渤海灣盆地遼河坳陷房身泡組玄武巖儲(chǔ)層特征及油氣勘探潛力

王思琪，黃玉龍，馮玉輝，劉興周，韓 旭

(1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130061；2.沈陽師范大學(xué)古生物學(xué)院，遼寧 沈陽 110034；3.中國石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院，遼寧 盤錦 124010)

玄武巖作為地表分布最為廣泛的火山巖類，普遍發(fā)育的原生氣孔和冷凝收縮縫使其具備良好的儲(chǔ)滲能力。埋藏于地下淺層的玄武巖不僅可以存儲(chǔ)地下水及地?zé)豳Y源[1-2]，還可以為CO2溫室氣體的固化封存提供場所[3-4]。在全球已發(fā)現(xiàn)的與火山巖相關(guān)的油氣藏中，逾30%賦存在玄武巖中[5]，是占比最大的一種類型。在印度Deccan、澳大利亞Scott Reef、挪威北海等地區(qū)，以及中國的準(zhǔn)噶爾、松遼、渤海灣、四川、蘇北等盆地的玄武巖中均發(fā)現(xiàn)了工業(yè)性油氣藏[5-6]。渤海灣盆地遼河坳陷新生界火成巖分布廣泛，其中,房身泡組玄武巖分布規(guī)模最大，鉆井揭示最大厚度達(dá)1 402 m。近年來，于西部凹陷高升地區(qū)房身泡組玄武巖中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)良好的油氣顯示，高升地區(qū)房身泡組玄武巖與陳家洼陷直接對(duì)接，油源條件十分優(yōu)越，顯示出遼河坳陷房身泡組玄武巖具有良好的油氣勘探前景。盡管該區(qū)的勘探已經(jīng)取得了較好的苗頭，但在玄武巖儲(chǔ)層特征、控制因素與優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層分布規(guī)律等方面的研究與認(rèn)識(shí)存在不足，制約了深層油氣勘探的突破和規(guī)模儲(chǔ)量的落實(shí)。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)遼河坳陷位于渤海灣盆地東北角(圖1)，在大地構(gòu)造位置上處于華北板塊東北部，是一個(gè)在前中生代基地之上發(fā)育的中-新生代典型大陸裂谷盆地[7]。自古近紀(jì)(約65 Ma)以來，在太平洋板塊俯沖和印度板塊推壓的區(qū)域應(yīng)力場共同作用下，發(fā)生了多次構(gòu)造活動(dòng)，同時(shí)伴隨著多期強(qiáng)度不同的巖漿活動(dòng)，在區(qū)內(nèi)形成了與碎屑巖頻繁互層的多期中基性噴出巖[8]，同時(shí)局部發(fā)育順層或穿層的淺成侵入巖體[9]。勘探和研究證實(shí)，區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)與油氣成藏關(guān)系密切。自1971年在東部凹陷熱24井首次發(fā)現(xiàn)火山巖油氣藏以來，已陸續(xù)在熱河臺(tái)、歐利坨子、黃沙坨等油區(qū)沙河街組三段粗面巖中探明近5 000萬t原油地質(zhì)儲(chǔ)量。近年來，隨著油氣勘探和研究的不斷深入，于房身泡組(Ef)和沙河街組三段(E1s3)玄武巖中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)大量油氣顯示，并鉆獲工業(yè)油流，展現(xiàn)出良好的油氣勘探潛力。

