保定凹陷为冀中坳陷西部凹陷带古近系早盛型断陷之一，是孔店组—沙四段沉积期的沉积、沉降中心^[1-2]。其面积大（约4000km²）、基底埋藏深（6000~7600m），但至今未获得工业油气发现，油气源条件较差是人们长期以来对该凹陷成藏条件的认识和评价。从已钻井情况来看，其浅层沙一段烃源岩有机质丰度高，但处于未成熟阶段；深层沙四段—孔店组烃源岩处于成熟阶段，但有机碳含量一般小于0.5%，生烃潜力较差。正因如此，近20年来该凹陷的油气勘探基本处于停滞状态。

勘探实践表明，古近系沙四段—孔店组是渤海湾盆地深层重要的生烃与勘探层系。在辽河坳陷的辽西凹陷、大民屯凹陷、渤中坳陷的渤中凹陷、黄骅坳陷的歧口凹陷、沧东—南皮凹陷、济阳坳陷的东营凹陷、惠民凹陷、昌潍坳陷的潍北凹陷、冀中坳陷的廊固凹陷、霸县凹陷、晋县凹陷及临清坳陷的东濮凹陷等众多凹陷中都发育孔店组或（和）沙四段中等—好烃源岩。其有机碳含量为0.92%~3.33%，氯仿沥青“A”含量为0.02%~0.5%，总烃含量为322~962μg/g，生烃潜量为4.43~25.56mg/g；烃源岩母质类型以Ⅱ₂型、Ⅲ型为主，部分凹陷为Ⅰ型、Ⅱ₁型（如沧东—南皮凹陷）；热演化程度处于成熟—高成熟阶段。油气勘探已发现枣园、王官屯、大民屯、苏桥、牛东、赵州桥等多个以该套烃源岩供源的大中型油气田^[3-17]。

近几年冀中坳陷霸县凹陷文古3潜山内幕和牛东1超深潜山油气藏的发现进一步证实，冀中坳陷深层沙四段—孔店组具有较大油气资源潜力与良好勘探前景^[18-20]。保定凹陷作为冀中坳陷孔店组—沙四段沉积期的重要断陷，很可能蕴含较大的油气资源潜力，是冀中坳陷寻求新区新领域勘探突破的重要方向。本文在深入分析地层、构造、沉积等基本地质特征的基础上，应用烃源岩测井评价与盆地模拟等新技术，对保定凹陷沙四段—孔店组烃源岩及其油气资源潜力进行了重新评价与预测，并优选了有利勘探目标。

保定凹陷位于冀中坳陷西部凹陷带的中部，西邻太行山隆起区，北以黑龙口南断裂为界与徐水凹陷相邻，东与高阳低凸起为界，东北部与霸县凹陷淀北洼槽相接，南抵石家庄凹陷和无极—藁城低凸起，勘探面积约4000km²。发育西部陡带、中央洼槽带、东部断垒带和东部地堑带等次级构造单元（图 1）。

图 1

图 1 保定凹陷构造位置与结构纲要图 F1—太行山东断裂；F2—高阳断裂；F3—黑龙口南断裂；F4—老河头西断裂；F5—老河头东断裂；① 保南洼槽；② 清苑潜山披覆背斜；③ 保北洼槽

截至目前，保定凹陷已完成1:20万重力、磁法、电法普查，二维地震测线8118.28km（数字测线3500.37km)，测网密度为1km×1km~2km×2km。钻井工作始于1964年的冀参2井，至今共完钻探井5口（冀参2、保深1、保深2、清1、保深3），总进尺为20793m。其中冀参2井、清1井、保深2井位于中央洼槽带，但仅保深2井钻达孔店组下部，其他2口井均在沙四段上部完钻；保深1井位于西部陡带；保深3井位于东部断垒带（图 1）。清1井于沙四段见黑色沥青和气测异常，保深1井于沙三段见黑色沥青脉和荧光显示。

重力与地震资料显示，保定凹陷总体为西断东超的箕状断陷，基底最大埋深为7600m。钻井揭示该区古近系发育齐全，自上而下依次发育东营组一至三段、沙河街组一至四段、孔店组一至三段。基底地层受早期剥蚀程度差异影响，不同构造部位有所不同，大部分地区以中元古界为主。

