渤海南部火山岩发育区断裂—岩浆联合控藏机理与勘探实践

李果营 杨 波 韩自军 杨海风 胡志伟 宿 雯 邓 辉 高雁飞

（ 中海石油（中国）有限公司天津分公司 ）

新生代以来，受太平洋板块俯冲方向变化及渤海湾盆地陆壳薄化两大宏观构造运动控制，渤海海域深部岩浆活跃、构造活动频繁，断裂活动—岩浆喷发耦合作用下的物质建造与构造改造联合控制形成了多个火山岩发育区[1-6]。渤海火山岩发育区的油气勘探工作起步于20世纪70年代，历经多次自营与合作勘探，先后在石臼坨凸起部署4口探井，但均未获得商业性勘探突破[7]，渤海油田首次进军火山岩发育区的勘探尝试以失败而暂告一段落。2007—2010年，借鉴陆上火山岩发育区勘探成功经验，重振旗鼓，相继在沙垒田西侧和莱东—庙南等地区展开勘探部署，虽有多口井获得了油气层发现，但多以小型含油气构造为主，油气分布呈现碎、小、散的特点，不具备开发经济性[8]。近年来，随着渤海南部勘探程度的不断提高，尤其是黄河口凹陷储量探明率已经达到45%，常规地质条件下可供勘探的规模性构造目标越来越少，与此同时，大量火山岩发育的复杂构造区勘探程度则相对较低，面对越来越大的储量接替压力，加强火山岩发育区油气成藏机理研究，加快火山岩发育区勘探节奏和步伐，将成为渤海南部实现油气勘探可持续发展的必然要求。

长期以来，中国东部陆相断陷盆地关于火山岩及其成藏的研究颇多，且取得了丰富的研究成果和认识，但相关研究大多集中在火山岩储层与控藏作用方面，而盆内断裂与火山岩耦合控藏作用的研究相对较少[9-10]。本文主要以渤海南部黄河口凹陷南斜坡为靶区，在地震资料精细处理以及火山机构三维定量刻画的基础上，重点攻关 “断裂—岩浆联合控藏及油气富集机理”核心问题，以寻求复杂火山岩发育区油气勘探新的突破，并为渤海其他类似火山岩发育区的勘探工作提供一定指导意义。

1 地质背景

黄河口凹陷位于渤海南部，是一个新生代单断箕状断陷。黄河口凹陷南部斜坡带是由凹陷向莱北低凸起过渡的重要构造单元，该区紧邻富生烃洼陷，断裂体系发育，油源供应充足，成藏背景优越[11-12]（图1）。

图1 黄河口凹陷南部斜坡带区域位置图

受新生代多期火山喷发影响，黄河口凹陷南部斜坡带火山岩遍布全区，火山岩空间展布变化频繁，且对下伏地层地震反射产生强烈屏蔽和干涉作用，致使研究区地震资料品质较差，圈闭落实十分困难，同时，该区处于走滑—伸展多应力体制叠加背景下，构造破碎、断裂体系复杂多样，岩浆喷发与断裂活动叠加效应下油气富集规律不清，加上渤海海域火山岩发育区可借鉴成功经验非常少，因此虽历经从自营到合作30余年的勘探工作，但仍未获得任何突破性进展。近年来，着眼于渤海海域火山岩发育区自身独特的地质特点，通过开展复杂火山岩发育区地震资料精细处理，提高地震资料成像品质，积极攻克“断裂—岩浆联合控藏机理”难题，在黄河口凹陷南部斜坡带火山岩发育区开展精细勘探研究和部署，成功发现了渤海首个火山岩下大中型油气田——渤中34-X油田，开创了渤海火山岩发育区油气勘探新局面。

2 “断裂—岩浆”联动控制坡隆构造带的形成及规模性圈闭的发育

新生代以来，黄河口凹陷南部斜坡带受地幔热隆起（伸展动力）和斜向挤压（走滑动力）双动力源所控制，在区域右旋挤压应力场下，发育了NNE向右旋走滑断裂和EW向共轭左旋走滑断裂，同时，受黄河口凹陷北部控凹断裂旋转翘倾作用，局部发生挤压作用引起抬升[13-14]。在断裂差异翘倾活动—岩浆喷发耦合作用下的物质建造与构造改造联合控制形成斜坡背景之上的局部正向隆起——坡隆带。

