徐家围子地区火山岩岩相识别机理与方法

杨学峰, 李红娟

(大庆油田有限责任公司勘探开发研究院, 黑龙江 大庆 163712)

0 引 言

徐家围子断陷是受徐西、徐中2条断裂控制的箕状断陷,为松辽盆地深层规模较大的断陷,火山岩主要发育在营城组,岩性、岩相类型复杂多样,包括流纹岩、(角砾)凝灰岩、凝灰岩熔岩、角砾岩等酸火山岩,安山岩、安山质角砾岩、安山质玄武岩、玄武岩等中、基性火山岩[1]。岩相发育爆发相、溢流相等5大相、11亚相。火山岩相控制着原生和次生储集空间的发育程度和组合规律。通常,溢流相的上部亚相、爆发相的热碎屑流亚相储层物性较好,溢流相的中部亚相、爆发相的空落亚相储层物性较差,而火山沉积相基本不发育储层,导致徐家围子断陷深层火山岩气藏发育,储层的发育和分布、气藏的规模大小受火山岩岩相的发育情况控制[2-6,17]。因此,在深层火山岩勘探开发中,岩相研究是决定火山岩储层预测精度、储量准确提交的关键因素之一。火山岩岩相识别方法主要包括地质法和地球物理法。地质法是利用岩心资料通过岩心观察、薄片鉴定等多种方法识别火山岩的成分、结构、构造等地质特征,进而划分火山岩岩相[7-12];地球物理方法是利用地震或测井资料实现岩相的识别与划分,如根据测井曲线的形态组合进行划分,这些方法是应用岩相的某一特征进行识别,很少对其理论基础进行深入研究。徐家围子断陷主要应用岩心、岩屑和地震资料划分岩相。岩心划分岩相虽然准确,但是具有不连续、成本高的问题,而岩屑和地震资料划分岩相精度相对较低,岩相识别精度仅为64.2%,亚相识别精度为52.8%,不能满足勘探开发的需求,尚没有相关的理论和成型的应用测井资料识别火山岩岩相方法,需要开展应用测井资料识别火山岩岩相的方法研究。

本文以地质理论为指导,从机理上分析火山岩岩相的成分、结构和构造特征;以此为基础,结合岩心划相结果,研究测井资料识别岩相所需的岩石成分、结构、构造图版,并针对徐家围子断陷火山岩岩相发育特征,建立火山岩岩相识别的方法和流程。

1 火山岩岩相分类

前人对松辽盆地火山岩岩相进行研究中,一般采用了王璞君等[2,17]提出的岩性-组构-成因的岩相划分方案,将松辽盆地火山岩岩相分为5个相15个亚相,该方案强调了岩相的可识别性,即可以在岩心/岩屑、手标本、剖面上识别,也可以应用测井和地震资料进行识别。通过徐家围子地区27口井的岩心观察与测井信息进行对比研究,其中5个相、11个亚相在测井上具有明显的测井响应特征,对其岩性、结构及构造特征进行了归类(见表1),这些特征奠定了应用测井信息识别火山岩岩相的基础。

2 测井识别火山岩岩相的机理

2.1 岩石成分识别机理

测井响应特征由矿物成分决定,图1为火山岩的矿物成分组合,横向表示岩石成分从超基性、基性、中性到酸性, 纵向表示了岩石矿物成分的含量,表明火山岩的矿物成分类型多样,含量变化大。为研究不同成分的火山岩的响应机理,采用通用的矿物体积模型,通过对岩石矿物组成图1进行分析及离散化,建立了41个不同成分的火山岩样品数据。其中0～8点代表超基性岩、9～16点代表基性岩、17～23点代表中性岩,24～41点代表酸性岩。

表1 火山岩岩相分类及相标志

图1 火山岩矿物组合变化简图[15-16]

图2 火山岩不同测井理论值变化图*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

按照体积模型,火山岩骨架和孔隙度为10%时(孔隙中为纯水),建立了自然伽马、中子、密度和声波时差测井响应方程,对其测井理论值进行计算

GR=GR1V1+GR2V2+GR3V3+GR4V4+
GR5V5+GR6φ

(1)

