西南非海岸盆地烃源岩研究新认识及勘探意义

2022-06-30郝立华刘小龙逄林安贾建忠

中国海上油气 2022年3期

郝立华李丹刘小龙逄林安贾建忠

(中国海洋石油国际有限公司北京 100028)

西南非海岸盆地位于非洲大陆西海岸的最南端，其北侧以威尔维斯火山脊为界，南侧为西非大陆架最南端，东侧为非洲大陆前寒武系基底，西侧为大陆壳边缘，面积约49.7万平方千米，为火山型被动大陆边缘盆地。该盆地自20世纪70年代开始勘探，已钻探井47口，目前仅在南部奥兰治次盆获得了少量油气发现[1-3]，其中1974年发现了迄今为止最大的K气田(天然气可采储量1 000亿方，至今未开发)，之后相继发现一些小气田，但一直尚未获得大的油气勘探突破。而其北侧同属于西非被动大陆边缘盆地的宽扎、下刚果-刚果扇、加蓬等盆地均获得了大量的油气发现[4-6]。目前关于西南非海岸盆地是否依然存在勘探潜力、是否具有石油勘探潜力、下步勘探方向在哪里等诸多问题依然不明。为解决目前面临的诸多问题，本文以烃源岩研究为突破口，以期厘清该盆地的勘探潜力。目前，国内主要是利用有机岩石学、有机地球化学等方法手段对烃源岩进行评价，对于少井/无井勘探区，传统的评价方法虽然直观，但存在较大局限性，难以对少井/无井区烃源岩平面展布进行系统评价和预测。针对以上问题，同时综合考虑研究区资料基础，本文综合利用地化、古生物、钻井、地震等相关资料，对该盆地过渡期Barremian—Aptian阶主力烃源岩进行系统的有机相分析，以期更为系统准确地评价及预测该套主力烃源岩。随后，综合盆地构造发育背景、沉积储层展布特征以及油气成藏规律，探讨盆地下步勘探方向，指出盆地潜在的有利勘探区带。以期对该盆地未来油气勘探起到一定的指导作用。

1 盆地形成演化概况

西南非海岸盆地位于纳米比亚和南非的西部海域，整体由三个次盆组成，由南向北依次为奥兰治次盆、鲁得里茨次盆和威尔维斯次盆，面积分别为24.8万平方千米、9.3万平方千米、15.6万平方千米，其中北部的威尔维斯次盆位于西非威尔维斯火山脊南部(图1)。

图1 西南非海岸盆地地理位置Fig.1 Location of Southwest African Coastal basin

西南非海岸盆地是冈瓦纳超级大陆解体与南大西洋扩张形成的大陆裂谷和被动大陆边缘型叠合盆地[7-9]。盆地整体经历三期构造演化[10-11]：裂谷期(J3—K1.Neocomian)、过渡期(K1.Barremian—Aptian)和漂移期(K1.Albian—现今)。

1) 裂谷期(J3—K1.Neocomian)

冈瓦纳大陆开始解体，随着南美板块和非洲板块裂解，处于西非南段的西南非海岸盆地率先破裂[7-9,12]，裂解扩张伴随着强烈的火山活动，从而在西南非海岸盆地沉积了一套溢流相火山喷发岩，在地震剖面上呈现出明显的向海倾斜地震反射波组特征(Seaward Dipping Reflector，SDR)[13]，沉积岩整体不发育，仅靠陆一侧局部小型裂谷地堑中发育少量湖相沉积(图2)。

图2 西南非海岸盆地威尔维斯次盆区域地质剖面(剖面位置见图1)Fig.2 Regional geological profile in Walvis sub-basin of Southwest African Coastal basin(see Fig.1 for location)

2) 过渡期(K1.Barremian—Aptian)

同裂谷阶段结束，开始形成初始洋壳。在威尔维斯火山脊以北，由于火山脊的遮挡作用，形成了海水循环受限的局限海环境，从而使得南大西洋两侧的西非、南美大陆边缘盆地沉积了一套厚度巨大、广泛分布的Aptian阶蒸发盐岩。而位于威尔维斯火山脊以南的西南非海岸盆地则无蒸发盐岩沉积，受盆地南部福克兰群岛呈现半遮挡状态的控制，盆地处于半封闭海湾环境[14-15]，半封闭海湾环境利于海相烃源岩发育，从而在该时期沉积了一套富含有机质的海相泥岩，该套海相泥岩为盆地的主力烃源岩[1,16]。

3)漂移期(K1.Albian—现今)

随着大陆的解体，盆地开始进入热沉降阶段。从早白垩世末的Albian期开始至今，以洋壳开始出现、洋中脊不断扩张、洋底增生及边缘热沉降为特征，整体为海相沉积。Albian阶沉积时期，北部威尔维斯次盆由于陆源碎屑供给少，坡折区水深适宜，发育陆架边缘礁滩相碳酸盐岩沉积(图2)。而南部奥兰治次盆陆源碎屑供给相对丰富，沉积了奥兰治三角洲。

