准噶尔盆地改造残留古火山机构判识与油气勘探实践

黄 芸 梁舒艺 贾春明 谷新萍 毛海波 伏小鹏

1.中国石油新疆油田公司勘探开发研究院 2.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院

0 引言

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源区堆积所构成的、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[1-2]。火山岩优质储层以爆发相和溢流相为主[3]，对火山机构的准确识别有助于确定火山岩相和火山岩优质储层的空间分布。国内有关火山机构研究的文献报道以松辽盆地中生界和准噶尔盆地古生界最为丰富。松辽盆地中生界火山机构研究文献多集中在依托钻井及地面露头资料对火山机构类型和火山喷发期次、旋回的划分研究方面，利用地震资料较少[4-9]；准噶尔盆地古生界火山机构的研究多侧重于钻井火山岩岩相特征和火山岩序列划分以及地面露头火山口判识等方面[10-11]，或者专项讨论地震相及地震属性特征的识别方法[12-16]。对于盆腹区经历多期构造运动和风化剥蚀改造的变形火山机构的可操作性较强的识别技术体系尚未形成，其系统性和全面性尚需深入探究。为此笔者依托近10年来准噶尔盆地金龙油田和克拉美丽气田石炭系火山岩油气藏的勘探实践，开展改造残留古火山机构的成因背景、盆地周缘地面露头火山口特征、火山口相典型岩石类型组合的研究，再结合钻井、测井、非地震勘探的建场测深反演电阻率剖面、常规地震剖面等资料，从平面和剖面上识别火山口和火山机构的勘探实例，在探讨各种解释技术的适用性和多解性的基础上，对火山岩地震资料处理的关键技术进行了梳理，系统总结了准噶尔盆地石炭系火山机构识别的技术体系；并结合勘探实例，阐述了火山机构的准确识别不仅对钻探目标优选、钻前工程设计具有关键作用，而且对钻后试油层位优选也具有指导意义。以期为其他盆地的火山岩油气勘探提供借鉴。

1 地质背景

石炭纪是准噶尔—吐哈地块由地块裂离、拼合到克拉通内坳陷盆地演化的过渡时期，在早、晚石炭世分别经历了由伸展到聚敛的发展旋回，早石炭世以浅海相沉积为主，晚石炭世发育海陆交互相与火山岩建造[17]。勘探成果表明，埋藏于盆地内部的石炭系火山岩是准噶尔盆地油气的主要储层之一，全盆地呈现出“西油东气”的石炭系火山岩分布特征（图1）。盆地西北缘的金龙油田为二叠系供烃、石炭系火山岩为储层的新生古储他源型油藏；东部陆梁隆起的克拉美丽气田和五彩湾气田为石炭系自生自储的自源型气藏。准噶尔盆地内部及其周缘分布有大面积的石炭纪火山岩，盆地内仅LD1井和CS1井等均钻揭厚达3 000 m的火山岩与沉积岩建造，优质火山岩储层隶属火山爆发相和溢流相，其中爆发相的火山角砾岩储集空间好于溢流相的火山熔岩[18]；火山机构多表现为沿断裂的裂隙式点喷发和多次喷发，纵向上呈现中基性—酸性火山岩的岩浆演化序列。石炭系火山机构都经历了一定时期的风化剥蚀和差异性构造升降作用的改造，属于改造残留的古火山机构。

图1 准噶尔盆地石炭系区域构造与火山机构露头观测点位置图

2 火山机构识别

2.1 地面露头火山机构识别

准噶尔盆地周缘石炭系火山岩地地面露头资料丰富，主要集中发育在盆地西北缘哈拉阿拉特山、东北缘克拉美丽山和东南缘的奇台县北山煤窑（图1）。

火山机构的主要结构要素包括火山口、火山颈、火山锥体和围绕火山的锥状、放射状、环状断裂等。恢复古火山机构，最直接的是识别出古火山颈，但实际工作中由于改造剥蚀和溢流相熔岩的铺盖往往难以识别。野外最有效的方法是通过各种标志识别塌陷的破火山口来恢复古火山机构。

