生物礁成礁條件、成礁模式及與油氣關(guān)系

謝啟紅，邵先杰，霍夢穎，張　珉，喬雨朋，接敬濤，時(shí)培兵

(燕山大學(xué)　石油工程系，河北　秦皇島　066004)

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生物礁成礁條件、成礁模式及與油氣關(guān)系

謝啟紅，邵先杰，霍夢穎，張珉，喬雨朋，接敬濤，時(shí)培兵

(燕山大學(xué)石油工程系，河北秦皇島066004)

摘要：基于大量文獻(xiàn)資料探討生物礁的成礁條件及與油氣關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)成礁條件主要包括造礁生物、顆粒沉積有效速率、海平面升降、溫度等作用；并從生物學(xué)的角度出發(fā)，提出一種新的成礁階段劃分方法，即依據(jù)造礁生物的生長速率特征劃分為調(diào)整期、生長期、穩(wěn)定期、衰亡期，并對(duì)各階段的成礁過程進(jìn)行詳細(xì)分析；分析建議把臺(tái)地邊緣的堡礁作為油氣勘探中的重點(diǎn)對(duì)象。

關(guān)鍵詞：生物礁；成礁條件；成礁特點(diǎn)；成礁模式

近年來隨著生物礁油氣藏的勘探開發(fā)，生物礁作為一種儲(chǔ)量大、儲(chǔ)層物性好、產(chǎn)量高的油氣藏已被列為重要的勘探對(duì)象。我國的生物礁研究起步較晚，通過幾十年的不懈努力，在生物礁的內(nèi)部組分與結(jié)構(gòu)構(gòu)建、種類劃分、沉積模式與沉積相、地質(zhì)識(shí)別與預(yù)測研究等方面取得重大進(jìn)展[1-6]，研究方向也從單一的基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向生物礁成油氣體系多個(gè)學(xué)科綜合研究[7-8]。但是針對(duì)生物礁成礁條件方面詳細(xì)的研究相對(duì)偏少，本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)成礁模式、成礁條件與油氣關(guān)系方面進(jìn)行探討，對(duì)生物礁的研究進(jìn)一步豐富和完善，為生物礁油藏勘探開發(fā)提供參考。

1成礁條件

以礁體為研究對(duì)象，成礁條件可以歸納為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素主要包括造礁生物(包含附礁生物)，沉積顆粒的沉積有效速率，早期的膠結(jié)作用；外部因素主要包括古構(gòu)造、海平面的升降、溫度、鹽度、養(yǎng)分補(bǔ)給、太陽光線、風(fēng)浪剝蝕等作用。

1.1　造礁生物

造礁生物主要有珊瑚、千孔螅、各種藻類、苔蘚動(dòng)物、有孔蟲類、軟體動(dòng)物等。造礁生物的種類、生物體尺寸大小、生長速率、生命周期等對(duì)生物礁的建造過程起重要作用。不同種類的造礁生物在不同地質(zhì)時(shí)期、不同地理環(huán)境下形成的生物礁種類和形態(tài)不同，這取決于地理外部環(huán)境、造礁生物本身代謝和捕獲碎屑物的能力。繁殖周期快、代謝活動(dòng)和捕獲碎屑物能力強(qiáng)的生物對(duì)生物礁建造過程貢獻(xiàn)更大一些；同類型的造礁生物，壯年期往往比幼年期造礁能力強(qiáng)。其次，造礁生物的新陳代謝活動(dòng)對(duì)成礁過程的影響比較復(fù)雜：一是建設(shè)作用，造礁生物通過對(duì)沉積物的捕捉和粘附能力，自身有效的新陳代謝活動(dòng)來建設(shè)生物礁；二是破壞作用，造礁生物的鉆孔、啃噬等活動(dòng)破壞生物礁的穩(wěn)定性。據(jù)資料表明，在法國南部深水的全新世珊瑚藻礁中，海綿和其他鉆孔生物的侵蝕作用使得生物礁的體積減少了95%。

