黄河口凹陷古近系地层结构新认识与勘探潜力评价

王改卫，张海义，郭 轩，王孝辕，汪 晶

（中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459）

黄河口凹陷是渤海油田油气勘探程度最高的探区，但油气发现主要集中在沙三段至明化镇组下段的中浅层。关于黄河口凹陷沙三段至明下段的研究成果非常丰富，包括构造运动及断层活动定量分析［1-4］，走滑断裂特征及其控盆控藏作用［5-6］，沉积储层、混合沉积及层序格架研究［7-11］，砂体及火成岩地球物理刻画技术［12-13］，油气成藏主控因素与富集特征等［14-18］，基本涵盖了油气勘探研究所有方向。受控于缺乏完整的三维地震资料，且局部三维地震资料中深层品质较差，深层探井成本成倍增长等因素影响，探井多在沙三段完钻，钻遇孔店组、沙四段的探井极少，由于缺少资料而难以开展孔店组―沙四段地层展布规律研究，储量发现极少，进而导致黄河口凹陷古近系全区地层结构认识不清、地层认识不统一。

前人对渤海油田中深层孔店组研究成果非常少。张国良等在对渤海西南部沙南地区研究中提到孔店组的存在，并认为黄河口凹陷也发育孔店组，初步指出凹陷发育孔店组，且孔二段的暗色泥岩具备较好的生烃能力［19］。李建平等对渤海孔店组沉积背景、岩性特征、发育构造样式进行分析，指出渤海孔店组可分为洪积扇、坡积和正常沉积3 种基本岩相类型，从构造上可划分为断超式和双断式2种类型［20］。

研究区周边的胜利油区和大港油区孔店组研究成果丰富，可用来类比分析，如大港油区沧东凹陷勘探获得突破的孔店组页岩油。赵贤正等对孔二段细粒页岩层系特征进行系统分析，指出页岩层系发育长英质页岩、灰云质页岩与碳酸盐岩3 种岩类［21］。蒲秀刚等指出孔二段烃源岩品质好，热演化程度中等，储层致密但微裂缝发育，含油饱和度高，脆性矿物含量高，展示出孔二段页岩油具有良好的勘探前景［22］。许恩爱等对黄骅凹陷孔南地区孔店组的构造、沉积及烃源岩演化特征进行研究，总结了孔店组油气成藏主控因素［23］。宋来亮等指出潍北凹陷孔二段上部烃源岩有机质丰度最高，品质最好，其次为孔二段中部烃源岩，是研究区的主力烃源岩［24］。梁云汉根据泥岩中矿物特征指出孔二段属于潮湿气候条件下的深湖-半深湖沉积环境［25］。

随着渤中19气田的发现，为研究区中深层孔店组地层研究提供了契机，渤中19气田孔店组含气储层为一套扇三角洲砂砾岩沉积。扇三角洲呈退积式发育特征，在垂向上形成多期叠置、厚度较大的粗碎屑沉积体，储集空间类型多样，钻井揭示沉积厚度为400～700 m，最大厚度可达736 m［26］。渤中19气田为黄河口凹陷北部凹中隆，地层可与黄河口凹陷连续对比，对渤中19区新钻井及黄河口凹陷疑似钻遇孔店组老井的取心样品及补充送样进行分析化验，取得了大量的研究资料，为研究区中深层地层归属及区域对比分析提供了可靠依据。