地面露头识别火山口的主要依据有：①地貌上呈圆形、椭圆形或近半圆形的负地形或正地形；②围绕圆形地貌发育放射状沟系及放射状或环形断裂和岩脉，可借助卫星照片观察；③火山岩热液蚀变集中发育区，常见蚀变带；④火山口集中发育火山集块岩、火山角砾岩、碎屑熔岩等指征岩性；⑤典型火山通道相如侵出相、次火山岩相出现。

准噶尔盆地西北缘哈拉阿拉特山可见典型的破火山口特征。远观地貌呈突兀丘状地形，登上丘顶俯看为多条放射状沟系汇聚的负地形（图2-a），岩性为灰黑色大小混杂、棱角状特征明显的熔结火山角砾岩（图2-b），卫星照片较为清晰地显示放射状冲沟向火山口汇聚的特征。经后期地质填图证实，该区是以熔结火山角砾岩为中心、中基性火山熔岩呈环状分布的近火山口相向溢流相过渡的特征，古火山机构以火山口为指征。

图2 准噶尔盆地古火山口地面露头特征照片

准噶尔盆地东北缘克拉美丽山的白碱沟剖面，出露中上石炭统火山岩，发育负地形和放射状水系，流纹质熔结火山集块岩集中发育在负地貌中心的水系汇聚处，受后期岩浆及热液作用，遭受强裂蚀变，呈浅灰绿色为主的杂色条带及团块，指征近火山口相（图2-c）。沿放射状冲沟观察并进行地质填图，围绕褐红色流纹质集块岩向周边依次发育环形分布的近火山口爆发相空落亚相—火山角砾岩和溢流相流纹岩，紧邻火山角砾岩南部可观察到过渡相的流纹质岩屑凝灰岩（图3）。

准噶尔盆地东南缘奇台县北山煤窑附近的东黑山、双井子和金山沟等剖面，均可见残留古火山口。其侵出相岩性、火山口爆发相的特征岩相是识别古火山口的典型岩性岩相特征，双井子剖面可见采矿残留的浅色珍珠岩由火山口向外呈放射状分布，其外围是溢流相的安山岩；东黑山剖面可见指征火山通道相的熔结火山角砾岩及仿锤形火山弹。

图3 克拉美丽山白碱沟古火山口地质图

2.2 岩石微观特征火山机构识别

火山通道相多有指征矿物。主要为火山口爆发相的隐爆角砾岩、熔结火山角砾岩、火山集块岩（蚀变）和侵出相的珍珠岩、岩泡流纹岩和球粒流纹岩等。

隐爆角砾岩又称角砾状次火山岩，是富含挥发份的岩浆上升到浅层冷凝结晶过程中，在顶部聚集大量富含挥发份的热液，当温度、压力不断升高的热液内部压力超过围岩的突破压力时即发生隐蔽爆破，炸碎岩体及围岩而成岩。表现为角砾成分单一，以棱角为主，呈现较多相邻角砾可拼接为大角砾的趋势，即“裂而不散”，角砾大小介于0.2～26.0 cm，属典型的堆砌结构。隐爆角砾岩见网状裂缝，裂缝中常充填硅质（图4-a）。隐爆角砾岩与近火山口爆发相火山角砾岩的区别主要是角砾成分单一，相邻角砾可拼接为大角砾，几乎不见磨圆，有时会见深部岩体和围岩碎块混入，常见硅质胶结物勾边。

