遼河東部凹陷火山巖相測井響應特征及儲集意義

劉宗利，王祝文，劉菁華，趙淑琴，歐偉明

1. 吉林大學地球探測科學與技術學院，長春 130026 2. 中國石油遼河油田公司勘探開發研究院，遼寧 盤錦 124010

0 引言

火山巖相是指火山活動環境及其作用后產物的組合形式，是火山噴發物質的噴發類型、搬運方式、成巖過程以及就位環境的綜合反映[1-2]；火山巖油氣藏的儲集性能主要受火山構造及巖相的控制，與火山巖性無直接關系[3]。目前，遼河東部凹陷主要利用巖心、巖屑以及地震資料劃分巖相，但由于巖心成本高、而巖屑和地震資料劃分精度較低，因此利用豐富的測井資料劃分巖相是十分必要的。測井資料是儲層巖性、巖相和物性等的綜合反映[4]，是油氣勘探開發的重要手段。因此，研究火山巖相與測井響應關系，可以更有效地指示火山巖油氣藏的勘探與開發。目前，火山巖相-測井響應的研究主要集中在酸性火山巖[5]，而中基性火山巖相研究較少。與酸性火山巖相比，中基性火山巖從礦物成分、巖石結構和構造等方面均有很大不同，從而使測井響應特征存在較大差異。本文對不同巖相/亞相的測井資料進行了分析歸納，并討論了巖相和有效儲層的分布規律，分別建立了不同巖相/亞相與測井響應的關系，以期為東部凹陷火山巖相的測井識別提供理論依據，也為油氣藏的進一步解釋提供幫助。

1 東部凹陷火山巖相特征

遼河坳陷屬于渤海灣裂谷盆地的一部分，是在郯廬斷裂活動和上地幔隆升雙重作用下發育的主動裂谷坳陷；遼河坳陷位于郯廬斷裂帶上，構造運動頻繁、斷裂活動強烈，頻繁的火山活動及廣泛的火山巖分布構成了遼河坳陷的地質特色[6-9]。受郯廬斷裂的影響，新生代以來，東部凹陷間斷發生了6 次構造運動，且均伴隨強度不等的火山噴發活動，致使火山巖廣泛發育，巖性以玄武巖、粗面巖為主[10-13]。根據鉆井巖心和巖屑等資料，將遼河東部凹陷新生界火山巖劃分為火山通道相、爆發相、溢流相、侵出相、火山沉積相5種類型，進一步細分為14種亞相(圖1)。

1.1 火山通道相(Ⅰ)

火山通道相涵蓋自巖漿房之上至火山口(或火山錐)之下的整個巖漿導運系統中形成和保存的火山巖堆積體和超淺成侵入體。可分為3類亞相。

a.火山頸亞相(Ⅰ1)；b.次火山巖亞相(Ⅰ2)；c.隱爆角礫巖亞相(Ⅰ3)；d.空落亞相(Ⅱ1)；e.熱基浪亞相(Ⅱ2)；f.火山碎屑流亞相(Ⅱ3)；g.玻質碎屑巖亞相(Ⅲ1)；h.板狀熔巖流亞相(Ⅲ2)；i.復合熔巖流亞相(Ⅲ3)；j.內帶亞相(Ⅳ1)；k.中帶亞相(Ⅳ2)；l.外帶亞相(Ⅳ3)；m.含外碎屑火山沉積亞相(Ⅴ1)；n.再搬運火山碎屑沉積亞相(Ⅴ2)。 圖1 遼河東部凹陷火山巖相和亞相典型照片Fig.1 Typical photo of volcanic facies and subfacies in the eastern sag of Liaohe depression

火山頸亞相(Ⅰ1)，巖性特征為玄武質/粗面質熔巖、火山碎屑巖和火山碎屑熔巖多種巖石混雜，巖心典型特征為類似混凝土的“堆砌結構”，環狀、柱狀、節理狀構造；儲層空間類型為粒間孔、收縮縫和構造縫(圖1a)。

