噴發(fā)相火山巖儲(chǔ)層特征研究及地質(zhì)意義

黃金富,王啊麗,夏國(guó)朝,劉東成,張海霞

(1. 大港油田公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院,天津 300280;2. 大港油田公司 采油工藝研究院,天津 300280)

0 引言

火山巖可以成為良好的油氣層,這在許多國(guó)家和地區(qū)已得到證實(shí)。棗園油田地理位置處于河北省滄州市滄縣,該區(qū)域中新生代火山活動(dòng)強(qiáng)烈,火山巖油藏中生界、孔店組和沙河街組多層系產(chǎn)出且大范圍分布,供油條件及圈閉有利,油氣富集。Z35斷塊是噴發(fā)相火山巖油藏的典型代表,火山巖體在空間上分布不規(guī)則,巖性復(fù)雜,巖相變化大,非均質(zhì)性強(qiáng),儲(chǔ)層滲流性能差異變化大,孔洞和裂縫發(fā)育,致使不同井區(qū)油井產(chǎn)能差異大。由于對(duì)火山巖儲(chǔ)層特征認(rèn)識(shí)不清,區(qū)塊開(kāi)發(fā)長(zhǎng)期處于低速低效階段,因此有必要進(jìn)行火山巖油藏儲(chǔ)層特征研究,達(dá)到區(qū)塊效益開(kāi)發(fā)的目的。該研究主要從巖性識(shí)別、火山巖模式、期次劃分以及巖相與產(chǎn)能適應(yīng)性4個(gè)方面,開(kāi)展火山巖儲(chǔ)層特征研究。

1 火山巖巖性特征

1.1 巖石類(lèi)型劃分

截止2021年底,研究區(qū)共有4口取心井,取心146.83 m,共有96塊薄片分析化驗(yàn)資料。根據(jù)巖石礦物成分資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果,Z35斷塊火山巖(Na2O+K2O)含量為4.2%～4.7%,SiO2含量為44.0%～53.0%,參照表1火山熔巖分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[1],研究區(qū)火山巖類(lèi)型為基性巖類(lèi)堿性橄欖玄武巖。根據(jù)Z66井、Z78井、J21-23井和Z63-1井取心資料及巖心觀(guān)察,巖石類(lèi)型主要包括火山碎屑巖和熔巖2大類(lèi)[2-5],巖性包括火山角礫巖、氣孔玄武巖、凝灰?guī)r和致密玄武巖,其中,發(fā)育最廣的是氣孔玄武巖。氣孔玄武巖氣孔形狀不同(有圓形、橢圓形和不規(guī)則形),大小不一,小的氣孔肉眼難以分辨,大的氣孔直徑可達(dá)10 cm以上,并且含油,是主要的含油巖石類(lèi)型。凝灰?guī)r碎屑粒徑小于2 mm,是最常見(jiàn)且廣泛分布的一種細(xì)?；鹕剿樾?從火山爆發(fā)開(kāi)始,經(jīng)過(guò)拋入空中、漂移再到降落在地表,通過(guò)水化和壓結(jié)膠結(jié)而成。研究區(qū)凝灰?guī)r顏色較深,是因火山物質(zhì)被拋入空中迅速冷凝形成氧化玻殼,顆粒內(nèi)部顏色略淺,顆粒之間充填的是玻基膠結(jié)物,局部脫?；Ｖ旅苄鋷r在熔巖中部,溫度降低速度慢,各類(lèi)礦物都能結(jié)為晶體,氣孔結(jié)構(gòu)不發(fā)育,如果沒(méi)有后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈改造,一般不作為油氣儲(chǔ)層。具有火山角礫結(jié)構(gòu)且2～50 mm的大顆粒含量達(dá)到50%以上的火山碎屑巖稱(chēng)為火山角礫巖,含有少量氣孔,杏仁構(gòu)造,在局部地區(qū)該類(lèi)巖石也可作為有效的儲(chǔ)集巖性。

表1 火山熔巖分類(lèi)表Table 1 Table of volcanic lava classification

1.2 火山巖巖性識(shí)別

根據(jù)巖石的特征、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造,通過(guò)薄片鑒定及巖心直接觀(guān)察描述,可以劃分取心井縱向上的巖性。對(duì)于未取心的井,則可以通過(guò)建立電性與巖性的相關(guān)性,采用測(cè)井多參數(shù)圖版交會(huì)法[6-7],識(shí)別非取心井的巖性。

