该阶段主要有两部分工作，一是进行综合水文地质调查，二是查明含油气盆地内油气的浅层地球化学效应。
查明自流水盆地区域水文地质条件，是一项综合性很强的石油-水文地质调查工作，其主要任务是在油气勘探程度较低的地区(盆地)；通过野外水文地质基础调查，对地下水的分布与形成获得初步认识，为盆地区域含油气远景评价、油气勘探与开发以及工业、生活等各类供水提供必要的水文地质资料。主要调查内容包括以下几方面。
1.地形地貌条件调查
自流水盆地具有特殊的地形地貌景观，即周边为山地环绕，中部为低平的平原，地形高差相差悬殊。山区水资源比较丰富，主要来源于冰雪融化和大气降水，并以地表水的形式，在山前或断裂破碎带补给地下水，向盆地内部汇集。从四周山麓到盆地中心，水动力和水化学成分具有典型的分带现象。从宏观上讲，地形地貌条件控制着盆地内地下水的补给、形成、流量、动态及水化学成分的演变。在自然条件下，地下水流系统的形态，主要同地形和地质构造有关。地形地貌调查的主要内容有：
查明区域总地形地貌的景观、成因类型、地貌形态的变化规律；新构造运动的地貌标志与特征；同地形地貌有关的近代地质作用及其性质(滑坡、泥石流、潜蚀、侵蚀切割、逆源侵蚀、沼泽化、喀斯特化等现象)。在上述调查基础上，编制自流水盆地的地貌图，图件除表示出地貌成因类型、分布外，还要标出地形分水岭和风化(残积)带的范围及其具体位置——地下水体的约束边界、集水面积、自流水盆地边界等。
以柴达木盆地的实例，说明地形地貌条件与水文地质条件的关系(图1-15)。该盆地是青藏高原东北部一个大型封闭的内陆盆地，南边为昆仑山脉，东北部为祁连山脉，西北部为阿尔金山脉。这些山脉的海拔在3500～5500m之间。而盆地内部高程一般为2600～3000m，具有西北高、东南低的特点。盆地周边高山的冰雪在夏季融化后，是盆地内地表水和地下水的丰富补给源。盆地内部气候干旱，多风少雨，一般年降水量为50～150mm，有的地区不足20mm。而且蒸发很强烈，年蒸发度在2000～3000mm之间。因此，在盆地内部大气降水对地下水的形成没有实际意义。
图1-15 柴达木盆地水文地质剖面图
柴达木盆地为一大型中、新生代陆相沉积盆地，第三系是油气的主要勘探目的层，储集层岩性主要为砂质岩，缝洞比较发育，分布有丰富的地下水。第四系晚更新统天然气伴有浅层承压水。
由于中新生代时期的构造运动，使整个盆地被分割成许多次一级的小盆地，每个小盆地都有各自独立的汇水流域。因此，由四周山区流入盆地的地表水系没有形成单一的汇水中心，而是形成许多湖泊，这些湖泊洼地都是地表水和地下水的汇水中心，也是盆地地下水的循环基准面。
盆地四周山区的水资源是丰富的，来源于冰雪融化水和降水，在巨大的地形高差促使下，以河流形式注入盆地，在山前大量的补给地下水。季节性的河流在出山口5～10km的地段上就消耗尽了。据统计，河流流经山前平原时，渗漏损耗量占总径流量的29%～70%，甚至达100%。
总之，柴达木盆地从四周山麓向盆地中心，在水动力循环和水化学特征上，都具有典型的分带现象。
2.石油地质结构调查
按一定比例尺的精度进行地质-水文地质填图。在山区地层出露区，查明地层时代、分布范围、岩石性质与结构，特别注意砂岩、泥岩层及比例与相互配置关系，识别可能的油气生、储、盖层或含水层；查明不同时代的接触关系、侵入岩与围岩的接触特征、火成岩与变质岩的发育程度；了解构造特征——断层、褶皱、裂隙的发育程度、时代、性质、延伸方向、大小规模及破碎的范围、充填胶结物情况。在盆内部平原区，主要依据井、试坑等手段，了解第四系沉积物岩性、厚度等。要重视和借助于地球物理技术手段与资料，调查有关地质、水文地质问题。
