进入21世纪以来, 能源接替的压力越来越大, 寻找非常规油气藏已成为油气勘探和开发的一个新领域, 火山岩油气藏逐渐受到国内外地质学家的普遍关注^[1-3]。中国相继在松辽盆地、准噶尔盆地、三塘湖盆地和渤海湾盆地火山岩中获得重大油气发现^[4-7], 展现了良好的勘探前景。火山岩储层研究的难点表现在火山岩及火山碎屑岩储层研究(包括储层岩石学、岩相学特征, 储集空间类型及孔隙结构特征, 储层成岩作用研究)^[8-9]。火山岩储层物性影响因素复杂、地震反射特征复杂, 只有进行精细的旋回和期次划分才能明确有利储层分布规律^[10-12]。传统火山喷发旋回与期次的划分方法主要是在野外露头观察的基础上, 用于划分火山岩地层层序, 更强调对岩石成分及其分布规律^[13-14], 但难以满足火山机构详细解剖和储层精细描述的需求^[15-16]。因此，笔者综合利用岩心、钻井、测井和地震资料, 采用“旋回-期次-熔岩层系-熔岩层”四级地层划分方案，对潍北凹陷孔三段火山溢流相地层进行期次和旋回划分对比研究。

潍北凹陷位于山东省潍坊市北部, 是郯庐断裂带中段沂沭断裂带内部典型的新生代走滑拉分盆地^[17], 东以昌邑-大店断裂与鲁东隆起为界, 西以鄌郚-葛沟断裂与潍北凸起、侯镇凹陷分界, 北以古城-潍河口断层与潍北凸起分隔, 南与潍县凸起超覆接触, 平面大体呈平行四边形(图 1), 在其底部孔三段为较厚的火山岩地层, 火山口主要是沿北东向和北西向的断层呈串珠状分布, 为裂隙式喷发的产物, 火山岩喷发时期应为古新世中期和晚期, 火山岩岩性主要为中基性玄武岩。孔三段玄武岩纵向分布稳定, 呈熔岩“岩被”的形式展布于凹陷全区^[18], 后期的断陷作用促使控凹一级断层和控带二级断层继续活动, 断块活动的差异造成北部湖盆断陷和南部斜坡抬升, 同时三、四级等次级断层的发育使得火山岩分布复杂化, 形成了潍北凹陷孔三段火山岩呈北低南高的分布特点, 这种分布是多期次岩浆活动产物经冷凝作用后的叠置结果。

图 1

图 1 潍北凹陷构造格局及孔三段火山岩岩相分布 Fig.1 Tectonic framework and Ek3volcanic lithofacies distribution of Weibei Sag

董冬^[19]在解剖滨南地区火山岩时提出了“复合火山相”的概念, 并根据研究区实际, 结合国外火山学研究最新进展, 将火山锥的“复合火山相”划分3个相带, 指出中距离火山斜坡相以富气孔熔岩和非熔结火山角砾岩为主, 是储集物性最好的火山相带, 这一认识与实际生产情况吻合较好, 目前这一划分方案被广泛用于东部火山岩油气藏的研究^[20-23]。

地震反射特征和火山岩岩性分析表明潍北凹陷孔三段火山岩以熔岩为主, 且火山岩面积覆盖全区, 厚度巨大; 火山岩的反射界面为连续性较好的中强反射特征。采用“复合火山相”方法分析潍北凹陷火山口—火山通道相、火山溢流相和火山沉积相的平面分布规律。由于孔三期昌邑大店断裂活动剧烈, 鄌郚-葛沟断裂与古城-潍河口断裂活动较弱, 火山口—火山通道相主要分布于昌邑-大店断裂和柳疃断裂东部附近, 灶户断鼻带多条二级断裂发育的交汇处尤为发育(图 1), 火山岩沉积相分布在凹陷西部地区, 火山口被大规模的中基性玄武质火山溢流相包围, 广泛分布于潍北凹陷中东部地区, 从目前钻遇火山岩的57口井油气显示及测试情况看, 优质储层主要分布在火山溢流相, 将火山溢流相储层列为主要研究对象。火山溢流相具有较强的成层性, 只有对火山岩溢流期次与旋回进行准确划分和描述才能得到有利储层的分布。

