冀中坳陷杨税务地区奥陶系岩相古地理特征及其对潜山内幕储集层的控制作用*

季汉成 陈 亮，3 孙予舒 史燕青 向鹏飞 杨志波

1 中国石油大学（北京）地球科学学院，北京102249

2 油气资源与工程全国重点实验室，中国石油大学（北京），北京102249

3 中国石油大学（北京）理学院，北京102249

碳酸盐岩潜山内幕储集层是发育在长期不整合面之下、与古风化壳之间有非渗透性地层相隔的储集层，其埋深大且发育于潜山内部（何治亮，2011；贺电波等，2011；赵顺兰等，2019；杨一珉等，2020；Fengetal.，2021；Yangetal.，2021）。长期的油气勘探实践表明中国碳酸盐岩内幕储集层也具有一定的勘探潜力，例如下古生界碳酸盐岩内幕储集层，包括南堡凹陷（师政等，2018；陈达，2022；杨晓利等，2022）、济阳凹陷（张奎华和马立权，2007；王永诗和李继岩，2017；解强旺，2020；陈俊狭和薛艳，2021）、埕岛潜山（金强等，2019）、黄骅坳陷（Jinetal.，2019；张津宁等，2019）、塔里木盆地（唐照星等，2013；杨海军，2015；杨孝群，2017）等；以及前寒武纪震旦系灯影组，如四川盆地安岳地区（戴晓峰等，2019）。在冀中坳陷地，随着勘探程度的不断提高，隐蔽性深潜山（埋深大于4500m）、潜山内幕油气藏逐渐成为主要勘探目标，“十一五”以来，华北油田通过冀中坳陷内2次三维地震采集和大连片三维地震资料处理，明显改进了深潜山及潜山内幕的成像质量，重点部署研究隐蔽型深潜山与潜山内幕，先后发现了饶阳凹陷长洋淀、肃宁、孙虎潜山带，霸县凹陷文安斜坡、牛东潜山带等一批深潜山及潜山内幕油气藏，取得了良好勘探效益，也证实该领域为冀中坳陷的重要增储领域（赵贤正等，2014；吴伟涛等，2015；Zhaoetal.，2015）。自2016年以来，在杨税务潜山地区奥陶系潜山内幕深埋碳酸盐岩中连续取得重大油气突破，而潜山内幕储集层形成受控因素多、成因较复杂，表现出较强的储集层非均质性，其发育分布特征难以准确把握，制约着杨税务潜山地区奥陶系潜山内幕油气勘探（杜金虎等，2017；Zhangetal.，2023）。

前人主要针对冀中坳陷下古生界潜山储集层特征开展了大量研究，而对于潜山内幕圈闭，由于其特殊性和复杂性，认识相对难以统一（谢恭俭，2002；吴兴宁等，2011；赵贤正等，2012；黄芸等，2020；Xiangetal.，2023；Zhangetal.，2023）。同时，冀中坳陷的岩相古地理研究表明奥陶系发育潮坪和局限台地相叠置沉积（迟晓燕和孙维凤，2011；李玉帮等，2021）。然而，对于冀中坳陷内次级构造单元的岩相古地理认识不足（如杨税务地区），沉积相对储集层的控制作用不清。作者基于冀中坳陷杨税务地区钻井地质资料，以岩心、薄片、录井、测井以及其他地球物理资料为支撑，揭示研究区奥陶系沉积相发育特征，确定沉积相带对潜山内幕储集层发育的控制作用，为冀中坳陷杨税务地区奥陶系潜山内幕油气勘探提供理论指导。

