冀中坳陷束鹿凹陷潜山分类与成藏模式

2022-10-26张宇飞杨丽丽杨双涛万照飞贾昔东魏一冰姜宏宇王永君

现代地质 2022年5期

王鹏，张宇飞，杨丽丽，杨双涛，王芳，万照飞，贾昔东，魏一冰，姜宏宇，王永君

(1.东方地球物理公司研究院地质研究中心，河北涿州 072750；2.华北油田公司勘探开发研究院，河北任丘 062552；3.东方地球物理公司塔里木物探处方法研究所，新疆库尔勒 841000；4.东方地球物理公司研究院海外部，河北涿州 072750)

0 引言

从全球范围来看，随着油气勘探工作的进行，以碎屑盐岩为主的油气藏规模越来越小，勘探难度越来越大，潜山油气藏可作为其有利的补充，越来越引起关注。“潜山”的概念是Powers于1922年首先提出[1]，1954年Levorsen对其进一步阐述为：盆地接收沉积前已形成的古地貌凸起，被其上新地层覆盖形成的潜伏山[2]。油气从后期沉积地层中向潜山进行运移充注聚集成藏，形成潜山油气藏[3]。

自20世纪潜山油气藏概念提出后，大量的潜山油气藏在世界各地的一些沉积盆地中被发现，如美国、加拿大、委内瑞拉、苏丹、乍得、利比亚、也门、俄罗斯以及大洋洲的巴布亚内陆盆地，在亚洲还有印度尼西亚、越南和哈萨克斯坦等多个国家[4-30]。国外大型潜山油气藏有越南湄公河盆地白虎花岗岩潜山油田[11]，委内瑞拉马拉开波盆地拉帕斯和马拉油田裂缝性花岗岩和变质岩油藏[12]，利比亚锡尔特盆地前寒武系花岗岩潜山油田[13]，阿尔及利亚哈希迈萨乌德寒武系潜山油田[14]，也门Masilah晚侏罗世断陷盆地Kharir花岗岩风化壳油田[15]，埃及苏伊士湾盆地胡尔加达花岗岩油藏[16]和乍得Bongor盆地花岗岩和变质岩潜山油藏[17-18]。国内的潜山勘探开始于渤海湾盆地任丘碳酸盐岩潜山油田的发现[31]，而后相继发现了黄骅坳陷千米桥碳酸盐岩潜山油藏[32]，辽河坳陷的太古宙变质岩潜山油田[33]，渤海湾渤中凹陷混合花岗岩潜山油田[34-35]，塔里木盆地寒武系—奥陶系白云岩潜山油田[36]和准噶尔盆地火山风化壳油气藏[37]等一系列油气田。国内外勘探实践证实，潜山是油气富集的一类重要圈闭，勘探潜力巨大。据统计，世界上潜山油气藏存在以下三个特点：(1)因其经历多期构造变动，形成多种类型复式油气藏；(2)潜山储集层岩性多样、年代范围广；(3)储集空间以裂缝和孔隙为主，次生居多，油藏储量大，单井产量高。

冀中坳陷束鹿凹陷从1977年开展潜山勘探工作，至今共钻遇潜山探井30余口，相继发现了洼中隆的荆丘和台家庄潜山油藏，斜坡带南小陈和JG21潜山油藏，小刘村凸起JG19井变质岩潜山油藏。总体上潜山油气勘探程度较低，以往工作重心聚焦在以古近系沙河街组为重点的陆相目的层系，对以寒武系—奥陶系海相残留地层为重点的潜山勘探程度还不高。同时潜山油气藏具有地质结构复杂和成藏要素多变等特征，勘探难度日益增大。从冀中坳陷勘探成果来看[38-63]，潜山油气藏具有相当大的潜力，其中束鹿凹陷有望成为实现大突破、大发现的重要阵地。本文立足于束鹿凹陷潜山勘探实践，从构造演化史出发，研究不同构造带潜山圈闭的形成过程，建立不同潜山带典型潜山圈闭类型和油气成藏模式，研究成果对今后束鹿凹陷乃至冀中坳陷潜山勘探具有一定的指导意义。

1 区域地质背景

束鹿凹陷位于渤海湾盆地冀中坳陷南部，是受新河断层活动控制的东断西超的古近纪箕状凹陷，勘探面积1 200 km2。其东以新河断裂为界，南至小刘村凸起，西为斜坡过渡至宁晋凸起，北以衡水断裂与深县凹陷相接[64-66]，整体上自西向东依次划分为宁晋凸起、西部斜坡带、洼槽带以及新河凸起带(图1)。束鹿凹陷内部具有“三洼两隆一斜坡”的构造格局。“三洼”是指凹陷洼槽区被台家庄构造和荆丘构造分割成的3个次级洼槽，“两隆”指台家庄构造和荆丘构造，“一斜坡”指凹陷的西部斜坡带。

