准噶尔盆地火山岩油气勘探始20世纪50 代，主要集中于盆地西北缘断裂带偶然钻遇，并一直将其作为盆地基底对待，并未引起重视.陆东-五彩湾地区位于盆地腹部东北部，包含滴南凸起、滴北凸起、滴水泉凹陷、五彩湾凹陷及石西凸起、东道海子凹陷与白家海凸起的一部分，勘探面积约14000km²(图 1).

图 1

Fig. 1

图 1 陆东-五彩湾研究区构造位置示意图 Fig. 1 The tectonic location of Ludong-Wucaiwan area

20世纪80年代盆地腹部陆东-五彩湾地区完成二维地震概查，90 年代完成二维地震详查，21 世纪初，前四年完成区带1:50000高精度重磁详查与三维覆盖；随着勘探的不断深入，地质认识得到深化.2006年开始实施"准噶尔盆地天然气工程"，优选盆地腹部陆东-五彩湾地区石炭系作为重点突破区带；当年滴西14井于石炭系火山岩岩体中获得高产工业气流，从而发现滴南凸起带克拉美丽千亿方大气田，实现了准噶尔盆地油气并举；探明天然气地质储量1033×10⁸ m³，为准噶尔盆地前50年探明天然气储量的总和；展现了石炭系火山岩领域良好勘探前景.

勘探实践证实，陆东-五彩湾地区石炭系火山岩体规模大、分布广，成为重要天然气储集体；火山岩层之间夹沉积岩段，不仅能够形成自生自储，也能形成新生古储成藏类型，成藏条件较为优越，石炭系已成为一套现实勘探目的层^[1].然而，由于火山岩储层的特殊性，其不受埋深控制；主要受不整合与岩性控制^[2]，识别火山岩岩体岩性成为判别储层有效性的关键，也是开展有效储层发育区预测的前提；只有准确进行火山岩体岩性预测，通过井-震结合，才能有效开展储层横向预测，从而提高钻探成功率，快速落实规模储量，不断推动火山岩领域勘探.

中海西期-早、中石炭世，哈萨克斯坦板块向东移动，准噶尔古陆(板)块与哈萨克斯坦板块、西伯利亚板块碰撞^[3]，并发生火山活动，形成有含煤沉积、火山喷发岩和火山碎屑岩等沉积^[4].由于大量的火山喷发、岩浆侵入，使得早古生代地层变质形成褶皱基底^[5].晚石炭世，塔里木板块与准噶尔板块开始对接碰撞，并随着西伯利亚板块和哈萨克斯坦板块与准噶尔板块进一步汇聚，形成了准噶尔盆地西北缘、东北缘和南缘三大前陆盆地^[6].晚石炭世初期，南北处于强烈碰撞期后的构造伸展期，整个盆地东北与东南部基底开始隆升，产生短期裂谷或断陷；致使北西西向宽缓的陆梁隆起雏形和隆坳相间构造雏形格局开始形成，自东向西形成一系列沿深大断裂展布的晚石炭统沉积断陷，随着断陷发育，沿断裂火山岩体也发育^[7].沿着准噶尔盆地陆梁隆起三个泉凸起至卡拉麦里蛇绿岩带以南的卡拉麦里山及其山前凹陷带广泛发育陆相火山岩系(巴塔玛依内山组)，巴塔玛依内山组(C2b)火山岩体为主力产层(图 2)；代表碰撞造山期后陆内扩张的产物，为北准噶尔晚古有限洋盆后期的弧后短期伸展裂陷槽^[8].晚海西期-二叠纪，陆东-五彩湾地区经历了四次重要的构造运动，在区域上形成了多套不整合^[9].在右行压扭应力场作用下，陆梁隆起抬升，形成低凸起和低断凸，石南2号西断裂、石南1 井东断裂、石南1 井西断裂、滴水泉北断裂、滴水泉南断裂、三个泉北断裂、陆南断裂也相继定形，部分二、三级构造单元也初步形成.陆东地区低隆起开始存在，下二叠统地层向陆东超覆尖灭，石炭系顶界削蚀特征十分明显.早二叠世，随着前陆盆地向东、向北迁移，盆地的不对称性加强^[10]，东道海子北凹陷与盆1 井西凹陷、玛湖凹陷水体相通，而与五彩湾凹陷不相通，为分割性的两个凹陷，沉积范围受地形和滴水泉北断裂的控制；中二叠世盆地分割局面初步统一，沉积范围进一步扩大，五彩湾凹陷与东道海子北凹陷连为一体^[11]；持续抬升造成构造较高，普遍缺失下-中二叠统.晚二叠世，陆东基底隆升减慢，沉积范围有所扩大；上二叠统沉积覆盖作为区域性盖层对石炭系油气后期保存至关重要.

