红车断裂带石炭系火山岩岩性岩相特征分析及储层识别

殷文 冯程 周发鑫 冯梓岩 孙廷彬 高志伟 蒲钰龙 周隶华

摘要：结合录井岩屑、测井曲线和薄片资料，分析不同岩性测井响应特征，利用多参数分布交会法建立组合岩性识别图版，明确优势岩性特征。基于岩心刻度测井思路和火山岩储层特征，对研究区石炭系储层岩性、岩相进行精细划分，识别火山岩相特征。结合研究区储盖条件及地震反射结构和构型，分析火山机构特征及油气藏分布规律。运用地震多属性分析和沿层切片技术，并通过对地震平-剖面成果与井上有利储层的对比验证，进而确定优势储层的空间展布。结果表明：密度-电阻率/自然伽马交会图能够较好地区分玄武岩、安山岩和火山角砾岩，电阻率-自然伽马/密度交会图能够较好地区分火山角砾岩、安山岩和凝灰岩；火山喷发的凝灰岩和间断期的火山沉积岩形成良好的盖层，溢流相的安山岩/玄武岩和爆发相的火山角砾岩形成良好的储集层；综合运用地震纹理和瞬时相位余弦属性及沿层切片技术能够较好地刻画有利储层分布范围；研究区火山岩油气藏是受岩性和火山机构共同控制的非均质岩性油气藏。

關键词： 红车断裂带； 火山岩储层； 岩性识别； 岩相特征； 储层识别

中图分类号：TE 121.1 文献标志码：A

引用格式：殷文，冯程，周发鑫，等.红车断裂带石炭系火山岩岩性岩相特征分析及储层识别［J］. 中国石油大学学报（自然科学版），2023，47（1）：50-61.

YIN Wen， FENG Cheng， ZHOU Faxin，  et al. Lithology and lithofacies characteristics analysis and reservoir identification of Carboniferous volcanic rocks in Hongche fault zone ［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of NaturalScience）， 2023，47（1）：50-61.

Lithology and lithofacies characteristics analysis and reservoir

identification of Carboniferous volcanic rocks in Hongche fault zone

YIN Wen¹， FENG Cheng¹， ZHOU Faxin¹， FENG Ziyan¹，

SUN Tingbin¹， GAO Zhiwei²， PU Yulong²， ZHOU Lihua²

（1.China University of Petroleum（Beijing） at Karamay， Karamay 834000， China;

2.No.1  Oil  Production Plant of Xinjiang Oilfield， PetroChina， Karamay 834000， China）

Abstract：The logging response characteristics of different lithologies are analyzed， the combined lithology identification charts are established， and the dominant lithology characteristics are defined， by combining logging cuttings， logging curves and thin section data. Based on the idea of core calibration logging and the characteristics of volcanic reservoir， the lithology and lithofacies of the Carboniferous reservoir in the study area are finely divided， and the characteristics of volcanic facies are identified. Combined with the conditions of reservoir and caprock and seismic reflection structure and configuration， the characteristics of volcanic institutions and the distribution law of oil-gas reservoirs are analyzed. The spatial distribution of the superior reservoirs is determined by using seismic multi-attribute analysis and slicing technology along the layers， and by comparing the seismic plan-section results with the favorable reservoirs on the well. The results show that the crossplot of density and resistivity/natural gamma can be used to better distinguish basalt， andesite and volcanic breccia. The crossplot of resistivity and natural gamma/density is better for distinguishing volcanic breccia， andesite and tuff. The tuff of volcanic eruption and volcanic sedimentary rock of discontinuous period form a good caprock. The andesite/basalt of overflow facies and the volcanic breccia of explosive facies form a good reservoir.The distribution range of favorable reservoirs can be better characterized by a comprehensive application of seismic texture， instantaneous phase cosine attribute and slicing along layers. Volcanic rock reservoirs in the study area are heterogeneous lithologic reservoirs jointly controlled by lithology and volcanic institutions.

