喷发相火山岩储层特征研究及地质意义

黄金富,王啊丽,夏国朝,刘东成,张海霞

(1. 大港油田公司 勘探开发研究院,天津 300280;2. 大港油田公司 采油工艺研究院,天津 300280)

0 引言

火山岩可以成为良好的油气层,这在许多国家和地区已得到证实。枣园油田地理位置处于河北省沧州市沧县,该区域中新生代火山活动强烈,火山岩油藏中生界、孔店组和沙河街组多层系产出且大范围分布,供油条件及圈闭有利,油气富集。Z35断块是喷发相火山岩油藏的典型代表,火山岩体在空间上分布不规则,岩性复杂,岩相变化大,非均质性强,储层渗流性能差异变化大,孔洞和裂缝发育,致使不同井区油井产能差异大。由于对火山岩储层特征认识不清,区块开发长期处于低速低效阶段,因此有必要进行火山岩油藏储层特征研究,达到区块效益开发的目的。该研究主要从岩性识别、火山岩模式、期次划分以及岩相与产能适应性4个方面,开展火山岩储层特征研究。

1 火山岩岩性特征

1.1 岩石类型划分

截止2021年底,研究区共有4口取心井,取心146.83 m,共有96块薄片分析化验资料。根据岩石矿物成分资料统计结果,Z35断块火山岩(Na2O+K2O)含量为4.2%～4.7%,SiO2含量为44.0%～53.0%,参照表1火山熔岩分类标准[1],研究区火山岩类型为基性岩类碱性橄榄玄武岩。根据Z66井、Z78井、J21-23井和Z63-1井取心资料及岩心观察,岩石类型主要包括火山碎屑岩和熔岩2大类[2-5],岩性包括火山角砾岩、气孔玄武岩、凝灰岩和致密玄武岩,其中,发育最广的是气孔玄武岩。气孔玄武岩气孔形状不同(有圆形、椭圆形和不规则形),大小不一,小的气孔肉眼难以分辨,大的气孔直径可达10 cm以上,并且含油,是主要的含油岩石类型。凝灰岩碎屑粒径小于2 mm,是最常见且广泛分布的一种细粒火山碎屑,从火山爆发开始,经过抛入空中、漂移再到降落在地表,通过水化和压结胶结而成。研究区凝灰岩颜色较深,是因火山物质被抛入空中迅速冷凝形成氧化玻壳,颗粒内部颜色略浅,颗粒之间充填的是玻基胶结物,局部脱玻化。致密玄武岩在熔岩中部,温度降低速度慢,各类矿物都能结为晶体,气孔结构不发育,如果没有后期构造运动的强烈改造,一般不作为油气储层。具有火山角砾结构且2～50 mm的大颗粒含量达到50%以上的火山碎屑岩称为火山角砾岩,含有少量气孔,杏仁构造,在局部地区该类岩石也可作为有效的储集岩性。

表1 火山熔岩分类表Table 1 Table of volcanic lava classification

1.2 火山岩岩性识别

根据岩石的特征、结构和构造,通过薄片鉴定及岩心直接观察描述,可以划分取心井纵向上的岩性。对于未取心的井,则可以通过建立电性与岩性的相关性,采用测井多参数图版交会法[6-7],识别非取心井的岩性。

岩性识别最为常用的一种解释技术就是交会法,将不同参数的测井曲线数据两两交会,通过交汇点的坐标给出参数的范围和数值,可以直观分辨岩性和了解区域分布,从而达到识别火山岩的目的。建图版必须用岩性划分比较可靠的井,Z78井和J21-23井取心井段较长,处于火山岩体中心附近,厚度大,岩石类型丰富,代表性较强。结合岩心观察和薄片鉴定结果进行分析定名,对测井资料进行标定(如图1所示),为建立交汇图版提供可靠的基础。其中气孔玄武岩的电阻率值明显偏高,密度值较低;致密玄武岩电阻率值较高,密度值较大;火山角砾岩密度值适中,电阻率值偏低。

图1 Z78井电测解释岩性剖面图Fig.1 Interpretation of lithologic profile by electrical logging of well Z78

