莱州湾凹陷垦利16-A构造火山岩岩性特征与测井识别

冯冲 ，王清斌 ，王立红 ，刘晓健 ，郭龙龙

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459；2.中海油能源发展股份有限公司，天津 300459）

0 引言

随着渤海油田油气勘探向中深层的推进，潜山火山岩油气藏勘探逐渐成为一个新的领域。火山岩勘探面临的首要问题就是岩石类型复杂多样、储层非均质性强，而识别火山岩岩性是划分火山岩岩相、研究储集空间及储层发育规律的基础，对实际生产具有重要意义。通过测井识别火山岩岩性，相对于岩（壁）心标本和薄片鉴定以及元素地球化学手段来说，在纵向上具有连续性，横向上具有可对比性，有重要的应用价值［1］。前人对火山岩岩性测井识别已有大量研究，方法主要可以分为两大类：一类是基于常规测井曲线的岩性识别方法，主要包括常规测井曲线形态特征法、常规测井交会图识别法，以及衍生出来的主成分分析法、对应分析法、逐步判别法、神经网络法等统计学方法［2-3］；另一类是基于元素测井、成像测井等特殊测井技术手段的岩性识别方法，元素测井和成像测井分别在岩石成分和结构识别方面具有独特的优势［4-5］。2类方法互补逐渐成为火山岩以及复杂岩性识别的重要方法，但是成本较高，仅在重点井段录取，难以普及到每口钻井。

垦利16-A构造中生界火山岩岩性多样，非均质性强，并且靠近郯庐断裂，古近系火山活动强烈，受深部热液影响，硅质交代强烈。该区火山岩的自然伽马普遍偏高，最大值接近500 GAPI，常规测井曲线岩性识别无相关经验值可借鉴。针对上述问题，本次研究将特殊测井识别和常规测井识别方法相结合，进行火山岩岩性识别。首先，在录取元素和成像资料等特殊测井资料的井段进行精细研究，利用岩性扫描测井对火山岩进行成分识别，利用成像测井对岩石结构进行识别，结合岩心、薄片和录井等资料，准确识别各种岩性；然后，以这些标定过的井段作为样本，统计分析不同岩性的常规测井曲线特征，进行火山岩岩性指示特征曲线优选，建立常规测井曲线识别流程，在未录取特殊测井资料井段取得良好应用效果。

1 地质背景及岩石类型

1.1 地质背景

莱州湾凹陷位于渤海南部、济阳坳陷东部，郯庐断裂从该凹陷东部和西部通过，是在中生界基底之上发育的新生代凹陷［6］。垦利16-A构造位于莱州湾凹陷南部斜坡带（见图1），中生界潜山处于高部位，紧邻莱州湾凹陷生烃中心，圈闭形态好，风化时间长，风化壳，内幕裂缝较发育，成藏条件优越。钻井揭示，该构造中生界发育白垩系义县组和侏罗系蓝旗组火山岩系地层。火山岩分布具有明显的区域性特征：西部井区主要发育安山质火山岩，主要包括安山岩、安山质角砾岩、安山质凝灰岩；东部井区主要发育流纹质火山岩，主要包括流纹斑岩、流纹质火山角砾岩、流纹质凝灰岩。

1.2 岩石类型

通过研究区11口井的录井、岩心和薄片分析等资料，该区中生界火山岩主要分为火山熔岩、火山碎屑岩和火山碎屑沉积岩，以火山熔岩和火山碎屑岩为主。火山碎屑沉积岩发育较为局限，仅在KL16-A-6井下部见到，岩性为凝灰质砂砾岩；火山熔岩按化学成分可分为安山岩和流纹岩；火山碎屑岩按照颗粒粒径和化学成分可以分为安山质火山角砾岩、流纹质火山角砾岩、安山质凝灰岩和流纹质凝灰岩。

图1 垦利16-A构造位置示意

安山岩多呈褐灰色，块状构造、气孔构造和裂缝发育（见图2a）。镜下呈斑状结构，斑晶主要为斜长石和角闪石等暗色矿物，基质呈交织结构，成分为中基性斜长石微晶、隐晶质和玻璃质。研究区安山岩存在不同程度的蚀变，主要为绿泥石化和长石斑晶高岭土化（见图3a）。安山岩分布范围较广，典型井段为KL16-A-6井、KL16-A-8井、KL16-A-9井义县组。流纹斑岩颜色混杂，肉红色为主，块状构造（见图2b），镜下呈斑状结构，斑晶主要为碱性长石和石英，常具有熔蚀边，基质脱玻化严重（见图3b）。流纹斑岩分布相对局限，典型井段为KL16-A-4井蓝旗组下部。

安山质火山角砾岩颜色混杂，灰褐色为主，火山角砾结构，砾石磨圆，分选差（见图2c），镜下呈火山碎屑结构，角砾具自碎结构，蚀变强烈，部分火山角砾为凝灰岩，粒间凝灰质伊利石化（见图3c），典型井段为KL16-A-1井、KL16-A-6井义县组。流纹质火山角砾岩颜色混杂，以灰绿色为主，火山角砾和斑状结构（见图2d），镜下火山角砾具球粒结构和霏细结构，基质以长英质为主，裂缝较发育，多充填硅质（见图3d），典型井段为KL16-A-4井、KL16-A-7井蓝旗组。