Keywords：Hongche fault zone; volcanic reservoir; lithology recognition; lithofacies characteristics; reservoir identification

火山岩油气日益成为油气勘探的新领域和实现增储上产的重要领域之一^［1-5］。近年来，在准噶尔盆地红车断裂带区域探明多个石炭系火山岩油藏，油藏开发取得良好效果。红车断裂带储层非均质性强，岩性、岩相纵横向变化快，地震响应特征复杂，储层类型多样，储层识别难度大。目前对本区石炭系火山岩的岩性岩相特征、油藏分布特征及有利储层展布认识不足，制约了火山岩油气藏勘探开发。笔者综合利用地质、测井资料进行岩石类型分析和岩性识别，分析测井响应特征，建立组合岩性识别图版，明确优势岩性特征。然后对研究区石炭系储层岩相进行精细划分，识别火山岩相分布特征。最后通过油气藏解剖分析，明确火山岩油藏分布规律和特征，并提取有利于刻画岩性体和边界的地震属性对有利储层进行识别。

1 区域地质概况

红车断裂带位于准噶尔盆地西北缘，与乌夏断裂带和克百断裂带构成前陆冲断带，以逆冲推覆构造为主，东临沙湾凹陷，西北为扎伊尔山，构造上处于中央凹陷和西部隆起的接合处^［6-9］，是沙湾凹陷油气运移的长期指向区（图1），具有“满带含油”的特点。红车断裂带由一系列逆冲断层构成，断裂发育、构造复杂，石炭系西高东低、北高南低，发育近南北向大断层和近东西向次级断层。红车断裂带经历了海西、印支和燕山等多期构造运动，形成一个受多个近南北向大型逆冲断裂控制的东-西断阶状断裂带，石炭系至三叠系地层自东向西逐渐超覆^［10-11］，石炭系地层的顶部与上覆地层为不整合接触。

红车断裂带火山喷发作用主要发生在早二叠世佳木禾组沉积时期。小断裂附近的火山喷发以点式为主，属于喷发过程中伴生出现的；大断裂附近的火山喷发以线式为主，属于先断后喷。火山岩的断裂、不整合面、岩性岩相特征是油气藏形成的主要控制因素。岩性对火成岩储层有利圈闭的分布具有指向性，明确火成岩的岩性岩相分布规律，对有利圈闭和储层识别具有重要意义。

2 火山岩性识别

2.1 岩石类型

火山岩岩石类型和岩性是岩相划分、储层研究的基础。由于受火山喷发环境、喷发方式、岩浆组分、构造运动及成岩作用等多种因素影响，火山岩岩性复杂、种类繁多，火山岩识别和划分难度较大。根据岩心和薄片分析，结合研究区火山岩的内部结构和组成成分等特征，总结了研究区火山岩的岩石类型。

统计研究区石炭系42口井，岩石（铸体）薄片276块，岩性统计结果表明红车断裂带的火山岩油藏的岩性以中基性为主，其中火山熔岩包括玄武岩、安山岩以及过渡的玄武安山岩，以安山岩（体积分数为29%，下同）和玄武岩（17%）居多；火山碎屑岩包括火山角砾岩和凝灰岩，其中凝灰岩（31%）、火山角砾岩（8%）；其他岩性包括凝灰质砂砾岩（6%）、沉凝灰岩（6%）、变质岩（2%）和英安岩（1%）。表1详细描述了研究区典型岩石类型特征，图2为研究区发育的主要火山岩石薄片特征，图2（a）～（c）为爆发相岩石薄片，图2（d）～（f）为溢流相岩石薄片。

