随着中国东北松辽盆地几个大型火山岩油气田的发现, 火山岩油气藏已经成为该盆地深层新的勘探热点^[1-2]。在松辽盆地, 熔岩约占整个盆地断陷层火山岩充填体积的30%, 并且物性条件较好, 是该盆地火山岩油气藏最为重要的储层类型^[3]。火山熔岩储层特征和发育规律的深入研究对松辽盆地火山岩油气藏勘探和开发均有重要作用。目前, 中国盆地火山岩储层研究已经取得了较大的进展。这些研究主要集中在火山岩储层的储集空间类型^[4-5]、成岩作用与储层演化关系^[6-7]、有效储层物性特征^[8-9]等方面。研究表明, 从基性的玄武岩到酸性的流纹岩, 储集空间类型基本相似, 并且都具有成为储层的条件，但不同岩性火山岩储层的空间分布特征却十分复杂, 对其规律性认识还较为欠缺。Walker^[10]在英国北海洪泛玄武岩的研究中指出, 无论多么大规模的玄武岩充填, 都是由辫状熔岩流和板状熔岩流两种类型的熔岩流单元叠加形成, 这些熔岩流单元由短的喷发间断界面分割, 其内部孔-缝的空间发育特征在纵向上具有一定的规律性。其后, 基性熔岩流单元量化特征^[11]、测井识别^[12]、盆地充填模式^[13]等研究逐渐得到开展。这些研究对英国北海洪泛玄武岩省火山建造和火山岩油气藏的深入认识起到了巨大的推动作用。目前, 在松辽盆地火山熔岩储层研究中由于缺少对不同类型熔岩流单元形态和叠置方式的研究^[14], 导致储层的空间分布特征缺少时空格架约束; 由于缺少对熔岩流单元内储集空间发育特征的量化描述, 导致对不同类型储集空间在火山熔岩中的空间分布特征认识不清。笔者依据松辽盆地及邻区盆缘中生代火山岩露头剖面和剖面全取心浅钻、盆内钻井岩心、测井、地震剖面、铸体薄片和扫描电镜等资料, 对研究区盆缘和盆内中生代熔岩流单元形态、结构和储层特征进行研究。

松辽盆地为中国东北大型中生代陆相沉积盆地^[15](图 1(a)), 其形成受鄂霍茨克海闭合和太平洋板块俯冲作用共同控制^[16-17]。盆地分为断陷层和拗陷层两层^[18]。断陷层由多个相对独立的断陷盆地构成, 在断陷盆地中充填有巨厚的火山岩^[19]。长岭断陷为松辽盆地南部规模较大的断陷盆地, 分为西部陡坡带、中部拗陷带和东部缓坡带3个二级构造单元(图 1(b)), 火山岩分布受3个构造带控制, 中部拗陷带较厚, 西部陡坡带和东部缓坡带较薄^[20]。下白垩统营城组火山岩是该断陷主要的火山岩气藏发育层位^[21]。长岭断陷的勘探程度在松辽盆地南部断陷盆地中相对较高, 有多口以火山岩为目的层的深钻井, 特别是YYT三维地震工区火山岩钻井较为密集(图 1(c)), 为火山岩储层研究提供了大量的研究资料。

图 1

图 1 松辽盆地长岭断陷地理位置及井位分布 Fig.1 Location of Changling Depression in Songliao Basin and wells used in this study

