渤海海域火山热流体及其对碳酸盐岩优质储层的控制作用

金小燕，杜晓峰，王清斌，代黎明，刘晓健，郝轶伟

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300459)

深部热液流体对碳酸盐岩储层的溶蚀改造作用在塔里木盆地受到了广泛关注[1-6]，而关于热液对碳酸盐岩储层改造方面的研究较少，热液流体往往与热液白云岩化、热液溶蚀密切相关，尤其是深埋型碳酸盐岩储层，受深部热液流体改造可以形成优质储层。渤海海域火山活动频繁，但目前渤海油田对碳酸盐岩储层的研究主要集中在古生界碳酸盐岩储层特征和岩溶作用、古地貌、断裂、成岩作用及其控储等方面[7-10]，而深部热液流体对碳酸盐岩储层改造方面的研究一直没有得到落实和系统进行。本文以渤海海域古生界碳酸盐岩潜山储层为例，利用岩心、铸体薄片、碳氧同位素、锶同位素、稀土元素以及流体包裹体等分析技术，对火山成因热流体活动特征及其对碳酸盐岩储层的改造作用进行系统研究，为深部碳酸盐岩储层预测和下一步油气勘探提供依据。

1 渤海海域火山活动特征

中国东部渤海湾盆地是一个中、新生代盆地，经历了2期裂陷旋回，形成了大量的火山岩[11]。渤海海域作为渤海湾盆地的重要组成部分(图1)，中生代构造活动频繁，尤其晚侏罗世—早白垩世时期，盆地进入裂陷期，火山活动强烈[12]，已有钻井的锆石测年揭示，火成岩形成年龄主要集中在119.1～134.0 Ma，说明了中生代晚侏罗世—早白垩世是盆地重要的火山发育时期。新生代经历了古近纪裂陷沉降、新近纪—第四纪热沉降阶段，断裂发育，火山活动活跃，沿其剧烈活动的大断裂附近，既有火山喷发作用，也有火山侵入作用[11]。

岩浆活动与构造运动密切相关，断裂的活动强度和位置控制了岩浆活动的规模和火成岩的分布，东部郯庐断裂带附近火山活动活跃，火山岩主要呈NE向展布。西部因受郯庐断裂和张家口—蓬莱断裂的共同控制，火成岩分布范围较广，尤其是在邻近歧口凹陷和南堡凹陷的地区，十余口井在中生界、新生界的沙河街组、东营组和馆陶组钻遇火成岩，岩性主要为以辉绿岩为主的基性侵入岩和以玄武岩为主的基性喷出岩。区域分析表明，断裂位置控制着岩浆上涌通道和火成岩的分布，在郯庐断裂、张家口—蓬莱断裂的共同控制下，伸展断裂和走滑断裂发育，岩浆在沿这些断裂上涌的过程中，既可喷出地表堆积也可侵入围岩，岩浆沿断裂上涌喷出地表的火山岩，在地震剖面上可见明显的火山通道相、爆发相和溢流相，沿断裂上涌侵入围岩的侵入岩在地震剖面上具有明显的穿层特征(图2)。

火山作用形成的热流体，以火山岩浆为主，同时还伴有H2O、CO2和H2S等气体，渤海海域对岩浆的来源研究较少，但邻区的南堡凹陷，通过对熔岩样品的分析，Mg’值介于0.65～0.75之间，主要来源于幔源型原生岩浆[13]。在渤中凹陷火山活动比较活跃的地区，已发现的天然气藏中CO2含量普遍偏高，体积分数最高可达90.61%，根据天然气中氦同位素的分析，判定CO2气体为幔源的无机成因气[14]。综上，渤海海域构造活动频繁，火山活动强烈，热液流体活动活跃，为储层改造奠定了基础。

图1 渤海海域构造简图Fig.1 Structural sketch map of Bohai Sea area

图2 渤海海域新生代火山岩地震相特征剖面位置见图1的剖面1。Fig.2 Seismic facies characteristics of Cenozoic volcanic rocks in Bohai Sea area