侵出相主要是在岩浆分异晚期，由于酸性熔岩黏度大、温度低且挥发份少到不能爆发的程度时，堵塞火山通道而被挤出地表所形成，由火山口向外呈放射状分布，岩性为珍珠岩、岩泡流纹岩、球粒流纹岩等典型的火山口指征岩性。珍珠岩为酸性玻璃质熔岩，镜下见大量弧形、半圆形同心状裂纹，即珍珠裂理，沿珍珠裂理常见脱玻化现象（图4-b）。岩泡流纹岩的形成是由于流纹岩凝固时气体逸出体积缩小，形成一种中空球状体，产状为瘤状凸起。克拉美丽山白碱沟剖面可见典型的岩泡流纹岩（图4-c），微观特征表现为由同心层状空腔和球粒结晶层相间排列构成，结晶层为纤维状长英质组成，呈花瓣状消光，空腔常被玻璃质或后生矿物（石英、玉髓、玛瑙等）集合体充填；球粒流纹岩由长英质和火山玻璃组成，呈纤维放射状丛生的球形物，正交偏光常呈黑十字形消光，球粒形态随结晶温度降低由扇状、束状变化到圆球状。

野外露头和钻井岩心观察发现典型的火山口岩性组合和产状，基本可断定发育某期的火山通道相，但不排除次火山岩相和与火山岩同源的小侵入体的可能，实际工作中需要结合多因素综合判断。

2.3 重磁电资料火山机构识别

依据岩石物理特性，火山岩密度随岩性由酸性向基性而增大，凝灰岩密度较小；火山岩磁性随岩性由酸性向基性而增大，凝灰岩、火山角砾岩磁性随其岩性成分而变化。中基性火山岩磁化率最强，一般多为高频磁力异常；中酸性火山岩磁化率也较强，一般多为中频磁力异常。由于岩石结构、成分的差异，火山岩的密度、磁化率和电阻率与沉积岩相比，有较大的差异性，奠定了重、磁、电等3种勘探方法组合可识别火山机构的物理基础。

重磁力勘探的优势主要是反映火山岩体的平面分布特征，但纵向分辨率低不能很好地反映火山岩体的边界、形态及厚度；建场测深电阻率反演剖面纵向上可以较为直观地反映火山岩体发育的形态产状、厚度以及横向分布范围，其表征的火山岩体形态产状可作为判别火山机构的依据之一。图5为建场测深井震约束的二维电阻率反演剖面，高阻隆起型异常体从基底深部一直卷入到石炭系顶部，具有较明显的由火山通道、火山口、喷溢相层状熔岩体等构成的火山机构特征，火山口位于DX5井附近，与磁力显示的强磁化的火山口位置一致，喷溢相的火山熔岩向东西两侧翼部迅速倾伏，在翼部覆盖较厚的火山碎屑岩（凝灰岩和火山角砾岩）。DX5井钻井揭示石炭系厚度为179 m，上部为火山口相的火山角砾岩（厚93 m），下部为溢流相的安山岩（厚86 m）。

建场测深二维电阻率反演剖面与三维地震资料相比，在火山机构空间展布特征的预测方面有局限性，在实际应用中可相互验证，相互约束。

图4 准噶尔盆地火山口典型岩性及产状特征照片

图5 DX5井—C25井建场测深二维电阻率反演剖面图

2.4 地震资料火山机构识别

2.4.1 地震剖面——火山机构纵向特征

资料品质较好的地震剖面是火山机构纵向特征直观反映的资料基础。火山通道两侧有明显错断且通道内部为杂乱反射特征，因喷发后内部空虚会形成后期的塌陷，呈现以“高角度、倾向相对的两组正断裂”为火山通道相边界的特征（图6-a）。Q4井钻揭石炭系火山岩岩性为细碧岩，为典型的海底喷发的基性火山岩，地震剖面上表现为明显的底辟穿刺的特征，火山通道相特征明显（图6-a）。火山通道相是火山机构的直接指征，依据火山机构的形态和岩性组合关系又可分为层状火山机构和盾形火山机构。层状火山机构为火山多期喷发形成的中酸性火山熔岩与火山碎屑物垂向互层叠置的岩性空间组合，表现为多个中酸性丘状火山岩体垂向错落叠置，其界线为层状火山碎屑物对应的中振幅中连续地震界面；顶部常有塌陷的破火山口特征，下部发育“有根”的断裂。LD1井钻井证实至少发育3期火山喷发旋回，呈现爆发相火山角砾岩（中振幅中连续地震相）和溢流相流纹岩（自然伽马为高值的杂乱相地震相）的多期垂向叠置（图6-b）；盾形火山机构为中基性熔岩台地，规模较小，岩浆沿火山斜坡溢流形成。SD8井钻揭安山岩和玄武岩互层，其盾形中基性熔岩体侧翼的后期沉积岩上超现象是典型识别特征（图6-c）。另外，在古火山口特征不典型或因后期抬升剥蚀仅隐约见残留特征时，可借助火山口侧翼斜坡部位发育的成层性较好的火山沉积过渡充填相（平行连续、中振幅地震相）来进行火山机构的辅助识别。

