程濤,陶維祥,康洪全,李斐
中國海洋石油國際有限公司,北京 100027
西非海域下剛果盆地為一典型的被動大陸邊緣含鹽盆地(圖1),該盆地的海上石油勘探始于20 世紀中葉[1-3],迄今為止共發(fā)現(xiàn)石油可采儲量48 億桶,具有巨大的油氣勘探潛力;其中白堊系海相碳酸鹽巖層系占盆地總油氣發(fā)現(xiàn)的36%左右,為西非地區(qū)重要的勘探領域[4],這一層系在南美一側的桑托斯、坎波斯盆地也獲得了多個油氣發(fā)現(xiàn);但在西非一側勘探程度仍然較低,在多個盆地海相碳酸鹽巖層系仍有巨大的潛力有待挖掘,而白堊系海相碳酸鹽巖沉積分布規(guī)律與儲層發(fā)育特征是研究區(qū)海相碳酸鹽巖領域油氣勘探面臨的關鍵問題,也是制約這一領域碳酸鹽巖油氣勘探取得更多突破的“瓶頸”之一。
圖1 下剛果盆地位置圖Fig.1 Location map of Lower Congo Basin
本文綜合利用鉆井、巖心、薄片以及地震等資料,對研究區(qū)白堊系海相碳酸鹽巖沉積體系開展綜合研究,分析了白堊系海相碳酸鹽巖的演化規(guī)律,探究了相對海平面變化、古地形等地質要素對沉積演化的控制影響[5];通過構造演化分析明確了碳酸鹽巖沉積古地形與現(xiàn)今水深線的耦合關系,借助已發(fā)現(xiàn)油氣藏分布規(guī)律厘定了海相碳酸鹽巖的空間發(fā)育分帶性;以巖性組合、薄片特征和相序規(guī)律為切入點,建立了碳酸鹽巖的沉積模式及沉積相類型劃分方案,剖析了碳酸鹽巖儲層發(fā)育特點。最終整體明確了研究區(qū)白堊系海相碳酸鹽巖沉積發(fā)育層系、沉積分類及演化規(guī)律、儲層類型及其發(fā)育特征,指出了有利儲層發(fā)育的主要影響因素,為西非乃至南大西洋兩岸白堊系廣泛發(fā)育的海相碳酸鹽巖儲層研究提供了參考,也為這一領域的油氣勘探實踐及更多油氣發(fā)現(xiàn)的獲得提供了借鑒幫助。
下剛果盆地構造演化及沉積充填分4 個階段,包括前裂谷期、裂谷期、過渡期和漂移期。晚侏羅世前處于前裂谷期,晚侏羅世—早白堊世Aptian 階為裂谷期,早白堊世Aptian 階—早Albian 階處于過渡期,過渡期持續(xù)伸展導致大陸破裂,南側海水涌入,盆地從陸相環(huán)境向海相環(huán)境改變。晚Albian 階至今處于漂移期(圖2)。在早白堊世Albian 階時期,隨著相對海平面的進一步上升開始發(fā)育陸架邊緣沉積,持續(xù)的海相碳酸鹽沉積體系開始占據主導地位,在盆地北部海域白堊系海相碳酸鹽巖儲層集中發(fā)育于下白堊統(tǒng)Albian 階下Sendji 組。上白堊統(tǒng)Cenomanian 階—新近系,硅質碎屑沉積開始發(fā)育并且貫穿了上白堊統(tǒng)到新近系沉積時期,形成了剛果扇沉積。
綜合鉆井、測井、地震以及區(qū)域地質資料進行分析,總結縱向自下而上的沉積環(huán)境變化規(guī)律,認識到從下白堊統(tǒng)下Sendji 組向上到上白堊統(tǒng)Madingo 組,隨著相對海平面的不斷上升,區(qū)域沉積環(huán)境與沉積模式發(fā)生有序的轉變演化,沉積模式為淺海碳酸鹽巖臺地模式→淺?;旆e陸棚模式→半深海-海底扇模式。白堊系各套地層沉積發(fā)育環(huán)境,隨著相對海平面的不斷上升和海侵逐漸加劇,具有沉積水體逐漸加深的趨勢。