朱石磊 吴克强 吕 明 王 颖 董朔朋 蔡露露 廖计华 邹梦君 孙 涛 李 楠 王龙颖

(中海油研究总院 北京 100028)

巴西坎波斯盆地湖相介壳灰岩特征及沉积模式*

朱石磊 吴克强 吕 明 王 颖 董朔朋 蔡露露 廖计华 邹梦君 孙 涛 李 楠 王龙颖

(中海油研究总院 北京 100028)

朱石磊,吴克强，吕明,等.巴西坎波斯盆地湖相介壳灰岩特征及沉积模式[J].中国海上油气，2017,29(2)：36-45.

ZHU Shilei,WU Keqiang,LYU Ming,et al.Characteristics and sedimentary model of lacustrine coquina in Campos basin, Brazill[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(2):36-45.

巴西盐下巨型湖相介壳灰岩储层是当前全球油气勘探的热点，潜力巨大但研究程度却较低。本文结合岩心、薄片、地震和综合地质录井数据等资料，对巴西坎波斯盆地西部隆起带盐下白垩系Lagoa Feia组湖相介壳灰岩的岩石学特征、沉积学特征、地震反射特征和沉积模式进行了深入分析。坎波斯盆地介壳灰岩包含生物礁灰岩和颗粒灰岩2种主要类型,是以双壳类硬质壳体为主，介形类和腹足类壳体为辅，并含有其他碳酸盐岩组分和部分硅质碎屑的岩性复合体。该盆地介壳灰岩总体发育于滨浅湖区域，可划分出湖缘、生物碎屑砂质滩、生物碎屑灰质滩、鲕粒滩、生物礁后滩、生物礁和生物碎屑滑塌扇等7种主要相带类型。分析了几种主要相带对应的地震反射特征，建立了断陷湖盆边缘镶边台地介壳灰岩沉积模式，其中生物礁相带的提出系基于新资料经研究后提出的新认识，与前人持有的介壳灰岩滩坝观点有所不同。本文研究结果对于类似地区的油气勘探具有指导作用。

坎波斯盆地；西部隆起带；Lagoa Feia组；介壳灰岩特征；沉积模式

坎波斯(Campos)盆地勘探历史悠久且成果显著。截至2012年，盆地内共获得122个油气发现，探明可采储量46.56×108t(油当量)，占巴西总探明可采储量的80%，产量占巴西总产量的84%[1]，是全巴西最重要的油气产地。但是目前的勘探发现主要集中在白垩系漂移期浊积砂岩储层，对盐下裂谷期湖相碳酸盐岩的研究在国内外公开发表的文献中却不多见。然而近年来国内外石油公司对该盆地湖相碳酸盐岩的勘探却成效显著，特别是南邻桑托斯盆地盐下Lula、Libra等特大油田的发现，将国内外油气地质学家和石油公司的目光聚焦到该领域，成为当前全球石油地质研究的热点之一。已有资料显示，巴西盐下湖相碳酸盐岩储层主要为白垩纪Barremian-Aptian期生物成因的介壳灰岩和微生物灰岩两大类型[2]。其中介壳灰岩储层初始产量可达10 000桶/d，后期可稳定在1 000～3 000桶/d，显示出巨大的勘探潜力，成为大西洋两岸油气勘探接替的现实选择之一[3]。然而介壳灰岩受构造作用、气候和水文条件等多因素影响，其储层厚度和性质等储层参数在空间上变化剧烈，井间差异巨大，与目前熟知的其他生物碳酸盐岩存在显著差别[4-5]；同时受上覆盐岩屏蔽作用影响，地震成像品质差，更是给该类储层蒙上了一层神秘面纱[6]。随着大西洋两岸勘探主战场向深水挺进，盐下湖相介壳灰岩的勘探和科研价值日益凸显。笔者对此进行了追踪研究，阐述了巴西坎波斯盆地西部隆起带盐下湖相介壳灰岩的沉积储层特征，总结了沉积模式，以期为该区的油气勘探提供地质依据。

