桑托斯盆地白堊系湖相碳酸鹽巖微生物礁灘的成因

王 穎, 王曉州, 康洪全, 朱石磊, 蔡露露, 廖計(jì)華

(1.中海油研究總院，北京 100028; 2.洲際油氣股份有限公司 新項(xiàng)目評(píng)價(jià)部，北京 100016)

桑托斯盆地白堊系湖相碳酸鹽巖微生物礁灘的成因

王 穎1, 王曉州2, 康洪全1, 朱石磊1, 蔡露露1, 廖計(jì)華1

(1.中海油研究總院，北京 100028; 2.洲際油氣股份有限公司 新項(xiàng)目評(píng)價(jià)部，北京 100016)

巴西桑托斯盆地為典型的南大西洋被動(dòng)大陸邊緣含鹽盆地，裂谷期白堊系Barra Velha組發(fā)育湖相碳酸鹽巖微生物礁灘，是鹽下含油氣系統(tǒng)主要儲(chǔ)層，疊層石微生物灰?guī)r是組成微生物礁灘的主要巖石成分。本文通過地震剖面的振幅反射結(jié)構(gòu)、鉆井巖性剖面、巖心觀察、巖心薄片分析，研究微生物礁灘主要特征。疊層石顆粒組成巖石格架，粒間孔發(fā)育，是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，主要分布在東部隆起帶上。鮞?；?guī)r顆粒為疊層石，顆粒形態(tài)多樣、大小不一，為疊層石微生物礁破碎后就近堆積、經(jīng)波浪改造后的產(chǎn)物。桑托斯盆地湖相碳酸鹽巖微生物礁灘的形成主要受控于古環(huán)境、水體深度變化及藻類改造作用。

桑托斯盆地；白堊系；微生物礁灘；湖相碳酸鹽巖；疊層石；鮞粒；巴西

湖相碳酸鹽巖作為陸相含油氣盆地中一種特殊的儲(chǔ)層類型，在國內(nèi)外均有一定的油氣發(fā)現(xiàn)，如中國的渤海灣盆地濟(jì)陽拗陷古近系的礁灰?guī)r、四川盆地中侏羅統(tǒng)大安寨組的介殼灰?guī)r、柴達(dá)木盆地西部中新統(tǒng)油砂山組和始新統(tǒng)干柴溝組生物礁灰?guī)r[1-9]，以及巴西的坎波斯盆地、俄羅斯的濱里海盆地、美國的綠河盆地等[10-12]。

微生物巖(microbolite)一詞來源于R.V.Burner(1987)，指由底棲微生物群落，以藍(lán)細(xì)菌為主的光能細(xì)菌、化能自養(yǎng)菌和化能異養(yǎng)菌，真核微體藻(包括紅藻、硅藻、褐藻)，以及一些后生動(dòng)物(介形蟲、甲殼類)組成的復(fù)雜共生體，通過黏結(jié)和捕捉碎屑沉積物、表面礦物沉淀、生物礦化作用而產(chǎn)生的生物沉積巖[13-15]。本文研究的湖相碳酸鹽巖微生物礁灘則是在湖相環(huán)境中形成的一種微生物巖，主要發(fā)育在巴西桑托斯盆地白堊系Barremian階Baravelha組，是以疊層石為格架，加上大量的藻類黏結(jié)作用，具有大面積連片發(fā)育的礁體。

疊層石的發(fā)育最早出現(xiàn)在早太古代地層中(約3 500 Ma B.P.)[16]，主要發(fā)育在溫暖、較穩(wěn)定的陸內(nèi)克拉通淺水碳酸鹽巖中，多為層狀疊層石丘[17]。在中新元古代，疊層石達(dá)到高峰期，形態(tài)種類多樣、分布范圍廣[18]。中生代疊層石已經(jīng)成為微生物礁灘格架的主要成分[19]。

1 地質(zhì)背景

巴西大坎波斯盆地地處巴西東南部海上，位于南大西洋西岸(圖1)，包括桑托斯盆地、坎波斯盆地以及埃斯皮里圖桑托盆地。桑托斯盆地位于最南端，面積最大，約為326 867 km2，水體最深>4 km[19]，構(gòu)造格局呈現(xiàn)“三拗兩隆”，由西向東分別為西部拗陷帶、西部隆起帶、中央拗陷帶、東部隆起帶和東部拗陷帶。