2 碳酸盐岩中火山热流体识别标志

从岩浆房喷发出来的炙热岩浆，富含CO2和H2S等酸性流体，沿深大断裂进入碳酸盐岩地层，与围岩发生物理化学反应，从而改变原岩颜色、结构、构造乃至化学成分[4]。通过对火成岩与碳酸盐岩接触带、矿物学、同位素地球化学和流体包裹体等方面一系列研究，在渤海首次系统建立了火山成因热流体活动的识别标志。

2.1 接触带特征

2.1.1 热液诱导缝

在受火山热液影响的碳酸盐岩的岩心上，可看到细密不规则、杂乱分布的裂缝(图3a)，主要是由于炙热的岩浆沿断裂进入碳酸盐岩围岩过程中，因热液流体“高温高压”的特点导致，岩石“热胀冷缩”，进而产生大量不规则细小热液诱导缝。

2.1.2 热褪色

在CFD2-1-2井薄片上可见在碳酸盐岩与火成岩的接触带内，因强烈的流体交换而产生的热褪色现象(图3b)，主要是在热液的烘烤下，岩石颜色局部或全部由深色变成了浅色。

2.2 典型热液矿物

2.2.1 鞍形白云石

鞍形白云石通常是典型的热液成因的标志性矿物，作者首次在渤海海域碳酸盐岩潜山储层中发现了大量鞍形白云石，其特点为：在正交偏光下呈波状消光的特点(图3c)；单偏光下，晶面呈不规则的弯曲状。

2.2.2 石英晶体

石英晶体主要发育在火成岩与碳酸盐岩接触带和碳酸盐岩裂缝中，薄片下，自生石英主要以弥散状分布在灰岩中，扫描电镜下呈短柱状，晶形较好(图3d)，大量的自生石英表明热液不仅具有很高的温度，而且富含较多的SiO2。这种火山富硅流体沿断裂进入碳酸盐岩地层中，在接触带和裂缝中形成短柱状石英晶体。

图3 渤海海域热液作用的岩石学和矿物学证据

a.热液诱导缝，BZ28-1-6D井，3 477.3 m，岩心； b.玄武岩与碳酸盐岩接触带的强烈流体交换现象，CFD2-1-2井，3 447.59 m，铸体薄片；c.鞍形白云石，CFD2-1-7井，正交偏光；d.柱状自生石英晶体，CFD2-1-2井，3 447.61 m，扫描电镜；e.硅质结核，同心圈层发育，CFD2-1-7井，阴极发光；f.裂缝中脉状黄铁矿，SZ36-1-9井，1 973.85 m，铸体薄片

Fig.3 Petrology and mineralogy of hydrothermal process in Bohai Sea area

2.2.3 硅质结核

在热液改造灰岩段的孔缝中见到了硅质结核，主要呈现同心圈层状(图3e)，硅质结核的存在进一步反映了火山热液流体的频繁活动。

2.2.4 脉状黄铁矿

黄铁矿一般指示还原环境，因形成环境不同，呈现不同的状态。沉积成因的黄铁矿一般颗粒较为细小，且呈现草莓状、聚莓状分布[15]；火山热液成因的黄铁矿，由于它可与各种硫化物、氧化物共生，从而形成较大的斑块，有的甚至呈脉体分布[16]。渤海海域与热液活动相关的黄铁矿，主要呈脉状广泛发育在碳酸盐岩裂缝中，较缝洞方解石形成时间晚(图3f)。

2.3 碳氧锶同位素

2.3.1 碳氧同位素

渤海海域受热液改造和未受热液改造的方解石的δ13C值变化不明显，δ18O值存在明显差异。受热液改造的方解石δ18O值明显偏低，小于-10‰，而未受热液改造的方解石δ18O值大于-10‰(图4)。δ18O值的变化主要受介质性质和温度的控制，因地下深处热液流体的侵入而导致地层温度有所升高，热力分馏作用增强，进而导致受热液改造的方解石δ18O值偏低。另外，根据氧同位素特征，结合流体包裹体均一温度，计算出部分碳酸盐岩潜山孔缝中的方解石形成温度超过300 ℃，远远超过地层经历的最大埋深的温度范围，属于高热异常，分析认为，这些方解石是受深部火山热液流体改造形成的，进而导致形成温度异常高。