在下Sendji 組時期,主要沉積了淺海碳酸鹽巖緩坡臺地體系[6-7],發(fā)育混積濱岸、后緩坡、淺水緩坡、深水緩坡等亞相(圖3);至上Sendji 組沉積時期,平面上處于淺?;旆e陸棚體系,發(fā)育混積濱岸、淺水混積陸棚與潮下碳酸鹽巖等亞相;向上到Likoula 組沉積時期,平面上處于淺海陸棚-半深海體系,發(fā)育淺海陸棚過渡帶、淺海陸棚泥與半深海泥;繼續(xù)向上到上白堊統(tǒng)Madingo組沉積時期,平面上以發(fā)育半深海-海底扇沉積體系為主(圖3)。
全球海平面升降變化與構造沉降結合產生了相對海平面變化,控制了可容納空間變化、沉積演化模式以及相帶分布[8]。
下白堊統(tǒng)下Sendji 組時期,盆地開始發(fā)生熱沉降并全面進入被動大陸邊緣海相沉積時期,構造沉降單因素控制的可容納空間逐漸增加,同時對應于長周期級別全球海平面變化,自下白堊統(tǒng)下Sendji 組向上一直至新近系,長周期海平面背景因素也是不斷上升,進一步加劇了可容納空間的增加,二者結合造成相對海平面的明顯上升,使得沉積環(huán)境從淺海環(huán)境向半深海-深海逐漸過渡,下白堊統(tǒng)下Sendji 組時期廣泛發(fā)育淺海碳酸鹽巖沉積體系,之后逐漸發(fā)育淺海陸棚沉積環(huán)境,隨著海水的進一步上升,逐漸轉變?yōu)榘肷詈Ec深海沉積環(huán)境。
圖2 下剛果盆地地層發(fā)育綜合柱狀圖Fig.2 Integrated stratigraphic column of the Lower Congo Basin
相對海平面變化也形成了沉積儲層相應的巖性組合差異,自下而上,相對海平面不斷上升,可容納空間加大,對應于這一長周期的海進過程,淺海碳酸鹽巖緩坡臺地體系整體向陸退積,直至轉化為淺海陸棚環(huán)境,再進一步轉換為半深海與深海-海底扇沉積環(huán)境,主要儲層類型也由淺海碳酸鹽巖沉積儲層轉換為海底扇砂巖儲層(圖3)。
圖3 研究區(qū)白堊系沉積展布特征Fig.3 Spatial distribution of the Cretaceous deposits
盆地碳酸鹽巖層系沉積儲層發(fā)育受古地形變化影響也較為明顯,下剛果盆地的鹽下地層在進入漂移期后沒有發(fā)生大的起伏變化,因此,鹽巖底部的地形可以很好地反映白堊系碳酸鹽巖層系沉積時期的古地形。借助三維地震資料得到研究區(qū)鹽底構造圖(圖4),認識到碳酸鹽巖相關層系沉積時期,自陸向海整體發(fā)育一個南北分帶的古斜坡地理背景。其中北部古地形坡度相對較陡,為一陡坡環(huán)境,碳酸鹽巖相關灰?guī)r儲層較少發(fā)育并且范圍局限,向??焖龠^渡到較深水環(huán)境泥灰?guī)r沉積,陡坡內鉆井揭示儲層多不發(fā)育,主要為大套厚層泥灰?guī)r沉積。而在南部區(qū)域古地形較為平緩,為一平緩開闊的緩坡沉積環(huán)境,碳酸鹽巖相關儲層較為發(fā)育并且范圍向海延伸較遠,碳酸鹽巖層系油氣發(fā)現(xiàn)豐富。
研究區(qū)鹽巖底界面一直比較穩(wěn)定,自沉積后未經歷較大的構造運動,可以大致代表古地形或古海岸線變化趨勢,并且現(xiàn)今的水深線變化趨勢與古地形展布規(guī)律十分相似。在區(qū)塊以北的陡坡區(qū)域,古海岸線與現(xiàn)今水深線走勢為近北西—南東向,水深等值線展布密集;向南逐漸轉變?yōu)榫徠聟^(qū)域,方向變?yōu)榻媳毕蚧虮睎|-南西向,水深線展布稀疏(圖4)。借助現(xiàn)今水深線展布規(guī)律可以很好地反映盆地碳酸鹽層系沉積儲層的展布趨勢,在碳酸鹽巖層系沉積時期,盆地古地形北陡南緩,北部碳酸鹽巖相關儲層分布局限,向深水區(qū)迅速變差;南部碳酸鹽巖相關儲層發(fā)育范圍寬廣,向較深水區(qū)延伸發(fā)育遠。