1 区域地质特征

1.1 构造演化特征

坎波斯盆地位于巴西东南部里约热内卢州和圣埃斯皮里图州海域，南与桑托斯盆地相邻，北与埃斯皮里图桑托盆地相接。坎波斯盆地总面积17.52×104km2，海上主体部分约16.94×104km2，水深0～3 400 m[1]。坎波斯盆地是巴西东部裂谷系的一部分，是典型的被动大陆边缘盆地[7]。现今的坎波斯盆地，海域主体部分总体上具有“两坳夹一隆”的构造格局，西部为近平行岸线北东走向的隆起带，中、东部为隆起欠发育的低隆区，中部坳陷带与东部坳陷带向北部合拢，内有多个局部低凸起(图1)。盆地构造演化经历3个期次：同裂谷期、过渡期和漂移期[8]。玄武岩泛流喷发拉开了南大西洋裂谷活动的序幕[9]，形成的熔岩隆起和火山脊构成了一道天然屏障，将桑托斯盆地及以北的陆相断陷湖盆沉积体系与南部的大洋沉积体系分隔开。Barremian末—Aptian初期，强烈的断裂活动促使坎波斯等盆地半地堑构造单元发育，形成一系列小型的冲积-湖泊沉积；Aptian初期，区域性水退造成断块出露剥蚀，形成pré-Neo-Alagoas区域不整合，标志着盆地进入热沉降阶段[10-11]，持续沉降使得若干小型湖泊相互连通，并伴有幕式海侵，盆地规模增大，形成一个统一的咸化坳陷湖盆，拗陷末期气候干热，蒸发强烈，大规模沉积厚层盐岩[12]；Aptian末期海底持续扩张，进入被动大陆边缘演化阶段。

图1 坎波斯盆地现今构造纲要图Fig .1 Structure outline map of Campos basin

1.2 沉积充填特征

坎波斯盆地沉积充填主要划分为3期：同裂谷期陆相冲积-湖泊沉积体系、过渡期碳酸盐岩-盐岩沉积和漂移期以来的海相沉积(图2)。

图2 坎波斯盆地地层柱状图(据文献[8]修改)Fig .2 Stratigraphic column of Campos basin(adapted from reference[8])

1)同裂谷期。同裂谷层序开始于早白垩世Hauterivian期，终止于Aptian初期，在玄武岩基底之上沉积了厚度约为2 000 m的陆相冲积-湖泊体系。裂陷之初盆地快速沉降，充填序列呈现向上变深的正旋回特征，盆地自西向东发育冲积扇(扇三角洲)—河流三角洲沉积—湖相沉积；裂谷晚期构造活动减弱，水体扩张，在盆内某些构造凸起区域发育以生物介壳灰岩为主的碳酸盐岩沉积；裂谷末期受陆壳整体抬升影响，层序充填呈现向上变浅的旋回特征。同裂谷期发育了有机质含量丰富的Lagoa Feia组湖相页岩，为盐下油气藏的主力烃源岩。

2)过渡期。同裂谷期结束，伸展作用仅局限于洋陆界线的邻近区域，并发育了一个区域不整合面，该不整合面可等同于大陆分离的开始，标志着热沉降的启动以及一个宽阔而缓慢沉降的坳陷盆地的发育。在持续干旱的气候背景下，伴有幕式海侵的半咸化—咸化湖泊环境内沉积了厚约1 000 m的碎屑岩、微生物碳酸盐岩和蒸发岩巨层序，其中微生物灰岩亦成为当前盐下重要储层类型之一，蒸发岩是非常好的区域盖层。

3)漂移期。Albian期至今，受被动大陆边缘热沉降和海侵影响，巴西沿岸长期发育海相沉积。该阶段主要由3套海相序列组成：①Albian早期海侵沉积了超过1 000 m的浅水碳酸盐岩、泥灰岩和泥岩序列，发育浅水碳酸盐岩台地，Cenomanian期台地淹没导致富含有机物的页岩堆积，Turonian期三角洲层序向海进积标志着一次海退的开始；②从Maastrichtian期到早渐新世，再次出现沉降和一次海进，沉积了深水浊积碎屑岩和大套海相泥岩；③渐新世到新近纪再次海退，沉积了前积碎屑岩楔状体和海相碳酸盐岩[13]。