岩浆脉动式喷发与断裂幕式活动控制着坡隆旋回演化，共分为3个阶段：晚始新世—早渐新世雏形期、中—晚渐新世定型期、新近纪改造期（图2）。晚始新世—早渐新世，渤海海域整体地壳薄化、岩浆局部底辟上拱形成微高古地貌，奠定斜坡区坡隆雏形。渐新世中晚期，太平洋板块俯冲方向由NNW向NW转变，郯庐断裂带右旋走滑作用显著增强，地幔热隆和斜向挤压联合诱发岩浆大规模喷发，在挤压应力和岩浆上涌共同作用下坡隆形态进一步发展定型，形成斜坡带局部正向隆起。新近纪以来，受新构造运动影响，郯庐走滑断裂再次强烈活化，早期定型的坡隆被晚期新生断裂进一步复杂化。

图2 黄河口凹陷南部斜坡带坡隆构造发育演化史图

2.1 雏形期

始新世晚期—渐新世早期，渤海湾盆地受右旋弱走滑与水平强拉张应力控制，走滑断裂、拉张—走滑断裂活动微弱，黄河口凹陷以强烈断陷活动为主，大型控盆走滑—拉张断裂发育，但由于其切穿基底深度有限，无法沟通上地幔岩浆房。因此，该时期火山岩主要沿走滑断裂和拉张—走滑断裂零星分布，岩浆活动规模较小，具有中心式喷发特点，岩性主要为少量的玄武岩和凝灰岩。岩浆喷发改造了微古地貌特征，形成多个局部高点，是坡隆构造的雏形期，但由于岩浆活动微弱，早期形成的微高古地貌很快被同期的碎屑岩沉积快速填平补齐。

2.2 定型期

渐新世中晚期，受右旋强走滑与水平强拉张应力控制，整个黄河口凹陷进入断—坳转换期，走滑断裂发生强烈右旋活动、拉张—走滑断裂和走滑—拉张断裂也进入活跃期。该时期岩浆活动的规模和频率显著增大，岩浆活动持续了近9Ma、多达20次以上，火山岩与砂泥岩、火山碎屑岩等频繁互层沉积，岩性以溢流相玄武岩、安山岩和爆发相凝灰岩为主，而爆发相的火山角砾岩少见，其中溢流相玄武岩呈层状或片状覆盖大面积地区，最大分布面积超过60km2。由于火山岩堆积速率明显大于围区碎屑岩沉积速率，造成东二段厚度明显大于周边地层，受岩浆底辟作用，黄河口凹陷南部斜坡带渤中34-X构造主体东二段形成坡隆背景。

进入东一段沉积期以来，由于岩浆活动减弱，岩浆喷发范围逐步收缩，岩浆房逐渐冷却，渤中34-X构造坡隆主体整体沉降，坡隆背景消失，总体归于平缓地势，油田区东一段发育三角洲沉积，地层岩性组合特征与围区基本一致，偶见玄武岩、凝灰岩。

2.3 改造期

新近纪，太平洋板块开始出现弧后扩张及弧后盆地，造成向西的侧向推挤力；加之更新世以来持续至今的冲绳海槽弧后扩张同样向西推挤着中国东部大陆，郯庐断裂带整体呈现较强的右旋走滑活动，引起了渤海海域强烈的新构造运动，导致早期断裂重新活化和持续活动、晚期次级断裂密集发育。但新构造运动对于坡隆的影响非常有限，早期断裂的活化和晚期断裂的发育进一步复杂了古近系的坡隆背景，构造更为破碎，断块持续差异升降，但古近系坡隆的整体构造形态没有发生较大的变化，晚期断裂主要控制了新近系的断背斜、断块群构造背景。

