松辽盆地德惠断陷营城组火山机构刻画及储层意义

2019-04-09王立武刘智军刘殿密王丽丽岳庆友迟唤昭马骁

世界地质 2019年1期

王立武，刘智军，刘殿密，王丽丽，岳庆友，迟唤昭,3，马骁

1.中国石油吉林油田公司地球物理勘探研究院，吉林松原138000；2.吉林大学地球科学学院，长春130061；3.长春工程学院，长春130061

0 引言

德惠断陷位于松辽盆地东南隆起区一级构造单元内，面积约为4 053 km2，形成于早白垩世早期，在晚古生代浅变质岩系的基底上发展起来的中生代沉积盆地[1]。截至2018年初，松辽盆地德惠断陷已钻探70余口井，钻遇火山岩31口，火山岩主要分布在火石岭组和营城组。前人研究成果表明相同规模的酸性熔岩火山机构其物性要明显优于酸性碎屑岩火山机构[2]，但研究区钻井显示有些碎屑岩储层反而优于其他火山熔岩储层。营城组火山岩储层发育受火山机构、期次、喷发单元和岩相等多种因素控制[2--4]。目前针对德惠断陷火山岩储层分布规律及其预测方法的研究较弱，已成为该区域火山岩油气勘探开发中亟待解决的问题。笔者根据钻井资料、测井资料以及地震资料等对火山机构内幕解剖并结合储层空间类型分析火山机构内幕因素对储层的控制作用，利用火山机构--喷发单元--岩相逐级精细刻画的方法，探讨有利储层的发育规律，为下一步火山岩有利储层评价起到指导意义。

1 地质背景

德惠断陷北与王府断陷相连，南邻梨树断陷，西邻登娄库凸起。德惠断陷为双断式断陷，构造演化主要包括4个阶段：断陷期、断坳转换期、坳陷期和萎缩期，形成4个构造层：断陷层、断坳转换层、坳陷层和萎缩层[5,6]。其中火石岭组、沙河子组、营城组为断陷期沉积，分别为初始断陷期、强烈断陷期和断陷萎缩期。德惠断陷的控盆断裂以德东、德西两大断裂为主。受德东断裂控制，断陷盆地充填样式为箕状断陷，火山岩沿德东断裂串珠状分布，靠近德东断裂以英安质为主、火山岩为块状结构，远离德东断裂以安山质和流纹质为主、火山岩以似层状结构为主。根据火山周期性喷发的特点，火山机构受多期火山喷发叠置而成，依次按照旋回--机构--期次--单元方法进行精细刻画。笔者将研究区营城组划分为3段，其中营一段钻遇到火山岩较多，营三段钻遇到少许火山岩，而营二段未钻遇火山岩。营一段火山岩发育沉积间断、风化壳层，岩性、岩相变化较大。由于冷凝单元与沉积岩层的叠置关系，在地震剖面上可见明显的不整合面。根据钻井、测井以及地震资料，本次研究可将营一段划分为1个旋回3个期次(图1)。

2 火山机构内幕

火山机构是指一定时间范围内，来自同喷发源的火山物质围绕源区堆积构成的，具有一定形态和共生组合关系的各种火山作用产物的总和[7--9]。研究盆地内埋藏火山机构的目的是为了解其储层的特征。火山岩的储层类型和物性受岩性岩相的控制，熔岩以气孔和裂缝为主，碎屑岩以角砾间孔、溶蚀孔和裂缝为主。火山机构控制着储层的发育程度，火山机构内部结构形态控制着储层的展布[10]。不同火山机构内幕储层的形成机制存在很大差别，通过对火山机构内幕储层综合研究实现储层评价的目标。

2.1 火山机构

盆地埋藏火山机构识别方法以及内幕精细刻画一直是火山岩研究领域中的重点以及难点。目前常规的方法依托于火山岩钻遇井的岩性岩相的描述，可以判定火山岩的风化壳或者沉积夹层，通过以上界面刻画不同的喷发期次[11]。但是这种方法只能从钻井方面识别火山机构中的岩性和岩相组合，并不能完整地刻画整个火山机构的形态乃至规模，还需通过地震剖面的反射轴的振幅、频率以及连续性等手段刻画火山机构的外部形态和内部结构[12]。

通过德惠断陷营城组火山岩地震资料二维解释、测井资料解释以及岩芯资料综合分析等，从形状上将德惠断陷营城组火山机构划分为3类：层状火山机构、穹隆状火山机构和丘状火山机构(表1)。

