遼河盆地大洼油田火山巖特征及其測井識別方法

肖明國，郭建華，焦鵬，郭祥偉，吳詩情，譚慧,

(1.湖南繼善高科有限公司，湖南 長沙，410083；2.中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙，410083；3.有色金屬成礦預測與環境監測教育部重點實驗室，湖南 長沙，410083)

火山巖油氣藏勘探最早始于國外，已先后在印度尼西亞、日本和阿塞拜疆等國發現了多個不同類型的火山巖油氣藏，其具有產層厚、產率高、儲量大的特點，是重要的勘探目標[1-2]。中國沉積盆地內部及其周緣火山巖分布廣泛，具備較好的火山巖油氣藏勘探基礎[3]，已先后發現了一批火山巖油氣田[4-6]。遼河盆地是國內開展火山巖研究較早的地區，始于 20世紀70—80年代，并在盆地內部大洼油田一批鉆遇火山巖儲集層的鉆井中獲得了工業油流[7-9]。但是，由于對該區火山巖層位、巖性、巖相及其空間展布特征認識不足，制約了勘探效果。為此，本文作者研究該區火山巖的形成時代，總結火山巖的測井響應特征及識別方法，以便為區內火山巖層的劃分、對比提供簡捷的新方法。遼河盆地是環渤海灣盆地東北部的1個構造單元，是1個中、新生代大陸裂谷盆地，可劃分為西部凸起、西部凹陷、大民屯凹陷、中央凸起、東部凹陷和東部凸起5個次級構造單元(圖1)。大洼油田位于中央凸起帶南部傾沒端，其西北以大洼斷層為界。區內中、新生代火山巖主要分布于洼609井區塊，面積約30 km2。區內發育2組正斷層，其中，一組為北西向南掉正斷層，另一組為近東西向南掉正斷層、向東轉為北東向延伸。在這2組斷層作用下，研究區中生界及房身泡組的頂面呈北東高、南西低并向北東方向節節抬升的構造格局。這一構造格局將火山巖層分割為多個小斷塊，具備了形成良好的火山巖油氣圈閉條件[10-13]。房身泡組是重要的目的層，由于構造活動和剝蝕作用，房身泡組分布復雜。研究區東北部缺失房身泡組，厚度最大的區域分布在洼604至洼605井一線，并呈東西向展布，洼605井及周圍最大厚度可達200 m。厚度較大的區域分布在大洼斷層東側洼27、洼45和洼15井一線及周圍，最大厚度可達150 m。厚度分布特征表明房身泡組玄武巖以大洼斷裂為噴發通道，殘余玄武巖厚度的分布受到噴發時期地貌形態以及后期風化雙重因素的控制。

圖1 遼河西部凹陷大洼油田斷裂與油氣分布Fig.1 Distribution of faults and oilfields in DaWan,Liaohe subbasin

1 火山巖的形成時代與分布

長期以來，人們一直認為研究區火山巖的形成時期屬中生代，呈塊狀產出，并作為古近系的基底潛山。但對區內 51口鉆遇火山巖層的鉆井進行分層統計及巖性對比發現有 31口井的火山巖層分為上、下兩部分，其中下套火山巖可分為5層。上部火山巖為黑褐色的玄武巖—安山巖，下部主要為灰色、褐紅色的安山巖、英安巖及凝灰巖。對部分井取樣進行同位素年齡測量分析[14]，發現黑褐色玄武巖—安山巖同位素年齡介于45.72～51.25 Ma，其下伏火山巖同位素年齡則介于86.42～107.36 Ma(見表1)，形成時期分別為始新世早期(房身泡期)及早白堊世晚期—晚白堊世早中期(阿爾比期—康尼亞克期)。很顯然，這 2套火山巖之間存在跨時約35 Ma的沉積間斷。

2 火山巖巖石類型及特征

2.1 巖石類型

通過取心井段的巖石薄片觀察，按其礦物成分、巖石結構及構造特點，研究區火山巖可分為3類，即熔巖類、火山碎屑巖類和火山沉積巖類。

2.1.1 熔巖類

熔巖類主要發育于房身泡組和中生界第4層火山巖層中，主要巖石類型有玄武巖、玄武—安山巖、安山巖。

鉆遇玄武巖的井主要有洼29、洼609、洼19-26、洼7、洼2、洼605、洼604、洼603、洼19、洼32、洼39等29口井，玄武巖主要分布于房身泡組。玄武巖的密度r＞2.4 g/cm3，自然伽馬GR＜42 API；巖心呈灰黑色、致密堅硬，以斑狀結構為主，其次是玻璃質和半晶質結構。主要構造類型有氣孔構造、杏仁構造和拉斑玄武構造，但氣孔構造不如安山巖發育。

