国外火山岩油气藏勘探技术研究

陈弘 (大庆油田勘探开发研究院)

国外火山岩油气藏勘探技术研究

陈弘 (大庆油田勘探开发研究院)

随着世界上越来越多的火山岩油气藏被发现,火山岩作为油气的主要储集岩类之一,已成为油气勘探与开发不可忽视的领域。近年来,火山岩油气藏已在世界20多个国家300多个盆地或区块中发现。火山岩油气藏的勘探已有一百多年的历史,国外火山岩油气藏规模一般较小,但也有高产大油气田。对国外火山岩油气藏勘探技术进行归纳和总结,重点对重磁技术、地震技术和测井技术进行了详细的论述,这对我国火山岩油气藏勘探具有一定的参考价值。

火山岩油气藏 重磁技术 地震技术 测井技术

随着能源需求的日益增长,石油与天然气的勘探、开发领域也在不断地扩展,火山岩油气藏作为油气勘探的新领域,已引起了广大石油工作者的关注。近年来,火山岩油气藏已在世界20多个国家300多个盆地或区块中发现。据统计,在沉积盆地中,火山岩可占到充填体积的⅟4,一旦具备成藏条件,可形成大型、超大型油气田[1]。

Schutter通过综合分析全球范围内100多个国家已发现和开采的火山岩油气藏认为,火山岩中可以蕴含具有重要商业价值的油气资源。火山岩可以具备好的储集性能,并可形成其特有的圈闭结构。

1 地质方法、成象、油气苗观察

1.1 地表成象

火山岩具有区域构造变形的特征,因此成象能反映深部构造。日本新泻盆地的许多油气田都是通过地表成象发现的,而该地区较厚的火山岩覆盖区致使地球物理勘探技术应用效果不好。局部的火山相关构造也可以通过成象识别,如得克萨斯“蛇纹岩塞”油田中最大的Lytton Springs油田,地表有易识别的隆起,显然是火山之上的压实隆起形成的。

1.2 摄影地质和卫星图像

补给岩墙群会呈现出轮廓,侵位后的构造较明显,而侵位前的特征 (如先前的玄武岩)可能只在火山岩覆盖区边缘以下能看到。应用摄影地质和卫星图像在华盛顿和俄勒冈州识别出玄武岩覆盖区之下的哥伦比亚盆地。

1.3 地表油气苗观察

墨西哥Cuban蛇纹岩油田区和 Golden Lane地区是火山岩油气苗的实例。火山岩和围岩的界面通常是运移途径会出现油气苗,这些油气苗会通向大油气区的开口处。

1.4 地球化学方法

在哥伦比亚溢流玄武岩中,甲烷集中于断层和裂缝附近,可以从玄武岩以下埋藏的沉积物中逸出。同位素分析识别出甲烷的生物成因和热成因组分,其中热成因部分显然来自深部埋藏的煤层。在内华达州应用土壤气观察确定了熔结凝灰岩油田范围,即通过泄漏的边界断层确定。

2 重磁技术

镁铁质火山岩的重磁数据比较可靠,因为它们呈现出与区域沉积物的数据较大的差别。而长英质火山岩与围岩之间具有相对较低的密度差异,且通常不具磁性。

重磁方法取决于局部条件,如火山之下的侵入体和小的破火山口 (直径＜15 km)通常具有正的重力异常,原因是侵入体和较早的喷出岩的差异。较大的破火山口具有负的重力异常,原因是硅质侵入岩 (含有不同量的凝灰岩)和周围岩浆岩的差异。新西兰 Taranaki盆地的一些埋藏火山具有较强的重力和磁力异常,而另外一些则没有。

澳大利亚南部的Otway盆地应用航空磁测结果中大范围的不规则性解释为溢流玄武岩的起伏,密集的高幅异常解释为火山中心。北卡罗来纳州Durham盆地的地面磁测和重力测量模拟120～25 m厚辉绿岩席结果表明,接触变质带的角页岩具有足够的磁性,有类似辉绿岩的特征。