西南非海岸盆地过渡阶段—漂移阶段沉积时期整体为缓坡背景，地层沉积厚度整体较薄(图2)，仅在南部次盆奥兰治三角洲沉积区，地层厚度相对较厚。同时，盆地构造相对稳定，活动较弱，仅在南部奥兰治三角洲沉积区发育了小规模的重力滑脱构造，且由于三角洲整体规模不大，断裂规模较小，均为晚白垩地层的层内断层，未断至下伏烃源岩层。

2 烃源岩发育特征

整体上，西南非海岸盆地对应三期构造演化阶段主要发育3套烃源岩[17-19]：裂谷期湖相烃源岩、过渡期 Barremian—Aptian阶海相烃源岩、漂移期Cenomanian—Turonian阶海相烃源岩。但由于裂谷期主要为SDR充填，湖相烃源岩分布局限，潜力有限。

过渡期海相烃源岩为盆地主力烃源岩，该时期盆地受北部威尔维斯火山脊阻隔和南部福克兰群岛半遮挡作用形成半封闭海湾环境，且Aptian时期全球海洋处于缺氧状态，利于有机质保存，从而形成一套相对优质的海相烃源岩，目前盆地已发现的天然气藏均是来自于该套烃源岩。

漂移期Cenomanian—Turonian沉积时期虽亦为全球缺氧背景[17-22]，但该时期西南非海岸盆地整体处于开阔海环境，不利于有机质保存，同时漂移期烃源岩地层埋藏浅，盆地内仅局部区域达到成熟阶段，为盆地的次要烃源岩。

西南非海岸盆地的油气勘探工作一直未停止，自2010年后油气勘探开始向深水区转移，先后在深水区钻探4口探井，均以失利告终，但这4口钻井揭示了过渡期优质的倾油型烃源岩，显示该盆地具有石油勘探潜力。为了厘清西南非海岸盆地油气勘探潜力，本文综合利用地化、古生物、钻井、地震等相关资料，对该盆地过渡期Aptian阶主力烃源岩进行系统的有机相分析[17-22]，认为西南非海岸盆地过渡期Aptian阶烃源岩从陆向海可依次划分为4种有机相，且呈现“内带倾气、外带倾油”的特点，西南非海岸盆地外带具有一定的找油潜力。

2.1 地化指标

盆地南部的K气田发现后，一度认为西南非海岸盆地只发育倾气型烃源岩，如K-5井揭示，TOC含量为1.5%～2.1%， S2平均1.26 mg/g，HI平均26～61 mg/g，为Ⅲ型干酪根(图3)，为倾气型烃源岩。

图3 K-5井过渡期Aptian阶海相烃源岩干酪根类型特征Fig.3 Kerogen type of transitional marine source rock in Well K-5

近几年一些深水井的钻探揭示了过渡期烃源岩地化指标平面变化大。其中，位于盆地南部K气田西北侧的MO-1井揭示过渡期海相烃源岩TOC含量为2.0%～5.5%，平均3.4%，HI平均564 mg/g，S2为15～30 mg/g，平均18.7 mg/g(图4)，为Ⅱ1—Ⅰ型干酪根(图5)，是优质的倾油型烃源岩。

图4 MO-1井有机碳丰度及生烃潜力特征Fig.4 TOC and S2 features of Well MO-1

图5 MO-1井过渡期Aptian阶海相烃源岩干酪根类型特征Fig.5 Kerogen type of transitional marine source rock in Well MO-1

位于盆地北部MR-1井揭示的过渡期烃源岩TOC含量为0.6%～3.3%，S2为7.0～22.6 mg/g(图6)，为Ⅱ1型干酪根，是优质的倾油型烃源岩。

图6 MR-1井有机碳丰度及生烃潜力特征Fig.6 TOC and S2 features of Well MR-1

与MR-1井相邻的WG-1井揭示的过渡期烃源岩TOC含量为0.6%～1.8%，S2为2.2～4.4 mg/g。同时WG-1井于过渡期烃源岩地层内的砂岩夹层中MDT取到了原油样品，其原油密度为0.816～0.835 g/cm3。原油化验分析显示其轻烃中甲苯和苯含量低，甲基环己烷丰度高，与典型偏腐殖型烃源岩原油的轻烃组成有明显差异，指示其为偏腐泥型烃源岩，以菌藻类为主的混合有机质特征，干酪根类型为Ⅱ1型，为倾油型烃源岩。

