巴西桑托斯盆地S油田鹽下碳酸鹽巖地層古地貌恢復(fù)技術(shù)及應(yīng)用

王朝鋒，王紅平，楊 柳，張勇剛，李 東，郭 淵，劉艷紅，龐 旭

(杭州地質(zhì)研究院,杭州 310023)

0 引言

古地貌是地史時(shí)期的地表形態(tài)，它與后期沉積相特征、儲(chǔ)集層的發(fā)育和油氣形成有著密切的關(guān)系[1-2], 因此油氣勘探開(kāi)發(fā)非常重視古地貌的研究。國(guó)內(nèi)的鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地、塔里木盆地和四川盆地等都取得了一系列的優(yōu)秀的研究成果[3-6]，為油氣田的勘探開(kāi)發(fā)提供了有力技術(shù)支撐。

目前國(guó)內(nèi)、外古地貌恢復(fù)方法主要有三種：①沉積學(xué)分析法，利用各種基本的地質(zhì)圖件，包括沉積前的古地質(zhì)圖、地層厚度圖、砂巖厚度圖、巖相古地理圖等，同時(shí)結(jié)合成因相分析、古流向分析、古構(gòu)造發(fā)育特點(diǎn)等多種沉積學(xué)分析手段進(jìn)行綜合研究，從而達(dá)到認(rèn)識(shí)沉積前古地貌形態(tài)的目的[7]；②以填平補(bǔ)齊為原則的“印模法、殘余厚度法”，通過(guò)層拉平和回剝法恢復(fù)沉積時(shí)的地貌形態(tài)；③層序地層學(xué)方法恢復(fù)古地貌，通過(guò)由基準(zhǔn)面旋回變化所控制的地層單元結(jié)構(gòu)類型、疊加式樣等不同對(duì)應(yīng)其在基準(zhǔn)面旋回中所處的位置不同，反映與之對(duì)應(yīng)沉積動(dòng)力學(xué)關(guān)系[8]。

方法①和方法③通過(guò)地質(zhì)規(guī)律的指導(dǎo)，利用野外露頭觀察、鉆井和測(cè)井信息完成古地貌的恢復(fù)，其結(jié)果一般屬于定性或者半定量的。方法②適用于構(gòu)造相當(dāng)穩(wěn)定，沉積物供給充分的飽和盆地，一般在碎屑巖盆地使用的較多。對(duì)于碳酸鹽巖盆地不能一概而論，因?yàn)闊o(wú)論湖湘還是海相碳酸鹽巖，地層厚度大的地方一般構(gòu)造位置較高，深盆區(qū)沉積的灰泥一般厚度較薄。為了對(duì)于湖相碳酸鹽巖沉積區(qū)準(zhǔn)確地進(jìn)行古地貌恢復(fù)，筆者以對(duì)南美洲桑托斯盆地S油田為實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析認(rèn)為在構(gòu)造背景控制下，利用殘余厚度方法找到古構(gòu)造高地和斜坡的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，最后利用地震相技術(shù)精細(xì)刻畫(huà)古地貌的格局，該方法預(yù)測(cè)結(jié)果可靠，符合鉆井結(jié)果，適合湖相碳酸鹽巖地區(qū)古地貌恢復(fù)。

1 地質(zhì)背景

南美洲桑托斯盆地形成于古岡瓦納大陸裂解，為典型的被動(dòng)大陸邊緣盆地[9]。盆地演化經(jīng)歷了裂谷期、過(guò)渡期和后裂谷期，沉積的三套地層分別是下白堊統(tǒng)歐特里夫階(Hauterivian)-下阿普特階(Aptian)火山巖、湖相碎屑巖和碳酸鹽巖，中-上阿普特階蒸發(fā)巖(硬石膏和鹽巖)，阿爾布階(Albian)海相碳酸鹽巖和上白堊統(tǒng)賽諾曼階(Cenomanian)—新生界海相碎屑巖和碳酸鹽巖[10]。桑托斯盆地鹽下構(gòu)造主要受控于基底斷裂，隆起帶近北東-南西走向,分為東西兩個(gè)隆起條帶[11]。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的鹽下油氣田均位于東部隆起帶上(圖1)。這是因?yàn)樵搮^(qū)域既是適合碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育的古地貌高部位，也是能夠形成較好蓋層的厚層鹽巖發(fā)育區(qū)，為油氣成藏提供有利的封蓋條件。研究區(qū)S油田位于該區(qū)帶的北部。

