東非魯伍馬盆地下始新統(tǒng)深水沉積儲層特征及沉積演化

曹全斌，魯銀濤，陳宇航，王瑞峰，曹旭文，馬宏霞，龐旭

1 中國石油杭州地質(zhì)研究院；2 中國科學院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室；3 西安石油大學；4 中國石油勘探開發(fā)研究院；5 國家海洋局第二海洋研究所

0 前 言

東非地區(qū)天然氣資源豐富，2010—2014年，多家國際石油公司在東非魯伍馬盆地累計探明天然氣地質(zhì)儲量約4.5×1012m3，可采儲量超過3×1012m3。隨著這些天然氣發(fā)現(xiàn)區(qū)塊陸續(xù)進入開發(fā)階段，東非無疑會成為未來20~30年內(nèi)全球天然氣生產(chǎn)及供應的重要地區(qū)之一。截至目前，前人在東非地區(qū)構(gòu)造演化、盆地結(jié)構(gòu)、油氣成藏條件及控制因素、深水沉積類型及成因等方面開展了研究分析，如：張光亞等［1］通過研究東非被動大陸邊緣盆地區(qū)域構(gòu)造演化、盆地構(gòu)造-沉積特征，指出了該區(qū)主要經(jīng)歷的構(gòu)造-沉積演化階段以及發(fā)育的主要成藏組合類型；溫志新等［2］通過研究東非被動大陸邊緣盆地結(jié)構(gòu)、構(gòu)造差異，建立了不同的成藏模式以指導該區(qū)油氣勘探?？紫橛睿?］、曹全斌等［4］分別就東非魯伍馬盆地油氣地質(zhì)特征和油氣成藏條件進行系統(tǒng)研究，建立了魯伍馬盆地氣藏成藏模式。近幾年來，陳宇航等［5-6］、曹全斌等［7］和魯銀濤等［8］對東非魯伍馬盆地深水沉積體系及其典型沉積結(jié)構(gòu)單元的形成、特點、影響因素和油氣勘探意義進行了分析研究，為全球深水沉積油氣勘探提供了一個典型案例。

東非魯伍馬盆地目前的油氣勘探以天然氣發(fā)現(xiàn)為主，儲層類型主要為古近系深水重力流沉積砂巖。盆地具有窄陸架沉積背景［9］，來自于西部陸上魯伍馬三角洲充足的陸源碎屑通過峽谷和水道注入海洋，形成規(guī)模龐大的深水沉積體系。受重力流和底流作用的共同改造［6］，深水沉積體相互侵蝕、側(cè)向遷移、垂向疊置，時空關(guān)系錯綜復雜，同一個深水沉積體系通常由不同期次的沉積單元遷移疊置而成。深水沉積體系演化的復雜性使得進一步細分沉積體系內(nèi)部期次非常困難，對深水沉積體系內(nèi)部期次的刻畫工作仍有待進一步深入。

本文以魯伍馬盆地古近系下始新統(tǒng)深水沉積體系為研究對象，基于地震、鉆井、測井和分析化驗資料，以深水沉積學和層序地層學理論為指導，開展深水沉積體系的沉積特征與沉積演化分析，理清沉積體系內(nèi)部不同期次沉積之間的關(guān)系與沉積特征差異，這對研究區(qū)深水沉積氣藏的評價與開發(fā)具有重要的指導意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

魯伍馬盆地是東非印度洋海岸的一個被動大陸邊緣盆地，橫跨坦桑尼亞東南和莫桑比克東北海岸（圖1a）。盆地西部以莫桑比克褶皺帶前寒武系基底露頭為邊界，北部與坦桑尼亞海岸盆地曼德瓦次盆相接，向東與凱瑞巴斯盆地相鄰，南部至莫桑比克褶皺帶向東部最大延伸位置。盆地面積約為7.1×104km2，超過50%的面積位于海上，最大水深超過2 500 m，發(fā)育寬約5~30 km的狹窄大陸架。