1.2　沉積顆粒的沉積有效速率

這里的沉積顆粒包括造礁生物自身的新陳代謝分解產(chǎn)物和外來碎屑沉積物，據(jù)Goreau(1963)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)代的生物礁中70%以上的礁體內(nèi)部沉積物為細(xì)沙，主要來自于造礁生物的捕獲與粘附。顆粒沉積有效速率是針對(duì)海平面的下降速率相對(duì)而言的，由上述的生物礁沉積模式可知：當(dāng)水體較深的時(shí)候，由于造礁生物的生存環(huán)境較差，沉積顆粒的沉積速率較低，只能形成較薄的生物灘；隨著海平面下降，環(huán)境向造礁生物適宜的最佳生存環(huán)境發(fā)展，造礁生物種類和數(shù)量增多，沉積速率增加，礁體厚度繼續(xù)增大；當(dāng)顆粒沉積速率大于海平面上升速率，根據(jù)體積分配原理，有效可容空間向靠近陸方向遷移，當(dāng)礁體側(cè)向加積和垂向加積到一定程度，水體必然會(huì)變得過淺而不適合礁體的生長，這時(shí)候礁體達(dá)到最大值；當(dāng)顆粒沉積速率小于海平面上升速率時(shí)，環(huán)境向深水環(huán)境過渡，造礁生物逐漸死亡。綜上，沉積顆粒的沉積速率對(duì)造礁過程的作用比較復(fù)雜，既有建設(shè)作用，也存在破壞作用。

1.3　早期的膠結(jié)作用

膠結(jié)作用主要受造礁生物新陳代謝活動(dòng)和海水化學(xué)性質(zhì)的影響，膠結(jié)物生成后可以覆蓋在生物體內(nèi)外表面，早期快速的膠結(jié)作用可以為生物礁的生長提供構(gòu)造支撐和穩(wěn)定性(Fagerstrom，1987)。

1.4　外部環(huán)境因素

古構(gòu)造格局，尤其是臺(tái)地中古隆起控制了生物礁的具體分布，生物礁一般常發(fā)育于處于淺水沉積環(huán)境的臺(tái)地內(nèi)部及邊緣坡折帶，尤其是臺(tái)地外邊緣帶，坡折帶越陡，臺(tái)地相對(duì)抬升幅度越大，水體較淺，越有利于礁體的沉積發(fā)育[10]；海平面的升降速率決定造礁過程的開始與結(jié)束，與顆粒沉積有效速率相關(guān)聯(lián)，影響生物礁的宏觀分層性，田世存等人[11]根據(jù)生物礁的縱向生長受海平面影響，將礁體縱向自下而上劃分為成礁基、海侵礁、高位礁和橫向生長礁；溫度、鹽度、養(yǎng)分補(bǔ)給、太陽光線主要通過影響造礁生物生命活動(dòng)而間接影響成礁特點(diǎn)，中國科學(xué)院南海海洋研究所推算出珊瑚的最佳古海水溫度為18℃～30℃，過高過低都不適宜造礁生物的新陳代謝活動(dòng)；最佳古鹽度為27°～31°，正常咸水條件下主要發(fā)育藻礁，超咸水條件下主要發(fā)育凝塊石礁，而在鹽度較低的外圍則主要發(fā)育疊層石礁[12]；風(fēng)浪剝蝕會(huì)改造成礁后的具體形態(tài)。

成礁條件對(duì)成礁特點(diǎn)的作用很復(fù)雜，不同地域的成礁特點(diǎn)需要根據(jù)地質(zhì)背景條件，結(jié)合巖心地震等資料綜合分析。

2成礁模式

關(guān)于生物礁的成礁模式研究已經(jīng)很多，傳統(tǒng)的生物礁成礁模式劃分都是從生物礁的角度出發(fā)，根據(jù)生物礁的“生成—發(fā)育—消亡”劃分成礁階段與成礁模式。其中，最具代表性的劃分方法把成礁模式劃分為四個(gè)階段：生物礁奠基階段、生物礁初期繁殖階段、生物礁最大繁盛階段和生物礁衰亡階段[13]。

