南黄海盆地南五凹油气地质特征及成藏条件新认识*

祁 鹏 张功成 王 鹏 刘志峰 崔 敏 蔡 佳 沈 娇 王 欣 张文昭

（中海油研究总院有限责任公司 北京 100028）

南黄海盆地经历了50多年的油气勘探，已钻探20余口井，其中南部坳陷共钻探12口井，仅在1口探井中发现了油气流，表明南部坳陷具备了形成油气藏的基本地质条件［1］。近年来的勘探实践表明，南部坳陷的南五凹是南黄海盆地最有希望实现商业突破的地区［2］。自20世纪70年代开始在南五凹进行地震采集和油气资源调查工作以来［3］，截至2017年，南五凹已累计钻井3口，在边缘凸起上钻井1口，二维地震基本实现了全覆盖，但密度不均，部分地区已达到1 km×1 km，部分部位仅有2 km×4 km。虽然钻井揭示阜宁组烃源岩已经成熟，但是南部坳陷整体地温梯度较近中国近海其他盆地要低［4］。前人对于南五凹油气资源前景不乐观，估算其石油地质资源量为（0.91～1.67）×108t油当量［5-7］。本文在总结前人大量研究成果的基础上，综合利用重处理的二维地震资料及钻井资料，对南五凹油气地质条件进行了较为全面的分析，认为南五凹在阜宁组沉积时期处于拗陷阶段，经历了广湖咸化过程；在此基础上，进一步探讨了阜宁组烃源岩段广湖咸化的主要识别标志和形成机制，并分析了研究区油气勘探的潜力区。本文研究结果对未来南黄海盆地的油气勘探实践具有指导意义。

1 地质概况

南五凹位于南黄海盆地南部坳陷，其南部以边界断层与勿南沙隆起相邻，西南与南二凹以断层相接，西北与南一凸起相邻，北部逐渐过渡为南二低凸起。南五凹整体呈北西走向，长约100 km，最宽处25 km，面积近1800 km2。南五凹在结构上具有极大的分异性，呈现出东西分块、南北分带的特征。根据构造样式的不同，南五凹自南向北可划分为南部陡断带、中部反转带和北部缓坡带（图1）。

地震、钻井和生物地层等资料揭示，南五凹地层由前白垩纪基底和上白垩统—新生界盖层构成，自下往上为白垩统赤山组及泰州组、古新统阜宁组、始新统戴南组及三垛组、新近系盐城组和第四系，但缺失渐新统。

图1 南黄海盆地南五凹构造单元划分Fig.1 Tectonic division in Nanwu sag of South Yellow Sea basin

2 构造演化特征

受控于下扬子板块周缘前陆盆地在白垩纪末—早古新世的后造山期转换伸展作用［8］，南五凹发生仪征运动进入盆地沉降阶段，沉积了上白垩统泰州组和古新统阜宁组，边界断裂对泰州组沉积控制作用微弱。阜宁组在凹陷斜坡上的厚度与深洼区相似，表明这一时期整体处于拗陷阶段（图2）。阜宁组沉积末期吴堡运动的发生使阜宁组和泰州组遭受了不同程度的剥蚀。

图2 南黄海盆地南五凹结构及构造演化阶段（剖面位置见图1）Fig.2 Structure and tectonic evolution of Nanwu sag in South Yellow Sea basin（see Fig.1 for location）

戴南组沉积时期，南五凹呈现出明显断陷的特征，南部边界断裂控凹作用明显。戴南组沉积后，整个苏北-南黄海盆地经历了真武运动，发生了局部抬升剥蚀。三垛组沉积时期，凹陷快速拉张沉降，仍然处于断陷演化阶段，南五凹现今复式半地堑结构就是在这一构造演化阶段逐渐成型。三垛组沉积末期，太平洋板块俯冲方向突然转向，导致其向北西西向的俯冲作用突然加强［9］，使南黄海盆地区域应力场发生巨大改变，发生了以整体抬升和近东西向挤压为主的三垛运动。南五凹表现为强烈的挤压-抬升-剥蚀过程，剥蚀量最大约900 m［10］。三垛运动一直持续到渐新世末，使得包括南五凹在内的整个南黄海盆地缺失了渐新统。南黄海盆地直到中新世才再次接受沉积，进入了拗陷期，其中南五凹整体表现为稳定热沉降作用。