巖性識(shí)別最為常用的一種解釋技術(shù)就是交會(huì)法,將不同參數(shù)的測(cè)井曲線(xiàn)數(shù)據(jù)兩兩交會(huì),通過(guò)交匯點(diǎn)的坐標(biāo)給出參數(shù)的范圍和數(shù)值,可以直觀(guān)分辨巖性和了解區(qū)域分布,從而達(dá)到識(shí)別火山巖的目的。建圖版必須用巖性劃分比較可靠的井,Z78井和J21-23井取心井段較長(zhǎng),處于火山巖體中心附近,厚度大,巖石類(lèi)型豐富,代表性較強(qiáng)。結(jié)合巖心觀(guān)察和薄片鑒定結(jié)果進(jìn)行分析定名,對(duì)測(cè)井資料進(jìn)行標(biāo)定(如圖1所示),為建立交匯圖版提供可靠的基礎(chǔ)。其中氣孔玄武巖的電阻率值明顯偏高,密度值較低;致密玄武巖電阻率值較高,密度值較大;火山角礫巖密度值適中,電阻率值偏低。

圖1 Z78井電測(cè)解釋巖性剖面圖Fig.1 Interpretation of lithologic profile by electrical logging of well Z78

Z78井和J21-23井的測(cè)井系列為3700系列,測(cè)量項(xiàng)目比較齊全,采用電阻率、聲波時(shí)差、密度、中子和自然伽馬5種參數(shù)分別建立不同的交會(huì)圖(如圖2所示)。其中,密度-聲波時(shí)差曲線(xiàn)交會(huì)圖顯示,致密玄武巖密度值大部分在2.6 g/cm3以上,氣孔玄武巖聲波時(shí)差為250～320 μs/m,凝灰?guī)r密度值主要分布在2.0 g/cm3以下區(qū)域(如圖2a所示)。中子-自然伽馬曲線(xiàn)交會(huì)圖顯示,致密玄武巖中子值主要分布在10～28,氣孔玄武巖中子值主要分布在28～39,火山角礫巖與凝灰?guī)r中子值大于39,其中火山角礫巖自然伽馬值主要小于30 API(如圖2b所示)。

圖2 Z35斷塊火山巖測(cè)井曲線(xiàn)交會(huì)圖Fig.2 Intersection of logging curves of volcanic rocks in Z35 fault block

根據(jù)交會(huì)圖版識(shí)別各類(lèi)巖性,具體特征如下:

1)致密玄武巖巖石基本無(wú)孔,密度大于2.6 g/cm3,泥質(zhì)含量少,自然伽馬值小于50 API;導(dǎo)電性差,電阻率高于5 Ω·m;孔隙少,中子值小于28,聲波時(shí)差低于250 μs/m。

2)氣孔玄武巖巖石含有大量氣孔,密度較小,為2.3～2.6 g/cm3;聲波時(shí)差為220～317 μs/m,自然伽馬值小于50 API,中子值為28～39。

3)凝灰?guī)r密度較低,為2.0～2.3 g/cm3,聲波時(shí)差大于317 μs/m,中子值大于39,高于氣孔玄武巖。

4)火山角礫巖電性特征近似于凝灰?guī)r,由于火山角礫巖距離火山口比凝灰?guī)r近,混入其他沉積物少,自然伽馬值比凝灰?guī)r更低,小于30 API,密度為1.8～2.4 g/cm3。

5)泥巖主要包含泥質(zhì)粉砂巖和純泥巖,表現(xiàn)為高的自然伽馬值,自然伽馬值一般大于50 API;聲波時(shí)差也高,大于380 μs/m,以此區(qū)別于火山巖類(lèi)。

通過(guò)建立的巖性識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)及交會(huì)法,分別對(duì)全區(qū)其余17口非取心井進(jìn)行了巖性識(shí)別(如圖3所示)。結(jié)果表明:J24-22井、J23-21井和J25-23井火山巖厚度最大,均超過(guò)了80 m;J23-21井、Zi6-12井、Zi6-14井、J25-23井和J24-22井的氣孔玄武巖最厚,可達(dá)35～42 m;火山角礫巖在J25-23井和J27-25井厚度最大,達(dá)到25 m;凝灰?guī)r在Z78井和J27-25井厚度最大,約為20 m;致密玄武巖在J24-22井厚度最大,超過(guò)了60 m。