鉆遇安山巖的井主要有洼7、洼19-22、洼19-26、洼2、洼605、洼604、洼603、洼19、洼32、洼39等27口，安山巖主要分布于房身泡組，在白堊紀第3層和第5層火山巖中亦有安山巖。安山巖的密度r＞2.3 g/cm3，GR為42～108 API，巖心為灰黑色、棕紅色，呈半晶質—玻璃質、斑狀、似斑狀、微粒交織、交織細粒、中粒等結構。主要構造類型有流動構造、氣孔構造、杏仁構造，氣孔構造發育。

2.1.2 火山碎屑巖類

火山碎屑巖類主要發育于白堊紀第2和第3層火山巖層，主要巖石類型有火山角礫巖、凝灰巖、凝灰質火山巖、凝灰質火山砂礫巖。

凝灰巖主要發育于白堊紀第2和第4層火山巖層，巖石呈灰色，以玻璃質、微晶—泥狀、變余凝灰斑狀結構結構為主，其r為 2.2～2.6 g/cm3，GR為 104～170 API。

火山(砂)角礫巖主要發育于白堊紀第三層火山巖層，巖石呈棕紅色，以角礫狀結構為主，粒間被玻璃質熔巖或凝灰質火山灰充填。

2.1.3 火山沉積巖類

火山沉積巖類包括復成分火山碎屑巖、凝灰質砂巖、復成分砂礫巖。該類沉積巖的r變化較大，介于1.6～2.3，GR介于 40～95 API。

表1 遼河大洼油田火山巖同位素年齡Table 1 Isotopic age of volcanic rocks in Dawa Oilfield,Liaohe basin

另外，還見火山—沉積過渡巖類，主要發育于白堊紀各層火山巖中，與正常沉積巖過渡。以砂—礫狀、砂狀、礫狀、角礫狀火山碎屑為主，可見正常沉積碎屑。主要組分有玻基噴出巖礫石、安山巖礫石、黑云母微晶—細晶安山巖、(微)斜長石、石英、黑云母、凝灰巖巖屑、石英片巖巖屑、泥巖巖屑、花崗巖礫石、角巖礫石、橄欖石；膠結物主要有白云石、方解石、硅質、綠泥石、凝灰質、火山玻璃質。

2.2 礦物成分與化學成分特征

安山巖造巖礦物主要有斜長石、角閃石、輝石、石英、正長石，無橄欖石；成巖期后自生礦物主要有片沸石、方解石和(鐵)白云石；玄武巖造巖礦物主要有斜長石、輝石、角閃石、橄欖石、正長石；成巖期后自生礦物主要有石英、方解石和(鐵)白云石，無片沸石；凝灰巖成巖礦物主要有斜長石、正長石、石英，見表2。

安山巖中的黏土礦物以蒙皂石和伊/蒙混層礦物為主，伊利石、高嶺石、綠泥石質量分數較低，個別樣品以伊利石和綠/蒙混層礦物為主。玄武巖中黏土礦物以蒙皂石為主，部分樣品伊/蒙混層礦物為主，伊利石、高嶺石、綠泥石質量分數較低。凝灰巖中的黏土礦物則以蒙皂石為主，伊利石、高嶺石、綠泥石質量分數較低。

化學成分分析結果見表3。從表3可見：區內玄武巖屬超堿性拉斑玄武巖系列[15]，屬大陸非造山帶拉張盆地典型火山巖類型[16-17]，安山巖為富鈉型粗安巖。需注意的是凝灰巖SiO2質量分數高，可能與成巖期后蒙皂石化及硅化有關。

表2 遼河盆地大洼油田洼609井區火山巖非黏土礦物成分(質量分數)Table 2 Mass fraction of non-clay mineral of volcanic rocks in 609 well area of Dawa Oilfield,Liaohe Basin %

表3 遼河盆地大洼油田洼609井區火山巖化學成分(質量分數)Table 3 Mass fraction of chemical composites of volcanic rocks in 609 well area of Dawa Oilfield,Liaohe Basin %

