四川盆地井研地區(qū)火山巖巖相類型及儲(chǔ)層分布

李素華，賈霍甫，胡 昊，李 蓉，余 洋

(中國(guó)石化西南油氣分公司，四川 成都 610041)

0 引 言

四川盆地西南部井研地區(qū)前期油氣勘探主要集中在海相碳酸鹽巖層系，受川西地區(qū)火山巖油氣勘探啟示[1]，近期將井研地區(qū)二疊系火山巖亦作為主要勘探目的層系，鉆井揭示火山巖裂縫-孔隙型儲(chǔ)層發(fā)育，測(cè)試獲工業(yè)氣流，揭開(kāi)了井研地區(qū)火山巖勘探新局面。前期研究認(rèn)為，井研地區(qū)火山巖以溢流相為主，火山巖地層相對(duì)周公山地區(qū)較薄[2]，且孔隙型儲(chǔ)層不發(fā)育，不具備規(guī)模成藏的基礎(chǔ)地質(zhì)條件。近期，井研地區(qū)實(shí)鉆井取心揭示火山巖內(nèi)部發(fā)育爆發(fā)相和溢流相2種類型的儲(chǔ)層，表明井研地區(qū)火山巖巖相類型多樣，但火山巖厚度薄(32～102 m)，地震反射特征整體對(duì)應(yīng)2個(gè)波峰夾1個(gè)波谷反射，且波谷內(nèi)部發(fā)育上、下2套儲(chǔ)層(單層厚度為1～22 m)，取心資料少，在常規(guī)地震剖面中很難識(shí)別出不同類型的火山巖巖相和2套儲(chǔ)層的發(fā)育情況。因此，亟需利用現(xiàn)有地質(zhì)、鉆井、測(cè)井、三維地震等資料落實(shí)井研地區(qū)火山巖發(fā)育特征、巖相類型及優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層分布，以期指導(dǎo)火山巖下步油氣勘探。

借鑒前人火山巖勘探成功經(jīng)驗(yàn)[3-6]，從區(qū)域火山巖發(fā)育地質(zhì)背景出發(fā)，利用地質(zhì)、鉆井和地震建立單井相和地震相對(duì)應(yīng)關(guān)系，聯(lián)合利用正演模擬、相干體、三維可視化及地層厚度變化等落實(shí)火山巖巖相類型及分布，開(kāi)展常規(guī)測(cè)井約束波阻抗和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)孔隙度非線性反演，精確刻畫(huà)了2套儲(chǔ)層的分布，有效推動(dòng)了研究區(qū)火山巖勘探進(jìn)程。

1 火山巖發(fā)育特征

1.1 區(qū)域背景

茅口組末期，受峨眉地幔柱上涌和峨眉地裂運(yùn)動(dòng)影響，巖漿沿深大斷裂噴出地表，熔巖流自西南向北東方向流動(dòng)，在云貴川地區(qū)形成峨眉大火成巖省[7]，四川盆地整體位于峨眉地幔柱外帶，川西地區(qū)發(fā)育多個(gè)獨(dú)立、厚度較大的爆發(fā)相火山機(jī)構(gòu)，而井研地區(qū)火山巖西厚東薄，整體以溢流相為主(圖1)。隨著火山巖勘探程度不斷深入，取心證實(shí)除溢流相玄武巖外，還發(fā)育爆發(fā)相火山角礫碎屑熔巖和凝灰?guī)r，表明井研地區(qū)火山巖巖相類型多樣，火山巖發(fā)育特征及儲(chǔ)層分布規(guī)律需進(jìn)一步研究落實(shí)。

圖1 研究區(qū)位置及火山巖相分布Fig.1 The location of the study area and distribution of volcanic phases

