渤海湾盆地南堡凹陷深层碳酸盐岩潜山地质特征与勘探实践

杨晓利，王政军，高文中，赵忠新，马 乾，王 琦，张红臣

中国石油 冀东油田公司 勘探开发研究院，河北 唐山 063004

1 勘探概况

南堡凹陷位于渤海湾盆地黄骅坳陷北部，面积1 932 km2，是在华北地台基底上，经中、新生代构造运动发育起来的一个北断南超的箕状断陷。南堡凹陷断裂系统发育，研究区内几条主要断层将南堡凹陷切割为多个次级构造带，主要包括南堡5号、南堡1号、南堡2号、南堡3号、南堡4号、高尚堡、柳赞和老爷庙等构造带，深层碳酸盐岩潜山主要发育在海域南堡5号—南堡3号构造(图1a-b)，地层主要为奥陶系、寒武系。前人研究表明南堡凹陷深层碳酸盐岩潜山油气成藏条件较好[1-5]，南堡凹陷深层碳酸盐岩潜山发现井LPN1井奥陶系潜山试油日产油700 m3，天然气16×104m3，随后钻探PG2井和NP1-89井先后在寒武系内幕潜山和奥陶系残丘潜山获得勘探发现，深层碳酸盐岩潜山展示出较好的勘探潜力，成为重要勘探领域。但近年来在南堡2号构造残丘潜山低部位和南堡1号潜山多口井钻探失利，深层碳酸盐岩潜山勘探陷入停滞，虽然深层碳酸盐岩潜山具有埋藏深、地层温度高、钻探成本高、控制油气面积小等劣势，但潜山一经发现，大多具有高产稳产能力，多口井单井累计产油2万吨以上，累计产气(3 000～5 000)×104m3，具有较好的经济效益。因此，有必要开展勘探技术攻关，在提高地震资料品质基础上，开展成藏条件再评价与成藏主控因素再认识，进一步明确研究区深层潜山勘探的潜力与方向。

图1 渤海湾盆地南堡凹陷潜山构造单元及其古生界综合柱状图

2 油气有利成藏条件

2.1 多期构造运动

多期构造运动形成洼隆相间的构造格局，有利构造面积大。南堡凹陷作为渤海湾盆地的一个小型富油气凹陷，其形成演化与渤海湾盆地的演化密切相关。南堡凹陷演化过程可分为5个阶段，分别为古生代稳定升降、印支期挤压抬升、燕山期裂陷、古近纪强烈断陷和新近纪拗陷阶段，各潜山构造在古近系沉积前已初步形成，古近纪和新近纪进一步发育定型，从而形成了现今的构造格局(图2)。南堡凹陷潜山由西至东发育于南堡5号、1号、2号、3号和4号构造，这些潜山构造带呈东西向排列，走向为北北东向，并向北倾覆，具有洼隆相间的构造格局，埋深6 000 m以浅的有利构造面积达178 km2，有利构造面积大，具有较大勘探潜力。

图2 渤海湾盆地南堡凹陷潜山构造演化

2.2 优质烃源岩与多套储盖组合形成多套含油气层系

南堡凹陷南堡1号、南堡2号和南堡3号构造带古生界碳酸盐岩潜山上覆地层为古近系沙三段二亚段，该套地层为一套区域广泛分布，厚达200～400 m的钙质或含钙泥岩，有机质丰度高，有机碳含量大多大于2%，有机质类型以Ⅱ1型为主，热演化程度高，镜质体反射率主要分布在0.96%～1.45%，现今已进入成熟—高成熟阶段，生烃凹陷中心已达高成熟—过成熟阶段，处于生凝析油和凝析气阶段，综合评价为一套优质、成熟—高成熟烃源岩[6-9]，为深层潜山油气藏形成奠定了丰富的油气资源基础；同时，深层古生界碳酸盐岩潜山上覆或侧向对接均为沙三段优质烃源岩，且供烃窗口大，潜山圈闭长期处于油气运移指向区，继承性活动大断层和区域不整合面构成有效复式运移通道；多次构造运动和多期岩溶改造在奥陶系和寒武系碳酸盐岩中形成了大量裂缝和溶蚀孔洞[10]；古近系细粒沉积物形成的区域性盖层和上覆火成岩形成的局部盖层为潜山油气藏提供了良好的保存条件[11]；寒武系—奥陶系发育多套储盖组合，为南堡凹陷潜山多类型潜山油藏的形成提供了有利条件。

