桑托斯盆地湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層特征及控制因素

賈懷存，康洪全，梁建設(shè)，程 濤，張世鑫

中國(guó)海洋石油國(guó)際有限公司，北京 朝陽(yáng) 100028

引言

巴西深水鹽下領(lǐng)域是當(dāng)前世界油氣勘探的熱點(diǎn)地區(qū)之一，而巴西桑托斯盆地則是鹽下領(lǐng)域油氣最為富集的盆地。自2006 年在桑托斯盆地鹽下湖相碳酸鹽巖領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)Lula 油田以來，該領(lǐng)域又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了Franco 和Libra 等多個(gè)世界級(jí)大油田，石油可采儲(chǔ)量高達(dá)311×108bb（l1 bbl=0.159 m3），揭示了這一領(lǐng)域的巨大勘探潛力。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)桑托斯盆地的研究主要集中在鹽下含油氣系統(tǒng)、油氣成藏特征和富集規(guī)律方面[1-8]，而對(duì)湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層沉積特征和發(fā)育控制因素方面研究不多，尤其是對(duì)湖相碳酸鹽巖成因類型、有利儲(chǔ)層宏觀分布和儲(chǔ)層物性特征的影響因素缺乏系統(tǒng)性研究[9-15]，制約了該領(lǐng)域下一步的勘探部署。因此，開展湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層沉積特征和發(fā)育控制因素研究，對(duì)該領(lǐng)域具有十分重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

巴西桑托斯盆地位于巴西東南部海域，是一個(gè)典型的被動(dòng)大陸邊緣盆地[16-19]，盆地面積約32.7×104km2，水深0～3 200 m（圖1）。盆地經(jīng)歷了3 期構(gòu)造沉積演化：（1）早白堊世裂谷期（135--118 Ma），早期沉積河湖相砂泥巖，晚期沉積湖相碳酸鹽巖，包括Itapema 組貝殼灰?guī)r和Barra Velha 組疊層石灰?guī)r。（2）早白堊世阿普特過渡期（118--112 Ma），主要為海陸過渡相和局限海，以鹽巖和硬石膏沉積為主。（3）晚白堊世--新生代被動(dòng)大陸邊緣階段（112 Ma 至今），主要沉積海相砂泥巖。自西向東，盆地鹽下裂谷層系可以劃分為5個(gè)構(gòu)造單元[3，20]，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 桑托斯盆地裂谷期構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structural framwork of rift stage,Santos Basin

2 鹽下湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層特征

通過對(duì)桑托斯盆地鹽下41 口鉆井資料分析，鹽下裂谷層系主要發(fā)育兩套湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層，分別為斷拗期Itapema 組貝殼灰?guī)r和拗陷期Barra Velha組疊層石灰?guī)r[20]。根據(jù)碳酸鹽巖巖石學(xué)劃分方案和成因類型分析，Itapema 組巖石類型主要為貝殼灰?guī)r，成因類型為以機(jī)械成因?yàn)橹鞯纳紴﹣喯喑练e，沉積微相可以進(jìn)一步細(xì)分為貝殼灘、灘緣、灘間和灘斜坡微相。Barra Velha 組巖石類型主要為疊層石灰?guī)r和鮞粒灰?guī)r，成因類型為以微生物作用為主的微生物礁亞相，沉積微相進(jìn)一步劃分為礁核、礁緣、礁間和礁斜坡微相[20-22]。

