下刚果盆地北部海域海相碳酸盐岩沉积储层特征

2020-04-20程涛陶维祥康洪全李斐

海洋地质与第四纪地质 2020年2期

程涛，陶维祥，康洪全，李斐

中国海洋石油国际有限公司，北京 100027

西非海域下刚果盆地为一典型的被动大陆边缘含盐盆地（图1），该盆地的海上石油勘探始于20 世纪中叶[1-3]，迄今为止共发现石油可采储量48 亿桶，具有巨大的油气勘探潜力；其中白垩系海相碳酸盐岩层系占盆地总油气发现的36%左右，为西非地区重要的勘探领域[4]，这一层系在南美一侧的桑托斯、坎波斯盆地也获得了多个油气发现；但在西非一侧勘探程度仍然较低，在多个盆地海相碳酸盐岩层系仍有巨大的潜力有待挖掘，而白垩系海相碳酸盐岩沉积分布规律与储层发育特征是研究区海相碳酸盐岩领域油气勘探面临的关键问题，也是制约这一领域碳酸盐岩油气勘探取得更多突破的“瓶颈”之一。

图1 下刚果盆地位置图Fig.1 Location map of Lower Congo Basin

本文综合利用钻井、岩心、薄片以及地震等资料，对研究区白垩系海相碳酸盐岩沉积体系开展综合研究，分析了白垩系海相碳酸盐岩的演化规律，探究了相对海平面变化、古地形等地质要素对沉积演化的控制影响[5]；通过构造演化分析明确了碳酸盐岩沉积古地形与现今水深线的耦合关系，借助已发现油气藏分布规律厘定了海相碳酸盐岩的空间发育分带性；以岩性组合、薄片特征和相序规律为切入点，建立了碳酸盐岩的沉积模式及沉积相类型划分方案，剖析了碳酸盐岩储层发育特点。最终整体明确了研究区白垩系海相碳酸盐岩沉积发育层系、沉积分类及演化规律、储层类型及其发育特征，指出了有利储层发育的主要影响因素，为西非乃至南大西洋两岸白垩系广泛发育的海相碳酸盐岩储层研究提供了参考，也为这一领域的油气勘探实践及更多油气发现的获得提供了借鉴帮助。

1 区域地质概况

下刚果盆地构造演化及沉积充填分4 个阶段，包括前裂谷期、裂谷期、过渡期和漂移期。晚侏罗世前处于前裂谷期，晚侏罗世—早白垩世Aptian 阶为裂谷期，早白垩世Aptian 阶—早Albian 阶处于过渡期，过渡期持续伸展导致大陆破裂，南侧海水涌入，盆地从陆相环境向海相环境改变。晚Albian 阶至今处于漂移期（图2）。在早白垩世Albian 阶时期，随着相对海平面的进一步上升开始发育陆架边缘沉积，持续的海相碳酸盐沉积体系开始占据主导地位，在盆地北部海域白垩系海相碳酸盐岩储层集中发育于下白垩统Albian 阶下Sendji 组。上白垩统Cenomanian 阶—新近系，硅质碎屑沉积开始发育并且贯穿了上白垩统到新近系沉积时期，形成了刚果扇沉积。

2 研究区碳酸盐岩沉积演化规律及控制因素

2.1 白垩系碳酸盐岩沉积演化规律

综合钻井、测井、地震以及区域地质资料进行分析，总结纵向自下而上的沉积环境变化规律，认识到从下白垩统下Sendji 组向上到上白垩统Madingo 组，随着相对海平面的不断上升，区域沉积环境与沉积模式发生有序的转变演化，沉积模式为浅海碳酸盐岩台地模式→浅海混积陆棚模式→半深海-海底扇模式。白垩系各套地层沉积发育环境，随着相对海平面的不断上升和海侵逐渐加剧，具有沉积水体逐渐加深的趋势。在下Sendji 组时期，主要沉积了浅海碳酸盐岩缓坡台地体系[6-7]，发育混积滨岸、后缓坡、浅水缓坡、深水缓坡等亚相（图3）；至上Sendji 组沉积时期，平面上处于浅海混积陆棚体系，发育混积滨岸、浅水混积陆棚与潮下碳酸盐岩等亚相；向上到Likoula 组沉积时期，平面上处于浅海陆棚-半深海体系，发育浅海陆棚过渡带、浅海陆棚泥与半深海泥；继续向上到上白垩统Madingo组沉积时期，平面上以发育半深海-海底扇沉积体系为主（图3）。

