DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2019.04.020

辽河盆地大洼油田火山岩特征及其测井识别方法

肖明国¹，郭建华^{2, 3}，焦鹏^{2, 3}，郭祥伟^{2, 3}，吴诗情^{2, 3}，谭慧^{1, 2, 3}

(1. 湖南继善高科有限公司，湖南 长沙，410083；

2. 中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083；

3. 有色金属成矿预测与环境监测教育部重点实验室，湖南 长沙，410083)

摘要：为指导大洼油田火山岩油气藏勘探，利用K-Ar同位素测年、岩心薄片和测井等技术，研究火山岩层位、岩性、岩相及其空间展布特征。研究结果表明：辽河盆地大洼油田火山岩呈层状产出，这些火山岩年龄位于86.42~107.36 Ma和45.72~51.25 Ma这2个区间内，反映其形成时期分别为早白垩世晚期—晚白垩世早中期和始新世早期(房身泡期)；主要的岩石类型有熔岩类、火山碎屑岩类及火山沉积岩类，始新世早期以熔岩类为主，白垩纪以火山碎屑岩类为主，它们分别产于溢流相、火山碎屑相、空落堆积相及火山沉积相中；通过对测井响应特征的综合分析及测井曲线组合的处理，建立不同类型火山岩的识别方程，为未取心井段地层、岩性对比提供了简便方法。

关键词：安山岩；玄武岩；测井响应；火山岩识别；辽河油田

中图分类号：P631.8             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2019)04-0915-08

Characteristics of mesozoic and cenozoic volcanic rocks and its logging identification in Dawa Oil Field of Liaohe Basin

XIAO Mingguo¹, GUO Jianhua^{2, 3}, JIAO Peng^{2, 3}, GUO Xiangwei^{2, 3}, WU Shiqing^{2, 3}, TAN Hui^{1, 2, 3}

(1. Hunan Geosun High-Tech Co. Ltd., Changsha 410083, China;

2. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;

3. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring,

Ministry of Education, Changsha 410083, China)

Abstract: In order to guide the exploration of volcanic reservoirs in Dawa Oilfield, the horizon, lithology, lithofacies and their spatial distribution characteristics of volcanic rocks were studied by using K-Ar isotope dating, core slices and logging data. The results show that the volcanic rocks in the Liaohe Dawa oil field present in layer formation during deposition of Mesozoic and Cenozoic and the age of these volcanic rocks distributes in two ranges, one of which is from 86.42 Ma to 107.31 Ma, the other is from 45.72 Ma to 51.25 Ma, which reflects that the formation processions of these rocks are respectively from the latter lower Cretaceous to the early upper Cretaceous and the early Paleocene (Fangshengpao formation).The main kinds of the rocks are lava, volcanic detritus rocks and volcanic sedimentary rocks. In the early Paleocene, lava is dominating rock, and in the Cretaceous, volcanic detritus rocks are in the majority, and they respectively occur in the overflow facies, volcanic detritus facies, airfall stacking facies and volcanic sedimentary facies. Based on synthetic analysis of the logging response characteristics and the process of the combination of logging curves, recognizing equations for each kind of volcanic rocks are constructed, which provides a simple way for the comparisons of layers and the lithology correlation in the no core well intervals.

Key words: andesite; basalt; logging response; volcanic rock recognization; Liaohe oil field