综上所述，晚始新世—早渐新世的雏形期、中—晚渐新世的发展期主要受喷发型岩浆底辟作用形成微高古地貌，但受整体沉降作用或同期碎屑岩沉积填平补齐作用，坡隆古背景消失；渐新世末期高峰期是受区域东营运动而形成现今坡隆背景，而在进入新近纪改造期后，受构造运动影响，坡隆背景被进一步复杂化。

在此认识的指导下，通过对火山通道相的剖面识别，建立了坡隆旋回控制下的“断裂—火山岩”联合控圈模式，成功实现了火山岩发育区的构造精细解释和圈闭落实，新增古近系圈闭面积36.6km2、新近系圈闭面积 30.2km2。

3 新生代岩浆活动的时空有序分布有利于深部优质储层发育

3.1 岩浆活动产生的“抗压实效应”有利于深部优质储层保存

勘探实践表明，压实作用是导致砂岩储层原生孔隙减少的主要因素之一，能够有效抑制压实作用的地质因素对孔隙保存最为显著。研究区沙河街组和东营组发育的溢流相、喷发相火山岩与火山通道相组合形成“桥墩型”火山结构（图3），火山通道相支撑溢流相火山岩形成顶板[15-16]，对下伏东三段、沙一段、沙二段储层具有良好的支撑作用，能够有效减弱上覆地层的压实作用，从而有利于原生孔隙的保存。

通过对岩石薄片的镜下观察，研究区古近系砂岩储层在埋深超过3000m的条件下仍能见到大量的原生粒间孔，颗粒间多为点接触方式，表明在火山岩顶底板及火山通道相的支撑保护作用下，储层整体压实程度较弱（图4）。

图3 黄河口凹陷南部斜坡带“桥墩型”火山结构发育模式图

图4 黄河口凹陷南部斜坡带BZ34-X-A井古近系储层压实状况图版

与围区正常压实条件下碎屑岩储层物性对比表明，同等埋深条件下，火山岩发育区古近系储层减孔率明显降低（图5）。这进一步说明了研究区发育的溢流相火山岩顶、底板与火山通道相的组合产生了抗压实的作用，有效降低了古近系储层的压实程度。

图5 黄河口凹陷南部斜坡带与秦南地区古近系储层压实程度对比图

3.2 火山喷发导致的“早碱晚酸、酸碱共控”的复杂成岩场利于古近系优质储层形成与改造

晚始新世—渐新世时期，黄河口凹陷南部斜坡带岩浆活动频繁，岩浆热液上涌携带大量深层卤水，加上同沉积期受喷发玄武岩中富铁镁矿物的水解作用，形成了碱性水介质微环境。碱性水体环境有利于沸石的发育，同时促使白云石的包壳并抑制石英次生加大，从而有利于原始孔隙的保存[17-18]。研究发现，黄河口凹陷沙一段、沙二段砂岩储层中钠长石化和石英溶蚀现象普遍，钠长石化多沿着钾长石节理缝与钾长石边缘发生，钾长石的钠长石化与石英溶蚀表明成岩后期发育碱性的孔隙流体。同时，还见到含铁白云石沿颗粒周围呈栉壳状分布，表明沉积期生成的白云石在深埋阶段的碱性、还原孔隙流体中转化为铁白云石（图6）。此外，东营组砂岩中沸石胶结物含量较高，在碎屑颗粒间、火山岩屑气孔内都见到沸石，气孔孔壁为绿泥石，中心为沸石（图7a—f），表明绿泥石的沉淀比沸石要早，反映东营组沉积时期是一种富含镁铁质的水介质环境，明显受到东营组沉积时期玄武岩喷发的影响。玄武岩中的镁铁质溶解，形成富含镁铁质的水介质环境，有利于沸石的形成，广泛发育的沸石呈板状、柱状充填粒间及火山岩屑气孔中，使颗粒呈悬浮状，增强了砂体的抗压强度，也使得储层中的原生孔隙得以最大程度保存。

