萊州灣凹陷中生代火山巖巖性巖相特征與儲層關系

劉曉健，王清斌，代黎明，郝軼偉

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

火山巖油氣藏的勘探歷史悠久，國內外陸續發現了大量火山巖油氣藏[1–8]，美國、阿根廷、日本等30多個國家均有火山巖油氣田被發現，國內準噶爾盆地、吐哈盆地、遼河盆地等多個盆地也相繼獲得多個火山巖油氣勘探突破。目前，在全球范圍內已發現300余個與火山巖有關的油氣藏或油氣顯示[9]，探明的石油地質儲量達18.38×108t，占全球石油地質探明儲量的1%左右[10–11]，火山巖油氣還處于較低勘探程度階段。油氣在火山巖中能否成藏與儲層密切相關，而儲層發育程度受火山巖巖性、巖相控制作用明顯。馮子輝等[12]認為火山巖原生孔隙受巖性和巖相控制，后期成巖改造作用是決定原生孔隙不發育的火山巖能否成為有效儲層的關鍵因素。侯啟軍[13]在對松遼盆地火山巖儲層研究中認為火山巖結構和相帶控制了儲層展布，成巖作用和構造裂縫控制了儲層的有效性。因此，確定火山巖巖性、巖相和巖石學特征，既是火山巖儲層研究的基礎，也是火山巖儲層儲集空間類型、分布規律及其成因機制研究的前提[14–15]。

渤海灣盆地中生代火山噴發強烈，火山巖分布基本覆蓋了整個海域范圍。渤海油田在多年火山巖油氣勘探中，鉆探了錦州20–2、秦皇島30等多個中生代火山巖含油氣構造，但至今尚未發現規模性油氣藏。究其原因，海域受資料錄取的限制，火山巖地震資料品質差，用地震資料識別火山巖相難度較大；另外，火山巖巖性復雜，儲層非均質性強，對成藏規律還認識不清。尤其是在海上高勘探成本、少井、少巖心的情況下，對火山巖油氣藏的勘探難度更大。2016年渤海油田在海域南部萊州灣盆地鉆探了墾利16構造，發現高豐度油氣藏，取得了中生界火山巖油氣勘探的突破。本文通過巖心觀察描述、鑄體薄片、成像測井等資料，對墾利16構造中生代火山巖開展巖性識別和巖相類型劃分，探討了巖性巖相對儲層的控制作用，并建立了該區火山巖相序以及不同巖性巖相與優質儲層的響應關系，為該區火山巖油氣勘探提供基礎的地質資料。

1 區域地質背景

萊州灣凹陷位于渤海海域東南部，面積約1 780 km2，是中生界基底上發育的新生代斷陷[16]，凹陷東為魯東隆起區，西鄰青東凹陷，南靠濰北凸起，北接萊北低凸起[17]（圖 1），整體上是受東西兩側郯廬走滑斷層和北部邊界斷層共同作用所形成，剖面上表現為北斷南超、東斷西超的地質結構[18]。始新世早期是盆地斷陷形成期，始新世晚期到漸新世是盆地走滑作用階段，盆地進一步發生漸進裂陷伸展，使斷陷湖盆繼續發展，新近紀是盆地凹陷形成階段[19]。勘探實踐證實，萊州灣凹陷是一個小而肥的富烴凹陷[20]，至今仍屬于低勘探程度區，尚有較大勘探潛力。

2016年渤海油田鉆探了萊州灣凹陷南斜坡墾利16構造，在中生界火山巖地層取得了較好的油氣發現，該區中生界主要發育白堊系下統義縣組，巖性以凝灰巖、火山角礫巖、安山巖和沉火山角礫巖為主。

圖1 萊州灣凹陷構造地質概況

2 火山巖巖性特征

萊州灣凹陷中生界主要發育三大類巖石類型：火山熔巖（原地自碎角礫化熔巖、氣孔杏仁安山巖和碎裂安山巖）、火山碎屑巖（凝灰巖、火山角礫凝灰巖和凝灰質火山角礫巖）和沉火山碎屑巖（沉凝灰巖和沉火山角礫巖）。

