準噶爾盆地改造殘留古火山機構判識與油氣勘探實踐

黃 蕓 梁舒藝 賈春明 谷新萍 毛海波 伏小鵬

1.中國石油新疆油田公司勘探開發研究院 2.中國石油大學（華東）地球科學與技術學院

0 引言

火山機構是指一定時間范圍內的、來自于同噴發源的火山物質圍繞源區堆積所構成的、具有一定形態和共生組合關系的各種火山作用產物的總和[1-2]。火山巖優質儲層以爆發相和溢流相為主[3]，對火山機構的準確識別有助于確定火山巖相和火山巖優質儲層的空間分布。國內有關火山機構研究的文獻報道以松遼盆地中生界和準噶爾盆地古生界最為豐富。松遼盆地中生界火山機構研究文獻多集中在依托鉆井及地面露頭資料對火山機構類型和火山噴發期次、旋回的劃分研究方面，利用地震資料較少[4-9]；準噶爾盆地古生界火山機構的研究多側重于鉆井火山巖巖相特征和火山巖序列劃分以及地面露頭火山口判識等方面[10-11]，或者專項討論地震相及地震屬性特征的識別方法[12-16]。對于盆腹區經歷多期構造運動和風化剝蝕改造的變形火山機構的可操作性較強的識別技術體系尚未形成，其系統性和全面性尚需深入探究。為此筆者依托近10年來準噶爾盆地金龍油田和克拉美麗氣田石炭系火山巖油氣藏的勘探實踐，開展改造殘留古火山機構的成因背景、盆地周緣地面露頭火山口特征、火山口相典型巖石類型組合的研究，再結合鉆井、測井、非地震勘探的建場測深反演電阻率剖面、常規地震剖面等資料，從平面和剖面上識別火山口和火山機構的勘探實例，在探討各種解釋技術的適用性和多解性的基礎上，對火山巖地震資料處理的關鍵技術進行了梳理，系統總結了準噶爾盆地石炭系火山機構識別的技術體系；并結合勘探實例，闡述了火山機構的準確識別不僅對鉆探目標優選、鉆前工程設計具有關鍵作用，而且對鉆后試油層位優選也具有指導意義。以期為其他盆地的火山巖油氣勘探提供借鑒。

1 地質背景

石炭紀是準噶爾—吐哈地塊由地塊裂離、拼合到克拉通內坳陷盆地演化的過渡時期，在早、晚石炭世分別經歷了由伸展到聚斂的發展旋回，早石炭世以淺海相沉積為主，晚石炭世發育海陸交互相與火山巖建造[17]。勘探成果表明，埋藏于盆地內部的石炭系火山巖是準噶爾盆地油氣的主要儲層之一，全盆地呈現出“西油東氣”的石炭系火山巖分布特征（圖1）。盆地西北緣的金龍油田為二疊系供烴、石炭系火山巖為儲層的新生古儲他源型油藏；東部陸梁隆起的克拉美麗氣田和五彩灣氣田為石炭系自生自儲的自源型氣藏。準噶爾盆地內部及其周緣分布有大面積的石炭紀火山巖，盆地內僅LD1井和CS1井等均鉆揭厚達3 000 m的火山巖與沉積巖建造，優質火山巖儲層隸屬火山爆發相和溢流相，其中爆發相的火山角礫巖儲集空間好于溢流相的火山熔巖[18]；火山機構多表現為沿斷裂的裂隙式點噴發和多次噴發，縱向上呈現中基性—酸性火山巖的巖漿演化序列。石炭系火山機構都經歷了一定時期的風化剝蝕和差異性構造升降作用的改造，屬于改造殘留的古火山機構。

圖1 準噶爾盆地石炭系區域構造與火山機構露頭觀測點位置圖

2 火山機構識別

2.1 地面露頭火山機構識別

準噶爾盆地周緣石炭系火山巖地地面露頭資料豐富，主要集中發育在盆地西北緣哈拉阿拉特山、東北緣克拉美麗山和東南緣的奇臺縣北山煤窯（圖1）。

火山機構的主要結構要素包括火山口、火山頸、火山錐體和圍繞火山的錐狀、放射狀、環狀斷裂等。恢復古火山機構，最直接的是識別出古火山頸，但實際工作中由于改造剝蝕和溢流相熔巖的鋪蓋往往難以識別。野外最有效的方法是通過各種標志識別塌陷的破火山口來恢復古火山機構。