图4 渤海海域碳酸盐岩储层中各类方解石的碳、氧稳定同位素分布特征Fig.4 Distribution of carbon and oxygen stable isotopes of Paleozoic calcites in Bohai Sea area

2.3.2 锶同位素

由于任何一个时代全球海水的锶在同位素组成上是均一的，因此，地质历史中海水的87Sr/86Sr值是时间的函数。根据显生宙海水锶同位素演化趋势线看，奥陶系海相碳酸盐岩的87Sr/86Sr值介于0.707 8～0.709 3之间[17]。渤海海域锦州20-2、渤中21-22、渤中28-1、曹妃甸2-1以及新渤中12-1地区采集样品(n=62)的锶同位素的分析结果(图5)显示：(1)锦州20-2构造区微晶灰岩基质与缝洞方解石的87Sr/86Sr值相近，均表现出相对低值，平均为0.708 1；(2)渤中21-22区和新渤中12-1区微晶灰岩基质、灰岩围岩87Sr/86Sr值相近，平均值为0.710 2；缝洞方解石87Sr/86Sr值增大相对较明显，平均值0.7122；(3)渤中28-1和曹妃甸2-1区微晶灰岩基质的87Sr/86Sr值均较低，平均值为0.709 3；灰岩围岩的87Sr/86Sr值较高，平均值为0.712 9；缝洞方解石87Sr/86Sr值增大明显，平均值为0.717 5。总体而言，随着成岩作用的不断深入，锦州20-2、渤中21-22、渤中28-1和曹妃甸2-1等地区的碳酸盐岩中87Sr/86Sr值有增加的趋势。通过与显生宙以来全球海水锶同位素值对比来看，渤海海域中部分灰岩围岩和缝洞方解石的87Sr/86Sr值异常偏高。研究认为，渤海海域古生界碳酸盐岩后期成岩流体很可能受深部火山热流体影响，因为火山热液流经了下伏古老的长石质或泥质碎屑岩地层或结晶基底后均有富集87Sr的规律[18]。

图5 渤海海域各地区碳酸盐岩87Sr/86Sr测试数据分布Fig.5 87Sr/86Sr of different carbonate samples in Bohai Sea area

2.4 稀土元素

通常稀土元素的配分模式可用于判定碳酸盐岩成岩作用[19]。渤海海域古生界灰岩样品稀土元素测试结果揭示，未受热液改造的灰岩和受热液改造的灰岩配分模式不同，受热液改造的灰岩配分曲线不仅右倾、明显富集轻稀土元素，而且Eu正异常(图6)。通常Eu的正异常反映热液影响或是与还原环境有关[20]，由于在高温环境下，Eu2+易被氧化成不易溶的Eu3+，从而导致储层中Eu的富集，表现为Eu正异常[21]。渤海海域在中生代和新生代火山活动频繁，缝洞方解石的Eu正异常，进一步揭示了碳酸盐岩对岩浆热流体的地球化学响应。

图6 渤海海域古生界灰岩稀土元素配分模式Fig.6 REE pattern of Paleozoic limestones in Bohai Sea area

2.5 流体包裹体

综合应用碳酸盐岩胶结物的晶形特征、阴极发光特征和流体包裹体等资料，在渤中28-1油田奥陶系缝洞方解石中进行流体包裹体分析，选择形态规则的盐水包裹体进行测温，结果表明，均一温度分布范围较宽(图7)，至少存在3期。第一期和第二期为未受热液改造的方解石脉体，分别是靠近基质发亮黄色光的细晶方解石和靠近裂缝发棕黄色光的中晶方解石，其内均以盐水包裹体为主(图8a，b)，其中第二期存在部分烃类包裹体在荧光下呈现淡蓝色光；盐水包裹体测温显示，方解石的结晶水体温度介于60～150 ℃之间，胶结深度大致在1 300～3 490 m之间，为正常埋深的成岩方解石。第三期为受热液改造的方解石，主要为裂缝中心的粗晶方解石，阴极发光呈现亮黄色，其内以盐水包裹体为主(图8c)；方解石的结晶水体温度介于150～300 ℃，远远高于最大埋深的地层温度，说明渤中28-1油田奥陶系存在明显的热液流体活动。

