巴西桑托斯盆地L 油田BV 組湖相碳酸鹽巖沉積特征及高精度層序劃分

羅曉彤，文華國，彭 才，李 云，趙 研

（1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都 610059；2.成都理工大學沉積地質研究院，成都 610059；3.東方地球物理勘探有限責任公司西南物探研究院，成都 610014）

0 引言

目前世界上儲量規模大、產量高的油氣藏多為碳酸鹽巖油氣藏，碳酸鹽巖儲層的油氣產量約占世界油氣總產量的60%［1-3］。相比海相碳酸鹽巖而言，湖相碳酸鹽巖雖然僅占碳酸鹽巖總量的極少一部分［4］，但近年來大量開采的湖相碳酸鹽巖油氣藏讓其成為國內外學者研究的重點。湖相碳酸鹽巖沉積時間較長，自三疊紀到新近紀的古湖泊中均有發育，但主要集中在中生界和新生界［5］。根據碳酸鹽巖儲層的成因與結構特征，其主要儲層類型可分為礁灘相儲層、喀斯特型儲層及白云巖儲層等3 類［3］，在我國準噶爾、四川、酒西和柴達木等盆地的凹陷和斜坡區均有發育［1-7］。研究顯示，中國湖相碳酸鹽巖中蘊藏的油氣資源量可達45 億t，但是平均探明率僅有約11%［4］，這使湖相碳酸鹽巖成為我國油氣勘探開發的重點。不僅如此，國外大型湖相碳酸鹽巖儲層的勘探開發也成為近年來國內外專家關注的焦點，但與湖相碳酸鹽巖相關的沉積、層序、地震、儲層等多學科相結合的綜合研究及預測目前并不充分，此類綜合研究正成為湖相碳酸鹽巖儲層研究的趨勢［4］。

近年來，巴西桑托斯盆地湖相碳酸鹽巖成為了重點關注的油氣勘探領域，截至2014 年，桑托斯盆地鹽下湖相碳酸鹽巖中共發現79 個油田，探明油氣總可采儲量超過48 億m3［8-9］，是巴西近幾年來油氣儲量的主要增長點，充分顯示出巨大的油氣勘探潛力并備受關注［8，10-12］。桑托斯盆地是一個典型的被動大陸邊緣含鹽盆地，鹽下形成了碳酸鹽巖、火成巖、砂巖和泥巖等多種巖相［13-14］，其中白堊系湖相碳酸鹽巖Barra Velha 組（簡稱BV 組）為其主力儲層之一。近年來國內外學者針對桑托斯盆地的油氣勘探前景［6，8］、成藏特征［15-17］及主控因素［18-19］、儲層特征［14］、古地貌［20］及構造特征［21-22］等領域開展了研究并取得了豐碩的成果，為該地區油氣勘探開發奠定了堅實的基礎。目前針對發育主力儲層的BV 組的高精度層序劃分和沉積機理方面的研究薄弱，一定程度上制約了該地區油氣田的勘探和開發。基于此，筆者在調研前人研究成果的基礎上，通過對桑托斯盆地L 油田40 余口井約4 800 張巖心及薄片照片、測井資料和高精度三維地震資料綜合分析，對L 油田BV 組進行高精度層序地層劃分，并在該區域高精度層序格架內進行沉積微相劃分，總結垂向微相組合演化序列，探討微生物礁沉積機理，建立微生物礁沉積模式，以期深化桑托斯盆地鹽下湖相碳酸鹽巖的地質認識并對其油氣勘探提供地質依據。

1 地質概況

桑托斯盆地位于巴西東南部海上大坎波斯盆地的最南端，面積約為33 萬km2，水體最深＞4 km［20，23］。下白堊統阿普特階BV 組發育湖相微生物灰巖，以疊層石灰巖、球狀微生物灰巖等為主，BV 組在桑托斯盆地中沉積厚度不均（100～500 m），部分區域受火山作用影響較大，發育較厚火山巖。

1.1 沉積環境及構造演化

桑托斯盆地屬典型的大西洋型被動大陸邊緣盆地，形成于岡瓦納大陸解體和自南向北的南大西洋兩岸張開時期［18，24］。其構造演化可以大致分為3個階段，分別為早白堊世裂谷階段、阿普特期過渡階段和晚白堊世—新生代漂移階段（被動陸緣演化階段）［25-27］。整個盆地呈現出“三坳兩隆”的構造格局，由西向東分別為西部坳陷帶、西部隆起帶、中央坳陷帶、東部隆起帶和東部坳陷帶［17，19，28］（圖1）。本文研究區位于東部隆起帶上。

