辽河坳陷东部凹陷沙三段火成岩成因及储集特征

2014-11-28胡振华

油气地质与采收率 2014年4期

胡振华

（中国石油辽河油田公司，辽宁盘锦124010）

近年来，中外火成岩研究和勘探工作取得一系列进展［1-2］，如印尼查蒂巴朗安山岩、日本吉井流纹岩、克拉玛依玄武岩、济阳坳陷辉绿岩和松辽盆地深层火成岩等均获得工业油气流［3］。火成岩是特殊类型油气储层，非均质性较强，研究难度大。随着火成岩油气藏的勘探实践，积累了较为丰富的资料和经验，为进一步研究火成岩成因奠定了基础。辽河坳陷东部凹陷沙三段火成岩勘探也获得成功［4］，但在火成岩成因和有利储层控制因素等方面还有待进一步研究，以期为火成岩深入勘探提供更确凿的理论依据。

1 区域地质概况

辽河坳陷位于华北板块东北缘，渤海湾盆地北端，是中、新生代发育起来的裂谷型盆地。新生代辽河坳陷可划分为西部凹陷、东部凹陷、大民屯凹陷、中央凸起、西部凸起和东部凸起6个构造单元，呈北东向展布［5］。东部凹陷北抵头台子，南至辽东湾，长度约为140 km，宽度为18～30 km，面积约为3 300 km2；在前古近系基底的构造面貌基础上，经历了裂谷、走滑、拗陷等演化阶段，并伴随着主干断裂活动，火山岩分布广泛。研究区火山活动分为3个旋回［6］：第1旋回发生在古近纪早期；第2旋回发生在古近纪中期，即沙三段沉积时期，也是火山活动强烈期；第3旋回发生在古近纪晚期。

2 火成岩特征及成因

2.1 岩石学特征

东部凹陷沙三段火成岩类型多、次生变化大、特征各异。通过岩心和岩屑系统观察、岩石薄片鉴定和岩石化学分析资料，可划分为熔岩、脉岩和火山碎屑岩3大类。其中绝大多数为熔岩类的喷出岩，如玄武岩、粗面岩、粗安岩、安山岩等，常见到火山角砾岩和辉绿岩。

粗面岩斑晶发育，具有粗面结构。岩石呈灰绿、黑绿及黑灰色等多种颜色，斑晶为透长石和斜长石，呈柱状或板条状有规律排列。岩石标本宏观上表现为块状、坚硬、致密等特征，密度较玄武岩低，现已钻遇的亚类有粗面质角砾熔岩、角砾化粗面岩和粗面岩3种类型，以粗面岩为主。

安山岩为中性火山熔岩，岩石多为浅灰色，风化面呈灰绿色或灰紫色，半晶质结构，常见斑状结构，有时为玻基斑状结构，斑晶矿物主要为斜长石，其次为辉石、暗化的角闪石和黑云母。基质常由微晶斜长石和少量辉石、磁铁矿等构成交织结构，有时为霏细质或玻璃质。常见块状、流动构造或气孔、杏仁构造。

玄武岩属基性熔岩类，岩石颜色较深，主要为灰黑色和深绿灰色，风化面呈紫红或深褐色，多为半晶质结构，具有斑状结构，基质为间粒和间稳结构，主要为中基性斜长石、易变辉石和普通辉石等。斑晶矿物成分主要为基性斜长石、单斜辉石、斜方辉石和橄榄石等，常见块状构造、气孔、杏仁构造。

辉绿岩呈岩脉状产出，岩心为灰白与灰黑色混杂以及浅绿灰色，具典型的辉绿结构，个别为嵌晶含长结构。斜长石呈自形—半自形长条状，普遍发育双晶，普通辉石为半自形—它形。次生变化主要为绿泥石化，辉石可见绢云母化。

通过全岩分析并利用火成岩中的SiO2，K2O和Na2O含量及关系对东部凹陷沙三段岩性进行分类命名。样品的元素化学分析资料表明，SiO2含量为45.5%～61.4%，平均值为52.5%，K2O和Na2O含量为4.2%～12.8%，平均值为8.2%。由全碱与SiO2确定的TAS图（图1）可见，岩石主要分布在粗面岩—粗面英安岩区、粗面安山岩、粗面玄武岩和玄武岩4个区域，呈偏碱性。其中黄沙坨地区岩性比较均一，集中分布在粗面岩—粗面英安岩内；欧利坨子和热河台地区的火成岩岩性变化较大，投点零散，在钙碱性系列中的玄武岩—粗面岩区均有分布。

