河套盆地临河坳陷石油地质新认识与重大发现

河套盆地临河坳陷油气勘探始于20世纪70年代末期，主要历经三大勘探阶段[1-2]。①1979—1987年为石油普查勘探阶段：在临河坳陷北部钻井7口，在下白垩统和渐新统均见到烃源岩和油气显示，仅临深3井下白垩统采出少量原油，总体表现为勘探目的层埋藏深、工程事故频发、构造圈闭油气充满程度低、油气运聚规律不清。②2004—2006年生物气勘探探索阶段：钻探2口浅井，见气测异常，但试气产量低。③2013—2016年埋藏较浅层油气勘探阶段：2013—2014年吉兰泰潜山附近实施钻井4口，见到油气显示，产出黑褐色黏稠状原油；于是2015—2016年在吉兰泰地区完钻探井2口，见到少量油气显示，未成藏。结合前人研究公开发表的文献，认为制约40年油气勘探未突破的关键问题为：二维地震测网稀(4km×6km~16km×20km)，圈闭落实程度低；盆地性质及演化存有争议[3-6]，有利构造区带不明确；资源潜力及生烃中心分布认识不清，勘探方向不明，勘探信心不足；油气成藏因素研究薄弱[7-9]，油气富集规律不明。基于此，本文紧紧围绕以上关键问题，加强野外地质踏勘、加密重点地区二维地震部署采集，重新开展盆地构造演化分析、资源潜力评价和方向优选及油气成藏规律研究，为指导该区油气赋存条件的认识和总体勘探思路及井位部署的制定提供重要地质依据。

河套盆地北邻阴山山脉，东接鄂尔多斯高原，东南与贺兰山、桌子山毗邻，西至狼山。东西长约600km，南北宽30~90km，面积约为4×104km2 [1-2]。整体上，具有"三坳两隆"的构造格局，乌拉山隆起和包头隆起自西向东将盆地分隔为西部临河坳陷、中部乌前坳陷和东部呼和坳陷。临河坳陷面积最大(约为2.43×104km2)，是盆内最主要的生油坳陷和含油气区。

临河坳陷位于河套盆地西部，总体呈NE走向，为中—新生代坳断叠合型坳陷，具有东西分带、南北分区的结构特征，以吉北变换带为界，南北划分两个凹陷，以北地区为巴彦淖尔凹陷，以南地区为吉兰泰凹陷。其中，巴彦淖尔凹陷可划分为淖西洼槽、吉兰泰构造带、中央断裂带和黄河洼槽；吉兰泰凹陷划分为吉西洼槽和吉东斜坡(图 1)。

通过井震联合精细构造解释，共识别追踪出五大层序界面，分别为基底(即白垩系底)界面、固阳组底界面、古近系底界面、新近系底界面和第四系底界面。其中，白垩系内部固阳组底界面是一个区域性的重要构造不整合界面。该界面之下根据吉参1井的孢粉、介形类化石资料分析，发现2081~2536m井段具有无突肋纹孢属—三褶奇异轮藻—光亮小玻璃介—开通圆星介—科斯库女星介—近瓦德女星介化石组合，2536~2881m井段具有无突肋纹孢属—克拉梭粉属—周壁粉属—单肋女星介化石组合，认为属于下白垩统，而上部地层因为没有足够的化石样品，无法确定地层时代[9]。该界面之上根据松探1井的岩心和岩屑轮藻化石分析可知，在2132.45~2452m井段见到旋卷中生轮藻、对称中生轮藻、下沟中生轮藻、惠回堡开口轮藻组合等，类似的化石组合在银额盆地银根组、苏红图组—巴音戈壁组及青海西宁民和盆地河口组、甘肃高台等地下沟组、塔里木盆地卡普沙良群等下白垩统都有发现，显示了早白垩世的时代特征，尤其是2132.45m处岩心样品中出现中生代特有的中生轮藻分子，可以确定该井段沉积地层为下白垩统，结合地震界面特征，由此确定了白垩系固阳组顶界面位置(图 2)。基于前人对河套盆地白垩纪地层命名习惯，将该套区域不整合界面之下白垩纪地层暂定为李三沟组，而不整合界面之上白垩纪地层暂定为固阳组。上部新生代依据岩电特征以及连续且全区可对比的地震反射特征分析，分别识别出了新近系底界面和第四系底界面，从而建立了全区地层格架(图 2至图 4)。

