南堡凹陷及周边露头下古生界岩溶储集体特征及对比

毛毳 张云峰 袁红旗 孟令箭 王有智 何春波 吴海光 李婷婷 刘兴瑀 邓馨雨 张青

摘要：南堡凹陷碳酸鹽岩潜山是重要的深层油气勘探领域，具有埋藏深、时代老、构造运动复杂、多期岩溶作用的特点。依据唐山周边露头、南堡凹陷钻井、岩心、测井和地震资料，对比并分析露头和凹陷岩溶储集体特征。结果表明：唐山周边露头和南堡凹陷下古生界构造-岩溶背景基本一致，具有很好对比性，露头典型的断控岩溶储集体和岩溶塌陷体为南堡凹陷岩溶储层提供参考；南堡凹陷岩溶储层具有断控和坍塌双重特点，储层位于高角度张扭断裂上升盘，受联合坍塌作用影响岩溶储层范围可达不整合面之下170 m，储层段没有明显的空洞，具有裂缝密度增大、自然伽马升高、泥质含量增加的特点；缝洞充填物类型多样，垮塌角砾岩、碎屑充填砂泥岩较常见，不同类型的缝洞充填物对储层物性影响较大，其中碎屑充填物性较好；断控岩溶及联合坍塌作用，可形成孔-缝-洞复合的储集空间系统。

关键词：南堡凹陷； 断控岩溶储层； 岩溶塌陷体； 缝洞充填物； 储集空间

中国分类号：TE 112.2   文献标志码：A

引用格式：毛毳，张云峰，袁红旗，等.南堡凹陷及周边露头下古生界岩溶储集体特征及对比［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2023，47（4）：24-34.

MAO Cui， ZHANG Yunfeng， YUAN Hongqi， et al. Characteristics and comparison of karst reservoirs of lower Paleozoic in Nanpu Sag and outcrops［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2023，47（4）：24-34.

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盐岩潜山具有较优越的油气成藏条件，是重要的深层油气勘探领域［1-2］。古近系暗色泥岩厚度大，有机质丰度高，油源条件好［3］；下古生界经历多期岩溶作用，形成典型的风化壳岩溶储层［4-6］；古近系细粒沉积岩和火成岩形成区域性和局部盖层；潜山圈闭长期处于油气运移指向区，继承性活动大断裂和区域不整合面构成运移通道［7］。断控岩溶储层是岩溶缝洞型油气藏勘探和开发的有利对象［8-10］，岩溶缝洞具有沿断裂带分布的特点［11-12］。断裂带即可提高储层渗透率，又有利于暴露期大气淡水淋滤与地下水流动，成为大型溶洞、裂缝和溶蚀孔洞发育的优势部位［13-14］。南堡凹陷下古生界岩溶储层不同于塔里木盆地岩溶洞穴储层其地震反射有明显的串珠状，因此明显的空洞、高角度走滑断裂控制岩溶作用的现象在南堡凹陷并不明显，关于其断控岩溶的研究也鲜有报道，但是通过对南堡凹陷探井的分析，发现下古生界的岩溶作用与南堡潜山断裂活动密切相关，且南堡凹陷具有明显的岩溶塌陷现象［1，15］。在唐山周边岩溶残丘考察中发现大量断控岩溶缝洞和岩溶塌陷体的存在，因此笔者综合野外露头、钻井、岩心、测井和地震响应特征，对断控岩溶储集体和岩溶塌陷体的几何学形态、充填物、储集空间及分布规律进行分析，以期更准确认识南堡凹陷下古生界岩溶储层特征，为油田勘探提供一定的参考。

1 地质概况

南堡凹陷位于渤海湾盆地的西北部，是黄骅坳陷的次一级负向构造单元，北以西南庄—柏各庄断层为界，南与沙垒田凸起呈断超式接触，是一个典型的北断南超的箕状凹陷［16-17］。凹陷内发育多组北北东和北北西向深大断裂，将南堡凹陷切割成多个潜山构造带，呈现出“凹凸间互”的构造格局［18-19］（图1）。

南堡凹陷下古生界碳酸盐岩潜山经历加里东—海西期稳定抬升剥蚀（120 Ma沉积间断），印支期挤压抬升剥蚀（30 Ma沉积间断），晚燕山—早喜山期抬升剥蚀（64 Ma沉积间断），三期岩溶作用（图2）。寒武系和奥陶系碳酸盐岩遭受强烈的风化剥蚀和淋滤作用，南堡凹陷整体缺失上奥陶统，1和2号潜山，中奥陶统马家沟组上覆古近系渐新统沙河街组。3号潜山中寒武统毛庄组上覆中生界石炭—二叠系。4号潜山下古生界被剥蚀殆尽，太古界花岗岩结晶基底上覆古近系。5号潜山中奥陶统上覆上古生界石炭—二叠系。南堡1号潜山和南堡2号潜山主要为灰岩风化壳岩溶储层，3号潜山为白云岩内幕型储层［20］。

