四川盆地永探1井火山巖地質(zhì)建模及數(shù)值模擬

熊曉軍, 童 浩, 張本健, 楊 華, 楊 訊, 王宇峰, 孫志昀

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059；2.中國石油西南油氣田公司 勘探開發(fā)研究院，成都 610041；3.中國石油西南油氣田公司 川西北氣礦，四川 江油 621741)

近十年來，中國火山巖地區(qū)接連發(fā)現(xiàn)大規(guī)模天然氣儲層，火山巖儲層越發(fā)吸引學(xué)者關(guān)注[1-3]。永探1井是四川盆地簡陽地區(qū)二疊系火山碎屑巖氣藏的首口工業(yè)氣井，該井首次發(fā)現(xiàn)了火山碎屑巖氣藏，拓展了天然氣勘探的領(lǐng)域[4]。

火山巖地質(zhì)建模受控于火山巖噴發(fā)模式的多樣性和復(fù)雜性，是火山巖勘探中的難點(diǎn)問題。此外，四川盆地已鉆遇的火山巖地層的噴發(fā)模式具有典型的多樣性，如張成江等[5]通過研究峨眉山玄武巖，將之分為3個噴發(fā)期次和9個溢流期次；田景春等[6]將峨眉山玄武巖分為10～11個旋回；陸建林等[7]將永勝1井區(qū)火山巖劃分為3個旋回和1個侵入巖段；陳輝等[8]將永勝1井區(qū)火山巖劃分為16個韻律和3個旋回。

目前對于火山巖地層的數(shù)值模擬研究，主要集中在僅依靠地震相方面，如尹志軍等[9]基于地震相分析的火山巖巖相剖面結(jié)構(gòu)。筆者考慮到火山巖建模具有多樣性，因此綜合火山巖的噴發(fā)期次、地震反演、裂隙預(yù)測來加以限制，使建立的模型具有實(shí)際的地質(zhì)意義。本文通過正演模擬分析火山巖地層呈丘狀雜亂反射的成因，為后續(xù)火山巖數(shù)值模擬提供參考。

1 永探1井火山巖噴發(fā)模式

1.1 巖性

永探1井二疊系火山巖的巖性如圖1所示，自上而下分別是杏仁狀玄武巖、火山角礫熔巖、含灰質(zhì)火山角礫熔巖、粒玄巖和輝綠玢巖。杏仁狀玄武巖屬于溢流相，由巖漿快速冷凝而成，其中的氣孔被綠泥石、碳酸鹽礦物、長英質(zhì)礦物充填形成杏仁體，物性為高密度、高速度；火山碎屑巖包括火山角礫熔巖和含灰質(zhì)角礫熔巖，屬于爆發(fā)相，火山角礫巖為巖漿冷凝膠結(jié)為主，物性為中低速度、中低密度、角礫狀構(gòu)造；含灰質(zhì)火山角礫熔巖主要成因?yàn)閴簩?shí)作用，次要成因?yàn)槔淠饔?，隱晶結(jié)構(gòu)占主體，物性為低速度、低密度；粒玄巖屬于火山通道相，其形成方式為熔漿冷卻，由于冷卻較慢，所以粒玄巖的結(jié)晶程度較高，粒玄巖為全晶質(zhì)，塊狀構(gòu)造，高角度縫內(nèi)填充綠泥石，物性為高速度、高密度；輝綠玢巖同屬火山通道相，巖漿緩慢冷凝而成，輝綠結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，物性為高速度、高密度。

圖1 永探1井巖相柱狀圖Fig.1 Lithofacies histogram of Well Yongtan 1

1.2 噴發(fā)模式

永探1井火山巖在縱向上的巖相清晰、連續(xù)發(fā)育。根據(jù)噴發(fā)強(qiáng)度、巖相等可以將其分為4個期次，這4個期次又可分為兩大類。前兩期次爆發(fā)強(qiáng)烈，后兩期次能量減弱，并且以侵入為主。分類證據(jù)為：前兩個期次噴發(fā)都帶有大量茅口組灰?guī)r形成的角礫，但是后兩期次并未攜帶任何灰?guī)r角礫，說明后兩期能量減弱。同時可以從石灰?guī)r角礫含量中分出前兩期次的先后[4]。

圖2-A為第一期噴發(fā)，強(qiáng)大的火山爆發(fā)能量將茅口組灰?guī)r帶出，形成含灰質(zhì)火山角礫熔巖，并且將火山口附近的茅口組灰?guī)r破壞。第一期的火山角礫的含量在垂直方向上遞減，噴出的火山礫石也逐漸變小。第一期孔隙發(fā)育，巖石密度較低。

