李慧琼,郝世彦,任来义,蒲仁海,李东海,贾红娟

(1.陕西延长石油(集团)有限责任公司 研究院,陕西 西安 710076;2.西北大学 地质学系,陕西 西安 710069;3.延长油田股份有限公司 质量监督中心,陕西 延安 717200;4.延长油田股份有限公司 勘探开发技术研究中心,陕西 延安 717200)

引 言

随着油气勘探的深入,火山岩已经成为重要的油气储层之一,并引起石油界和学者们的广泛关注[1]。2017年在银额盆地哈日凹陷Y5井钻遇安山岩储层,并获得工业油气流,指示以安山岩为主的火山岩油气藏可能成为该区今后重要的勘探对象之一。目前,虽然有人研究了银额盆地东部的查干凹陷的火山岩特征[2-4],也涉及到了一些哈日凹陷火山岩的年代学和地球化学方面的分析[5-6],但缺乏对产出油气的下白垩统巴一段火山岩的特征、分布、储层识别等研究。

巴音戈壁组中段即巴二段底部发育一套厚层暗色泥岩,为一套主力烃源岩层,具有厚度大、分布广、有机碳含量高、热演化程度高,凹陷中心生气,凹陷边缘生油等特征[7]。安山岩位于该套主力烃源岩层之下,仅邻生烃凹陷分布,烃源供给充足,同时,凹陷断裂发育,为油气运移提供了良好的通道。此外,安山岩发育原生气孔和节理[5],覆盖在安山岩之上的凝灰岩及沉凝灰岩薄互层可成为良好的盖层,油气成藏期为晚白垩世及以后,火山岩有关圈闭的形成早于油气成藏期[8]。因此,巴一段安山岩在油气聚集、封盖和保存能力方面都具有天然优势。但目前对该套安山岩的分布范围及有效储层特征、裂缝发育程度、有利区分布等认识不清,以火山岩油气藏为目标的勘探遇到瓶颈。鉴于此,本文基于哈日凹陷腹部7口钻井的岩心、测井、分析化验等资料及153 km2高精度三维地震数据,分析了哈日凹陷巴一段安山岩特征和有效储层敏感参数,识别火山口的位置及安山岩的分布,利用多种地震储层预测方法对安山岩有利储层区进行识别与评价,为下一步油气勘探与开发提供可靠的依据。

1 区域地质背景

银额盆地位于塔里木、哈萨克斯坦、西伯利亚和华北4个板块的交汇地带,是在前寒武纪结晶地块和古生代褶皱基底上发育起来的中生带和古生代叠合盆地[9](图1)。在晚侏罗-早白垩世沉积期间,受燕山构造运动的影响,导致盆地内地幔上涌和区域拉张断陷活动增强,盆内形成次一级隆坳相间的格局,形成包括苏红图坳陷在内7个坳陷和5个隆起(图1)[10]。苏红图坳陷位于盆地腹部缝合带以北,可进一步划分为一系列次凹和次凸等三级构造单元。哈日凹陷位于苏红图坳陷的西部,其东接巴布拉海凸起,南近宗乃山隆起,西连洪格尔吉山,北邻蒙古国,整体东断西超、北东向延伸[7]。该凹陷勘探主体为下白垩统,从下到上地层划分为巴音戈壁组(K1b)、苏红图组(K1s)、银根组(K1y),下白垩统地层主要为一套扇三角洲-湖泊沉积体系,局部夹火山岩沉积。其中,巴音戈壁组从下到上进一步划分为巴一段(K1b1)、巴二段(K1b2)和巴三段(K1b3)[5](图1d),火山岩主要发育在巴一段。

本次研究所涉及的三维工区位于哈日凹陷腹部,可划分为西部缓坡带、中央深凹带和东部陡坡带三个构造带[11](图1)。本文研究的目的层为巴音戈壁组的巴一段,该层段岩石类型复杂,包括砂砾岩、砂泥岩、火山岩、碳酸盐岩及过渡岩性,其中,火山岩的岩性主要为安山岩、凝灰岩及沉凝灰岩,还发育少量火山角砾岩。目前,已在Y5井巴一段(K1b1)的安山岩获得天然气产出,该井位于三维区以北1 km,储层为孔隙-裂缝双介质储集空间,上覆的火山碎屑沉积岩较为致密。本文重点研究三维区巴一段安山岩的识别及有利储层分布的预测。

