路魏魏，高 亮，上官拴通，張國斌，田蘭蘭，李英英

(河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊，河北 邢臺 054000)

0 引言

頁巖氣是重要的非常規(guī)天然氣能源，是指從黑色泥頁巖或炭質(zhì)泥巖地層中開采出來的天然氣[1]。2011年，國土資源部開展了“全國頁巖氣資源潛力調(diào)查評價及有利區(qū)優(yōu)選”項目，評價河北省頁巖氣地質(zhì)資源潛力為1.39×1012m3，頁巖氣資源較為豐富[2]。為推動河北省頁巖氣的勘探開發(fā)，改善京津冀地區(qū)能源供給結(jié)構(gòu)，河北省煤田地質(zhì)局相繼組織開展了一系列頁巖氣基礎(chǔ)評價工作[3-5]，以元古界洪水莊組和下馬嶺組、古生界太原組和山西組、新生界孔店組和沙河街組等為主要目的層，對儲層物性特征及源巖有機地化特征進行了研究，進行區(qū)塊優(yōu)選和資源量遠景預(yù)測，并針對有利區(qū)開展頁巖氣選區(qū)精細(xì)評價和先期開發(fā)區(qū)域條件研究，為在全省范圍內(nèi)開展頁巖氣勘查工作奠定了基礎(chǔ)。整體來看，河北省頁巖氣勘查工作尚處于起步階段，現(xiàn)有研究成果多集中在平原區(qū)，對于冀北地區(qū)研究較少，而冀北承德地區(qū)發(fā)育的中生代陸相斷陷盆內(nèi)白堊系富有機質(zhì)泥頁巖沉積厚度大，具備頁巖氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)，可作為河北省頁巖氣勘查的重點目標(biāo)。

以冀北承德地區(qū)鳳山盆地以往鉆井資料和相關(guān)測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，重點分析了白堊系九佛堂組頁巖氣成藏的地質(zhì)條件，初步探討了鳳山盆地頁巖氣成藏潛力。

1 鳳山盆地概況

鳳山盆地位于河北省承德市豐寧縣境內(nèi)，東西長約15km，南北寬約10km，面積約為150km2[6]。與冀北地區(qū)中生代斷陷盆地類似，鳳山盆地構(gòu)造演化大致經(jīng)歷了4個階段：擠壓撓曲盆地發(fā)育階段(三疊紀(jì)一早侏羅世)、類前陸盆地發(fā)育階段(中晚侏羅世)、斷陷盆地發(fā)育階段(晚侏羅世一早白堊世)和裂谷盆地發(fā)育階段(晚白堊世)[7]。

鳳山盆地發(fā)育的地層自老而新主要為：太古界變質(zhì)巖、中生界侏羅系、白堊系及新生界第四系(表1)，其中白堊系九佛堂組沉積有富有機質(zhì)頁巖，多口鉆井見油氣顯示，具備頁巖氣勘查的潛力。

表1 鳳山盆地地層特征

2 鳳山盆地頁巖氣地質(zhì)條件

2.1 構(gòu)造特征

鳳山盆地整體表現(xiàn)為一傾向北西的單斜構(gòu)造，傾角20°～30°，北部邊緣有控盆構(gòu)造—白石砬正斷層，斷層走向近于東西，南傾，傾角約65°。西部邊緣第四系直接不整合于太古界變質(zhì)基底之上，推測為一條近南北走向的正斷層導(dǎo)致，盆地內(nèi)巖漿活動較微弱，僅在西北有一巖漿巖巖盆侵入于底部礫巖中，由石英斑巖、流紋巖、安山巖組成?？傮w來看，盆地褶皺及斷裂較為不發(fā)育(圖1)，構(gòu)造較為簡單。

