西南非海岸盆地烴源巖研究新認識及勘探意義

郝立華 李 丹 劉小龍 逄林安 賈建忠

(中國海洋石油國際有限公司 北京 100028)

西南非海岸盆地位于非洲大陸西海岸的最南端，其北側以威爾維斯火山脊為界，南側為西非大陸架最南端，東側為非洲大陸前寒武系基底，西側為大陸殼邊緣，面積約49.7萬平方千米，為火山型被動大陸邊緣盆地。該盆地自20世紀70年代開始勘探，已鉆探井47口，目前僅在南部奧蘭治次盆獲得了少量油氣發(fā)現(xiàn)[1-3]，其中1974年發(fā)現(xiàn)了迄今為止最大的K氣田(天然氣可采儲量1 000億方，至今未開發(fā))，之后相繼發(fā)現(xiàn)一些小氣田，但一直尚未獲得大的油氣勘探突破。而其北側同屬于西非被動大陸邊緣盆地的寬扎、下剛果-剛果扇、加蓬等盆地均獲得了大量的油氣發(fā)現(xiàn)[4-6]。目前關于西南非海岸盆地是否依然存在勘探潛力、是否具有石油勘探潛力、下步勘探方向在哪里等諸多問題依然不明。為解決目前面臨的諸多問題，本文以烴源巖研究為突破口，以期厘清該盆地的勘探潛力。目前，國內(nèi)主要是利用有機巖石學、有機地球化學等方法手段對烴源巖進行評價，對于少井/無井勘探區(qū)，傳統(tǒng)的評價方法雖然直觀，但存在較大局限性，難以對少井/無井區(qū)烴源巖平面展布進行系統(tǒng)評價和預測。針對以上問題，同時綜合考慮研究區(qū)資料基礎，本文綜合利用地化、古生物、鉆井、地震等相關資料，對該盆地過渡期Barremian—Aptian階主力烴源巖進行系統(tǒng)的有機相分析，以期更為系統(tǒng)準確地評價及預測該套主力烴源巖。隨后，綜合盆地構造發(fā)育背景、沉積儲層展布特征以及油氣成藏規(guī)律，探討盆地下步勘探方向，指出盆地潛在的有利勘探區(qū)帶。以期對該盆地未來油氣勘探起到一定的指導作用。

1 盆地形成演化概況

西南非海岸盆地位于納米比亞和南非的西部海域，整體由三個次盆組成，由南向北依次為奧蘭治次盆、魯?shù)美锎拇闻韬屯柧S斯次盆，面積分別為24.8萬平方千米、9.3萬平方千米、15.6萬平方千米，其中北部的威爾維斯次盆位于西非威爾維斯火山脊南部(圖1)。

圖1 西南非海岸盆地地理位置Fig.1 Location of Southwest African Coastal basin

西南非海岸盆地是岡瓦納超級大陸解體與南大西洋擴張形成的大陸裂谷和被動大陸邊緣型疊合盆地[7-9]。盆地整體經(jīng)歷三期構造演化[10-11]：裂谷期(J3—K1.Neocomian)、過渡期(K1.Barremian—Aptian)和漂移期(K1.Albian—現(xiàn)今)。

1) 裂谷期(J3—K1.Neocomian)

岡瓦納大陸開始解體，隨著南美板塊和非洲板塊裂解，處于西非南段的西南非海岸盆地率先破裂[7-9,12]，裂解擴張伴隨著強烈的火山活動，從而在西南非海岸盆地沉積了一套溢流相火山噴發(fā)巖，在地震剖面上呈現(xiàn)出明顯的向海傾斜地震反射波組特征(Seaward Dipping Reflector，SDR)[13]，沉積巖整體不發(fā)育，僅靠陸一側局部小型裂谷地塹中發(fā)育少量湖相沉積(圖2)。

圖2 西南非海岸盆地威爾維斯次盆區(qū)域地質(zhì)剖面(剖面位置見圖1)Fig.2 Regional geological profile in Walvis sub-basin of Southwest African Coastal basin(see Fig.1 for location)

2) 過渡期(K1.Barremian—Aptian)

