東非裂谷阿爾伯特盆地石油地質(zhì)特征及成藏模式

崔 哿，金愛(ài)民，鄔長(zhǎng)武，丁 鋒，史丹妮

(1.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021； 2.中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083)

裂谷盆地是重要的含油氣盆地類(lèi)型之一，在世界油氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域占有重要地位。東非裂谷系是新生代發(fā)育形成的拉張?bào)w系，其獨(dú)特的構(gòu)造演化歷程得到了眾多地質(zhì)學(xué)家的長(zhǎng)期關(guān)注。近年來(lái)，該區(qū)油氣勘探接連獲得重大突破，尤其是英國(guó)圖洛公司于2006年在西支阿爾伯特盆地試獲高產(chǎn)油氣流，被列為是2006年全球油氣十大發(fā)現(xiàn)之一，至2017年初，阿爾伯特盆地發(fā)現(xiàn)油氣田18個(gè)，儲(chǔ)量達(dá)1 435.37 MMbbl(1 MMbbl=1.369 9×105t)[1]。值得注意的是，盡管東非裂谷系已取得了重要的油氣發(fā)現(xiàn)，但目前勘探工作僅集中在烏干達(dá)、肯尼亞境內(nèi)一側(cè)，其余地區(qū)幾乎沒(méi)有相關(guān)鉆井作業(yè)，其整體勘探程度仍然較低，有必要根據(jù)現(xiàn)有發(fā)現(xiàn)對(duì)該區(qū)油氣分布規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。

本文在分析地質(zhì)、地震資料及井資料基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)今取得的勘探研究成果，從東非裂谷西支阿爾伯特盆地的形成演化、構(gòu)造和沉積地層特征入手，對(duì)其石油地質(zhì)特征進(jìn)行論述，研究其油氣成藏模式與富集條件，以期為該區(qū)下一步的油氣勘探評(píng)價(jià)工作提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

東非裂谷系位于東非陸內(nèi)地區(qū)，涉及烏干達(dá)、剛果民主共和國(guó)、坦桑尼亞和肯尼亞等多個(gè)國(guó)家(圖1)。裂谷的走向和分布受多個(gè)克拉通和新生代地幔柱共同影響，環(huán)繞坦桑尼亞克拉通沿構(gòu)造薄弱帶發(fā)育為東、西兩支。東支北側(cè)在新生代地幔柱作用下成為紅?！獊喍场⒎柸婀仍跂|非內(nèi)陸的延伸，南側(cè)受肯尼亞地幔柱和坦桑尼亞克拉通的共同控制，整體近N-S向發(fā)育；西支主要沿坦桑尼亞克拉通和剛果克拉通之間的褶皺帶分布，在多條NW-SE向剪切帶作用下形成一系列的張性裂谷或張剪性裂谷，走向由北向南發(fā)生NE-SW向、N-S向及NW-SE向轉(zhuǎn)換。其中，東支鄰近地幔柱，火山作用強(qiáng)烈，裂谷內(nèi)多見(jiàn)火山巖沉積；而西支斷陷作用更為強(qiáng)烈，發(fā)育阿爾伯特湖、愛(ài)德華湖、喬治湖、坦噶尼喀湖及馬拉維湖等一系列深湖。東非裂谷系的形成演化可分為卡魯裂谷期(晚石炭世—早三疊世)、新特提斯洋裂谷期(晚侏羅世—早白堊世)、亞丁灣裂谷期(始新世—中新世)及東非裂谷期(中新世至今)4個(gè)階段[2-6]。其中，在西支南部的坦噶尼喀、魯夸及馬拉維地塹保存有較多中生代和古生代卡魯期內(nèi)陸凹陷地層，亞丁灣裂谷作用主要發(fā)生在東支裂谷系內(nèi)，而東非裂谷期在各地塹中均有沉積地層，分布最為廣泛[7-8]，故將前3期統(tǒng)稱(chēng)為前裂谷階段，第四期為裂谷階段。