图 2

Fig. 2

图 2 陆东一五彩湾地区石炭系生储盖组合柱状图 Fig. 2 The comprehensive stratigraphic column of Carboniferous volcanic rock in Ludong-Wucaiwan area

准噶尔盆地陆东-五彩湾地区石炭系发育基性、中基性、中性、酸性、火山碎屑岩、浅成侵入岩多种火成岩^[12]；具玄武岩、安山岩、流纹岩、熔结角砾岩、熔结凝灰岩、火山角砾岩、凝灰岩、花岗斑岩多种岩性类型；总体上以中基性为主，主要为玄武岩、玄武质安山岩、安山岩、英安岩，发育少量酸性流纹岩；具中低钾含量特征.火山岩电性响应特征表现为高密度(DEN)、高电阻率(RI)、高自然伽玛(GR)特征^[13]；具体岩类与岩性其电性值变化具有一定明显差异^[14]，成为识别或标定火山岩岩性的主要电性指标^[15](表 1).

表 1(Table 1)

表 1 准噶尔盆地陆东一五彩湾地区火山岩岩性电性响应特征表 Table 1 The electric nature echo characteristic table of Carboniferousvolcanic rock in Ludong一 Wucaiwan area of Junngar basin

表 1 准噶尔盆地陆东一五彩湾地区火山岩岩性电性响应特征表 Table 1 The electric nature echo characteristic table of Carboniferousvolcanic rock in Ludong一 Wucaiwan area of Junngar basin

利用测井电性特征及岩性交会图版优势:玄武岩类声波时差最小，自然伽玛值最低^[16]；流纹岩类声波时差最大^[17]，自然伽玛值最大^[18]；安山岩类和英安岩类介于二者之间^[19]；能够较为有效地识别火山岩岩性(图 3)，为火山岩岩性标定及储层横向预测奠定基础.

图 3

Fig. 3

图 3 陆东-五彩湾地区石炭系火山岩岩性识别DEN-GR 交会图版 Fig. 3 The lithologic discrimination DEN-GR crossplot of Carboniferous volcanic rock

玄武岩:电阻率值中等到高值，一般在20~1000Ωm，形态较平稳；密度值高，一般2.65~2.85g/cm³；声波时差较低，一般低于200μs/m；自然伽玛数值低，一般在20~60API(图 4).

图 4

Fig. 4

图 4 陆东一五彩湾地区石炭系火山岩电性响应特征图 Fig. 4 The electric nature echo characteristic pattern of Carboniferous volcanic rock in Ludong-Wucaiwan area of Junngar basin

安山岩:电阻率值中等到高值，一般在30~800Ωm，形态较平稳；密度值中等，一般2.5~2.75g/cm³；声波时差较低，一般低于200μs/m；自然伽玛数值中等，一般在40~90API.

英安岩:电阻率值中到高值，一般在30~2000Ωm，形态较平稳；密度值较低，一般在2.4~2.6g/cm³；声波时差较低，一般低于200μs/m；自然伽玛数值较高，一般70~120API.

流纹岩:电阻率值中等到高值，一般在30~500Ωm，形态较平稳；密度值较低，一般2.4~2.6g/cm³；声波时差较低，一般低于200μs/m；自然伽玛数值高，一般100~180API.