研究区火山岩类型多样，以中基性火山岩和火山角砾岩为主。储集空间组合主要有2种：一是晶间孔-溶蚀孔-裂缝，常见于玄武-安山岩中；二是裂缝-溶蚀孔，常见于火山角砾岩中。其中火山角砾岩储层孔隙度均值为10.83%，渗透率均值为130 ×10^-6μm²，玄武-安山岩储层孔隙度均值为7.42%，渗透率均值为100×10^-6μm²，总体表现为中孔、特低渗特征，物性较差；裂缝类型主要发育斜交缝和网状缝，约占全部裂缝的80%；其次为微细裂缝，直辟裂缝较少见^［11］。由于构造运动使得研究区的裂缝、溶蚀孔广泛发育，显著改善了火山岩储层的物性，有效提高了储层含油潜力^［12-13］。图3为研究区主要岩石类型薄片的孔隙特征。

2.2 测井响应特征

不同类型火山岩的矿物组分和岩石结构存在差异，使得测井响应特征具有差异性^［16-17］。基于測井曲线响应特征区分不同岩性，建立火山岩岩性响应敏感参数，进而对岩性进行识别^［10］。首先，对研究区钻井取芯分析资料、岩石薄片资料进行整理优选，确定研究区发育的玄武岩、安山岩、火山角砾岩、凝灰岩、凝灰质砂砾岩5种优势岩性；其次，提取相关岩心分析资料对应的测井曲线，分析不同岩性测井响应特征，建立岩性识别数据库，明确不同测井响应参数在不同类型火山岩中的变化规律；最后，基于岩性识别数据库，建立火山岩的标准识别模式。归纳并总结不同类型火山岩的典型测井响应特征如下：

（1）玄武岩类。测井响应特征表现为“两高三低”，即高电阻率（5～500 Ω·m）、高密度（高于2.6 g/cm³），低声波时差（低于262.4 μs/m）、低自然伽马（低于30 API）、中子孔隙度为低到中等（低于35%）。当存在裂缝、气孔时，会导致电阻率和密度测井值变低、声波时差测井值变高，从而增加识别难度。

（2）安山岩类。测井响应特征表现为“两高一中两低”，即电阻率高（50～1000 Ω·m）、密度高（高于2.4 g/cm³），自然伽马表现为低到中值（低于35 API），声波时差低（低于278.8 μs/m）、中子孔隙度为低到中等（低于35%）。

（3）火山角砾岩类。测井响应特征表现为“一高两中两低”，即中子测井值表现为中等到高（25%～45%），电阻率表现为中等（5～150 Ω·m）、声波时差中等（196.8～328 μs/m），自然伽马表现为低到中等（低于40 API）、密度为低到中等（2.4～2.6 g/cm³）。

（4）凝灰岩类。测井响应特征表现为“三高两低”。即中子测井值高（高于30%）、声波时差高（高于229.6 μs/m）、自然伽马高（高于40 API），电阻率较低（低于40 Ω·m）、密度较低（低于2.52 g/cm³）。

以高自然伽马、低密度、低电阻率为主要识别特征。

（5）凝灰质砂砾岩。测井响应特征表现为“一高两中两低”，即中子孔隙度较高（高于25%），声波时差（196.8～295.2 μs/m）、自然伽马（30～60 API）、测井表现为中等，密度偏低（2.30～2.55 g/cm³）、电阻率较低（低于20 Ω·m）。

2.3 组合岩性识别图版

基于5类主要岩性的典型测井响应特征，提取自然伽马（GR）、密度（DEN）、电阻率（RT）3条测井曲线，并构造RT/GR和GR/DEN两种岩性敏感参数对火山岩岩性进行识别，从而建立组合岩性识别图版（图4）。首先，利用图4（a）（总图版）的自然伽马-密度交会图能够较好地将凝灰岩和其他岩性（玄武岩、安山岩和火山角砾岩）区分开，但难以区分火山熔岩（玄武岩、安山岩）和火山角砾岩；其次，利用图4（b）（组合图版1）的密度-电阻率/自然伽马交会图能够进一步较好地区分玄武岩、安山岩和火山角砾岩；最后，利用图4（c）（组合图版2）的电阻率-自然伽马/密度交会图能够进一步较好地区分火山角砾岩、安山岩和凝灰岩。