图7 渤海海域渤中28-1油田奥陶系缝洞方解石盐水包裹体均一温度分布Fig.7 Homogenization temperature of Ordovician calcites filled in fissure-cave salt-water inclusions in BZ28-1 Oil Field, Bohai Sea area

图8 渤海海域渤中28-1油田奥陶系缝洞中方解石包裹体显微特征

a.第一期盐水包裹体，气液比30%，宿主矿物为靠近基质的细晶方解石，均一温度73 ℃，BZ28-1-6D井，3 477.4 m；b.第二期盐水包裹体，气液比20%，宿主矿物为靠近裂缝中心粗晶方解石，均一温度119.6 ℃，BZ28-1-6D井，3 466.5 m；c.第三期盐水包裹体，气液比40%，宿主矿物为裂缝中心方解石，均一温度238.5 ℃，BZ28-1-6D井，3 477.4 m

Fig.8 Inclusion characteristics of Ordovician calcites filled in fissure-cave in BZ28-1 Oil Field of Bohai Sea area

3 火山热流体对碳酸盐岩储层的控制

3.1 火山成因热流体成储机理

3.1.1 热液诱导缝提高储层渗透性

热液诱导缝是火山成因热流体改造储层的典型现象之一。炙热岩浆热流体从岩浆房喷出，快速进入碳酸盐岩围岩的过程中，受热液上拱和高温高压的影响，碳酸盐岩脆性岩石会发生破裂，产生大量不规则的热液诱导缝，这些裂缝把原来孤立的简单裂缝和孔隙连在一起变成了复杂的裂缝体系，大大提高了储层的渗透性，为后续流体活动提供了有利通道。

3.1.2 热液白云岩化释放储集空间

岩浆热流体不仅具有很高的温度，还富含CO2、H2S等一系列酸性气体，在进入碳酸盐岩地层中，发生强烈的水—岩反应[1]。要产生热液白云岩化，最关键的就是镁离子的来源[22]。在CFD2-1-7井玄武岩中菱镁矿的发育，显示了富镁矿物的再沉淀作用，表明了热液伴生的气液相流体是富含铁镁离子的。邻区南堡凹陷研究表明，火山岩原生熔浆Mg’值介于0.65～0.75之间，进一步说明了火山热液流体中含有丰富的镁离子。同时，热液白云岩的形成要求成岩流体具备高于周围环境至少5 ℃的温度[23]，从盐水包裹体的测试分析来看，热液流体捕获的包裹体均一温度高于围岩至少20 ℃，因此，渤海海域具备了热液白云岩形成的环境。

灰岩白云化的实质是高温富Mg2+成岩介质中的Mg2+交代灰岩中的Ca2+，同体积灰岩转化成同体积白云岩时，可增加13%的孔隙度，形成晶间孔和晶间溶孔等[24]。渤海海域热液白云岩主要分布在构造断裂附近、火成岩与碳酸盐岩接触的部位，火山热液流体在沿断裂上升的过程中进入碳酸盐岩地层，发生白云石化作用(图9a)，产生晶间孔、晶间溶孔，释放出大量的储集空间。渤海海域在大段热液白云岩中可见残余的粉晶—细粉晶方解石原岩，证明了热液白云石化作用的产生。