从上述建立的不同地区地层格架来看，北部的巴彦淖尔凹陷为双断结构，受控于西部的狼山断裂和东部的伊西断裂，主要发育白垩系固阳组沉积以后地层，下白垩统和渐新统表现为整体沉降，西部略厚、东部略薄；新近纪以来控盆断裂构造活动差异性显著，西断东超的结构特征更为明显，所以整体表现为非对称的地堑结构特征(图 3)。南部吉兰泰凹陷早期发育较厚李三沟组，主要分布在吉兰泰凹陷西部至狼山上；固阳组沉积以来，凹陷整体转变为伸展构造特征，具有继承性发育的特点，表现为单断结构，主要受控于西部巴彦乌拉山断裂活动，下白垩统和渐新统表现为整体沉降，西厚东薄；新近纪以来，巴彦乌拉山断裂活动增强，同时凹陷内发育的数条反向伸展正断层控制凹陷形成多个半地堑，总体组合表现为复式半地堑结构特征，具有西断东超的结构特点(图 4)。

关于河套盆地的成因演化研究起始于20世纪80年代，由于钻井、地震资料少，对白垩纪盆地性质及应力机制研究并不深入。曾有学者在分析河套盆地弧形构造体系成因及演化机制后，提出白垩系沉积期受区域挤压应力环境影响，河套盆地主要发育左旋剪切挤压应力，形成挤压坳陷型盆地[3-4]。也曾有学者在研究河套盆地断裂活动特征及其与油气关系时，指出中生代早白垩世为拱张断陷演化阶段，并控制了固阳组湖相沉积[5]。在前述地层格架和盆地结构分析基础上，开展构造演化过程恢复研究，首次提出临河坳陷经历了早白垩世反转成盆期、古近纪差异伸展期、新近纪强烈伸展断陷期、第四纪走滑(或反转)改造期的4期构造演化新机制(图 5)。

白垩系固阳组沉积前，临河坳陷大部分地区一直处于隆升成山阶段，太古宇变质岩出露地表，长期遭受风化剥蚀，促成潜山及内幕裂缝储层的发育。而狼山地区及伊盟隆起地区处于沉降成盆阶段，在伊盟隆起上沉积并保留了二叠系、三叠系、侏罗系及白垩系李三沟组；在狼山地区同样发现有侏罗系和白垩系李三沟组；尤其在吉兰泰构造带钻井揭示厚层李三沟组红色泥岩，为吉兰泰潜山提供良好的盖层条件，同时与上覆固阳组呈不整合接触。从狼山野外露头勘查剖面上(图 6)，可以清楚地看到侏罗系甚至太古宇逆冲在李三沟组之上，而且在李三沟组可以看到抬升削截现象。结合区域构造背景，该时期盆地东南部贺兰山、桌子山处于强烈隆升期，造成河套盆地及周边地区整体处于挤压应力环境中，发育了挤压坳陷型盆地[2-4]。

白垩系固阳组沉积期，河套盆地开始整体沉降，并以角度不整合方式沉积于李三沟组或太古宇之上，地震相特征清楚，地层厚度较为稳定。狼山和伊盟隆起开始隆升，狼山断裂及伊西断裂开始发生负反转控制固阳组沉积(图 5)。另外，无论从野外剖面还是盆内地震剖面都显示该时期发育大量正断层并控制了盆地沉积，在狼山与巴彦乌拉山转换处，开始发育山前构造变换带，固阳组超覆在李三沟组之上。经钻井证实，该山前构造变换带持续控制了大型扇三角洲沉积，在狼山分支断层下降盘控制发育巨厚固阳组和临河组砂砾岩体。固阳组沉积期河套盆地由古隆向盆地转变，狼山和伊盟隆起等盆地周边发生由沉降区向隆升区的转变，固阳组底界面为一个重要的构造变革界面。该界面不仅是构造不整合界面，还是构造应力体制由挤压向伸展发生转变的动力变革界面，同时也是盆山耦合关系发生完全变换的构造界面。所以，白垩系固阳组沉积期开始形成现今河套盆地的雏形，完成了由山到盆的转换，为重要的反转成盆期。

古近系临河组沉积期，河套盆地受区域板块俯冲作用的影响，再次进入伸展期；受先存构造影响，沉降中心继承性发育。狼山断裂和巴彦乌拉山断裂伸展活动再次增强，在两条控盆大断裂的转换处形成的吉兰泰构造带持续发育；同时在临河坳陷南北差异伸展作用下，盆地沉降中心向北迁移，吉兰泰构造带到磴口一带为弱伸展转换构造区，控制形成了南北两个凹陷。该时期在北部巴彦淖尔凹陷发育一套强还原咸水湖相优质烃源岩，而南部吉兰泰凹陷主要发育一套棕红色泥岩和砂泥岩互层，差异伸展控凹作用显著。