盆缘古火山岩露头剖面能够精细地揭示熔岩流单元的形态和内部结构特征, 是与盆地埋藏火山岩熔岩流单元进行对比的最为重要的高分辨率资料。本次研究以内蒙古呼伦湖西岸连续出露5 km的晚侏罗—早白垩世塔木兰沟组、上库力组火山岩掌子面和松辽盆地盆缘早白垩世营城组建组剖面全取心浅钻为研究对象(图 1), 通过对剖面和浅钻岩心中代表了短期喷发间断的喷发间断面进行识别, 划分熔岩流单元, 描述熔岩流单元形态, 并对其内部垂向结构序列(气孔形态、排列方式、面孔率特征、裂缝形态和面缝率特征)进行详细的地质测量和描述, 划分内部孔隙带, 建立酸性和基性熔岩流单元形态-结构地质模式。以露头剖面熔岩流单元地质模式为基础, 利用地震剖面识别熔岩流单元形态、通过常规测井和成像测井识别熔岩流单元内部气孔和裂缝结构, 划分盆地钻井中火山岩熔岩流单元和内部垂向孔隙带。进一步利用28口钻井中的138块岩心资料, 应用铸体薄片观察和扫描电镜等手段, 研究酸性和基性熔岩流单元中各孔缝带储集空间类型特征, 并利用CoreDBMS面孔率分析软件, 计算铸体薄片和扫描电镜中不同类型孔隙的面孔率, 对基性和酸性熔岩流单元中不同孔隙带储集空间进行量化表征。最后利用测井孔隙度资料, 研究不同类型熔岩流单元的物性特征。

熔岩流单元指熔岩中相对独立的冷凝单元, 这些单元具有明显的, 在另一股熔岩流覆盖之前就已经形成的顶部冷凝表壳^{[10, 22]}, 即熔岩流单元是由火山喷发不整合界面围限的彼此间相对独立的冷凝单元^[23]。火山地层中广泛存在的界面是识别火山地层单元的主要手段^[24]。这里以盆缘典型露头剖面和剖面全取心浅钻井为例进行说明(图 2, 3)。图 2中熔岩流单元特征较为清晰, 酸性熔岩流单元规模较大, 多为丘状(图 2(a)), 界面多为岩性变化形成的喷发不整合界面(图 2(b)); 基性熔岩流单元规模通常较小, 形态为透镜状或板状(图 2(c)), 由喷发不整合界面分割, 这些喷发不整合界面表现为气孔含量的突变, 发育氧化边和蚀变带等(图 2(d))。盆缘全取心浅钻井也揭示了与露头剖面具有相似结构的熔岩流单元(图 3)。Y1D1井上部揭示了一个较为完整的厚层酸性熔岩流单元, 单元内部纵向上孔隙-裂缝的数量、形态和排列存在规律性变化, 但不存在喷发间断面(图 3(a))。根据孔隙-裂缝数量和形态, 将这些孔-缝组合归纳为若干孔隙带。该酸性熔岩流单元由顶部气孔带、韵律性气孔带、稀疏气孔带、致密带和底部气孔带构成; Y3D1井揭示了多个基性熔岩流单元, 这些熔岩流单元之间由喷发不整合界面分割(图 3(b))。厚层的熔岩流单元2和单元4从顶到底由顶部气孔带、稀疏气孔带, 致密带和底部气孔带构成; 薄层熔岩流单元1和单元3不发育致密带。

图 2

图 2 盆缘剖面酸性和基性熔岩流单元典型剖面 Fig.2 Typical outcrops of acidic lava flow unit and basic lava flow units

图 3

图 3 盆缘剖面浅钻(Y1D1井和Y3D1井)酸性和基性熔岩流单元划分实例和孔隙带特征 Fig.3 Characteristics of acidic lava flow unit and basic lava flow units, and classification of vesicle zones in these units in shallow core Y1D1 and Y3D1

熔岩流动单元形态是熔岩流形成时岩浆黏度、流量等物理参数的直接反映。以熔岩流形态为依据划分熔岩流类型。盆内熔岩流单元形态通过三维地震数据获得(图 4)。根据三维地震解释发现, 松辽盆地长岭断陷营城组酸性熔岩流单元形态以丘状和板状为主, 基性熔岩流单元形态以板状和辫状为主。将松辽盆地长岭断陷营城组火山熔岩流单元类型划分为熔岩穹丘、板状熔岩流、辫状熔岩流3类(表 1)。

图 4

图 4 酸性和基性熔岩流单元钻井和地震识别特征 Fig.4 Identification of acidic and basic lava flow units using log and seismic data

