南堡5号构造火成岩地质特征及识别技术

高 斌，付兴深，杨国涛，李玉存，张敬艺

(中国石油冀东油田分公司，河北 唐山 063004)



南堡5号构造火成岩地质特征及识别技术

高 斌，付兴深，杨国涛，李玉存，张敬艺

(中国石油冀东油田分公司，河北 唐山 063004)

南堡5号构造火成岩发育区是油气勘探的重点区域，但火成岩识别面临岩性复杂、蚀变严重、井眼垮塌、储层横向变化快等难题。利用岩心、薄片资料确定了南堡5号构造火成岩的类型及特征，利用常规测井分析、FMI图像资料、ECS地层元素俘获测井方法分3步进行岩性测井解释：通过自然伽马与ECS元素曲线交会识别法识别砂岩、泥岩、玄武质火成岩、流纹质火成岩；通过铁钛交会图识别法识别出玄武质凝灰岩和流纹质凝灰岩；利用成像测井识别技术识别玄武岩、玄武质角砾岩、流纹岩、流纹质角砾岩。最后，利用BP神经网络地震多属性分析技术对火成岩与砂岩储层空间展布特征进行了预测，预测火山熔岩的符合率为100%，预测火山碎屑岩的符合率为73.3%，预测砂岩储层的符合率为80.9%。研究结果对南堡5号构造火成岩油气勘探开发具有一定的借鉴意义。

火成岩；南堡5号构造；测井；地震属性分析；岩性识别

0 引 言

南堡凹陷位于渤海湾盆地黄骅坳陷的东北部，是一个发育在走滑构造带中的中新生代小型富烃凹陷[1-2]。南堡5号构造位于南堡凹陷的西南部，属于断背斜构造带。第三系岩浆作用频繁，局部裂陷型火山活动与区域伸展扩张型火山活动并存[3]，火成岩分布范围广、厚度大、类型多，火成岩油气藏和砂岩油气藏发育[4-5]，是该区油气勘探的重点目标。该区火成岩岩性识别面临诸多难题，不仅制约了火成岩油气藏的勘探，也制约了砂岩油气藏的勘探。主要表现在：火成岩岩性复杂、非均质性强，利用单一手段难以识别；火成岩纵向期次多、横向变化快，与碎屑岩接触关系复杂，同时发育过渡类型岩石；火成岩矿物成分普遍存在蚀变现象，蚀变对测井曲线特征有不同程度的影响；火成岩屏蔽作用与非均质性导致地震资料品质差，用单一地震属性预测火成岩与砂岩分布较困难。

针对南堡5号构造深层油气勘探面临的难题，利用岩心、录井、分析化验、测井、地震等资料，对不同类型火成岩地质特征进行分析归纳，利用测井方法对火成岩岩性进行了识别，利用神经网络地震多属性分析技术对火成岩的平面展布进行识别，形成了一套火成岩综合预测技术，为油田进一步开展深层岩性油气藏勘探工作提供了技术支持。

1 火成岩分类与特征

通过对研究区72口井的录井、岩心、薄片、扫描电镜资料进行分析，得出该区火成岩主要分为火山熔岩、火山碎屑岩和火山碎屑沉积岩三大类，以火山熔岩为主，中间夹有厚度不等的火山碎屑岩。火山熔岩按化学成分可分为玄武岩和流纹岩。火山碎屑岩按粒径和化学成分可分为玄武质凝灰岩、流纹质凝灰岩、玄武质角砾岩和流纹质角砾岩。火山碎屑沉积岩可分为凝灰质砂岩、凝灰质粉砂岩和凝灰质泥岩。东部以基性火成岩为主，主要包括玄武岩、玄武质凝灰岩、玄武质角砾岩，在玄武岩的顶部和底部发育流纹质凝灰岩。西部以酸性火成岩为主，包括流纹岩、流纹质凝灰岩、流纹质角砾岩，也发育少量基性玄武岩。

