低程度风化火山岩风化壳结构划分与主控因素——以准噶尔盆地西缘车排子凸起石炭系火山岩为例.pdf

书书书 年 月第 卷第 期西安石油大学学报（自然科学版）（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金面上项目（）；山东省自然科学基金面上项目（）；中央高校基本科研业务费专项（）；崂山实验室科技创新项目（）第一作者：韩慧妹（），女，硕士研究生，研究方向：地球化学。：通讯作者：孟凡超（），男，博士，教授，研究方向：岩浆岩岩石学和火山岩油气藏。：中图分类号：文章编号：（）文献标识码：低程度风化火山岩风化壳结构划分与主控因素 以准噶尔盆地西缘车排子凸起石炭系火山岩为例韩慧妹，孟凡超，王千军，陈 林，张曰静，王 林（深层油气全国重点实验室（中国石油大学（华东），山东 青岛 ；崂山国家实验室，山东 青岛 ；中国石化胜利油田分公司 勘探开发研究院，山东 东营 ）摘要：为解决低风化程度的火山岩风化壳结构划分及火山岩油气储层评价与预测的难题，利用研究区 口井岩心、录井测井和地震资料，对车排子凸起石炭系火山岩风化壳的岩石学、矿物学、地球化学、储层物性进行系统研究。结果表明：研究区岩石整体风化程度偏低。在此基础上提出一种将风化壳自上而下分为土壤带、水解带、淋滤带、崩解带、蚀变带、母岩带的 层划分方案。利用研究区玄武安山岩的自然电位、自然伽马、声波、电阻率 种测井数据，结合过采样算法的决策树模型对淋滤带、崩解带、蚀变带进行分类判别，准确率达 。综合分析认为：低风化程度火山岩风化壳有效储层厚度、结构带发育程度、横纵向分布等具有非均质性；有利储层发育主要受古地貌和断裂作用的控制，淋滤带、崩解带是主要有利储层发育区，常分布于古地貌的斜坡地带，一般厚度在 以内；受断裂作用影响，风化壳有效储层厚度可达 。关键词：低风化程度火山岩；火山岩风化壳结构；决策树判别模型；车排子凸起；准噶尔盆地西缘 ：，（），；，；，）：，：；韩慧妹，孟凡超，王千军，等 低程度风化火山岩风化壳结构划分与主控因素：以准噶尔盆地西缘车排子凸起石炭系火山岩为例 西安石油大学学报（自然科学版），（）：，：（），（）：，西安石油大学学报（自然科学版）引言火山岩是一种特殊的油气储层，已经在俄罗斯、美国、墨西哥、中国、阿塞拜疆等 多个国家的火山岩中发现了油气藏 。火山岩风化壳是火山岩储层最重要的类型，一直是火山岩油气勘探、开发的重要目标。近年来，国内外学者围绕火山岩风化壳储层特征、结构划分、主控因素、评价方法和预测等进行研究，取得较大进展 。火山岩风化壳结构的划分是火山岩风化壳储层评价和预测最重要的研究内容，结构划分方案较多，难以统一。地貌和土壤学家最早开始进行风化壳结构的划分，目的是研究土壤形成速率。他们将风化壳垂向划分为土壤带、残积层、半风化层和基岩 。后来，矿床学家在此基础上，根据风化作用的强弱，将风化壳结构分为表土层、全风化层、半风化层以及母岩 层结构 。等 提出火山岩风化壳的地球化学分带，将风化壳自上而下分为淋滤带、水解带、溶蚀带、崩解带、未风化带 部分。石油地质学家借鉴了地貌学、土壤学、矿床学等领域的风化壳结构划分方法，也建立了火山岩风化壳储层的结构划分方案。邹才能 根据不同地区的钻井分析和岩心取芯分析化验资料结果，将火山岩风化壳划分为土壤带、水解带、溶蚀带（淋滤带）、崩解带和母岩 层结构，侯连华 在此基础上，将风化壳结构划分为土壤带、水解带、淋滤带、崩解带、崩解带和母岩 层结构。