霸县凹陷文安斜坡火成岩分布特征及成藏主控因素分析

杨莹莹, 程相振, 崔 刚, 王 征, 陈阳子, 武春艳

(中国石油华北油田分公司第一采油厂地质研究所，中国石油华北油田分公司科技信息处，任丘 062552)

自1887年美国圣华金盆地首次钻遇了火成岩油藏至今，全球火成岩油藏已经历3个重要阶段，分别为早期发现阶段、二期局部勘探阶段以及三期大规模工业开采阶段[1]。已发现火成岩油藏中不乏一些大型火山岩油气藏。如日本吉井-东柏琦油气田，岩石类型为斜长流纹岩、凝灰角砾岩，可采储量为118×108m3[1-3]；印度尼西亚Jatibarang油田，岩石类型为安山岩、凝灰角砾岩，地质储量为1.64×108t[4-8]；美国Richland气田，岩石类型为凝灰岩，地质储量为399×108m3[4]。中国火成岩勘探已有60余年历史[9]， 1957年在准噶尔盆地首次发现火成岩气藏[10-13]，之后主要在准噶尔和渤海湾开展针对性的局部火成岩勘探。自2002年以来，中国火成岩油气勘探进入了新的阶段，陆续在松辽盆地、海拉尔盆地、渤海湾盆地、苏北盆地、江汉盆地等发现了具有工业规模的火成岩油气藏。对于火成岩油气藏的研究手段也越来越成熟，广至从其构造背景下研究火山作用随构造演化而形成的火山响应特征[14-17]，细至分析其岩石地化特征，根据特征值的响应反推其所属构造环境以及年代和侵入时序[18-20]，研究区所属渤海湾盆地内发育的深大断裂控制了火成岩的分布，在济阳坳陷、东营凹陷、辽河坳陷、黄骅坳陷、冀中坳陷等地均发现火成岩油气藏[21-25]。前人对于富油的济阳、辽河、黄骅坳陷内火成岩研究做了很多工作，但由于冀中坳陷内岩浆活动规模小，火成岩发育分布不均，对坳陷内次级构造单元霸县凹陷内火成岩研究匮乏，仅运用测井-地震综合识别模式刻画火成岩的空间展布[26]，评价工作不够细致，对火成岩成藏机制不明确，难以找到具工业性油流的油藏。研究区研究层位为火成岩，深度主要分布在2 900～4 000 m，因此研究主要依据火成岩岩石学、测井地质解释、地震勘探原理，首次研究其岩石地化特征，结合区域构造探讨其发育特征及成藏机理，寻找隐蔽性较高的油气藏。通过后期实钻井的验证，证明了在研究区北部优势发育火成岩侧向遮挡型油气藏，为在勘探成熟地区如何寻找油气“甜点”提供借鉴。

1 区域地质概况

霸县凹陷位于渤海湾盆地冀中凹陷东部，西邻牛驼镇凸起，向东过渡为文安斜坡，北接廊固凹陷、武清凹陷，南与饶阳凹陷相隔。凹陷走向为北东向，东西宽约70 km，南北长约80 km，勘探面积约5 600 km2[27](图1)。文安斜坡是霸县凹陷火成岩最发育的区域，北起信安镇、南到郭家庄都有火成岩的分布[28]。

2 文安斜坡火成岩基本特征

2.1 火成岩化学特征

通过对区内25口探井岩芯资料观察、64片岩石和铸体薄片鉴定，以及9件岩石化学分析资料进行统计分析，研究区火成岩样品既有碱性系列，又有亚碱性系列(图2[29])，亚碱性系列的火山岩根据FeO*/MgO-SiO2图解，火山岩样品应属于拉斑玄武岩(图3[30])。

图2 火山岩(K2O+Na2O)-SiO2图(碱性与亚碱性分界线)[29]Fig.2 K2O+Na2O)-SiO2 diagram of maficvolcanicrocks(boundary of alkalescence and sub-alkalesence)[29]

图3 火山岩FeO*/MgO-SiO2图解(拉斑玄武岩与钙碱性岩分界线)[30]Fig.3 FeO*/MgO-SiO2 diagram of mafic volcanic rocks(boundary of Tholeiite and calc-alkaline)[30]

