桑托斯盆地为巴西东南海域的被动大陆边缘盆地, 其形成和演化与冈瓦纳大陆的解体有关。桑托斯盆地总体具有NE—SW走向、隆坳相间的构造格局(图 2), 发育“三坳夹两隆”的结构, 自西向东分别为西部洼陷带、西部隆起带、中央坳陷带、东部隆起带和东部坳陷带。其中, 东部隆起带整体为大型古隆起, 具有垒堑间互的构造样式, 地形高差相对较小。现有勘探活动表明东部隆起带在裂谷末期碳酸盐岩储层广泛发育、连片性较好, 且地堑区优质湖相烃源岩也较为发育。

图  2  桑托斯盆地地层综合柱状图

Figure 2.  Stratigraphic column of the Santos Basin

桑托斯盆地经历了三期构造演化阶段, 分别为早白垩世欧特里夫期-早阿普特期同裂谷阶段、晚阿普特期-早阿尔比期过渡阶段和晚阿尔比期至今的漂移阶段^[8]。与三期构造演化相对应发育了三套巨厚的沉积层序, 即裂谷层序、过渡层序和漂移层序^[9]。其中下部裂谷层序包括了下部的河、湖相碎屑岩(Picarras组)和上部的湖相碳酸盐岩(Itapema组、Barra Velha组)沉积; 而过渡层序则主要为由盐岩和硬石膏组成的厚层蒸发岩(Ariri组); 上部漂移层序早期发育海相碳酸盐岩, 中晚期发育了一套以泥岩为主, 中间夹深水浊积砂岩的海相碎屑岩沉积(图 1)。近年来桑托斯盆地盐下的重大油气发现中, 均以裂谷期Itapema组和Barra Velha组的湖相碳酸盐岩沉积为主要储集层^{[2, 3, 10]}。

碳酸盐岩的结构与其成因和形成环境有着密切的关系, 同时也直接决定了岩石的油气储集性能。根据桑托斯盆地东部隆起带几个大型油气田31口钻井的岩心观察和薄片分析, 发现桑托斯盆地盐下湖相碳酸盐岩储层的岩石类型包括了生物成因的微生物灰岩和机械成因的生物碎屑灰岩两种类型。

微生物灰岩是由底栖微生物群落通过捕获与粘结碎屑沉积物或经与微生物活动相关的作用在原地形成的沉积物^[11-13]。桑托斯盆地的微生物灰岩主要包括叠层石灰岩和鲕粒灰岩。

叠层石是层状的底生微生物沉积, 主要形成于清浅的水体环境中, 根据不同微生物的种类, 相应的水体盐度从淡水到咸化泻湖均可, 成因类型主要包括: (1)捕集碎屑成因的粘结叠层石; (2)生物钙化成因的骨架叠层石; (3)清水泉华叠层石等^[14]。

岩心和薄片观察表明:宏观上, 盆地的叠层石具有明显的柱状生长形态, 单柱高度1~4cm (多为2~3cm), 宽度0.5~4cm (多为1~2cm), 颜色以米黄色和浅棕色为主, 在多数柱状生长柱体之上还可观察到发育程度不一的分支生长结构(图 3a), 不同的柱状叠层石的高宽比不同, 指示其形成环境中不同的水体能量。较为粗壮的柱状叠层石指示相对高能的浅湖环境, 而细长的叠层石柱体则表明生长水动力条件较弱。叠层石的上下连续与左右连片生长形成了多孔的生长格架结构, 发育优质的储层。在单偏光显微镜下, 可观察到叠层石具有明显的暗色-亮色叠置的生长层特征, 暗色层由富有机质碳酸盐组成, 反映了微生物对碳酸盐岩沉积起到的主要作用, 而亮色层由亮晶方解石组成, 反映微生物发育间歇期的碳酸盐沉积(图 3b)。此外, 样品薄片中还可以观察到晶体生长面弯曲的放射轴状纤维方解石产生的波状消光现象, 指示了沉积环境中较高的水体盐度。

图  3  微生物灰岩的岩石学特征

Figure 3.  Petrologic characters of the microbialite

除了叠层石灰岩之外, 桑托斯盆地中还发现了微生物成因的鲕粒灰岩, 鲕粒灰岩多发育在两套叠层石之间。其中的鲕粒多为薄皮鲕, 大小从小于0.5mm到大于2mm不等, 颜色同样以米黄色和浅棕色为主(图 3a)。鲕粒多为点接触的颗粒支撑和“漂浮”在灰泥基质中的基质支撑, 表明沉积环境水体能量相对较低。在显微镜下, 并没有观察到典型鲕粒的核心-圈层结构, 表明鲕粒灰岩沉积环境能量较弱, 缺乏动荡水体中滚动-粘结的作用。鲕粒中显著的十字消光的特征, 表明鲕粒与叠层石均由放射轴状纤维方解石组成, 指示了两者均由微生物作用主导, 形成于较高盐度的沉积水体之中^[15-18] (图 3c)。但这类鲕粒灰岩如未受到溶蚀作用的改造, 则通常难以形成较为优质储层(图 3c)。

