引言

2006年以来，巴西桑托斯盆地盐下不断获得的世界级油气田发现，使得该地区盐下领域很快成为了世界油气储量增长的重点地区和深水油气勘探的热点地区。同时，桑托斯盆地也是中国3大石油公司在海外的重要勘探开发生产基地之一。但是在获得大发现的同时，也认识到这些盐下油气田普遍含有CO$_{{\rm 2}}$，且富集程度及赋存相态不尽相同。如桑托斯盆地深水区的Jupiter油气田CO$_{{\rm 2}}$含量可达79%，且以游离气形式存在，而与Jupiter油气田位于同一构造带的Lula和Franco等油田的CO$_{{\rm 2}}$含量一般小于20%，且是以溶解气的形式存在。同时也发现往往在同一油气田的不同构造部位CO$_{{\rm 2}}$分布特征也存在着显著差别。

虽然在世界上很多盆地的油气勘探中发现CO$_{{\rm 2}}$气体，国内外专家学者在CO$_{{\rm 2}}$分布特征、成因类型判别、聚集成藏机制等方面也相继开展了大量的研究工作^[1-14]。但是对桑托斯盆地盐下油气田中CO$_{{\rm 2}}$的成因类型、聚集成藏的主要控制因素及CO$_{{\rm 2}}$对油气成藏的影响一直缺乏系统性研究^[12]，为该地区后续的油气勘探开发带来了很大的风险。因此，为了使中国石油公司在该地区取得更好的勘探成效，进行了桑托斯盆地CO$_{{\rm 2}}$的成因类型、聚集成藏条件、分布特征及其对油气成藏影响作用的研究。该研究满足了深入该地区油气勘探的迫切需求，同时，对南大西洋两岸含盐盆地盐下的油气勘探具有重大的指导意义。

1 区域地质背景

桑托斯盆地位于巴西东南部海域，北邻坎波斯盆地，南邻佩洛塔斯盆地，盆地面积约为32.7$\times$10$^{{\rm 4}}$ km$^{{\rm 2}}$，水深0$\sim$3 200 m。桑托斯盆地是一个典型的被动大陆边缘盆地，其形成演化与中生代以来冈瓦纳大陆的解体以及大西洋的扩张有关^[15-16]。整体上，盆地的构造演化和沉积充填可以划分为3个阶段(图 1，图 2)：(1)早白垩世裂谷期(135$\sim$118 Ma前)，早期沉积河湖相砂泥岩，晚期沉积湖相生物灰岩(包括叠层石灰岩和贝壳灰岩)^[17]；(2)早白垩世阿普特过渡期(118$\sim$112 Ma前)，沉积环境主要为海陆过渡相和局限海，以盐岩沉积为主；(3)晚白垩世—新生代被动大陆边缘阶段(112$\sim$0 Ma前)，主要沉积海相砂泥岩。盆地主力烃源岩为盐下湖相泥岩，主要勘探层系为盐下湖相碳酸盐岩，油气成藏期为晚白垩世—古新世。

截至2015年底，在桑托斯盆地深水区盐下湖相碳酸盐岩层系共发现了22个油气田，其中，近一半以上的油气田含有CO$_{{\rm 2}}$，CO$_{{\rm 2}}$的赋存相态既有溶解气也有游离气。尤其在2006年以来发现的Lula、Jupiter、Libra和Franco等多个世界级大型油气田中CO$_{{\rm 2}}$含量更是从15$\%\sim$ 81%不等。其中，Jupiter油气田的CO$_{{\rm 2}}$含量达到79%，并且形成了CO$_{{\rm 2}}$气顶。

2 桑托斯盆地盐下油气田CO$_{{\rm 2}}$成因

目前，国内外专家和学者对CO$_{{\rm 2}}$的成因类型研究和成因判别指标进行了大量研究，并且取得了较为深入的认识。戴金星研究认为^[1]，当CO$_{{\rm 2}}$含量大于60%时为无机成因；当$ {\rm{ \mathit{ δ} }} ^{{\rm 13}}$C$_{{\rm CO_{2}}}$>$-$8‰时，为无机成因；当$ {\rm{ \mathit{ δ} }} ^{{\rm 13}}$C$_{{\rm CO_{2}}}\leqslant$-8‰时，为有机成因。其中，幔源成因的二氧化碳$ {\rm{ \mathit{ δ} }} ^{{\rm 13}}$C$_{{\rm CO_{2}}}$为$-$3‰$\sim$$-$8‰。

