渤中凹陷北部中生界火山岩储层发育特征及主控因素*

2021-06-18王晨杰张新涛徐春强孔栓栓

中国海上油气 2021年3期

王晨杰张新涛徐春强孔栓栓张藜

(中海石油(中国)有限公司天津分公司天津 300459)

20世纪80年代以来，中国陆上火山岩勘探进入了快速发展阶段，探明储量高速增长，火山岩油气藏的发现速率明显加快，随着准噶尔盆地、松辽盆地相继发现大型火山岩油气藏[1-5]，火山岩油气勘探重新进入了勘探家的视野。近年来，随着立体勘探、精细勘探理念的不断深入，国内对火山岩油气藏的地质特征、成藏控制因素和油气富集规律进行重新认识和深入探讨，随着国内增储上产的压力不断增加，渤海湾盆地、四川盆地也相继发现了火山岩高产油气流，火山岩油气勘探作为一个新的领域，也为社会经济发展及国家能源安全提供了保障。勘探实践证明，火山岩勘探的成败主要由火山岩储层的发育程度决定，因此，寻找火山岩优质储层是油气勘探成败的关键。

渤中凹陷北部火山岩分布面积广、厚度大，油气勘探程度低，勘探成效不理想。前人的研究[6-13]主要局限在岩性和地层特征，认为研究区主要发育玄武岩、安山岩和凝灰岩，地层自上而下可进一步划分为阜新组、沙海组、九佛堂组和义县组，但是针对火山岩储层物性变化快，非均质性强的特点，在优质储层主控因素方面认识不清，尤其缺乏一套针对火山岩储层的预测技术与方法。本文在前人研究的基础之上，通过综合分析岩心观察、薄片鉴定和分析化验等资料，重新落实了研究区火山岩岩性、岩相特征，明确了火山岩优质储层储集空间类型，指出了火山岩优质储层形成的主控因素及分布规律，初步建立了一套针对火山岩储层预测的技术流程，对于渤海海域火山岩优质储层预测及油气勘探实践具有指导作用。

1 区域地质概况

研究工区位于渤海中部海域，南至石臼坨凸起东倾没端，北至辽西凸起南部斜坡带，东西向被秦南凹陷和渤中凹陷所环绕(图1)。工区范围内火山岩主要分布在中生界白垩系，地层自上而下可进一步划分为阜新组、沙海组、九佛堂组和义县组，均发育不同规模和不同岩性序列的地层。其中阜新组、沙海组和九佛堂组主要发育为碎屑岩，火山岩主要分布在义县组，锆石测年记录岩浆活动分布在123～105 Ma之间，工区范围内普遍发育厚层义县组地层。火山岩岩性涵盖了玄武岩、安山岩、流纹岩、凝灰岩和火山角砾岩等。研究区火山岩油气勘探可追溯至20世纪70年代，以中生界火山岩为主要目的层在秦皇岛30-A构造钻探了多口探井，勘探效果整体不佳，主要是由于火山岩储层岩性变化快，储层物性非均质性强，优质储层分布规律认识不清，预测难度大。近年来，辽西凸起旅大25-A构造部署了一口探井LD25-A1井，中生界火山岩测试获得日产近700 m3的高产，掀起了火山岩油气勘探的热潮。

图1 研究工区区域位置图Fig.1 Regional location map of the study area

2 储层发育特征

2.1 岩性特征

通过岩心观察和薄片鉴定，研究区中生界火山岩岩性主要为火山角砾岩、流纹岩、安山岩、玄武岩和凝灰岩5种岩石类型(图2)。王璞珺等[14]按照成因的分类方案，将火山岩分为火山熔岩和火山碎屑岩。研究区火山熔岩主要为玄武岩、安山岩和流纹岩，玄武岩多具有间粒结构、填间结构、斑状结构，斑晶大多为斜长石，也见有少量辉石、橄榄石和磁铁矿等，暗色矿物多已发生蚀变，如橄榄石伊利石化、绿泥石化等，具有气孔、杏仁构造，大多数气孔被绿泥石及方解石充填(图2a)，研究区仅QHD30-A1井钻遇少量玄武岩，分布十分局限。安山岩多具有交织结构、斑状结构，偶见玻晶交织结构、霏细-交织结构，斑晶为中性斜长石、角闪石，偶见辉石，部分气孔发育，大多数被硅质及方解石充填(图2b、c)，是研究区发育的主要岩性，分布范围较广，厚度大，主要分布在QHD30-A构造全区及LD25-A2井区附近。流纹岩为酸性火山熔岩，常具有流纹构造，岩石多发育霏细结构、球粒结构、少见斑状结构，斑晶成分主要为石英、酸性斜长石、碱性长石，少见黑云母等暗色矿物，基质成分为长英质矿物集合体(图2d)，主要分布在LD25-A构造区及其附近。火山碎屑岩主要为火山角砾岩和凝灰岩，火山角砾岩是研究区储层物性最好的岩性，孔隙及裂缝均较为发育，多具隐爆角砾结构，角砾具有可拼接性(图2e、f、g)，主要分布在QHD30-A1井区及LD25-A1井区附近，分布范围较广；凝灰岩多为晶屑凝灰岩，部分可见假流纹构造，晶屑成分多为石英和长石(2h、i)，岩性较为致密，主要分布在QHD30-A构造井区附近。