角砾岩:电阻率值中等，通常在50~300Ωm，电阻率一般为锯齿状；密度值较低，通常低于2.6g/cm³；声波时差较大，通常大于210μs/m^[20]；自然伽玛数值不稳定并常伴有井眼垮塌现象.

凝灰岩:电阻率值较低，通常在10~70Ωm，电阻率形态较平稳；密度值较低，通常低于2.56g/cm³；声波时差较大，通常大于210μs/m；自然伽玛数值不稳定并常伴有井眼垮塌现象.沉凝灰岩:电阻率值极低，低于10Ωm，密度值较低，一般低于2.5g/cm³；声波时差较大，一般大于240μs/m；自然伽玛中到高值30~120API.

陆东-五彩湾地区上石炭统火山岩主要为陆相火山岩喷发；火山岩体以串珠状、呈多火山口喷发为主，多沿卡拉麦里造山带向盆地内延伸的滴南、滴北、五彩湾-白家海北断裂带展布.由于后期强烈剥蚀改造，火山机构不完整，平面上火山岩岩相不连续，岩相与岩性变化较大.主要勘探目的层上石炭统巴塔玛依内山组(C₂b)表现为三段式^[21]，上火山岩段、中沉积岩段、下火山岩段(对应上下火山岩段，分别称为火山岩序列2、火山岩序列1)(图 5)；由于火山岩密度较大，明显高于围岩沉积岩密度值，其地震响应波阻抗值也较大，能够较好地识别火山岩岩体与沉积围岩.上、下火山岩段多发育于继承性凸起带，为火山岩岩体发育区，呈现不连续的丘状反射或杂乱反射；中部沉积岩段表现为较强振幅、较连续的平行与亚平行结构反射.由凸起带进入斜坡区火山岩熔岩部分减少，火山碎屑岩成份增加，表现为不连续丘状反射与似连续亚平行反射特征(表 2).

表 2(Table 2)

表 2 陆东一五彩湾地区石炭系火山岩地震响应特征表 Table 2 The seismic echo characteristic table of Carboniferous volcanic rock in Ludong一Wucaiwan area of Junngar basin

表 2 陆东一五彩湾地区石炭系火山岩地震响应特征表 Table 2 The seismic echo characteristic table of Carboniferous volcanic rock in Ludong一Wucaiwan area of Junngar basin

图 5

Fig. 5

图 5 滴南凸起过滴西5-滴西10井石炭系火山岩序列地震解释剖面图 Fig. 5 The seismic interpretation section of Carboniferous volcanic rock sequence across Dixi5 and DixilO Wells on the Dinan uplift

由于火山机构的特殊性，其与沉积围岩具有较大的波阻抗差^{[22, 23]}，反射结构也明显，火山岩体"古凸状"形态在地震反射剖面上有较好的显示^[24].按火山机构反射结构、反射特征，可以识别出陆东-五彩湾地区石炭系发育层状火山岩、锥状火山岩、浅成侵入体或潜伏层状火山岩三种火山机构^[25](Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类).层状火山岩机构(Ⅰ 类)波阻抗值较高，为中等-强振幅，连续性好，内部平行、亚平行反射结构，主要由爆发相中基性熔岩与溢流相及爆发相角砾岩互层组成^[26].锥状火山岩机构(Ⅱ 类)波阻抗值较高，为中弱反射，内部呈平行或丘状短反射结构，主要由溢流相安山岩、流纹岩及火山沉积相火山碎屑岩组成^[27].浅成侵入岩或潜伏层状火山岩机构(Ⅲ类)波阻抗值中等，为无反射，纯噪声或者规则干扰反射结构，主要由浅成侵入体、岩床或潜伏层状火山溢流相中基性玄武质安山岩及火山沉积相火山碎屑岩组成^[28].