2.3 纵向上发育多套储盖组合和含油气层系

南堡凹陷下古生界碳酸盐岩潜山地层广泛发育，主要分布在南堡1、2、3号构造带和南堡5号构造带，主要地层为寒武系和奥陶系，纵向上存在7套储层和6套泥质隔层，因此寒武系—奥陶系自下而上主要发育7套储盖组合，其中寒武系发育4套储盖组合，奥陶系发育3套储盖组合(图1c)。(1)第一套：寒武系府君山组含石膏或石膏质、含灰白云岩为储层，上覆寒武系馒头组含灰泥岩或白云质泥岩为盖层；(2)第二套：寒武系毛庄组上部灰质白云岩为储层，上覆寒武系徐庄组褐色泥岩为盖层；(3)第三套：寒武系张夏组上部鲕灰岩为储层，上覆崮山组泥岩为盖层；(4)第四套：寒武系凤山组—长山组灰岩为储层，上覆冶里组下部含泥质较重的泥质灰岩为盖层；(5)第五套：奥陶系冶里组上部—亮甲山组白云质灰岩为储层，上覆下马家沟组下部泥质灰岩为盖层；(6)第六套：奥陶系下马家沟组上部灰岩为储层，上覆上马家沟组下部泥质灰岩或古近系沙三段钙质泥岩为盖层；(7)第七套：奥陶系上马家沟组中上部灰岩为储层，上覆古近系沙三段钙质泥岩为盖层。第一套至第四套储盖组合主要分布于南堡3号构造和南堡2号构造，第五套至第七套储盖组合主要分布于南堡2号构造和南堡1号构造。根据目前钻探结果，除寒武系张夏组和府君山组、奥陶系冶里组外，其他层系均获得工业油气流，具有多层系含油气特点。

综上所述，南堡凹陷深层碳酸盐岩潜山与渤海湾盆地大多数潜山一样，具有洼隆相间的构造格局，深层碳酸盐岩潜山分布广泛，发育多套储盖组合，储层物性好，优质烃源岩发育，油气成藏条件优越。

3 油气成藏主控因素

3.1 供烃窗口控制油气成藏分布

油气源精细对比表明，深层碳酸盐岩潜山油气来自沙河街组三段的高成熟优质烃源岩，为新生古储型油气藏[12-13]。另外，根据油气伴生的盐水包裹体均一温度，结合埋藏史、热史分析表明潜山油气藏主要经历了两期油气充注，但充注时间均在5 Ma以来，主要发生在上新世明化镇早期和晚期，具有晚期充注成藏特征。这是由于新构造运动导致馆陶组沉积晚期和明化镇组沉积时期厚层快速沉积，沙三段烃源岩快速生排烃并运移成藏，油气散失少，有利于油气保存。因此，沙河街组烃源岩成熟并大量生排烃时，只有存在较大供烃窗口，烃源岩生成的油气才能运移至潜山圈闭中聚集成藏，尤其是内幕油气藏，因此，供烃窗口是油气成藏的基础(图3)。同时研究表明，不同供烃方式影响油气富集，根据潜山供烃特征，可将潜山供烃方式划分为3类：(1)Ⅰ类为直接接触、双向供烃型，供烃窗口侧向和上覆地层均为沙三段高成熟或成熟优质烃源岩，供烃范围大，主要分布在南堡2号潜山上升盘风化壳残丘潜山；(2)Ⅱ类为直接接触、单向复合供烃型，侧向为沙三段高成熟或成熟优质烃源岩，主要为南堡3号构造寒武系内幕潜山和南堡1号构造洼槽区残丘潜山；(3)Ⅲ类间接接触、单向断层或不整合供烃型，侧向和上覆均为非烃源岩层系，主要分布在南堡5号潜山。钻探证实，Ⅰ类和Ⅱ类成藏条件较好，能获得高产或工业油气流，而Ⅲ类多数钻探失利。同时沙三段烃源岩生烃增压形成超压，南堡古生界潜山上覆沙三段地层压力系数为1.2～1.8，生烃形成超压使沙三段生成的高成熟油气向下部或侧向潜山运移成藏。

