巴西桑托斯盆地复杂碳酸盐岩油田火成岩发育特征及预测方法

2023-11-09刘亚明王丹丹田作基张志伟王童奎王朝锋阳孝法周玉冰

岩性油气藏 2023年6期

刘亚明，王丹丹，田作基，张志伟，王童奎，王朝锋，阳孝法，周玉冰

（1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2.中国石油国际勘探开发有限公司，北京 100034；3.中国石油杭州地质研究院，杭州 310023）

0 引言

南大西洋两岸的深海盆地是近年来全球油气勘探的热点地区，如巴西东南海域的桑托斯、坎波斯、艾斯普利托-桑托斯等被动陆缘盆地［1-2］。伴随着南美板块与非洲板块的分离，南大西洋两岸被动陆缘盆地发育多期火成岩，尤其是盐下碳酸盐岩内部及相邻地层发育了多期次、多类型的火成岩，其形成机制复杂多样，与储层交互出现。广泛分布的火成岩对油气勘探具有双重作用，一方面增加了油气勘探的难度，另一方面，一些盆地的火成岩具有商业性油气流，又成为了油气勘探对象［3-4］。

巴西深海桑托斯盆地是典型的富岩浆大陆边缘型含盐盆地，发育多期、多类型火成岩，以侵入岩和喷发岩为主，对油气成藏具有建设性和破坏性双重作用。桑托斯盆地火成岩、碳酸盐岩、泥岩等在电阻率、密度、声波时差等常规测井曲线上多有重叠，单一或多个参数均难以对三者进行有效区分［5］。尤其是喷发岩，其地震传播速度与碳酸盐岩差别较小，地震识别难度较大，经常被误认为碳酸盐岩［6-8］。因此，在勘探上迫切需要准确预测其纵、横向分布，从而在勘探和开发部署上采取针对性措施。

众多研究人员对火成岩的发育特征、储集性能和预测技术进行了深入研究。黄雪飞［3］将火成岩的发育期次划分为阿普特期和圣通-坎潘期；程涛等［9］将火成岩发育与盆地构造演化相结合，将火成岩的发育期次划分为断陷期、坳陷期和漂移期3 个阶段；王朝锋等［10］认为桑托斯盆地主要发育辉绿岩和玄武岩2 类火成岩，并根据地震属性和地震相进行了火成岩分布预测；孟卫工等［11］对火成岩油气藏勘探进行了研究，通过属性-反演联合对火成岩体进行了识别；关旭等［12］、邵锐等［13］对火成岩的预测技术进行了研究，研发了基于电阻率反演、地质统计学反演和地震各向异性的火成岩储层定性预测技术。研究人员对桑托斯盆地火成岩的发育特征及火成岩预测技术的研究均取得了一定成果，但针对火成岩发育期次和岩相特征、火山机构特征及其对火成岩分布的控制作用、火成岩定量预测等方面并未进行深入研究。根据薄片、测井和地震等资料，系统梳理桑托斯盆地火成岩发育期次、岩性岩相特征和火山机构模式，并以火山机构模式［14］为指导，以巴西桑托斯盆地Eastern 油田为例，分侵入岩和喷发岩2 类开展火成岩分布预测，以期为火成岩的分布预测提供技术支撑。

1 地质概况

桑托斯盆地是巴西最大的海岸盆地，为大西洋型被动陆缘盆地，面积约32.7×104km2。盆地北部与坎波斯盆地以Cabo Frio 弧为界，南部以Florianoplois 弧与佩罗塔斯盆地相邻，西部前阿普特期沉积地层边界与海岸平行（图1）。盆地在平面上具有“两凹两隆”的构造格局，自西向东可划分为西部隆起带、中央凹陷带、东部隆起带和东部凹陷带四大构造单元。垂向上盆地盐下构造以掀斜断块、地堑、地垒为主，裂谷期早期发育一系列北东—南西向的高角度正断层，圈闭类型主要是与正断层有关的倾斜断块、地垒和铲状断块及与火山作用有关的底辟背斜、断背斜等；盐上构造以挤压背斜、岩性上倾尖灭等构造为主。