地貌学和土壤学等方向所研究的风化壳的风化程度整体偏高，风化壳厚度比较薄，结构层间差异性较明显，研究的重点为土壤层。然而，火山岩作为油气储层要求厚度较大，重点关注的是土壤层下部的半风化层，半风化层风化程度往往较弱，结构带间特征差异较小，简单地借用其他领域风化壳结构划分方案难以满足油气勘探的需要。因此，需要建立以油气储层评价和预测为目的的低风化程度火山岩风化壳结构模式，揭示低风化程度火山岩风化壳受岩性岩相、风化淋滤时间、古地貌坡度、古气候以及构造作用等因素控制的差异性 。石炭系火山岩是准噶尔盆地西北缘勘探的重要目标之一 。车排子地区石炭系火山岩钻井岩心多，资料丰富，是研究火山岩风化壳储层的理想场所 。本文基于钻井岩心岩石学、矿物学、孔隙度、渗透率、岩石地球化学特征，结合测井、地震数据，对车排子地区石炭系低风化程度火山岩进行风化壳结构划分，运用 算法的决策树模型，建立风化壳结构划分模型，揭示风化壳结构划分与优质储层发育的关系，为火山岩风化壳油气勘探开发提供基础地质信息。区域地质概况准噶尔盆地位于中亚造山带南部 ，根据二叠系构造特征，被划分为西部隆起、东部隆起、陆梁隆起、中央坳陷、乌伦古坳陷以及南缘冲断带等 个一级构造单位（图 （）。车排子凸起是位于准噶尔盆地西部边缘隆起南部的二级构造单元，研究区位于车排子凸起东翼（图 （）。车排子地区总体上是一个以石炭系火山岩为基底的凸起构造，东部靠近红车断裂带，南部邻近四棵树凹陷，北西向延伸到扎伊尔山山脚下 。图 车排子凸起构造位置及石炭系井位分布 韩慧妹等：低程度风化火山岩风化壳结构划分与主控因素车排子凸起在平面上呈三角形，自喜山运动后的构造格局基本保持到现今 。车排子凸起自基底形成以来，持续受到晚海西期印支期燕山和喜山期等多期构造活动的改造。形成过程可分为 个阶段：晚石炭世至侏罗纪，车排子地区发生强烈的隆升作用。伴随着持续隆升，车排子凸起顶部遭受强烈的剥蚀作用，使得车排子主体地区缺失自二叠系至侏罗系的地层。白垩纪至古近纪，车排子地区开始了缓慢的差异沉降作用。主要表现在凸起东部地区白垩纪地层的小幅度沉降及西部地区仍持续隆升而缺失该部分地层。古近纪之后，车排子凸起的差异沉降加剧，主要表现在中西部古近系地层因出露剥蚀而大范围缺失，东南部小范围缓慢沉降。新近纪至今，车排子地区快速沉降。在喜山运动的影响下，准噶尔盆地南部在北天山隆升向北冲断作用下向南掀斜，快速沉降，形成北天山前陆盆地 。作为该前陆盆地的组成部分，车排子凸起同时发生大范围、大幅度的沉降作用，形成较厚的沉积地层。车排子凸起的构造特征使得研究区内二叠系与三叠系地层遭受剥蚀而缺失，石炭系不整合面发育有侏罗系、白垩系、古近系和新近系 。石炭纪火山活动频繁，形成大量类型多样、岩性岩相复杂的火山岩。火山岩油气储层风化壳特征 石炭系低风化程度火山岩岩石学特征岩心的岩石学和矿物学分析是判别火山岩风化程度最直接和最可靠的技术手段。研究区石炭系火山岩取芯井 口，其中距离不整合面 内的取芯井 口。取芯段火山岩的岩石学、矿物学特征显示，研究区风化壳岩石整体较为新鲜（图 ）。图 车排子凸起石炭系火山岩风化壳的岩石学、矿物学特征 研究区内靠近不整合面的火山岩风化残留的矿物成分主要以次生黏土矿物蒙脱石、高岭石、伊利石为主，是风化作用相变顺序中较为早期的风化产物 。研究区风化壳水解带下部的岩石以玄武岩、安山岩等熔岩为主，夹杂部分火山角砾岩和凝灰岩。