霸縣凹陷文安斜坡火成巖分布特征及成藏主控因素分析

楊瑩瑩, 程相振, 崔 剛, 王 征, 陳陽子, 武春艷

(中國石油華北油田分公司第一采油廠地質(zhì)研究所，中國石油華北油田分公司科技信息處，任丘 062552)

自1887年美國圣華金盆地首次鉆遇了火成巖油藏至今，全球火成巖油藏已經(jīng)歷3個重要階段，分別為早期發(fā)現(xiàn)階段、二期局部勘探階段以及三期大規(guī)模工業(yè)開采階段[1]。已發(fā)現(xiàn)火成巖油藏中不乏一些大型火山巖油氣藏。如日本吉井-東柏琦油氣田，巖石類型為斜長流紋巖、凝灰角礫巖，可采儲量為118×108m3[1-3]；印度尼西亞Jatibarang油田，巖石類型為安山巖、凝灰角礫巖，地質(zhì)儲量為1.64×108t[4-8]；美國Richland氣田，巖石類型為凝灰?guī)r，地質(zhì)儲量為399×108m3[4]。中國火成巖勘探已有60余年歷史[9]， 1957年在準(zhǔn)噶爾盆地首次發(fā)現(xiàn)火成巖氣藏[10-13]，之后主要在準(zhǔn)噶爾和渤海灣開展針對性的局部火成巖勘探。自2002年以來，中國火成巖油氣勘探進入了新的階段，陸續(xù)在松遼盆地、海拉爾盆地、渤海灣盆地、蘇北盆地、江漢盆地等發(fā)現(xiàn)了具有工業(yè)規(guī)模的火成巖油氣藏。對于火成巖油氣藏的研究手段也越來越成熟，廣至從其構(gòu)造背景下研究火山作用隨構(gòu)造演化而形成的火山響應(yīng)特征[14-17]，細至分析其巖石地化特征，根據(jù)特征值的響應(yīng)反推其所屬構(gòu)造環(huán)境以及年代和侵入時序[18-20]，研究區(qū)所屬渤海灣盆地內(nèi)發(fā)育的深大斷裂控制了火成巖的分布，在濟陽坳陷、東營凹陷、遼河坳陷、黃驊坳陷、冀中坳陷等地均發(fā)現(xiàn)火成巖油氣藏[21-25]。前人對于富油的濟陽、遼河、黃驊坳陷內(nèi)火成巖研究做了很多工作，但由于冀中坳陷內(nèi)巖漿活動規(guī)模小，火成巖發(fā)育分布不均，對坳陷內(nèi)次級構(gòu)造單元霸縣凹陷內(nèi)火成巖研究匱乏，僅運用測井-地震綜合識別模式刻畫火成巖的空間展布[26]，評價工作不夠細致，對火成巖成藏機制不明確，難以找到具工業(yè)性油流的油藏。研究區(qū)研究層位為火成巖，深度主要分布在2 900～4 000 m，因此研究主要依據(jù)火成巖巖石學(xué)、測井地質(zhì)解釋、地震勘探原理，首次研究其巖石地化特征，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造探討其發(fā)育特征及成藏機理，尋找隱蔽性較高的油氣藏。通過后期實鉆井的驗證，證明了在研究區(qū)北部優(yōu)勢發(fā)育火成巖側(cè)向遮擋型油氣藏，為在勘探成熟地區(qū)如何尋找油氣“甜點”提供借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

霸縣凹陷位于渤海灣盆地冀中凹陷東部，西鄰牛駝鎮(zhèn)凸起，向東過渡為文安斜坡，北接廊固凹陷、武清凹陷，南與饒陽凹陷相隔。凹陷走向為北東向，東西寬約70 km，南北長約80 km，勘探面積約5 600 km2[27](圖1)。文安斜坡是霸縣凹陷火成巖最發(fā)育的區(qū)域，北起信安鎮(zhèn)、南到郭家莊都有火成巖的分布[28]。