图1是印度西海岸海上布格重力图。虽然海岸大陆架相对较窄,但通过综合重力资料和 (陆上)地质资料能够描述高级和低级区的各种特征。通过不同的重力特征将大陆架划分为不同的区,A区是Kutch盆地的海上部分,重力特征表现为相对低频负异常,表明有较厚的盆地充填,从井数据所得的较厚的次玄武岩沉积物堆积也可证明。B区呈现的是大西洋边缘环形火成岩复合体的环形重力高频特征,解释为德干期的火山中心。C区是Saurfshtra背斜,一个西—北西—东—南东走向的背斜构造,是火成岩复合体以西—北西—东—南东走向向陆上延伸。结合陆上井数据和地震折射数据,分析结果为,在地垒断块上1.5 km厚的德干圈闭以下有约1 km厚的中生界沉积层,这说明C区的重力高频特征反映的是相对薄层的沉积物和较浅的基底,与德干期侵入体伴生。D-F区延续了陆上的重力高特征,归因于德干期深部岩浆房及侵蚀和埋藏火成岩复合体。Mumbai附近的流纹岩流特征 (F区)表明,重力高与演化火成岩复合体有直接关系。滤波数据显示 G区特征是更高频线型重力高,解释为更早的基底隆起,可以由一些洋脊元古代花岗岩和片麻岩钻井资料证明。H区相对接近于陆地-海洋边界,位于＞2 km的深水范围内,高频似环形重力高表明该区拥有大量的德干期火成岩复合体,这也和Laxmi洋脊及附近东部盆地岩浆板底作用的重力和地震特征相吻合。I区有一个较宽的重力低值区,表明存在一个较厚的沉积盆地,但该区埋藏了5 km以上的德干期圈闭玄武岩。总之,以上分析表明Kutch盆地海上区带1和区带2是次玄武岩远景区,取决于玄武岩的厚度和埋藏深度。

图1 左:布格重力图,海洋卫星1 min网格大小。虚线为陆洋边界,TJ=三合点,白线表示热点路径,LR=Laxmi洋脊,EB=东部盆地。右:50 km高通滤波布格重力图,高幅近圆形极可能表示火山中心,线性特征可能表示岩浆基底 (白线圈定区域),区带1(Kutch盆地)为无高幅特征区域,说明有较厚的前和后玄武岩盆地,有不同井证明。区带2(Bombay海上盆地)也表明有一个较厚的盆地,井数据证明以后玄武岩为主[2]

3 地震技术

未蚀变火山岩的声波速度较高 (表1),有的喷出岩也很高,如未蚀变熔岩流,但火山碎屑岩和蚀变火山岩的声波速度变化很大。侵入岩可以从低速沉积物中识别出来,尽管近垂直岩墙可能会模糊。溢流玄武岩和其他火山岩识别有一定难度,如果未经风化,地形起伏较少,无沉积物互层,则内部和外部地震反射会很好。

表1 火山岩声波速度[3]

国外应用多种技术改善火山岩地震资料的解释结果。在科罗拉多的圣胡安凹陷火山岩覆盖区采用地震测量,那里有多种露头岩性:安山岩和火山碎屑岩的地震资料品质较好,灰流凝灰岩资料较差,玄武岩资料也较差。震源影响极小。埋藏玄武岩通常会消除地震资料,因为它比上覆沉积岩有较强的阻抗。侵入岩 (如辉绿岩)会使低频地震能量急剧衰减。

哥伦比亚高原玄武岩以下的次盆地的地震测量结果显示,具有高覆盖次数 (125～200)的可控震源有一定效果,但构造轮廓还是靠反射层的组合识别,而不是单个的同相轴。弓形射线波有助于确定玄武岩厚度,沿断层带的角砾岩化会引起显著的速度异常,使断层容易识别。在巴西 Parana盆地,使用聚能炸药可控震源能够提高穿透岩石的能量,从而得到较好的数据。可控震源和炸药是盆地最好的震源,在需要弯曲侧线的地形条件恶劣地区极有必要,可以解决与岩席和岩墙有关的绕射以及溢流玄武岩中高频损失等地质问题。炸药震源提供较好的信噪比,具有较高的高频数据信息。

较长的偏移距 (＞18 km)和较大的炸药包会使混响减到最小,因为只用初至波分析玄武岩底部和到基底的深度。在法罗-设得兰盆地,长偏移距 (36 km)有助于识别溢流玄武岩以下的沉积岩,较大的气枪能产生有用的低频波。总之,高能炸药、长偏移距技术能改进误差超过10%的常规地震资料,但是在识别玄武岩-沉积岩界面方面仍有局限。