圖1 研究區(qū)位置圖及目的層頂界深度圖Fig.1 Location map of the study area and burial depth map of top boundary of target layer

魯伍馬盆地的演化和岡瓦納大陸的解體均與印度洋西部洋殼的分離相關(guān)［10-12］。在晚石炭世—早侏羅世卡魯裂谷期，盆地主要發(fā)育包括河流相、三角洲相和湖泊相的碎屑巖沉積。中侏羅世—早白堊世馬達加斯加裂谷期，以海陸過渡相沉積為主，早白堊世后期盆地內(nèi)廣泛處于海相沉積環(huán)境，局部發(fā)育小型三角洲—深水濁積扇。晚白堊世至今的馬達加斯加漂移期，盆地處于被動大陸邊緣階段，為淺水三角洲—半深?！詈３练e環(huán)境，發(fā)育大規(guī)模碎屑巖重力流沉積體系。本文研究區(qū)位于魯伍馬盆地深水區(qū)域（圖1a），平均水深約為1 800 m，主要鉆遇新近系、古近系和白堊系部分地層，已有的天然氣發(fā)現(xiàn)主要集中在古近系的深水濁積砂巖中。

研究區(qū)的目的層下始新統(tǒng)發(fā)育一套由西向東展布的深水沉積體系，頂界深度介于4 000~4 500 m（圖1b）。研究區(qū)內(nèi)有5 口井鉆遇了下始新統(tǒng)，其中南部的4口井在目的層鉆遇優(yōu)質(zhì)砂巖儲層并獲工業(yè)天然氣發(fā)現(xiàn)。

2 沉積特征

2.1 巖石類型及沉積構(gòu)造

根據(jù)鉆井取心和巖屑錄井資料統(tǒng)計分析，研究區(qū)下始新統(tǒng)主要發(fā)育以砂巖、泥巖為主的碎屑巖和以石灰?guī)r為主的碳酸鹽巖兩種巖石類型。

研究區(qū)南部4 口井在下始新統(tǒng)主要鉆遇碎屑巖，巖石相類型復雜多樣，按照泥質(zhì)含量可以分為富砂型巖石相（泥質(zhì)含量小于30%）和富泥型巖石相（泥質(zhì)含量大于30%）。富砂型巖石相包括砂礫巖、含礫粗砂巖、中粗砂巖、中細砂巖、細砂巖和粉砂巖等不同粒徑的巖相（表1）。富砂型巖石相泥質(zhì)含量低，儲層質(zhì)量較好，天然氣發(fā)現(xiàn)主要集中在該類巖石相中。富泥型巖石相包括泥質(zhì)含量較高的泥質(zhì)砂礫巖、泥質(zhì)不等粒砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和泥巖。富泥型巖相儲層質(zhì)量差，未有天然氣發(fā)現(xiàn)。不同巖相類型發(fā)育有不同的沉積構(gòu)造，巖心上可以觀察到塊狀層理、平行層理、交錯層理、透鏡狀層理、水平層理、粒序?qū)永怼⑿顾畼?gòu)造和變形構(gòu)造等，局部可見反映沉積物受底流改造的波狀層理。不同的巖相類型與沉積構(gòu)造既反映了物源類型的變化，同時反映不同沉積時期和沉積相的水動力條件差異及其對沉積物改造能力的變化。

表1 魯伍馬盆地下始新統(tǒng)主要巖相類型及沉積特征Table 1 Main lithofacies types and sedimentary characteristics of Lower Eocene in Rovuma Basin

巖屑錄井顯示研究區(qū)北部的W5 井鉆遇一套碳酸鹽巖，巖屑成分主要為石灰?guī)r，分選很差，鈣質(zhì)膠結(jié)物含量達30%~50%，巖性致密，質(zhì)地堅硬，物性差，未有天然氣顯示，結(jié)合本區(qū)沉積體系研究，綜合分析認為是母巖為石灰?guī)r的碳酸鹽巖碎屑流沉積。