2.4.2 地震属性特征——火山岩相平面分布预测

依托三维连片地震数据体，由于火山岩特有的“对高频成分发散严重”的特征，加之准噶尔盆地火山岩埋藏深度大，其上覆地层对地震波的频散作用强，火山岩分布区呈现出明显的低频特征，因此，瞬时频率属性是盆地内各勘探区带均适用的区别火山岩与沉积岩的地震属性特征；水平时间切片对火山锥的雕刻最为明显，由上向下等间隔切片，可见同心圆层的范围逐渐变大，反映火山锥垂向的立体演变，也是常见的地震属性特征；另外相干体时间切片在滴南凸起的火山口识别中效果明显，表现为以火山口为中心呈现环状与放射状断裂[14]；沿层最大振幅属性对岩性差异明显的不同火山岩相带较为敏感，在五彩湾凹陷的石炭系火山岩相划分中应用效果显著[16]；石炭系上覆层沉积前的古地貌图，用三维可视化立体显示也能对古火山机构的识别有较直观的指征。

图6 火山机构典型地震相特征剖面图

除利用地震属性进行火山岩岩性岩相划分和识别，基于速度、密度差异大的砂泥岩的波阻抗反演也可用于火山岩的岩性预测，从而明确有利储集相带的分布。但常规的波阻抗反演并不能很好地将火山角砾岩和基质孔发育的熔岩（储层）与较致密的熔岩（非储层）区分开来，要从电阻率、自然伽马等对火山岩岩性敏感属性入手，具体研究区要区别对待。金龙油田为准噶尔盆地西北缘的石炭系火山岩油藏，以JL10井为代表的爆发相火山角砾岩是该区石炭系火山岩岩性岩相最有利区带。利用归一化处理后的电阻率可以较好地区分出储层与非储层，即归一化电阻率值小于0.4为沉积岩，介于0.4～0.8为火山角砾岩和基质孔发育熔岩（储层），介于0.8～1.0为致密熔岩及花岗岩（图7-a）。采用多属性神经网络模拟方法估算电阻率，预测电阻率与实测电阻率相关系数为0.86。G26井和JL5井归一化电阻率值均接近1.0，为非常致密的深成侵入相花岗岩（非储层）；JL10井—JL101井—JL061井和JL7井位于火山喷发的主体部位，为火山角砾岩及熔岩，归一化电阻率值介于0.4～0.8（图7-b）。在此基础上依据神经网络模拟结果，预测火山角砾岩与致密层的空间分布（图7-c），已钻井火山岩相与预测结果相吻合。该预测结果对于未钻探区石炭系火山岩油气勘探具有指导意义。

2.5 石炭系火山岩地震成像处理关键技术

石炭系的地震资料品质直接影响火山机构识别的准确性，因此，石炭系火山岩成像的地震资料处理是关键环节。准噶尔盆地石炭系受多期构造运动影响，埋深大、横向变换剧烈，且受侏罗系煤层强反射屏蔽影响，深层反射能量弱，成像难度大。近年来持续开展地球物理勘探技术攻关实验，摸索出“小道距长排列宽线大组合”地震采集技术，在此基础上形成了以下适用于准噶尔盆地石炭系火山岩的地震成像处理技术体系：①模型约束静校正技术，点、线、面、体全方位质控建立近地表模型；②地表一致性处理技术，合理解决不同三维区块之间存在的能量、相位、时差、频率差异，保证连片三维资料的无缝拼接[16]；③保幅分域去噪技术，通过对异常能量、面波、多次折射波、层间多次波等噪声的针对性压制，提高深层石炭系地震资料信噪比；④井控速度建场技术，利用钻井资料对地震速度进行约束控制，特别是信噪比低的层段，保证速度分析的合理性，以建立准确速度场改善成像效果；⑤叠前深度偏移技术，通过井控速度建场，并结合速度扫描、沿层速度分析等方法，优化速度场，以道集、剩余速度、速度体、速度剖面、沿层T0、偏移孔径等多手段控制偏移效果，提高火山岩成像品质。

