國外火山巖油氣藏勘探技術研究

陳弘 (大慶油田勘探開發研究院)

國外火山巖油氣藏勘探技術研究

陳弘 (大慶油田勘探開發研究院)

隨著世界上越來越多的火山巖油氣藏被發現,火山巖作為油氣的主要儲集巖類之一,已成為油氣勘探與開發不可忽視的領域。近年來,火山巖油氣藏已在世界20多個國家300多個盆地或區塊中發現。火山巖油氣藏的勘探已有一百多年的歷史,國外火山巖油氣藏規模一般較小,但也有高產大油氣田。對國外火山巖油氣藏勘探技術進行歸納和總結,重點對重磁技術、地震技術和測井技術進行了詳細的論述,這對我國火山巖油氣藏勘探具有一定的參考價值。

火山巖油氣藏 重磁技術 地震技術 測井技術

隨著能源需求的日益增長,石油與天然氣的勘探、開發領域也在不斷地擴展,火山巖油氣藏作為油氣勘探的新領域,已引起了廣大石油工作者的關注。近年來,火山巖油氣藏已在世界20多個國家300多個盆地或區塊中發現。據統計,在沉積盆地中,火山巖可占到充填體積的?4,一旦具備成藏條件,可形成大型、超大型油氣田[1]。

Schutter通過綜合分析全球范圍內100多個國家已發現和開采的火山巖油氣藏認為,火山巖中可以蘊含具有重要商業價值的油氣資源。火山巖可以具備好的儲集性能,并可形成其特有的圈閉結構。

1 地質方法、成象、油氣苗觀察

1.1 地表成象

火山巖具有區域構造變形的特征,因此成象能反映深部構造。日本新瀉盆地的許多油氣田都是通過地表成象發現的,而該地區較厚的火山巖覆蓋區致使地球物理勘探技術應用效果不好。局部的火山相關構造也可以通過成象識別,如得克薩斯“蛇紋巖塞”油田中最大的Lytton Springs油田,地表有易識別的隆起,顯然是火山之上的壓實隆起形成的。

1.2 攝影地質和衛星圖像

補給巖墻群會呈現出輪廓,侵位后的構造較明顯,而侵位前的特征 (如先前的玄武巖)可能只在火山巖覆蓋區邊緣以下能看到。應用攝影地質和衛星圖像在華盛頓和俄勒岡州識別出玄武巖覆蓋區之下的哥倫比亞盆地。

1.3 地表油氣苗觀察

墨西哥Cuban蛇紋巖油田區和 Golden Lane地區是火山巖油氣苗的實例。火山巖和圍巖的界面通常是運移途徑會出現油氣苗,這些油氣苗會通向大油氣區的開口處。

1.4 地球化學方法

在哥倫比亞溢流玄武巖中,甲烷集中于斷層和裂縫附近,可以從玄武巖以下埋藏的沉積物中逸出。同位素分析識別出甲烷的生物成因和熱成因組分,其中熱成因部分顯然來自深部埋藏的煤層。在內華達州應用土壤氣觀察確定了熔結凝灰巖油田范圍,即通過泄漏的邊界斷層確定。

2 重磁技術

鎂鐵質火山巖的重磁數據比較可靠,因為它們呈現出與區域沉積物的數據較大的差別。而長英質火山巖與圍巖之間具有相對較低的密度差異,且通常不具磁性。

重磁方法取決于局部條件,如火山之下的侵入體和小的破火山口 (直徑＜15 km)通常具有正的重力異常,原因是侵入體和較早的噴出巖的差異。較大的破火山口具有負的重力異常,原因是硅質侵入巖 (含有不同量的凝灰巖)和周圍巖漿巖的差異。新西蘭 Taranaki盆地的一些埋藏火山具有較強的重力和磁力異常,而另外一些則沒有。

澳大利亞南部的Otway盆地應用航空磁測結果中大范圍的不規則性解釋為溢流玄武巖的起伏,密集的高幅異常解釋為火山中心。北卡羅來納州Durham盆地的地面磁測和重力測量模擬120～25 m厚輝綠巖席結果表明,接觸變質帶的角頁巖具有足夠的磁性,有類似輝綠巖的特征。

