桑托斯盆地湖相碳酸盐岩储层特征及控制因素

贾怀存，康洪全，梁建设，程 涛，张世鑫

中国海洋石油国际有限公司，北京 朝阳 100028

引言

巴西深水盐下领域是当前世界油气勘探的热点地区之一，而巴西桑托斯盆地则是盐下领域油气最为富集的盆地。自2006 年在桑托斯盆地盐下湖相碳酸盐岩领域发现Lula 油田以来，该领域又陆续发现了Franco 和Libra 等多个世界级大油田，石油可采储量高达311×108bb（l1 bbl=0.159 m3），揭示了这一领域的巨大勘探潜力。国内外学者对桑托斯盆地的研究主要集中在盐下含油气系统、油气成藏特征和富集规律方面[1-8]，而对湖相碳酸盐岩储层沉积特征和发育控制因素方面研究不多，尤其是对湖相碳酸盐岩成因类型、有利储层宏观分布和储层物性特征的影响因素缺乏系统性研究[9-15]，制约了该领域下一步的勘探部署。因此，开展湖相碳酸盐岩储层沉积特征和发育控制因素研究，对该领域具有十分重要的现实指导意义。

1 区域地质背景

巴西桑托斯盆地位于巴西东南部海域，是一个典型的被动大陆边缘盆地[16-19]，盆地面积约32.7×104km2，水深0∼3 200 m（图1）。盆地经历了3 期构造沉积演化：（1）早白垩世裂谷期（135--118 Ma），早期沉积河湖相砂泥岩，晚期沉积湖相碳酸盐岩，包括Itapema 组贝壳灰岩和Barra Velha 组叠层石灰岩。（2）早白垩世阿普特过渡期（118--112 Ma），主要为海陆过渡相和局限海，以盐岩和硬石膏沉积为主。（3）晚白垩世--新生代被动大陆边缘阶段（112 Ma 至今），主要沉积海相砂泥岩。自西向东，盆地盐下裂谷层系可以划分为5个构造单元[3，20]，分别为西部拗陷带、西部隆起带、中央拗陷带、东部隆起带和东部拗陷带。

图1 桑托斯盆地裂谷期构造纲要图Fig.1 Structural framwork of rift stage,Santos Basin

2 盐下湖相碳酸盐岩储层特征

通过对桑托斯盆地盐下41 口钻井资料分析，盐下裂谷层系主要发育两套湖相碳酸盐岩储层，分别为断拗期Itapema 组贝壳灰岩和拗陷期Barra Velha组叠层石灰岩[20]。根据碳酸盐岩岩石学划分方案和成因类型分析，Itapema 组岩石类型主要为贝壳灰岩，成因类型为以机械成因为主的生屑滩亚相沉积，沉积微相可以进一步细分为贝壳滩、滩缘、滩间和滩斜坡微相。Barra Velha 组岩石类型主要为叠层石灰岩和鲕粒灰岩，成因类型为以微生物作用为主的微生物礁亚相，沉积微相进一步划分为礁核、礁缘、礁间和礁斜坡微相[20-22]。

2.1 储层沉积特征

桑托斯盆地Itapema 组贝壳灰岩是以生物壳体及碎屑为主要成分的颗粒灰岩，其成因与原地堆积或近距离搬运有关[14]。根据贝壳和灰泥基质的含量，可将贝壳灰岩分为两类：（1）贝壳灰岩，以双壳为主的生物碎屑灰岩，多为颗粒支撑，壳体粗大，指示较高能的水体环境，微观观察发现灰泥基质大部分已经溶解或重结晶，铸模孔发育，可以作为优质储层（图2a，图2b）。（2）含泥/泥质贝壳灰岩，壳体较小，以介形类壳体为主，灰泥含量较高，多为基质支撑，铸模孔不发育，难以形成良好储层（图2c，图2d）。贝壳灰岩主要形成于贝壳滩和滩间微相，泥质贝壳灰岩主要形成于滩缘微相。

图2 桑托斯盆地A-2 井贝壳灰岩岩芯照片和微观结构Fig.2 Photos of local core and microstructure,Coquinas in Well A-2,Santos Basin

