2. 中国石油辽河油田公司勘探开发研究院, 辽宁 盘锦 124010
2. Research Institute of Exploration and Development, PetroChina Liaohe Oilfield Company, Panjin 124010, Liaoning, China
0 引言
火山岩相是指火山活动环境及其作用后产物的组合形式,是火山喷发物质的喷发类型、搬运方式、成岩过程以及就位环境的综合反映[1-2];火山岩油气藏的储集性能主要受火山构造及岩相的控制,与火山岩性无直接关系[3]。目前,辽河东部凹陷主要利用岩心、岩屑以及地震资料划分岩相,但由于岩心成本高、而岩屑和地震资料划分精度较低,因此利用丰富的测井资料划分岩相是十分必要的。测井资料是储层岩性、岩相和物性等的综合反映[4],是油气勘探开发的重要手段。因此,研究火山岩相与测井响应关系,可以更有效地指示火山岩油气藏的勘探与开发。目前,火山岩相-测井响应的研究主要集中在酸性火山岩[5],而中基性火山岩相研究较少。与酸性火山岩相比,中基性火山岩从矿物成分、岩石结构和构造等方面均有很大不同,从而使测井响应特征存在较大差异。本文对不同岩相/亚相的测井资料进行了分析归纳,并讨论了岩相和有效储层的分布规律,分别建立了不同岩相/亚相与测井响应的关系,以期为东部凹陷火山岩相的测井识别提供理论依据,也为油气藏的进一步解释提供帮助。
1 东部凹陷火山岩相特征辽河坳陷属于渤海湾裂谷盆地的一部分,是在郯庐断裂活动和上地幔隆升双重作用下发育的主动裂谷坳陷;辽河坳陷位于郯庐断裂带上,构造运动频繁、断裂活动强烈,频繁的火山活动及广泛的火山岩分布构成了辽河坳陷的地质特色[6-9]。受郯庐断裂的影响,新生代以来,东部凹陷间断发生了6次构造运动,且均伴随强度不等的火山喷发活动,致使火山岩广泛发育,岩性以玄武岩、粗面岩为主[10-13]。根据钻井岩心和岩屑等资料,将辽河东部凹陷新生界火山岩划分为火山通道相、爆发相、溢流相、侵出相、火山沉积相5种类型,进一步细分为14种亚相(图 1)。
1.1 火山通道相(Ⅰ)火山通道相涵盖自岩浆房之上至火山口(或火山锥)之下的整个岩浆导运系统中形成和保存的火山岩堆积体和超浅成侵入体。可分为3类亚相。
火山颈亚相(Ⅰ1),岩性特征为玄武质/粗面质熔岩、火山碎屑岩和火山碎屑熔岩多种岩石混杂,岩心典型特征为类似混凝土的“堆砌结构”,环状、柱状、节理状构造;储层空间类型为粒间孔、收缩缝和构造缝(图 1a)。
次火山岩亚相(Ⅰ2),岩性为次火山岩(玢岩和斑岩等),斑状结构至全晶质不等粒结构,冷凝边构造,流面、流线构造,柱状、板状节理,岩心较为致密;储集空间不发育(图 1b)。
隐爆角砾岩亚相(Ⅰ3),岩性主要为玄武质/粗面质隐爆角砾岩,隐爆角砾结构,锯齿状拼合构造,隐爆缝发育,且多被岩汁充填(图 1c)。
1.2 爆发相(Ⅱ)爆发相主要分布于沙河街组三段和一段中,以粗面质岩石为主,玄武质岩石次之。可分为3类亚相。
空落亚相(Ⅱ1),主要构成岩石类型为含塑性和刚性岩块火山碎屑岩,凝灰及角砾/集块结构,岩心上可见大量火山碎屑;储层空间类型主要为溶蚀孔(图 1d)。
热基浪亚相(Ⅱ2),主要构成岩石类型为玄武质岩屑/晶屑凝灰岩、粗面质岩屑/晶屑凝灰岩,岩屑/晶屑凝灰结构,分选中等,岩石含有火山岩角砾;储层空间类型主要为粒间孔、溶蚀孔(图 1e)。
火山碎屑流亚相(Ⅱ3),主要构成岩性为以棱角状-次棱角状粗粒火山碎屑物为主的火山碎屑岩及火山碎屑熔岩,火山碎屑结构、熔结结构,分选较差,岩心有角砾存在,溶蚀孔发育;储层空间类型以粒间孔和溶蚀孔为主(图 1f)。
1.3 溢流相(Ⅲ)溢流相是研究区最为发育的火山岩相,各个地层均有分布,以玄武岩为主,粗面岩次之。可分为3类亚相。