1 地质背景

杨税务潜山位于河西务潜山带中北部、冀中坳陷北边的廊固凹陷东部，紧邻武清凹陷，南接牛北斜坡，北临桐柏镇断层，西以琥珀营断层为界，是一个北东—南西走向的狭长Ⅱ级构造带（图1－a）。研究区南北长 16 km，东西宽 10 km，面积约160 km2，东部受河西务断层控制，西部受琥珀营断层控制的 “地垒”型潜山带，整体呈 “南高北低、东高西低”，主要的断层走向为NE－SW 向，奥陶系顶面埋藏深度超过4700m（图1－b）（金凤鸣等，2017；王权，2017）。奥陶系在整个河西务潜山带均有分布，地层厚度较为稳定，总厚度范围800～1200m，均值在1080m左右。在沉积后受到加里东运动、印支运动和喜山运动3个构造期次改造，形成了现今的构造地层格局。下、中奥陶统之间因受怀远运动影响呈平行不整合接触；受加里东运动的影响，研究区地层广泛缺失上奥陶统、泥盆系以及志留系；奥陶系顶部与石炭系呈平行不整合接触（刘波等，1997）。其内部地层由下至上可分为8个地层段，分别为下奥陶统冶里组（O1y）及亮甲山组（O1l）；中奥陶统马家沟组（O2m），可细分为6个段（马家沟组一段至六段：O2m1～O2m6），整体上构成3个完整的海侵—海退旋回，及顶部马六半个海侵旋回（图2；冯增昭等，1989；Mengetal.，1997）。冶里组与马家沟组二、四、六段为海侵时期沉积，主要岩性以灰岩为主；而亮甲山组与马家沟组一、三、五段以白云岩、白云质灰岩为主，灰岩次之（图2）。

图1 冀中坳陷河西务构造带特征（a）（修改自杜金虎等，2017）和河西务潜山带杨税务地区奥陶系顶面构造（b）Fig.1 Characteristics of Hexiwu structural belt，Jizhong depression（a）（modified from Du et al.，2017）and top structural of the Ordovician in Yangshuiwu area of Hexiwu buried hill belt（b）

图2 冀中坳陷杨税务地区地层综合柱状图（层序划分来自Meng et al.，1997）Fig.2 Stratigraphic comprehensive histogram of the Yangshuiwu area，Jizhong depression（sequence division from Meng et al.，1997）

2 沉积岩石类型及特征

2.1 石灰岩类

2.1.1 泥晶灰岩

泥晶石灰岩是研究区中主要发育的岩性，在下奥陶统和中奥陶统都有分布，包括由泥晶方解石（＞90%）构成的泥晶石灰岩，由细粉晶方解石组成的细粉晶石灰岩以及含白云石（含量小于20%）的泥晶或细粉晶白云质灰岩3种。岩石的颜色一般为灰色至深灰色，中—厚层块状，发育水平纹层、缝合线和结核等沉积构造，在镜下可以观察到部分石灰岩中含有残余颗粒和少量生物碎屑，大部分泥晶石灰岩的岩石结构较为均一，成分较纯，部分泥晶方解石在后期成岩作用的改造下发生了重结晶现象（图3－A，3－B）。

图3 冀中坳陷杨税务地区奥陶系石灰岩发育类型Fig.3 Types of the Ordovician limestone in Yangshuiwu area，Jizhong Depression

2.1.2 （含）生物碎屑灰岩

（含）生物碎屑灰岩是由泥晶方解石及生物碎屑颗粒组成的岩石，在研究区内冶里组、马家沟组二、四、六段中最为发育。生物碎屑颗粒常见有孔虫、腹足类、双壳类、头足类、三叶虫、介壳类及海百合等化石碎片，含量一般在20%～60%，彼此之间不接触或点接触，填隙物主要是灰泥杂基，常发育压溶构造（图3－C，3－D）。

2.1.3 次生角砾灰岩

此类岩性主要发育于奥陶系顶部，如马家沟组六段或五段，形成于加里东构造抬升而形成的大气淡水成岩环境。次生角砾灰岩主要由碳酸盐岩角砾及砾间填隙物构成，角砾成分主要为泥晶灰岩，填隙物由各种黏土物质组成，如高岭石、伊利石等。大部分角砾颗粒分选差、呈棱角状，彼此间点接触至不接触，发育大量被亮晶方解石胶结物充填的溶蚀孔隙和裂缝（图3－E，3－F）。