2.2 相对海平面变化对沉积演化的控制

全球海平面升降变化与构造沉降结合产生了相对海平面变化，控制了可容纳空间变化、沉积演化模式以及相带分布[8]。

下白垩统下Sendji 组时期，盆地开始发生热沉降并全面进入被动大陆边缘海相沉积时期，构造沉降单因素控制的可容纳空间逐渐增加，同时对应于长周期级别全球海平面变化，自下白垩统下Sendji 组向上一直至新近系，长周期海平面背景因素也是不断上升，进一步加剧了可容纳空间的增加，二者结合造成相对海平面的明显上升，使得沉积环境从浅海环境向半深海-深海逐渐过渡，下白垩统下Sendji 组时期广泛发育浅海碳酸盐岩沉积体系，之后逐渐发育浅海陆棚沉积环境，随着海水的进一步上升，逐渐转变为半深海与深海沉积环境。

图2 下刚果盆地地层发育综合柱状图Fig.2 Integrated stratigraphic column of the Lower Congo Basin

相对海平面变化也形成了沉积储层相应的岩性组合差异，自下而上，相对海平面不断上升，可容纳空间加大，对应于这一长周期的海进过程，浅海碳酸盐岩缓坡台地体系整体向陆退积，直至转化为浅海陆棚环境，再进一步转换为半深海与深海-海底扇沉积环境，主要储层类型也由浅海碳酸盐岩沉积储层转换为海底扇砂岩储层（图3）。

2.3 古地形对沉积宏观发育的影响

图3 研究区白垩系沉积展布特征Fig.3 Spatial distribution of the Cretaceous deposits

盆地碳酸盐岩层系沉积储层发育受古地形变化影响也较为明显，下刚果盆地的盐下地层在进入漂移期后没有发生大的起伏变化，因此，盐岩底部的地形可以很好地反映白垩系碳酸盐岩层系沉积时期的古地形。借助三维地震资料得到研究区盐底构造图（图4），认识到碳酸盐岩相关层系沉积时期，自陆向海整体发育一个南北分带的古斜坡地理背景。其中北部古地形坡度相对较陡，为一陡坡环境，碳酸盐岩相关灰岩储层较少发育并且范围局限，向海快速过渡到较深水环境泥灰岩沉积，陡坡内钻井揭示储层多不发育，主要为大套厚层泥灰岩沉积。而在南部区域古地形较为平缓，为一平缓开阔的缓坡沉积环境，碳酸盐岩相关储层较为发育并且范围向海延伸较远，碳酸盐岩层系油气发现丰富。

研究区盐岩底界面一直比较稳定，自沉积后未经历较大的构造运动，可以大致代表古地形或古海岸线变化趋势，并且现今的水深线变化趋势与古地形展布规律十分相似。在区块以北的陡坡区域，古海岸线与现今水深线走势为近北西—南东向，水深等值线展布密集；向南逐渐转变为缓坡区域，方向变为近南北向或北东-南西向，水深线展布稀疏（图4）。借助现今水深线展布规律可以很好地反映盆地碳酸盐层系沉积储层的展布趋势，在碳酸盐岩层系沉积时期，盆地古地形北陡南缓，北部碳酸盐岩相关储层分布局限，向深水区迅速变差；南部碳酸盐岩相关储层发育范围宽广，向较深水区延伸发育远。

2.4 研究区海相碳酸盐岩发育展布特征

盐上海相碳酸盐岩沉积主要发育于白垩系，是碳酸盐岩沉积储层研究的主要目的层段。该时期主要为一套浅海碳酸盐岩混杂陆源碎屑沉积，以碳酸盐岩沉积为主，厚度200～2 000 m（图2）。白垩系沉积时期，广泛发育浅海碳酸盐岩缓坡台地体系高能颗粒滩微相颗粒灰岩储层[9-11]，对应于沉积演化与相对海平面的上升，影响高能颗粒滩储层发育位置自海向陆方向逐渐退积迁移，碳酸盐岩储层展布在纵向上及平面上均可以划分为内、中、外3 个储层发育带（图5）：（1）外带下Sendji 组碳酸盐岩—碎屑岩储层混积发育带，（2）中带上Sendji 组碳酸盐岩—碎屑岩储层混积发育带，（3）内带上白垩统碎屑岩夹碳酸盐岩储层发育带。