桑托斯盆地拗陷期的Barra Velha 组主要岩石类型为叠层石灰岩，其次为鲕粒灰岩[14-15]。其中，叠层石灰岩和鲕粒灰岩主要形成于礁核和礁间微相，泥质鲕粒灰岩沉积微相类型为礁缘。根据叠层石生长的宏观几何形态和微观特征，可分为乔木状叠层石、灌木状叠层石及树枝状叠层石3 类（图3）。

图3 桑托斯盆地A-1 井叠层石灰岩局部岩芯照片Fig.3 Photos of local core,stromatolite limestone in Well A-1,Santos Basin

（1）乔木状叠层石，具有明显的主干--分支结构，叠层石高度（约2.0∼2.5 cm）略大于宽度（约1.0∼2.0 cm），具有穹顶结构，连续叠层石可形成生长格架，指示较强水动力环境。（2）灌木状叠层石，具有明显的主干，但并未发育分支结构，叠层石的高度（约2.0∼4.0 cm）与宽度（约2.0∼4.0 cm）接近，且具有穹顶结构，指示浅水低能环境，此类叠层石中常见波状消光，与较低能且盐度较高的沉积环境中容易形成放射纤维状方解石有关。（3）树枝状叠层石，具有明显的细长分支丛生结构，但无主干，叠层石高度（约2.0∼4.0 cm）远大于宽度（约1.0∼2.0 mm），指示深水低能环境。

桑托斯盆地Barra Velha 组的鲕粒灰岩，一般由无明显圈层的薄皮鲕组成（图4），在显微镜下具十字消光特征（图4b），这种鲕粒形成环境通常是盐度较高的水体，并且会与一些灌木状叠层石伴生。多数鲕粒灰岩因为灰泥含量较高无法作为储层，但部分经过成岩改造后可以具有一定的储集能力。

图4 鲕粒灰岩局部岩芯照片和微观照片（A-1 井，5 502 m）Fig.4 Photos of local core and microstructure,oolitic limestone（Well A-1,5 502 m）

2.2 储层物性和储集空间类型

通过对桑托斯盆地东部隆起带盐下油气发现的14 口钻井的岩芯、岩石薄片及铸体薄片资料的观察与岩芯物性分析发现，桑托斯盆地盐下湖相碳酸盐岩储层整体上属于孔隙型灰岩储层，孔隙度整体上属于中等--好，渗透率中等。储层孔隙类型以原生孔隙为主，并受后期溶蚀改造。

通过对Itapema 组190 个贝壳灰岩储层样品的描述进行统计，孔隙类型主要为铸模孔、溶孔、溶洞、晶间孔和粒间孔（图5a）。从成因上来讲，以受到成岩作用改造而形成的次生孔隙为主，原生孔隙较少出现。根据显微薄片观察，铸模孔主要由早成岩期贝壳的大气水溶解作用形成，中成岩期埋藏溶解作用其次；溶孔和溶洞与中成岩期埋藏溶解作用有关，多为非组构选择性溶解，因此，形成的多为形状不规则的孔隙和孔洞；晶间孔与重结晶和白云化作用有关，如灰泥基质的重结晶和白云化，或者被胶结物充填的残余晶间孔。根据对岩芯样品的孔渗数据分析，贝壳灰岩储层孔隙度最小值为6.3%，最大值为30.0%，平均值为16.9%。渗透率最小值为1.10 mD，最大值为1 180.00 mD，平均值为101.80 mD。

图5 桑托斯盆地湖相碳酸盐岩储层孔隙类型统计柱状图Fig.5 Pore types distribution of lacustrine carbonate,Santos Basin

根据287 个叠层石灰岩储层样品的描述和统计分析，叠层石灰岩储层的孔隙类型主要为溶孔、晶间孔、粒间孔、生长格架孔、粒内孔和晶内孔等（图5b）。从成因上来讲，以受过成岩改造的原生孔隙为主，其次为次生孔隙。通过对216 个储层段叠层石灰岩样品的孔-渗数据的统计，孔隙度最小值为5.0%，最大值为26.5%，平均值为13.4%，渗透率最小值为1.00 mD，最大值为3 234.00 mD，平均值为183.70 mD。

