准噶尔盆地克—百断裂带石炭系深部岩性岩相及时空分布特征

靳　军，王　剑，刘　金，吐逊阿依·吐拉洪，季汉成，贾海波，房　超，李　晨

(1.新疆油田公司 实验检测研究院，新疆 克拉玛依　834000；2.中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京　102249)

克—百地区断裂带(以下简称克—百断裂带)上盘石炭系火山岩油藏为中国最早发现的火山岩油藏。自20世纪50年代发现以来,一直表现出蓬勃的生命力,勘探的重点为风化壳储层。目前发现的油藏超过90%位于石炭系风化壳上,油藏距石炭系顶面0～300 m[1-6]。2016年5月19日,白861井在距石炭系不整合面1 500 m之下试油获得日产13.92 t的工业油流,表明风化壳之下的深部火山岩具有较大的油气勘探潜力。但是，目前对研究区石炭系深部火山岩岩体内部储层基本特征的研究尚处于空白阶段，极大制约了勘探生产的步伐。因此,针对其岩性岩相及时空分布特征的研究，对准噶尔盆地克—百断裂带石炭系勘探具有重要的理论基础意义。

1　研究区概况

克—百断裂带属于准噶尔盆地西部隆起西北缘冲断带的中段[7],以大侏罗沟断裂为界,其南为克拉玛依构造亚带,其北为百口泉构造亚带。整体表现为断阶构造模式,为“犁状”主断裂克拉玛依—南白碱滩—百口泉断裂的上盘[8-9]。克—百断裂带具体划分为一区、二区和九区等7个区块(见图1)。

研究区石炭系主要为火山岩地层,属于准噶尔盆地海西期褶皱基底的一部分,形成于晚石炭世,与上覆中三叠统克拉玛依组地层呈角度不整合接触。在晚海西—印支期强烈挤压、推覆作用下,石炭系地层经历了长期风化剥蚀和淋滤改造,在距顶面0～300 m深度段形成了厚度不一的风化黏土层和风化淋滤带(风化壳)[10-12]；风化壳下部为火山岩深部岩体,可分为多个火山喷发旋回,各旋回之间以沉积夹层为界。本文着重对距石炭系顶面300 m以下的深部岩体进行岩性岩相及分布特征方面的研究。

图1　克—百断裂带构造分区图Fig.1　Structure division of Ke-Bai fracture zone

2　岩石学特征

克—百断裂带上盘石炭系火山岩普遍经历了较大埋深后又遭受强烈的构造抬升并接受改造[13-15],因此储层岩性比较复杂。根据72口取心井的岩心分析,研究区深部石炭系主要发育火山岩,其次为沉积岩和变质岩。

2.1　火山岩

克—百断裂带上盘石炭系火山岩属于基性—中性火山岩,分属亚碱性和碱性两个系列。依据火山岩的结构成因-化学成分-矿物成分-特征结构-火山碎屑粒级综合分类方案,火山岩分为以下5大类和13小类。

2.1.1次火山岩类次火山岩是在火山喷发过程中,岩浆的喷溢受阻而停留在地下较浅处的裂缝或层间空隙中冷凝形成的岩石。研究区次火山岩发育基性(玄武玢岩)和中基性(玄武粗安斑岩)两类岩石。次火山岩整体显斑状结构,基质具间隐结构或交织结构,岩体边部可见气孔和杏仁构造(见图2A)。

2.1.2火山熔岩类火山熔岩是岩浆物质通过火山作用中的溢流方式在地表形成的火山岩。研究区发育基性、中基性和中性3类火山熔岩。基性火山熔岩以玄武岩为主,多为隐晶斑状结构,基质发育间粒结构和间隐结构(见图2B)。中基性火山熔岩以斑状玄武粗安岩为主,基质具有粗面结构、间粒间隐结构等,气孔和杏仁构造发育。中性火山熔岩以安山岩为主(见图2C)。