鹽上海相碳酸鹽巖沉積主要發(fā)育于白堊系,是碳酸鹽巖沉積儲層研究的主要目的層段。該時期主要為一套淺海碳酸鹽巖混雜陸源碎屑沉積,以碳酸鹽巖沉積為主,厚度200~2 000 m(圖2)。白堊系沉積時期,廣泛發(fā)育淺海碳酸鹽巖緩坡臺地體系高能顆粒灘微相顆粒灰?guī)r儲層[9-11],對應于沉積演化與相對海平面的上升,影響高能顆粒灘儲層發(fā)育位置自海向陸方向逐漸退積遷移,碳酸鹽巖儲層展布在縱向上及平面上均可以劃分為內、中、外3 個儲層發(fā)育帶(圖5):(1)外帶下Sendji 組碳酸鹽巖—碎屑巖儲層混積發(fā)育帶,(2)中帶上Sendji 組碳酸鹽巖—碎屑巖儲層混積發(fā)育帶,(3)內帶上白堊統(tǒng)碎屑巖夾碳酸鹽巖儲層發(fā)育帶。
(1)外帶下Sendji 組碳酸鹽巖—碎屑巖儲層混積發(fā)育帶
圖4 研究區(qū)古地形與現(xiàn)今水深線分布趨勢對比圖Fig.4 Comparison of paleotopography to current water depth distribution
圖5 碳酸鹽巖儲層縱向發(fā)育分帶Fig.5 Longitudinal zonation of carbonate reservoirs
位于下剛果盆地中部以及南部緩坡向海一側,在外帶廣泛沉積一套下Sendji 組淺海碳酸鹽巖沉積體系,平面上分布于離陸地較遠的向海一側,距離現(xiàn)今海岸線55~80 km,已發(fā)現(xiàn)了多個油氣田,其代表性油氣田是Moho、N’Kossa 與Kitina 油田[9]。儲層發(fā)育于下白堊統(tǒng)下Sendji 組,主要為海相碳酸鹽巖混積緩坡臺地沉積體系,發(fā)育有顆?;?guī)r、砂巖、砂質灰?guī)r、白云巖4 種類型的儲層。不同相帶具有不同的巖性組合,自陸向海,砂巖、砂質灰?guī)r含量逐漸減少,顆?;?guī)r含量逐漸增加,砂質淺灘沉積逐漸萎縮,顆粒灘沉積規(guī)模逐漸增大。其中淺水緩坡顆粒灘微相與后緩坡臺內淺灘微相的巖性組合以顆粒灰?guī)r為主,為最有利于儲層發(fā)育的微相。儲層的孔隙類型以原生粒間孔隙為主,發(fā)育少量的粒內溶孔和晶間孔,儲層孔隙度為10%~25%,滲透率為1~100 mD,屬于中高孔—中低滲儲層。
(2)中帶上Sendji 組碳酸鹽巖—碎屑巖儲層混積發(fā)育帶
中帶也沉積了一套上Sendji 組淺海碳酸鹽巖沉積體系,發(fā)育碳酸鹽巖—碎屑巖混合儲層,該套儲層發(fā)育帶自盆地中部至南部均有發(fā)育,平面上介于外帶與內帶之間,距離現(xiàn)今海岸線約30~40 km,代表油氣田是Sendji、Takula、Bufalo 與Palanca 油田[9]。上Sendji 組碳酸鹽巖層系沉積微相包括砂質淺灘、鮞灘與生屑灘等,儲層巖性類型包括顆粒灰?guī)r、白云巖與砂巖,儲層孔隙度為19%~24%,滲透率為264~400 mD。
(3)內帶上白堊統(tǒng)碎屑巖夾碳酸鹽巖儲層發(fā)育帶