3 湖相碳酸盐岩储层发育控制因素

3.1 湖水古盐度控制储层成因类型

通过对盐下碳酸盐岩岩芯样品中的碳氧同位素分析，湖水古盐度的变化控制了盐下湖相碳酸盐岩储层成因类型。通过对桑托斯盆地东部隆起带的S-A 井盐下湖相碳酸盐岩样品进行碳氧同位素地球化学分析发现（图6），Itapema 组贝壳灰岩样品以偏负的碳氧同位素指标为主，指示了盐下碳酸盐岩沉积早期淡水湖的水体环境，而晚期Barra Velha 组叠层石灰岩的沉积期则以显著正偏的氧同位素指标为特征，指示水体中因轻同位素组分流失而使得沉积物中富集重同位素组分，因此，指示了盐度较高的水文学特征。

此外，介形虫对盐度的反应非常敏感，随着盐度升高，仅能在淡水和低盐度水体中生存的淡水种--微咸水种快速消失，取而代之以半咸水种和咸水种。同时，介形虫的一些指标和特定的种属可以反映古水深的变化。根据盐度指标可分为淡水种、微咸水种、半咸水种和咸水种4 类。通过对桑托斯盆地盐下碳酸盐岩样品中的介形虫化石进行的古生态学分析发现，贝壳灰岩沉积期介形虫以淡水种微咸水种占绝对优势，指示贝壳灰岩沉积期为淡水--微咸水环境，而叠层石灰岩沉积期以半咸水种占明显优势，指示微生物灰岩沉积期为半咸水环境。

图6 桑托斯盆地S-A 井碳氧同位素分布图Fig.6 Depth vs isotopes of C-O of Well S-A,Santos Basin

3.2 宏观古构造格局控制储层宏观分布

桑托斯盆地裂陷期形成了平行岸线展布的若干地垒、地堑（或半地堑）组成的隆--拗相间构造带，如东部隆起带正是在裂谷期的区域压扭构造作用、岩浆上隆和火山活动等地质作用下形成的，有些地垒在差异沉降作用下相对隆升形成了凸起带。这些隆起带或拗中凸起等正向构造单元具有继承性发育特征，提供了形成碳酸盐台地的古构造背景，控制了盐下湖相碳酸盐岩储层的宏观分布（图7）。

桑托斯盆地在裂谷层系从陆地到湖盆方向，依次发育西部拗陷带、西部隆起带、中央拗陷带、东部隆起带和东部拗陷带。受盆地构造格局控制和影响，在西部拗陷和西部隆起带，主要发育受陆源碎屑影响的河流--三角洲沉积体系，以砂岩和泥岩沉积为主，在中央拗陷带主要为前三角洲和湖泊相沉积，以泥岩沉积为主，砂岩不发育。受中央拗陷带阻隔的影响，在东部隆起带三角洲砂岩不发育。同时，由于东部隆起带在湖相碳酸盐岩储层沉积时一直为古构造高的地质背景，水体深度适中，利于贝壳灰岩和叠层石灰岩沉积。如东部隆起带发现的Lula、Libra 和Franco 等多个盐下油气发现均钻井证实，断拗期和拗陷期地层以叠层石灰岩和贝壳灰岩为主，砂岩不发育。另外，如中央拗陷带的Carcara及Sagitario 等油田钻井证实，在储层沉积期的中央拗陷带低凸起也存在古构造高背景，适于湖相碳酸盐岩沉积。而西部隆起带和西部拗陷带油气发现证实盐下地层以三角洲体系沉积的砂岩和泥岩为主，湖相碳酸盐岩不发育。

图7 桑托斯盆地典型地质剖面Fig.7 Cross profile of Santos Basin

3.3 沉积相带控制储层物性特征

通过对桑托斯盆地盐下钻井取芯样品的物性与沉积微相进行匹配分析，盐下湖相碳酸盐岩储层物性与沉积相带具有很好的相关性，沉积相带对储层的孔渗具有明显的控制作用（图8 和图9）。