图2 渤中凹陷北部火山岩岩性特征Fig.2 Lithologic characteristics of volcanic rocks in northern Bozhong sag

2.2 储集空间类型

通过对研究区中生界火山岩的岩矿薄片、铸体薄片、扫描电镜等资料分析，按其形态和成因可将火山岩储集空间分为原生孔隙、次生孔隙和裂缝3种储集类型。

2.2.1原生孔隙

研究区仅发育少量原生孔隙，包括原生气孔和杏仁体内孔2种类型。

原生气孔是含挥发份的岩浆喷出地表时由于压力降低挥发份逸散后留下来的未被充填的气孔[15]。原生气孔形状多样，常见的有圆形、椭圆形、拉长扁平状及不规则形态，玄武岩、安山岩、流纹岩中均有发育。研究区原生气孔虽然较为发育，但大多数被方解石、白云石和绿泥石等充填，只有少量被保存下来(图3a、b)。

杏仁体内孔是由于原生气孔未被后期方解石、绿泥石等充填完全而形成的储集空间[16]。杏仁体内孔的形态多为长形、多边形或围边棱角状不规则形状。杏仁体内矿物自形，孔隙形状多样，与外界不连通。研究区仅有极少数杏仁体内孔发育(图3c)。

图3 渤中凹陷北部火山岩储集空间特征Fig.3 Characteristics of volcanic reservoir space in northern Bozhong sag

2.2.2次生孔隙

次生孔隙是研究区主要的储集空间类型，包括晶内溶蚀孔、基质溶孔和脱玻化孔3种类型。

晶内溶孔主要是长石、石英晶体中溶蚀形成的孔隙[17]。是斑状火成岩中，斑晶被溶蚀后形成的孔隙。晶内溶蚀孔的孔隙形态不规则，如完全溶蚀矿物，则保留原有晶体假象，主要为晶内孔。晶内溶蚀孔多见于节理发育的矿物斑晶内，形状不规则，具有较好的连通性(图3d、e、f)。

基质溶孔是火山岩的基质经历了不同程度的溶蚀，形成的细小孔洞，在显微镜下多呈筛状分布[18]。基质溶蚀孔是基质中的长石、火山玻璃、颗粒间充填物等被溶蚀形成的孔隙。基质溶孔呈现细小的筛孔状形态，主要为溶蚀孔，具有一定的相互连通性(图3e、f)。

脱玻化作用广泛存在于含有玻璃质的火山岩中，火山玻璃转化为雏晶、微晶之间的孔隙[19]。脱玻化孔是一种由火山岩中的玻璃发生脱玻化作用形成矿物，从而造成体积的缩小，形成的微观孔隙(图3d、f)。

2.2.3裂缝

研究区裂缝所占储集空间的比例虽然不大，但是可将不同尺度的孔隙连通，构成油气流动的主要通道，极大地改善火山岩储层的渗透性[20]。主要包括炸裂缝、构造缝与溶蚀缝3种类型。炸裂缝为经炸裂而形成的裂缝，经历后期岩汁充填后、岩石具有可拼接性(图3g)。构造缝是受到构造应力作用形成的裂缝，具有平直、延伸远、切割程度深等特征，构造缝常常穿层、切割层理、边缘平直、延伸远、成组出现(图3h、i、j)。溶蚀缝是对原有裂缝的改造，其发育程度与原有裂缝分布和酸性流体作用密切相关溶蚀缝呈网状分布，主要沿原有的裂缝发育，多呈不规则脉状，缝宽不一致，内边缘较平滑(图3h、k、l)。溶蚀裂缝在熔岩流顶部尤其是喷发旋回顶部较为明显。