图1 桑托斯盆地构造单元（a）及岩性地层综合柱状图（b）Fig.1 Tectonic units（a）and stratigraphic column（b）of Santos Basin

桑托斯盆地构造演化可分为裂谷期、过渡期和漂移期3 个阶段。裂谷期主要从前白垩纪到早白垩世阿普特期早期，发育河流、三角洲和湖相沉积，并伴有岩浆活动，是盆地主要烃源岩和主要储层形成期，奠定了盐下油气规模成藏的基础。该时期Picarras 组优质湖相烃源岩生烃潜力大，Itapema 组和Barra Velha 组湖相碳酸盐岩储层为盆地重要的储层，以介壳灰岩和微生物灰岩为主，夹有玄武岩和辉绿岩。过渡期主要沉积阿普特阶Ariri 组巨厚蒸发岩，最大厚度达4 100m［15］，以盐岩为主，夹杂有硬石膏、石膏和辉绿岩，在盆地中央凹陷带和东部隆起带具有大范围连续分布的特征，奠定了盆地盐下油气大规模成藏的盖层基础。漂移期从早白垩世至古近纪，发育海相碳酸盐岩和海相碎屑岩沉积，以泥晶灰岩、海相泥岩和深海浊积砂岩为主，含少量辉绿岩和玄武岩，主要沉积地层为Guaruja 组、Itanhaem 组、Itajai-Acu 组和Jureia 组，形成了盆地盐上含油气系统，资源潜力相对较小。

Eastern 油田位于桑托斯盆地东北部深水区，平均水深约2 100 m，构造上位于盆地东部隆起带。目的层为Itapema 组和Barra Velha 组，主要发育湖相碳酸盐岩，其中，Itapema 组主要为淡水介壳灰岩，Barra Velha 组主要为咸水微生物灰岩，包括颗粒灰岩、球粒灰岩、藻灰岩等。油田的主要盖层为Ariri 组蒸发岩，平均厚度为2 000 m，分布稳定。

2 火成岩发育特征

2.1 火成岩发育期次与岩相特征

桑托斯盆地发育侵入岩和喷发岩2 类火成岩，可分为5 期基性岩浆活动，分别为瓦兰今-欧特里夫期喷发岩（一期）、巴列姆-阿普特早期喷发岩（二期）、阿普特期喷发岩（三期）、坎潘期侵入岩（四期）和始新世侵入岩和喷发岩（五期）等。火成岩空间分布复杂，第一期—第三期岩浆活动奠定了碳酸盐岩建造古地貌背景。

桑托斯盆地发育陆上和水下2 类火山喷发环境，玄武岩可分为水下溢流相和陆上溢流相。目前研究认为，桑托斯盆地主要发育裂隙式和中心式火山机构类型。其中，裂隙式火山机构火山通常呈条带状分布，主体为多期前积熔岩三角洲、泛流玄武岩等，分布范围广；中心式火山机构火山口呈环形特征，发育规模小、范围局限。

桑托斯盆地火成岩发育火山通道相、火山颈相、溢流相、碎裂相、次火山岩相、火山沉积相等6 种岩相及火山口亚相、集块岩亚相、火山角砾岩亚相、溢流上部亚相、溢流下部亚相、碎裂亚相、浅层侵入岩及沉火山碎屑岩等8 种亚相。主要发育5 种岩石类型，以基性玄武岩、辉绿岩为主，局部发育基性凝灰岩、辉长岩和超基性煌斑岩。

2.2 火成岩地球物理响应特征

火成岩发育区地震反射特征的变化是基于火成岩与围岩的岩性差异、不同火成岩岩性差异所导致的速度变化。火成岩地震反射特征各异，其中，侵入岩多呈中—强振幅、连续短轴状反射特征，喷发岩多呈中—弱振幅、中—低连续、杂乱反射特征。火成岩在宏观上可分为平板状、丘状、蘑菇状、楔状等地震相类型［16］，且具有多种发育模式，同一地震反射特征往往具有多种地质解释，仅使用宏观特征难以对火成岩内幕特征进行准确刻画和分析，需结合地质背景对其进行具体分析。