适当的速度模型和静态分析都会提高地震资料的品质。在爱达荷州Snake River平原近地表玄武岩和沉积岩互层的地震测量中发现快速的横向变化,说明这种浅层测量有助于常规地震测量的静校正。在内华达州灰流凝灰岩以下的地震资料处理中,静态分析是主要问题,所以在采集三维地震资料的同时,也进行高分辨率重力测量,并将其用于解释近地表横向变化,从而提高地震资料品质。

一些火山岩呈现的地震特征可用于解释火山碎屑岩等 (主要有凝灰岩、火山碎屑岩和外生碎屑沉积岩)。这些火山碎屑岩因为熔融或早期交结会具有较高的阻抗,大量溶解凝灰岩和火山碎屑崩落层可能会成为较好的地震标志层,而火山碎屑流和火山泥流不连续。

玄武岩覆盖地区也不都有很差的地震资料, Golan Heights是沙特阿拉伯东北部、约旦和叙利亚的Harrat Ash-Shamah大片火山岩区的一部分,那里的玄武岩覆盖区就有极好的地震资料。叙利亚南部的高原玄武岩厚达1 150 m,地震资料品质较高的原因可能是在雨季采集,风化的玄武岩被浸湿,减少了速度变化。

在设得兰群岛西部应用了地震速度分析法确定大片火山岩的范围,识别出次玄武岩沉积物地区及火山岩层段的内部构造。

在土耳其东南部玄武岩覆盖区的Beykan油田,早期用二维地震解释为一个带有一系列横断层的背斜,而三维地震解释结果为90°旋转,是一个逆冲断层。

在北大西洋地区应用了折射波地震资料的埋藏溢流玄武岩成像,能够识别次玄武岩的存在位置及其厚度,但不能识别其内部构造。

火山岩被动陆缘和其他大型喷出火山岩构造通常具有较好的内部和次火山岩反射层。Planke等提出了地震火山地层学的概念,与地震地层学相似,识别出一套清晰的地震相。结合挖掘样和取样井数据,对比所形成的玄武岩区的地震相和火山相,这些相可以用来解释火山活动史。其中有许多只和油气勘探有着很少的关系,古滨线和陆缘沉降史的位置变化很重要。这一地震火山地层学概念只在被动陆缘和相关的大型玄武质火山岩区应用过,而小型火山岩区,以及大型镁铁质火山岩区 (如熔结凝灰岩)没有用此概念系统分析过。

3.1 叠前深度偏移技术

2008年,在大西洋东北边缘地区由ION/GXT采集和处理了新的地震资料,设计了叠前深度偏移处理,目的是对覆盖了该地区大部分的较厚 (1～3 km)的古近纪玄武岩进行精确成像。用17.5 m气枪和18 m等浮电缆深度来提供20～30 Hz时的最大能量输入。数据记录为18 s,对整个地壳构造进行成像 (图2)。全部数据都利用迭代模拟所得的速度进行叠前深度偏移处理。

图2 2 500 m炮检距源点的射线轨迹

法罗-设得兰盆地和More盆地覆盖了较厚的古近系玄武岩,影响了油气勘探。法罗地区直钻了2口井,可知玄武岩较估计的更厚。底部玄武岩是一个过渡带,在底部无清晰的地震同向轴,但是深层地震反射层在许多地区有清晰的成像。显现大规模的新生界褶皱和中生界断块构成中生界储层和侏罗系烃源岩的潜在圈闭。以前未能识别出这些构造。

3.2 垂直地震剖面 (VSP)技术

斯伦贝谢公司在Newuquen盆地La Banda区块YPF Nq.LoAm.x-1探井中应用了先导VSP技术,该区块全部被Auca Mahuida火山复合体的火山岩覆盖,在该井位估计地表火山岩厚度为100～150 m。地震目标为两个火山体,为侵入岩席:深层Cuyo群和浅层Vaca Muerta泥岩。

玄武岩影响了地下高频恢复,地面地震资料分辨率较低,OVSP有助于解释的成像结果。该项目分两个阶段,第一阶段是采集地表至2 480 m的ZVSP,第二阶段采集2 480～3 580 m的ZVSP和OVSP。第一个 VSP数据用于校正模型,确定OVSP的最佳位置 (基于测量设计)。第二阶段,通过ZVSP估算Q值,通过OVSP得到偏移成像,并利用ZVSP进行声阻抗反演。最后,将所有数据合并,得到完整的时深关系、走廊叠加和Q值估算。