1.1 火山熔岩类

1.1.1 玄武岩

玄武岩质地坚硬，构造裂缝发育，多为黑色、褐黑色或黑绿色，以块状构造、气孔—杏仁构造为主。以斑状结构为主，基质间有间隐结构和间粒结构。晶体成分主要为斜长石，其次为各类辉石、橄榄石，石英晶体极少，基质为中基性斜长石微晶、辉石微晶、隐晶质和玻璃质。研究区内玄武岩存在不同程度的蚀变，主要为绿泥石化和方解石交代(图1a、b)，玄武岩分布范围较广，典型井段为NP5-80、NP5-81井沙一段。

图1 南堡5号构造火成岩薄片及岩心特征

1.1.2 流纹岩

流纹岩颜色较浅，多为灰色和灰白色，发育块状构造、流纹构造、气孔—杏仁构造，见气孔或杏仁体沿流纹条带定向分布。结构以斑状结构为主，基质具球粒结构。晶体成分以石英、正长石和微斜长石为主，斑晶发育较好，呈圆形、椭圆形或不规则状，基质为斜长石微晶、隐晶质、玻璃质(图1c、d)。流纹岩主要分布在该区西部，典型井段为NP5-4、

NP5-96井沙一段。

1.2 火山碎屑岩

1.2.1 玄武质凝灰岩

玄武质凝灰岩颜色较深，多为黑色、褐黑色，具有块状构造，有一定成层性，表现为正相序，碎屑粒度由深至浅变小，反映岩浆活动能量逐渐变弱。结构以凝灰结构为主，成分主要为岩屑、晶屑和火山尘，岩屑主要为黑色玄武岩、玄武质凝灰岩，晶屑主要为针状长石晶体。薄片中见斜长石晶体绢云母化，玻基见强烈伊利石化和绿泥石化(图1e、f)。玄武质凝灰岩分布较广，典型井段如NP5-82井沙一段。

1.2.2 流纹质凝灰岩

流纹质凝灰岩颜色多为深灰色，表现为块状构造，有一定成层性，具有假流动构造，表现为塑性玻屑、塑性岩屑拉长围绕刚性岩屑呈半环绕状。具有凝灰结构，有些具有熔结凝灰结构，碎屑物质主要为玻屑、晶屑、火山尘，玻屑脱玻化为长英质，后绢云母化(图1g、h)。流纹质凝灰岩主要分布在该区西部，典型井段如NP5-4井沙一段。

1.2.3 玄武质火山角砾岩

玄武质火山角砾岩颜色混杂，玄武质火山角砾粒径为2～53 mm，分选较差，磨圆程度低，具有火山角砾结构和斑杂结构，火山角砾边缘有蚀变作用，薄片中，气孔充填绿泥石，有不规则熔孔(图1i)。角砾具有自碎的特征，说明火山角砾经受风化剥蚀，在固结压实过程中出现物理破碎(图1j)，典型井段为B5及NP5-96井沙一段。

1.2.4 流纹质火山角砾岩

流纹质火山角砾岩颜色较浅，以灰色和浅黄色为主，角砾粒径为4～11 mm，分选中等，磨圆程度中等，原始轮廓仍可见。具有火山角砾结构、斑状结构，基质具有似球粒结构，薄片中见石英、长石斑晶，基质以长英质为主，气孔较发育，有未充填、半充填和全充填，充填成分为硅质(图1k、l)。典型井段为NP5-4及NP5-96井沙一段。

1.3 火山碎屑沉积岩

火山碎屑沉积岩是火山碎屑岩向正常碎屑岩的过渡岩石，正常碎屑物质大于50%，火山碎屑物质为10%～50%，具有水流搬运和水化学胶结成岩的特点，有成层性，层理清楚，磨圆颗粒与棱角碎屑共存，一般为远火山口相沉积，主要分为凝灰质砂岩、凝灰质粉砂岩和凝灰质泥岩。