唐山周边露头具有与凹陷相似的构造背景，经历华北地区加里东、印支和晚燕山—早喜山整体的抬升剥蚀［21］。不同之处是唐山周边露头在喜山期后，持续隆升为现今的露头，而南堡凹陷则快速沉积深埋地下。露头2个典型的剖面为武山剖面和石佛口剖面，具有与凹陷相似的地层和典型的岩溶现象。武山剖面位于卢龙县武山石矿，昌黎县朱各庄站北约1公里处，出露地层为下马家沟组，总体上表现为南西向下倾的单斜岩层（图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处，出露地层为凤山组（图3（b））。

2 唐山周边露头岩溶特征

2.1 断控岩溶缝洞

2.1.1 缝洞发育位置及规模

武山剖面表现为明显的表生岩溶风化残丘山地貌，中奥陶统上马家沟组豹皮灰岩中见多个溶洞群，且溶洞的分布多与断裂相关，沿大型断裂带（节理面）分布。通常压性断层上盘裂缝带易发生溶蚀，张性断裂带及其两侧的高角度裂缝带易发生溶蚀；扭性断层一般沿破碎带或断层拐弯处溶蚀；张扭性断层沿张性裂缝（或断层）溶蚀，岩溶形态表现为窄条带状或串珠状［22］。武山剖面1、2、3号溶洞发育于大型张扭性断裂带（节理面）上（图4），形态为窄高型，洞内通道高度普遍大于宽度，剖面上可见的洞口受人工挖掘、风化和坍塌等因素影响，与洞内形态差别较大。1号溶洞上升盘宽度约为18.8 m、下降盘宽度约为18 m、总高度约为30 m。2号溶洞洞口可见高度为3.8 m，宽度为1.9 m，内部空间较大，内部可测深度为4.4 m，内部高度约为8 m。3号溶洞洞口可见高度为2.5 m，宽度

为2 m，深度不见底。4、5号溶洞群位于较平缓压性逆冲断裂上升盘（图4），大多数溶洞可见宽度约为4～8 m、高度约为3～6 m。

2.1.2 储集空间及溶洞充填物

武山剖面断控岩溶缝洞储集空间为大型溶洞、裂缝和充填物内孔隙。洞内通道的充填现象明显，以部分充填和全充填体溶洞为主，剖面显示5个溶洞群，其中2、3号溶洞和5号溶洞群为部分充填溶洞，1号溶洞和4号溶洞群为全充填溶洞。洞内充填物有断层角砾岩、钟乳状石灰华、砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩。1号溶洞为角砾岩全充填，角砾为豹斑灰岩，角砾粒径为10～50 cm，圆度差，分选较差，角砾间为黄褐色泥质充填。2、3号溶洞为部分充填溶洞，洞内以钟乳状石灰华充填为主，分布于洞顶和洞壁，部分洞壁表面为白色瘤状石灰华，洞外岩层自上而下钟乳状石灰华沿岩壁分布（图5（a）、（b））。4号溶洞群，由4个全充填溶洞组成，充填物以黄色含砾粗砂岩、砂岩、砂泥岩互层及多孔钙质胶结泥岩等碎屑充填为主（图5（c）～（e））。碎屑充填物具有粒度下粗上细（图5（c））、砂泥互层（图5 （d））的韵律特点，为长期流水搬运沉积作用的结果。5号溶洞群，由3个半充填洞穴组成，充填物包含化学充填物钟乳状石灰华、碎屑充填物砾岩、砂岩和泥岩。

2.2 岩溶垮塌型缝洞

2.2.1 岩溶塌陷体和垮塌角砾岩的形成

溶洞垮塌和充填主要取决于构造运动、埋藏深度、溶洞几何形态、洞顶岩层性质、裂缝发育程度和洞内流体等因素。垮塌角砾岩是岩溶塌陷体重要的组成部分，可形成于近地表或埋藏過程中的各个阶段。近地表大型溶洞的垮塌作用，垮塌角砾岩可能受到流水冲刷和搬运作用的影响，成分复杂、具有一定的磨圆或者发生溶解。埋藏过程中垮塌的角砾岩或裂隙角砾岩由于其未经过流水搬运而无分选和磨圆，形成的角砾大小不一，形状不规则且棱角分明，在后期成岩过程中发生胶结，可保留一定的残余孔洞。因此可跟据角砾的成分、圆度和分选，初步判断溶洞垮塌的时期。