Z78井和J21-23井的测井系列为3700系列,测量项目比较齐全,采用电阻率、声波时差、密度、中子和自然伽马5种参数分别建立不同的交会图(如图2所示)。其中,密度-声波时差曲线交会图显示,致密玄武岩密度值大部分在2.6 g/cm3以上,气孔玄武岩声波时差为250～320 μs/m,凝灰岩密度值主要分布在2.0 g/cm3以下区域(如图2a所示)。中子-自然伽马曲线交会图显示,致密玄武岩中子值主要分布在10～28,气孔玄武岩中子值主要分布在28～39,火山角砾岩与凝灰岩中子值大于39,其中火山角砾岩自然伽马值主要小于30 API(如图2b所示)。

图2 Z35断块火山岩测井曲线交会图Fig.2 Intersection of logging curves of volcanic rocks in Z35 fault block

根据交会图版识别各类岩性,具体特征如下:

1)致密玄武岩岩石基本无孔,密度大于2.6 g/cm3,泥质含量少,自然伽马值小于50 API;导电性差,电阻率高于5 Ω·m;孔隙少,中子值小于28,声波时差低于250 μs/m。

2)气孔玄武岩岩石含有大量气孔,密度较小,为2.3～2.6 g/cm3;声波时差为220～317 μs/m,自然伽马值小于50 API,中子值为28～39。

3)凝灰岩密度较低,为2.0～2.3 g/cm3,声波时差大于317 μs/m,中子值大于39,高于气孔玄武岩。

4)火山角砾岩电性特征近似于凝灰岩,由于火山角砾岩距离火山口比凝灰岩近,混入其他沉积物少,自然伽马值比凝灰岩更低,小于30 API,密度为1.8～2.4 g/cm3。

5)泥岩主要包含泥质粉砂岩和纯泥岩,表现为高的自然伽马值,自然伽马值一般大于50 API;声波时差也高,大于380 μs/m,以此区别于火山岩类。

通过建立的岩性识别标准及交会法,分别对全区其余17口非取心井进行了岩性识别(如图3所示)。结果表明:J24-22井、J23-21井和J25-23井火山岩厚度最大,均超过了80 m;J23-21井、Zi6-12井、Zi6-14井、J25-23井和J24-22井的气孔玄武岩最厚,可达35～42 m;火山角砾岩在J25-23井和J27-25井厚度最大,达到25 m;凝灰岩在Z78井和J27-25井厚度最大,约为20 m;致密玄武岩在J24-22井厚度最大,超过了60 m。

图3 Z35断块单井岩性厚度分布图Fig.3 Distribution map of lithologic thickness of single well in Z35 fault block

2 火山岩相及期次划分

2.1 火山岩相

火山岩相研究是指导岩相划分、地层对比及储层评价重要的理论基础。Z35断块火山岩整体喷发和分布形态具有以下特点:1)垂向上岩性变化大,成岩性明显;2)横向上突变明显,火山岩厚度和岩性变化大;3)爆发相的火山角砾岩集中分布在J25-23井和J27-25井区附近,这些井可能靠近火山口;4)边部有些井火山岩厚度已经减薄,向湖相沉积岩过度。Z35断块火山岩喷发方式既有中心式喷发也有裂隙式喷发,所在区域断裂发育或火山岩体中熔岩发育。从火山岩的空间展布来看,既有泛流玄武岩的特征,又具有火山锥的特征,整体符合层火山模式特征[8]。

火山岩相做为划分火山相的基础与依据,随着火山岩油气藏勘探和开发进程的深入,火山岩相划分也不断深入[9]。多火山口的复合火山岩相划分,主要以岩石特征和火山喷出物的产状为依据。火山岩相整体可以分为喷发沉积相、喷发相组、火山通道相和次火山相4个相组,其中喷发相组又细分为溢流相、爆发相和侵出相3个相。