2.3 物性特征

通过对研究区5口井38块岩心和壁心样品进行气测孔隙度及渗透率测试分析，结果显示研究区内储集层孔隙度2.6%～30.8%，平均值10.6%；渗透率(0.002～4.870)×10-3μm2，平均值0.420×10-3μm2，孔隙度和渗透率有较好正相关关系，储层物性从高孔-中渗到低孔-低渗均发育。实验结果显示，储层物性好坏与岩石类型也存在相关性(图4)，火山角砾岩的平均孔隙度和渗透率物性条件最好，孔隙度12.4%～30.8%，平均值20.4%；渗透率(0.11～4.87)×10-3μm2，平均值1.65×10-3μm2。酸性流纹岩和中性安山岩物性条件较好，孔隙度2.9%～14.6%，平均值6.6%；渗透率(0.01～0.81)×10-3μm2，平均值0.05×10-3μm2。玄武岩和凝灰岩物性条件最差，难以形成好储层。

图4 研究区不同岩性孔隙度与渗透率关系分布图Fig.4 Distribution diagram of the relationship between porosity and permeability of different lithologies in the study area

3 火山岩优质储层主控因素

通过已钻井油气分布及储层物性统计显示，研究区火山岩优质储层主要分布在火山通道相隐爆角砾岩亚相和中酸性喷溢相上部亚相，距离火山通道越近储层物性越好，爆发相及基性喷溢相熔岩较为致密。因此，岩性岩相和火山机构是决定中生界火山岩储集性能的主要因素，不同岩性、岩相决定了其储集空间类型、组合和发育程度，并间接影响次生改造作用(构造作用和溶蚀作用)的方式和强度，最终控制火成岩的储集物性和储层有效性。

3.1 岩性岩相及火山机构控制了优质储层分布

上文所述，通过分析研究区不同岩性的孔隙度及渗透率，火山角砾岩储层物性条件最好，是形成优质储层的主要岩性，其次是酸性流纹岩和中性安山岩，也可以形成好的储层，玄武岩和凝灰岩储层物性条件差，一般可作为盖层。因此，火山角砾岩和中酸性气孔熔岩是形成优质储层甜点的有利岩性。

通过统计不同火山岩相的储集物性，火山通道相隐爆角砾岩亚相、侵出相外带亚相和中酸性喷溢相上部亚相具有良好的原生、次生和裂缝叠合发育关系，物性条件较好(图5)，是形成研究区优质储层甜点的有利岩相。由于火山喷发通常是多期次的，因此，火山喷发期次的界面附近也可以发育有局部的优质储层甜点。

图5 研究区不同岩相火山岩物性特征Fig.5 Physical characteristics of volcanic rocks of different lithofacies in the study area

按照距离火山通道的远近，可将火山机构划分为近源相带、中源相带和远源相带[19]。火山机构通过控制岩相展布、岩性组合和裂缝分布控制优质储层甜点的空间分布，主要体现在两个方面：其一，不同类型火山机构的发育规模及其内部岩性、岩相构成存在差异；其二，不同火山机构相带决定了岩性、岩相组合和序列。辽西凸起南段中生界火山岩近源相带以发育火山通道相、溢流相和侵出相为主，岩性主要发育火山角砾岩、流纹岩和安山岩，该相带的火山岩厚度大，裂缝发育，通常构成好储层；中源相带以溢流相和爆发相为主，岩性主要发育凝灰岩、流纹岩和安山岩，也可以形成好的储层；远源相带主要发育爆发相和火山沉积相，岩性以英安质沉凝灰岩和粗安质沉凝灰岩为主。一般来说，从近源到中源到远源相带，岩性和岩相组合逐渐单一，储集空间类型减少，原生孔隙、次生孔隙、裂缝发育情况均逐渐变差，储层物性逐渐降低(图6)。总体上，近源相带储层物性最好，是寻找火山岩优质储层的首选目标。

图6 研究区不同火山机构火山岩物性特征Fig.6 Physical characteristics of volcanic rocks in different volcanic structures in the study area