图1 冀中坳陷构造单元分布示意图(a)和束鹿凹陷构造单元划分图(b)Fig.1 Structural framework of the Jizhong depression (a) and the Shulu sag (b)

1.1 区域地层组成

束鹿凹陷自上而下可划分为三个大构造层(表1)：上构造层，河流相碎屑岩沉积，发育于新近纪—第四纪拗陷期；中构造层，河-湖相沉积，发育于古近纪断陷期；下构造层，海相和陆相沉积地层，发育于元古宙长城纪—晚白垩世地台期。

表1 束鹿凹陷地层划分

本文根据研究的需要，将束鹿凹陷地层划分为潜山内幕地层和盖层。潜山内幕地层由下构造层元古宇—中生界地层组成；盖层形成于晚白垩世以后，由中构造层古近系断陷湖相沉积和上构造层的新近系和第四系河流相地层组成。下构造层受古近纪以前束鹿凹陷西抬东倾、遭受剥蚀影响，在凹陷内部整体呈东厚西薄分布，构造层内各套地层沉积稳定、基本等厚，因此各地层界面(如奥陶系顶、寒武系顶、蓟县系雾迷山组顶等)的构造图形态近似(图2(a))。中构造层包括下部沙三段—沙二段和上部沙一段—东营组。沙三段—沙二段沉积中心偏中部，位于台家庄以南、荆丘以北地区；构造发育部位与前新生界不具备继承性。洼槽区沙三段—沙二段整体厚度较大，向荆丘、台家庄和南小陈构造呈减薄趋势，该层段构造高部位在台家庄地区，其上各层段构造高部位在西槽固东部地区。中部沙一段—东营组沉积中心向北迁移，位于束鹿凹陷北部，构造发育部位较沙三段—沙二段有所偏移(图2(b))。上部构造层，全区均有分布，且厚度变化较大，中间厚两侧薄，该构造层从凹陷中部向南北两侧增厚。

图2 束鹿凹陷东西向(a)、北东向三维地震剖面(b)(测线位置见图1)Fig.2 EW-trending 3D seismic profile (a), NE-trending 3D seismic profile in the Shulu sag (b) (profile location shown in Fig.1)

图3 束鹿凹陷过井构造演化剖面(测线位置见图1)Fig.3 Structural evolution profiles in the Shulu sag (profile location shown in Fig.1)Ar.太古宇；Jxw.蓟县系雾迷山组；∈-O.寒武系—奥陶系；C-P.石炭系—二叠系；Es3下.沙河街组三段下亚段；Es3上.沙河街组三段上亚段；Es2.沙河街组二段；Es1.沙河街组一段；Ed.东营组；Ng.馆陶组

1.2 区域构造演化

束鹿凹陷发育于太古宙变质岩结晶基底上，经历了中晚元古代裂陷槽阶段、古生代克拉通盆地阶段、中生代构造转换调整阶段和新生代断陷型盆地等4个阶段(图3)。

1.2.1 中晚元古代裂陷槽阶段(Pt2-3)

束鹿凹陷经历了阜平运动、五台运动、吕梁运动后形成了现有的古老碳酸盐岩夹部分变质岩型基底。致使华北地台整体抬升的蓟县运动，使研究区在中元古代末期以来经历了较长时间的剥蚀夷平，导致研究区缺失青白口系及下寒武统府君山组，造成整个凹陷强烈差异构造抬升，凹陷东部新河地区和南部雷家庄地区地层逐渐抬升，部分地区地表出露变质岩基底。

1.2.2 古生代克拉通盆地阶段(∈-O2和C2-P)

渤海湾盆地在寒武纪到早—中奥陶世，以同沉积大型隆起带和坳陷带为特征，总体呈现平缓的近东西走向，沉积了厚层的陆表海碳酸盐岩地层。早古生代中期，受加里东构造运动的影响，华北地区整体抬升，遭受近亿年的风化剥蚀，缺失了晚奥陶世至早石炭世沉积地层。晚石炭世早期又整体沉降，沉积了晚古生代石炭纪—二叠纪海陆过渡相含煤岩系地层。

1.2.3 中生代构造转换调整阶段(Mz)

