南堡5号构造带沙河街组火山岩储层特征及气藏勘探潜力分析

夏景生， 赵忠新， 王政军， 文 雯， 汪国辉， 杜景霞

( 中国石油冀东油田分公司 勘探开发研究院，河北 唐山 063004 )

南堡5号构造带沙河街组火山岩储层特征及气藏勘探潜力分析

夏景生， 赵忠新， 王政军， 文 雯， 汪国辉， 杜景霞

( 中国石油冀东油田分公司 勘探开发研究院，河北 唐山 063004 )

南堡凹陷5号构造带火山岩广泛发育，是油气富集的有利区域。利用地震识别、测井分析、岩心观察等技术，以及薄片分析、稀土元素与微量元素分析等方法，研究南堡5号构造带沙河街组火山岩的岩性、物性及分布规律。结果表明：火山岩发育受东、西两个火山构造控制，发育面积较大，西部火山构造以“丘状”酸性火山岩为主，东部火山构造以“层状”基性火山岩为主；火山岩储层主要发育原生的熔岩气孔、火山碎屑岩的粒间孔、次生的斑晶溶蚀孔、基质溶蚀孔、构造裂缝及晶间微裂缝等6种储集空间类型；储集物性主要表现为中—低孔、低渗储层。南堡5号构造带火山岩单体叠合面积大，与沙河街组三段、一段优质烃源岩直接接触，成藏条件十分有利。

火山构造； 火山岩单体； 火山岩气藏； 沙河街组； 南堡凹陷

0 引言

火山岩可以成为良好的油气储集层，火山岩储层岩性主要包括爆发相火山角砾岩、凝灰岩，以及溢流相玄武岩、安山岩及流纹岩等，其中安山岩、玄武岩类储层含油厚度较大，层数较多，含油饱和度相对较低；粗面岩、凝灰岩类储层含油厚度相对较薄，层数较少，含油饱和度相对较高[1-10]。当火山岩与烃源层、盖层构成良好的组合时，火山岩可以形成油气藏。已发现数量可观、具有开发潜力的火山岩油气藏，如印度尼西亚的Jatibarang玄武岩油气田，已探明石油储量为1.65×108t、天然气储量为764×108m3。我国研究较成熟、规模相对较大的火山岩油气藏主要位于准噶尔盆地[11-13]和松辽盆地深层区域[14-16]，类型多为火山锥型的构造油气藏或与深大断裂相伴生的构造—岩性油气藏。位于南堡凹陷西部的南堡5号构造带沙河街组火山岩气藏纵向上多期发育，且与烃源岩地层穿插分布，形成“火山岩单体型”的岩性油气藏。钻遇火山岩单体油气藏的NP5-80、NP5-85等井日产气在10×104m3以上，表明该类岩性油气藏具有较大勘探潜力。

对南堡5号构造带沙河街组火山岩的研究主要集中于利用常规测井，以及特殊测井技术对火山岩岩性进行识别与划分，如范宜仁等[17]和庄东志等[18]利用常规测井方法，并辅以元素俘获谱测井(ECS)和电成像测井(FMI)等方法，识别该区主要发育玄武岩、流纹岩、火山角砾岩和凝灰岩等。庄东志等[19]利用阵列声波测井、补偿中子时间推移测井对该区火山岩流体性质进行识别，认为纵横波能量衰减对气层具有较好的判别效果，补偿中子时间推移测井对流体性质识别能够取得较好效果。李祖兵等[20]研究南堡5号构造带火山岩储层的控制因素，认为构造作用、风化淋滤作用及热液活动是控制火山岩储层储集空间发育程度的主要地质因素。

目前，针对南堡5号构造带沙河街组火山岩储层钻探8口井，其中3口井已发现工业油气流。受勘探程度限制，该区火山岩岩相、岩性变化快，储层非均质性强，对有利火山岩储层的物性特征及分布规律、火山岩气藏成藏的主控因素及成藏模式等研究还不充分。以火山机构研究为基础，笔者分析火山岩宏观发育期次与平面展布规律，总结油气成藏的主控因素，建立火山岩气藏的成藏模式，探讨研究区火山岩气藏的勘探潜力。该研究对南堡凹陷深层火山岩下一步油气勘探具有指导意义，对有类似地质背景的其他火山岩区的油气勘探也具有借鉴作用。