桑托斯盆地火成岩形成于拉张构造背景，尤其是盐下目的层火成岩，主要与碳酸盐岩相伴生。在地震反射特征上，侵入岩具有较典型的地震相特征，多呈平行、穿层板状，喷发岩地震相则与碳酸盐岩较相近，多呈“蘑菇状”或“丘状”，内部多为杂乱反射（图2）。在测井上，侵入岩测井曲线表现为低伽马、低铀高钍、高电阻率、高密度、低中子孔隙度、低纵横波时差、ECS 剖面高黏土、高硅质等特征；喷发岩测井曲线表现为低伽马、低铀高钍、低—中电阻率、高密度、低中子孔隙度、低纵波时差、高横波时差、ECS 剖面高黏土、高硅质等特征（图3）。

图2 桑托斯盆地Eastern 油田南北向地震剖面与火成岩纵向发育特征Fig.2 North-south seismic section and vertical development characteristics of igneous rocks in Eastern oilfield，Santos Basin

图3 桑托斯盆地Eastern 油田测井综合柱状图Fig.3 Comprehensive log column of Eastern oilfield，Santos Basin

2.3 火山机构特征及其对火成岩分布的控制

火山机构是一定地质时期内同源火山物质堆积体的总称。火山机构的形态取决于火山喷发的类型，喷发物是否同源对埋藏火山机构分析及火山岩储层描述具有实质性影响［17-18］。现代火山喷发物多围绕火山通道堆积分布，火山机构形态有盾状、锥状和穹状。现代火山机构往往保存较好，古火山机构由于风化剥蚀和构造变动通常受到不同程度的破坏，形态已发生很大改变。

火山机构形态与其喷发环境密切相关，可分为陆上喷发和水下喷发2 种模式。这2 种喷发模式的区别主要体现在岩性、结构构造、蚀变特征、产状、与下伏地层的接触关系、孔隙及裂缝发育特征等方面。陆上喷发火成岩与基底呈角度不整合接触，风化壳因火山岩活动过程中构造不稳定和火山气射作用的共同影响不易完整保存；水下喷发火成岩以枕状珍珠岩岩球、层状凝灰岩、膨润土为特征［19-20］。

桑托斯盆地的形成演化与南美板块和非洲板块的分离密切相关，岩浆活动活跃，水下喷发和陆上喷发均有发育。水下喷发模式具有多个短暂间歇期，与储层交互发育，可分为裂隙式和中心式2种类型。该喷发模式下水体使岩浆快速冷却，影响了其相带展布，分布范围相对受限，火山机构剖面上呈盾状、层状火锥状，火山通道相、火山颈相、溢流相、碎裂相均有发育（图4、表1）。陆上喷发火山机构爆发强度相对较大，在桑托斯盆地亦可分为裂隙式和中心式2 种喷发类型，火山机构整体上呈盾状、带状或穹状。该喷发模式由于无水体影响，火山分布范围相对较广，火山机构相带相对较全，可分为火山通道相、侵出相、爆发相、溢流相、火山沉积相，发育气孔-杏仁孔，整体呈间粒结构和粒玄结构，岩心呈致密块状（表1）。

表1 桑托斯盆地不同喷发环境火成岩特征Table 1 Comparison of igneous rock characteristics in different eruptive environments in Santos Basin

图4 桑托斯盆地火山机构特征Fig.4 Characteristics of volcanic edifices in Santos Basin

火山机构在喷发环境、喷发方式和发育模式等方面控制着火成岩的纵横向分布。喷发环境可控制火成岩的平面分布范围，陆上喷发火成岩因不受水体影响且能利用有利地形或空气，流动或飘逸范围较广，分布范围较大，而水下喷发火成岩因受水体控制，冷却快，分布范围相对局限。在喷发方式上，从中心式到裂隙式，火成岩分布范围逐渐扩大，同时裂隙式火山喷发常沿断裂发育多层侵入岩。在发育模式上，盾状火山机构厚度大，分布范围相对较小，碟状或层状火山机构厚度相对较小，但分布范围更广；陆上喷发的楔状火山机构分布范围亦很大，但厚度分布规律与盾状和碟状相反，从火山口向斜坡区，厚度逐渐增大［21-23］。受具体古地形的控制，火山喷发表现形式通常不完整，形态各异，但各相带的分布规律基本相同，可依次发育火山口相、爆发相、溢流相，陆上喷发火成岩还发育次火山岩相和火山沉积相。