圖1 桑托斯盆地構造圖（a）及綜合柱狀圖（b）（據文獻［14，23］修改）Fig.1 Structural map（a）and comprehensive stratigraphic column（b）of Santos Basin

裂谷期為早白堊世歐特里夫期至阿普特期早期，南大西洋兩岸剛開始裂開，在巴西東南部沿海區域形成了一系列的裂谷盆地（桑托斯盆地、坎波斯盆地及埃斯皮里圖-桑托斯盆地等）［16，29-30］。該時期盆地構造活動強烈，斷裂發育普遍，形成了多個NE 走向的大型隆起和坳陷帶，其中南側由于火山帶形成的地形高地在橫向上隔擋了桑托斯盆地與南部的海水［17，31-32］。由于早期火山活動頻繁，盆地發育多期火山巖及陸相沉積，在遠物源區以厚層深湖亞相暗色泥、頁巖沉積為主。裂谷期桑托斯盆地主要沉積了一套厚層的河流—湖泊相地層，在盆地南部形成了瓦爾維斯火山脊，使盆地與南大西洋分割，阻擋了南部海水侵入盆地，且劇烈的斷裂活動形成了一些半地塹，盆地內部發育湖泊相沉積，由此形成了BV 組湖相微生物灰巖［15，26，33-34］。BV 組為本文研究的鹽下湖相碳酸鹽巖儲集層，儲層以湖相微生物巖為主，烴源巖為深湖亞相泥巖與頁巖［35］。到了阿普特期，裂谷作用減弱，桑托斯盆地進入較穩定的過渡階段，構造運動相對平靜，僅發育局部斷層。在熱沉降作用下，狹窄的海道限制了海水的流入，由此發育海陸過渡相局限海環境，主要沉積了一套厚層的蒸發鹽巖（由石鹽、硬石膏等組成），厚度多數大于1 500 m［15，36-37］。該套蒸發巖層的發育對于桑托斯盆地乃至整個大坎波斯盆地的油氣成藏起到了至關重要的作用。晚白堊世非洲板塊向北漂移，南美洲板塊向西南漂移，盆地進入漂移階段（被動陸緣演化階段）［23］。從此開始了持續的熱沉降和海水的快速入侵，盆地在熱冷卻作用下穩定坳陷沉降，沉積了一套巨厚海相地層，初期（阿爾布期）發育了海相碳酸鹽巖沉積，晚期（土侖期—新生代）發育了海相碎屑巖沉積［15，22］，也形成了盆地另一套良好的鹽上儲集層。

1.2 巖石學特征

桑托斯盆地BV 組鹽下湖相碳酸鹽巖主要屬于微生物碳酸鹽巖，發育疊層石灰巖、枝狀石灰巖、球狀微生物灰巖（鮞粒灰巖）、層紋石灰巖和核形石灰巖等（圖1，2），上覆阿普特階Ariri 組鹽巖地層，下伏巴雷姆階ITP 組介殼灰巖地層。疊層石灰巖［圖2（a）］成簇狀廣泛分布于BV 組地層中［38］；球狀微生物灰巖［圖2（b），（c）］主要為微生物成因的鮞粒灰巖，與黏土伴生，形成于濱淺湖—淺湖等高能環境；層紋石灰巖［圖2（d）］由交替的亮色和暗色碳酸鹽帶組成，一般呈波浪狀或鋸齒狀，具有不同程度的白云石化和硅化作用，部分含有黏土層［34］；枝狀石灰巖［圖2（e）—（g）］具有喬木狀、灌木狀和放放射狀等多種類型，分別代表著不同的沉積水體環境［39］：喬木狀枝狀石通常抗浪能力較強，沉積時水體深度較大，灌木狀枝狀石隨著水體緩慢加深而生長，放射狀枝狀石通常發育在較淺水環境［23］；核形石灰巖［圖2（h）］含泥質基質且部分基質硅化，為基質支撐，沉積于高能環境中；硅鎂石鮞粒灰巖［圖2（i）］為機械-化學成因，規模小、單層薄、橫向連續性差，發育在干旱蒸發淺湖高能帶，沉積作用受控于湖平面變化和風暴浪。