2.2 白云岩类

2.2.1 泥晶白云岩

泥晶白云岩类主要由泥晶白云石（＜5μm）（＞80%）构成的泥晶白云岩，或含少量粉晶白云石（＜20%）的粉—泥晶白云岩组成（图4－A，4－B）。此类岩石岩心上呈灰色，结构较均一，肉眼观察均质致密，大部分成分较纯，偏光显微镜下难见孔隙发育。扫描电镜下单个泥晶、细粉晶的晶粒依稀可辨晶体形态（图4－C）。少部分泥晶白云岩中混有含棱角状的陆源砂和粉砂（主要是石英质），含量最高可达15%（图4－D）。研究区内泥晶白云岩基本无交代残留的痕迹，几乎全由泥晶白云石组成，显示出了原（同）生沉积特征（鲍志东等，2019；Xiangetal.，2020）。

图4 冀中坳陷杨税务地区奥陶系白云岩发育类型Fig.4 Types of the Ordovician dolom ite in Yangshuiwu area，Jizhong Depression

2.2.2 粉晶白云岩

粉晶白云岩是指白云石含量大于85%且白云石的粒度在5～100μm之间的白云岩，进一步可分为细粉晶白云岩（5～50μm）和粗粉晶白云岩（50～100μm）。该类岩石岩心上呈灰白色和灰黑色，其岩石组成较为单一，未见到燧石条带，仅部分井段的粉晶白云岩可见少量黄铁矿。镜下可见大部分细晶白云岩的晶粒为他形粒状，少部分为半自形粒状，白云岩晶粒之间多为黏土矿物充填，黏土矿物的含量不一，发育晶间孔（图4－E，4－F）。

2.2.3 细晶白云岩

细晶白云岩是指白云石含量大于85%且白云石粒度在100～250μm之间的白云岩，其主要包括全部由细晶白云石组成的白云岩以及主要由细晶白云石组成的粉—细晶白云岩2种。该种白云岩在岩心上与粉晶白云岩相似，都呈现灰色或灰黑色。镜下白云石晶粒为半自形粒状，部分晶粒有雾心亮边结构，晶粒之间为镶嵌接触（图4－G，4－H），部分可见交代残余结构。

2.2.4 颗粒白云岩

此类岩石主要为砂屑白云岩，由砂屑颗粒及亮晶胶结物构成，呈灰色块状。砂屑颗粒的粒径主要分布范围为0.25～0.8mm，成分为泥晶白云石，呈圆状或椭圆状，分选好，彼此间点到线接触，粒间被方解石胶结（图4－I）。部分砂屑发生重结晶作用，残余的颗粒具有不明显的暗色纹层，推测藻类生物成因或藻类直接参与作用的可能性较大，但成因尚难定论（4－J）。

2.2.5 次生角砾白云岩

次生角砾白云岩在研究区内主要分布于马家沟组五段，与次生角砾灰岩成因一致。区别在于角砾成分为泥晶或粉晶白云岩，颗粒间泥质含量高，且多为混杂的陆源风化碎屑物，部分岩石中含有后期充填的硅质（图4－K）。白云岩角砾大多无分选和磨圆，颗粒多呈凹凸接触，发育缝合线构造，以及大量溶蚀孔隙和裂缝，但其中常被亮晶方解石胶结物充填（图4－L）。

3 沉积相类型及沉积模式

大量前人研究表明华北地台奥陶纪为陆表海沉积环境（冯增昭等，1989；Mengetal.，1993）。本次研究根据岩心、薄片和钻测井剖面岩性组合、垂向沉积序列、古生物标志等沉积相识别特征，认为杨税务地区奥陶系发育陆表海沉积环境下的碳酸盐岩潮坪沉积体系，具体分为潮上带、潮间带和潮下带3个亚相，结合能量的高低特征进一步将其分为泥云坪、云坪等8个微相（表1）。整体来说，廊固凹陷杨税务地区奥陶纪沉积相较为单一，缺乏盆地边缘高能沉积相带。

表1 冀中坳陷杨税务地区奥陶系沉积相划分Table 1 Division of the Ordovician sedimentary facies in Yangshuiwu area，Jizhong Depression