圖1 桑托斯盆地鹽下構(gòu)造綱要及主要油氣田分布圖

2 古地貌恢復(fù)方法分析

碳酸鹽巖一般沉積在氣候溫暖，水質(zhì)清潔的淺水環(huán)境，受到古地貌、古氣候、湖平面變化的影響。特別是湖相碳酸鹽巖的發(fā)育由于湖泊面積小于海洋，容易受到陸源碎屑的影響，沉積更明顯地受古氣候、古水動(dòng)力條件和古水介質(zhì)性質(zhì)等因素的控制[12]。湖相碳酸鹽巖沉積與湖盆古地貌有關(guān)，淺水臺(tái)地和水下古隆起等正向古地貌單元發(fā)育顆?；?guī)r和藻灰?guī)r，而在洼陷區(qū)斜坡及半深湖地區(qū)發(fā)育以泥灰?guī)r、泥晶灰?guī)r為主的碳酸鹽巖[13]。因此古構(gòu)造的形態(tài)影響后期碳酸鹽巖的沉積和分布，不同的地貌單元形成不同的碳酸鹽巖巖石類型。

湖盆的淺水隆起區(qū)沉積的顆粒灰?guī)r和藻灰?guī)r，一般以側(cè)向遷移和縱向加積的方式生長(zhǎng)，其沉積厚度較大。而向陸由于其水體太淺，經(jīng)常暴露地表，灰?guī)r地層相對(duì)較薄，向盆地斜坡區(qū)域由于其水動(dòng)力條件較弱，主要沉積細(xì)粒的灰泥成份，總體厚度不大。地層厚度變化反映了沉積地貌的不同，厚度轉(zhuǎn)換位置應(yīng)該為隆起區(qū)和斜坡區(qū)的分界線，隆起區(qū)地層厚度越大表示碳酸鹽巖灘體越發(fā)育。臺(tái)地相灘和礁在地震剖面上通常具備丘狀外形，頂部正極性強(qiáng)反射，丘狀體周緣見(jiàn)地層上超，底部為相對(duì)弱反射、弱連續(xù)，內(nèi)部雜亂或空白反射,斜坡-至深水區(qū)地震反射頻率相對(duì)高，振幅強(qiáng)[14-17]，這表明地震相技術(shù)能夠刻畫(huà)不同的沉積環(huán)境和地貌特征。因此運(yùn)用的構(gòu)造和沉積背景約束，輔助地層厚度，通過(guò)地震相精細(xì)刻畫(huà)古地貌(圖2)，是符合地質(zhì)規(guī)律的。

圖2 古地貌恢復(fù)技術(shù)路線圖

3 S區(qū)塊古地貌恢復(fù)

3.1 構(gòu)造背景約束

S油田位于桑托斯盆地東部隆起帶上，區(qū)塊被近南北向斷層分割，形成多個(gè)斷塊構(gòu)造(圖3)。從現(xiàn)今構(gòu)造分析，A1井區(qū)和B1井區(qū)均位于有效的構(gòu)造圈閉內(nèi)，構(gòu)造形態(tài)和幅度基本相同，但是二者構(gòu)造形成時(shí)間卻不同。A1井區(qū)在碎屑巖(K1)地層中，其底界面存在上超，頂界面存在剝蝕的現(xiàn)象，如圖3紅色箭頭所示，并且碳酸鹽巖(K2)沉積地層在邊界斷層(F1)上下盤厚度不同。因此，A1井區(qū)的構(gòu)造為繼承性的古隆起構(gòu)造，而B(niǎo)1井區(qū)在邊界斷層(F2)上下盤沉積K2地層厚度基本一致，斷層構(gòu)造主要形成于鹽巖沉積之后。B1井區(qū)在K2地層沉積時(shí)，地貌相對(duì)較低。實(shí)鉆結(jié)果也證實(shí)了這一推測(cè)，A1井主要發(fā)育藻丘、球粒和介殼灰?guī)r，而B(niǎo)1井鉆遇巖性基本為泥灰?guī)r，屬于低能相帶。因此，湖相碳酸鹽巖地層古地貌恢復(fù)首先需要進(jìn)行構(gòu)造分析，劃分不同的區(qū)域，再根據(jù)不同區(qū)域采取不同的分析方法，地層厚度在跨區(qū)就不適用了。通過(guò)分析S油田發(fā)現(xiàn)A1井區(qū)為隆起區(qū)，B1井區(qū)為坳陷區(qū)。