火山岩油气藏勘探最早始于国外，已先后在印度尼西亚、日本和阿塞拜疆等国发现了多个不同类型的火山岩油气藏，其具有产层厚、产率高、储量大的特点，是重要的勘探目标^[1-2]。中国沉积盆地内部及其周缘火山岩分布广泛，具备较好的火山岩油气藏勘探基础^[3] ，已先后发现了一批火山岩油气田^[4-6]。辽河盆地是国内开展火山岩研究较早的地区，始于20世纪70—80年代，并在盆地内部大洼油田一批钻遇火山岩储集层的钻井中获得了工业油流^[7-9]。但是，由于对该区火山岩层位、岩性、岩相及其空间展布特征认识不足，制约了勘探效果。为此，本文作者研究该区火山岩的形成时代，总结火山岩的测井响应特征及识别方法，以便为区内火山岩层的划分、对比提供简捷的新方法。辽河盆地是环渤海湾盆地东北部的1个构造单元，是1个中、新生代大陆裂谷盆地，可划分为西部凸起、西部凹陷、大民屯凹陷、中央凸起、东部凹陷和东部凸起5个次级构造单元(图1)。大洼油田位于中央凸起带南部倾没端，其西北以大洼断层为界。区内中、新生代火山岩主要分布于洼609井区块，面积约30 km²。区内发育2组正断层，其中，一组为北西向南掉正断层，另一组为近东西向南掉正断层、向东转为北东向延伸。在这2组断层作用下，研究区中生界及房身泡组的顶面呈北东高、南西低并向北东方向节节抬升的构造格局。这一构造格局将火山岩层分割为多个小断块，具备了形成良好的火山岩油气圈闭条件^[10-13]。房身泡组是重要的目的层，由于构造活动和剥蚀作用，房身泡组分布复杂。研究区东北部缺失房身泡组，厚度最大的区域分布在洼604至洼605井一线，并呈东西向展布，洼605井及周围最大厚度可达200 m。厚度较大的区域分布在大洼断层东侧洼27、洼45和洼15井一线及周围，最大厚度可达150 m。厚度分布特征表明房身泡组玄武岩以大洼断裂为喷发通道，残余玄武岩厚度的分布受到喷发时期地貌形态以及后期风化双重因素的控制。

图1  辽河西部凹陷大洼油田断裂与油气分布

Fig. 1  Distribution of faults and oilfields in DaWan, Liaohe subbasin

1  火山岩的形成时代与分布

长期以来，人们一直认为研究区火山岩的形成时期属中生代，呈块状产出，并作为古近系的基底潜山。但对区内51口钻遇火山岩层的钻井进行分层统计及岩性对比发现有31口井的火山岩层分为上、下两部分，其中下套火山岩可分为5层。上部火山岩为黑褐色的玄武岩—安山岩，下部主要为灰色、褐红色的安山岩、英安岩及凝灰岩。对部分井取样进行同位素年龄测量分析^[14]，发现黑褐色玄武岩—安山岩同位素年龄介于45.72~51.25 Ma，其下伏火山岩同位素年龄则介于86.42~107.36 Ma(见表1)，形成时期分别为始新世早期(房身泡期)及早白垩世晚期—晚白垩世早中期(阿尔比期—康尼亚克期)。很显然，这2套火山岩之间存在跨时约35 Ma的沉积间断。

2  火山岩岩石类型及特征

2.1  岩石类型

通过取心井段的岩石薄片观察，按其矿物成分、岩石结构及构造特点，研究区火山岩可分为3类，即熔岩类、火山碎屑岩类和火山沉积岩类。

2.1.1  熔岩类

熔岩类主要发育于房身泡组和中生界第4层火山岩层中，主要岩石类型有玄武岩、玄武—安山岩、安山岩。

钻遇玄武岩的井主要有洼29、洼609、洼19-26、洼7、洼2、洼605、洼604、洼603、洼19、洼32、洼39等29口井，玄武岩主要分布于房身泡组。玄武岩的密度r＞2.4 g/cm³，自然伽马G_R＜42 API；岩心呈灰黑色、致密坚硬，以斑状结构为主，其次是玻璃质和半晶质结构。主要构造类型有气孔构造、杏仁构造和拉斑玄武构造，但气孔构造不如安山岩发育。

钻遇安山岩的井主要有洼7、洼19-22、洼19-26、洼2、洼605、洼604、洼603、洼19、洼32、洼39等27口，安山岩主要分布于房身泡组，在白垩纪第3层和第5层火山岩中亦有安山岩。安山岩的密度r＞2.3 g/cm³，G_R为42~108 API，岩心为灰黑色、棕红色，呈半晶质—玻璃质、斑状、似斑状、微粒交织、交织细粒、中粒等结构。主要构造类型有流动构造、气孔构造、杏仁构造，气孔构造发育。