图3 渤海湾盆地南堡凹陷古生界碳酸盐岩潜山油气成藏模式

3.2 圈闭类型决定油气藏类型

南堡凹陷深层碳酸盐岩潜山经历了多期构造运动，且紧邻燕山褶皱带，潜山构造面貌复杂、地层变化较快。断裂与侵蚀多重作用形成多类型潜山圈闭，主要有地层削蚀形成的不整合圈闭、断层与侵蚀作用形成的残丘圈闭、断层控制形成的断块圈闭(图4)。多类型圈闭形成多种类型油气藏，如南堡1号潜山主要发育地层削蚀不整合油气藏，南堡2号潜山主要发育断块油气藏和地层削蚀不整合油气藏，南堡3号潜山主要发育断块油气藏和潜山内幕油气藏。

3.3 优势储层控制富集高产

南堡凹陷碳酸盐岩潜山油气源条件好，供烃窗口大，具有较好的物质基础。勘探证实储层的发育程度是控制深层潜山油气富集的关键，优质储层发育区往往就是油气富集区。

根据岩心、铸体薄片结合测井资料，南堡凹陷深层古生界潜山储层主要为寒武系府君山组和毛庄组以及奥陶系马家沟组碳酸盐岩，上覆地层为古近系沙三段优质烃源岩。奥陶系沉积环境主要为缓坡碳酸盐台地，寒武系主要为镶边碳酸盐台地。风化壳潜山奥陶系岩相古地理与微相特征研究表明冶里组、亮甲山组、下马家沟组上部缓坡颗粒滩相均发育生屑灰岩，易于溶蚀，为有利储集发育组段。内幕潜山寒武系府君山组开阔内缓坡潮下藻席沉积粉细晶白云岩、毛庄组半局限潮间带—潮下混积坪沉积灰质白云岩发生白云石化并溶蚀形成优质储层。在以陆源碎屑沉积为主的背景下，周期性地出现孤立碳酸盐台地的层序，主要由泥晶鲕粒和放射鲕粒泥粒—颗粒灰岩组成。溶蚀后发育大量溶孔及溶洞。南堡凹陷潜山碳酸盐岩储集空间类型包括裂缝和孔隙两种类型。裂缝类型主要为构造缝和构造—溶蚀缝；孔隙类型主要为晶间微孔、粒屑间溶孔和粒屑内溶孔等(图5)。

图5 渤海湾盆地南堡凹陷古生界碳酸盐岩储层微观特征

据统计，古生界碳酸盐岩潜山储层孔隙度随埋深的增加，孔隙度没有明显减小，变化不大。表明古生界碳酸盐岩储层早期形成的孔洞及裂缝受埋藏成岩作用的影响很小，深埋后仍能很好保存早期形成的孔洞和裂缝，仍具有较好的储集性能[14-18]。深层碳酸盐岩潜山主要经历了燕山期与喜马拉雅期两次大规模抬升剥蚀与风化淋滤，造就了良好的古岩溶地貌，形成孔、缝、洞复合储集空间。其中溶蚀孔、洞是下古生界最有利的储集类型，其形成主要受控于表生岩溶、埋藏岩溶两种岩溶模式(图6)，表生条件下灰岩比白云岩易溶，而埋藏条件下白云石比方解石更易发生溶蚀，两种岩溶模式控制下古生界灰岩风化壳及白云岩内幕储层的发育。