圖2 桑托斯盆地L 油田BV 組薄片照片（a）簇狀疊層石灰巖，A 井，4 966.50 m，單偏光；（b）含黏土球狀微生物灰巖，B 井，5 436.00 m，正交偏光；（c）球狀微生物灰巖，C 井，4 952.50 m，單偏光；（d）層紋石灰巖，白云石化層，D 井，5 513.00 m，正交偏光；（e）枝狀石（喬木狀），E 井，5 058.50 m，單偏光；（f）枝狀石（灌木狀），A 井，5 028.00 m；（g）枝狀石（放射狀），C 井，4 991.07 m，正交偏光；（h）核形石灰巖（基質硅化），F 井，5 146.50 m，正交偏光；（i）鮞粒灰巖，A 井，4 969.30 m，單偏光Fig.2 Thin section of BV Formation in L oilfield of Santos Basin

2 層序地層特征

利用旋回地層、滑移窗頻譜分析技術，結合Fisher 圖解法得出的相對湖平面變化特征，結合測井曲線組合特征分析，對單井進行高精度層序地層劃分，將BV 組劃分成1 個三級層序，4 個次級旋回，并根據地質-測井劃分的次級旋回，通過井-震標定，識別四級地震層序。

2.1 層序劃分

2.1.1 三級層序劃分

依據巖心薄片、測井曲線及地震剖面特征，在巴西桑托斯盆地L 油田BV 組碳酸鹽巖共識別出1個三級層序，命名為SQ2。

層序SQ2 對應于BV 組，以湖泊相淺棕色疊層石灰巖、枝狀石、球狀微生物灰巖、層紋石沉積為主，通常不發育巖漿巖，火山活動較弱（圖3）。SQ2層序為生物礁相儲層，下部TST 較薄，以礁緣和礁基灘為主，層序上部HST 明顯加厚，發育多套礁核相巖層，儲層質量整體良好。SQ2 層序頂界為BV組與阿普特階鹽巖層分界，底界為ITP 組與BV 組分界。地震資料整體表現為強或中強的振幅特征，連續性較好，可見丘狀、席狀等地震反射現象，針對三級層序界面可以很容易識別與追蹤（圖3）。

2.1.2 次級旋回劃分

根據巖性、沉積相和測井曲線變化等，通過井-震標定，在SQ2 層序內部可劃分出4 個次級旋回，自下而上分別命名為SSQ4，SSQ5，SSQ6 和SSQ7（圖3）。在北西—南東向過井地震剖面上，不整合面作為層序界面響應特征清楚，表現為中強—強反射軸且連續，特別是在工區西北方向上分布廣泛且穩定，在工區東南方向，隨著地層厚度的減薄，受地震資料品質影響，地震反射強和連續性降低（圖3）。SQ2 各次級旋回主要發育球狀微生物灰巖和藻疊層石灰巖，SQ2 湖侵體系域處于BV組沉積早期，礁基灘發育，礁核微生物灰巖相對不發育；高位體系域存在3 個次級的湖平面升降變化，劃分為SSQ5，SSQ6，SSQ7 共3 個次級旋回；礁核微生物灰巖主要在三級層序高位域和SSQ5—SSQ6 次級旋回發育，為優質儲層發育時期；位于BV 組沉積末期的SSQ7層序湖平面變化不大，此時礁核微生物灰巖規模減小，礁基灘相對發育（圖4）。

圖4 桑托斯盆地L 油田H 井BV 組沉積期湖平面變化及層序劃分Fig.4 Lake level change and sequence division of BV Formation of well H in L oilfield of Santos Basin

2.2 層序地層格架建立

從建立的阿普特階BV 組的井-震結合的高精度層序地層對比格架（圖5，6）來看，自北西向南東BV 組SQ2 層序厚度整體呈變薄趨勢。縱向上，南部SSQ4，SSQ5 層序發育不完整，受火山活動影響較大，下部火山巖較為發育，SSQ6，SSQ7 層序在剖面上發育完全。整體來看SSQ5—SSQ6 沉積最厚，礁核相藻疊層石灰巖及球狀微生物灰巖主要發育在SSQ5—SSQ6 層序中，SSQ4 和SSQ7 層序礁基灘及礁緣發育，含少量碎屑及泥質。橫向上，4 個次級旋回皆呈變薄趨勢，中部沉積厚度大，位于近凹陷中心，且泥質含量明顯高于南部及北部，并有少量白云巖，表現出半深湖—深湖亞相沉積特征。

從區內次級旋回的厚度圖（圖7）可知，ITP 組主要沉積于裂陷晚期，湖盆中心沉積較厚。BV 組沉積于凹陷期，湖盆內部斷裂持續拉張，湖盆水體持續加深，表現為同沉積構造，早期湖盆較深，后期湖盆逐漸萎縮。SSQ4 沉積期過渡為凹陷早期，湖盆中心繼承性較厚。SSQ5—SSQ7 沉積期為凹陷中晚期，地層整體較薄，在SSQ7 沉積期凹陷逐漸填平補齊。