圖3 Z35斷塊單井巖性厚度分布圖Fig.3 Distribution map of lithologic thickness of single well in Z35 fault block

2 火山巖相及期次劃分

2.1 火山巖相

火山巖相研究是指導(dǎo)巖相劃分、地層對(duì)比及儲(chǔ)層評(píng)價(jià)重要的理論基礎(chǔ)。Z35斷塊火山巖整體噴發(fā)和分布形態(tài)具有以下特點(diǎn):1)垂向上巖性變化大,成巖性明顯;2)橫向上突變明顯,火山巖厚度和巖性變化大;3)爆發(fā)相的火山角礫巖集中分布在J25-23井和J27-25井區(qū)附近,這些井可能靠近火山口;4)邊部有些井火山巖厚度已經(jīng)減薄,向湖相沉積巖過(guò)度。Z35斷塊火山巖噴發(fā)方式既有中心式噴發(fā)也有裂隙式噴發(fā),所在區(qū)域斷裂發(fā)育或火山巖體中熔巖發(fā)育。從火山巖的空間展布來(lái)看,既有泛流玄武巖的特征,又具有火山錐的特征,整體符合層火山模式特征[8]。

火山巖相做為劃分火山相的基礎(chǔ)與依據(jù),隨著火山巖油氣藏勘探和開(kāi)發(fā)進(jìn)程的深入,火山巖相劃分也不斷深入[9]。多火山口的復(fù)合火山巖相劃分,主要以巖石特征和火山噴出物的產(chǎn)狀為依據(jù)?；鹕綆r相整體可以分為噴發(fā)沉積相、噴發(fā)相組、火山通道相和次火山相4個(gè)相組,其中噴發(fā)相組又細(xì)分為溢流相、爆發(fā)相和侵出相3個(gè)相。

Z35斷塊火山巖巖相屬于噴發(fā)相組,縱向上分為雙層結(jié)構(gòu)(如圖4所示),下部為溢流相,上部為爆發(fā)相。雙層結(jié)構(gòu)是研究區(qū)火山爆發(fā)的一個(gè)特點(diǎn),從火山活動(dòng)的整體來(lái)看,早期以熔巖的溢流為主,后期火山的爆發(fā)逐漸增多?；鹕娇诰嚯x的遠(yuǎn)近影響了爆發(fā)相的分布,火山口周?chē)饕植蓟鹕浇堑[巖,距離火山口較遠(yuǎn)的區(qū)域主要分布凝灰?guī)r。溢流相內(nèi)部構(gòu)造分為3個(gè)部分,縱向上頂部位置氣孔含量多且氣孔帶發(fā)育厚度大,中間部分主要為致密玄武巖,底部區(qū)域氣孔帶變薄長(zhǎng),多為拉長(zhǎng)孔。橫向上火山口附近區(qū)域氣孔小且孤立,遠(yuǎn)離火山口的區(qū)域氣孔逐漸變少,中部氣孔最為發(fā)育[10]。

圖4 Z35斷塊火山巖巖相模式圖Fig.4 The lithofacies pattern of the volcanic rock of the Z35 fault block

2.2 火山巖期次劃分

充分利用地質(zhì)、測(cè)井和地震資料,在地層對(duì)比、火山巖相分布研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)其巖性、沉積旋回及電性特征,結(jié)合精細(xì)合成地震記錄層位標(biāo)定的結(jié)果及地震反射特征和地震層序,考慮地層厚度和沉積充填的總趨勢(shì)(加厚或減薄方向)進(jìn)行綜合對(duì)比,研究區(qū)沙三段火山巖自下而上劃分為3期(Ⅰ期、Ⅱ期和Ⅲ期)。Ⅰ期分布在沙三段下部,Ⅰ期火山巖僅有Z66井鉆遇了厚層的溢流相玄武巖,其他井或者因?yàn)榫钤驔](méi)有鉆穿。Ⅱ期在沙三段中部,厚度橫向變化較大且整體偏小,主要為溢流相,Ⅱ期火山巖上部有一套穩(wěn)定連續(xù)分布的泥巖,是與Ⅲ期火山巖之間的良好隔層。Ⅲ期火山巖分布最廣泛,全區(qū)井均有鉆遇,且溢流相和爆發(fā)相厚度都較大,是主力儲(chǔ)層。根據(jù)Ⅲ期火山巖內(nèi)部特征及隔層分布情況,將其進(jìn)一步劃分為Ⅲ-1期和Ⅲ-2期2個(gè)亞期(如圖5所示)。