2.1.3火山碎屑熔岩类火山碎屑熔岩类为火山碎屑岩向熔岩过渡的类型。研究区发育基性、中基性和中性3类火山碎屑熔岩,分别以玄武质角砾熔岩(2～64 mm)和玄武安山质角砾熔岩和粗安质角砾熔岩为主。火山碎屑熔岩类岩石除发育熔结结构、斑状结构,假流动构造外,还显示有熔岩结构构造,如斑状结构、隐晶质结构、交织结构以及气孔和杏仁构造等(图2D)。

2.1.4火山碎屑岩类火山碎屑岩是由火山爆发作用形成的同期火山碎屑物质,经空气或水介质的搬运、堆积、固结而成的岩石。研究区发育中基性火山碎屑岩和中性火山碎屑岩两类。岩石均以晶屑凝灰岩为主,发育晶屑凝灰结构,火山碎屑组分全部为长石等刚性碎屑(见图2E)。不同之处在于，中基性火山碎屑岩碎屑以暗色岩的岩屑为主,而中性以中性岩岩屑为主。

2.1.5沉火山碎屑岩类沉火山碎屑岩类是正常火山碎屑岩类和沉积岩类之间的过渡岩石类型。研究区以沉火山角砾岩(粒径>2 mm)和沉凝灰岩(粒径<2 mm)为主,沉火山岩含有小于50%的正常的沉积物,颗粒具有次棱角—次圆状磨圆,显示经过了一定距离的搬运(见图2F)。

2.2　其他岩类

研究区除火山岩外还发育沉积岩和变质岩。沉积岩有砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩(见图2G),为火山喷发间歇期或间断期形成的由水流搬运并沉积形成。

变质岩按照其成因可分为区域变质岩和动力变质岩2大类。研究区区域变质作用弱,发育有变质砂岩、变质粉砂岩和变质泥岩。变质岩主要是早期泥岩、粉砂岩、凝灰岩及砂岩在深埋期由于温度和压力的增加,变质形成的；重结晶不明显或极轻微,镜下可见有部分绢云母、绿泥石；具变余层理(见图2H)。动力变质岩以断层角砾岩为主(见图2F),其属于“构造破碎”成因的岩石,主要发育在构造应力集中的断层区域；原岩受应力作用破碎成角砾状,而后被细屑或外来物质胶结(见图2I)。

3　岩相特征

火山岩岩相的研究,不仅能够揭示火山岩的时空展布规律,而且还能揭示不同岩性组合之间的成因联系[16],为古火山结构的恢复和储层分布研究提供重要的依据[14,17]。克—百断裂带石炭系主要发育火山岩相，其次为沉积岩相和变质岩相。火山岩岩相的划分有多种方案[18],结合前人的划分方案和研究区的实际情况,将研究区火山岩相组划分为次火山相、爆发相、溢流相和火山沉积相4种，并进一步细分为6种亚相。

3.1　火山岩相的类别

3.1.1次火山相次火山相主要位于火山机构下部几百米到1 500 m左右,代表岩性为玢岩和斑岩，具有岩墙、岩株等侵入岩的产状，主要形成于火山作用晚期。研究区钻遇次火山岩相的井很少,岩性以玄武玢岩和玄武粗安岩为主。

3.1.2爆发相爆发相是火山爆发所产生的各种火山碎屑物在不同的环境下，经成岩作用形成的各类火山碎屑岩,以火山早期及喷发高潮时最为发育。研究区石炭系内幕火山岩包括空落亚相(下部)和热碎屑流亚相(上部)两种类型。空落亚相发育,岩性以火山碎屑类晶屑凝灰岩为主;热碎屑流亚相不发育,岩性主要为火山碎屑熔岩。