1 区域地质背景

黄河口凹陷位于渤海湾盆地济阳坳陷东北部，北以渤南低凸起与渤中坳陷分隔，东部为庙西凹陷，东南部为莱北低凸起，西南部为垦东凸起，西部为沾化凹陷，东西长度为70～80 km，南北宽度为40～50 km，勘探面积约为3 600 km2，是渤海重要的油气产地之一。郯庐断裂带三个分支穿过黄河口凹陷，在其作用下形成了黄河口凹陷中央构造带，并将凹陷分割为西、中、东三个次洼（图1）。凹陷内古近系、新近系发育齐全，自下而上为古近系孔店组、沙河街组、东营组，新近系馆陶组、明化镇组。在对黄河口凹陷的研究中发现存在以下亟待解决的问题：①勘探程度上，中海油在黄河口凹陷的油气储量发现率近90%，探明率超过60%；加上胜利油区在围区的发现，黄河口凹陷已发现油气储量已经超过其资源规模，出现油气资源规模与上报储量不匹配的矛盾。且沙河街组至明化镇组主力勘探层系构造和岩性圈闭已基本钻探完毕，为获得持续储量发现，急需拓展深层勘探新层系。②盆地结构方面，与同属济阳坳陷具有典型箕状结构特征的东营、青东、莱州湾等凹陷相比［27-31］，黄河口凹陷现今结构呈现“底平盆浅”的特征，凹陷结构与围区差异较大。③地层对比方面，在三维大连片地震解释及区域地层对比中发现，黄河口凹陷孔店组―沙三段地层厚度在平面分布上存在明显的不协调，呈现正断层上升盘地层比下降盘厚的矛盾现象，西次洼比东次洼厚2 倍的不协调问题。且孔店组—沙四段分布非常局限，西次洼仅在北部陡坡带分布，厚度只有600 m，而同属济阳坳陷的惠民、沾化、东营、莱州湾凹陷孔店组―沙四段全区稳定分布，莱州湾凹陷厚度约为2 200 m，东营凹陷最厚超过4 000 m［28］，与黄河口凹陷相邻的沾化凹陷厚度约为1 600 m，相近的构造背景及沉积环境却出现如此大差异，存在明显的区域不统一。黄河口凹陷作为渤海油田富烃凹陷之一，在油气勘探中具有重要的地位，但是以上问题的存在阻碍了研究区持续勘探的进展。

图1 黄河口凹陷区域构造位置及地层柱状图Fig.1 Regional tectonic location and stratigraphic column of Huanghekou Sag

辽东湾-渤东南大连片地震资料整合并重新处理完成，为区域统层及凹陷结构整体解剖带来了极大的便利。其中，渤东南大连片三维地震数据面积约为18 000 km2，覆盖整个黄河口凹陷，依托渤海新的大连片三维地震数据体优势，以层序地层学理论为指导，结合区域构造格局分析，开展区域地层对比及层序地层划分、落实黄河口凹陷内各级不整合面归属，厘定凹陷地层结构及盆地面貌，在此基础上重新计算黄河口凹陷的油气资源规模，并寻找中深层新的勘探层系和有利勘探区带。

2 古近系地层结构

黄河口凹陷全区地层对比结果表明，研究区沙三段顶界各井分层合理，全区对比协调统一，造成孔店组—沙三段地层厚度全区不协调的根源在于新生界底界的局部解释不合理。依托渤东南大连片三维地震资料，结合渤中19 气田的古生物化石、锆石、同位素测年等资料，通过井-震标定，进行精细地震解释及区域地层划分，为重新认识黄河口凹陷古近系地层结构奠定基础。

2.1 岩性组合特征及地层归属确定

渤中19 气田多口探井在太古界花岗岩之上钻遇一套砂砾岩为主的含气层系（图2），含气层段厚度超过240 m，储量规模大，产能较好。这套砂砾岩不含煤，局部夹薄层灰色、深灰色泥岩，砾石颗粒成分较单一，结构成熟度极低，这与围区中生界砂泥岩不等厚互层夹多层煤系，颗粒成分复杂、结构成熟度较高的特征明显不同。对围区老井复查发现，渤中25、渤中28区部分探井在古近系底部也钻探到这套类似的岩相组合层系（图1）。位于渤中25区高部位的渤中25-C井钻遇一套含砾不等粒砂岩、砂砾岩层系，低部位的渤中25-E井对应层位揭示其上部为一套红褐色泥岩夹含砾砂岩，中下部为灰色、深灰色泥岩与砂岩、含砾砂岩沉积。位于渤中28区高部位的渤中28-A 井钻遇一套砂砾岩（角砾），低部位的渤中28-2A 井对应层位上部为红色、红棕色泥岩夹砂岩、砂砾岩沉积，下部为灰色、深灰色泥岩与砂岩、含砾砂岩、砂砾岩互层沉积（图2）。渤中34区部分探井古近系底部揭示一套红褐色泥岩夹薄层细砂岩、粉砂岩沉积（图2）。为落实这套层系归属，对渤中19、渤中25、渤中28和渤中34区部分探井进行了有针对性的古生物化石、锆石、同位素测年分析。

