河北省大城- 文安區頁巖氣地質條件分析

張健雅

（河北省煤田地質勘查院，河北 邢臺 054000）

1 地質條件

大城- 文安區地層屬華北地層大區內的華北平原分區，地層發育較全，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—二疊紀含煤建造，上覆地層為中生界和新生界。

研究區內成巖地層均被新生界地層所覆蓋，地層發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渡相—陸相。太原組發育為陸表海沉積，主要包括障壁—瀉湖沉積、潮坪沉積、碳酸鹽巖臺地沉積，受繼承古地形和海侵的控制，主要發育瀉湖、潮坪相，僅在研究區東南部出現障壁島相（圖1）。山西組沉積相特征為過渡相沉積，主要為河控淺水三角洲沉積，主要發育泛濫盆地、分流間灣，在研究區東北部可見分流河道相（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 蓋層地質特征

區內下石盒子組- 石千峰組地層可作為該區頁巖氣儲層的蓋層。據統計新生界底界埋深為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3 723.5 m，文安地區附近在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，達到4 120 m，文安附近埋深在2 600 m 左右。區內蓋層厚度普遍大于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668.0 m，文安附近蓋層厚度約為450 m。

適當的埋深和蓋層厚度對頁巖氣氣藏的保存起到關鍵作用。研究區內目的層埋深符合《頁巖氣資源/儲量計算與評價技術規范》 （DZ/T0254-2014），2 500～4 500 m、蓋層厚度＞300 m，處于頁巖氣保存條件較好的范圍之內。

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

研究區構造總體為一單斜構造，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，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，存在兩個最大高值中心，一是在蘇4 孔附近，泥巖總厚度最大達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律為，研究區內泥巖累計厚度大部分大于50 m，在中部及南部略薄。區內存在2 個高值中心，一是在葛5 孔，泥巖最大厚度達83 m；另一個高值中心在文6 孔附近，最大厚度達89.5 m。在文安縣城附近，太原組泥巖累計厚度超過60 m，如圖5 所示。

4.2 泥巖+煤層總厚度特征

區內煤層+泥巖總厚度均大于70 m，存在兩個高值中心，一個位于信安鎮蘇4 孔附近，最大值達202 m；另一個高值中心位于文6 孔，最大值達176.5 m，由高值中心向周圍逐漸變薄。最小值位于研究區南部臥佛堂普查區南部，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《頁巖氣資源/儲量計算與評價技術規范》，暗色泥頁巖累計厚度大于50 m，為頁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 有機地化特征

5.1 有機質類型

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

在地質演化過程中，顯微組分不同，對生烴的貢獻程度也不相同。不同地層暗色泥巖的有機顯微組分鏡下鑒定發現其有機質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組含量在43.0%～90.0%，平均為67.7%；惰質組含量為15.0%～56.0%，平均為31.0%；殼質組含量在0～15.0%，平均為0.5%。山西組地層暗色泥巖中鏡質組含量為30.8%～82.4%，平均62.2%；惰質組含量為14.0%～69.2%，平均為34.0%；殼質組含量在0～18.2%，平均為3.2%；藻類組含量為0～0.8%，平均為0.6%。通常鏡質組含量最高，惰質組次之，殼質組含量最低。

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

5.2 有機質豐度

據美國頁巖氣勘探開發經驗，頁巖富含有機質，有機碳含量一般＞2%，甚至可以高達25%，有機質含量往往與頁巖的生氣率和吸附氣量成正比。

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

圖7 太原組- 山西組頁巖氣源巖有機質類型分布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，暗色泥巖的有機碳平均含量為3.85%，炭質泥巖為12.2%；暗色泥巖生烴潛力為5.36 mg/g，炭質泥巖生烴潛力為17.66 mg/g；暗色泥巖的氯仿瀝青“A”為0.0358%，炭質泥巖為0.2415%；暗色泥巖生烴量為119 mg/kg，炭質泥巖為712 mg/kg。

文安斜坡地區，煤的有機碳含量在74.0%～96.0%，炭質泥巖有機碳含量<30%～10%，暗色泥巖的有機碳含量為<10%。煤中TOC 平均為54.53%，暗色泥巖TOC 加權平均含量為4.18%。

武清凹陷內石炭—二疊系保存完整，暗色泥巖平均TOC 大于2%，見表1。楊村斜坡蘇50 井石炭系暗色泥巖有機炭質量分數平均為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，研究區范圍內TOC 均大于2.0%。區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，整體趨勢太原組相似，全區TOC 值均大于2.0%，但山西組整體略小于太原組，高值區分布在文安附近，可達3.5%，如圖9 所示。

表1 煤系頁巖氣源巖有機質豐度數據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 有機質成熟度

根據數據統計及煤巖Ro 測試結果、埋深資料以及成熟度值，繪制烴源巖Ro 與埋深關系圖及太原組、山西組Ro 等值線圖，如圖10～圖12 所示。研究區內Ro 值全均在0.7%以上。太原組存在2 個高值中心，一個在霸州市東南部，Ro 大于1.0%；另一個在文安南部地區，Ro 大于0.7%。山西組與太原組類似，也存在2 個高值地區，一個在霸州市東南部地區，Ro 最大大于0.9%，另一個同樣在文安南部。研究區大部分地區烴源巖處在低成熟階段。

圖10 烴源巖Ro 與埋深關系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 語

大城文安區石炭二疊系山西組、太原組地層全區發育，區內斷裂比較發育，規模不一，巖漿巖不甚發育。研究區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主要位于區內中西部及北部；整體埋深自東向西、自南向北逐漸加大，埋深在1 500～4 500 m。太原組有機質類型為Ⅲ型，TOC值平均為2.60%，Ro 在0.7%～1.0%，處于生氣的有利區間；山西組有機質類型以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。大城文安區具備頁巖氣成藏的有利地質條件。

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