2 火成岩与碎屑岩测井岩性识别

火成岩化学成分、矿物及结构复杂，由于常规测井手段分辨率的限制，利用常规测井手段精确识别火成岩岩性困难[6-7]。而且，研究区大部分井采用欠平衡钻井，部分井段井眼垮塌比较严重，直接影响到常规测井曲线和FMI图像的质量，部分井段FMI图像不能清楚地反映地层的真实信息。同时，薄片资料证实该区玄武岩往往存在着不同程度的蚀变，包括绿泥石化(泥化)、钙化和硅化，这些蚀变大大影响了国际上通用的TAS模版在该区的适用性，加大了火成岩识别难度。

基于该区实际资料情况，综合利用岩心、薄片分析、常规测井分析、FMI成像技术、地层元素俘获测井技术(ECS)等方法对该区72口井进行岩性判别。

2.1 自然伽马与ECS元素曲线交会识别法

通过自然伽马与ECS元素曲线交会识别基性火成岩、酸性火成岩、砂岩、泥岩。针对研究区内新钻井多为欠平衡钻井，影响了中子、密度、声波等常规测井曲线质量的问题，充分利用受垮塌影响较小的自然伽马和ECS测井资料，开展自然伽马与硅含量交会分析，区分火山岩和沉积岩，同时将火山岩分为基性和酸性。研究区某些井在大段玄武岩上下发育凝灰质砂岩，偏酸性，在交会图上介于砂岩和流纹质火山岩之间(图2)。

图2 火山岩与沉积岩分类图版

2.2 铁钛交会图识别法

由于该区火成岩蚀变严重，火山岩的蚀变在常规测井曲线上有明显反映：玄武岩的绿泥石化或泥化往往使得电阻率明显下降、中子增大、声波增大、密度减小。大段玄武岩顶、底电阻率升高的主要原因是宏观上充填裂缝的方解石晶体逐渐增多和微观上更强烈的方解石交代作用，而整套玄武岩均有较强烈的绿泥石化。

针对矿物成分蚀变影响火山岩岩性识别的难题，通过多次尝试，利用铁钛交会图准确识别火山凝灰岩。图3是多口井多种岩性的铁钛交会图。研究区常见的6种火山岩分为2个大类，一类为酸性火山岩，另一类为基性火山岩。对于基性火山岩，玄武质凝灰岩主体分布于玄武岩主体的上方，而玄武质火山角砾岩则分布于玄武岩的左下方；对于酸性火山岩，流纹质凝灰岩分布于流纹岩右上方，但与流纹质火山角砾岩难以区分，大部分重叠在一起。

图3 不同类火山岩铁钛交会图

2.3 FMI成像测井识别法

利用FMI成像测井技术，进一步识别流纹质火山角砾岩、流纹岩、玄武质火山角砾岩、玄武岩。ECS或常规曲线在原理上来说，反映的是岩石的组分，无法准确反映岩石的结构，熔岩与角砾岩不易区分，而FMI成像测井能较为清楚地观测岩石结构[8]，二者在识别火山岩岩性方面具有互补作用。研究中主要应用FMI图像和岩心薄片以及岩心实物来细分熔岩和火山角砾岩。在进行了大量的测井曲线、FMI图像和薄片照片间的对比后，在该区建立起了玄武岩、玄武质角砾岩、流纹岩和流纹质角砾岩的岩性识别图版(图4)。

3 火成岩与砂岩储层平面分布预测

南堡5号构造深层储层主要为下第三系沙河街组的火成岩和砂岩，其沉积相主要为三角洲前缘、三角洲前缘分支河道。火成岩的分布和沉积相带的变化是影响储集层发育的重要因素之一，因此，利用地震资料识别火成岩的空间展布是进行火成岩和砂岩储层勘探的前提。