安山质凝灰岩多为深灰色，疏松块状构造（见图2e），镜下呈凝灰结构，成分主要为石英晶屑和玻屑，火山玻璃多已脱玻化形成隐晶质，微裂缝发育（见图3e），典型井段为 KL16-A-1井、KL16-A-6井、KL16-A-8井义县组。流纹质凝灰岩颜色多为灰绿色，层状结构明显（见图2f），镜下具有凝灰结构和熔结凝灰结构，碎屑物质主要为玻屑、晶屑，晶屑多为斜长石（见图3f），玻屑脱玻化为长英质，后绢云母化，典型井段为KL16-A-4井蓝旗组。

图2 不同岩石类型岩石标本

图3 不同岩石类型微观照片

2 利用特殊测井资料识别岩性

2.1 应用岩性扫描测井识别岩石成分

岩性扫描测井仪相比以前的ECS测井仪器，测量的元素更多，精度更高，可准确测量地层的镁、钠和钾元素，进而可有效区分方解石、白云石以及长石亚类，在火山岩性的成分识别方面具有较好的应用潜力［7］。

按照化学成分对火山岩进行分类的方法主要有SiO2质量分数、TAS、QAPF 分类法［8-9］。SiO2是岩浆岩中最主要的一种氧化物，根据SiO2质量分数ω的不同，可以把岩浆岩分成 4 类：超基性岩（ω（SiO2）≤45%）、基性岩（45%＜ω（SiO2）≤52%）、中性岩（52%＜ω（SiO2）≤63%）、酸性岩（ω（SiO2）＞63%）［10］。 因此，利用 KL16-A-7，KL16-A-8，KL16-A-9 井的 ω（SiO2），可以对其火山岩成分进行有效区分。识别结果与岩（壁）心分析结果吻合良好，证明利用元素测井从化学成分上识别火山岩可靠（见图4a）。 M.Le等提出全碱（Na2O+K2O）-SiO2的TAS图解，只需全碱（Na2O+K2O）和SiO2的质量分数便可对火山岩进行分类。将KL16-A-8井相关数据在TAS图解上投点分析，数据主要落在粗面安山岩、玄武质粗面安山岩、玄武安山岩，以及安山岩区域，与薄片鉴定结果基本一致（见图4b），进一步说明岩性扫描测井在火山岩岩性识别方面的独特优势。

图4 火山岩成分识别图版

2.2 应用成像测井识别岩石结构

岩性扫描测井或ECS测井，反映的是岩石组分，无法准确反映岩石结构，熔岩与角砾岩不易区分；而FMI成像测井能够提供环井壁地层电阻率深度变化图像，在探测地层构造、产状、裂缝方面具有独特的优势，可以较为清楚、直观地观测岩石结构：二者在识别火山岩岩性方面具有互补作用［11］。研究中主要应用FMI和薄片鉴定，以及岩（壁）心实物来细分熔岩、火山角砾岩、凝灰岩。将钻井取心和井壁取心，以及薄片鉴定资料刻度到FMI图像上，参考录井资料，结合常规曲线特征，综合利用FMI图像特征，划分不同结构的火山岩，建立研究区的成像模式图版，进一步从结构上识别垦利16-A构造中生界火山岩。

图5 垦利16-A构造中生界火山岩成像测井识别图版

熔岩岩性整体较为均一，并且较为致密，通常呈高亮块状模式，FMI图像上为高电阻率亮色，裂缝呈高阻背景下的暗色条纹（见图5a，5b）。火山角砾岩主要由粒径为2～64 mm的火山角砾组成，不具磨圆结构，填隙物主要是火山灰和火山尘，是火山爆发相的主要岩石类型。火山角砾与火山灰（尘）电阻率差异明显，FMI图像上呈不规则组合亮斑模式（见图5c）。凝灰岩主要由颗粒直径小于2mm的火山碎屑组成，成分主要是晶屑、玻屑，以及岩屑，层状或块状构造，电阻率相对熔岩和火山碎屑岩较低。而凝灰岩局部夹杂的火山角砾或砾石则呈亮色，因此凝灰岩表现为暗色斑点模式（见图5d）。

通过岩性扫描测井进行火山岩成分识别，可以识别出安山质火山岩和流纹质火山岩；结合成像测井进行岩石结构划分，识别出熔岩、火山角砾岩、凝灰岩。这样就可以利用特殊测井进行火山岩的岩性识别。

3 利用常规测井资料进行识别

在利用岩性扫描测井、成像测井，以及相应岩心、薄片和录井资料识别该区各种常见火山岩岩性的基础上，绘制该区火山岩的测井曲线值箱型图（见图6）。通过箱型图，分析不同曲线对火山岩岩石成分和结构的区分程度，进而依靠这些特征曲线的特征值定量识别火山岩。