次火山巖亞相(Ⅰ2)，巖性為次火山巖(玢巖和斑巖等)，斑狀結構至全晶質不等粒結構，冷凝邊構造，流面、流線構造，柱狀、板狀節理，巖心較為致密；儲集空間不發育(圖1b)。

隱爆角礫巖亞相(Ⅰ3)，巖性主要為玄武質/粗面質隱爆角礫巖，隱爆角礫結構，鋸齒狀拼合構造，隱爆縫發育，且多被巖汁充填(圖1c)。

1.2 爆發相(Ⅱ)

爆發相主要分布于沙河街組三段和一段中，以粗面質巖石為主，玄武質巖石次之。可分為3類亞相。

空落亞相(Ⅱ1)，主要構成巖石類型為含塑性和剛性巖塊火山碎屑巖，凝灰及角礫/集塊結構，巖心上可見大量火山碎屑；儲層空間類型主要為溶蝕孔(圖1d)。

熱基浪亞相(Ⅱ2)，主要構成巖石類型為玄武質巖屑/晶屑凝灰巖、粗面質巖屑/晶屑凝灰巖，巖屑/晶屑凝灰結構，分選中等，巖石含有火山巖角礫；儲層空間類型主要為粒間孔、溶蝕孔(圖1e)。

火山碎屑流亞相(Ⅱ3)，主要構成巖性為以棱角狀-次棱角狀粗粒火山碎屑物為主的火山碎屑巖及火山碎屑熔巖，火山碎屑結構、熔結結構，分選較差，巖心有角礫存在，溶蝕孔發育；儲層空間類型以粒間孔和溶蝕孔為主(圖1f)。

1.3 溢流相(Ⅲ)

溢流相是研究區最為發育的火山巖相，各個地層均有分布，以玄武巖為主，粗面巖次之。可分為3類亞相。

玻質碎屑巖亞相(Ⅲ1)，主要巖性為角礫化玄武巖和玄武質角礫熔巖，淬碎角礫結構、玻璃質結構，角礫狀構造，巖心上可以觀察到大量的火山玻璃；儲層空間類型主要為礫間縫、溶蝕縫和構造縫(圖1g)。

板狀熔巖流亞相(Ⅲ2)，主要巖性為致密玄武巖、粗面巖，間粒結構，塊狀構造；儲層空間類型為收縮縫和構造縫，巖心上可見構造縫發育(圖1h)。

復合熔巖流亞相(Ⅲ3)，發育巖性為氣孔-杏仁玄武巖、枕狀玄武巖，斑狀結構、間隱結構，氣孔-杏仁構造、枕狀構造，巖心上可見氣孔帶和致密帶交替出現；儲層空間類型為氣孔、溶蝕孔和收縮縫(圖1i)。

1.4 侵出相(Ⅳ)

侵出相主要分布在沙河街組三段中亞段，其構成巖性為粗面質巖石，包括粗面巖、角礫化粗面巖、粗面質角礫/集塊熔巖、粗面質角礫/集塊巖等。可分為3類亞相。

內帶亞相(Ⅳ1)，發育巖性為塊狀粗面巖，粗面結構、多斑結構、碎斑結構、聚斑結構，塊狀構造，薄片照片上可見聚斑結構(圖1j)。

中帶亞相(Ⅳ2)，發育巖性為玻璃質粗面巖和微晶粗面巖，玻璃質結構，塊狀構造，可見鉀長石斑晶，微晶結構；儲層空間類型為溶蝕孔、收縮縫(圖1k)。

外帶亞相(Ⅳ3)，發育代表巖性為粗面質角礫熔巖和角礫化粗面巖，淬碎角礫結構或自碎角礫結構，巖心上可見構造縫發育；儲層空間類型包含溶蝕孔、礫間縫、溶蝕縫(圖1l)。

1.5 火山沉積相(Ⅴ)

