南美瑪?shù)氯R德迪奧斯盆地深層二疊系碳酸鹽巖沉積特征及主控因素
——以秘魯58區(qū)塊二疊系Copacabana組為例

趙永斌，田作基，陽(yáng)孝法，劉亞明，馬中振，周玉冰，王丹丹，韓杰

中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院

0 前 言

碳酸鹽巖是非常重要的油氣儲(chǔ)層，全球超過(guò)60%的石油產(chǎn)量和40%的天然氣產(chǎn)量來(lái)自碳酸鹽巖。我國(guó)在西部塔里木盆地、中部四川盆地和鄂爾多斯盆地開(kāi)展了多年的碳酸鹽巖油氣藏勘探，在深部地層，發(fā)現(xiàn)了大量碳酸鹽巖油氣藏［1-4］。南美瑪?shù)氯R德迪奧斯盆地二疊系Copacabana 組碳酸鹽巖地層與我國(guó)西部盆地具有相近的地質(zhì)條件，是秘魯58 區(qū)塊有潛力的勘探層系。58 區(qū)塊及周邊多口探井具有商業(yè)發(fā)現(xiàn)及較好的氣測(cè)顯示，揭示出良好的勘探前景，其中鄰區(qū)Mip-1 井和Mip-2 井為商業(yè)氣流井，58區(qū)U-1井、P-2井和P-4井鉆遇Copacabana組頂部，出現(xiàn)氣測(cè)異常。對(duì)已鉆井氣測(cè)、試油等資料的統(tǒng)計(jì)表明：Copacabana 組沉積相對(duì)有利儲(chǔ)層的分布有重要的控制作用，是研究區(qū)碳酸鹽巖油氣成藏的關(guān)鍵因素之一［5-6］。但由于碳酸鹽巖沉積環(huán)境復(fù)雜，加之勘探程度低，目前缺乏對(duì)Copacabana 組沉積相展布規(guī)律的認(rèn)識(shí)，儲(chǔ)層分布規(guī)律亦不明確，這制約了該層系的勘探。

研究區(qū)以往的沉積相研究主要是基于單井巖心、薄片資料的沉積類(lèi)型分析，缺乏區(qū)域上的沉積體系和沉積相帶展布等方面的研究。隨著研究區(qū)Copacabana 組油氣勘探的深入，逐年增加的鉆井及地震資料為Copacabana 組沉積相的深化研究提供了基礎(chǔ)。在區(qū)域沉積背景調(diào)研的基礎(chǔ)上，本文選取 Mip-2 井、Paw-1 井等 7 口井的巖心樣品 99 塊，結(jié)合鉆遇Copacabana 組的測(cè)井資料及研究區(qū)地震資料，開(kāi)展古地貌分析，識(shí)別巖石類(lèi)型、測(cè)井相及地震相標(biāo)志，明確沉積類(lèi)型及展布特征，建立了研究區(qū)碳酸鹽巖的沉積模式，探討了沉積相發(fā)育的主控因素。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域構(gòu)造特征

瑪?shù)氯R德迪奧斯盆地位于南美安第斯山前，為多旋回沉積的弧后前陸盆地。秘魯58 區(qū)位于盆地的西南部，處于前陸盆地逆沖推覆外區(qū)［7-10］。受第四紀(jì)前陸造山的影響，區(qū)塊內(nèi)整體呈東北高西南低的趨勢(shì)，形成隆凹相間的構(gòu)造格局。3 個(gè)隆起條帶依次對(duì)應(yīng)北部、中部和南部逆沖褶皺帶（圖1a），靠近安第斯山前區(qū)發(fā)育凹陷帶，其中北部和中部逆沖構(gòu)造帶是有利的構(gòu)造帶。

區(qū)域上，盆地經(jīng)歷了克拉通邊緣盆地→裂谷盆地→前陸盆地3 個(gè)演化階段［11-12］。寒武紀(jì)－奧陶紀(jì)早期，盆地為古生代大陸邊緣的一部分，持續(xù)至晚二疊世，受伸展應(yīng)力的影響，由克拉通邊緣盆地轉(zhuǎn)化為裂谷盆地。中新世，受太平洋板塊低角度逆沖擠壓作用影響，進(jìn)入前陸盆地演化階段，形成了現(xiàn)今山前凹陷帶和多個(gè)逆沖帶呈條帶狀展布的構(gòu)造格局。