镜下可观察到矿物发生不同程度的蚀变，但基本保留着原岩的颜色、结构、构造以及矿物成分（图 ）。对从研究区风化体中采集的样品进行 分西安石油大学学报（自然科学版）析，并根据 图谱计算矿物含量（图 ）。随着距不整合面距离的增加，矿物含量呈规律变化趋势。其中，抗风化能力强的石英矿物含量中等（体积分数在 ），变化较大。斜长石的抗风化作用能力较弱，含量随着风化作用的增加而显著减少。次生黏土矿物含量自上而下呈减少的趋势。在所有岩石样本中，风化壳整体矿物相基本相同，包括风化残留的矿物，如石英、钾长石和斜长石，以及新形成的黏土矿物，如高岭石和伊利石。这些都表明研究区风化壳火山岩蚀变程度不高。图 不同深度风化体岩石的矿物组成与含量 岩石的风化程度可用化学风化指标表征。风化指标可以表征风化体的可移动氧化物的散失情况（、）。前人根据各自研究需要提出了多种风化指标（表 ）。车排子石炭系火山岩风化指标计算结果显示，火山岩总体风化程度较低，表现为弱风化特征，基本为轻微风化，少数样品中等风化。由于表 化学风化指数计算公式及理论值（据 修改）（）指标计算公式未风化完全风化与风化强度关系研究区风化指数范围 （）负相关（，）（）正相关（，）（）正相关（，）（）（）正相关（，）（）（）（）（）负相关（，）帕克风化指数（）最适合应用于非均质母岩的风化情况 ，最能代表该区火山岩风化情况。提供了一种专门用来研究火山岩的化学风化程度的 三角图，也称 风化指数。本文选择研究区内取样来源井位较多、比较具有代表性的玄武安山岩来进行 指数的计算（表 ），然后根据表 中计算出来的数据绘制 三角图（图 ）。如图 ，本区玄武安山岩样品数据点靠近 边，铁镁质的岩样数据点在图形的上方，属于新鲜到轻微风化程度。石炭系火山岩风化壳结构划分研究区 口取芯井的钻井岩心显示，石炭系火山岩整体风化程度较弱，除个别井在风化壳最顶部图 玄武安山岩化学风化程度 三角判别图 韩慧妹等：低程度风化火山岩风化壳结构划分与主控因素发育极薄的风化土壤带和水解带外，其他部位火山岩的矿物组成和地球化学风化指数差异较小，很难再进行细分。然而，自上至下，火山岩中风化裂缝的发育程度和矿物蚀变程度存在明显差别。依据裂缝的发育程度和矿物的蚀变程度，将水解带下部低程度风化的火山岩进一步划分为淋滤带、崩解带、蚀变带（图 ）。土壤带位于火山岩风化壳的最上部，厚度较小，是火山岩在表生作用下，遭受以风化、构造作用为主的成岩作用的改造，使岩石的矿物组分发生黏土化，图 车排子凸起石炭系风化壳的结构特征 最终形成的黏土矿物。带内孔隙类型一般为微孔且孔隙度小于 ，储集性能差。水解带靠近地表，氧化、蚀变作用明显，带内岩石矿物成分也以黏土为主，黏土矿物体积分数一般为 以上，蚀变程度较高。带内裂缝、孔隙发育，但容易被上覆沉积物充填。带内孔隙度随深度逐渐变大，由微孔变为微细孔，孔隙度为 ，总体储集性能较差。淋滤带以风化淋滤作用、溶蚀作用为主，溶蚀作用主要来自上部水解带渗滤下来的水溶液，溶蚀孔隙极为发育。淋滤带内岩石的矿物蚀变程度较高，长石表面普遍绢云母化、高岭土化，但基本保留了原岩的结构构造。该带构造碎裂作用较发育，裂缝发育程度高，但缝内常被沸石、方解石等矿物半充填或全充填（图 ）。带内孔隙度可达 ，渗透率高，储集性能最好。崩解带岩石主要为玄武岩和安山岩，暗色矿物含量高，稳定性差，填充、溶蚀作用较为明显。带内构造裂缝、微裂缝发育程度高，风化裂缝少量发育（图 ）。上部深度较浅处可见溶蚀孔或气孔，往下溶蚀孔减少，裂缝内为充填或者半充填，局部可见溶蚀现象，结构较完整。