圖1 大坎波斯盆地構(gòu)造格局Fig.1 The tectonic setting of Campos Basin

桑托斯盆地為典型的南大西洋被動(dòng)大陸邊緣含鹽盆地，構(gòu)造演化主要分為3個(gè)階段：侏羅紀(jì)晚期-早白堊世阿普第早期的裂谷期；早白堊世阿普第中期進(jìn)入過渡期；阿爾布期后為構(gòu)造漂移期(圖2)[20]。過渡期形成的厚層鹽巖之下，為河湖相沉積體系發(fā)育時(shí)期，儲(chǔ)層以湖相碳酸鹽巖為主，烴源巖為陸相的中深湖相泥巖。鹽上為中—晚白堊世至今漂移期形成的深水沉積體系，儲(chǔ)層以土侖階深水重力流砂巖為主，烴源巖為森諾曼至馬斯特里特期形成的深水海相頁巖。

圖2 桑托斯盆地巖性柱狀圖Fig.2 The stratigraphic column of Santos Basin

2 微生物礁灘發(fā)育特點(diǎn)

桑托斯盆地鹽下湖相碳酸鹽巖微生物礁灘是鹽下含油氣系統(tǒng)主要儲(chǔ)層，礁灘主體主要為疊層石微生物灰?guī)r和鮞?；?guī)r。礁體垂向厚度較大，鉆井鉆遇最大累計(jì)厚度達(dá)千米，平面上連片分布。

2.1 巖石學(xué)特征

疊層石微生物灰?guī)r是組成微生物礁灘的主要巖石成分(圖3)，巖心往往呈褐黃色(圖3-A)，疊層石顆粒組成巖石格架，球粒狀結(jié)構(gòu)，基質(zhì)幾乎無硅化(圖3-B)。疊層石顆粒四周見硅化邊，粒間孔發(fā)育(圖3-C藍(lán)色部分)，疊層石顆粒往往由細(xì)小顆粒相互黏結(jié)組成大顆粒(圖3-D黃色箭頭)，部分顆粒鈣化(圖3-D中紅色部分)，圖3-D中紅色箭頭指示硅化特征。疊層石紋層(層理)是建造疊層石的單元，層理的大小、形狀和生長姿態(tài)的連續(xù)變化決定了疊層石形態(tài)[16]。桑托斯盆地組成湖相碳酸鹽巖礁體格架的疊層石類型多樣(圖4)，從而形成了類型多樣的疊層石微生物礁體。按照疊層石生長形態(tài)，分為喬木狀、灌木狀和樹枝狀。不同類型的微生物礁灘代表不同的水體環(huán)境[19]。喬木狀疊層石(圖4-A)顆粒間堆積方式以向上為主，生長迅速，顆粒較大，形成的格架較為高大，抗浪能力強(qiáng)，指示水體深度較大；灌木狀疊層石(圖4-B)底部較窄，顆粒呈叢生狀，類似灌木叢，相對(duì)喬木狀疊層石較為矮小，為丘型或者扇形，說明水體深度變化緩慢，疊層石顆粒以側(cè)向生長為主，緩慢向上生長；樹枝狀疊層石顆粒最為細(xì)小(圖4-C)，但由于長條狀的疊層石粒間孔較多，因此，樹枝狀疊層石為主的微生物礁體往往孔滲較好，是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。

微生物礁灘還包括另外一種重要的巖石類型——鮞?；?guī)r。研究區(qū)鮞?；?guī)r顆粒往往為疊層石(圖5-A黃褐色顆粒)，顆粒形態(tài)多樣，有圓形、橢圓形、長條形及不規(guī)則形態(tài)。顆粒大小不一(圖5-B)，說明鮞粒未經(jīng)過長距離搬運(yùn)及淘洗，多為疊層石微生物礁破碎后就近堆積，經(jīng)波浪淘洗改造后形成。

疊層石微生物灰?guī)r往往為礁體的主要組成部分，而鮞?；?guī)r則是灘體的重要巖石類型。連續(xù)巖心觀察發(fā)現(xiàn)，2種巖性(相帶)在桑托斯盆地內(nèi)呈互層發(fā)育(圖6)，說明水體變化較快，為湖相典型特征。疊層石微生物灰?guī)r易于出現(xiàn)垂直裂縫，同時(shí)物性較好，為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層；而鮞?；?guī)r則相對(duì)致密。