圖1是印度西海岸海上布格重力圖。雖然海岸大陸架相對較窄,但通過綜合重力資料和 (陸上)地質資料能夠描述高級和低級區的各種特征。通過不同的重力特征將大陸架劃分為不同的區,A區是Kutch盆地的海上部分,重力特征表現為相對低頻負異常,表明有較厚的盆地充填,從井數據所得的較厚的次玄武巖沉積物堆積也可證明。B區呈現的是大西洋邊緣環形火成巖復合體的環形重力高頻特征,解釋為德干期的火山中心。C區是Saurfshtra背斜,一個西—北西—東—南東走向的背斜構造,是火成巖復合體以西—北西—東—南東走向向陸上延伸。結合陸上井數據和地震折射數據,分析結果為,在地壘斷塊上1.5 km厚的德干圈閉以下有約1 km厚的中生界沉積層,這說明C區的重力高頻特征反映的是相對薄層的沉積物和較淺的基底,與德干期侵入體伴生。D-F區延續了陸上的重力高特征,歸因于德干期深部巖漿房及侵蝕和埋藏火成巖復合體。Mumbai附近的流紋巖流特征 (F區)表明,重力高與演化火成巖復合體有直接關系。濾波數據顯示 G區特征是更高頻線型重力高,解釋為更早的基底隆起,可以由一些洋脊元古代花崗巖和片麻巖鉆井資料證明。H區相對接近于陸地-海洋邊界,位于＞2 km的深水范圍內,高頻似環形重力高表明該區擁有大量的德干期火成巖復合體,這也和Laxmi洋脊及附近東部盆地巖漿板底作用的重力和地震特征相吻合。I區有一個較寬的重力低值區,表明存在一個較厚的沉積盆地,但該區埋藏了5 km以上的德干期圈閉玄武巖。總之,以上分析表明Kutch盆地海上區帶1和區帶2是次玄武巖遠景區,取決于玄武巖的厚度和埋藏深度。

圖1 左:布格重力圖,海洋衛星1 min網格大小。虛線為陸洋邊界,TJ=三合點,白線表示熱點路徑,LR=Laxmi洋脊,EB=東部盆地。右:50 km高通濾波布格重力圖,高幅近圓形極可能表示火山中心,線性特征可能表示巖漿基底 (白線圈定區域),區帶1(Kutch盆地)為無高幅特征區域,說明有較厚的前和后玄武巖盆地,有不同井證明。區帶2(Bombay海上盆地)也表明有一個較厚的盆地,井數據證明以后玄武巖為主[2]

3 地震技術

未蝕變火山巖的聲波速度較高 (表1),有的噴出巖也很高,如未蝕變熔巖流,但火山碎屑巖和蝕變火山巖的聲波速度變化很大。侵入巖可以從低速沉積物中識別出來,盡管近垂直巖墻可能會模糊。溢流玄武巖和其他火山巖識別有一定難度,如果未經風化,地形起伏較少,無沉積物互層,則內部和外部地震反射會很好。

表1 火山巖聲波速度[3]

國外應用多種技術改善火山巖地震資料的解釋結果。在科羅拉多的圣胡安凹陷火山巖覆蓋區采用地震測量,那里有多種露頭巖性:安山巖和火山碎屑巖的地震資料品質較好,灰流凝灰巖資料較差,玄武巖資料也較差。震源影響極小。埋藏玄武巖通常會消除地震資料,因為它比上覆沉積巖有較強的阻抗。侵入巖 (如輝綠巖)會使低頻地震能量急劇衰減。

哥倫比亞高原玄武巖以下的次盆地的地震測量結果顯示,具有高覆蓋次數 (125～200)的可控震源有一定效果,但構造輪廓還是靠反射層的組合識別,而不是單個的同相軸。弓形射線波有助于確定玄武巖厚度,沿斷層帶的角礫巖化會引起顯著的速度異常,使斷層容易識別。在巴西 Parana盆地,使用聚能炸藥可控震源能夠提高穿透巖石的能量,從而得到較好的數據。可控震源和炸藥是盆地最好的震源,在需要彎曲側線的地形條件惡劣地區極有必要,可以解決與巖席和巖墻有關的繞射以及溢流玄武巖中高頻損失等地質問題。炸藥震源提供較好的信噪比,具有較高的高頻數據信息。

較長的偏移距 (＞18 km)和較大的炸藥包會使混響減到最小,因為只用初至波分析玄武巖底部和到基底的深度。在法羅-設得蘭盆地,長偏移距 (36 km)有助于識別溢流玄武巖以下的沉積巖,較大的氣槍能產生有用的低頻波。總之,高能炸藥、長偏移距技術能改進誤差超過10%的常規地震資料,但是在識別玄武巖-沉積巖界面方面仍有局限。