海西末期—印支期，在近南北向挤压应力场作用下，束鹿凹陷在近EW向构造格架(发育EW向褶皱)的控制下整体处于隆升状态；燕山期，由于受到东部太平洋板块的影响逐渐增强，自燕山期开始，束鹿凹陷随着冀中坳陷一起叠加到近东西向原构造格架之上，开始了以NE、NNE向构造为主、东西分异为特征的构造发展阶段。

1.2.4 新生代断-坳陷阶段(E-N-Q)

古近纪早期基本继承了燕山期的构造格局，冀中坳陷仍以挤压抬升剥蚀为主；始新世早期到渐新世初期，冀中地区处于强烈伸展断陷阶段，由于凹陷主干断裂强烈伸展，在凹陷东部深陷湖盆，发育优质深湖相烃源岩；渐新世末期为潜山构造的发育和定型时期。

新近纪以来，冀中坳陷裂陷伸展作用和断层活动显著减弱，束鹿凹陷的构造进入了以拗陷为主的后裂陷阶段，在古近系断陷盆地地层之上，沉积了以河流相为主的新近系—第四系碎屑岩地层，除宁晋凸起外，全区成为统一的沉降单元。

2 潜山分类研究现状

关于潜山的分类和命名，国内外学者将潜山按照潜山圈闭类型(层状、地层-岩性、盐底辟、不整合、断块、潜山披覆背斜、单面山、断鼻和断垒等)和油气发育位置(潜山风化壳和潜山内幕)进行划分[4，6，10，18，21-25，28，67-68]，针对本次研究的冀中坳陷潜山的分类和命名，国内学者基于潜山的某种或多种特征，进行了细致的研究，并对潜山类型进行详细的划分，形成多种划分方案[39，41-42，44，46，48-49，52-57，59-63，69-70](表2)。

3 束鹿凹陷潜山类型划分

潜山构造是构造活动(内动力作用)和风化、剥蚀(外动力地质作用)综合作用的产物[62]。束鹿凹陷潜山具有烃源岩层系多(中新元古界、下寒武统、石炭系—二叠系、古近系)、储层类型多(碎屑岩、碳酸盐岩和变质岩)、圈闭类型复杂(残丘山、断块山、潜山内幕)等特点，且大多数潜山经历多期次构造改造，决定了束鹿凹陷潜山多样性的特点。

本次研究结合前人分类方案，对束鹿凹陷潜山类型进行了划分(表3)。首先从成因科学性出发，将潜山分为剥蚀型和拉张型2大类，在此基础上从潜山构造形态着手又分为侵蚀残丘型、削蚀-超覆不整合面型、断阶型、断槽冲蚀沟型、断垒型和断块型6小类，并对其发育的凸起带等4个凹陷部位进行了明确界定，由此厘清束鹿凹陷的潜山类型及分布位置。在兼顾实际工作需要及可操作性的同时，潜山的分类名称尽量简洁明了，力求能准确表达真实的含义。

3.1 侵蚀残丘型潜山

侵蚀残丘型潜山是指在其形成过程中一直处于较高的部位，长期遭受风化、剥蚀、淋滤、溶蚀等地质活动而残留下来的丘状群体，之后被新近系地层掩埋而成为潜山[50，53，59，71]。

束鹿凹陷西侧宁晋凸起、南部小刘村凸起以及东部新河凸起的潜山为剥蚀残丘型潜山(图4中a)，宁晋凸起潜山带呈北东走向，奥陶系—寒武系地层被风化剥蚀殆尽，蓟县系雾迷山组地层出露；小刘村凸起和新河凸起的潜山地层为太古宙变质岩，凸起带潜山由于差异风化淋滤和剥蚀，形成斜坡高部位局部残丘山。剥蚀型潜山往往形成古残丘潜山，风化壳发育，埋深较浅，圈闭幅度控制着潜山油藏的含油高度。由于该类潜山长期处于隆升剥蚀状态，受构造应力作用较强，溶蚀孔、洞、缝发育，有良好的储集空间，油气可通过断层和不整合面运移至潜山顶面。因其远离生油洼陷，并且潜山上覆为馆陶组地层，盖层条件较差。油气成藏的关键是油气横向运移能力以及盖层条件。

表2 冀中坳陷潜山类型划分方案

3.2 削截-超覆不整合潜山

不整合地层潜山主要发育于束鹿凹陷西部斜坡外带(图4中b)。斜坡区作为顺向斜坡，地层西老东新，总体表现为上超下削，上覆古近系超覆于潜山面之上。当潜山奥陶系、寒武系削截于潜山顶面，与斜坡区潜山内幕发育的3套有效隔层形成的底板层相匹配时，可形成顶超削截楔状体地层潜山油藏。该类潜山油藏成藏条件苛刻，顶底板层均为有效遮挡层时方可成藏。在束鹿西部斜坡带以不整合地层潜山油藏模式钻探的J7井，于奥陶系试油获得日产52.51 t的工业油流。