3.2 构造运动和风化淋滤对火山岩储层的改造

构造运动和溶蚀作用对火山岩进行多期改造，从而改变火山岩体的储集物性[22](图7)。通常情况下，火山岩喷发冷凝过程中，可以形成一些原生孔隙及其早期裂缝，大部分则被后期热液流体所充填，只有少部分孔缝可以保留下来，形成储集空间。受大气淡水风化淋滤作用改造，一些具有化学活动性的流体对先期裂缝进行溶解交代等改造，形成大量的基质溶蚀孔缝和砾内溶蚀孔缝；同时强烈的构造运动产生新的裂缝并使一些小尺度隐性裂缝发展为显性裂缝，提高了裂缝的发育程度，可极大地改善火山岩的储集物性。后期受上覆地层的压实作用影响，孔隙和裂缝在一定程度上减小，部分孔缝被硅质、泥质充填，同时地层流体和构造运动也可形成少量的溶蚀孔缝和构造裂缝。

图7 火山岩储集空间演化特征Fig.7 Evolution characteristics of volcanic reservoir space

4 火山岩优质储层分布预测

研究区火山岩优质储层的甜点部位主要分布在火山通道隐爆角砾岩亚相、侵出相外带亚相和中酸性喷溢相熔岩上部亚相，且距离火山通道越近储层物性越好，因此火山岩相和火山机构的刻画对于火山岩优质储层预测至关重要。

通过井-震结合，根据地震剖面反射特征，明确研究区发育火山通道相、中酸性溢流相上部亚相、中酸性溢流相下部亚相、爆发相热碎屑流亚相、侵出相以及火山沉积相6种岩相。其中，火山通道相为蘑菇状外形，中—弱振幅、中—低频、乱岗反射，主要分布在火山口附近；侵出相一般呈高纵横比高丘状，中—弱振幅、中—低频、杂乱反射，研究区主要发育在大断裂及火山口附近；中酸性溢流相中上部亚相呈多丘状，中—强振幅、中—高频、连续性中等反射，多分布在火山机构近源相带；中酸性溢流相中下部亚相多呈单丘且纵横比较小，多分布在火山机构的近—中源；爆发相热碎屑流亚相为席状，中—强振幅、中—高频、连续性中等偏好，分布范围较广，在近中远源均有发育；火山沉积相主要发育在火山岩相向沉积岩相过渡的区域，属于远火山口区域或喷发间歇期的产物，地震反射外形为多席状、层状，内部多呈平行—亚平行反射；中—强振幅、中频、连续性较好，通常距离火山口较远，分布在机构的远源部位(图8、9)。

图8 渤中凹陷北部火山岩相地震反射特征Fig.8 Seismic reflection characteristics of volcanic facies in northern Bozhong sag

本文通过建立火山岩喷发模式及不同火山岩相地震相响应特征，精细刻画不同火山岩相及火山机构的平面展布特征，寻找优质储层的发育区，主要包括以下6个方面：①火山通道识别(图10a)：研究区共识别出25个火山通道，主要分布在断裂附近，以裂隙式喷发模式为主。②火山岩相刻画(图10b)：通过类比不同岩相的剖面形态及地震反射特征，对研究区主要发育的6种岩相进行剖面精细刻画及平面组合，结果显示研究区火山通道相、侵出相和中酸性溢流相等优质岩相发育，分布面积广，具有形成好储层的岩相基础。③火山机构刻画(图10c)：研究区近源相带主要分布在火山口附近，以溢流相、爆发相为主，岩性以中酸性为主，火山岩厚度大，裂缝发育，通常构成好储层；中源相带以爆发相为主，局部发育溢流相，储层物性中等；远源相带主要发育火山沉积相，岩性以沉凝灰岩为主，物性差。④平面属性分析(图10d)：通过叠前能量衰减差、叠后地震纹理和叠后蚂蚁体属性分析，研究区以发育北西-南东向和近南北向两组裂缝为主，主要分布在断裂附近。⑤优质储层分布(图10e)：通过论证“岩性岩相—火山机构—裂缝”三方面因素综合分析，将研究区储层划分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类，其中Ⅰ类储层主要分布在QHD30-A、LD25-A构造和LD25-A构造的北部和南部，Ⅰ类储层和Ⅱ类储层全区分布面积约占35%，为油气的成藏提供了良好的储层条件。⑥圈闭叠合及有利区(图10f)：通过中生界顶面圈闭发育特征及储层分布情况，研究区圈闭与储层具有较好叠合性，主要为Ⅰ类、Ⅱ类储层，旅大25-A构造的南部及北部分别发育一个有利目标区，具有较大勘探潜力。