2 文安斜坡火成巖基本特征

2.1 火成巖化學(xué)特征

通過對區(qū)內(nèi)25口探井巖芯資料觀察、64片巖石和鑄體薄片鑒定，以及9件巖石化學(xué)分析資料進行統(tǒng)計分析，研究區(qū)火成巖樣品既有堿性系列，又有亞堿性系列(圖2[29])，亞堿性系列的火山巖根據(jù)FeO*/MgO-SiO2圖解，火山巖樣品應(yīng)屬于拉斑玄武巖(圖3[30])。

圖2 火山巖(K2O+Na2O)-SiO2圖(堿性與亞堿性分界線)[29]Fig.2 K2O+Na2O)-SiO2 diagram of maficvolcanicrocks(boundary of alkalescence and sub-alkalesence)[29]

圖3 火山巖FeO*/MgO-SiO2圖解(拉斑玄武巖與鈣堿性巖分界線)[30]Fig.3 FeO*/MgO-SiO2 diagram of mafic volcanic rocks(boundary of Tholeiite and calc-alkaline)[30]

2.2 火成巖巖石特征

火山巖相根據(jù)其噴發(fā)物形態(tài)和巖石特征可劃分為火山通道相、次火山巖相、侵入相、溢流相、爆發(fā)相及噴發(fā)相6項[31]。文安斜坡北起信安鎮(zhèn)、南到郭家莊都有火成巖的分布，認為區(qū)內(nèi)巖相主要有爆發(fā)相和溢流相，少部分地區(qū)發(fā)育火山侵入相，巖石類型以玄武巖為主，凝灰?guī)r次之，局部地區(qū)亦見少量輝綠巖。通過巖芯觀察，可知玄武巖主要表現(xiàn)為與泥巖順層接觸，輝綠巖表現(xiàn)為與粉砂巖傾斜接觸。①玄武巖以霸深2井3 568.0～3 578.9 m井段為代表，新鮮面上常呈灰色、灰綠色、灰黑色，顯微鏡下可見自形、板狀斜長石微晶，基質(zhì)為間隱-間粒結(jié)構(gòu)，礦物見輝石綠泥石化、蛇紋石化、碳酸鹽化，發(fā)育氣孔、溶蝕孔、微裂縫、杏仁構(gòu)造(圖4)；②凝灰?guī)r以文132井2 878.0～2 883.0 m井段為代表，新鮮面呈灰色、淺灰色、灰綠色，巖石成分可見晶屑、玻屑、巖屑及火山灰，發(fā)育氣孔及杏仁構(gòu)造；③輝綠巖以新家4井4 369.0～4 415.5.0 m井段為代表，新鮮面呈綠灰色，巖石成分主要為輝石、斜長石，見少量黃鐵礦，發(fā)育溶孔、微裂縫，多數(shù)裂縫被泥質(zhì)充填(表1)。

2.3 火成巖測井特征

火成巖與周圍沉積巖測井曲線響應(yīng)存在明顯的突變界面，研究區(qū)無論是玄武巖還是輝綠巖，和周圍沉積巖相比，在測井曲線上表現(xiàn)出的總體特征為低自然伽馬、低聲波時差及高電阻率。通過測井曲線的綜合分析，可以有效地識別出火成巖，但輝綠巖和玄武巖的自然伽馬都較低，小于50 API，二者較難區(qū)分；玄武巖的聲波時差為180～340 μs/m，略高于輝綠巖的聲波時差(140～260 μs/m)；玄武巖電阻率為0～60 Ω·m，而輝綠巖為0～500 Ω·m，輝綠巖R4變化較大，通過曲線與巖性相交會，對研究區(qū)內(nèi)50余口井測井曲線分布值進行劃分，確定了玄武巖、凝灰?guī)r以及輝綠巖的測井響應(yīng)區(qū)間(表2)。

