0 前言

在油气勘探过程中，油气储层研究对象主要为碎屑岩、碳酸盐岩，而对火山岩的研究相对较少^[1-2]。火山岩油气藏的偶然发现并未引起人们的重视，随着火山岩油气藏不断地被发现，火山岩作为油气储层越来越受到人们的关注，尤其是美国、日本和澳大利亚等相继发现大型火山岩油气藏以来，火山岩油气藏勘探逐渐成为油气勘探的新领域^[3-5]。20世纪50年代以来，中国先后在准噶尔盆地、塔里木盆地、四川盆地、松辽盆地、辽河盆地东部凹陷、黄骅坳陷及渤海湾盆地等多个盆地发现了火山岩油气藏^[6-15]，这些火山岩油气藏分布于古生代到新生代的多套层系中，形成了东、西部两大火山岩油气区，新增探明油气地质储量超亿吨，展示了中国火山岩储层具有广阔的勘探前景^[16-18]。资料统计表明，全球火山岩油气藏中约50%的油气产自中基性火山岩储层中^[5]，中国火山岩油气藏也多形成于新生界和古生界的中基性火山岩储层中，充分说明中基性火山岩是优良储集体^{[1, 10]}。

渤海湾盆地潍北凹陷位于山东省潍坊市境内，为昌潍坳陷东北部的一个裂谷断陷盆地。该区油气勘探始于20世纪70年代，钻井揭示新生界孔三段沉积了数百米至千余米的中基性火山喷出岩；孔二段为湖相暗色沉积，是凹陷主要的生储盖层系；孔一段为棕红色砂岩与紫红色泥岩不等厚互层，顶部发育有膏泥岩及薄层石膏。一直以来，凹陷油气勘探主要目的层是孔二段及其以上的沉积地层^[19-25]，随着钻遇孔三段中基性火山岩并见到油气显示的井的增加，孔三段中基性火山岩油气藏引起了广泛的关注。从1972年钻探昌参1井开始，该区已累计完钻探井118口井，已有59口探井钻遇或钻穿孔三段中基性火山岩，14口井中见到不同级别的油气显示，其中昌36井、81井、39井试油(中途测试)获得油流，折算日产油分别为4.64、7.07和9.889 t，显示出区内中基性火山岩油气勘探具有良好前景。前人对潍北凹陷孔三段中基性火山岩也进行了一些研究，其中李晓清等^[19]分析了潍北盆地火山岩形成机理、大地构造背景和时空分布；董东^[20]对中基性火山岩的孔隙发育规律进行了研究。但是有关储层空间类型、物性特征和储层发育控制因素等方面研究较少，对该区中基性火山岩储层特征认识仍需进一步深化。与碎屑岩和碳酸盐岩储层相比较而言，火山岩储层是一类更加复杂的储层，对其 研究是火山岩油气藏勘探的关键环节。因此，有必要深入研究潍北凹陷孔三段中基性火山岩储层特征及影响因素，进而探索储层发育规律，为下一步工作提供理论基础和勘探依据。

1 基本地质概况

潍北凹陷是沂沭断裂带内的一个小型新生代走滑拉分盆地，其平面上呈菱形，为东西双断、北断南超的箕状构造。凹陷东部以昌邑—大店断裂为界与鲁东隆起相邻，西部为鄌郚—葛沟断裂，北部以古城—潍河口断层为界，与潍北凸起相接，南部与潍县凸起相连，勘探面积约880 km²(图 1)。凹陷内部次级构造单元包括瓦城断阶带、灶户断鼻带、北部洼陷带和南部斜坡带(图 1)。潍北凹陷自下而上发育白垩系王氏组，古近系孔店组和沙四段，新近系馆陶组、明化镇组和第四系平原组六套地层，其中孔店组可划分为孔一、孔二和孔三段^[19]。孔二段上亚段和孔三段发育有中基性火山岩；孔二段上亚段火山岩分布范围小，厚度薄，呈局部展布的特点；孔三段沉积时期岩浆活动频繁，火山岩凹陷全区分布，具有多期次叠置、累积厚度大的特点。综合分析区内断裂展布特征和火山岩厚度分布情况，孔三段中基性火山岩分布受控凹深大断裂和古地形共同影响，凹陷北部和东南部为巨厚火山岩分布区，最大厚度可达1 000 m。

