桑托斯盆地盐下裂谷系构造特征及其对油气成藏的控制作用*

2022-01-07李明刚蔡文杰贾怀存李运振

中国海上油气 2021年6期

李明刚程涛蔡文杰贾怀存刘琼李运振

(中国海洋石油国际有限公司北京 100028)

桑托斯盆地位于巴西东南海域，是一个含盐岩的富油气盆地。2006年Lula亿吨级特大油田发现[1]，之后该盆地盐下湖相碳酸盐岩领域就成为了全球油气勘探的热点地区，近10多年已累计发现原油2P可采储量约311亿桶，揭示了这一勘探领域巨大的勘探潜力。前人从区域地质以及油气地质等不同角度对该盆地进行了大量研究[2-12]，但是由于盆地内广泛发育的厚层盐岩对地震信号的屏蔽作用影响了盐下地震成像质量，从而制约了对该盆地盐下裂谷系构造特征的认识。前人多是用区域资料从宏观上分析盆地的裂谷系构造特征或从单一的油田区入手评价相关的断裂构造与油气成藏关系，由于受制于资料品质的限制，研究程度及系统性还有一定不足。本文主要依据宽频采集的高质量3D深度域地震数据及钻井资料，系统梳理了盐下裂谷系构造特征，进而分析了构造对油气成藏的影响，提出下步勘探方向和建议。

1 盆地基本地质特征

桑托斯盆地是一个典型的含盐岩被动大陆边缘盆地，在前寒武系结晶基底上沉积了白垩纪以来的地层(图1)。该盆地的形成演化受控于冈瓦纳大陆的裂解和大西洋的扩张，先后经历了裂谷、过渡和漂移(被动大陆边缘期)3个演化阶段，相应沉积了裂谷期湖相沉积、过渡期盐岩和漂移期海相沉积3套构造层系。盐下裂谷期湖相沉积自下而上依次发育Picarras组、Itapema组和Barra Velha组地层。其中Picarras组以湖相泥岩和砂砾岩为主；Itapema组发育生屑滩，岩性主要为贝壳灰岩和泥灰岩等；Barra Velha组发育生物礁，岩性主要为灌木状叠层石、球粒灰岩、泥砾灰岩、纹层灰岩和泥灰岩等。过渡期盆地处于局限海环境，由于蒸发量超过降雨量，主要沉积了一套厚层盐岩，由石盐、硬石膏和白云岩等组成。盐上漂移期海相沉积包括下部的浅海局限台地相碳酸盐岩沉积和上部的开阔海深水沉积，发育了巨厚的海相泥岩，局部夹深水扇浊积砂岩沉积。

图1 桑托斯盆地综合柱状图Fig .1 Comprehensive histogram of Santos basin

桑托斯盆地主要发育盐上漂移期浊积砂岩和盐下裂谷期碳酸盐岩两套勘探层系。其中盐下裂谷期碳酸盐岩层系是盆地的主要勘探目的层，以构造型圈闭勘探为主，目前发现的油气占到整个盆地的83%，具有优越的成藏条件。盐下裂谷期碳酸盐岩勘探层系的烃源岩为裂谷期广泛分布的优质湖相泥页岩，I型干酪根，TOC平均约4.4%，目前总体处于成熟-高熟阶段。该套烃源岩供烃能力强，统计表明已发现大油田绝大部分都能够全充满，且部分过充满，盆地内近90%石油储量都来自该套湖相烃源岩。储层为裂谷末期发育的湖相碳酸盐岩，储层物性好，孔隙度平均值为13%，最大可达30%，在远岸隆起区广泛发育，上覆厚层盐岩盖层，具有较好的储盖组合。裂谷系地垒-地堑系统发育，基底高的地垒分布区有利于各类构造型圈闭的发育，同时也是油气长期优势运聚区，且构造圈闭形成期早于烃源岩生、排烃期，关键时刻配置关系好。因此，裂谷期优质烃源岩生成的油气可以沿着基底断裂及碳酸盐岩输导层，垂向、侧向运移到碳酸盐岩构造圈闭中聚集成藏。