1.2 區(qū)域地層特征

盆地地層主要在前寒武系基底之上發(fā)育而來(lái)，沉積厚度為6 000~10 000 m。地層從下至上包括奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、白堊系、古近系、新近系和第四系，三疊系、侏羅系和中下白堊統(tǒng)缺失［13］（圖1b）。秘魯 58 區(qū)的目的層系為二疊系中/下 Nia 組、Noi 組、Ene 組以及 Copacabana 組，其中Copacabana 組為深部潛在勘探層，是本次研究的目標(biāo)層位。

圖1 秘魯58區(qū)及周邊構(gòu)造綱要及地層柱狀圖Fig.1 Tectonic outline and stratigraphic column of Block 58 and its surrounding areas in Peru

1.3 Copacabana組沉積背景

古生代南美大陸位于泛大陸西南部，發(fā)育穩(wěn)定的板塊內(nèi)部沉積，間斷性海水侵入板塊內(nèi)的沉降區(qū)，形成以碎屑巖為主、局部為碳酸鹽巖的沉積。二疊紀(jì)早期經(jīng)歷了晚古生代最大范圍的一次海侵，盆地處于淺海臺(tái)地的沉積環(huán)境，形成了區(qū)域上分布非常穩(wěn)定的Copacabana組碳酸鹽巖沉積［14］。

碳酸鹽巖的沉積厚度能夠一定程度上反映出水動(dòng)力條件：高能相帶碳酸鹽產(chǎn)率高，地層厚度大；低能相帶碳酸鹽產(chǎn)率低，地層厚度小。由前人研究編制的58 區(qū)及周邊Copacabana 組碳酸鹽巖厚度圖可見(jiàn)（圖2）：在秘魯?shù)貐^(qū)中南部碳酸鹽巖厚度約為200~1 500 m，平均厚度為664 m，具有兩側(cè)薄（200~500 m）、中部厚（500~1 500 m）的展布特征，中部厚層區(qū)呈條帶狀近似平行海岸線分布［15］。58 區(qū)及周邊位于厚層區(qū)的東北部，反映出由陸向海、由低能向高能相帶轉(zhuǎn)換，并以高能相帶為主的沉積背景。

圖2 秘魯58區(qū)及周邊Copacabana組碳酸鹽巖厚度圖（據(jù)文獻(xiàn)［15］）Fig.2 Contour map of carbonate rock thickness of Copacabana Forma?tion of Block 58 and its surrounding area in Peru(cited from reference［15］)

2 沉積相類(lèi)型

58 區(qū)Copacabana 組地層厚度約為400~800 m，通過(guò)與周邊地層對(duì)比，結(jié)合地層巖性將Copacabana組劃分為 3 段［16-17］(圖 3)：下段發(fā)育厚層顆?；?guī)r、泥灰?guī)r和泥巖；中段發(fā)育顆?；?guī)r、泥晶灰?guī)r、泥灰?guī)r和泥巖；上段發(fā)育燧石、砂屑白云巖、石膏、顆?；?guī)r、泥灰?guī)r和泥巖。整體上，Copacabana組為淺海碳酸鹽臺(tái)地沉積，在整體為高能環(huán)境的沉積背景下，自東向西由低能相帶向高能相帶轉(zhuǎn)換。參照經(jīng)典塔克碳酸鹽巖沉積相模式［18-19］，通過(guò)巖心描述、薄片鑒定、測(cè)井相及地震相分析，識(shí)別出研究區(qū)以開(kāi)闊臺(tái)地相為主，見(jiàn)局限臺(tái)地相，局部發(fā)育蒸發(fā)臺(tái)地相。Copacabana 組碳酸鹽臺(tái)地沉積可劃分為3 種沉積相和5種沉積亞相（表1）。

圖3 秘魯58區(qū)Mip-2井綜合柱狀圖Fig.3 Comprehensive column of Well Mip-2 in Block 58，Peru

2.1 開(kāi)闊臺(tái)地相

開(kāi)闊臺(tái)地相為臺(tái)地邊緣后與廣海相連通的區(qū)域，是Copacabana 組主要的沉積相類(lèi)型，在平面上和縱向上普遍分布。開(kāi)闊臺(tái)地包括位于構(gòu)造較高部位的水動(dòng)力較強(qiáng)的淺灘（顆粒灘），以及灘體間相對(duì)低洼區(qū)的灘間海。