Z35断块火山岩岩相属于喷发相组,纵向上分为双层结构(如图4所示),下部为溢流相,上部为爆发相。双层结构是研究区火山爆发的一个特点,从火山活动的整体来看,早期以熔岩的溢流为主,后期火山的爆发逐渐增多。火山口距离的远近影响了爆发相的分布,火山口周围主要分布火山角砾岩,距离火山口较远的区域主要分布凝灰岩。溢流相内部构造分为3个部分,纵向上顶部位置气孔含量多且气孔带发育厚度大,中间部分主要为致密玄武岩,底部区域气孔带变薄长,多为拉长孔。横向上火山口附近区域气孔小且孤立,远离火山口的区域气孔逐渐变少,中部气孔最为发育[10]。

图4 Z35断块火山岩岩相模式图Fig.4 The lithofacies pattern of the volcanic rock of the Z35 fault block

2.2 火山岩期次划分

充分利用地质、测井和地震资料,在地层对比、火山岩相分布研究的基础上,根据其岩性、沉积旋回及电性特征,结合精细合成地震记录层位标定的结果及地震反射特征和地震层序,考虑地层厚度和沉积充填的总趋势(加厚或减薄方向)进行综合对比,研究区沙三段火山岩自下而上划分为3期(Ⅰ期、Ⅱ期和Ⅲ期)。Ⅰ期分布在沙三段下部,Ⅰ期火山岩仅有Z66井钻遇了厚层的溢流相玄武岩,其他井或者因为井深原因没有钻穿。Ⅱ期在沙三段中部,厚度横向变化较大且整体偏小,主要为溢流相,Ⅱ期火山岩上部有一套稳定连续分布的泥岩,是与Ⅲ期火山岩之间的良好隔层。Ⅲ期火山岩分布最广泛,全区井均有钻遇,且溢流相和爆发相厚度都较大,是主力储层。根据Ⅲ期火山岩内部特征及隔层分布情况,将其进一步划分为Ⅲ-1期和Ⅲ-2期2个亚期(如图5所示)。

图5 火山岩期次划分示意图Fig.5 Schematic diagram of volcanic rock stage division

Ⅲ期火山岩厚度等值图较为形象的展示了火山岩体的分布形态,越靠近火山口位置火山岩厚度越大,越远离火山口位置火山岩厚度逐渐变薄。从不同期次火山岩厚度分布图来看,J25-23井和J19-23井存在明显的2个厚度高值(如图6所示),附近存在2个火山口,熔岩从火山口流出后沿着当时的古地势由高向低流动,流动的主要方向一个是北偏西向,另一个是北东—南西向。

图6 Ⅲ期火山岩厚度分布图Fig.6 Thickness distribution map of stage III volcanic rocks

3 火山岩微相划分

火山岩亚相即爆发相和溢流相,亚相的划分可以用爆发指数E来表示,爆发指数越大,说明火山爆发强度越大,并可能成为火山喷发中心,若E>0.5,则属于爆发相,E<0.5,则划分为溢流相[11-12]。

微相的划分可用亚相划分类似方法表示为:

En=Hn×100/(Hn+Hj+Hq+Hz)

(1)

式中:En为凝灰岩微相指数;Hn为凝灰岩的厚度;Hj为火山角砾岩的厚度;Hq为气孔玄武岩的厚度;Hz为致密玄武岩的厚度。

根据式(1)可以得到气孔玄武岩微相指数Eq,火山角砾岩微相指数Ej,凝灰岩微相指数En和致密玄武岩微相指数Ez,取Ex=max{En,Ej,Eq,Ez}就可以划分对应的微相。利用该方法划分出气孔玄武岩微相、火山角砾岩微相、凝灰岩微相和致密玄武岩微相4个微相。

1)气孔玄武岩微相:主要岩性为气孔玄武岩,包含部分杏仁状玄武岩,分布在溢流相的顶部,岩流单元厚度为1.0～17.5 m,厚度变化大。气孔或杏仁状玄武岩主要分布在岩流单元顶部,构造含量一般为30%～40%,形状不规则。底部的扁平气孔及杏仁状玄武岩,其气孔和杏仁构造含量较少,一般为18%～27%,以扁平状为主。

2)火山角砾岩微相:主要岩性为火山角砾岩,颗粒粗大,粒径大于2 mm,平面上一般火山角砾岩距火山口最近,通常围绕火山口分布。火山角砾岩是火山强烈爆发,顶板及围岩受冲击力作用形成大量裂缝裂纹时的产物,气孔较为发育。