火山沉積相與火山巖共生，可出現在火山活動的各個時期，平面分布范圍廣、遠大于其他火山巖。可分為2類亞相。

含外碎屑火山沉積亞相(Ⅴ1)，研究區內主要發育巖性為凝灰質泥巖、凝灰質砂巖和凝灰質礫巖，火山碎屑體積分數為10%～50%，碎屑結構，層理構造，巖心上可以觀察到大量的外碎屑；儲層空間類型為粒間孔、溶蝕孔(圖1m)。

再搬運火山碎屑沉積亞相(Ⅴ2)，代表巖性為沉火山角礫巖和沉凝灰巖，沉火山碎屑結構，層理構造，巖心上可見水平層理；儲層空間類型為粒間孔、溶蝕孔(圖1n)。

2 火山巖相測井響應特征及其機理

東部凹陷火山巖主要為中基性火山巖，本文主要選取自然伽馬(GR)、雙側向電阻率(R)、密度(DEN)、補償中子(CNL)和聲波時差(AC)對中基性火山巖相進行識別(表1)。不同的火山巖相之間，成分、內部結構和構造特征不同，在測井曲線上主要表現為測井參數值不同(表2)，以及整體曲線的不同變化幅度、不同形態特征、不同頂底接觸關系和光滑程度等。根據它們的這些特征可以較好地對火山巖相進行分類識別，但因為常規測井曲線對火山巖相的結構和構造特征反映較弱，而電成像測井可以更直接地反映不同巖相之間的宏觀結構和構造特征，因此將兩者結合更能有效地劃分火山巖相[14-17]。

2.1 火山通道相和爆發相

火山通道相和爆發相兩者均主要由火山碎屑巖組成，成分相對均一，僅是碎屑粒級的不同，常規測井曲線特征沒有明顯的差別，因此均作為爆發相識別。

表1 東部凹陷火山巖測井曲線評價參數

注：英尺(ft)為非法定計量單位，1 ft=0.304 8 m，下同。

表2 火山巖亞相測井平均值及儲集空間類型

2.1.1 火山碎屑流亞相

測井曲線特征：火山碎屑流亞相整體顯示箱形、微齒化--近平滑曲線的低中R、CNL、DEN，中AC的典型特征(圖2)，其巖層頂底端多為突變接觸。

成像特征：成像圖(圖2)顯示火山碎屑流亞相火山角礫發育，角礫之間的粒間縫以及角礫上溶蝕孔發育，角礫與角礫之間具有明顯的“焊接”特征。

測井響應機理：火山碎屑流亞相火山巖由棱角狀-次棱角狀火山碎屑巖組成，因此角礫之間呈明顯的“焊接”特征，粒間孔隙較為發育；相互連通粒間孔隙使得后期溶蝕改造更為容易，因而溶蝕孔也較為發育。由于粒間孔隙的相互連通以及溶蝕孔的發育，所以三孔隙曲線CNL、DEN、AC主要呈中低值特征；火山碎屑流亞相火山碎屑巖均由單一成分的巖石組成，縱向上僅為碎屑粒級的差別，內部結構和構造相對一致，因此其曲線通常呈微齒—近平滑的形態；頂底端與圍巖突變接觸，曲線整體呈箱形的特征。

2.1.2 熱基浪亞相

測井曲線特征：如圖3所示，熱基浪亞相整體曲線特征與火山碎屑流亞相相近，呈微齒化--近平滑曲線的低GR，低--中R、CNL、AC，中--高DEN的典型特征。

成像特征：成像圖(圖3)上可以明顯觀察到熱基浪亞相層理極其發育，電阻率較低且變化幅度較小。

測井響應機理：熱基浪亞相形成于陸相環境，由氣體、水汽和火山碎屑組成的紊流極快速地搬運-沉積形成，后期經過了壓實固結，因此層理極其發育，并且巖層內部整體結構較為一致，測井曲線相對

