珠江口盆地惠西南地区古新世火山机构对有利储层的控制作用

2022-07-23王绪诚陈维涛刘汉卿王文勇

石油实验地质 2022年3期

王绪诚，陈维涛，何叶，刘汉卿，王文勇

中海石油(中国)深圳分公司，广东深圳 518000

盆地火山岩是油气储集的重要岩类之一，勘探历史悠久[1-4]。我国陆上含油气盆地火山岩勘探开发程度较高，对火山岩岩相、火山机构研究较为深入[5-13]。如松辽盆地划分火山岩相为5相15亚相，准噶尔盆地二叠系、三塘湖盆地二叠系与石炭系火山岩岩相对储层的控制作用等[5-10]。火山机构是指一定时间范围内的、来自于同喷发源的火山物质，围绕火山源区堆积所形成并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。唐华风等[14]根据火山岩岩石结构、岩石化学成分、地层结构、火山外形等条件，对火山机构进行了详细划分。以火山口为中心，火山机构可分为火山口相带、近火山口相带与远火山口相带，徐家围子断陷火山岩勘探证实，火山机构中心部位是深层油气主要聚集带[2]。代春萌等[15]指出滴南凸起石炭纪火山机构控制火山储层及气藏分布；王立武等[16]通过钻、测井资料刻画德惠断陷火山机构并指出有利储层发育位置。

1980年代，珠江口盆地东部第一口合作井在惠西南地区钻遇新生代早期火山岩，录井见到较好的油气显示，岩心裂隙中见油斑与油迹，显示出火山岩良好的油气勘探前景[17]。受制于水深影响，海域火山岩勘探开发成本较高，过去三十多年中钻井数量较少，鲜有火山岩岩相、火山机构相关研究报道。近年来通过对火山岩岩性、岩相分析，推动了火山岩勘探进程。围绕富生烃的惠州26洼，在惠西南地区先后探索了惠州21、惠州75及惠州71等火山岩(图1)。钻探表明，古新世末岩浆喷发、冷凝固结于中生代结晶基底之上[18]，经历短暂表生暴露后，于始新世中期进入陆相裂陷阶段，火山岩被断陷早期沉积物覆盖、保存下来。与陆上盆地火山岩相比，惠西南地区火山岩形成时代较新，受后期剥蚀与构造变动改造、破坏程度较弱，火山机构往往保存较好，形成原位火山岩油气藏。然而目前缺乏对珠江口盆地古新世火山岩储集空间与火山机构、岩相间关系的探讨，对火山岩有利储层的主控因素研究相对薄弱。本文通过惠西南地区古新世火山机构特征及成因入手，分析火山机构对优质储层分布的控制作用，以期为研究区深层火山岩下一步勘探部署提供依据。

图1 珠江口盆地惠州凹陷(a)及研究区位置(b)与基底结构(c)

1 区域地质概况

2 火山机构特征及形成机理

有利储层分布规律是火山岩油气藏研究的核心。惠西南地区古新世火山岩与上覆地层没有明显沉积间断，风化淋滤作用不强，因此火山岩有利储层分布主要受控于原位火山机构类型及内幕优势岩相。前人通过对松辽盆地徐家围子断陷火山机构与有利储层研究认为，火山机构中心部位是深部油气的有利聚集带；而火山机构的建立，通常以火山口相带(火山通道相、爆发相)为中心，将近火山口的爆发相与喷溢相、远火山口的火山沉积相等按平面组合关系圈定并形成火山机构[2]。因此对火山口外形及相带精确识别，是火山机构刻画的基础。本文通过全三维地震资料、测井资料及火山口形态进行井—震—地貌综合分析，从而对火山机构进行刻画。根据现代火山喷发阶段及特征，将惠西南地区火山口外形分为内凹与穹隆两种类型，分别代表了早—中期强烈火山喷发和晚期平静侵出式火山喷发，对应形成层状和穹隆状两种类型火山机构。

