湖相碳酸盐岩——渤中凹陷油气勘探新领域*

陈少平 刘丽芳 黄胜兵 沈 朴 郝 婧 李 楠

(中海油研究总院有限责任公司 北京 100028)

湖相碳酸盐岩成为产油层已很常见[1-3]。在国外，如巴西坎波斯盆地、美国绿河盆地等均有以湖相碳酸盐岩为储层的大油田；在国内陆上地区，如大庆油田白垩系灰岩、济阳坳陷沙四段灰(云)岩和黄骅坳陷沙三段灰(云)岩等都是良好的储层，甚至是高产油气层；在渤海海域，如秦皇岛29-2E构造湖相碳酸盐岩获重大突破，以沙一二段湖相碳酸盐岩为主要目的层的曹妃甸2-1等油气田已经处于开发阶段[4]，锦州20-2等在生产油气田中发现有湖相碳酸盐岩[5]。因此，湖相碳酸盐岩储层的重要性日益凸显，值得进一步研究。

渤中凹陷油气勘探由浅层向中深层发展是大势所趋，该凹陷独特的地质特征决定了湖相碳酸盐岩是其中深层重要的储层类型。本文以渤中凹陷为研究对象，综合运用地震、钻测井、分析化验等资料，结合前人研究成果，对该地区湖相碳酸盐岩形成条件进行分析,总结湖相碳酸盐岩发育的控制因素和模式，在此基础上对湖相碳酸盐岩的分布进行预测，并对湖相碳酸盐岩的勘探前景进行分析，以期为该地区下一步的勘探决策提供借鉴。

1 地质背景

渤中凹陷位于渤海湾盆地中心，是渤海湾盆地内最大的凹陷，面积近9 000 km2，新生界厚逾10 km。渤中凹陷以其巨大的面积和巨厚的新近纪沉积而成为渤海湾盆地中最具有特点的一个凹陷，具有优越的石油地质条件，发育沙三段、沙一段和东三段等3套有效烃源岩，是我国近海资源量最大的凹陷，勘探潜力巨大。最新研究表明，渤中凹陷并非一个统一的大凹陷，其古近系具有“四洼一低凸”结构格局，即由渤中东洼、渤中西洼、渤中北洼、渤中南洼和渤中低凸起组成(图1)，其中新发现的渤中低凸起在沙三段沉积时期为隆起区，沙一二段沉积时期演变为水下高地，开始逐步接受沉积。已钻井证实，沙一二段是渤海海域湖相碳酸盐岩集中发育的层段，因此渤中低凸起的发现对研究渤中凹陷湖相碳酸盐岩具有重要意义。

目前，渤中凹陷周边凸起区探明地质储量约占总探明地质储量的80%。随着周缘凸起区浅层油气勘探程度越来越高，渤中凹陷油气勘探开始由凸起区向凹陷区、由浅层向中深层发展。对凹陷区中深层勘探而言，制约其勘探成效的关键是储层，这主要是由渤中凹陷独特的地质条件所决定的。渤中凹陷是整个渤海湾盆地新近纪的沉积中心，新近系沉积厚度大，由此造成渤中凹陷古近系中深层压实作用强、成岩程度高。与砂岩型储层不同，渤中凹陷湖相碳酸盐岩储层受埋深的影响相对较小[1]，在中深层也具有较好的物性 (图2)，且溶蚀作用强，改善潜力大。因此，湖相碳酸盐岩在埋深较大的中深层也能形成有效储层，是中深层重要的储层类型，是渤中凹陷油气勘探的新领域。

图1 渤中凹陷构造分区Fig .1 Structural division of Bozhong sag

图2 渤中凹陷秦皇岛36-3油田沙二段储层物性分析 (岩心实测数据)Fig .2 Reservoir properties analysis of E2s2 in QHD36-3 oilfield of Bozhong sag(core testing data)

2 沙一二段湖相碳酸盐岩形成主控因素

湖相碳酸盐岩由于发育条件近于苛刻，只有在特殊的地质背景下才能形成。通过文献调研[6-11]，以及对渤海湾盆地现代沉积的分析可知，湖相碳酸盐岩的发育主要受控于古气候背景、古构造背景、古水介质条件、古地貌和古物源。下面主要从以上几个方面来分析渤中凹陷沙一二段湖相碳酸盐岩的形成主控因素。