表 1

表 1 松辽盆地火山熔岩流动单元类型 Table 1 Classification of lava flow units in Songliao Basin 单元类型 岩性特征 形态特征 熔岩穹丘 酸性—中性 丘状外形, 纵横比大于0.1, 厚度通常大于100 m, 横向延伸距离通常小于1 km 板状熔岩流 酸性—基性均发育 板状外形, 纵横比小于0.1, 厚度通常小于100 m, 横向延伸距离酸性熔岩通常小于5 km, 基性熔岩最大可延伸约为100 km 辫状熔岩流 基性 互相叠加的辫状熔岩流, 纵截面纵横比通常小于0.01, 单层厚度一般小于8 m, 纵向延伸小于1 km

表 1 松辽盆地火山熔岩流动单元类型 Table 1 Classification of lava flow units in Songliao Basin

通过熔岩流单元顶、底界面地震同相轴包络线形态, 区分了不同的熔岩流类型。以大量的岩心观察为依据, 建立了盆内不同类型熔岩流单元纵向孔隙带发育模式。依据这些岩心孔-缝发育特征与常规测井曲线、成像测井图像的对应关系, 明确了熔岩流单元不同孔隙带的测井响应特征。以松辽盆地长岭断陷3口钻遇酸性和基性熔岩流的典型钻井为例, 阐述长岭断陷熔岩流单元纵向结构序列特征及其测井标志(图 4)。

松辽盆地长岭断陷钻遇的熔岩穹丘均为酸性, 以YS101井钻遇的酸性熔岩穹丘为例(图 4(a))。该熔岩穹丘厚度为110 m, 纵横比为1:9。通过岩心、岩屑观察, 常规测井和电阻率扫描成像测井分析, 该熔岩流单元从顶到底由顶部气孔带、韵律性气孔带、稀疏气孔带、致密带和底部气孔带等5个孔隙带构成(图 4(a))。顶部气孔带发育大量直径1~5 mm的椭圆状气孔, 气孔定向排列, 韵律性气孔带流纹构造和流纹构造间孔发育, 稀疏气孔带仅发育少量离散状分布的气孔, 致密带基本不发育气孔, 仅发育构造裂缝, 底部气孔带管状气孔发育。

该熔岩流单元顶部气孔带常规测井表现为高伽马, 低电阻和高声波时差; 成像测井可见云状亮色和暗色条带, 表明气孔的密度较高, 已经超过成像测井区分单个孔隙的极限^[25]。从顶部气孔带到致密带, 常规测井电阻率值逐渐升高, 致密带表现出极高的电阻率值, 声波时差值逐渐降低。成像测井韵律性气孔带可见清晰的流纹构造和流纹理间低电阻率的孔隙, 稀疏气孔带电阻率较韵律性气孔带高, 流纹构造消失, 发育少量低电阻率气孔, 致密带成像测井图像为亮黄色, 基本没有低阻气孔。底部气孔带常规测井表现为指状的低电阻和高声波时差的特征(图 4(a))。

三维地震解释表明, 松辽盆地长岭断陷熔岩流单元除了大纵横比的熔岩穹丘外, 也发育大量的小纵横比的板状熔岩流单元。钻井揭示, 这些熔岩流单元既有酸性, 也有中基性。如长岭断陷YS1井钻遇的2个典型的酸性板状熔岩流单元(图 4(b)), 在空间上为纵向叠置, 纵横比小于1:48, 横向延伸距离约为5 km。单元1厚度为30 m, 从顶到底由顶部气孔带和致密带构成, 顶部气孔带所占比例较大; 单元2厚度为65 m, 从顶到底由顶部气孔带、韵律性气孔带、稀疏气孔带和致密带构成, 其中韵律性气孔带与稀疏气孔带互层出现。各个孔隙带的常规、成像测井特征与熔岩穹丘相似。长岭断陷基性熔岩流单元多为侧向延伸距离在10~50 km的板状熔岩流单元。如长岭断陷SS2井钻遇的玄武质熔岩流(图 4(c)), 该熔岩流由多个纵向叠置的, 厚度为30~40 m的板状熔岩流单元构成。每个板状熔岩流单元由顶部气孔带、稀疏气孔带、致密带和底部气孔带构成。单元顶部由于发育氧化边和蚀变带, 自然伽马曲线表现为高幅度的指状^[26]。其内部纵向上不同孔隙带特征在声波时差曲线上反映明显:顶部气孔带为具有高声波时差值的高幅度反向箱型, 稀疏气孔带声波时差值逐渐降低, 致密带为具有低声波时差值的高幅度正向箱型, 底部气孔带具有高声波时差值。