首先要进行预测量模拟和设计,利用该区几口井的不同地震剖面、地质解释和速度的构造信息建立模型,将模型成功应用于第一次VSP采集,进行走时反演。测试不同炮检距,以确定能够避免或减少玄武岩影响并得到较好的地下P-P成像覆盖区的最佳值。图2给出2 500 m炮检距的射线轨迹。根据模拟分析结果,源点选在向南方向2 500 m,但野外勘查后,由于该区地面障碍而选在2 160 m。

第一阶段ZVSP采集的数据品质表明6～80 Hz带宽具有较高的信噪比,VSP和校验炮能级用于校正速度模型,更新深度预测,以便减少钻井不确定性。

第二段用VSI工具采集ZVSP和OVSP,在每个位置用一个单振动单元作为地震能量 (触发式)优化采集时间。在现场用 WaveR软件进行实时QC监控。现场数据通过Interact传送到斯伦贝谢数据和咨询服务中心,优化处理阶段的响应时间。

在处理阶段的第一步,将两次ZVSP数据合并,这些数据集具有较高品质 (图 3),在接近2480m处的明显变化可能是由于不同采集条件引起,在数据处理时较正。

图3 ZVSP原始数据叠加Z[4]

井下地震技术用于地震处理,可以保存振幅和频率,并提高P波质量。基于速度模型的中速度滤波器用于P波改善。图4中DSI和VSP的P波符合较好。

利用光谱比方法得到171.9 m～2 480 m MD级之间的Q=66(图5)和2 500 m～3 540 m MD级之间的Q=88。

在先导VSP过程中,贝叶斯声阻抗反演包括1D反演至声阻抗预测高压区,输出为宽带稀疏反射率序列和缔合阻抗曲线。

反演技术用于优质原始数据叠加的速度反演。对3 580～1 600 m进行标准单一Z轴处理,得到走廊叠加。反演结果显示出井下的一些变化,尤其是基于井下预测速度2.5 s处,该时间对应SRD的4 300 m·MD(图6)。

图4 声波校准和零漂移线[4]

图5 Spectral ratio Qp估算,最佳值Q=66[4]

图6 TWT的上行波场和ZVSP反演的声阻抗测井曲线[4]

第二阶段OVSP处理结果的数据品质较高,包括场炮检距。可以清晰地观察到压缩下行和上行能量,以及垂直分量Z中转换的剪切能量。

为了精确定位每个反射点的时空位置,在反褶积之后用GRT(广义拉冬变换)偏移法对上行波场进行偏移,这一过程利用ZVSP和OVSP反演的速度模型,即通过声阻抗反演得到的井下速度值。

得到的OVSP成像与地面地震剖面拟合较好,显示出较高频部分,有助于确定标志着Precuyo群顶界的反射层,是该项目的次要目标。此外,成像上部显示出较好的Quintuco-Vaca Muerta组的对比关系和可靠的振幅,及其相关的岩席。同时,还显示出一个侵入La Manga组以下的厚的火山体。在解释为岩席的位置没有表现出高振幅反射层。

4 大地电磁方法

大地电磁 (MT)方法适用于近地表火山岩, MT不具有很高的分辨率,因此可以用来识别盆地的大致构造,尤其是结合地质数据,并且综合其他地球物理方法。MT资料有助于模拟沉积层段的高电阻率火山岩,尤其是火山岩覆盖区地震资料品质不好的区域。MT资料结合地震和井数据还有助于识别地下火山岩堆的轮廓,也可以模拟玄武岩储层的不同火山岩岩性和储层特征。

巴西Parana盆地大规模应用了MT测量,其结果用来确定具体目标区和更高分辨率测量的有利地区。总体上,确定构造轮廓,如溢流玄武岩的厚度、到基底的深度和伸展岩墙的发育范围,也可以确定低电阻率 (偏泥)或高电阻率 (偏砂或岩席)层段。

MT方法应用于土耳其东南部100～200 m深的玄武岩效果较好。结果显示,最主要的变量是玄武岩本身的电阻率,它可能有两个数量级的变化,取决于裂缝和含水饱和度。

Matsuo等开发了三维MT测量方法,应用于日本北部秋田盆地的一个砂质凝灰岩储层,能够确定火山岩 (玄武岩、酸性凝灰岩)和富含火山岩的沉积岩混合的地区的构造。

在爱达荷州东部Snake River平原的火山岩覆盖区进行了实验性研究,即同时应用重力、MT、地震折射波和反射波测量。结果表明,同时应用集中方法提高了解释结果的可靠性。其中涉及MT的主要因素有近距离的测量点、测量线与火山岩边缘垂直、以及足够的火山岩饱和度。浅层、干燥的火山岩具有多孔性,会有沉积物混流,电阻率较高,速度较慢 (2～3 km/s),而水面以下稍深的火山岩 (有较多的熔融凝灰岩)电阻率较低,速度较快 (5.3 km/s)。