2.1 层状火山机构

层状火山机构地震剖面特征为内凹状火山口外形，火山通道顶部为蘑菇状轮廓，分布较为局限，内部中—低频、断续—杂乱、中—弱振幅反射特征；火山口外为平行—亚平行、中—低频、中—强振幅连续反射，代表席状、层状、似层状爆发相火山碎屑岩或喷溢相火山熔岩层状展布。H3井钻遇惠州75火山机构低部位，纵向上岩相为爆发相—多期喷溢相组合，表层为爆发相凝灰岩，深部为厚层喷溢相安山岩。测井响应方面，爆发相中子孔隙中等、密度偏低，曲线幅度变化不大；多期喷溢相表现为纵向韵律性变化，深侧向电阻率、中子孔隙、密度周期性升高或降低，与火山喷溢过程中挥发分不断向上汇聚形成气孔带有关(图3)。

图3 珠江口盆地惠西南地区惠州75层状火山机构H3井岩性柱状图(a)、地震剖面图(b)、地质剖面图(c)剖面位置见图1的A测线。

2.2 穹隆状火山机构

穹隆状火山机构地震剖面特征为穹隆状火山口外形，火山顶内幕见高角度斜层流动构造，中—低频、断续—杂乱弱反射特征，为典型侵出式喷发形成的岩穹。岩穹以外为平行—亚平行、中—低频、中等振幅连续反射，代表席状、层状喷溢相火山熔岩展布。火山通道外部形态呈筒状，内幕反射为杂乱、中—高频弱振幅反射。研究区内存在2个穹隆状火山机构。H1和H2井钻遇惠州21火山机构顶部，纵向上揭示岩相为大段侵出相或侵出相夹火山通道相，岩性为粗安岩与火山角砾熔岩。侵出相测井响应表现为高密度、低中子，曲线较为平直；火山通道相测井响应密度略低、中子升高，曲线变化幅度不大(图4)。

图4 珠江口盆地惠西南地区惠州21穹隆状火山机构H1、H2井岩性柱状图(a1、a2)、地震剖面图(b)、地质剖面图(c)剖面位置见图1的B测线。

惠州71火山在地震剖面上与惠州21火山机构有较为相似的穹隆状外形，火山顶部发育高角度斜层的黏稠熔岩侵出流动构造，火山口边缘反射较为杂乱，向低部位逐渐过渡为平行—亚平行、连续性较好、振幅较强的反射特征，代表由侵出相到爆发相、喷溢相的变化。H4井钻穿该火山机构，岩性为安山岩、凝灰岩及花岗岩。纵向岩相为侵出相—多期喷溢相—喷溢相夹爆发相组合，表层为侵出相安山岩，地震反射外部形态与内幕特征、测井响应及成因机理与惠州21火山机构基本一致。中部为多期喷溢相安山岩层，测井曲线表现为韵律性响应，中子孔隙、密度、声波时差周期性升高或降低(图5)。

图5 珠江口盆地惠西南地区惠州71穹隆状火山机构H4井岩性柱状图(a)、地震剖面图(b)、地质剖面图(c)剖面位置见图1的C测线。

3 火山机构内幕岩性、岩相特征

研究区钻遇火山岩形成年代介于57.5～59.2 Ma[18]之间，为古新世火山喷发的产物。目前，对于惠西南地区火山岩岩性主要通过岩石化学成分TAS图解分类命名、岩心观察与薄片镜下鉴定综合判断。根据前人研究成果，研究区火山岩全岩主元素主要为中性安山岩、粗安岩等碱性系列，具有高Sr、低MgO、贫Yb等埃达克质岩石特征[18]。同时，结合惠西南地区火山岩钻井(图1)所取岩心、井壁心等实物资料进行观察与显微镜下薄片鉴定，火山岩主要可分为火山熔岩与火山碎屑岩2大类。其中，火山熔岩为岩浆冷凝固结所形成，包含粗安岩及安山岩，研究区内多口井钻遇，厚度较大；火山碎屑岩类是具有火山碎屑结构或被熔浆胶结形成熔结碎屑结构的火山岩，以凝灰岩分布范围最广，厚度变化较大。

火山岩岩相是一定环境下火山活动产物特征的总称[24-25]，深入研究不同类型火山机构内幕有利岩相是识别有利火山岩储层的基础。本文采用对松辽盆地酸性火山岩研究总结的5相15亚相分类方案[5]，将惠西南地区古新世火山岩分为火山通道相、侵出相、爆发相及喷溢相。