同裂谷階段結束，開始形成初始洋殼。在威爾維斯火山脊以北，由于火山脊的遮擋作用，形成了海水循環(huán)受限的局限海環(huán)境，從而使得南大西洋兩側的西非、南美大陸邊緣盆地沉積了一套厚度巨大、廣泛分布的Aptian階蒸發(fā)鹽巖。而位于威爾維斯火山脊以南的西南非海岸盆地則無蒸發(fā)鹽巖沉積，受盆地南部?？颂m群島呈現(xiàn)半遮擋狀態(tài)的控制，盆地處于半封閉海灣環(huán)境[14-15]，半封閉海灣環(huán)境利于海相烴源巖發(fā)育，從而在該時期沉積了一套富含有機質(zhì)的海相泥巖，該套海相泥巖為盆地的主力烴源巖[1,16]。

3)漂移期(K1.Albian—現(xiàn)今)

隨著大陸的解體，盆地開始進入熱沉降階段。從早白堊世末的Albian期開始至今，以洋殼開始出現(xiàn)、洋中脊不斷擴張、洋底增生及邊緣熱沉降為特征，整體為海相沉積。Albian階沉積時期，北部威爾維斯次盆由于陸源碎屑供給少，坡折區(qū)水深適宜，發(fā)育陸架邊緣礁灘相碳酸鹽巖沉積(圖2)。而南部奧蘭治次盆陸源碎屑供給相對豐富，沉積了奧蘭治三角洲。

西南非海岸盆地過渡階段—漂移階段沉積時期整體為緩坡背景，地層沉積厚度整體較薄(圖2)，僅在南部次盆奧蘭治三角洲沉積區(qū)，地層厚度相對較厚。同時，盆地構造相對穩(wěn)定，活動較弱，僅在南部奧蘭治三角洲沉積區(qū)發(fā)育了小規(guī)模的重力滑脫構造，且由于三角洲整體規(guī)模不大，斷裂規(guī)模較小，均為晚白堊地層的層內(nèi)斷層，未斷至下伏烴源巖層。

2 烴源巖發(fā)育特征

整體上，西南非海岸盆地對應三期構造演化階段主要發(fā)育3套烴源巖[17-19]：裂谷期湖相烴源巖、過渡期 Barremian—Aptian階海相烴源巖、漂移期Cenomanian—Turonian階海相烴源巖。但由于裂谷期主要為SDR充填，湖相烴源巖分布局限，潛力有限。

過渡期海相烴源巖為盆地主力烴源巖，該時期盆地受北部威爾維斯火山脊阻隔和南部?？颂m群島半遮擋作用形成半封閉海灣環(huán)境，且Aptian時期全球海洋處于缺氧狀態(tài)，利于有機質(zhì)保存，從而形成一套相對優(yōu)質(zhì)的海相烴源巖，目前盆地已發(fā)現(xiàn)的天然氣藏均是來自于該套烴源巖。

漂移期Cenomanian—Turonian沉積時期雖亦為全球缺氧背景[17-22]，但該時期西南非海岸盆地整體處于開闊海環(huán)境，不利于有機質(zhì)保存，同時漂移期烴源巖地層埋藏淺，盆地內(nèi)僅局部區(qū)域達到成熟階段，為盆地的次要烴源巖。

西南非海岸盆地的油氣勘探工作一直未停止，自2010年后油氣勘探開始向深水區(qū)轉移，先后在深水區(qū)鉆探4口探井，均以失利告終，但這4口鉆井揭示了過渡期優(yōu)質(zhì)的傾油型烴源巖，顯示該盆地具有石油勘探潛力。為了厘清西南非海岸盆地油氣勘探潛力，本文綜合利用地化、古生物、鉆井、地震等相關資料，對該盆地過渡期Aptian階主力烴源巖進行系統(tǒng)的有機相分析[17-22]，認為西南非海岸盆地過渡期Aptian階烴源巖從陸向海可依次劃分為4種有機相，且呈現(xiàn)“內(nèi)帶傾氣、外帶傾油”的特點，西南非海岸盆地外帶具有一定的找油潛力。

2.1 地化指標

盆地南部的K氣田發(fā)現(xiàn)后，一度認為西南非海岸盆地只發(fā)育傾氣型烴源巖，如K-5井揭示，TOC含量為1.5%～2.1%， S2平均1.26 mg/g，HI平均26～61 mg/g，為Ⅲ型干酪根(圖3)，為傾氣型烴源巖。

圖3 K-5井過渡期Aptian階海相烴源巖干酪根類型特征Fig.3 Kerogen type of transitional marine source rock in Well K-5

近幾年一些深水井的鉆探揭示了過渡期烴源巖地化指標平面變化大。其中，位于盆地南部K氣田西北側的MO-1井揭示過渡期海相烴源巖TOC含量為2.0%～5.5%，平均3.4%，HI平均564 mg/g，S2為15～30 mg/g，平均18.7 mg/g(圖4)，為Ⅱ1—Ⅰ型干酪根(圖5)，是優(yōu)質(zhì)的傾油型烴源巖。