2 介壳灰岩特征

2.1 介壳灰岩的定义

介壳灰岩(Coquina)一词源自西班牙语，原意仅指生物壳体硬质组分组成的致密堆积体，在南大西洋盐下湖相灰岩的勘探实践中，这一概念被赋予了石油地质学中的储层和成岩作用的意义从而泛化，因此在本文中，大西洋两岸盐下的介壳灰岩特指以双壳类硬质壳体为主，介形类和腹足类壳体为辅，并含有其他碳酸盐岩组分和硅质碎屑组分的岩性复合体的统称[3]。

Castro等[14]在坎波斯盆地识别出了两大类介壳灰岩：“纯介壳灰岩”和“颗粒介壳灰岩”，本次研究中予以了确认。并明确指出“纯介壳灰岩”特征符合礁的概念，对应福克分类体系中的生物礁灰岩，主要由原地堆积的双壳类壳体粘结固着而成的块状岩隆，有着非常好的储层物性参数，是介壳灰岩储层中最好的类型。“颗粒介壳灰岩”含有大量灰岩组分和某些非灰质颗粒，灰岩组分包括鲕粒灰岩、生物碎屑颗粒灰岩、球粒灰岩等，非灰质颗粒主要是陆源硅质碎屑，系异地搬运、改造而成，对应福克分类体系中的异化颗粒石灰岩，是介壳灰岩储层的重要类型。

2.2 介壳灰岩的岩石类型与显微特征

2.2.1 生物礁灰岩

生物礁灰岩基本上以双壳类生物碎屑为主，少见介形类生物碎屑和其他类型的岩石组分，镜下显示其碎屑规模颇为“壮观”，可达厘米级别，是典型的砾屑灰岩(图3a红色轮廓)。大部分双壳类保持原始的壳体轮廓，磨蚀作用不强，凹面朝向各异，保持着原地堆积或近距离搬运的状态，而未见簸选和定向排列的特征。后期成岩改造作用明显，粒间孔(图3a、b红色箭头所指)与粒内孔(图3a、b绿色箭头所指)均十分发育，局部被硅质充填(图3a黄色箭头所指)，块状方解石胶结。生物礁灰岩是最主力的储层类型，平均孔隙度和渗透率分别为15%和120 mD，最大甚至可达20%和1 000 mD[16-17]。综上判断，该类型介壳灰岩发育在远离陆源碎屑输入的强水动力环境中。

2.2.2 颗粒灰岩

1) 生物碎屑颗粒灰岩。

生物碎屑颗粒灰岩在镜下可见以介形类、双壳类等为主的生物化石碎屑。

介形类的完整壳体在镜下呈两瓣结构，轴切面呈不对称长卵形，底端具有两瓣相互铰合特征(图3c红色圆圈所示)；单瓣壳体两端厚薄不一，轴切面显月牙形，部分壳体内部被亮晶胶结物充填(图3c红色箭头所指)，基质为泥晶灰岩(图3c暗色物质)。镜下观察可知，介形类碎屑壳类形态多样，完整壳体与壳体碎片并存，杂乱分布，并未表现出簸选和定向排列的特征，还可见挤压作用造成的裂缝，故推断此类生物碎屑灰岩处于相对较深的静水环境中，并伴有滑塌挤压现象。

双壳类生物碎屑个体较大，长度多在2mm之上，达砾屑级别。完整的双壳类壳体亦呈现双瓣结构，底端也有两瓣相互铰合特征，单瓣壳体两端厚薄有异，轴切面呈回旋镖型(图3d绿色箭头所指)。镜下显示，大部分双壳类壳体遭磨蚀而导致壳体不完整(图3e绿色箭头所指)，边缘圆滑，整体排列显示出一定的定向性，个别壳体局部被硅质充填(图3e红色箭头所指白色部分)。由此推断，此类生物碎屑灰岩沉积区处于水动力相对较强的簸选环境之中。

图3 坎波斯盆地介壳灰岩主要灰质组分及显微特征(据文献[3，15]修改)Fig .3 Dominate carbonate components of coquinas and their microscopic features in Campos basin (adapted from references [3,15])