1.2 地質(zhì)特征

井研地區(qū)西部火山巖厚度約為79～102 m，根據(jù)火山巖巖性、巖相、測(cè)井曲線和元素錄井(K、Na)等資料，將西部火山巖縱向劃分為2期旋回，第1旋回和第2旋回分界處測(cè)井曲線特征變化明顯(圖2a)；井研地區(qū)東部火山巖厚度約為32～61 m，僅發(fā)育上部第2旋回(圖2b)；每期旋回代表一次火山噴發(fā)的產(chǎn)物[8]，并在每期旋回上部發(fā)育孔隙型或裂縫型儲(chǔ)層[9]，其中，第1旋回頂部發(fā)育爆發(fā)相火山角礫碎屑熔巖和凝灰?guī)r儲(chǔ)層(稱為下儲(chǔ)層)，第2旋回中上部發(fā)育溢流相玄武巖儲(chǔ)層(稱為上儲(chǔ)層)，實(shí)鉆井揭示2套儲(chǔ)層橫向可對(duì)比，下儲(chǔ)層只發(fā)育在工區(qū)西部，上儲(chǔ)層全工區(qū)發(fā)育；儲(chǔ)集空間有氣孔、杏仁孔、脫?；?、晶間孔、蝕變孔、收縮縫及微裂縫等，儲(chǔ)層受巖漿揮發(fā)組分散逸、冷凝收縮、風(fēng)化淋濾和構(gòu)造破裂等[10]作用控制，實(shí)測(cè)巖心孔隙度為5.19%～20.85%，平均為10.63%，滲透率為0.002 2～0.420 0 mD，平均為0.048 0 mD，總體表現(xiàn)為高孔低滲特征，疊合后期構(gòu)造破裂作用可形成有效的儲(chǔ)集空間。

圖2 井研地區(qū)火山巖鉆井標(biāo)定及地震剖面Fig.2 The drilling calibration and seismic profile of volcanic rocks in Jingyan Area

1.3 測(cè)井與地震響應(yīng)特征

井研地區(qū)西部火山巖儲(chǔ)層發(fā)育時(shí)，密度(ρ)和電阻率(RD、RS)曲線明顯降低，聲波時(shí)差(AC)、中子(CNL)和孔隙度(POR)曲線顯著升高；上儲(chǔ)層較薄，聲波時(shí)差、密度、中子、電阻率和孔隙度曲線呈齒狀變化，表現(xiàn)為裂縫型儲(chǔ)層響應(yīng)特征；下儲(chǔ)層較厚，聲波時(shí)差、密度、中子、電阻率和孔隙度曲線呈箱狀變化，表現(xiàn)為孔隙型儲(chǔ)層響應(yīng)特征(圖2a)。井研地區(qū)東部?jī)H發(fā)育上儲(chǔ)層，且位于頂部，電阻率曲線呈斜坡型增大，聲波時(shí)差、密度和中子等曲線變化不大，孔隙度曲線基本小于6.00%(圖2b)。

井研地區(qū)火山巖發(fā)育段地震反射特征存在明顯差異，西部火山巖厚度大，地震反射特征為2個(gè)強(qiáng)波峰夾1個(gè)強(qiáng)波谷反射，2套儲(chǔ)層位于波谷內(nèi)部(圖2c 左側(cè))；東部火山巖厚度薄，火山巖底部變?yōu)槿醪ü确瓷?，?chǔ)層位于頂部波峰下端位置(圖2c 右側(cè))。

2 火山巖正演模擬

為進(jìn)一步落實(shí)火山巖地震反射特征變化的影響因素[11]，根據(jù)圖2c地震剖面反射特征和A、B井地層、巖性、厚度、速度、密度等參數(shù)，設(shè)計(jì)火山巖儲(chǔ)層發(fā)育(圖3a)和不發(fā)育(圖3b)2種正演模型(模型中只設(shè)計(jì)了厚度較大的爆發(fā)相下儲(chǔ)層，而溢流相裂縫型上儲(chǔ)層較薄且分布規(guī)律不清，暫未設(shè)計(jì))，2種正演模型地層結(jié)構(gòu)一致，火山巖左側(cè)厚、右側(cè)薄(左側(cè)A井厚度為102 m，B井厚度為95 m，右側(cè)最薄為32 m)，上覆為沙灣組，下伏為茅口組。

儲(chǔ)層發(fā)育正演模型如圖3a所示。由圖3a可以看出，左側(cè)火山巖內(nèi)部發(fā)育一套爆發(fā)相火山角礫碎屑熔巖和凝灰?guī)r儲(chǔ)層，且A、B 2口井儲(chǔ)層發(fā)育位置、厚度、速度、密度等參數(shù)存在差異(A井以凝灰?guī)r為主，儲(chǔ)層厚度為22 m，距火山巖底部30 m，波阻抗值為12 718.620 m·s-1·g·cm-3；B井以角礫巖為主，儲(chǔ)層厚度為19 m，距火山巖底部10 m，波阻抗值為11 711.960 m·s-1·g·cm-3；模型右側(cè)不發(fā)育儲(chǔ)層，火山巖儲(chǔ)層上、下圍巖均為玄武巖，其速度和密度參數(shù)無(wú)變化，玄武巖的波阻抗值為15 140.400 m·s-1·g·cm-3)。儲(chǔ)層不發(fā)育正演模型如圖3b所示。由圖3b可以看出，火山巖內(nèi)部不發(fā)育儲(chǔ)層，玄武巖速度和密度參數(shù)與圖3a一致。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)2種正演模型開(kāi)展正演模擬研究，分析火山巖儲(chǔ)層發(fā)育和不發(fā)育時(shí)地震響應(yīng)特征的變化情況。