南五凹构造演化分析表明，不同于中国东部和近海绝大多数新生代凹陷的“下断上坳型”的双层结构［11］，南五凹具有特殊的“坳-断-坳”的三层结构。

3 阜宁组沉积特征

南五凹与陆上的苏北盆地高邮凹陷同属于苏北-南黄海新生代构造体系。高邮凹陷阜宁组以面积广、厚度大的湖相沉积为主要特征，最大厚度约为2 200 m，而南五凹阜宁组最大厚度约为2 500 m。构造背景和地层厚度的相似表明了两者沉积环境具有可比性，即南五凹阜宁组也可能形成广阔湖泊。

3.1 单井相分析

南五凹及其周缘钻探的4口井中，有3口钻遇阜宁组。I井位于南二凸起之上，仅钻遇阜二段（厚度为225 m），录井揭示其下部富含灰岩，单层厚度2.0～13.5 m，灰岩之间夹1～2 m厚的泥岩或粉砂岩，测井GR曲线呈锯齿型，为湖相碳酸盐岩浅滩沉积；上部为滨浅湖碎屑岩沉积，为灰色砂岩与棕色泥岩互层，砂岩、泥岩单层厚度均在3 m左右，且覆盖了南五凹周缘凸起。II井位于南五凹中部反转带之上，钻穿了完整的阜宁组。阜二段发育大套灰黑色、深灰色泥岩夹薄层砂岩，上部泥岩段厚度为75 m，下部泥岩段厚度为97 m（含2 m油页岩）；地化分析结果表明，泥岩中富含4-甲基甾烷和伽马蜡烷，反映半深湖沉积环境。阜四段发育较厚的灰黑色、深灰色泥岩，泥岩含量97.6%，测井GR曲线平滑，为半深—深湖相沉积。III井位于中部反转带的南翼，仅钻遇阜四段上部125 m厚的地层，其中顶部发育3层1.0～1.5 m厚的灰黑色粉砂岩，中部发育厚层灰黑色泥岩，测井GR曲线较为平滑，反映泥岩较纯，含量93%；下部发育2层2～3 m厚的灰黑色、灰棕色泥质白云岩，为浅湖—半深湖沉积。

上述3口钻井揭示南五凹中部反转带和周缘凸起之上均有阜宁组湖相沉积，表明其在该沉积期表现为广阔的湖盆，发育面积较大的半深—深湖，甚至可能与其他凹陷相连通。

3.2 地震相分析

前人研究认为，中国近海新生代盆地湖相泥岩在地震剖面上表现为“低频-连续-强反射”的特征，这已经成为识别湖相沉积的重要标志［12-13］。但是，湖相沉积在不同的构造部位表现出不同的地震相特征，这与不同构造部位上的砂泥岩比值或者沉积构造的差异有关。南五凹阜宁组湖相沉积表现为4种典型的地震相特征（表1）。

表1 南黄海盆地南五凹阜宁组典型地震相特征Table1 Typical seismic facies characteristics of Funing Formation in Nanwu sag，South Yellow Sea basin

I类地震相为较低频-连续-平行-中强反射，主要分布在陡断带的深洼区，较容易识别，虽然没有钻井钻遇，但是该套反射波组向中部反转带或缓坡带延伸而被钻井所证实。在紧邻断层处阜一段和阜三段表现为微弱的下超现象，表明该时期水位下降，三角洲沉积进入到凹陷内，而阜二段和阜四段则是明显的低频连续中强反射，表明该时期水位上升，半深—深湖覆盖了整个凹陷。

II类地震相为低频-中连续-平行-强反射，主要分布在中部反转带的南翼。III井揭示该套波组顶部的强反射为阜四段的半深湖相泥岩，中部的低频-平行-强反射波组则代表了阜二段的厚层深湖相泥岩，由于受到断层的影响，表现为局部的弱连续。

III类地震相为低频-连续-平行-强反射，主要分布在缓坡带，最突出的特点是阜二段湖相泥岩的红-黑双轨同相轴的特征，下部的弱反射表现为低角度的下超，代表了阜一段发育的小规模三角洲沉积。

IV类地震相为杂乱弱反射，主要分布在南五凹周缘凸起之上。I井揭示该套杂乱弱反射为阜二段底部的一套湖相碳酸盐岩浅滩沉积，表明在高水位期时，湖相沉积已经覆盖了整个南五凹，并且有可能延伸得更远。