3.1 火山通道相

H1井钻遇惠州21粗安质角砾熔岩，火山碎屑主要为粗安岩岩屑，粒径2～64 mm，被熔岩所胶结，而火山熔岩含量变化较大(10%～90%之间)；岩心可见典型角砾熔岩结构、堆砌构造(图6a)。

3.2 侵出相

惠州21、惠州71火山机构顶部均发育侵出相，其中H1、H2井钻遇惠州21粗安岩，是介于安山岩与粗面岩之间的中性熔岩，其斜长石与碱性长石含量几乎相等，斑晶以斜长石为主，基质由斜长石、透长石、单斜辉石等组成，常见粗面结构与交织结构，块状或杏仁构造(图6b-c)。H4井钻遇惠州71火山侵出相灰色安山岩，斑状结构，斑晶以斜长石、辉石为主，斜长石斑晶自形发育聚片双晶与环带结构，基质为安山结构(图6d)。

3.3 爆发相

惠州71火山底部、惠州75火山表层均有爆发相安山质凝灰岩发育，岩石中一半以上的火山碎屑物粒径小于2 mm，具凝灰结构。碎屑物中晶屑成分主要为斜长石，不含石英。同时根据火山碎屑物种类，可定名为安山质晶屑、玻屑凝灰岩(图6e)。

3.4 喷溢相

喷溢相是研究区分布最广、钻遇进尺最多的岩相，岩性均为安山岩。其中H3井钻遇惠州75火山低部位，岩石色调较为复杂，含灰色、灰绿色、褐红色与紫红色，斑状结构，斑晶以斜长石、辉石为主，斜长石斑晶常具环带结构，基质为交织结构、安山结构，局部可见杏仁体(图6f-i)。

图6 珠江口盆地惠西南地区古新世火山岩岩性、岩相特征

4 有利储层特征及分布

4.1 储集空间类型

根据薄片统计，惠西南地区火山岩储层储集空间分为原生储集空间与次生储集空间两种类型，按结构与形成机理[26-28]可进一步划分为五种亚类。其中原生储集空间包括粒间孔隙、斑晶炸裂缝等，主要分布于火山口附近的火山通道相、爆发相以及近火山口的爆发相、喷溢相中；次生孔缝包括斑晶溶蚀孔、基质溶蚀孔、构造缝等，与裂陷期构造活动密切相关。

原生储集空间指岩浆冷却、固结成岩过程中形成的原生孔缝。原生孔为凝灰岩霏细结构(图7a-b)形成的粒间孔隙，原生缝为斑晶炸裂缝(图7c)，以及喷溢相上部相带原生气孔带被后期热液填充形成的杏仁体(图7d)。

在次生成岩作用下，固结成岩的火山岩经历裂陷期断层及深部热液活动而发生改造作用，原生储集空间被溶蚀扩大形成新的储集空间或充填闭合，主要包括溶蚀缝(图7c)、基质溶蚀孔(图7e)、斑晶与杏仁体溶蚀孔(图7f)。以溶蚀作用为成因的次生储集空间基质孔隙发育较好，壁心实测孔隙度为6.7%～16.3%。

4.2 有利储层分布及控制因素

分析认为，古新世末火山岩经历短暂表生暴露后，于始新世中期被陆相裂陷沉积物覆盖并保存，其形成时代新、受后期构造变动弱的特点决定了火山机构保存较好。因此，有利储层分布则显著受控于原位火山机构特征，表现为“喷发方式控制火山机构类型、火山机构控制优相展布、优相控制有利储层分布”这一递进式关系。

