖性巖相與儲(chǔ)集空間構(gòu)成的關(guān)系。

4.1.1 火山旋回與儲(chǔ)層對(duì)應(yīng)關(guān)系(火山地層界面控儲(chǔ))

在徐東地區(qū),綜合解釋的有效儲(chǔ)層統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,營(yíng)城組一段旋回二的旋回頂部?jī)?chǔ)層最為發(fā)育,旋回中部次之,旋回下部?jī)?chǔ)層發(fā)育相對(duì)較差。試氣結(jié)果顯示,營(yíng)城組一段旋回三的旋回頂部含氣性最好,是主要的產(chǎn)氣層位,旋回中部次之,旋回下部含氣性最差(圖12a)。

在安達(dá)-汪家屯地區(qū),綜合解釋的有效儲(chǔ)層統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,各類(lèi)有效儲(chǔ)層主要分布在營(yíng)城組三段的旋回頂部和旋回中部,其中,旋回頂部好于旋回中部且氣層數(shù)量較多,而旋回中部中-差氣層發(fā)育較多;旋回下部揭示鉆井少,基本都是干層。試氣結(jié)果顯示,試氣產(chǎn)能全部集中在營(yíng)城組三段旋回二的旋回頂部和旋回中部,旋回頂部試氣產(chǎn)能總量和單井平均產(chǎn)能都高于旋回中部。氣層主要發(fā)育在營(yíng)三段旋回三的旋回頂部(流紋巖)和旋回中部(玄武巖和粗面巖),旋回底部未見(jiàn)氣層(圖12b)。

圖12 徐東地區(qū)營(yíng)城組一段(a)與安達(dá)-汪家屯地區(qū)營(yíng)城組三段(b)試氣產(chǎn)能與旋回對(duì)應(yīng)關(guān)系

4.1.2 巖性巖相對(duì)原生儲(chǔ)集空間的控制作用

火山巖巖性、巖相共同決定了火山巖儲(chǔ)集空間類(lèi)型、組合和發(fā)育程度,從而控制著火山巖的儲(chǔ)集性能。結(jié)合旋回研究結(jié)果,可知松遼盆地有效儲(chǔ)層發(fā)育的最有利層段是營(yíng)城組一段旋回三和營(yíng)城組三段旋回三,它們包括從流紋巖到玄武巖的各種地化成分,從熔巖到碎屑巖的各種結(jié)構(gòu)類(lèi)型。由巖性巖相與儲(chǔ)集空間關(guān)系研究結(jié)果可知,無(wú)論何種巖性,有效儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間均以原生氣孔發(fā)育為特征,而且其巖石骨架要足夠堅(jiān)硬,以便原生孔隙在深埋條件下得以保存,較之碎屑巖成為深層較好的儲(chǔ)層;而(熔結(jié))凝灰?guī)r和火山碎屑巖類(lèi)壓實(shí)成巖作用明顯,其儲(chǔ)集空間則以次生溶蝕孔隙為主,成巖后期的溶蝕作用通常是決定這類(lèi)火山巖能否成為有利儲(chǔ)層的關(guān)鍵因素,在次生溶蝕較為適度的條件下可以形成較好儲(chǔ)層(圖13a)。

4.2 火山巖次生屬性與儲(chǔ)層關(guān)系

需要指出的是,原生孔縫通常是彼此不連通的,因此,只憑原生孔縫通常不能夠成為有效儲(chǔ)層,后期改造作用是形成有效儲(chǔ)層的必要條件。研究認(rèn)為,次生過(guò)程主要包括構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與流體蝕變、改造作用,兩種改造作用都趨向于在旋回上部或頂部形成有利儲(chǔ)層。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是本區(qū)儲(chǔ)層改造作用的最重要的宏觀因素。地震解釋成果顯示,在營(yíng)一段末期,南北向、北北東向的逆斷層持續(xù)活動(dòng),可見(jiàn)強(qiáng)度不等的逆沖活動(dòng),斷層位移量大,局部形成營(yíng)一段和營(yíng)二段之間的微角度不整合接觸。在營(yíng)三段沉積之后又發(fā)生擠壓逆沖作用,部分南北向、北北東向的逆斷層繼續(xù)活動(dòng),形成斷展褶皺。因此,頂部旋回受構(gòu)造活動(dòng)影響較大,斷裂帶附近是尋找火山巖油氣藏的有利區(qū)帶;同時(shí),后期的構(gòu)造作用導(dǎo)致儲(chǔ)層形成大量不同規(guī)模的節(jié)理縫和裂隙,在構(gòu)成儲(chǔ)集空間的同時(shí),加強(qiáng)了各類(lèi)孔隙之間的連通性,提高了儲(chǔ)集性能(圖13b)。這可能是松遼盆地有效儲(chǔ)層多見(jiàn)于旋回頂部的主要原因。

