渤海南部海域新生代岩浆活动对古近系优质储层的控制作用*

牛成民 郭 涛 杨 波 刘庆顺 杨海风

(中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院 天津 300459)

勘探开发实践已证实，全球各大含油气盆地中岩浆活动广泛可见,岩浆活动可以加速有机质向油气转化，早期侵入花岗岩经历风化剥蚀后可以形成优质储层，晚期喷发致密玄武岩可以作为优质区域盖层，火山通道岩墙还可以侧向封堵形成圈闭[1-8]。但新生代多期岩浆活动对围岩优质储层的影响研究偏少，且认识亦不统一[9-13]。新生代以来受郯庐走滑断裂影响，在渤海南部海域黄河口凹陷和莱州湾凹陷发育多期火山喷发活动，在古近纪晚期—新近纪早期呈现裂隙式和中心式火山喷发。近年来，在黄河口凹陷南斜坡和莱州湾凹陷东北洼分别发现了岩浆岩下的渤中34-A和垦利6-B等2个大中型油田，引领了渤海海域火成岩下油藏勘探的热潮。

本文根据渤中34-A和垦利6-B这2个油田新生代岩浆活动与古近系储层物性的对应关系，综合运用储层物性分析、岩心薄片观察、成岩阶段划分、岩浆活动和物源体系分析对岩浆岩区古近系储层物性差异成因进行研究，确定近物源方向、同沉积早期火山喷发有利于古近系优质储层发育。本文研究成果可为渤海海域及其他类似新生界岩浆活动区的优质储层发育模式研究提供借鉴。

1 地质概况

黄河口凹陷面积约3 800 km2，位于渤海湾盆地济阳坳陷东北部，北侧为渤南低凸起，东南部为莱北低凸起，东部与庙西凹陷相邻[14]。郯庐大断裂西支穿过黄河口凹陷中部，形成中央构造带，渤中34-A区位于中央构造带东侧的缓坡带上(图1)。莱州湾凹陷面积约1 780 km2，位于渤海湾盆地济阳坳陷东部，东西边界分别被郯庐断裂带的东西分支所限，南北部分别为潍北凸起与莱北低凸起，东部为胶辽隆起，西部为垦东凸起，东北部与庙西凹陷相连[15]。垦利6-B区位于莱州湾凹陷东北洼东斜坡莱东-庙南构造带(图1)，为夹持在2条走滑断层中间受多期走滑挤压形成的反转半背斜。

图1 研究区位置Fig .1 Location of the study area

黄河口凹陷和莱州湾凹陷都属于新生代凹陷，新生界可以分为古近纪裂陷和新近纪拗陷2个沉积旋回。在裂陷旋回阶段发育古新统孔店组、始新统沙河街组、渐新统东营组沉积，而在拗陷旋回阶段主要发育新近系馆陶组、明化镇组和第四系。

2 岩浆活动特征

渤海湾盆地古近系—新近系火山岩比较发育，平面上具有东多西少、北多南少的特点，纵向上有孔店组、沙三段、沙一段+沙二段、东营组、馆陶组等多个相对发育的层位[16]。济阳坳陷东部多口探井钻遇火山岩，主要为玄武岩，其次是辉绿岩，局部有少量安山岩、玄武安山岩、粗面岩、火山碎屑岩；火山岩喷发整体较晚，大体可以分为孔店组—沙四段、沙三段、沙二段—东营组、馆陶组沉积期等4个主要活动期。黄河口凹陷渤中34-A和莱州湾凹陷垦利6-B区新生界揭示了大量的火山岩，测井电阻率上表现为高值异常。

渤中34-A区和垦利6-B区火山岩主要为夏威夷式喷发模式[17]，2个构造区火山岩地震相反射特征也基本相同。溢流相火山岩为低频强振幅层状连续反射，剖面上特征明显，主要分布在火山机构的低部位；火山通道相为中低频弱振幅倒锥状地震反射，内部结构多为同相轴上提或下拉，也见杂乱反射，火山口、火山机构下部常见；已钻井揭示爆发相较少，以火山碎屑岩为主，粒度较粗，在地震剖面上可见丘形反射特征，同相轴表现为中低频、中强振幅断续反射，只在火山口少量发育。

研究表明，2个构造区火山岩发育不同之处在于喷发时间、主喷发期次、发育机制及分布规模和范围上(表1)。其中，渤中34-A区主体区发育中心式喷发模式，南部缓坡带受莱北断裂带影响而发育串珠状分布的裂隙-中心式喷发，因此该构造区火山岩分布范围广，构造区周围火山岩都有发育。而垦利6-B区主体区发育裂隙式喷发，主要受几乎横贯整个研究区近南北向的几条走滑断裂控制，在馆陶组沉积时期作为岩浆通道提供了大量岩浆，因此火山岩只在该构造区及西侧发育，走滑断裂东侧火山岩相对不发育。