层状火山机构内部一般表现为喷溢相、喷溢相与爆发相互层、喷溢相与火山沉积相互层等形式。岩性较为丰富，可发育火山熔岩、火山碎屑岩和火山沉积岩等多种岩性，层状火山机构喷发方式由弱到强。测井表现为电阻率测井曲线具有韵律性、周期性变化，火山岩层之间具有明显的波动性；从二维地震剖面分析，该类型火山机构外部几何形态为席状或似层状，偶见喷溢相中厚熔岩流为板状，内部反射机构为波形或亚平行，反射频率为中--高频，振幅为中--强振幅，连续性较好，典型钻遇井为Ds21井(图2)。

图1 德惠断陷营城组火山喷发期次划分对比Fig.1 Division and correlation on volcanic eruption period of Yingcheng Formation in Dehui fault depression

表1 德惠断陷营城组火山机构类型与特征Table 1 Types and characteristics of volcanic edifice of Yingcheng Formation in Dehui fault depression

图2 层状火山机构地质模式图Fig.2 Geological pattern of stratovolcano edifice

丘状火山机构一般由酸性岩完整的喷发序列构成，喷发能量由强转弱，火山机构底部可形成爆发相与喷溢相互层、中部为喷溢相且顶部可形成火山沉积相。火山岩岩性发育丰富，包含火山熔岩、火山碎屑岩以及火山沉积岩。测井表现为电阻率测井曲线齿化程度较严重，爆发相与喷溢相交汇界面可见电阻率测井曲线跳跃状且呈高值；从二维地震剖面分析，该类型火山机构外部几何形态为丘状或渣锥状，内部反射似层状或亚平行，反射频率为中频、振幅中等、连续性一般，典型钻遇井为Ds15井(图3)。

图3 丘状火山机构地质模式图Fig.3 Geological pattern of mound volcanic edifice

穹隆状火山机构内部为侵出相，发生于整个火山喷发旋回的后期，破火山口形成后，岩浆受内压力作用运移到火山口附近堆积而成，岩性为黏度较大的中--酸性岩，如Ds17井钻遇大套的英安岩。测井表现为电阻率值为高阻，由于侵出相内带亚相的储层空间为大型的松散体，可以成为优质储层，深浅侧向电阻率表征为正幅度差；从二维地震剖面分析，该类型火山机构的外部几何形态一般为块状或穹隆状，内部反射较为杂乱、空白，反射频率为低频，反射振幅较弱，连续性极差(图4)。

2.2 喷发单元

喷发单元是由一次大规模的火山喷发中的岩浆多次脉冲式喷发形成的，由冷凝边等界面分割，需在火山机构内部进行刻画，也是火山岩剖面精细刻画的最小火山地层单元[2,11]。在火山活动的不同时期，火山喷发方式不同、火山熔浆成分差异以及后期的火山成岩作用等导致了火山喷发的熔岩流在垂向上具有韵律性特征。虽然在地震剖面上未能较好地识别火山岩的喷发单元，尤其是基性火山岩，熔岩流较薄，在地震剖面上根本无法识别。但同一喷发单元的火山岩的内部结构、孔隙特征在垂向上可通过测井曲线的韵律性的变化进行识别。由于火山熔岩中具有一定量的挥发分气体，如CO2等，气体自下而上汇集，单元上部由于地层温度降低，大部分气体无法逃逸出熔岩地层，气孔较为发育。所以一次喷发单元的上部气孔发育要优于下部，呈递减趋势，下一次的喷发单元同样也具有这样的气孔发育规律，具体见气孔结构示意图(图5)。通过这种周期性的变化，可以将营一段火山岩在火山喷发期次下划分若干个单元，一个期次可以代表一个规模较大的喷发单元，也可以是几个阵列式喷发单元的集合，一个喷发单元代表火山岩亚相的完整序列(图5)。一个火山机构是不同时期火山岩喷发单元的集合。如丘状火山机构，主要的喷发方式以中心式喷发为主，偶见中心--裂隙式喷发，其喷发能量较强，其火山岩表征主要以爆发相的火山碎屑岩为主，伴随着喷溢相的火山熔岩流。爆发相自上而下的完整序列应为热基浪亚相--热碎屑流亚相--空落亚相；喷溢相自上而下的完整序列应为上部亚相--中部亚相--下部亚相，完整的火山亚相序列可划分为同一喷发单元。需要特别注意的是，火山机构极易受到古环境、后期构造作用的影响，导致火山喷发序列的缺失，需要根据地化资料对本区的构造演化以及古气候等研究来进一步精细划分火山喷发单元。