圖4 MO-1井有機碳豐度及生烴潛力特征Fig.4 TOC and S2 features of Well MO-1

圖5 MO-1井過渡期Aptian階海相烴源巖干酪根類型特征Fig.5 Kerogen type of transitional marine source rock in Well MO-1

位于盆地北部MR-1井揭示的過渡期烴源巖TOC含量為0.6%～3.3%，S2為7.0～22.6 mg/g(圖6)，為Ⅱ1型干酪根，是優(yōu)質(zhì)的傾油型烴源巖。

圖6 MR-1井有機碳豐度及生烴潛力特征Fig.6 TOC and S2 features of Well MR-1

與MR-1井相鄰的WG-1井揭示的過渡期烴源巖TOC含量為0.6%～1.8%，S2為2.2～4.4 mg/g。同時WG-1井于過渡期烴源巖地層內(nèi)的砂巖夾層中MDT取到了原油樣品，其原油密度為0.816～0.835 g/cm3。原油化驗分析顯示其輕烴中甲苯和苯含量低，甲基環(huán)己烷豐度高，與典型偏腐殖型烴源巖原油的輕烴組成有明顯差異，指示其為偏腐泥型烴源巖，以菌藻類為主的混合有機質(zhì)特征，干酪根類型為Ⅱ1型，為傾油型烴源巖。

從上述3口重點井烴源巖地化特征可以看出，其與K氣田鉆遇的偏腐殖型烴源巖特征明顯不同，鉆井揭示盆地不同位置發(fā)育不同類型烴源巖，亦指示西南非海岸盆地發(fā)育傾油型烴源巖。由于鉆井稀少，無法直接反映烴源巖地化指標平面分布規(guī)律。

2.2 地震相特征

通過過渡期Aptian階烴源巖井-震結合分析顯示，不同沉積相帶，烴源巖響應特征具有明顯差異(圖7)。K氣田區(qū)鉆井揭示，烴源巖位于過渡期地層頂部，為高伽馬泥巖，地震響應為低頻、中強振幅、中等連續(xù)反射特征。MR-1、WG-1井揭示過渡期烴源巖為高伽馬泥巖，地震響應為中低頻、中強振幅、連續(xù)反射特征。MO-1井揭示過渡期烴源巖為高伽馬泥巖，地震響應為高頻、弱振幅、高連續(xù)反射特征。

圖7 過渡期Aptian階烴源巖地震識別圖版Fig.7 Chart of seismic features of Aptian source rock in different sedimentary facies

基于鉆井資料和區(qū)域二維地震資料研究，發(fā)現(xiàn)了盆地過渡期烴源巖地震相特征和地化指標變化平面分布規(guī)律，即由陸向海地震相特征呈平行海岸線的條帶狀展布，分為4個條帶，分別為低頻、強振幅、連續(xù)反射地震相；低頻、中強振幅、中等連續(xù)反射地震相(K氣田鉆遇)；中低頻、中強振幅、連續(xù)反射地震相(MR-1、WG-1井鉆遇)；高頻、弱振幅、高連續(xù)反射地震相(MO-1井鉆遇)。

同時，這4個條帶地化特征亦有所不同，從陸向海地化指標逐步變好，干酪根類型由Ⅲ—Ⅱ2型轉變?yōu)棰?—Ⅰ型。

2.3 有機相特征

在前述烴源巖地化指標分析、地震相及沉積相研究基礎上，按照有機質(zhì)生源、有機質(zhì)沉積環(huán)境以及干酪根類型，進而可劃分出四大有機相帶(即由陸向海分別為有機相A、B、C、D)。

有機相A，濱海陸源型有機相，該有機相帶主要分布于濱海沉積相內(nèi)。古生物資料顯示其含豐富的孢粉化石組合，以Classopollis(克拉梭粉),Gleicheniidites(里白孢屬)和Balmeiopsis(松柏類之一)占優(yōu)勢，且均為陸生高等植物孢粉，反應了較為濕熱的氣候類型。孢粉相和有機顯微組分以木質(zhì)組、炭屑和草本組占絕對優(yōu)勢，含極少量無定形組分，III型干酪根。說明其為典型陸源型烴源巖，為傾氣型烴源巖。