3.1 沉积相类型及模式

3.1.1 潮上带

潮上带位于平均高潮面与最大高潮面之间，只有在风暴潮时才会被淹没（金振奎等，2013；朱筱敏，2020），因此，潮上带在长时间内都处于暴露环境中。由于潮上带发育的位置更接近陆地，也更暴露，因此常发育鸟眼及泥裂构造，陆源的泥质含量也通常较高，在测井曲线上显示为高伽马和低电阻。依据泥质和白云石含量的变化，潮上带进一步划分为泥云坪／含膏云坪、泥灰坪2种沉积微相。泥云坪微相的识别标志为泥晶白云石和泥质构成的泥质白云岩，泥质常含有机质，呈条带状将泥晶白云岩切割成团块（图5－A）。含膏云坪为泥晶白云岩，部分零星发育石膏溶孔，被方解石胶结（图5－B），常见发育大量米粒状或针状的方解石胶结后的石膏溶孔（图5－C），反映了近地表炎热干旱的潮上带沉积环境。泥灰坪微相典型特征是发育泥质灰岩，由陆源碎屑泥与灰泥构成（图5－D）。

图5 冀中坳陷杨税务地区奥陶系沉积微相岩性特征Fig.5 Lithology characteristics ofmicrofacies in the Ordovician of Yangshuiwu area，Jizhong Depression

3.1.2 潮间带

潮间带的水动力条件较强，位于平均高潮面和平均低潮面之间（汤阳，2016），沉积物形成的水体环境介于氧化和还原条件之间。按照水体环境变化，潮间带在本研究中划分为云坪、灰云坪、云灰坪及灰坪4类沉积微相，从云坪到灰坪，反应了（准）同生沉积期白云石化强度逐渐减弱。云坪的特征为泥或粉晶白云岩，不含石膏，发育水平纹层，为沉积时期回流渗透作用下白云石化形成（图5－E），其颜色为灰色和褐灰色，在测井上显示低伽马、中等电阻率的特征。灰云坪主要发育的岩性为含灰或灰质泥（粉）晶白云岩，白云石以粉晶为主，颜色为灰色、褐灰色（图5－F），测井响应具有低伽马、中—高电阻率特征。云灰坪主要发育泥（粉）晶含云或白云质灰岩，颜色主要呈灰色（图5－G），具有低伽马高电阻率。潮间带灰坪主要发育的岩性为（含）生屑泥晶灰岩，颗粒以生物碎屑为主，水动力较弱，沉积大量的灰泥（图5－H，5－I），测井曲线显示特征为低伽马和高电阻。

3.1.3 潮下带

潮下带位于平均低潮面以下至潮汐所不能作用的地带，水体较深。该相带主要为静水沉积，仅在潮下带最上部有较高能量的沉积作用发生，整体水动力作用弱，沉积物颗粒较细。主要发育的岩石为颗粒灰岩、泥晶灰岩等。潮下带的高能环境下常见（砂）屑滩微相，岩性包括砂屑灰岩或砂屑白云岩、生屑灰岩（图5－J，5－K），形成该类微相的原因是陆表海大背景下局部发育的正地貌，导致这种局部正地貌地形环境沉积颗粒灰岩。而潮下带主要以灰坪为主，此灰坪微相与潮间灰坪的区别在于沉积水体深，生物碎屑不发育或极少，常呈厚层块状泥晶灰岩，致密均质，发育黄铁矿或缝合线构造（图5－L），电性表现为极低的伽马值和极高的电阻率响应。

3.1.4 沉积模式

综合单井相及平面相分析，结合华北地台奥陶纪沉积背景（陆表海），建立了研究区奥陶系潮坪沉积环境模式（图6）。

图6 冀中坳陷杨税务地区奥陶系沉积模式Fig.6 Ordovician sedimentary model in the Yangshuiwu area，Jizhong Depression

3.2 沉积相分布

3.2.1 单井相及海平面变化

综合考虑钻井岩性剖面、薄片岩性校正、伽马及电阻率特征变化，结合随井X衍射（1 m 1个样）得到的方解石、白云石及泥质含量变化剖面，对研究区各口井进行单井纵向上沉积微相划分。以安探4X 井单井沉积微相划分综合柱状图为例（图7），冶里期为潮下带灰坪沉积微相，水体较深，过渡至亮甲山期，水体逐渐变浅，以潮间带灰云坪微相为主，后经历怀远运动时期沉积间断后继续沉积马家沟组。在马家沟一期，水体最浅，以潮上带泥灰坪沉积为主，随后海平面开始上升，发生马家沟期第1次大规模海侵，因此马家沟二早期以潮下带灰坪微相为主，晚期过渡为潮间带云灰坪、灰云坪、云坪沉积；在马家沟三期早期水体开始变浅，发育潮上带泥灰坪、潮间带灰云坪沉积；马家沟四期发生第2次海侵，总体为水体较深，早期为潮下带灰坪沉积，晚期以潮间带云灰坪沉积为主，灰云坪次之；在马家沟五期时水体再次变浅，以潮间带灰云坪、云灰坪间互沉积为特征，随后至马家沟六期的第3次海侵，因此以潮下带灰坪沉积为主（图7）。整体上奥陶系沉积以潮间—潮下带为主，沉积微相随着海平面升降而频繁变化，白云岩主要分布于海平面较低期的海退时期。