完整的爆发相组合测井曲线形态总体表现为齿状—微齿状箱形或钟形—漏斗复合形态。爆发相内部空落亚相多具有中自然伽马、中电阻率特征,自然伽马曲线具有高幅指状的形态,电阻率曲线具低幅齿状箱形,局部呈高幅指状钟形;热碎屑流亚相具低—中自然伽马,中电阻率特征,自然伽马呈钟形,电阻率曲线具齿状形态。

地震剖面上，爆发相表现为中—弱振幅、相对高频、中—差连续性的杂乱反射特征,多呈丘状或楔状外形,平面相变较快。

A 中基性次火山岩(玄武粗安斑岩),斑状结构,杏仁构造,古37井,1 254.50～1 254.60 m;B 基性火山熔岩(玄武岩),隐晶斑状结构,基质具间隐结构,正交光(+),古37井,962.3 m;C 中性火山熔岩(安山岩),微晶和玻基交织结构,单偏光(-),古50井,1 522.4 m;D 中性火山碎屑熔岩(粗安质角砾熔岩),火山角砾被熔浆胶结,见熔岩的气孔和杏仁构造,单偏光(-),白29井,2 013.71 m;E 中基性火山碎屑岩(玄武安山质凝灰岩),暗色岩屑为主,发育长石、辉石和角闪石斑晶,具凝灰结构,正交光(+),白861井,2 092.14 m;F 沉火山角砾岩,火山角砾含量大于30%,磨圆度较好,古66井,673.35～673.45 m;G 砂岩,次圆滚圆状,具层理构造,白30井,1 873.50～1 873.55 m;H 变质粉砂岩,重结晶作用不明显,具变余层理,单偏光(?),古50井,1 358.62 m;I 断层角砾岩,原岩破碎成角砾状被细碎屑和方解石胶结,古31井,205.3～205.4 m。图2　石炭系岩性特征Fig.2　Characteristics of lithology in Carboniferous volcanic rocks

3.1.3溢流相溢流相是炽热的岩浆自火山口向外溢流形成的各类熔岩,多形成于火山强烈爆发以后。研究区溢流相发育,垂向上具有一定的成层性,分为上部和下部亚相,主要为火山熔岩类岩石。下部亚相的代表岩性为玄武岩和安山岩等,位于流动单元或冷凝单元的下部,原生孔隙不发育,岩石脆性强,裂缝容易形成和保存。上部亚相代表岩性为气孔杏仁玄武岩、气孔杏仁安山岩,位于流动单元或冷凝单元的上部,原生孔隙较发育。

溢流相的测井曲线总体较平滑,曲线形态以微齿状箱形或钟形为主。下部亚相以低自然伽马、低声波时差、低密度、低中子和高电阻率为特点,形态为弱齿化箱形;上部亚相与下部亚相曲线特征相似,但自然伽马和中子较下部略有增加,曲线形态以齿化箱形为特征。

地震剖面上，溢流相表现为中—弱振幅、中—低频率、连续性相对较好的地震反射特征,平行—亚平行地震反射结构,整体呈层状、透镜状外形,分布较稳定。

3.1.4火山沉积相火山沉积相是沉积岩与火山岩共生的一种岩相,多形成于爆发间歇期或火山旋回的后期,距离火山口较远[19]。研究区火山沉积相分布范围非常广泛,代表岩性为沉火山凝灰岩和沉火山角砾岩,火山碎屑具有一定的磨圆,多与其他火山岩互层或以夹层形式出现。沉火山凝灰岩中，水平及平行层理发育,局部出现砾石细层。

火山沉积相测井曲线总体以中自然伽马、低—中电阻率为特点。自然伽马为齿化钟形和箱形,电阻率曲线以齿化箱形或指形为主；同时，自然伽马曲线与电阻率曲线呈镜像关系。

3.2　其他岩相

研究区石炭系地层在火山活动间隙期沉积岩相发育,且以扇三角洲相为特征,发育有扇三角洲平原、扇三角洲前缘和前扇三角洲3个亚相,分别对应沉积岩中的砾岩、砂岩和粉砂-泥岩。