图4 穹隆状火山机构地质模式图Fig.4 Geological pattern of dome volcanic edifice

图5 德惠断陷营城组Ds15井火山岩喷发单元划分与对比Fig.5 Division and correlation of volcanic eruption unit in Well Ds15 of Yingcheng Formation in Dehui fault depression

2.3 火山岩相

基于火山喷发方式、火山岩性识别以及火山岩孔、缝结构的配置关系可将松辽盆地火山岩相划分为5相15亚相。5相为火山通道相、爆发相、喷溢相、侵出相和火山沉积相[13--15]。

火山通道相电阻率测井值呈中--高值，测井曲线均波动范围较大，且具有典型的高振幅齿状形态。地震波反射呈团块状、管状以及透镜状，内部反射杂乱，频率为低频，振幅弱且连续性差。

爆发相电阻率测井值呈中--低值，声波及密度测井曲线有一定的波动，且呈指状形态或弱齿化形态。地震波反射特征一般呈板状或楔状，内部反射特征一般杂乱，频率为中--低频，振幅较弱且连续性较差。

喷溢相电阻率测井值呈中值，测井曲线波动一般，偶见平缓曲线段，且呈指形或钟形，具有较好的韵律性。地震波反射特征一般呈席状或亚平行层状，内部反射可见杂乱或波状，频率为中频，中等振幅，连续性一般。

侵出相电阻率测井值为高值，测井曲线较为平缓。地震波反射特征杂乱，频率为低频，振幅极弱且连续性非常差。

火山沉积相在伽马测井曲线上显示中--高值，电阻率一般为中--低值，测井曲线形态为高幅度齿化，振动幅度较大。地震波反射特征一般呈席状和层状，频率较高，振幅较强，连续性较好。

通过对研究区测井资料和地震资料解译，可将德惠断陷营城组钻遇13口井火山岩岩相划分为5相13亚相，将其按钻遇厚度统计：火山通道相比例约占为2%，共分为2个亚相：火山颈亚相和隐爆角砾岩亚相；爆发相比例约占26%，共分为3个亚相：热基浪亚相、热碎屑流亚相和空落亚相；喷溢相比例约占57%，共分为3个亚相：上部亚相、中部亚相和下部亚相；侵出相比例约占9%，共分为2个亚相：内带亚相和外带亚相；火山沉积相比例约占6%，共分为3个亚相：含外碎屑火山碎屑沉积岩亚相、再搬运火山碎屑沉积岩亚相和凝灰岩夹煤沉积亚相(图6)。

图6 德惠断陷营城组火山岩相统计图Fig.6 Statistics of volcanic facies of Yingcheng Formation in Dehui fault depression

3 储层特征及发育规律

3.1 储层类型

通过对13口井的岩芯观察、铸体薄片等分析，总结出德惠断陷营城组一段火山岩4类8种储集空间，分别为原生孔隙类型发育原生气孔和粒间孔；次生孔隙类型发育晶体溶蚀孔、基质溶蚀孔和杏仁体溶蚀孔；原生裂缝为收缩缝；次生裂缝为构造缝和溶蚀缝。

原生气孔发育在火山熔岩中，在喷溢相和爆发相中较为常见，主要成因是岩浆到达地表后，所处低压强环境(相对于喷发前地层压力)，部分挥发分气体逃逸形成的气孔也可出现在火山角砾岩内部[16,17]。一般呈椭圆状、拉长状和不规则状，后期易被方解石或黏土矿物充填形成杏仁体(图7-F)。

粒间孔常发育在火山碎屑岩中，在火山通道相和爆发相中较为常见，主要成因是火山喷发期间[12]。由于喷发能量较强，易在地表形成火山碎屑堆，受压实固结成岩作用形成的孔隙，形状不规则，岩石颗粒分选程度较差(图7-G)。

次生孔隙常发育在渗透性较好的火山岩中，与裂缝具有共生的关系[18]。有利于酸性流体作用于火山岩矿物中，使火山岩中的斑晶、基质中的玻璃质矿物以及充填原生气孔的杏仁体易蚀变溶解，形成晶体溶蚀孔、基质溶蚀孔和杏仁体溶孔(图7-A、7-E、7-G)。