2.2 儲層特征

基于天然氣發(fā)現(xiàn)井鉆井取心資料，對魯伍馬盆地下始新統(tǒng)主要巖相類型進行了取樣和分析化驗，發(fā)現(xiàn)儲層質(zhì)量差異很大。儲層質(zhì)量主要受巖相、結(jié)構(gòu)成熟度和成巖作用的影響，其中巖相和結(jié)構(gòu)成熟度是影響研究區(qū)儲層質(zhì)量的主要因素。

泥質(zhì)含量低的巖相類型是主要的優(yōu)質(zhì)儲層，如圖2a 和圖2b 分別為較純凈的中砂巖和中—細砂巖，雜基和膠結(jié)物等填隙物含量很低，原生粒間孔較為發(fā)育，其孔隙度分別為19.1%和16.5%，是優(yōu)質(zhì)含氣儲層。而泥質(zhì)含量高的巖相類型儲層物性差，如圖2c 和圖2d 分別為灰泥質(zhì)細砂巖和泥質(zhì)不等粒砂巖，分選差，后期成巖過程中，形成了大量的碳酸鹽及黏土膠結(jié)物充填于粒間孔隙中，儲層物性變差，孔隙度分別為7.6%和3.5%，滲透率分別為0.1×10-3μm2和0.03×10-3μm2。碳酸鹽巖巖相雖然無鉆井取心資料，但巖屑錄井表明其石灰?guī)r碎屑含量高，結(jié)構(gòu)成熟度低，鈣質(zhì)膠結(jié)嚴重，巖性致密，不能作為有效儲層。

結(jié)構(gòu)成熟度高的巖相類型儲層物性相對較好。圖2a中砂巖較圖2b中—細砂巖的顆粒分選性稍好，粒徑稍粗，前者孔隙度稍高，滲透率則遠優(yōu)于后者，分別為925×10-3μm2和18.6×10-3μm2，結(jié)構(gòu)成熟度對滲透率的影響遠大于對孔隙度的影響。

孔隙類型主要為原生粒間孔隙（圖2a，圖2b）。一些巖相儲層質(zhì)量好，可以達到中—高孔和中—高滲，成巖作用總體偏弱，壓實作用不強。雖然部分巖相發(fā)生碳酸鹽和黏土等礦物的膠結(jié)作用，個別樣品中可見石英次生加大等成巖作用，但總體上對泥質(zhì)含量低的巖相的儲層質(zhì)量影響不大，較純凈的砂巖和砂礫巖等巖相均可作為儲存油氣的有效儲層。

圖2 魯伍馬盆地下始新統(tǒng)主要巖相類型的微觀特征Fig.2 Microscopic characteristics of main lithofacies types of lower Eocene in Rovuma Basin

3 沉積演化與沉積模式

3.1 層序劃分

根據(jù)鉆井生物地層分析結(jié)果，在研究區(qū)三維地震數(shù)據(jù)體上確定了古近系各地層界面。以包含深水原地沉積和深水異地沉積的二元結(jié)構(gòu)沉積旋回理論［13-14］為指導，以地震剖面上反映地層終止關(guān)系的上超、下超、削截和頂超等地震反射特征和反映塊體搬運、峽谷、水道、朵體和凝縮段等深水沉積結(jié)構(gòu)單元的典型地震反射特征為層序界面識別標志，將始新統(tǒng)劃分為下始新統(tǒng)（SQ1）和上始新統(tǒng)(SQ2)2個三級層序，由2期深水濁流沉積組成。本次研究以下始新統(tǒng)為研究對象（圖3）。

圖3 魯伍馬盆地始新統(tǒng)層序劃分地震剖面（剖面位置見圖1b）Fig.3 Seismic profile showing sequence division of Eocene in Rovuma Basin(the location is shown in Fig.1b)