圖1 東非裂谷系分布[2-4]

2 盆地構(gòu)造—沉積演化

阿爾伯特盆地是位于東非裂谷西支北段的新生代裂谷盆地，屬于阿爾伯特地塹(其余分別為瑞諾坎普次盆、塞姆利基次盆、帕克維奇次盆和愛(ài)德華—喬治次盆)，長(zhǎng)約570 km，寬約50 km，面積約2.6×104km2。從地震剖面來(lái)看湖盆中可能含有前裂谷階段的沉積，但尚未得到確切的鉆井證實(shí)(早期認(rèn)為在Waki-B井鉆遇的侏羅系頁(yè)巖現(xiàn)已證實(shí)為中新統(tǒng)地層[9])，而現(xiàn)階段油氣發(fā)現(xiàn)均集中在東非裂谷期地層，故本文將以盆地裂谷階段為主進(jìn)行分析和探討。

2.1 盆地形成演化

根據(jù)前人研究，阿爾伯特盆地東非裂谷期的形成演化可具體分為以下3個(gè)階段：(1)中新世中期—上新世早期，此階段以?xún)A滑斷層和陡直的邊界斷層為標(biāo)志，處于剛果克拉通與坦桑尼亞克拉通之間構(gòu)造薄弱帶的阿爾伯特盆地在大規(guī)模區(qū)域伸展作用下初具雛形，早期以河流相砂巖沉積為主，隨著沉降進(jìn)一步加劇，水體變深，為湖相泥頁(yè)巖沉積提供了充足空間，控制形成了盆地最重要的烴源巖；(2)上新世早期—更新世早期，裂陷作用加強(qiáng)，阿爾伯特湖盆與南部愛(ài)德華湖盆相連形成奧博洛卡古湖泊，呈“狹長(zhǎng)”的裂谷形態(tài)，在構(gòu)造活動(dòng)與氣候變化影響下，湖面升降頻繁，砂泥巖互層形成良好的儲(chǔ)蓋匹配；(3)更新世至今，盆地南部的魯文佐治山隆起，將奧博洛卡古湖泊分隔為阿爾伯特湖和愛(ài)德華湖，逐步形成現(xiàn)今的構(gòu)造格局[5,10]。

2.2 構(gòu)造特征

阿爾伯特盆地為兼具左旋走滑作用的近W-E向伸展地塹，兩側(cè)為傾角70°～80°的高角度邊界斷層，走向近于平行，在NE-SW方向延伸。西側(cè)邊界下盤(pán)抬升明顯，出露前寒武系變質(zhì)巖基底，東側(cè)相較而言更為平緩，受剪切作用錯(cuò)斷為南北兩支，在疊覆相交、南北兩端尖滅處多發(fā)育轉(zhuǎn)換斜坡。根據(jù)上述區(qū)域斷層展布情況，結(jié)合基底結(jié)構(gòu)及地層厚度等，可將阿爾伯特盆地劃分為西部陡斷帶、東部陡斷帶、東部斷階帶，含南、北2個(gè)沉積凹陷，其間以中部構(gòu)造調(diào)節(jié)帶相隔，南、北兩端各有一條構(gòu)造調(diào)節(jié)帶界定盆地范圍(圖2)。盆地受構(gòu)造調(diào)節(jié)作用明顯，由北向南結(jié)構(gòu)樣式發(fā)生變化。北端呈西斷東超的半地塹形態(tài)，多被近N-S向、NNE-SSW向斷層切割，斷塊、斷鼻十分發(fā)育；沿盆地軸向至北部凹陷，東側(cè)邊界斷層斷距增大，呈全地塹形態(tài)，是盆地主體結(jié)構(gòu)樣式；中部構(gòu)造調(diào)節(jié)帶是南、北凹陷分隔區(qū)，東側(cè)斷階帶基底之上沉積地層明顯減??；盆地南部基底下陷較北部深，上中新統(tǒng)—下上新統(tǒng)地層南部厚于北部，但其上地層則相反，反映出受魯文佐治山隆升事件影響，盆地整體北傾，沉積中心由南向北遷移；盆地南端剪切作用強(qiáng)烈，從地震剖面可觀(guān)察到花狀構(gòu)造較為發(fā)育，高角度正斷層將其分割為多級(jí)斷階[11-12]。

