张家口-怀来非常规天然气区块构造稳定性评价

于海成，张 华

（河北省煤田地质勘查院，河北邢台 054000）

0 引言

非常规天然气区块优选主要按照勘探开发的目的要求，依据构造、沉积、地球化学、储层特征、含气量等参数特征进行筛选、比对，进而圈定有利区［1-2］。张家口-怀来非常规天然气区块位于河北省北部，行政隶属张家口市，非常规气源岩地化、储集空间、含气性等特征显示本区具有较好的资源前景［3-7］，因此构造稳定性对于优选非常规天然气有利区块具有非常重要的意义，对进一步评价区块的资源潜力，有重要的参考价值［8-11］。区块构造稳定性主要取决于断层分布及产状，采用断层分布以及产状分形分维评价法相结合方法，对构造稳定性进行定量评价，划分出构造稳定区块，可为张家口-怀来非常规天然气区块勘探开发提供地质依据。

1 地质背景

（1）地层特征

张家口-怀来区地层属华北地层大区内的燕山地层分区，有利区出露地层由老到新依次为蓟县系铁岭组（Jxt）、青白口系下马岭组（Qnx）、青白口系景儿峪组（Qnj）、寒武系（ϵ）、侏罗系下花园组（J1-2x）、侏罗系九龙山组（J2j）、侏罗系髫髻山组（J2t）、第四系（Q）。张家口-怀来区目标层位为下马岭组及下花园组泥页岩［12］（图1）。

图1 张家口-怀来区地质图Figure 1 Geological map of Zhangjiakou-Huailai area

（2）构造特征

张家口-怀来区大地构造位置处于中朝准地台（Ⅰ），燕山沉陷带（Ⅱ），冀西陷褶断束（Ⅲ）宣龙复向斜（Ⅳ），宣后向斜（Ⅴ）的中央部位。宣后向斜以其宽缓的褶皱和四周太古界及元古界地层大片出露为特征，并被其外围的大河南-大海坨断裂、水泉-洗马林断裂、黄羊山-鸡鸣山逆掩断层带和怀安-宣化断裂所围割（图2）［12］。上述四条大断裂（断层带）除黄羊山-鸡鸣山逆掩断层形成时代较晚（燕山运动早期）外，其他三条均在古生代之前既已存在，其中的怀安-宣化断裂早期曾为正断层，可能是聚煤盆地的盆缘断裂，控制了煤系的沉积。而大河南-大海陀和水泉-洗马林断裂则以平移为主，显示正断层性质，其活化时间可能是在燕山运动中晚期，对含煤地层的沉积影响相对较小。

图2 张家口-怀来有利区构造位置Figure 2 Structural location of Zhangjiakou-Huailai favorable area

除以上四条大断裂外，区周边发育的主要构造还有玉带山-烧坡里向斜，古城梁穹窿（短轴倾伏背斜）、定方水断层等。

（3）岩浆作用

区内岩浆岩极其发育，辉绿岩和正长斑岩以岩床、岩脉等形式侵入到侏罗系。深部普遍发育辉绿岩侵入体，厚度200～260 m，对下花园组煤层有不同程度的破坏。喷出岩以凝灰岩、安山岩、玄武岩为主，构成九龙山组和髫髻山组，覆于煤系之上。该岩床将煤系分隔成上下两部分，岩床上下均有10 mm 左右的蚀变带。除辉绿岩侵入到含煤地层中外，正长斑岩、安山岩和玄武岩等岩浆岩均侵入煤系上覆地层和基底，对下花园组含煤地层影响不大。由于辉绿岩侵入到煤系中，对区内烃源岩成熟度有重要影响［13］。

2 构造分区

张家口-怀来区由于受构造控制具有明显的“二相性”，即在盆地四周构造运动强烈、构造复杂，在盆地内部构造相对简单。因此按照构造复杂程度，将张家口-怀来区可以分为两类，即由断层控制的构造复杂区和相对变形较小的构造平缓区。

（1）构造复杂区

主要分布在鸡鸣山-玉带山构造带一线。该区域地表出露以蓟县系及青白口系为主，属逆冲推覆构造前缘，受构造影响明显，层内普遍发育小型褶皱、断层等构造现象。

（2）构造平缓区

主要在鸡鸣山-玉带山断裂北侧，主体由侏罗系组成，该区域被周围深大断裂切割，区域内部受力较小，在宣东矿区地层多呈单斜产出，断层多以中小型断层为主，断距较小，基本未切穿下部下花园组地层，构造保存较为理想。另外区块内段家堡煤田预查区和观音堂一带大部分位于碾子沟向斜核部，整体上属于构造平缓区。