2 盆地裂谷系构造特征

2.1 断裂特征

桑托斯盆地在裂谷期处于NW—SE向拉张应力场，发育的断裂系统在平面上整体与拉张应力场近直交而表现为NE—SW走向，且近平行接替排列。同时局部断裂也发育雁列组合，这与晚期漂移阶段区域拉张应力场发生改变有关。晚期漂移阶段SWW—NEE向拉张应力场与裂谷系断裂斜交而使得部分再活动的断裂发生伸展走滑变形[13]。重力异常资料显示基底NW向存在明显错动迹象，推断发育NW向隐伏基底断裂(图2)。剖面上，断裂多表现为垒堑式、多米诺式、铲式以及花状等多种组合样式。按照断裂尺度级别，盆地内裂谷系断裂可以划分为四级(图2)。一级断裂为控制盆地一级构造单元(坳陷、隆起)的边界基底大断层；二级断裂为控制盆地二级构造单元(凹陷、凸起)的边界大断层；三级断裂为二级构造单元内，能够控制局部构造及沉积的规模较大的断裂；四级断裂规模相对较小，对地层沉积控制作用有限，主要起到调节构造变形作用。

图2 研究区盐下裂谷系断裂展布Fig .2 Fracture distribution of pre-salt rift system in study area

2.2 构造单元

不同级别的断裂控制桑托斯裂谷盆地形成具有“隆坳相间”的构造格局。自西向东可以依次划分为西部坳陷带、西部隆起带、中央坳陷带、东部隆起带和东部坳陷带等5个一级构造单元[14]，不同坳陷带内存在大量的古高地，在隆起区也有明显的古洼地。本次根据覆盖范围有限的高质量3D深度域地震资料解释与分析，进一步将中央坳陷带、东部隆起带和东部坳陷带划分为6个二级构造单元，分别为西部凹陷、中央低凸起、中央凹陷、东部凸起、东部断阶和东部凹陷，各构造单元以一、二级边界断裂为界，且不同构造单元具有独特的构造特征(图3、4)。

图3 研究区盐下裂谷系构造单元分布Fig .3 Structural unit division of pre-salt rift system of study area

西部凹陷整体向陆抬升，具有北东走向窄条状的半地堑或不对称地堑结构，裂谷地层厚度约1 800～3 000 m。中央低凸起表现为1～2排北东走向地垒构造，裂谷地层厚度约1 200～1 800 m。中央凹陷是盆地的沉积沉降中心，最大裂谷地层厚度近4 000 m，具有被断层复杂化的不对称地堑结构，东侧受晚期走滑作用发生构造反转抬升。东部凸起是一个被断层复杂化的地垒构造。东部断阶受向海倾斜的基底断层控制，发育一系列多米诺半地堑构造，裂谷系厚度普遍在500～1 500 m。东部凹陷是一个滚动半地堑系，向海倾斜的基底断层控制地层沉积，断层主要在裂谷晚期之后活动，推断盐下裂谷系厚度薄。

2.3 构造演化规律

桑托斯盆地是一个在前寒武系结晶基底之上发育的含盐岩沉积盆地。盆地沉积地层以盐岩为界可以划分为盐下裂谷和盐上被动大陆边缘两套构造层系。其中盆地盐下裂谷系构造层伸展变形具有由西向东迁移的时序特征(图4)。

图4 桑托斯盆地盐下裂谷系构造演化(位置见图3)Fig .4 Structural evolution of pre-salt rift system in Santos basin(see Fig.3 for location)

