河北省大城- 文安区页岩气地质条件分析

张健雅

（河北省煤田地质勘查院，河北 邢台 054000）

1 地质条件

大城- 文安区地层属华北地层大区内的华北平原分区，地层发育较全，古老基底为太古界、中上元古界，煤系基底为寒武—奥陶系，含煤地层属晚古生代石炭—二叠纪含煤建造，上覆地层为中生界和新生界。

研究区内成岩地层均被新生界地层所覆盖，地层发育自老到新包括奥陶系（峰峰组）、石炭系（本溪组、部分太原组）、二叠系（部分太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组）、古近系、新近系、第四系。

2 沉积相特征

研究区沉积特征属华北板块晚古生代沉积特征，总体沉积相特征为海陆过渡相—陆相。太原组发育为陆表海沉积，主要包括障壁—泻湖沉积、潮坪沉积、碳酸盐岩台地沉积，受继承古地形和海侵的控制，主要发育泻湖、潮坪相，仅在研究区东南部出现障壁岛相（图1）。山西组沉积相特征为过渡相沉积，主要为河控浅水三角洲沉积，主要发育泛滥盆地、分流间湾，在研究区东北部可见分流河道相（图2）。

图1 太原组沉积相图Fig.1 Sedimentary facies of Taiyuan Formation

图2 山西组沉积相图Fig.2 Sedimentary facies of Shanxi Formation

3 盖层地质特征

区内下石盒子组- 石千峰组地层可作为该区页岩气储层的盖层。据统计新生界底界埋深为1 200～3 200 m，沉积厚度由东南向西北逐渐增大，最大深度（厚度） 达3 723.5 m，文安地区附近在2 400 m 左右。山西组顶界埋深在1 600～4 000 m，自东南向西北深度逐渐加大，最大深度在苏4 孔附近，达到4 120 m，文安附近埋深在2 600 m 左右。区内盖层厚度普遍大于300 m，在南部卧佛堂附近较薄，中部厚度较大，向西北方向再次变薄，最大厚度在苏7 孔- 葛8 孔一带，盖层厚度最大达668.0 m，文安附近盖层厚度约为450 m。

适当的埋深和盖层厚度对页岩气气藏的保存起到关键作用。研究区内目的层埋深符合《页岩气资源/储量计算与评价技术规范》 （DZ/T0254-2014），2 500～4 500 m、盖层厚度＞300 m，处于页岩气保存条件较好的范围之内。

图3 盖层厚度等值线图Fig.3 Contour map of cap thickness

4 目的层厚度特征分析

研究区构造总体为一单斜构造，煤系基底埋深整体上呈东边浅西边深、南边浅北部深的特点，总体埋藏深度在1 800～4 400 m。

4.1 泥岩厚度特征

山西组地层泥岩厚度总体是南部薄北部厚，存在两个最大高值中心，一是在苏4 孔附近，泥岩总厚度最大达119.0 m；二是在文6 孔附近，最大厚度为66.5 m。在文安县城附近，山西组地层泥岩厚度约为30 m，如图4 所示。

太原组地层泥岩总厚度分布规律为，研究区内泥岩累计厚度大部分大于50 m，在中部及南部略薄。区内存在2 个高值中心，一是在葛5 孔，泥岩最大厚度达83 m；另一个高值中心在文6 孔附近，最大厚度达89.5 m。在文安县城附近，太原组泥岩累计厚度超过60 m，如图5 所示。

4.2 泥岩+煤层总厚度特征

区内煤层+泥岩总厚度均大于70 m，存在两个高值中心，一个位于信安镇苏4 孔附近，最大值达202 m；另一个高值中心位于文6 孔，最大值达176.5 m，由高值中心向周围逐渐变薄。最小值位于研究区南部卧佛堂普查区南部，泥岩+煤层总厚度为80.11 m，在文安县城附近泥岩+煤层总厚度约为120 m，如图6 所示。

图4 山西组地层泥岩厚度等值线图Fig.4 Contour map of mudstone thickness in Shanxi Formation

据《页岩气资源/储量计算与评价技术规范》，暗色泥页岩累计厚度大于50 m，为页岩气有利成藏因素之一。

图6 山西组+ 太原组地层泥岩+ 煤层总厚度等值线图Fig.6 Contour map of total thickness of mudstone+coal seam in Shanxi Formation+Taiyuan Formation

5 有机地化特征

5.1 有机质类型

图5 太原组地层泥岩厚度等值线图Fig.5 Contour map of mudstone thickness in Taiyuan Formation

在地质演化过程中，显微组分不同，对生烃的贡献程度也不相同。不同地层暗色泥岩的有机显微组分镜下鉴定发现其有机质显微组分间存在较明显的差异。太原组地层暗色泥岩中镜质组含量在43.0%～90.0%，平均为67.7%；惰质组含量为15.0%～56.0%，平均为31.0%；壳质组含量在0～15.0%，平均为0.5%。山西组地层暗色泥岩中镜质组含量为30.8%～82.4%，平均62.2%；惰质组含量为14.0%～69.2%，平均为34.0%；壳质组含量在0～18.2%，平均为3.2%；藻类组含量为0～0.8%，平均为0.6%。通常镜质组含量最高，惰质组次之，壳质组含量最低。

