毛毳 張?jiān)品? 袁紅旗 孟令箭 王有智 何春波 吳海光 李婷婷 劉興瑀 鄧馨雨 張青

摘要：南堡凹陷碳酸鹽巖潛山是重要的深層油氣勘探領(lǐng)域，具有埋藏深、時代老、構(gòu)造運(yùn)動復(fù)雜、多期巖溶作用的特點(diǎn)。依據(jù)唐山周邊露頭、南堡凹陷鉆井、巖心、測井和地震資料，對比并分析露頭和凹陷巖溶儲集體特征。結(jié)果表明：唐山周邊露頭和南堡凹陷下古生界構(gòu)造-巖溶背景基本一致，具有很好對比性，露頭典型的斷控巖溶儲集體和巖溶塌陷體為南堡凹陷巖溶儲層提供參考；南堡凹陷巖溶儲層具有斷控和坍塌雙重特點(diǎn)，儲層位于高角度張扭斷裂上升盤，受聯(lián)合坍塌作用影響巖溶儲層范圍可達(dá)不整合面之下170 m，儲層段沒有明顯的空洞，具有裂縫密度增大、自然伽馬升高、泥質(zhì)含量增加的特點(diǎn)；縫洞充填物類型多樣，垮塌角礫巖、碎屑充填砂泥巖較常見，不同類型的縫洞充填物對儲層物性影響較大，其中碎屑充填物性較好；斷控巖溶及聯(lián)合坍塌作用，可形成孔-縫-洞復(fù)合的儲集空間系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：南堡凹陷； 斷控巖溶儲層； 巖溶塌陷體； 縫洞充填物； 儲集空間

中國分類號：TE 112.2?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引用格式：毛毳，張?jiān)品?，袁紅旗，等.南堡凹陷及周邊露頭下古生界巖溶儲集體特征及對比［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，47（4）：24-34.

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Characteristics and comparison of karst reservoirs of lower Paleozoic

in Nanpu Sag and outcrops

MAO Cui1，2， ZHANG Yunfeng1， YUAN Hongqi1， MENG Lingjian3， WANG Youzhi4，5，

HE Chunbo1， WU Haiguang1， LI Tingting1， LIU Xingyu1， DENG Xinyu1， ZHANG Qing1

（1.School of Earth Sciences， Northeast Petroleum University， Daqing 163318， China;

2.Sanya Offshore Oil and Gas Research Institute， Northeast Petroleum University， Sanya 572024， China;

3.Research Institue for Exploration and Development， PetroChina Jidong Oilfield Company， Tangshan 063004， China;

4.College of Energy Resources， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China;

5.Exploration and Development Research Institute of Daqing Oilfield Company， Daqing 163712， China）

Abstract：Carbonate buried hills have been a significant focus of deep oil exploration in the Nanpu sag. These hills are characterized by deep burial， old age， complex tectonic movement， and multi-stage karstification. Based on the investigation of outcrops around Tangshan and the study of drilling， core， logging and seismic response data from exploratory wells in the Nanpu sag， the characteristics of karst reservoirs in both outcrops and sag were compared and analyzed. The results indicate that the tectonic-karst background were similar in the outcrops and the Nanpu sag， which provides valuable contrasts. Fault-controlled karst reservoir and karstic collapsed systems of the outcrop serve as references understanding? the karst reservoirs in the Nanpu sag. Karst reservoirs in the Nanpu sag possess dual? characteristics of being fault-controlled and collapsed. They are primarily located on the uplifted side of high-angle tensional-shear fractures. Under the unconformity surface， the reservoir area affected by combined collapse can reach up to 170 m. There is no apparent presence of cave spaces. The reservoirs exhibit increased fracture density， higher natural gamma ray readings， and elevated clay content. Fracture-cavity filling materials are of various types， such as collapse breccia， clastic sand， and mudstone. Different filling materials greatly impact the reservoir porosity， with clastic materials proving more favorable. Fault-controlled karst and combined collapse can form a pore-fracture-cave complex reservoir space system.