从上述3口重点井烃源岩地化特征可以看出，其与K气田钻遇的偏腐殖型烃源岩特征明显不同，钻井揭示盆地不同位置发育不同类型烃源岩，亦指示西南非海岸盆地发育倾油型烃源岩。由于钻井稀少，无法直接反映烃源岩地化指标平面分布规律。

2.2 地震相特征

通过过渡期Aptian阶烃源岩井-震结合分析显示，不同沉积相带，烃源岩响应特征具有明显差异(图7)。K气田区钻井揭示，烃源岩位于过渡期地层顶部，为高伽马泥岩，地震响应为低频、中强振幅、中等连续反射特征。MR-1、WG-1井揭示过渡期烃源岩为高伽马泥岩，地震响应为中低频、中强振幅、连续反射特征。MO-1井揭示过渡期烃源岩为高伽马泥岩，地震响应为高频、弱振幅、高连续反射特征。

图7 过渡期Aptian阶烃源岩地震识别图版Fig.7 Chart of seismic features of Aptian source rock in different sedimentary facies

基于钻井资料和区域二维地震资料研究，发现了盆地过渡期烃源岩地震相特征和地化指标变化平面分布规律，即由陆向海地震相特征呈平行海岸线的条带状展布，分为4个条带，分别为低频、强振幅、连续反射地震相；低频、中强振幅、中等连续反射地震相(K气田钻遇)；中低频、中强振幅、连续反射地震相(MR-1、WG-1井钻遇)；高频、弱振幅、高连续反射地震相(MO-1井钻遇)。

同时，这4个条带地化特征亦有所不同，从陆向海地化指标逐步变好，干酪根类型由Ⅲ—Ⅱ2型转变为Ⅱ1—Ⅰ型。

2.3 有机相特征

在前述烃源岩地化指标分析、地震相及沉积相研究基础上，按照有机质生源、有机质沉积环境以及干酪根类型，进而可划分出四大有机相带(即由陆向海分别为有机相A、B、C、D)。

有机相A，滨海陆源型有机相，该有机相带主要分布于滨海沉积相内。古生物资料显示其含丰富的孢粉化石组合，以Classopollis(克拉梭粉),Gleicheniidites(里白孢属)和Balmeiopsis(松柏类之一)占优势，且均为陆生高等植物孢粉，反应了较为湿热的气候类型。孢粉相和有机显微组分以木质组、炭屑和草本组占绝对优势，含极少量无定形组分，III型干酪根。说明其为典型陆源型烃源岩，为倾气型烃源岩。

有机相B，内浅海混源型有机相，该有机相带主要在内浅海环境下发育，主要位于浪基面之下、风暴浪基面以上的浅水区。古生物资料揭示过渡期烃源岩陆生孢粉含量50%～80%，显示其以陆源有机质供应为主，II2—III型干酪根，为倾气型烃源岩(K气田钻遇)。

有机相C，外浅海混源型有机相，该有机相带主要以外浅海环境为主，主要位于风暴浪基面之下的浅水区。古生物资料显示，过渡期烃源岩海洋生物组分中的无定形组分含量50%～80%，而陆源木本有机组分占比较小，为海陆混源型有机质供给，以海相内源型有机质为主，Ⅱ1型干酪根，为倾油型烃源岩(MR-1井、WG-1井钻遇)。

有机相D，上坡折带内源型有机相，该有机相带主要分布在靠海一侧的上坡折带。其有机质组成成分中，海相微生物组分含量80%以上，代表陆源有机质的木本组分较少，反映以海相内源型有机质为主的特点，Ⅰ—Ⅱ1型干酪根，为倾油型烃源岩(MO-1井钻遇)。

在有机相划分基础上，利用不同有机相带下不同类型烃源岩对应的地震反射特征，并以此为有机相平面划分依据，在沉积相带划分的基础上，可有效预测盆地无井/少井区烃源岩有机相带的平面展布。整体上盆地过渡期烃源岩由陆向海划分为4个有机相带，内侧两个相带(有机相A、B)为倾气型烃源岩，外侧两个相带(有机相C、D)为倾油型烃源岩，呈现出“内带倾气、外带倾油”的分布特点。

2.4 成熟烃源岩展布

整体上，南部奥兰治次盆由于发育晚白垩奥兰治三角洲，地层厚度大。中部鲁得里茨次盆和北部威尔维斯次盆缺乏大型物源输入，沉积地层厚度较薄。

盆地模拟结果显示，过渡期烃源岩大部分已进入成熟阶段(Ro>0.7%)。南部奥兰治次盆过渡期烃源岩基本全部成熟，且在沉积中心部位达到高成熟—过成熟阶段(1.3%

结合前述过渡期烃源岩有机相研究成果，进一步将内带成熟烃源岩分布区划分为倾气灶，外带成熟烃源岩分布区划分为倾油灶，从而指出了盆地寻找石油和天然气的有利勘探范围(图8)。2022年，西南非海洋盆地奥兰治次盆深水区相继获得两个油气发现，数据表明，油气来自于过渡期海相烃源岩，进一步证实本文关于该套烃源岩研究的可靠性。