有機相B，內(nèi)淺?；煸葱陀袡C相，該有機相帶主要在內(nèi)淺海環(huán)境下發(fā)育，主要位于浪基面之下、風暴浪基面以上的淺水區(qū)。古生物資料揭示過渡期烴源巖陸生孢粉含量50%～80%，顯示其以陸源有機質(zhì)供應為主，II2—III型干酪根，為傾氣型烴源巖(K氣田鉆遇)。

有機相C，外淺海混源型有機相，該有機相帶主要以外淺海環(huán)境為主，主要位于風暴浪基面之下的淺水區(qū)。古生物資料顯示，過渡期烴源巖海洋生物組分中的無定形組分含量50%～80%，而陸源木本有機組分占比較小，為海陸混源型有機質(zhì)供給，以海相內(nèi)源型有機質(zhì)為主，Ⅱ1型干酪根，為傾油型烴源巖(MR-1井、WG-1井鉆遇)。

有機相D，上坡折帶內(nèi)源型有機相，該有機相帶主要分布在靠海一側的上坡折帶。其有機質(zhì)組成成分中，海相微生物組分含量80%以上，代表陸源有機質(zhì)的木本組分較少，反映以海相內(nèi)源型有機質(zhì)為主的特點，Ⅰ—Ⅱ1型干酪根，為傾油型烴源巖(MO-1井鉆遇)。

在有機相劃分基礎上，利用不同有機相帶下不同類型烴源巖對應的地震反射特征，并以此為有機相平面劃分依據(jù)，在沉積相帶劃分的基礎上，可有效預測盆地無井/少井區(qū)烴源巖有機相帶的平面展布。整體上盆地過渡期烴源巖由陸向海劃分為4個有機相帶，內(nèi)側兩個相帶(有機相A、B)為傾氣型烴源巖，外側兩個相帶(有機相C、D)為傾油型烴源巖，呈現(xiàn)出“內(nèi)帶傾氣、外帶傾油”的分布特點。

2.4 成熟烴源巖展布

整體上，南部奧蘭治次盆由于發(fā)育晚白堊奧蘭治三角洲，地層厚度大。中部魯?shù)美锎拇闻韬捅辈客柧S斯次盆缺乏大型物源輸入，沉積地層厚度較薄。

盆地模擬結果顯示，過渡期烴源巖大部分已進入成熟階段(Ro>0.7%)。南部奧蘭治次盆過渡期烴源巖基本全部成熟，且在沉積中心部位達到高成熟—過成熟階段(1.3%

結合前述過渡期烴源巖有機相研究成果，進一步將內(nèi)帶成熟烴源巖分布區(qū)劃分為傾氣灶，外帶成熟烴源巖分布區(qū)劃分為傾油灶，從而指出了盆地尋找石油和天然氣的有利勘探范圍(圖8)。2022年，西南非海洋盆地奧蘭治次盆深水區(qū)相繼獲得兩個油氣發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)表明，油氣來自于過渡期海相烴源巖，進一步證實本文關于該套烴源巖研究的可靠性。

圖8 西南非海岸盆地過渡期烴源巖有效生烴灶分布Fig.8 Distribution of transitional source rocks’hydrocarbon kitchen in Southwest African Coastal basin

3 成藏模式與有利勘探方向

西南非海岸盆地整體為緩坡背景，地層厚度較薄，構造活動整體較弱，斷裂體系不發(fā)育[9-10,23-24]，油氣運移路徑少，以近源成藏為主，因此緊鄰過渡期Aptian階主力烴源巖儲集體為該盆地重點勘探層系，主要包括過渡期Barremian-Aptian期近岸風成沙丘、遠岸隆起區(qū)碳酸鹽巖臺地[23]及Albian期碳酸鹽巖和濁積砂巖。

過渡期Aptian階成熟烴源巖生成的油氣近距離運移至過渡期Barremian-Aptian期儲集層以及緊鄰烴源巖層段的漂移期Albian階儲集層中，形成自生自儲型油氣藏和下生上儲型油氣藏(圖2)。

綜合以上分析，西南非海岸盆地過渡期Aptian階主力烴源巖可依次從陸向海劃分為4個有機相帶，且整體呈現(xiàn)“內(nèi)帶傾氣、外帶傾油”的特點，目前“內(nèi)帶傾氣帶”已有多個相關氣藏發(fā)現(xiàn)，對于“外帶傾油帶”目前也已被W-1井(鉆遇油層且MDT取到油樣)所證實，這也進一步表明，該盆地具備石油和天然氣兩大勘探領域，尤其是新發(fā)現(xiàn)的石油勘探領域潛力較大。在主力烴源巖有機相研究基礎之上，結合盆地油氣“近源成藏”的特點及儲層分布特征，認為盆地圍繞過渡期主力烴源巖主要發(fā)育4個潛在勘探區(qū)帶。