3.2 沉積期次劃分

基于鉆井、測井資料和三維地震資料進行單井層序劃分和井-震標定。結(jié)合地震剖面上地層接觸關(guān)系、不同深水沉積結(jié)構(gòu)單元之間及結(jié)構(gòu)單元內(nèi)不同期次沉積體之間地震反射界面的侵蝕特征，將下始新統(tǒng)深水沉積復合體自下而上細分為A、B、C、D、E 共5 期沉積，并對沉積體包絡(luò)面的頂界面、底界面和內(nèi)部地震反射界面進行了追蹤解釋（圖4）。由于使用的地震數(shù)據(jù)體為負極性，因此波阻抗增加界面（深水沉積體頂界面）對應波谷反射（紅軸），波阻抗降低界面（深水沉積體底界面）為波峰反射（藍軸）。

圖4 魯伍馬盆地下始新統(tǒng)深水沉積期次劃分地震剖面（剖面位置見圖1b）Fig.4 Seismic profile showing deep-water sedimentary stage division of lower Eocene in Rovuma Basin(the location is shown in Fig.1b)

3.3 沉積演化

前人通過對深水沉積發(fā)育盆地內(nèi)的沉積結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造及地震反射特征等開展分析研究，總結(jié)了受重力流和大洋底流共同作用的深水沉積具有的典型特征［15-18］。由于峽谷或水道在深水沉積體系所處的位置不同，其受底流改造后所呈現(xiàn)的遷移方向亦不相同［19］。如南海上陸坡發(fā)育的海底峽谷，距離陸架較近，陸源物質(zhì)供給相對充足，除在峽谷內(nèi)發(fā)育重力流沉積外，在峽谷兩側(cè)，重力流沉積同樣發(fā)育，所以東南流向的南海暖流將峽谷外的沉積物搬運至峽谷內(nèi)部，在峽谷內(nèi)西北側(cè)堆積，形成側(cè)向加積體，迫使后期峽谷向東南遷移，表現(xiàn)為順底流方向遷移［19］。

魯伍馬盆地水道位于下陸坡，重力流活動主要限制在水道內(nèi)部，水道間無明顯沉積。印度洋發(fā)育一支向北流動的南極底流，在非洲南端沿非洲大陸邊緣繼續(xù)向北流動［20-21］，魯伍馬盆地在晚白堊世以后為印度洋西岸的一個被動陸緣盆地，其沉積過程持續(xù)受到底流的影響與改造。來自于西部物源區(qū)的沉積物通過峽谷和水道等物源通道注入盆地內(nèi)，在重力流作用的同時，也受底流作用影響，重力流內(nèi)的細粒物質(zhì)被搬運出水道并在北岸堆積形成天然堤，天然堤的建造使得北側(cè)逐漸增高，從而導致沉積物向南側(cè)逐漸遷移，表現(xiàn)為逆底流方向遷移；南側(cè)天然堤相對不發(fā)育，對濁流沉積物的限制作用較弱，從而在南岸溢出形成溢岸沉積。

基于對下始新統(tǒng)深水沉積體的頂、底界面和5期沉積界面的地震層位解釋，開展地震屬性分析。圖5中的地震屬性為每期沉積的層間絕對振幅積分，反映地震信號總體反射強度，紅—黃色代表強振幅，反映砂巖或碳酸鹽巖粗碎屑顆粒的水道或朵體沉積；藍色代表弱振幅，反映泥巖或粉砂質(zhì)泥巖等細粒沉積物的遠洋、半遠洋及天然堤沉積。

圖5 魯伍馬盆地下始新統(tǒng)深水沉積各期次屬性平面圖Fig.5 Attribute plan of each stage of the lower Eocene deep-water deposition in Rovuma Basin