圖3 W4井疊層石微生物灰?guī)r特征Fig.3 Photographs showing the characters of stromatolite microbial limestone from drilling well W4(井位見圖9)

圖4 疊層石類型Fig.4 Photographs showing the types of stromatolite(A)喬木狀疊層石; (B)灌木狀疊層石; (C)樹枝狀疊層石

圖5 W4井鮞?；?guī)r特征Fig.5 Characteristics of oolitic limestone from the drilling core of Well W4 (A)巖心; (B)薄片

圖6 W1井疊層石微生物礁巖心特征Fig.6 The characteristics of drilling cores of stromatolite microbial reef from Well W1①鮞粒灰?guī)r; ②疊層石微生物灰?guī)r

2.2 分布特征

鮞粒灘或者鮞粒砂丘等堅(jiān)硬基底是微生物席形成的基礎(chǔ)[21]。桑托斯盆地微生物礁灘以Itpema組生屑灘為基底，大規(guī)模發(fā)育。通過井震聯(lián)合標(biāo)定(圖7)，微生物礁相地震相特征為中振幅中頻斷續(xù)亞平行反射，局部空白反射，自然伽馬曲線呈箱型，巖性以疊層石微生物灰?guī)r為主；微生物灘地震相為席狀-楔狀中-強(qiáng)振幅中頻較連續(xù)平行反射，自然伽馬曲線呈鋸齒狀，為鮞粒灰?guī)r、含疊層石微生物碎屑泥灰?guī)r、泥灰?guī)r互層沉積。

垂向上(圖7)，微生物礁相和微生物灘相交互出現(xiàn)，說明水體變化頻繁，由西南部到東北部的區(qū)域連井剖面顯示(圖8)，微生物礁厚度變化較大，為100～600 m，礁體分期發(fā)育，中間由微生物灘分隔。平面上(圖9)，微生物礁在東部隆起帶上連片分布，形狀不規(guī)則，分布面積與底部古隆起展布密切相關(guān)，說明水體深度是形成碳酸鹽巖建造的關(guān)鍵因素。在靠近盆地內(nèi)部東部拗陷帶一側(cè)，迎風(fēng)面，波浪作用強(qiáng)，將未固結(jié)或者弱固結(jié)的微生物礁碳酸鹽巖組分撕裂、打碎，發(fā)生滑塌、崩落到低洼處，經(jīng)波浪再改造作用，導(dǎo)致微生物灘大面積分布。在中央拗陷帶及東部拗陷帶內(nèi)的低凸起，也是微生物礁發(fā)育的潛在區(qū)域。

3 微生物礁灘成因

湖相局限的沉積環(huán)境決定湖相碳酸鹽巖形成的控制因素較多，傳統(tǒng)的湖相碳酸鹽巖受構(gòu)造背景、古氣候、古水動(dòng)力條件和古水介質(zhì)性質(zhì)控制[22]。但桑托斯盆地白堊系湖相碳酸鹽巖微生物礁灘除受以上因素影響外，獨(dú)特的古環(huán)境以及生物作用等因素對(duì)湖相碳酸鹽巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的形成有至關(guān)重要的影響。通過古構(gòu)造、古氣候、水體性質(zhì)綜合分析，以及地震、鉆井、巖心資料研究，認(rèn)為桑托斯盆地湖相碳酸鹽巖微生物礁灘的形成主要受控于古環(huán)境、水體深度變化及藻類改造。

3.1 古環(huán)境

這里指的古環(huán)境包括古氣候、水體類型、構(gòu)造格局。湖相碳酸鹽沉積受氣候影響較大[22]， 白堊紀(jì)氣候?yàn)榈刭|(zhì)歷史中一種特殊的溫室氣候類型[23]，碳酸鹽巖沉積相對(duì)發(fā)育。Michael[24]通過對(duì)大西洋兩岸油樣源巖沉積環(huán)境分析，認(rèn)為桑托斯盆地白堊紀(jì)水體鹽度存在明顯變化，Barremian早期水體為淡水-半咸水；晚期 Baravelha組發(fā)育時(shí)，水體轉(zhuǎn)變?yōu)橄趟喘h(huán)境。在咸水環(huán)境下，生物種類銳減，適應(yīng)環(huán)境較強(qiáng)的疊層石繁盛，從而形成大量微生物灰?guī)r。陸源碎屑的輸入抑制碳酸鹽巖的形成，桑托斯盆地西部隆起帶的阻擋，使大量陸源碎屑沉積物主要沉積在西部拗陷帶內(nèi)，湖盆中央水體得到凈化，使東部隆起帶成為湖相碳酸鹽巖發(fā)育的有利區(qū)帶(圖9)。