在俄勒冈中北部哥伦比亚高原玄武岩覆盖区应用了几种地球物理技术,大地电磁技术用来约束地震解释。此外,重力数据用于更大范围解释。结果表明,MT数据需要近地表静校正,以识别近地表电阻率变化。舜变电磁法 (TEM)确定近地表变化效果较好。

5 地质建模

研究盆地史有助于了解区带概念。如,可能发育岩墙的地区可通过与岩墙有关的圈闭来研究,古斜坡及其对地形的影响可以用于研究埋藏地形圈闭的勘探,净岩席厚度的等值线图可用于与岩席有关的圈闭及成熟史研究。如果岩席取决于上覆岩层的特征,则可能模拟盆地中可能有岩席的区域。另一个方面是地史模拟,如Parana盆地发现的一个非工业性天然气藏。在东格陵兰曾应用盆底建模勘探一个部分被溢流玄武岩覆盖的侵入盆地。在该区,溢流玄武岩侵位时间为1～2 Ma,对地史模拟有很大影响。

6 测井分析

测井资料的解释取决于火山岩的类型 (表2)。如,钾长石含量会影响自然伽马测井曲线,孔隙度测井曲线会受到云母或黏土改性产物的影响,火山岩储层的裂缝起到重要作用,能够提供并连通孔隙空间,所以许多测井分析就是直接进行裂缝分析。

测井可以识别流动单元,熔结凝灰岩中的储层单元和电测井响应表现为侵位后的冷却史、风化和构造活动,熔融降低孔隙度,增加裂缝和电阻率,井径测井也有一定效果。流纹质熔结凝灰岩中,类似的硅质碎屑模式 (风化形成宽的、冲蚀孔)则相反:脆性、少量蚀变流形成溶洞,而含沸石或黏土的蚀变凝灰岩会更多地交结、致密。

溢流玄武岩的许多电缆测井解释结果表明,即使是自然电位测井也有很好的效果,因为有相对于未风化的内部流动层的风化和高渗透层。

在科罗拉多南部圣胡安凹陷的火山岩中,应用自然伽马测井作为硅质百分比的定性判断指标。此外,火山泥流具有可从岩屑中识别的骨架碎屑,所以火山岩裙中的火山泥流旋回可以通过测井和岩屑识别。

内华达地区电缆测井结果只是临界值 (因为有活跃的淡水层),钻杆测试是最好的裸眼评价方法。Java盆地Jatibarang油田的储层评价得到相似的结果。最适合的方法是评价几种测井资料,尽管自然电位和电阻率测井效果最好。最好的储层评价结果来自岩屑、泥浆漏失带 (表明有裂缝)和钻速的观察。

7 结论

国外火山岩油气藏勘探、研究程度总体较低,虽然发现了众多油气藏,但多为偶然发现或局部勘探,尚未作为主要领域进行全面勘探和深入研究。目前,全球火山岩油气藏探明油气储量仅占总探明油气储量的1%左右[5]。

地质学中火山岩的研究历史很长,但火山岩油气藏研究还处于起步阶段。在勘探技术方面,国外近几年主要应用重磁技术、地震技术、测井技术等,其中北大西洋和阿根廷等地区应用多种地震采集、处理方法改进了玄武岩成像及解释结果。

[1]姜洪福,师永民,张玉广.全球火山岩油气资源前景分析[J].资源与产业,2009,11(3).

[2]MaxRohrman.Prospectivity ofvolcanic basins:Trap delineation and acreagede-risking,AAPG BULL ETIN,2007,6.

[3]Stephen R S.Hydrocarbon occurrence and exploration in and around igneous rocks,Hydrocarbons in Crystalline Rocks,2003.

[4]Leonardo Rodriguez Arias et al.Look Ahead VSP, Inversion,and Imaging From AVSP and OVSP in a Surface Basalt Enbironment:Neuquen Basin,Argentina,SPE 107944,2007.

[5]邹才能,赵文智,贾承造.中国沉积盆地火山岩油气藏形成与分布[J].石油勘探与开发,2008,35(3).

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.11.002

2010-05-18)