2.3 地層沉積特征

阿爾伯特盆地形成以來(lái)整體沉降速率較快，地層最厚達(dá)6 km，以河流—(扇)三角洲—湖泊沉積體系為主。對(duì)應(yīng)其裂谷期構(gòu)造演化階段，主要沉積3套地層(圖3)：(1)東非裂谷期第一階段層序。中中新統(tǒng)—上中新統(tǒng)河流—湖泊相沉積覆于風(fēng)化沉積層或基底之上，由下到上可分為Kisegi組、Kasande組、Kakara組和Oluka組。此時(shí)盆地處于溫暖潮濕環(huán)境，在河流相砂巖之上沉積了富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，形成重要的烴源巖，沉積中心位于南部東側(cè)邊界斷層之下。(2)東非裂谷期第二階段層序。由上新統(tǒng)Nyaburogo組和Nyakabingo組—更新統(tǒng)河流—三角洲相砂巖、湖相頁(yè)巖組成。盆地伸展作用進(jìn)一步增強(qiáng)，發(fā)育了從阿爾伯特湖延伸至愛(ài)德華湖的古湖泊奧博洛卡，在較干旱環(huán)境下沿盆地邊緣沉積河流—三角洲相砂巖，湖盆中心以湖底扇砂巖和濁積巖為主。(3)東非裂谷期第三階段層序。主要由更新統(tǒng)—全新統(tǒng)Katorogo組、Nyabusosi組和Rwebishengo組河流—三角洲—湖相沉積物組成。這一階段魯文佐治山隆升，將奧博洛卡古湖泊一分為二，阿爾伯特盆地南部發(fā)生了明顯的構(gòu)造反轉(zhuǎn)，沉積中心向北遷移。

圖2 東非阿爾伯特盆地構(gòu)造單元?jiǎng)澐?/p>

圖3 東非阿爾伯特盆地地層綜合柱狀圖[1]

3 盆地石油地質(zhì)特征

3.1 烴源巖

阿爾伯特盆地發(fā)育初期，周緣河流水系豐富，為其帶來(lái)充足的物源，溫潤(rùn)潮濕的熱帶氣候十分適宜陸生動(dòng)植物、淡水藻類(lèi)等大面積繁殖[13]，在沉積物快速保存的缺氧環(huán)境下形成富有機(jī)質(zhì)湖相頁(yè)巖。上中新統(tǒng)傾油型湖相頁(yè)巖是盆地主要烴源巖，在盆地北部凹陷鄰近區(qū)、西南部KF油田等多處鉆遇，鉆井揭示其高豐度段厚達(dá)430m，屬Ⅰ-Ⅱ型干酪根，總有機(jī)碳含量(TOC)最高達(dá)到9.80%，平均4.02%[14]，屬好—極好烴源巖。次要烴源巖為下上新統(tǒng)湖相頁(yè)巖，Ng-2井于控盆斷層下降盤(pán)鉆遇，TOC可達(dá)1.30%～1.65%，屬Ⅲ型干酪根[15]，烴源品質(zhì)較好。

圖4 東非阿爾伯特盆地中部模擬埋藏史和成熟度

盆地一維模擬顯示，盆地自形成以來(lái)下陷速度非常快，沉積厚度大(圖4)。中新世以來(lái)的快速沉降與沉積和裂谷作用形成的高熱流值，促使烴源巖迅速成熟生烴。上中新統(tǒng)頁(yè)巖成熟度Ro介于0.7%～0.85%，正處于生烴高峰期；Ng-2井鉆遇的下上新統(tǒng)頁(yè)巖因處于西側(cè)盆緣處，埋深淺，仍處于未成熟階段，推測(cè)在凹陷深部達(dá)到成熟。盆地整體沉降幅度不統(tǒng)一，中心近西部一側(cè)沉積層厚度大、成熟度偏高，在深部產(chǎn)生大量油氣保證整個(gè)盆地含油氣系統(tǒng)的供烴和成藏。