1 区域地质概况

南堡凹陷位于渤海湾盆地黄骅坳陷北部，为新生代断陷盆地[21]。该凹陷北部以西南庄断层为界，与老王庄凸起相隔；东部以柏各庄断层为界，与柏各庄凸起、马头营凸起相连；南部与沙垒田凸起呈断超式接触。根据构造演化及地层展布特征，南堡5号构造背斜带位于南堡凹陷西部区域，紧邻主要生油次凹—林雀次凹(见图1)。

图1 南堡5号构造带区域位置Fig.1 Regional location of Nanpu5 tectonic belt in Nanpu sag

在火山岩和碎屑岩混合建造的基础上，南堡5号构造带是由控凹断层—西南庄断层，以及一系列北东向次级断层共同控制的滚动背斜，构造向东倾伏、向西抬起，是林雀次凹油气运移的重要指向区。南堡5号构造带自下而上发育沙河街组、东营组、馆陶组及明化镇组地层，其中沙河街组地层总体上为半深湖—深湖相的湖泊沉积环境，沉积厚度约为1.8×103m，多为还原环境的暗色泥岩。该区厚层泥岩已达到优质烃源岩标准，尤其是沙河街组一段(简称沙一段)以下的烃源岩成熟度已达到高成熟的生气阶段[22]，是有效的气源岩层。

古近纪以来，南堡凹陷火山活动强烈，发育大量与天然气藏有密切联系的火山岩。这些火山岩主要受Ⅰ幕(Es3)、Ⅱ幕(Es2-Ed2)、Ⅲ幕(Ed1-Ng)幕幔源岩浆事件控制[21,23]：Ⅰ幕为包含12～14个湖底火山熔岩溢流期构成的强烈喷发幕，主要发育于南堡5号构造带、南堡1号构造带、老爷庙及高尚堡等地区；Ⅱ幕由Es2-Ed3时期5～6个湖底火山熔岩喷发期和Ed2时期的1个湖底火山熔岩喷发期构成，主要发育于南堡5号构造带、南堡1号构造带、老爷庙、高尚堡及南堡3号构造带等地区；Ⅲ幕由早期的湖底火山熔岩喷发转化为火山岩熔岩大面积水上溢出的过程，构成火山强烈喷发幕[23]，主要发育于南堡5号构造带、老爷庙、高尚堡、南堡1号构造带及南堡2号构造带等地区。其中研究区沙河街组火山岩主要受Ⅰ幕和Ⅱ幕早期(Es2-Es1)火山活动控制，发育于南堡凹陷的西部区域，火山岩与南堡5号构造带沙河街组深湖相(半深湖)泥岩互层发育。

2 火山岩储层特征

火山岩储集层能够形成特殊的火山岩油气藏。火山岩的成藏条件、成藏主控因素与常规碎屑岩的不同，火山岩储层分布具有跨越地质时代长、受埋深压实作用影响小和后期改造作用强等特征。研究区大多数火山岩埋深在4.0×103m以上，火山岩储层的孔隙度多在10%以上。

2.1 分布规律

南堡5号构造位于西南庄断层下降盘，是一个发育于中、古生界基岩鼻状构造背景之上，并受西南庄断层及其派生断层控制形成的潜山披覆断背斜构造带。古近纪时期，断穿基底的断裂活动加剧，火山活动十分频繁[21]。受西南庄边界断层持续性活动的影响，在研究区西部主要发育厚度为几十到上百米不等的酸性流纹岩，与厚度为5～30 m的沉积岩(深灰色泥岩与粉砂岩)频繁互层发育(见图2(a))。由于火山岩与沉积岩的波阻抗特征不同，导致该区地震反射特征较为杂乱。在研究区东部，火山岩受多条次级断层的影响，呈“裂隙式”溢流，主要发育厚层块状深灰色、灰绿色玄武岩(厚度为50～100 m)，且玄武岩呈层状、溢流相大面积分布。该区域沉积岩地层为成层较好的扇三角前缘亚相砂泥岩互层沉积，东部区域地震反射特征具有较好的连续性。根据研究区断层的活动期次和展布特征，该区沙河街组火山岩受断层和火山口双重控制，且发育东、西两个火山构造(见图2(a))。