图4 利用FMI图像和薄片资料细分火山岩岩性图版

地震属性是地震波对地下介质岩性、物性、含油气性等因素的综合响应，是预测火成岩分布的有效手段[9-10]。但不同地区不同参数的属性对储集体描述能力参差不齐，单一属性在不同地区描述岩性与储层的可靠性差异较大，这是由于影响地震属性的地质因素较多，削弱了其在特定地质目标上的反映。通过相对比较独立的属性参数之间的互相“融合”会更为准确地描述地下地质特征[11]。因此，研究中采用BP神经网络多属性分析技术，对该区火成岩和砂岩储层分布进行预测，共分以下4个步骤。

(1) 根据各种地震属性参数对火成岩和砂岩储集层反映敏感性的不同，针对沙河街组火成岩和砂岩的地震地质条件，分层次、分阶段对目的层段用不同的时窗提取和筛选了瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率、均方根振幅、主频、半幅能量、地震弧长等19种地震属性。

(2) 通过交会和分析不同的属性组合来寻找自然分类，通过地质认识确定最可能的分类过程。

(3) 利用最佳的无监督分类、初始的最合适属性和最可能被检测出的岩石分组，测试有监督分类方法、训练数据和验证数据。再次将结果与井信息进行对比，确定获得最合理结果的方法、训练数据和验证数据。

(4) 针对不同的属性组合重复测试最佳监督方法，将最佳结果同井数据和井间地震解释数据进行检查，估算分类精度。

针对不同层段进行地震相分类，优选出每个层段最佳的地震属性组合，识别出5套火成岩，并对砂岩储层分布进行了预测。以第1套火成岩分布为例，选取地震数据的最小振幅、最大能量、瞬时频率、瞬时相位和反演波阻抗数据的最大振幅5种属性，分为3类地震相(图5)。通过地质分析认为，1类紫红色区域为玄武岩发育区，2类蓝色区域为火山碎屑岩发育区，3类黄色区域为砂岩相对发育区。通过对该区12口探井钻井结果与5套火成岩与砂岩储层分布图进行对比，预测火山熔岩的符合率为100%，预测火山碎屑岩的符合率为73.3%，预测砂岩储层的符合率为80.9%。依据综合预测结果，完成了该区火成岩分布，明确有利储层分布面积为28 km2。优选北12X1区块为下步勘探开发潜力区，该区块南部和西部受火成岩侧向遮挡，砂体面积为6 km2，部署NP5-11井，获高产工业油气流。研究成果为南堡5号构造的井位部署提供了依据，为控制储量整体升级及有效动用奠定了良好基础，新建产能为5×104t。

图5 第1套火成岩与砂岩储层平面分布

4 结 论

(1) 南堡5号构造火山岩岩石类型主要包括玄武岩、流纹岩、玄武质凝灰岩、流纹质凝灰岩、玄武质角砾岩、流纹质角砾岩，是典型的双峰式火山岩，其中，基性火成岩分布在研究区的中东部，酸性火成岩主要分布在研究区西部。

(2) 通过自然伽马与ECS元素曲线交会识别法、铁钛交会图识别法、FMI成像测井识别法3个步骤，对研究区72口井的岩性进行了准确识别，识别结果与分析化验结果吻合度较高。

(3) 通过BP神经网络地震属性分析技术，识别了5套火成岩与砂岩储层的平面展布，为该区的老井复查和进一步油气勘探提供了技术支撑。

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编辑 刘兆芝

20150825；改回日期：20160912

“十二五”国家油气重大专项“渤海湾盆地精细勘探关键技术”(2011ZX05006-06)、“渤海湾盆地黄骅坳陷滩海开发技术示范工程”(2011ZX05050)

高斌(1986-)，男，工程师，2008年毕业于山东科技大学地球物理学专业，2013年毕业于中国石油大学(华东)地质资源与地质工程专业，获博士学位，现从事储层预测与火成岩综合研究。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.06.003

TE122.2

A

1006-6535(2016)06-0011-05