图2 黄河口凹陷及围区古近系孔店组典型岩相、地震相特征Fig.2 Typical lithofacies and seismic facies characteristics of Kongdian Formation in Huanghekou Sag and surrounding area

位于凹陷西北部渤中19 气田的渤中19-A 井砂砾岩层段上覆地层分析结果显示，其发育具典型沙三段特征的渤海藻属、细网渤海藻、光面渤海藻、粒面渤海藻化石组合（图3a—3d），而砂砾岩发育段以三角孢属、桦粉属、胡桃粉属、真桤木粉属为特征（图3e—3h），与上覆沙三段化石组合区分明显，据此可确定沙三段底界。渤中19-A 井砂砾岩段化石和岩性组合特征与胜利、大港油区孔二段鹰粉属、杉粉属、三角孢属典型组合特征具有一致性，锆石测年结果显示绝对地质年龄为110～150 Ma（次峰）和2 500 Ma（主峰）2 个峰值，综合判断属孔二段。处于渤中19气田南侧较低部位的渤中25区的渤中25-A和渤中25-C 井在砂砾岩发育段的中下部发现水龙骨单缝孢属、副桤木粉、桤木粉属、榆粉属、鹰粉属化石组合，与渤中19 区的渤中19-A，19-C 和19-E 井对应较好，也属于孔二段，据此推测渤中25 区砂砾岩上部红褐色泥岩夹含砾砂岩岩性组合属于孔一段。

位于凹陷中央构造带渤中28 区的渤中28-A 井古近系底部为深灰色、黑色泥岩与砂岩、含砾粗砂岩互层岩性组合。该段发育以克氏脊榆粉、三角孢属、黄杞粉属、桤木粉属、水龙骨单缝孢属为特征的化石组合，被子类含量高，其次是裸子类，蕨类含量低，反映形成于温暖潮湿环境（图2）。与渤中19区、渤中25 区对应较好，应属于孔二段，孔二段之上以棕红色泥岩夹粗砂岩、含砾粗砂岩组合为特征的层段应属于孔一段。位于凹陷中央构造脊的渤中34-2A井红层之下的深灰色泥岩夹砂岩段为黄杞粉属、鹰粉属、克氏脊榆粉、三角山核桃粉、三角孢属、显环拟桦粉属、紫树粉属化石组合，应形成于古近纪早期，分析认为属于孔二段，该井深灰色泥岩之上的紫红色泥岩与含砾粗砂岩互层段属孔一段。

图3 渤中19-A井典型古生物化石图版Fig.3 Well Bozhong19-A typical paleontological fossil plate

位于凹陷东洼南部斜坡带的渤中34-9A 井发育红褐色泥岩夹薄层细砂岩、粉砂岩岩性组合。化石组合以小刺鹰粉、麻黄粉属、希指蕨孢属为特征。裸子类杉粉属、麻黄粉属含量较高（图2），与胜利和大港油区孔三段化石组合特征有较好的对应性，属于孔三段。

通过落实黄河口凹陷渤中19、渤中28 和渤中34 等多个区带的12 口探井古近系底部地层的化石组合特征，明确了孔店组不同层段的归属。以渤中19 区孔店组与下伏太古界花岗岩界面作为新生界底界，因渤中19 区孔店组与沙河街组分界清楚，以此为标准，通过井-震标定，确定其他区块沙河街组底界，为黄河口凹陷全区开展古近系地层结构对比奠定基础。