3)凝灰岩微相:主要岩性为凝灰岩,是具有凝灰结构且粒径小于2 mm的火山碎屑细颗粒,玄武质是岩屑的主要成分,一般分布在远离火山口的区域。

4)致密玄武岩微相:主要岩性为致密玄武岩,岩石颜色主要呈黑色或深灰色,少量绿灰或绿黑色,气孔和杏仁等构造含量少,结晶较粗,孤立状分布,一般分布在溢流相的中间区域。

图7 火山岩微相分布图Fig.7 Distribution map of volcanic rock microfacies

图8 火山岩微相累产分布图Fig.8 Cumulative production distribution map of volcanic rock microfacies

4 地质意义

大港探区内发育各种类型的火山岩油气藏,勘探潜力巨大。从岩性上来说,大港探区爆发相火山碎屑岩、溢流相玄武岩和侵入相辉绿岩都有形成油气藏的实例。据统计,81.7%的探明石油地质储量分布在火山岩溢流相气孔玄武岩储层中,爆发相火山碎屑岩占10.3%,次火山岩相和浅成侵入相占8.0%。不同岩性火成岩油藏之间储集性能及储集空间类型差异明显,玄武岩储层的储集空间主要有原生孔隙、溶蚀孔洞和构造裂缝;火山碎屑岩主要储集空间为原生粒间孔、角砾间孔和基质孔;辉绿岩储集空间有原生节理缝、构造缝和蚀变缝等。

不同火山岩油藏之间岩性和储集性能差异明显,火山岩储层类型、油气来源及相应的油气运移能力决定了火山岩能否成藏。Z35断块沙三段火山岩岩性识别成果可以为大港探区火山岩勘探提供有利方向:1)近源组合岩性油气藏,即火成岩整体为烃源岩所包围,同时烃源岩又是形成火成岩圈闭的封闭条件,该类成藏条件中对储层评价标准可以低些;2)断层沟通组合的构造-岩性油气藏,该类组合中过多地强调了断层,其意义在于断层沟通了油气来源,还可造成落差致使火山岩储集体与烃源岩侧向对接,还可以形成裂缝做为沟通原生气孔的喉道,而且还可形成局部构造高点等;3)斜坡带经裂缝改造形成的岩性油气藏,该类组合强调岩性为主,因为局部高点或上倾尖灭等都是岩性圈闭形成的,强调裂缝改造是因为溢流相的原生气孔需要裂缝来沟通才能形成高品质的储层。

从目前大港探区火山岩的勘探形势来看,已钻的BX5井、BX24井及BX28井等试油获高产工业油流,火山岩的有利相带可做为油气集聚的有利单元,在海域寻找近源型火山岩油气藏具有较高的可行性。根据大港探区火成岩岩性识别及分布规律预测,在与张家口—蓬莱基底断裂相连通的歧中、歧东断层做为火山通道,其周边还应发育有一批火山岩,因此伴随着相关技术手段的投入,可以刻画出更准确的火山岩体。

5 结论

1)研究区火山岩储层的岩石类型主要有熔岩和火山碎屑岩2大类,岩性主要包括气孔玄武岩、火山角砾岩、凝灰岩和致密玄武岩。通过测井多参数图版交会法建立火山岩岩性识别标准,从而识别未取心井的岩性,为喷发期次、小层对比以及岩相划分奠定了基础;

2)根据岩性分布特征,提出研究区沙三段火山岩分布符合层火山模式特征,火山岩多期次反复喷发既有裂隙式喷发特征也有中心式喷发特征。火山岩划分为3个期次(Ⅰ期、Ⅱ期和Ⅲ期),Ⅱ期和Ⅲ期是主要含油储层,为后期开发层系划分及开发方式优选提供了地质依据;

3)根据岩性分布及其空间分布特点,建立了研究区喷发相火山岩岩相模式,利用爆发指数和微相指数方法将火山岩划分为溢流相、爆发相2个亚相和4个微相,其中溢流相的气孔玄武岩、爆发相的凝灰岩范围内的井累产油较高,为后期井位的部署、调整提供了方向。