沉积岩相测井曲线总体以低—中自然伽马和中电阻率为特点。扇三角洲平原亚相以齿状的低自然伽马和微齿状的低电阻率为特点;扇三角洲前缘亚相以钟形低—中自然伽马和齿化钟形低—中电阻率为特点;前扇三角洲亚相以高幅指状的中自然伽马和齿状低电阻率为特点。地震剖面上，沉积相组以上超充填为主,多具有层状外形特征,表现为顶底强反射,内部中—弱振幅、中—高频率、中等连续性的平行—亚平行反射特征。

变质岩相主要涉及的是深埋期区域浅变质形成的变质砂岩和变质泥岩,其测井曲线以高幅指状的中—高自然伽马和高幅指状—箱状的中—高电阻率为特点,且电阻率曲线和自然电位曲线镜像对应。地震反射具有低频率、弱振幅、不连续的特点,反射外形不一致,多呈穹状。研究区钻遇断层角砾岩的井较少,且钻揭厚度较少,代表性较差。

4　岩相分布特征

通过取心井岩性岩相分析,以岩相-测井识别模板为依据,对克—百断裂带上盘石炭系17口井进行岩相及亚相划分。在地层旋回格架的基础上,根据岩相的地震响应特征,以测井解释结果为约束，对地震剖面上的岩性岩相进行识别,并在此基础上对各个旋回的岩性岩相的空间分布特征进行研究。

4.1　岩性岩相垂向分布特征

从17口单井的岩性岩相分析来看,每个旋回底部多以溢流相的中性安山岩喷发开始,以火山沉积岩或沉积岩结束,部分井以爆发相凝灰岩形成单独一个喷发旋回。

钻井和测井岩相分析揭示的岩相组合主要有6种,分别为:① 爆发相-溢流相;② 溢流相-爆发相;③ 溢流相-火山沉积相/沉积相;④ 溢流相-爆发相-火山沉积相/沉积相;⑤ 爆发相-溢流相-火山沉积相/沉积相;⑥ 溢流相-次火山岩相。以白861井为例,其位于研究区西北部的九区,内部发育的岩相组合以溢流相-爆发相-火山沉积相/沉积相为主。含油层主要位于物性相对较好的爆发相和溢流相的火山岩相组中(见图3)。

4.2　岩性岩相平面分布特征

研究区第三旋回钻遇井达64口,对其进行了岩性岩相的平面分布特征研究。克—百断裂带石炭系火山岩溢流相在一区和黑油山区发育,在7西区古27井附近局部发育,岩性以安山岩为主,多沿克—百断裂带分布。北黑油山断裂与克—百断裂之间分布有少量溢流相玄武岩,同时，北黑油山断裂以北见少量爆发相的火山角砾岩分布。一般火山爆发多以粗粒的火山角砾岩和基性的火山熔岩开始,越靠近火山口,火山角砾岩和基性火山岩越多,因此推测火山口主体位于北黑油山断裂与克—百断裂之间。爆发相的空落亚相在六、九区和七东区发育,岩性主要为凝灰岩;热碎屑流亚相总体不发育。火山沉积相仅发育在北黑油山断裂以西的三区局部,岩性主要为沉凝灰岩,可能为古地貌低洼处(见图4)。

沉积相在九区越靠近东北部越发育,北东向上由扇三角洲平原亚相过渡到前扇三角洲亚相。区域变质成因的变质砂岩和变质泥岩主要在研究区西北部呈带状分布,为盆地西北缘多期推覆作用导致的区域变质作用所致[20-21](见图4)。这是因为火山间歇期，在远离火山口的位置，沉积碎屑岩较发育,在后期地层沿断裂叠瓦状推覆的过程中,逐渐被深埋,受温压的变化,碎屑岩发生了变质作用。因此，变质岩主要沿断裂带呈带状分布。受距离火山口远近和火山机构展布的控制,各单井火山岩、变质岩和沉积岩所占比例差别较大,具有明显的分区特征。具体表现为，一、二、六、七区内的单井火山岩相发育,靠近西北部扎伊尔山,变质岩相发育;沉积岩相在东北部九区的单井上发育。