3.3 断阶型潜山

断阶型潜山主要发育于束鹿凹陷西部斜坡中内带[49，55]。斜坡区中内带基底反向正断层发育，断层上升盘奥陶系海相碳酸盐岩受风化淋滤及断裂活动的影响，孔洞及裂缝发育，可作为潜山的储层。断层下降盘沉积古近系泥岩，形成潜山的侧向封挡层。油气沿斜坡区不整合横向运移、沿断层垂向运移，优势运移路径上离烃源岩近的圈闭将优先捕获油气并成藏，从而形成斜坡区断阶潜山油藏(JG6、JG21x等)(图4中c)。断块构造位置和断层断距大小直接控制山体幅度、油藏大小，侧向对接封挡层是否有效为该类潜山油藏成藏的关键。

表3 束鹿凹陷潜山分布模式

图4 束鹿凹陷潜山分类Fig.4 Classification of buried hills in the Shulu sag

3.4 断槽冲蚀沟型潜山

束鹿凹陷西部斜坡带潜山顶面覆盖一套厚度为几十米至上百米的角砾岩沉积，通过对其岩石矿物成分分析发现含有45%～65%的碳酸盐岩组分，经研究认为其母岩为西部潜山高部位的碳酸盐岩。因角砾岩与下伏奥陶系潜山地层两者矿物组分相似，波阻抗差很小；因此在地震剖面上存在的一套强振幅连续反射特征实际为角砾岩顶面的反映，真正的奥陶系潜山顶面在其下部表现为中、弱振幅，中等连续反射，这就为潜山顶面识别带来了很大的困难，说明这种类型潜山为隐蔽型潜山范畴。根据构造演化认为束鹿凹陷地层西抬东倾，受区域抬升影响，潜山高部位遭受长期风化剥蚀，燕山期—喜山期初期西倾正断层发育的部位，更易遭受风化剥蚀，沿断层走向形成冲蚀沟槽，利于形成潜山圈闭，同时在潜山顶面形成“千沟万壑”“坑坑洼洼”的地貌特征(图4中d)。

在西部斜坡带断槽冲蚀沟型潜山的构思过程中，以“逢沟必断，逢断有沟”地质模式指导对地震资料进行攻关处理，在频扫筛选优势频带的基础上进行速度精细解释，进而开展各向异性叠前深度偏移。攻关地震资料(图5(a))与原地震资料(图5(b))对比，信噪比大幅改善，潜山顶面反射明显，易识别，内幕断层断点清楚；结合地震相变化，在潜山顶面识别出一系列早期断层及断层下降盘冲沟。

斜坡区潜山灰岩储层基质孔隙和裂缝较发育，岩心发育有效溶洞，具溶洞裂缝型储集特征。其上覆沙一段为泥包砂的岩性组合，东营组发育大套泥岩，为潜山有效盖层。古断层下降盘角砾岩地层孔隙度为1.5%～3.0%，物性总体较差，测井解释为致密层；其侧向与潜山灰岩储层对接，可形成侧向封挡。东部洼槽区油气通过不整合面和潜山内幕向高部位潜山运移，侧向上由致密角砾岩遮挡，上覆古近系泥岩和砂泥岩地层封盖的奥陶系灰岩为储层潜山圈闭，形成“新生-古储-古堵”的断槽冲蚀沟型潜山油藏模式。

图5 束鹿凹陷潜山目标处理剖面对比Fig.5 Comparison of target processing profile and seismic profile for a buried hill in the Shulu sag

西部斜坡带JG14-1x井的钻探成功验证了该模式的正确性(图4中d)。JG14-1x井奥陶系中途测试，获日产油215 m3高产工业油流，后期稳产。JG14-1x钻探成功之后，在其上倾方向高部位钻探了JG14-2x井，在奥陶系冶里组—亮甲山组未见油气显示。潜山地层之上钻遇厚度为64 m的角砾岩，其侧向与JG14-1x井奥陶系地层对接。从JG14-1x与JG14-2x井的测试数据分析，位于两者之间的断层必是封堵性非常好的断层，证实了杂基支撑角砾岩可以作为很好的封堵层的认识。