在高精度重力图上，保定凹陷表现为一个北东向延伸的大型重力负异常，且与廊固、徐水、石家庄等凹陷同属于一个大的重力低值区（图 2a）。地震资料显示，上述凹陷均为受太行山东断裂带控制形成的西断东超的箕状断陷，结构特征基本相似（图 2b）。区内古近系厚度达6500m以上，其中沙四段—孔店组最厚可达4000m，为冀中坳陷沉积厚度最大的地区（图 3）。

图 2

图 2 冀中坳陷西部凹陷带剩余重力异常与凹陷结构剖面

图 3

图 3 冀中坳陷西部凹陷带沙四段—孔店组重力反演厚度图

保定凹陷发育北东向、北东东向、北西向三组断裂，以北东向为主。其中太行山东、高阳、黑龙口南、老河头西和老河头东等5条断裂控制了凹陷的基本地质结构。太行山东断裂为一级控凹断裂，也是冀中坳陷西部边界断裂；高阳断裂、黑龙口南断裂为控制保定凹陷东部边界和北部边界的二级断裂；老河头西断裂和老河头东断裂为凹陷内部的三级断裂，控制断槽带、断垒带的形成。受这些断裂控制，保定凹陷整体表现为不对称双断结构并具有明显的东西分带、南北分区的构造格局；自西而东表现为“垒堑相间”，其中央洼槽带表现为“两洼夹一隆”，自南而北依次为保南洼槽、清苑潜山披覆背斜和保北洼槽(图 1、图 4)。这种构造格局控制了保定凹陷孔店组—沙四段沉积期的沉积演化与沉积格局。

图 4

图 4 保定凹陷结构样式地震剖面（剖面位置见图 1）

据重力、地震和钻井资料分析，孔店组—沙四段沉积期保定凹陷北侧的黑龙口低凸起、容城凸起、牛驼镇凸起尚未形成，其与相邻的徐水凹陷及霸县凹陷相互连通，为同一汇水湖盆。

首先，重力资料显示保定凹陷与廊固凹陷、徐水凹陷及霸县凹陷淀北洼槽属同一重力低值区，区内沙四段—孔店组厚度普遍大于2500m，推测孔店组—沙四段沉积期该区可能为同一汇水湖盆（图 2a）。第二，地震资料显示，黑龙口构造带将保定凹陷与徐水凹陷分割成两个凹陷，但在该构造带上钻探的龙1井揭示了一套近1200m厚的沙四段—孔店组(其中暗色泥岩厚363.9m)，其与下伏潜山面呈平行不整合接触，这说明孔店组—沙四段沉积期黑龙口低凸起尚未隆升，两者为同一汇水湖盆（图 5a）。第三，在地震剖面上徐水凹陷、牛北斜坡的沙四段—孔店组剥蚀特征非常清晰，反映容城凸起和牛驼镇凸起形成于沙四段沉积之后，孔店组—沙四段沉积期徐水凹陷与霸县凹陷也应该是同一汇水湖盆（图 5b）。另外，从地震和钻井资料分析，保北洼槽—淀北洼槽沙四段—孔一段厚度基本相当，岩性均以灰色砂泥岩互层为主，推测该沉积期保北洼槽—淀北洼槽互相连通（图 5c）。由此推测，孔店组—沙四段沉积期保定凹陷的沉积环境应与相邻的徐水凹陷、霸县凹陷淀北洼槽，甚至同处西部凹陷带的廊固凹陷、晋县凹陷相近，发育有半深湖—深湖相沉积。龙1井、保深2井均在孔店组钻遇大套半深湖—深湖相暗色泥岩，也为上述观点提供了有力证据。