玻质碎屑岩亚相(Ⅲ1),主要岩性为角砾化玄武岩和玄武质角砾熔岩,淬碎角砾结构、玻璃质结构,角砾状构造,岩心上可以观察到大量的火山玻璃;储层空间类型主要为砾间缝、溶蚀缝和构造缝(图 1g)。
板状熔岩流亚相(Ⅲ2),主要岩性为致密玄武岩、粗面岩,间粒结构,块状构造;储层空间类型为收缩缝和构造缝,岩心上可见构造缝发育(图 1h)。
复合熔岩流亚相(Ⅲ3),发育岩性为气孔-杏仁玄武岩、枕状玄武岩,斑状结构、间隐结构,气孔-杏仁构造、枕状构造,岩心上可见气孔带和致密带交替出现;储层空间类型为气孔、溶蚀孔和收缩缝(图 1i)。
1.4 侵出相(Ⅳ)侵出相主要分布在沙河街组三段中亚段,其构成岩性为粗面质岩石,包括粗面岩、角砾化粗面岩、粗面质角砾/集块熔岩、粗面质角砾/集块岩等。可分为3类亚相。
内带亚相(Ⅳ1),发育岩性为块状粗面岩,粗面结构、多斑结构、碎斑结构、聚斑结构,块状构造,薄片照片上可见聚斑结构(图 1j)。
中带亚相(Ⅳ2),发育岩性为玻璃质粗面岩和微晶粗面岩,玻璃质结构,块状构造,可见钾长石斑晶,微晶结构;储层空间类型为溶蚀孔、收缩缝(图 1k)。
外带亚相(Ⅳ3),发育代表岩性为粗面质角砾熔岩和角砾化粗面岩,淬碎角砾结构或自碎角砾结构,岩心上可见构造缝发育;储层空间类型包含溶蚀孔、砾间缝、溶蚀缝(图 1l)。
1.5 火山沉积相(Ⅴ)火山沉积相与火山岩共生,可出现在火山活动的各个时期,平面分布范围广、远大于其他火山岩。可分为2类亚相。
含外碎屑火山沉积亚相(Ⅴ1),研究区内主要发育岩性为凝灰质泥岩、凝灰质砂岩和凝灰质砾岩,火山碎屑体积分数为10%~50%,碎屑结构,层理构造,岩心上可以观察到大量的外碎屑;储层空间类型为粒间孔、溶蚀孔(图 1m)。
再搬运火山碎屑沉积亚相(Ⅴ2),代表岩性为沉火山角砾岩和沉凝灰岩,沉火山碎屑结构,层理构造,岩心上可见水平层理;储层空间类型为粒间孔、溶蚀孔(图 1n)。
2 火山岩相测井响应特征及其机理东部凹陷火山岩主要为中基性火山岩,本文主要选取自然伽马(GR)、双侧向电阻率(R)、密度(DEN)、补偿中子(CNL)和声波时差(AC)对中基性火山岩相进行识别(表 1)。不同的火山岩相之间,成分、内部结构和构造特征不同,在测井曲线上主要表现为测井参数值不同(表 2),以及整体曲线的不同变化幅度、不同形态特征、不同顶底接触关系和光滑程度等。根据它们的这些特征可以较好地对火山岩相进行分类识别,但因为常规测井曲线对火山岩相的结构和构造特征反映较弱,而电成像测井可以更直接地反映不同岩相之间的宏观结构和构造特征,因此将两者结合更能有效地划分火山岩相[14-17]。
GR/API | R/(Ω·m) | DEN/(g·cm-3) | AC/(μs·ft-1) | CNL/% | |
低 | <60 | <20 | <2.4 | <60 | <20 |
中 | 60~120 | 20~100 | 2.4~2.7 | 60~80 | 20~40 |
中高 | 100~300 | ||||
高 | >120 | >300 | >2.7 | >80 | >40 |
注:英尺(ft)为非法定计量单位,1 ft=0.304 8 m,下同。 |
相 | 亚相 | 岩性 | GR/ API | R/ (Ω·m) | AC/ (μs·ft-1) | DEN/ (g·cm-3) | CNL/ % |
火 山 通 道 相 | 隐爆角砾岩 | 粗面质隐爆角砾岩 | 163 | 2 930 | 58 | 2.47 | 8 |
玄武质隐爆角砾岩 | 51 | 10 | 75 | 2.45 | 33 | ||
次火山岩 | 玄武岩 | 88 | 452 | 61 | 2.50 | 19 | |
粗面岩 | 175 | 930 | 60 | 2.50 | 9 | ||
火山颈 | 玄武质角砾岩 | 45 | 11 | 68 | 2.61 | 28 | |
