莱州湾凹陷中生代火山岩岩性岩相特征与储层关系

2018-06-22刘晓健王清斌代黎明郝轶伟

石油地质与工程 2018年3期

刘晓健，王清斌，代黎明，郝轶伟

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459）

火山岩油气藏的勘探历史悠久，国内外陆续发现了大量火山岩油气藏[1–8]，美国、阿根廷、日本等30多个国家均有火山岩油气田被发现，国内准噶尔盆地、吐哈盆地、辽河盆地等多个盆地也相继获得多个火山岩油气勘探突破。目前，在全球范围内已发现300余个与火山岩有关的油气藏或油气显示[9]，探明的石油地质储量达18.38×108t，占全球石油地质探明储量的1%左右[10–11]，火山岩油气还处于较低勘探程度阶段。油气在火山岩中能否成藏与储层密切相关，而储层发育程度受火山岩岩性、岩相控制作用明显。冯子辉等[12]认为火山岩原生孔隙受岩性和岩相控制，后期成岩改造作用是决定原生孔隙不发育的火山岩能否成为有效储层的关键因素。侯启军[13]在对松辽盆地火山岩储层研究中认为火山岩结构和相带控制了储层展布，成岩作用和构造裂缝控制了储层的有效性。因此，确定火山岩岩性、岩相和岩石学特征，既是火山岩储层研究的基础，也是火山岩储层储集空间类型、分布规律及其成因机制研究的前提[14–15]。

渤海湾盆地中生代火山喷发强烈，火山岩分布基本覆盖了整个海域范围。渤海油田在多年火山岩油气勘探中，钻探了锦州20–2、秦皇岛30等多个中生代火山岩含油气构造，但至今尚未发现规模性油气藏。究其原因，海域受资料录取的限制，火山岩地震资料品质差，用地震资料识别火山岩相难度较大；另外，火山岩岩性复杂，储层非均质性强，对成藏规律还认识不清。尤其是在海上高勘探成本、少井、少岩心的情况下，对火山岩油气藏的勘探难度更大。2016年渤海油田在海域南部莱州湾盆地钻探了垦利16构造，发现高丰度油气藏，取得了中生界火山岩油气勘探的突破。本文通过岩心观察描述、铸体薄片、成像测井等资料，对垦利16构造中生代火山岩开展岩性识别和岩相类型划分，探讨了岩性岩相对储层的控制作用，并建立了该区火山岩相序以及不同岩性岩相与优质储层的响应关系，为该区火山岩油气勘探提供基础的地质资料。

1 区域地质背景

莱州湾凹陷位于渤海海域东南部，面积约1 780 km2，是中生界基底上发育的新生代断陷[16]，凹陷东为鲁东隆起区，西邻青东凹陷，南靠潍北凸起，北接莱北低凸起[17]（图 1），整体上是受东西两侧郯庐走滑断层和北部边界断层共同作用所形成，剖面上表现为北断南超、东断西超的地质结构[18]。始新世早期是盆地断陷形成期，始新世晚期到渐新世是盆地走滑作用阶段，盆地进一步发生渐进裂陷伸展，使断陷湖盆继续发展，新近纪是盆地凹陷形成阶段[19]。勘探实践证实，莱州湾凹陷是一个小而肥的富烃凹陷[20]，至今仍属于低勘探程度区，尚有较大勘探潜力。

2016年渤海油田钻探了莱州湾凹陷南斜坡垦利16构造，在中生界火山岩地层取得了较好的油气发现，该区中生界主要发育白垩系下统义县组，岩性以凝灰岩、火山角砾岩、安山岩和沉火山角砾岩为主。

图1 莱州湾凹陷构造地质概况

2 火山岩岩性特征

莱州湾凹陷中生界主要发育三大类岩石类型：火山熔岩（原地自碎角砾化熔岩、气孔杏仁安山岩和碎裂安山岩）、火山碎屑岩（凝灰岩、火山角砾凝灰岩和凝灰质火山角砾岩）和沉火山碎屑岩（沉凝灰岩和沉火山角砾岩）。