RLLD. 深側向電阻率；RLLS. 淺側向電阻率。圖2 火山碎屑流亞相火山巖測井響應特征Fig.2 Logging curve characteristics of explosive facies

圖3 熱基浪亞相火山巖測井響應特征Fig.3 Logging curve characteristics of surge sub-facies

平滑。

2.2 溢流相

研究區的溢流相以基性火山巖為主，共包括玻質碎屑巖、板狀熔巖流、復合熔巖流3個亞相。利用常規測井曲線溢流相可識別到亞相，具體如下。

2.2.1 玻質碎屑巖亞相

測井曲線特征：玻質碎屑巖亞相整體顯示箱形，低R、低-中DEN、高CNL、中AC，頂底接觸關系多為突變接觸。曲線形態如圖4所示，呈低幅微齒化的形態。

測井響應機理：玻質碎屑巖是由熾熱的熔漿與水體接觸或侵入(或插入)到含水的松散沉積物中經淬火炸碎后膠結而成，縱向上僅為碎屑粒度的差別，因此測井曲線多成微齒或平滑的特征；玻質碎屑巖亞相是熔漿遇水形成的，所以曲線多呈高CNL的特征。

2.2.2 板狀熔巖流亞相

測井曲線特征：板狀熔巖流亞相蝕變玄武巖整體顯示箱形或鐘形的特征。曲線形態如圖4所示，GR、R曲線為低幅微齒，三孔隙度曲線為微齒--平滑的箱形，頂底部發生漸變接觸。

成像特征：成像圖(圖4)上可以觀察到厚層的平板狀熔巖流，以及熔巖流冷卻之后形成的“似水平層理”狀的冷凝收縮縫，巖層整體電阻率較為一致。

測井響應機理：板狀熔巖流亞相是呈厚層平板狀、扁平狀的熔巖流，單層厚度較大，熔漿冷凝多形成水平的冷凝收縮縫，巖層內部較為一致，整體電阻率變化較小。縱向上可以分為上部和下部的氣孔帶，中部厚層的致密帶頂底氣孔帶，隨著由巖石界面至巖石內部，氣孔逐漸變少，DEN逐漸升高，CNL和AC逐漸降低，因此曲線在頂底界面存在漸變帶，曲線整體呈箱形。

2.2.3 復合熔巖流亞相

測井曲線特征：復合熔巖流亞相蝕變玄武巖顯示低伽馬、低阻特征。曲線形態如圖4所示，GR、R曲線為低幅微齒，DEN、CNL和AC曲線為高幅指形。

成像特征：成像圖(圖4)顯示該亞相由多孔--少孔--多孔的多期熔巖流交織形成，成像圖明暗相間，表明電阻率大小交錯變化。

測井響應機理：復合熔巖流亞相是熔巖流多期相互疊加交織形成的，單層厚度較小，表現為致密玄武巖和氣孔玄武巖互層或多孔和少孔互層，氣孔部分電阻率相對致密部分較低，因此成像圖顯示明暗相間；致密玄武巖多呈中R、高DEN、低CNL、低AC的特征，氣孔玄武巖多呈低R、低--中DEN、中CNL、中AC的特征，同時氣孔玄武巖氣孔含量越高，R越低、DEN越低、CNL和AC越高，因此DEN、CNL、AC曲線多呈指形，每個指形代表一個熔巖儲滲單元。

圖5 溢流相火山巖測井識別圖版Fig.5 Volcanic rocks logging identification chart of effusive facies

2.3 侵出相

研究區的侵出相以中性火山巖粗面質巖為主，共包括外帶、中帶和內帶3個亞相，通常情況為整體產出，3種亞相之間多為過渡關系，沒有明確的分界線。

測井曲線特征：常規測井曲線無明顯的差別，不易區分，因此作為整體識別。侵出相整體顯示鐘形(圖6)，中--高GR、中DEN、低CNL、低--中AC及低--高R的典型特征，其頂底部多為漸變接觸。