2.2 火成岩岩石特征

火山岩相根据其喷发物形态和岩石特征可划分为火山通道相、次火山岩相、侵入相、溢流相、爆发相及喷发相6项[31]。文安斜坡北起信安镇、南到郭家庄都有火成岩的分布，认为区内岩相主要有爆发相和溢流相，少部分地区发育火山侵入相，岩石类型以玄武岩为主，凝灰岩次之，局部地区亦见少量辉绿岩。通过岩芯观察，可知玄武岩主要表现为与泥岩顺层接触，辉绿岩表现为与粉砂岩倾斜接触。①玄武岩以霸深2井3 568.0～3 578.9 m井段为代表，新鲜面上常呈灰色、灰绿色、灰黑色，显微镜下可见自形、板状斜长石微晶，基质为间隐-间粒结构，矿物见辉石绿泥石化、蛇纹石化、碳酸盐化，发育气孔、溶蚀孔、微裂缝、杏仁构造(图4)；②凝灰岩以文132井2 878.0～2 883.0 m井段为代表，新鲜面呈灰色、浅灰色、灰绿色，岩石成分可见晶屑、玻屑、岩屑及火山灰，发育气孔及杏仁构造；③辉绿岩以新家4井4 369.0～4 415.5.0 m井段为代表，新鲜面呈绿灰色，岩石成分主要为辉石、斜长石，见少量黄铁矿，发育溶孔、微裂缝，多数裂缝被泥质充填(表1)。

2.3 火成岩测井特征

火成岩与周围沉积岩测井曲线响应存在明显的突变界面，研究区无论是玄武岩还是辉绿岩，和周围沉积岩相比，在测井曲线上表现出的总体特征为低自然伽马、低声波时差及高电阻率。通过测井曲线的综合分析，可以有效地识别出火成岩，但辉绿岩和玄武岩的自然伽马都较低，小于50 API，二者较难区分；玄武岩的声波时差为180～340 μs/m，略高于辉绿岩的声波时差(140～260 μs/m)；玄武岩电阻率为0～60 Ω·m，而辉绿岩为0～500 Ω·m，辉绿岩R4变化较大，通过曲线与岩性相交会，对研究区内50余口井测井曲线分布值进行划分，确定了玄武岩、凝灰岩以及辉绿岩的测井响应区间(表2)。

2.4 火成岩的地震描述

火成岩的层速度一般可达到2 500～5 000 m/s，正常沉积岩的层速度一般为1 500～2 000 m/s，因此火成岩的层速度比正常沉积岩的层速度相对要高，但若火成岩遭受风化或蚀变较强时，其顶底界面反射不强，文安斜坡内带火成岩主要分两期发育，在三叠系造成火成岩的岩性纵向上剧烈变化，最早一期主要为凝灰质火成岩，速度最低，约为2 100 m/s，晚期为高速玄武岩，约为4 500 m/s。地震响应特征与火山喷发有关，研究区少量井见侵入相辉绿岩体，地震剖面上表现为低频强振幅连续地震相，岩体形态不规则，多分布于断层附近，且横向延伸不远，与围岩界面不平行接触；多井钻遇溢流相和爆发相火成岩，地震剖面上表现为中低-中高频、中强振幅、高连续性地震相岩体形态呈披覆状，靠近断层，横向延伸较远，与围岩界面近平行接触(图5)。

表1 霸县凹陷第三系火成岩岩相划分与岩矿特征

表2 文安地区不同类型火成岩测井响应特征值

GR为自然伽马；COND为感应电导率；R4为0.4 m电位图5 霸县凹陷文安斜坡某处地震与测井曲线对应剖面Fig.5 Sesmic and logging curve of Wen’an slope in Baxian Depression

3 文安斜坡火成岩体的空间展布

3.1 火成岩纵向展布特征分析

火成岩在文安斜坡(图6)纵向上厚度差异大，沙河街组沙一、沙二、沙三、沙四段均有分布，主要分布层位以沙三段为主，其次为沙河街组二段和一段。根据火成岩地震标定、追踪的结果，结合64口井钻井资料完成了重点区带火成岩厚度纵向展布图，由火成岩厚度展布图可以看出，火成岩厚度分布极不均匀，研究区中部苏68、苏36等井厚度较大，周边苏101、苏23、文131、文77等井厚度明显减薄(图7)。

