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南长冈气田周边火山岩储集层的分布和特征

编译：王立群

渡边芳弘

摘要：新泻沉积盆地的中部是备受关注的长冈地区，该盆地的绿凝灰岩类型和岩相的分布特征可能由Nanatani期（区域年代地层单位）的断裂及其他构造运动所控制。根据大量的火山岩类型和岩相的全面分析及相关因素的认识以及它们在物性和地球化学成分上的变化，对南长冈气田中复合绿凝灰岩层序的火山岩地层框架建立了火山岩层序模型。以由下至上的顺序，该模型由五套火山岩层序组成，分别是火山岩层序Ⅰ、火山岩层序Ⅱ、火山岩层序ⅢR、火山岩层序ⅢB和火山岩层序Ⅳ。火山岩层序Ⅰ和Ⅱ由非酸性岩组成，前者具有非常高的电阻率，明显与后者相区别。与玄武质层序ⅢB呈双峰式特征的酸性层序ⅢR由互层的流纹质熔岩流和/或熔岩穹组成。这可以根据每口井中含倾角值的推测岩相的综合解释来确定。层序Ⅳ为薄层的玄武质熔岩流单元，它的分布局限在气田的北部。根据火山岩层序模型进行的地层解释可以说明其不同相类型的分布和井间的不同产量及压力变化。在长冈地区，某些老井钻遇的酸性岩属于火山岩层序ⅢR，而下覆的非酸性岩底部的电阻率非常高，与火山岩层序Ⅰ相似。为了预测未发现的酸性火山岩体的分布，试偿重新解释老井及具有火山岩层序特征的地震资料是有价值的。
关键字：火山岩层序、流纹岩、熔岩流/熔岩穹、长冈、新泻
1、 前言：
在位于新泻县长冈市南西约10KM的南长冈气田图1），在南北约6KM、东西约3KM的绿凝灰岩地垒构造中，水下喷发的酸性火山岩复合体形成储集层。关于其地质模型及储层性质的评价，在气田的勘探和开发初期，佐藤（1982）及小松等人（1983）根据岩石学方面的研究，试偿对流纹岩储集层进行岩相划分，指出孔隙发育的好坏明显地控制岩相的分布。另外，清水和田泽（1984）在确定流纹岩岩相的储集能力之基础上，介绍了应用测井数据进行岩相判别的方法并说明了其有效性和必要性。最近川本（2001）根据斜长石折射率的测定结果，进行着有关火山岩储集层的分布和变质作用方面的研究。另一方面，根据油藏工程学的观点，岛本（1996）应用压力分布和产量测井数据评价了渗透率及层模式的适用性。另外，岛本等人（1997）观察试井时的异常压力状态，发现其变化是有限的，认为可用边缘部位存在非渗透性的离散岩体来解释，据此野村（2001）对该类火山岩储集层推算出了有效渗透率的相关关系，并以此评价有效渗透率，确认该方法在实用上具有普遍性。
自南长冈气田于1979年发现以来，到目前为止共有30口探井和开发井，不过出现的岩性和岩相组合是多种多样的。因地区不同，井间的生产能力不同，压力状态也多存在差异。在油藏工程学研究中，压力状态即便能够恢复也不能明确地判断实际的岩性、岩相的分布形态和其中良好储层的发育状况。因此在本研究中把有助于更正确的储量评价和最适合的开发方案的确定纳入到视野中。以新钻井中的绿凝灰岩的岩性、岩相预测以及与地质模型有关的储层模型的建构为目的，对每口探井制作下述的FacioLOG并进行详细研究。进而根据在垂向上可识别的特征性岩石化学组成及物性变化的综合解释结果，使得相互可对比的一系列火山喷发物的划分成为可能，在这里把它们称为火山岩层序，并建构了作为新层序框架的火山岩层序模型。
更进一步地，该模型因为也有可能适用于新泻沉积盆地以长冈周边地区为中心的绿凝灰岩体，所以用该模型试偿预测了南长冈气田周边的酸性复合火山岩体的分布和特征。
2、 绿凝灰岩的岩相解释及FacioLOG的应用