Keywords：Nanpu Sag; fault-controlled karst reservoir; karstic collapsed systems; fracture-cavity filling; reservoir space

南堡凹陷下古生界碳酸鹽巖潛山具有較優(yōu)越的油氣成藏條件，是重要的深層油氣勘探領(lǐng)域［1-2］。古近系暗色泥巖厚度大，有機(jī)質(zhì)豐度高，油源條件好［3］；下古生界經(jīng)歷多期巖溶作用，形成典型的風(fēng)化殼巖溶儲層［4-6］；古近系細(xì)粒沉積巖和火成巖形成區(qū)域性和局部蓋層；潛山圈閉長期處于油氣運(yùn)移指向區(qū)，繼承性活動大斷裂和區(qū)域不整合面構(gòu)成運(yùn)移通道［7］。斷控巖溶儲層是巖溶縫洞型油氣藏勘探和開發(fā)的有利對象［8-10］，巖溶縫洞具有沿?cái)嗔褞Х植嫉奶攸c(diǎn)［11-12］。斷裂帶即可提高儲層滲透率，又有利于暴露期大氣淡水淋濾與地下水流動，成為大型溶洞、裂縫和溶蝕孔洞發(fā)育的優(yōu)勢部位［13-14］。南堡凹陷下古生界巖溶儲層不同于塔里木盆地巖溶洞穴儲層其地震反射有明顯的串珠狀，因此明顯的空洞、高角度走滑斷裂控制巖溶作用的現(xiàn)象在南堡凹陷并不明顯，關(guān)于其斷控巖溶的研究也鮮有報(bào)道，但是通過對南堡凹陷探井的分析，發(fā)現(xiàn)下古生界的巖溶作用與南堡潛山斷裂活動密切相關(guān)，且南堡凹陷具有明顯的巖溶塌陷現(xiàn)象［1，15］。在唐山周邊巖溶殘丘考察中發(fā)現(xiàn)大量斷控巖溶縫洞和巖溶塌陷體的存在，因此筆者綜合野外露頭、鉆井、巖心、測井和地震響應(yīng)特征，對斷控巖溶儲集體和巖溶塌陷體的幾何學(xué)形態(tài)、充填物、儲集空間及分布規(guī)律進(jìn)行分析，以期更準(zhǔn)確認(rèn)識南堡凹陷下古生界巖溶儲層特征，為油田勘探提供一定的參考。

1 地質(zhì)概況

南堡凹陷位于渤海灣盆地的西北部，是黃驊坳陷的次一級負(fù)向構(gòu)造單元，北以西南莊—柏各莊斷層為界，南與沙壘田凸起呈斷超式接觸，是一個典型的北斷南超的箕狀凹陷［16-17］。凹陷內(nèi)發(fā)育多組北北東和北北西向深大斷裂，將南堡凹陷切割成多個潛山構(gòu)造帶，呈現(xiàn)出“凹凸間互”的構(gòu)造格局［18-19］（圖1）。

南堡凹陷下古生界碳酸鹽巖潛山經(jīng)歷加里東—海西期穩(wěn)定抬升剝蝕（120 Ma沉積間斷），印支期擠壓抬升剝蝕（30 Ma沉積間斷），晚燕山—早喜山期抬升剝蝕（64 Ma沉積間斷），三期巖溶作用（圖2）。寒武系和奧陶系碳酸鹽巖遭受強(qiáng)烈的風(fēng)化剝蝕和淋濾作用，南堡凹陷整體缺失上奧陶統(tǒng)，1和2號潛山，中奧陶統(tǒng)馬家溝組上覆古近系漸新統(tǒng)沙河街組。3號潛山中寒武統(tǒng)毛莊組上覆中生界石炭—二疊系。4號潛山下古生界被剝蝕殆盡，太古界花崗巖結(jié)晶基底上覆古近系。5號潛山中奧陶統(tǒng)上覆上古生界石炭—二疊系。南堡1號潛山和南堡2號潛山主要為灰?guī)r風(fēng)化殼巖溶儲層，3號潛山為白云巖內(nèi)幕型儲層［20］。