3.3 沉积展布特征

通过对南五凹的单井相和地震相分析，认为阜宁组湖相泥岩不仅分布在凹陷的深洼中，也分布于中部反转带、北部缓坡带及周缘凸起。其中，阜二段半深—深湖相分布广泛，面积约1 050 km2；阜四段缺少碳酸盐岩浅滩沉积，但半深—深湖相面积比阜二段略大（约1 400 km2）。对南部坳陷其他凹陷地震测线的精细解释发现，阜宁组与上覆地层在这些凹陷的边缘为削截关系，说明阜宁组在沉积之后遭受了剥蚀，原始沉积的阜宁组不仅覆盖了现今的凹陷，而且可能延伸到周缘凸起之上；阜宁组沉积时期南五凹和南部坳陷的其他凹陷很可能为一个统一的湖盆（图3），具有“广湖”的沉积特征［14］。

图3 南黄海盆地南部坳陷阜宁组一段+二段沉积相简图［13］Fig.3 Sedimentary facies of E1f 1+2 in South depression of South Yellow Sea basin［13］

4 阜宁组广湖咸化特征

4.1 广湖咸化标志

中国东部盆地中有多个凹陷的古新统—始新统烃源岩形成于咸水沉积环境，如渤海湾盆地东营凹陷、东濮凹陷、歧口凹陷等［15-17］。南五凹阜宁组广阔湖盆发育时期亦为咸水沉积环境，分析认为主要是由于海侵作用造成的，表现为以下标志性特征。

1）微量元素指标。研究表明，泥岩的硼镓比（B／Ga）和锶钡比（Sr／Ba）能指示沉积环境。南部坳陷钻井揭示，在阜四段泥岩样品中，B／Ga＞3.3的样品比例达到了50%，Sr／Ba≥1的样品比例达到了43.3%。这表明阜宁组沉积于水体偏咸的环境［18］。

此外，苏北盆地阜宁组碳酸盐岩胶结物的碳氧同位素分析指示了阜二段和阜四段沉积于咸水沉积环境［19］。洪泽凹陷阜宁组盐岩及盐岩胶结物的微量元素分析表明，阜四段的微量元素值与海水最为接近，与内陆咸化湖盆相差比较大，说明苏北盆地在阜二段、阜四段沉积时期湖盆的咸化受到了海侵的影响［20］。高邮凹陷三垛组和戴南组原油的含硫量为0.7%～0.9%，阜宁组原油的含硫量最高为1.42%［21］，约属于中等含硫原油（0.5%～2.0%），与海相泥岩生烃特征相似。这些证据表明苏北盆地遭受过一定程度的海侵作用，也从侧面证明了更接近古海洋一侧的南黄海盆地在阜宁组沉积时期遭受过海侵的影响。

2）古生物指标。III井揭示阜四段含有沟鞭藻、疑源类虫牙和少量海相介形虫等，具有海相古生物的特征，其中虫牙为海生环节动物门多毛纲用来摄取食物的颚器，属于典型的海相化石［22］。苏北盆地阜宁组露头中发现了多毛纲虫管（虫牙）、海相藻类（叠层石）、有孔虫（圆盘虫）及海相鱼类（六合鲱、洞庭鮨）化石［23］，说明当时海侵程度非常高。因此，南五凹也不可避免地遭受了海侵。

3）特殊岩性指标。I井在南二凸起上钻遇了阜二段下部的含泥质灰色灰岩，这种碳酸盐岩发育需要特定的地质条件，当水体中碳酸钙达到饱和或过饱和条件时，会促使碳酸钙晶体大量析出而固结成岩。碳酸盐岩的发育同样说明了南五凹阜二段沉积时期水体盐度偏大。

4）生物标志物指标。伽马蜡烷是指示咸水环境的最常用的生物标志物指标，如经历过海侵作用的松辽盆地微咸水环境的烃源岩中就含有较高的伽马蜡烷［24］。虽然Ⅱ井钻遇的阜二段泥岩的生物标志物表现为偏C29甾烷优势分布，伽马蜡烷含量偏低，指示了一种偏陆相的沉积环境，但是在相邻的南四凹阜四段湖相泥岩的色谱和质谱数据表明该段泥岩C27—C29甾烷生物构型为标准的C27、C29甾烷均势，具有高含量4-甲基甾烷，伽马蜡烷含量中等，表明其沉积环境为具有一定盐度的还原水体环境。