圖5 火山巖期次劃分示意圖Fig.5 Schematic diagram of volcanic rock stage division

Ⅲ期火山巖厚度等值圖較為形象的展示了火山巖體的分布形態(tài),越靠近火山口位置火山巖厚度越大,越遠(yuǎn)離火山口位置火山巖厚度逐漸變薄。從不同期次火山巖厚度分布圖來(lái)看,J25-23井和J19-23井存在明顯的2個(gè)厚度高值(如圖6所示),附近存在2個(gè)火山口,熔巖從火山口流出后沿著當(dāng)時(shí)的古地勢(shì)由高向低流動(dòng),流動(dòng)的主要方向一個(gè)是北偏西向,另一個(gè)是北東—南西向。

圖6 Ⅲ期火山巖厚度分布圖Fig.6 Thickness distribution map of stage III volcanic rocks

3 火山巖微相劃分

火山巖亞相即爆發(fā)相和溢流相,亞相的劃分可以用爆發(fā)指數(shù)E來(lái)表示,爆發(fā)指數(shù)越大,說(shuō)明火山爆發(fā)強(qiáng)度越大,并可能成為火山噴發(fā)中心,若E>0.5,則屬于爆發(fā)相,E<0.5,則劃分為溢流相[11-12]。

微相的劃分可用亞相劃分類(lèi)似方法表示為:

En=Hn×100/(Hn+Hj+Hq+Hz)

(1)

式中:En為凝灰?guī)r微相指數(shù);Hn為凝灰?guī)r的厚度;Hj為火山角礫巖的厚度;Hq為氣孔玄武巖的厚度;Hz為致密玄武巖的厚度。

根據(jù)式(1)可以得到氣孔玄武巖微相指數(shù)Eq,火山角礫巖微相指數(shù)Ej,凝灰?guī)r微相指數(shù)En和致密玄武巖微相指數(shù)Ez,取Ex=max{En,Ej,Eq,Ez}就可以劃分對(duì)應(yīng)的微相。利用該方法劃分出氣孔玄武巖微相、火山角礫巖微相、凝灰?guī)r微相和致密玄武巖微相4個(gè)微相。

1)氣孔玄武巖微相:主要巖性為氣孔玄武巖,包含部分杏仁狀玄武巖,分布在溢流相的頂部,巖流單元厚度為1.0～17.5 m,厚度變化大。氣孔或杏仁狀玄武巖主要分布在巖流單元頂部,構(gòu)造含量一般為30%～40%,形狀不規(guī)則。底部的扁平氣孔及杏仁狀玄武巖,其氣孔和杏仁構(gòu)造含量較少,一般為18%～27%,以扁平狀為主。

2)火山角礫巖微相:主要巖性為火山角礫巖,顆粒粗大,粒徑大于2 mm,平面上一般火山角礫巖距火山口最近,通常圍繞火山口分布。火山角礫巖是火山強(qiáng)烈爆發(fā),頂板及圍巖受沖擊力作用形成大量裂縫裂紋時(shí)的產(chǎn)物,氣孔較為發(fā)育。

3)凝灰?guī)r微相:主要巖性為凝灰?guī)r,是具有凝灰結(jié)構(gòu)且粒徑小于2 mm的火山碎屑細(xì)顆粒,玄武質(zhì)是巖屑的主要成分,一般分布在遠(yuǎn)離火山口的區(qū)域。

4)致密玄武巖微相:主要巖性為致密玄武巖,巖石顏色主要呈黑色或深灰色,少量綠灰或綠黑色,氣孔和杏仁等構(gòu)造含量少,結(jié)晶較粗,孤立狀分布,一般分布在溢流相的中間區(qū)域。

圖7 火山巖微相分布圖Fig.7 Distribution map of volcanic rock microfacies

圖8 火山巖微相累產(chǎn)分布圖Fig.8 Cumulative production distribution map of volcanic rock microfacies