2.1.2  火山碎屑岩类

火山碎屑岩类主要发育于白垩纪第2和第3层火山岩层，主要岩石类型有火山角砾岩、凝灰岩、凝灰质火山岩、凝灰质火山砂砾岩。

凝灰岩主要发育于白垩纪第2和第4层火山岩层，岩石呈灰色，以玻璃质、微晶—泥状、变余凝灰斑状结构结构为主，其r为2.2~2.6 g/cm³，G_R为104~170 API。

火山(砂)角砾岩主要发育于白垩纪第三层火山岩层，岩石呈棕红色，以角砾状结构为主，粒间被玻璃质熔岩或凝灰质火山灰充填。

2.1.3  火山沉积岩类

火山沉积岩类包括复成分火山碎屑岩、凝灰质砂岩、复成分砂砾岩。该类沉积岩的r变化较大，介于1.6~2.3，G_R介于40~95 API。

表1  辽河大洼油田火山岩同位素年龄

Table 1  Isotopic age of volcanic rocks in Dawa Oilfield, Liaohe basin

另外，还见火山—沉积过渡岩类，主要发育于白垩纪各层火山岩中，与正常沉积岩过渡。以砂—砾状、砂状、砾状、角砾状火山碎屑为主，可见正常沉积碎屑。主要组分有玻基喷出岩砾石、安山岩砾石、黑云母微晶—细晶安山岩、(微)斜长石、石英、黑云母、凝灰岩岩屑、石英片岩岩屑、泥岩岩屑、花岗岩砾石、角岩砾石、橄榄石；胶结物主要有白云石、方解石、硅质、绿泥石、凝灰质、火山玻璃质。

2.2  矿物成分与化学成分特征

安山岩造岩矿物主要有斜长石、角闪石、辉石、石英、正长石，无橄榄石；成岩期后自生矿物主要有片沸石、方解石和(铁)白云石；玄武岩造岩矿物主要有斜长石、辉石、角闪石、橄榄石、正长石；成岩期后自生矿物主要有石英、方解石和(铁)白云石，无片沸石；凝灰岩成岩矿物主要有斜长石、正长石、石英，见表2。

安山岩中的黏土矿物以蒙皂石和伊/蒙混层矿物为主，伊利石、高岭石、绿泥石质量分数较低，个别样品以伊利石和绿/蒙混层矿物为主。玄武岩中黏土矿物以蒙皂石为主，部分样品伊/蒙混层矿物为主，伊利石、高岭石、绿泥石质量分数较低。凝灰岩中的黏土矿物则以蒙皂石为主，伊利石、高岭石、绿泥石质量分数较低。

化学成分分析结果见表3。从表3可见：区内玄武岩属超碱性拉斑玄武岩系列^[15]，属大陆非造山带拉张盆地典型火山岩类型^[16-17]，安山岩为富钠型粗安岩。需注意的是凝灰岩SiO₂质量分数高，可能与成岩期后蒙皂石化及硅化有关。

表2  辽河盆地大洼油田洼609井区火山岩非黏土矿物成分(质量分数)

Table 2  Mass fraction of non-clay mineral of volcanic rocks in 609 well area of Dawa Oilfield,Liaohe Basin      %

表3  辽河盆地大洼油田洼609井区火山岩化学成分(质量分数)

Table 3  Mass fraction of chemical composites of volcanic rocks in 609 well area of Dawa Oilfield,Liaohe Basin  %

3  火山岩岩相及其模式

火山岩相是一定地质环境下火山活动产物的总 称^[12]。目前国内外对于火山岩相划分意见不统一，比较公认的火山岩相划分方案是按火山活动产物的产出形态及岩石特征来划分，它不仅包括喷出的各种火山岩，而且包括火山颈、次火山、火岩沉积岩等与火山活动有关的岩石。这种划分方案全面地反映了火山活动在特定地质作用下形成的地质体，概括了火山杂岩的基本组成部分，为研究火山作用的产物特征、发展阶段、岩浆演化、形成条件及与矿产的关系等提供了系统资料^[18-19]。在这种划分方案基础上，邱家骧等^[12]结合对我国东部陆相火山岩研究的具体工作和实践认为火山岩岩相划分必须考虑以下几方面：1) 火山喷发基本方式即爆发、喷溢、侵出；2) 火山喷发环境即陆上、水下；3) 火山产物堆积环境即陆上、水下；4) 火山碎屑物搬运、堆积机理即空落、火山碎屑流、火山涌流、火山泥流；5) 火山岩在地表以下一定深度侵位机制即次火山、次爆发角砾岩；6) 在火山机构中的特定位置即火山颈相、火山口相、近火山口相、远火山口相。