图1 东部凹陷沙三段火成岩分类

2.2 喷发模式

火成岩喷发模式对于认识其成因、预测有利储层分布都有重要的意义。盆地构造性质是喷发模式的主要控制因素，如准噶尔盆地西北缘五彩湾地区石炭系火山岩以裂隙式喷发为主［7］，有观点认为松辽盆地营城组火成岩单个火山机构主要是中心式喷发，整体上受区域大断裂控制成串分布［8］；但也有观点认为以裂隙式喷发为主，以中心式喷发为辅［9］。辽河坳陷东部凹陷沙三段属于断陷盆地，主要发育裂隙式多旋回喷发模式。从热河台—于楼地区火成岩厚度与断层的关系（图2）可见，火成岩体具有明显的不对称性，沿断层走向厚度比较稳定，而垂直断层走向，岩体主要分布在下降盘，上升盘岩体厚度急剧减薄或没有分布，说明火成岩分布受主干断层控制，具有裂隙式喷发的特点。通过对相干体时间切片、地震属性平面分布和地震相分析，在南部红星—沟沿地区发现火山岩体呈椭圆状分布，火山口一般位于断层交汇处的构造薄弱带，岩浆顺着通道向上喷发，形成一个锥形火山岩体。

图2 东部凹陷红星火成岩厚度与喷发模式关系

根据火山作用特点，采用从期次到岩相的方式研究其喷发模式。把沙三段火成岩划分为沙三段上亚段和沙三段中亚段2期，每期又由若干次喷发组成。在每次喷发早期，岩浆积蓄能量较大，主要以爆发作用方式形成的岩相为主；喷发中期，强度减弱，喷发相对平衡，形成大面积的溢流玄武岩；临近结束时，形成火山和正常沉积作用的混合产物。相应地形成一次爆发相—溢流相—火山沉积相的喷发模式。

通过岩心观察、薄片鉴定和测井曲线特征分析，红星火成岩体呈锥状，岩浆延伸不远。爆发相集中在火山口附近，中间部位主要为溢流相，最边缘为火山沉积相，向外逐渐过渡为碎屑岩沉积相。爆发相岩性混杂，主要为火山碎屑岩、角砾岩和碱性玄武岩，测井曲线表现为低密度、低中子和高电阻率特征，密度和中子曲线呈铰合状。溢流相岩性均一，主要为碱性玄武岩，块状构造，气孔发育且定向排列，具有低自然伽马、高密度、高中子的测井曲线特征。溢流相顶部因玄武岩发生蚀变，测井曲线表现为自然伽马增高、电阻率降低的特征。钻探证实火成岩发育具有多期叠置的锥状结构模式，有利相带重复，内幕存在多套储盖组合，具备形成复式火成岩油藏的有利条件。

2.3 分布特征

辽河坳陷东部凹陷沙三段沉积时期发育多个火成岩体，成群分布，面积约为385 km2。分布特征明显受主干断层的控制，平面上呈串珠状，厚度中心各自独立。由北向南在黄沙坨—欧利坨子—热河台—于楼—红星—大平房等地区发育了多个巨厚的火山岩体（图3），岩性以粗面岩、玄武岩为主，最大厚度为700 m，向东西两侧逐渐减薄。

图3 东部凹陷沙三段火成岩分布

纵向上，东部凹陷中南段大平房—欧利坨子火成岩对比剖面（图4）揭示了火成岩锥状分布，由沙三段—沙一段—东营组火成岩具有多期叠加的特点，火山口具有明显的继承性。北部受界西断层控制，欧利坨子地区火成岩岩性为互层状粗面岩、玄武岩；中部热河台、于楼地区为薄层状安山岩；南部受驾掌寺断层控制，红星地区钻探为厚层块状的玄武质火山角砾岩；大平房和沟沿地区东营组与沙一段见到大套的玄武岩，下部为厚层火山岩。

图4 东部凹陷中南段大平房—欧利坨子火成岩对比剖面

2.4 成因机制

东部凹陷沙三段沉积时期为喜马拉雅运动Ⅰ幕作用期，太平洋板块对欧亚板块的俯冲由北北西转为北西西向，郯庐断裂带由左旋走滑转为右旋走滑。由于区域应力场发生变化，受到北西—南东向的拉张应力作用，处于张剪性应力环境，伸展作用十分强烈。由北往南沿界西断裂、驾掌寺断裂和二界沟断裂发生一连串的火山喷发，形成广泛分布的火成岩。

火山岩有规律地沿断裂分布，以北东向主干断裂控制火山活动为主，北南和东西向断裂较少。火成岩的分布受控于深大断裂（驾掌寺断裂和界西断裂），靠近断裂厚度最大，延伸方向与断裂走向一致（图3），表明火成岩的发育是紧紧依附于断裂的。断裂的古落差、生长指数、活动速率等参数的最大处均与火成岩的最厚处相一致（图3），断裂交叉处的薄弱带是火山通道或火山口的位置所在。