2.4 火成巖的地震描述

火成巖的層速度一般可達到2 500～5 000 m/s，正常沉積巖的層速度一般為1 500～2 000 m/s，因此火成巖的層速度比正常沉積巖的層速度相對要高，但若火成巖遭受風(fēng)化或蝕變較強時，其頂?shù)捉缑娣瓷洳粡?，文安斜坡?nèi)帶火成巖主要分兩期發(fā)育，在三疊系造成火成巖的巖性縱向上劇烈變化，最早一期主要為凝灰質(zhì)火成巖，速度最低，約為2 100 m/s，晚期為高速玄武巖，約為4 500 m/s。地震響應(yīng)特征與火山噴發(fā)有關(guān)，研究區(qū)少量井見侵入相輝綠巖體，地震剖面上表現(xiàn)為低頻強振幅連續(xù)地震相，巖體形態(tài)不規(guī)則，多分布于斷層附近，且橫向延伸不遠，與圍巖界面不平行接觸；多井鉆遇溢流相和爆發(fā)相火成巖，地震剖面上表現(xiàn)為中低-中高頻、中強振幅、高連續(xù)性地震相巖體形態(tài)呈披覆狀，靠近斷層，橫向延伸較遠，與圍巖界面近平行接觸(圖5)。

表1 霸縣凹陷第三系火成巖巖相劃分與巖礦特征

表2 文安地區(qū)不同類型火成巖測井響應(yīng)特征值

GR為自然伽馬；COND為感應(yīng)電導(dǎo)率；R4為0.4 m電位圖5 霸縣凹陷文安斜坡某處地震與測井曲線對應(yīng)剖面Fig.5 Sesmic and logging curve of Wen’an slope in Baxian Depression

3 文安斜坡火成巖體的空間展布

3.1 火成巖縱向展布特征分析

火成巖在文安斜坡(圖6)縱向上厚度差異大，沙河街組沙一、沙二、沙三、沙四段均有分布，主要分布層位以沙三段為主，其次為沙河街組二段和一段。根據(jù)火成巖地震標(biāo)定、追蹤的結(jié)果，結(jié)合64口井鉆井資料完成了重點區(qū)帶火成巖厚度縱向展布圖，由火成巖厚度展布圖可以看出，火成巖厚度分布極不均勻，研究區(qū)中部蘇68、蘇36等井厚度較大，周邊蘇101、蘇23、文131、文77等井厚度明顯減薄(圖7)。

圖6 文安斜坡構(gòu)造簡圖Fig.6 Structure diagram of Wen'an Slope

3.2 火成巖平面展布特征分析

研究區(qū)火成巖發(fā)育受構(gòu)造活動控制，火成巖展布方向、集中發(fā)育期和分布遷移規(guī)律與區(qū)域斷裂體系特征具有一致性。切割基底的深大斷裂溝通深部巖漿源，和與其連通的次一級斷裂共同控制著火成巖的分布，火成巖往往分布于大斷裂附近或斷裂交匯部位，受斷陷期基底大斷裂的影響明顯[28]，火成巖展布方向和斷裂體系走向一致。

通過對重點區(qū)帶不同時代火成巖相展布特征進行研究，認為火成巖爆發(fā)的強度不大，火成巖先溢流后噴發(fā)，分布最廣的火成巖相為溢流相玄武巖，廣泛發(fā)育在不同地區(qū)的不同時代；爆發(fā)相主要分布在研究區(qū)北部，輝綠巖群于晚期侵入于不同時代巖層。與相鄰牛北斜坡、河西務(wù)地區(qū)相比，認為研究區(qū)是火成巖最發(fā)育的區(qū)域，在整個文安斜坡均有火成巖的分布(圖8)。