圖3 S區(qū)塊橫向地質(zhì)剖面

3.2 碳酸鹽巖地層厚度分析

在高頻層序格架中，微地貌和高頻海平面變化旋回控制了可容納空間的變化，短暫的構(gòu)造穩(wěn)定期和適度的海平面上升期是礁灘的主要生長(zhǎng)期，垂向上加積、橫向上錯(cuò)落疊置連片, 正向地貌地層厚度一般大于兩側(cè)區(qū)域[18-19]。如圖4藍(lán)色雙向箭頭所示，碳酸鹽巖沉積地層在隆起區(qū)向斜坡位置地層厚度由薄-厚-薄的變化趨勢(shì)，地層厚的位置代表了灘體發(fā)育的主體部位。向深盆方向地層變薄的位置代表開(kāi)始向斜坡位置過(guò)渡，沉積顆粒較細(xì)，沉積速率緩慢，地層厚度較小。向陸方向代表早期的灘體沉積(圖4，綠色覆蓋范圍，灘體1)，由于受到湖平面下降的影響，早期微生物不能繼續(xù)生長(zhǎng)，只能向深盆方向遷移，在下方繼續(xù)形成新的一期灘體(圖4，天藍(lán)色覆蓋范圍，灘體2)。正向構(gòu)造地層厚度最大的位置一般代表碳酸鹽巖灘體多期疊加的位置，指示隆起和斜坡轉(zhuǎn)換位置。另外雖然向上地層厚度相對(duì)較小，但是由于其后期暴露，溶蝕相對(duì)強(qiáng)烈，儲(chǔ)層的物性相對(duì)較好。

圖4 過(guò)S區(qū)塊地震剖面

碳酸鹽巖灘體一般沿濱岸坡折帶呈帶狀或者點(diǎn)狀分布(圖5)。S油田的下白堊統(tǒng)的灘體基本沿構(gòu)造走向近南北向帶狀分布，灘體厚度最大的部分并不是位于構(gòu)造的脊線附近，而是分布在翼部。紅色虛線為下白堊統(tǒng)碳酸鹽巖地層的厚度較薄的位置，兩線之間為碳酸鹽巖灘體相對(duì)最厚的位置，A1井基本位于碳酸鹽巖灘體主體部位。

圖5 S區(qū)塊碳酸鹽巖地層厚度圖

3.3 地震相分析

地震相是指沉積地層在地震資料上的響應(yīng)。地震相參數(shù)(如振幅、相位、頻率、內(nèi)外反射結(jié)構(gòu)、時(shí)間、層速度等)，與地層沉積和流體性質(zhì)密切相關(guān)，通過(guò)地震參數(shù)能夠定性和定量地預(yù)測(cè)沉積特征以及流體性質(zhì)。不同構(gòu)造位置沉積不同的地震相特征的地層，構(gòu)造高部位臺(tái)地邊緣是碳酸鹽巖沉積速率最快的地方，礁、灘和丘向上堆積的速率高于臺(tái)地的其他部位。地震反射特征為內(nèi)部雜亂反射，外形呈丘狀反射。盆地相巖性在較大的范圍內(nèi)是穩(wěn)定均一的，地震反射為平行強(qiáng)振幅高連續(xù)反射[20]。桑托斯盆地S油田構(gòu)造受斷層控制，斷層的下盤構(gòu)造高部位地震反射特征為弱振幅或者丘狀弱反射。斷層的上盤整體為發(fā)散反射結(jié)構(gòu)，在斷層根部常見(jiàn)不連續(xù)楔形弱反射塊體，推測(cè)為滑塌重力流沉積(表1)。