2.1 儲(chǔ)層沉積特征

桑托斯盆地Itapema 組貝殼灰?guī)r是以生物殼體及碎屑為主要成分的顆?；?guī)r，其成因與原地堆積或近距離搬運(yùn)有關(guān)[14]。根據(jù)貝殼和灰泥基質(zhì)的含量，可將貝殼灰?guī)r分為兩類：（1）貝殼灰?guī)r，以雙殼為主的生物碎屑灰?guī)r，多為顆粒支撐，殼體粗大，指示較高能的水體環(huán)境，微觀觀察發(fā)現(xiàn)灰泥基質(zhì)大部分已經(jīng)溶解或重結(jié)晶，鑄?？装l(fā)育，可以作為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層（圖2a，圖2b）。（2）含泥/泥質(zhì)貝殼灰?guī)r，殼體較小，以介形類殼體為主，灰泥含量較高，多為基質(zhì)支撐，鑄模孔不發(fā)育，難以形成良好儲(chǔ)層（圖2c，圖2d）。貝殼灰?guī)r主要形成于貝殼灘和灘間微相，泥質(zhì)貝殼灰?guī)r主要形成于灘緣微相。

圖2 桑托斯盆地A-2 井貝殼灰?guī)r巖芯照片和微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Photos of local core and microstructure,Coquinas in Well A-2,Santos Basin

桑托斯盆地拗陷期的Barra Velha 組主要巖石類型為疊層石灰?guī)r，其次為鮞?；?guī)r[14-15]。其中，疊層石灰?guī)r和鮞粒灰?guī)r主要形成于礁核和礁間微相，泥質(zhì)鮞粒灰?guī)r沉積微相類型為礁緣。根據(jù)疊層石生長(zhǎng)的宏觀幾何形態(tài)和微觀特征，可分為喬木狀疊層石、灌木狀疊層石及樹枝狀疊層石3 類（圖3）。

圖3 桑托斯盆地A-1 井疊層石灰?guī)r局部巖芯照片F(xiàn)ig.3 Photos of local core,stromatolite limestone in Well A-1,Santos Basin

（1）喬木狀疊層石，具有明顯的主干--分支結(jié)構(gòu)，疊層石高度（約2.0～2.5 cm）略大于寬度（約1.0～2.0 cm），具有穹頂結(jié)構(gòu)，連續(xù)疊層石可形成生長(zhǎng)格架，指示較強(qiáng)水動(dòng)力環(huán)境。（2）灌木狀疊層石，具有明顯的主干，但并未發(fā)育分支結(jié)構(gòu)，疊層石的高度（約2.0～4.0 cm）與寬度（約2.0～4.0 cm）接近，且具有穹頂結(jié)構(gòu)，指示淺水低能環(huán)境，此類疊層石中常見波狀消光，與較低能且鹽度較高的沉積環(huán)境中容易形成放射纖維狀方解石有關(guān)。（3）樹枝狀疊層石，具有明顯的細(xì)長(zhǎng)分支叢生結(jié)構(gòu)，但無(wú)主干，疊層石高度（約2.0～4.0 cm）遠(yuǎn)大于寬度（約1.0～2.0 mm），指示深水低能環(huán)境。

桑托斯盆地Barra Velha 組的鮞?；?guī)r，一般由無(wú)明顯圈層的薄皮鮞組成（圖4），在顯微鏡下具十字消光特征（圖4b），這種鮞粒形成環(huán)境通常是鹽度較高的水體，并且會(huì)與一些灌木狀疊層石伴生。多數(shù)鮞?；?guī)r因?yàn)榛夷嗪枯^高無(wú)法作為儲(chǔ)層，但部分經(jīng)過成巖改造后可以具有一定的儲(chǔ)集能力。

圖4 鮞?；?guī)r局部巖芯照片和微觀照片（A-1 井，5 502 m）Fig.4 Photos of local core and microstructure,oolitic limestone（Well A-1,5 502 m）

2.2 儲(chǔ)層物性和儲(chǔ)集空間類型

通過對(duì)桑托斯盆地東部隆起帶鹽下油氣發(fā)現(xiàn)的14 口鉆井的巖芯、巖石薄片及鑄體薄片資料的觀察與巖芯物性分析發(fā)現(xiàn)，桑托斯盆地鹽下湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層整體上屬于孔隙型灰?guī)r儲(chǔ)層，孔隙度整體上屬于中等--好，滲透率中等。儲(chǔ)層孔隙類型以原生孔隙為主，并受后期溶蝕改造。