適當的速度模型和靜態分析都會提高地震資料的品質。在愛達荷州Snake River平原近地表玄武巖和沉積巖互層的地震測量中發現快速的橫向變化,說明這種淺層測量有助于常規地震測量的靜校正。在內華達州灰流凝灰巖以下的地震資料處理中,靜態分析是主要問題,所以在采集三維地震資料的同時,也進行高分辨率重力測量,并將其用于解釋近地表橫向變化,從而提高地震資料品質。

一些火山巖呈現的地震特征可用于解釋火山碎屑巖等 (主要有凝灰巖、火山碎屑巖和外生碎屑沉積巖)。這些火山碎屑巖因為熔融或早期交結會具有較高的阻抗,大量溶解凝灰巖和火山碎屑崩落層可能會成為較好的地震標志層,而火山碎屑流和火山泥流不連續。

玄武巖覆蓋地區也不都有很差的地震資料, Golan Heights是沙特阿拉伯東北部、約旦和敘利亞的Harrat Ash-Shamah大片火山巖區的一部分,那里的玄武巖覆蓋區就有極好的地震資料。敘利亞南部的高原玄武巖厚達1 150 m,地震資料品質較高的原因可能是在雨季采集,風化的玄武巖被浸濕,減少了速度變化。

在設得蘭群島西部應用了地震速度分析法確定大片火山巖的范圍,識別出次玄武巖沉積物地區及火山巖層段的內部構造。

在土耳其東南部玄武巖覆蓋區的Beykan油田,早期用二維地震解釋為一個帶有一系列橫斷層的背斜,而三維地震解釋結果為90°旋轉,是一個逆沖斷層。

在北大西洋地區應用了折射波地震資料的埋藏溢流玄武巖成像,能夠識別次玄武巖的存在位置及其厚度,但不能識別其內部構造。

火山巖被動陸緣和其他大型噴出火山巖構造通常具有較好的內部和次火山巖反射層。Planke等提出了地震火山地層學的概念,與地震地層學相似,識別出一套清晰的地震相。結合挖掘樣和取樣井數據,對比所形成的玄武巖區的地震相和火山相,這些相可以用來解釋火山活動史。其中有許多只和油氣勘探有著很少的關系,古濱線和陸緣沉降史的位置變化很重要。這一地震火山地層學概念只在被動陸緣和相關的大型玄武質火山巖區應用過,而小型火山巖區,以及大型鎂鐵質火山巖區 (如熔結凝灰巖)沒有用此概念系統分析過。

3.1 疊前深度偏移技術

2008年,在大西洋東北邊緣地區由ION/GXT采集和處理了新的地震資料,設計了疊前深度偏移處理,目的是對覆蓋了該地區大部分的較厚 (1～3 km)的古近紀玄武巖進行精確成像。用17.5 m氣槍和18 m等浮電纜深度來提供20～30 Hz時的最大能量輸入。數據記錄為18 s,對整個地殼構造進行成像 (圖2)。全部數據都利用迭代模擬所得的速度進行疊前深度偏移處理。

圖2 2 500 m炮檢距源點的射線軌跡

法羅-設得蘭盆地和More盆地覆蓋了較厚的古近系玄武巖,影響了油氣勘探。法羅地區直鉆了2口井,可知玄武巖較估計的更厚。底部玄武巖是一個過渡帶,在底部無清晰的地震同向軸,但是深層地震反射層在許多地區有清晰的成像。顯現大規模的新生界褶皺和中生界斷塊構成中生界儲層和侏羅系烴源巖的潛在圈閉。以前未能識別出這些構造。

3.2 垂直地震剖面 (VSP)技術

斯倫貝謝公司在Newuquen盆地La Banda區塊YPF Nq.LoAm.x-1探井中應用了先導VSP技術,該區塊全部被Auca Mahuida火山復合體的火山巖覆蓋,在該井位估計地表火山巖厚度為100～150 m。地震目標為兩個火山體,為侵入巖席:深層Cuyo群和淺層Vaca Muerta泥巖。

玄武巖影響了地下高頻恢復,地面地震資料分辨率較低,OVSP有助于解釋的成像結果。該項目分兩個階段,第一階段是采集地表至2 480 m的ZVSP,第二階段采集2 480～3 580 m的ZVSP和OVSP。第一個 VSP數據用于校正模型,確定OVSP的最佳位置 (基于測量設計)。第二階段,通過ZVSP估算Q值,通過OVSP得到偏移成像,并利用ZVSP進行聲阻抗反演。最后,將所有數據合并,得到完整的時深關系、走廊疊加和Q值估算。