2.1 火山熔巖類

火山熔巖主要為安山巖，主要分布在墾利16構造的東部地區，巖石多為褐灰色和深灰色，斑狀結構，巖石礦物成分主要由斑晶和基質組成，斑晶主要由斜長石、角閃石組成，斑晶蝕變嚴重，角閃石和斜長石表面均見綠泥石化、泥鐵質化和白云石化，基質主要為大量板條狀斜長石微晶，斜長石平行–半平行分布（圖2a），局部見黑云母，鏡下常見氣孔–杏仁構造，部分氣孔被綠泥石、白云石和鐵白云石等礦物充填或半充填。按相帶和結構不同分為原地自碎角礫化熔巖、氣孔杏仁安山巖和碎裂安山巖。

2.2 火山碎屑巖類

火山碎屑巖是火山作用形成的各種火山碎屑堆積物經過“壓實固結”而成的巖石[21]。研究區火山碎屑巖全區分布廣泛，依據火山碎屑含量和碎屑物粒度分為凝灰巖、火山角礫凝灰巖和凝灰質火山角礫巖。凝灰巖蝕變強烈，巖屑主要為凝灰巖巖屑，晶屑主要為黑云母，見少量長石、石英，凝灰質可見伊利石化（圖2b）。火山角礫巖主要由火山角礫和凝灰質組成，其中火山角礫占 60%～70%，凝灰質占30%～40%。角礫成分為安山巖，基質為凝灰質（火山玻璃質），鏡下可見基質脫玻化作用較強（圖2c）。

2.3 沉火山碎屑巖類

沉火山碎屑巖是火山碎屑巖和沉積巖的過渡類型，受火山作用和沉積改造雙重控制，依據碎屑粒度可分為沉凝灰巖、沉火山角礫巖和沉積塊巖。研究區沉凝灰巖主要為紫褐色，為氧化暴露環境，巖石成分主要由細小的晶屑、巖屑和火山塵組成，晶屑主要見長石和石英，巖屑主要為安山巖巖屑，碎屑顆粒不同程度的磨圓，晶屑巖屑含量約20%，凝灰質約80%。凝灰質多已蝕變為鱗片狀、纖維狀水云母。

沉火山角礫巖主要呈雜色，角礫成分復雜，主要為安山巖、凝灰巖，顆粒分選較差，火山角礫粒徑一般2～4 mm，最大可達12 mm，呈棱角–次棱角狀，巖石主要由火山角礫、巖屑、晶屑和細小的火山物質組成。火山角礫粗大，含量約占40%；晶屑主要見中性斜長石、石英，含量約10%；巖屑主要為安山巖和流紋巖巖屑，含量約占25%；細小的火山凝灰質，分布角礫間，含量25%左右（圖2d）。

圖2 萊州灣凹陷中生界不同巖性鏡下顯微特征

3 火山巖巖相特征

火山巖巖相研究對火山巖空間展布規律、古火山結構恢復及不同巖性之間的成因聯系具重要意義[22–23]。海域火山巖地震資料品質較差，用于識別火山巖相難度大。本文結合應用常規測井、成像測井、巖心觀察等資料來劃分火山巖相，將該區火山巖巖相分為三種類型：爆發相、溢流相和火山沉積相（圖3）。

3.1 爆發相

巖漿中含有大量揮發成分，對圍巖產生巨大壓力。巖漿噴至高空形成強烈噴發柱，后由于重力作用降落堆積，在火山口附近形成碎屑錐堆積，距火山口越近厚度和粒度越大。研究區主要發育空落亞相，巖性主要為凝灰巖和火山角礫巖。

空落亞相下部巖性為蝕變火山角礫，巖石蝕變強烈，角礫呈灰白色和灰綠色，不均勻分布于基質中，角礫大小1～5 cm，最大可達11 cm，角礫普遍綠泥石化，邊緣被溶蝕成港灣狀，部分角礫破碎被基質充填，裂縫發育，裂縫中可見鐵質礦物充填，局部可見熒光。中部為灰綠色火山角礫凝灰巖，凝灰質含量比下部高，角礫呈灰白色，蝕變強烈，角礫普遍發生破碎。上部為深綠灰色凝灰巖，火山角礫呈肉紅色，不均勻分布于基質中，棱角狀明顯，巖心整體較致密，局部可見斷面擦痕，黃鐵礦發育。

從空落相剖面整體來看，下部為凝灰質火山角礫巖，上部以火山角礫凝灰巖和凝灰巖為主，從下到上火山角礫成分逐漸降低，凝灰質含量逐漸增高，反映了火山噴發強度逐漸降低的噴發序列。