潍北凹陷孔三期发生过多次火山溢流作用, 每次溢流产生的岩浆冷凝固结后形成一个溢流单元(熔岩层), 一个至若干个成因相同的熔岩层构成一个火山期次(相当于传统地层单位一个组)。期次划分需要明确期次内部熔岩层特征及组合样式。

熔岩层顶部一般具有钻时小、井径扩大、微电极表现为正幅度差、密度小、声波时差高值、补偿中子高值等特点。潍北凹陷孔店组火山岩溢流单元厚度普遍较小, 薄者约1 m, 厚者约20 m, 多数不足10 m。

前人对熔岩层岩性的垂向变化时提出了不同的划分方案^[17], 并在研究潍北凹陷溢流熔岩单元垂向结构划分方案时提出“五带结构模式”(表 1), 其中A岩相带对应于气孔含量曲线底部高值段, 是高温岩浆接触下伏潮湿地表后快速冷却而成, 通常形成有效的“气孔-裂缝型储层”, 富含油气; B岩相带分别与科、乌氏的中部带或致密熔岩带相当, 以气孔发育极少的细晶—粗晶块状致密熔岩为特征; C岩相带对应于气孔发育曲线的中上部, 对应气孔渐变过渡带; D岩相带与科、乌氏的多孔熔岩带中下部及过渡带大致相当, 该岩相带气孔发育, 具备良好的气孔-裂缝型储层潜力; E岩相带位于单元最顶部, 相当于科、乌氏的表部带, 以细小气孔发育造成的蜂窝或海绵状岩石为特征。

表 1

表 1 火山溢流相期次垂向结构划分方案对比 Table 1 Comparison of vertical structure partition scheme of volcanic effusive phase 对比项目 乌斯齐也夫 (1861) 科普切夫-德沃尔尼科夫 (1978) 董冬 (1988) 本文中研究 代表性剖面 吉维齐-弗兰期中基性熔岩流剖面 莫尼河流域基性玄武熔岩流剖面 潍北凹陷安山玄武质熔岩流 潍北凹陷溢流火山岩 分带性方案 多孔熔岩带 表部带 E带 上部亚相 (U亚相) 过渡带 D C 致密熔岩带 中部带 C 中部亚相 (M亚相) B 多孔熔岩带 下部带 A 下部亚相(L亚相)

表 1 火山溢流相期次垂向结构划分方案对比 Table 1 Comparison of vertical structure partition scheme of volcanic effusive phase

通过对孔三段上百米的玄武岩岩心观察, 发现熔岩层顶部岩石中发育较大气孔和杏仁构造, 并不存在“20~40 cm”厚的“E岩相带”; 绝大多数溢流单元的底部(即A岩相带), 气孔、杏仁并不很发育, 气孔、杏仁较集中出现的厚度也有限, 其下部风化残积泥质较丰富单元的底部也是如此, 不宜过分强调该带的石油地质意义; 部分溢流单元顶部的气孔被沸石等矿物大量充填称为杏仁, D岩相带并非只有大量“气孔”, 其石油地质意义被次生成岩作用降低。研究表明一个完整的原生熔岩流单元垂向结构实际是由上、中、下3个特征不同岩相带按次序组合而成(图 2)。

图 2

图 2 火山溢流亚相岩石结构与岩石构造对比特征 Fig.2 Rock texture and structure comparison of volcanic overflow subphase

上部亚相(U亚相)气孔和杏仁构造非常发育(图 2), 是由岩浆中挥发分向上逃逸过程中形成的, 气孔含量最高为50 %, 孔径最高为50 mm; 杏仁孔隙充填矿物主要为方解石、沸石、绿泥石、葡萄石, 具有完全充填或部分充填, 充填物与原生玄武岩存在一定的孔隙空间, 为火山岩有利储层集中段。电性特征主要表现为低电阻、低速度(高声波时差)、低密度和高中子, 说明火山溢流相上部亚相的储层孔隙比较发育(图 3)。