表1 桑托斯盆地S油田碳酸鹽巖地層地震反射特征

筆者通過(guò)波形聚類分析技術(shù)對(duì)S區(qū)塊鹽下地層地震相進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。地震相基本可以分為5個(gè)區(qū)：①低頻弱振幅區(qū);②丘狀弱振幅區(qū);③低頻連續(xù)強(qiáng)反射區(qū);④低頻中-弱振幅連續(xù)反射區(qū);⑤中-強(qiáng)振幅中-差連續(xù)發(fā)散反射區(qū)。在圖5中兩條紅色虛線之間的位置為地層厚度相對(duì)較厚的位置，但是在地震相圖上南北并不相同。南部為丘狀弱振幅反射區(qū)，北部而是低頻連續(xù)強(qiáng)反射區(qū)，推測(cè)認(rèn)為北部是灘間洼地泥晶灰?guī)r的地震響應(yīng)，地層厚度大，巖性致密。

圖6 S區(qū)塊碳酸鹽巖地層地震相圖

4 應(yīng)用效果

構(gòu)造背景全局控制，殘余厚度方法區(qū)分古地貌高低，地震相技術(shù)精細(xì)描述古地貌內(nèi)部格局，恢復(fù)S區(qū)塊碳酸鹽巖沉積時(shí)的古地貌。通過(guò)白堊紀(jì)古地貌圖分析S區(qū)塊共計(jì)發(fā)育5種地貌形態(tài)，分別是臺(tái)地、臺(tái)緣、斜坡、洼地和半深湖-深湖。臺(tái)地和臺(tái)緣的分布主要受斷層控制，NE-SW走向(圖7)。S區(qū)塊碳酸鹽巖古地貌符合鉆井結(jié)果，A1井位于臺(tái)地和斜坡之間，屬于臺(tái)緣，這恰恰解釋了A1井發(fā)育厚層優(yōu)質(zhì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層的原因。A1井區(qū)地貌條件優(yōu)越，陽(yáng)光充足，有利于大規(guī)模的生物繁殖生長(zhǎng)，水動(dòng)力強(qiáng)，容易形成顆粒灰?guī)r；相反B1位于深湖地區(qū)，水深、風(fēng)浪波及不到，沉積泥灰?guī)r。

圖7 S區(qū)塊碳酸鹽巖地層古地貌恢復(fù)圖

在古地貌的控制下，結(jié)合地震相分析結(jié)果，可以把古地貌圖件轉(zhuǎn)化為沉積相分布圖，更能直觀地識(shí)別出儲(chǔ)層發(fā)育帶。如圖8所示，S區(qū)塊碳酸鹽巖發(fā)育4種沉積相類型：①臺(tái)緣相的藻丘或者球粒灘;②臺(tái)地相的顆粒灘;③灘間洼地；④半深湖-深湖灰泥相，其中臺(tái)緣相和臺(tái)地相為儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)，后兩種沉積相不發(fā)育儲(chǔ)層。臺(tái)緣和臺(tái)地相相比較，臺(tái)緣儲(chǔ)層厚度大，儲(chǔ)層物性較好。根據(jù)沉積相平面圖,綜合考慮油氣成藏條件，2017年度最終部署了A2和A3探井，均發(fā)現(xiàn)厚層優(yōu)質(zhì)的儲(chǔ)層。

圖8 S區(qū)塊碳酸鹽巖沉積相分布圖

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)區(qū)塊的沉積背景進(jìn)行分析，確定不整合發(fā)育的位置，找到古構(gòu)造的高部位，再利用殘余厚度方法找到臺(tái)緣位置，最后利用地震相技術(shù)精細(xì)刻畫(huà)古地貌的格局,該方法在S區(qū)塊得到了較好地應(yīng)用。

S區(qū)塊碳酸鹽巖地層現(xiàn)今構(gòu)造為斷塊構(gòu)造，古地貌為受邊界斷層控制，發(fā)育臺(tái)地、臺(tái)緣、斜坡、洼地和半深湖-深湖5種地貌形態(tài)，沉積了臺(tái)緣相的藻丘或者球粒灘、臺(tái)地相的顆粒灘、灘間洼地和半深湖-深湖相灰泥4種沉積相類型。臺(tái)地和臺(tái)緣寬8 km～10 km，長(zhǎng)12 km～14 km，沉積厚層藻丘或者球粒灘，儲(chǔ)層平均厚度約400 m，平面上呈帶狀連片分布。