唐山周邊露頭具有與凹陷相似的構(gòu)造背景，經(jīng)歷華北地區(qū)加里東、印支和晚燕山—早喜山整體的抬升剝蝕［21］。不同之處是唐山周邊露頭在喜山期后，持續(xù)隆升為現(xiàn)今的露頭，而南堡凹陷則快速沉積深埋地下。露頭2個典型的剖面為武山剖面和石佛口剖面，具有與凹陷相似的地層和典型的巖溶現(xiàn)象。武山剖面位于盧龍縣武山石礦，昌黎縣朱各莊站北約1公里處，出露地層為下馬家溝組，總體上表現(xiàn)為南西向下傾的單斜巖層（圖3（a））。石佛口剖面位于石佛口村村北，后店子村村南的采石坑處，出露地層為鳳山組（圖3（b））。

2 唐山周邊露頭巖溶特征

2.1 斷控巖溶縫洞

2.1.1 縫洞發(fā)育位置及規(guī)模

武山剖面表現(xiàn)為明顯的表生巖溶風(fēng)化殘丘山地貌，中奧陶統(tǒng)上馬家溝組豹皮灰?guī)r中見多個溶洞群，且溶洞的分布多與斷裂相關(guān)，沿大型斷裂帶（節(jié)理面）分布。通常壓性斷層上盤裂縫帶易發(fā)生溶蝕，張性斷裂帶及其兩側(cè)的高角度裂縫帶易發(fā)生溶蝕；扭性斷層一般沿破碎帶或斷層拐彎處溶蝕；張扭性斷層沿張性裂縫（或斷層）溶蝕，巖溶形態(tài)表現(xiàn)為窄條帶狀或串珠狀［22］。武山剖面1、2、3號溶洞發(fā)育于大型張扭性斷裂帶（節(jié)理面）上（圖4），形態(tài)為窄高型，洞內(nèi)通道高度普遍大于寬度，剖面上可見的洞口受人工挖掘、風(fēng)化和坍塌等因素影響，與洞內(nèi)形態(tài)差別較大。1號溶洞上升盤寬度約為18.8 m、下降盤寬度約為18 m、總高度約為30 m。2號溶洞洞口可見高度為3.8 m，寬度為1.9 m，內(nèi)部空間較大，內(nèi)部可測深度為4.4 m，內(nèi)部高度約為8 m。3號溶洞洞口可見高度為2.5 m，寬度

為2 m，深度不見底。4、5號溶洞群位于較平緩壓性逆沖斷裂上升盤（圖4），大多數(shù)溶洞可見寬度約為4～8 m、高度約為3～6 m。

2.1.2 儲集空間及溶洞充填物

武山剖面斷控巖溶縫洞儲集空間為大型溶洞、裂縫和充填物內(nèi)孔隙。洞內(nèi)通道的充填現(xiàn)象明顯，以部分充填和全充填體溶洞為主，剖面顯示5個溶洞群，其中2、3號溶洞和5號溶洞群為部分充填溶洞，1號溶洞和4號溶洞群為全充填溶洞。洞內(nèi)充填物有斷層角礫巖、鐘乳狀石灰華、礫巖、砂巖、粉砂巖和泥巖。1號溶洞為角礫巖全充填，角礫為豹斑灰?guī)r，角礫粒徑為10～50 cm，圓度差，分選較差，角礫間為黃褐色泥質(zhì)充填。2、3號溶洞為部分充填溶洞，洞內(nèi)以鐘乳狀石灰華充填為主，分布于洞頂和洞壁，部分洞壁表面為白色瘤狀石灰華，洞外巖層自上而下鐘乳狀石灰華沿巖壁分布（圖5（a）、（b））。4號溶洞群，由4個全充填溶洞組成，充填物以黃色含礫粗砂巖、砂巖、砂泥巖互層及多孔鈣質(zhì)膠結(jié)泥巖等碎屑充填為主（圖5（c）～（e））。碎屑充填物具有粒度下粗上細(xì)（圖5（c））、砂泥互層（圖5 （d））的韻律特點(diǎn)，為長期流水搬運(yùn)沉積作用的結(jié)果。5號溶洞群，由3個半充填洞穴組成，充填物包含化學(xué)充填物鐘乳狀石灰華、碎屑充填物礫巖、砂巖和泥巖。