流體蝕變作用是儲(chǔ)層微觀改造的主要地質(zhì)營(yíng)力。流體可來(lái)自表層風(fēng)化淋濾,也可來(lái)自地下流體或巖漿期后的熱液作用,但以風(fēng)化淋濾為主。火山噴發(fā)旋回的末期,火山活動(dòng)逐漸減弱并進(jìn)入間歇期,在此后較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),火山巖地層一直出露地表遭受風(fēng)化淋濾和剝蝕改造。這種作用主要發(fā)生在火山巖序列旋回頂部,因?yàn)榛鹕絿姲l(fā)末期或火山噴發(fā)間歇期形成的不整合面和沉積間斷面是流體運(yùn)移的有利通道,即使在后期埋藏條件下,旋回頂部也容易成為流體活躍帶。后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、流體溶蝕作用、風(fēng)化淋濾是相互促進(jìn)的,相互作用的結(jié)果往往促使火山巖儲(chǔ)層孔隙和裂縫進(jìn)一步增大(圖13c)。

圖13 松遼盆地中基性火山巖儲(chǔ)集空間類(lèi)型及其組合a 玄武巖鑄體薄片照片(單偏光),原生氣孔、基質(zhì)溶蝕孔,孔隙之間有裂縫連通;b 粗面巖巖心照片,兩組裂縫近垂直相交,原生節(jié)理縫被后期構(gòu)造裂縫切割;c 粗面巖鑄體薄片照片(單偏光),角礫間縫隙被溶蝕擴(kuò)大,在裂縫交叉部位形成溶蝕孔洞

4.3 埋藏古火山與現(xiàn)代火山對(duì)比所揭示的儲(chǔ)層發(fā)育規(guī)律

4.3.1 多孔浮巖的形成與保存和改造

浮巖是指密度小于1g/cm3能夠在水中漂浮的多孔火山巖,通常以中基性火山巖為主,堿流巖等酸性偏堿性巖類(lèi)也很常見(jiàn)。在火山巖中,浮巖的氣孔發(fā)育,通過(guò)原生或次生微裂縫聯(lián)通能夠成為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。然而,多年勘探實(shí)踐表明,在松遼盆地深層埋藏火山中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)浮巖類(lèi)儲(chǔ)層。我們通過(guò)松遼盆地埋藏古火山與長(zhǎng)白山現(xiàn)代火山形成與改造的異同點(diǎn)對(duì)比,認(rèn)為浮巖類(lèi)在松遼盆地和長(zhǎng)白山地區(qū)原始噴發(fā)和初始形成時(shí)都應(yīng)該大量發(fā)育。然而,浮巖通常發(fā)育于火山旋回的頂部,在后期改造中最先遭受剝蝕、不易保存;又因其氣孔特別發(fā)育,孔隙度特別大,巖石抗壓性弱,被埋藏后經(jīng)歷明顯的壓實(shí)成巖和再膠結(jié)作用。換言之,松遼盆地即便在原始噴發(fā)期有浮巖形成并被埋藏在盆地中,也會(huì)在后期持續(xù)強(qiáng)烈的深埋壓實(shí)作用下失去原始孔隙。意即,浮巖在松遼盆地和長(zhǎng)白山中基性火山巖原始噴發(fā)期都有發(fā)育,但松遼盆地中的浮巖由于旋回頂部遭受剝蝕且易在深埋壓實(shí)成巖作用下難以保存,因此浮巖在松遼盆地埋藏古火山中很少見(jiàn)到,而在長(zhǎng)白山地區(qū)大量發(fā)育。