4.2 广阔咸湖形成机制

研究表明，中国近海及东部陆上富烃凹陷的半深—深湖相烃源岩层的沉降速率均高于200 m／Ma。从南黄海盆地阜宁组的沉积速率来看，主要凹陷的沉积速率值比较大，其中南四凹和南五凹都超过了200 m／Ma［25］，这也间接证实了南部坳陷应发育半深—深湖相。

苏北盆地和南黄海盆地南部坳陷在新生代早期实际上是一个统一的盆地，在阜宁组沉积时期呈现出三角洲—滨浅湖—深湖相的沉积格局，阜二段至阜四段沉积时期经历了水进—水退—水进的旋回过程。依据全球海平面变化，该时期也是地质历史上最大的基准面上升期，此时古东海海平面上升，为苏北-南黄海盆地遭受海侵提供了海水来源［26］。阜二段沉积时期是第一次水进期，整体沉降速率在80 m／Ma左右，相对海平面上升幅度有限，在苏北盆地东部及南黄海盆地南二凹和南五凹发育大面积半深—深湖相，苏北盆地西部及南四凹、勿南沙隆起上的勿一凹、勿二凹为滨浅湖相，南五凹东部和南二凸起发育零星的浅水碳酸盐岩浅滩，表明该时期的海侵作用影响范围较小。阜四段沉积时期是第二次水进期，也是湖盆的全盛期，整体沉降速率超过200 m／Ma，相对海平面大幅度上升，古东海为苏北-南黄海南部坳陷提供源源不断的海水，在南黄海地区形成指状古海湾，海侵作用一直深入到苏北盆地的中西部，形成一个连片发育的大型坳陷型半深—深湖区［27］（图4）。

图4 苏北-南黄海盆地南部坳陷阜宁组四段残留沉积相［27］Fig.4 Sedimentary facies of E1f 4 in Subei basin and South depression of South Yellow Sea basin［27］

5 油气成藏条件

5.1 烃源岩

基于钻井分析和地震测线精细解释，认为南五凹在阜宁组沉积期的广湖咸化背景下半深—深湖相烃源岩分布广泛，阜二段和阜四段半深—深湖相面积分别约为1 050 km2和1 440 km2。阜宁组最大厚度超过了苏北盆地，达到2 500 m，具备了生成油气的物质基础。

咸化湖泊烃源岩具有三个特点：一是能形成以浮游藻类及无定形为主的II型干酪根；二是咸水弱还原条件有利于有机质保存；三是生烃活化能低，生、排烃时刻早，使得生、排烃时间大幅延长。南五凹阜四段和阜二段半深—深湖相烃源岩地球化学分析结果也符合以上规律，干酪根以I型和II1型为主，总有机碳含量平均为1.75%，生烃潜量平均为6.3 mg／g，氢指数平均为343 mg／g，综合评价属于中等—好烃源岩。热模拟实验表明，南五凹阜宁组湖相烃源岩Ro为0.53%～0.65%，已经进入低成熟阶段；阜宁组烃源岩生烃活化能为209 kJ／mol，低于典型湖相烃源岩（为221 kJ／mol），两者之间的差异不仅将南五凹生烃门限深度由3 200 m提升到2 500 m，阜四段成熟烃源岩面积由150 km2增加到650 km2，而且生烃时间提前，延长了排烃持续时间。这一重大变化使得原来认为的未成熟烃源岩也能参与到油气资源潜力计算，南五凹资源量从不到1.3×108m3油当量提升至4.1×108m3［28］，与高邮凹陷（为4.9×108m3油当量）处于同一数量级，表明南五凹具有很大的油气生成潜力。

5.2 储盖组合

南五凹新生界自下而上发育阜宁组、戴南组和三垛组等3套储盖组合，其中，阜宁组储盖组合钻井揭露较少，三垛组储盖组合的盖层因遭受剥蚀而风险较高，而戴南组储盖组合配置关系最好。从高邮凹陷勘探成果看，戴南组也是重要的油气产层。