2.1 火山熔岩类

火山熔岩主要为安山岩，主要分布在垦利16构造的东部地区，岩石多为褐灰色和深灰色，斑状结构，岩石矿物成分主要由斑晶和基质组成，斑晶主要由斜长石、角闪石组成，斑晶蚀变严重，角闪石和斜长石表面均见绿泥石化、泥铁质化和白云石化，基质主要为大量板条状斜长石微晶，斜长石平行–半平行分布（图2a），局部见黑云母，镜下常见气孔–杏仁构造，部分气孔被绿泥石、白云石和铁白云石等矿物充填或半充填。按相带和结构不同分为原地自碎角砾化熔岩、气孔杏仁安山岩和碎裂安山岩。

2.2 火山碎屑岩类

火山碎屑岩是火山作用形成的各种火山碎屑堆积物经过“压实固结”而成的岩石[21]。研究区火山碎屑岩全区分布广泛，依据火山碎屑含量和碎屑物粒度分为凝灰岩、火山角砾凝灰岩和凝灰质火山角砾岩。凝灰岩蚀变强烈，岩屑主要为凝灰岩岩屑，晶屑主要为黑云母，见少量长石、石英，凝灰质可见伊利石化（图2b）。火山角砾岩主要由火山角砾和凝灰质组成，其中火山角砾占 60%～70%，凝灰质占30%～40%。角砾成分为安山岩，基质为凝灰质（火山玻璃质），镜下可见基质脱玻化作用较强（图2c）。

2.3 沉火山碎屑岩类

沉火山碎屑岩是火山碎屑岩和沉积岩的过渡类型，受火山作用和沉积改造双重控制，依据碎屑粒度可分为沉凝灰岩、沉火山角砾岩和沉积块岩。研究区沉凝灰岩主要为紫褐色，为氧化暴露环境，岩石成分主要由细小的晶屑、岩屑和火山尘组成，晶屑主要见长石和石英，岩屑主要为安山岩岩屑，碎屑颗粒不同程度的磨圆，晶屑岩屑含量约20%，凝灰质约80%。凝灰质多已蚀变为鳞片状、纤维状水云母。

沉火山角砾岩主要呈杂色，角砾成分复杂，主要为安山岩、凝灰岩，颗粒分选较差，火山角砾粒径一般2～4 mm，最大可达12 mm，呈棱角–次棱角状，岩石主要由火山角砾、岩屑、晶屑和细小的火山物质组成。火山角砾粗大，含量约占40%；晶屑主要见中性斜长石、石英，含量约10%；岩屑主要为安山岩和流纹岩岩屑，含量约占25%；细小的火山凝灰质，分布角砾间，含量25%左右（图2d）。

图2 莱州湾凹陷中生界不同岩性镜下显微特征

3 火山岩岩相特征

火山岩岩相研究对火山岩空间展布规律、古火山结构恢复及不同岩性之间的成因联系具重要意义[22–23]。海域火山岩地震资料品质较差，用于识别火山岩相难度大。本文结合应用常规测井、成像测井、岩心观察等资料来划分火山岩相，将该区火山岩岩相分为三种类型：爆发相、溢流相和火山沉积相（图3）。

3.1 爆发相

岩浆中含有大量挥发成分，对围岩产生巨大压力。岩浆喷至高空形成强烈喷发柱，后由于重力作用降落堆积，在火山口附近形成碎屑锥堆积，距火山口越近厚度和粒度越大。研究区主要发育空落亚相，岩性主要为凝灰岩和火山角砾岩。

空落亚相下部岩性为蚀变火山角砾，岩石蚀变强烈，角砾呈灰白色和灰绿色，不均匀分布于基质中，角砾大小1～5 cm，最大可达11 cm，角砾普遍绿泥石化，边缘被溶蚀成港湾状，部分角砾破碎被基质充填，裂缝发育，裂缝中可见铁质矿物充填，局部可见荧光。中部为灰绿色火山角砾凝灰岩，凝灰质含量比下部高，角砾呈灰白色，蚀变强烈，角砾普遍发生破碎。上部为深绿灰色凝灰岩，火山角砾呈肉红色，不均匀分布于基质中，棱角状明显，岩心整体较致密，局部可见断面擦痕，黄铁矿发育。