图6 渤海湾盆地南堡凹陷下古生界表生岩溶和埋藏岩溶模式

南堡凹陷深层碳酸盐岩潜山经历多期构造活动，断裂发育。钻探发现，高产油气富集区除了发育储层溶蚀孔洞，大多还发育裂缝。奥陶系下马家沟组碳酸盐岩储层储集空间以裂缝和孔隙为主。寒武系碳酸盐岩储层储集空间包括基质孔隙、溶蚀孔洞和裂缝3类。研究表明，断裂活动对碳酸盐岩储层的改造作用除了形成裂缝、破碎带等，同时断裂增加了地表水和地下水与碳酸盐岩的接触面积和溶蚀范围，表现在断裂带通常是裂缝与岩溶发育的密集带、多条断裂控制的背斜残丘高点也是裂缝发育区、大型溶洞一般发育在分支断裂附近，且洞穴的走向常与次级断裂的走向一致，断裂的交会处也容易形成大型洞穴，串珠状反射分布特征大体上与断裂延伸一致。统计南堡凹陷放空漏失井，大多在断裂带附近。即多期、多成因断裂(主要是构造破裂和岩溶塌陷[19])使得该区岩溶洞穴发育。钻探也证实本区主要储层类型为裂缝孔洞型或孔洞裂缝型，NP1-5井钻井取心可见溶蚀孔洞，且有残余油迹(图5)，LPN1井岩心薄片可见大量裂缝，且有橙色荧光，这些溶蚀孔洞和裂缝都是油气储集的有效空间，储集空间的大小直接影响油气的富集程度，优势储层控制富集高产。

南堡凹陷奥陶系碳酸盐岩储层有效孔隙度相对较低，最大仅为10.3%，最小为0.4%，集中分布在1.3%～8.2%；水平渗透率和垂直渗透率变化较大，水平渗透率最大为66.40×10-3μm2，集中分布在(11.73～15.70)×10-3μm2，垂直渗透率最大12.60×10-3μm2，平均4.90×10-3μm2。寒武系碳酸盐岩储层有效孔隙度平均5.5%～8.3%，渗透率集中分布在(2.7～29.7)×10-3μm2。

综合表明，奥陶系风化壳残丘潜山储层以斜坡带晚期断裂与岩溶叠加形成的断溶体储层最好，其次为斜坡带岩溶储层，主要分布在南堡2号构造上升盘斜坡带和南堡1号构造南堡1-5区；寒武系内幕储层以白云岩化储层在断裂作用下形成溶蚀裂缝—孔洞型储层最好，主要为毛庄组上部灰质白云岩裂缝—孔洞型储层，其次为不整合界面之下的大气淡水溶蚀储层，主要为府君山组含石膏或石膏质、含灰白云岩溶蚀孔洞储层，主要分布在南堡2号、南堡3号构造带。

奥陶系和寒武系碳酸盐岩储层均具有自然产能，但酸化处理后效果更好。如南堡280井奥陶系下马家沟组4 496.49～4 565 m井段中途测试，酸后10 mm油嘴自喷，折日产气38×104m3，日产油64.75 m3，堡古2井在寒武系毛庄组5 165.5～5 192.0 m井段试油，折日产气17.9×104m3，日产油27.8 m3。

综上所述，南堡凹陷碳酸盐岩潜山的油气富集受到地层、构造、储层等多重因素控制。油藏类型多样，主要有地层削蚀不整合油气藏、风化壳断块油气藏与潜山内幕油气藏，供烃窗口控制油气成藏分布，圈闭类型决定油藏类型，优势储层控制富集高产。

4 勘探领域与勘探实践

根据南堡凹陷深层古生界碳酸盐岩潜山成藏条件与主控因素，结合各潜山带的供烃条件、圈闭条件、储层条件和钻探效果，对各潜山区块进行了综合评价，并将其划分为三类。Ⅰ类区供烃条件优越(侧向与上覆均为古近系沙河街组三段优质烃源岩)，圈闭类型有利，储层条件优越、钻探效果好；Ⅱ类区供烃条件较好(侧向与上覆均为第三系烃源岩)，圈闭类型较好，储层条件较好，钻探效果较好；Ⅲ类区存在供烃窗口，但上覆地层为上古生界或中生界，圈闭类型较好，储层条件一般，钻探效果一般；在此基础上划分了3类有利勘探目标区，其中南堡2、3号寒武系内幕潜山储层物性好，供烃窗口大，为下步油气勘探重点领域(图7)。目前，潜山残丘不整合油气藏和潜山内幕油气藏是最重要的勘探目标。