圖6 桑托斯盆地L 油田北西—南東向BV 組地震地質解釋連井剖面Fig.6 Seismic and geological interpretation of connected well section of BV Formation in NW-SE direction in L oilfield of Santos Basin

圖7 桑托斯盆地L 油田次級旋回地層厚度圖Fig.7 Thickness map of fourth-order sequence stratigraphy of L oilfield in Santos Basin

3 沉積相特征

3.1 沉積相劃分

根據單井巖石學特征和測井資料分析，認為巴西桑托斯盆地L 油田BV 組湖泊相發育濱湖和微生物礁亞相（表1），后者可進一步劃分出3 種微相。

（1）礁緣微相。主要巖性為泥質球狀微生物/疊層石灰巖、層紋石灰巖等［參見圖2（b）—（d）］，沉積時水動力中等到較弱，水深10～15 m。GR值較高（70～100 API），曲線呈尖指型結構。

（2）礁核微相。主要巖性為疊層石灰巖、枝狀石和球狀微生物灰巖等［參見圖2（a），（e）—（g）］，可見局部硅化，沉積時水動力相對較強，位于斜坡中段—上段，水深5～15 m。GR值較低（10～55 API），曲線呈齒化漏斗形-鐘形-箱形結構。

（3）礁基灘微相。主要巖性為鮞粒灰巖、砂屑/礫屑灰巖［參見圖2（h）—（i）］，沉積時水動力中等到較強，水深為5～20 m。GR值中等（10～70 API），曲線呈漏斗/鐘型結構。

表1 桑托斯盆地L 油田BV 組沉積微相劃分Table 1 Sedimentary microfacies division of Barra Vleha Formation in L oilfield of Santos Basin

3.2 垂向微相演化特征

結合區內多口井資料研究，總結出盆地內BV 組沉積微相在垂向上大致呈礁基灘—礁緣—礁核—礁基灘的發育演化序列（圖8），由于湖平面震蕩頻繁，沉積微相在垂向上具有明顯的周期性。

圖8 桑托斯盆地L 油田A 井沉積相綜合柱狀圖Fig.8 Comprehensive histogram of sedimentary facies of well A in L oilfield of Santos Basin

據多口井內各層序中的巖性統計可以看出，BV組沉積早期的SSQ4 層序發育時期礁基灘、礁緣更為發育，礁核微生物灰巖和球狀微生物灰巖均相對不發育（圖9），隨著相對湖平面逐漸下降，SSQ5—SSQ6 層序主要發育礁核微相藻疊層石灰巖與球狀微生物灰巖，到湖平面下降末期的SSQ7 層序礁核發育規模減小，礁基灘相對較發育，垂向上也顯示出礁基灘—礁核—礁緣—礁基灘的發育演化規律。

圖9 桑托斯盆地L 油田次級旋回巖性分布柱狀圖Fig.9 The fourth-order sequence lithology distribution histogram of L oilfield in Santos Basin

4 沉積機理

通過對古地貌、水體性質的綜合分析以及對地震、測井、巖心薄片資料的研究，認為巴西桑托斯盆地L油田BV組湖相微生物碳酸鹽巖形成主要受控于古地貌和火山作用。古隆起控制了微生物灰巖的分布，火山作用引起古水體性質的變化是微生物灰巖形成的必要條件。

4.1 古地貌

根據L 油田巖心薄片照片、單井沉積相分析，結合連井地震剖面古地貌分析及BV 組碳酸鹽巖微生物礁亞相分布（圖10）顯示，BV 組沉積期（坳陷期），工區①號湖盆具有“東北緩、西南陡”的古地貌，湖盆兩側發育多排次級臺階，次級臺階上的坡折帶為盆緣生物礁發育的有利部位。工區②號湖盆具有“西低、東高”的古地貌特征，湖盆東側發育多排次級臺階，次級臺階上的坡折帶為盆緣微生物礁發育的有利部位。綜合分析認為，BV 組沉積期微生物礁主要分布在湖盆兩側臺階坡折帶，在高水位環境加積發育，受控于古地貌和湖盆坡折帶。

4.2 火山作用

圖10 桑托斯盆地L 油田地震地質解釋剖面（BV 組頂界層拉平）及微生物礁亞相分布圖Fig.10 Seismic geological interpretation section（flattened top boundary layer of BV Formation）and microfacies distribution map of L oilfield in Santos Basin