2.2.2 岩溶塌陷体大小、充填物及储集空间

石佛口剖面溶洞为典型的垮塌角砾岩和搬运砾岩全充填溶洞，塌陷体与围岩界限清晰，围岩地层为寒武系凤山组，围岩岩性为黄灰色含泥质条带灰岩，围岩裂缝密集、破碎严重。坍塌溶洞可见高度约为2.3 m，宽度约为1.6 m，深度约为1.78 m，外部形态似椭圆状（图6（a）、（b））。未出露部位的塌陷深度不可测，一般塌陷深度大于5 m的溶洞为良好的储层，塌陷深度2～5 m的溶洞为有效储层；塌陷深度0.5～2 m为一般储层［15］，石佛口剖面的塌陷溶洞为中等规模的有效储层。溶洞充填物为黄色角砾岩和搬运砾岩，角砾粒径为1～45 cm，分选差，角砾圆度为次棱角状，角砾成分为泥质条带角砾、泥岩角砾、钟乳石角砾，砾石成分主要为黄色泥岩，砾石圆度为次圆状，填隙物主要为深黄色中砂或细砂（图6（c）～（f））。根据复杂的角砾成分、较差的分选和一定的磨圆程度，判断该溶洞垮塌时期为近地表或浅埋藏期，充填受垮塌和流水搬运双重作用。岩溶垮塌体的储集空间主要为围岩裂缝、残余孔洞和孔隙，多种储集空间组成复合的孔隙系统，具有非均质性强、横向变化大的特点。

2.3 溶洞充填物孔隙度特征

古溶洞与现代溶洞的重要的区别即具有明显充填作用，不同类型的充填物及其物性特征对于岩溶储层的影响较大，深埋环境下受取芯程度的限制，物性测试难度较大。因此本研究对唐山周边露头缝洞多类型充填物及围岩采样，进行孔隙度分析（表1）。孔隙度变化规律，可为南堡凹陷下古生界风化壳岩溶储层提供参考。露头缝洞充填物孔隙度和孔隙体积总体趋势为洞穴碎屑充填物>洞穴垮塌充填物>断裂充填物>洞穴化学充填物>缝洞围岩（图7）。

3 南堡凹陷潜山风化壳岩溶储层特征

3.1 南堡凹陷岩溶储层的识别标志

南堡凹陷经历多期构造抬升和岩溶作用形成的岩溶储层，已得到勘探实践的验证［1］，岩溶储层在钻井、岩心、常规测井、成像测井和地震反射等方面都具有特殊的响应特征。储层具有断控岩溶特征，且有充填和塌陷的现象。

3.1.1 岩心特征

岩心观察显示围岩为灰褐色灰岩、灰质白云岩。缝洞段发育垮塌角砾岩、洞顶和洞壁的裂隙角砾岩、洞内碎屑沉积的砾岩、砂岩和泥岩、角砾间钙质胶结、泥质或粉砂质充填。可见各种溶蚀、裂隙化和充填现象，发育不规则网状缝、溶蚀缝、溶蚀孔洞和孔隙，裂缝中粉砂质、泥质和方解石充填，部分裂缝和溶蚀孔洞有沥青充填［20］。据现有岩心统计表明，该区洞穴垮塌角砾岩最为发育，其次是洞穴碎屑充填，洞穴化学堆积未见［1］。

3.1.2 钻井和测井响应特征

下古生界风化壳岩溶储层钻井过程中仅有泥浆漏失、钻速加快，而无钻具放空现象［1］ ，说明早期形成的大型溶洞经过各种地质作用已经被充填或坍塌形成岩溶充填体或塌陷体。常规测井显示岩溶缝洞段通常以高自然伽马，高声波时差，低电阻率，低岩石密度，高中子孔隙度为特征［23］。溶洞充填物类型不同，测井响应也存在一定差异。一般砂泥充填缝洞或砂泥胶结洞穴角砾岩，表现为低电阻率；方解石充填溶蚀孔洞或裂缝，表现为高电阻率，可扩径也可不扩径。成像测井上，缝洞发育区，可见点网交织的图像响应特征［20］。交织曲线为裂缝，椭圆形暗色斑块为溶蚀孔洞，同时具有杂乱的岩溶角砾岩图像响应特征（图8）。

