河北省页岩分布及页岩气前景

2019-02-15张新生于海成

中国煤炭地质 2019年1期

张新生，于海成，张华

(1.河北省煤田地质局，石家庄 050085； 2.河北省煤田地质勘查院，河北邢台 054000)

页岩气是一种非常规油气资源，是指主体位于暗色泥页岩、高碳泥页岩等岩石中以吸附和游离状态存在的天然气聚集，其生成之后就近聚集，是典型的原地成藏模式[1-3]，页岩气作为非常规天然气资源，其勘探和开发最早始于美国，目前在国内已经掀起了一番研究热潮[4-8]。河北省在漫长的地质历史时期中广泛发育黑色页岩岩系，中上元古界洪水庄组和下马岭组、石炭二叠系山西组和太原组、古近系孔店组和沙河街组中发育海相、海陆交互相、湖相暗色泥页岩，具有页岩气资源勘探前景，因此笔者认为其可作为一个值得关注的新区域。

1 地层特征

河北省域属于塔里木—华北大区华北地层分区，地层由老到新为：太古宙—早元古代、中元古代、晚元古代、寒武纪—奥陶纪、石炭纪—三叠纪、侏罗纪—白垩纪、新生代。

2 页岩气潜力泥页岩分布

经地层发育、岩性对比等分析，逐层筛选出以下潜力含气层段，主要有元古界下马岭组和洪水庄组，古生界山西组和太原组，及新生界孔店组和沙河街组等地层(表1)。

(1)洪水庄组。主要由黑色、黑绿色、绿色伊利石页岩组成，下部夹薄层白云岩，上部夹薄层砂岩，厚47～156m，与下伏雾迷山组、上覆铁岭组均为连续沉积[9]。洪水庄组有机质富集层段位于该组中、下部，厚度较大，岩性主要为硅质页岩，占总厚度的71.2%，其中，黑色页岩段以岩性均一、厚度较大、TOC(有机碳含量)值很高为主要特征[10]。洪水庄期在华北北部发育有两个沉积中心，分别位于蓟县—兴隆和宽城地区，沉积0～170m(图1)。

表1 河北省页岩主要层位地层层序简表Table 1 Simplified statement of main shale stratigraphic horizons in Hebei Province

(2)下马岭组。上元古界页岩地层以下马岭组为代表，该套地层发育了大套的页岩，仅中部夹部分砂岩。岩石组合以灰、灰绿色、紫红色、灰黑色粉砂质页岩或片状粉砂岩为主。属潮间至潮下带沉积环境，厚133～537m。下马岭组主要分布于燕山地区和太行山北段燕辽沉降带。以怀来、兴隆一带为沉积中心，其沉降、沉积中心在宣龙坳陷的怀来、下花园一带，怀来赵家山、下花园区一带最厚可达500多m。以此为中心，向东至宽城、向南至天津-保定一线逐渐减薄至尖灭(图2)。

(3)太原组-山西组。河北省南部区域处于太行山构造带以及渤海湾盆地的大地构造背景，主要赋存石炭—二叠纪煤系[11](图3)。以太行山山前断裂为界，断裂西侧的太行山东麓煤系沿断裂零星分布；而断裂东侧的冀东南沉降带则由于沉积巨厚的新生界覆盖层而使得煤系赋存通常较深。北部区域主要处于燕山构造带的控制范围，燕山南麓诸煤田主要赋存石炭—二叠纪含煤地层，地层分布较零星。

河北境内，石炭—二叠系太原组—山西组主要分布在冀中坳陷、临清坳陷、黄骅坳陷内。地层普遍遭受不同程度的剥蚀，其空发育特征具有以下规律：

山西组残余厚度变化较大，最厚处位于天津以南一带，残余厚度在300m左右，自此向四周地区逐渐减小，但在各坳陷中的厚度变化不一，最薄处位于馆陶县西北一带，残余厚度约为30m。山西组的暗色泥岩厚度总体上呈现从北向南逐渐变薄的趋势，在临清坳陷沉积厚度最小，一般在40～60m之间，而在黄骅坳陷沉积厚度较大，在40～140m(图4)。

图1 燕山地区洪水庄组地层厚度等值线图Figure 1 Isogram of Hongshuizhuang Formation thickness in Yanshan area

图2 燕山地区下马岭组地层厚度等值线图Figure 2 Isogram of Xiamaling Formation thickness in Yanshan area

图3 河北省赋煤构造单元划分图Figure 3 Coal hosting structural element partitioning in Hebei Province

图4 山西组暗色泥岩厚度等值线图Figure 4 Isogram of Shanxi Formation dark mudstone thicknesses

太原组分布区域广泛，残余厚度最大处位于黄骅坳陷中段附近，可达269.0m。以此为中心，向四周逐渐减小变薄，并在周边坳陷内，以若干小凹陷堆积形式向四周呈放射状展布。

太原组的暗色泥岩总体与山西组相差不大，厚度走线多呈南北向，总体厚度大多在40～100m，黄骅坳陷和冀中坳陷一般60～100m(图5)。

(4)孔店组和沙河街组。主要分布于华北平原分区内，其中的古新统地层整体缺失，始新统的孔店组岩性以砂砾岩和膏泥岩为主，厚度10～1 000m。沙河街组三、四段富含页岩层和煤层段，沙四段岩性为泥岩夹粉砂岩、细砂岩、页岩，泥质白云岩、玄武岩等，厚度1 050～2 828m。沙三段岩性为泥岩、粉砂岩夹砂砾岩、油页岩，夹有薄煤层，厚度538～2 300m。