1.全新統(tǒng)；2.上更新統(tǒng)；3.白堊系九佛堂組；4.白堊系大北溝組；5.白堊系張家口組；6.侏羅系土城子組；7.太古界紅旗營子巖群；8.燕山旋回花崗巖；9.海西旋回閃長巖；10.呂梁旋回閃長巖；11.五臺旋回斑狀混合巖；12.地質(zhì)剖面線；13.正斷層；14.逆斷層；15.地質(zhì)界線圖1 鳳山盆地地質(zhì)簡圖Figure 1 Geological sketch map of Fengshan Basin

2.2 沉積特征

鳳山盆地早白堊世主要發(fā)育張家口組、大北溝組和九佛堂組。關(guān)于鳳山盆地沉積演化的研究顯示[6,8]，在張家口組火山巖噴發(fā)后，進入斷陷階段，接受上覆地層碎屑巖沉積。大北溝組沉積早期，受火山活動影響仍形成火山碎屑巖，晚期受盆地邊界斷層控制，沉積了分布不廣的河流相砂礫巖和淺湖相泥巖。九佛堂組沉積時期，受邊緣斷層活動的影響，盆地迅速下降，盆地內(nèi)匯入了大量的水，在盆地西部和北部發(fā)育沖積扇和扇三角洲相，并在盆地中心形成深水湖泊的細(xì)粒沉積物，在沉積同時生物大量繁殖，其中以藻類為主，死亡后沉積到湖底。到晚期地殼上升，湖盆開始萎縮，區(qū)域上大規(guī)模的湖泊沉積作用趨于停止。盆地周緣地層遭受剝蝕，形成了沖積扇礫巖、砂礫巖。隨后上覆堆積物隔絕了外部的氧氣，使湖盆內(nèi)生物遺骸在缺氧還原的環(huán)境下，受到各類厭氧細(xì)菌的作用生成腐泥質(zhì)，有機質(zhì)發(fā)生還原和分解作用，生成干酪根，從而具備了頁巖氣沉積的成藏背景。

2.3 頁巖層系的展布特征及厚度變化

鳳山盆地頁巖層系主要賦存于白堊系九佛堂組，砂質(zhì)頁巖與暗色泥頁巖共生。以往油頁巖勘查施工中按其巖石表觀特征將九佛堂組劃分為七個層位(圖2和圖3)，自下而上分別為底部礫巖層(K1j1)、下部砂頁巖層(K1j2)、下部油頁巖層(K1j3)、中部砂頁巖層(K1j4)、上部油頁巖層(K1j5)、上部砂頁巖層(K1j6)和頂部礫巖層(K1j7)，鉆探揭露上部油頁巖層、中部砂頁巖層和下部油頁巖層后出現(xiàn)涌氣，是尋找頁巖氣藏的有利儲層。

圖2 鳳山盆地九佛堂組柱狀示意圖Figure 2 A schematic column of Jiufotang Formationin Fengshan Basin

以往油頁巖勘查中，有18口井揭露九佛堂組底部礫巖層， 但均未鉆穿。 基于上述鉆井資料繪制了九佛堂組下部砂頁巖層(K1j2)底界埋深等值線圖(圖4)和頁巖層系(K1j2-6)厚度等值線圖(圖5)。從平面上可以看出，鳳山盆地九佛堂組頁巖層系底界埋深0～1 300m，自南東向北西逐漸變深；頁巖層系厚度0～1 000m，變化趨勢與展布特征基本一致。因全區(qū)尚未開展過專門頁巖氣勘查工作，故對富有機質(zhì)頁巖層段賦存分布情況尚不清楚，但從K1j3+5(上部油頁巖層+下部油頁巖層)厚度等值線圖(圖6)可以看出，盆地內(nèi)暗色頁巖發(fā)育，厚度為0～350m，滿足頁巖氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)。

1.第四系；2.白堊系九佛堂組；3.白堊系大北溝組；4.白堊系張家口組；5.侏羅系土城子組；6.太古界紅旗營子巖群；7.五臺旋回斑狀混合巖；8.以往鉆孔及孔深；9.整合地層界線；10.平行不整合地層界線；11.角度不整合地層界線；12.斷層圖3 A-A′ 地質(zhì)剖面圖Figure 3 A-A′ geological section