所谓FacioLOG是根据钻井进尺、泥浆气数据、钻井分析数据等钻探所获得的信息，测
井数据，以及岩芯样品的镜下鉴定数据综合表示火山岩类的岩性、岩相解释结果的一种方法。
在绿凝灰岩层段的钻探分析中，主要根据颜色、磁性和硬度进行岩石类型的判断。对于无磁性的流纹岩，以颜色划分岩石类型。但是因受变质等因素的影响，上述岩石类型的判断结果与用镜下鉴定矿物参数所得到的矿物组合和基质成分所分析的岩性和岩相必定是不相同的。所以用于解释绿凝灰岩岩性、岩相的镜下鉴定数据具有更重要的意义。图2a表示的是以薄片鉴定为基础的流纹岩、安山岩、玄武岩及粗粒玄武岩等的岩石类型划分标准和它们的过渡关系，镜下鉴定的结果被用于识别岩相。关于在流纹岩中识别出来的五种岩石类型和水下熔岩流模式中的岩相的对应关系以佐藤（1984）的成果为标准。另一方面，为了提高FacioLOG制作过程中火山岩岩性、岩相解释的精度，掌握好实际岩芯样品的岩性、岩相识别和测井响应的对应关系是必不可少的，并据此识别测井相（图2b）。在岩相和测井相分析中，也应用密度——中子测井资料中的数据特征和井径数据，对绿凝灰岩类的岩性、岩相进行综合解释，根据这种解释结果，在南长冈气田对担当储集层的流纹岩可划分出五种岩相类型。
3、 南长冈气田中的火山岩层序模型
3.1、火山岩层序模型
本模型是根据南长冈气田探井解释的各种岩性、岩相成果，解释出由绿凝灰岩组成的复合火山岩体，根据综合解释等时面所得到的地层框架。由下至上由火山岩层序Ⅰ、火山岩层序Ⅱ、火山岩层序ⅢR、火山岩层序ⅢB和火山岩层序Ⅳ这五套地层组成（图3）。相当于底部的火山岩层序Ⅰ由电阻率为几百到1000欧姆•米以上的超高电阻率玄武岩组成，此处称为底部玄武岩。本层序出现在平均海平面以下深度超过5000米左右的地方。
火山岩层序Ⅱ是由安山岩和玄武岩组成的非酸性岩地层单元 。该单元虽然和下部的底部玄武岩在镜下不能明确地识别其差异，但是它们的电阻率值是完全不同的。在气田的北部出现在平均海平面4500米左右的地方，地层厚度为500米上下。在南部钻遇的探井少，但和北部相比出现的深度要深一些，而且可识别出地层厚度变薄的趋势。
在火山岩层序Ⅱ的上部，存在火山岩层序ⅢR和火山岩层序ⅢB组成的双峰式岩体。火山岩层序ⅢR由流纹质熔岩流/熔岩穹重叠而成，为南长冈气田的主要储集层。如后所述，各种熔岩流/熔岩穹能够根据各探井中所解释的流纹岩岩相和地层倾角数据进行综合分析，而且在有产能测井数据的情况下，从其分析结果中能够确定各种熔岩流/熔岩穹的储集性质和分布规模。火山岩层序ⅢR在气田南部——酸性复合体的中部较厚，发育有储集性质良好的熔岩流相。另一方面，在北部即酸性复合火山岩体的边缘部位变薄，可辨别出储集性质不好的玻璃质火山碎屑岩相逐渐发育的倾向。火山岩层序ⅢB是由玄武质熔岩流组成的层序，推测其中部位于气田的南西方向。在气田南西向的探井中，有人认为出现了由酸性岩组成的火山岩层序ⅢR和由非酸性岩组成的火山岩层序ⅢB的指状交互。
最上部的火山岩层序Ⅳ是由仅在气田最北部的探井中出现的玄武质熔岩流组成的层序。所确认的地层厚度不过60——20米，与其它火山岩层序相比是最薄的。
在气田最北部的火山岩层序Ⅳ及其它地区的火山岩层序ⅢR，在七谷组生物地层序列上部被NN4期的泥质岩层所覆盖。在气田的南西部，火山岩层序ⅢB代替了火山岩层序ⅢR被同时期的泥质岩层所覆盖。
3.2、火山岩层序ⅢR中的熔岩流/熔岩穹的确定