长岭断陷辫状熔岩流单元多为基性, 如SS2井钻遇的基性熔岩流中, 发育少量厚度约为7~8 m的熔岩流单元(图 4(c)), 这些熔岩流单元在空间上为辫状^[12], 纵向由顶部气孔带、稀疏气孔带和底部气孔带构成, 声波测井曲线表现为多个高幅度指状组合。

原生和次生孔隙是松辽盆地火山熔岩的主要储集空间, 原生和次生裂缝是油气的主要渗流通道^[3]。本次研究发现, 这些孔-缝组合的空间分布特征直接受熔岩流单元的控制。本文中通过岩心、铸体薄片和扫描电镜以及物性特征分析(图 5), 对储集空间组合在熔岩流单元中的发育特征进行了量化表征(图 6、7), 并探讨了储层物性与熔岩流单元类型的关系。

图 5

图 5 酸性和基性熔岩流单元孔-缝带储集空间组合特征 Fig.5 Reservoir space association in different vesicle zones of acidic and basic lava flow units

图 6

图 6 酸性熔岩流单元储集空间组合及面孔率特征 Fig.6 Reservoir space association and surface porosity in acidic lava flow units

图 7

图 7 基性熔岩流单元储集空间组合及面孔率特征 Fig.7 Reservoir space association and surface porosity in basic lava flow units

酸性熔岩流单元顶部气孔带储集空间组合类型较为齐全, 是较好的油气储层。酸性板状熔岩流和酸性熔岩穹丘在孔-缝的纵向组合上较为相似, 差别主要体现在熔岩流横向的延伸距离不同, 因此本次研究将这两种熔岩流合在一起探讨其储集空间的发育特征(图 6)。原生气孔是酸性熔岩流顶部气孔带的主要储集空间(图 5(a)、(b))。通过岩心铸体薄片面孔率统计发现, 酸性熔岩流单元顶部气孔带中原生气孔平均面孔率约为20.2%。溶蚀孔和脱玻化孔是酸性熔岩流单元顶部气孔带的次要储集空间:溶蚀孔多为细小的筛状(图 5(b)), 扫描电镜观察发现, 顶部气孔带中流纹岩基质脱玻化后微晶之间形成了极为发育的脱玻化孔隙(图 5(c))。铸体薄片和扫描电镜面孔率统计表明次生溶蚀孔和脱玻化孔使该孔隙带面孔率增加了3.1%。该孔隙带裂缝主要为基质微裂缝, 构造裂缝不发育, 面缝率约为1.9%。虽然不如稀疏气孔带和致密带面缝率高, 但是基质微裂缝呈网状发育(图 5(b)), 可以较好地连通原生和次生孔隙。酸性熔岩流单元从顶部气孔带到致密带, 原生孔隙和次生孔隙具有相同的变化趋势, 面孔率均逐渐降低(图 6)。其储集空间类型也由以原生孔隙为主, 逐渐变为以次生孔隙为主。如稀疏气孔带(图 5(d)), 铸体薄片显示其原生气孔仅零星发育(图 5(e)), 扫描电镜揭示其基质微晶和微晶间的微孔隙也不发育(图 5(f))。面缝率则正好相反, 由顶部气孔带到致密带, 面缝率逐渐增加。