顆粒灘 巖石類(lèi)型包括生物碎屑顆?；?guī)r和鮞?；?guī)r。在地震剖面上的反射特征明顯，具有丘狀形態(tài)，內(nèi)部具有低振幅、雜亂的反射結(jié)構(gòu)（表1）。生物碎屑顆?；?guī)r中含有大量生物碎屑，主要為棘皮類(lèi)和腕足類(lèi)，另外含有一定數(shù)量的鮞粒，亮晶膠結(jié)為主，部分受重結(jié)晶作用影響形成微晶膠結(jié)。鮞?；?guī)r為亮晶膠結(jié)，顆粒支撐，鮞粒含量超過(guò)60%，鮞粒呈同心層和可變形狀（圓形、橢圓形），粒度介于0.2~0.4 mm，鮞粒核心一般溶解或充填石英顆粒。鮞粒間含有生物碎屑，主要為棘皮類(lèi)碎屑。

灘間海 顆粒灘之間的低洼區(qū)，發(fā)育低能的泥粉晶灰?guī)r、泥灰?guī)r及泥巖。泥灰?guī)r由大量的似球狀泥晶方解石構(gòu)成，含棘皮動(dòng)物和介形蟲(chóng)碎屑。

2.2 局限臺(tái)地相

局限臺(tái)地相是向海一側(cè)受淺灘遮擋而形成的相對(duì)低洼的潮下地區(qū)。58 區(qū)局限臺(tái)地相在平面上主要分布于東北靠陸地一側(cè)，縱向上主要分布于Copacabana 組上段。局限臺(tái)地水體循環(huán)受阻，整體處于低能環(huán)境，僅與廣海相通部位為高能環(huán)境，由此形成了以低能的泥晶灰?guī)r、泥灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r為主，局部伴有高能砂屑白云巖的巖性組合特征。地震反射特征為席狀，內(nèi)部則表現(xiàn)出平行—亞平行夾小型雜亂反射，具有中弱振幅、中等連續(xù)性的特征（表1）。局限臺(tái)地相主要包含了潟湖和淺灘（砂屑灘）亞相。

潟湖 主要發(fā)育由微晶方解石構(gòu)成的泥晶灰?guī)r，偶見(jiàn)微晶白云石，少見(jiàn)生物碎屑，顆粒直徑主要分布于0.08~0.65 mm。該亞相反映了水體環(huán)境受限、潮下低能的沉積環(huán)境，是典型的局限臺(tái)地沉積特征。

砂屑灘 在潟湖邊緣水動(dòng)力較強(qiáng)的地貌較高部位，發(fā)育高能的砂屑灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r及砂屑白云巖。在研究區(qū)的北部構(gòu)造帶識(shí)別出了砂屑白云巖、生物碎屑灰?guī)r。砂屑白云巖以粗晶白云石為主體，伴有硅質(zhì)碎屑，偶見(jiàn)石膏充填。其中，硅質(zhì)碎屑由石英和少量長(zhǎng)石組成。巖性組合反映出該相帶主體處于局限低能水體，在靠近開(kāi)闊臺(tái)地的部位，發(fā)生局部高能、低能交互的沉積作用而形成。砂屑白云巖薄片鏡下特征顯示（表1），砂屑白云巖物性條件好，是區(qū)內(nèi)最為有利的儲(chǔ)層類(lèi)型。

表1 秘魯58區(qū)Copacabana組碳酸鹽臺(tái)地沉積相劃分及識(shí)別標(biāo)志Table 1 Sedimentary facies division and identification marks of carbonate platform of Copacabana Formation in Block 58，Peru