2 火山岩特征

根据SiO₂质量分数，将火山岩划分为基性岩类、中性岩类、酸性岩类和碱性岩类^[26]。潍北凹陷孔三段火山岩化学成分分析结果表明，火山岩SiO₂质量分数为50.31%～53.24%，贫碱，K₂O+Na₂O质量分数为3.00%～6.18% ^[19]。在火山岩化学成分TAS分类图解中显示为中基性火山岩，包括安山岩、安山玄武岩和玄武岩，以玄武岩为主。岩心观察、岩石薄片鉴定结果表明，潍北凹陷孔三段火山岩可分为中基性火山熔岩和火山碎屑岩两大类。中基性火山熔岩十分发育，统计6口钻穿孔三段井中岩性分布情况，中基性火山熔岩达70%～98%，受风化淋滤和成岩作用改造，各类岩石差异性不明显，利用岩心和测井资料难以精确识别。火山碎屑岩比例极小，为火山角砾岩。因此，研究区中基性火山岩是主要研究对象(图 2)。

玄武岩以深灰色到灰黑色为主，致密块状。主要以斜长石为主，其间分布玻璃质及少量辉石。具斑状构造、间粒构造和间粒间隐结构等，岩石斑晶成分主要为斜长石，次为辉石。基质为玻基交织结构，以块状构造、气孔构造、杏仁构造为主。杏仁充填矿物主要为方解石、沸石和绿泥石等。玄武岩存在蚀变现象，斜长石发生绿泥石化，发育长石、斑晶溶蚀孔。玄武岩是孔三段分布最为广泛的火山岩。安山岩以灰色、浅灰色为主，主要矿物成分为斜长石和粒状辉石，具交织结构。次要矿物包括磁铁矿、榍石和绿帘石。杏仁状构造，杏仁体成分为绿泥石，体积分数为6%左右，杏仁形状不规则。火山角砾岩呈褐红色，角砾粒径为5～25 mm，体积分数为60%以上。

3 储集空间类型

火山岩储层的储集空间主要由孔、缝、洞等组成，与沉积岩储层相比，火山岩储集空间更加复杂，具有非均质性强、物性变化大的特征^[25]。通过对潍北凹陷孔三段中基性火山岩岩心和岩石薄片观察分析，将中基性火山岩储集空间类型分为孔隙和裂缝两大类。孔隙包括原生孔隙和次生孔隙。原生孔隙包括原生气孔、杏仁体内孔等(图 3a-d)。原生气孔是熔浆喷发与冷凝过程中由岩浆气体挥发和下伏岩石的蒸汽流所造成的，形状多样，可见圆形、椭圆形、爪状、树枝状、管状及不规则状。原生气孔直径1～2 mm，长度2～10 mm，多呈孤立状，含量变化较大，气孔最高体积分数可达40%，甚至更高^[20]。杏仁体内孔是原生气孔未被后期矿物充填所残留的原生孔隙，充填物质包括沸石、绿泥石、方解石、风化黏土和沥青质等，充填程度变化较大，部分原生孔被矿物完全充填。本区火山岩结晶程度高，发育粗晶构造，晶间、晶内孔隙发育，孔隙为30～60 μm。次生孔隙包括基质溶蚀孔、斑晶溶蚀孔和杏仁体溶蚀孔等(图 3e-g)。次生孔隙主要为火山岩受到风化、淋滤或者热液作用所形成的次生孔隙。如斑晶或基质中的矿物部分或全部被溶蚀而留下的孔隙；杏仁体内的碳酸盐等矿物被溶蚀而形成的孔隙等。火山岩储层中晶间、晶内孔、基质溶蚀孔和斑晶溶蚀孔较为发育，但是发育程度远不及原生气孔、杏仁体内孔和杏仁体溶蚀孔。