3 桑托斯盆地Eastern 油田火成岩分布预测

3.1 Eastern油田火成岩发育特征

Eastern 油田位于巴西桑托斯盆地东部隆起带，钻井揭示火成岩岩性主要为侵入岩和喷发岩，以辉绿岩和玄武岩为主，见辉长岩和煌斑岩，主要发育于阿普特期和三冬期-坎潘期，火成岩中SiO2质量分数为42%～49%，属超基性—基性岩类。

按照喷发火成岩发育期次划分，Eastern 油田发育3 期火成岩，分别为一、二、四期（图5）。一期喷发岩广泛分布于Camboriu 组，主要成因与裂谷早期断裂构造活动密切相关，位于基底之上，奠定了区块构造格局。二期喷发岩在裂谷末期与Itapema组碳酸盐岩伴生，沿控洼断裂喷发，主要分布于同沉积控洼生长断裂周边，对局部古地貌具有一定影响，并使碳酸盐岩储层进一步复杂化，地震反射特征与储层相近［24-26］。四期侵入岩和喷发岩，形成于晚白垩世后期，主要分布于Barra Velha 组顶部、盐间及盐上，在Barra Velha 组顶部碳酸盐岩薄弱面顺层侵入形成，在局部地区形成了不规则的盐内侵入，在盐上部分区域形成刺穿盐上地层的火山喷发。

图5 桑托斯盆地Eastern 油田火成岩纵向发育期次与分布Fig.5 Vertical development stages and distribution of igneous rocks in Eastern oilfield，Santos Basin

3.2 Eastern油田火成岩分布预测

火成岩分布预测遵循由定性到定量、由大到小、由粗到细的原则，按照火山机构“定区”、火山通道“定源”、地震反射特征“定相”、多重属性“定性”、叠前反演“定量”的思路进行。

（1）通过火山机构识别火成岩发育区

Eastern 油田盐下火成岩主要为水下喷发模式，多与碳酸盐岩互层出现，钻井取心薄片见玻质碎屑、火山玻璃等特征（图6）。在地震上喷发中心呈杂乱条带状反射特征，溢流相呈高频、连续、强振幅反射特征。Eastern 油田火山机构以裂隙式为主，呈盾状或半盾状特征，断裂周边地层厚度较大，向两侧呈逐渐减薄趋势，因此根据火山机构外形，可以限定火成岩发育的主体范围（图7a）。

图6 桑托斯盆地火成岩岩心薄片Fig.6 Core slices of igneous rocks in Santos Basin

图7 桑托斯盆地Eastern 油田盐下火山机构识别Fig.7 Identification of subsalt volcanic edifices in Eastern oilfield，Santos Basin

（2）通过火山通道确定岩浆来源

火山通道也称作岩浆通道，当地壳深部和上地幔中岩石发生熔融或局部熔融而形成岩浆时，其体积会增大，为抵抗上覆巨厚岩层的压力，岩浆需沿构造薄弱带（如断裂）向上运动。断裂一方面会引起深部压力的释放而促使岩石熔点降低，另一方面其本身也是岩浆上升的通道，因此火山通道是构造或地层的薄弱带，多沿断裂发育。本文在火山机构模式指导下，根据“追根溯源”的思路，寻找火山通道或火山口。Eastern 油田主要发育基性岩浆，地层倾角小，形成多期叠置连片分布、受深部断裂控制、呈裂隙式喷发的中低角度盾状火山机构。结合相干剖面和相干切片特征，地震反射特征为顶部下凹、下部杂乱反射的气烟囱样式，在深大断裂基础上发育的火山通道或火山口易于识别，是识别火山机构、指示火山机构中心的重要标志（图7b）。