2.3 蒸發(fā)臺(tái)地相

蒸發(fā)臺(tái)地相處于潮上帶，以干熱地區(qū)的潮上鹽沼地或薩巴哈沉積為典型特征。58 區(qū)蒸發(fā)臺(tái)地相發(fā)育有限，平面上主要分布于北部逆沖帶，縱向上分布于Copacabana 組上段。蒸發(fā)臺(tái)地相地層厚度小，發(fā)育準(zhǔn)同生泥晶白云巖及白云質(zhì)泥巖，含石膏夾層，見(jiàn)陸源碎屑。在地震剖面上，則表現(xiàn)為席狀形態(tài)（表1），內(nèi)部為較為連續(xù)、中強(qiáng)振幅及分布不規(guī)則的透鏡狀反射結(jié)構(gòu)。蒸發(fā)臺(tái)地相主要發(fā)育潮坪亞相。

潮坪 巖性為泥晶白云巖、白云質(zhì)泥巖，夾石膏，具有干熱潮上帶的典型特征。其中，白云巖由微晶白云石組成，含方解石，見(jiàn)少量的石膏充填及石膏結(jié)核，為同生—準(zhǔn)同生期的白云石化作用所形成。

2.4 Copacabana組碳酸鹽巖沉積序列

Copacabana 組碳酸鹽巖沉積具有明顯的旋回性，反映出臺(tái)地相沉積序列（圖4）。58 區(qū)及周邊主要發(fā)育開(kāi)闊臺(tái)地和局限臺(tái)地相，局部發(fā)育蒸發(fā)臺(tái)地相。蒸發(fā)臺(tái)地相位于靠陸一側(cè)的潮上帶，工區(qū)處于該相帶邊部，見(jiàn)少量的潮坪泥晶白云巖和石膏，以及陸源碎屑夾層。局限臺(tái)地相處于向陸一側(cè)的低洼區(qū)，低能帶發(fā)育泥晶灰?guī)r、泥灰?guī)r（潟湖），與開(kāi)闊海連通的區(qū)域形成局部的高能環(huán)境，發(fā)育砂屑白云巖（砂屑灘）。向海方向進(jìn)入開(kāi)闊臺(tái)地相，受古地貌影響，凸起區(qū)發(fā)育高能的顆?；?guī)r（顆粒灘），低洼區(qū)則發(fā)育低能的泥灰?guī)r和泥巖（灘間海）。

圖4 秘魯58區(qū)Copacabana組碳酸鹽巖臺(tái)地沉積序列Fig.4 Carbonate platform sedimentary sequence of Copacabana Formation in Block 58，Peru

根據(jù)區(qū)域地層厚度，進(jìn)一步推測(cè)向海方向發(fā)育臺(tái)地邊緣和臺(tái)地前緣斜坡相。厚層碳酸鹽巖對(duì)應(yīng)臺(tái)地邊緣相，隨著厚度迅速減薄，過(guò)渡至斜坡相。

區(qū)域上完整的沉積序列為蒸發(fā)臺(tái)地相—局限臺(tái)地相—開(kāi)闊臺(tái)地相—臺(tái)地邊緣相—臺(tái)地前緣斜坡相，58 區(qū)及周邊Copacabana 組主要發(fā)育開(kāi)闊臺(tái)地相和局限臺(tái)地相，與由低能向高能相帶轉(zhuǎn)換的沉積背景吻合。結(jié)合薄片鑒定和測(cè)試分析可知，其中高能相帶的砂屑灘和顆粒灘是58區(qū)有利儲(chǔ)層相帶。

3 沉積相展布特征

綜合巖心描述、薄片鑒定、測(cè)井相及地震相分析，在研究區(qū)識(shí)別出了3 種沉積相和5 個(gè)亞相，在此基礎(chǔ)上對(duì)7口井進(jìn)行沉積相識(shí)別和碳酸鹽巖沉積厚度統(tǒng)計(jì)，繪制了Copacabana 組各段沉積相平面圖，并進(jìn)行各段的沉積相展布特征分析。

3.1 Copacabana組下段

Copacabana組下段沉積時(shí)期古地貌為由東北向西南展布的寬緩斜坡，廣泛發(fā)育了開(kāi)闊臺(tái)地相（圖5a）。開(kāi)闊臺(tái)地顆粒灘分布于中部至東北部的廣闊地區(qū)，基本包含了3個(gè)逆沖構(gòu)造帶，其中Pag-1井和Sm-1井鉆遇約120 m厚的顆?；?guī)r，反映出該相帶在東北部分布的穩(wěn)定性。向西南方向，灘間海亞相分布于山前凹陷帶附近?？傮w上，呈現(xiàn)從東北向西南方向，由開(kāi)闊臺(tái)地顆粒灘向?yàn)╅g海過(guò)渡的分布特征（圖5a）。