根據(jù)地震響應特征和地震屬性分析（圖5），結(jié)合鉆井分析結(jié)果，認為A 期沉積（圖5a）是由北西向南東方向延伸的深水水道，內(nèi)部充填一套碳酸鹽巖碎屑流沉積，早期規(guī)模較大，延伸較遠，晚期分布較為局限。A 期沉積僅在W5 井鉆遇，儲層質(zhì)量差，未有天然氣發(fā)現(xiàn)。

B期沉積具有一定的繼承性，物源來自于北西—西方向，為多期水道復合沉積，表現(xiàn)為由北向南遷移，晚期水道對早期水道有一定侵蝕作用（圖4，圖5b）。W1井、W2井和W4井鉆遇B期沉積，錄井顯示砂巖中鈣質(zhì)膠結(jié)物含量高，儲層質(zhì)量差，未有天然氣發(fā)現(xiàn)。

C 期沉積物源為近正西方向，巖屑錄井中碳酸鹽巖碎屑含量明顯降低，亦是由北向南遷移的多期水道復合體。W2 井、W4 井和W1 井鉆遇C 期沉積（圖5c），W2 井和W4 井儲層質(zhì)量較好，有天然氣發(fā)現(xiàn)；W1 井儲層薄，儲層質(zhì)量相對較差，未有天然氣發(fā)現(xiàn)。分析認為W2 井和W4 井分別位于水道的軸部和翼部，W1 井位于另外一期水道的邊緣部位。

南部的4 口井均鉆遇D 期沉積（圖5d）。W1 井儲層較好，有天然氣發(fā)現(xiàn)，W3 井儲層稍差，埋深稍大，為含氣水層，這2 口井分別位于水道軸部和翼部；W2 井和W4 井位于和水道相鄰的天然堤上，鉆遇厚層泥巖。

E 期沉積早期為深水水道，隨著大量沉積物的充填，海底底形限制作用變?nèi)酰练e物呈散開狀，晚期逐漸由水道演化為朵體沉積（圖5e）。W3 井和W1井鉆遇了E期沉積，前者物性好，有天然氣發(fā)現(xiàn)，后者位于水道邊緣，物性較差，無天然氣發(fā)現(xiàn)。

由于深水沉積的復雜性和受地震分辨率的限制，很難基于地震資料對深水沉積體的每期沉積界面進行追蹤解釋，因此需要井-震結(jié)合綜合確定深水沉積復合體系的期次劃分。雖然依據(jù)層序地層等時概念將該深水沉積體分為5 期，但每一期沉積也是由多個次一級的沉積單元疊置而成，如A 期碳酸鹽巖碎屑流沉積在地震剖面上可以識別出至少3個次一級的沉積，這些次一級的深水沉積具有逆底流方向的遷移特征?？傮w上講，5 期沉積以及每期沉積內(nèi)部的次一級沉積均表現(xiàn)為自北向南遷移的特點，圖3虛線標注的地方示意了重力流沉積受底流影響的側(cè)向遷移特點。

3.4 沉積模式

根據(jù)前述基于井-震綜合對比分析確定的沉積期次劃分方案，結(jié)合鉆井測試資料，厘清了研究區(qū)南部4 口天然氣發(fā)現(xiàn)井儲層段的沉積期次關(guān)系，建立了連井沉積模式（圖6）。由模式圖可見，4口井天然氣發(fā)現(xiàn)層段屬于3 個不同期次的砂體。W2 井和W4 井儲層為C 期沉積，巖性為均質(zhì)的塊狀砂巖，測井曲線呈箱形。W1井儲層屬于D期沉積，下部氣層巖性為塊狀砂巖，上部氣層巖性為砂巖與泥巖及粉細砂巖互層，二者應是水道不同部位的沉積。W3井為多套沉積韻律層疊置而成，每一個韻律層代表一期次一級的沉積。測井曲線整體呈箱形，韻律層之間夾有相對細粒的薄層砂巖，韻律層界面對應幅度不大的鋸齒狀響應。