表1 渤中34-A与垦利6-B区火山喷发特征对比Table 1 Comparision of volcanic eruption features of BZ34-A and KL6-B areas

3 储层特征

渤中34-A区与垦利6-B区分别位于莱北低凸起的北、南两侧，古近纪都有同沉积期火山喷发，但古近系储层物性差异较大，例如同样处于3 000 m深度附近的东营组，渤中34-A区的储层物性明显优于垦利6-B区(图2)。

图2 渤中34-A区与垦利6-B区实测孔隙度对比Fig .2 Comparision of measured porosity of BZ34-A and KL6-B areas

3.1 渤中34-A区

黄河口凹陷渤中34-A区古近系主要发育辫状河三角洲沉积体系，物源主要来自于黄河口凹陷西南侧的垦东凸起，火成岩在构造主体和碎屑岩发育区叠合(图3)。古近系储层主要为中细粒长石岩屑砂岩为主，部分见中粗砂体、偶含砾石，单层厚度5～10 m，储层孔渗条件较好，3 000 m深度储层孔隙度一般大于20%，渗透率一般大于50 mD；古近系砂岩成岩作用受玄武岩水解影响，水介质呈弱碱性—碱性，发育沸石、碳酸盐胶结、石英溶蚀、伊蒙混层、绿蒙混层黏土膜、钾长石钠长石化等现象，晚期有机酸性流体进入，发育长石、岩屑等不稳定组分的溶蚀现象。另外，该构造区砂岩压实作用整体较弱，碳酸盐胶结物与高岭土含量不高，粒间孔隙保存较好，长石等碎屑颗粒溶蚀明显，形成了大量次生孔隙(图4)。

图3 研究区东营组三段沉积相与火成岩分布叠合图Fig .3 Sedimentary facies and igneous rock distribution of E3d3 in the study area

(a)BZ34-A-1井，3 081 m，沙二段，火山岩屑变形程度弱、粒间孔发育;(b)BZ34-A-1井，2 944 m，东三段，港湾状石英溶蚀;(c)BZ34-A-6井，2 826 m，东三段，溶蚀粒间孔隙发育;(d)BZ34-A-2井，2 259 m，东二段，沸石广泛发育。

图4渤中34-A区古近系储层微观特征

Fig.4MicroscopicfeaturesofPaleogenereservoirsinBZ34-Aarea

根据自生矿物成分及其组合、岩石颗粒接触关系和成岩作用特征，同时结合沉积水介质环境的演化特征，建立了渤中34-A区古近系储层成岩孔隙演化模式：早期的少部分长石与岩屑颗粒溶蚀、沸石沉淀与泥晶碳酸盐沉淀，堵塞原生粒间孔；随着埋深加大，碎屑颗粒发生重排，石英次生加大，由于受到玄武岩的顶托影响以及部分沸石与方解石胶结的固化作用，压实作用较弱，孔隙降低较为缓慢；进入中等埋藏阶段，富含有机酸的热流体进入孔隙，长石等碎屑颗粒与早期的沸石发生了溶蚀，形成次生溶蚀孔隙，局部孔隙增加；中深埋藏阶段，孔隙流体性质发生变化，碱性水介质条件下钾长石钠长石化，部分石英碎屑颗粒发生溶蚀，碳酸盐交代硅质碎屑颗粒(图5a)。

3.2 垦利6-B区

莱州湾凹陷垦利6-B区古近系为辫状河三角洲-湖泊-扇三角洲沉积体系组合(图3),其中辫状河三角洲占优势。辫状河三角洲前缘广泛发育于黄河口凹陷南部、莱州湾凹陷的西部和南部以及庙西凹陷南部—莱北低凸起的中东部，扇三角洲仅靠近莱州湾凹陷东部盆缘断裂和南部盆缘陡坡发育，且规模较小。火山活动发育了1套玄武岩，包含了呈层状展布的溢流相和柱状火山通道相；但火山岩展布范围较局限，主要沿垦利6-B区西侧展布，位于洼陷内部，距离构造主体区较远(图3)。古近系储层主要为中粗粒长石岩屑砂岩，偶含砾石，单层厚度5～15 m，储层孔渗条件相对较差；3 000 m深度储层孔隙度为10%～15%，渗透率一般小于20 mD；古近系砂岩中常见早期菱铁矿胶结、早期高岭土胶结、晚期含铁碳酸盐胶结、菱铁矿重结晶、菱铁矿铁白云石化、碎屑颗粒溶蚀与次生溶孔等成岩现象。垦利6-B区砂岩中早期高岭土胶结与岩屑假杂基化常见，高岭土充填与岩屑假杂基化导致局部原生粒间孔隙损失殆尽(图6)。