3.1.3 地震反射特征

地震反射特征可从宏观上反映巖溶储层的保存形态、与围岩的接触关系及发育规模。南堡凹陷岩溶储层在发育特征上与塔河油田岩溶缝洞型储层相比具有明显不同，南堡凹陷下古生界地震反射没有明显的串珠状。岩溶充填体或岩溶塌陷体的地震反射特征较为明显，地震反射在一定范围内呈不连续或杂乱反射，或呈似连续反射，但连续性与周边相比降低，局部可见强反射［24］（图9）。

3.2 断控岩溶的证据

3.2.1 断裂活动与岩溶期的匹配关系

南堡凹陷受南北向挤压，形成东西向褶皱，发育多条NE走向断层，并以此为边界产生南堡 1、2、3、4、5 号5个潜山构造。南堡1号断裂、1号东断裂、2号断裂、3号断裂、3号东断裂、4号东断裂为燕山—喜山早伸展断裂，伸展期与晚燕山—早喜山期岩溶作用时期一致，伸展断裂为岩溶作用提供先存通道，控制岩溶作用的进行。

3.2.2 侵入体与地层缺失

南堡1-80井岩心和测井解释中均显示有基性侵入体辉绿岩的存在，岩浆活动与构造运动关系密切，深大断裂控制着火成岩的分布规律［25］。盆地拉张剧烈时期与火山活动期具有时间与空间的对应关系［26］，基性侵入体的出现指示有切割较深断裂的存在，且与燕山—喜山早伸展、后期张扭断裂活动相对应。例如南堡1号东断裂，走向北东，倾向南东，古生界延伸长度约为25 km，其向上断入古近系，向下断入基底，该断裂中生代开始发育，新生代潜山高部位沙河街组地层较下降盘较薄（图9），即该断裂形成和发展与晚燕山—早喜山岩溶作用吻合较好。

3.3 岩溶储集体的储集空间、位置及分布

岩心、测井和薄片可见主要储集空间为残余孔洞、溶蚀孔洞、裂缝、岩溶角砾间残余孔隙、洞穴碎屑充填物砂岩粒间孔等（图10），形成孔-缝-孔洞复合的储集系统。岩溶储集体位于潜山构造高部位、

张扭性断裂上升盘。地层为寒武系长山—凤山组或奥陶系上—下马家沟组，岩性主要为灰岩、白云质灰岩。测井识别有利储层，即裂缝—溶蚀孔洞—次生孔隙发育段，主要分布于潜山不整合面之下75 m以内，部分可达不整合面之下170 m。缝洞段具有裂缝密度增大、泥质含量增加的特点，裂缝性质、充填程度等对储层亦有较大影响。高角度的高导缝和网状缝为有利储层，充填和半充填的高阻缝为相对较差储层（图11）。

4 唐山周边露头与南堡凹陷对比

通过露头与覆盖区的对比，能较清晰直观认识南堡凹陷岩溶储层的缝洞充填性质、储集空间及分布规律，为碳酸盐岩缝洞油气藏的勘探提供一定的参考（表2）。

5 结 论

（1）唐山周边露头和南堡凹陷均经历晚加里东—早海西、印支—燕山和喜马拉雅3期构造-岩溶作用。南堡凹陷在喜马拉雅运动后埋藏，经历埋藏和成岩作用改造，洞穴坍塌和充填更明显。

（2）唐山周边武山剖面以断控岩溶缝洞为主，洞穴沿张扭性断裂或逆冲断裂上升盘分布，溶洞部分充填或全充填，充填物类型多样，储集空间为大型溶洞、裂缝和充填物内孔隙。石佛口剖面为小型岩溶塌陷体，充填物主要为垮塌角砾岩，填隙物以砂为主，储集空间主要为围岩裂缝、残余孔洞和孔隙。露头不同类型缝洞充填物孔隙度总体上为洞穴碎屑充填物>洞穴垮塌充填物>断裂充填物洞>洞穴化学充填物洞>缝洞围岩。

（3）南堡凹陷下古生界岩溶储层，具有受断裂和联合坍塌作用双重控制的特点，位于高角度张扭断裂上升盘、有基性岩脉侵入，裂缝发育；钻井显示有漏失无放空，无明显的空洞；常规测井表现为声波增大，密度降低，伽马增大，电阻率减小；成像测井可见点网交织的图像响应；缝洞充填物以垮塌角砾岩和碎屑充填为主；储集空间为孔洞、裂缝、岩溶角砾间残余孔隙、洞穴碎屑充填物砂岩粒间孔等，可形成孔-缝-洞复合的储集空间系统。

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（编辑 李 娟）