在渗透率方面，断拗期的Itapema 组生屑滩亚相中的贝壳滩与滩缘微相的物性无明显重合的部分。由渗透率分布直方图（图8a）可以看出，贝壳滩微相中渗透率在5.00∼250.00 mD 的样品数量最多，滩缘微相中大部分样品都在0.01∼0.10 mD，其他区间的样品很少。拗陷期的Barra Velha 组礁核微相渗透率以1.00∼250.00 mD 为主（图8b），礁缘微相储层的渗透率多小于0.10 mD。礁缘中也有部分渗透率分布与礁核微相重合，表明部分礁缘微相也可以发育有效储层。

在孔隙度方面，Itapema 组生屑滩亚相中的贝壳滩微相孔隙度具有明显的单峰分布特征（图9a），主要分布在15%∼21%，而滩缘微相具有不明显的双峰分布，主要区间为1%∼2%和5%∼10%，表明滩缘微相储层物性相对于贝壳滩微相较差。拗陷期的Barra Velha 组微生物礁亚相中，礁核微相储层的孔隙度表现出明显的单峰分布（图9b），主要分布区间为12%∼16%。而礁缘微相则表现为双峰分布，两个峰值分布区间分别为1%∼4%和7%∼10%，其中，7%∼10%孔隙度的礁缘微相与部分礁核微相在分布直方图中有明显重叠的区域。初步分析，除了礁核以外，部分位于与礁核微相过渡部位的礁缘微相也可以作为储层。

图8 不同微相储层岩芯渗透率分布直方图Fig.8 Histogram of permeability in differential facies

图9 不同微相储层岩芯孔隙度分布直方图Fig.9 Histogram of porosity in differential facies

4 有利储层发育区带预测

桑托斯盆地盐下湖相碳酸盐岩储层的发育受多重因素控制，但从油气勘探可遵循的规律性角度出发，储层的分布与古构造格局关系最为密切。研究认为，远离陆源碎屑影响的古隆起控制了湖相碳酸盐岩的宏观分布，沉积相带类型控制了储层物性的差异。因此，预测桑托斯盆地东部隆起带和中央拗陷带的低凸起是湖相碳酸盐岩储层发育有利区带。

东部隆起带在湖相碳酸盐岩储层沉积时期为持续性的古构造高，同时由于受中央拗陷带的阻挡，来自盆地西部的陆源碎屑难以达到东部隆起带，因此，东部隆起带是湖相碳酸盐岩储层发育最有利区带，叠层石灰岩和贝壳灰岩储层均可发育。

另外，中央拗陷带的低凸起背景上也可发育湖相碳酸岩储层。受早期基底断裂控制，在中央拗陷带发育多个低凸起并形成孤立台地，其中，台内主要发育礁核和贝壳滩微相，储层发育程度高，净毛比和孔隙度较好，向台地边缘主要发育礁缘和滩缘微相，储层发育程度略降低。凸起的隆升幅度和分布规模控制了礁滩体储层的发育程度。古构造幅度较低的低凸起，在储层沉积时水体较深，不适合贝壳灰岩沉积，主要发育叠层石灰岩。古构造幅度较高的低凸起，水体深度适中，贝壳灰岩和叠层石灰岩储层均可发育。

5 结论

（1）桑托斯盆地盐下发育两类湖相碳酸盐岩储层，分别为以机械成因为主的断拗期Itapema 组生屑滩贝壳灰岩和以微生物作用为主的拗陷期Barra Velha 组微生物礁叠层石灰岩。

（2）湖相碳酸盐岩储层储集空间结构整体上属于孔隙型，孔隙度中等好，渗透率中等。储层孔隙类型以原生孔隙为主，并受后期溶蚀改造。

（3）桑托斯盆地湖相碳酸盐岩储层发育主要受湖水古盐度、古构造格局和沉积相带等控制。其中，湖水古盐度控制储层成因类型，古构造格局控制储层宏观分布，沉积相带控制储层物性特征。