图 5

图 5 保定凹陷与邻区构造关系剖面（剖面位置见图 1）

据岩心、录井、地震资料综合分析，保定凹陷孔店组—沙四段为洪（冲）积—湖泊环境，主要发育洪（冲）积扇相、冲积平原相、扇三角洲相和湖泊相沉积（图 6、图 7）。洪（冲）积扇相岩性组合为大套的杂色砾岩、角砾石灰岩（白云岩）夹薄层红色泥岩；扇三角洲平原亚相岩性组合与洪（冲）积扇相岩性组合相近，为杂色角砾石灰岩（白云岩）、砾岩夹棕色、紫灰色泥岩，扇三角洲前缘亚相岩性组合为杂色角砾石灰岩（白云岩）、砾岩、砂砾岩、含砾砂岩与灰绿色、灰色泥岩不等厚互层（图 6）。湖泊相以滨浅湖亚相为主，半深湖—深湖亚相不发育。滨浅湖亚相岩性组合为块状棕红色、灰褐色、紫灰色泥岩、灰质泥岩夹粉砂质泥岩及灰色泥岩或块状灰色泥岩夹紫灰色、深灰色泥岩，单层厚度一般为5~20m；半深湖—深湖亚相岩性组合为块状灰色、深灰色泥岩、灰质泥岩夹灰色、灰褐色页岩、泥灰岩，反映水质偏咸的沉积环境特点，单层厚度一般为10~30m（图 6）。相带展布具明显的东西分带特征，洪（冲）积扇相、冲积平原相、扇三角洲相主要分布于凹陷西部陡带和东部地堑带，湖泊相主要分布于中央洼槽带（图 7）。

图 6

图 6 保定凹陷孔店组—沙四段沉积相剖面图

图 7

图 7 保定凹陷孔店组—沙四段沉积相平面展布图

据保深2、保深3等井样品实测数据分析，保定凹陷沙四段—孔店组烃源岩有机质丰度普遍较低，主要为差烃源岩，少量为中等烃源岩（表 1）。其中，有机碳含量大于0.5%的样品仅见于沙四段—孔一段。保深2井有4个样品有机碳含量大于0.5%，变化范围为0.5%~0.7%，均分布在孔一段4533~4722m深灰色泥岩发育段，约占该井段样品总数的14.8%。保深3井沙四段有4个样品有机碳含量大于0.5%，变化范围为1.13%~2.07%，平均为1.62%，集中分布于3336~3352m井段厚约16m的灰色泥岩发育段；孔一段有16个样品有机碳含量大于0.5%，变化范围为0.52%~1.0%，约占样品总数的18.6%，岩性主要为灰褐色泥岩。由此可见，保定凹陷烃源岩不发育，油气源条件较差。正是这一认识，长期制约着保定凹陷的油气勘探。

表 1

表 1 保定凹陷沙四段—孔店组烃源岩有机质丰度数据表 井号 井段/m 层位 有机碳/% 氯仿沥青“A”/% 生烃潜量/(mg·g-1) 综合评价 保深2井 4208~4533 沙四段 $ \frac{\begin{array}{*{35}{l}} 0.17\left( 19 \right) \\ \end{array}}{\begin{array}{*{35}{l}} 0.05\tilde{\ }0.36 \\ \end{array}} $ $ \frac{\begin{array}{*{35}{l}} 0.0448\left( 5 \right) \\ \end{array}}{\begin{array}{*{35}{l}} 0.013\tilde{\ }0.073 \\ \end{array}} $ $ \frac{\begin{array}{*{35}{l}} 0.04\left( 6 \right) \\ \end{array}}{\begin{array}{*{35}{l}} 0\tilde{\ }0.19 \\ \end{array}} $ 差—中等 4533~5203 孔一段 $ \frac{\begin{array}{*{35}{l}} 0.32\left( 49 \right) \\ \end{array}}{\begin{array}{*{35}{l}} 0.07\tilde{\ }0.7 \\ \end{array}} $ $ \frac{\begin{array}{*{35}{l}} 0.0215\left( 19 \right) \\ \end{array}}{\begin{array}{*{35}{l}} 0.0068\tilde{\ }0.068 \\ \end{array}} $ $ \frac{\begin{array}{*{35}{l}} 0.25\left( 14 \right) \\ \end{array}}{\begin{array}{*{35}{l}} 0.03\tilde{\ }1.31 \\ \end{array}} $ 差—中等 5203~5606 孔二段—孔三段 $ \frac{\begin{array}{*{35}{l}} 0.21\left( 9 \right) \\ \end{array}}{\begin{array}{*{35}{l}} 0.17\tilde{\ }0.24 \\ \end{array}} $ — $ \frac{\begin{array}{*{35}{l}} 0.04\left( 9 \right) \\ \end{array}}{\begin{array}{*{35}{l}} 0.01\tilde{\ }0.17 \\ \end{array}} $ 差 保深3井 2718~3401 沙四段 $ \frac{\begin{array}{*{35}{l}} 0.42\left( 30 \right) \\ \end{array}}{\begin{array}{*{35}{l}} 0.09\tilde{\ }2.07 \\ \end{array}} $ $ \frac{\begin{array}{*{35}{l}} 0.0143\left( 2 \right) \\ \end{array}}{\begin{array}{*{35}{l}} 0.0045\tilde{\ }0.024 \\ \end{array}} $ $ \frac{\begin{array}{*{35}{l}} 0.17\left( 7 \right) \\ \end{array}}{\begin{array}{*{35}{l}} 0.02\tilde{\ }0.36 \\ \end{array}} $ 差—中等 3401~3864 孔一段 $ \frac{\begin{array}{*{35}{l}} 0.35\left( 86 \right) \\ \end{array}}{\begin{array}{*{35}{l}} 0.06\tilde{\ }1.0 \\ \end{array}} $ $ \frac{\begin{array}{*{35}{l}} 0.0249\left( 18 \right) \\ \end{array}}{\begin{array}{*{35}{l}} 0.0054\tilde{\ }0.0524 \\ \end{array}} $ $ \frac{\begin{array}{*{35}{l}} 0.08\left( 26 \right) \\ \end{array}}{\begin{array}{*{35}{l}} 0.02\tilde{\ }0.22 \\ \end{array}} $ 差—中等 $ \text{表中数据:}\frac{\text{平均值}\left( \text{样品数} \right)}{\text{最小值 }\!\!\tilde{\ }\!\!\text{ 最大值}}。$