在上述原则上，将研究区内已钻遇的火山岩岩相类型划分为以下4类：1) 溢流相；2) 火山碎屑相；3) 空落堆积相；4) 火山沉积相。

4  火山岩测井响应及其识别

由于岩性差异、成岩后生变化等使得火山岩测井响应特征变化复杂，同时，由于火山岩与砂泥岩不等厚互层，火山岩与砂泥岩亦可能具有较相似的测井响应特征，因此，如何根据测井曲线特征识别火山岩较困难^[20-21]。本文通过对取心井段、井壁取样、岩屑资料所揭示的岩性对测井曲线的响应特征的详细研究，建立区内不同地层及火山岩的识别方程，通过识别方程能较容易的区分出火山岩层和砂泥岩层以及不同火山岩类。

4.1  不同时代的地层测井响应及其识别

据取芯井段和井壁取心层段对应的不同测井数值作出岩电交会图，不同测井对中生界、房身泡组、沙河街组、东营组的反映不同，见图2和图3。

图2  洼19-26井声波时差与密度(△t-r)交会图

Fig. 2  Acoustic moveout and density crossplot of Wa19-26 well

图3  洼19-26井自然伽马与电阻率G_R-ρ_t交会图

Fig. 3  Natural gamma and resistivity crossplot of Wa19-26 well

从声波时差(△t)与密度(r)测井交会图(图2)可以看出：中生界和房身泡组基本上位于△t＜87 μs/m和r＞2.3 g/cm³范围内，而沙河街组和东营组基本上位于△t＞87 μs/m和r＜2.3 g/cm³范围内；除房身泡组泥岩多数投入沙河街组和东营组范围内，火山岩和中生代沉积岩与沙河街组或东营组地层投点区分离很好，采集的3 500个数据点(有钻井取芯或井壁取芯标定岩性)只有31个中生界泥岩样投入沙河街组和东营组的投点范围，样点分离率达98%，层位分离率达100%。

伽马(G_R)声波时差(△t)与电阻率(ρ_t)测井交会图(图3)中，中生界、房身泡组和沙河街组分区界线简单，可作为地层划分图版。

对洼19-26、洼609、洼606这3口有钻井取心或井壁取心确定岩性的层段测井、地质综合分析，采集数据样点11 590个，通过反演求出地层划分方程。

1) 在洼19-26、洼609等探井的3700系列测井中，对于中生界沉积岩，△t-82＞0，且ρ_t-922.99×10^{-0.023 202△t}＜0；对于房身泡组，△t-82＜0(玄武—安山岩)；对于沙河街组或东营组，△t-82＞0且ρ_t-922.99×10^{-0.023 202△t}＞0。

2) 在洼17-29、洼13-31、洼19-21等开发井的回放测井中，对于中生界沉积岩，△t-288＞0且ρ_t-1167.745×10^{-0.007 663△t}＜0；对于房身泡组，△t-288＜0(玄武—安山岩)；对于沙河街组或东营组，△t-288＞0且ρ_t-1 167.745×10^{-0.007 663△t}＞0。

利用地层划分方程，划分程序简单，划分准确性高。

4.2  火山岩测井响应及其识别

不同类型火山岩在自然伽马(G_R)与密度(r)测井交会图中，样点分离好，分离界线清楚。

在洼606井中，玄武岩界于G_R＜46 API和r＞ 2.42 g/cm³范围内，安山岩界于G_R＞46 API和r-0.01013×G_R-1.762＞0范围内，凝灰岩界于G_R＜107.7 API范围内。

在洼19-26井中(图4)，对于玄武岩，当2.42＜r＜2.55 g/cm³时，G_R＞0.005 435×r+2.3；当r＞2.55 g/cm³时，G_R＜46 API；安山岩界于G_R＞46 API和r-0.010 13×G_R-1.762＞0范围内；凝灰岩界于G_R＞107.7 API范围内。