地面露頭識別火山口的主要依據有：①地貌上呈圓形、橢圓形或近半圓形的負地形或正地形；②圍繞圓形地貌發育放射狀溝系及放射狀或環形斷裂和巖脈，可借助衛星照片觀察；③火山巖熱液蝕變集中發育區，常見蝕變帶；④火山口集中發育火山集塊巖、火山角礫巖、碎屑熔巖等指征巖性；⑤典型火山通道相如侵出相、次火山巖相出現。

準噶爾盆地西北緣哈拉阿拉特山可見典型的破火山口特征。遠觀地貌呈突兀丘狀地形，登上丘頂俯看為多條放射狀溝系匯聚的負地形（圖2-a），巖性為灰黑色大小混雜、棱角狀特征明顯的熔結火山角礫巖（圖2-b），衛星照片較為清晰地顯示放射狀沖溝向火山口匯聚的特征。經后期地質填圖證實，該區是以熔結火山角礫巖為中心、中基性火山熔巖呈環狀分布的近火山口相向溢流相過渡的特征，古火山機構以火山口為指征。

圖2 準噶爾盆地古火山口地面露頭特征照片

準噶爾盆地東北緣克拉美麗山的白堿溝剖面，出露中上石炭統火山巖，發育負地形和放射狀水系，流紋質熔結火山集塊巖集中發育在負地貌中心的水系匯聚處，受后期巖漿及熱液作用，遭受強裂蝕變，呈淺灰綠色為主的雜色條帶及團塊，指征近火山口相（圖2-c）。沿放射狀沖溝觀察并進行地質填圖，圍繞褐紅色流紋質集塊巖向周邊依次發育環形分布的近火山口爆發相空落亞相—火山角礫巖和溢流相流紋巖，緊鄰火山角礫巖南部可觀察到過渡相的流紋質巖屑凝灰巖（圖3）。

準噶爾盆地東南緣奇臺縣北山煤窯附近的東黑山、雙井子和金山溝等剖面，均可見殘留古火山口。其侵出相巖性、火山口爆發相的特征巖相是識別古火山口的典型巖性巖相特征，雙井子剖面可見采礦殘留的淺色珍珠巖由火山口向外呈放射狀分布，其外圍是溢流相的安山巖；東黑山剖面可見指征火山通道相的熔結火山角礫巖及仿錘形火山彈。

圖3 克拉美麗山白堿溝古火山口地質圖

2.2 巖石微觀特征火山機構識別

火山通道相多有指征礦物。主要為火山口爆發相的隱爆角礫巖、熔結火山角礫巖、火山集塊巖（蝕變）和侵出相的珍珠巖、巖泡流紋巖和球粒流紋巖等。

隱爆角礫巖又稱角礫狀次火山巖，是富含揮發份的巖漿上升到淺層冷凝結晶過程中，在頂部聚集大量富含揮發份的熱液，當溫度、壓力不斷升高的熱液內部壓力超過圍巖的突破壓力時即發生隱蔽爆破，炸碎巖體及圍巖而成巖。表現為角礫成分單一，以棱角為主，呈現較多相鄰角礫可拼接為大角礫的趨勢，即“裂而不散”，角礫大小介于0.2～26.0 cm，屬典型的堆砌結構。隱爆角礫巖見網狀裂縫，裂縫中常充填硅質（圖4-a）。隱爆角礫巖與近火山口爆發相火山角礫巖的區別主要是角礫成分單一，相鄰角礫可拼接為大角礫，幾乎不見磨圓，有時會見深部巖體和圍巖碎塊混入，常見硅質膠結物勾邊。