表 1 保定凹陷沙四段—孔店组烃源岩有机质丰度数据表

综合分析认为，上述仅以实验数据为依据得出的认识可能是不全面的。首先，保深2井、龙1井、清1井揭示保定凹陷中央洼槽带孔店组—沙四段沉积期发育3套由灰色、灰褐色、深灰色泥岩、灰质泥岩夹页岩、泥灰岩组成的咸化水介质条件下形成的特殊岩性组合，此类岩性组合在渤海湾盆地其他凹陷均已被证实为优质烃源岩^[21-22]；其次，中央洼槽带钻达孔店组下部的保深2井位于扇三角洲前缘相带，且断缺了大部分孔二段上部烃源岩，而保深3井处于东部断垒带，故这两口井不能全面反映保定凹陷沙四段—孔店组的烃源岩特征；第三，所分析样品以岩屑样品为主，每个样品的采样间隔为50m，其代表性值得商榷，同时所分析样品中未见灰质泥岩、泥灰岩类样品。

为此，本次引进ΔlogR测井烃源岩评价技术^[23-24]，对保定凹陷沙四段—孔店组烃源岩进行评价。评价结果表明，保定凹陷沙四段—孔店组发育沙四段—孔一段和孔二段—孔三段两套中等—好烃源岩，且厚度较大（图 8）。

图 8

图 8 保定凹陷单井烃源岩测井评价图

保定凹陷沙四段—孔一段有机碳含量最高为4%，平均为1%~2%，优质烃源岩(有机碳含量大于2%)厚度为10~49.5m，中等烃源岩（有机碳含量1%~2%）厚度为40~94m，差烃源岩（有机碳含量0.5%~1%）厚度为35~39m。3类烃源岩发育均具有自北而南逐渐变差的趋势，以北部龙1井最厚，优质烃源岩、中等烃源岩、差烃源岩厚度分别为49.5m、94m、39m，总厚度为192.5m；保深2井优质烃源岩、中等烃源岩、差烃源岩厚度分别为10m、46m、36m，总厚度为92m；清1井孔一段未钻穿，优质烃源岩、中等烃源岩、差烃源岩厚度分别为17m、51m、35m，总厚度为103m。

孔二段—孔三段以龙1井为代表，保深2井部分断缺。其有机碳含量最高为4%，平均为0.8%~1.6%。龙1井优质烃源岩、中等烃源岩、差烃源岩厚度分别为93.5m、42m、23m，总厚度为158.5m；保深2井优质烃源岩、中等烃源岩、差烃源岩厚度分别为11m、26m、20m，总厚度为57m。烃源岩发育也呈自北而南逐渐变差的趋势。