成像測井上凝灰巖段表現為低阻特征，具有層理構造。凝灰質火山角礫段電阻比凝灰巖段稍高，其中可見高阻亮色火山角礫鑲嵌在熔巖基質中。

3.2 溢流相

溢流相是巖漿在后續噴出巖漿的推動和自身重力作用下，沿地表流動過程中逐漸冷凝、固結形成。萊州灣凹陷中生界火山巖發育完整的溢流相序列，分為頂部亞相、上部亞相和中、下部亞相。火山巖頂部發育的原地自碎角礫化熔巖，成像測井表現為高阻、低阻相間特征，可見高亮的自碎和隱爆成因形成的火山角礫。上部亞相受巖漿氣體揮發作用影響而常見氣孔和杏仁體密集帶，發育氣孔–杏仁安山巖，部分氣孔被綠泥石、沸石等低阻礦物充填，成像測井上表現為整體低阻特征。中下部亞相基本不含氣孔，表現為安山巖基巖面貌，受后期構造運動影響裂縫發育，形成碎裂安山巖，成像測井表現為高亮高阻特征，可見高角度和低角度裂縫共同發育。

3.3 火山沉積相

火山沉積相是與火山活動伴生的一種巖相，發育于火山活動間歇期，由火山碎屑占 90%～50%的沉火山碎屑巖組成[24]。研究區火山沉積相無成像測井資料，只能根據巖心觀察和鏡下鑒定來識別。火山沉積相巖性主要為沉火山角礫巖，受搬運作用影響，角礫成分復雜，包含安山巖角礫、凝灰巖角礫，部分為流紋巖角礫，顆粒分選差，有一定程度的磨圓。火山沉積相分布范圍小，研究區僅一口井鉆遇。

圖3 萊州灣凹陷中生界火山巖相類型及相標志

4 巖相與儲層關系

不同火山巖的巖性和巖相受巖石成分和成因的影響，在后期成巖演化過程中，其原生孔隙和后期裂縫等儲集空間發育程度差異性明顯，從而形成不同的優質儲層類型。因此，巖性和巖相識別是火山巖類儲層研究的關鍵。本文以火山巖成因機理為出發點，對不同相帶儲層的成巖作用、孔縫組合方式和成因開展研究，明確巖性和巖相對儲層發育的控制作用，建立巖性和巖相與優質儲層的響應關系。

4.1 溢流相與儲層關系

溢流相主要的巖性為原地自碎角礫化熔巖、氣孔–杏仁安山巖和碎裂安山巖。

4.1.1 原地自碎角礫化熔巖與儲層關系

原地自碎角礫化熔巖孔縫為非構造成因，主要是熔漿冷凝收縮和后期巖漿推移作用形成，發育于溢流相頂部風化殼，呈角礫狀（圖4），角礫成分與熔巖相同，相鄰自碎角礫相互可拼接，粒間孔隙發育，內部連通性較好，即使裂縫被充填，仍會保留一些儲集空間。儲集空間類型包括礫內斑晶溶孔、礫間原生孔、冷凝收縮縫，主要形成于冷凝階段[25]。儲層孔隙度保持在 20%左右，滲透率 40×10-3μm2，可作為良好的油氣儲集體。

4.1.2 氣孔–杏仁安山巖與儲層關系

發育于溢流相上部亞相，具有典型的氣孔–杏仁構造，儲集空間為原生氣孔、杏仁體內溶孔和裂縫（圖4）。氣孔主要形成于巖漿冷凝階段，巖漿中氣體上溢在頂部形成氣孔發育帶，氣孔形狀多樣，包括圓狀和沿流動方向定向拉長的條帶狀，部分氣孔中充填或半充填方解石膠結物。氣孔分為孤立型和連通型，孤立氣孔為無效儲集空間；孤立氣孔之間通過構造裂縫連接成為連通氣孔，形成有效儲集空間。氣孔–杏仁安山巖儲層孔隙度可達15.6%，為孔–縫組合構造“雙孔介質”型儲集體，是該區物性較好的巖相帶。