圖6 魯伍馬盆地下始新統(tǒng)連井沉積模式圖Fig.6 Inter-well sedimentary pattern of lower Eocene in Rovuma Basin

基于研究區(qū)沉積特征及其沉積演化過程分析，建立了魯伍馬盆地下始新統(tǒng)受重力流和大洋底流共同作用的水道-朵體深水沉積體系5期沉積演化的模式圖（圖7）。受母巖類型影響，最早期水道充填了以石灰?guī)r為主的碳酸鹽巖碎屑物質(zhì)（圖7，A期）；后一期水道充填在物源上具有一定繼承性，沉積物中仍有一定的石灰?guī)r碎屑，巖性致密，鈣質(zhì)膠結(jié)嚴重，儲層質(zhì)量較差；隨后的沉積物中石灰?guī)r碎屑含量減少，以碎屑巖巖屑充填為主。水道內(nèi)底部通常在重力作用下沉積粗粒物質(zhì)，形成水道底部滯留沉積。重力流中部密度相對小的中—細粒物質(zhì)在底流作用下搬運至水道北側(cè)，形成側(cè)積砂體，該類沉積分選性好，儲層質(zhì)量好。重力流頂部最細粒物質(zhì)在底流作用下沿側(cè)積砂體頂部搬出水道并向遠端漂浮，形成大規(guī)模的側(cè)向漂積體，在北側(cè)緊鄰水道側(cè)翼建造成天然堤。伴隨天然堤逐漸加高，后期的重力流受北側(cè)天然堤的限制作用，形成多期逐漸向南側(cè)向遷移的水道復合體。隨著水道向前延伸，重力流受海底底形限制作用變?nèi)?，沉積物沖出水道向前散開，在水道末端形成朵體沉積，該深水沉積體系即是早期水道逐步演化至晚期形成的朵體沉積。

圖7 魯伍馬盆地下始新統(tǒng)沉積模式圖Fig.7 Sedimentary model of lower Eocene in Rovuma Basin

雖然不同期次的沉積在側(cè)向上遷移，在垂向上相互疊置，晚期沉積對早期沉積具有一定的侵蝕作用，局部存在接觸界面，但界面之間通常發(fā)育泥巖夾層，不能確定儲層之間是否連通。鑒于此，盡管目的層可以看作一個深水沉積復合體，但由于4 口發(fā)現(xiàn)井屬于3 個期次的沉積，所以在該氣藏的評價及后期開發(fā)時需要考慮不同期次砂體之間的連通性，以保證氣藏有效充分開發(fā)。

4 結(jié) 論

（1）魯伍馬盆地下始新統(tǒng)發(fā)育以砂巖、泥巖為主的碎屑巖和以石灰?guī)r為主的碳酸鹽巖兩種巖石類型，前者分為富砂型和富泥型兩種巖石相，天然氣發(fā)現(xiàn)分布在泥質(zhì)含量低、顆粒分選程度高的富砂巖相中。砂巖儲層孔隙類型以原生粒間孔為主，成巖作用總體偏弱，巖相和結(jié)構(gòu)成熟度是影響儲層質(zhì)量的主要因素。

（2）魯伍馬盆地下始新統(tǒng)深水沉積體系可以分為5期沉積，受重力流和底流共同作用，總體表現(xiàn)為由北向南遷移，以水道沉積為主，晚期受海底底形影響演化為朵體沉積。A 期為碳酸鹽巖碎屑流沉積，B—E 期為碎屑巖沉積，B 期碳酸鹽巖碎屑含量高、儲層致密，C期、D期和E期儲層質(zhì)量較好。

（3）魯伍馬盆地南部4 口天然氣發(fā)現(xiàn)井的儲層屬于C、D、E 三期不同的深水沉積砂體，在氣藏評價與開發(fā)時需考慮不同氣藏砂體之間的連通性，以保證氣藏的充分開發(fā)。