圖1 遼河坳陷房身泡組玄武巖平面分布圖

Fig.1 Distribution of the basalts in Fangshenpao formation of Liaohe depression

玄武巖在遼河坳陷新生界地層中廣泛發(fā)育，分布范圍廣，累計(jì)厚度大?？v向上，在房身泡組、沙河街組、東營組至館陶組各個(gè)地層中均發(fā)育有不同規(guī)模的玄武巖；平面上，具有全區(qū)分布的特點(diǎn)，其中，房身泡組分布面積最廣，在東部、西部和大民屯凹陷均有發(fā)育(圖1)，沙河街組、東營組至館陶組玄武巖則主要發(fā)育在東部凹陷。在主成盆期沙河街組四段和三段沉積時(shí)期，大規(guī)模的拉張裂陷使得遼河坳陷快速沉積并產(chǎn)生了多個(gè)沉降-沉積中心，發(fā)育了大套厚層暗色泥巖，構(gòu)成區(qū)內(nèi)主要的烴源巖層系。與該套主力烴源巖層系相鄰的火山巖具備良好的烴源供給條件，其中，東部凹陷包裹于烴源巖內(nèi)部的沙河街組三段粗面巖已成為重要的產(chǎn)油層，而與烴源巖層相鄰的房身泡組玄武巖分布范圍更廣，其油氣勘探突破將進(jìn)一步拓展遼河坳陷深層油氣勘探領(lǐng)域。

2 房身泡組玄武巖巖性、巖相特征

2.1 玄武巖巖性

遼河坳陷房身泡組玄武巖可分為火山熔巖和火山碎屑巖兩大類，具體包括6種基本巖石類型，分別為致密玄武巖、氣孔-杏仁玄武巖、角礫化玄武巖、玄武質(zhì)凝灰?guī)r、玄武質(zhì)火山角礫巖和玄武質(zhì)集塊巖。

2.1.1 火山熔巖類

玄武巖為基性火山熔巖，SiO2含量45%～52%，由玄武質(zhì)巖漿自火山通道溢出后沿地表流動(dòng)并冷凝固結(jié)形成。房身泡組玄武巖多具斑狀結(jié)構(gòu)，基質(zhì)為間粒、間隱結(jié)構(gòu)。斑晶主要為基性斜長石、輝石和橄欖石，具塊狀構(gòu)造、氣孔-杏仁構(gòu)造，杏仁體主要為沸石、方解石、黏土礦物和硅質(zhì)等充填氣孔形成。根據(jù)其形成環(huán)境、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和儲(chǔ)層意義等，玄武巖可進(jìn)一步劃分為：①致密玄武巖，呈塊狀構(gòu)造，氣孔不發(fā)育，見有冷凝收縮縫和構(gòu)造縫，主要構(gòu)成流動(dòng)單元的內(nèi)部；②氣孔-杏仁玄武巖，發(fā)育氣孔-杏仁構(gòu)造，充填物類型和充填程度有不同差異，多分布于各個(gè)流動(dòng)單元的上部和底部；③角礫化玄武巖，呈角礫狀構(gòu)造，具有遇水淬火碎裂和因自身重力或熔巖體內(nèi)部膨脹導(dǎo)致的自碎裂兩種主要成因，多見于流動(dòng)單元的頂部。

2.1.2 火山碎屑巖類

由玄武質(zhì)巖漿經(jīng)爆發(fā)作用形成，具體包括玄武質(zhì)凝灰?guī)r、玄武質(zhì)火山角礫巖和玄武質(zhì)集塊巖。玄武質(zhì)凝灰?guī)r的碎屑物質(zhì)主要由粒徑<2.0 mm的晶屑、玻屑組成，含少量玄武巖巖屑和圍巖碎屑，火山灰膠結(jié)，具凝灰結(jié)構(gòu)，火山碎屑多呈尖棱角狀。玄武質(zhì)火山角礫巖，具火山角礫結(jié)構(gòu)，角礫成分以玄武巖為主，次棱角狀，粒徑3～8 mm，被玄武巖巖屑、斜長石晶屑以及火山灰膠結(jié)。玄武質(zhì)集塊巖，碎屑主要粒徑>64 mm，具火山集塊結(jié)構(gòu)，集塊主要為致密玄武巖和氣孔-杏仁玄武巖。