通過對(duì)Itapema 組190 個(gè)貝殼灰?guī)r儲(chǔ)層樣品的描述進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，孔隙類型主要為鑄?？?、溶孔、溶洞、晶間孔和粒間孔（圖5a）。從成因上來講，以受到成巖作用改造而形成的次生孔隙為主，原生孔隙較少出現(xiàn)。根據(jù)顯微薄片觀察，鑄模孔主要由早成巖期貝殼的大氣水溶解作用形成，中成巖期埋藏溶解作用其次；溶孔和溶洞與中成巖期埋藏溶解作用有關(guān)，多為非組構(gòu)選擇性溶解，因此，形成的多為形狀不規(guī)則的孔隙和孔洞；晶間孔與重結(jié)晶和白云化作用有關(guān)，如灰泥基質(zhì)的重結(jié)晶和白云化，或者被膠結(jié)物充填的殘余晶間孔。根據(jù)對(duì)巖芯樣品的孔滲數(shù)據(jù)分析，貝殼灰?guī)r儲(chǔ)層孔隙度最小值為6.3%，最大值為30.0%，平均值為16.9%。滲透率最小值為1.10 mD，最大值為1 180.00 mD，平均值為101.80 mD。

圖5 桑托斯盆地湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層孔隙類型統(tǒng)計(jì)柱狀圖Fig.5 Pore types distribution of lacustrine carbonate,Santos Basin

根據(jù)287 個(gè)疊層石灰?guī)r儲(chǔ)層樣品的描述和統(tǒng)計(jì)分析，疊層石灰?guī)r儲(chǔ)層的孔隙類型主要為溶孔、晶間孔、粒間孔、生長(zhǎng)格架孔、粒內(nèi)孔和晶內(nèi)孔等（圖5b）。從成因上來講，以受過成巖改造的原生孔隙為主，其次為次生孔隙。通過對(duì)216 個(gè)儲(chǔ)層段疊層石灰?guī)r樣品的孔-滲數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，孔隙度最小值為5.0%，最大值為26.5%，平均值為13.4%，滲透率最小值為1.00 mD，最大值為3 234.00 mD，平均值為183.70 mD。

3 湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育控制因素

3.1 湖水古鹽度控制儲(chǔ)層成因類型

通過對(duì)鹽下碳酸鹽巖巖芯樣品中的碳氧同位素分析，湖水古鹽度的變化控制了鹽下湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層成因類型。通過對(duì)桑托斯盆地東部隆起帶的S-A 井鹽下湖相碳酸鹽巖樣品進(jìn)行碳氧同位素地球化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)（圖6），Itapema 組貝殼灰?guī)r樣品以偏負(fù)的碳氧同位素指標(biāo)為主，指示了鹽下碳酸鹽巖沉積早期淡水湖的水體環(huán)境，而晚期Barra Velha 組疊層石灰?guī)r的沉積期則以顯著正偏的氧同位素指標(biāo)為特征，指示水體中因輕同位素組分流失而使得沉積物中富集重同位素組分，因此，指示了鹽度較高的水文學(xué)特征。

此外，介形蟲對(duì)鹽度的反應(yīng)非常敏感，隨著鹽度升高，僅能在淡水和低鹽度水體中生存的淡水種--微咸水種快速消失，取而代之以半咸水種和咸水種。同時(shí)，介形蟲的一些指標(biāo)和特定的種屬可以反映古水深的變化。根據(jù)鹽度指標(biāo)可分為淡水種、微咸水種、半咸水種和咸水種4 類。通過對(duì)桑托斯盆地鹽下碳酸鹽巖樣品中的介形蟲化石進(jìn)行的古生態(tài)學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，貝殼灰?guī)r沉積期介形蟲以淡水種微咸水種占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，指示貝殼灰?guī)r沉積期為淡水--微咸水環(huán)境，而疊層石灰?guī)r沉積期以半咸水種占明顯優(yōu)勢(shì)，指示微生物灰?guī)r沉積期為半咸水環(huán)境。