热解分析表明，山西组暗色泥岩有机质类型主要为Ⅲ和Ⅱ型，太原组暗色泥岩有机质类型为Ⅲ型，如图7 所示。太原组和山西组地层有机相分布显示，太原组暗色泥岩由南向北呈带状分布，北部以浅沼森林相为主，南部逐渐由深沼芦苇相过渡为流水沼泽相；山西组暗色泥岩有机相由南向北呈环带状布，北部以陆地森林相为主，南部逐渐由浅沼森林相过渡为深沼芦苇相。

5.2 有机质丰度

据美国页岩气勘探开发经验，页岩富含有机质，有机碳含量一般＞2%，甚至可以高达25%，有机质含量往往与页岩的生气率和吸附气量成正比。

大城凸起内，大2、大3、大5、大参1 井分析表明，位于凸起中心的大5 井页岩气源岩较厚，煤系泥岩TOC 大于2%，氯仿沥青“A”质量分数约为0.1%，生烃潜量为0.4～2.7 mg/g。

图7 太原组- 山西组页岩气源岩有机质类型分布Fig.7 Distribution of organic matter types in the shale gas source rocks of Taiyuan formation and Shanxi Formation

文安—苏桥地区，暗色泥岩的有机碳平均含量为3.85%，炭质泥岩为12.2%；暗色泥岩生烃潜力为5.36 mg/g，炭质泥岩生烃潜力为17.66 mg/g；暗色泥岩的氯仿沥青“A”为0.0358%，炭质泥岩为0.2415%；暗色泥岩生烃量为119 mg/kg，炭质泥岩为712 mg/kg。

文安斜坡地区，煤的有机碳含量在74.0%～96.0%，炭质泥岩有机碳含量<30%～10%，暗色泥岩的有机碳含量为<10%。煤中TOC 平均为54.53%，暗色泥岩TOC 加权平均含量为4.18%。

武清凹陷内石炭—二叠系保存完整，暗色泥岩平均TOC 大于2%，见表1。杨村斜坡苏50 井石炭系暗色泥岩有机炭质量分数平均为2.15%。

暗色泥岩TOC 等值线显示，太原组暗色泥岩TOC 呈带状分布，研究区范围内TOC 均大于2.0%。区最大值位于中部文安附近，TOC 值大于4.0%，如图8 所示。山西组暗色泥岩TOC 由西南向东北呈带状分布，整体趋势太原组相似，全区TOC 值均大于2.0%，但山西组整体略小于太原组，高值区分布在文安附近，可达3.5%，如图9 所示。

表1 煤系页岩气源岩有机质丰度数据Table 1 Organic matter abundance data of coal measure shale gas source rock

图8 太原组TOC等值线图Fig.8 TOC contour map of Taiyuan Group

图9 山西组TOC等值线图Fig.9 TOC contour map of Shanxi Group

5.3 有机质成熟度

根据数据统计及煤岩Ro 测试结果、埋深资料以及成熟度值，绘制烃源岩Ro 与埋深关系图及太原组、山西组Ro 等值线图，如图10～图12 所示。研究区内Ro 值全均在0.7%以上。太原组存在2 个高值中心，一个在霸州市东南部，Ro 大于1.0%；另一个在文安南部地区，Ro 大于0.7%。山西组与太原组类似，也存在2 个高值地区，一个在霸州市东南部地区，Ro 最大大于0.9%，另一个同样在文安南部。研究区大部分地区烃源岩处在低成熟阶段。

图10 烃源岩Ro 与埋深关系Fig.10 Relationship between source rock Ro and burial depth

图11 太原组Ro 等值线图Fig.11 Ro contour map of Taiyuan Formation

6 结 语

大城文安区石炭二叠系山西组、太原组地层全区发育，区内断裂比较发育，规模不一，岩浆岩不甚发育。研究区石炭二叠系地层主要为潮坪、泻湖相和泛滥盆地、分流间湾相沉积，盖层厚度大，暗色泥岩厚度高值区主要位于区内中西部及北部；整体埋深自东向西、自南向北逐渐加大，埋深在1 500～4 500 m。太原组有机质类型为Ⅲ型，TOC值平均为2.60%，Ro 在0.7%～1.0%，处于生气的有利区间；山西组有机质类型以Ⅲ、Ⅱ型为主，TOC 平均值为2.30%，Ro 在0.7%～0.9%，成熟度与太原组相近，处于生气有利阶段。大城文安区具备页岩气成藏的有利地质条件。

图12 山西组Ro 等值线图Fig.12 Ro contour map of Shanxi Formation