4 火成巖成藏主控因素分析

4.1 油源條件

烴源巖生烴強度介于1～50，該區(qū)雖然不在烴源區(qū)中，但文安斜坡西與霸縣洼槽及馬西—鄚州洼槽相鄰，緊鄰霸縣生烴凹陷(圖8)，火成巖具有近油源等條件，有利于火成巖成藏。文安斜坡向洼槽傾伏的鼻狀構(gòu)造帶以及呈雁行排列的北東向正斷層，且高角度斷層及不整合面發(fā)育，且有沙三段與沙四段之間的不整合面及沙一段與沙二段、沙二段與沙三段之間的平行不整合接觸關(guān)系，沙三段頂界面(T5)是巖體頂面；沙二段火成巖頂面也和沙二段頂界面(T4)重合；沙一段火成巖在縱向上接近于沙一段底界面(T4)。斷層及不整合面組成疏導(dǎo)體系與之生烴凹陷溝通，位于油氣運聚指向區(qū)。

4.2 儲層條件和油氣運移通道

火成巖儲層的形成、演化過程十分復(fù)雜，受火山作用、火山噴發(fā)環(huán)境、構(gòu)造作用、風(fēng)化淋蝕作用等諸多因素的控制，研究區(qū)火成巖主要受斷裂、不整合面及流體的影響。冀中坳陷火成巖主要分布于深大斷裂附近，具有韻律性、多期性。溢流玄武巖是玄武巖巖漿從裂縫中溢出，凝結(jié)形成薄層狀玄武巖。氣孔在玄武巖中的分布具有一定的規(guī)律:頂部氣孔最富集，且個體較大，中部氣孔較少或無氣孔，常呈致密巖石；底部氣孔數(shù)量中等，但明顯少于頂部。玄武巖多期次的噴發(fā)就形成了“氣孔玄武巖-致密玄武巖-氣孔玄武巖”，每次噴發(fā)均重復(fù)出現(xiàn)。據(jù)每期溢流玄武巖位于部位，分別劃分為上部亞相、中部亞相和下部亞相。一般上部亞相玄武巖氣孔、溶孔發(fā)育，中部亞相由塊狀致密玄武巖組成，下部亞相玄武巖可含少量氣孔和溶孔。另外不同期次溢流的玄武巖都存在噴發(fā)間斷，因此導(dǎo)致了相繼噴發(fā)的不同期次的玄武巖之間存在層間空隙。同時強烈而又多期次、多方向的構(gòu)造活動使火成巖體形成了許多裂縫，裂縫進一步將封閉的孔隙空間連通，優(yōu)化了火成巖儲層的儲集性能；研究區(qū)館陶組底與沙河街組底均存在不整合面，期間層段存在假整合，沿著不整合面風(fēng)化淋濾所形成的次生孔隙決定了溶蝕孔形成的規(guī)模；流體是次生孔隙形成的一個關(guān)鍵因素，沿層間或斷層-裂縫滲流帶進入火成巖體中，使礦物發(fā)生交代和溶解，形成溶蝕孔洞縫。

圖7 文安斜坡火成巖地層對比Fig.7 Strata correlation of igneous rock in Wen’an Slope

圖8 文安斜坡火成巖平面分布圖Fig.8 The distribution of igneous rock in Wen’an Slope

4.3 圈閉和保存條件

文安斜坡薄層火成巖發(fā)育，火成巖不均一性強、與泥巖互層。圈閉類型主要為巖性和構(gòu)造圈閉?；鸪蓭r成藏的最有利條件是火成巖附近有生油洼陷，位于生油巖系中或伏于生油巖系之下。冀中坳陷古近紀構(gòu)造沉降為斷陷期，新近紀-第四紀為坳陷階段。

古近紀火成巖儲集體形成時期為構(gòu)造活動強烈期和主要構(gòu)造形成期。構(gòu)造形成期與油氣運移期的配置關(guān)系良好，新近紀大量油氣運移聚集時期，構(gòu)造和巖漿活動相對弱，有利于火成巖油氣藏的保存，通過觀察研究區(qū)探井鉆遇火成巖內(nèi)油氣顯示情況，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)火成巖內(nèi)普遍充注油氣(表3)。