为了验证多参数交会分析法岩性识别图版的识别效果，利用已建立的岩性识别图版对研究区未参与图版建立过程的石炭系目的层段进行火山岩岩性识别（图5）。通过对比第5列岩石薄片结论与第6和第7列的解释成果，不难看出岩性识别的成果基本符合研究区不同岩性的测井响应特征^［10］，且解释的结果更精细。由此表明多参数交会分析可以反映更细致的岩性变化，在研究区具有良好的适用性，验证了图版的有效性。

C21x井的1139.0～1148.0 m井段（图5（a）），主要识别的岩性为安山质火山角砾岩、安山岩和岩屑凝灰岩，井段整体以安山质火山角砾岩为主，大多与安山岩呈互层出现。第5列与第6列岩性解释结果基本吻合，第7列前人的解释成果只能反映井段的主要岩性为火山角砾岩。

CF06x井的2285.0～2334.0 m井段（图5（b）），主要识别的岩性为玄武岩、火山角砾岩，井段整体以玄武岩为主，次要岩性为火山角砾岩。第5列与第6列的解释成果基本符合，第6列玄武岩和火山角砾岩互层反映了玄武岩的碎裂化，与碎裂化玄武岩薄片鉴定结论相吻合；第7列虽然将整段识别为安山玄武岩，反映了井段主要岩性，但没有对火山角砾岩进行细致的识别。

3 火山岩相特征及储盖条件

3.1 岩相特征

红车断裂带的火山活动具有多期次、间歇性喷发的特点，且空间上存在复杂的叠置关系。火山岩相序变化以爆发-溢流相为主，少量火山通道相；过渡到侵出相时表明火山能量有所减弱，相序再过渡到火山沉积相时则表明这一期的火山活动的尾声，开始进入间歇期。因此一次相对完整的相序变化通常是以火山沉积相结束。图6由左至右依次为研究区1580、1640、1700 ms的时间切片图，可以看出火山口由深层到浅层的变化特征。

该火山的相序呈现相序类型主要为喷发-溢流相-火山沉积相和溢流相-火山沉积相，向上依次发育多套火山沉积相和溢流相互层，且溢流相有变薄趋势，说明火山作用逐渐减弱，距离较近的井岩相序列具有相似性，为同一期次特征。研究区的爆发相主要发育火山角砾岩和凝灰岩为主，溢流相主要发育玄武岩和安山岩，火山沉积相主要发育沉凝灰岩。

在对火山岩岩石类型、岩性及岩相特征分析的基础上，结合地震反射特征^［18-19］，分析出研究区的火山机构特征（图7）。火山机构顶部被剥蚀，风化壳发育，上覆二叠系地层与下伏火山岩地层存在明显的夹角，形成角度不整合接触；火山通道两侧地层呈基本对称变形，地震同相轴呈强振幅、中等连续、中低频率、下拉反射特征，存在火山通道壁反射不明显、埋深大、通道边界识别困难等问题；爆发相火山角砾岩及火山碎屑岩呈丘状杂乱中强振幅反射特征，溢流相火山熔岩地震反射呈斜交反射、中高频率、强振幅平行反射特征，且具有一定的连续性。对照测井解释和试油分析结果发现研究区溢流相和爆发相岩性体是油气有利聚集区。爆发相内部地震反射杂乱，反射同相轴连续性较差；溢流相的地震反射具有一定的成层性，反射振幅较强，自火山口向外溢流，熔岩流和熔岩被特征较为明显。

3.2 储盖条件及特征

石炭系火山巖经历了海西期运动，强烈的构造运动形成不同程度的断裂，后又经历长期的风化剥蚀外动力作用^［18］，封堵油气藏的盖层既有致密的火山岩，也有碎屑沉积岩。从钻井、试油统计资料来看，封盖条件主要有以下5个特点：