新近系沉积期，盆地进入强烈伸展断陷期，狼山断裂活动显著增强，同时坳陷内发育数条控沉积大型断裂，将巴彦淖尔凹陷分隔成淖西洼槽和黄河洼槽，南部吉兰泰凹陷形成了吉西洼槽和吉东斜坡，整体形成了临河坳陷东西分带的构造格局。巴彦淖尔凹陷晚期强烈伸展、快速沉积，使盆地基底埋藏深(最大深度达14000m)，有利于深层烃源岩的成熟演化；同时成岩演化时间短，尤其是新生代以来地层成岩作用弱，储层物性相对较好。

距今3Ma以来，喜马拉雅山脉进入快速隆升期[10-11]，处于环青藏高原盆山体系的中国中北部地区受到强烈挤压效应影响，发育区域大型走滑断裂，河套盆地及周边地区也发生了局部走滑活动[12]。不论原控盆断裂还是盆内断裂均表现出一定程度的走滑活动。根据地震资料显示的走滑构造样式，临河坳陷北部地区走滑断裂以表皮走滑为主，一般未切穿基底面，上部表现为宽缓的负花状构造形态或正型负花状构造形态，同沉积大断裂晚期走滑有利于浅层圈闭的形成和油气的运移聚集；南部吉兰泰凹陷基底埋藏浅，走滑断裂以基底卷入型为主，往往表现为直立状或形成走滑破碎带，上部负花状构造形态不明显，该走滑构造往往难以形成有效圈闭。同时，该时期吉兰泰凹陷不仅发生了区域走滑活动，还发生了一定程度的正反转，在吉兰泰构造带到磴口一带表现尤为显著，由过南北方向的地震剖面可以清楚地看出新近系和第四系遭到不同程度的削截(图 2)，推测可能与该地区深部异常体侵入引起的基底隆升有关[13-14]。

根据井震结合精细地层划分对比，认为临河坳陷主要发育下白垩统固二段(K1g2)、固一段(K1g1)和渐新统临河组(E3l)3套烃源岩。临河坳陷烃源岩发育具有明显的时空差异性，根据已钻井揭示，固二段烃源岩生烃中心在临河坳陷北部地区，以临深3井为例，该井烃源岩厚68.4m，有机碳含量平均为0.89%，氯仿沥青"A"平均为0.0722%，成熟度高，综合分析认为属中等烃源岩；固一段烃源岩生烃中心在临河坳陷中部，如松探1井烃源岩厚度为15.8m，有机碳含量平均为0.86%，氯仿沥青"A"平均为0.9015%，成熟度低，综合分析认为属中等—好烃源岩；临河组烃源岩生烃中心位于临河坳陷中北部，松5井和隆1井均有钻遇，其中隆1井烃源岩厚度为71.6m，有机碳含量平均为1.87%，氯仿沥青"A"平均为0.4936%，成熟度低，综合分析认为属中等—好烃源岩。

不同层系烃源岩的沉积环境具有显著差异性。北部地区临深3井区固二段烃源岩姥植比(Pr/Ph)大于1，伽马蜡烷含量低，为弱还原淡水湖沉积环境。中部地区松探1井固一段烃源岩，姥植比小于1，伽马蜡烷含量较高，硼含量为55.7~110μg/g、平均为77.5μg/g，为强还原咸水湖环境沉积。中北部地区松5井临河组烃源岩，姥植比小于1，伽马蜡烷含量较高，硼含量为157~319μg/g、平均为208μg/g，为强还原咸水湖环境沉积(图 7)。因此，白垩系烃源岩表现出"南咸北淡"的分布特征。研究表明，咸水湖盆由于湖水盐度高，水体密度分层造成湖盆底部强还原环境，有利于有机质保存，因而可以形成优质烃源岩[15]。

临河坳陷只有二维地震，测网稀、采集年代跨度大、参数不统一、资料品质差，为全区烃源岩定量预测带来极大困难。本次研究首先开展全区二维地震资料重新处理，统一参数；然后结合速度与砂泥岩综合压实模型的关系，引入速度谱开展全区泥岩厚度计算，并结合井点暗色泥岩厚度占地层泥岩厚度百分比预测全区烃源岩厚度分布，理论上可行、实践中易于操作，据此预测了固二段、固一段和临河组烃源岩厚度分布(图 8)。