表1 玄武巖巖相分類及亞相特征

2.2 玄武巖巖相

遼河坳陷房身泡組玄武巖主要發(fā)育火山通道相、爆發(fā)相、溢流相和火山沉積相4類火山巖相、10類亞相(表1)。 依據(jù)54口井房身泡組總厚度8 658 m井段玄武巖巖相劃分及統(tǒng)計(jì)，顯示房身泡組主要發(fā)育溢流相(81.9%)，其次為火山沉積相(10.9%)和爆發(fā)相(7.2%)，已有鉆井對(duì)火山通道相揭示相對(duì)較少(<1.0%)。其中，溢流相以復(fù)合熔巖流亞相和板狀熔巖流亞相為主，分別占溢流相的56.9%和42.6%，而玻質(zhì)碎屑巖亞相僅占0.5%，反映房身泡組玄武巖噴發(fā)主體上為陸上環(huán)境。

縱向上，總體上呈現(xiàn)為爆發(fā)相→溢流相→火山沉積相的完整噴發(fā)序列，但由于房身泡組玄武巖溢流相占絕對(duì)優(yōu)勢，爆發(fā)相主要發(fā)育在噴發(fā)中心附近，因此，大部分鉆井揭示的是溢流相復(fù)合熔巖流亞相和板狀熔巖流亞相以不同比例的互層產(chǎn)出或交替出現(xiàn)，并且在噴發(fā)間歇期形成薄層風(fēng)化殼或火山沉積相。

平面上，巖相橫向變化總體上呈現(xiàn)為火山通道相/爆發(fā)相→溢流相→火山沉積相的變化規(guī)律。爆發(fā)相主要發(fā)育在這幾個(gè)火山口-近火山口相帶，厚度相對(duì)較大。溢流相厚度大、分布廣，具有全區(qū)分布的特點(diǎn)，總體上靠近噴發(fā)中心板狀熔巖流亞相發(fā)育厚度大、相對(duì)比例高，過渡相帶(斜坡部位)復(fù)合熔巖流亞相占優(yōu)勢。遠(yuǎn)火山口相帶總體上以板狀熔巖流亞相和火山沉積相發(fā)育為特征。

3 房身泡組玄武巖儲(chǔ)層發(fā)育特征

3.1 儲(chǔ)集空間

通過鉆井巖芯觀察和薄片鑒定，結(jié)合掃描電鏡等分析手段，總結(jié)出房身泡組玄武巖發(fā)育的4類8種儲(chǔ)集空間類型及其基本特征(表2)。其中，對(duì)儲(chǔ)層貢獻(xiàn)較大的有效孔隙主要為氣孔充填殘余-溶蝕孔、節(jié)理縫和構(gòu)造縫(圖2)，有效孔隙主要受氣孔-裂縫分帶性、蝕變充填作用、界面溶蝕改造作用、近斷裂構(gòu)造作用等因素控制。

表2 玄武巖儲(chǔ)集空間類型與特征

圖2 遼河坳陷房身泡組玄武巖孔隙發(fā)育特征及顯微照片

Fig.2 Characteristics of pore spaces in basalts of Fangshenpao formation in Liaohe depression

3.2 儲(chǔ)層物性

儲(chǔ)層孔滲測試結(jié)果顯示，房身泡組玄武巖孔隙度介于2.9%～21.8%之間(算術(shù)平均9.8%)，滲透率介于0.01～9.0×10-3μm2之間(幾何平均0.10×10-3μm2)，總體上為中-高孔、低滲儲(chǔ)層(圖3)。低孔低滲樣品巖心顯示為致密塊狀玄武巖，僅發(fā)育高角度節(jié)理縫。高孔隙度儲(chǔ)層集中發(fā)育在氣孔玄武巖、碎裂玄武巖和玄武質(zhì)火山角礫巖之中，高滲透率儲(chǔ)層主要與裂縫發(fā)育有關(guān)。

4 遼河坳陷房身泡組玄武巖含油性及油氣勘探潛力

圖3 遼河坳陷房身泡組玄武巖孔滲透與滲透率交會(huì)圖

Fig.3 Corssplots of porosity and permeability of basalts in Fangshenpao formation of Liaohe depression