图6 文安斜坡构造简图Fig.6 Structure diagram of Wen'an Slope

3.2 火成岩平面展布特征分析

研究区火成岩发育受构造活动控制，火成岩展布方向、集中发育期和分布迁移规律与区域断裂体系特征具有一致性。切割基底的深大断裂沟通深部岩浆源，和与其连通的次一级断裂共同控制着火成岩的分布，火成岩往往分布于大断裂附近或断裂交汇部位，受断陷期基底大断裂的影响明显[28]，火成岩展布方向和断裂体系走向一致。

通过对重点区带不同时代火成岩相展布特征进行研究，认为火成岩爆发的强度不大，火成岩先溢流后喷发，分布最广的火成岩相为溢流相玄武岩，广泛发育在不同地区的不同时代；爆发相主要分布在研究区北部，辉绿岩群于晚期侵入于不同时代岩层。与相邻牛北斜坡、河西务地区相比，认为研究区是火成岩最发育的区域，在整个文安斜坡均有火成岩的分布(图8)。

4 火成岩成藏主控因素分析

4.1 油源条件

烃源岩生烃强度介于1～50，该区虽然不在烃源区中，但文安斜坡西与霸县洼槽及马西—鄚州洼槽相邻，紧邻霸县生烃凹陷(图8)，火成岩具有近油源等条件，有利于火成岩成藏。文安斜坡向洼槽倾伏的鼻状构造带以及呈雁行排列的北东向正断层，且高角度断层及不整合面发育，且有沙三段与沙四段之间的不整合面及沙一段与沙二段、沙二段与沙三段之间的平行不整合接触关系，沙三段顶界面(T5)是岩体顶面；沙二段火成岩顶面也和沙二段顶界面(T4)重合；沙一段火成岩在纵向上接近于沙一段底界面(T4)。断层及不整合面组成疏导体系与之生烃凹陷沟通，位于油气运聚指向区。

4.2 储层条件和油气运移通道

火成岩储层的形成、演化过程十分复杂，受火山作用、火山喷发环境、构造作用、风化淋蚀作用等诸多因素的控制，研究区火成岩主要受断裂、不整合面及流体的影响。冀中坳陷火成岩主要分布于深大断裂附近，具有韵律性、多期性。溢流玄武岩是玄武岩岩浆从裂缝中溢出，凝结形成薄层状玄武岩。气孔在玄武岩中的分布具有一定的规律:顶部气孔最富集，且个体较大，中部气孔较少或无气孔，常呈致密岩石；底部气孔数量中等，但明显少于顶部。玄武岩多期次的喷发就形成了“气孔玄武岩-致密玄武岩-气孔玄武岩”，每次喷发均重复出现。据每期溢流玄武岩位于部位，分别划分为上部亚相、中部亚相和下部亚相。一般上部亚相玄武岩气孔、溶孔发育，中部亚相由块状致密玄武岩组成，下部亚相玄武岩可含少量气孔和溶孔。另外不同期次溢流的玄武岩都存在喷发间断，因此导致了相继喷发的不同期次的玄武岩之间存在层间空隙。同时强烈而又多期次、多方向的构造活动使火成岩体形成了许多裂缝，裂缝进一步将封闭的孔隙空间连通，优化了火成岩储层的储集性能；研究区馆陶组底与沙河街组底均存在不整合面，期间层段存在假整合，沿着不整合面风化淋滤所形成的次生孔隙决定了溶蚀孔形成的规模；流体是次生孔隙形成的一个关键因素，沿层间或断层-裂缝渗流带进入火成岩体中，使矿物发生交代和溶解，形成溶蚀孔洞缝。

图7 文安斜坡火成岩地层对比Fig.7 Strata correlation of igneous rock in Wen’an Slope

图8 文安斜坡火成岩平面分布图Fig.8 The distribution of igneous rock in Wen’an Slope

4.3 圈闭和保存条件

文安斜坡薄层火成岩发育，火成岩不均一性强、与泥岩互层。圈闭类型主要为岩性和构造圈闭。火成岩成藏的最有利条件是火成岩附近有生油洼陷，位于生油岩系中或伏于生油岩系之下。冀中坳陷古近纪构造沉降为断陷期，新近纪-第四纪为坳陷阶段。