3.1.3 热液溶蚀作用改善储集空间

火山成因热流体成分主要包括两部分，一部分为火山熔岩，一部分为水蒸气、CO2、H2S等气体，并以CO2为普遍，从而导致流体呈酸性，酸性热液沿断裂快速涌入碳酸盐岩围岩进行溶蚀，形成沿断裂分布规模不等的溶蚀孔隙。无论哪种类型的储层，溶蚀作用都是形成优质储层的关键一环。受热液改造的灰岩段，扫描电镜下，磷灰石包壳发育在微观孔缝中，但未完全充填孔缝，在硅质结核富集段，岩心、薄片下均见大量溶蚀孔洞发育(图9b)，表明受热液改造的灰岩段，由于存在大量硅质结核和磷灰石包壳等热液矿物，对先存的孔缝有很好的支撑和保护作用，有利于火山热液流体进入，进行溶蚀改造。受火山热液改造的白云岩段，发育晶粒较大的细—粉晶白云岩，与远离热液活动带的泥晶白云岩相比，溶蚀孔洞更为发育。碳酸盐岩储层实测物性分析揭示，受热液流体作用改造的储层孔隙度在6%以上，而未受热液流体作用改造的储层孔隙度在2%～5%之间。

3.2 热流体对碳酸盐岩储层的改造模式

通过对渤海海域火山热液流体活动及储层发育特征的研究，建立了火山成因热流体碳酸盐岩储层改造模式(图10)。古生界碳酸盐岩受区域构造运动的影响抬升暴露地表，遭受大气水淋滤改造发育岩溶型储层。之后，受断裂活动的影响，火山作用强烈，炙热的岩浆沿断裂上涌进入碳酸盐岩地层，围岩受热液上拱和高温高压影响，发生破裂，形成的一系列热液诱导缝把原来相对简单孤立的裂缝和孔隙连在一起，形成了复杂的裂缝体系，后期富镁的酸性岩浆热流体沿这些复杂的裂缝体系进一步涌入碳酸盐岩地层，发生了白云岩化作用和热液溶蚀作用，产生大量的溶蚀孔隙。综合渤海海域碳酸盐岩优质储层形成因素，构造裂缝是先导，表生岩溶是基础，后期热液溶蚀改造是优质储层形成的关键。

图9 渤海海域古生界碳酸盐岩火山热流体成储模式Fig.9 Reservoir model of volcanic hydrothermal fluid in Paleozoic carbonate rocks in Bohai Sea area

图10 渤海海域古生界碳酸盐岩火山成因热流体储层改造模式剖面位置见图1的剖面2。Fig.10 Paleozoic carbonate reservoir reformation model of volcanic hydrothermal fluid in Bohai Sea area

火山成因热流体对深部碳酸盐岩潜山储层起到建设性作用，可以形成优质储层。近期，渤海海域CF油田新钻井在古生界碳酸盐岩层段中进行了测试，获得日产油110 m3的稳定产能。因此，在深部碳酸盐岩潜山油气勘探中，断裂发育和热液活动的叠加区是寻找到规模型碳酸盐岩优质储层的有利区带。

4 结论

(1)渤海海域构造活动频繁，深大断裂为火山活动提供了热液流体通道，火成岩主要沿断裂发育，火山成因热流体以火山熔岩液体为主，伴有水蒸气、CO2和H2S等气体。

(2)渤海古生界碳酸盐岩储层中存在明显的热液流体活动，典型的接触带热褪色、热液诱导缝，渤海首次发现鞍形白云石、硅质结核、石英晶体、脉状黄铁矿等典型热液矿物，受热液作用影响的方解石具有δ18O异常低值、87Sr/86Sr异常高值、轻稀土富集且Eu正异常，盐水包裹体均一温度远高于地层温度等典型的热液活动证据。

(3)火山成因热液流体对古生界碳酸盐岩储层具有较强的改造作用，火山成因热流体沿热液诱导缝进入围岩，与围岩发生白云石化作用，磷灰石包壳、硅质结核等热液矿物对先存的孔缝具有一定的支撑和保护作用，火山热液流体沿裂缝进入，对碳酸盐岩进行溶蚀改造，形成大量的溶蚀孔隙，大大改善了储层物性。