沙一段时期，黄骅坳陷存在多个独立的沉积—沉降中心，海域地区表现出多个东西展布的深沉降中心。陆上的歧北次凹和歧南次凹的沉降作用减弱(图6)。冀中坳陷分布范围广，但厚度小。暗色泥岩在中部饶阳凹陷最发育，是饶阳凹陷重要的页岩气源岩层，为一套由页岩、鲕灰岩、泥质白云岩、暗色泥岩组一般占地层厚度的50%以上。页岩厚度以任西—马西—肃宁洼槽最厚，一般在25m以上，厚度最大可达51m，蠡县斜坡北部页岩厚度在10～25m，南部几乎为缺失。

沙三段沉积时期，黄骅坳陷中、北区强烈活动的北东向沧东断层、港西断层、港东断层、南大港断层、茶淀断层和大神堂断层等控制了板桥次凹、歧北次凹、歧南次凹、歧口主凹和北塘次凹等多个次级沉积—沉降中心，这些次级凹陷的厚度等值线均表现为NE向延伸。冀中坳陷暗色泥岩厚度大，有机质丰度高，大都为正常淡水湖相沉积，是冀中坳陷主要生油气层段。整个冀中东部坳陷带内沙三段暗色泥岩都有发育，北厚南薄(图7)。北部廊固凹陷暗色泥岩最厚，厚度可达2 400m以上，主要集中在沙三中、下亚段，泥岩连续厚度大，砂岩夹层少，较深湖相发育；霸县凹陷夹多层页岩和炭质泥岩；饶阳、深县—束鹿凹陷暗色泥岩与砂岩互层，以浅湖相沉积为主，厚度一般在500～600m。

孔店组暗色泥岩以黄骅坳陷孔店凸起以南(孔南地区)页岩气源岩以孔二段最为典型，面积约4 700km2，孔南地区孔二段富有机质泥页岩主要分布在深凹区的深湖相-半深湖相，平面上主要集中在风化店-段六拔-王官屯一带。岩性主要为黑色页岩、深灰色泥岩、油页岩、粉砂岩及泥灰岩等，其中泥页岩累计厚度最高可达400m，部分井段纯页岩厚度达70～80m。冀中坳陷孔店-沙四段暗色泥岩主要分布在廊固、霸县、晋县凹陷及饶阳凹陷南部，北厚南薄。北部廊固凹陷厚度最大，最厚可达2 000m；孔店组上部含膏，沙四段中上部夹砂砾岩和火山喷发岩；南部晋县凹陷北部是一套含膏盐岩、碳酸盐岩的盐湖相沉积，暗色泥岩最厚可达600m；中部广大地区暗色泥岩不发育，厚度只有几十米厚至一、二百米(图8)。

图5 太原组暗色泥岩厚度等值线图Figure 5 Isogram of Taiyuan Formation dark mudstone thicknesses

图6 沙一段暗色泥岩厚度等值线图Figure 6 Isogram of dark mudstone thicknesses in Shahejie Formation first member

图7 沙三段暗色泥岩厚度等值线图Figure 7 Isogram of dark mudstone thicknesses in Shahejie Formation third member

图8 孔店-沙四段暗色泥岩厚度等值线图Figure 8 Isogram of dark mudstone thicknesses in Kongdian Formation and Shahejie Formation fourth member

3 有机地化特征

通过相关有机地球化学分析测试数据分析和统计：洪水庄组有机质类型为Ⅱ型，以Ⅱ1型为主；有机碳含量较高，最大值达到8.51%，TOC大于1.0%的占到53.6%，TOC大于2.0%的占到36.4%；等效镜质体反射率在1.2%～1.8%，处于高成熟干气阶段。下马岭组有机质类型以Ⅰ型为主，部分为Ⅱ1型；可作为页岩气烃源岩的下马岭组三段以黑色泥页岩为主，有机质含量较高，TOC大于1.0%的占68%，大于2.0%的占47.3%，最大值高达10.9%；等效镜质体反射率在0.6%～2.0%，主体位于1.2%～2.0%，处于高成熟干气阶段。

石炭—二叠系含煤地层中煤是最主要的气源岩，煤和煤系泥页岩有机碳含量较高，太原组和山西组泥页岩总体上为好—较好的烃源岩。太原组有机质类型为Ⅲ型；有机质含量介于1.0%～5.0%，处于成熟阶段，山西组有机质类型以Ⅲ和Ⅱ型为主；有机碳含量为1.0%～5.0%，处于成熟阶段。

古近系孔店组、沙河街组由于沉积相的控制，非均质性较强，各坳陷内有机质类型不尽相同，总体上以Ⅰ、Ⅱ型为主，部分也为Ⅲ型。黄骅坳陷、冀中坳陷总体上为Ⅱ、Ⅲ型为主；临清坳陷以Ⅰ、Ⅱ型为主。各坳陷内有机碳含量差别较大，孔店组和沙河街组泥页岩成熟度较低变化也较大，不同坳陷内的成熟度不同，随着埋深的增加成熟度也增大，但总体上处于未成熟或者低成熟阶段。