另外，由于$^{{\rm 3}}$He和$^{{\rm 4}}$He在不同构造环境氦的同位素比值不同，大气中$^{{\rm 3}}$He和$^{{\rm 4}}$He之比为1.4$\times$10$^{{\rm -4}}$(记为Ra)，地壳中为2$\times$10$^{{\rm -8}}$，上地幔为1.1$\times$10$^{{\rm -5}}$(8$\sim$8.5 Ra)，下地幔中大于8$\sim$8.5 Ra。同时来自于地球内部的氦气往往伴随着岩浆活动和CO$_{{\rm 2}}$释放，因此，可以利用样品中氦和大气氦的同位素比值(R/Ra)以及CO$_{{\rm 2}}$含量与$^{{\rm 3}}$He的比值来辅助判别CO$_{{\rm 2}}$成因类型。

桑托斯盆地盐下已发现的油气田中，Abare W和Jupiter油气田的CO$_{{\rm 2}}$含量远大于60%，分别为81%和79%，表明桑托斯盆地盐下的CO$_{{\rm 2}}$成因类型为无机成因。根据Santos等对巴西海域所有盆地CO$_{{\rm 2}}$同位素分析资料^[18]，桑托斯盆地盐下$ {\rm{ \mathit{ δ} }} ^{{\rm 13}}$C$_{{\rm CO_{2}}}$普遍在$-$10‰$\sim$$-$4‰，CO$_{{\rm 2}}$含量/$^{{\rm 3}}$He≈10$^{{\rm 9}}$，属于幔源成因。图 3(据Santos^[18]，有改动)为桑托斯盆地盐下油气田CO$_2$碳同位素($ {\rm{ \mathit{ δ} }} ^{{\rm 13}}$C$_{{\rm CO_{2}}}$)与CO$_{{\rm 2}}$含量交汇图。

由图 3可以看出，当桑托斯盆地盐下CO$_{{\rm 2}}$含量大于10%时，$ {\rm{ \mathit{ δ} }} ^{{\rm 13}}$C$_{{\rm CO_{2}}}$基本保持在$-$10‰$\sim$$-$4‰，表明当桑托斯盆地盐下CO$_{{\rm 2}}$含量大于10%时，则CO$_{{\rm 2}}$主要为幔源成因。

表 1为桑托斯盆地盐下主要油气田CO$_{{\rm 2}}$含量及赋存状态统计数据表。

由表 1可知，桑托斯盆地盐下油气田的CO$_{{\rm 2}}$含量分布在15%$\sim$81%，因此，可以推测桑托斯盆地盐下CO$_{{\rm 2}}$主要来自地幔。

3 桑托斯盆地盐下CO$_{{\rm 2}}$聚集成藏条件 3.1 火山活动为CO$_{{\rm 2}}$聚集成藏提供气源条件

从全球已发现的高含CO$_{{\rm 2}}$的气藏特征看^{[2, 9]}，CO$_{{\rm 2}}$的成因类型主要为幔源成因，同时，CO$_{{\rm 2}}$的聚集成藏与火山活动密切相关。由于板块运动等区域构造应力的释放区是地幔岩浆最为活跃的区域，也是地层压力和温度变化最为强烈的地区，所以，当未脱气的地幔岩浆在向浅层运动并发生火山活动的同时，随着地层压力和温度的变化，岩浆发生脱气作用并释放出大量的CO$_{{\rm 2}}$气体，为CO$_{{\rm 2}}$的聚集成藏提供充足的气源条件。

通过对桑托斯盆地盐下油气田CO$_{{\rm 2}}$成因类型和分布规律研究表明，盆地火山活动为幔源CO$_{{\rm 2}}$向上聚集成藏提供了充足的气源，为CO$_{{\rm 2}}$聚集成藏提供了物质基础。根据岩浆岩Ar-Ar定年分析，桑托斯盆地的火山活动整体上可以分为3期，分别是下白垩统的断陷早期(距今123 Ma)，下白垩统的断拗期(距今104 Ma)和上白垩统的漂移早期(距今90$\sim$69 Ma)。持续的火山活动为幔源CO$_{{\rm 2}}$的聚集成藏提供了源源不断的充足气源。如在深水区Lula油田的多口钻井揭示，CO$_{{\rm 2}}$含量随着火山活动的加强，具有显著升高的特征。Lula油田的L-A井位于拗中凸起及斜坡，钻探揭示在断拗期和拗陷期主要发育下白垩统Itapema组的贝壳灰岩和Barra Velha组的叠层石灰岩，岩浆岩不发育，表明其远离火山活动区。由于远离火山发育区，火山活动弱，因此幔源CO$_{{\rm 2}}$气源不足，CO$_{{\rm 2}}$含量很低。L-A井同时揭示CO$_{{\rm 2}}$是以溶解气形式存在，且含量不足1%。而位于隆起带上的L-B和L-C井都在断拗期钻遇了厚层的玄武岩，表明其位于火山活动较为活跃的地区。活跃的火山活动为深层的幔源CO$_{{\rm 2}}$向上运聚提供了充足的气源，这两口井钻探也揭示CO$_{{\rm 2}}$含量较高，分别为16%和20%。可见，活跃的火山活动为幔源CO$_{{\rm 2}}$聚集成藏提供了充足的气源保证。