固二段沉积期盆地构造体制开始由李三沟组沉积期的挤压坳陷向伸展坳陷转换；盆地发生初始负反转，发育泛湖盆，受先存挤压南强北弱应力影响，沉积中心位于北部，水体浅而开阔，发育淡水相烃源岩；晚期快速沉降深埋，烃源岩成熟度高，该时期烃源岩Ro最高达1.2%以上；钻井揭示临深3井5513.2~5515.8m井段白垩系原油密度仅为0.829g/cm3，临深2井见到少量天然气，表明烃源岩已演化到成熟—高成熟阶段。固一段沉积期盆地持续伸展拉张，洼陷分割性增强，临河坳陷沉积中心向中部迁移，水体加深、封闭性增强，发育咸水湖相优质烃源岩；受晚期南抬北降的影响，临河坳陷北部地区烃源岩成熟度高，南部地区埋藏浅、烃源岩成熟度低；松探1井固一段烃源岩Ro仅为0.55%，为低成熟阶段。临河组沉积期区域伸展作用再次增强，受差异伸展作用影响，盆地沉积中心向中北部偏移，水体深而封闭，发育咸水湖相烃源岩，但埋藏时间短、演化程度相对低，目前钻井揭示中央断裂带上古近系烃源岩普遍低成熟。由此可知，盆地演化、沉积环境和埋藏史共同控制有效烃源岩发育演化与分布。

上述研究表明，白垩系沉积前，临河坳陷绝大部分地区长期处于隆升剥蚀区，经历了海西、印支、燕山等多期次、多方向挤压构造运动，易于形成变质岩潜山立体网状裂缝体系；晚期盆地发生强伸展断陷及走滑反转等构造运动，在盆内及盆缘易形成潜山构造，古隆控制了潜山裂缝储层的发育。在碎屑岩领域，尽管晚期快速沉降，目的层埋藏深，但成岩压实作用弱，实际钻井表明，该地区5100m以浅地层孔隙度达到15%以上，反映了深层储层物性较好、具有良好的勘探潜力。因此，潜山及5100m以浅目的层均为有利储层发育区。

构造样式与油气藏类型密切相关，不同构造样式解析对分析构造控藏作用意义重大[16-20]。在临河坳陷主要识别出6种有利构造样式(图 9)，其中临河坳陷最北部兴隆构造带主要发育新近纪伸展滑脱型逆牵引背斜、反向断块等构造样式；中部地区主要发育逆牵引背斜、反向断块、断垒及断块潜山等构造样式；吉兰泰构造带发育断块潜山、顺向断鼻等构造样式。早期在吉兰泰潜山钻井已发现潜山裂隙中存在原油，证实潜山已成藏。总体来说，以上6种构造样式及对应的圈闭类型分布主要与盆内发育的大型断裂和基底构造密切相关，而盆内大型断裂主要发育在西部盆缘和中央断裂带，晚期走滑改造(反转)活动主要发育在中央断裂带及周边，与该地区晚深埋、晚生烃、晚成藏相匹配，上属构造样式发育地区具有形成大型规模油气藏的条件，为有利构造类型。

通过对已钻井流体包裹体和埋藏演化史分析，认为油气充注期主要为第四纪(2.1—0.6Ma)，与盆地构造晚期走滑改造(反转)及圈闭定型期相匹配。临河坳陷主要存在两类埋藏过程，对油气充注具有较大影响。①持续深埋型：埋藏过程有利于烃源岩持续生烃，由于晚期断裂活动沟通深层油源，油气运移至浅层临河组充注。②晚期抬升型：油气运移过程形成较大的流体势差，有利于促进油气运移。钻井发现存在两期充注，第一期充注对应晚期抬升前的生烃高峰期，第二期则与反转抬升过程相对应。

根据前文盆地结构和成盆演化分析，结合近年对盆地流体势分布研究[21]，提出吉兰泰构造带和中央断裂带为临河坳陷油气运聚最重要的正向有利构造带。其中，吉兰泰构造带埋藏浅、近物源、储层条件优越、圈闭落实，可多领域勘探；晚期发生强烈的隆升活动，地层产状陡、流体势差大、油气运移动力充足，为油气运聚最有利区；而且早期钻井见黑褐色黏稠状原油产出，表明油气已运移成藏，为勘探突破的首选区带。中央断裂带晚期发生强烈伸展翘倾活动，地层产状较陡、流体势较强；发育逆牵引背斜、反向断块、断垒、顺向断鼻等多种有利构造样式；埋藏相对较浅，同时紧临下白垩统和渐新统两套咸化优质烃源岩，油源有利，为有利勘探方向。