3.5 断垒型潜山

断垒型潜山[39，49，63]主要分布在束鹿凹陷南部雷家庄断裂上升盘凸起带上。由于凸起带受燕山早晚期构造运动影响，形成了北东和北西向两组断裂，受近东西向雷家庄断层控制、同时伴随着多条南北走向的潜山内幕断层，在潜山内幕断层上升盘形成双断型断块山，同时受断层控制形成了断垒型潜山圈闭(图4中e)，束鹿凹陷南部小刘村凸起带J49井钻遇潜山构造；钻探JG19井发现太古宇油藏，该井揭开变质岩地层53 m，潜山试油日产油6.37 t。

3.6 断块型潜山

发育于各洼槽之间的基岩古隆起带，位于控凹断裂的上升盘，两侧下陷而形成相对隆起带，断块翘倾使上断棱部位抬升遭受剥蚀而形成一系列潜山，在下断棱部位形成深洼槽。主要形成风化壳油气藏和内幕油气藏[72]。在束鹿凹陷两个洼中隆(荆丘和台家庄)的潜山油气藏属于断块型潜山油藏(图4中f)。该类圈闭成藏条件为：油气源于沙河街组三段烃源岩，多洼供烃；控凹断层在成藏时期活动性强，油气输导方式为以断层为主、不整合面为辅；油气主要富集在油源断层附近的优质储层中，是束鹿凹陷主要潜山类型。荆丘潜山钻探JG2井于4 623 m进入奥陶系(5 204.4 m)完钻，揭开潜山地层581.3 m。酸化后求产，获日产油312 t，气29 300 m3/d，进而发现了荆丘潜山油田。

图6 束鹿凹陷潜山分布图(测线位置见图1)Fig.6 Distribution map of buried hills in the Shulu sag (profile location shown in Fig.1)

4 潜山分布规律及成藏模式

多样性潜山不是孤立存在的，同一类型的潜山发育具有分带性。不同类型的潜山带发育于断陷湖盆的不同构造部位，形成与湖盆结构相对应的潜山带分布模式[73](图6)。本次研究根据潜山构造在断陷盆地中的位置，将束鹿凹陷潜山分为4个带进行描述。

4.1 凸起潜山带

该类潜山发育于长期隆起带(宁晋凸起、小刘村凸起)或大型断层(新河断层)上升盘，构造位置较高，常发育剥蚀残丘(JG20)和断块潜山(JG19潜山)。

该类潜山长期遭受风化，潜山顶部残留地层相对较老、较薄，宁晋凸起残留地层为寒武系和中新元古界，小刘村凸起带残留地层为太古宇地层。凸起带内常发育残丘(JG20)和断块(JG19)，靠近陡坡带一侧的张性断层和不整合面通常作为油气输导通道。油气自洼陷运移至断块型潜山，剩余的油气沿断层和不整合面进入较高部位的残丘型潜山。

4.2 缓坡潜山带

凸起带向洼槽带过渡的区域发育缓坡带，其与凸起带相连的部位因地层抬升而翘倾，潜山地层遭受风化剥蚀作用，形成水平上宽度变化的北东向剥蚀区带。斜坡带上往往发育与斜坡走向一致的基底断层，将斜坡带切割成若干次级断块。斜坡带潜山构造样式有翘倾断块潜山、断阶潜山、山坡楔状体层状潜山等，因其处于构造高部位，流体势低，源圈流体势差大。油气来源多样，既有斜坡区原地生油，又有东部洼槽区运移过来的油气。

不整合面为油气运移的主要通道，呈阶梯状运移；断层既是油气运移通道，又可对油气形成封堵，断块的顶部是潜山油藏的有利发育部位。

4.3 洼槽潜山带

位于断陷盆地洼陷内，构造位置较低，与盖层的低水位沉积体系匹配。构造样式主要为翘倾断块潜山(荆丘潜山和台家庄潜山)。深洼陷既是沉积、沉降中心，又是生油中心。在洼陷内有利于有机质堆积、保存并向油气转化。有机质转化成油气后，即由洼陷中心通过断层或不整合面向潜山运移，因此具有较好的成藏条件。

4.4 陡坡潜山带

发育于高凸起的边缘。隆起带长期受到侵蚀剥蚀，在陡坡带形成冲积扇或山前洪积扇等陆源粗碎屑沉积。陡坡带一般由数条盆倾断层组成，潜山顶面一般呈阶梯状，其构造样式包括翘倾和断阶(断块)潜山。该类潜山由于早期处于凸起带顶部，遭受风化剥蚀的速度较快，潜山残存地层年代较老，地层厚度相对较薄。陡坡带由于紧邻生油洼陷，油源条件优越，断层是油气的主要运移通道。由于该类潜山通常倾角陡，幅度较小，分布范围窄，比较隐蔽。