2.1 古气候背景

湖相碳酸盐的发育需要温热和相对干旱的气候环境，其中温热气候有利于生物的繁盛，这为湖相碳酸盐的形成提供了物质来源；而在相对干旱的气候环境下，湖水的蒸发量大于补给量，湖水盐度不断增大，易于产生碳酸盐化学沉淀，形成碳酸盐岩浅滩。王冠民 等[12]利用孢粉、碳酸盐稳定同位素、地球化学等手段对济阳坳陷古近纪的古气候进行了系统研究。济阳坳陷与渤中凹陷同属渤海湾盆地，地理位置也非常接近，具有相似的古气候背景，因此，据济阳坳陷古气候演化曲线可知(图3)，研究区沙二段和沙一段沉积早期具有温热和相对干旱的古气候环境，有利于湖相碳酸盐岩的发育。

图3 济阳坳陷古气候演化曲线[12]Fig .3 Evolution curve of paleoclimate in Jiyang depression[12]

2.2 古构造背景

湖相碳酸盐沉积主要发育于构造活动相对稳定的大型断陷和坳陷盆地中，而小型断陷盆地很少发育或发育规模很小[13]。渤中凹陷面积接近9 000 km2，属于大型断陷。在湖盆形成、发育和萎缩的发展阶段中，湖相碳酸盐岩一般发育于构造相对稳定，湖盆水体持续扩张的阶段。由渤海海域构造演化过程可知[14]，沙一二段沉积时期盆地进入裂后热沉降阶段，构造相对稳定，从沙二段到东二下亚段沉积时期渤海海域湖盆水体整体处于持续扩张阶段，因此，沙一二段具备湖相碳酸盐岩发育的古构造背景。

2.3 古水介质条件

碳酸盐岩的形成需要一定的盐度古水介质条件，微咸水—咸水的水介质条件有利于碳酸盐岩的形成[15]，碳酸盐岩发育有利的古盐度范围为10‰～35‰，利用碳氧同位素对研究区沙一二段古盐度进行了计算，结果表明(表1)：渤中凹陷及周缘沙一二段古盐度范围为23.82‰～33.41‰，平均值为30‰左右，因此，沙一二段古水介质条件有利于湖相碳酸盐岩的发育。

表1 渤中凹陷及周缘沙一二段碳氧同位素统计及 古盐度计算结果Table 1 Carbon and oxygen isotope statistics and paleosalinity for E2s1+2 of the Bozhong sag and the surrounding area

2.4 古地貌

古地貌对湖相碳酸盐岩的分布具有重要的影响，其中水下高地是湖相碳酸盐岩发育的最有利区[16]。通过对渤中凹陷的凹陷结构进行系统研究，明确了渤中凹陷古近系并非一个统一的大凹陷，具有“四洼一低凸”结构格局；沙一二段沉积时期渤中凹陷发育多个水下高地(本文指有沙一二段沉积的凹中隆)，为湖相碳酸盐岩的发育提供了良好的古地貌背景(图4)。

图4 渤中凹陷水下高地分布特征Fig .4 Distribution characteristics of underwater highland in Bozhong sag

秦皇岛30-1构造位于渤中凹陷和秦南凹陷之间，处于受物源影响较小的凹中隆。该构造4口井中有3口井揭示碳酸盐岩，碳酸盐岩发育程度差异明显。其中，处于隆起高部位的QHD30-1N-A井主要发育含螺灰岩，碳酸盐岩厚度12.6 m；处于缓坡带高部位的BZ-F井主要发育生屑灰岩夹薄层泥岩，碳酸盐岩厚度30 m；处于缓坡带低部位的QHD30-1-A井主要发育深灰色泥岩夹薄层灰岩，碳酸盐岩厚度12.5 m；而处于陡坡带下降盘的QHD30-1-B井主要发育深灰色泥岩，不发育碳酸盐岩。由此可见，局部古地貌对碳酸盐岩的分布具有明显的控制作用，具备一定坡度的水下高地是湖相碳酸岩发育的有利区，碳酸盐岩主要分布在位置较高、坡度较缓的部位。据此构建了秦皇岛30-1构造沙一二段湖相碳酸盐岩发育模式(图5)，同时通过对锦州20-2等构造的分析发现湖相碳酸盐岩的分布具有相似的规律[15]。