加之受低温热水作用影响，矿物中等蚀变，角闪石、辉石等暗色矿物绿泥石化。最大孔隙度达到 ，总体储集性能较好。西安石油大学学报（自然科学版）蚀变带位于崩解带深度之下，裂缝极少发育，但矿物存在轻微蚀变（图 ），在显微镜下才能看到矿物蚀变特征。根据岩心资料推测，此处轻微蚀变的可能原因有二：第一是上部崩解带滞留的淋滤水有极少部分沿裂缝渗透下来造成蚀变；二是因为岩浆岩在冷却过程中高温以及岩浆中的矿物成分而导致的熔蚀。基于机器学习的风化壳结构划分车排子地区火山岩整体风化程度较低，除土壤带和水解带外，不同风化壳结构层之间的地球化学特征差异不明显，使用传统的风化指数难以准确识别不同结构层（图 ）。岩石的测井数据包含复杂的高维信息，而机器学习可以挖掘数据间隐含的深层次信息，实现对测井数据的精确处理。本文采用决策树机器学习分类方法，结合 过采样技术，利用代表性钻井玄武安山岩岩心的测井数据，建立淋滤带、崩解带、蚀变带风化壳结构层识别总样本数据，综合确定风化壳结构与岩石测井信息内部深层联系，对车排子地区进行风化壳结构划分。选取车排子地区石炭系风化壳玄武安山质火山岩，根据其岩石学、矿物学以及孔渗特征，将学习样本分为淋滤带、崩解带以及蚀变带 类。对样本进行结构层位标定，将淋滤带、崩解带、蚀变带分别标记为 类、类、类。选取井段内已标定的岩石的自然电位（）、自然伽马（）、声波（）、电阻率（）测井数据作为学习样本，每个深度的这 种测井数据为一组样本。由于淋滤带、崩解带、蚀变带样本分别为 、组，数据量过于不均衡，可能导致模型不准确。为了解决数据的不平衡问题，本文采用 提出的 （）算法进行数据预处理，即合成少数过采样技术 。算法是基于随机过采样算法的一种改进方案，该算法的模拟过程采用 技术，避免了随机过采样简单地复制样本来增加少数类样本而产生的模型过拟合的问题 。算法的基本思想是对少数类样本进行分析和模拟，并将少数类样本人工模拟的新样本添加到数据集中，进而使原始数据中的类别不再严重失衡 。具体算法流程如下：（）采样最邻近算法，对于少数类中每一个样本 ，以欧式距离为标准计算它到少数类样本集 中所有样本的距离，得到其 近邻；（）对于每一个少数类样本，从 个近邻中随机挑选 个样本，分别与原样本按照公式 （，）（）进行随机线性插值，构造新的少数类样本。式中，为得到的新样本；为原始样本；为随机挑选的样本。（）将新样本与原数据合成，产生新的训练集。使用 过采样方法，将淋滤带、崩解带以及蚀变带个结构单元的数据都增加到 组后组成新的数据集，对这 组数据进行决策树、随机森林以及逻辑回归模型训练。选取数据集中 的数据样本点作为构建机器学习模型的训练样本，剩下的 数据样本点作为测试样本验证该模型的预测精度。本文采取混淆矩阵或者匹配矩阵（）来评价模型效果。一般用 行 列的矩阵形式来表示 。混淆矩阵把所有正确和错误的分类信息都归到一个表里。在混淆矩阵中，每一行代表一个类别样本标签的真实值（实际类别），每一列代表预测出的样本标签（预测类别）。其中，矩阵对角线中的元素代表每一类样本中被正确预测的个数，非对角线元素值则代表被预测错误的个数（图 ）。决策树模型对火山岩风化壳的淋滤带、崩解带以及蚀变带的分类准确度以混淆矩阵的形式表示，图 显示验证数据集的混淆矩阵。对角线方块中的正确响应数字很高，其他方块中的错误响应数字很低，表明模型训练效果较好，输出较为准确。