內帶發(fā)育上白堊統(tǒng)混積陸棚沉積體系,自盆地中部至南部均有發(fā)育,平面上分布于離岸線較近的向陸一側,距離現(xiàn)今海岸線距離普遍小于20 km,代表油氣田是Emeraude 和Quinguila 油田。儲層主要沉積于鹽上白堊統(tǒng)Cenomanian 階時期,主要巖性為陸架砂巖、粉砂巖夾顆粒灰?guī)r、灰?guī)r,儲層孔隙類型為粒間孔,平均孔隙度約為35%,滲透率多大于1D[9]。
自下白堊統(tǒng)下Sendji 組至上白堊統(tǒng),對應平面上的三套儲層分帶,縱向上自下而上也可以劃分為3 個儲層發(fā)育層段(圖5):下Sendji 組、上Sendji 組和上白堊統(tǒng),縱向上沉積演化規(guī)律為下Sendji 組碳酸鹽巖發(fā)育層段→上Sendji 組碳酸鹽巖—碎屑巖儲層混積發(fā)育層段→上白堊統(tǒng)碎屑巖夾碳酸鹽巖儲層發(fā)育層段。下Sendji 組—上Sendji 組時期處于淺海緩坡陸架環(huán)境與淺海碳酸鹽巖緩坡臺地混合沉積體系,主要發(fā)育顆?;?guī)r夾砂巖儲層,上白堊統(tǒng)時期遠岸地區(qū)處于淺?;旆e陸棚沉積體系,主要為半深海相泥巖與淺海陸棚相泥灰?guī)r沉積,近岸地區(qū)則發(fā)育有濱海陸棚相砂巖夾雜碳酸鹽巖儲層;本次碳酸鹽巖分析的主要研究對象是下Sendi 組海相碳酸鹽巖沉積儲層發(fā)育層段。
綜合前文分析成果,認為海相碳酸鹽巖沉積儲層最主要的發(fā)育層段為下Sendji 組時期,該時期廣泛發(fā)育淺海碳酸鹽巖緩坡臺地混合沉積體系,該體系是一個發(fā)育在緩坡陸架背景條件下的海相碳酸鹽巖臺地沉積[9-10](圖6),并且間歇性的有少量陸源碎屑注入形成濱岸砂灘或者范圍很小的朵葉體沉積。自陸向海依次發(fā)育混積濱岸、后緩坡、淺水緩坡以及深水緩坡4 種亞相[9,11],明確了沉積相劃分方案以及巖性組合特征。
混積濱岸亞相發(fā)育于濱岸沉積背景環(huán)境,僅有正常海水偶然注入,可劃分為濱岸砂灘與薩布哈兩種微相。巖性以白云巖和砂巖為主,含粉砂巖、少量硬石膏與石鹽假晶[9,12-13];其中砂巖與白云巖為有效儲層。
后緩坡亞相發(fā)育于濱岸地區(qū)向海過渡到緩坡臺地迎浪帶之間區(qū)域,多為位于平均低潮面之下的潮下帶,以發(fā)育潮下環(huán)境靜水泥灰?guī)r為主,局部為臺內顆粒灘沉積,可細分為臺內淺灘、砂質淺灘、后緩坡泥與瀉湖等微相。巖性主要為顆?;?guī)r、泥灰?guī)r及粒泥-泥?;?guī)r,含砂質灰?guī)r、砂巖-粉砂巖、白云巖等(圖7),可見硬石膏與石鹽假晶[9,14],其中顆?;?guī)r與砂巖為有效儲層。
圖6 淺海碳酸鹽巖緩坡臺地混合沉積模式圖Fig.6 Depositional model of carbonate slope of a shallow water platform
淺水緩坡亞相發(fā)育于緩坡臺地沉積體系的迎浪淺水高能區(qū),波浪可以暢通無阻地通過淺水區(qū)域,該相帶具有高能迎浪的特點,以發(fā)育顆粒灘體為特點,微相類型細分為顆粒灘、鮞灘、生屑灘、灘間等微相[9,15]。巖性主要為顆?;?guī)r(包括鮞?;?guī)r、核形石灰?guī)r、生屑灰?guī)r等)(圖8),球粒灰?guī)r、粒泥-泥粒灰?guī)r、灰質砂巖、泥灰?guī)r與白云巖;其中各種類型顆粒灰?guī)r、生屑灰?guī)r與砂巖為有效儲層。