2) 鲕粒灰岩。

研究区内最具特色的是发育滑镁皂石(Talc-Stevensite)包壳鲕粒灰岩，主要由鲕粒(图3f红色箭头所指)和少量生物碎屑(图3f绿色箭头所指)等组成，亮晶方解石胶结。其中鲕粒核心类型丰富，包含双壳类(图3d绿色箭头所指)、介形类生物碎屑(图3d红色箭头所指)及陆源石英碎屑(图3f黄色箭头所指)等，而双壳类碎屑作为鲕粒核心占比很高，且大多棱角尖锐，磨圆较差，但陆源石英碎屑核心却显示了较高的磨圆度。鲕粒直径介于0.5～2.0 mm之间，大的则超过4 mm，反映出当时高能动荡的水体环境。滑镁皂石是三八面体的富镁硅酸盐矿物，多于pH>9的碱水环境中析出[18-19]，在现今水体pH>9的裂陷湖盆亦见报道[20]，综上特征，认为此类鲕粒灰岩沉积于远离湖岸、毗邻双壳类栖息地且搅动强烈的碱性湖泊环境。

2.3 介壳灰岩的沉积特征

2.3.1 主要沉积相带类型

介壳灰岩总体上位于滨浅湖区域，但在纵向上的相序演化和横向上的相带组合非常复杂，既有由复杂多岩性薄互层组成的向上变粗的米级旋回，也有单层厚达10 m以上的纯净双壳类为主的生物礁块体。根据与陆源硅质碎屑的联系、生物碎屑的厚度、生物碎屑的磨蚀程度、在岩层中的占比不同和是否存在沉积构造等原则，将介壳灰岩储层所属相带划分出如下7种[3-4]：

1) 生物碎屑砂质滩。含粗粒屑灰岩的陆源石英砂岩，颗粒支撑，疏松固结，含30%～50%的生物壳体碎片，有低角度的交错层理、块状层理和递变层理等特征。灰岩段常与向上变浅粒序的石英砂岩段间互出现。总体上处于湖盆边缘高能环境，或因风暴流改造混合陆源石英碎屑而成(图4a)。

2) 生物碎屑灰质滩。含生物碎屑的中、粗粒屑灰岩，与灰色泥岩和泥屑灰岩互层出现，呈低角度交错层理、鸟眼构造，生物碎屑显示高度磨损，壳体完整度低，为异地搬运而来，泥岩中局部见微生物席和石膏晶体，总体上处于水下高能滩相环境，局部显示近岸暴露蒸发的环境特征(图4b)。

3) 湖缘。常见红色泥岩和灰质泥岩，含介形类灰质组分和细粒粉砂岩；沉积构造包括鸟眼、泥裂、足迹化石等生物扰动证据。总体上处于低构造梯度背景上的低能且伴有间歇性区域暴露的浅水沉积环境(图4c)。

图4 坎波斯盆地介壳灰岩主要相类型(部分资料据文献[21-22]，井位置见图1)Fig .4 Dominate facies of coquinas in Campos basin(parts adapted from references [21-22],well position in Fig.1)

4) 鲕粒滩。鲕粒滩主要由以弱磨圆的双壳类、介形类生物碎屑及强磨圆的陆源石英碎屑等为核心，滑镁皂石为包壳的鲕粒灰岩，混合大量生物碎屑，由亮晶方解石胶结而成，反映了远离湖岸、毗邻双壳类栖息地且搅动强烈的碱性湖泊环境(图4d)。

5) 生物礁。主要由较为完整的双壳类壳体和极少腹足类、介形类壳体与菌藻类原地相互粘连、致密固结而成，壳体组分一般占50%～70%，局部可达70%以上，偶夹薄层砂屑灰岩、泥屑灰岩，无石英砂质碎屑夹层，灰岩中见海绿石、微生物及藻碎屑化石和含黄铁矿的白云石等(图4e)。大多数地质学家所认同的生物礁定义是：一种坚硬的、抗浪固着的生物骨架，它是由骨架单元及其碎屑残余组成的一种碳酸盐岩建造，碎屑残余物质充填于骨架内部空间和骨架间的孔隙中[23-24]。分析判断此类岩性特征符合礁的定义，实际上是以双壳类为主的生物礁相，总体上处于古构造高点迎浪陡坡一侧位置，是浅水高能环境下的产物。