图3　白861井综合柱状图Fig.3　Synthetic histogram of Bai 861 well

通过火山岩喷发序列、岩相组合关系的研究可知，研究区岩相发育模式表现为：火山爆发期以发育火山岩为主,静默期以沉积岩为主,深埋期以变质岩为主(见图5)。其中，深埋期的变质岩,岩性主要是变质砂岩和变质泥岩,主要是火山静默期的砂、泥岩在深埋的过程中浅变质而成；由于受强压实和变质作用,孔隙不发育,物性较差,裂缝也不甚发育,一般不作为储层(见图6)。克—百地区断裂带上盘石炭系主体上具有布里尼式喷发(爆炸式喷发)的特征,岩浆黏度大、爆发强烈,火山碎屑物常达90%以上,火山碎屑岩发育。由于爆发强烈及岩浆物质的大量抛出,常形成锥顶崩塌的破火山口,火山机构复杂。

图4　石炭系火山岩岩性、岩相平面分布图Fig.4　Lithology distribution of Carboniferous volcanic rocks

图5　石炭系岩相发育模式Fig.5　Lithofacies model of Carboniferous volcanic rocks

5　储集性能特征

火山岩的储集性能取决于孔隙和裂缝的发育程度,其中直劈缝和高角度缝对储层的物性改造贡献较大。根据研究区56口井共517个实测孔隙度以及实测渗透率统计结果可知，研究区不同岩性的物性特征存在较大差异,断层角砾岩和溢流相安山岩孔隙度最好。这是因为断层角砾岩因受构造作用孔隙和裂缝较发育,而安山岩,尤其是溢流相上部亚相安山岩气孔比较发育。其中，安山岩孔隙度在0.29%～39.56%,平均为12.79%,渗透率在(0.004～13 605)×10-3μm3,平均为157.5×10-3μm3(见图6)。不同岩性岩相裂缝发育程度不同。溢流相(下部亚相)安山岩、热碎屑流亚相火山角砾熔岩和动力变质成因的断层角砾岩，直劈缝和高角度缝密度较大,其中溢流相(下部亚相)直劈缝和高角度缝可达13条/m(见图6)。

图6　石炭系储层物性与岩性岩相关系图Fig.6　Relationship between reservoirs property and lithology-lithofacies in Carboniferous volcanic rocks

综合来看,研究区有利的火山岩储层为安山岩,一区、七区和黑油山区是该区下一步油气储层研究和工作的重点。

6　结　论

1)克—百断裂带上盘石炭系内幕岩性以火山岩为主,其次为沉积岩和变质岩。火山岩发育次火山岩、火山熔岩、火山碎屑熔岩、火山碎屑岩和沉火山碎屑岩5类岩石。内幕储层发育火山岩相、沉积岩相和变质岩相3个岩相组。火山岩相组发育次火山相、爆发相、溢流相和火山沉积相4种相类型,并可进一步细分为6种亚相。

2)石炭系内幕储层在空间分布上具有3个特点:① 每个旋回底部多以中性安山岩喷发开始,以火山沉积岩或沉积岩结束；②岩相发育模式表现为火山爆发期以发育火山岩为主,静默期以沉积岩为主,深埋期以变质岩为主，爆发期形成的火山碎屑岩在纵向上占有较大比重;③ 西北部靠近逆冲带附近，变质砂岩较发育,东南部靠近克—百断裂附近，火山熔岩及溢流相发育,东北部沉积岩较发育。

3)研究区有利的火山岩储层为溢流相安山岩,一区、七区和黑油山区是该区下一步油气储层研究和工作的重点。

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