（1）外带下Sendji 组碳酸盐岩—碎屑岩储层混积发育带

图4 研究区古地形与现今水深线分布趋势对比图Fig.4 Comparison of paleotopography to current water depth distribution

图5 碳酸盐岩储层纵向发育分带Fig.5 Longitudinal zonation of carbonate reservoirs

位于下刚果盆地中部以及南部缓坡向海一侧，在外带广泛沉积一套下Sendji 组浅海碳酸盐岩沉积体系，平面上分布于离陆地较远的向海一侧，距离现今海岸线55～80 km，已发现了多个油气田，其代表性油气田是Moho、N’Kossa 与Kitina 油田[9]。储层发育于下白垩统下Sendji 组，主要为海相碳酸盐岩混积缓坡台地沉积体系，发育有颗粒灰岩、砂岩、砂质灰岩、白云岩4 种类型的储层。不同相带具有不同的岩性组合，自陆向海，砂岩、砂质灰岩含量逐渐减少，颗粒灰岩含量逐渐增加，砂质浅滩沉积逐渐萎缩，颗粒滩沉积规模逐渐增大。其中浅水缓坡颗粒滩微相与后缓坡台内浅滩微相的岩性组合以颗粒灰岩为主，为最有利于储层发育的微相。储层的孔隙类型以原生粒间孔隙为主，发育少量的粒内溶孔和晶间孔，储层孔隙度为10%～25%，渗透率为1～100 mD，属于中高孔—中低渗储层。

（2）中带上Sendji 组碳酸盐岩—碎屑岩储层混积发育带

中带也沉积了一套上Sendji 组浅海碳酸盐岩沉积体系，发育碳酸盐岩—碎屑岩混合储层，该套储层发育带自盆地中部至南部均有发育，平面上介于外带与内带之间，距离现今海岸线约30～40 km，代表油气田是Sendji、Takula、Bufalo 与Palanca 油田[9]。上Sendji 组碳酸盐岩层系沉积微相包括砂质浅滩、鲕滩与生屑滩等，储层岩性类型包括颗粒灰岩、白云岩与砂岩，储层孔隙度为19%～24%，渗透率为264～400 mD。

（3）内带上白垩统碎屑岩夹碳酸盐岩储层发育带

内带发育上白垩统混积陆棚沉积体系，自盆地中部至南部均有发育，平面上分布于离岸线较近的向陆一侧，距离现今海岸线距离普遍小于20 km，代表油气田是Emeraude 和Quinguila 油田。储层主要沉积于盐上白垩统Cenomanian 阶时期，主要岩性为陆架砂岩、粉砂岩夹颗粒灰岩、灰岩，储层孔隙类型为粒间孔，平均孔隙度约为35%，渗透率多大于1D[9]。

自下白垩统下Sendji 组至上白垩统，对应平面上的三套储层分带，纵向上自下而上也可以划分为3 个储层发育层段（图5）：下Sendji 组、上Sendji 组和上白垩统，纵向上沉积演化规律为下Sendji 组碳酸盐岩发育层段→上Sendji 组碳酸盐岩—碎屑岩储层混积发育层段→上白垩统碎屑岩夹碳酸盐岩储层发育层段。下Sendji 组—上Sendji 组时期处于浅海缓坡陆架环境与浅海碳酸盐岩缓坡台地混合沉积体系，主要发育颗粒灰岩夹砂岩储层，上白垩统时期远岸地区处于浅海混积陆棚沉积体系，主要为半深海相泥岩与浅海陆棚相泥灰岩沉积，近岸地区则发育有滨海陆棚相砂岩夹杂碳酸盐岩储层；本次碳酸盐岩分析的主要研究对象是下Sendi 组海相碳酸盐岩沉积储层发育层段。