裂缝包括原生裂缝和次生裂缝。原生裂缝包括节理缝、冷凝收缩缝。次生裂缝包括构造缝、风化缝和溶蚀缝等(图 3h-l)。次生裂缝发育广泛，原生裂缝发育程度相对较低。构造缝具有平直的特征，裂面存在镜面或擦痕，裂缝呈开启，宽度小于0.1 mm，延伸较长，具有方向性。溶蚀缝呈网状分布，缝面不规则，延伸相对较短，几到十几厘米，能够沟通不同类型的孔隙，对提高火山岩储层物性非常重要。部分裂缝受到方解石、沸石、泥质和沥青等物质不同程度的充填(图 3i，k，l)。

4 火山岩岩相特征

根据火山物质的喷发、搬运方式、岩性、组构等特征，可将火山岩相划分为溢流相、爆发相、火山沉积相和火山通道相等类型^[6-10]。通过岩心、测井、地震等综合分析，潍北地区孔三段中基性火山岩相类型主要是溢流相、火山通道相、火山沉积相。溢流相分布最广泛，其次是火山沉积相，两者可以通过岩心、测井、地震资料识别，岩心中未见火山口相、火山岩通道相，主要通过地震资料来进行识别。

4.1 溢流相

溢流相广泛发育于潍北凹陷孔三段中，岩石类型以玄武岩为主，具有平面分布稳定、单层厚度和累积厚度大的特征。如昌11井火山岩地层厚度89.9 m，其中玄武岩厚度73.9 m；昌41井孔三段火山岩地层全部为玄武岩，厚度达140.0 m。溢流相火山岩的自然伽马曲线表现为低值、深浅侧向电阻率曲线表现为高阻、声波时差曲线表现为低值和密度曲线表现为高值的特征(图 4)。在地震剖面上，溢流相表现为强振幅、低频，连续性和稳定性好，延伸远，具有明显的双轨特征(图 5)。潍北凹陷孔三段中基性火山岩富含气孔，为多期喷出熔岩流垂向叠加，按照气孔的发育程度，每一期火山岩垂向上可分为3个亚相。

4.1.1 上部亚相

位于相带顶部，原生气孔体积分数高，最大可达40%，孔径一般介于0.5～50.0 mm；发育气孔构造和杏仁构造，充填矿物包括沸石、方解石、绿泥石等，充填方式包括完全充填或部分充填，充填矿物与原生玄武岩间常存在孔隙空间。

4.1.2 中部亚相

通常位于相带中部，致密块状细晶粗晶岩石，原生气孔体积分数低，多小于5%，孤立状分布，气孔多呈近直立状态。该带偶见局部小气孔薄层带。该亚相火山岩岩石厚度差别较大，明显受火山岩溢流旋回控制。

4.1.3 下部亚相

位于相带底部，为隐晶玻璃质结构，气孔体积分数介于10%～20%，气孔多呈爪状、树枝状、管状或条带状，可见定向拉长状气孔富集，常发育冷凝收缩缝。

4.2 火山通道相

火山通道相主要由熔岩和火山碎屑物质及通道壁的岩石崩落而成的碎屑充填火山通道而成。裂隙式火山通道相的岩石常呈岩墙状产出；中心式火山通道相的岩石常呈岩颈产出。火山颈产状陡直、形态细长、横切面近圆形。火山颈上部，通常直径较大，下部较小，呈喇叭口状^[26]。火山通道地震相表现在剖面上呈圆筒状或是上宽下窄的漏斗状，火山通道内地震反射杂乱，两侧反射缺失。目前研究区没有井钻遇火山口和火山通道相火山岩，对其识别主要是通过地震资料进行识别。从通过地震剖面分析可知，火山通道相主要发育于断裂的交汇处，地震剖面上表现强反射中断，具有明显下凹，呈现弧底的特征；在火山通道的顶部形成火山口，地震剖面上表现为反射波组的明显下凹，内部反射具有断续、杂乱的特征(图 6)。

4.3 火山沉积相

火山沉积相为火山喷发和正常沉积作用相互叠加的产物，可发生在火山作用的整个过程，在火山作用的低潮期—间隙期尤为发育，可形成于陆地、浅湖或深湖等环境^[26]。潍北凹陷孔三段火山沉积相岩石类型可为灰色玄武岩与深灰色、灰色的湖相泥岩组合，也可为杂色玄武岩与红色、深灰色泥岩组合，具有单层厚度较小、多期次叠置的特征。火山沉积相火山岩的深浅侧向电阻率曲线表现为低值，声波时差曲线表现高值，补偿密度曲线表现为高值(图 4)。在地震剖面上表现为连续或断续的中强弱反射特征。