新构造运动以来，黄河口凹陷主力烃源岩进入大规模生排烃期，与烃类相伴生的有机酸流体沿活动断裂、储层进入地层水中，孔隙流体性质发生变化，形成了酸性水介质微环境，并促使长石、沸石等颗粒发生溶蚀（图7g—i），有利于晚期次生孔隙的发育。整体而言，岩浆喷发背景下，古近系具有“早碱晚酸、酸碱共控”的复杂成岩场，有利于深部优质碎屑岩储层的发育。

图6 黄河口凹陷南部斜坡带BZ34-X-A井古近系储层石英溶蚀现象、钠长石化和黏土膜成岩现象图版

图7 黄河口凹陷南部斜坡带BZ34-X-A井古近系储层中与玄武岩喷发相关的沸石成岩现象与沸石溶蚀孔图版

4 断裂活动与岩浆喷发的时空有序配置控制火山岩发育区的油气差异富集

勘探证实，黄河口凹陷南部斜坡带具有西部“深富浅贫”、东部“浅富深贫”的油气富集特点，构造区西部为岩浆喷发中心，断裂虽晚期活动，但由于火山岩厚度大，油气主要富集于深层；而东部由于岩浆活动较弱，火山岩厚度较小，且断层晚期活跃，油气主要富集于浅层。针对研究区裂隙式喷发的火山岩特殊构造，通过分析火山岩的发育与斜坡带断裂活动、构造形态对油气成藏控制作用，认为断裂活动与岩浆喷发的时空有序配置为火山岩发育区油气富集提供了优越的地质条件。

4.1 脉动式岩浆喷发与幕式断裂活动耦合控制古近系油气富集

始新世—早中渐新世，岩浆喷发呈早弱晚强的脉动式，早期伸展作用强、岩浆作用弱，火山裂隙式喷发，展布局限，未大规模侵占沉积空间，研究区发育了大型辫状河三角洲沉积。晚渐新世，伸展作用减弱，岩浆活动增强，呈大规模的中心式—裂隙式喷发，形成平面广泛分布的溢流相火山岩盖层，利于油气的垂向保存；与此同时，火山活动后期岩浆在断裂带内冷凝成岩，有力增强了断层侧向封堵能力[19]。随着断裂晚期的幕式活动，油气不断充注，最终形成高丰度油气富集块（图8）。

图8 黄河口凹陷南部斜坡带油气差异富集模式图

4.2 火山岩“空白区”与运移断层的有效配置控制浅层油气富集

黄河口凹陷南部斜坡带东二段—东一段发育了大规模的溢流相火成岩，广泛发育的玄武岩可作为盖层，运移断层与其展布特征的有效配置决定了油气的成藏层系。

研究区岩浆喷发中心区东一段、东二段火成岩厚度发育大（大于200m），同时分别向东西两侧减薄（图9）。东侧处于岩浆喷发边缘区，其东营组火成岩发育规模小、厚度薄，火成岩体分散叠置，形成众多的岩浆发育“空白区”，使得深部油源可以较容易地突破火成岩盖层从而在新近系明下段成藏。同时，研究区晚期断层活动性由西向东逐渐增强。东侧控凹断层在新近系控制了极浅水三角洲砂体的发育，并且深部沟通黄河口凹陷沙三段烃源岩，这种优质的源储配置关系又叠加在火成岩空白区之上，故形成了东区浅层油气富集成藏。