2.2 巖溶垮塌型縫洞

2.2.1 巖溶塌陷體和垮塌角礫巖的形成

溶洞垮塌和充填主要取決于構(gòu)造運(yùn)動、埋藏深度、溶洞幾何形態(tài)、洞頂巖層性質(zhì)、裂縫發(fā)育程度和洞內(nèi)流體等因素?？逅堑[巖是巖溶塌陷體重要的組成部分，可形成于近地表或埋藏過程中的各個階段。近地表大型溶洞的垮塌作用，垮塌角礫巖可能受到流水沖刷和搬運(yùn)作用的影響，成分復(fù)雜、具有一定的磨圓或者發(fā)生溶解。埋藏過程中垮塌的角礫巖或裂隙角礫巖由于其未經(jīng)過流水搬運(yùn)而無分選和磨圓，形成的角礫大小不一，形狀不規(guī)則且棱角分明，在后期成巖過程中發(fā)生膠結(jié)，可保留一定的殘余孔洞。因此可跟據(jù)角礫的成分、圓度和分選，初步判斷溶洞垮塌的時期。

2.2.2 巖溶塌陷體大小、充填物及儲集空間

石佛口剖面溶洞為典型的垮塌角礫巖和搬運(yùn)礫巖全充填溶洞，塌陷體與圍巖界限清晰，圍巖地層為寒武系鳳山組，圍巖巖性為黃灰色含泥質(zhì)條帶灰?guī)r，圍巖裂縫密集、破碎嚴(yán)重。坍塌溶洞可見高度約為2.3 m，寬度約為1.6 m，深度約為1.78 m，外部形態(tài)似橢圓狀（圖6（a）、（b））。未出露部位的塌陷深度不可測，一般塌陷深度大于5 m的溶洞為良好的儲層，塌陷深度2～5 m的溶洞為有效儲層；塌陷深度0.5～2 m為一般儲層［15］，石佛口剖面的塌陷溶洞為中等規(guī)模的有效儲層。溶洞充填物為黃色角礫巖和搬運(yùn)礫巖，角礫粒徑為1～45 cm，分選差，角礫圓度為次棱角狀，角礫成分為泥質(zhì)條帶角礫、泥巖角礫、鐘乳石角礫，礫石成分主要為黃色泥巖，礫石圓度為次圓狀，填隙物主要為深黃色中砂或細(xì)砂（圖6（c）～（f））。根據(jù)復(fù)雜的角礫成分、較差的分選和一定的磨圓程度，判斷該溶洞垮塌時期為近地表或淺埋藏期，充填受垮塌和流水搬運(yùn)雙重作用。巖溶垮塌體的儲集空間主要為圍巖裂縫、殘余孔洞和孔隙，多種儲集空間組成復(fù)合的孔隙系統(tǒng)，具有非均質(zhì)性強(qiáng)、橫向變化大的特點(diǎn)。

2.3 溶洞充填物孔隙度特征

古溶洞與現(xiàn)代溶洞的重要的區(qū)別即具有明顯充填作用，不同類型的充填物及其物性特征對于巖溶儲層的影響較大，深埋環(huán)境下受取芯程度的限制，物性測試難度較大。因此本研究對唐山周邊露頭縫洞多類型充填物及圍巖采樣，進(jìn)行孔隙度分析（表1）。孔隙度變化規(guī)律，可為南堡凹陷下古生界風(fēng)化殼巖溶儲層提供參考。露頭縫洞充填物孔隙度和孔隙體積總體趨勢為洞穴碎屑充填物>洞穴垮塌充填物>斷裂充填物>洞穴化學(xué)充填物>縫洞圍巖（圖7）。