正演模型橫向長(zhǎng)度為1 000 m，縱向深度為800 m，子波選用主頻為35 Hz雷克子波，模擬地層參數(shù)如表1所示。

表1 A、B井模擬地層參數(shù)Table 1 The simulated formation parameters of Wells A and B

由火山巖儲(chǔ)層發(fā)育時(shí)的正演模擬結(jié)果可知(圖3c)，左側(cè)A、B井火山巖儲(chǔ)層發(fā)育時(shí)，整體表現(xiàn)為2個(gè)強(qiáng)波峰夾1個(gè)強(qiáng)波谷反射，B井位置火山巖底部同相軸下拉明顯，其火山巖時(shí)間厚度明顯大于A井(正演模擬結(jié)果與實(shí)鉆井火山巖厚度不符，但與圖2c實(shí)際地震剖面反射特征一致)，且火山巖底部波峰反射強(qiáng)度亦強(qiáng)于A井；右側(cè)火山巖儲(chǔ)層不發(fā)育時(shí)，整體表現(xiàn)為頂部強(qiáng)波峰、中部弱波谷、底部弱波峰反射；左、右兩側(cè)火山巖底部地震反射特征差異明顯，左側(cè)為強(qiáng)波峰反射，右側(cè)為弱波峰反射。

由火山巖儲(chǔ)層不發(fā)育時(shí)的正演模擬結(jié)果可知(圖3d)，火山巖頂部仍為強(qiáng)波峰反射，而火山巖底部與圖3c相比，波峰反射強(qiáng)度明顯變?nèi)?，且火山巖地層由左往右逐漸變薄時(shí)，地震反射強(qiáng)度亦逐漸變?nèi)?，B井位置火山巖底部未出現(xiàn)同相軸下拉、時(shí)間厚度變厚等現(xiàn)象。

圖3 火山巖2種正演模型及模擬記錄Fig.3 The two forward models and simulation records of volcanic rocks

由火山巖儲(chǔ)層發(fā)育和不發(fā)育2種正演模型模擬結(jié)果對(duì)比可知，火山巖儲(chǔ)層發(fā)育時(shí)明顯影響火山巖底部地震反射同相軸強(qiáng)弱變化，其正演模擬記錄與圖2c實(shí)際地震剖面反射特征一致，且火山巖角礫巖儲(chǔ)層與圍巖玄武巖波阻抗差值越大、距火山巖底部越近時(shí)，火山巖底部波峰反射強(qiáng)度變強(qiáng)、同相軸下拉、時(shí)間厚度變厚等現(xiàn)象越明顯。因此，根據(jù)上述幾種火山巖地震反射特征的變化情況來(lái)判斷爆發(fā)相火山巖儲(chǔ)層是否發(fā)育是可行的。

3 火山巖巖相類型及分布

在正演模擬基礎(chǔ)上，利用單井相、地震相、相干體、三維可視化和地層厚度變化等情況，詳細(xì)梳理井研地區(qū)火山巖巖相平面和空間分布特征。

火山巖發(fā)育段地震反射特征相對(duì)較為單一穩(wěn)定，利用單井相和地震相可劃分火山巖巖相平面分布特征。波形聚類結(jié)果顯示(圖4a)：工區(qū)東、西部分界明顯，分界位置對(duì)應(yīng)圖2c火山巖底部強(qiáng)波峰終止位置；工區(qū)西部紅、綠、黃色區(qū)域?qū)?yīng)2個(gè)強(qiáng)波峰夾1個(gè)強(qiáng)波谷反射，東部藍(lán)、淡藍(lán)、粉紅色區(qū)域?qū)?yīng)頂部強(qiáng)波峰、中部弱波谷反射。結(jié)合單井相可確定第1期溢流相發(fā)育于工區(qū)西部，而第2期溢流相全工區(qū)發(fā)育，2期旋回整體為平行、連續(xù)反射(表2第Ⅰ類溢流相，鉆井已證實(shí))。A、C井以凝灰?guī)r為主，對(duì)應(yīng)綠色波形，劃分為爆發(fā)相凝灰?guī)r發(fā)育區(qū)；B井以角礫巖為主，對(duì)應(yīng)紅色波形，與圖4b火山巖時(shí)間厚度較厚的區(qū)域一致，因此，將紅色波形、地層厚度變厚區(qū)域劃分為爆發(fā)相角礫巖發(fā)育區(qū)(表2第Ⅱ類爆發(fā)相，鉆井已證實(shí))。由上述研究可知，爆發(fā)相和溢流相火山巖在井研地區(qū)縱向疊置、橫向交錯(cuò)發(fā)育。