2 资料与方法

本次研究使用的数据包括哈日凹陷约153 km2高分辨率三维地震数据和凹陷内7口井的岩心、钻井、分析化验等数据。安山岩相关的测试样品选自Y3井、Y5井和Y8井,测试项目及数量包括10个样品的薄片鉴定和10个样品的孔隙度测定。所有井包含自然伽马、电阻率、声波时差、密度、中子等综合测井曲线,采样率0.125 m。三维地震数据完成了叠后高信噪比、高分辨率、高相对振幅保持处理,垂向采样间隔为2 ms,目的层段主频(f)约25 Hz。

研究表明本地区安山岩储层主要控制因素为火山岩相、物性、断裂。基于此,针对该套安山岩有效储层定量预测的技术路线为：首先,通过测井资料,结合岩心观察、薄片鉴定分析,确定安山岩的测井特征;其次,通过井震标定、火山岩层的地震响应特征分析,结合均方根振幅属性、时间切片明确火山口位置,刻画火山岩相分布;然后,基于岩心实测孔隙度,选取安山岩有效储层的敏感参数,拟合孔隙度计算公式,建立有效储层识别阀值,在叠后孔隙度反演基础上,圈定安山岩的有效储层分布。用相干属性进行断缝带预测。利用S变换分频的振幅衰减属性对有效储层的含气性进行检测。最后,将多种方法预测的安山岩有利储层区与安山岩层顶面构造相结合,识别评价可能的安山岩有利含油气圈闭。

图1 银额盆地研究范围及哈日凹陷位置图(修改自陈志鹏[11])Fig.1 Research scope of Yin’e basin and location of Hari sag (modified from Chen Zhipeng[11])

3 安山岩的识别

通过岩心观察、岩石薄片鉴定等,将本区的火山岩岩石类型划分为火山熔岩类、火山碎屑岩类和火山-沉积过渡岩类。火山熔岩类以安山岩为主,为本区的含油气储层,以下重点分析安山岩的岩石学特征及测井与地震响应特征。

3.1 岩石学特征

在哈日凹陷缓坡带Y3井、Y8井和深凹带Y5井的巴一段均钻遇厚层安山岩,呈灰色、浅灰色,具有斑状结构、玻基交织结构,呈块状产出,具气孔、杏仁构造(图2(a)、图2(b))。安山岩发育大量气孔,主要为圆形或椭圆形,大小不一,一般在1～5 mm,分布不均匀,含量少的占5%～10%,多的占40%～50%,主要被方解石和长石充填为杏仁体,少数则充填石英、绢云母(图2(c)和图2(d))。薄片鉴定显示,安山岩的斑晶以斜长石为主,含少量角闪石等暗色矿物,基质主要为玻璃质和微晶,玻璃质呈玻基交织结构或间隐结构,微晶斜长石围绕斑晶或气孔平行排列(图2)。此外,在缓坡带边缘的Y2井和深凹带的Y1井钻遇薄层的凝灰岩和安山岩。

图2 哈日凹陷下白垩统安山岩岩心与薄片照片Fig.2 Core images and micrographs of Lower Cretaceous andesite in Hari sag

3.2 测井识别

从碎屑岩和火山岩中识别出安山岩是对安山岩储层研究的关键。本次通过对岩心及薄片鉴定已明确为安山岩层段的测井响应特征分析,结合邹才能[1]、王璞珺[12]对火山岩相的研究,将研究区火山岩层垂向上划分为上、下两段,下段发育溢流相的厚层安山岩,上段发育爆发相与火山沉积相(图4)。溢流相是指火山熔岩从火山口喷出地表后,在自身重力和后续岩浆持续的推动下向低洼处缓慢流动,随着温度降低逐渐冷凝固结而形成的喷出熔岩[13-14]。由于放射性物质含量低,安山岩的自然伽马值较低,一般值在70～80 API,呈微齿箱型,密度值较高,一般大于2.75 g/cm3(图3)。连井对比图(图3)可知,块层安山岩主要发育在火山岩层的下段,分布在Y7和Y3井所在的缓坡带,沉积厚度大,Y7井附近可达200 m,向东部陡坡带近岸水下扇的砂砾岩区尖灭。图3还表明,Y4井巴一段的砂砾岩与Y3井和Y7井巴一段的安山岩具有相似的自然伽马值特征,即低值和箱型,但安山岩的密度值较砂砾岩的高,图4测井交汇图也可看出安山岩的密度值较大,大于2.75 g/cm3,可用于区别安山岩与砂砾岩。此外,泥岩和凝灰岩及沉凝灰岩自然伽马值都较高,一般大于100 API,此特征可区别安山岩与上下地层(图3和图4)。火山岩层的上段为爆发相与火山沉积相,岩性为凝灰岩、沉凝灰岩及火山角砾岩。