侵出相主要是在巖漿分異晚期，由于酸性熔巖黏度大、溫度低且揮發份少到不能爆發的程度時，堵塞火山通道而被擠出地表所形成，由火山口向外呈放射狀分布，巖性為珍珠巖、巖泡流紋巖、球粒流紋巖等典型的火山口指征巖性。珍珠巖為酸性玻璃質熔巖，鏡下見大量弧形、半圓形同心狀裂紋，即珍珠裂理，沿珍珠裂理常見脫玻化現象（圖4-b）。巖泡流紋巖的形成是由于流紋巖凝固時氣體逸出體積縮小，形成一種中空球狀體，產狀為瘤狀凸起。克拉美麗山白堿溝剖面可見典型的巖泡流紋巖（圖4-c），微觀特征表現為由同心層狀空腔和球粒結晶層相間排列構成，結晶層為纖維狀長英質組成，呈花瓣狀消光，空腔常被玻璃質或后生礦物（石英、玉髓、瑪瑙等）集合體充填；球粒流紋巖由長英質和火山玻璃組成，呈纖維放射狀叢生的球形物，正交偏光常呈黑十字形消光，球粒形態隨結晶溫度降低由扇狀、束狀變化到圓球狀。

野外露頭和鉆井巖心觀察發現典型的火山口巖性組合和產狀，基本可斷定發育某期的火山通道相，但不排除次火山巖相和與火山巖同源的小侵入體的可能，實際工作中需要結合多因素綜合判斷。

2.3 重磁電資料火山機構識別

依據巖石物理特性，火山巖密度隨巖性由酸性向基性而增大，凝灰巖密度較小；火山巖磁性隨巖性由酸性向基性而增大，凝灰巖、火山角礫巖磁性隨其巖性成分而變化。中基性火山巖磁化率最強，一般多為高頻磁力異常；中酸性火山巖磁化率也較強，一般多為中頻磁力異常。由于巖石結構、成分的差異，火山巖的密度、磁化率和電阻率與沉積巖相比，有較大的差異性，奠定了重、磁、電等3種勘探方法組合可識別火山機構的物理基礎。

重磁力勘探的優勢主要是反映火山巖體的平面分布特征，但縱向分辨率低不能很好地反映火山巖體的邊界、形態及厚度；建場測深電阻率反演剖面縱向上可以較為直觀地反映火山巖體發育的形態產狀、厚度以及橫向分布范圍，其表征的火山巖體形態產狀可作為判別火山機構的依據之一。圖5為建場測深井震約束的二維電阻率反演剖面，高阻隆起型異常體從基底深部一直卷入到石炭系頂部，具有較明顯的由火山通道、火山口、噴溢相層狀熔巖體等構成的火山機構特征，火山口位于DX5井附近，與磁力顯示的強磁化的火山口位置一致，噴溢相的火山熔巖向東西兩側翼部迅速傾伏，在翼部覆蓋較厚的火山碎屑巖（凝灰巖和火山角礫巖）。DX5井鉆井揭示石炭系厚度為179 m，上部為火山口相的火山角礫巖（厚93 m），下部為溢流相的安山巖（厚86 m）。

建場測深二維電阻率反演剖面與三維地震資料相比，在火山機構空間展布特征的預測方面有局限性，在實際應用中可相互驗證，相互約束。

圖4 準噶爾盆地火山口典型巖性及產狀特征照片

圖5 DX5井—C25井建場測深二維電阻率反演剖面圖

2.4 地震資料火山機構識別

2.4.1 地震剖面——火山機構縱向特征

資料品質較好的地震剖面是火山機構縱向特征直觀反映的資料基礎。火山通道兩側有明顯錯斷且通道內部為雜亂反射特征，因噴發后內部空虛會形成后期的塌陷，呈現以“高角度、傾向相對的兩組正斷裂”為火山通道相邊界的特征（圖6-a）。Q4井鉆揭石炭系火山巖巖性為細碧巖，為典型的海底噴發的基性火山巖，地震剖面上表現為明顯的底辟穿刺的特征，火山通道相特征明顯（圖6-a）。火山通道相是火山機構的直接指征，依據火山機構的形態和巖性組合關系又可分為層狀火山機構和盾形火山機構。層狀火山機構為火山多期噴發形成的中酸性火山熔巖與火山碎屑物垂向互層疊置的巖性空間組合，表現為多個中酸性丘狀火山巖體垂向錯落疊置，其界線為層狀火山碎屑物對應的中振幅中連續地震界面；頂部常有塌陷的破火山口特征，下部發育“有根”的斷裂。LD1井鉆井證實至少發育3期火山噴發旋回，呈現爆發相火山角礫巖（中振幅中連續地震相）和溢流相流紋巖（自然伽馬為高值的雜亂相地震相）的多期垂向疊置（圖6-b）；盾形火山機構為中基性熔巖臺地，規模較小，巖漿沿火山斜坡溢流形成。SD8井鉆揭安山巖和玄武巖互層，其盾形中基性熔巖體側翼的后期沉積巖上超現象是典型識別特征（圖6-c）。另外，在古火山口特征不典型或因后期抬升剝蝕僅隱約見殘留特征時，可借助火山口側翼斜坡部位發育的成層性較好的火山沉積過渡充填相（平行連續、中振幅地震相）來進行火山機構的輔助識別。