图8 西南非海岸盆地过渡期烃源岩有效生烃灶分布Fig.8 Distribution of transitional source rocks’hydrocarbon kitchen in Southwest African Coastal basin

3 成藏模式与有利勘探方向

西南非海岸盆地整体为缓坡背景，地层厚度较薄，构造活动整体较弱，断裂体系不发育[9-10,23-24]，油气运移路径少，以近源成藏为主，因此紧邻过渡期Aptian阶主力烃源岩储集体为该盆地重点勘探层系，主要包括过渡期Barremian-Aptian期近岸风成沙丘、远岸隆起区碳酸盐岩台地[23]及Albian期碳酸盐岩和浊积砂岩。

过渡期Aptian阶成熟烃源岩生成的油气近距离运移至过渡期Barremian-Aptian期储集层以及紧邻烃源岩层段的漂移期Albian阶储集层中，形成自生自储型油气藏和下生上储型油气藏(图2)。

综合以上分析，西南非海岸盆地过渡期Aptian阶主力烃源岩可依次从陆向海划分为4个有机相带，且整体呈现“内带倾气、外带倾油”的特点，目前“内带倾气带”已有多个相关气藏发现，对于“外带倾油带”目前也已被W-1井(钻遇油层且MDT取到油样)所证实，这也进一步表明，该盆地具备石油和天然气两大勘探领域，尤其是新发现的石油勘探领域潜力较大。在主力烃源岩有机相研究基础之上，结合盆地油气“近源成藏”的特点及储层分布特征，认为盆地围绕过渡期主力烃源岩主要发育4个潜在勘探区带。

1) 威尔维斯次盆斜坡扇石油勘探潜力区带。该勘探潜力区带发育在威尔维斯次盆北部，为过渡期烃源岩生、漂移期Albian阶斜坡扇砂岩储的“下生上储型”成藏组合。早Albian期沉积时期，在威尔维斯次盆北部整体构造稳定，缺乏明显的陆架坡折，在此沉积背景下，较深水区发育了滑塌斜坡扇沉积，整体位于过渡期烃源岩倾油灶区内，以岩性圈闭为主。

2) 威尔维斯次盆陆架边缘礁滩相碳酸盐岩石油勘探潜力区带。该勘探潜力区带发育在威尔维斯次盆南部，为过渡期烃源岩生、漂移期Albian阶陆架边缘礁滩相碳酸盐岩储的“下生上储型”成藏组合。晚Albian沉积时期，在威尔维斯次盆南部陆架区发育了三期碳酸盐岩台地沉积，其中第三期沉积对应全球海平面下降后又缓慢上升的过程，为一套生物礁滩相碳酸盐岩，储层物性好，且整体处于过渡期烃源岩倾油灶区，以构造-岩性圈闭为主。

3) 奥兰治次盆碳酸盐岩台地生物礁相石油勘探潜力区带。该勘探潜力区带主要发育在盆地南部奥兰治次盆远岸一侧，为过渡期烃源岩生、过渡期碳酸盐岩台地生物礁储的“自生自储型”成藏组合。西南非海岸盆地远岸的中央隆起带发育多个受控于火山喷发而形成的基底高背景区，其上形成多个碳酸盐岩孤立台地，且整体呈现“时间分期、空间分段”的分布特征，即Barremian—Aptian期在奥兰治次盆形成了第一期火山隆起带，之上发育了一系列规模较大的碳酸盐岩台地；Aptian—Albian期在鲁得里茨次盆形成了第二期火山隆起带，之上发育了规模相对较小的碳酸盐岩台地。其中位于奥兰治次盆的第一期火山隆起带古水深适中，其上形成了一系列规模较大的碳酸盐岩台地，地震上具有台地边缘礁滩相的前积反射等生物建隆特征，预测其碳酸盐岩储层发育，且整体位于过渡期烃源岩倾油灶区内，可形成构造圈闭。

4) 奥兰治次盆风成砂天然气勘探潜力区带。该勘探潜力区带主要发育在盆地南部奥兰治次盆近岸一侧，为过渡期烃源岩生、过渡期风成砂储的“自生自储型”成藏组合。风成沙丘储层主要发育于过渡期的早中期(Barremian—下Aptian)，主要分布于奥兰治次盆，该时期奥兰治次盆近岸区地势平缓，为风成沙丘沉积提供了良好的背景，且风成沙丘发育位置与过渡期烃源岩倾气灶区匹配良好，可形成岩性圈闭，目前已发现K气田属于该类成藏组合。