图3 哈日凹陷Y2井—Y7井—Y3井—Y1井—Y4井钻井连井剖面Fig.3 Well profile of Y2 well-Y7 well-Y3well-Y1 well-Y4 well in Hari sag

图4 巴一段火山岩与沉积岩测井参数交汇图Fig.4 Logging parameter cross-plots of volcanic and sedimentary rocks in 1st member of Bayingebi formation

总体而言,巴一段火山岩主要发育在中部,可划分为上下两段,下段安山岩厚度大,分布局限,向缓坡带边缘和深凹带尖灭;上段为火山碎屑岩、凝灰岩与火山-沉积过渡岩的混合沉积,厚度较下段安山岩稍微减薄,但分布范围较安山岩大,随着靠近缓坡带的扇三角洲和陡坡带的近岸水下扇陆源碎屑物增多,火山碎屑岩减少,火山岩尖灭。总体上研究区下白垩统火山喷发具有“先溢流后爆发”的特征。

3.3 地震识别

火山岩相由于所处空间位置及其岩石组合特征存在差异,因此,不同火山岩相的地震响应特征不同,主要表现为形态和振幅方面的差异[15]。根据井震标定结果,巴一段火山岩层的顶面和底面均具有强振幅连续反射特征(图5),内部也具有明显的上下两段结构,下段溢流相具有弱振幅断续透镜状或层状地震相;上段爆发相具有强弱相间断续层状地震相,火山沉积相具有强振幅连续层状地震相;火山中心的火山通道相具有杂乱反射丘状,且依附断层延伸。此外,溢流安山岩的地震响应随着厚度的增大,逐渐形成弱振幅或空白反射(图5)。陡坡带火山岩周缘的近岸水下扇砂砾岩(见图5(f))具有弱振幅特征,与块层安山岩具有相似的地震反射特征,与火山岩层为同时异相沉积。火山岩层上覆为浅湖相的砂泥互层夹薄层砂岩和半深湖-深湖相泥岩,砂泥互层具有层状连续反射和强弱相间振幅特征,泥岩具有层状反射和强振幅特。根据地震相特征,可利用地震剖面对火山岩相进行精细刻画(图6)。

图5 火山岩的地震响应特征Fig.5 Seismic response characteristics of volcanic rocks

图6 火山岩相剖面Fig.6 Section of volcanic lithofacies

3.4 安山岩的分布

火山岩的分布与到火山口的距离有关,通常从火山口向外依次发育有火山通道相、爆发相、溢流相、火山沉积相。火山口主要发育在构造高部位和断裂带[16]。通过地震属性、相干、叠后反演等方法,结合火山岩相模式的指导[1,12],可综合预测火山岩相及安山岩的分布特征。

在火山岩层下段均方根振幅属性图上(图7(a)),弱振幅范围即代表溢流安山岩的分布范围,内部发育的环带状振幅强弱相间区为火山通道相,周缘中强振幅范围为爆发相区域,强振幅为火山沉积相区域。将火山岩层下段均方根振幅属性图(图7(a))与2 130 ms振幅切片属性图(图7(b))相结合,可以识别出近火山口的6个环带状结构,呈串珠状分布,环带内部振幅强弱相间,剖面上则呈杂乱反射。图7(c)为火山岩相分布预测结果,结合火山喷发前古地貌图(图7(d))可知火山岩的分布与古地貌相关。火山口主要位于缓坡带Y7井所在轴向带的断裂带和Y8井所在的局部构造高点,火山口周缘早期发育溢流相,向缓坡带的局部低洼带和凹陷中心延伸,晚期演化为凝灰岩为主,范围较溢流相增大,但厚度较薄。靠近凹陷边缘随着陆源碎屑岩的增多,过渡为火山沉积相。总体而言,火山岩由西部缓坡带向东部深凹带延伸,火山岩的分布与火山喷发前古地貌特征及断裂分布相关。

