河北省大城- 文安區(qū)頁(yè)巖氣地質(zhì)條件分析

張健雅

（河北省煤田地質(zhì)勘查院，河北 邢臺(tái) 054000）

1 地質(zhì)條件

大城- 文安區(qū)地層屬華北地層大區(qū)內(nèi)的華北平原分區(qū)，地層發(fā)育較全，古老基底為太古界、中上元古界，煤系基底為寒武—奧陶系，含煤地層屬晚古生代石炭—二疊紀(jì)含煤建造，上覆地層為中生界和新生界。

研究區(qū)內(nèi)成巖地層均被新生界地層所覆蓋，地層發(fā)育自老到新包括奧陶系（峰峰組）、石炭系（本溪組、部分太原組）、二疊系（部分太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組）、古近系、新近系、第四系。

2 沉積相特征

研究區(qū)沉積特征屬華北板塊晚古生代沉積特征，總體沉積相特征為海陸過(guò)渡相—陸相。太原組發(fā)育為陸表海沉積，主要包括障壁—瀉湖沉積、潮坪沉積、碳酸鹽巖臺(tái)地沉積，受繼承古地形和海侵的控制，主要發(fā)育瀉湖、潮坪相，僅在研究區(qū)東南部出現(xiàn)障壁島相（圖1）。山西組沉積相特征為過(guò)渡相沉積，主要為河控淺水三角洲沉積，主要發(fā)育泛濫盆地、分流間灣，在研究區(qū)東北部可見(jiàn)分流河道相（圖2）。

圖1 太原組沉積相圖Fig.1 Sedimentary facies of Taiyuan Formation

圖2 山西組沉積相圖Fig.2 Sedimentary facies of Shanxi Formation

3 蓋層地質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)下石盒子組- 石千峰組地層可作為該區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的蓋層。據(jù)統(tǒng)計(jì)新生界底界埋深為1 200～3 200 m，沉積厚度由東南向西北逐漸增大，最大深度（厚度） 達(dá)3 723.5 m，文安地區(qū)附近在2 400 m 左右。山西組頂界埋深在1 600～4 000 m，自東南向西北深度逐漸加大，最大深度在蘇4 孔附近，達(dá)到4 120 m，文安附近埋深在2 600 m 左右。區(qū)內(nèi)蓋層厚度普遍大于300 m，在南部臥佛堂附近較薄，中部厚度較大，向西北方向再次變薄，最大厚度在蘇7 孔- 葛8 孔一帶，蓋層厚度最大達(dá)668.0 m，文安附近蓋層厚度約為450 m。

適當(dāng)?shù)穆裆詈蜕w層厚度對(duì)頁(yè)巖氣氣藏的保存起到關(guān)鍵作用。研究區(qū)內(nèi)目的層埋深符合《頁(yè)巖氣資源/儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》 （DZ/T0254-2014），2 500～4 500 m、蓋層厚度＞300 m，處于頁(yè)巖氣保存條件較好的范圍之內(nèi)。

圖3 蓋層厚度等值線圖Fig.3 Contour map of cap thickness

4 目的層厚度特征分析

研究區(qū)構(gòu)造總體為一單斜構(gòu)造，煤系基底埋深整體上呈東邊淺西邊深、南邊淺北部深的特點(diǎn)，總體埋藏深度在1 800～4 400 m。

4.1 泥巖厚度特征

山西組地層泥巖厚度總體是南部薄北部厚，存在兩個(gè)最大高值中心，一是在蘇4 孔附近，泥巖總厚度最大達(dá)119.0 m；二是在文6 孔附近，最大厚度為66.5 m。在文安縣城附近，山西組地層泥巖厚度約為30 m，如圖4 所示。

太原組地層泥巖總厚度分布規(guī)律為，研究區(qū)內(nèi)泥巖累計(jì)厚度大部分大于50 m，在中部及南部略薄。區(qū)內(nèi)存在2 個(gè)高值中心，一是在葛5 孔，泥巖最大厚度達(dá)83 m；另一個(gè)高值中心在文6 孔附近，最大厚度達(dá)89.5 m。在文安縣城附近，太原組泥巖累計(jì)厚度超過(guò)60 m，如圖5 所示。