图 3

图 3 火山溢流亚相物性特征及测井曲线响应 Fig.3 Physical properties and log response of volcanic overflow subphase

中部亚相(M亚相)为细晶—粗晶块状致密熔岩, 气孔含量通常小于5 %, 且互相不连通(图 3), 是由熔岩流动过程中局部气窜、减压而成。局部存在薄层小气孔韵律带, 厚度为几至十几厘米, 是熔岩流动过程中局部气窜、减压形成。该亚相火山岩岩石厚度不均, 这与火山岩溢流旋回有很大的关系, 沿熔岩锥侧向, 垂向储集相模式具有明显的变化规律, 火山口—近火山口区以M亚相发育的单元为主, 中距离的火山斜坡区以M亚相不发育的单元为特征, 远火山区M亚相发育且表层发育自碎角砾。中部亚相玄武岩岩性致密, 缺少孔隙, 如无构造裂缝发育, 难以形成储层(图 3)。

下部亚相(L亚相)是岩浆接触下伏潮湿地表快速冷却而成, 气孔含量在10%~30 %, 厚度一般为几十厘米至几十米, 有的缺失这一套岩相, 这主要受溢流相旋回控制。由于火山岩常与下伏岩石或沉积物呈凸凹不平的突变接触, 同时下伏岩石遭受烘烤, 导致近火山岩底部常有轴向平行于突变面的拉长状气孔富集, 有时底部会出现熔岩角砾岩, 是地表角砾或岩浆流动时形成的自碎角砾被岩浆胶结而成(图 3)。

部分地区亚相发育并不完整(图 3), 经常缺失L亚相, 少量缺失M亚相, 这与熔岩厚度有关, 也与距离火山口距离有关, 统计认为熔岩厚度大于8 m, 亚相发育较全, 熔岩厚度小于2 m则通常只发育U亚相, 熔岩厚度在2~8 m则发育U亚相和M亚相。距离火山口越远, 气孔有充足时间逃逸, M亚相越发育, 物性相应变差。

火山岩熔岩溢流的液体成分主要为硅酸盐岩、水、CO₂和CH₄等气体, 其中水占整个组分的40%~50%, 液体在流动过程中的能量大小决定了火山溢流相旋回性特点。通过对昌1、昌36等7口井(井位见图 1)32个溢流单元的组合分析, 依据火山岩熔岩流垂向规模变化可将其划分为2种类型。

Ⅰ型熔岩层系表现为火山岩熔岩流不断向前推进。早期火山活动喷发能量较强, 在熔岩流的溢流过程中, 早期熔岩的地温和压力骤降, 熔岩流液体的水蒸气、CO₂和CH₄等大量向上逸散, 在熔岩流上部形成大量的气孔构造。熔岩流下部存在地温和压力的变化, 形成部分气孔构造和杏仁构造, 熔岩流底部亚相厚度变化较大, 横向连续性较差, 难以识别。熔岩流中部液体的温度和压力变化小, 气体主要富集在熔岩流的上部, 熔岩流中部的气孔不发育, 主要呈致密的块状构造和间隐结构。

Ⅰ型熔岩层系是由多期次熔岩流在横向上不断向前推进形成的熔岩流单元的叠加, 在测井资料上表现为由底部的高电阻至上部的低电阻的变化过程, 声波时差、中子测井、密度值为有规律的变化。Ⅰ型熔岩层系上部主要发育火山岩气孔构造, 电阻值较低, 一般介于5~30 Ω·m; 火山岩中部或下部气孔构造不发育, 电阻值相对较高, 一般为15~50 Ω·m, 最高为100 Ω·m; 火山溢流相的上部亚相是主要储层, 中、下部亚相火山岩储层相对较差, 很难储集油气。该旋回类型在深侧向和浅侧向测井上表现为由下至上呈高电阻值到低电阻值的变化过程(图 4), 火山岩储层物性由下至上呈低孔隙值到高孔隙值的变化过程。