3.2 晚期活化的基底断裂为CO$_{{\rm 2}}$聚集提供有利通道

众所周知，断裂是石油和天然气垂向运移的重要通道。CO$_{{\rm 2}}$作为天然气的一种，其运聚成藏与断裂的展布与活动性密不可分^{[2, 8-9, 11]}。

桑托斯盆地高含CO$_{{\rm 2}}$的油气田往往沿基底大断裂附近分布，表明基底大断裂可以为幔源CO$_{{\rm 2}}$向上的运移成藏提供有效的运移通道。在早白垩期，受南美与非洲板块的旋转裂离的影响，桑托斯盆地发育了一系列呈北东—南西向展布的基底断裂，并且主要在获得盐下油气发现最多的东部隆起带分布。通过对东部隆起带已发现盐下油气田中CO$_{{\rm 2}}$含量与基底大断裂分布关系分析表明(图 4)，一般紧邻基底大断裂的油气田中CO$_{{\rm 2}}$含量往往高于远离基底断裂的油气田。如已发现的Abare W和Jupiter等油气田紧邻基底大断裂，CO$_{{\rm 2}}$含量可达79%$\sim$81%，而这些基底断裂平面上延伸较长，一般在100 km以上。远离基底大断裂的Carioca，Franco和Lula等油田的CO$_{{\rm 2}}$含量则较低，为19%，且在平面上Carioca和Franco油田的基底断裂平面延伸距离短，一般在50 km左右，且断距规模相对较小。

通过对基底大断裂的活动性分析后发现，晚期活化的基底大断裂为幔源的CO$_{{\rm 2}}$聚集成藏提供了有利通道。Jupiter油气田是东西两侧受基底大断裂控制的一个北东—南西向油气田(图 5)，具有大气顶薄油环的特征，气顶中CO$_{{\rm 2}}$含量达79%。其储层为断拗期的Itapema组贝壳灰岩和拗陷期的Barra Velha组叠层石灰岩。通过对其东侧边界大断裂活动性分析发现，在Picarras组地层沉积期(断陷期)，基底大断裂活动活跃，断层落差在200$\sim$600 m。在Itapema组(断拗期)和Barra Velha组(拗陷期)时期，断层活动相对减弱。而在盐岩沉积之后的漂移期，断层活动性再次变得活跃，断层落差普遍在300$\sim$400 m。晚期的基底断裂活化为幔源CO$_{{\rm 2}}$向上运移提供了有利通道，使得幔源的CO$_{{\rm 2}}$可以源源不断地通过晚期活化的基底断裂通道向上运聚成藏，并形成高含CO$_{{\rm 2}}$的气顶。

4 盆地CO$_{{\rm 2}}$对盐下油气成藏影响

国内外研究表明，CO$_{{\rm 2}}$在地层状态下常常为超临界状态，且对有机物的溶解作用强，对分散的油气组分具有明显的富集作用^{[2-3, 19-20]}。通过对桑托斯盆地Jupiter等多个高含CO$_{{\rm 2}}$油气田的油气组分分析发现，大量幔源CO$_{{\rm 2}}$的注入可以引起油气的组分发生蒸发分馏作用^[21-22]，使早期形成的油气藏中的轻组分或中质组分发生组分分馏，溶解了油质馏分的天然气则往往形成凝析气。而在下部的油层中，则由于轻质组分被萃取，原油的密度要比周边油田的原油密度略大。如桑托斯盆地的Jupiter油气田就是受后期大量的幔源CO$_{{\rm 2}}$注入后，发生蒸发分馏作用改造而形成。Jupiter油气田在上部存在高含CO$_{{\rm 2}}$的凝析气顶，并在下部存在稠油油环^[23]。气顶中的CO$_{{\rm 2}}$含量79%，凝析油密度60°API，下部油环中的原油密度18°API，远低于Lula油田的30°API。

5 结论

（1）桑托斯盆地盐下油气田中CO$_{{\rm 2}}$的成因类型主要为幔源无机成因。

（2）火山活动和晚期活化的基底断裂是桑托斯盆地盐下CO$_{{\rm 2}}$聚集成藏的主要控制因素，其中火山活动为CO$_{{\rm 2}}$的聚集成藏提供气源条件，晚期活化基底断裂为CO$_{{\rm 2}}$聚集成藏提供有利通道条件。

（3）桑托斯盆地盐下油气田中CO$_{{\rm 2}}$含量与基底大断裂展布密切相关。紧邻基底大断裂的油气田中CO$_{{\rm 2}}$含量往往高于远离基底断裂的油气田。

（4）后期大量幔源CO$_{{\rm 2}}$源源不断地注入，使盐下油气藏的油气组分发生蒸发分馏作用，并形成高含CO$_{{\rm 2}}$的凝析气顶和下部稠油油环。