粗面质角砾岩 | 142 | 16 | 74 | 2.45 | 13 | ||
爆 发 相 | 火山碎屑流 | 粗面质角砾岩、角砾熔岩 | 123 | 50 | 71 | 2.41 | 14 |
玄武质角砾岩 | 48 | 19 | 76 | 2.58 | 27 | ||
热基浪 | 玄武质凝灰岩 | 37 | 4 | 78 | 2.20 | 25 | |
粗面质凝灰岩 | 102 | 42 | 67 | 2.54 | 12 | ||
空落 | 玄武质凝灰岩 | 44 | 6 | 75 | 2.48 | 32 | |
溢 流 相 | 复合熔岩流 | 蚀变玄武岩 | 39 | 6 | 70 | 2.56 | 30 |
板状熔岩流 | 蚀变玄武岩 | 39 | 9 | 67 | 2.72 | 26 | |
粗面岩 | 107 | 67 | 65 | 2.46 | 15 | ||
玻质碎屑岩 | 玄武岩 | 40 | 5 | 81 | 2.37 | 41 | |
侵 出 相 | 外带 | 粗面岩 | 115 | 31 | 74 | 2.32 | 23 |
中带 | 粗面岩 | 144 | 159 | 66 | 2.48 | 9 | |
内带 | 粗面岩 | 145 | 594 | 57 | 2.52 | 6 | |
火山 沉积相 | 再搬运火山碎屑 | 粗面质沉凝灰岩 | 107 | 4 | 79 | 2.55 | 32 |
玄武质沉凝灰岩 | 59 | 5 | 86 | 2.58 | 26 | ||
含外碎屑 | 凝灰质砂岩、泥岩 | 90 | 7 | 78 | 2.60 | 29 |
火山通道相和爆发相两者均主要由火山碎屑岩组成,成分相对均一,仅是碎屑粒级的不同,常规测井曲线特征没有明显的差别,因此均作为爆发相识别。
2.1.1 火山碎屑流亚相测井曲线特征:火山碎屑流亚相整体显示箱形、微齿化近平滑曲线的低中R、CNL、DEN,中AC的典型特征(图 2),其岩层顶底端多为突变接触。
成像特征:成像图(图 2)显示火山碎屑流亚相火山角砾发育,角砾之间的粒间缝以及角砾上溶蚀孔发育,角砾与角砾之间具有明显的“焊接”特征。
测井响应机理:火山碎屑流亚相火山岩由棱角状-次棱角状火山碎屑岩组成,因此角砾之间呈明显的“焊接”特征,粒间孔隙较为发育;相互连通粒间孔隙使得后期溶蚀改造更为容易,因而溶蚀孔也较为发育。由于粒间孔隙的相互连通以及溶蚀孔的发育,所以三孔隙曲线CNL、DEN、AC主要呈中低值特征;火山碎屑流亚相火山碎屑岩均由单一成分的岩石组成,纵向上仅为碎屑粒级的差别,内部结构和构造相对一致,因此其曲线通常呈微齿—近平滑的形态;顶底端与围岩突变接触,曲线整体呈箱形的特征。
2.1.2 热基浪亚相测井曲线特征:如图 3所示,热基浪亚相整体曲线特征与火山碎屑流亚相相近,呈微齿化近平滑曲线的低GR,低中R、CNL、AC,中高DEN的典型特征。
成像特征:成像图(图 3)上可以明显观察到热基浪亚相层理极其发育,电阻率较低且变化幅度较小。
测井响应机理:热基浪亚相形成于陆相环境,由气体、水汽和火山碎屑组成的紊流极快速地搬运-沉积形成,后期经过了压实固结,因此层理极其发育,并且岩层内部整体结构较为一致,测井曲线相对平滑。
2.2 溢流相研究区的溢流相以基性火山岩为主,共包括玻质碎屑岩、板状熔岩流、复合熔岩流3个亚相。利用常规测井曲线溢流相可识别到亚相,具体如下。
2.2.1 玻质碎屑岩亚相测井曲线特征:玻质碎屑岩亚相整体显示箱形,低R、低-中DEN、高CNL、中AC,顶底接触关系多为突变接触。曲线形态如图 4所示,呈低幅微齿化的形态。
测井响应机理:玻质碎屑岩是由炽热的熔浆与水体接触或侵入(或插入)到含水的松散沉积物中经淬火炸碎后胶结而成,纵向上仅为碎屑粒度的差别,因此测井曲线多成微齿或平滑的特征;玻质碎屑岩亚相是熔浆遇水形成的,所以曲线多呈高CNL的特征。