3.2 Copacabana組中段

隨著海平面上升，Copacabana 組中段沉積時(shí)期處于高海平面的背景，這與中段下部的穩(wěn)定泥灰?guī)r和泥巖段沉積相對(duì)應(yīng)，Mip-2井、Pag-1井和Sm-1井均有鉆遇。相對(duì)于下段，開(kāi)闊臺(tái)地相整體向東北方向擴(kuò)展，其中灘間海延伸至中東部，在工區(qū)內(nèi)大范圍分布，而顆粒灘發(fā)育范圍收縮至中部和北部逆沖構(gòu)造帶的東部（圖5b）。

3.3 Copacabana組上段

Copacabana組頂部發(fā)育區(qū)域性風(fēng)化殼，推測(cè)Co?pacabana組沉積晚期可能發(fā)生了整體構(gòu)造抬升或快速海退等事件，沉積相帶發(fā)生顯著進(jìn)積和遷移（圖5c）。

圖5 秘魯58區(qū)Copacabana組各段沉積相平面圖Fig.5 Sedimentary facies maps of Copacabana Formation in Block 58，Peru

在工區(qū)東北部發(fā)育了蒸發(fā)臺(tái)地和局限臺(tái)地相。北部逆沖構(gòu)造帶東部的Sm-1 井鉆遇了薄層白云巖夾石膏的組合，反映出少量的蒸發(fā)臺(tái)地沉積；北部逆沖構(gòu)造帶中東部的Pag-1井鉆遇了泥晶灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r組合，反映了局限臺(tái)地沉積，并受到一定白云石化作用的影響。

開(kāi)闊臺(tái)地相向西南部收縮，主要分布于北部逆沖構(gòu)造帶的西部和中部逆沖構(gòu)造帶，北部的Mip-2井，中部的U-1 井、P-2 井和P-4 井均有鉆遇。斜坡相位于臺(tái)地西南一側(cè)，主要靠近于山前凹陷帶。

相對(duì)于中段和下段，Copacabana 組上段沉積相類(lèi)型更為多樣，由西南向東北方向依次發(fā)育開(kāi)闊臺(tái)地灘間?！_(kāi)闊臺(tái)地顆粒灘—局限臺(tái)地潟湖沉積，展示出研究區(qū)Copacabana組較為完整的沉積序列。

4 儲(chǔ)層發(fā)育主控因素

在58 區(qū)塊主要識(shí)別出4 種儲(chǔ)層類(lèi)型，包括風(fēng)化殼、砂屑白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r及顆?；?guī)r儲(chǔ)層。儲(chǔ)層的形成過(guò)程與沉積演化及成巖作用密切相關(guān)，受控于古地貌和海平面升降的雙重作用［20-21］。

4.1 古地貌對(duì)儲(chǔ)層發(fā)育的控制作用

受控于構(gòu)造抬升或快速海退作用，Copacabana組碳酸鹽巖頂部為區(qū)域性的不整合面，形成風(fēng)化殼層。古地貌高低會(huì)造成風(fēng)化程度的不同，從而發(fā)育不同的儲(chǔ)層組合特征。區(qū)域的沉積背景和Copaca?bana 組沉積平面特征也呈現(xiàn)出由東北向西南緩坡下降的古地貌特征（圖6）。

圖6 秘魯58區(qū)Copacabana組沉積-成巖模式圖Fig.6 Sedimentary-diagenetic pattern of Copacabana Formation in Block 58，Peru

北部逆沖構(gòu)造帶位于研究區(qū)古地貌高部位，主要發(fā)育后生的粗晶砂屑白云巖，該類(lèi)儲(chǔ)層物性條件最佳，孔隙度普遍超過(guò)15%，是58區(qū)塊的最優(yōu)儲(chǔ)層。通過(guò)薄片鑒定，能夠識(shí)別出石灰?guī)r轉(zhuǎn)化為白云巖或白云質(zhì)灰?guī)r的特征，該類(lèi)儲(chǔ)層受限于原生巖石的物性條件，原巖孔隙度約為7%~10%。