在始新世断陷期，南五凹总体发育扇三角洲-湖泊沉积体系。南部的勿南沙隆起是长期的物源供给区。在低水位期，沉积物在南部边界断裂下降盘形成扇三角洲，并进一步向凹陷内部延伸，可一直延续沉积于反转构造带。分析表明，反转构造带上III井钻遇的戴南组扇三角洲前缘砂岩为含长石岩屑质石英砂岩，基质和胶结物含量低，岩石结构疏松，有利于形成好的储层；实测砂岩孔隙度一般大于15%，渗透率为20～183 mD，总体上是中—好级别的储层。在高水位期，扇三角洲规模收缩，以滨浅湖相沉积为主，泥岩十分发育，钻井揭示戴南组泥岩累计厚度约为643.5 m，单层最大厚度为52 m，可以作为良好的盖层。

基准面的旋回变化控制了戴南组储盖组合的配置关系，自下而上可形成3套有利储盖组合：①戴一段退积型扇三角洲前缘砂岩和滨湖泥岩形成的储盖组合；②戴二段沉积早期退积型扇三角洲前缘砂岩、滨岸砂坝和浅湖泥岩形成的储盖组合；③戴南组沉积晚期进积型扇三角洲前缘砂岩和滨湖泥岩形成的储盖组合。

5.3 圈闭类型与分布

南五凹新生代构造变形复杂，形成了南部陡断带、中部反转带和北部缓坡带等3个构造带，每一个构造带上都发育多种类型的圈闭。南部陡断带紧邻边界断层，形成了受断裂控制的断鼻或断背斜型圈闭，以及与大型扇体共同控制的构造-岩性复合型圈闭。中部反转构造带上断裂十分发育，呈复杂化的Y字形特征，背斜顶部晚期断层较为发育，破碎化程度较高，在顶部常形成小型断块或者断背斜圈闭，在翼部常形成单断层控制的断鼻型圈闭。北部缓坡带远离深洼区，由一系列产状平缓的顺向正断层组成，这些断层基本上都滑脱到阜宁组泥岩层中，Y字形构造样式较为常见，圈闭类型以断块为主，数量较少。

5.4 油气运聚条件

南五凹大型正向构造单元不仅自身发育了沟通深部烃源岩和中浅层储层的断层，而且深受边界断层的影响。边界断层及其上盘发育的次级断层在始新世活动较强，能够作为高效的油气运移通道，将阜宁组生成的油气运送到戴南组储集体中，而戴南组富集的砂岩形成的低势区也能进一步辅助油气运移。

南五凹边界断层呈现出始新世活动较强的特征，活动速率普遍大于50 m／Ma，最大可达250 m／Ma；该区次级断裂在主要活动时期的速率普遍大于30 m／Ma，最大约为90 m／Ma。同时，南部边界断层在该区域表现为上凸的特征，是油气向上运移的有利构造脊，其下陡上缓的几何形态决定了该断层不仅有利于将深部油气向上高效运移，还能促使油气在其上盘的背斜型储盖组合中聚集，形成下生上储型油气藏（图5）。综合分析认为，在南五凹的3个构造带中，南部陡断带距离阜宁组生烃中心最近，油气成藏条件最为优越，是最有潜力的勘探区带；其次为中部反转构造带。

图5 南黄海盆地南五凹陡断带预测成藏模式（剖面位置见图1）Fig.5 Hydrocarbon accumulation model of the steep faulted belt in Nanwu sag，South Yellow Sea basin（see Fig.1 for location）

6 结论

1）南黄海盆地南部坳陷新生界具有“坳-断-坳”三层结构。晚白垩世—古新世，南五凹整体处于拗陷作用阶段，发育广湖沉积；始新世，南五凹进入强烈断陷阶段，断层强烈活动，发育扇三角洲-滨浅湖沉积；渐新世，南五凹受到三垛运动的影响，遭受大规模隆升剥蚀；新近纪之后，南五凹处于稳定热沉降阶段。

2）南五凹在阜宁组沉积时期形成了独特的广湖咸化沉积特征；阜宁组二段和四段半深—深湖相泥岩在凹陷深洼、缓坡带及周缘凸起上均有发育，具有面积广、厚度大的特点。古东海自东向西的海侵作用，是广湖发生咸化的形成机制。

3）南五凹阜宁组咸化湖泊烃源岩不仅规模大，而且生排烃早，生烃潜力大；戴南组扇三角洲-滨浅湖相沉积在纵向上形成了3套良好的储盖组合；边界断层及凹陷内部的次级断层长期发育，形成了良好的油源通道；南部陡断带和中部反转构造带上发育了多个规模较大的断背斜或断鼻型圈闭，是有利的油气运移指向区，也是南五凹最有潜力的勘探方向。