（1）由于风化剥蚀、推覆构造及后期沉积作用，上覆细粒碎屑岩为主的沉积地层与下伏石炭系地层形成了一套区域不整合接触关系。二叠系上乌尔禾组和三叠系白碱滩组为主要盖层，局部地区有侏罗系地层。上乌尔禾组为一套区域性的泥岩盖层，侏罗系地层为三角洲前缘沉积，泥岩发育。石炭系上覆地层泥岩较为发育，单层泥岩厚度一般大于15 m，累积厚度一般大于30 m，形成了良好的区域盖层^{［11，20］}。

（2）致密火山岩本身就可以提供有利的遮挡条件，成为内幕型火山岩油气藏的良好盖层^［20］。該区域作为盖层的火山岩主要是致密凝灰岩。这种类型在红车断裂带石炭系火山岩普遍发育。如C493井溢流相的玄武岩储层上致密的凝灰岩作为盖层（图8）。

（3）火山喷发末期，上面常沉积一层泥岩（或粉砂质泥岩），作为其下火山岩油气藏的盖层。这种情况只发育在局部区域。

（4）研究钻井资料发现火山岩储层与岩石的结构和构造特征密切相关，如杏仁-气孔构造发育的熔岩孔隙度较高，火山碎屑的熔结结构、排列方式和颗粒大小对火山熔（碎屑）岩的储层影响显著。

（5）通过多口井的试油结果分析发现，溢流相和爆发相含油性较好，尤其是安山岩、玄武岩及安山质火山角砾岩，火山喷发形成的爆发相-溢流相火山岩为储集层，喷发间断期形成的火山沉积相为盖层，形成了一套良好的储盖组合。

4 火山岩有利储层识别

4.1 地震属性分析方法

当前油气勘探已经从构造油气藏转向隐蔽油气藏和复杂油气藏，常规的地震属性对于薄储层、地质异常体的响应不明显，而纹理分析属性通过构建地震纹理基元和灰度共生矩阵，常用于岩性体检测和沉积相划分等方面^［22-24］，能够较好地识别薄储层、沉积间断、岩性体和尖灭位置、地质异常体等。地震资料中基元的波形及反射振幅在不同方向上会有不同的变化，地震数据中纹理的特征（强弱变化）直接或间接反映了不同地质特征所对应的反射振幅的强弱变化。

基于灰度共生矩阵可提取不同的纹理属性，其中纹理相关性是计算元素之间在不同方向、特定线性关系出现的频率。如果元素的某一种固定排列方式越多，该值会越大。高相关性意味着高的线性关系。相关性可表示为一个独立物体的图像由于颜色的渐变性，相邻的像素之间的相关系数比远处的像素的相关系数大。

采用纹理属性刻画火山口特征（图9）。图9（a）为地震时间切片；图9（b）为直接对图9（a）做的边缘检测结果，该图中火山口较难识别；图9（c）为对图9（a）做的纹理分析属性的提取，该图中火山口形态被清晰地刻画，能够较好地识别火山口的边界。

由于地震反射波的振幅值不影响其相位属性，且地震瞬时相位余弦属性在正值和负值之间平滑地震荡^［25］，克服了瞬时相位翻转的跳断，对于火山岩这类复杂的地震剖面，能够较好地刻画火山岩尖灭点、断点、边界等准确位置。

在上述储盖条件、特征及含油性分析中，得知喷溢相含油性较好，尤其是安山岩、玄武岩及安山质火山角砾岩为有利储集层。因此在火山岩岩石类型、岩性识别、岩相分析、单井/连井对比、油藏分布特征、火山机构特征综合分析的基础上，结合地震纹理属性和瞬时相位余弦属性在岩性、边界分析的优势，能够对该地区开展火山岩有利储层进行较好的识别和刻画。

4.2 火山岩有利储层分析与识别

研究区石炭系火山岩油气藏主要是受古火山机构、构造运动、岩性等因素的控制。横向上主要受断层、相带和不整合面的控制；纵向上主要受火山喷发层序和古隆起控制^［9］。火山岩相和断层是控制储层的重要因素，不同相带的岩石结构、构造和储层物性等特征都会有所不同。