生物碎屑灰岩是以生物壳体及碎片为主要成分的颗粒灰岩, 盆地的生物碎屑灰岩的颜色以米黄色和棕色为主, 岩石主要由双壳类生物的壳体组成, 壳体大小在0.5cm至5cm之间, 在岩心尺度可以识别出明显的铸模孔和溶孔、溶洞等结构(图 4a)。基于对生屑颗粒和灰泥基质含量的分析, 可以将生物碎屑灰岩分为两类, 一类是以贝壳类生物壳体为主、含少量灰泥基质的生物碎屑灰岩, 即贝壳灰岩, 这类岩石的结构为颗粒支撑, 贝壳壳体粗大, 形成于水动力强且营养富集的沉积环境。另一类则以灰泥含量较高、壳体较小且孔隙不发育为特征, 即泥质贝壳灰岩, 基质支撑结构和较小的壳体表明水体相对低能且环境整体缺乏足够的营养物质供给。生物碎屑灰岩在显微镜下可观察到壳体遭受溶解作用后形成的铸模孔及残余的原始结构, 但壳体或壳体铸模孔的完整性相对保存较好, 无明显的破碎现象, 指示了生物壳体的近距离搬运以及沉积期后的溶蚀改造是生物碎屑灰岩储层发育的主要过程(图 4a, b)。此外, 在显微镜下还可观察到灰泥基质的溶解或重结晶现象, 同时也可观察到较为自形的亮晶方解石胶结物衬里式发育在孔隙内壁之上(图 4c), 同样表明成岩演化过程钙质的溶解—沉淀过程。

图  4  生物碎屑灰岩的岩石学特征

Figure 4.  Petrologic characters of the bioclastic limestones

微生物灰岩储层的孔隙类型主要包括叠层石生长过程中形成的生长格架孔(图 3a)、颗粒及基质遭受溶蚀形成的溶孔(图 3b), 以及泥晶基质遭受重结晶之后形成的晶间孔等(图 3c)。从孔隙成因上来讲, 以次生孔隙和受过改造的原生孔隙为主。

生物碎屑灰岩储层的孔隙类型主要包括生物壳体遭受选择性溶蚀形成的铸模孔(图 4a, b)、生物壳体和泥晶基质遭受非选择性溶蚀形成的溶孔和溶洞(图 4a)、基质重结晶后形成的晶间孔和遭受胶结作用之后的残余粒间孔等(图 4c)。从孔隙成因上来讲, 以成岩作用对原始沉积颗粒、基质和原生孔隙的改造而形成的次生孔隙为主, 并未观察到完全未受到改造的原生孔隙。

通过对107个微生物灰岩样品的孔-渗数据进行的统计, 微生物灰岩孔隙度的最小值为1%, 最大值为26.5%, 平均值为11.2%, 渗透率最小值为0.01mD, 最大值为2540mD, 平均值为91.2mD (表 1)。从孔隙度与渗透率的频率直方图中可以发现(图 5), 微生物灰岩的孔隙度峰值主要分布在5%~20%区间, 分布较为集中, 呈明显的单峰状(图 5a)。但渗透率分布图并未显示出明显的峰值范围(图 5b), 渗透率小于1mD的样品占样品总数的28%, 而渗透率大于1mD、大于10mD和大于100mD的样品比例非常相近, 均为20%左右。因此, 虽然桑托斯盆地盐下微生物灰岩属于高孔-高渗储层, 但其仍具有一定的非均质性。

图  5  微生物灰岩的孔隙度(a)与渗透率(b)分布

Figure 5.  Frequencies of porosity (a) and permeability (b) in the microbialites

通过对130个生物碎屑灰岩样品的孔-渗数据进行的统计, 生物碎屑灰岩的孔隙度最小值为0.8%, 最大值为30%, 平均值为15.3%, 储层的渗透率最小值为0.01mD, 最大值为1180mD, 平均值为80.1mD (表 1)。从孔隙度与渗透率的频率直方图中可以发现(图 6), 生物碎屑灰岩的孔隙度峰值主要分布在10%~20%区间, 分布较为集中, 呈明显的单峰状(图 6a)。而在渗透率分布图中(图 6b), 10~100mD的样品占总样品数的40%, 而其他渗透率区间的样品所占比例基本一致, 在15%左右, 这表明尽管桑托斯盆地盐下生物碎屑灰岩属于高孔-高渗储层, 但其仍具有一定的非均质性, 尤其表现在储层渗透率的分布之中。