成像特征：成像圖(圖6)上可以觀察到，外帶亞相溶蝕孔隙非常發育。

測井響應機理：侵出相為中性黏稠的巖漿受到擠壓，從火山通道中“擠牙膏式”地涌出地表，堆砌在火山口附近成熔巖穹丘，單次噴發厚度較大，巖石整體由致密粗面巖、角礫化粗面巖以及粗面質角礫熔巖組成，內帶致密粗面巖顯示中--高R、中DEN、低CNL和低AC的特征，內帶→中帶→外帶，粗面質巖石R和DEN逐漸降低，CNL和AC逐漸升高，最終形成鐘形的測井曲線形態。侵出相R值內帶>中帶>外帶，這是因為外帶亞相靠近巖層界面，次生改造作用強，越靠近內部，巖層致密，次生作用減弱，孔隙減小、R值增大。

根據其響應特征，選取GR和RLLD曲線做GR-RLLD交會圖(圖7)，3種亞相可以較好地劃分。

2.4 火山沉積相

測井曲線特征：研究區火山沉積相巖石結構為火山碎屑結構，測井曲線特征如圖8所示，整體顯示箱形、微齒化--齒化，低R、低--中DEN和CNL、中AC的典型特征，頂底多為突變接觸關系。

成像特征：成像圖(圖8)可以觀察到再搬運火山碎屑沉積亞相水平層理非常發育。

測井響應機理：本區火山沉積相與爆發相均由火山碎屑組成，且巖石結構也都為火山碎屑結構，主要區別在于爆發相巖層由單一成分的火山碎屑巖組成，而火山沉積相除了火山碎屑以外還會不同程度的混入非火山物質，因此火山沉積相與爆發相測井曲線特征主要體現在礦物成分的GR曲線上，而其他測井曲線幅值和形態大多相近。數據統計結果表明，本區玄武質巖和粗面質巖GR值區別較大，所以分開討論。玄武質巖GR值較低，因此隨著巖石外碎屑含量的增加，GR值增高；所以對于玄武質火山沉積相，通常將GR≥70 API劃分為含外碎屑火山沉積亞相，將GR<70 API劃分為再搬運火山沉積亞相。由于粗面質巖GR值較高，因此隨著巖石外碎屑含量的增加，GR值會降低；所以，對于粗面質火山沉積相，通常將GR≥100 API劃分為再搬運火山沉積亞相，將GR<100 API劃分為含外碎屑火山沉積亞相。由于再搬運火山沉積亞相的火山碎屑物是經過再次或多次搬運后才壓實固結成巖的，因此其水平層理非常發育。

圖6 侵出相火山巖測井響應特征Fig.6 Logging curve characteristics of extrusive facies

圖7 侵出相火山巖測井識別圖版Fig.7 Volcanic rocks logging identification chart of extrusive facies

3 火山巖相儲集意義

火山巖的儲集空間類型包含原生和次生兩部分[18-20]。火山巖相/亞相控制著原生儲集空間的類型和空間分布情況，并且影響后期的次生改造作用，最終造成不同巖相/亞相儲集空間類型和組合方式的差異，進而影響火山巖儲層的儲集性和有效性。火山巖儲層的物性與巖相/亞相密切相關，物性的不同直觀地表現為有效儲集空間發育程度的差異[21-22]。原生儲集空間(原生孔隙和裂縫)構成了油氣的儲集空間，同時還為火山巖次生改造作用提供流體運移的通道。