油氣勘探實(shí)踐表明，遼河坳陷房身泡組玄武巖獲工業(yè)油流的鉆井主要分布在西部凹陷之中。巖芯觀察與錄井含油性分析顯示，房身泡組玄武巖含油性與巖相具有較好的相關(guān)性，含油性相對(duì)較好的巖相主要為溢流相復(fù)合熔巖流亞相和爆發(fā)相火山碎屑流亞相，含油級(jí)別以油斑、油跡為主，局部井段達(dá)到富含油級(jí)別。其中，L39井整體上為溢流相玄武巖，由兩套復(fù)合熔巖流夾一套板狀熔巖流組成，頂部發(fā)育薄層火山沉積相。頂部27 m厚度油斑顯示，對(duì)應(yīng)為氣孔發(fā)育的復(fù)合熔巖流亞相，巖芯觀察和薄片鑒定表明其儲(chǔ)集空間主要為氣孔充填殘余-溶蝕孔、收縮縫和隱爆縫。L110井整體上含油氣顯示較好，上部為一套由玄武質(zhì)火山角礫巖組成的火山碎屑流亞相，發(fā)育粒間孔、粒內(nèi)氣孔和隱爆縫。下部為溢流相板狀熔巖流亞相，相對(duì)致密，熔巖流動(dòng)單元頂?shù)捉缑娓浇惋@示較好。

此外，對(duì)鉆井含油性縱向分布位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，含油顯示段集中分布在房身泡組玄武巖頂面以下30 m的深度范圍之內(nèi)。結(jié)合儲(chǔ)層描述與微觀特征研究結(jié)果，房身泡組頂部玄武巖整體上原生氣孔和次生溶蝕孔隙均相對(duì)發(fā)育。同時(shí)，近斷裂處鉆井巖心顯示構(gòu)造裂縫普遍更為發(fā)育，相應(yīng)的儲(chǔ)層滲透性明顯提高。此外，房身泡組之上發(fā)育有沙河街組厚層泥巖，該套泥巖在區(qū)域內(nèi)分布穩(wěn)定，構(gòu)成主要的烴源巖層，不僅為房身泡組玄武巖頂部提供了“近源”成藏的優(yōu)勢，同時(shí)其生烴過程中排出的有機(jī)酸和CO2(進(jìn)一步形成碳酸)也為下伏房身泡組玄武巖中溶蝕孔隙的形成提供了酸性流體的主要來源。

綜上表明，遼河坳陷房身泡組玄武巖具備良好的儲(chǔ)層條件和“近源成藏”的優(yōu)勢，具有良好的油氣勘探潛力?？v向上，房身泡組玄武巖頂面以下30 m之內(nèi)為含油顯示的有利層段；平面上，溢流相復(fù)合熔巖流亞相和爆發(fā)相火山碎屑流亞相為油氣勘探的優(yōu)勢相帶，近斷裂處有利于儲(chǔ)層裂縫改造和后期成藏。

5 結(jié) 論

1) 遼河坳陷房身泡組玄武巖分為火山熔巖和火山碎屑巖兩大類，具體包括致密玄武巖、氣孔-杏仁玄武巖、角礫化玄武巖、玄武質(zhì)凝灰?guī)r、玄武質(zhì)火山角礫巖和玄武質(zhì)集塊巖。劃分和識(shí)別出4種巖相10種亞相，以溢流相復(fù)合熔巖流亞相和板狀熔巖流亞相為主，反映為陸上噴發(fā)就位環(huán)境。

2) 總結(jié)了玄武巖4類8種儲(chǔ)集空間類型、成因及特征，明確了有效孔隙主要為氣孔充填殘余-溶蝕孔、節(jié)理縫和構(gòu)造縫。玄武巖孔隙度介于2.9%～21.8%之間，滲透率介于0.01～9.0×10-3μm2之間，總體上為中-高孔、低滲儲(chǔ)層，氣孔-裂縫分帶性和界面溶蝕改造作用與儲(chǔ)層物性密切相關(guān)。

3) 房身泡組頂面以下30 m之內(nèi)為含油有利層段，溢流相復(fù)合熔巖流亞相和爆發(fā)相火山碎屑流亞相含油性相對(duì)較好，以油斑和油跡顯示為主，構(gòu)成房身泡組玄武巖油氣勘探的優(yōu)勢相帶，近斷裂處有利于儲(chǔ)層裂縫改造和后期成藏。