3.2 儲(chǔ)集層

晚中新世—上新世期間，盆地構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶處河流三角洲體系十分發(fā)育，沿裂谷陡崖方向分布多個(gè)放射狀扇三角洲(圖5)，由于埋深淺、壓實(shí)較弱，形成孔隙發(fā)育、物性較好的碎屑巖儲(chǔ)層。盆地主要儲(chǔ)層為上上新統(tǒng)砂巖，在北部構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶，該套儲(chǔ)層以垂向疊置河道砂為主，埋深約400～650 m，單層厚度10 m左右，最厚可達(dá)20 m，孔隙度20%～45%，滲透率介于(1 200～2 000)×10-3μm2，最高可達(dá)40 000×10-3μm2，屬儲(chǔ)集條件極好的高孔滲儲(chǔ)層[16]。其次為上中新統(tǒng)—下上新統(tǒng)儲(chǔ)層，在盆地東部邊緣包含金菲舍(Kingfisher)、恩哥薩(Ngassa)等在內(nèi)的多個(gè)油田中均有鉆遇，孔隙度為15%～30%，滲透率(100～1000)×10-3μm2，屬中高孔滲儲(chǔ)層，埋藏較深(介于1 000～2 500 m)，物性不及上上新統(tǒng)砂巖。

圖5 東非阿爾伯特盆地晚中新世—上新世沉積模式

除上述主要富油氣儲(chǔ)層外，破碎基底屬潛在儲(chǔ)集層。裂谷盆地演化過(guò)程中裂谷肩不斷隆升，暴露的基底巖石在風(fēng)化淋濾作用下可形成品質(zhì)較好的基巖儲(chǔ)層[17]。阿爾伯特盆地東部陡斷帶的發(fā)育對(duì)形成基巖油氣藏十分有利，現(xiàn)已在Mputa-1、Nzizi-2井鉆遇的花崗質(zhì)基底中見(jiàn)有油氣顯示。

3.3 蓋層及保存條件

阿爾伯特盆地以砂泥巖交互形成的層間蓋層為主，湖盆高位域期間形成的細(xì)粒湖相泥巖作為區(qū)域蓋層。對(duì)已發(fā)現(xiàn)油田進(jìn)行分析，在砂巖層上下多發(fā)育有良好湖相泥巖，認(rèn)為在裂谷演化期間，隨湖面頻繁變化形成的砂泥巖互層結(jié)構(gòu)在垂向上儲(chǔ)蓋組合匹配良好；側(cè)向上以斷層和對(duì)盤(pán)巖性遮擋為主，同時(shí)烴類(lèi)運(yùn)移過(guò)程中在生物降解作用下形成的上傾方向?yàn)r青塞也可有效封堵。

3.4 圈閉條件

盆地主要發(fā)育斷塊、斷背斜等構(gòu)造圈閉。在裂谷伸展過(guò)程中形成一系列正斷層，塹壘相間的構(gòu)造樣式使得斷塊、斷背斜及斷鼻等十分發(fā)育，幾乎所有的已發(fā)現(xiàn)油田均為斷塊油氣藏，同生斷裂形成的滾動(dòng)背斜圈閉也是潛在有利目標(biāo)。在湖盆深處或陡坡帶等濁積砂體發(fā)育處，可形成相關(guān)的巖性圈閉或構(gòu)造—巖性復(fù)合圈閉。