2.2 地震相特征

通过井-震精细标定，建立了研究区新生界孔店组、中生界典型地震相图版（图2），为全区三维地震资料解释及地层对比提供依据。

通过老井复查发现黄河口凹陷及围区共有12口井钻遇孔店组，各区块探井钻遇孔店组的岩性差异较大，与上覆地层形成的地震反射界面及内部地震相特征的差异也较大，总体可概括为3 种类型地震相特征（图2）：①强反射界面-内部块状结构。上覆地层为沙三段大套泥岩，孔店组发育大套砂砾岩时，地震波传播从低速区进入高速区，在地震剖面上呈强振幅反射同相轴界面，孔店组内部呈较连续弱反射特征。该种地震相在黄河口凹陷西次洼及北部陡坡带、渤南低凸起大部分区域均可见到。②弱反射界面-内部块状结构。上覆地层沙三段为砂、泥岩互层，孔店组也为砂、泥岩互层时，由于没有明显的波阻抗差异，在地震剖面上没有形成明显的反射界面，孔店组同相轴为较连续的弱反射特征，该种地震相在黄河口凹陷中央构造脊较为常见。③较强反射界面-内部空白反射结构。孔店组发育大套泥岩夹薄砂岩，上覆地层为沙三段砂岩时，地震波从高速区进入低速区，反射界面为较强的连续波谷反射，孔店组内部地层为弱的空白反射，该种地震相黄河口凹陷东次洼南部斜坡带常见。

黄河口凹陷及围区共有15 口井钻遇中生界。莱北低凸起13B5-A 井钻遇中生界厚度为1 536.4 m，较为完整地揭示了中生界的岩性组合，主要为大套安山岩，局部含凝灰岩。中生界地震相特征呈三段式：顶部中生界与上覆新生界不整合形成强振幅的反射界面可作为新生界底界（T8）。T8界面之下的中生界地震相特征为上段是一套断续、高频杂乱的反射同相轴，中段是一套杂乱弱反射同相轴，下段为一套高频密集连续强反射同相轴。该井揭示中生界这种三段式地震相特征，在黄河口凹陷及围区都能找到对应井，位于垦东凸起北部陡坡带的垦利2-B 井，在地震剖面上中生界为高频密集连续强反射特征，凹陷区中生界与上覆新生界呈高角度不整合接触关系的强振幅反射界面（图4）。

图4 过垦利2-B―渤中27-B井地震剖面（剖面位置见图1）Fig.4 Seismic cross-section of Well Kenli2-B and Well Bozhong27-B（Section location in Fig.1）

3 古近系地层结构新认识

在落实黄河口凹陷新钻井及老井地层归属基础上，结合区域构造演化特征，通过井-震精细标定，依托渤海新的大连片三维地震资料，对凹陷古近系地层界面进行精细解释，重新厘定地层结构格架。根据黄河口凹陷及围区基底与孔店组地震相特征，对黄河口凹陷T8和沙三段底界面（T6）进行重新标定、解释。新T6为一套连续、中等振幅反射界面，与下伏地层呈角度不整合或假整合接触，大致相当于原T8（图5）。新T8为一套低连续至杂乱、中弱振幅反射波组的顶面，与下伏地层局部呈高角度不整合接触（图4，图5），新的解释方案井-震对比合理，古近系地层厚度全区协调一致。

依据最新地震解释成果（图5），黄河口凹陷与济阳坳陷的其他凹陷具有类似的地层结构特征，原T6最大深度为5 500 m，调整后最大深度达6 400 m，最大下移深度为900 m（图6），使得原先分析的沙三段烃源岩厚度增加，局部最大增厚900 m，沙三段作为研究区的主力烃源岩层系，生烃规模将进一步扩大。T8最大下移深度为2 300 m，黄河口凹陷西次洼T8由原来的5 500 m变为7 800 m（图7），凹陷箕状结构更加明显。中央构造脊埋深由原来的3 800 m 加深到现今的4 400 m，进一步增加黄河口凹陷主力产油区的勘探潜力，新的解释方案使黄河口凹陷洼隆相间、北断南超的箕状结构更加明显。

图5 黄河口凹陷古近系地层结构新格架（剖面位置见图1）Fig.5 New framework of Paleogene stratigraphic structure in Huanghekou Sag（Section location in Fig.1）