4.4 成藏模式

文安斜坡油氣藏發(fā)育，油藏埋深淺。與火成巖有關(guān)的油氣藏有3種，分別為埋藏溶蝕型、構(gòu)造裂縫型以及火成巖體側(cè)向遮擋型油氣藏。

4.4.1 埋藏溶蝕型

研究區(qū)火山巖噴發(fā)為多旋回、多期次，共劃分出2個旋回、5個亞旋回、16個期次，埋藏溶蝕型油氣藏主要發(fā)育在第1、2個亞旋回之間，構(gòu)造上與華北運動有關(guān)，位于華北運動Ⅰ幕與Ⅱ幕之間，上下遠離不整合面。該類油氣藏儲集空間為孔隙-裂縫型，孔隙主要以溶蝕孔隙為主，霸深2井在深度3 313.75～3 314.52 m處可見玄武巖碳酸鹽化氣孔、溶蝕孔、微裂縫，個別孔隙度可達23%以上。

4.4.2 構(gòu)造裂縫型

溝通深部巖漿源的深大斷層以及與其相連通的次一級斷層共同控制著火成巖的發(fā)育和分布，火成巖集中發(fā)育期和斷裂強烈活動時間一致，位于斷裂帶的附近或為斷層所貫穿，容易形成構(gòu)造裂縫型油氣藏，其儲集空間以構(gòu)造裂縫為主。裂縫為多種成因，且越靠近斷層裂縫越發(fā)育，如文132井在深度3 882.13～3 882.93 m縱向裂縫發(fā)育。

GR為自然伽馬；SP為自然電位；R25為2.5 m梯度測井電位圖10 連井綜合柱狀圖Fig.10 Integrated well histogram

4.4.3 火成巖側(cè)向遮擋型

位于沉積巖體的一側(cè)，火成巖與沉積巖對接，火成巖巖性較致密。作為側(cè)向遮擋的火成巖體，其形成應(yīng)在盆地內(nèi)主要油氣排放及運移期之前[32]。對蘇38井巖心觀察結(jié)果可知，沙二段玄武巖巖石較致密，為斑狀結(jié)構(gòu)，屬于致密塊狀玄武巖，為斷塊側(cè)向封堵提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，斷塊北部的蘇5、蘇27、蘇67等井在沙一、沙二段發(fā)育凝灰?guī)r以及大套火成巖，為斷塊側(cè)向封堵提供了有利條件。通過研究玄武巖分布、演化及組分對成藏影響，構(gòu)建了玄武巖側(cè)向遮擋模式(圖9)，在蘇39斷塊內(nèi)先后部署井位8口，8口井平均單井鉆遇I類油層22.8 m/6層，II類油層30.0 m/8層，其中砂體核心部位單井鉆遇油層厚，蘇39-1、39-9井平均單井鉆遇油層厚度56 m/18層，油水層+差油層厚度43.0 m/10層(圖10)，預(yù)計新增地質(zhì)儲量211萬t。

圖9 蘇39斷塊成藏模式圖Fig.9 Accumulation pattern diagram of Su 39

5 結(jié)論

(1)油氣顯示主要分布在溢流相玄武巖及次火山巖相輝綠巖中，玄武巖及輝綠巖是有利巖性巖相帶。

(2)研究區(qū)火成巖分布與構(gòu)造期次有關(guān)，發(fā)育具有普遍性，加之后期與之匹配的成巖作用、斷裂活動，火成巖層可作為儲層也可作為遮擋層。

(3)通過研究成藏過程，發(fā)現(xiàn)平面上位于生烴中心附近的井油氣顯示好，成藏條件優(yōu)越，火成巖中有油氣顯示的井多位于斷層上或斷層附近及不整合面附近，離斷層越近，含油氣性越好。

在老油田勘探后期，雖然勘探程度較高，但受制于傳統(tǒng)觀點，認為火成巖難以成藏的認識，忽略了火成巖重要地位，通過微觀與宏觀相結(jié)合，系統(tǒng)地研究火成巖的地質(zhì)特征，不僅認識到火成巖的潛力，也認識到火成巖與生油層配合，具有控制成藏的特性，基于此原理鉆探的多口井獲得工業(yè)油流甚至高產(chǎn)。