4 油氣成藏模式與富集條件

4.1 油氣成藏模式

在明確阿爾伯特盆地構(gòu)造—沉積特征和石油地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，建立了“凹陷供烴、側(cè)向與垂向復(fù)合運(yùn)移、下生上儲(chǔ)”油氣成藏模式(圖6)。自盆地形成以來(lái)，垂向上形成了良好的生儲(chǔ)蓋組合：中新世—上新世早期廣泛發(fā)育的富有機(jī)質(zhì)湖相頁(yè)巖，在裂谷快速沉降和高熱流值影響下，于盆地深凹處成熟生烴；盆緣的構(gòu)造調(diào)節(jié)帶、邊界陡斷帶均是沉積物輸入控制區(qū)，發(fā)育河流—(扇)三角洲沉積體系，優(yōu)質(zhì)砂體疊置在早期湖相沉積物之上；盆地發(fā)育過(guò)程中多受氣候、水系調(diào)整、構(gòu)造活動(dòng)等影響，湖面變化頻繁形成砂泥巖互層結(jié)構(gòu)，高位域期間的大套湖相泥巖為較好的區(qū)域蓋層。強(qiáng)烈的斷陷作用與剪切作用形成大量斷層，與砂巖夾層共同構(gòu)成油氣運(yùn)移的重要通道，油氣交替向有利儲(chǔ)層充注。斷層控制的斷塊、斷背斜是主要的圈閉類(lèi)型。

4.2 油氣富集條件

4.2.1 垂向上形成多套成藏組合

阿爾伯特盆地廣泛分布深湖相富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，與其間的砂巖夾層形成良好的生儲(chǔ)蓋匹配。根據(jù)目前油氣發(fā)現(xiàn)情況，盆地有以下主力成藏組合：

上中新統(tǒng)—下上新統(tǒng)成藏組合于金菲舍油田證實(shí)。該油田位于盆地東側(cè)邊界斷層上盤(pán)的金菲舍斷背斜構(gòu)造上，油田區(qū)的大型鞍狀構(gòu)造將其分為南、北兩部分，三向傾伏的上中新統(tǒng)—下上新統(tǒng)河道砂儲(chǔ)層被多個(gè)小斷距高角度斷層切割，在SW向與沿邊界斷層抬升的結(jié)晶基底相接，形成上傾封堵；垂向上層間泥頁(yè)巖將其分隔為3個(gè)厚度10～30 m的含油砂層，橫向展布超過(guò)4 km；上中新統(tǒng)湖相頁(yè)巖為主要烴源巖，目前正處于生烴高峰期，蓋層為同期形成的上中新統(tǒng)—下上新統(tǒng)泥頁(yè)巖夾層[18]。

上上新統(tǒng)成藏組合，除金菲舍油田外在其他發(fā)現(xiàn)區(qū)均有發(fā)育。由下上新統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖供烴，形成斷背斜、斷塊2類(lèi)構(gòu)造圈閉。沿盆緣陡斷帶一側(cè)分布的油田，幾乎均為由邊界斷層側(cè)向封堵形成的斷背斜圈閉，主力儲(chǔ)層為垂直盆地長(zhǎng)軸發(fā)育的扇三角洲砂巖，遠(yuǎn)源沉積物供應(yīng)充足、邊界斷層深大下切谷對(duì)其形成具有重要意義[19]，其自身發(fā)育的砂泥巖互層結(jié)構(gòu)形成了良好的儲(chǔ)蓋配置。盆地北部構(gòu)造調(diào)節(jié)帶上的油田群主要為斷塊圈閉，河流三角洲砂巖儲(chǔ)集體多層疊置，在密集斷裂作用下相互連通形成大型油氣藏，蓋層主要為其上的更新統(tǒng)泥頁(yè)巖。