图7 渤海湾盆地南堡凹陷碳酸盐岩潜山勘探区带综合评价

4.1 奥陶系风化壳地层型潜山

南堡潜山受剥蚀作用影响，奥陶系内幕地层变化较快，残丘识别和刻画难度较大。通过井震综合分析，从古地貌分析入手，综合地层厚度分析，准确识别冲蚀沟的位置，通过地层拉平来精细刻画残丘，总结出一套地层圈闭综合识别流程，并应用此技术对南堡潜山地层圈闭进行刻画。

通过地层圈闭综合识别与刻画，对南堡1、2号潜山及凹槽区奥陶系残丘进行识别和刻画，自西向东共识别出3排残丘带，总面积约75.6 km2，开展圈闭有效性评价。评价结果表明，Ⅰ类残丘潜山有利区分布在南堡2号构造斜坡带，侧向和上覆为沙三段二亚段优质烃源岩，双向供烃且供烃窗口大，储层类型为裂缝—孔洞型储层；Ⅱ类有利区分布在南堡1号和南堡2号之间的断槽区岩溶储层，侧向为沙一段成熟烃源岩，上覆为沙三段好烃源岩，供烃窗口较大，储层类型以溶蚀孔洞型储层为主，裂缝较为发育；Ⅲ类主要分布在南堡5号构造，上覆和侧向为石炭—二叠系火山岩与暗色泥岩互层非烃源岩地层，而且上覆厚层残积层，早期裂缝大多被充填，晚期裂缝不发育。在此基础上，在南堡1、2号构造带新落实了10个供烃窗口大、溶蚀孔洞和裂缝发育的风化壳地层型圈闭，在南堡1号构造洼槽区部署的NP103x89井在奥陶系下马家沟组试油获得高产。

4.2 寒武系内幕潜山

在主要断裂的控制下，南堡潜山的寒武系内幕也发育构造圈闭。通过对寒武系3套主要目的层(张夏组、毛庄组、府君山组)精细构造解释，分别针对各层系新识别和落实了多个内幕构造圈闭。内幕圈闭主要分布在南堡1号断层上升盘、南堡1-5断层上升盘、南堡2号断层上升盘以及南堡3号断层上升盘，新落实圈闭总面积183.5 km2。分类评价认为南堡3号和南堡3号东毛庄组为最有利区带和层系，其次为南堡2号构造斜坡带毛庄组和府君山组。

通过对南堡凹陷深层碳酸盐岩潜山油气成藏条件再评价和油气富集规律再认识，明确了南堡凹陷碳酸盐岩潜山有利勘探方向，为勘探部署提供了重要依据，已实施的井勘探成效显著。近10年在南堡凹陷碳酸盐岩潜山通过12口井的实施，8口井获得工业油气流，获得南堡1、2号和3号潜山勘探整体突破。与此同时，通过南堡凹陷碳酸盐岩潜山的研究与勘探，大大推动了周边凸起碳酸盐岩潜山构造带新一轮的勘探工作，在西南庄潜山带多口井在寒武系毛庄组获工业油气流，其中T180×2等3口井日产油超过200 m3，预测有利勘探面积50 km2，周边凸起潜山勘探也获得新突破。

5 结论

(1)渤海湾盆地南堡凹陷碳酸盐岩潜山广泛发育，在南堡1号—南堡3号深层潜山成藏背景好，油气成藏条件优越。油气富集受地层、构造、储层等多重因素控制，油藏类型多样，供烃窗口控制油气成藏，圈闭类型决定油气藏类型，优势储层控制富集高产。

(2)通过成藏条件再认识与成藏主控因素分析，明确了奥陶系残丘潜山和寒武系内幕潜山是重点勘探领域。依据建立的区带综合评价标准，残丘潜山有利区分布在南堡2号构造斜坡带，侧向和上覆为沙三段二亚段优质烃源岩，双向供烃且供烃窗口大，储层类型为裂缝—孔洞型储层；内幕潜山以南堡3号和南堡3号东毛庄组为最有利区带和层系，其次为南堡2号构造斜坡带毛庄组和府君山组。经钻探取得了较好勘探成效，并推动了周边凸起碳酸盐岩潜山勘探。