桑托斯盆地阿普特階是一個火山活動強烈的深水盆地，盡管BV 組沉積期火山活動可能不強烈，但地下巖漿熱液活動可能仍對BV 組沉積期微生物灰巖的沉積及成巖產生了很大影響［40］，一些學者認為BV 組沉積期古湖盆中的鈣主要來源于熱液鹽水，Na+-HCO3-主要來自滲透海水，并與火山屏障的玄武巖發生反應［34］，也有學者認為桑托斯盆地的鹽下BV 組灰巖巖心和地震測線重力分析中發現的鎂鐵質侵入體和準同生火山活動（玄武巖）是裂谷內Na+，Mg2+，HCO3-等溶質的重要來源［40-42］。在阿普特階玄武巖的物理和化學風化作用和二氧化碳的大氣壓力升高［34，43-44］等影響下產生了帶有Na+-HCO3-的堿性溶液［45-46］；在環境封閉的盆地中，圍巖的巖性也直接影響了水體性質［47］，盆地兩側的基巖也有助于古湖盆堿性流體的形成［34］。另外，隨著莫霍面地溫梯度增加，海底盆地會有大量富含CaCl2的熱液鹵水，火山噴發形成的沃爾維斯山脊中的玄武質成分通過海水滲透穿過屏障與熱液海相滲流的混合將產生飽和CaCO3的混合鹽水［34，48］。

BV 組微生物碳酸鹽巖中廣泛發育有一類獨特的放射狀、球粒狀湖相碳酸鹽巖，放射狀球粒發育于硅鎂黏土礦物中，由纖維狀方解石包裹有機物殘骸或藻類等生物形成（圖11），推測其形成與堿性水環境和火山背景有關［49］。另外，眾多學者研究證實，南大西洋沿岸BV 組沉積期湖盆可容納空間逐漸減小，為蒸發作用強烈的鹽堿湖［22，36，50］。由此，筆者推測火山作用帶來的外來溶質改變了古水體性質，在新的高堿性水湖泊（pH＞9）及富Ca 與Mg 水環境中，形成了這類放射狀球狀碳酸鹽巖及各類枝狀石。

圖11 放射狀球狀微生物灰巖形成環境（據文獻［49］修改）Fig.11 Formation environment of radial spherical microbial limestone

4.3 沉積模式

在對桑托斯盆地不同沉積相碳酸鹽巖分布特征研究的基礎上，綜合考慮沉積相發育控制因素及層序地層特征，認為L 油田BV 組沉積期微生物碳酸鹽巖發育于高堿性水湖泊（pH＞9）。平面上主要分布在湖盆兩側臺階坡折帶，在高水位環境下加積發育。由于湖平面震蕩頻繁，在垂向上具有明顯的周期性，湖盆內部斷裂持續拉張，湖盆較深，總體表現為湖平面相對下降，有效可容納空間減小，地震反射顯示后期湖盆逐漸萎縮，填平補齊，表現為同沉積構造，表明桑托斯盆地L 油田具有“兩盆三帶，坡折控礁”的沉積格局。根據L 油田BV 組沉積期微生物碳酸鹽巖受控于古地貌及火山作用，建立了BV 組湖相微生物碳酸鹽巖沉積模式（圖12）。

圖12 桑托斯盆地L 油田BV 組湖相微生物碳酸鹽巖沉積模式Fig.12 Sedimentary model of lacustrine microbial carbonate rocks of BV Formation in L oilfield of Santos Basin

5 結論

（1）厘定了巴西桑托斯盆地L 油田BV 組層序地層劃分方案，將BV 組劃分成1 個三級層序，4個次級旋回，建立了北西—南東向高頻層序地層格架，揭示了湖盆沉積演化規律。在BV 組沉積早期，湖盆中心繼承性發育厚度較大；中晚期地層整體較薄，且凹陷逐漸填平補齊。

（2）巴西桑托斯盆地L 油田BV 組湖泊相主要發育微生物礁亞相，可進一步劃分出礁緣、礁核、礁基灘等3 種沉積微相，利用層序格架內沉積微相及巖性特征分析，認為其垂向上呈現出礁基灘—礁核—礁緣—礁基灘的發育演化規律。

（3）明確了巴西桑托斯盆地L油田“兩盆三帶，坡折控礁”的沉積格局和礁、灘展布規律。且綜合分析認為，BV組沉積早期為高堿性水湖泊（pH＞9）、富Ca 與Mg 深水沉積，晚期湖盆逐漸萎縮，呈填平補齊狀態，其湖相微生物礁灘的沉積主要受控于古地貌及火山作用。