4.1.3 碎裂安山巖與儲層關系

發育于溢流相中下部亞相，巖漿噴發出地表，揮發組分向上運移，在頂部形成氣孔發育帶，中下部極少發育氣孔，形成少孔而致密的安山巖，原生孔隙不發育，但裂縫發育，儲集空間以構造裂縫為主，鏡下觀察可見裂縫呈網狀分布、多期裂縫相互切割現象（圖4）。碎裂安山巖儲層平均孔隙度13.1%，滲透率14.9×10-3μm2，裂縫中熒光較強，見油氣充注，為良好的油氣儲集體。

4.2 爆發相與儲層關系

發育于爆發相的空落亞相，儲集空間類型分為兩類，一類為火山作用形成的基質收縮縫、脫玻化孔，角礫間原生孔以及炸裂縫等原始孔縫；另一類為后期改造形成的斑晶溶蝕孔和沿裂縫形成的溶蝕擴大孔，原生孔隙的形成為后期流體對儲層的改造提供了較好的通道條件。研究區爆發相發育時期最

圖4 溢流相火山噴發模式與儲層響應關系

晚，分布與火山序列的頂部，儲層受風化改造較強，由于埋藏較淺，成巖程度較弱，儲層物性較好（圖5）。該類儲層平均孔隙度為23.7%，優質儲層厚度可達40～50 m，可作為該區優質儲層的目標。

圖5 爆發相火山噴發模式與儲層響應關系

4.3 火山沉積相與儲層關系

沉火山角礫巖發育于火山沉積相，搬運距離短，成分和結構成熟度低，顆粒混雜后經壓實、成巖作用形成。粒間充填大量細小的火山凝灰質，部分蝕變為鱗片狀、纖維狀伊利石充填礫間。此外，安山質火山巖在后期成巖過程中析出大量鐵質礦物堵塞孔隙（圖6），后期改造作用較弱。儲層物性較差，平均孔隙度12.7%，滲透率1.06×10-3μm2，孔縫不發育，不易形成有效儲集體。

萊州灣凹陷中生界火山巖巖性、巖相與儲層的成因關系密切，在對二者關系分析的基礎上對研究區儲層進行了分類，建立了該區的火山巖巖相與優質儲層的對應關系。爆發相中凝灰巖和火山角礫巖發育于研究區火山巖相序列的頂部，早期火山成因的孔縫為后期溶蝕流體提供了良好的滲流通道，并且儲層分布廣、厚度大，為Ⅰ類儲層。溢流相頂部亞相中的原地自碎火山角礫安山巖受巖漿自碎作用控制孔縫發育，儲層物性好，但由于厚度較薄，分布范圍局限，為Ⅱ類優質儲層；溢流相上部亞相受巖漿作用控制形成的氣孔安山巖，原生孔隙發育，再加上后期構造作用產生的裂縫對氣孔的連通作用，形成物性較好的Ⅱ類優質儲層；溢流相中下部亞相的脆性熔巖在后期構造運動的影響下，形成裂縫性儲層，也可作為良好的油氣儲集空間，可歸為Ⅱ類儲層。火山沉積相中沉火山角礫巖后期成巖作用對儲層破壞性作用較大，儲層物性較差，為非儲層。Ⅰ類和Ⅱ類儲層在錄井和測井解釋中均為油層，并且均在該類儲層中取出原油樣品。

圖6 火山沉積相火山噴發模式與儲層響應關系

5 結論

（1）萊州灣凹陷中生界火山巖主要發育原地自碎角礫化熔巖、氣孔–杏仁安山巖、碎裂安山巖、蝕變凝灰巖、火山角礫凝灰巖、凝灰質火山角礫巖、沉凝灰巖和沉火山角礫巖等巖石類型。中生界火山巖巖相主要發育爆發相，溢流相頂部、上部和中下部亞相以及火山沉積相 3大類 5小類火山巖巖相類型。

（2）火山巖巖相對儲層控制作用明顯，爆發相中的凝灰巖和火山角礫巖儲層物性最好，為Ⅰ類儲層；溢流相中頂部亞相原地自碎角礫熔巖、上部亞相氣孔安山巖和中下部亞相碎裂安山巖可劃為Ⅱ類儲層，Ⅰ、Ⅱ類儲層為油氣的有利儲集相帶；沉火山角礫巖受沉積和成巖作用控制，孔縫發育程度較低，為非儲層。

[1] 鄒才能，趙文智，賈承造，等．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）：257–271．