图  6  生物碎屑灰岩的孔隙度(a)与渗透率(b)分布图

Figure 6.  Frequencies of porosity (a) and permeability (b) in the bioclastic limestones

根据盆地31口钻井160个样品的观察分析, 发现盆地盐下湖相碳酸盐岩储层主要经历了白云岩化作用、溶蚀作用、硅化作用、重结晶作用、胶结作用、压实压溶作用和去白云岩化作用等成岩作用的改造。其中对储层起到建设性作用的有白云岩化作用和溶蚀作用, 起到破坏作用的是硅化作用、重结晶作用、胶结作用、压实压溶作用和去白云岩化作用(表 2), 但白云岩化作用、溶蚀作用和硅化作用对储层的改造最为强烈(图 7)。

图  7  桑托斯盆地盐下碳酸盐岩主要成岩作用类型

Figure 7.  Main diagenesis in Santos pre-salt carbonate

使用定性-半定量的方法对岩石薄片进行了显微观察, 描述了样品中的成岩作用及强度, 并进行了统计, 此外还将统计结果与对应样品的物性进行了相关性分析。统计与分析结果表明:超过80%样品的碳酸盐岩遭受了不同程度的白云岩化作用, 对储层质量起到建设性作用。其中生物碎屑灰岩的白云岩化作用要略强于微生物灰岩, 尤其是在贝壳灰岩中, 白云岩化作用提升了约4%的孔隙度, 在微生物灰岩中也对孔隙度起到了一定的促进作用, 此外对微生物灰岩和贝壳灰岩的渗透率也有提高^[19]。溶蚀作用在碳酸盐中也具有普遍性, 是非常重要的建设性成岩作用, 主要包括早成岩期的近地表溶蚀作用和中成岩期的埋藏溶蚀作用。经过溶蚀作用的碳酸盐岩在孔隙度和渗透率方面分别提升了1.3%和35mD。超过一半样品的碳酸盐岩遭受了不同程度的硅化作用, 对储层物性造成了明显的伤害, 遭受了硅化作用的碳酸盐岩会损失2%的孔隙度以及25mD的渗透率。

盆地盐下碳酸盐岩储层的孔隙演化按成岩阶段可分为三期:准同生期、早成岩期和中成岩期。沉积物离开沉积环境之后, 进入了准同生期, 此时基质白云岩化作用开始发生, 灰泥基质和部分颗粒组分发生了重结晶和新生变形作用, 微晶硅和玉髓沉淀, 并且在脱离沉积环境后因上覆载荷增加使得压实作用开始启动, 在此期间, 随着各类成岩作用的启动, 孔隙度由沉积时较为疏松多孔的30%而逐渐降低至20%左右(图 8)。

图  8  桑托斯盆地盐下碳酸盐岩成岩序列与孔隙演化模型

Figure 8.  Diagenetic sequence and porosity evolution in Santos pre-salt carbonate

早成岩期的基质白云岩化作用进一步加强, 部分颗粒也发生了白云岩化, 在贝壳灰岩中, 近地表流体对贝壳的组构选择性溶解作用开始形成铸模孔, 对孔渗起到了一定的促进作用, 但是整体的成岩环境仍然以破坏性成岩作用为主, 持续的压实作用使得孔隙空间降低严重, 硅质对碳酸盐的交代, 基质和颗粒的重结晶作用以及胶结物对孔隙的充填都对储层物性起到破坏性作用。总的来说, 在早成岩期, 破坏性成岩作用强于建设性成岩作用, 孔隙度持续降低至10%左右。

进入中成岩期各类破坏性成岩作用可以影响的空间已经不大, 而此时各类酸性流体(如埋藏热液、与烃类伴生的有机酸等)则开始形成或侵入储层, 进行溶蚀作用。此时, 本应由上覆载荷主导的压溶作用因为厚层盐岩的抵抗而并未对储层物性起到主要破坏作用, 而溶蚀作用作为主导, 使得孔隙度逐渐升高至13%到15%左右。

(1) 研究表明微生物灰岩和生物碎屑灰岩是桑托斯盆地盐下湖相碳酸盐岩的主要储层岩石类型, 其中微生物灰岩由叠层石灰岩和鲕粒灰岩组成, 生物碎屑灰岩由壳体较为粗大的贝壳灰岩组成。

(2) 盐下微生物灰岩储层的孔隙类型以溶孔、晶间孔、粒间孔等次生孔隙和受过改造的原生孔隙为主, 生物碎屑灰岩储层的孔隙类型以铸模孔、溶孔、溶洞及晶间孔为主, 盐下碳酸盐岩整体物性较好, 具有中-高孔渗特征。

(3) 白云岩化和溶蚀作用是改善盐下湖相碳酸盐岩储层的主要成岩作用类型, 盆地盐下湖相碳酸盐岩储层主要处于中成岩阶段, 少量处于早成岩阶段。