图 4

图 4 火山溢流相熔岩层系叠置样式 Fig.4 Superimposed style of lava strata of volcanic effusive phase

Ⅱ型熔岩层系形成于火山活动的中后期, 表现为随着火山喷发时间的增加, 火山喷发能量逐渐减弱, 火山熔岩流不断向火山口方向收缩。Ⅱ型熔岩层系表现为由下至上呈低电阻值到高电阻值的变化过程, 火山岩储层由下至上呈高孔隙度到低孔隙度的变化过程(图 4)。这种现象的根本原因在于火山溢流亚相在平面上的变化, 火山喷发规模收缩造成溢流相和火山沉积相向后不断收缩, 其岩相范围与Ⅰ型层系相比发生了很大的变化, 导致Ⅱ型熔岩层系的有利储层分布于层系下部, 上部火山岩储层物性相对较差, 中部火山岩属于致密的储层。

地下高温高压的岩浆溶解了大量气体, 在岩浆喷出地表向四周溢流的过程中, 随着温度和压力急剧降低, 岩浆中溶解的气体快速向外逃逸并留下大量气孔。不同旋回类型气孔含量变化较大, Ⅰ型熔岩层系温度和压力下降较为缓慢, 气体有充足时间向上逸散, 在旋回上部形成大量气孔-杏仁构造, 玄武岩存在蚀变现象, 在旋回上部形成斑晶溶蚀孔等构造, 其上部火山岩储层物性相对较好; Ⅱ型熔岩层系温度和压力下降较快, 内部气体往往来不及向上逸散, 在旋回下部遭受冷凝封存形成气孔, 玄武岩冷凝形成柱状节理, 均匀冷凝作用在刚固结的岩石中产生垂直收缩方向的张性裂隙, 可以有效连接气孔, 其下部火山岩储层物性相对较好。

由于孔三段火山岩喷发期次间隔时间较短, 风化剥蚀作用较强烈, 缺乏可以全区对比的泥岩隔层, 火山岩内部只发育少量薄的泥岩夹层, 泥岩厚度一般为0.5~3 m, 泥岩夹层通常发育在距离火山口一定距离之处。泥岩夹层的存在表明火山喷发期次的间断, 据此可将火山喷发期次区分开来。

钻井揭示靠近深洼区火山岩颜色以灰色、灰绿色为主, 未经历明显风化, 但由于远离火山口, 泥岩夹层比较发育, 可以依据泥岩夹层的数量来确定火山岩喷发次数; 南部大部分井距离火山口较近, 泥岩夹层不发育, 但由于喷发间歇期经历了风化淋滤, 岩心观察中常见在大套的火山岩中间发育有风化残积层(红色风化面), 这也是火山岩喷发过程中存在多期间断的证据(图 5), 可以根据风化层的数量来判断火山喷发次数; 位于两者之间的过渡地带风化层和泥岩夹层均不太明显或不好识别, 但由于火山溢流相连续性较好, 可以利用连井对比剖面识别。

图 5

图 5 火山溢流相熔岩层岩心特征及测井识别(昌39井) Fig.5 Characteristic of core samples and logging identification of lava strata of volcanic effusive phase(Well Chang39)

孔三段火山岩之上为孔二段大套暗色泥岩, 火山岩之下为中生界碎屑岩, 两者相比火山岩速度要低得多, 形成T9(火山岩顶面)和Tr(火山岩底面)2个低频、强振幅反射界面(图 6)。2个界面之间主要发育火山口—火山通道相和火山溢流相, 火山通道主要呈串珠状分布在北西、北东向主要断裂带上, 地震剖面上表现为顶部T9界面强反射中断, 底部Tr界面强反射消失, 火山通道内地震反射杂乱, 两侧反射缺失; 溢流相火山岩之间夹有多套薄泥岩隔层(泥岩厚度小于2 m), 在地震剖面上难以形成连续性较强的反射层, 用其对火山溢流相旋回进行划分比较困难^[24], 旋回划分需要结合测井资料进行。