图 决策树模型混淆矩阵 基于混淆矩阵，有一系列不同的模型评估指标，这些评估指标的范围都在 ，所有以 和 为分子的指标都是越接近 越好，以 和 为分子的指标都是越接近 越好。其中模型整体效果被韩慧妹等：低程度风化火山岩风化壳结构划分与主控因素设定为准确率 ，是预测正确的所有样本除以总样本，通常来说，越接近 模型效果越好 ，表达式为 。（）式中，为真正例；为真反例；为假正例；为假反例。实验结果表明，利用优化后的决策树算法识别火山岩岩性的方法预测正确率可达到 ，与逻辑回归、随机森林等模型相比，决策树模型的风化壳结构层识别效果更好。从图 可以看到，决策树模型对 类风化壳结构层的分类准确度均在 以上。其中，蚀变带的分类准确度达到 ，崩解带的分类准确度略低，但也达到 。整体来看，决策树对 类样品的分类准确度较高。根据基于决策树的风化壳分带判别模型，对研究区 口井玄武安山质火山岩风化壳结构带进行重新判定，结合火山角砾岩、凝灰岩等其他类取芯段火山岩的岩石学、矿物学结果，绘制研究区风化壳结构带的连井对比剖面图（图 ）。结果显示，机器学习模型结构划分与岩心鉴定结果基本一致，可信度较高。图 车排子凸起石炭系火山岩风化壳机器学习恢复结构带连井剖面对比 风化壳储层的主控因素前人在研究火山岩风化壳的控制因素时，往往认为火山岩岩石的化学组分、矿物成分决定了岩石构造、溶蚀作用改造能力的强弱，从而影响风化壳的发育，并认为火山岩的岩性岩相是风化壳形成的基础。然而，由于研究区风化壳风化程度较低，实际与前人认识存在较大差异。油气显示结果表明，研究区不同岩性岩相火山岩的孔隙度、渗透率虽略有差异，但总体相似，均可作为有效储层。因此，岩性岩相并非是车排子火山岩风化壳形成和发育的主要控制因素。古地貌古地貌是控制研究区火山岩风化壳发育的主要因素，古地貌的高低起伏对风化壳发育程度有重要影响 。选取研究区钻遇石炭系的井进行系统观察、统计分析。结果表明，车排子地区不同构造位置的火山岩风化壳土壤带发育情况存在较大差异（图 ）。在斜坡区，由于风化剥蚀作用较强烈，一般不发育或发育较薄层的土壤带。而在较为平坦的构造低处，土壤带厚度一般较大，最高可达 。结合研究区井区侏罗系残余厚度图和岩心观察、岩屑录井、测井资料，发现各井石炭系风化壳结构发育完整性与发育厚度差别较大（表 ），土壤带和水解带仅在个别西安石油大学学报（自然科学版）钻井中可见，淋滤带、崩解带、蚀变带的厚度也有明显差异，从几十米到两百米不等，这与其所在构造位置密切相关。根据不同古地貌位置井的结构带发育情况绘制车排子风化壳结构发育模式图（图 ）。在山顶构造高部位和上斜坡区，由于风化作用、剥蚀作用强烈，一般不发育土壤带、水解带；下斜坡区剥蚀作用小，存在土壤带，具备完整层结构；低洼地区和沉积区所遭受的风化作用一般较弱，且接受沉积，土壤带往往较为发育。总的来说，土壤带和水解带分布局限，淋滤带在古地貌斜坡部位尤为发育，崩解带和蚀变带发育广泛，在古地貌高点发育更佳。图 车排子凸起石炭系风化壳土壤带厚度与古地形的关系 表 车排子凸起石炭系风化壳结构发育程度 代表井土壤带水解带淋滤带崩解带蚀变带母岩带排 缺失缺失缺失部分缺失（）排 缺失缺失 排 缺失缺失 排 缺失缺失 排浅 部分缺失（）排 排浅 图 车排子凸起石炭系低风化程度风化壳发育模式 断裂断裂是控制研究区风化壳发育的核心因素。火山岩岩体在形成之后，其原生气孔彼此不连通，每个孔隙独立存在，相互不影响或连通性很差。