3 稳定性评价

本次采用断层分布以及产状分形分维评价法相结合对构造稳定性进行评价。

（1）断层分布

本次构造稳定性块段应满足以下三个原则。

1）与区块内长度大于等于3km 的断层（主要断裂）的距离大于0.5km（主要防止断裂使游离气大量散失）。

2）与区内主要河流，水库的距离大于0.5km（防止由于压裂或断层使水体遭受污染）。

3）稳定块段面积大于等于20km2（考虑每个有利区内若采用水平井开发，现阶段水平井段平均长约2km，一平台多口水平井，需要保证一定的开发面积）。

按照上述原则，对张家口-怀来区块进行构造稳定性遴选和评价，张家口-怀来区块可分为数个区块（图3）。

图3 张家口-怀来区块构造稳定块段图Figure 3 Block diagram of structural stability of Zhangjiakou-Huailai area

（2）产状分形分维

考虑到岩层产状的影响，结合区块野外调查所测地质点的产状，绘制出区块地层倾角等值线图，利用分形分维方法，对张家口-怀来区稳定性进行评价。

为获取每个网格中的倾角分维值和倾角复杂性指数，把倾角数据都进行归一化处理，归到一个统一的区间，如［1，10］区间［14-16］。

归一化公式：

依据上述公式，各倾角值所对应分维值见表1。

表1 倾角所对应分维值Table 1 Fractal dimension value of dip angle

通过野外记录点倾角值，利用上式，可以得到中心点的网格分维数值。然后利用surfer 绘制分维值等值线，得到张家口-怀来区的倾角复杂程度分维等值线图（图4）。

图4 张家口-怀来页岩气区块倾角复杂程度分维等值线Figure 4 Fractal isogram of inclination complexity of Zhangjiakou-Huailai area

（3）构造稳定块段优选

本次构造稳定性综合评价结合构造稳定块段及产状分维值双重标准进行，其中地层倾角根据《煤、泥炭地质勘查规范》（DZ/T0215—2002）中倾角划分（分为＜25°、25°～45°、＞45°）标准，选择25°作为分界，即选取分维值5作为稳定区界限值（分维值小于等于5的区域为稳定区），两者相互叠合得到张家口-怀来综合稳定块段①～④（图5）。

图5 张家口-怀来区综合稳定块段分布Figure 5 Integrated stable block distribution of Zhangjiakou-Huailai area

图中共可划分出四个稳定区，①号块段面积66.38km2；②号块段面积23.78km2；③号块段面积12.92km2；④号块段面积44.50km2。

①号块段位于区北西区域，该块段地层主要为单斜构造，地层倾角较为平缓，分形维数小于5，产状在5°～15°部分区域小于5°产状较为理想，由中部向南东部角度平缓增加；该块段南部受洋河控制，区域边界沿河流形态延伸，控制区域边界与断层平行。

②号块段位于评价区南西部位，该块段位于单斜地层区域，侏罗系产状平缓，边界地层倾角约在15°左右，受鸡鸣山黄羊山大型断裂以及洋河的控制。由于块段范围较小且钻井数据较少，需要进一步勘探。

③号块段四周受断层控制，区域较小，受断层影响该块段地层倾角较大，东侧大部分大于25°，不宜进一步工作。

④号块段位于评价区北东部分，由于定方水一武家庄一线可能存在隐伏断层，排除断层影响该块段边界沿定方水-武家庄延伸，南东则受褶皱控制分形维数大于5，大部分地层倾角在30°以上，东部边界沿褶皱核部延伸。

结合暗色泥岩厚度等值线、埋深等值线，对张家口-怀来区进行优选，最终圈定两处勘查有利优选区。①号优选区位于下花园北西方向，响水铺与张家庄一带；②号优选区位于定方水与段家堡之间背斜区域（图6）。

图6 下花园组与下马岭组勘查有利选区Figure 6 Favourable constituency of Xiahuayuan Formation and Xiamaling Formation

4 结论

按照构造复杂程度，将张家口-怀来区分为由断层控制的构造复杂区和相对变形较小的构造平缓区。采用断层分布以及产状分形分维相结合的方法评价构造稳定性，共划分出四个稳定区，结合源岩空间展布规律，综合优选有利区，为张家口-怀来非常规天然气区块勘探开发提供一定的地质依据。