2.2.2 板状熔岩流亚相测井曲线特征:板状熔岩流亚相蚀变玄武岩整体显示箱形或钟形的特征。曲线形态如图 4所示,GR、R曲线为低幅微齿,三孔隙度曲线为微齿平滑的箱形,顶底部发生渐变接触。
成像特征:成像图(图 4)上可以观察到厚层的平板状熔岩流,以及熔岩流冷却之后形成的“似水平层理”状的冷凝收缩缝,岩层整体电阻率较为一致。
测井响应机理:板状熔岩流亚相是呈厚层平板状、扁平状的熔岩流,单层厚度较大,熔浆冷凝多形成水平的冷凝收缩缝,岩层内部较为一致,整体电阻率变化较小。纵向上可以分为上部和下部的气孔带,中部厚层的致密带顶底气孔带,随着由岩石界面至岩石内部,气孔逐渐变少,DEN逐渐升高,CNL和AC逐渐降低,因此曲线在顶底界面存在渐变带,曲线整体呈箱形。
2.2.3 复合熔岩流亚相测井曲线特征:复合熔岩流亚相蚀变玄武岩显示低伽马、低阻特征。曲线形态如图 4所示,GR、R曲线为低幅微齿,DEN、CNL和AC曲线为高幅指形。
成像特征:成像图(图 4)显示该亚相由多孔少孔多孔的多期熔岩流交织形成,成像图明暗相间,表明电阻率大小交错变化。
测井响应机理:复合熔岩流亚相是熔岩流多期相互叠加交织形成的,单层厚度较小,表现为致密玄武岩和气孔玄武岩互层或多孔和少孔互层,气孔部分电阻率相对致密部分较低,因此成像图显示明暗相间;致密玄武岩多呈中R、高DEN、低CNL、低AC的特征,气孔玄武岩多呈低R、低中DEN、中CNL、中AC的特征,同时气孔玄武岩气孔含量越高,R越低、DEN越低、CNL和AC越高,因此DEN、CNL、AC曲线多呈指形,每个指形代表一个熔岩储渗单元。
根据溢流相各亚相的不同测井响应特征,选取GR、CNL和DEN做交会图(图 5)。GR-CNL交会图可以很好地划分玻质碎屑岩亚相;板状熔岩流亚相曲线较复合熔岩流亚相平稳,选取能反映离散程度的标准差
研究区的侵出相以中性火山岩粗面质岩为主,共包括外带、中带和内带3个亚相,通常情况为整体产出,3种亚相之间多为过渡关系,没有明确的分界线。
测井曲线特征:常规测井曲线无明显的差别,不易区分,因此作为整体识别。侵出相整体显示钟形(图 6),中高GR、中DEN、低CNL、低中AC及低高R的典型特征,其顶底部多为渐变接触。
成像特征:成像图(图 6)上可以观察到,外带亚相溶蚀孔隙非常发育。
测井响应机理:侵出相为中性黏稠的岩浆受到挤压,从火山通道中“挤牙膏式”地涌出地表,堆砌在火山口附近成熔岩穹丘,单次喷发厚度较大,岩石整体由致密粗面岩、角砾化粗面岩以及粗面质角砾熔岩组成,内带致密粗面岩显示中高R、中DEN、低CNL和低AC的特征,内带→中带→外带,粗面质岩石R和DEN逐渐降低,CNL和AC逐渐升高,最终形成钟形的测井曲线形态。侵出相R值内带>中带>外带,这是因为外带亚相靠近岩层界面,次生改造作用强,越靠近内部,岩层致密,次生作用减弱,孔隙减小、R值增大。
根据其响应特征,选取GR和RLLD曲线做GR-RLLD交会图(图 7),3种亚相可以较好地划分。
2.4 火山沉积相测井曲线特征:研究区火山沉积相岩石结构为火山碎屑结构,测井曲线特征如图 8所示,整体显示箱形、微齿化齿化,低R、低中DEN和CNL、中AC的典型特征,顶底多为突变接触关系。
成像特征:成像图(图 8)可以观察到再搬运火山碎屑沉积亚相水平层理非常发育。
测井响应机理:本区火山沉积相与爆发相均由火山碎屑组成,且岩石结构也都为火山碎屑结构,主要区别在于爆发相岩层由单一成分的火山碎屑岩组成,而火山沉积相除了火山碎屑以外还会不同程度的混入非火山物质,因此火山沉积相与爆发相测井曲线特征主要体现在矿物成分的GR曲线上,而其他测井曲线幅值和形态大多相近。数据统计结果表明,本区玄武质岩和粗面质岩GR值区别较大,所以分开讨论。玄武质岩GR值较低,因此随着岩石外碎屑含量的增加,GR值增高;所以对于玄武质火山沉积相,通常将GR≥70 API划分为含外碎屑火山沉积亚相,将GR<70 API划分为再搬运火山沉积亚相。由于粗面质岩GR值较高,因此随着岩石外碎屑含量的增加,GR值会降低;所以,对于粗面质火山沉积相,通常将GR≥100 API划分为再搬运火山沉积亚相,将GR<100 API划分为含外碎屑火山沉积亚相。由于再搬运火山沉积亚相的火山碎屑物是经过再次或多次搬运后才压实固结成岩的,因此其水平层理非常发育。