圖4 井研地區(qū)火山巖平面分布Fig.4 The planar distribution of volcanic rocks in Jingyan Area

利用三維可視化技術(shù)刻畫(huà)火山巖空間分布特征。

結(jié)果顯示：工區(qū)西北部發(fā)育中心式[12]噴發(fā)火山機(jī)構(gòu)，平面為圓形、低相干異常，地震剖面中火山巖下伏地層同相軸依次錯(cuò)斷、雜亂、空白、弱反射，因噴發(fā)能量弱，巖漿大多未噴出地表，中心式噴發(fā)火山機(jī)構(gòu)對(duì)火山巖厚度影響較小(表2第Ⅲ類中心式火山通道相，待鉆井證實(shí))。而工區(qū)西南部基底斷裂帶附近發(fā)育條帶狀低相干異常，且局部圓形、低相干火山通道特征明顯，判斷基底斷裂帶附近發(fā)育裂隙式[13]噴發(fā)火山通道相，巖漿沿基底斷裂上涌從而造成斷裂帶附近火山巖厚度變厚(表2第Ⅲ類裂隙式火山通道相，待鉆井證實(shí))。

表2 井研地區(qū)二疊系火山巖地震相特征Table 2 The seismic facies characteristics of Permian volcanic rocks in Jingyan Area

綜上所述，井研地區(qū)發(fā)育溢流相、爆發(fā)相和火山通道相等3種火山巖巖相類別，其中，火山通道相又分為中心式和裂縫式2種類型。爆發(fā)相和火山通道相是火山巖儲(chǔ)層發(fā)育有利巖相類型，主要分布在工區(qū)西部(圖4c)。

4 火山巖儲(chǔ)層識(shí)別

常規(guī)測(cè)井約束波阻抗反演頻帶范圍有限，只能識(shí)別厚度大、波阻抗差異明顯的儲(chǔ)層和非儲(chǔ)層，難以準(zhǔn)確識(shí)別非均質(zhì)性強(qiáng)的薄儲(chǔ)層。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性反演[14]對(duì)低頻模型和井位分布無(wú)要求，只需建立目標(biāo)測(cè)井曲線與地震波形的非線性關(guān)系，運(yùn)算速度快且預(yù)測(cè)精度高，可準(zhǔn)確定量預(yù)測(cè)該區(qū)火山巖2套儲(chǔ)層分布。

4.1 儲(chǔ)層分布預(yù)測(cè)

由常規(guī)測(cè)井約束波阻抗反演結(jié)果可知(圖5a)：火山巖下儲(chǔ)層厚度大，低波阻抗特征清楚，橫向分布連續(xù)，且與實(shí)鉆井測(cè)井波阻抗曲線吻合較好；而上儲(chǔ)層波阻抗反演結(jié)果與測(cè)井波阻抗曲線吻合較差，且反演的波阻抗值與上覆沙灣組和圍巖玄武巖波阻抗值相近。因此，常規(guī)測(cè)井約束波阻抗反演結(jié)果不能有效識(shí)別上儲(chǔ)層。

測(cè)井孔隙度曲線可表征火山巖儲(chǔ)層發(fā)育特征，測(cè)井孔隙度由聲波時(shí)差曲線計(jì)算得到，且與巖心實(shí)測(cè)孔隙度匹配。因此，孔隙度與波阻抗存在線性關(guān)系，在此基礎(chǔ)上利用測(cè)井孔隙度曲線進(jìn)行非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演，建立測(cè)井孔隙度與地震波形的非線性關(guān)系，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)得到高分辨率孔隙度反演結(jié)果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)孔隙度反演火山巖上、下儲(chǔ)層展布特征清楚(圖5b)，與實(shí)鉆井測(cè)井孔隙度曲線吻合較好，反演精度明顯提高，最終利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)孔隙度反演結(jié)果求取火山巖2套儲(chǔ)層的厚度分布。