收缩缝主要发育在火山熔岩中，由于火山喷发期熔结流经地表快速冷凝结晶而形成，受熔岩流中下部发育的火山岩矿物的影响，形成不同的节理缝或喷发单元间的层理缝(图7-C)。

次生裂缝主要发育在邻近断裂的致密熔岩和原生裂缝中，主要受后期的构造作用而形成的构造裂缝和成岩作用后期酸性流体经原生裂缝进一步蚀变作用下形成的溶蚀缝(图7-A、7-B)。

A.英安岩，构造缝(岩芯)；B.英安岩，溶蚀缝(单偏光)；C.英安岩，冷凝收缩缝(岩芯)；D.英安岩，基质溶蚀孔(单偏光)；E.安山玄武岩，杏仁体溶蚀孔(正交偏光)；F.安山玄武岩，原生气孔(岩芯)；G.沉凝灰岩，晶体溶蚀孔(单偏光)；H.沉火山角砾岩，粒间孔(单偏光)；I.流纹质凝灰熔岩，基质溶蚀孔(单偏光铸体薄片)图7 德惠断陷营城组火山岩储集空间类型Fig.7 Reservoir spaces types of volcanic rocks of Yingcheng Formation in Dehui fault depression

3.2 储层发育规律

根据对火山机构内幕精细剖析，虽然火山岩储层的非均质性较强，但仍然有一定的规律可循，其分布主要受控于岩浆成分、火山喷发方式以及后期的构造、溶蚀等地质作用。

本次研究将火山机构划分3种类型，分别为层状火山机构、丘状火山机构和穹隆状火山机构。火山机构横向上可划分为火山口--近火山口相带、近源相带和远源相带，火山口--近火山口相带发育火山通道相和侵出相，近源相带发育爆发相及喷溢相，远源相带为喷溢相和火山沉积相。一般来说，火山岩喷发能量的强弱以及火山岩的喷发方式等，都会对储层分布有一定的影响[18,19]。火山机构中心一般为火山碎屑岩，原生储层类型为粒间孔、原生气孔和收缩缝等。火山喷发中心或侧向中心有利储层较为发育，不同的火山机构储层的规模不同，共同规律为火山机构顶部受环境因素影响，易受风化淋滤作用，可形成较好的次生储集空间。火山机构顶部储层物性要优于火山机构内部储层。

火山机构内部喷发单元可根据熔岩性质划分为基性岩喷发单元和酸性岩喷发单元[3]。基性岩喷发单元较薄，纵向分辨率较差，根据单元间的叠置关系可进一步划分为板状熔岩流和复合熔岩流，板状熔岩流中气孔发育自上而下逐渐稀疏。复合熔岩流上部椭圆状气孔发育，下部管状气孔发育，中部则发育一些圆状气孔。复合熔岩流叠置不整合面可形成交织--透镜状气孔带，板状熔岩流发育层状气孔带，整体上复合熔岩流的物性要优于板状熔岩流。酸性喷发单元较厚，可根据测井曲线明显地将喷发单元划分为上部、中部及下部。喷发单元上部和下部或者火山角砾内部一般原生气孔较为发育；喷发单元中部则晶间孔和收缩缝较为发育，喷发单元一般发育韵律性储层，喷发单元上部优于下部，中部最差，但中部一般渗透性较好，与上下部气孔带形成了一套优质的孔隙--裂缝配置关系，所以喷发单元上部一般是主要的油气储层(图8)。

火山岩相对火山岩储层具有较好的控制作用[10]。火山通道相具有典型的堆砌结构、碎裂结构和凝灰结构，角砾间孔隙以及晶内裂缝较为发育。爆发相具有熔岩凝灰结构和火山碎屑结构，晶体粒间孔隙和角砾间孔缝较为发育。喷溢相具有球粒结构，一般呈气孔构造，储集空间为杏仁体内孔和晶间微孔。侵出相具有枕状和斑状结构，一般为岩球或岩枕构造，整体可见明显的穹隆状特征，原生裂缝较为发育且呈环带状。火山沉积相与沉积岩沉积相较为类似，具有典型的层理构造特征，含有晶屑、玻屑和浆屑等，储层类型可见粒间孔隙和次生裂缝等。一般来说，爆发相中热碎屑流亚相、喷溢相上部亚相和侵出相内带亚相可形成较好的孔--渗组合，是重要的油气富集带。