水下喷发的酸性岩体呈现熔岩流或熔岩穹的形态。前者分布在2——3KM的范围之内，后者分布在数百米范围之内，两者都在边缘部位厚度减薄，其厚度相对于分布范围来说为1/4——1/6或1/3——1/7，后者的厚度较大。岩体的形状、形态及规模的不同，认为与岩浆的粘性差异、岩浆的供给量等因素有关。
关于酸性岩体的内部构造，有研究者认为从绳状熔岩经分选不好的块状角砾岩变为层状的火山角砾岩，还存在从自破碎熔岩相经角砾岩相变为凝灰岩相的层序。在这种相变序列中，流纹构造的倾角从50°——60°减少到20°——30°或其以下。以前在火山岩地层中是不用地层倾角数据的，但是因酸性岩体边缘部位的层状构造的发育及碎屑流岩层的倾角在地表减小的事实表明：在地下把由探井得到的倾角数据综合地解释为岩相数据，对于推测酸性火山岩体的规模和分布范围是有效的。就是说熔岩流/熔岩穹边缘相的玻璃质火山碎屑岩相因层化作用而存在倾角，相反为中心相的熔岩相因呈块状特征而不存在倾角，所以推测整个岩体的产状为随机倾斜或无倾斜。这种情况在玻璃质火山碎屑岩相发育的岩芯样品中，可识别出倾斜的层状构造，其倾角与地层倾角测井数据一致，因此该结论是有依据的。
据此，可以认为使用综合解释流纹岩相地层界面的倾角数据的解释结果确定地下的熔岩流/熔岩穹是可能的（图4）。其解释标准列举如下五点（渡边，2004）：
1）、岩相从中心向外由熔岩相相变为角砾岩相和玻璃质碎屑岩相（也存在缺少熔岩相和角砾岩相的情况）。
2）、在熔岩流/熔岩穹的边缘部位岩层厚度减薄。
3）、在和岩层的倾斜方向相反的方向上存在熔岩流/熔岩穹的岩体中心。
4）、熔岩流/熔岩穹的分布范围和相对厚度与在地表能够观察到的这种岩体具有相同的规模或其规模相对较小。
5）、在气田构造轴部及其周边，受褶皱及其他变动的影响较小，各探井间的相对深度大致维持喷发时的状况。
如图5所示，在探井中能够识别的熔岩流/熔岩穹的地层界面可根据熔岩相的下限、层厚增加的玻璃质碎屑岩相或高伽玛值的角砾岩相的上限或者地层界面倾向剧烈变化等情况确定。结果，该图所示的11个钻孔中解释出4个不同的熔岩流/熔岩穹岩体。其中最下部的钻孔区间⑴——⑶所属的L6层段与最上部的钻孔区间⑻——⑾所属的L11层段相比，解释的地层厚度大，若根据产量测井数据的解释结果（图6），L11层段的流量以及相当于密闭时1米钻孔区间的流量要远大于L6层段，所以其渗透性远好于L6，也可以解释L11层段的分布范围较大。L6和中部钻孔区间⑷——⑹所属的L7，测试时每米的流量大致相同，但是L7层段在密封测试时发生倒流现象，表明压力的支持较小，解释认为L6层段的分布范围较大。
3.3、熔岩流/熔岩穹的分布和储层的模型化
所确定的熔岩流/熔岩穹的分布状况表示在图7中，它们的分布范围都在1KM到2KM左右，相对厚度小于200米，其形态、形状和所推测的主体位置呈现多样性。根据钻井取芯观察的结果，每个熔岩流/熔岩穹上所钻遇的岩相不同，因此可以认为在探井之间出现的岩相模式是多种多样的，所以为了建立和地质模型相关的储层模拟模型，要设置参数，但并不是把探井间的岩性、岩相直接地设定为玄武岩→安山岩→流纹质熔岩相→角砾岩相→玻璃质碎屑岩相这样的岩相变化，也不把岩相平行地设置在绿凝灰岩层上限的某特定层位的构造形态上，而是把熔岩流/熔岩穹作为以立体位置和纵横比（宽度和高度）为参数的对象来设置（图8）。以此为依据，可以说明探井间生产能力的不均一性和不同的压力状态。
4、 长冈周边地区酸性复合火山岩体的分布预测
4.1、七谷期沉积岩和火山岩类的时空分布分析