火山巖有效儲層的典型巖心及測井曲線特征分別如圖9和圖10所示。爆發相火山碎屑流亞相儲層溶蝕孔發育(圖9a)，且角礫之間的孔縫多相互連通，DEN、CNL和AC測井曲線顯示微齒--近光滑的特征，縱向上巖性和結構較為一致，物性較好，儲集性和含油性好，測井解釋為油層，試油結果同樣顯示為油層(圖10a)，為有利的火山巖儲層，表明該亞相是研究區較為有利的相帶。侵出相外帶亞相靠近圍巖接觸面附近，次生作用強，斑晶和基質溶蝕嚴重，溶蝕孔發育(圖9b)，測井曲線顯示低DEN、中CNL、中AC的特征，儲層物性很好，測井解釋為油層，試油結果顯示為高產(圖10b)，表明是粗面巖儲層最為有利的相帶，近些年的勘探開發多集中在此相帶。溢流相復合熔巖流亞相有效儲集空間發育(圖9c)，對儲層貢獻最大，但是由于復合熔巖流亞相內含有多個熔巖流動單元，每個流動單元大都呈致密和氣孔、多孔和少孔互相間隔的狀態，因此導致其縱向連通性較差，儲層儲集性較差，即使儲層物性表現較好，油氣產量也不高，多為低產油層；測井曲線DEN、CNL和AC顯示指狀疊加的特征，儲層整體物性較好，縱向上較強的非均質性使儲層的儲集性和含油性變差，測井解釋多為干層和差油層交錯，試油結果顯示為低產油層(圖10c)。

圖8 火山沉積相測井響應特征Fig.8 Logging curve characteristics of volcaniclastic facies

a. Y70井，4 369.40 m，爆發相火山碎屑流亞相，孔隙度10.8%、滲透率0.21×10-3 μm2；b. O19井，2 362.10 m，侵出相外帶亞相，孔隙度18.1%、滲透率1.0×10-3 μm2；c. T11井，1 985.71 m，溢流相復合熔巖流亞相，孔隙度25.1%、滲透率0.95×10-3 μm2。圖9 火山巖有效儲層的典型巖心Fig.9 Typical core samples of effective reservoir of volcanic rocks

注：英寸(in)為非法定計量單位，1 in=2.54 cm，下同。CAL. 井徑。圖10 火山巖有效儲層測井響應特征Fig.10 Characteristics of logging curves of effective reservoirs in volcanic rocks

4 結論和認識

遼河東部凹陷火山巖分為5相14亞相，根據測井曲線變化幅度、形態特征、頂底接觸關系，結合交會圖分析和成像測井分析，總結出了該地區中基性火山巖爆發相(火山碎屑流和熱基浪亞相)、溢流相(玻質碎屑巖、板狀熔巖流和復合熔巖流亞相)、侵出相(內帶、中帶和外帶亞相)和火山沉積相(含外碎屑和再搬運火山沉積亞相)10種巖相/亞相的測井識別標志：

對于爆發相火山巖，常規測井曲線整體形態比較相似，不易區分；成像測井顯示的火山碎屑流亞相的“焊接”特征以及熱基浪亞相極為發育的“層理”特征是區別其他亞相的主要特征。

對于溢流相火山巖，常規測井曲線可以較好地進行識別劃分，玻質碎屑巖亞相呈高CNL的特征，板狀熔巖流亞相DEN、CNL和AC曲線多呈微齒--平滑的特征，復合熔巖流亞相DEN、CNL和AC曲線多呈指狀交錯特征；根據GR-CNL和σ(CNL)-σ(DEN)交會圖可以很好地區分三類巖相。

對于侵出相火山巖，內帶→中帶→外帶，常規測井曲線R和DEN逐漸降低，CNL和AC逐漸升高；根據GR-RLLD交會圖可以很好地劃分三類亞相。

對于火山沉積相，根據GR曲線可以粗略地對其進行劃分，結合成像測井顯示的再搬運火山沉積亞相發育的層理特征，可以更加準確地劃分此類亞相。

溢流相復合熔巖流亞相儲集空間發育，但多為孤立不連通的孔隙，且孔隙被沸石等礦物填充嚴重，為研究區油氣儲層較差的相帶；爆發相火山碎屑流亞相儲集空間發育，物性較好，巖層內部巖性和結構較為一致，可以作為東部凹陷火山巖儲層進一步開發的有利相帶。

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