CNL=CNL1V1+CNL2V2+CNL3V3+
CNL4V4+CNL5V5+CNL6φ

(2)

DEN=DEN1V1+DEN2V2+DEN3V3+
DEN4V4+DEN5V5+DEN6φ

(3)

Δt=Δt1V1+Δt2V2+Δt3V3+Δt4V4+
Δt5V5+Δt6φ

(4)

式中,V1、V2、V3、V4、V5分别为不同的矿物体积;φ为岩石的孔隙度;GR1、GR2、GR3、GR4、GR5、GR6分别为不同的矿物测井特征值[13],计算结果见图2。

从图2可知,对岩性成分变化敏感的曲线为自然伽马测井和密度测井,从超基性到酸性,自然伽马曲线值逐渐增加,密度测井曲线值逐渐减小,为测井资料识别岩石成分奠定了理论基础。

2.2 岩石结构、构造识别机理

通过岩心刻度后的成像测井可以类似于岩心在测井评价中应用。为确定在成像测井能反映火山岩的最小结构、构造,采用数值模拟和实验室实际测量2种方式进行了结构、构造的识别机理。

成像测井通过测量井壁附近冲洗带地层电阻率,以颜色的变化刻度电阻率的大小,将井筒展开后得到成像测井图像,反映地质特征[14]。成像测井能够识别的地质体可归为点状和线状的组合。在实验室内,应用电阻率扫描成像实验装置对直径分别为10、5、2 mm的孔洞和宽度为1、2、5 mm的裂缝进行扫描成像。结果表明:①直径大于5 mm的点状体电阻率成像测井图上有响应;②线状体间距大于5 mm时,可单独成像,线状体间距小于5 mm时,图像合并加强;③点状体的成像测井分辨率下限为5 mm,而线状体成像测井图像清晰度与对比度关系较大,没有具体的分辨率下限。同时具有裂缝和孔洞的仿真计算结果显示,裂缝宽度为1 mm,电阻率20 Ω·m;孔洞半径由小到大依次为1、2、4、5 mm,电阻率为10 Ω·m。它们径向延伸均到无穷远,背景电阻率100 Ω·m。

从火山岩的地质理论研究中可知,岩相形成的环境使得不同岩相具有不同结构和构造[15-16]。研究表明,火山岩的结构和构造的大小足以在成像测井图上成像显示。测井能够识别的火山岩结构和构造分别为包括熔岩、熔结、碎屑、隐爆角砾等结构和块状、气孔、流纹、变形流纹、堆砌等构造。综合形成结构、构造的地质成因和岩心观察的结构、构造现象,建立了火山岩的结构和构造的理论模式(见图3)。

图3 火山岩典型结构、构造的理论模式图

3 火山岩岩相的测井相标志及识别方法

3.1 不同成分火山岩岩性识别

自然伽马、密度测井对火山岩岩石成分变化敏感。在实际应用中,为消除储层含气性对密度曲线的影响,将密度孔隙度与中子孔隙度进行组合,构建了如式(5)所示的新的指示曲线,并与自然伽马结合,建立了火山岩岩石成分识别图版(见图4)。

图4 火山岩岩石成分识别图版

(5)

式中,ρRHOB为密度测井值,g/cm3;φNPHI为中子孔隙度,小数。

图5 5种火山岩构造FMI测井响应

3.2 火山岩构造识别

火山岩构造是指组成岩石的各部分(集合体)在形成岩石时,在排列充填其空间方式上所构成的岩石特点。火山岩构造是不同环境下火山成岩时的产物,是识别火山岩岩相、亚相的重要相标志。在岩心观察基础上,结合前人研究成果,总结测井能够识别的构造5种主要构造:块状构造、气孔、气孔杏仁构造、流纹构造、变形流纹构造、堆砌构造(见图5)。

块状构造[见图5(a)]。岩石中矿物组分均匀分布所造成的一种构造。组成岩石的矿物在岩石中无定向排列,岩石各部分在成分和结构上都一样,图像整体上由高低阻基质组成。微电阻率扫描成像测井(FMI)图像上为高阻亮色分布,但常被裂缝切割,呈现出高阻背景下的暗色条纹,但整体较均一。