首先针对吉兰泰构造带断块潜山和顺向断鼻构造，构建"古隆控储、走滑控圈、立体输导，多域聚集"油气复式成藏新模式(图 10)，在变质岩潜山领域，首钻吉华钻孔2井揭示Ⅰ+Ⅱ储层126m/35层，构造裂缝较为发育，局部见溶蚀晶洞，岩心分析孔隙度为3.39%~5.35%，基质渗透率为0.02~0.44mD；在447.8~599.9m井段经压裂试油获日产21.59m3高产油流，原油密度为0.89g/cm3，黏度为29.23mPa·s，含硫量为2.8%，含蜡量为7.3%；后续钻井证实该油藏为具有统一油水界面(海拔475m)的底水块状潜山油藏，由此取得了河套盆地油气勘探重要发现。

根据源控论，在潜山翼部由狼山分支断层控制的碎屑岩断鼻构造上，部署吉华2X井。该井揭示古近系厚层砂砾岩油气显示，储层储集空间以孔隙为主，受狼山分支断层活动影响，兼有裂缝发育，平均孔隙度为17.20%，平均渗透率为3.90mD；发现油层192.8m，常规试油日产油12.81m3，原油密度为0.9320g/cm3，黏度为133.00mPa·s，含蜡量为6.85%，含硫量为3.86%，为重质油。接着部署吉华4X井和吉华8X井，揭示白垩系厚层砂砾岩，据岩心薄片观察，储层储集空间同样以孔隙为主，兼有裂缝，孔隙度为11.60%~19.80%，中值为14.70%；渗透率为1.94~243.00mD，中值为24.10mD；经试油分别获日产201.90m3和301.80m3的高产工业油流，原油密度为0.87g/cm3，黏度为8.80mPa·s，含硫量为2.80%，含蜡量为11.60%。油源对比证实，该油田原油均来自淖西洼槽南部固一段烃源岩，表明狼山分支断层早期开启向浅层和潜山输导油气，晚期封闭形成固一段高丰度油藏，整体形成了多油水系统复式聚集的顺向断鼻构造油藏(图 10)。该油藏最大单井油层厚度达531m，地质储量丰度达486×104t/km2，为中国内陆碎屑岩领域少有的高丰度富集油藏。

在中央断裂带纳林湖构造构建"双向供烃、顺向断层—砂体输导、反向断层控圈、多层系聚集"油气成藏模式(图 10)。钻探松5井，古近系整体物性好，岩性以中砂岩、细砂岩为主，砂岩孔隙度为10.78%~24.73%(平均为17.50%)，渗透率为0.01~239.47mD(平均为63.75mD)；解释油层为12m/3层，在2982.2~2983.7m井段试油获日产62.60m3高产工业油流，后在3135.2~3143.0m井段古近系再试油获日产37.50m3纯油，原油密度为0.8775g/cm3，黏度为32.40mPa·s，含硫量为0.82%，含蜡量为17.60%。经油源对比，该井古近系油气主要来自古近系烃源岩，与吉兰泰油田相比具有低含硫特点，总体为一个反向断层控制的断块油藏(图 10)。

在中央断裂带北部通过构建"多级顺向断层—砂体阶梯式输导、反向断层控圈、多层系聚集"的油气成藏模式，部署风险探井临华1X井，在古近系临河组(3374.00~3379.20m)测井解释孔隙度为27.70%，渗透率为2249.03mD，试油自喷获日产305.76m3的高产工业油流，原油密度为0.8771g/cm3，黏度为24.31mPa·s，含硫量为0.88%，含蜡量为19.1%。该井处于中央断裂带北部小型断垒上，为反向断层控制的断块油藏。

以上多地区多井钻探的突破实现了临河坳陷多点突破新局面。

(1) 临河坳陷划分为南北两个凹陷，沉积中心主要位于北部巴彦淖尔凹陷，白垩系和古近系沉积期北部为地堑结构，控制烃源岩广覆式分布；南部为半地堑结构，烃源岩分布局限。新近纪以来进入强烈伸展断陷期，发育多个正向构造带(吉兰泰构造带、中央断裂带等)，源—储配置有利。本次研究构建了多种油气成藏新模式，在吉兰泰构造带、中央断裂带(松5井和临华1X井)取得了太古宇、白垩系和古近系三大含油层系勘探重大突破，预示中央断裂带发育的深层顺向断鼻构造、反向断块构造、断垒及浅层滚动背斜构造等均为下步勘探有利方向。

(2) 河套盆地40年勘探实践再次证明：勘探无禁区，找油无止境。吉兰泰油田的快速发现极大地鼓舞了新区勘探信心，带动了多区带勘探重大突破，使河套盆地油气勘探进入快速持续发现新阶段。同时作为近年矿权流转改革的首批成功范例，为下步加强新区勘探，顺利推进矿权流转改革，保障国家能源安全等方面起到积极推动作用。