稀土元素和同位素特征也是研究火成岩成因机制的标志［10］。玄武岩的稀土总量为 95.4×10-6～147.1×10-6，（La/Lu）CN为7.7～12.1；辉绿岩的稀土总量为98.3×10-6～125×10-6，（La/Lu）CN为6.9～7.3；粗面岩的稀土总量为 138×10-6～2 288×10-6，（La/Lu）CN为8.9～17.5。3类岩石的稀土配分曲线均具有轻稀土富集的特点，为明显的右倾形式，反映出相似的源区环境，表明具有同源岩浆的可能性。3类岩石稀土总量不同，体现出各自的差异性。玄武岩成分更接近源区，来源深度较深；粗面岩的稀土总量最高，并出现了明显的Eu负异常，是同源岩浆分异演化的结果，来源深度较浅。由此说明，断裂切割不同深度的岩浆源区，会形成不同岩性的火成岩体。

在原始地幔岩浆中锶的含量很低，如果有地壳物质混入，即使其量甚微，也会使87Sr/86Sr值明显升高。据东部凹陷火成岩岩石Sr—Nd同位素结果分析，玄武岩的143Nd/144Nd值较高，εNd为2.3～2.8，初始87Sr/86Sr值（0.704 56～0.704 68）较低；粗面岩的初始87Sr/86Sr值为0.704 6～0.704 9，εNd为1.4～1.9；辉绿岩的143Nd/144Nd值较低，εNd为-2.8～-0.7，初始87Sr/86Sr值较高，为0.705 7～0.706 7。分析其原因可知，玄武岩源于深部地幔岩浆；粗面岩经过分异，深度变浅；辉绿岩则有较强的地壳物质混染。

3 储集特征

火成岩属裂缝—孔隙型储层，以构造缝和溶蚀孔隙为主。从东部凹陷红22井和欧48井的岩心中可以看到多组高角度裂缝含油，证实了构造裂缝对改善火成岩的储集性有重要意义。

东部凹陷形态狭长、构造强烈、应力集中，火成岩易形成裂缝［11］。构造作用是改善火成岩物性的主控因素：一方面，构造活动可诱发产生大量裂缝，裂缝相互连通使渗透率提高几个数量级；另一方面，构造活动促进了地下流体活动，使长石杏仁体及充填的碳酸盐等易溶物质被溶解，形成各种溶蚀孔隙，是东部凹陷火成岩重要的次生储集空间类型。

有利岩性和岩相条件仍然是十分重要的因素［12-13］，东部凹陷火成岩含油储层基本以粗面岩为主。岩石三轴压缩实验结果表明，在同样作用力下，裂缝的发育程度及裂缝开度随着浅色矿物含量的增加而增加。粗面岩矿物成分主要以正长石为主，属于浅色矿物，易形成裂缝。

火成岩勘探证实岩相带对火成岩储层发育程度与油气成藏具有一定控制作用（表1）。从表1中可以看出不同火成岩岩相带、储层发育程度及产能之间的关系，红22和红23等井处于火山爆发相带，其储层发育，油气富集，基质孔隙度分别为8.9%和10.3%。截至2011年底，红22井累积产油量为1 061 t，累积产气量为1 216×104m3；红23井累积产油量为678.9 t，累积产气量为93.6×104m3。而处于火山沉积相带内的红24和大46井，储层不发育，物性较差，基质孔隙度分别为4.4%和3.2%，仅见油气显示。

表1 辽河坳陷东部凹陷南段沙三段火成岩储集性能

东部凹陷沙三段火成岩处在烃源岩中，有利相带的储层与烃源岩直接接触，源储相通，配置有利。在烃源岩生烃膨胀力的作用下，易产生异常高压，从而推动油气沿着断裂或裂缝突破毛细管力向深层火成岩充注。在断裂活动过程中，构造应力改善了火成岩物性，形成裂缝储集空间，并带动油气从高势区的烃源岩沿着断裂大量运移。火成岩储集物性不受埋深和压实作用控制，对天然气而言，成藏物性下限降低，在深层亦可以形成气藏；受火成岩内幕多套储盖组合的影响，可形成复式油藏。

4 结论

辽河坳陷东部凹陷沙三段发育多个呈串珠状分布的火成岩体，空间上表现为孤立的锥状。火成岩分布受控于断层，具有裂隙式喷发、多期叠加的特点。火成岩的成因受控于主干断裂，断裂强度和断距控制火成岩体的规模、岩性变化；构造薄弱带是火山口的位置所在，断裂切割不同深度的岩浆源区，会形成不同岩性的火成岩体。火成岩属裂缝—孔隙型储层，构造裂缝和溶蚀孔隙是其主要储集空间。构造作用强度、岩性、岩相条件是控制储层优劣的主要因素：构造活动强烈带裂缝发育程度优于弱活动带；粗面岩优于安山岩、玄武岩；爆发相优于溢流相、火山沉积相。辽河坳陷东部凹陷火成岩体发育，与深部优质烃源岩侧向接触，有利于形成复式油气藏，是开展深层火成岩勘探的重点目标区。

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