齐家潜山北段中生界火山岩风化壳特征及分布预测

2020-07-07陈启南

录井工程 2020年2期

陈启南

(中国石油长城钻探工程有限公司录井公司)

0 引言

齐家潜山位于辽河坳陷西部凹陷中南段，该潜山受北北东向、东西向两组断裂控制，整体划分为南、中、北三段，南段和中段为太古界潜山，北段为中生界潜山，中生界潜山由火山岩组成[1-3]。由于该区中生界潜山火山岩成藏主控因素认识不清，在2000年上报储量后一直处于停滞状态。近年来，以精细勘探为思路，通过对齐家潜山北段地层重新厘定，精细落实太古界及中生界地层展布和构造形态特征，深化中生界储集层特征分析，并以此为指导进行整体勘探，在风化壳取得新发现，QG 70井在火山岩风化壳压裂获得日产油21 t。该区多口井在火山岩风化壳钻遇油气显示，但一直未获得更大突破，其中火山岩风化壳发育及分布规律不明是其制约因素之一。

本文应用岩心、元素录井、测井及地震等资料对火山岩风化壳进行研究，应用波阻抗反演方法刻画了风化壳分布范围，为研究区火山岩风化壳油藏进一步勘探与开发提供了依据。

1 火山岩特征与分布

1.1 火山岩岩石特征

通过对齐家潜山北段中生界10口井的岩心观察及薄片鉴定，结果表明该区火山岩主要发育火山碎屑岩和熔岩。火山碎屑岩主要为凝灰岩，少量火山角砾岩。凝灰岩呈浅灰色，镜下为凝灰结构，主要以岩屑凝灰岩为主，岩屑成分为安山质(图1a)；火山角砾岩主要由塑变岩屑、刚性岩屑、晶屑组成，塑变岩屑具明显的火焰状特征(图1b)；熔岩只在局部井点钻遇，岩性主要为中性的英安岩和安山岩，呈紫红色，具有气孔构造，镜下见斑状结构，斑晶为石英和斜长石，基质由细小的长英质和少量玻璃质组成(图1c)。

通过全碱-SiO2(TAS)方法分析，对10口井的26个岩心样品进行投点，其中有6个落在流纹岩区内，粗安岩和粗面岩各有1个，其余全部落在安山岩和英安岩范围内。通过录井元素化学分析，样品SiO2含量介于52.29%～71.24%之间，表明研究区主要发育中性和酸性火山岩。

图1 中生界火山岩岩性特征

1.2 火山岩分布

经过对岩性的研究与识别，得到齐家潜山北段中生界顶界火山岩分布图(图2)。从图2可看出，该区中生界顶界发育凝灰岩和安山岩，两者大面积连片分布。安山岩受裂隙式喷发和中心式喷发两种喷发模式控制，呈条带状和圆状分布。

裂隙式喷发的安山岩以QG 6、Q 2-6-5011井为代表，主要分布于齐家潜山北段的中部，安山岩沿北北向断裂东西两侧连片分布，呈条带状。沿安山岩两侧，岩性过渡为凝灰岩。中心喷发式的安山岩分布于齐家潜山北段东北部，以DG 104井为代表，呈圆状分布。

图2 中生界顶界岩性构造纲要

2 火山岩风化壳特征

火山岩风化壳是指火山岩长期暴露地表经过风化淋滤后形成的风化剥蚀带，再经过埋藏压实固结所形成的似层状地质体[4]。受风化淋滤改造后的火山岩与母岩相比，其物理、化学特征发生了明显的变化。

2.1 风化壳结构特征

通过对齐家潜山北段中生界钻遇火山岩风化壳的10口井的岩心观察及薄片分析表明，火山岩经过物理、化学风化后，矿物及结构特征发生变化，可以通过岩心宏观特征进行判别。受风化作用控制，火山岩裂缝发生不同程度的溶蚀加宽，溶蚀裂缝间隙宽度具有上宽下窄的示顶底作用，且在重力和水流作用下，风化黏土充填在裂缝中(图3a)。表生环境中受温差变化影响，火山岩受热不均，发生差异性膨胀和收缩作用，岩石表层剥落，形成凹凸不平的坑槽(图3b)。受风化作用控制，火山岩岩体中发育相互交错的多组裂缝，裂缝互相切割形成菱形的棋盘格子使岩心破碎碎块化(图3c)。

图3 火山岩风化壳的岩心识别标志

2.2 风化壳元素特征

风化导致易迁移元素Cl、S、Ca、Na、K等相对流失，不迁移和弱迁移元素Si、Fe、Al、Ti等相对富集[5-6]。齐家潜山北段中生界火山岩风化壳剖面也具有相同的特征：以中酸性火山岩为主，风化过程主要表现为长石类和含铁镁质矿物发生水解、水化作用，Na+、K+、Si4+、Al3+、Fe2+等离子被释放出来，易迁移元素Na+、K+等离子从地层中流失，弱迁移元素Al3+离子被保存下来赋存于高岭石矿物中，Fe2+离子在近地表氧化环境中氧化成高价铁的氧化物残留在风化壳中，Si4+离子形成SiO2胶体流失又或者形成蛋白石富集。根据元素录井各种元素百分含量分析，齐家潜山北段中生界火山岩风化壳的元素特征表现为Al、Fe元素的相对富集，Na、K元素相对流失。由于火山岩顶部风化作用最强，富集元素含量最高，淋失元素含量最低，随着深度增加风化程度减弱，富集元素含量逐渐减少而淋失元素含量逐渐增加。