中部逆沖構(gòu)造帶位于研究區(qū)古地貌中低部位，風(fēng)化程度有限，大氣淡水溶蝕作用弱，風(fēng)化層下部基本不發(fā)育白云石化層?？偟膩?lái)說(shuō)，中部構(gòu)造帶的儲(chǔ)層條件弱于北部，風(fēng)化殼儲(chǔ)層有限，后生白云石化儲(chǔ)層基本不發(fā)育，原生顆?；?guī)r是中部構(gòu)造帶的主要目標(biāo)儲(chǔ)層。

南部逆沖構(gòu)造帶未有井鉆遇，由于該區(qū)域位于古地貌的低部位，風(fēng)化程度進(jìn)一步減弱，相比于中部構(gòu)造帶，推測(cè)南部風(fēng)化殼和后生白云石化儲(chǔ)層發(fā)育非常有限。

4.2 海平面變化對(duì)儲(chǔ)層發(fā)育的控制

顆?；?guī)r儲(chǔ)層主要由開(kāi)闊臺(tái)地顆粒灘沉積形成。伴隨著海平面周期性的升降變化，該儲(chǔ)層在橫向展布和縱向組合上出現(xiàn)明顯變化。

Copacabana組自下而上，伴隨著水進(jìn)、水退和快速水退的過(guò)程（圖7）。早期水進(jìn)階段，廣布式的顆粒灘在中北部整體分布，并以退積的形式逐步向東北遷移，在Copacabana 組下段沉積后形成最大海泛面；中期水退階段，在高海平面的背景下，顆粒灘灰?guī)r與灘間海泥灰?guī)r互層發(fā)育，并以加積的方式逐漸向西南遷移；后期快速水退階段，在東北部出現(xiàn)了一定規(guī)模的局限臺(tái)地和蒸發(fā)臺(tái)地，與顆粒灘灰?guī)r呈互層沉積，而中南部主要發(fā)育顆粒灘灰?guī)r，總體以進(jìn)積的方式逐漸向西南遷移。伴隨著沉積相帶遷移，顆粒灘儲(chǔ)層普遍發(fā)育。在中南部區(qū)域，由于表層風(fēng)化作用弱，風(fēng)化殼和白云巖儲(chǔ)層發(fā)育有限，顆粒灘灰?guī)r為主要的儲(chǔ)層目標(biāo)（圖6，圖7）。

5 結(jié) 論

（1）秘魯58 區(qū)塊二疊系Copacabana 組淺海碳酸鹽臺(tái)地沉積可劃分為3種沉積相和5個(gè)亞相。Copa?cabana 組可分為3 段：下段沉積時(shí)期處于古地貌極為平緩的環(huán)境，廣泛發(fā)育開(kāi)闊臺(tái)地顆粒灘，灘間海存在于工區(qū)西南部；中段沉積時(shí)期經(jīng)歷了一期海侵過(guò)程，開(kāi)闊臺(tái)地灘間海由西南部延伸至工區(qū)大范圍，顆粒灘僅發(fā)育于東北部；上段沉積時(shí)期發(fā)生了快速海退作用，由西南向東北依次發(fā)育開(kāi)闊臺(tái)地灘間海—開(kāi)闊臺(tái)地顆粒灘—局限臺(tái)地潟湖沉積。

（2）儲(chǔ)層的形成過(guò)程與沉積演化及成巖作用密切相關(guān)，受控于古地貌和海平面升降的雙重作用。東北地區(qū)處于古地貌高部位，發(fā)育砂屑白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r儲(chǔ)層；中南部地區(qū)處于古地貌中低部位，白云石化儲(chǔ)層基本不發(fā)育。顆?；?guī)r儲(chǔ)層主要由開(kāi)闊臺(tái)地顆粒灘沉積形成，伴隨著海平面水進(jìn)、水退和快速水退的變化，顆粒灘向東北及西南方向周期性遷移，在工區(qū)中南部由于表層風(fēng)化作用弱，風(fēng)化殼和白云巖儲(chǔ)層發(fā)育有限，顆?；?guī)r為主要的儲(chǔ)層目標(biāo)。