提交自流水盆地范围内的地质图(基岩地质与第四纪地质图)，还要在图上表示出地形与地质两个要素之间的关系。
3.水文地质调查
应用水文地质测绘、水文地质勘探、水文地质试验及水文地质长期观测等方法，查明区域地下水的分布与形成、水动力条件、水化学成分变化规律及其与油气地质相关联的水文地质问题。
水文地质测绘以地面调查为主，一般从山区开始，然后再推向山前与平原。调查内容包括：地质、地貌、第四纪地质、地下水露头、地表水体、物理地质现象乃至植物等。
水文地质勘探是借助于试坑、探井、钻探、硐探等勘探手段，查明深部含水层的数目、岩性、厚度、富水性能、水位、化学成分等。
水文地质试验包括室内试验和野外试验两部分。前者主要是分析测试地下水化学成分、岩石水理性质与颗粒成分、岩石孔隙度与渗透率、岩溶试验等；后者则有抽水、压水、注水、渗水、地下水流向与流速测定等。通过上述试验，对地下水的水质与水量进行定量的判断。
水文地质长期观测，由于地下水是活动易变的流体，需要选择有代表性和能说明问题的水文地质点或剖面进行长期观测，借以了解和掌握地下水的动态变化规律，进行地下水均衡的研究。
除上述方法外，还经常应用地球物理方法，如电法(电测井、电测深等)，研究地下水的埋藏深度、厚度、含水层之间的相互补给关系及补给量、地下水的流速与流向等。
通过上述调查对地下水本身以及与地下水活动有关的各种自然现象进行综合研究。在地层岩性方面，要掌握不同时代岩层的含水性能、岩层的胶结情况、裂隙发育程度、喀斯特发育程度、泉的涌水量、井的水量、隔水层；在侵入岩的分布区，尽量划分出岩相上有差别的各带(如粗粒或细粒的花岗岩、斑状花岗岩等)，并分别确定各个带的富水性；对于大片变质岩发育的地区，尽量按其岩性、变质程度、年代等圈出不同的层次，并确定其富水性。
地质构造对地下水的埋藏条件有很大的影响，除了解裂隙对富水性的控制外，要通过多种方法确定断层的导水性能(有无泉水出露、渗水与漏水现象、充填物情况等)，对侵入岩与围岩的接触带、岩脉与围岩的接触关系要了解其是否导水性等。
在水文方面，要查明地表水与地下水的关系，对地下水的天然露头——泉水及有代表性民用井(水位、水量、水质和水温等)进行调查。
最后，编制水文地质图，在图上要表示出地形、地质及地下水三个要素之间的相互关系，表示出地下水的性质与有关参数(地下水位、涌水量、埋藏深度、化学成分、水温等)；还要包括：基岩地质(年代、岩性、产状、构造)，第四纪地质(年代、岩性、成因类型)、岩石富水性能(隔水层、含水层、富水程度)、地貌(成因、类型)、地下水特征(埋深、水位、流向、流速、化学成分等)、控制点(代表井、泉、钻孔、涌水量、成分、水位等)、水文地质分区、水文地质剖面等。
利用上述区域水文地质调查取得的资料，根据水动力场与水化学成分特征，结合地球物理成果，可为盆地早期含油气远景预测评价提供水文地质依据(图1-16)。例如合肥盆地舒城凹陷油气勘探程度很低，区域水文地质调查结果认为，本区有一定的含油气远景，指出油气聚集最有利区集中在东部的花岗、千人桥、三河镇一带，是本区油气勘探的突破口，水文地质成果起到先导作用，引起勘查家的关注。
图1-16 舒城凹陷含油气远景预测图
油气浅层地球化学效应是含油气盆地中一种独具风貌的现象。石油与天然气是流动性很强的液体矿床，其化学成分决定了它的不稳定性和易挥发的特点。在温度、压力等不均衡因素的控制下，油气水始终保持着自下而上的垂向微运移的势态。因此，在近地表形成与油有关的地球化学形迹。