基性板状熔岩流和基性辫状熔岩流在纵向序列上的主要差别为基性辫状熔岩流基本不发育致密带(图 7)。与酸性熔岩流单元类似, 基性熔岩流顶部气孔带也是其主要的储层发育带。其孔隙以原生气孔为主(图 5(g)、(h)), 面孔率平均约为19.5%, 与酸性熔岩流顶部气孔带平均面孔率接近。次生孔隙主要为溶蚀孔, 扫描电镜提示其溶蚀孔多为绿泥石等蚀变矿物间微孔隙。但与酸性熔岩流相比, 其基质脱玻化现象不明显, 脱玻化孔不发育(图 5(i))。基性板状熔岩流中的致密带基本不发育原生气孔(图 5(j)、(k)), 扫描电镜可见少量脱玻化孔(图 5(l))。基性熔岩流中从顶部气孔带到底部气孔带, 原生孔隙面孔率先减少后增加, 次生孔隙面孔率在一直减少; 裂缝面孔率与酸性熔岩相似, 也逐渐增加。基性熔岩流单元与酸性熔岩流单元相比, 区别在于酸性熔岩次生孔隙明显较基性熔岩更为发育(图 6、7)。

通过对本文中几种类型的熔岩流单元(包括基性辫状熔岩流单元、基性板状熔岩流单元、酸性板状熔岩流单元和酸性熔岩穹丘)的测井物性特征进行统计发现, 基性辫状熔岩流孔隙度峰值分布在10%~12%(图 8(a)), 基性板状熔岩流孔隙度峰值分布在4%~6%(图 8(b)), 酸性板状熔岩流孔隙度峰值分布在6%~8%(图 8(c)), 酸性熔岩穹丘孔隙度峰值在0~2%(图 8(d))。基性辫状熔岩流的物性好于酸性板状熔岩流, 其次为基性板状熔岩流, 再次为酸性熔岩穹丘。根据前文中对熔岩流单元形态、叠置方式、纵向序列和孔隙组合特征的分析, 认为熔岩流单元形态、叠置和结构特征是造成这些不同类型熔岩流物性差异的重要原因。基性辫状熔岩流单元厚度薄, 横向延伸距离近, 空间上为交织状叠置, 顶部气孔带间隔小, 占熔岩流体积的比例大, 因此物性最好。基性板状熔岩流与酸性板状熔岩流孔隙带空间分布特征与占熔岩流厚度比例相似, 而酸性熔岩流的次生孔隙较基性熔岩发育, 因此储层物性好于基性板状熔岩流。酸性熔岩穹丘厚度大, 顶部气孔带占整个熔岩流的比例小, 因此物性统计较前几种熔岩流类型差。

图 8

图 8 不同类型熔岩流储层物性特征 Fig.8 Petrophysical characteristics of different types of lava flow units

(1) 松辽盆地长岭断陷酸性和基性熔岩流单元按形态可分为酸性熔岩穹丘、酸性板状熔岩流、基性板状熔岩流和基性辫状熔岩流单元4种类型。酸性熔岩流单元内部纵向序列按孔隙数量和形态可分为顶部气孔带、韵律性气孔带、稀疏气孔带、致密带和底部气孔带; 基性熔岩流单元一般不发育韵律性气孔带, 其余孔隙带与酸性熔岩流单元相同。

(2) 酸性熔岩流和基性熔岩流单元顶部气孔带是主要的油气储层。酸性熔岩流单元顶部气孔带储集空间以原生气孔、溶蚀孔和基质脱玻化孔为主, 渗流通道主要为基质微裂缝; 基性熔岩流单元顶部气孔带缺少基质脱玻化孔。从熔岩流单元顶部气孔带到底部气孔带, 原生孔隙和次生孔隙的面孔率均先降低再升高。酸性熔岩流次生孔隙面孔率优于基性熔岩次生孔隙面孔率。

(3) 单层厚度薄, 交织叠置, 顶部气孔带所占比例较大的基性辫状熔岩流的储层物性最好; 空间上发育多层层状顶部气孔带的基性板状熔岩流和酸性板状熔岩流储层物性稍差。次生孔隙更加发育导致酸性板状熔岩流储层物性优于基性板状熔岩流。单层厚度大, 仅发育1层顶部气孔带的酸性熔岩穹丘相比其他3种熔岩流物性最差。