圖2-B為第二期噴發(fā)，由于第一期噴發(fā)的含灰質(zhì)火山角礫熔巖在火山通道壁冷凝后，使得第二期爆發(fā)不易破壞火山通道的石灰?guī)r，帶出的角礫變少。第二期屬于噴發(fā)-溢流相旋回，下部形成爆發(fā)相的火山角礫熔巖，上部形成溢流相的玄武巖。

圖2-C為第三期侵入，超淺成侵入巖(粒玄巖)結(jié)晶程度相對較高，沿火山巖、茅口組薄弱界面侵入。第三期粒玄巖大量侵入，但侵入巖難以突破第一、第二期火山巖。第三期屬于火山通道相中的次火山巖亞相。

圖2 永探1井火山巖噴發(fā)期次Fig.2 Volcanic eruption periods of Well Yongtan 1

圖2-D是第四期侵入，淺成侵入巖(輝綠玢巖)，結(jié)晶程度高，見輝石、長石斑晶沿火山巖、茅口組薄弱界面侵入，與粒玄之間為侵入接觸關(guān)系，直接的證據(jù)是能在粒玄巖中發(fā)現(xiàn)大量的綠泥石。第四期較第三期減弱，為火山通道相中的次火山巖亞相。

2 基于巖性反演與裂縫預(yù)測分析的火山巖地質(zhì)建模

2.1 基于巖性反演的火山巖內(nèi)幕結(jié)構(gòu)刻畫

波形指示反演是將一組薄層的地震響應(yīng)之和作為地震波形。該方法是為了計(jì)算儲層的改變程度，而地震波形的橫向變化對其具有較高的敏感度[10]。儲層異變與波形的橫向變化的相關(guān)性是其核心思想，在貝葉斯的框架下，使得高頻部分模擬結(jié)果與井曲線的特征有較好的符合度。

圖3為火山巖層段波阻抗(Za)與密度(ρ)交會分析，直觀地得到了爆發(fā)相的速度參數(shù)低于火山通道相的結(jié)論，為基于波阻抗反演進(jìn)行巖性識別奠定基礎(chǔ)，可以用波阻抗屬性進(jìn)行巖性識別。

圖3 永探1井不同巖性的波阻抗與密度的關(guān)系Fig.3 The relationship between wave impedance and density of each lithology in Well Yongtan 1

圖4是過永探1井的波阻抗反演剖面(紅色代表低波阻抗值)，井旁矩形框表示測井解釋的巖性縱向分布，其放大圖見圖4左側(cè)的測井解釋圖(巖性底界面位置采用箭頭相互對應(yīng))。反演剖面中頂部覆蓋高波阻抗薄層，為溢流相的杏仁狀玄武巖。玄武巖和粒玄巖之間存在厚層低波阻抗區(qū)域。楊亞迪等[11]將川西南二疊系火山巖分為4類，分別是厚層火山碎屑熔巖、薄層火山碎屑熔巖與玄武巖交互、厚層玄武巖和薄層玄武巖，并將永探1井火山巖劃分為厚層火山碎屑熔巖。結(jié)合測井解釋圖，反演剖面厚層低波阻抗區(qū)域?yàn)榛鹕剿樾紟r。夏茂龍等[4]對永探1井區(qū)二疊系火山機(jī)構(gòu)特征刻畫中，認(rèn)為粒玄巖會沿著孔隙侵入火山碎屑巖。

圖4 過永探1井的波阻抗反演剖面Fig.4 Inversion profile of wave impedance of Well Yongtan 1

根據(jù)巖相柱狀圖和反演剖面，火山碎屑巖內(nèi)部具有非均質(zhì)性，成因?yàn)榫植看嬖诟卟ㄗ杩够蛘叩筒ㄗ杩沟慕堑[，且粒玄巖會侵入孔隙度較大的火山碎屑巖，導(dǎo)致永探1井火山巖內(nèi)部呈丘狀雜亂反射特征。

2.2 基于裂縫預(yù)測的火山巖內(nèi)幕斷裂刻畫

永探1井火山巖內(nèi)幕呈現(xiàn)丘狀雜亂反射特征，而常規(guī)的裂縫預(yù)測技術(shù)都是基于地震道的波形變化特征。本文采用最大似然屬性的裂縫帶預(yù)測技術(shù)進(jìn)行火山巖地層的裂縫預(yù)測。最大似然屬性的作用主要是在地震剖面上擴(kuò)大裂隙。在計(jì)算最大似然屬性之前，需要將地震相似性作為前提準(zhǔn)備。最大似然屬性能擴(kuò)大比鄰點(diǎn)之間的差異度，因此能有效地在地震剖面上擴(kuò)大裂隙顯示。