3 火山巖巖相及其模式

火山巖相是一定地質環境下火山活動產物的總稱[12]。目前國內外對于火山巖相劃分意見不統一，比較公認的火山巖相劃分方案是按火山活動產物的產出形態及巖石特征來劃分，它不僅包括噴出的各種火山巖，而且包括火山頸、次火山、火巖沉積巖等與火山活動有關的巖石。這種劃分方案全面地反映了火山活動在特定地質作用下形成的地質體，概括了火山雜巖的基本組成部分，為研究火山作用的產物特征、發展階段、巖漿演化、形成條件及與礦產的關系等提供了系統資料[18-19]。在這種劃分方案基礎上，邱家驤等[12]結合對我國東部陸相火山巖研究的具體工作和實踐認為火山巖巖相劃分必須考慮以下幾方面：1)火山噴發基本方式即爆發、噴溢、侵出；2)火山噴發環境即陸上、水下；3)火山產物堆積環境即陸上、水下；4)火山碎屑物搬運、堆積機理即空落、火山碎屑流、火山涌流、火山泥流；5)火山巖在地表以下一定深度侵位機制即次火山、次爆發角礫巖；6)在火山機構中的特定位置即火山頸相、火山口相、近火山口相、遠火山口相。

在上述原則上，將研究區內已鉆遇的火山巖巖相類型劃分為以下 4類：1)溢流相；2)火山碎屑相；3)空落堆積相；4)火山沉積相。

4 火山巖測井響應及其識別

由于巖性差異、成巖后生變化等使得火山巖測井響應特征變化復雜，同時，由于火山巖與砂泥巖不等厚互層，火山巖與砂泥巖亦可能具有較相似的測井響應特征，因此，如何根據測井曲線特征識別火山巖較困難[20-21]。本文通過對取心井段、井壁取樣、巖屑資料所揭示的巖性對測井曲線的響應特征的詳細研究，建立區內不同地層及火山巖的識別方程，通過識別方程能較容易的區分出火山巖層和砂泥巖層以及不同火山巖類。

4.1 不同時代的地層測井響應及其識別

據取芯井段和井壁取心層段對應的不同測井數值作出巖電交會圖，不同測井對中生界、房身泡組、沙河街組、東營組的反映不同，見圖2和圖3。

圖2 洼19-26井聲波時差與密度(Δt-r)交會圖Fig.2 Acoustic moveout and density crossplot of Wa19-26 well

圖3 洼19-26井自然伽馬與電阻率GR-ρt交會圖Fig.3 Natural gamma and resistivity crossplot of Wa19-26 well

從聲波時差(Δt)與密度(r)測井交會圖(圖2)可以看出：中生界和房身泡組基本上位于 Δt＜87 μs/m 和r＞2.3 g/cm3范圍內，而沙河街組和東營組基本上位于Δt＞87 μs/m和r＜2.3 g/cm3范圍內；除房身泡組泥巖多數投入沙河街組和東營組范圍內，火山巖和中生代沉積巖與沙河街組或東營組地層投點區分離很好，采集的3 500個數據點(有鉆井取芯或井壁取芯標定巖性)只有 31個中生界泥巖樣投入沙河街組和東營組的投點范圍，樣點分離率達98%，層位分離率達100%。

伽馬(GR)聲波時差(Δt)與電阻率(ρt)測井交會圖(圖3)中，中生界、房身泡組和沙河街組分區界線簡單，可作為地層劃分圖版。

對洼19-26、洼609、洼606這3口有鉆井取心或井壁取心確定巖性的層段測井、地質綜合分析，采集數據樣點11 590個，通過反演求出地層劃分方程。

1)在洼19-26、洼609等探井的3700系列測井中，對于中生界沉積巖，Δt-82＞0，且ρt-922.99×10-0.023202Δt＜0；對于房身泡組，Δt-82＜0(玄武—安山巖)；對于沙河街組或東營組，Δt-82＞0且ρt-922.99×10-0.023202Δt＞0。

2)在洼17-29、洼13-31、洼19-21等開發井的回放測井中，對于中生界沉積巖，Δt-288＞0且ρt-1167.745×10-0.007663Δt＜0；對于房身泡組，Δt-288＜0(玄武—安山巖)；對于沙河街組或東營組，Δt-288＞0 且ρt-1 167.745×10-0.007663Δt＞0。

利用地層劃分方程，劃分程序簡單，劃分準確性高。

4.2 火山巖測井響應及其識別

不同類型火山巖在自然伽馬(GR)與密度(r)測井交會圖中，樣點分離好，分離界線清楚。

在洼606井中，玄武巖界于GR＜46 API和r＞2.42 g/cm3范圍內，安山巖界于GR＞46 API和r-0.01013×GR-1.762＞0范圍內，凝灰巖界于GR＜107.7 API范圍內。