1.鉆孔及K1j2底界埋深/m；2.九佛堂組露頭； 3.九佛堂組隱伏露頭；4.斷層；5.K1j2底界埋深等值線圖4 鳳山盆地K1j2底界埋深等值線圖Figure 4 Isogram of K1j2 bottom buried depths in Fengshan Basin

1.鉆孔及K1j2-6地層厚度/m； 2.斷層；3.K1j2-6厚度等值線；4.K1j2-6厚度零點線圖5 鳳山盆地K1j2-6厚度等值線圖Figure 5 Isopach map of K1j2-6 in Fengshan Basin

1.鉆孔及K1j3+5地層厚度/m； 2.斷層；3.K1j3+5厚度等值線；4.K1j3+5厚度零點線圖6 鳳山盆地K1j3+5厚度等值線圖Figure 6 Isopach map of K1j3+5 in Fengshan Basin

2.4 地化特征

2.4.1 有機碳含量(TOC)

有機碳含量(TOC)決定了頁巖的生烴能力和儲集空間的大小，并與頁巖的吸附能力存在著良好的正相關(guān)性，對富有機質(zhì)頁巖的含氣量起著決定性作用[9-10]。鳳山盆地Z1井九佛堂組中部砂頁巖層和下部油頁巖層(深度265～465m)有機質(zhì)頁巖樣品(以下簡稱“Z1井樣品”)的測試結(jié)果顯示，有機碳含量1.7%～5.1%，平均為4.12%[11]，符合中國湖相頁巖氣有利層段/區(qū)TOC大于1.0%的標(biāo)準(zhǔn)[12]。

2.4.2 有機質(zhì)成熟度(Ro)和類型

頁巖氣幾乎覆蓋了所有有機成因的生氣類型，包括生物氣、熱解氣、低熟-未熟氣、原油裂解氣以及瀝青生氣等，這表明頁巖氣的形成對有機質(zhì)成熟度的要求并不是十分嚴(yán)格，頁巖的成熟度很高(Ro>2.0%)或者很低(Ro<1.0%)均可以形成具商業(yè)開發(fā)規(guī)模的頁巖氣藏[13-14]。北美產(chǎn)氣頁巖成熟度Ro為0.4%～4.0%，也表明有機質(zhì)向烴類轉(zhuǎn)換的整個過程都可以形成頁巖氣[15]。Z1井樣品測試結(jié)果顯示，有機質(zhì)成熟度0.51%～0.71%，平均為0.62%，有機質(zhì)類型以Ⅱ型為主，少量Ⅰ型和Ⅲ型[11]，處于低成熟演化階段，可以形成以生物成因氣為主的頁巖氣藏。

2.5 頁巖的儲集空間及礦物特征

富有機質(zhì)頁巖總含氣量隨著孔隙度的增加而增大，二者具有明顯的線性關(guān)系[16]。Z1井樣品測試資料顯示[11]，下部油頁巖層孔隙度0.03%～2.4%，平均為0.7%，中部砂頁巖層孔隙度4.1%～12.8%，平均為9.6%，與規(guī)范[12]中基本要求>2%相比，下部油頁巖層儲集能力偏低，中部砂頁巖層儲集能力較好。鳳山盆地九佛堂組頁巖層系整體表現(xiàn)為泥頁巖、油頁巖、砂質(zhì)頁巖互層，其中砂質(zhì)頁巖層可為頁巖氣提供充足的儲集空間；此外，頁巖礦物組分顯示脆性礦物含量(石英、長石、碳酸鹽巖、黃鐵礦等)>50%，巖石脆性礦物含量高，在壓裂作用下易形成天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫，從而有利于頁巖氣的開采[17]。

2.6 頁巖層系含氣顯示

以往油頁巖勘查過程中，鳳山盆地白堊系九佛堂組具有良好的含氣顯示，氣體可燃呈黃色火焰，見于盆地大部分鉆孔。資料顯示C4井鉆至孔深375m出現(xiàn)涌氣現(xiàn)象，涌氣量約193.51m3/d，C10井鉆至孔深480m出現(xiàn)涌氣現(xiàn)象，涌氣量約150.51m3/d[18]，兩井氣體甲烷含量均大于80%(表2)。從深度上和層位上看，兩井所揭露應(yīng)為不同氣層。