结合钻测井、试油、地质资料，对该区岩性特征、储集空间和物性特征进行研究分析（图8）。CHE455井共有7处地层测试，发现最上层两处覆盖凝灰岩/凝灰质碎屑岩岩层试油结果未见油气显示（干层），下方5处的安山/玄武岩层和火山角砾岩层都有良好的油气显示；CHE457井共有5处地层测试分析，发现最上层的凝灰岩层试油结果未见油气显示（干层），下方4处的安山/玄武岩层都有良好的油气显示；CHE257井2处凝灰岩层试油结果均未见油气显示（干层）。分析结果表明，研究区溢流相和爆发相油气显示良好，安山岩/玄武岩和火山角砾岩的储层特征和含油性较好，凝灰岩较差。

在对研究区火山岩岩性、岩相特征分析的基础上，进一步开展地震资料三维解释和优势岩性体属性分析方法的研究，实现对有利储层空间展布特征进行有效的识别和刻画。图10为不同方向连井线地震纹理相关性剖面图（图10（a）、（b））和沿层切片图（图11）。由图7可以看出，CHE455井钻遇的安山岩和火山碎屑岩都具有良好的油气显示，但仅从原始地震剖面上（图10（a）右上）难以分辨岩性体的空间展布范围和边界，而纹理相关性剖面（图10（a）右下）不仅能够较好地识别岩性体的边界（黄框部分），而且与井上的含油地层吻合较好；CHE257井（图7）2处凝灰岩层试油结果均未见油气显示，在纹理相关性剖面中得到了印证（图10（a）右下），与实际钻井认识吻合。同样，在图10（b）中，从原始地震剖面上（图10（b）右上）难以分辨岩性体的空间展布范围和边界，纹理相关性剖面（图10（b）右中）和瞬时相位余弦（图10（b）右下）较好地刻画了有利岩性体的展布范围（黄框部分），而且与两口井上的含油地层吻合较好，与实际钻井认识吻合；图11根据溢流相熔岩岩性体的发育特征，在地震构造解释和属性分析的基础上，利用沿层切片技术对有利储层空间展布范围进行刻画（黑色虚线部分），且CHE455井和CHE457井均有良好的油气显示，与预测结果相吻合。 这为该研究区下一步的勘探开发部署提供较为可靠的依据。

5 结 论

（1）红车断裂带石炭系火山岩储层发育5种主要火山岩类型，不同火山岩石类型具有不同的测井响应特征，选取合适的岩性敏感参数能够有效地进行岩性识别。自然伽马-密度交会图能够较好地区分凝灰岩和其他岩性（玄武岩、安山岩和火山角砾岩），但难以区分火山熔岩（玄武岩、安山岩）和火山角砾岩；利用密度-电阻率/自然伽马交会图能够较好地区分玄武岩、安山岩和火山角砾岩；利用电阻率-自然伽马/密度交会图能够较好地区分火山角砾岩、安山岩和凝灰岩。

（2）红车断裂带发育的火山相序类型主要为喷发-溢流相-火山沉积相和溢流相-火山沉积相，喷发形成的爆发相-溢流相火山岩为储集层，喷发间断期形成的火山沉积相为盖层，形成了一套良好的储盖组合，其中储集性能好、含油级别高的为溢流相的安山/玄武岩和爆发相的火山角砾岩。

（3）红车断裂带火山岩油气藏的分布是受构造、岩性体和火山机构共同作用的结果，研究发现该区溢流相和爆发相含油性较好，尤其是安山岩、玄武岩及安山质火山角砾岩，地震反射具有一定的成层性，反射振幅较强。利用地震多属性分析和沿层切片技术，并通过对地震平-剖面成果与井上有利储层认识的对比验证，最终确定优势储层的有利分布范围，为下一步火山岩油气勘探开发提供思路。

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（编辑 修荣荣）