2.5 古物源

入湖水体清澈和陆源碎屑物质供给少，适宜生物繁衍，有利于碳酸盐沉积物特别是与生物繁衍相关的碳酸盐沉积的发育。渤中凹陷沙一二段沉积前凹陷分割性较强，到沙一二段沉积时期凹陷统一接受沉积，开始成为一个统一的大凹陷，但是该时期仍以盆内局部物源为主，凹陷整体呈现“大凹陷，小物源”的特点，位于凹陷中部的水下高地远离物源区，物源影响相对较弱。另外，凸起物源区本身就是碳酸盐岩,更有利于凹陷区湖相碳酸盐岩的发育，凹陷周边物源区部分母岩本身就是寒武—奥陶系碳酸盐岩。

物源强弱是指距物源区的远近、物源规模以及供给量等，物源强弱对碳酸盐岩发育具有重要影响。渤中25-1构造是一个位于黄河口凹陷与渤中凹陷之间的反转构造，该构造具备湖相碳酸盐岩发育的有利地质背景，区域沉积研究表明物源主要来自渤中25-1构造南部地区，钻井揭示从南至北含砂率逐步降低，碳酸盐岩厚度逐步增厚，位于构造南部的BZ25-1-F井含砂率为42%，不发育纯碳酸盐岩，仅局部发育灰质泥岩，碳酸盐岩厚度0 m；而位于构造北部的BZ25-1-C井含砂率为10%，碳酸盐岩厚度10 m。另外，物源规模对湖相碳酸盐岩发育程度也有重要影响，沙一二段沉积时期渤南低凸起北坡具有“西部含钙，东部富砂”的特点，这主要是由渤南低凸起东段和西段物源规模差异较大所致，该时期渤南低凸起东段物源区面积达959 km2，物源规模较大，其北坡砂体发育，碳酸盐岩欠发育；与之相反，西段物源规模有限，面积仅为161 km2，物源相对较弱，其北坡砂体欠发育，碳酸盐岩较为发育。从以上分析可知，远离物源区物源供给不充足，有利于生物的生长发育，从而有利于湖相碳酸盐岩的发育。

图5 秦皇岛30-1构造沙一二段湖相碳酸盐岩发育模式Fig .5 Development pattern of lacustrine carbonate rocks for E2s1+2 of QHD30-1 structure

3 沙一二段湖相碳酸盐岩分布预测

分析认为，沙一二段沉积时期渤中凹陷及周缘发育多个水下高地，主要有渤中东洼和渤中南洼之间的渤中低凸起，渤中东洼和渤中北洼之间的低凸起，渤东低凸起和渤南低凸起之间的低凸起，以上水下高地具有湖相碳酸盐岩发育良好的古地貌背景，同时远离物源区，是湖相碳酸盐岩发育的有利区，但到目前为止这些区域钻井很少。因此，本次研究主要是在湖相碳酸盐岩发育模式的指导下，利用地震反射特征和地震属性对湖相碳酸盐岩发育的具体部位和规模进行预测。

3.1 地震响应特征分析

从湖相碳酸盐岩的分布特点出发，把握其地震响应特征，是预测其分布的关键。纵向上，渤中凹陷沙一二段湖相碳酸盐岩多层呈韵律变化，单层厚度由下至上减薄，至后期碳酸盐岩不发育(图6)。沙一二段湖泊扩张早期，水体浅，气候温热且相对干旱，生物或碎屑相对丰富，适宜粒屑碳酸盐岩发育，湖相碳酸盐岩沉积厚度大；随着湖盆水体的进一步扩张，水深增加，同时气候变潮湿和寒冷，碳酸盐岩中颗粒含量逐渐降低，厚度减小，湖相碳酸盐岩多呈薄层状夹在深色泥岩中；至沙一二段沉积后期，其地质背景已不再适合湖相碳酸盐岩发育，主要发育湖相泥岩沉积。