图 6

图 6 孔三段火山岩地震反射特征 Fig.6 Seismic reflection characteristic of Ek3 volcanic rocks(section position shown in fig. 1) (剖面位置见图 1)

自然伽马曲线是火山岩测井响应分析的常用指标, 伽马值主要受火山岩中K、U、Th等放射性元素含量影响, 这些元素在酸性火山岩和碱性火山岩中含量变化较大, 自然伽马曲线在区分火山岩与其他岩性或基性火山岩与酸性火山岩时效果比较理想。研究区火山岩SiO₂含量集中在48 %~52 %, 均为基性火山岩, 放射性元素含量变化不大, 导致自然伽马曲线幅度变化不大(图 5), 对熔岩层系难以区分, 需要结合其他测井曲线综合分析。

火山熔岩气孔含量剖面与测井曲线存在较好的对应关系, 声波时差、补偿中子值与气孔含量呈正相关(图 7(a)、(b)), 密度、深侧向电阻率与气孔含量呈负相关(图 7(c)、(d)), 声波时差和中子越小, 深侧向电阻率和密度值越大, 孔隙度值就越小, 说明火山岩岩石越致密(图 2); 声波时差和中子越大, 密度值越小, 深侧向电阻率越小和密度越小, 孔隙度值就越大, 说明火山岩气孔越发育, 储层储集性就越好^[25]。地层水分析表明, 潍北凹陷孔三段地层水为GaCl₂型, 矿化度约为20 000 mg/l, 对地层电性特征影响较小, 可以利用电阻率、补偿中子、声波时差和密度等测井资料对火山熔岩层系进行进一步划分并描述有利储层分布。

图 7

图 7 潍北凹陷火山岩气孔含量与测井曲线相关性分析 Fig.7 Relationship between volcanic pores content with logging curve in Weibei Sag

火山岩旋回与期次划分的重点在于火山期次界面的识别, 多种资料综合分析可提高界面识别的准确性。由于火山喷发后会遭受风化剥蚀或在水下接受沉积, 录井剖面上可见泥岩夹层或红色风化层; 界面上下气孔发育, 在测井曲线上存在比较明显的响应, 深浅侧向电阻率、声波时差和密度曲线在界面处存在突变现象, 结合录井资料和测井资料, 可以比较准确地识别期次界面, 进行旋回和期次划分。

火山岩旋回性表现在多期火山熔岩层的叠置, 构成多个Ⅰ型和Ⅱ型熔岩层系, 多个成因相同或相近的熔岩层系组成一个火山喷发期次的组合形式, 可较好地识别火山岩厚度、岩性和储层物性的变化。

例如, 昌14井3 240~3 350 m可划分为4个期次21个熔岩层(图 8(a)), 期次之间没有沉积隔层, 说明火山岩的岩浆作用繁盛。火山岩期次厚度自下而上逐渐减薄, Ⅰ型熔岩层系所占比例逐渐降低, 而Ⅱ型熔岩层系所占比例逐渐增大, U亚相所占比例逐渐减少, 表明火山活动规模逐渐降低。

图 8

图 8 单井火山岩期次划分 Fig.8 Division of of volcanic stages based on drilling data

昌15井2 700~2 824 m可划分为4个期次18个熔岩层, 每个期次由1个Ⅰ型熔岩层系和1个Ⅱ型熔岩层系构成, 由于昌15井位于洼陷带, 在旋回的地层中有火山碎屑岩, 包括玄武质泥岩和薄层的玄武岩, 反映火山熔岩流的推进和收缩的变化过程(图 8(b))。每期溢流相亚相存在变化, 火山岩储层物性也存在着变化, 结合电性特征, 可以刻画上部亚相(U亚相)和中下部亚相(M和L亚相)的分布。通过划分每个旋回的火山溢流相的亚相单元, 为多井的火山岩的旋回对比以及评价火山岩有利储层奠定基础。