图7 安山岩的分布预测及与古地貌的关系Fig.7 Prediction of andesite distribution and its relationship with palaeogeomorphology

此外,根据安山岩的弱振幅特征,在8位三维地震数据体最大振幅127的情况下,提取振幅小于70的巴一段弱振幅厚度,扣除扇三角洲厚层砂砾岩的弱振幅区域即可得到安山岩时间厚度。通过钻井约束和时深转换,即可得到安山岩厚度图(图7(e))。从安山岩厚度图可知,安山岩厚度主要为50～200 m,Y8井及Y7和Y3井所在的火山口附近厚度大为150～200 m,向西南地区及周缘逐渐减薄,且向西部的扇三角洲和东南地区的近岸水下扇地区尖灭。

4 储层综合预测

巴一段10块安山岩岩心孔隙度主要分布在3～10.18%,平均为7.76%,渗透率主要集中在(0.01～2.36)×10-3μm2,平均为1.15×10-3μm2,属于低孔、低渗—特低渗储层。安山岩的储集空间类型主要包括孔隙和裂缝两大类。孔隙类型包括原生孔隙和次生孔隙,原生孔隙主要是气孔,可见油斑显示(图2(c)),次生孔隙主要是杏仁体溶蚀孔和晶内溶蚀孔。此外,研究区下白垩统时期断裂较为发育,断裂带附近发育的构造裂缝将原生气孔互相连通起来,改善储层物性。因此,次生溶蚀孔形成后与安山岩中的气孔和裂缝共同组成了安山岩储层的储集空间。基于岩心实测孔隙度数据,建立孔隙度与声波测井AC之间的关系,计算测井孔隙度。开展测井约束叠后孔隙度反演。

4.1 反演孔隙度

不同岩性的火山岩或同一岩性不同地质条件下的火山岩有效储层敏感参数和判别标准不同,确定有效储层敏感参数和参数下限值是有效储层预测的关键所在[17]。通过实测孔隙度数据与物性相关测井曲线的拟合,发现声波时差与实测孔隙度拟合后显示较好相关性(图8(a))。因此,声波时差为安山岩有效储层的敏感参数,且含气安山岩的声波时差大于232 μm/s,孔隙度Φ>6%,为本次识别安山岩有效储层的下限。基于声波时差拟合孔隙度,用测井约束的孔隙度反演方法,得到叠后孔隙度反演体,对安山岩层段提取孔隙度大于6%的厚度,可得到安山岩有效储层厚度平面分布图(图8(b))。由图8(b)可知,安山岩有效储层在Y2井以南及Y8井附近的构造高部位较厚,可达100 m,向西南地区Y3和Y7井一带低洼带厚度减薄,呈条带状分布。

4.2 断缝预测

裂缝为火山岩储层的重要储集空间和渗流通道,是沟通气孔和改善储层物性的关键因素,因此,裂缝预测对指导火山岩油气勘探具有重要意义[18]。地震预测断裂及裂缝主要是基于地震同相轴的不连续性,常用叠后相干、曲率、倾角、方位角、落差、最大似然体、蚂蚁体追踪等方法来识别[18-20]。

本次利用相干体及水平切片技术进行断缝预测,发现研究区断裂发育北东向或北北东向两组,由控制凹陷边界的一级断裂F01、凹陷内部的二级断裂F02和F03,和其他规模较小个三级断裂组成(图9)。图9(a)为沿火山岩层顶面的倾角属性,可见图中红色区域为断裂发育区,同时代表断裂的倾角大,断距大。图9(b)高相干值成片分布的黑灰色区域断缝不发育,红黄色网状低相干值区域为断缝发育区。图9(b)显示安山岩加厚区的断缝较周边更为发育,且除北北东主要延伸方向外,还存在其他方向的断缝,这可能与安山岩相对于其他岩性脆性较大,断缝与节理更发育等有关[21]。