[2] 潘建國，郝芳，譚開俊，等．準噶爾盆地紅車地區火山巖儲層特征及主控因素[J]．石油地質與工程，2007，21（5）：1–3．

[3] 季漢成，楊德相，高先志，等．二連盆地洪浩爾舒特凹陷中生界火山巖特征及儲層控制因素分析[J]．地質學報，2012，86（8）：1 228–1 240．

[4] 張生銀，柳雙權，張順存，等．準噶爾盆地陸東地區火山巖風化體儲層特征及控制因素[J]．天然氣地球科學，2013，24（6）：1 140–1 150．

[5] 單衍勝，張林炎．松遼盆地南部長深氣田深層火山巖儲集層特征及有利區預測[J]．石油地質與工程，2008，22（5）：33–40．

[6] 王璞珺，吳河勇，龐顏明，等．松遼盆地火山巖相：相序、相模式與儲層物性的定量關系[J]．吉林大學學報（地球科學版），2006，36（5）：805–812．

[7] LUO J L，MORAD S，LIANG Z G，et al．Controls on the quality of Archean metamorphic and Jurassic volcanic reservoir rocks from the Xinglongtai buried hill，western depression of Liaohe basin，China [J]．American Association of Petroleum Geologists Bull， 2005，89（10）：1 319–1 346．

[8] 蒙啟安．松遼盆地徐家圍子地區晚中生代火山巖巖相及儲層意義[D]．浙江杭州：浙江大學，2006．

[9] 江懷有，鞠斌山，江良冀，等．世界火成巖油氣勘探開發現狀與展望[J]．特種油氣藏，2011，18（2）：1–6．

[10] 衛平生，潘建國，譚開俊，等．世界典型火成巖油氣藏儲層[M]．北京：石油工業出版社，2015．

[11] 張子樞，吳邦輝．國內外火成巖油氣藏研究現狀及勘探技術調研[J]．天然氣勘探與開發，1994，16（1）：1–26．

[12] 馮子輝，邵紅梅，童英，等．松遼盆地慶深氣田深層火山巖儲層儲集性控制因素研究[J]．地質學報，2008，82（6）：760–768．

[13] 侯啟軍．松遼盆地南部火山巖儲層主控因素[J]．石油學報，2011，32（5）：749–756．

[14] 梁浩，茍紅光，王志礦，等．三塘湖盆地馬朗凹陷卡拉崗組火山巖巖性及巖相特征研究[J]．沉積學報，2011，29（6）：1 156–1 163．

[15] 魏星，孫寅森．南堡凹陷火山巖巖相對儲層的控制作用[J]．特種油氣藏，2017，24（1）：27–31．

[16] 蔡東升，羅毓暉，姚長華．渤海萊州灣走滑拉分凹陷的構造研究及其石油勘探意義[J]．石油學報，2001，22（2）：19–25．

[17] 吳時國，余朝華，鄒東波，等．萊州灣地區郯廬斷裂帶的構造特征及其新生代演化[J]．海洋地質與第四紀地質，2006，26（6）：101–110．

[18] 史浩，周東紅，呂丁友．萊州灣凹陷東部新生代走滑構造特征及油氣勘探意義[J]．海洋石油，2014，34（3）：34–39．

[19] 牛成民．渤海南部海域萊州灣凹陷構造演化與油氣成藏[J]．石油與天然氣地質，2012，33（3）：424–431．

[20] 黃雷，王應斌，武強，等．渤海灣盆地萊州灣凹陷新生代盆地演化[J]．地質學報，2012，86（6）：867–876．

[21] 王璞珺，馮志強．盆地火山巖[M]．北京：科學出版社，2008．

[22] 王秉海，錢凱．勝利油區地質研究與勘探實踐[M]．山東東營：石油大學出版社，1992．

[23] 方正偉．富林、青東地區中生界火山巖儲層特征[J]．特種油氣藏，2016，23（1）：44–48．

[24] 唐華風，孫坦，劉祥，等．松遼盆地下白堊統沉火山碎屑巖優質儲層特征和形成機理[J]．石油學報，2016，37（5）：631–643．

[25] 孫圓輝，宋新民，冉啟全，等．長嶺氣田火山巖巖性和巖相特征及其對儲集層的控制[J]．石油勘探與開發，2009，36（1）：68–73．