3.2.2 沉积相横向分布特征

根据单井沉积微相划分结果，选取近东西向（安探5X井—安探4X井—务古1井）（图8）及近南北向（务古2井—务古4井—安探1X井—安探5X井）（图9）2条连井剖面。从西至东，冶里组为潮下带灰坪沉积；亮甲山组以潮间带云坪、灰云坪为主，在中部演变为潮上带泥云坪沉积；马家沟组一段基本继承了亮甲山组的沉积，以潮间带云灰坪和潮上带泥灰坪沉积为主；马家沟组二段从西至东为潮间灰坪到云灰坪沉积；而马家沟组三段由潮间带云灰坪演化为灰云坪、灰坪沉积；马家沟组四段沉积厚度大，从西至东总体上以潮间带云灰坪沉积为主，在安探4X井上灰云坪、灰坪沉积间互；马家沟组五段从云灰坪演化为云坪、灰云坪沉积；马家沟组六段都为潮下带灰坪沉积（图8）。从南至北，亮甲山组从潮上带泥坪演变为潮间带云坪、灰云坪沉积；马家沟组一段总体上为潮间带云灰坪；马家沟组二段在南部为潮间带灰云坪变为灰坪沉积，在北部逐渐出现云灰坪沉积；马家沟组三段由潮间带云坪、灰云坪演变为潮上带泥云坪沉积；马家沟组四段在南部以潮间带灰坪沉积为主，逐渐向北演变为潮间带云灰坪沉积；马家沟组五段沉积微相变化频繁，以潮间—潮上带沉积为主；马家沟组六段从潮间带灰坪变为潮下带灰坪沉积（图9）。总体上，由西至东的沉积微相以潮间带云灰坪沉积为主，垂向演变快，横向相变频繁；从南至北，中奥陶统在南部总体上以潮间灰坪为主，向北过渡为潮间云灰坪沉积，而下奥陶统以潮上—潮间带沉积为主，垂向上微相变化频繁。

图9 冀中坳陷杨税务地区S-N向连井沉积微相展布特征（剖面位置见图1－b）Fig.9 Sedimentary microfacies distribution characteristics of S-N trend well connected profile in the Yangshuiwu area，Jizhong Depression（location seen Fig.1－b）

3.2.3 沉积相平面分布

根据单因素数据分析（随井XRD数据中白云石含量、陆源泥含量、方解石含量等），以马家沟组二段及四段为例（表2），按照白云石、方解石与陆源泥含量占比数据，以0.2和0.5为阈值划分为灰坪、云灰坪、灰云坪、云坪、泥坪等优势沉积微相，绘制了奥陶系各层段沉积微相平面分布图（图10）。冶里组整体为潮下带灰坪（图10－A）；亮甲山组时，研究区处于海退期，研究区南部为潮间带灰云坪沉积，向北东演变为潮间带云坪及潮上带泥云坪沉积（图10－B）。在马家沟组一期，伴随着海平面逐渐升高，沉积环境由潮上—潮间带演化为潮间带沉积，北部和南部主要为潮间带灰坪沉积，中部位潮间带云灰坪及灰云坪沉积（图10－C）；到马家沟组二期，潮间带云灰坪及灰云坪向南扩展，范围变大（图10－D）；马家沟组三期，海平面下降至最低点，研究区东部为潮间带灰云坪沉积，中至南部为云坪，西部发育云灰坪（图10－E）；随着海水再次入侵，马家沟组四期时，演化为以潮间带灰坪沉积为主，中东部为云灰坪沉积（图10－F）；马家沟组五期，海水再退去，研究区以潮间带云灰坪沉积为主，向南过渡为灰云坪沉积及中部的云坪沉积（图10－G）；随后的第3次海侵，导致马家沟组六期北部以潮下带灰坪沉积为主、西南部以潮间带灰坪沉积为主（图10－H）。总体上，奥陶系各个沉积时期的优势沉积微相以潮间带沉积为主。