4.2.1 喷发方式控制火山机构类型

惠西南地区火山机构类型主要与喷发时期和方式有关。层状火山机构形成于火山喷发早—中期，火山强烈喷发导致岩浆内压力下降，岩浆房亏空，火山口附近岩层发生破裂坍塌，形成塌陷状火山口地貌；地震反射特征为内凹形，代表破火山口形成后岩浆活动随即停止所形成的地貌特征；爆发、喷溢而出的火山岩成层分布于火山口外缘，形成层状火山机构。穹隆状火山机构为火山喷发末期岩浆侵出作用形成，当火山活动早—中期强烈喷发导致气液挥发分快速逸散殆尽，至喷发末期熔浆黏度变大、流动性差，破火山口形成后，高黏熔浆沿火山通道裂隙缓慢向上挤出地表，形成一套气孔带不发育的致密火山岩层及流动构造。火山口顶部被高黏岩浆挤出侵占，与下部的火山通道及早期围岩一道构成穹隆状火山机构。

4.2.2 火山机构控制优相展布

前人研究表明，火山岩储层非均质性极强，火山机构中心部位，即火山口附近是油气资源有利聚集带[2]，主要表现为火山口、近火山口部位储层物性要好于远火山口部位[29]。火山岩优质相带常以火山口为中心形成。距离火山口较近的火山口相带与近火山口相带在岩石厚度、岩相组合、内部结构、原生储集空间类型等方面具有先天优势，后期易于受到强烈改造，通常储层物性最好，可作为火山机构勘探的有利相带。

根据井—震—地貌综合分析识别惠西南地区不同类型火山机构，有利相带为火山口与近火山口的火山通道相、爆发相与喷溢相。

火山口相带的核心为火山通道相，是由于岩浆房压力降低导致残余岩浆无法喷出地表，堆积在火山通道内冷凝固结而形成的岩相。其中火山喷发早—中期，火山口坍塌、火山角砾原地塌陷堆砌，形成堆砌结构，火山角砾虽然未发生搬运磨圆，棱角分明，但可作为优质储层，储层物性较好(图6a)。火山口、近火山口部位火山强烈爆发形成的火山集块、火山角砾、火山灰等火山碎屑聚集成爆发相。其中凝灰岩含有大量不稳定玻璃质，在埋藏过程中由于温压改变而转化为稳定的晶质，发生脱玻化作用形成霏细结构，生成大量细微原生粒间或晶间孔隙[30](图7a)。一般而言，火山喷发早—中期熔浆因富含挥发分而流动性较好，若地貌较为平坦，则可形成面积较广的层状、席状喷溢相火山熔岩。其可分为下部、中部及上部亚相，各亚相特征明显；下部亚相具有淬碎特征，上部亚相由于挥发分向上逸散而形成气孔带，又被后期热液活动充填为杏仁体。因此，对于研究区喷溢相而言，相邻两期的上部、下部亚相顶底直接接触，形成原生淬碎缝、原生气孔上下叠置带，测井曲线与喷发期次保持同韵律性响应，是较为有利的储集空间，纵向上多期叠置、平面上层状展布。根据以上分析，虽然火山机构类型不同，但火山口、近火山口相带始终是火山喷发中心部位，原生孔缝发育较好。

图7 珠江口盆地惠西南地区古新世火山岩储集空间类型

本区穹隆状火山机构以侵出岩相为典型特征，由高黏度熔浆通过火山通道或火山口旁侧裂隙向外缓慢挤出形成。由于侵出作用冷却—固结—成岩过程比强烈喷发时间长，矿物结晶好、颗粒较粗，岩石均匀致密，孔缝发育及含油气性差(图8)。

图8 珠江口盆地惠西南地区古新世火山岩相分布

4.2.3 优相控制有利储层分布

火山机构内幕由火山口相带、近火山口相带及远火山口相带组成，有利储层主要分布于前2个相带内的火山通道相、爆发相和喷溢相。岩浆喷发过程中，由于温压条件急剧变化，产生气孔、炸裂缝、玻璃质向晶质转化的脱玻化作用，形成多种类型原生储集空间，原生孔缝组合关系较好。值得注意的是，研究区火山喷发时代与古近纪裂陷期较为接近(间隔约10 Ma)，火山机构被裂陷期断裂活动及热液流体影响，原生孔缝被激活、改造，连通性增强，同时伴随强烈溶蚀作用，产生各类新的溶蚀孔缝，包括斑晶、基质等溶蚀成孔及各类溶蚀缝；各类原生、次生孔缝受构造活动影响而形成油气输导网络，储集物性进一步改善，形成规模孔—缝型储集空间。