生物礁油氣藏是一個(gè)典型的圈閉型油氣藏，生物礁作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的空間單元，在養(yǎng)分、生存空間一定的條件下，它正如微生物的一個(gè)“培養(yǎng)基”。造礁生物的新陳代謝活動(dòng)符合培養(yǎng)基中微生物的生命活動(dòng)規(guī)律；培養(yǎng)基中的溫度、養(yǎng)分、pH值、有機(jī)質(zhì)補(bǔ)給等生存條件相當(dāng)于造礁生物的生存活動(dòng)環(huán)境；生物礁的建造也恰類似于培養(yǎng)基中微生物的新陳代謝產(chǎn)物?；谝陨隙叩念愃葡嚓P(guān)性，筆者從生物學(xué)的角度出發(fā)，提出了一種新的成礁階段劃分方法，即依據(jù)造礁生物的生長速率特征(見圖1)劃分為四個(gè)階段：調(diào)整期、生長期、穩(wěn)定期、衰亡期，作出了成礁階段各時(shí)期的沉積模式示意圖(圖2)。

調(diào)整期：此時(shí)為水體較深的低能環(huán)境，造礁生物所需要的養(yǎng)分、溫度、光線等生存條件較差，導(dǎo)致造礁生物種類和數(shù)量都較少，只能沉積厚度薄的生物灘基底，為生物礁的進(jìn)一步發(fā)育鋪墊，這個(gè)時(shí)期的沉積物顆粒較細(xì)。

生長期：該階段是造礁生物初始繁殖時(shí)期，隨著相對(duì)海平面的持續(xù)下降，光線、溫度等生存條件適宜造礁生物大量繁殖，造礁生物捕獲生物碎屑或泥質(zhì)物，并在生物灘基底上固著生長。沉積速率較非礁相地區(qū)明顯增高，地貌隆起。生長期時(shí)間較長，沉積地層厚度較大，只發(fā)育垂向加積。

穩(wěn)定期：相對(duì)海平面繼續(xù)下降，會(huì)存在一個(gè)造礁生物生存的最佳環(huán)境范圍。在這個(gè)范圍內(nèi)，生長速率最大，造礁生物類型及數(shù)量最多，捕獲碎屑的能力也最大，所以，成礁沉積速率也相應(yīng)達(dá)到最大。當(dāng)容納空間的增長速率小于礁的沉積生長速率，根據(jù)體積分配原理，礁體會(huì)橫向遷移以彌補(bǔ)容納空間的不足所導(dǎo)致的水體變淺，礁體進(jìn)一步發(fā)育增大。這個(gè)過程側(cè)向加積和垂向加積都存在。

衰亡期：當(dāng)生物礁體不能繼續(xù)遷移或者造礁速率小于海平面上升速率，環(huán)境逐漸不能滿足礁體生長而開始衰亡。隨著淺水環(huán)境逐漸向深水區(qū)過渡，在生物礁的頂部會(huì)沉積以泥質(zhì)為主的蓋層。

造礁生物生長活動(dòng)各個(gè)時(shí)期的長短主要取決于外部環(huán)境和內(nèi)部養(yǎng)分的供給，也最終影響著生物礁的形態(tài)分布和體積大小。

3生物礁與油氣關(guān)系

生物礁以其良好的儲(chǔ)集性能在碳酸鹽巖油氣田中占有重要的地位，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前世界上生物礁油氣田總的可采儲(chǔ)量達(dá)45×108t以上，我國在南海也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了30多個(gè)礁型油氣田。

3.1　儲(chǔ)層條件

生物礁成礁過程中先后經(jīng)過了微生物活動(dòng)、重結(jié)晶、膠結(jié)、壓實(shí)、壓溶與破裂、溶蝕等階段，發(fā)育了大量原生孔隙、次生孔隙(晶間孔、粒間孔和溶蝕孔)和裂隙，導(dǎo)致生物礁具有高孔高滲的特性，為油氣提供了良好的儲(chǔ)集空間和運(yùn)移通道。通過對(duì)不同地區(qū)不同類型生物礁儲(chǔ)層物性分布特征數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(表1)研究發(fā)現(xiàn)：發(fā)育在臺(tái)地邊緣的堡礁孔滲性最好，淺水大陸斜坡的塔礁次之，開闊臺(tái)地的點(diǎn)礁最差。因此，臺(tái)地邊緣的堡礁是油氣勘探中的重點(diǎn)對(duì)象。