首先要進行預測量模擬和設計,利用該區幾口井的不同地震剖面、地質解釋和速度的構造信息建立模型,將模型成功應用于第一次VSP采集,進行走時反演。測試不同炮檢距,以確定能夠避免或減少玄武巖影響并得到較好的地下P-P成像覆蓋區的最佳值。圖2給出2 500 m炮檢距的射線軌跡。根據模擬分析結果,源點選在向南方向2 500 m,但野外勘查后,由于該區地面障礙而選在2 160 m。

第一階段ZVSP采集的數據品質表明6～80 Hz帶寬具有較高的信噪比,VSP和校驗炮能級用于校正速度模型,更新深度預測,以便減少鉆井不確定性。

第二段用VSI工具采集ZVSP和OVSP,在每個位置用一個單振動單元作為地震能量 (觸發式)優化采集時間。在現場用 WaveR軟件進行實時QC監控。現場數據通過Interact傳送到斯倫貝謝數據和咨詢服務中心,優化處理階段的響應時間。

在處理階段的第一步,將兩次ZVSP數據合并,這些數據集具有較高品質 (圖 3),在接近2480m處的明顯變化可能是由于不同采集條件引起,在數據處理時較正。

圖3 ZVSP原始數據疊加Z[4]

井下地震技術用于地震處理,可以保存振幅和頻率,并提高P波質量。基于速度模型的中速度濾波器用于P波改善。圖4中DSI和VSP的P波符合較好。

利用光譜比方法得到171.9 m～2 480 m MD級之間的Q=66(圖5)和2 500 m～3 540 m MD級之間的Q=88。

在先導VSP過程中,貝葉斯聲阻抗反演包括1D反演至聲阻抗預測高壓區,輸出為寬帶稀疏反射率序列和締合阻抗曲線。

反演技術用于優質原始數據疊加的速度反演。對3 580～1 600 m進行標準單一Z軸處理,得到走廊疊加。反演結果顯示出井下的一些變化,尤其是基于井下預測速度2.5 s處,該時間對應SRD的4 300 m·MD(圖6)。

圖4 聲波校準和零漂移線[4]

圖5 Spectral ratio Qp估算,最佳值Q=66[4]

圖6 TWT的上行波場和ZVSP反演的聲阻抗測井曲線[4]

第二階段OVSP處理結果的數據品質較高,包括場炮檢距。可以清晰地觀察到壓縮下行和上行能量,以及垂直分量Z中轉換的剪切能量。

為了精確定位每個反射點的時空位置,在反褶積之后用GRT(廣義拉冬變換)偏移法對上行波場進行偏移,這一過程利用ZVSP和OVSP反演的速度模型,即通過聲阻抗反演得到的井下速度值。

得到的OVSP成像與地面地震剖面擬合較好,顯示出較高頻部分,有助于確定標志著Precuyo群頂界的反射層,是該項目的次要目標。此外,成像上部顯示出較好的Quintuco-Vaca Muerta組的對比關系和可靠的振幅,及其相關的巖席。同時,還顯示出一個侵入La Manga組以下的厚的火山體。在解釋為巖席的位置沒有表現出高振幅反射層。

4 大地電磁方法

大地電磁 (MT)方法適用于近地表火山巖, MT不具有很高的分辨率,因此可以用來識別盆地的大致構造,尤其是結合地質數據,并且綜合其他地球物理方法。MT資料有助于模擬沉積層段的高電阻率火山巖,尤其是火山巖覆蓋區地震資料品質不好的區域。MT資料結合地震和井數據還有助于識別地下火山巖堆的輪廓,也可以模擬玄武巖儲層的不同火山巖巖性和儲層特征。

巴西Parana盆地大規模應用了MT測量,其結果用來確定具體目標區和更高分辨率測量的有利地區。總體上,確定構造輪廓,如溢流玄武巖的厚度、到基底的深度和伸展巖墻的發育范圍,也可以確定低電阻率 (偏泥)或高電阻率 (偏砂或巖席)層段。

MT方法應用于土耳其東南部100～200 m深的玄武巖效果較好。結果顯示,最主要的變量是玄武巖本身的電阻率,它可能有兩個數量級的變化,取決于裂縫和含水飽和度。

Matsuo等開發了三維MT測量方法,應用于日本北部秋田盆地的一個砂質凝灰巖儲層,能夠確定火山巖 (玄武巖、酸性凝灰巖)和富含火山巖的沉積巖混合的地區的構造。

在愛達荷州東部Snake River平原的火山巖覆蓋區進行了實驗性研究,即同時應用重力、MT、地震折射波和反射波測量。結果表明,同時應用集中方法提高了解釋結果的可靠性。其中涉及MT的主要因素有近距離的測量點、測量線與火山巖邊緣垂直、以及足夠的火山巖飽和度。淺層、干燥的火山巖具有多孔性,會有沉積物混流,電阻率較高,速度較慢 (2～3 km/s),而水面以下稍深的火山巖 (有較多的熔融凝灰巖)電阻率較低,速度較快 (5.3 km/s)。