图6 渤中凹陷沙一二段碳酸盐岩发育地质模型Fig .6 Development geological model of carbonate rock in E2s1+2 of Bozhong sag

碳酸盐岩密度高、速度大，与泥岩的波阻抗差异明显，在地震上易于形成强反射界面。根据这种波阻抗关系和地质模式对湖相碳酸盐岩进行模型正演(图7)，有助于搞清楚其地震反射特征的变化[4]：底部厚层(20～100 m)碳酸盐岩具有明显的丘状外形反射特征，内部杂乱或空白；中部中等厚度(5～20 m)碳酸盐岩为断续强反射特征，丘状外形不明显；上部薄层(<5 m)碳酸盐岩为连续的强反射，与湖相沉积相似。因此，利用地震反射特征并结合地震属性，可对不同厚度碳酸盐岩进行预测。由于薄层碳酸盐岩地震反射特征与湖相沉积相似，对其预测难度较大，而且只有具有一定厚度和规模的碳酸盐岩对油气勘探才有实际意义，因此本次研究主要对厚层和中等厚度湖相碳酸盐岩进行预测。

图7 渤中凹陷沙一二段碳酸盐岩地震正演结果Fig .7 Seismic simulation results of carbonate rocks of E2s1+2 in Bozhong sag

3.2 分布预测

3.2.1厚层湖相碳酸盐岩

QHD30-3-B井沙二段钻遇厚层碳酸盐岩，碳酸盐岩总厚度为46.5 m，由过该井的地震剖面可以看出厚层碳酸盐岩地震反射特征为丘状外形、内部杂乱或空白反射、两端上超现象明显，这与地震正演结果一致。分析认为,沙一二段沉积时期渤中低凸起具备湖相碳酸盐岩发育的良好地质背景，渤中低凸起在沙一二段沉积时期发育多个水下高地(图4)，且远离物源区，基底为中生界火山岩和古生界碳酸盐岩，具备湖相碳酸盐岩发育的地质条件和物质基础。在地震剖面上，高部位具有明显的丘状外形，内部为杂乱弱反射特征，两端上超现象明显，顶面为强振幅较连续反射(图8)，推测为厚层碳酸盐岩发育区。此外，渤中凹陷和渤中北洼之间的低凸起，渤东低凸起和渤南低凸起之间的低凸起，均与渤中低凸起相似，同样具备湖相碳酸盐岩发育的良好地质背景。因此，沙一二段沉积时期上述几个低凸起之上多个水下高地具有上述地震反射特征，本次研究对其进行了追踪描述，据此圈定了湖相碳酸盐岩的平面分布范围。

图8 渤中凹陷厚层湖相碳酸盐岩地震反射特征Fig .8 Seismic reflection characteristics of thick lacustrine carbonate rock of Bozhong sag

3.2.2中等厚度湖相碳酸盐岩

旅大16-3构造位于辽中凹陷北部缓坡带，该构造具备湖相碳酸盐岩发育的有利地质背景：该构造离辽西低凸起物源区较近，但处于非砂体汇聚的优势方向，陆源碎屑影响小；存在平缓台阶，LD16-3-A井位于缓坡较低部位，该井在沙一二段钻遇白云岩及砂质白云岩共19.9 m，其中白云岩单层最大厚度8 m，推测缓坡高部位发育更厚的碳酸盐岩。从过井地震剖面可以看出，高部位为断续强反射特征、中高频、丘状外形不明显，为中等厚度碳酸盐岩的反射特征，与凹陷深部的湖相泥岩强振幅低频平行反射差异明显，而且在振幅和频率特征上都存在较为明显的差异(图9)，据此对该构造沙一二段提取了均方根振幅属性和瞬时频率属性，利用这2种地震属性刻画出了湖相碳酸盐岩平面分布范围。