4 地質(zhì)意義

大港探區(qū)內(nèi)發(fā)育各種類(lèi)型的火山巖油氣藏,勘探潛力巨大。從巖性上來(lái)說(shuō),大港探區(qū)爆發(fā)相火山碎屑巖、溢流相玄武巖和侵入相輝綠巖都有形成油氣藏的實(shí)例。據(jù)統(tǒng)計(jì),81.7%的探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量分布在火山巖溢流相氣孔玄武巖儲(chǔ)層中,爆發(fā)相火山碎屑巖占10.3%,次火山巖相和淺成侵入相占8.0%。不同巖性火成巖油藏之間儲(chǔ)集性能及儲(chǔ)集空間類(lèi)型差異明顯,玄武巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間主要有原生孔隙、溶蝕孔洞和構(gòu)造裂縫;火山碎屑巖主要儲(chǔ)集空間為原生粒間孔、角礫間孔和基質(zhì)孔;輝綠巖儲(chǔ)集空間有原生節(jié)理縫、構(gòu)造縫和蝕變縫等。

不同火山巖油藏之間巖性和儲(chǔ)集性能差異明顯,火山巖儲(chǔ)層類(lèi)型、油氣來(lái)源及相應(yīng)的油氣運(yùn)移能力決定了火山巖能否成藏。Z35斷塊沙三段火山巖巖性識(shí)別成果可以為大港探區(qū)火山巖勘探提供有利方向:1)近源組合巖性油氣藏,即火成巖整體為烴源巖所包圍,同時(shí)烴源巖又是形成火成巖圈閉的封閉條件,該類(lèi)成藏條件中對(duì)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可以低些;2)斷層溝通組合的構(gòu)造-巖性油氣藏,該類(lèi)組合中過(guò)多地強(qiáng)調(diào)了斷層,其意義在于斷層溝通了油氣來(lái)源,還可造成落差致使火山巖儲(chǔ)集體與烴源巖側(cè)向?qū)?還可以形成裂縫做為溝通原生氣孔的喉道,而且還可形成局部構(gòu)造高點(diǎn)等;3)斜坡帶經(jīng)裂縫改造形成的巖性油氣藏,該類(lèi)組合強(qiáng)調(diào)巖性為主,因?yàn)榫植扛唿c(diǎn)或上傾尖滅等都是巖性圈閉形成的,強(qiáng)調(diào)裂縫改造是因?yàn)橐缌飨嗟脑鷼饪仔枰芽p來(lái)溝通才能形成高品質(zhì)的儲(chǔ)層。

從目前大港探區(qū)火山巖的勘探形勢(shì)來(lái)看,已鉆的BX5井、BX24井及BX28井等試油獲高產(chǎn)工業(yè)油流,火山巖的有利相帶可做為油氣集聚的有利單元,在海域?qū)ふ医葱突鹕綆r油氣藏具有較高的可行性。根據(jù)大港探區(qū)火成巖巖性識(shí)別及分布規(guī)律預(yù)測(cè),在與張家口—蓬萊基底斷裂相連通的歧中、歧東斷層做為火山通道,其周邊還應(yīng)發(fā)育有一批火山巖,因此伴隨著相關(guān)技術(shù)手段的投入,可以刻畫(huà)出更準(zhǔn)確的火山巖體。

5 結(jié)論

1)研究區(qū)火山巖儲(chǔ)層的巖石類(lèi)型主要有熔巖和火山碎屑巖2大類(lèi),巖性主要包括氣孔玄武巖、火山角礫巖、凝灰?guī)r和致密玄武巖。通過(guò)測(cè)井多參數(shù)圖版交會(huì)法建立火山巖巖性識(shí)別標(biāo)準(zhǔn),從而識(shí)別未取心井的巖性,為噴發(fā)期次、小層對(duì)比以及巖相劃分奠定了基礎(chǔ);

2)根據(jù)巖性分布特征,提出研究區(qū)沙三段火山巖分布符合層火山模式特征,火山巖多期次反復(fù)噴發(fā)既有裂隙式噴發(fā)特征也有中心式噴發(fā)特征。火山巖劃分為3個(gè)期次(Ⅰ期、Ⅱ期和Ⅲ期),Ⅱ期和Ⅲ期是主要含油儲(chǔ)層,為后期開(kāi)發(fā)層系劃分及開(kāi)發(fā)方式優(yōu)選提供了地質(zhì)依據(jù);

3)根據(jù)巖性分布及其空間分布特點(diǎn),建立了研究區(qū)噴發(fā)相火山巖巖相模式,利用爆發(fā)指數(shù)和微相指數(shù)方法將火山巖劃分為溢流相、爆發(fā)相2個(gè)亞相和4個(gè)微相,其中溢流相的氣孔玄武巖、爆發(fā)相的凝灰?guī)r范圍內(nèi)的井累產(chǎn)油較高,為后期井位的部署、調(diào)整提供了方向。