在俄勒岡中北部哥倫比亞高原玄武巖覆蓋區應用了幾種地球物理技術,大地電磁技術用來約束地震解釋。此外,重力數據用于更大范圍解釋。結果表明,MT數據需要近地表靜校正,以識別近地表電阻率變化。舜變電磁法 (TEM)確定近地表變化效果較好。

5 地質建模

研究盆地史有助于了解區帶概念。如,可能發育巖墻的地區可通過與巖墻有關的圈閉來研究,古斜坡及其對地形的影響可以用于研究埋藏地形圈閉的勘探,凈巖席厚度的等值線圖可用于與巖席有關的圈閉及成熟史研究。如果巖席取決于上覆巖層的特征,則可能模擬盆地中可能有巖席的區域。另一個方面是地史模擬,如Parana盆地發現的一個非工業性天然氣藏。在東格陵蘭曾應用盆底建模勘探一個部分被溢流玄武巖覆蓋的侵入盆地。在該區,溢流玄武巖侵位時間為1～2 Ma,對地史模擬有很大影響。

6 測井分析

測井資料的解釋取決于火山巖的類型 (表2)。如,鉀長石含量會影響自然伽馬測井曲線,孔隙度測井曲線會受到云母或黏土改性產物的影響,火山巖儲層的裂縫起到重要作用,能夠提供并連通孔隙空間,所以許多測井分析就是直接進行裂縫分析。

測井可以識別流動單元,熔結凝灰巖中的儲層單元和電測井響應表現為侵位后的冷卻史、風化和構造活動,熔融降低孔隙度,增加裂縫和電阻率,井徑測井也有一定效果。流紋質熔結凝灰巖中,類似的硅質碎屑模式 (風化形成寬的、沖蝕孔)則相反:脆性、少量蝕變流形成溶洞,而含沸石或黏土的蝕變凝灰巖會更多地交結、致密。

溢流玄武巖的許多電纜測井解釋結果表明,即使是自然電位測井也有很好的效果,因為有相對于未風化的內部流動層的風化和高滲透層。

在科羅拉多南部圣胡安凹陷的火山巖中,應用自然伽馬測井作為硅質百分比的定性判斷指標。此外,火山泥流具有可從巖屑中識別的骨架碎屑,所以火山巖裙中的火山泥流旋回可以通過測井和巖屑識別。

內華達地區電纜測井結果只是臨界值 (因為有活躍的淡水層),鉆桿測試是最好的裸眼評價方法。Java盆地Jatibarang油田的儲層評價得到相似的結果。最適合的方法是評價幾種測井資料,盡管自然電位和電阻率測井效果最好。最好的儲層評價結果來自巖屑、泥漿漏失帶 (表明有裂縫)和鉆速的觀察。

7 結論

國外火山巖油氣藏勘探、研究程度總體較低,雖然發現了眾多油氣藏,但多為偶然發現或局部勘探,尚未作為主要領域進行全面勘探和深入研究。目前,全球火山巖油氣藏探明油氣儲量僅占總探明油氣儲量的1%左右[5]。

地質學中火山巖的研究歷史很長,但火山巖油氣藏研究還處于起步階段。在勘探技術方面,國外近幾年主要應用重磁技術、地震技術、測井技術等,其中北大西洋和阿根廷等地區應用多種地震采集、處理方法改進了玄武巖成像及解釋結果。

[1]姜洪福,師永民,張玉廣.全球火山巖油氣資源前景分析[J].資源與產業,2009,11(3).

[2]MaxRohrman.Prospectivity ofvolcanic basins:Trap delineation and acreagede-risking,AAPG BULL ETIN,2007,6.

[3]Stephen R S.Hydrocarbon occurrence and exploration in and around igneous rocks,Hydrocarbons in Crystalline Rocks,2003.

[4]Leonardo Rodriguez Arias et al.Look Ahead VSP, Inversion,and Imaging From AVSP and OVSP in a Surface Basalt Enbironment:Neuquen Basin,Argentina,SPE 107944,2007.

[5]鄒才能,趙文智,賈承造.中國沉積盆地火山巖油氣藏形成與分布[J].石油勘探與開發,2008,35(3).

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.11.002

2010-05-18)