图7 金龙油田火山岩优质储层预测图

3 油气勘探实践

准噶尔盆地石炭系残留古火山机构的识别意义重大，除预测未知区的优质火山岩储层分布直接指导钻探目标优选以外，其火山口、火山岩喷发旋回的垂向岩性组合不仅对钻前地质工程设计中的井身结构、防漏堵漏方案和钻头序列选择等有直接影响，而且对试油层位确定也有指导作用。

DT1井是滴南凸起南部区带外甩开的一口探索火山岩含气性的石炭系专探井。钻探过程中，目的层石炭系先后钻揭顶部溢流相安山岩和底部爆发相火山角砾岩，油气显示活跃，综合解释为含气层。试油层位选择时对顶部S2层是否试油有两种意见：①石炭系顶部的安山岩储层致密，尽管有活跃的油气显示但不易获规模产能，不建议试油；②该井位于火山机构发育带上，井轨迹两侧呈现不同的火山岩相特征，左侧为已钻揭的中振幅中连续的溢流相安山岩，右侧则为弱振幅、弱连续地震相特征且与下伏已钻揭的火山角砾岩爆发相特征相似，推测为同一火山口的不同喷发旋回的火山口爆发相（图8），射开S2层并实施压裂有望压开紧邻的物性条件较好的火山口爆发相。根据第二种意见，该井在底部S1层火山角砾岩段自喷试产获气后快速上试，S2层压裂后采用4.5 mm油嘴测试求产获天然气5×104m3/d，其油压、套压和退液量均与安山岩致密储层的物性特征不符，表明沟通了储集条件较好的储层，证实了火山口爆发相优质储层紧邻发育，对后续评价井和开发井网的部署有指导意义，也表明了火山机构识别的重要地质意义。

图8 过DT1井火山机构地震地质解释剖面图

依据准噶尔盆地石炭系火山岩勘探实践系统总结的这套综合判识方法，在盆地西北缘C210井区石炭系油藏、滴南凸起M6井区石炭系天然气勘探中均取得了较好的应用效果。

4 结论与认识

准噶尔盆地石炭系残留古火山机构的识别需要火山岩岩性鉴定、重磁电、地震、钻探及地震成像等多元信息的互为约束，互为验证，综合判识是准确识别古火山机构的关键。

1）准噶尔盆地周缘地面露头的古火山机构样式的识别为盆内深层古火山机构的识别提供了可靠的野外实物模型，一定程度上凸显了盆山一体化研究的意义。

2）隐爆角砾岩、熔结火山角砾岩、珍珠岩及球粒流纹岩等是识别古火山口的重要岩性标志。

3）重磁力勘探能区分火山岩和沉积岩，但纵向分辨率低；建场测深的电法勘探则弥补了这一缺陷，其电阻率反演剖面表征的火山岩体形态产状可作为判别火山机构的依据之一。

4）地震剖面相面法识别火山机构纵向特征，三维地震属性提供火山机构平面分布信息，两者均立足于较好的石炭系火山岩地震资料品质。针对石炭系火山岩成像的地震资料处理技术是关键。

5）残留古火山机构的准确识别，对钻前目标选择、优化地质工程设计和钻后试油层位确定及开发井网的部署均有重要的指导意义。

致谢：感谢中国石油勘探开发研究院卫延召博士在白碱沟剖面火山机构野外考察时给予的指导和帮助！