5 火山岩储层主控因素

火山岩储集空间的形成、发展、堵塞和再形成孔、洞的复杂过程受诸多因素的控制^[28]。通过对潍北凹陷孔三段中基性火山岩的研究认为，储集空间的控制因素主要有火山岩岩相、构造活动、风化淋滤作用以及矿物充填作用等，岩相是储集空间形成的物质基础；构造活动和风化淋滤作用产生的次生裂缝能够有效的连通相互独立的孔隙，提高火山岩的孔隙度和渗透率；热液和地下水活动的矿物充填作用对储集物性起到破坏作用，尤其是对裂缝的充填作用，极大的降低了火山岩对油气的渗流能力。

5.1 岩相

岩相直接影响火山岩储集空间的发育程度。潍北凹陷孔三段火山岩以中基性熔岩为主，岩石的黏度低、流动性好和固结速度慢，在喷出地表时会因挥发组分的逃逸而形成大量的原生气孔；在火山岩冷却成岩后，在构造运动和风化淋滤的作用下，次生孔缝发育，具有气孔、裂缝双重介质孔隙类型特点，同时储层具有较强的非均质性。岩心测试数据可知，中基性火山岩岩性孔隙度差别不大、渗透率存在差别，可能与后期构造、风化淋滤作用改造有关。不同火山岩相带的储集空间类型存在较大的差异。潍北凹陷孔三段中基性火山岩溢流相储集空间类型多，原生孔隙和次生裂缝十分发育，孔隙度为0.30%～38.10%，渗透率为0.03×10³～231.29×10³ μm²(表 1)。火山沉积相中泥岩层发育，后期遭受强烈的压实作用、成岩作用，储层储集物性较差，孔隙度为0.10%～11.00%，渗透率为0.10×10³～6.30×10³ μm²，喷溢相储层物性好于火山沉积相。

溢流相不同亚相物性存在较大差别。下部亚相为岩浆流经地表快速冷却形成，原生气孔孔隙度为10%～20%，厚度2 m左右，受地表起伏影响较大。当发育气孔收缩冷凝缝时，可形成有效的气孔裂缝型储层。中部亚相致密熔岩原生气孔孔隙度一般小于5%，厚度3～4 m，气孔呈孤立分布，呈近直立溢管状。由于岩性致密，若无构造裂缝沟通难以形成有效储层。上部亚相是熔岩流单元中最重要的储层物性发育段。该亚相下部为原生气孔渐变过渡带，气孔体积分数由5%～10%渐增至30%～40%，该亚相中部原生气孔体积分数一般为30%～40%，上部以细小气孔发育为特征，原生气孔体积分数极其发育，厚度2～4 m。溢流相上部亚相在构造裂缝、风化裂缝沟通后，储层储集物性最好且所占比重较高，研究区最重要的油气储集层。