4.3.2 火山地層界面控儲(chǔ)機(jī)理探討

從油氣產(chǎn)能與火山地層位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系看,無(wú)論營(yíng)城組下部的營(yíng)一段火山巖還是上部的營(yíng)三段火山巖,有效儲(chǔ)層發(fā)育位置主要出現(xiàn)在火山地層界面附近,尤其集中在各期火山噴發(fā)旋回的頂部。對(duì)于火山巖儲(chǔ)層來(lái)講,孔隙發(fā)育程度與風(fēng)化淋濾作用密切相關(guān)?；鹕叫仨敳匡L(fēng)化帶暴露時(shí)間長(zhǎng),受風(fēng)化淋濾作用改造強(qiáng)烈,易產(chǎn)生溶蝕孔縫,從而改善孔隙和裂縫之間的連通性,易形成有效火山巖儲(chǔ)層?；鹕叫睾偷貙咏缑婵貎?chǔ)機(jī)制除火山旋回頂部的風(fēng)化殼外,還有砂礫質(zhì)堆積物構(gòu)成的松散層,這一特征在長(zhǎng)白山現(xiàn)代火山垂向地層序列中有很清楚的表現(xiàn)(圖4b)。在火山間歇期,由于新生的火山建造改變了原來(lái)的地貌特點(diǎn),使得原有的從源到匯的剝蝕-搬運(yùn)-沉積平衡關(guān)系被打破,在建立新的源-匯平衡關(guān)系過(guò)程中,必然要在兩期噴發(fā)的火山地層之間形成一套近源的沉積層,一般為松散的砂礫巖堆積層。而后一次的火山活動(dòng)形成的火山堆積物會(huì)快速覆蓋在該套沉積松散層之上,起到一定的上覆保護(hù)層作用,使得火山噴發(fā)期次間的這些松散層得以長(zhǎng)期保存。

5 結(jié)論

松遼盆地徐家圍子斷陷集中發(fā)育火山巖儲(chǔ)層,其中酸性巖、中基性巖和火山碎屑巖都占一定比例,巖相類(lèi)型以噴溢相為主,其次是爆發(fā)相。松遼盆地和長(zhǎng)白山地區(qū)都廣泛發(fā)育多種巖相的各類(lèi)火山巖,其中松遼盆地以溢流相、爆發(fā)相和火山通道相為主,巖性從酸性到基性均有。而長(zhǎng)白山地區(qū)主要發(fā)育以溢流相和爆發(fā)相為主的巖相組合,巖性以中基性巖及堿性巖為主。

松遼盆地營(yíng)城組三段可劃分為三個(gè)旋回,由下而上呈現(xiàn)酸性→基性→酸性的變化,以中基性巖為主;火山地層界面為風(fēng)化殼及凝灰?guī)r夾層。長(zhǎng)白山地區(qū)在花崗巖基底之上發(fā)育由玄武巖→粗面巖→堿流巖構(gòu)成的以中基性巖為主的火山噴發(fā)序列,在各個(gè)期次之間普遍出現(xiàn)由未膠結(jié)的砂礫質(zhì)松散堆積物構(gòu)成的夾層(松散層)。這些松散層是火山噴發(fā)間歇期火山地貌受外動(dòng)力地質(zhì)作用改造、各種粒度和成分的沉積物近源堆積的結(jié)果。

松遼盆地火山巖油氣勘探中,“界面控儲(chǔ)”是儲(chǔ)層發(fā)育的普遍規(guī)律,即優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層多出現(xiàn)在火山地層界面附近。松遼盆地與長(zhǎng)白山對(duì)比研究表明,界面控儲(chǔ)與松散層密切相關(guān)。松遼盆地白堊紀(jì)火山巖系在長(zhǎng)期的形成演化過(guò)程中(150～105Ma),各噴發(fā)期次之間不僅有松散層,還發(fā)育有一系列風(fēng)化剝蝕面,因此推測(cè)松散層及其附近的風(fēng)化面是火山地層界面控儲(chǔ)的地質(zhì)成因。同時(shí),這些地層的高孔滲段也是火山巖有效儲(chǔ)層的有利發(fā)育部位。