4.2 泥巖+煤層總厚度特征

區(qū)內(nèi)煤層+泥巖總厚度均大于70 m，存在兩個(gè)高值中心，一個(gè)位于信安鎮(zhèn)蘇4 孔附近，最大值達(dá)202 m；另一個(gè)高值中心位于文6 孔，最大值達(dá)176.5 m，由高值中心向周圍逐漸變薄。最小值位于研究區(qū)南部臥佛堂普查區(qū)南部，泥巖+煤層總厚度為80.11 m，在文安縣城附近泥巖+煤層總厚度約為120 m，如圖6 所示。

圖4 山西組地層泥巖厚度等值線圖Fig.4 Contour map of mudstone thickness in Shanxi Formation

據(jù)《頁(yè)巖氣資源/儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》，暗色泥頁(yè)巖累計(jì)厚度大于50 m，為頁(yè)巖氣有利成藏因素之一。

圖6 山西組+ 太原組地層泥巖+ 煤層總厚度等值線圖Fig.6 Contour map of total thickness of mudstone+coal seam in Shanxi Formation+Taiyuan Formation

5 有機(jī)地化特征

5.1 有機(jī)質(zhì)類型

圖5 太原組地層泥巖厚度等值線圖Fig.5 Contour map of mudstone thickness in Taiyuan Formation

在地質(zhì)演化過(guò)程中，顯微組分不同，對(duì)生烴的貢獻(xiàn)程度也不相同。不同地層暗色泥巖的有機(jī)顯微組分鏡下鑒定發(fā)現(xiàn)其有機(jī)質(zhì)顯微組分間存在較明顯的差異。太原組地層暗色泥巖中鏡質(zhì)組含量在43.0%～90.0%，平均為67.7%；惰質(zhì)組含量為15.0%～56.0%，平均為31.0%；殼質(zhì)組含量在0～15.0%，平均為0.5%。山西組地層暗色泥巖中鏡質(zhì)組含量為30.8%～82.4%，平均62.2%；惰質(zhì)組含量為14.0%～69.2%，平均為34.0%；殼質(zhì)組含量在0～18.2%，平均為3.2%；藻類組含量為0～0.8%，平均為0.6%。通常鏡質(zhì)組含量最高，惰質(zhì)組次之，殼質(zhì)組含量最低。

熱解分析表明，山西組暗色泥巖有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅲ和Ⅱ型，太原組暗色泥巖有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型，如圖7 所示。太原組和山西組地層有機(jī)相分布顯示，太原組暗色泥巖由南向北呈帶狀分布，北部以淺沼森林相為主，南部逐漸由深沼蘆葦相過(guò)渡為流水沼澤相；山西組暗色泥巖有機(jī)相由南向北呈環(huán)帶狀布，北部以陸地森林相為主，南部逐漸由淺沼森林相過(guò)渡為深沼蘆葦相。

5.2 有機(jī)質(zhì)豐度

據(jù)美國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，頁(yè)巖富含有機(jī)質(zhì)，有機(jī)碳含量一般＞2%，甚至可以高達(dá)25%，有機(jī)質(zhì)含量往往與頁(yè)巖的生氣率和吸附氣量成正比。

大城凸起內(nèi)，大2、大3、大5、大參1 井分析表明，位于凸起中心的大5 井頁(yè)巖氣源巖較厚，煤系泥巖TOC 大于2%，氯仿瀝青“A”質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.1%，生烴潛量為0.4～2.7 mg/g。

圖7 太原組- 山西組頁(yè)巖氣源巖有機(jī)質(zhì)類型分布Fig.7 Distribution of organic matter types in the shale gas source rocks of Taiyuan formation and Shanxi Formation