3 火山岩相储集意义火山岩的储集空间类型包含原生和次生两部分[18-20]。火山岩相/亚相控制着原生储集空间的类型和空间分布情况,并且影响后期的次生改造作用,最终造成不同岩相/亚相储集空间类型和组合方式的差异,进而影响火山岩储层的储集性和有效性。火山岩储层的物性与岩相/亚相密切相关,物性的不同直观地表现为有效储集空间发育程度的差异[21-22]。原生储集空间(原生孔隙和裂缝)构成了油气的储集空间,同时还为火山岩次生改造作用提供流体运移的通道。
火山岩有效储层的典型岩心及测井曲线特征分别如图 9和图 10所示。爆发相火山碎屑流亚相储层溶蚀孔发育(图 9a),且角砾之间的孔缝多相互连通,DEN、CNL和AC测井曲线显示微齿近光滑的特征,纵向上岩性和结构较为一致,物性较好,储集性和含油性好,测井解释为油层,试油结果同样显示为油层(图 10a),为有利的火山岩储层,表明该亚相是研究区较为有利的相带。侵出相外带亚相靠近围岩接触面附近,次生作用强,斑晶和基质溶蚀严重,溶蚀孔发育(图 9b),测井曲线显示低DEN、中CNL、中AC的特征,储层物性很好,测井解释为油层,试油结果显示为高产(图 10b),表明是粗面岩储层最为有利的相带,近些年的勘探开发多集中在此相带。溢流相复合熔岩流亚相有效储集空间发育(图 9c),对储层贡献最大,但是由于复合熔岩流亚相内含有多个熔岩流动单元,每个流动单元大都呈致密和气孔、多孔和少孔互相间隔的状态,因此导致其纵向连通性较差,储层储集性较差,即使储层物性表现较好,油气产量也不高,多为低产油层;测井曲线DEN、CNL和AC显示指状叠加的特征,储层整体物性较好,纵向上较强的非均质性使储层的储集性和含油性变差,测井解释多为干层和差油层交错,试油结果显示为低产油层(图 10c)。
4 结论和认识辽河东部凹陷火山岩分为5相14亚相,根据测井曲线变化幅度、形态特征、顶底接触关系,结合交会图分析和成像测井分析,总结出了该地区中基性火山岩爆发相(火山碎屑流和热基浪亚相)、溢流相(玻质碎屑岩、板状熔岩流和复合熔岩流亚相)、侵出相(内带、中带和外带亚相)和火山沉积相(含外碎屑和再搬运火山沉积亚相)10种岩相/亚相的测井识别标志:
对于爆发相火山岩,常规测井曲线整体形态比较相似,不易区分;成像测井显示的火山碎屑流亚相的“焊接”特征以及热基浪亚相极为发育的“层理”特征是区别其他亚相的主要特征。
对于溢流相火山岩,常规测井曲线可以较好地进行识别划分,玻质碎屑岩亚相呈高CNL的特征,板状熔岩流亚相DEN、CNL和AC曲线多呈微齿平滑的特征,复合熔岩流亚相DEN、CNL和AC曲线多呈指状交错特征;根据GR-CNL和σ(CNL)-σ(DEN)交会图可以很好地区分三类岩相。
对于侵出相火山岩,内带→中带→外带,常规测井曲线R和DEN逐渐降低,CNL和AC逐渐升高;根据GR-RLLD交会图可以很好地划分三类亚相。
对于火山沉积相,根据GR曲线可以粗略地对其进行划分,结合成像测井显示的再搬运火山沉积亚相发育的层理特征,可以更加准确地划分此类亚相。
溢流相复合熔岩流亚相储集空间发育,但多为孤立不连通的孔隙,且孔隙被沸石等矿物填充严重,为研究区油气储层较差的相带;爆发相火山碎屑流亚相储集空间发育,物性较好,岩层内部岩性和结构较为一致,可以作为东部凹陷火山岩储层进一步开发的有利相带。
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