深水緩坡亞相發(fā)育于正常浪基面之下區(qū)域,水體能量較低,可以劃分為斜坡泥微相與滑塌體微相;斜坡泥微相主要為低能泥灰?guī)r沉積,巖性以泥灰?guī)r為主,含泥粒-粒泥灰?guī)r、球?;?guī)r;滑塌體微相包括風暴流、濁流及垮塌等[16-17],巖性主要為含生屑球?;?guī)r、泥灰?guī)r等。
研究區(qū)下Sendji 組碳酸鹽巖隨著相對海平面的不斷上升呈現(xiàn)向陸退積的趨勢,自下而上碳酸鹽巖沉積有規(guī)律遷移;混積濱岸亞相帶濱岸砂灘與薩布哈微相沉積發(fā)育區(qū)逐漸向陸退積,直至不發(fā)育[9,18];而早期不很發(fā)育的淺水緩坡亞相帶與深水緩坡亞相帶自下而上逐漸發(fā)育并向陸退積。自下而上,砂巖含量逐漸減少,陸源影響降低[9,19];水體逐漸加深,蒸發(fā)暴露環(huán)境減弱,淺水緩坡亞相沉積逐漸占據主要地位。
圖7 后緩坡亞相巖性特征Fig.7 Characteristics of back ramp subfacies
圖8 淺水緩坡亞相巖石學特征Fig.8 Petrological characteristics of shallow water gentle slope subfacies
研究區(qū)內顆?;?guī)r(鮞?;?guī)r、生屑灰?guī)r、核形石灰?guī)r、球粒灰?guī)r、泥粒灰?guī)r)、砂巖、砂質灰?guī)r、白云巖4 種類型的巖性均可作為儲層。不同相帶具有不同的巖性組合,自陸向海,砂巖、砂質灰?guī)r含量逐漸減少,顆?;?guī)r含量逐漸增加,顆粒灘沉積規(guī)模逐漸增大。其中淺水緩坡顆粒灘微相與后緩坡臺內淺灘微相的巖性組合以顆?;?guī)r為主,為最有利于儲層發(fā)育的微相。下Sendji 組碳酸鹽巖儲層的孔隙類型以原生粒間孔隙為主,發(fā)育少量的粒內溶孔和晶間孔,鮞?;?guī)r儲層中原生粒間孔發(fā)育(圖9),還有少量的粒內溶孔;砂巖儲層中發(fā)育大量的原生粒間孔,近岸地區(qū)生屑灰?guī)r和鮞粒灰?guī)r儲層中原生粒間孔發(fā)育,有少量的晶間孔。
下Sendji 組儲層孔隙度為10%~25%,滲透率為1~100 mD,屬于中高孔—中低滲的儲層,碎屑巖和碳酸鹽巖儲層具有不同的孔滲對應關系。在相同的孔隙度條件下,碎屑巖儲層的滲透率要高于碳酸鹽巖。
通過開展巖心觀察、薄片鑒定和孔隙度特征分析研究,認識到下Sendji 組碳酸鹽巖儲層的發(fā)育主要受到沉積相帶的控制,并受成巖作用的影響。
圖9 下Sendji 組碳酸鹽巖儲層孔隙特征Fig.9 Pore characteristics of carbonate reservoirs in Sendji Formation
(1)沉積微相對儲層發(fā)育的控制
碳酸鹽巖儲層的優(yōu)劣主要受沉積微相的控制,沉積微相類型的差異決定了儲層的發(fā)育程度和物性的好壞,綜合分析各沉積微相類型的碳酸鹽孔隙度特征,表明鮞灘微相、砂質淺灘微相、臺內淺灘及生屑灘微相為有利儲層發(fā)育的微相類型(圖10)。其中鮞灘微相平均孔隙度為14.9%;砂質淺灘微相平均孔隙度為14.3%;臺內淺灘微相白云巖化作用明顯,平均孔隙度為12.9%;生屑灘微相平均孔隙度為14.6%。