由于陆东-五彩湾地区晚石炭纪特殊的碰撞后伸展构造环境，火山岩体多沿近东西向断裂呈串珠状，中心式点状模式喷发；层状火山机构具普遍性.层状火山岩体:近火口相基底涌流相含角砾英安岩、熔结角砾岩、熔结角砾凝灰岩，代表岩浆演化后期挥发份高，爆发强度大的火山活动阶段，形成有效的储集空间.锥状低平火山多为溢流相、爆发空落相和火山沉积相，火山碎屑岩比例较大，在近火山口相，熔结凝灰岩呈酸性，气孔发育；向过渡区玻屑凝灰岩成分增加，储层物性明显变差^[29].而作为浅成侵入体、岩床或潜伏层状火山岩体，主要由其岩性、岩相、风化程度决定其储层有效性.通过井-震结合，能够建立正确的火山岩地震响应模型；而准确与精细的地震保幅处理、偏移成像是有效识别与预测火山岩的关键^[30].经过标定与保幅处理，在南北向地震剖面上，层状、锥状火山机构反射结构特征较好，但在东西向地震剖面上特征不明显，火山岩地震反射具有各向异性^{[31, 32]}；火山活动沿断裂侧向喷发，具东西成带分布，火山岩相呈南北过渡特点；火山岩裂缝发育与火山岩机构、区域断裂、岩性密切相关^{[33, 34]}.

晚海西期，石炭系主要为海西中期沉积的一套浅变质火山碎屑岩建造和局部岩浆侵入岩建造以及海陆过渡相、陆相沉积的碎屑岩和火山岩建造^[35].石炭纪是新疆北疆地区火山岩最为发育的时期，主要为钙碱性系列，其次为碱性系列；主要发育玄武岩-安山岩-英安岩-流纹岩组合.准噶尔盆地陆东-五彩湾地区上石炭统主要分布于滴北凸起、滴南凸起、滴水泉和五彩湾凹陷，所发育火山岩序列2与火山岩序列1均表现为下部为玄武岩、安山岩及火山岩角砾岩、凝灰岩，中部为安山岩、玄武岩及安山质凝灰岩，上部为流纹岩、杏仁状安山岩、霏细岩、火山岩角砾岩、熔结凝灰岩火山序列旋回.主力产层巴塔玛依内山组(C₂b)下段为基性、中基性火山岩(C₂b³)，中段为火山碎屑沉积和正常沉积岩类(C₂b²)，上段为中酸性熔岩和火山碎屑岩类(C₂b¹).

巴塔玛依内山组(C₂b)上下火山岩段，火山岩体发育程度、岩性、岩相及岩石组构决定火山岩储层孔隙发育潜力，火山岩的结构特征反映了岩浆冷凝成岩时的环境.陆上喷发的火山熔岩流入水体中时，遇水淬火而快速冷凝，熔浆破碎成球状、枕状，而后又被碎小的火山玻璃、火山碎屑物、沉积物等胶结而成枕状构造，岩石较致密，原生孔隙较少.同时水下喷发的火山岩由于深水静水压力大，挥发成份不易逃逸难以形成气孔，且受水体作用，火山岩发生明显蚀变(绿泥石化)和充填作用，使原生孔隙大大减少.近火山口的爆发相带中发育的火山角砾岩、火山集块岩，角砾熔岩、凝灰熔岩，物性最好，而远火山口的凝灰岩一般难以形成厚度规模，且物性较差.溢流相的岩石，性脆，受构造应力作用，易产生裂缝，且发育有气孔、溶蚀孔等，储集性能同样优于远离火山口相的凝灰岩.火山通道相发育岩石结晶程度高，后期构造作用方可改善其储层.同时，火山岩储层物性的主控因素是构造裂缝及风化壳的发育程度.新疆北部地区，石炭系顶面为全区构造不整合，中晚三叠世在挤压构造环境下形成大范围的隆起^[36].在温带半干旱气候下，长期暴露的火山岩受物理化学风化作用形成风化壳，构成该区最有利的储层类型---风化壳型火山岩储层.在构造高部位，大气淡水淋滤时间长，次生孔隙发育，而在构造低部位，溶蚀作用形成的孔隙多已被绿泥石、方解石充填.