此外，風(fēng)化基底儲(chǔ)層與深部中新統(tǒng)烴源巖是形成基底油氣藏潛在的構(gòu)造成藏組合。

4.2.2 優(yōu)質(zhì)砂體與垂向斷層控制油氣有效運(yùn)移

阿爾伯特盆地的油氣充注系統(tǒng)以沿砂體側(cè)向和斷裂垂向交替運(yùn)移為主。分布在地塹深部的上中新統(tǒng)和下上新統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖均已成熟生烴，晚上新世及之后油氣開(kāi)始沿著斷層與砂體運(yùn)移到盆緣砂巖儲(chǔ)層聚集成藏，圈閉形成于中新世—第四紀(jì)。盆地強(qiáng)烈的斷裂作用和垂向上砂泥巖頻繁互層的結(jié)構(gòu)，為油氣運(yùn)移提供了廣泛的輸導(dǎo)體系。陡斷帶一側(cè)油氣藏鄰近生烴凹陷，油氣經(jīng)短距離橫向運(yùn)移，沿?cái)鄬泳奂翗?gòu)造高部位即可成藏；北部構(gòu)造調(diào)節(jié)帶油田群則相距較遠(yuǎn)，需進(jìn)行長(zhǎng)距離大范圍運(yùn)移，已發(fā)現(xiàn)的油田距離成熟烴源巖的橫向垂直距離最遠(yuǎn)可達(dá)70 km左右[20]。

圖6 東非阿爾伯特盆地油氣成藏模式

4.2.3 斷層控制的構(gòu)造圈閉是油氣聚集的主要場(chǎng)所

目前油氣發(fā)現(xiàn)全部為與斷層相關(guān)的構(gòu)造圈閉，其中斷塊圈閉12個(gè)，含油氣1 046.73 MMbbl，約占已發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)量的三分之二，其余為斷背斜圈閉[1]。盆地發(fā)育過(guò)程中，受區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)影響產(chǎn)生近東西向伸展，同時(shí)在左旋剪切作用下，局部地區(qū)受到擠壓和強(qiáng)烈的塊斷作用，在盆地周緣形成大量斷塊、斷背斜和斷鼻構(gòu)造，成為烴類(lèi)聚集的有利場(chǎng)所。

5 結(jié)論

(1)阿爾伯特盆地東非裂谷期形成演化分為3個(gè)階段：中—晚中新世，盆地雛形初現(xiàn)，沉積的富有機(jī)質(zhì)深湖相泥巖為盆地重要烴源巖；晚中新世—晚上新世，斷裂作用進(jìn)一步加劇，河流—三角洲相砂巖為高品質(zhì)儲(chǔ)層，隨著奧博洛卡古湖泊形成，沉積了一套較厚湖相泥巖區(qū)域蓋層；晚上新世至今，魯文佐治山隆起使得盆地北傾，形成現(xiàn)今格局。

(2)整個(gè)東非裂谷系的發(fā)育受克拉通和地幔柱影響，阿爾伯特盆地除受到較強(qiáng)烈的近E-W向拉張作用，受克拉通走向影響剪切作用較為強(qiáng)烈，分布構(gòu)造調(diào)節(jié)帶、斷階帶、盆緣陡斷帶及湖盆深凹多個(gè)構(gòu)造單元，盆地內(nèi)豐富的構(gòu)造樣式形成一系列有利圈閉。盆地東部構(gòu)造調(diào)節(jié)帶、盆緣陡斷帶及斷階帶是目前油氣發(fā)現(xiàn)主要區(qū)帶，以斷塊、斷背斜油氣藏為主；推測(cè)湖盆深凹一帶存在與濁積砂體相關(guān)的巖性圈閉。

(3)結(jié)合典型油氣田剖析，總結(jié)阿爾伯特盆地成藏模式為“凹陷供烴、側(cè)向與垂向復(fù)合運(yùn)移、下生上儲(chǔ)”。基于此，其油氣富集主要條件是：生儲(chǔ)蓋匹配良好，垂向上形成上中新統(tǒng)—下上新統(tǒng)、上上新統(tǒng)等多套成藏組合，優(yōu)質(zhì)砂體與垂向斷層控制油氣沿側(cè)向和垂向交替有效運(yùn)移，斷層控制發(fā)育的構(gòu)造圈閉提供了油氣聚集的有利場(chǎng)所。