图4  洼19-26井自然伽马与密度(G_R-r)交会图

Fig. 4  Natural gamma and density crossplot of Wa19-26 well

令△t′=△t-82，△ρ_t=ρ_t-922.99×10^{-0.023 202△t}，作3700测井系列的△t′-△ρ_t交会图，见图5。结合G_R-r交会图，区内火山岩层及不同火山岩类的测井识别标准(岩性识别方程)可归纳如下：

1) 对于火山岩岩层，△t′＜12且△t′＜-0.404 6× △ρ_t²+5.113 2×△ρ_t-16；

2) 对于玄武岩，当2.42＜r＜2.55 g/cm³时，G_R＞0.005 435×r+2.3；当r＞2.55 g/cm³时，G_R＜46 API。

3) 对于安山岩：G_R＞46 API，且有r-0.010 13×G_R-1.762＞0。

4) 对于凝灰岩，G_R＞107.7 API。

利用上述岩性识别方程，结合测井曲线形态特征，可对区内火山岩岩层及其岩性进行有效识别。

图5  洼19-26井△t′-△ρ_t交会图

Fig. 5  △t′ and △ρ_t crossplot of Wa19-26 well

4.3  实例分析

以洼19-26井和洼605井为例。

洼19-26井：1 966~2 107 m为一套箱状低伽马、锯齿状高密度且△t′＜0和中低值电阻率的岩层，测井岩性识别方程和地层划分方程解释为玄武岩夹薄层泥岩，井壁取芯亦为玄武岩。2 250~2 575，2 301~2 323，2 384~2 401和2 525~2 584 m具中密度、高伽马，解释为凝灰岩和凝灰质砂岩，井壁取芯为凝灰岩。2 401~2 525 m井段钻井解释为凝灰岩，而据钻井取芯薄片证实为安山岩，而据地层划分方程和岩性识别方程也应解释为安山岩。

洼605井：据地层划分方程及岩性识别方程，出现火山岩的井段位于1 860~2 034 m之间，1 860 m以上为沙河街组砂泥岩，2 034 m以下为中生界砂(砾)泥岩。在G_R曲线上：1 860 m以上出现钟形岩层，为沙河街组底部向上变细砂泥岩；1 860~2 034 m呈箱状，是以玄武岩为主夹薄层砂泥岩岩层；2 034 m以下呈锯齿状或指状，为中生界砂泥岩。在测井曲线上，1 860~ 2 034 m之间的玄武岩呈块状高密度值，砂泥岩夹层呈指状负异常低密度值。1 860 m以上沙河街组砂岩呈锯齿状低密度值，泥岩由于欠压实出现极低异常，r小至1.7 g/cm³左右；2 034 m以下呈中低密度值锯齿状，为中生界砂泥岩。

5  结论

1) 大洼油田火山岩层分为上、下2部分，其中下套火山岩可分为5层。上部火山岩为黑褐色的玄武岩—安山岩，下部主要为灰色、褐红色的安山岩、英安岩及凝灰岩。前者同位素年龄介于45.72~51.25 Ma(形成时期分别为始新世早期(房身泡期))，其下伏火山岩同位素年龄则介于86.42~107.36 Ma(早白垩世晚期—晚白垩世早中期(阿尔比期—康尼亚克期))。这2套火山岩之间存在跨时约35 Ma的沉积间断。

2) 大洼油田主要的火山岩岩石类型有熔岩类、火山碎屑岩类及火山沉积岩类，始新世早期以熔岩类为主，白垩纪以火山碎屑岩类为主，它们分别产于溢流相、火山碎屑相、空落堆积相及火山沉积相中。

3) 通过对取心井段、井壁取样、岩屑资料所揭示的岩性对测井曲线的响应特征研究，建立了区内不同地层及火山岩的识别方程，通过识别方程能较容易地区分出火山岩层和砂泥岩层以及不同火山岩类。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2018-05-15；修回日期：2018-08-22

基金项目(Foundation item)：国家科技十二五重大专项(2011ZX05002-005)(Project(2011ZX05002-005) supported by the National Science and Technology Major Program)

通信作者：郭建华，教授，博士生导师，从事石油地质研究；E-mail:gjh796@csu.edu.cn