6) 生物礁后滩。主要由含生物碎屑的砾屑-砂屑灰岩夹杂页岩和灰泥岩组成，壳质碎片双壳类为主，泥岩中有介形类，少见腹足类，砾屑灰岩存在于古沉积高点，广泛分布在礁体的侧面和礁后斜坡上，推测为风暴成因，水动力较生物礁稍弱，指示浪控湖泊环境(图4f)。

7) 生物碎屑滑塌扇。岩性主要由混杂埋藏的生物贝壳碎屑灰岩(介型类为主)、球粒灰岩、灰泥岩和泥岩(局部还可见薄层砂岩)组成，可见滑塌变形构造。总体上处于台地边缘古构造高点向湖一侧的陡坡上，是浅水向深水过渡的低能环境(图4g)。

2.3.2 沉积体系演化分析

如图5所示，介壳灰岩主要发育在Lagoa Feia组Coqueiros段。低位体系域，西部隆起带近高凸起处沉积相被低位三角洲主导，隆起带边缘向湖方向的陡坡一侧，发育生物碎屑滑塌扇沉积，隆起带边缘的内缓坡上，则发育鲕粒滩(W3井)；水进体系域，软体动物大规模繁盛，以双壳类占主导地位的生物礁多期发育，W4井显示累计厚度较大，但横向延伸较短，向岸方向逐渐过渡为生物礁后滩相，近岸处的W1—W2井受陆源碎屑注入和波浪簸选改造影响，混杂风暴和湖流作用裹挟而来的生物碎屑发育了生物碎屑砂质滩相带，湖侵最大时造灰生物受抑制，湖相泥岩占据主要地位；高位体系域内水位开始缓慢下降后，双壳类等造灰生物再度繁盛，礁滩相生物碎屑灰岩比重增加，相带整体呈现向岸迁移变浅的趋势。

图5 坎波斯盆地介壳灰岩沉积体系演化剖面Fig .5 Profile of coquinas sedimentary system’s evolution in Campos basin

2.4 介壳灰岩的地震反射特征

研究区介壳灰岩储层所属各沉积相带对应的地震反射特征独特而鲜明(图6)。经W1井等钻井资料标定，A相区对应含生物碎屑砂质滩的地震反射特征：楔状中—弱振幅中高频弱连续亚平行反射。向湖盆方向随生物碎屑灰质组分的增加，振幅能量显著加强；B相区对应鲕粒滩与泻湖交替互层的地震反射特征：席状强振幅中高频较连续平行反射。剖面显示该区域是局部的小型沉积中心，同时接受来自西部高凸起和东部低凸起上的物源供给；C相区对应生物礁后滩的地震反射特征：席状强振幅中低频连续平行反射；D相区对应生物礁地震反射特征：波状-丘状中振幅、中高频断续杂乱反射。剖面反映了生物礁在迎浪方向多期发育，呈典型的丘状外形和内幕反射结构，且厚度明显大于周缘同期地层，反映出生物主动建造的特征。

图6 坎波斯盆地介壳灰岩储层典型二维地震相剖面Fig .6 Typical 2D seismic facies profile of pre-salt coquinas reservoir in Campos basin

3 介壳灰岩沉积模式

湖相碳酸盐岩受控因素较多，沉积模式较为复杂，比较有代表性的方案有：根据盆地性质、湖盆发育阶段、水体咸度、湖盆地貌及位置等提出断陷咸水湖盆边缘碳酸盐岩沉积模式等；按水文条件、水动力条件和湖盆地貌等提出开口湖盆边缘低能台地碳酸盐岩沉积模式等[25-29]，总结为表1。参考前人研究成果，本文依据坎波斯盆地西部隆起带盐下介壳灰岩储层的具体特征，提出了断陷湖盆边缘镶边台地介壳灰岩沉积模式(图7)。

表1 国内外代表性湖相碳酸盐岩沉积模式Table 1 Representative lacustrine depositional models in China and abroad

图7 坎波斯盆地西部隆起带盐下介壳灰岩沉积模式图Fig .7 Depositional model diagram of pre-salt coquinas on western uplift zone,Campos basin