2.4.2 地震屬性特征——火山巖相平面分布預測

依托三維連片地震數據體，由于火山巖特有的“對高頻成分發散嚴重”的特征，加之準噶爾盆地火山巖埋藏深度大，其上覆地層對地震波的頻散作用強，火山巖分布區呈現出明顯的低頻特征，因此，瞬時頻率屬性是盆地內各勘探區帶均適用的區別火山巖與沉積巖的地震屬性特征；水平時間切片對火山錐的雕刻最為明顯，由上向下等間隔切片，可見同心圓層的范圍逐漸變大，反映火山錐垂向的立體演變，也是常見的地震屬性特征；另外相干體時間切片在滴南凸起的火山口識別中效果明顯，表現為以火山口為中心呈現環狀與放射狀斷裂[14]；沿層最大振幅屬性對巖性差異明顯的不同火山巖相帶較為敏感，在五彩灣凹陷的石炭系火山巖相劃分中應用效果顯著[16]；石炭系上覆層沉積前的古地貌圖，用三維可視化立體顯示也能對古火山機構的識別有較直觀的指征。

圖6 火山機構典型地震相特征剖面圖

除利用地震屬性進行火山巖巖性巖相劃分和識別，基于速度、密度差異大的砂泥巖的波阻抗反演也可用于火山巖的巖性預測，從而明確有利儲集相帶的分布。但常規的波阻抗反演并不能很好地將火山角礫巖和基質孔發育的熔巖（儲層）與較致密的熔巖（非儲層）區分開來，要從電阻率、自然伽馬等對火山巖巖性敏感屬性入手，具體研究區要區別對待。金龍油田為準噶爾盆地西北緣的石炭系火山巖油藏，以JL10井為代表的爆發相火山角礫巖是該區石炭系火山巖巖性巖相最有利區帶。利用歸一化處理后的電阻率可以較好地區分出儲層與非儲層，即歸一化電阻率值小于0.4為沉積巖，介于0.4～0.8為火山角礫巖和基質孔發育熔巖（儲層），介于0.8～1.0為致密熔巖及花崗巖（圖7-a）。采用多屬性神經網絡模擬方法估算電阻率，預測電阻率與實測電阻率相關系數為0.86。G26井和JL5井歸一化電阻率值均接近1.0，為非常致密的深成侵入相花崗巖（非儲層）；JL10井—JL101井—JL061井和JL7井位于火山噴發的主體部位，為火山角礫巖及熔巖，歸一化電阻率值介于0.4～0.8（圖7-b）。在此基礎上依據神經網絡模擬結果，預測火山角礫巖與致密層的空間分布（圖7-c），已鉆井火山巖相與預測結果相吻合。該預測結果對于未鉆探區石炭系火山巖油氣勘探具有指導意義。

2.5 石炭系火山巖地震成像處理關鍵技術

石炭系的地震資料品質直接影響火山機構識別的準確性，因此，石炭系火山巖成像的地震資料處理是關鍵環節。準噶爾盆地石炭系受多期構造運動影響，埋深大、橫向變換劇烈，且受侏羅系煤層強反射屏蔽影響，深層反射能量弱，成像難度大。近年來持續開展地球物理勘探技術攻關實驗，摸索出“小道距長排列寬線大組合”地震采集技術，在此基礎上形成了以下適用于準噶爾盆地石炭系火山巖的地震成像處理技術體系：①模型約束靜校正技術，點、線、面、體全方位質控建立近地表模型；②地表一致性處理技術，合理解決不同三維區塊之間存在的能量、相位、時差、頻率差異，保證連片三維資料的無縫拼接[16]；③保幅分域去噪技術，通過對異常能量、面波、多次折射波、層間多次波等噪聲的針對性壓制，提高深層石炭系地震資料信噪比；④井控速度建場技術，利用鉆井資料對地震速度進行約束控制，特別是信噪比低的層段，保證速度分析的合理性，以建立準確速度場改善成像效果；⑤疊前深度偏移技術，通過井控速度建場，并結合速度掃描、沿層速度分析等方法，優化速度場，以道集、剩余速度、速度體、速度剖面、沿層T0、偏移孔徑等多手段控制偏移效果，提高火山巖成像品質。