2.3 风化壳测井响应特征

测井曲线是岩石特征的电性响应。火山岩遭受风化淋滤作用后，矿物发生水解、蚀变，岩石的密度、黏土含量、溶蚀孔洞发育程度、裂缝的密度及长度和宽度方式等都发生了变化。这些变化使风化壳与母岩有着不同的测井响应特征。

通过对齐家潜山北段中生界火山岩风化壳及其测井曲线特征研究发现，风化壳与母岩相比测井曲线具有高声波时差、高补偿中子、低电阻率、低密度的特征，呈现出一个明显的台阶。

3 火山岩风化壳预测及分布

通过对钻井岩心的观察可知，齐家潜山北段地区火山岩经历了长期的风化剥蚀，在顶部形成了发育大量溶蚀孔和裂缝的风化壳。因风化作用造成岩石成分和物性的改变，使风化壳具有不同的测井响应特征，进而可以通过测井曲线对火山岩风化壳进行识别。

3.1 单井风化壳识别

齐家潜山北段中生界钻探时间多为20世纪80年代，钻井过程中没有应用元素录井技术且在风化壳中取心较少，对于没有应用元素录井技术和未取心的井，本文应用测井资料进行风化壳识别。通过对齐家潜山北段风化壳岩心观察结合测井曲线分析，选取能较好区分风化壳特征的声波时差、密度和电阻率曲线进行交会，建立风化壳判识图板(图4)。图板中风化壳声波时差值较大，在210 μs/m以上；密度值较小，在2.2～2.5 g/cm3之间；电阻率值大部分在10～40 Ω·m之间，从而确定以声波时差大于210 μs/m、密度小于2.55 g/cm3、电阻率小于40 Ω·m作为风化壳门限值对风化壳进行识别。

通过建立风化壳识别图板对单井风化壳进行识别，落实各井风化壳发育厚度(表1)。从各井风化壳厚度看，位于构造斜坡位置且靠近断裂处的Q 2-7-08井的风化壳厚度最大为87 m，位于低洼部位的QG 62井风化壳厚度最小为8 m，受构造和断裂影响两者厚度相差较大。

表1 齐家潜山北段中生界单井风化壳厚度

3.2 火山岩风化壳预测

为了准确落实齐家潜山北段火山岩风化壳分布范围，在单井风化壳识别的基础上，进行波阻抗反演，对风化壳进行定量预测[7]。首先选取揭露风化壳厚度厚、风化壳界面特征明显的井进行精细标定及地震同相轴追踪，建立风化壳顶底界的构造格架；然后用能准确反映风化壳特征的岩石密度乘以岩石速度(岩石速度=1/声波时差)计算波阻抗，风化后的火山岩具有高声波时差(210～310 μs/m)和低密度(2.2～2.55 g/cm3)，波阻抗值为7×109～12×109g/(m2·s)，未风化的火山岩具有低声波时差(170～210 μs/m)和高密度(2.5～2.8 g/cm3)，波阻抗值为11×109～16×109g/(m2·s)，通过波阻抗值交会，优选出9×109g/(m2·s)作为门限值对风化壳进行刻画，波阻抗大于门限值的为非风化壳，波阻抗小于门限值的为风化壳；最后通过对目的段进行子波提取，稀疏脉冲反演得到波阻抗体，经门限值卡取，预测出齐家潜山北段中生界火山岩风化壳厚度及分布范围。

从波阻抗反演剖面可见(图5)，在构造高部位及构造缓坡带风化壳厚度较厚，在构造陡坡带及构造低洼处风化壳厚度较薄。说明火山岩风化壳受构造和断裂影响较大，构造高部位由于剥蚀作用较强而淋滤作用较弱，往往风化壳保存较薄；在构造缓坡带，剥蚀作用较弱，风化壳厚度较厚，而在构造陡坡带，由于斜坡大，水流速度快，淋滤作用弱，造成风化壳较薄；在构造低洼带，风化作用弱，风化壳发育较差。

3.3 火山岩风化壳分布

综合研究表明，齐家潜山北段中生界火山岩风化壳主要分布于构造高部位、缓坡部位和断裂发育处，构造低洼处不发育，总体具有西厚东薄的特点(图6)。在研究区西部齐家断层上升盘的构造高部位与断裂结合处以及构造缓坡带发育有2处厚度较厚的火山岩风化壳，是勘探、开发的有利目标区。

图5 火山岩风化壳波阻抗反演预测图

图6 齐家潜山北段中生界风化壳厚度图

4 应用分析

针对齐家潜山北段风化壳在斜坡带部署一口预探井QG 69井。该井于2 028 m钻遇潜山，井段2 028.0～2 070.8 m岩屑录井为灰色油迹、油斑凝灰岩。从完井综合图上看(图7)，该段声波时差为215～310 μs/m，密度小于2.55 g/cm3、电阻率为10～37 Ω·m，同时具有Fe、Al元素富集，Na、K元素减少的特征，波阻抗值在7.363 3×109～8.639 7×109g/(m2·s)之间，说明该段为风化壳。完钻后试油初期产油10.9 t/d，证实了研究方法的有效性。