3 南堡凹陷潛山風(fēng)化殼巖溶儲層特征

3.1 南堡凹陷巖溶儲層的識別標(biāo)志

南堡凹陷經(jīng)歷多期構(gòu)造抬升和巖溶作用形成的巖溶儲層，已得到勘探實(shí)踐的驗(yàn)證［1］，巖溶儲層在鉆井、巖心、常規(guī)測井、成像測井和地震反射等方面都具有特殊的響應(yīng)特征。儲層具有斷控巖溶特征，且有充填和塌陷的現(xiàn)象。

3.1.1 巖心特征

巖心觀察顯示圍巖為灰褐色灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖?？p洞段發(fā)育垮塌角礫巖、洞頂和洞壁的裂隙角礫巖、洞內(nèi)碎屑沉積的礫巖、砂巖和泥巖、角礫間鈣質(zhì)膠結(jié)、泥質(zhì)或粉砂質(zhì)充填?？梢姼鞣N溶蝕、裂隙化和充填現(xiàn)象，發(fā)育不規(guī)則網(wǎng)狀縫、溶蝕縫、溶蝕孔洞和孔隙，裂縫中粉砂質(zhì)、泥質(zhì)和方解石充填，部分裂縫和溶蝕孔洞有瀝青充填［20］。據(jù)現(xiàn)有巖心統(tǒng)計(jì)表明，該區(qū)洞穴垮塌角礫巖最為發(fā)育，其次是洞穴碎屑充填，洞穴化學(xué)堆積未見［1］。

3.1.2 鉆井和測井響應(yīng)特征

下古生界風(fēng)化殼巖溶儲層鉆井過程中僅有泥漿漏失、鉆速加快，而無鉆具放空現(xiàn)象［1］ ，說明早期形成的大型溶洞經(jīng)過各種地質(zhì)作用已經(jīng)被充填或坍塌形成巖溶充填體或塌陷體。常規(guī)測井顯示巖溶縫洞段通常以高自然伽馬，高聲波時差，低電阻率，低巖石密度，高中子孔隙度為特征［23］。溶洞充填物類型不同，測井響應(yīng)也存在一定差異。一般砂泥充填縫洞或砂泥膠結(jié)洞穴角礫巖，表現(xiàn)為低電阻率；方解石充填溶蝕孔洞或裂縫，表現(xiàn)為高電阻率，可擴(kuò)徑也可不擴(kuò)徑。成像測井上，縫洞發(fā)育區(qū)，可見點(diǎn)網(wǎng)交織的圖像響應(yīng)特征［20］。交織曲線為裂縫，橢圓形暗色斑塊為溶蝕孔洞，同時具有雜亂的巖溶角礫巖圖像響應(yīng)特征（圖8）。

3.1.3 地震反射特征

地震反射特征可從宏觀上反映巖溶儲層的保存形態(tài)、與圍巖的接觸關(guān)系及發(fā)育規(guī)模。南堡凹陷巖溶儲層在發(fā)育特征上與塔河油田巖溶縫洞型儲層相比具有明顯不同，南堡凹陷下古生界地震反射沒有明顯的串珠狀。巖溶充填體或巖溶塌陷體的地震反射特征較為明顯，地震反射在一定范圍內(nèi)呈不連續(xù)或雜亂反射，或呈似連續(xù)反射，但連續(xù)性與周邊相比降低，局部可見強(qiáng)反射［24］（圖9）。

3.2 斷控巖溶的證據(jù)

3.2.1 斷裂活動與巖溶期的匹配關(guān)系

南堡凹陷受南北向擠壓，形成東西向褶皺，發(fā)育多條NE走向斷層，并以此為邊界產(chǎn)生南堡 1、2、3、4、5 號5個潛山構(gòu)造。南堡1號斷裂、1號東斷裂、2號斷裂、3號斷裂、3號東斷裂、4號東斷裂為燕山—喜山早伸展斷裂，伸展期與晚燕山—早喜山期巖溶作用時期一致，伸展斷裂為巖溶作用提供先存通道，控制巖溶作用的進(jìn)行。