图9 黄河口凹陷南部斜坡带东一段、东二段火山岩厚度平面分布图

5 火山岩发育区油气勘探关键技术

5.1 基于火山机构“三相”特征的空间定量刻画技术

研究区火山岩空间发育不均衡，能量屏蔽作用强，空间速度变化快，地震资料品质差，火山机构三维定量刻画是有利目标精细构造解释和成图的重要基础[20-25]。为此，首先通过展开研究区火成岩“岩性—测井特征—地震反射特征”三相特征分析，确定了玄武岩、凝灰岩、辉绿岩、沉凝灰岩和凝灰质砂泥岩的速度密度特征，在精细标定基础上明确了各类火成岩对应的地震反射特征。其次，以三相分析为基础，充分利用属性扫描、断裂特征分析和已钻井岩性统计，最终确定了该区岩浆喷发模式及火山岩相带划分。通过以地质模式为指导，井震结合，进行多尺度理论模型正演，实现了分岩相、分岩性与多数据、多属性、多维次针对岩浆活动期次及喷发模式的属性宏观描述，并针对火山通道相和溢流相进行属性阈值的三维定量刻画，进一步展示该区岩浆喷发模式和活动差异。最后，从有效储层刻画出发，对占据有效储层空间的火山通道相进行多尺度、多参数的正演分析，确定“振幅—方差体地震属性分级—拾取”刻画火山岩的三维可视化新方法，在研究区共刻画火山机构11组，实现火山岩的定量化时空雕刻，为储量计算提供了可靠依据（图10）。

图10 火山机构空间定量刻画立体显示图

5.2 火山岩发育区构造校正成图技术

局部分布的相对高速且不同累计厚度火成岩的存在，会使得其下伏地层地震反射同相轴在时间域中发生不同程度的上拉，造成原本连续的下伏地层同相轴发生扭曲、错断等假象，也可能造成原本不相连地层的地震同相轴相互交织在一起，增加了解释难度[20-22，26-28]。针对研究区内钻井资料少、火成岩横向变化快、单层厚度薄等特点，采用了基于地震叠加速度场的无井约束波阻抗反演技术，完成无井条件下的约束稀疏脉冲反演，得到全频带的绝对波阻抗数据，通过高通滤波，生成相对波阻抗数据用于各层系的火成岩刻画，实现了火成岩累计厚度的定量描述。以微层状楔状模型为正演模型基础，得到火成岩与下伏地层时间校正量关系式，并利用Backus等效介质理论，获得了利用围岩替代火成岩的时深关系。利用最新的时深关系进行基础的时深转换后，再将火成岩影响叠加从而获得较为准确的时深转换成果，最终恢复了火成岩下构造的真实面貌。与传统常速成图对比，该方法预测的深度误差平均降低了46%（图11）。

6 勘探实践与启示

图11 黄河口凹陷南部斜坡带渤中34-X构造变速成图效果对比

近年来，为了探索渤海南部火山岩发育区含油气性，寻找新的油气勘探接替阵地，针对制约新生界火山岩发育区的勘探难题，通过重点攻关火山岩发育区油气成藏机理，围绕黄河口凹陷南部斜坡带持续开展勘探工作，累计钻探井11口，探井成功率达100%，其中有3口探井获得油气层近百米，深浅层测试均获得高产优质油气流，最高日产油超过280m3，成功发现了渤中34-X油田，共新增三级石油地质储量超过8500×104m3，新增探明石油地质储量超过5000×104m3，为渤海油田“十三五”稳产3000×104t提供了有力的储量支持。同时，通过不断勘探实践与系统总结，总结出了渤海南部火山岩发育区多项创新地质认识和勘探新技术，对其他类似火山岩复杂地区油气勘探具有重要参考指导意义，也将会加快推动渤海南部其他火山岩发育区（如莱州湾凹陷垦利6构造区、莱北低凸起垦利4-5构造区）的勘探进程。

渤中34-X油田是近两年中国近海发现的新生界火山岩区单体规模最大的优质油气田。该油田的勘探成功开辟了渤海油田油气勘探新领域，展现了渤海火山岩发育区良好的勘探前景，证实了 “断裂—岩浆”联合控制油气成藏机理及相关勘探技术在火山岩发育区勘探中的有效性和适用性。但鉴于海上油气勘探高成本、高风险的特点，钻井数量相比陆上油田数量较少，对火山岩体的精细刻画主要基于地震资料预测、后续探井证实的井震结合方法，因此，资料样本数据具有一定的局限性。另外，本研究基于井震结合与火山岩岩相带划分，对于区域范围内火山机构预测和“断裂—岩浆”联合控藏已经有了较为成熟的研究，但断裂活动诱导与岩浆主动喷发的内在驱动机制及控藏机理仍然需要进一步深入。