绿凝灰岩（勘探对象）的岩性、岩相分布极有可能受七谷期断陷构造及构造发育史的约束。即便都钻遇了绿凝灰岩地层，但是所出现的绿凝灰岩在岩性、岩相以及出现的深度上是不同的。
图9是表示长冈周边区域七谷组泥质岩和火山岩类分布的概念图。选择预探位置时，要预测绿凝灰岩的岩性和出现的深度，以前是根据构造或断层解释地质模型进行的，就是说，尽管在浅部钻井确认的地层层序大致符合预期，但是当绿凝灰岩的预测出现深度与实际出现深度产生差异时，多数情况下改变现存解释中的断层规模和位置或者以重新解释的断层结果为依据，把绿凝灰岩层确定为地垒、地堑构造（图9b）。
另一方面，以石灰质化石层序数据和测井对比所确定的七谷组泥质岩相分带、以及以岩石薄片鉴定数据和FacioLOG所确定的火山岩类的岩性、岩相对比结果为基础，对长冈周边区域的七谷期沉积岩和火山岩类的时空分布进行研究的结论是：可以将其划分为NN6、NN5、NN4三个时期进行对比（图9a）。南长冈气田的绿凝灰岩层被地层厚度为250米左右的七谷组泥质岩所覆盖，该组地层经历了NN4——NN6期。所以可认为该气田的绿凝灰岩层是NN4期的产物。在被相当于NN4期泥质岩所覆盖的酸性岩体的下部，出现非酸性岩层的现象，在南长冈气田以外的探井中也能见到。而且，在某些探井中（图1的S和U等），井底附近亦即被确认的酸性岩层的下部呈现超高电阻率值，所以可认为在该气田内确定的火山岩层序框架可能与长冈周边区域的框架一致。此外，在同一构造系列的探井之间酸性岩体忽有忽无，所以相当于火山岩层序ⅢR的酸性岩体的分布与构成其下部的火山岩层序Ⅱ的非酸性岩层不同，是不连续的，解释为其间分布有泥质岩层，所以七谷组泥质岩层的厚度变化不只是与构造运动的变化相关，也与酸性岩体的存在与否有关。
4.2、酸性复合岩体的分布预测
在长冈周边地区，对预测作为实际产层的酸性复合岩体的分布方面，并不只是进行地质构造和断层的解释，高精度地推测七谷期沉积岩和火山岩类的时空分布也是重要的。七谷组的泥质岩根据石灰质化石层序数据和测井响应可进行划分，所以研究划分好的泥质岩层与火山岩类的地层厚度和层序关系有助于推测酸性复合火山岩体的分布。另外，在进行地震解释时，有必要结合七谷组泥质岩层分隔酸性火山岩体这种认识。
在被解释为钻遇由非酸性岩组成的火山岩层序Ⅱ的探井中，当其上部由酸性岩组成的火山岩层序ⅢR的岩层厚度较薄及玻璃质碎屑岩发育的情况下（图10），在假定探井位于酸性复合岩体边缘部位的条件下，根据岩相及倾角测井数据的综合解释，可能推测出具有良好储集性能的酸性复合岩体的核心部位。
5、 总结
对新泻沉积盆地以长冈周边地区为中心的绿凝灰岩体，构建了可称为新火山岩层序框架
的火山岩层序模型。该模型的五套火山岩层序分别是：与下部相比，由具超高电阻率值的玄武岩层组成的火山岩层序Ⅰ、由非酸性岩组成的火山岩层序Ⅱ、具有双峰特征的酸性岩体构成的火山岩层序ⅢR和由玄武质熔岩流组成的火山岩层序ⅢB以及由玄武质熔岩流组成的火山岩层序Ⅳ。在南长冈气田，上述框架内的由流纹质熔岩流/熔岩穹复合体组成的火山岩层序ⅢR成为主要的储集层，综合解释岩相分布及地层倾角数据来确定该熔岩流/熔岩穹复合体的层次关系，对非均质火山岩相的确定或对比、储集岩的规模及分布的推测以及探井之间生产能力的不均一性和异常压力状态的解释来说是可预期的。为了绿凝灰岩勘探目标的的钻探，划分七谷组地层并研究泥质岩层和火山岩类的地层厚度及层序关系，综合解释酸性火山岩相和地层倾角数据，并从七谷组泥质岩分隔酸性火山岩体的观点出发，校正地震勘探解释结果，我们认为在预测具良好储集性能的酸性复合火山岩体的分布及特征的掌握方面是值得试行的。