根据自生矿物成分及其组合、岩石颗粒接触关系和成岩作用特征，结合沉积水介质环境的演化特征，建立了垦利6-B区古近系储层成岩孔隙演化模式：由于东三段沉积时期物源供给强劲，早期成岩阶段长石、岩屑在大气水背景下发生蚀变，形成大量高岭土；在分流水道侧翼发育菱铁矿，导致局部地区储层孔隙度降低；埋藏阶段云母、蚀变的长石、岩屑发生重排与压实变形，高岭土流变充填孔隙，导致储层孔隙度迅速降低；随着埋深增加，石英次生加大，有机质热演化形成的有机酸进入储层孔隙，导致颗粒溶蚀与胶结物的溶蚀，自生高岭石沉淀，次生孔隙发育，砂体主体部位储层孔隙度增大；随后由于温度压力升高，流体性质改变，菱铁矿重结晶，发生白云石化，储层孔隙度降低；深埋藏阶段孔隙流体活动受阻，在弱还原—还原流体介质中，有利于Fe2+的发育、方解石向铁方解石转化、白云石向铁白云石转化，导致储层孔隙度进一步降低(图5b)。

图5 研究区古近系储层成岩孔隙演化模式Fig .5 Diagenetic pore evolution model of Paleogene reservoirs in the study area

(a)KL6-B-4井，3 095.9 m，东三段，高岭石大量胶结;(b)KL6-B-4井，3 094.3 m，东三段，云母受压变形，颗粒线接触、凹凸接触;(c)KL6-B-1井，2 492.5 m，东三段，长石绢云母化;(d)KL6-B-2井，2 568.0 m，沙二段，碳酸盐岩大量充填。

图6垦利6-B区古近系储层微观特征

Fig.6MicroscopicfeaturesofPaleogenereservoirsinKL6-Barea

4 物性差异主控因素

渤中34-A区与垦利6-B区东营组均为辫状河三角洲前缘沉积，砂体类型和粒度特征相似，但相同埋深的储层物性差异巨大。成岩特征分析表明，火山喷发时间、火山岩分布区与储集砂体的相对位置、垂向热流体活动、孔隙流体性质等相关成岩事件对储层孔隙演化都造成了差异性影响，最终影响了储层的物性差异。

4.1 同沉积火山喷发

能够适当抑制早期长石蚀变的弱碱性水介质有利于后期原生孔隙的保存。由于火山喷发产生大量玄武岩，玄武岩中不稳定的富铁镁矿物经过强烈水解(比如辉石、橄榄石的水解等)，产生大量Fe2+、Mg2+，导致孔隙流体中富含铁镁质，有利于形成贫硅的片沸石、浊沸石等。早期沸石的局部胶结增强了火山岩屑的抗压强度，同时板状、柱状沸石的晶间缝隙有利于有机酸的侵入与次生孔隙的发育(图4)。如果早期发育地表开放的酸性水介质，长石强烈蚀变生成大量的高岭石；由于高岭石晶间孔极为发育，抗压性能极差，如果不能有效带出其蚀变环境，这些高岭石就会与长石、石英等碎屑颗粒一起堆积下来，导致埋藏过程中砂岩原生孔隙迅速下降；同时，长石、岩屑等蚀变后，其抗压实强度迅速降低，埋藏过程中就会发生断裂与变形，导致孔隙垮塌(图6b)。

通过渤中34-A与垦利6-B区不同古地理背景下古近系储层成岩-孔隙演化对比分析，明确了火山喷发对储层成岩作用与孔隙演化的影响，以及玄武岩水解与物源供给淡水之间相互作用关系。渤中34-A区火成岩主要发育在西南部垦利凸起物源供给区和目标区之间，古近纪火山喷发规模较大，火成岩分布在物源供给通道附近，由于水流的携带会把玄武岩水解富铁镁介质输送到目标区，对储层孔隙演化影响明显，不但抑制了早期长石、岩屑的溶蚀及高岭土的沉淀，同时形成方解石、沸石沉淀，其强抗压性能够保护大量原生孔隙。而垦利6-B区古近系火成岩分布在现有钻井区的西侧，位于碎屑供给通道的下游，在早期胶辽隆起物源形成开放性的酸性水介质条件下，砂岩中沸石含量较低，而高岭石含量普遍较高，导致埋藏过程中砂岩原生孔隙迅速下降。