3 碳酸盐岩沉积模式及沉积相类型划分

3.1 下Sendji 组碳酸盐岩沉积类型划分

综合前文分析成果，认为海相碳酸盐岩沉积储层最主要的发育层段为下Sendji 组时期，该时期广泛发育浅海碳酸盐岩缓坡台地混合沉积体系，该体系是一个发育在缓坡陆架背景条件下的海相碳酸盐岩台地沉积[9-10]（图6），并且间歇性的有少量陆源碎屑注入形成滨岸砂滩或者范围很小的朵叶体沉积。自陆向海依次发育混积滨岸、后缓坡、浅水缓坡以及深水缓坡4 种亚相[9,11]，明确了沉积相划分方案以及岩性组合特征。

混积滨岸亚相发育于滨岸沉积背景环境，仅有正常海水偶然注入，可划分为滨岸砂滩与萨布哈两种微相。岩性以白云岩和砂岩为主，含粉砂岩、少量硬石膏与石盐假晶[9,12-13]；其中砂岩与白云岩为有效储层。

后缓坡亚相发育于滨岸地区向海过渡到缓坡台地迎浪带之间区域，多为位于平均低潮面之下的潮下带，以发育潮下环境静水泥灰岩为主，局部为台内颗粒滩沉积，可细分为台内浅滩、砂质浅滩、后缓坡泥与瀉湖等微相。岩性主要为颗粒灰岩、泥灰岩及粒泥-泥粒灰岩，含砂质灰岩、砂岩-粉砂岩、白云岩等（图7），可见硬石膏与石盐假晶[9,14]，其中颗粒灰岩与砂岩为有效储层。

图6 浅海碳酸盐岩缓坡台地混合沉积模式图Fig.6 Depositional model of carbonate slope of a shallow water platform

浅水缓坡亚相发育于缓坡台地沉积体系的迎浪浅水高能区，波浪可以畅通无阻地通过浅水区域，该相带具有高能迎浪的特点，以发育颗粒滩体为特点，微相类型细分为颗粒滩、鲕滩、生屑滩、滩间等微相[9,15]。岩性主要为颗粒灰岩（包括鲕粒灰岩、核形石灰岩、生屑灰岩等）（图8），球粒灰岩、粒泥-泥粒灰岩、灰质砂岩、泥灰岩与白云岩；其中各种类型颗粒灰岩、生屑灰岩与砂岩为有效储层。

深水缓坡亚相发育于正常浪基面之下区域，水体能量较低，可以划分为斜坡泥微相与滑塌体微相；斜坡泥微相主要为低能泥灰岩沉积，岩性以泥灰岩为主，含泥粒-粒泥灰岩、球粒灰岩；滑塌体微相包括风暴流、浊流及垮塌等[16-17]，岩性主要为含生屑球粒灰岩、泥灰岩等。

3.2 下Sendji 组碳酸盐岩纵向发育规律

研究区下Sendji 组碳酸盐岩随着相对海平面的不断上升呈现向陆退积的趋势，自下而上碳酸盐岩沉积有规律迁移；混积滨岸亚相带滨岸砂滩与萨布哈微相沉积发育区逐渐向陆退积，直至不发育[9,18]；而早期不很发育的浅水缓坡亚相带与深水缓坡亚相带自下而上逐渐发育并向陆退积。自下而上，砂岩含量逐渐减少，陆源影响降低[9,19]；水体逐渐加深，蒸发暴露环境减弱，浅水缓坡亚相沉积逐渐占据主要地位。

图7 后缓坡亚相岩性特征Fig.7 Characteristics of back ramp subfacies

图8 浅水缓坡亚相岩石学特征Fig.8 Petrological characteristics of shallow water gentle slope subfacies