图6 黄河口凹陷T6构造等值线分布Fig.6 T6 surface contours of Huanghekou Sag

图7 黄河口凹陷T8构造等值线分布Fig.7 T8 surface contours of Huanghekou Sag

根据新的T8和T6划分方案，对黄河口凹陷孔店组―沙四段的展布特征进行了重新分析，发现其展布范围明显扩大，且全区稳定分布，厚度也明显增加，西次洼孔店组―沙四段最大厚度由原来的600 m 变为2 200 m（图8），平面展布和厚度变化上与胜利、大港油区及渤海探区的莱州湾凹陷有很好的一致性，更符合区域构造演化特征。新方案划分的孔店组与沧东凹陷［21-22］、潍北凹陷［24-25］、沾化凹陷基本统一［27］。本研究成果获得天津市地质学会及大港油田专家高度认可。在黄河口凹陷新增了一套孔店组勘探层系，落实一套全新的孔店组―沙四段优质烃源岩层系，原有主力烃源层系沙三段最大厚度增加，油气资源潜力进一步扩大。

图8 黄河口凹陷孔店组―沙四段地层厚度对比Fig.8 Comparison of thickness of Ek-Es4 of Huanghekou Sag before and after strata correlation

4 油气资源规模重新评价

根据古近系地层格架新认识，对黄河口凹陷古近系孔店组―沙四段和沙三段油气资源规模进行重新计算。尽管黄河口凹陷孔店组―沙四段厚度较大，最大超过2 000 m（图8），但是已钻井揭示的地层偏薄，难以利用反演资料预测孔店组―沙四段烃源岩进而评估其油气资源规模。在本次研究中探索一套人工智能快速识别评价烃源岩技术。

4.1 人工智能快速识别评价烃源岩技术

根据孔店组在不同区域的沉积差异，基于地震属性分析形成一套人工智能快速识别烃源岩的评价技术。首先提取目的层段的振幅、频率和相位属性，并进行相关分析。优选相关性好的地震属性进行非约束波形聚类，以获得更为客观、准确的地震属性与沉积岩性对应关系。然后根据地震多属性与（非）储层的相关性，优化属性组合，预测砂-泥岩厚度平面展布规律，并结合已钻井资料，人工智能识别不同区域目的层段的沉积特征，预测泥岩百分含量，从而根据目的层段的地层厚度计算得到孔店组―沙四段泥岩厚度展布。最终根据探井钻遇情况，人工剔除无效泥岩（如凹陷边缘氧化环境下的泥岩），获得有效烃源岩厚度展布（图9）。利用本方法对黄河口凹陷主要烃源岩层系孔店组―沙四段和沙三段有效烃源岩厚度进行重新评估，为凹陷油气资源规模计算奠定基础。

4.2 油气资源量计算

以新计算的孔店组―沙四段、沙三段有效烃源岩厚度为基础，采用Trinity 盆地模拟软件对黄河口凹陷油气资源规模进行重新计算。统计孔店组―沙四段、沙三段已钻井有机质丰度数据，根据地层构造趋势进行相关网格化，得到孔店组―沙四段、沙三段有机质丰度等值线分布，结合烃源岩成熟度等值线分布，计算孔店组―沙四段烃源岩生烃强度。然后结合相关地球化学参数，计算黄河口凹陷新增油气资源量达7.4×108t，目前黄河口凹陷油气发现率为56%，解决了研究区油气资源量与储量发现不匹配的问题，仍处于勘探高峰期，有巨大的勘探潜力待挖掘。

5 勘探潜力及评价

黄河口凹陷古近系地层展布格架及新生界底界的重大调整，深化了对凹陷盆地结构的认识，落实了研究区沙河街组、孔店组地层展布规律，尤其是孔店组展布特征的确定，使得黄河口凹陷新增一套全新勘探层系，具有较大的勘探潜力。

图9 黄河口凹陷孔店组―沙四段有效烃源岩厚度展布Fig.9 Thickness map of effective source rock in Ek-Es4 in Huanghekou Sag