断裂构造既能使原本相互没有联系的原生孔隙以微裂缝为桥梁而彼此连通，从而有效地改善原有储层的储集物性，也能促进次生孔隙发育，从而提高火山岩储层的孔、渗性，是形成高产的重要因素。自二叠系末期开始，车排子地区经历了多期复杂构造运动的叠加作用，并在红车断裂的长期影响韩慧妹等：低程度风化火山岩风化壳结构划分与主控因素下，形成不同期次、不同方向的断层。这些断层有效地沟通了岩体内部的储集空间，为流体运移、溶蚀提供通道，使车排子地区石炭系火山岩更易遭受风化淋滤，次生孔隙明显增加，从而促进了风化壳的发育，形成厚度更大的风化体。如图 所示，板状熔岩流亚相火山岩岩石的孔隙度随距不整合面长度的增大整体呈减小的趋势。但在断裂作用下，距石炭系不整合面 处，孔隙度达 ，渗透率 ，明显高于断裂未发育区。同时，断裂的存在也极大地影响了风化壳的厚度，断裂发育处风化壳的厚度可达 ，远远高于断裂未发育处。这可能是在断裂的沟通下，溶蚀作用加强，大大提高了岩石的储集性能。图 石炭系火山岩风化壳孔隙度与深度的关系 火山岩风化壳的石油地质意义风化壳控制火山岩有利储层的纵向与平面展布。各类结构层、各类岩石都有大小不同的孔隙度和渗透能力。孔隙发育的好坏直接决定储层储集流体的能力，而渗透性的好坏则控制储层内所含油气的产能。研究区储层实测孔渗数据及测井资料的分析结果表明，岩石孔渗性与样品距不整合面长度相关性较高，即与风化壳结构层变化存在显著关系。随距石炭系顶界面距离的增加，孔隙度逐渐减小，储层物性逐渐变差，在距离不整合面 范围内储层物性最佳。其中，淋滤带物性最好，最大孔隙度 ，其次为崩解带，最大孔隙度达到 ，是有利储层发育段。土壤带和水解带物性较差，一般只能作为盖层。在古构造高部位或经历风化淋滤时间较短的地区，由于土壤带和水解带较薄，钻遇风化壳即可见地层油气藏；在长期风化淋滤的古构造斜坡和低洼部位，土壤带和水解带厚度一般大于 ，不整合面之下 内主要为土壤带和水解带发育区带，故物性较差，没有油气显示，可作为石炭系油藏的盖层。之下的淋滤带和崩解带才是有利勘探区（图 ）。图 车排子凸起石炭系火山岩风化壳结构与油气显示关系 西安石油大学学报（自然科学版）风化壳厚度影响石炭系储层纵向深度，石炭系钻井油气显示与不整合面关系分析表明（图 ），大部分油气显示出现在距风化壳顶 范围内，为本区风化壳的最大厚度。大部分油气显示出现在风化壳顶 以下。结论（）研究区风化壳整体风化程度较低。利用火山岩中风化裂缝的发育程度和矿物蚀变程度，可将车排子石炭系火山岩风化壳自上而下分为土壤带、水解带、淋滤带、崩解带、蚀变带以及母岩带 层结构。（）采用结合 算法的决策树模型，可将淋滤带、崩解带、蚀变带进行分类判别，准确度可达 ，可信度较高。利用训练后模型对研究区 口井进行重新分类，判定结果与岩心鉴定结果基本一致。（）研究区风化壳储层主要受古地貌、断裂两个因素的控制。古地貌限制风化壳储层的展布，制约风化壳结构层的发育；断裂促进风化壳储层的发育，影响风化壳的有效厚度。其中淋滤带物性最好，是最有利的储层发育带，崩解带次之。参考文献（）：，（），（）：邹才能，侯连华，王京红，等 火山岩风化壳地层型油气藏评价预测方法研究：以新疆北部石炭系为例 地球物理学报，（）：，：，（）：，：，（）：，：，：张年富，曹耀华，况军，等 准噶尔盆地腹部石炭系火山岩风化壳模式 新疆石油地质，（）：，（）：覃丰，谭杰，周业泉，等 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