由此可见，在湖相碳酸盐岩发育模式的指导下，针对不同规模的湖相碳酸盐岩可以采用不同的方法。对渤中凹陷及周缘沙一二段湖相碳酸盐岩分布进行了预测，结果表明：沙一二段时期渤中低凸起以及渤中凹陷和渤中北洼之间的低凸起，渤东低凸起和渤南低凸起之间的低凸起是湖相碳酸盐岩发育的有利区，整体上湖相碳酸盐岩规模较大，总面积达202 km2(图10)。

图9 旅大16-3构造中等厚度碳酸盐岩与湖相泥岩地震反射特征对比Fig .9 Comparison of seismic reflection characteristics between medium thick carbonate and lacustrine mudstone of LD16-3 structure

图10 渤中凹陷沙一二段湖相碳酸盐岩分布预测Fig .10 Distribution prediction of lacustrine carbonate rocks in E2s1+2 of Bozhong sag

4 勘探前景

前期油气勘探中，渤中凹陷主要以砂砾岩(碎屑岩)型储层作为勘探对象。分析认为，湖相碳酸盐岩可作为渤中凹陷新的储层类型和勘探对象，统计分析表明渤海海域碎屑岩含油储层下限深度约为5 500 m，气层的下限深度约为6 000 m。渤中凹陷一个重要地质特点就是中深层地层埋深大，凹陷区沙一二段埋深普遍大于5 500 m(图10)，压实作用强，成岩程度高，碎屑岩正常情况下难以形成有效储层，而湖相碳酸盐岩储层受埋深的影响相对较小，且溶蚀作用强，改善潜力大，在中深层也能形成有效储层。另外，渤中凹陷沙一二段沉积时期整体呈现“大凹陷、小物源” 的特点，凹陷中部的水下高地远离物源区，普遍“缺砂”，而湖相碳酸盐岩的发育正好可以弥补凹陷中部缺砂的不足。因此，湖相碳酸盐岩是渤中凹陷中深层重要的潜在储层类型。

湖相碳酸盐岩一般发育于凹中隆背景，具有良好的成藏条件。以渤中低凸起为例，该低凸起位于渤中东洼和渤中南洼2个富烃洼陷之间，具有双向供烃的有利条件，虽然沙一段碳酸盐岩不具有生烃能力，但是与碳酸盐岩伴生泥岩便具有生烃能力，因此湖相碳酸盐岩具有近源和源内成藏的优势；另外，该低凸起上覆沙一段—东二下亚段厚层泥岩发育，是良好的盖层，水下高地是湖相碳酸盐岩发育的最有利部位，同时其上覆地层中易于形成披覆背斜。

渤中凹陷是我国近海资源量最大的凹陷，凹陷内沙一段—东二下亚段厚层泥岩发育，因此位于这套区域盖层之下的沙一二段湖相碳酸盐岩储层将成为渤中凹陷油气勘探的新领域，具有良好的勘探前景。

5 结论

1) 渤中凹陷在沙一二段沉积时期具有温热、相对干旱的古气候，该时期盆地进入裂后热沉降阶段，古构造相对稳定，水体为半咸水—咸水，水下低隆起发育，具有“大凹陷，小物源”的特点，有利于湖相碳酸盐岩的发育，湖相碳酸盐岩发育的具体部位主要受局部古地貌、古物源的控制。

2) 渤中凹陷沙一二段不同厚度的碳酸盐岩具有不同的地震反射特征：厚层碳酸盐岩具有明显的丘状外形反射特征，内部杂乱或空白；中等厚度碳酸盐岩为断续强反射，丘状外形不明显；薄层碳酸盐岩为连续强反射，与湖相沉积相似。预测结果表明：沙一二段时期渤中凹陷湖相碳酸盐岩规模较大，总面积达202 km2。

3) 湖相碳酸盐岩储层受地层埋深的影响相对较小，且溶蚀作用强，是渤中凹陷中深层重要的储层类型，湖相碳酸盐岩的发育弥补了渤中凹陷凹陷中部缺砂的不足，是渤中凹陷中深层重要的储层类型。湖相碳酸盐岩一般发育于凹中隆背景，具有良好的成藏条件，是渤中凹陷油气勘探的新领域。