除中央洼槽带外，东部断垒带沙四段—孔一段也发育良好烃源岩，保深3井、高6井、高1井、高8井等优质烃源岩厚度为5~10m，各类烃源岩总厚度为15~85m。

以烃源岩测井评价为基础，结合沉积相研究成果，预测保定凹陷沙四段—孔店组优质烃源岩平面上主要分布于中央洼槽带和东部断垒带，具有分布面积较大、厚度相对较薄的特点（图 9）。其中沙四段—孔一段优质烃源岩厚度大于10m的分布面积约1470km²，孔二段—孔三段优质烃源岩厚度大于10m的分布面积约910km²，两套层系优质烃源岩厚度在保南洼槽、保北洼槽中心区均大于50m。

图 9

图 9 保定凹陷孔店组—沙四段优质烃源岩等厚图

在烃源岩评价基础上，利用Basims 6.0和Trinity两种盆地模拟技术^[25-26]，对保定凹陷沙四段—孔店组油气资源进行预测，其总生油量为25.37×10⁸t，总生气量为9008.00×10⁸m³，石油资源量(1.27~2.03)×10⁸t，天然气资源量为(270.24~333.29)×10⁸m³，油气资源较为丰富（表 2）。其中孔二段—孔三段烃源岩为主力源岩层，其生油量为17.48×10⁸t，石油资源量为(0.88~1.40)×10⁸t，约占总生油量的69%；生气量为7868.23×10⁸m³，天然气资源量为(236.05~291.12)×10⁸m³，约占总生气量的87%。

表 2

表 2 保定凹陷沙四段—孔店组盆地模拟油气资源量 层位 烃源岩类型 生油量/108t 石油地质资源量/108t 石油远景资源量/108t 生气量/108m3 天然气地质资源量/108m3 天然气远景资源量/108m3 沙四段—孔一段 优质 3.02 0.15 0.24 279.10 8.37 10.33 中等 4.07 0.20 0.33 268.78 8.06 9.94 差 0.80 0.04 0.06 591.89 17.76 21.90 合计 7.89 0.39 0.63 1139.77 34.19 42.17 孔二段—孔三段 优质 8.99 0.45 0.72 3651.29 109.54 135.10 中等 7.57 0.38 0.61 2956.32 88.69 109.38 差 0.92 0.05 0.07 1260.62 37.82 46.64 合计 17.48 0.88 1.40 7868.23 236.05 291.12 总计 25.37 1.27 2.03 9008.00 270.24 333.29

表 2 保定凹陷沙四段—孔店组盆地模拟油气资源量

盆地模拟油气资源量为各类有效烃源岩面积及其生烃强度的乘积。各类有效烃源岩不同厚度范围的面积由烃源岩测井评价结果来确定，生烃强度被定义为烃源岩在某成熟度点单位面积的生烃量，是烃源岩厚度、丰度、类型和热演化程度综合作用的结果，其数学模型为烃源层镜质组反射率、密度、总有机碳含量、有效烃源岩厚度、产烃率的乘积在该烃源层顶、底镜质组反射率范围内的积分。本次研究产烃率借用邻区饶阳凹陷沙三段同类烃源岩黄金管热模拟实验所得到的产烃率（图 10），烃源层顶、底镜质组反射率由保定凹陷热演化曲线确定，其他参数通过烃源岩样品实测或测井评价获得。

图 10

图 10 饶阳凹陷不同类型烃源岩产烃率与镜质组反射率(Ro)关系图

应用Trinity成藏模拟功能对油气在不同层系、不同圈闭的聚集量进行分析，基底潜山层系和孔店组油气聚集量约占总资源量的80%，这两套层系圈闭的油气聚集量约占圈闭总聚集量的85%，即基岩潜山和孔店组是保定凹陷的主要勘探领域。

前已述及，制约保定凹陷油气勘探的核心问题是其沙四段—孔店组烃源岩的发育状况及其生烃潜力。尽管烃源岩测井评价反映其发育优质烃源岩且蕴含较大资源潜力，但实际情况究竟如何仍需通过钻井加以证实。因此勘探“突破口”的选择应把握以下原则：① 能满足直接探查沙四段—孔店组烃源岩发育特征的需求；② 具有较大的预测资源规模，并可多目的层兼探，以保证突破后有良好的勘探效益；③ 具有较好的代表性，一旦成功可快速带动类似目标或相关领域的油气勘探；④ 除油源条件外，其他成藏要素应基本配套，尽可能减小勘探风险。