图9 火山岩断缝预测Fig.9 Fracture prediction of volcanic rocks

4.3 含气性检测

前人研究表明,当地层中含油、气、水时,能引起地震波的散射和地震能量的衰减,尤其当储层孔隙富含气时,地层地震波中高频能量衰减比低频能量衰减更快,造成地震频谱高频能量降低,低频能量占优[22-24]。基于以上理论基础,频谱分解技术联合地震吸收衰减属性成为利用地震信息进行含油气性检测的重要手段[22]。频谱分解是将地震数据从时间域变换到频率域,方法有傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换等,由于小波变换及S变换算法受时窗影响较小,应用较多[25]。

本次研究选用S变换谱分解方法,将原始时间域数据体转换为5 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz、25 Hz频率域数据体,计算与广义低频伴影有关的衰减异常。图10(a)表明,Y8井含气层在10 Hz频率体地震剖面上能量较强,在15 Hz频率体地震剖面上能量变弱,即10 Hz频率体为安山岩储层提前能量衰减的频率体。图10(b)所示的高振幅差为正值的黄色到红粉色区域为振幅衰减异常区,即含油气性检测的有利区,都位于火山口附近,且Y8井所在的火山口附近振幅差最大,表明该区物性及含油气性好。

图10 火山岩层含油气性检测Fig.10 Detection of oil-gas content in volcanic rocks

4.4 有利勘探区带优选

试油气结果表明,巴一段发育两类储层,分别是主力烃源岩层之下的砂岩储层与火山岩中的安山岩储层,都属于近源成藏型。如在Y5井3 248～3 253 m井段的安山岩储层获得天然气产出;在Y8井的2 136～2 170 m段岩心裂隙中见油斑与油迹,解释油气层厚度10 m。因此,安山岩为该区火山岩勘探的有利目标。

根据以上安山岩反演孔隙度、断缝分布及含气检测结果,叠合安山岩层顶面构造图可优选安山岩储层有利成藏区(图11)。哈日凹陷缓坡带与溢流安山岩相关的圈闭发育有4个,类型主要为构造圈闭和构造-岩性圈闭,圈闭均与断块或断鼻构造相关。同时,Ⅰ号、Ⅱ号和Ⅲ号圈闭都紧邻生烃凹陷分布,断裂发育,其中,Ⅳ号圈闭虽然与生烃凹陷有一定距离,但位于火山口附近,火山岩物性较好,早白垩世巴二段底部泥岩生成的油气,经断裂和裂缝沟通,易于到达缓坡带的断鼻断块区的安山岩储层(图12)。综合而言,Y8井所在的I号圈闭位于火山口附近,储层物性最好,有效火山岩储层厚度可达80～100 m,含气性检测振幅衰减幅度也最大,为安山岩有利成藏区。

图11 巴一段安山岩有效储层综合预测评价图Fig.11 Comprehensive prediction and evaluation diagram of effective reservoir of andesite in 1st member of Bayingebi formation

图12 安山岩油气成藏模式图Fig.12 Hydrocarbon accumulation pattern of andesite

5 结 论

(1)哈日凹陷巴一段火山岩层垂向上可划分为上、下两段,下段为块层安山岩,上段为凝灰岩、火山碎屑岩和过渡岩性。块层安山岩的自然伽马曲线值较低,呈微齿箱型,地震剖面上具有空白-弱振幅,低丘-透镜状形态,易与上段火山岩区别。

(2)根据火山通道相及安山岩的地震响应和属性特征,识别出火山口位置及安山岩分布范围。火山口主要沿缓坡带走向断裂呈串珠状分布,剖面上呈杂乱反射,安山岩在火山口附近加厚,最大厚度约200 m,沿凹陷缓坡带北东向展布。

(3)哈日凹陷安山岩储层属于孔隙-裂缝型储层。根据火山口和安山岩分布、孔隙度反演、断缝分布、含气检测及火山岩层顶面构造图,优选Y8井所在的圈闭为有利目标区。该区位于火山口附近,紧邻生烃凹陷,有效储层厚度大,断缝发育,油气成藏潜力最好。