裂谷早期(图4a)强烈断陷中心在中央坳陷，地层厚度大，断裂活动强烈；东部隆起这一时期的断裂活动相对较弱，地层厚度薄，而东部坳陷几乎无断裂活动，伸展变形特征不明显，有一定厚度的地层分布。裂谷晚期(图4b)沉积沉降中心虽然仍在中央坳陷，但是伸展变形明显向东迁移，这一时期东部隆起的断裂活动强度与中央坳陷相当，东部坳陷也开始发生伸展变形，有明显的断裂活动。盐岩沉积期及后续的被动大陆边缘阶段(图4c、d)中央坳陷构造稳定，断裂活动微弱，仅少量断层活动，处于热沉降的拗陷变形期，这一时期盆地沉降中心转移到东部坳陷，构造活动强烈，发育一系列铲式断裂，断距大，控制盆地强烈沉降，沉积了巨厚盐岩。

2.4 构造单元形成机制

桑托斯盆地裂谷层系整体受区域拉张应力场控制，呈现NE—SW走向，局部构造变形同时受先存基底构造的制约，导致各构造单元具有不同的形成机制(图5)。中央凹陷沿着NE走向的先存基底弱化带发生伸展破裂，同时在NW—SE向左旋走滑先存基底隐伏断裂的限制下，表现为南、北2个洼陷。NE走向的先存基底弱化带穿过南部洼陷中部[15]，该先存基底弱化带在漂移期NEE—SWW向拉张应力场作用下发生左旋走滑，导致其东部地体向北位移受Franco-Libra基底高块体阻挡，而发生构造反转。东部凸起在裂谷早期处于中央凹陷东侧肩部，构造位置高。裂谷晚期后，盆地裂离中心迁移到东部凹陷而使得该区开始发生强烈伸展沉降，导致其西侧的东部凸起和东部断阶“瞬时失压”而均衡上升，形成现今构造形态。

图5 桑托斯盆地主要构造单元形成机制Fig .5 Formation mechanism of main structural units in Santos basin

3 盆地构造对油气成藏的控制作用

盆地的构造变形能够控制着可容空间的变化和沉积地层的分布，进而影响了盆地内油气地质条件，决定了盆地内油气成藏规律和富集特征。

3.1 构造演化控制了烃源岩的时空展布

桑托斯盆地盐下裂谷系烃源岩为Picarras组、Itapema组湖相泥岩。这两套烃源岩都在裂谷早期断陷阶段发育，这一时期构造活动强烈，控制凹陷主体的断裂垂向断距普遍在1 500～2 500 m之间，最大可达4 000 m，盆地的沉降速率快、幅度大，湖深水广，形成了具有还原环境的湖盆，有利于优质烃源岩的形成，钻井揭示烃源岩I—II1型干酪根，TOC平均约4.4%，最大可达16%，S1+S2平均约37 mg/g，HI普遍在400～1 000 mg/g。平面上，断陷阶段烃源岩发育期，盆地发育多个NE向的凹陷和凸起，且凸起区也分布了大量的小型洼陷，这些不同尺度的洼陷从宏观上控制烃源岩的分布。烃源岩主要在中央凹陷南北两个洼陷分布，这两个洼陷地层厚度普遍在2 500～3 500 m，最厚可达4 000 m，面积近4×104km2。地震上烃源岩段具有低频连续强振幅反射特征，地震相追踪表明烃源岩厚度多在200～500 m之间，面积近3×104km2，且目前油气发现(超过300亿桶的2P可采储量)都分布在这两个洼陷内部或周边，显示了烃源岩强大生烃能力(图6)。

图6 研究区盐下裂谷系生烃主洼分布Fig .6 Distribution of main hydrocarbon generating depressions in pre-salt rift system of study area