1) 威爾維斯次盆斜坡扇石油勘探潛力區(qū)帶。該勘探潛力區(qū)帶發(fā)育在威爾維斯次盆北部，為過渡期烴源巖生、漂移期Albian階斜坡扇砂巖儲的“下生上儲型”成藏組合。早Albian期沉積時期，在威爾維斯次盆北部整體構造穩(wěn)定，缺乏明顯的陸架坡折，在此沉積背景下，較深水區(qū)發(fā)育了滑塌斜坡扇沉積，整體位于過渡期烴源巖傾油灶區(qū)內(nèi)，以巖性圈閉為主。

2) 威爾維斯次盆陸架邊緣礁灘相碳酸鹽巖石油勘探潛力區(qū)帶。該勘探潛力區(qū)帶發(fā)育在威爾維斯次盆南部，為過渡期烴源巖生、漂移期Albian階陸架邊緣礁灘相碳酸鹽巖儲的“下生上儲型”成藏組合。晚Albian沉積時期，在威爾維斯次盆南部陸架區(qū)發(fā)育了三期碳酸鹽巖臺地沉積，其中第三期沉積對應全球海平面下降后又緩慢上升的過程，為一套生物礁灘相碳酸鹽巖，儲層物性好，且整體處于過渡期烴源巖傾油灶區(qū)，以構造-巖性圈閉為主。

3) 奧蘭治次盆碳酸鹽巖臺地生物礁相石油勘探潛力區(qū)帶。該勘探潛力區(qū)帶主要發(fā)育在盆地南部奧蘭治次盆遠岸一側，為過渡期烴源巖生、過渡期碳酸鹽巖臺地生物礁儲的“自生自儲型”成藏組合。西南非海岸盆地遠岸的中央隆起帶發(fā)育多個受控于火山噴發(fā)而形成的基底高背景區(qū)，其上形成多個碳酸鹽巖孤立臺地，且整體呈現(xiàn)“時間分期、空間分段”的分布特征，即Barremian—Aptian期在奧蘭治次盆形成了第一期火山隆起帶，之上發(fā)育了一系列規(guī)模較大的碳酸鹽巖臺地；Aptian—Albian期在魯?shù)美锎拇闻栊纬闪说诙诨鹕铰∑饚В习l(fā)育了規(guī)模相對較小的碳酸鹽巖臺地。其中位于奧蘭治次盆的第一期火山隆起帶古水深適中，其上形成了一系列規(guī)模較大的碳酸鹽巖臺地，地震上具有臺地邊緣礁灘相的前積反射等生物建隆特征，預測其碳酸鹽巖儲層發(fā)育，且整體位于過渡期烴源巖傾油灶區(qū)內(nèi)，可形成構造圈閉。

4) 奧蘭治次盆風成砂天然氣勘探潛力區(qū)帶。該勘探潛力區(qū)帶主要發(fā)育在盆地南部奧蘭治次盆近岸一側，為過渡期烴源巖生、過渡期風成砂儲的“自生自儲型”成藏組合。風成沙丘儲層主要發(fā)育于過渡期的早中期(Barremian—下Aptian)，主要分布于奧蘭治次盆，該時期奧蘭治次盆近岸區(qū)地勢平緩，為風成沙丘沉積提供了良好的背景，且風成沙丘發(fā)育位置與過渡期烴源巖傾氣灶區(qū)匹配良好，可形成巖性圈閉，目前已發(fā)現(xiàn)K氣田屬于該類成藏組合。

4 結論

1) 通過利用沉積相、古生態(tài)相、有機地化相及地震相對過渡期海相烴源巖進行綜合有機相分析，認為該套烴源巖整體具有“內(nèi)側傾氣、外側傾油”的特點。

2) 綜合盆地構造發(fā)育背景、沉積儲層展布特征、油氣成藏規(guī)律，認為該盆地整體可能發(fā)育4個潛在有利勘探區(qū)帶，即威爾維斯次盆深水區(qū)斜坡扇石油勘探潛力區(qū)帶、威爾維斯次盆陸架邊緣礁灘相碳酸鹽巖石油勘探潛力區(qū)帶、奧蘭治次盆碳酸鹽巖臺地生物礁相石油勘探潛力區(qū)帶、奧蘭治次盆風成砂天然氣勘探潛力區(qū)帶。