圖6 桑托斯盆地S-A 井碳氧同位素分布圖Fig.6 Depth vs isotopes of C-O of Well S-A,Santos Basin

3.2 宏觀古構(gòu)造格局控制儲(chǔ)層宏觀分布

桑托斯盆地裂陷期形成了平行岸線展布的若干地壘、地塹（或半地塹）組成的隆--拗相間構(gòu)造帶，如東部隆起帶正是在裂谷期的區(qū)域壓扭構(gòu)造作用、巖漿上隆和火山活動(dòng)等地質(zhì)作用下形成的，有些地壘在差異沉降作用下相對(duì)隆升形成了凸起帶。這些隆起帶或拗中凸起等正向構(gòu)造單元具有繼承性發(fā)育特征，提供了形成碳酸鹽臺(tái)地的古構(gòu)造背景，控制了鹽下湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層的宏觀分布（圖7）。

桑托斯盆地在裂谷層系從陸地到湖盆方向，依次發(fā)育西部拗陷帶、西部隆起帶、中央拗陷帶、東部隆起帶和東部拗陷帶。受盆地構(gòu)造格局控制和影響，在西部拗陷和西部隆起帶，主要發(fā)育受陸源碎屑影響的河流--三角洲沉積體系，以砂巖和泥巖沉積為主，在中央拗陷帶主要為前三角洲和湖泊相沉積，以泥巖沉積為主，砂巖不發(fā)育。受中央拗陷帶阻隔的影響，在東部隆起帶三角洲砂巖不發(fā)育。同時(shí)，由于東部隆起帶在湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層沉積時(shí)一直為古構(gòu)造高的地質(zhì)背景，水體深度適中，利于貝殼灰?guī)r和疊層石灰?guī)r沉積。如東部隆起帶發(fā)現(xiàn)的Lula、Libra 和Franco 等多個(gè)鹽下油氣發(fā)現(xiàn)均鉆井證實(shí)，斷拗期和拗陷期地層以疊層石灰?guī)r和貝殼灰?guī)r為主，砂巖不發(fā)育。另外，如中央拗陷帶的Carcara及Sagitario 等油田鉆井證實(shí)，在儲(chǔ)層沉積期的中央拗陷帶低凸起也存在古構(gòu)造高背景，適于湖相碳酸鹽巖沉積。而西部隆起帶和西部拗陷帶油氣發(fā)現(xiàn)證實(shí)鹽下地層以三角洲體系沉積的砂巖和泥巖為主，湖相碳酸鹽巖不發(fā)育。

圖7 桑托斯盆地典型地質(zhì)剖面Fig.7 Cross profile of Santos Basin

3.3 沉積相帶控制儲(chǔ)層物性特征

通過對(duì)桑托斯盆地鹽下鉆井取芯樣品的物性與沉積微相進(jìn)行匹配分析，鹽下湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層物性與沉積相帶具有很好的相關(guān)性，沉積相帶對(duì)儲(chǔ)層的孔滲具有明顯的控制作用（圖8 和圖9）。

在滲透率方面，斷拗期的Itapema 組生屑灘亞相中的貝殼灘與灘緣微相的物性無(wú)明顯重合的部分。由滲透率分布直方圖（圖8a）可以看出，貝殼灘微相中滲透率在5.00～250.00 mD 的樣品數(shù)量最多，灘緣微相中大部分樣品都在0.01～0.10 mD，其他區(qū)間的樣品很少。拗陷期的Barra Velha 組礁核微相滲透率以1.00～250.00 mD 為主（圖8b），礁緣微相儲(chǔ)層的滲透率多小于0.10 mD。礁緣中也有部分滲透率分布與礁核微相重合，表明部分礁緣微相也可以發(fā)育有效儲(chǔ)層。