圖7 藻疊層石礁地震相及測(cè)井相特征Fig.7 The seismic and logging facies of stromatolite reef

圖8 桑托斯盆地沿盆地走向連井剖面Fig.8 The connected well profile in Santos Basin

圖9 桑托斯盆地Barra Velha組沉積相圖Fig.9 The sedimentary facies of Barra Velha Formation in Santos Basin

3.2 水體深度

通過準(zhǔn)層序組多旋回分析的高分辨率層序地層學(xué)研究，可以精確反映沉積體相序變化與水平面之間的關(guān)系。向上變淺旋回和高頻層序是構(gòu)建碳酸鹽巖儲(chǔ)層、碳酸鹽巖臺(tái)地，以及陸棚到盆地之間聯(lián)系的基石[25]。湖平面的升降變化會(huì)導(dǎo)致碳酸鹽生產(chǎn)和堆積速率從低到高發(fā)生變化，湖平面的快速升高或者急速下降造成的短期暴露都會(huì)導(dǎo)致碳酸鹽巖停止生長，從而形成向上變粗、變厚的準(zhǔn)層序[26]。湖侵體系域發(fā)育時(shí)期，可容空間的增大利于湖相碳酸鹽巖的發(fā)育，地層中普遍具有多旋回性特征[27]。

從桑托斯盆地Berra Velha組鉆井沉積相綜合分析(圖10)可以看出，鉆井巖性組合多樣，具有多旋回特征，其中微生物礁主要發(fā)育在湖侵體系域，水體變淺，發(fā)育微生物灘。微生物灘出現(xiàn)大量鮞?；?guī)r，或者含鮞粒疊層石微生物灰?guī)r，孔滲變化較大，為Ⅱ類儲(chǔ)層。礁緣巖性為疊層石微生物泥灰?guī)r、含鮞粒疊層石微生物灰?guī)r及鮞?；?guī)r，孔滲較差，微生物礁核主體以疊層石微生物灰?guī)r為主，孔滲好，為Ⅰ類儲(chǔ)層；但有鮞?；?guī)r夾層，說明當(dāng)時(shí)水體動(dòng)蕩，水深變化頻繁，為典型的湖相特征。

圖10 W2A井沉積相綜合分析圖Fig.10 Analysis of sedimentary facies for drilling Well W2A

3.3 藻類黏結(jié)作用

中新元古代是疊層石發(fā)育繁盛時(shí)期[17]，但元古代疊層石是在清潔、相對(duì)安靜的海洋環(huán)境中，由絲體藻生長堆積而成。白天，絲體藻漂浮在海面上進(jìn)行光合作用，通過分泌黏性物質(zhì)黏結(jié)礦物顆?？焖偕L；夜晚，隨著光合作用的停止或減弱，絲體藻沉到海底，匍匐生長，使疊層石出現(xiàn)明、暗相間的紋層。但這個(gè)時(shí)期形成的疊層石粒度細(xì)，呈丘型，孔滲差，與中生代發(fā)育的疊層石微生物礁灘明顯不同。桑托斯盆地白堊系的微生物礁灘具有格架結(jié)構(gòu)，孔滲好，是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，這與疊層石的生長環(huán)境和藻類的黏結(jié)改造密不可分。

桑托斯盆地白堊系Barra Velha組夾雜大量的鮞?；?guī)r，說明水體環(huán)境動(dòng)蕩。在濱-淺湖高能環(huán)境中，藻類黏結(jié)疊層石，從而形成具有抗浪格架的孔隙度和滲透率較好的黏結(jié)類礁體，與元古代單純的疊層石丘狀沉積明顯不同。西澳鯊魚灣的現(xiàn)代疊層石研究[28]，進(jìn)一步證實(shí)了藻類在改造疊層石礁體物性所起的關(guān)鍵作用。在藻類不發(fā)育的潮間帶，疊層石以藍(lán)藻細(xì)菌建造為主，粒度細(xì)；潮下帶疊層石則以藍(lán)藻細(xì)菌建造和藻類黏結(jié)共同形成，粒度明顯變粗，物性得到明顯改善。