气孔杏仁构造[见图5(b)]。岩浆沿地壳裂隙喷溢于地表,在流动冷凝过程中,所含的挥发物质向外逸散,留下空洞,有圆形、椭圆形及其他不规则的形状,这样,该类喷出岩就具有气孔状构造了。气孔构造被岩浆后矿物所充填,形成杏仁构造。气孔的形状有所不同,有时拉长有一定方向性。气孔后期被绿泥石等黏土矿物重填或充满流体,导电性能强,因此气孔显示为高阻亮色背景下的暗色斑点状,同时由于气孔是在流动过程中形成的,因此与流动方向及形成环境有关,是火山岩岩相的重要标志。杏仁则由于充填物与原岩成分差异,则可能显示为亮色和暗色2种情况。

流纹构造[见图5(c)]。当岩浆流溢于地表,由于其中的矿物具有色调的差异性,在流动过程中,造成由不同颜色的条纹和拉长的气孔等表现出来的一种流动构造,是酸性火山岩中最为常见的构造。它是由不同颜色,不同成分的条纹,条带和球粒,雏晶定向排列,以及拉长的气孔等表现出来的一种流动构造,是在熔浆流动过程中形成的。FMI图像表现为条带状明暗相间的条纹,条纹连续性好,亮色部分主要成分是熔浆,暗色条纹主要成分是一些暗色矿物及充填有导电能力较强的气孔。

变形流纹构造[见图5(d)]。有强烈揉皱状的流纹构造,包括流面构造和流线构造。成像图像上整体表现为杂色,低阻橙色基质明暗相间,近于等距的正弦线组成流纹面,黑色低阻条纹切割流纹面,呈现明显地强烈揉皱状流纹构造,属不规则明暗相间条带状模式,具有明显变形流纹构造。

图6 常见火山岩构造图

堆砌构造[见图5(e)]。堆砌构造是刚性和/或塑性火山角砾别较细粒火山物质或熔浆胶结,形成貌似混凝土状的火山岩角砾/集块(熔)岩。其中刚性角砾无磨圆,塑性浆屑和基质少见流动拉长现象。FMI图像上高阻亮斑状的火山角砾呈混凝土状混杂堆积,不具分选和磨圆。

3.3 火山岩结构识别

火山岩结构是指岩石物质组分的结晶程度、颗粒大小、形态特征以及它们之间的相互关系等。火山岩中,不同的结构往往代表着不同的地质成因,是火山岩岩相重要的标志。常见的火山岩结构包括:熔岩结构、碎屑熔岩结构、熔结结构、隐爆角砾结构、碎屑结构(见图6)。

熔岩结构[见图6(a)]在火山岩中最为常见,是识别火山熔岩的重要依据。熔岩结构是指在岩心上不具有粒度特征的斑状结构、交织结构和少斑结构,3种结构在成像上难以区分,故合称为熔岩结构。在成像图上整体由色调均匀的高阻亮色及中低阻橙色基质组成,不具有粒状特征,属块状模式。熔结结构[见图6(b)]是塑性玻屑、岩屑等经火山灰流运移堆积时,靠本身的高温溶结而成,塑性岩屑发生压扁变形、定向拉长。这些碎屑呈近平行状分布,可含有刚性岩屑和晶屑,是火山碎屑流亚相的典型标志。FMI图像上可见高阻亮色的蠕虫状浆屑平行排列,压扁拉长特征明显,气孔较发育。隐爆角砾结构[见图6(c)]是在火山口附近或潜火山岩体的顶部,由于强烈爆破使岩体本身及其顶部围岩破碎成大小不等的各种角砾,被其自身成分或某些气液矿物胶结形成,角砾形态多为棱角状、次棱角状,是识别隐爆角砾岩亚相典型标志。在FMI图像上显示为不规则组合亮斑模式和亮暗截切模式,具有明显的隐爆角砾结构特征。火山碎屑结构[见图6(d)]是指火山爆发所产生的火山碎屑的总称,是碎屑含量达到90%以上并被相应的更细小的碎屑(通常为火山尘)压实固结所产生的结构。火山碎屑一般为刚性岩屑和晶屑,无压扁拉长特征。成像图上显示角砾结构清晰,高阻亮色角砾大小不均,粒度之间相互支撑,混杂堆积,棱角清晰,不具磨圆特征。碎屑熔岩结构[见图6(e)]熔岩流动中由于地形与地貌的影响,或后期风化淋滤作用,熔岩破碎形成具有火山碎屑结构特征的火山熔岩。碎屑大小不一,成分相同,碎块之间具有很好的复原性。常位于溢流相顶部。FMI图像上不连续线状模式背景下的亮斑模式,显示出裂缝切割与碎屑颗粒状。