在孔隙度方面，Itapema 組生屑灘亞相中的貝殼灘微相孔隙度具有明顯的單峰分布特征（圖9a），主要分布在15%～21%，而灘緣微相具有不明顯的雙峰分布，主要區(qū)間為1%～2%和5%～10%，表明灘緣微相儲(chǔ)層物性相對(duì)于貝殼灘微相較差。拗陷期的Barra Velha 組微生物礁亞相中，礁核微相儲(chǔ)層的孔隙度表現(xiàn)出明顯的單峰分布（圖9b），主要分布區(qū)間為12%～16%。而礁緣微相則表現(xiàn)為雙峰分布，兩個(gè)峰值分布區(qū)間分別為1%～4%和7%～10%，其中，7%～10%孔隙度的礁緣微相與部分礁核微相在分布直方圖中有明顯重疊的區(qū)域。初步分析，除了礁核以外，部分位于與礁核微相過渡部位的礁緣微相也可以作為儲(chǔ)層。

圖8 不同微相儲(chǔ)層巖芯滲透率分布直方圖Fig.8 Histogram of permeability in differential facies

圖9 不同微相儲(chǔ)層巖芯孔隙度分布直方圖Fig.9 Histogram of porosity in differential facies

4 有利儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)帶預(yù)測(cè)

桑托斯盆地鹽下湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層的發(fā)育受多重因素控制，但從油氣勘探可遵循的規(guī)律性角度出發(fā)，儲(chǔ)層的分布與古構(gòu)造格局關(guān)系最為密切。研究認(rèn)為，遠(yuǎn)離陸源碎屑影響的古隆起控制了湖相碳酸鹽巖的宏觀分布，沉積相帶類型控制了儲(chǔ)層物性的差異。因此，預(yù)測(cè)桑托斯盆地東部隆起帶和中央拗陷帶的低凸起是湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育有利區(qū)帶。

東部隆起帶在湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層沉積時(shí)期為持續(xù)性的古構(gòu)造高，同時(shí)由于受中央拗陷帶的阻擋，來自盆地西部的陸源碎屑難以達(dá)到東部隆起帶，因此，東部隆起帶是湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育最有利區(qū)帶，疊層石灰?guī)r和貝殼灰?guī)r儲(chǔ)層均可發(fā)育。

另外，中央拗陷帶的低凸起背景上也可發(fā)育湖相碳酸巖儲(chǔ)層。受早期基底斷裂控制，在中央拗陷帶發(fā)育多個(gè)低凸起并形成孤立臺(tái)地，其中，臺(tái)內(nèi)主要發(fā)育礁核和貝殼灘微相，儲(chǔ)層發(fā)育程度高，凈毛比和孔隙度較好，向臺(tái)地邊緣主要發(fā)育礁緣和灘緣微相，儲(chǔ)層發(fā)育程度略降低。凸起的隆升幅度和分布規(guī)?？刂屏私笧w儲(chǔ)層的發(fā)育程度。古構(gòu)造幅度較低的低凸起，在儲(chǔ)層沉積時(shí)水體較深，不適合貝殼灰?guī)r沉積，主要發(fā)育疊層石灰?guī)r。古構(gòu)造幅度較高的低凸起，水體深度適中，貝殼灰?guī)r和疊層石灰?guī)r儲(chǔ)層均可發(fā)育。

5 結(jié)論

（1）桑托斯盆地鹽下發(fā)育兩類湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層，分別為以機(jī)械成因?yàn)橹鞯臄噢制贗tapema 組生屑灘貝殼灰?guī)r和以微生物作用為主的拗陷期Barra Velha 組微生物礁疊層石灰?guī)r。

（2）湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間結(jié)構(gòu)整體上屬于孔隙型，孔隙度中等好，滲透率中等。儲(chǔ)層孔隙類型以原生孔隙為主，并受后期溶蝕改造。

（3）桑托斯盆地湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育主要受湖水古鹽度、古構(gòu)造格局和沉積相帶等控制。其中，湖水古鹽度控制儲(chǔ)層成因類型，古構(gòu)造格局控制儲(chǔ)層宏觀分布，沉積相帶控制儲(chǔ)層物性特征。