3.2 构造格局约束了碳酸盐岩储层发育的有利场所

裂谷早期断陷阶段，盆地发育“高低起伏”的垒堑系统，无论凸起带还是凹陷区都存在大量的基底高。从空间分布看，远岸的基底高和物源之间发育“沉砂池”能够阻挡碎屑物质推进，使得远岸基底高保持了清澈的水体，水深适中，光照适度，具备适宜生物栖息和发育的环境[16]。此外，钻井揭示盆地内的基底高都为火山喷发形成的地垒，岩浆岩活动不但能够提高局部水体中氮、硫等元素含量，为微生物生长提供营养物质，且冷却后的岩浆岩可作为礁体附着生长的坚硬基底。因此，远岸火山型基底高是裂谷后期Itapema组和Barra Velha组生屑滩贝壳灰岩和微生物礁叠层石灰岩发育的有利场所。钻井揭示桑托斯盆地远岸凸起带上湖相碳酸盐岩储层叠合连片，广泛发育。东部凸起上发育叠层石灰岩和贝壳灰岩，储层厚度普遍在300～500 m之间；中央凹陷低凸起区，同样发育厚层叠层石灰岩储层，厚度可达300 m。Lula、Libra等盐下大油田勘探实践证实，远岸基底高的迎浪缓坡是碳酸盐岩储层发育的“甜点”区，这一区域一般处于高能环境，发育的碳酸盐岩厚度大、岩性纯，而缓坡的顶部可能因生物生长形成的阻挡作用降低了水体能量，进而导致这一区域储层发育程度降低。向缓坡的底部过渡，随着水体能量的降低，碳酸盐岩发育程度逐渐降低，岩性变细，最终进入深湖—半深湖的泥岩沉积(图7)。此外，如果基底高的缓坡处于较为封闭的湖湾低能静水环境，碳酸盐岩储层发育程度会明显降低，钻井也揭示了是薄层生物灰岩储层，主要为泥灰岩与泥岩沉积。

图7 桑托斯盆地碳酸盐岩沉积模式Fig .7 Carbonate sedimentary model of Santos basin

3.3 断裂活动为油气成藏提供了圈闭和高效的运移通道

桑托斯盆地裂谷期处于NW—SE向区域拉张应力场，在区域拉张应力场作用下，盆地内发育了NE—SW向伸展正断层系统。伸展正断层活动引起盆地差异伸展沉降，进而形成了大量的断块和断背斜等构造圈闭。同时由于盆地所在的南大西洋区域由南到北的“剪刀式”旋转拉张裂离，导致盆地的拉张应力场方向发生改变，使得先存基底断裂和一些早期的正断层发生走滑变形，引起局部区域发生反转形成背斜圈闭。不同类型的构造圈闭与基底断裂伴生，且这些基底断裂都断至烃源岩层，是沟通了烃源岩与圈闭的油源断裂。因此深层成熟烃源岩生成的油气可以沿着基底断裂垂向运移，在基底高的碳酸盐岩构造圈闭内聚集成藏，且这些构造圈闭上覆厚层的区域盐岩盖层，后期构造活动弱，不易遭到破坏，保存条件好(图8)。

图8 桑托斯盆地盐下裂谷系油气成藏模式Fig .8 Hydrocarbon accumulation of pre-salt rift system in Santos basin

4 讨论

桑托斯盆地盐下裂谷系发育优质湖相烃源岩，目前已有发现可采储量达500亿桶油当量。从油气分布特征看，“源控”的规律非常明显，虽然在中央低凸起、中央凹陷、东部凸起以及东部断阶等不同构造单元都有油气发现，但是大部分油气发现主要分布在主生烃洼陷内部及其围区(图6)。不同构造带油气藏解剖表明东部凸起和中央凹陷东部反转带成藏条件最好，已有大型发现多分布在这一区域，但是目前勘探程度已经很高，剩余勘探潜力有限。中央坳陷带低凸起区勘探潜力最大，这一区带成藏条件好，靠近主生烃洼陷，烃源岩充足，且凸起区远离物源，适宜生物灰岩储层发育，也有利于规模大、幅度高的构造型圈闭发育，是油气的优势运聚区，洼陷内成熟烃源岩生成的油气可以沿着断裂运移，在高部位的碳酸盐岩圈闭内聚集成藏。此外，目前该区勘探程度低，还有多个未钻目标，是下一步油气勘探潜力区。东部断阶远离主生烃洼陷，存在供烃不足的风险，勘探潜力有待进一步研究。