西部火山构造主要以酸性流纹岩为主，夹杂少量的火山碎屑岩。地震剖面上，主要呈弱振幅、不连续的“丘状”杂乱反射特征，火山岩厚度较大，在地层中连续发育(其间夹薄层的沉积岩地层)，最厚达500 m，平面上展布范围较小(见图2(b))。

东部火山构造主要以基性玄武岩为主，夹杂少量的辉绿岩和火山碎屑岩。单层火山岩一般为20～150 m厚度不等的火山岩单体，火山岩单体受不同火山口控制，分布面积较广(见图3(a))。纵向上发育6期火山岩，与沙河街组沉积地层穿插分布，其中早期(Ⅰ、Ⅱ期)火山活动强烈，火山岩单体分布面积大；晚期(Ⅴ、Ⅵ期)火山活动减弱，火山岩单体分布面积相对较小(见图3(a))。东部火山构造火山岩单体在地震上主要呈强振幅、连续性较好的“层状”反射特征，受火山口控制作用明显(见图3(b))。

图2 南堡5号构造带沙河街组火山岩宏观发育规律Fig.2 Macroscopical distribution of volcanics in Shahejie formation, Nanpu5 tectonic belt

2.2 储层特征

根据研究区钻井资料，通过岩心、岩屑观察分析，结合薄片分析、电子探针分析、稀土元素与微量元素分析等方法[24]，对取心部分及有岩屑的火山岩进行岩石化学鉴定，建立南堡5号构造带沙河街组火山岩岩性TAS分类图版(见图4)。该区火山岩主要分为两大类：酸性流纹岩类和基性玄武岩类。其中流纹岩类SiO2质量分数为75%～80%，属典型的酸性岩(见图4(a))；玄武岩类SiO2质量分数为45%～61%，属中基性玄武岩，Na2O和K2O的质量分数为2.54～8.39%，为碱性玄武岩系列(见图4(b))。

图3 南堡5号构造带沙河街组东部火山构造火山岩发育模式

图4 南堡5号构造带沙河街组火山岩岩性TAS分类图版

研究区流纹岩多呈斑状结构和块状构造，斑晶主要为石英，基质为细碎的小颗粒石英及隐晶质；斑晶与基质体积比为5∶95。石英(Q)斑晶质量分数约为5%，粒状，粒径约为1.00 mm；单偏光下无色，正交镜下灰白干涉色，表面干净；石英周围可见褐色物质边，可能为后期蚀变的碳酸盐矿物。基质为显微晶质结构，主要为长石和石英，含少量白云母，粒径为0.02～0.10 mm(见图5(a))。

研究区发育的玄武岩具有多种类型，如橄榄玄武岩、伊丁石化橄榄玄武岩、斜斑玄武岩、蛇纹石化玄武岩等。其中橄榄玄武岩最为发育，其斑晶主要为斜长石(PI)、橄榄石(OI)，基质成分为斜长石微晶、辉石颗粒及少量不透明金属氧化物、玻璃质和显微隐晶质。斑晶与基质体积比为20∶80。斜长石斑晶大小在1.00～2.00 mm之间，多呈板状，为半自形，聚片双晶和卡纳复合双晶发育，表面混浊，可能蚀变成为高岭土等黏土矿物。橄榄石斑晶大小在2.00～3.00 mm之间，呈淡黄色，为它形颗粒，正高突起，糙面明显，裂隙发育，平行消光。斜长石微晶约占基质的70%，呈细长条状，无规则排列，形成许多三角状孔隙，微粒状的辉石、橄榄石、不透明的金属氧化物、玻璃质，以及显微隐晶质的物质充填在孔隙中，形成典型的间粒间隐结构(见图5(b))。