表2 冀中坳陷杨税务地区单因素作图数据（部分数据）Table 2 Single factor mapping data of the Ordovician in Yangshuiwu area，Jizhong Depression（partial data）

图10 冀中凹陷杨税务地区奥陶系沉积微相分布Fig.10 Distribution of the Ordovician sedimentary microfacies in Yangshuiwu area，Jizhong Depression

4 沉积相对储集层发育的控制作用

沉积相带是储集层形成的重要控制因素，沉积微相控制着储集层的岩石类型，从而控制储集层原生孔隙的发育情况，残余的原生孔隙可以为后期成岩作用中的流体提供重要的运移通道，也可以作为溶蚀孔的前身（季汉成等，2016；沈安江等，2019）。综合油气生产资料及测井解释结果，结合前人研究结果，可知杨税务地区奥陶系在垂向上主要发育3套储集层：第1套：马家沟组六段＋五段上部，储集层为岩溶作用＋云化作用＋构造作用共同控制的裂缝—孔洞储集层（黄芸等，2020；Xiangetal.，2023）。该套储集层主要为潜山顶部受到加里东运动导致的大气淡水溶蚀作用形成，因此沉积微相对于储集层的控制作用可以忽略不计，储集层发育受岩溶古地貌和风化壳控制。而第2套与第3套储集层，分别为马家沟组三段＋二段上部、亮甲山组＋马家沟组一段，都为潜山内幕储集层，岩性以白云岩为主（黄芸等，2020；Xiangetal.，2023），发育大量裂缝，为裂缝—孔隙型储集层，需要深入讨论沉积相对储集层发育的控制作用。从储集层发育段对应的沉积微相孔隙度统计结果来看，云坪、灰云坪及生屑滩微相是研究区储集层发育的最有利微相带（图11），因此白云石含量决定了有利储集层的分布。根据油气生产及构造－沉积微相间耦合关系（图12－A），也可证明油气储集层主要分布于云灰坪、云坪、灰云坪微相段。同时，根据亮甲山组、马家沟组三段和五段的白云岩厚度平面分布与对应的裂缝孔隙度叠合分布，可知有利储集层的分布主要集中在中北部（包括安探3井、安探4X井、安探2X井等）（图12－B，12－C，12－D），而这个区域对应的优势沉积微相也与上述结果一致。综上可知沉积微相是研究区第2和3套储集层发育的物质基础，控制了有利储集层的发育位置，主要的有利沉积微相为潮间—潮上带的云坪、灰云坪和云灰坪微相。

图11 冀中坳陷杨税务地区奥陶系储集层段沉积微相孔隙度统计Fig.11 Porosity statistics of the Ordovician sedimentary microfacies in Yangshuiwu area，Jizhong Depression

图12 冀中坳陷杨税务地区沉积微相—构造剖面及3个储集层发育段有利区Fig.12 Sedimentary microfacies-structural section and favorable areas of three reservoir development intervals in the Yangshuiwu area，Jizhong Depression

5 结论

冀中坳陷杨税务地区奥陶系主要发育灰岩、白云岩2大类岩石类型和角砾石灰岩、生屑石灰岩、泥晶白云岩等8小类岩石类型，进而根据岩性特征建立了潮坪沉积模式，可以进一步划分为出潮上带、潮间带和潮下带3种亚相和8种微相。奥陶系沉积整体上以潮间—潮下带沉积为主，微相在垂向上随着海平面升降频繁变化，横向上沉积微相相变快，平面上优势沉积微相以潮下带灰坪、潮间带云灰坪、灰云坪及灰坪为主，随着海平面多次升降而交替变化。同时，不同沉积微相环境下的储集层孔隙度差异较大，综合油气生产结果，认为对储集空间有利的微相主要为潮间—潮上带的云坪、灰云坪和云灰坪微相。