（3）通过地震反射特征确定火山岩相类型

火山岩相是指“一定环境下火山活动产物特征的总称”或指“火山岩形成条件及其在该条件下所形成的火山岩特征的总和”［27］。研究火山岩对于重塑火山活动过程、恢复古火山机构、分析火山岩体形成机理、提高火山岩区填图找矿水平等均有一定的理论和实际意义。目前国内外对火山岩相的划分，首先根据火山岩所处的环境划分为海相与陆相火山岩，然后以全部火山活动产物的产出形态及岩石特征为基础，进一步划分为爆发相、喷溢相、侵出相、喷发-沉积相、火山通道相和潜火山相等火山岩相类型。通过岩心观察、镜下鉴定、测井与地震资料解释等，可以确定研究区的火山机构岩相类型。研究区发育火山通道相、火山颈相、爆发相和溢流相。通道相和爆发相在地震上呈低频、杂乱、弱振幅反射特征，溢流相呈中高频、连续、中强振幅反射特征，火山颈相呈低频、弱连续、中振幅反射特征（图7c）。

（4）通过多重地震属性确定火成岩平面分布

目的层侵入岩侵入特征明显，地震特征为低频强振幅，地球物理特征为高速度、高密度、高阻抗；喷发岩与碳酸盐岩反射特征相似，但可以结合火山机构模式，利用高亮体技术进行刻画。因此可以用属性、速度体及高亮体等互相验证，对火成岩进行剖面刻画及平面分布定性预测（图7d）。

基于低频强振幅特征的侵入岩分布预测，针对侵入岩低频、强振幅特征，在火山机构模式限定范围内，利用单频体进行岩性识别，在单频体上根据振幅强度确定门槛值，振幅值大于门槛值即为侵入岩。侵入岩的显著特征是相对高速，研究区辉绿岩纵波速度为5 860 m/s，明显高于灰岩（4 530～5 330 m/s）和玄武岩（4 176～5 430 m/s），因此，基于侵入岩的高速属性，可以对侵入岩的分布进行准确预测。基于钻井侵入岩速度统计，在火山机构模式限定的范围内，选取门槛值，在速度体上进行侵入岩分布刻画，定性预测侵入岩纵横向分布。综合2 种方法的预测结果，可以从平面上确定侵入岩的分布范围。

由于研究区玄武岩和灰岩纵波速度重叠，地震反射特征相似，通过速度属性或地震相特征难以准确刻画。以火山机构模式为指导，基于相关性和高亮体等技术，可以较好地刻画喷发岩的分布范围。高亮体技术主要是通过突出峰值振幅与有效频带内平均振幅的差异，去除背景能量的影响，刻画出异常体边界范围；地震相干技术是利用地震道间的振幅强弱关系、连续性和波形特征等的差别，从相关性和相似性角度进行喷发岩和碳酸盐岩的区分［28］。根据喷发岩的弱振幅、中高频、杂乱不连续反射特征，结合火山机构模式，采用高亮体和地震相关技术，在火山机构识别和限定的火成岩发育范围内，进一步区分喷发岩与碳酸盐岩，精细刻画喷发岩的纵横向分布，进一步识别出火山机构。

（5）通过叠前反演定量预测火成岩分布

叠前反演首先需要筛选出对目的层火成岩有效的敏感属性。不同地区、不同环境、不同岩性所对应的敏感属性各异。根据Eastern 油田目的层侵入岩低声波时差、高密度、高纵波波阻抗等特征，通过岩石物理分析，优选出侵入岩敏感属性——纵波阻抗IP和喷发岩敏感属性——泊松阻抗IP-IS（IP为纵波阻抗，IS为横波阻抗）（图8），为下一步反演做准备。

图8 桑托斯盆地Eastern 油田盐下火成岩敏感属性Fig.8 Sensitive attributes of subsalt igneous rocks in Eastern oilfield，Santos Basin