4 火山岩岩相识别方法及流程

4.1 沉积岩和火山岩的识别

沉积岩在常规测井上电阻率较低,成像测井图像上具有明显的沉积构造。当沉积岩的母岩是火山岩时,其胶结成分为凝灰岩,火山岩与沉积岩则较难区分,但在地层元素俘获能谱测井(ECS)资料上沉积岩的钆、钙、铁、钛元素含量均较低。因此,应用ECS测井岩性识别图版(见图7)和成像测井模式图综合识别火山岩与沉积岩。

图7 沉积岩(砂砾岩)与火山岩测井识别图版

4.2 火山岩岩石成分、结构、构造识别

不同成分的火山岩代表不同岩浆源喷出地表的产物、岩浆岩成因以及形成环境,具有不同的喷发旋回。应用火山岩常规测井岩性识别图版(见图4)识别火山岩的岩石成分。

电成像测井能够提供直观的井下地层岩石物理图像,可以直观反映岩石的结构、构造特征。应用结构、构造识别图版(见图5和图6)识别火山岩的结构、构造特征。

4.3 火山岩旋回与期次的界面识别

火山喷发过程中,一般在喷发能量变化上具有从强到弱的规律,形成的岩相类型也呈现出有规律地变化。因此,先确定火山岩旋回与期次的界面,能够提高测井划分火山岩岩相的精度。例如,火山岩期次内部结构特征表现为相序连续或准连续,火山活动强度变化过程:弱—强—弱、强—弱等,对应的相序变化:喷溢相—爆发相—喷溢相(/侵出相/火山通道相)、爆发相—喷溢相(—侵出相/火山通道相)。根据王璞珺等[2]的研究成果,火山岩旋回、期次的界面包括沉积夹层、风化壳、岩性界面和火山灰层,以岩心划分界面为基础,总结研究区界面的测井响应特征见表2,以此识别期次和旋回。

表2 期次/旋回界面的测井响应特征表

4.4 火山岩岩相和亚相划分

火山岩岩相成因研究及岩心资料表明,火山岩成分、结构、构造是火山岩岩相测井识别的相标志。在期次/旋回界面内,应用岩心划相结果对岩相分类标志进行刻度后(见表1),根据表1中的对应关系划分火山岩岩相。

5 应用效果

×S××井的3 860～3 890 m井段岩性为流纹岩;电成像测井图像上表现为条带状明暗相间的条纹,条纹连续性好,亮色部分主要成分是熔浆,气孔发育,呈圆形与流纹平行,是流纹构造,为溢流相上部亚相[见图8(a)]。4 041.0 m～4 088.0 m井段岩性为熔结火山角砾凝灰岩,电成像图像上表现为高阻亮色的蠕虫状浆屑平行排列,压扁拉长特征明显,气孔较发育,是熔结结构,为爆发相热碎屑流亚相[见图8(b)]。

应用该方法对徐家围子地区132口井的火山岩岩相进行了划分,经24口井42个层取心段地质相验证,岩相符合率为84.6%,亚相符合率为77.2%。

6 结 论

(1) 以地质理论为基础,采用数值模拟和实验的方法,分析测井识别火山岩岩相成分、结构、构造的机理。

(2) 在地质相分类特征基础上,提取了火山岩成分、结构、构造等相标志,建立了常规测井识别火山岩成分图版,成像测井识别结构、构造的模型图。

(3) 测井识别火山岩岩相的方法在徐家围子断陷火山岩识别中,岩相与亚相识别符合率较高,应用效果较好。

图8 ×S××井岩相识别成果图*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

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