(2)成巖作用對儲層發(fā)育的影響
沉積微相的差異決定并控制了巖性及儲層在區(qū)域上的發(fā)育分布,各類顆粒灰?guī)r、砂巖與白云巖是儲層發(fā)育的基礎,而成巖作用則是擴大儲層范圍和改善儲層孔滲性與提高儲層質量的關鍵,不可忽視成巖作用對下Sendji 組儲層的形成和發(fā)育同樣有較為重要的影響。Albian 階碳酸鹽巖的成巖作用類型較多,包括壓實和局部壓溶作用、膠結作用、充填作用和溶蝕作用等[20]。以下僅討論與儲層發(fā)育密切相關的2 種主要成巖作用方式。一類是破壞性成巖作用,對儲層發(fā)育起破壞作用的成巖作用類型較多,但在本區(qū)以壓實和壓溶的破壞性最大,灰?guī)r儲層在埋藏過程中出現(xiàn)各種壓實現(xiàn)象,多表現(xiàn)為失水、流動及塑性變形,鏡下可見變形紋層和泄水構造,以及細小生物碎屑塑性變形現(xiàn)象,如片狀介殼的塑性變形和定向分布。顆粒以點、線接觸為主,局部出現(xiàn)壓溶現(xiàn)象,可確定壓實強度為二級,由二級壓實強度造成的原生孔隙大幅度下降損失孔隙度為總孔隙度的15%~20%。膠結作用對儲層的破壞僅次于壓實和壓溶作用,但主要對原生孔隙較發(fā)育的鮞?;?guī)r、顆粒灰?guī)r及生屑灰?guī)r具有較強破壞作用,由膠結作用造成的原生孔隙度損失約為10%,主要膠結作用類型為軸粒狀方解石膠結,多發(fā)生在早成巖階段早期,具環(huán)邊生長特點,方解石晶 體呈潔凈的等粒狀分布,通常為大氣水滲流帶膠結物,以充填孔隙空間為主要特征。自生礦物沉淀和充填作用可造成孔、喉的封堵而對儲層不利,下Sendji 組碳酸鹽巖儲層中的次生孔隙充填物數量雖然不多,但類型較豐富,致使孔隙度損失5%~10%。另一類是建設性成巖作用,溶蝕作用普遍較發(fā)育,是對儲層發(fā)育貢獻最大的成巖作用類型之一,本區(qū)溶蝕作用有明顯的選擇性溶蝕和非組構選擇性溶蝕2 種類型,其中選擇性溶蝕作用是鮞粒、生物屑、球粒等顆粒中最為常見的成巖現(xiàn)象,多形成粒內溶孔和鑄???,改善了儲層孔滲物性,利于油氣運聚成藏。
圖10 不同類型微相儲層平均孔隙度Fig.10 Mean porosity of different microfacies reservoirs
(1)白堊系碳酸鹽巖沉積儲層自下而上相對海平面的不斷上升控制了沉積演化,沉積體系從淺海碳酸鹽巖臺地模式→淺?;旆e陸棚模式→半深海-海底扇模式演化,碳酸鹽巖儲層主要發(fā)育于下白堊統(tǒng)Albian 階下Sendji 組。
(2)碳酸鹽巖層系儲層展布在縱向上及平面上均可以劃分為內、中、外3 個儲層發(fā)育帶,分別是外帶下Sendji 組碳酸鹽巖—碎屑巖儲層混積發(fā)育帶,中帶上Sendji 組碳酸鹽巖—碎屑巖儲層混積發(fā)育帶與內帶上白堊統(tǒng)碎屑巖夾碳酸鹽巖儲層發(fā)育帶。
(3)在下Sendji 組沉積時期,研究區(qū)整體發(fā)育淺海碳酸鹽巖混積緩坡臺地沉積體系,沉積亞相自陸向海可以進一步劃分為混積濱岸、后緩坡、淺水緩坡以及深水緩坡4 種類型。其中淺水緩坡亞相顆粒灘微相與后緩坡亞相臺內淺灘、砂質淺灘微相儲層最為發(fā)育。
(4)下Sendji 組儲層巖性組合主要包括顆?;?guī)r、砂巖、砂質灰?guī)r、白云巖4 種類型;而碳酸鹽巖儲層的發(fā)育主要受沉積相帶的控制,并受成巖作用的影響。