根据IP和IP-IS开展叠前反演，进行火成岩厚度分布预测。叠前反演利用多个不同角度叠加的地震数据体，将叠后波阻抗和叠前AVO 属性整合到反演流程中，通过地震、测井等多种信息约束，反演出纵横波阻抗和密度等弹性参数，进而获得泊松比、纵横波速度比、孔隙度等属性参数体，进而进行储层物性和含油性综合判别［29］。针对Eastern 油田目的层段，在火山机构模式限定的范围内，开展叠前纵横波反演，重点参考优选出的敏感属性IP和IP-IS，得到侵入岩IP、喷发岩IP-IS的阻抗体，然后进行火成岩厚度分布预测。在火成岩分布综合定性预测的基础上，结合叠前反演结果，设定波阻抗门槛值，在火山机构模式限定的范围内，通过开时窗的方式，针对目的层段进行火成岩厚度统计，再经过钻井校正，得到目的层火成岩的厚度分布预测结果（图9），从而实现火成岩分布地震定量预测。

预测结果经Eastern 油田20 口新钻井验证，其中19 口井火成岩钻遇结果与钻前预测一致，火成岩分布预测准确率大于95%，厚度预测相对误差小于5%。从预测结果来看，Eastern 油田具有中部、西北部和东部3 个火成岩发育区。侵入岩主要分布于中部，喷发岩主要分布于西北部和东部，2 井、5 井和11 井火成岩厚度最大，向四周呈逐渐减薄趋势（图10）。

图10 桑托斯盆地Eastern 油田盐下第四期侵入岩分布（a）与厚度（b）预测Fig.10 Distribution（a）and thickness（b）prediction of the fourth stage of subsalt intrusive rocks in Eastern oilfield，Santos Basin

4 勘探意义

4.1 火成岩对油气成藏的影响

含火成岩的盆地其油气成藏与火成岩的形成和演化密切相关。火成岩的高热量和丰富的矿物质有利于烃源岩形成，既可提高生烃转换效率，又可侵蚀、破坏烃源岩。火成岩有形成储层、改造储层和改变古地貌等的建设性作用，也有烘烤储层使之致密、侵占储集空间等破坏性作用。致密火成岩可直接或间接作为有效盖层，岩浆活动能丰富圈闭类型，热动力及产生的裂缝有利于油气运移。此外，后期火成岩对早期油气藏具有破坏作用，早期或同期发育的火成岩对油气成藏影响较小。

在进行地震数据采集时，要考虑到大面积分布的火成岩对下伏地层的屏蔽和干涉作用会使目的层地震资料品质较差；在进行地震资料解释时，要考虑火成岩厚度分布不均、速度变化大及上覆高速层的存在所导致的下伏局部地震反射畸变，产生假断层和假构造，使得目标区构造落实困难、储层预测难度大。基于此，在地震勘探中，要综合采用重磁采集和“两宽一高”（宽频、宽方位、高密度）的地震勘探技术、高保真多次波噪声压制处理技术、重磁电测震“五位一体”综合火成岩体识别技术、火成岩裂缝性储层测井评价技术［30-32］，以使火成岩成像效果更佳，反演预测准确度更高。

4.2 火成岩对油气勘探的意义

在巴西桑托斯盆地盐下碳酸盐岩勘探中，前期油气集中在盆地东部隆起带。随着勘探的深入，尤其是2011 年中央凹陷带Carcara 油田的勘探突破，在原本认为是生烃凹陷的中央凹陷带发现了盐下碳酸盐岩大油气田，随后发现了如Sagitario，Araucaria，Guanxuma 及Curacao 等一批大型油气田，打破了中央凹陷带“只生油难储油”的传统认识。由于中央凹陷带火成岩广泛发育，改变了中央凹陷带的局部古地貌，形成了有利于碳酸盐岩沉积的浅水环境，促进了碳酸盐岩储层发育。由此可见，火成岩的发育是研究区大油气田形成的关键因素之一（图11）。