4.2 火山喷发模式及期次

渤中34-A与垦利6-B构造区岩浆岩均为中晚期快速喷发，致密的玄武岩没有经历后期大规模的构造运动，裂缝不发育；而且都是夏威夷型火山喷发模式，粒度较粗的爆发相相对不发育，喷出岩性整体孔隙较小、坚硬致密。大套平铺式的硬质玄武岩层配以柱状火山通道玄武岩的支撑作用，有效降低了火山岩层系附近的砂岩的压应力，减缓了压实作用(图7)。大量勘探实践表明，压实作用是导致砂岩储层原生孔隙减少的主要因素，能够有效抑制压实作用的地质因素对孔隙保存最为显著。对比2个构造区孔隙微观特征可以发现，原生孔隙的保存和塑性岩屑的变形程度都有较大的差异：渤中34-A区东三段储层原生孔隙大量保存，颗粒之间呈现点接触样式；大量抗压性极差的塑性火山岩岩屑的变形程度低，原生形态保持较好；而垦利6-B区东三段储层薄片中可见颗粒以线接触为主，局部可见凹凸接触、缝合线接触，部分颗粒受压碎裂严重，可见云母矿物受压变形(图4a、6b)。

2个构造区火山喷发模式类似，但喷发期次存在较大差异。渤中34-A区火山喷发主期次为东营组二段沉积期，东三段沉积后期形成了大量火山通道相和火山溢流相 “工”字形火山结构[18]，火山通道相支撑溢流相火成岩形成顶板支撑作用，大大减弱了东三段的压实作用；而垦利6-B区火山喷发主期次为馆陶组和明化镇组沉积期，东三段储层沉积后到火山岩喷发经历了15 Ma的压实作用，火山结构对东三段储层抗压实作用影响较小。

图7 渤中34-A区火成岩三维刻画Fig .7 3D-depict of magmatic rock in BZ34-A area

4.3 晚期火山喷发热液流体

新近系明化镇组沉积时期大规模裂隙式火山喷发及其相关热流体活动必然对古近系储层成岩作用造成影响，具体体现在菱铁矿的重结晶与铁白云石化、黏土矿物的绢云母化、储层中黏土矿物加速转化与明化镇组龟裂纹含铁方解石沉淀等方面。KL6-B-4井靠近断裂带，古近系砂岩中菱铁矿呈菱形体、粒状，重结晶程度较好，颗粒较大，部分颗粒呈半自形，并发生铁白云石化；而距离断裂带较远的KL6-B-1井及KL6-B-2井晶体颗粒较小，粒径多为微米级。分析认为，造成上述现象的原因与沿断裂上升的热液流体活动有关。KL6-B-1井、KL6-B-2井与KL6-B-4井2 543.0～3 129.5 m井段薄片中还见到了长石绢云母化现象。绢云母为中低温热蚀变成因，其形成温度一般为200～350 ℃[19]。根据渤海湾盆地的古近纪古地温梯度3.5 ℃/100 m计算,现今3 000 m埋深能达到的古地温为120 ℃左右，而这个温度显然不能达到绢云母形成的最低温度，说明垦利6-B区储层中的绢云母化受到了火山活动相关的热蚀变影响(图6c),由于火山活动导致储层流体温度升高，加速了储层的黏土矿物转化。泥岩黏土矿物中伊/蒙混层中蒙脱石的含量指示垦利6-B区古近系储层已进入中成岩B期，而受新近纪热液流体影响较弱的渤中34-A区成岩阶段则处于中成岩A期，整体孔隙发育特征较好。

5 结论

1) 渤海南部海域黄河口凹陷渤中34-A区与莱州湾凹陷垦利6-B区新生界发育多期岩浆活动，均以夏威夷式火山喷发为主，主要由火山通道相、溢流相、爆发相组成。其中，渤中34-A区火山主喷发期为东二段沉积期，以中心式喷发模式为主；而垦利6-B区火山主喷发期为馆陶组沉积期，以裂隙式喷发为主。

2) 在沉积相及埋深相当条件下，渤中34-A区古近系储层物性明显优于垦利6-B区。渤中34-A区玄武岩早期水解对储层孔隙演化影响明显，普遍发育沸石及沸石的溶蚀孔隙，压实作用整体较弱；而垦利6-B区玄武岩水解对储层孔隙演化影响较小，砂岩中沸石含量较低，酸性水介质条件下高岭石含量普遍较高，压实作用较强。

3) 近物源方向的火山喷发活动能够给玄武岩水解富铁镁水介质输送到目标区创造条件，这种弱碱性水介质可以适当抑制早期长石蚀变、高岭土沉淀，进而有利于原生孔隙的保存；同沉积早期火山喷发形成的桥墩状构架有效支撑了古近系储层粒间孔隙的保存，减缓了塑性火成岩岩屑的变形；新近系晚期火山活动产生的热液流体加速了成岩阶段演化，形成大量菱铁矿重结晶，对孔隙保存不利。