圖5是過永探1井的最大似然屬性分析剖面，圖中清晰準(zhǔn)確地刻畫了裂縫的縱向展布特征。藍(lán)色部分代表火山巖內(nèi)部的裂隙。圖5顯示裂縫發(fā)育在剖面中地層雜亂的區(qū)域，因此，除了火山碎屑巖內(nèi)部具有非均質(zhì)性和粒玄巖侵入外，火山巖內(nèi)幕裂縫也是導(dǎo)致內(nèi)部呈現(xiàn)丘狀雜亂反射特征的因素之一。

圖5 過永探1井的最大似然屬性分析剖面Fig.5 The maximum likelihood attributes analysis section of Well Yongtan 1

2.3 永探1井的火山巖地質(zhì)建模

永探1井區(qū)自上而下依次為溢流相杏仁狀玄武巖、爆發(fā)相的火山角礫熔巖和含灰質(zhì)火山角礫熔巖、火山通道相的粒玄巖和輝綠玢巖。由于研究區(qū)反演剖面火山碎屑巖整體表現(xiàn)為低波阻抗，但局部存在波阻抗相對較高的團(tuán)塊，因此本文在地質(zhì)模型中相應(yīng)位置設(shè)置高波阻抗角礫熔巖。根據(jù)過永探1井的最大似然屬性分析剖面，在火山巖內(nèi)部按比例設(shè)置裂縫。依照實(shí)際地震剖面設(shè)計(jì)界面起伏。綜合火山巖的物理屬性、裂縫預(yù)測、反演剖面和過永探1井剖面特征，建立如下地質(zhì)模型(圖6)。

圖6 過永探1井地質(zhì)模型Fig.6 The geological model through the profile of Well Yongtan 1

3 數(shù)值模擬分析

圖7為實(shí)際地震剖面，圖中紅色虛線為火山巖頂界面，藍(lán)色虛線為火山巖底界面。圖8為過永探1井地質(zhì)模型的正演模擬記錄。理論與實(shí)際對比分析得出：頂界面的強(qiáng)波峰成因?yàn)辇執(zhí)督M地層與玄武巖的較大波阻抗差異，頂界面的寬波峰為火山碎屑巖內(nèi)部角礫產(chǎn)生的地震波形同頂界面發(fā)生調(diào)諧作用，理論頂界面同實(shí)際符合較好。火山巖內(nèi)幕的丘狀雜亂反射因火山碎屑巖的強(qiáng)非均質(zhì)性和裂縫，地層內(nèi)部角礫物性差異較大，且裂隙發(fā)育在相對雜亂的區(qū)域，理論內(nèi)幕波形同實(shí)際具有較高的相似度；但部分存在一定的偏差，原因?yàn)槟Ｐ腿』鹕剿樾紟r內(nèi)部物性平均值為基底，可是實(shí)際地層內(nèi)部更加雜亂，可從波形指示反演圖中得出，雖內(nèi)幕巖性相同，但物性差異相對較大。火山巖底界由于輝綠玢巖與茅口組地層物性差異較小，呈現(xiàn)弱波峰-空白發(fā)射，在粒玄巖相對較薄的區(qū)域，火山碎屑巖角礫產(chǎn)生的波形會影響到波谷，視覺上呈現(xiàn)斷續(xù)反射特征。

圖7 過永探1井的實(shí)際地震剖面Fig.7 The actual seismic profile through the Well Yongtan 1

圖8 數(shù)值模擬結(jié)果Fig.8 Numerical simulation results

4 結(jié) 論

a. 四川盆地永探1井火山巖有4期噴發(fā)，前兩期爆發(fā)強(qiáng)烈，第一期與第二期下部形成火山碎屑巖，具有非均質(zhì)性，第二期上部形成溢流相玄武巖；后兩期能量減弱，并且以侵入為主，第三期的粒玄巖會侵入具有較大孔隙的火山碎屑巖，第四期與第三期為侵入接觸關(guān)系。

b. 波形指示反演法可以有效地分辨出剖面上的波阻抗差異，結(jié)合測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行波阻抗分析，能直接進(jìn)行巖性識別。最大似然屬性的裂縫帶預(yù)測技術(shù)可以準(zhǔn)確地刻畫裂縫縱向分布特征。通過研究裂縫的分布特征，發(fā)現(xiàn)裂縫發(fā)育在剖面中地層雜亂的區(qū)域。綜合以上信息能較準(zhǔn)確地反映地下地質(zhì)情況。

c. 數(shù)值模擬結(jié)果表明永探1井火山巖內(nèi)幕的雜亂反射主要來源于爆發(fā)相的角礫熔巖(具有強(qiáng)非均質(zhì)性)；短段弱連續(xù)性反射主要來源于爆發(fā)相與侵入相的界面；火山巖頂部的寬波峰由頂界面與高波阻抗角礫熔巖產(chǎn)生的波場調(diào)諧作用產(chǎn)生。