图5 南堡5号构造带沙河街组火山岩岩心薄片特征Fig.5 Characteristics of volcanic core slice in Shahejie formation, Nanpu5 tectonic belt

通过对研究区沙河街组火山岩岩性识别，以及火山机构对火山岩控制作用研究，火山岩岩性受火山构造控制作用明显。西部的酸性火山构造主要为流纹岩、流纹质火山角砾岩和流纹质凝灰岩，东部的基性火山构造主要为玄武岩、玄武质火山角砾岩和玄武质凝灰岩。

2.3 储集空间类型与物性特征

2.3.1 储集空间类型

根据目的层段火山岩的岩心观察、薄片鉴定及物性分析，该区储层的主要储集空间有三种：一是原生孔隙，主要为火山碎屑岩的粒间孔和熔岩的气孔；二是次生孔隙，主要为斑晶溶蚀孔和基质溶蚀孔；三是裂缝，主要为构造裂缝和晶间微裂缝。

(1)原生气孔及粒间孔。原生气孔是岩浆内部的挥发组分集中之后再散逸而留下的空间，形状多为圆形、椭圆形、不规则状等，镜下可见直径为0.05～3.00 mm的气孔，绝大多数已被方解石、绿泥石和石英等充填，未被充填满的气孔较少见，但气孔之间相互连通性比较差(见图6(a))。原生粒间孔是火山碎屑支撑形成的原生孔隙(见图6(b))，研究区凝灰岩中碎屑粒间孔发育，是凝灰岩的重要储集空间，但常出现泥化和绿泥石化，影响原生孔的储集物性。

(2)次生溶蚀孔。研究区溶蚀孔是在原始孔缝(如气孔、粒间孔、解理缝、构造缝)基础上，受深层酸性地层水影响溶蚀改造，或是易溶组分(如长石、角砾及其间充填物)遭受选择性溶蚀而成，形态不规则、大小不一。这种类型的孔隙主要发育于蚀变杏仁状玄武岩、自碎角砾岩、角砾熔岩和构造角砾岩带，溶蚀作用可以在粒间、粒内发育，也可以溶解造岩矿物蚀变后产生的次生矿物(见图6(c))，还可以溶解孔、缝中充填的次生矿物，形成溶孔及溶洞。

(3)裂缝。研究区裂缝主要为次生的构造裂缝和溶蚀裂缝。构造裂缝以高角度的张性裂缝为主，产状稳定，延伸较远，一般成组展布且规模较大。如BS28井4 509.24～4 511.22 m岩心发育2～3组高角度缝，缝宽为0.3～3.5 mm，长度可达5～30 cm，缝密度为2～3条/7cm，为研究区主要储油空间之一。溶蚀裂缝是受酸性地层水影响溶蚀改造而成的，形态不规则，连通性较好。溶蚀作用可以溶蚀造岩矿物，也可以溶解造岩矿物蚀变后产生的次生矿物，还可以溶解孔、缝中充填的次生矿物而形成溶蚀裂缝。研究区溶蚀裂缝主要在凝灰岩或火山角砾岩中(见图6(d))发育。此外，由于研究区多为溢流相或爆发相的火山岩，岩浆喷发过程中温度骤降，在收缩基础上，火山角砾间及岩屑、晶屑内部经构造应力改造而成的、呈不规则状纵横交错的网状微裂缝也比较发育，裂缝可以作为连接各种孔隙的有效通道。

图6 南堡5号构造带沙河街组火山岩储集空间类型Fig.6 Types of reservoir space of Shahejie formation, Nanpu5 tectonic belt

2.3.2 物性特征

储层物性是储层储集性能好坏的重要指标。利用研究区火山岩岩心实测物性、核磁测井解释物性进行统计，玄武质火山碎屑岩与流纹岩物性较好，玄武岩物性相对较差。流纹岩岩心实测孔隙度为5.10%～10.60%，平均为7.73%，渗透率为(0.10～12.70)×10-3μm2(见图7(a-b))；玄武质火山碎屑岩岩心实测孔隙度为5.60%～17.60%，平均为10.00%，渗透率为(0.04～2.54)×10-3μm2(见图7(c-d))；玄武岩岩心实测孔隙度为0.30%～5.90%，平均为2.69%，渗透率为(0.04～148.00)×10-3μm2(见图7(e-f))。研究区深层火山岩储层非均质性强，物性主要受岩性、岩相控制(爆发相的火山碎屑岩物性略好于溢流相的流纹岩和玄武岩的)，整体表现为中—低孔、低渗的特征。