3.2.2 侵入體與地層缺失

南堡1-80井巖心和測井解釋中均顯示有基性侵入體輝綠巖的存在，巖漿活動與構(gòu)造運(yùn)動關(guān)系密切，深大斷裂控制著火成巖的分布規(guī)律［25］。盆地拉張劇烈時期與火山活動期具有時間與空間的對應(yīng)關(guān)系［26］，基性侵入體的出現(xiàn)指示有切割較深斷裂的存在，且與燕山—喜山早伸展、后期張扭斷裂活動相對應(yīng)。例如南堡1號東斷裂，走向北東，傾向南東，古生界延伸長度約為25 km，其向上斷入古近系，向下斷入基底，該斷裂中生代開始發(fā)育，新生代潛山高部位沙河街組地層較下降盤較?。▓D9），即該斷裂形成和發(fā)展與晚燕山—早喜山巖溶作用吻合較好。

3.3 巖溶儲集體的儲集空間、位置及分布

巖心、測井和薄片可見主要儲集空間為殘余孔洞、溶蝕孔洞、裂縫、巖溶角礫間殘余孔隙、洞穴碎屑充填物砂巖粒間孔等（圖10），形成孔-縫-孔洞復(fù)合的儲集系統(tǒng)。巖溶儲集體位于潛山構(gòu)造高部位、

張扭性斷裂上升盤。地層為寒武系長山—鳳山組或奧陶系上—下馬家溝組，巖性主要為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。測井識別有利儲層，即裂縫—溶蝕孔洞—次生孔隙發(fā)育段，主要分布于潛山不整合面之下75 m以內(nèi)，部分可達(dá)不整合面之下170 m。縫洞段具有裂縫密度增大、泥質(zhì)含量增加的特點(diǎn)，裂縫性質(zhì)、充填程度等對儲層亦有較大影響。高角度的高導(dǎo)縫和網(wǎng)狀縫為有利儲層，充填和半充填的高阻縫為相對較差儲層（圖11）。

4 唐山周邊露頭與南堡凹陷對比

通過露頭與覆蓋區(qū)的對比，能較清晰直觀認(rèn)識南堡凹陷巖溶儲層的縫洞充填性質(zhì)、儲集空間及分布規(guī)律，為碳酸鹽巖縫洞油氣藏的勘探提供一定的參考（表2）。

5 結(jié) 論

（1）唐山周邊露頭和南堡凹陷均經(jīng)歷晚加里東—早海西、印支—燕山和喜馬拉雅3期構(gòu)造-巖溶作用。南堡凹陷在喜馬拉雅運(yùn)動后埋藏，經(jīng)歷埋藏和成巖作用改造，洞穴坍塌和充填更明顯。

（2）唐山周邊武山剖面以斷控巖溶縫洞為主，洞穴沿張扭性斷裂或逆沖斷裂上升盤分布，溶洞部分充填或全充填，充填物類型多樣，儲集空間為大型溶洞、裂縫和充填物內(nèi)孔隙。石佛口剖面為小型巖溶塌陷體，充填物主要為垮塌角礫巖，填隙物以砂為主，儲集空間主要為圍巖裂縫、殘余孔洞和孔隙。露頭不同類型縫洞充填物孔隙度總體上為洞穴碎屑充填物>洞穴垮塌充填物>斷裂充填物洞>洞穴化學(xué)充填物洞>縫洞圍巖。

（3）南堡凹陷下古生界巖溶儲層，具有受斷裂和聯(lián)合坍塌作用雙重控制的特點(diǎn)，位于高角度張扭斷裂上升盤、有基性巖脈侵入，裂縫發(fā)育；鉆井顯示有漏失無放空，無明顯的空洞；常規(guī)測井表現(xiàn)為聲波增大，密度降低，伽馬增大，電阻率減??；成像測井可見點(diǎn)網(wǎng)交織的圖像響應(yīng)；縫洞充填物以垮塌角礫巖和碎屑充填為主；儲集空間為孔洞、裂縫、巖溶角礫間殘余孔隙、洞穴碎屑充填物砂巖粒間孔等，可形成孔-縫-洞復(fù)合的儲集空間系統(tǒng)。

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（編輯 李 娟）