在洼19-26井中(圖4)，對于玄武巖，當2.42＜r＜2.55 g/cm3時，GR＞0.005 435×r+2.3；當r＞2.55 g/cm3時，GR＜46 API；安山巖界于GR＞46 API和r-0.010 13×GR-1.762＞0范圍內；凝灰巖界于GR＞107.7 API范圍內。

圖4 洼19-26井自然伽馬與密度(GR-r)交會圖Fig.4 Natural gamma and density crossplot of Wa19-26 well

令 Δt′=Δt-82，Δρt=ρt-922.99×10-0.023202Δt，作 3700測井系列的 Δt′-Δρt交會圖，見圖5。結合GR-r交會圖，區內火山巖層及不同火山巖類的測井識別標準(巖性識別方程)可歸納如下：

1)對于火山巖巖層，Δt′＜12 且 Δt′＜-0.404 6×Δρt2+5.113 2×Δρt-16；

2)對于玄武巖，當 2.42＜r＜2.55 g/cm3時，GR＞0.005 435×r+2.3；當r＞2.55 g/cm3時，GR＜46 API。

3)對于安山巖：GR＞46 API，且有r-0.010 13×GR-1.762＞0。

4)對于凝灰巖，GR＞107.7 API。

利用上述巖性識別方程，結合測井曲線形態特征，可對區內火山巖巖層及其巖性進行有效識別。

圖5 洼19-26 井 Δt′-Δρt交會圖Fig.5 Δt′ and Δρt crossplot of Wa19-26 well

4.3 實例分析

以洼19-26井和洼605井為例。

洼19-26井：1 966～2 107 m為一套箱狀低伽馬、鋸齒狀高密度且Δt′＜0和中低值電阻率的巖層，測井巖性識別方程和地層劃分方程解釋為玄武巖夾薄層泥巖，井壁取芯亦為玄武巖。2 250～2 575，2 301～2 323，2 384～2 401和2 525～2 584 m具中密度、高伽馬，解釋為凝灰巖和凝灰質砂巖，井壁取芯為凝灰巖。2 401～2 525 m井段鉆井解釋為凝灰巖，而據鉆井取芯薄片證實為安山巖，而據地層劃分方程和巖性識別方程也應解釋為安山巖。

洼605井：據地層劃分方程及巖性識別方程，出現火山巖的井段位于1 860～2 034 m之間，1 860 m以上為沙河街組砂泥巖，2 034 m以下為中生界砂(礫)泥巖。在GR曲線上：1 860 m以上出現鐘形巖層，為沙河街組底部向上變細砂泥巖；1 860～2 034 m呈箱狀，是以玄武巖為主夾薄層砂泥巖巖層；2 034 m以下呈鋸齒狀或指狀，為中生界砂泥巖。在測井曲線上，1 860～2 034 m之間的玄武巖呈塊狀高密度值，砂泥巖夾層呈指狀負異常低密度值。1 860 m以上沙河街組砂巖呈鋸齒狀低密度值，泥巖由于欠壓實出現極低異常，r小至1.7 g/cm3左右；2 034 m以下呈中低密度值鋸齒狀，為中生界砂泥巖。

5 結論

1)大洼油田火山巖層分為上、下2部分，其中下套火山巖可分為5層。上部火山巖為黑褐色的玄武巖—安山巖，下部主要為灰色、褐紅色的安山巖、英安巖及凝灰巖。前者同位素年齡介于45.72～51.25 Ma(形成時期分別為始新世早期(房身泡期))，其下伏火山巖同位素年齡則介于86.42～107.36 Ma(早白堊世晚期—晚白堊世早中期(阿爾比期—康尼亞克期))。這2套火山巖之間存在跨時約35 Ma的沉積間斷。

2)大洼油田主要的火山巖巖石類型有熔巖類、火山碎屑巖類及火山沉積巖類，始新世早期以熔巖類為主，白堊紀以火山碎屑巖類為主，它們分別產于溢流相、火山碎屑相、空落堆積相及火山沉積相中。

3)通過對取心井段、井壁取樣、巖屑資料所揭示的巖性對測井曲線的響應特征研究，建立了區內不同地層及火山巖的識別方程，通過識別方程能較容易地區分出火山巖層和砂泥巖層以及不同火山巖類。