古近纪火成岩储集体形成时期为构造活动强烈期和主要构造形成期。构造形成期与油气运移期的配置关系良好，新近纪大量油气运移聚集时期，构造和岩浆活动相对弱，有利于火成岩油气藏的保存，通过观察研究区探井钻遇火成岩内油气显示情况，发现研究区火成岩内普遍充注油气(表3)。

4.4 成藏模式

文安斜坡油气藏发育，油藏埋深浅。与火成岩有关的油气藏有3种，分别为埋藏溶蚀型、构造裂缝型以及火成岩体侧向遮挡型油气藏。

4.4.1 埋藏溶蚀型

研究区火山岩喷发为多旋回、多期次，共划分出2个旋回、5个亚旋回、16个期次，埋藏溶蚀型油气藏主要发育在第1、2个亚旋回之间，构造上与华北运动有关，位于华北运动Ⅰ幕与Ⅱ幕之间，上下远离不整合面。该类油气藏储集空间为孔隙-裂缝型，孔隙主要以溶蚀孔隙为主，霸深2井在深度3 313.75～3 314.52 m处可见玄武岩碳酸盐化气孔、溶蚀孔、微裂缝，个别孔隙度可达23%以上。

4.4.2 构造裂缝型

沟通深部岩浆源的深大断层以及与其相连通的次一级断层共同控制着火成岩的发育和分布，火成岩集中发育期和断裂强烈活动时间一致，位于断裂带的附近或为断层所贯穿，容易形成构造裂缝型油气藏，其储集空间以构造裂缝为主。裂缝为多种成因，且越靠近断层裂缝越发育，如文132井在深度3 882.13～3 882.93 m纵向裂缝发育。

GR为自然伽马；SP为自然电位；R25为2.5 m梯度测井电位图10 连井综合柱状图Fig.10 Integrated well histogram

4.4.3 火成岩侧向遮挡型

位于沉积岩体的一侧，火成岩与沉积岩对接，火成岩岩性较致密。作为侧向遮挡的火成岩体，其形成应在盆地内主要油气排放及运移期之前[32]。对苏38井岩心观察结果可知，沙二段玄武岩岩石较致密，为斑状结构，属于致密块状玄武岩，为断块侧向封堵提供了物质基础，断块北部的苏5、苏27、苏67等井在沙一、沙二段发育凝灰岩以及大套火成岩，为断块侧向封堵提供了有利条件。通过研究玄武岩分布、演化及组分对成藏影响，构建了玄武岩侧向遮挡模式(图9)，在苏39断块内先后部署井位8口，8口井平均单井钻遇I类油层22.8 m/6层，II类油层30.0 m/8层，其中砂体核心部位单井钻遇油层厚，苏39-1、39-9井平均单井钻遇油层厚度56 m/18层，油水层+差油层厚度43.0 m/10层(图10)，预计新增地质储量211万t。

图9 苏39断块成藏模式图Fig.9 Accumulation pattern diagram of Su 39

5 结论

(1)油气显示主要分布在溢流相玄武岩及次火山岩相辉绿岩中，玄武岩及辉绿岩是有利岩性岩相带。

(2)研究区火成岩分布与构造期次有关，发育具有普遍性，加之后期与之匹配的成岩作用、断裂活动，火成岩层可作为储层也可作为遮挡层。

(3)通过研究成藏过程，发现平面上位于生烃中心附近的井油气显示好，成藏条件优越，火成岩中有油气显示的井多位于断层上或断层附近及不整合面附近，离断层越近，含油气性越好。

在老油田勘探后期，虽然勘探程度较高，但受制于传统观点，认为火成岩难以成藏的认识，忽略了火成岩重要地位，通过微观与宏观相结合，系统地研究火成岩的地质特征，不仅认识到火成岩的潜力，也认识到火成岩与生油层配合，具有控制成藏的特性，基于此原理钻探的多口井获得工业油流甚至高产。