四川盆地永探1井火山岩地质建模及数值模拟

2021-07-27熊晓军张本健王宇峰孙志昀

成都理工大学学报（自然科学版） 2021年4期

熊晓军, 童浩, 张本健, 杨华, 杨讯, 王宇峰, 孙志昀

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059；2.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院，成都 610041；3.中国石油西南油气田公司川西北气矿，四川江油 621741)

近十年来，中国火山岩地区接连发现大规模天然气储层，火山岩储层越发吸引学者关注[1-3]。永探1井是四川盆地简阳地区二叠系火山碎屑岩气藏的首口工业气井，该井首次发现了火山碎屑岩气藏，拓展了天然气勘探的领域[4]。

火山岩地质建模受控于火山岩喷发模式的多样性和复杂性，是火山岩勘探中的难点问题。此外，四川盆地已钻遇的火山岩地层的喷发模式具有典型的多样性，如张成江等[5]通过研究峨眉山玄武岩，将之分为3个喷发期次和9个溢流期次；田景春等[6]将峨眉山玄武岩分为10～11个旋回；陆建林等[7]将永胜1井区火山岩划分为3个旋回和1个侵入岩段；陈辉等[8]将永胜1井区火山岩划分为16个韵律和3个旋回。

目前对于火山岩地层的数值模拟研究，主要集中在仅依靠地震相方面，如尹志军等[9]基于地震相分析的火山岩岩相剖面结构。笔者考虑到火山岩建模具有多样性，因此综合火山岩的喷发期次、地震反演、裂隙预测来加以限制，使建立的模型具有实际的地质意义。本文通过正演模拟分析火山岩地层呈丘状杂乱反射的成因，为后续火山岩数值模拟提供参考。

1 永探1井火山岩喷发模式

1.1 岩性

永探1井二叠系火山岩的岩性如图1所示，自上而下分别是杏仁状玄武岩、火山角砾熔岩、含灰质火山角砾熔岩、粒玄岩和辉绿玢岩。杏仁状玄武岩属于溢流相，由岩浆快速冷凝而成，其中的气孔被绿泥石、碳酸盐矿物、长英质矿物充填形成杏仁体，物性为高密度、高速度；火山碎屑岩包括火山角砾熔岩和含灰质角砾熔岩，属于爆发相，火山角砾岩为岩浆冷凝胶结为主，物性为中低速度、中低密度、角砾状构造；含灰质火山角砾熔岩主要成因为压实作用，次要成因为冷凝作用，隐晶结构占主体，物性为低速度、低密度；粒玄岩属于火山通道相，其形成方式为熔浆冷却，由于冷却较慢，所以粒玄岩的结晶程度较高，粒玄岩为全晶质，块状构造，高角度缝内填充绿泥石，物性为高速度、高密度；辉绿玢岩同属火山通道相，岩浆缓慢冷凝而成，辉绿结构、块状构造，物性为高速度、高密度。

图1 永探1井岩相柱状图Fig.1 Lithofacies histogram of Well Yongtan 1

1.2 喷发模式

永探1井火山岩在纵向上的岩相清晰、连续发育。根据喷发强度、岩相等可以将其分为4个期次，这4个期次又可分为两大类。前两期次爆发强烈，后两期次能量减弱，并且以侵入为主。分类证据为：前两个期次喷发都带有大量茅口组灰岩形成的角砾，但是后两期次并未携带任何灰岩角砾，说明后两期能量减弱。同时可以从石灰岩角砾含量中分出前两期次的先后[4]。

图2-A为第一期喷发，强大的火山爆发能量将茅口组灰岩带出，形成含灰质火山角砾熔岩，并且将火山口附近的茅口组灰岩破坏。第一期的火山角砾的含量在垂直方向上递减，喷出的火山砾石也逐渐变小。第一期孔隙发育，岩石密度较低。

图2-B为第二期喷发，由于第一期喷发的含灰质火山角砾熔岩在火山通道壁冷凝后，使得第二期爆发不易破坏火山通道的石灰岩，带出的角砾变少。第二期属于喷发-溢流相旋回，下部形成爆发相的火山角砾熔岩，上部形成溢流相的玄武岩。

图2-C为第三期侵入，超浅成侵入岩(粒玄岩)结晶程度相对较高，沿火山岩、茅口组薄弱界面侵入。第三期粒玄岩大量侵入，但侵入岩难以突破第一、第二期火山岩。第三期属于火山通道相中的次火山岩亚相。

图2 永探1井火山岩喷发期次Fig.2 Volcanic eruption periods of Well Yongtan 1

图2-D是第四期侵入，浅成侵入岩(辉绿玢岩)，结晶程度高，见辉石、长石斑晶沿火山岩、茅口组薄弱界面侵入，与粒玄之间为侵入接触关系，直接的证据是能在粒玄岩中发现大量的绿泥石。第四期较第三期减弱，为火山通道相中的次火山岩亚相。