根据上述原则，通过有利区带综合评价，优选“洼中隆”清苑潜山披覆背斜构造为勘探突破口。该构造处于洼槽带中心部位——保南洼槽、保北洼槽之间的隆起区，是油气运聚的主要方向。在该构造部署探井不仅能达到直接探查烃源岩发育特征的目的，而且可以兼探潜山、沙四段—孔店组多目的层，有望实现勘探突破。

清苑潜山披覆背斜构造位于保定凹陷中部的保南、保北洼槽结合部，面积约200km²，呈北东向展布。该构造由清苑潜山与其上覆沙四段—孔店组塌陷背斜组成，发育潜山和孔一段断鼻两种有利圈闭（图 11）。勘探目的层系为蓟县系雾迷山组和古近系孔店组，浅层已钻探清1井（沙四下亚段完钻，见沥青碎屑及气测异常）。

图 11

图 11 清苑潜山披覆背斜构造预测油藏剖面图

清苑潜山是由太行山东断裂控制的二台阶潜山，整体表现为东抬西倾的断鼻形态，地层为中元古界蓟县系雾迷山组（Jxw）。研究表明，清苑潜山在古近系沉积之前已具雏形，沙三段沉积早期基本定型，具有“早形成、早埋藏、早定型”的特点，与排烃期（东营组沉积末期—馆陶组沉积期）配置关系较好。该潜山被孔二段、孔三段直接覆盖并侧向对接，雾迷山组白云岩为冀中坳陷良好的区域性产层^[27-28]，具备良好的生储盖组合条件，可形成“新生古储”型潜山油气藏；圈闭面积为30km²，幅度为400m，高点埋深为4800m，预测含油面积20km²、圈闭资源量5000×10⁴t。

潜山之上孔一段断鼻圈闭形成于沙三段沉积期，面积约25km²、幅度为250m，高点埋深为3900m，其生储盖运圈保条件良好，可形成下生上储或自生自储型油气藏，预测圈闭资源量450×10⁴t。

(1）保定凹陷与冀中坳陷西部凹陷带廊固、徐水、石家庄等凹陷同属受太行山东断裂带控制形成的西断东超的箕状断陷，成盆背景与结构特征基本相似，其沙四段—孔店组为冀中坳陷沉积厚度最大的地区，最厚可达4000m，是寻求新区新领域勘探突破的重要方向。

(2）保定凹陷整体表现为不对称双断结构，具有明显的东西分带、南北分区的构造格局。自西而东表现为“垒堑相间”，依次为西部陡带、中央洼槽带、东部断垒带和东部地堑带；中央洼槽带自北向南表现为“两洼夹一隆”，依次为保北洼槽、清苑潜山披覆背斜和保南洼槽。

(3）孔店组—沙四段沉积期保定凹陷与霸县凹陷、徐水凹陷相互连通，为同一汇水湖盆，发育大面积咸化半深湖—深湖相灰色、深灰色块状泥岩、灰质泥岩夹灰色、灰褐色薄层页岩、泥灰岩沉积，具备发育优质烃源岩的构造与沉积条件。

(4）有机地球化学—烃源岩测井综合评价，保定凹陷发育沙四段—孔一段、孔二段—孔三段两套有效烃源岩，洼槽区厚度为50~350m。其中优质烃源岩分布面积分别为1470km²和910km²，洼槽区厚度为10~140m。盆地模拟预测总生油量为25.37×10⁸t，总生气量为9008.00×10⁸m³，石油资源量为（1.27~2.03）×10⁸t，天然气资源量为（270.24~333.29)×10⁸m³，这些油气资源主要聚集于潜山层系和孔店组。

(5）位于洼槽结合部的“洼中隆”——清苑潜山披覆背斜构造为有利“勘探突破口”之一，若油气源充足，可形成“新生古储”型潜山油气藏和孔一段构造油气藏，预测圈闭资源量5450×10⁴t。一旦勘探突破，将带动冀中坳陷整个西部凹陷带的油气勘探，开拓油气勘探新局面；即使钻探失利，其对于正确认识保定凹陷油气成藏条件以及今后该凹陷的勘探部署决策也具有重大战略意义。