坎波斯盆地西部隆起带向陆一侧遮挡了来自西部大部分的陆源碎屑，向湖一侧受反向同沉积断裂影响，造就了湖盆边缘型台地的古地貌背景。西部高凸起边缘断裂坡折带控制了浅水、动荡、簸选作用强烈的滨湖沉积环境，利于碎屑岩分选与滩相灰岩发育，从岸到湖方向发育了湖缘、生物碎屑砂质滩、生物碎屑灰质滩等相带；斜坡背景上台内低洼位置发育了泻湖相带；坳陷边缘断裂坡折带塑造了台地边缘处的正向高构造背景，此处高能、干净的浅湖环境导致了双壳类、菌藻类等生物的聚集和繁盛，发育具有抗浪格架的生物礁相灰岩，礁体连片形成台地的“线”型镶边；礁后水体动荡程度依然较高，湖浪改造风暴裹挟而来的生物碎屑，形成生物礁后滩和鲕粒滩等相带；坳陷边缘断裂坡折带以外坡度迅速增大，接收上游风化剥蚀或者风暴作用产生的碎屑，发育生物碎屑滑塌扇。

4 结论

1) 在对巴西坎波斯盆地构造演化特征和沉积充填特征研究的基础上，结合前人的研究成果，重新定义了坎波斯盆地湖相介壳灰岩。将坎波斯盆地西部隆起带盐下湖相介壳灰岩划分出了生物礁灰岩和颗粒灰岩2种类型。生物礁灰岩以双壳类硬质壳体为主，致密固结，亮晶方解石胶结。颗粒灰岩主要包括生物碎屑颗粒灰岩和鲕粒灰岩，并含有其他碳酸盐岩组分和部分硅质碎屑。生物碎屑颗粒和鲕粒灰岩的核心均包含双壳类、介形类和腹足类等壳体碎片。

2) 提出了坎波斯盆地西部隆起带盐下湖相介壳灰岩沉积模式。介壳灰岩所属相带受同沉积断裂塑造的湖盆边缘型台地古地貌控制，由岸向湖方向可划分出湖缘、生物碎屑砂质滩、生物碎屑灰质滩、鲕粒滩、生物礁后滩、生物礁和生物碎屑滑塌扇等7种主要相带类型。其中，台地边缘“线”型分布的生物礁和生物礁后滩发育规模大、储层物性好，应优先勘探；而鲕粒滩、生物碎屑砂质滩和生物碎屑灰质滩亦是重要的储层类型，值得进一步关注和研究。

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(编辑：冯 娜)

Characteristics and sedimentary model of lacustrine coquina in Campos basin, Brazil

ZHU Shilei WU Keqiang LYU Ming WANG Ying DONG Shuopeng CAI Lulu LIAO Jihua ZOU Mengjun SUN Tao LI Nan WANG Longying

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

The giant pre-salt lacustrine coquina reservoir in Brazil is one hotspot of globe oil and gas exploration with great potential but poorly studied. The lithology, sedimentation, seismic characteristics and depositional model of coquina in Cretaceous Lagoa Feia Formation in western uplift zone in Campos basin are analyzed based on core data, thin sections, seismic data and well logging. The coquina is dominated by fossils of bivalve mollusk with subordinate ostracods, gastropods and other carbonate and siliciclastic components, and can be divided into 2 main types: organic reef and allochem limestone.Coquina reservoir in Campos basin mainly developing in shorezone and offshore can be categorized into such 7 facies belts as marginal lake, bioclastic sandy beaches, bioclastic calcarenite beaches, oolitic beach, backreef shoal, organic reef and bioclastic slump fan. Several main seismic reflection characteristics are analyzed and depositional model of coquina in marginal rimmed platform of rift lake basin is built. The viewpoint of reef facies is proposed based on the new understanding of up-to-date data, which is different from the prior ideas of shoal and bar. The results in this paper can guide oil and gas exploration for similar region.

Campos basin; western uplift zone; Lagoa Feia Formation; coquina characteristics; sedimentary model

朱石磊，男，工程师，2013年毕业于中国地质大学(北京)能源地质工程专业，获博士学位，主要从事沉积储层方面的研究工作。地址：北京市朝阳区太阳宫南街6号院1号楼(邮编：100028)。E-mail：zhushl3@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)02-0036-10

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.02.005

TE121.3

A

2016-11-07 改回日期：2016-12-25

*“十二五”国家科技重大专项“海外大陆边缘盆地勘探开发实用新技术研究(编号:2011ZX05030-003)”部分研究成果。