5.2 构造活动

构造活动控制了火山活动和火山岩的平面分布，断层和裂缝对储层物性的改善和提高具有重要的影响。潍北凹陷中基性火山岩为裂隙式喷发，火山口沿深大断裂带分布。这些断裂不但控制火山岩的分布和构造圈闭的形成，而且控制着火山岩储层发育，尤其是断层两侧火山岩储层物性的发育。潍北凹陷为典型的走滑拉分盆地^[22-23]，盆地形成和演化受郯庐断裂带活动的影响，孔三段沉积时期，区域构造应力由左旋走滑转变为右旋走滑，盆地开始拉分断陷，发育高角度边界正断层，盆地内发育NE和NW向两组断层，火山活动强烈。孔三段沉积末期，在走滑背景的挤压活动作用下，盆地南部抬升并遭受剥蚀；孔二段—沙四段沉积时期，盆地在右行走滑的作用下持续沉降，以水平伸展活动为主，正断层集中分布于瓦城断阶带和灶户断鼻带；沙四段沉积之后再次发生了走滑背景下的挤压活动。在复杂的构造应力作用下，盆地内形成了多种构造样式，走滑构造样式以花状构造为主，伸张构造样式包括“Y”字型、座椅状、帚状断层、反向屋脊及雁列断层组合等；平面上构造样式组合以雁行式和平行排列、“X”字型等组合样式为主。多期次的构造活动和复杂的构造样式形成的构造裂缝改善了火山岩储层(图 7)。柳疃断层、柳南断层和西利渔北断层等从孔三段沉积期到孔一段沉积末期持续活动，断层活动强度大、平面延伸距离远，影响范围广。如柳疃断层长达30 km以上，断层落差大，断距在100～800 m，呈现西部断距大东部断距小的特征。在控凹、控带断层持续活动的同时伴生大量的三、四级断层，不同强度的断层活动对火山岩破碎产生积极的作用。构造活动产生的裂缝对于储层物性的改善和提高具有重要的影响：一方面裂缝本身就是有效孔隙；另一方面火山岩岩体形成之后，原生气孔多为孤立或连通性很差，裂缝能够连通多个相互独立的气孔，裂缝的发育起到了改善火山岩储集性的作用(图 3i-k)。此外，裂缝也是溶蚀流体进入储层的优势通道，有利于溶蚀作用的发生，促进溶蚀孔缝的发育，在岩心薄片中能够发现大量沿裂缝发育的溶蚀现象(图 3h)。通过分析火山岩储层物性与断层的关系可知，孔隙度和渗透率高的火山岩储层集中在断裂发育带，大断层(断距大于150 m)对火山岩储层渗透率的影响范围达到1.5 km，小断层(断距小于150 m)对火山岩储层的影响范围约为0.6 km。从 钻探情况来看，目前油气显示井全部位于断裂发育带；从产量来看，距断层越近，产量越高，如昌36井、81井控藏断层断距均为200 m，昌36井距断层约100 m，火山岩顶部平均渗透率为130.00×10³ μm²，昌81井位于断层附近，火山岩顶部平均渗透率为471.18×10³ μm²，两口井产油分别为4.64和7.07 t/d，表明火山岩储层距离断层越近，储集物性越好；离断层越远，储集物性变得越差。因此，预测火山岩裂缝发育带，是潍北凹陷孔三段中基性火山岩油气勘探的关键。

5.3 风化淋滤作用

风化淋滤作用对火山岩储层物性的改善影响极大。在火山岩喷发间歇或结束后，暴露于地表的火山岩遭受到不同程度的剥蚀和风化淋滤等作用，火山岩顶面会发生破碎、溶蚀、蚀变、矿物黏土化等作用。在风化淋滤的作用下，岩石中的K⁺、Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺等离子首先被析出，随着风化淋滤作用强度的增加，K₂O、Na₂O、CaO和MgO等矿物也逐渐减少，甚至SiO₂等矿物也有少量迁出^[6]。风化淋滤作用使得致密的火山岩岩石中易蚀变矿物经溶解或水解作用后产生大量的次生孔隙。同时，风化裂缝也大量产生，形成不规则的网脉状裂缝体系(图 3l)。风化孔洞缝发育段的形成提高了火山岩储层的储集空间，成为有效油气储集段。位于中下部的火山岩，在岩浆喷发溢流冷凝成岩过程中就被后期岩浆覆盖，接触空气和水的机会较少，风化淋滤作用很弱，火山岩的岩石结构和岩石构造后期变化较小，火山岩储层物性相对较差。对于纵向上多期次叠加的火山岩，每一期火山岩的顶部都会经历风化淋滤作用，其发育程度与火山岩暴露地表时间的长短有关，火山岩储集物性随着风化淋滤作用的强度得到明显的提高。潍北凹陷孔三段沉积时期火山活动整体为一次大的喷发旋回，其中包括多次喷发间断。在喷发间断期，火山岩顶部风化溶蚀现象十分明显。在孔三段火山岩喷发结束后到火山岩整体被孔二段沉积覆盖之前，地层顶部遭受了长时间的风化淋滤和剥蚀作用，产生了大量的溶蚀孔、洞、缝。孔、洞、缝彼此连通使火山岩顶部形成了储层发育带。统计表明，埋藏深度对火山储层物性影响不大，风化淋滤作用对火山岩顶部储层物性明显改善(图 8)。