5.1 孔店组成藏条件分析

黄河口凹陷孔店组具有完整的生、储、盖组合，有望成为研究区新的主力含油层。孔三段沉积时期湖盆初始裂陷，湖盆范围仅限于现今黄河口凹陷的中南部地区，孔三段现今残余面积约为350 km2，最大厚度为600 m，分布于黄河口凹陷中央构造脊中南部至凹陷中次洼较为局限的区域，主要发育一套红褐色、紫红色泥岩夹砂岩沉积。

孔二段沉积时期湖面宽广、凹陷中央水深较大，孔二段面积约为1 600 km2，最大厚度为1 300 m，广泛发育暗色泥岩，有效生油岩面积广，有机质丰度较高，生油母质好（主要为腐泥型），以渤中34-2A 井3 642 m 以下孔店组暗色泥岩集中发育段为例，其饱和烃气相色谱OEP值达1.09，奇偶优势明显，为成熟烃源岩，凹陷中央孔二段有效烃源岩厚度最大超过1 000 m，可构成主力供烃层［19］。在凹陷北部边缘发育扇三角洲相的大套砂岩、砂砾岩夹暗色泥岩沉积，储层条件较好，渤中19-6 气田孔店组钻遇的正是这套砂砾岩沉积［26］，黄河口凹陷孔二段发育一系列断块型构造圈闭，这些圈闭与扇三角洲优质储集相带匹配较好，可构成自生自储型油藏。

孔一段沉积时期湖盆逐渐萎缩，凹陷中南部抬升，不再接受沉积，早期沉积的孔二段遭到局部剥蚀。由于北部陡坡带控凹断层的持续活动，形成新的可容空间，在凹陷北部沉积一套扇三角洲相砂砾岩。沉积后期，随着湖盆的持续萎缩，西次洼北部陡坡带孔一段遭受了强烈剥蚀，高部位剥蚀殆尽。现今残余面积约为720 km2，最大厚度约为500 m。

5.2 孔店组勘探潜力区评价

本次研究在黄河口凹陷北部陡坡带和中央构造带孔店组落实10 个新增断块圈闭，圈闭形态较好，累积面积约为63 km2；尤其是北部陡坡带的圈闭群，单个断块最大面积约为10 km2，属于孔二段扇三角洲前缘相带，主要发育砂砾岩型储层，储层段厚度约为200～450 m。经重新复查，渤中25-C 井在这套储层中发现一套厚度达100 m 连续油层段，经落实油源为孔店组烃源岩，其储量丰度约为300×104t/km2。北部陡坡带未探钻圈闭群的埋深较渤中25油田油层发育段浅，沉积相带更优，与渤中19 气田埋深相近、具有类似的沉积背景和储层条件，结合渤中19-6 气田与渤中25 油田在孔店组的勘探认识，对研究区新落实构造圈闭进行油气资源量计算，其整体资源规模超亿吨，具备非常好的勘探前景，目前正在进行井位部署。研究区紧邻渤中25 油田群开发平台，距渤海最大天然气田渤中19-6仅13 km，油藏开发门槛低，具有良好的经济效益，在当前低油价背景下意义重大。

6 结论

对黄河口凹陷盆地面貌及古近系地层结构进行重新厘定，还原了凹陷古近系真实展布特征。分析结果显示，黄河口凹陷古近系地层结构及沉积发育特征与胜利、大港油区部分凹陷基本统一。凹陷主力烃源沙三段局部增厚，最大增厚达900 m，生烃潜力大幅提升。新T8的最大下移深度达2 300 m，明确了孔店组―沙四段地层展布特征，增加一套孔店组―沙四段烃源层系和勘探目的层系。黄河口凹陷新增油气资源量7.4×108t，目前凹陷油气储量发现率为56%，解决了研究区油气资源量与储量发现不匹配的问题，且证实黄河口凹陷仍处于勘探高峰期。在孔店组落实一批中深层构造圈闭，圈闭形态较好，面积约为63 km2，具有很好的勘探前景。研究成果和认识对庙西凹陷盆地结构整体解剖有启示作用。