从空落相剖面整体来看，下部为凝灰质火山角砾岩，上部以火山角砾凝灰岩和凝灰岩为主，从下到上火山角砾成分逐渐降低，凝灰质含量逐渐增高，反映了火山喷发强度逐渐降低的喷发序列。

成像测井上凝灰岩段表现为低阻特征，具有层理构造。凝灰质火山角砾段电阻比凝灰岩段稍高，其中可见高阻亮色火山角砾镶嵌在熔岩基质中。

3.2 溢流相

溢流相是岩浆在后续喷出岩浆的推动和自身重力作用下，沿地表流动过程中逐渐冷凝、固结形成。莱州湾凹陷中生界火山岩发育完整的溢流相序列，分为顶部亚相、上部亚相和中、下部亚相。火山岩顶部发育的原地自碎角砾化熔岩，成像测井表现为高阻、低阻相间特征，可见高亮的自碎和隐爆成因形成的火山角砾。上部亚相受岩浆气体挥发作用影响而常见气孔和杏仁体密集带，发育气孔–杏仁安山岩，部分气孔被绿泥石、沸石等低阻矿物充填，成像测井上表现为整体低阻特征。中下部亚相基本不含气孔，表现为安山岩基岩面貌，受后期构造运动影响裂缝发育，形成碎裂安山岩，成像测井表现为高亮高阻特征，可见高角度和低角度裂缝共同发育。

3.3 火山沉积相

火山沉积相是与火山活动伴生的一种岩相，发育于火山活动间歇期，由火山碎屑占 90%～50%的沉火山碎屑岩组成[24]。研究区火山沉积相无成像测井资料，只能根据岩心观察和镜下鉴定来识别。火山沉积相岩性主要为沉火山角砾岩，受搬运作用影响，角砾成分复杂，包含安山岩角砾、凝灰岩角砾，部分为流纹岩角砾，颗粒分选差，有一定程度的磨圆。火山沉积相分布范围小，研究区仅一口井钻遇。

图3 莱州湾凹陷中生界火山岩相类型及相标志

4 岩相与储层关系

不同火山岩的岩性和岩相受岩石成分和成因的影响，在后期成岩演化过程中，其原生孔隙和后期裂缝等储集空间发育程度差异性明显，从而形成不同的优质储层类型。因此，岩性和岩相识别是火山岩类储层研究的关键。本文以火山岩成因机理为出发点，对不同相带储层的成岩作用、孔缝组合方式和成因开展研究，明确岩性和岩相对储层发育的控制作用，建立岩性和岩相与优质储层的响应关系。

4.1 溢流相与储层关系

溢流相主要的岩性为原地自碎角砾化熔岩、气孔–杏仁安山岩和碎裂安山岩。

4.1.1 原地自碎角砾化熔岩与储层关系

原地自碎角砾化熔岩孔缝为非构造成因，主要是熔浆冷凝收缩和后期岩浆推移作用形成，发育于溢流相顶部风化壳，呈角砾状（图4），角砾成分与熔岩相同，相邻自碎角砾相互可拼接，粒间孔隙发育，内部连通性较好，即使裂缝被充填，仍会保留一些储集空间。储集空间类型包括砾内斑晶溶孔、砾间原生孔、冷凝收缩缝，主要形成于冷凝阶段[25]。储层孔隙度保持在 20%左右，渗透率 40×10-3μm2，可作为良好的油气储集体。

4.1.2 气孔–杏仁安山岩与储层关系

发育于溢流相上部亚相，具有典型的气孔–杏仁构造，储集空间为原生气孔、杏仁体内溶孔和裂缝（图4）。气孔主要形成于岩浆冷凝阶段，岩浆中气体上溢在顶部形成气孔发育带，气孔形状多样，包括圆状和沿流动方向定向拉长的条带状，部分气孔中充填或半充填方解石胶结物。气孔分为孤立型和连通型，孤立气孔为无效储集空间；孤立气孔之间通过构造裂缝连接成为连通气孔，形成有效储集空间。气孔–杏仁安山岩储层孔隙度可达15.6%，为孔–缝组合构造“双孔介质”型储集体，是该区物性较好的岩相带。