圖7 金龍油田火山巖優質儲層預測圖

3 油氣勘探實踐

準噶爾盆地石炭系殘留古火山機構的識別意義重大，除預測未知區的優質火山巖儲層分布直接指導鉆探目標優選以外，其火山口、火山巖噴發旋回的垂向巖性組合不僅對鉆前地質工程設計中的井身結構、防漏堵漏方案和鉆頭序列選擇等有直接影響，而且對試油層位確定也有指導作用。

DT1井是滴南凸起南部區帶外甩開的一口探索火山巖含氣性的石炭系專探井。鉆探過程中，目的層石炭系先后鉆揭頂部溢流相安山巖和底部爆發相火山角礫巖，油氣顯示活躍，綜合解釋為含氣層。試油層位選擇時對頂部S2層是否試油有兩種意見：①石炭系頂部的安山巖儲層致密，盡管有活躍的油氣顯示但不易獲規模產能，不建議試油；②該井位于火山機構發育帶上，井軌跡兩側呈現不同的火山巖相特征，左側為已鉆揭的中振幅中連續的溢流相安山巖，右側則為弱振幅、弱連續地震相特征且與下伏已鉆揭的火山角礫巖爆發相特征相似，推測為同一火山口的不同噴發旋回的火山口爆發相（圖8），射開S2層并實施壓裂有望壓開緊鄰的物性條件較好的火山口爆發相。根據第二種意見，該井在底部S1層火山角礫巖段自噴試產獲氣后快速上試，S2層壓裂后采用4.5 mm油嘴測試求產獲天然氣5×104m3/d，其油壓、套壓和退液量均與安山巖致密儲層的物性特征不符，表明溝通了儲集條件較好的儲層，證實了火山口爆發相優質儲層緊鄰發育，對后續評價井和開發井網的部署有指導意義，也表明了火山機構識別的重要地質意義。

圖8 過DT1井火山機構地震地質解釋剖面圖

依據準噶爾盆地石炭系火山巖勘探實踐系統總結的這套綜合判識方法，在盆地西北緣C210井區石炭系油藏、滴南凸起M6井區石炭系天然氣勘探中均取得了較好的應用效果。

4 結論與認識

準噶爾盆地石炭系殘留古火山機構的識別需要火山巖巖性鑒定、重磁電、地震、鉆探及地震成像等多元信息的互為約束，互為驗證，綜合判識是準確識別古火山機構的關鍵。

1）準噶爾盆地周緣地面露頭的古火山機構樣式的識別為盆內深層古火山機構的識別提供了可靠的野外實物模型，一定程度上凸顯了盆山一體化研究的意義。

2）隱爆角礫巖、熔結火山角礫巖、珍珠巖及球粒流紋巖等是識別古火山口的重要巖性標志。

3）重磁力勘探能區分火山巖和沉積巖，但縱向分辨率低；建場測深的電法勘探則彌補了這一缺陷，其電阻率反演剖面表征的火山巖體形態產狀可作為判別火山機構的依據之一。

4）地震剖面相面法識別火山機構縱向特征，三維地震屬性提供火山機構平面分布信息，兩者均立足于較好的石炭系火山巖地震資料品質。針對石炭系火山巖成像的地震資料處理技術是關鍵。

5）殘留古火山機構的準確識別，對鉆前目標選擇、優化地質工程設計和鉆后試油層位確定及開發井網的部署均有重要的指導意義。

致謝：感謝中國石油勘探開發研究院衛延召博士在白堿溝剖面火山機構野外考察時給予的指導和幫助！