4 储层特征

4.1 储层岩性组合及物性特征

研究区内颗粒灰岩（鲕粒灰岩、生屑灰岩、核形石灰岩、球粒灰岩、泥粒灰岩）、砂岩、砂质灰岩、白云岩4 种类型的岩性均可作为储层。不同相带具有不同的岩性组合，自陆向海，砂岩、砂质灰岩含量逐渐减少，颗粒灰岩含量逐渐增加，颗粒滩沉积规模逐渐增大。其中浅水缓坡颗粒滩微相与后缓坡台内浅滩微相的岩性组合以颗粒灰岩为主，为最有利于储层发育的微相。下Sendji 组碳酸盐岩储层的孔隙类型以原生粒间孔隙为主，发育少量的粒内溶孔和晶间孔，鲕粒灰岩储层中原生粒间孔发育（图9），还有少量的粒内溶孔；砂岩储层中发育大量的原生粒间孔，近岸地区生屑灰岩和鲕粒灰岩储层中原生粒间孔发育，有少量的晶间孔。

下Sendji 组储层孔隙度为10%～25%，渗透率为1～100 mD，属于中高孔—中低渗的储层，碎屑岩和碳酸盐岩储层具有不同的孔渗对应关系。在相同的孔隙度条件下，碎屑岩储层的渗透率要高于碳酸盐岩。

4.2 储层发育主控因素

通过开展岩心观察、薄片鉴定和孔隙度特征分析研究，认识到下Sendji 组碳酸盐岩储层的发育主要受到沉积相带的控制，并受成岩作用的影响。

图9 下Sendji 组碳酸盐岩储层孔隙特征Fig.9 Pore characteristics of carbonate reservoirs in Sendji Formation

（1）沉积微相对储层发育的控制

碳酸盐岩储层的优劣主要受沉积微相的控制，沉积微相类型的差异决定了储层的发育程度和物性的好坏，综合分析各沉积微相类型的碳酸盐孔隙度特征，表明鲕滩微相、砂质浅滩微相、台内浅滩及生屑滩微相为有利储层发育的微相类型（图10）。其中鲕滩微相平均孔隙度为14.9%；砂质浅滩微相平均孔隙度为14.3%；台内浅滩微相白云岩化作用明显，平均孔隙度为12.9%；生屑滩微相平均孔隙度为14.6%。

（2）成岩作用对储层发育的影响

沉积微相的差异决定并控制了岩性及储层在区域上的发育分布，各类颗粒灰岩、砂岩与白云岩是储层发育的基础，而成岩作用则是扩大储层范围和改善储层孔渗性与提高储层质量的关键，不可忽视成岩作用对下Sendji 组储层的形成和发育同样有较为重要的影响。Albian 阶碳酸盐岩的成岩作用类型较多，包括压实和局部压溶作用、胶结作用、充填作用和溶蚀作用等[20]。以下仅讨论与储层发育密切相关的2 种主要成岩作用方式。一类是破坏性成岩作用，对储层发育起破坏作用的成岩作用类型较多，但在本区以压实和压溶的破坏性最大，灰岩储层在埋藏过程中出现各种压实现象，多表现为失水、流动及塑性变形，镜下可见变形纹层和泄水构造，以及细小生物碎屑塑性变形现象，如片状介壳的塑性变形和定向分布。颗粒以点、线接触为主，局部出现压溶现象，可确定压实强度为二级，由二级压实强度造成的原生孔隙大幅度下降损失孔隙度为总孔隙度的15%～20%。胶结作用对储层的破坏仅次于压实和压溶作用，但主要对原生孔隙较发育的鲕粒灰岩、颗粒灰岩及生屑灰岩具有较强破坏作用，由胶结作用造成的原生孔隙度损失约为10%，主要胶结作用类型为轴粒状方解石胶结，多发生在早成岩阶段早期，具环边生长特点，方解石晶体呈洁净的等粒状分布，通常为大气水渗流带胶结物，以充填孔隙空间为主要特征。自生矿物沉淀和充填作用可造成孔、喉的封堵而对储层不利，下Sendji 组碳酸盐岩储层中的次生孔隙充填物数量虽然不多，但类型较丰富，致使孔隙度损失5%～10%。另一类是建设性成岩作用，溶蚀作用普遍较发育，是对储层发育贡献最大的成岩作用类型之一，本区溶蚀作用有明显的选择性溶蚀和非组构选择性溶蚀2 种类型，其中选择性溶蚀作用是鲕粒、生物屑、球粒等颗粒中最为常见的成岩现象，多形成粒内溶孔和铸模孔，改善了储层孔渗物性，利于油气运聚成藏。