根据陆东-五彩湾地区火山岩相分布特征，结合地震、测井、重磁、电法资料综合预测:近口亚相带主要发育于滴南凸起带、滴北凸起带、石西-石南凸起带、五彩湾凹陷南北缘、白家海北缘；远火山口亚相多发育于火山后亚相的东西两侧；溢流相带主要沿主断裂由南向北展布.上石炭统巴塔玛依内山组(C₂b)发育两套正序列火山岩，中间有火山活动间断，沉积一套沉积岩；下石炭统滴水泉组(C₁d)主要为沉积岩；火山岩序列2 在五彩湾凹陷和石西凸起发育较全、较厚；滴南凸起中段缺失出露火山岩序列1；滴南凸起南部到白家海凸起缺失C₂b火山岩(图 6).玄武岩性主要分布于五彩湾凹陷、滴南与滴北凸起结合部、石西与夏盐凸起结合部；安山岩与流纹岩主要发育于近火山口相及古构造高部位；浅成侵入岩体主要分布于滴南凸起滴西18 与滴北凸起泉3井局部区域.火山沉积碎屑岩凝灰岩主要发育于远火山口亚相构造斜坡区、断陷区；近生烃区的构造、岩性、岩相匹配为风化壳储层发育区，在滴南凸起构造高部位、五彩湾凹陷构造高部位、滴北凸起南坡、白家海凸起北坡，有效生烃区与中基性、中酸性火山岩叠合区最有利于油气有效成藏.

图 6

Fig. 6

图 6 陆东一五彩湾地区石炭系岩性分布预测图 Fig. 6 The lithologic distribution evaluation map of Carboniferous volcanic rock in Ludong-Wucaiwan area

(1) 陆东-五彩湾地区火山岩主要发育于晚石炭世碰撞造山期后陆内伸展断陷或裂谷构造环境；火山岩多近东西向主断裂呈"串珠状"多火山口侧向喷发，具东西成带分布，火山岩岩相呈南北过渡特点.

(2) 陆东-五彩湾地区火山岩电性响应特征表现为高密度、高电阻率、高自然伽玛特征；基性熔岩相具有高电阻率、高密度、低自然伽玛电性特征，电阻率一般大于400Ωm；中酸性熔岩相具有中电阻率、中等密度、较高自然伽玛电性特征，电阻率一般在400Ωm；火山角砾岩相具有低电阻率、中低密度、高自然伽玛电性特征，电阻率一般为300~400Ωm；凝灰岩相具有低电阻率、低密度、高自然伽玛电性特征，电阻率一般小于200Ωm.

(3) 陆东-五彩湾地区主要勘探目的层上石炭统巴塔玛依内山组表现为三段式，地震响应特征明显，上、下火山岩段表现为不连续的丘状反射或杂乱反射；中部沉积岩段表现为较强振幅、较连续的平行与亚平行结构反射.依据地震反射结构能够识别出三类火山岩机构:① 层状火山机构:为高波阻抗，中等-强振幅，连续性好内部平行、亚平行反射结构；多为中基性熔岩、溢流相和爆发相角砾岩相互层；②锥状火山结构:高波阻抗，为中弱振幅，内部呈平行或丘状反射结构；多由喷发相安山岩，溢流相流纹岩以及火山碎屑岩互层组成；③ 浅成侵入体或潜伏火山结构:中等波阻抗，无反射，纯噪声或者规则干扰结构；由浅成侵入体或潜伏溢流相岩床组成.

(4) 陆东-五彩湾地区石炭系火山岩有效成藏主要取决于火山岩储层的有效性；石炭系火山岩储层均表现为风化壳型储层；储层物性主要受风化淋滤强度控制；而风化强度又受火山岩岩性和岩相控制.近口亚相带主要发育于滴南凸起带、滴北凸起带、石西-石南凸起带、五彩湾凹陷南北缘、白家海北缘；远火山口亚相多发育于火山后亚相的东西两侧；溢流相带主要沿主断裂由南向北展布；因此，近源(有效生烃区)的构造、岩性、岩相匹配的风化壳储层发育区，最有利于成藏；形成构造背景下的地层-岩性型原生火山岩天然气藏.