在区域水文地质调查中，按照一定的网度(线距与点距)采集有代表性的水样(民用井或泉水)，通过检测与油气组分有成因联系的直接指标、反映水文地球化学场特征的环境(间接)指标以及能确认地下水来源的成因指标，进行综合研究，不仅在已知油田上方获得清晰和高强度的浅层地球化学效应，而且为油气勘探部署提供了依据和方向。
图1-17是松辽盆地南部红岗油田的浅层水化学效应，该油田是龙虎泡-红岗阶地南端的一个背斜带，背斜轴向NNE，西翼较陡，以断层与西部斜坡相接，东翼较缓。具有多套油气层和埋藏浅的特点(主要生产层的埋藏深度为1200m)，其上分布有明水组气藏，埋深400m。地形自西向东倾斜，地下水沿地形倾斜方向流动。选择相对比较稳定的全新统下部含水层为主要研究对象，含水层岩性为粉细砂岩。按普查阶段的网度采取水样，各种水化学组分的浓度分布如表1-2所示。
图1-17 红岗油田浅层水化学效应
1—含油构造；2—断层；3—可溶气态烃三次趋势面(μL/L)；4—矿化度四次趋势面剩余异常值大于500mg/L的点
主要水化学指标在油田上方及其周边较高，叠合程度好。在宏观上，浅层效应的形态与含油构造极为相似。可溶气态烃的甲烷碳同位素比较重，在-42‰左右，说明浅层水化学效应的形成与油气藏有成因上的联系。
表1-2 红岗油田内外水化学成分对比表
注：分子-最小值；分母-最大值。
泌阳凹陷的油田浅层水化学效应，在全区呈现有规律的分布，从图1-18中看出：除在下二门、安棚、双河及王集四个已知油田上出现较强的水化学效应外，在其他12个地区存在着与已知油田类似的浅层效应，说明本区有良好的油气勘探开发潜力。其中北部斜坡带，浅层水化学效应比较集中。该带是继承性的沉积构造复合带。古近系各组段地层在斜坡带均有沉积，地层从凹陷内向外部边缘(斜坡)逐渐收敛减薄，但无明显的超覆现象，说明该斜坡是一个边沉积边抬起的继承性斜坡。后期构造运动使该斜坡进一步抬升，成为油气运移的指向。砂体发育给油气藏的形成提供了良好的储集条件。断裂发育形成了较多的鼻状构造，它们控制着油气的富集。古近纪末期形成的区域不整合面及新近纪广泛发育的泥岩是良好的盖层，并为油气保存提供了良好的地质条件。众多浅层水化学效应的出现，是上述油气地质特征的映照，说明北部斜坡是油气富集和勘探的有利地带。根据区域水文地球化学调查所提供的油气信息，并结合地震-地质成果，选择了有利的区块进行钻探，结果在4号、5号、9号、10-12号等浅层水化学效应区，均获得工业油流，相继建成了新庄、杨楼、付湾、古城及井楼等油田。
图1-18 泌阳凹陷浅层水化学效应
注：书中仅涉及一个非法定单位——当量浓度，它等于法定单位离子的摩尔浓度(mol/L)与其离子价的乘积。例如摩尔浓度为0.02mol/L的钙离子溶液，其当量浓度应为0.04克当量/L(eq/L)。在水文地质(包括油田水文地质)研究中，一般用的当量浓度单位是毫克当量/L(meq/L)，它和eq/L之间的转换关系是1 eq/L=1000meq/L。水中常量组分阳离子的当量浓度之和应等于阴离子的当量浓度之和。另外，国内外油田水化学成分的许多分类，都建立在“等当量”化合的基础上，因此，当量浓度在油田水文地质中广泛应用，在短期内不可能停用，故本书仍继续使用。
在我国西部半干旱、干旱水文地质区的诸多含油气盆地的浅层水化学效应也比较发育，如柴达木盆地、准噶尔盆地；在地形切割较深、黄土覆盖厚、梁、峁、塬发育的鄂尔多斯盆地，同样出现较强的油田浅层水化学效应。浅层地下水中甲烷平均含量高达149.13μL/L，普遍含有乙烷及其以上的组分。甲烷碳同位素大部分属于石油伴生气或过成熟气的范畴，而属于近代生化成因气的只占11%左右(表1-3)，说明浅层水化学效应的形成，具有深部成因的特征。
表1-3 可溶气态烃甲烷碳同位素分布 单位：‰