图7 南堡5号构造带沙河街组火山岩物性统计Fig.7 Statistical histogram of volcanic physical property in Shahejie formation, Nanpu5 tectonic belt

3 气藏勘探潜力

沙河街组烃源岩是南堡凹陷主要的油、气源岩层，具有较大的开发潜力。沙河街组三段(简称沙三段)烃源岩已经达到高成熟阶段[22](见图8(a))，当Ro>1.3%时进入大量生气阶段，气源岩分布范围广；沙一段烃源岩也达到优质烃源岩的标准[22](见图8(b))，厚度较大，分布范围较广。南堡5号构造带沙河街组沉积时期发生多期火山活动，火山岩主要在沙一段底界不整合面上下发育，火山岩叠合面积达到200 km2以上，储集空间具有孔隙、裂缝及孔隙—裂缝复合等类型。深层火山岩单体与沙三段、沙一段优质烃源岩穿插分布(见图8、图9)，源储紧邻，具备优越的油气成藏条件。

研究区13口探井钻遇沙河街组火山岩，火山岩普遍含油气资源，其中3口井获得高产工业油气流，7口井获得少量天然气。沙河街组火山岩成藏以自生自储型为主[25]，含气性主要受控于烃源岩的热演化程度，埋深大于4.5×103m的深层火山岩普遍含气，火山岩单体独立成藏。以火山岩发育模式为指导，通过井震结合识别出6个期次的13个火山岩单体，总面积达225 km2，每个火山岩单体厚度为30～150 m不等。在大面积席状分布的火山岩单体内部，天然气富集于顶底空隙及裂缝发育的构造高部位，天然气成藏受火山岩单体中有利储层和微幅度构造共同控制，如处在火山岩单体较高构造位置的NP5-10井和B12-1井在沙三段获得高产工业油气流，而处于同一火山岩单体较低部位的NP5-80井含油气性相对较差，气藏相态以凝析气藏为主[25]，目前未发现更高演化程度的干气气藏。

图8 南堡5号构造带沙河街组火山岩与沙三段、沙一段有效烃源岩叠合

图9 南堡5号构造带沙河街组火山岩油气成藏模式Fig.9 Pattern diagrams of deep volcanic reservoir in Nanpu5 tectonic belt

4 结论

(1)南堡5号带构造沙河街组火山岩发育受东、西两个火山构造控制，西部火山构造主要以酸性流纹岩、流纹质火山碎屑岩为主，厚度较大，呈“丘状”分布；东部火山构造主要以基性玄武岩、玄武质火山碎屑岩为主，呈“层状”分布；受不同火山口控制，垂向上分6期呈幕式喷溢，平面上以火山岩单体的形式呈“板状”或“透镜状”与沙河街组有效烃源岩穿插分布。

(2)研究区火山岩储集空间类型主要有熔岩的原生气孔、火山碎屑岩的原生粒间孔、次生的斑晶溶蚀孔和基质溶蚀孔，以及构造裂缝和晶间微裂缝等6种类型；储层非均质性强，整体表现为中—低孔、低渗特征，厚度较大，分布范围广，具有较大潜力的储气层。

(3)研究区火山岩含气性主要受不同火山岩单体储层物性和微幅度构造控制，火山岩单体与沙河街组高演化程度的源岩直接接触，分布面积广，单体厚度较大，与有效烃源岩接触面积大，成藏条件十分有利。

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2016-05-30；编辑：朱秀杰

国家科技重大专项(2011ZX05006-006)

夏景生(1980-)，男，硕士，工程师，主要从事油气勘探及地质综合方面的研究。

P624

A

2095-4107(2017)02-0074-11

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2017.02.008