4.2 優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育帶

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)孔隙度反演結(jié)果表明：中厚大儲(chǔ)層主要發(fā)育在中心式和裂隙式火山通道附近；基底斷裂既控制著裂隙式火山通道的分布，又有效溝通了下伏寒武系烴源巖；二疊系層間斷層和裂縫進(jìn)一步改善了火山巖儲(chǔ)集性能，通過(guò)區(qū)域地質(zhì)、鉆井、巖性巖相、儲(chǔ)層厚度、基底斷裂、層間斷層及裂縫發(fā)育等情況進(jìn)行優(yōu)質(zhì)火山巖儲(chǔ)層發(fā)育帶評(píng)價(jià)。上儲(chǔ)層以溢流相玄武巖為主，下儲(chǔ)層以爆發(fā)相火山角礫碎屑熔巖和凝灰?guī)r為主。因此，在有利巖相分布范圍內(nèi)越靠近基底斷裂、層間斷層和裂縫發(fā)育區(qū)儲(chǔ)層發(fā)育越好。將巖性巖相、儲(chǔ)層厚度和斷裂、裂縫發(fā)育作為儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的重要因素。其中，靠近基底斷裂的爆發(fā)相或溢流相火山巖儲(chǔ)層厚度大于15 m，層間斷層、裂縫發(fā)育區(qū)作為儲(chǔ)層發(fā)育最有利區(qū)；距離基底斷裂稍遠(yuǎn)、爆發(fā)相或溢流相火山巖儲(chǔ)層厚度大于10 m，層間斷層、裂縫發(fā)育區(qū)作為儲(chǔ)層發(fā)育有利區(qū)；遠(yuǎn)離基底斷裂的溢流相火山巖儲(chǔ)層厚度小于10 m，裂縫發(fā)育區(qū)作為較有利區(qū)。由儲(chǔ)層評(píng)價(jià)結(jié)果可知，上儲(chǔ)層最有利區(qū)主要分布在工區(qū)西南部(圖5c)，下儲(chǔ)層最有利區(qū)主要分布在工區(qū)西部(圖5d)。

圖5 火山巖反演結(jié)果及儲(chǔ)層有利區(qū)分布Fig.5 Volcanic rock inversion results and favorable areas of reservoir distribution

4.3 識(shí)別效果分析

井研地區(qū)西南部火山巖源儲(chǔ)配置關(guān)系良好，A井火山巖下儲(chǔ)層鉆井過(guò)程中見(jiàn)微含氣顯示，測(cè)井解釋孔隙度在10%左右，經(jīng)測(cè)試獲工業(yè)氣流；B井取心證實(shí)爆發(fā)相火山角礫碎屑熔巖和凝灰?guī)r儲(chǔ)層發(fā)育，橫向連續(xù)性好，測(cè)試亦獲工業(yè)氣流，鉆前預(yù)測(cè)與鉆后結(jié)果一致，表明火山巖巖相識(shí)別和儲(chǔ)層預(yù)測(cè)結(jié)果可靠。

5 結(jié) 論

(1) 井研地區(qū)火山巖主要發(fā)育爆發(fā)相、火山通道相和溢流相3種巖相類型。其中，爆發(fā)相和火山通道相是儲(chǔ)層發(fā)育的有利巖相類型，火山巖儲(chǔ)層主要發(fā)育在每期旋回頂部，縱向發(fā)育2套儲(chǔ)層，平面預(yù)測(cè)上儲(chǔ)層主要分布在工區(qū)西南部，下儲(chǔ)層主要分布在工區(qū)西部，下儲(chǔ)層厚度較厚，分布范圍廣，較易識(shí)別，可作為主要勘探評(píng)價(jià)目標(biāo)層系。

(2) 井研地區(qū)西南部火山巖源儲(chǔ)配置關(guān)系好，具備形成規(guī)模氣藏的條件，疊合斷裂、裂縫發(fā)育帶是火山巖勘探評(píng)價(jià)有利目標(biāo)區(qū)。針對(duì)厚度大、連續(xù)分布的下儲(chǔ)層進(jìn)一步實(shí)施評(píng)價(jià)井或水平井有望落實(shí)氣藏規(guī)模，對(duì)井研地區(qū)火山巖控制儲(chǔ)量提交具有重要指導(dǎo)意義。