自然伽马测井反映了岩石放射出自然伽马射线的总强度。一般从基性到酸性岩，岩石中的钾体积分数逐渐增高，因而酸性岩放射性最强，自然伽马最大［12］。由图6a可知：该区从中性岩到酸性岩，自然伽马增大明显；同质火山岩爆发相的（火山角砾岩）放射性元素体积分数比溢流相（熔岩）低，凝灰岩在同质火山岩中自然伽马最低；从分布范围上看，凝灰岩和熔岩分布范围小于火山角砾岩。自然伽马测井数值基本反映了该区火山岩岩性成分的特征，在火山岩岩性识别中起到成分识别作用（见图6a）。

电阻率测井往往反映了岩石的矿物成分、蚀变、孔洞，以及裂缝发育程度［13］，流体对其大小影响较小。由图6b可知，研究区中性火山岩和酸性火山岩的电阻率大体相当；同质火山岩溢流相（熔岩）电阻率高于爆发相（火山角砾岩），凝灰岩电阻率最低。电阻率对岩石结构的区分程度远远优于对岩石成分的区分程度，因此同质火山岩的岩石结构可以利用电阻率进行区分（见图 6b）。

补偿中子测井实质是测量氢的浓度。对沉积岩来说，补偿中子测井主要受孔隙流体中氢浓度的影响，而火山岩的补偿中子测井主要受岩石矿物成分以及孔隙和裂缝中流体浓度的影响［14］。由图6c可知，同质火山岩爆发相（火山角砾岩）补偿中子值高于溢流相（熔岩），凝灰岩的最大。补偿中子对岩石结构的区分程度远远优于对岩石成分的区分程度，因此同质火山岩的岩石结构识别也可以用中子测井曲线进行。由于安山质凝灰岩的中子孔隙度与流纹质凝灰岩差异较大，因此在明确凝灰岩结构的前提下，可以用该特征对二者进行区分（见图 6c）。

图6 各类岩性测井曲线箱型图

声波测井受岩石矿物成分、致密程度、岩石结构，以及岩石孔隙流体性质影响［15］。由图6d可知，安山质火山岩的声波范围大于流纹质火山岩；同质火山岩爆发相（火山角砾岩）声波时差高于溢流相（熔岩），凝灰岩声波时差最大。声波时差对岩石结构的区分程度远远优于对岩石成分的区分程度，因此同质火山岩的岩石结构识别也可以用声波时差进行。由于安山质凝灰岩声波时差和流纹质凝灰岩声波时差差异较大，因此在明确凝灰岩结构的前提下，可以用该特征对二者进行区分（见图6d）。

综上分析，可以看出：自然伽马曲线在区分火山岩岩石成分方面具有明显优势，而电阻率、补偿中子、声波时差在区分岩石结构方面更具优势；同质火山岩爆发相的（火山角砾岩）自然伽马值和电阻率比溢流相（熔岩）低；而同质火山岩爆发相（火山角砾岩）的补偿中子和声波时差比溢流相（熔岩）高。研究结果为常规测井曲线识别火山岩岩性奠定了岩石物理学基础。

在没有特殊测井资料的情况下，该区实际的火山岩岩性识别可以依据上述常规测井曲线岩性指示特征分析结论及录井资料，按步骤进行（见图7）。先根据自然伽马值判断岩性大类，区分中性安山质火山岩和酸性流纹质火山岩；然后进行结构细判，主要根据电阻率判断火山碎屑岩和熔岩2个亚类；最后依据补偿中子、电阻率特征，并参照录井资料，可较为准确地判别出火山角砾岩和凝灰岩，最终实现2个大类、4个亚类和6种岩性的准确识别。实际应用效果表明，该方法可以提高火山岩岩性判别的效率和准确率（见图8）。

图7 垦利16-A构造中生界复杂火山岩岩性判别流程

图8 垦利16-A构造×井应用实例

4 结论

1）通过分析莱州湾凹陷垦利16-A构造中生界火山岩岩石特征，应用岩性扫描测井和成像测井，建立了与岩石对应的火山岩岩性分类标准，可将研究区火山岩分为中性火山岩和酸性火山岩2个大类，熔岩、火山角砾岩和凝灰岩3种岩相，安山岩、安山质火山角砾岩、安山质凝灰岩、流纹斑岩、流纹质火山角砾岩和流纹质凝灰岩等6种岩性。

2）将特殊测井识别结果推广到常规测井中，进行岩性指示特征曲线优选。自然伽马测井对火山岩化学成分的变化指示效果最好，从基性到酸性火山岩的自然放射性强度逐渐增强；而电阻率、补偿中子以及声波时差在岩石结构识别方面更具优势。同质火山岩爆发相（火山角砾岩）电阻率比溢流相（熔岩）低，凝灰岩最低；而同质火山岩爆发相（火山角砾岩）的补偿中子和声波时差比溢流相（熔岩）高，凝灰岩最高。

3）通过火山岩岩性成分和结构特征曲线分析，建立复杂火山岩常规测井曲线岩性识别流程，提高了识别复杂火山岩岩性的准确率，取得良好应用效果。

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