表2 鳳山盆地涌氣鉆孔氣體成分

2018年4月，基于鳳山幅、太平莊幅1∶5萬區(qū)調(diào)資料，筆者及同事對鳳山盆地進行了野外調(diào)查，了解盆地內(nèi)主要地層特征，重點觀察了白堊系九佛堂組露頭巖性、產(chǎn)狀等，露頭新鮮面巖性以暗色泥頁巖、砂頁巖為主，沉積厚度大(圖7)。調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)1口油頁巖勘查遺留鉆井，未封井原因不詳，村民介紹該井自60年代至今一直自流，并伴隨大量氣泡，未曾間斷，氣體具有可燃性，現(xiàn)場點火成功(圖8)，這也為盆地存在一定的頁巖氣潛力提供了直接證據(jù)。

圖7 鳳山盆地白堊系九佛堂組露頭Figure 7 Jiufotang outcrop in Cretaceous system from Mountain Feng basin

(a)大量氣泡涌出 (b)氣體成功點火圖8 調(diào)查發(fā)現(xiàn)鉆井現(xiàn)場Figure 8 drilling site of the survey

3 鳳山盆地頁巖氣成藏潛力探討

中國東部陸相斷陷盆地頁巖氣成藏具有儲層總厚度大、TOC含量高、有機質(zhì)成熟度適中3項有利條件和橫向厚度變化大、儲集能力偏低和儲層可改造性偏差3項不利條件[19]。與之相比，鳳山盆地頁巖氣地質(zhì)條件具有自身獨特的特征，通過分析現(xiàn)有資料，認(rèn)為鳳山盆地頁巖氣成藏具有面積偏小和埋深較淺的不利因素，但也具有頁巖層系總厚度大特點，具有形成頁巖氣藏的物質(zhì)基礎(chǔ)，鳳山盆地褶皺及斷裂均不發(fā)育，推測其保存條件較好，盆內(nèi)九佛堂組上覆第四系覆蓋層厚度雖小，但其上部砂頁巖層厚度較大，砂質(zhì)頁巖與泥頁巖互層，頻繁交替的致密泥質(zhì)巖可作為良好的蓋層。另外，鉆井良好的含氣顯示及遺留老井的連續(xù)涌氣等直接證據(jù)，推斷該盆地內(nèi)九佛堂組存在一定的頁巖氣勘探潛力，但目前盆內(nèi)尚未開展過專門頁巖氣勘查工作，建議針對全區(qū)開展頁巖氣調(diào)查評價工作，重點了解富有機質(zhì)頁巖地化指標(biāo)、物性參數(shù)、礦物組成和含氣性的平面展布特征及縱向變化特征，進一步落實該區(qū)頁巖氣的勘探潛力。

4 結(jié)論與討論

①鳳山盆地富有機質(zhì)頁巖主要發(fā)育在白堊系九佛堂組中部，以湖相沉積為主，具備頁巖氣形成的地質(zhì)背景。

②盆內(nèi)尚未開展過專門頁巖氣勘查工作，但已有資料證實九佛堂組頁巖層系總厚度大，且暗色頁巖發(fā)育，厚度為0～350m，具有形成頁巖氣藏的物質(zhì)基礎(chǔ)，良好的含氣顯示提供了直接證據(jù)。

③目前，河北省頁巖氣勘查研究工作剛剛起步，尚未取得突破性進展，冀北承德地區(qū)中生代斷陷盆地沉積環(huán)境多與鳳山盆地類似，白堊系富有機質(zhì)頁巖沉積厚度大，且在大閣盆地和圍場清泉盆地油頁巖鉆孔亦有涌氣顯示，可將該頁巖層系作為頁巖氣勘查突破的新方向。