3.2　生物礁油氣藏?zé)N源

生物礁油藏的烴源主要來自于兩個(gè)方面：原生生烴和次生生烴。原生生烴主要是在成礁過程中，生物礁本身內(nèi)部的成礁生物新陳代謝活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生部分有機(jī)質(zhì)；另外，捕獲和粘著的碎屑物中也含有大量烴源。次生生烴是在生物礁形成后，下部地層中的有機(jī)質(zhì)會(huì)通過油氣二次運(yùn)移在儲(chǔ)層物性較好的生物礁圈閉內(nèi)儲(chǔ)存，如渝東地區(qū)長興期礁氣藏的氣源就來自于下伏龍?zhí)督M灰黑色頁巖、深灰色泥晶灰?guī)r[14]。

3.3　蓋層條件

生物礁成礁之后，并不是所有的生物礁最終都會(huì)轉(zhuǎn)化為具有商業(yè)開發(fā)價(jià)值的油氣藏，必須具備相應(yīng)的蓋層條件，即發(fā)生二次的海侵或區(qū)域性的沉降事件。這樣會(huì)在生物礁的頂部出現(xiàn)海相泥巖、頁巖或碳酸鹽巖蓋層，為生物礁油氣藏提供保存條件。

表1　不同類型生物礁的儲(chǔ)層物性分布特征

4結(jié)論

1)成礁條件主要包括造礁生物(包含附礁生物)、沉積顆粒的沉積有效速率、早期的膠結(jié)作用、古構(gòu)造、海平面的升降、溫度、鹽度、養(yǎng)分補(bǔ)給、太陽光線、風(fēng)浪剝蝕等作用，其中，海平面的升降對(duì)成礁過程起主要作用。

2)從生物學(xué)的角度出發(fā)，提出了一種新的成礁階段劃分方法，即依據(jù)造礁生物的生長速率特征劃分為四個(gè)成礁階段：調(diào)整期、生長期、穩(wěn)定期、衰亡期。

3)生物礁具有很好的生儲(chǔ)蓋條件，統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)：發(fā)育在臺(tái)地邊緣的堡礁孔滲性最好，淺水大陸斜坡的塔礁次之，開闊臺(tái)地的點(diǎn)礁最差。因此，建議把臺(tái)地邊緣的堡礁作為油氣勘探中的重點(diǎn)對(duì)象。

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(責(zé)任編輯王利君)

Conditionsandmodelofbiologicalreefandrelationswithoilandgas

XIEQi-hong，SHAOXian-jie，HUOMeng-ying，ZHANGMin，QIAOYu-peng，

JIEJing-tao，SHIPei-bing

(DepartmentofPetroleumEngineering,YanshanUniversity,HebeiQinhuangdao066004，China)

Abstract：Thebiologicalreefreservoirasakindofgoodoilandgasareconcernedbymoreandmorepeople.Theformingconditionsofreefweremainlycontrolledbyreef-formingorganisms,theeffectivesedimentrateofparticle,earlycementation,palaeostructure,riseandfallofsealevel,temperature,analyzedthereefconditionsonaspecificroleofthecharacteristicsofthereef,andthesealevelriseplaysamainroleonthereefprocess.Fromabiologicalperspective,thispaperproposesanewclassificationmethodofthereef,namelyaccordingtothegrowthrateofthefeatureofreef-formingorganisms,whichdividedintoadjustmentperiod,growthperiod,stableperiod,declinephase,andanalyzedtheprocessofthereefindetail.Therelationshipbetweenthebiologicalreefandoilandgaswasdiscussedanditissuggestedthatthebarrierreefontheedgeoftheplatformisthekeyobjectintheexplorationofoilandgas.

Keywords：biologicalreef；reefconditions；characteristicsofthereef；reefmodel

中圖分類號(hào)：P512.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-9469(2015)04-0094-04doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2015.04.020

作者簡介：謝啟紅(1989-)，男，河南濮陽人，碩士，主要研究方向?yàn)橛筒孛枋雠c油藏工程。

基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2011ZX05038-001)

收稿日期：2015-09-16