2 基于岩性反演与裂缝预测分析的火山岩地质建模

2.1 基于岩性反演的火山岩内幕结构刻画

波形指示反演是将一组薄层的地震响应之和作为地震波形。该方法是为了计算储层的改变程度，而地震波形的横向变化对其具有较高的敏感度[10]。储层异变与波形的横向变化的相关性是其核心思想，在贝叶斯的框架下，使得高频部分模拟结果与井曲线的特征有较好的符合度。

图3为火山岩层段波阻抗(Za)与密度(ρ)交会分析，直观地得到了爆发相的速度参数低于火山通道相的结论，为基于波阻抗反演进行岩性识别奠定基础，可以用波阻抗属性进行岩性识别。

图3 永探1井不同岩性的波阻抗与密度的关系Fig.3 The relationship between wave impedance and density of each lithology in Well Yongtan 1

图4是过永探1井的波阻抗反演剖面(红色代表低波阻抗值)，井旁矩形框表示测井解释的岩性纵向分布，其放大图见图4左侧的测井解释图(岩性底界面位置采用箭头相互对应)。反演剖面中顶部覆盖高波阻抗薄层，为溢流相的杏仁状玄武岩。玄武岩和粒玄岩之间存在厚层低波阻抗区域。杨亚迪等[11]将川西南二叠系火山岩分为4类，分别是厚层火山碎屑熔岩、薄层火山碎屑熔岩与玄武岩交互、厚层玄武岩和薄层玄武岩，并将永探1井火山岩划分为厚层火山碎屑熔岩。结合测井解释图，反演剖面厚层低波阻抗区域为火山碎屑岩。夏茂龙等[4]对永探1井区二叠系火山机构特征刻画中，认为粒玄岩会沿着孔隙侵入火山碎屑岩。

图4 过永探1井的波阻抗反演剖面Fig.4 Inversion profile of wave impedance of Well Yongtan 1

根据岩相柱状图和反演剖面，火山碎屑岩内部具有非均质性，成因为局部存在高波阻抗或者低波阻抗的角砾，且粒玄岩会侵入孔隙度较大的火山碎屑岩，导致永探1井火山岩内部呈丘状杂乱反射特征。

2.2 基于裂缝预测的火山岩内幕断裂刻画

永探1井火山岩内幕呈现丘状杂乱反射特征，而常规的裂缝预测技术都是基于地震道的波形变化特征。本文采用最大似然属性的裂缝带预测技术进行火山岩地层的裂缝预测。最大似然属性的作用主要是在地震剖面上扩大裂隙。在计算最大似然属性之前，需要将地震相似性作为前提准备。最大似然属性能扩大比邻点之间的差异度，因此能有效地在地震剖面上扩大裂隙显示。

图5是过永探1井的最大似然属性分析剖面，图中清晰准确地刻画了裂缝的纵向展布特征。蓝色部分代表火山岩内部的裂隙。图5显示裂缝发育在剖面中地层杂乱的区域，因此，除了火山碎屑岩内部具有非均质性和粒玄岩侵入外，火山岩内幕裂缝也是导致内部呈现丘状杂乱反射特征的因素之一。

图5 过永探1井的最大似然属性分析剖面Fig.5 The maximum likelihood attributes analysis section of Well Yongtan 1

2.3 永探1井的火山岩地质建模

永探1井区自上而下依次为溢流相杏仁状玄武岩、爆发相的火山角砾熔岩和含灰质火山角砾熔岩、火山通道相的粒玄岩和辉绿玢岩。由于研究区反演剖面火山碎屑岩整体表现为低波阻抗，但局部存在波阻抗相对较高的团块，因此本文在地质模型中相应位置设置高波阻抗角砾熔岩。根据过永探1井的最大似然属性分析剖面，在火山岩内部按比例设置裂缝。依照实际地震剖面设计界面起伏。综合火山岩的物理属性、裂缝预测、反演剖面和过永探1井剖面特征，建立如下地质模型(图6)。

图6 过永探1井地质模型Fig.6 The geological model through the profile of Well Yongtan 1

3 数值模拟分析

图7为实际地震剖面，图中红色虚线为火山岩顶界面，蓝色虚线为火山岩底界面。图8为过永探1井地质模型的正演模拟记录。理论与实际对比分析得出：顶界面的强波峰成因为龙潭组地层与玄武岩的较大波阻抗差异，顶界面的宽波峰为火山碎屑岩内部角砾产生的地震波形同顶界面发生调谐作用，理论顶界面同实际符合较好。火山岩内幕的丘状杂乱反射因火山碎屑岩的强非均质性和裂缝，地层内部角砾物性差异较大，且裂隙发育在相对杂乱的区域，理论内幕波形同实际具有较高的相似度；但部分存在一定的偏差，原因为模型取火山碎屑岩内部物性平均值为基底，可是实际地层内部更加杂乱，可从波形指示反演图中得出，虽内幕岩性相同，但物性差异相对较大。火山岩底界由于辉绿玢岩与茅口组地层物性差异较小，呈现弱波峰-空白发射，在粒玄岩相对较薄的区域，火山碎屑岩角砾产生的波形会影响到波谷，视觉上呈现断续反射特征。