构造演化史和断层活动性表明，孔三段沉积时期，在区域走滑伸展的作用下，北部边界断层开始活动；孔三段沉积后期，在相对挤压的构造应力下，盆地南部明显抬升遭受剥蚀，形成了南高北低的基本盆地形态。孔二段沉积时期，北部边界断层持续强烈活动，盆地北部快速沉降，形成了北断南超的构造形态^[20-21]。在孔二段逐渐上超覆盖火山岩之前，盆地始终保持北洼南坡，南部广大地区处于构造高部位，暴露地表时间长，经历了长期的风化作用，尤其是火山岩顶部风化作用最为强烈。北部深洼为构造低部位，处于浅湖—深湖沉积环境，风化作用较弱或没有发生。孔三段火山岩普遍经历不同程度的风化淋滤作用，风化带的岩石一般比较破碎松散、发育矿物蚀变和风化裂缝，具有氧化色和风化壳滞积层。通过火山岩岩心颜色能够较好地识别火山岩风化作用的强度，风化淋滤作用中强强，火山岩岩石颜色为灰红色、紫红色和黑红色；风化淋滤作用弱，火山岩的岩石颜色为灰绿色；未发生淋滤作用，火山岩的岩石颜色为深灰色和灰黑色(图 9)。平面上，从南部斜坡带到北部洼陷带，依次发育强风化带、中强风化带、弱风化作用带和未风化作用带。纵向上，风化作用由上向下逐步减弱，在火山岩顶部风化作用最强；在火山岩下部受上覆地层的遮挡，其风化作用较弱或者无风化作用(图 8，9)，距火山顶面相同距离，风化作用强烈的火山岩储层物性好于风化作用弱或未遭受风化作用的储层。

5.4 矿物充填作用

矿物充填作用主要破坏火山岩储层的有效性，当矿物充填在裂缝中时，火山岩储层的渗透性会遭到极大的破坏，火山岩储层有效性降低十分明显。潍北凹陷孔三段中基性火山岩的孔隙和裂缝中普遍发育矿物充填作用，岩心观察表明，充填程度包括全充填、部分充填和膜状充填。充填气孔的物质主要为浊沸石、绿泥石、方解石等矿物，具有二期或多期充填的特征(图 10)。

浊沸石或方解石等矿物遇到酸性流体会发生熔蚀现象，形成溶蚀孔隙，在一定程度上提高了火山岩储层的储集空间。在成岩作用后期，富含羧酸、有机酸性的地层流体和大量油气通过裂缝、不整合面等疏导体系进入火山岩体中，能够溶蚀火山岩中的硅铝酸岩和铁镁硅酸岩等造岩矿物、浊沸石以及方解石等充填矿物，形成次生溶蚀孔缝，扩大了火山岩储层的储集空间，提高火山岩储层的储集性能。总体来说，矿物充填作用对火山岩储层的破坏作用远远大于后期矿物溶蚀给火山岩储层储集性带来的提高。

6 结语

潍北凹陷孔三段中基性火山岩为裂隙式喷发，由多期次喷发叠置形成，累积厚度大、分布范围广。岩相主要有溢流相、火山沉积相、火山口相、火山通道相。溢流相分布最广泛，其次是火山沉积相；溢流相、火山沉积相能够通过岩心、测井和地震资料识别，岩心中未见火山口相、火山岩通道相，主要通过地震资料来进行识别。储层为孔隙-裂缝双重介质型，储集空间以原生孔隙和次生裂缝为主，裂缝发育程度影响着火山岩储层储集和渗流油气的能力。潍北凹陷孔三段火山岩储集层物性受火山岩的岩相、构造活动、风化淋滤和矿物充填等因素控制，其中构造活动是最重要的控制因素，原生孔隙和裂缝叠合发育的区域是油气勘探的重点目标。

目前潍北凹陷孔三段中基性火山岩勘探程度较低，虽然已有多口井钻遇或钻穿孔三段，但是仅有少数井获得不同级别的油气显示。对该段火山岩有利储层发育区、油气成藏条件、运聚机理等相关地质认识仍然需要进一步探索。