4.1.3 碎裂安山岩与储层关系

发育于溢流相中下部亚相，岩浆喷发出地表，挥发组分向上运移，在顶部形成气孔发育带，中下部极少发育气孔，形成少孔而致密的安山岩，原生孔隙不发育，但裂缝发育，储集空间以构造裂缝为主，镜下观察可见裂缝呈网状分布、多期裂缝相互切割现象（图4）。碎裂安山岩储层平均孔隙度13.1%，渗透率14.9×10-3μm2，裂缝中荧光较强，见油气充注，为良好的油气储集体。

4.2 爆发相与储层关系

发育于爆发相的空落亚相，储集空间类型分为两类，一类为火山作用形成的基质收缩缝、脱玻化孔，角砾间原生孔以及炸裂缝等原始孔缝；另一类为后期改造形成的斑晶溶蚀孔和沿裂缝形成的溶蚀扩大孔，原生孔隙的形成为后期流体对储层的改造提供了较好的通道条件。研究区爆发相发育时期最

图4 溢流相火山喷发模式与储层响应关系

晚，分布与火山序列的顶部，储层受风化改造较强，由于埋藏较浅，成岩程度较弱，储层物性较好（图5）。该类储层平均孔隙度为23.7%，优质储层厚度可达40～50 m，可作为该区优质储层的目标。

图5 爆发相火山喷发模式与储层响应关系

4.3 火山沉积相与储层关系

沉火山角砾岩发育于火山沉积相，搬运距离短，成分和结构成熟度低，颗粒混杂后经压实、成岩作用形成。粒间充填大量细小的火山凝灰质，部分蚀变为鳞片状、纤维状伊利石充填砾间。此外，安山质火山岩在后期成岩过程中析出大量铁质矿物堵塞孔隙（图6），后期改造作用较弱。储层物性较差，平均孔隙度12.7%，渗透率1.06×10-3μm2，孔缝不发育，不易形成有效储集体。

莱州湾凹陷中生界火山岩岩性、岩相与储层的成因关系密切，在对二者关系分析的基础上对研究区储层进行了分类，建立了该区的火山岩岩相与优质储层的对应关系。爆发相中凝灰岩和火山角砾岩发育于研究区火山岩相序列的顶部，早期火山成因的孔缝为后期溶蚀流体提供了良好的渗流通道，并且储层分布广、厚度大，为Ⅰ类储层。溢流相顶部亚相中的原地自碎火山角砾安山岩受岩浆自碎作用控制孔缝发育，储层物性好，但由于厚度较薄，分布范围局限，为Ⅱ类优质储层；溢流相上部亚相受岩浆作用控制形成的气孔安山岩，原生孔隙发育，再加上后期构造作用产生的裂缝对气孔的连通作用，形成物性较好的Ⅱ类优质储层；溢流相中下部亚相的脆性熔岩在后期构造运动的影响下，形成裂缝性储层，也可作为良好的油气储集空间，可归为Ⅱ类储层。火山沉积相中沉火山角砾岩后期成岩作用对储层破坏性作用较大，储层物性较差，为非储层。Ⅰ类和Ⅱ类储层在录井和测井解释中均为油层，并且均在该类储层中取出原油样品。

图6 火山沉积相火山喷发模式与储层响应关系

5 结论

（1）莱州湾凹陷中生界火山岩主要发育原地自碎角砾化熔岩、气孔–杏仁安山岩、碎裂安山岩、蚀变凝灰岩、火山角砾凝灰岩、凝灰质火山角砾岩、沉凝灰岩和沉火山角砾岩等岩石类型。中生界火山岩岩相主要发育爆发相，溢流相顶部、上部和中下部亚相以及火山沉积相 3大类 5小类火山岩岩相类型。

（2）火山岩岩相对储层控制作用明显，爆发相中的凝灰岩和火山角砾岩储层物性最好，为Ⅰ类储层；溢流相中顶部亚相原地自碎角砾熔岩、上部亚相气孔安山岩和中下部亚相碎裂安山岩可划为Ⅱ类储层，Ⅰ、Ⅱ类储层为油气的有利储集相带；沉火山角砾岩受沉积和成岩作用控制，孔缝发育程度较低，为非储层。

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