鉴于溢流相火山岩在研究区大面积分布, 构成该区火山岩的主体部分, 为揭示火山岩储层, 有必要深入分析溢流单元的空间变化。孔三段沉积时期的古构造背景呈南高北低的构造格局, 非常有利于火山溢流相向洼陷带的展开。选择钻遇孔三段火山岩的15口重点探井进行旋回性对比(图 9), 在南部斜坡带可以识别出7个火山喷发期次, 由南部斜坡带向北部洼陷带, 火山喷发期次逐渐减少到4个, 火山岩存在逐步尖灭的现象, 说明南部斜坡带火山岩向北部溢流, 早期溢流规模较大, 后期逐渐减弱。昌16块受断层切割, 形成断块构造, 在构造相对的低部位, 火山岩厚度明显加厚, 而且存在下超现象, 表明火山溢流相的溢流方向, 火山口位于南部的断裂交会处。在北部洼陷带火山岩旋回性也表现出多期次旋回的特征, 其下部多旋回为Ⅰ型熔岩层系, 在火山岩顶部表现为Ⅱ型熔岩层系, 也说明火山活动在逐步减弱, 熔岩溢流范围逐渐缩小。

图 9

图 9 火山溢流相旋回南北向展布特征(剖面位置见图 1) Fig.9 Cycle distribution of volcanic effusive phase in the north-south profile(section position shown in fig. 1)

基于单井相分析和连井剖面对比, 综合利用录井、测井和地震资料对火山溢流相的7个期次规模进行精细刻画(图 10), 第一期火山岩主要分布于昌41块, 向南逐渐尖灭, 该期火山岩展布范围较小。第二期分布范围较大, 主要分布于昌41块、昌17块、昌34块、昌64块。第三期火山岩厚度中心分布于柳疃断裂带的昌36井附近, 火山岩平面的展布是一个北西向与北东东向的叠合, 这与第二期的火山岩分布有着密切的关系, 将其归为第1喷发旋回, 属于火山喷发晚期。4~7期火山岩自上而下范围不断扩大, 最早一期(第7期)基本上全区发育(图 10), 成因具有连续性, 将其归为第2喷发旋回。火山溢流相主要集中在北部和东南部地区, 北部古城-潍河口断裂前缘是火山岩厚度最大的地区, 也是裂隙式喷发的火山口集中的地区, 主要控制了火山岩喷发的第1旋回。东北部发育中心为火山岩溢流至构造低部位堆积而成; 东南部发育中心为断裂发育交织带, 为火山岩通道附近就近溢流形成, 对2个喷发旋回均有贡献。

图 10

图 10 潍北凹陷孔三段火山岩旋回分布特征 Fig.10 Distribution of Ek3 volcanic cycles in Weibei Sag

(1) 白垩纪末期—古新世在中国东部区域伸展裂陷作用下, 潍北凹陷控凹深大断裂沟通上地幔岩浆房引发岩浆喷发, 火山口主要是沿北东向和北西向的断层呈串珠状分布, 为裂隙式喷发的产物, 火山溢流相广泛分布于凹陷的中东部地区。

(2) 一期完整的火山溢流相由上、中、下3个特征不同的岩相带按次序组合而成, 上部亚相和下部亚相火山岩储层气孔比较发育, 是有利的储集相带。依据火山岩熔岩流规模变化可将溢流相旋回划分为Ⅰ型熔岩层系(扩张型)和Ⅱ型熔岩层系(收缩型)两种类型, Ⅰ型熔岩层系有利储层分布在旋回上部, Ⅱ型熔岩层系有利储层分布在旋回下部。

(3) 孔三段火山岩自上而下可划分为2个喷发旋回7个期次, 其中1~3期规模较小, 仅分布在凹陷南部地区, 4~7期自南到北发育比较完全, 说明火山活动逐步减弱, 熔岩溢流范围逐渐缩小。