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
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1、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
2、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、
3、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
4、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、
5、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,
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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 ,
14、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
15、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
16、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
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