文安—蘇橋地區(qū)，暗色泥巖的有機(jī)碳平均含量為3.85%，炭質(zhì)泥巖為12.2%；暗色泥巖生烴潛力為5.36 mg/g，炭質(zhì)泥巖生烴潛力為17.66 mg/g；暗色泥巖的氯仿瀝青“A”為0.0358%，炭質(zhì)泥巖為0.2415%；暗色泥巖生烴量為119 mg/kg，炭質(zhì)泥巖為712 mg/kg。

文安斜坡地區(qū)，煤的有機(jī)碳含量在74.0%～96.0%，炭質(zhì)泥巖有機(jī)碳含量<30%～10%，暗色泥巖的有機(jī)碳含量為<10%。煤中TOC 平均為54.53%，暗色泥巖TOC 加權(quán)平均含量為4.18%。

武清凹陷內(nèi)石炭—二疊系保存完整，暗色泥巖平均TOC 大于2%，見(jiàn)表1。楊村斜坡蘇50 井石炭系暗色泥巖有機(jī)炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為2.15%。

暗色泥巖TOC 等值線顯示，太原組暗色泥巖TOC 呈帶狀分布，研究區(qū)范圍內(nèi)TOC 均大于2.0%。區(qū)最大值位于中部文安附近，TOC 值大于4.0%，如圖8 所示。山西組暗色泥巖TOC 由西南向東北呈帶狀分布，整體趨勢(shì)太原組相似，全區(qū)TOC 值均大于2.0%，但山西組整體略小于太原組，高值區(qū)分布在文安附近，可達(dá)3.5%，如圖9 所示。

表1 煤系頁(yè)巖氣源巖有機(jī)質(zhì)豐度數(shù)據(jù)Table 1 Organic matter abundance data of coal measure shale gas source rock

圖8 太原組TOC等值線圖Fig.8 TOC contour map of Taiyuan Group

圖9 山西組TOC等值線圖Fig.9 TOC contour map of Shanxi Group

5.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及煤巖Ro 測(cè)試結(jié)果、埋深資料以及成熟度值，繪制烴源巖Ro 與埋深關(guān)系圖及太原組、山西組Ro 等值線圖，如圖10～圖12 所示。研究區(qū)內(nèi)Ro 值全均在0.7%以上。太原組存在2 個(gè)高值中心，一個(gè)在霸州市東南部，Ro 大于1.0%；另一個(gè)在文安南部地區(qū)，Ro 大于0.7%。山西組與太原組類似，也存在2 個(gè)高值地區(qū)，一個(gè)在霸州市東南部地區(qū)，Ro 最大大于0.9%，另一個(gè)同樣在文安南部。研究區(qū)大部分地區(qū)烴源巖處在低成熟階段。

圖10 烴源巖Ro 與埋深關(guān)系Fig.10 Relationship between source rock Ro and burial depth

圖11 太原組Ro 等值線圖Fig.11 Ro contour map of Taiyuan Formation

6 結(jié) 語(yǔ)

大城文安區(qū)石炭二疊系山西組、太原組地層全區(qū)發(fā)育，區(qū)內(nèi)斷裂比較發(fā)育，規(guī)模不一，巖漿巖不甚發(fā)育。研究區(qū)石炭二疊系地層主要為潮坪、瀉湖相和泛濫盆地、分流間灣相沉積，蓋層厚度大，暗色泥巖厚度高值區(qū)主要位于區(qū)內(nèi)中西部及北部；整體埋深自東向西、自南向北逐漸加大，埋深在1 500～4 500 m。太原組有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型，TOC值平均為2.60%，Ro 在0.7%～1.0%，處于生氣的有利區(qū)間；山西組有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ、Ⅱ型為主，TOC 平均值為2.30%，Ro 在0.7%～0.9%，成熟度與太原組相近，處于生氣有利階段。大城文安區(qū)具備頁(yè)巖氣成藏的有利地質(zhì)條件。

圖12 山西組Ro 等值線圖Fig.12 Ro contour map of Shanxi Formation