4 結(jié) 論

a.微生物礁灘是桑托斯盆地白堊系鹽下湖相碳酸鹽巖一類重要的儲(chǔ)層類型。疊層石微生物灰?guī)r和鮞?；?guī)r是組成微生物礁灘的主要巖石成分，疊層石顆粒組成巖石格架，粒間孔發(fā)育，是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。疊層石類型多樣，有喬木狀、灌木狀和樹枝狀。鮞粒灰?guī)r顆粒往往為疊層石，顆粒形態(tài)多樣，有圓形、橢圓形、長條形以及不規(guī)則形態(tài)；顆粒大小不一，為疊層石微生物礁破碎后就近堆積，經(jīng)波浪淘洗改造后形成，是組成灘體的重要巖石類型。鮞?；?guī)r和疊層石微生物灰?guī)r互層發(fā)育，說明水體變化較快，為湖相典型特征。

b.微生物礁厚度變化較大，為100～600 m，礁體分期發(fā)育，中間由微生物灘分隔。平面上，微生物礁在東部隆起帶上連片分布。在靠近盆地內(nèi)部東部拗陷帶一側(cè)，迎風(fēng)面，波浪作用強(qiáng)，微生物灘大面積分布。在中央拗陷帶及東部拗陷帶內(nèi)的低凸起，也是微生物礁發(fā)育的潛在區(qū)域。

c.桑托斯盆地湖相碳酸鹽巖微生物礁灘的形成主要受控于古環(huán)境、水體深度變化及藻類改造作用的控制。水體由淡水-半咸水轉(zhuǎn)變?yōu)橄趟?，使疊層石繁盛，盆地內(nèi)部東部隆起帶遠(yuǎn)離陸源碎屑干擾，利于湖相微生物灰?guī)r的形成；微生物礁主要發(fā)育在湖侵體系域，水體變淺，發(fā)育微生物灘；藻類黏結(jié)改造使疊層石微生物礁灘成為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。

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Genetic analysis of microbial reef-bank of Cretaceous lacustrine carbonate in Santos Basin, Brazil

WANG Ying1, WANG Xiaozhou2, KANG Hongquan1, ZHU Shilei1, CAI Lulu1, LIAO Jihua1

1.ResearchInstituteofChinaNationalOffshoreOilCorp.,Beijing100028,China;2.NewVentureGroup,Geo-JadePetroleumCorporation,Beijing100016,China

Lacustrine environment is different from marine environment and the lacustrine carbonate rocks have its unique characteristics and genesis. In recent years a special reservoir of lacustrine carbonate is found in China and abroad. The study area of Santos Basin is a typical passive continental margin in the south Atlantic salt basins and lacustrine carbonate microbial reef-beach composed of stromatolites microbial limestone is the main reservoirs in the salt petroleum system. The main characteristics of microbial reef-beach is studied on the basis of comprehensive analysis of seismic reflection structure, properties of three-dimensional seismic sections, core deposit structure, drilling lithological profile, logging curve. The rock framework which is composed of stromatolites particles and the intergranular pores are main factors forming the high quality reservoir distributed mainly in the eastern uplift zone. The fragments of oolitic limestone are stromatolites with varied morphology and varied sizes. They are resulted from the nearby accumulation and wave reformation after the fragmentation of microbial reef-beach. It is considered that the formation of lacustrine carbonate microbial reefs in Santos Basin is controlled by ancient environment, changes of water depth and algae transformation.

Santos Basin; Cretaceous; microbial reef-beach; lacustrine carbonate; stromatolite; oolitic; Brazil

10.3969/j.issn.1671-9727.2017.01.09

1671-9727(2017)01-0067-09

2015-10-16。

國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05030-002); 中國海洋石油有限公司勘探部項(xiàng)目(2014-KT-09-05)。

王穎(1976-)，女，博士，高級(jí)工程師，主要從事儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)研究, E-mail:wangying8@cnooc.com.cn。

P534.53; P588.245

A