張新生，于海成，張 華

(1.河北省煤田地質(zhì)局，石家莊 050085； 2.河北省煤田地質(zhì)勘查院，河北 邢臺(tái) 054000)

頁(yè)巖氣是一種非常規(guī)油氣資源，是指主體位于暗色泥頁(yè)巖、高碳泥頁(yè)巖等巖石中以吸附和游離狀態(tài)存在的天然氣聚集，其生成之后就近聚集，是典型的原地成藏模式[1-3]，頁(yè)巖氣作為非常規(guī)天然氣資源，其勘探和開(kāi)發(fā)最早始于美國(guó)，目前在國(guó)內(nèi)已經(jīng)掀起了一番研究熱潮[4-8]。河北省在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期中廣泛發(fā)育黑色頁(yè)巖巖系，中上元古界洪水莊組和下馬嶺組、石炭二疊系山西組和太原組、古近系孔店組和沙河街組中發(fā)育海相、海陸交互相、湖相暗色泥頁(yè)巖，具有頁(yè)巖氣資源勘探前景，因此筆者認(rèn)為其可作為一個(gè)值得關(guān)注的新區(qū)域。

1 地層特征

河北省域?qū)儆谒锬尽A北大區(qū)華北地層分區(qū)，地層由老到新為：太古宙—早元古代、中元古代、晚元古代、寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)、石炭紀(jì)—三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)、新生代。

2 頁(yè)巖氣潛力泥頁(yè)巖分布

經(jīng)地層發(fā)育、巖性對(duì)比等分析，逐層篩選出以下潛力含氣層段，主要有元古界下馬嶺組和洪水莊組，古生界山西組和太原組，及新生界孔店組和沙河街組等地層(表1)。

(1)洪水莊組。主要由黑色、黑綠色、綠色伊利石頁(yè)巖組成，下部夾薄層白云巖，上部夾薄層砂巖，厚47～156m，與下伏霧迷山組、上覆鐵嶺組均為連續(xù)沉積[9]。洪水莊組有機(jī)質(zhì)富集層段位于該組中、下部，厚度較大，巖性主要為硅質(zhì)頁(yè)巖，占總厚度的71.2%，其中，黑色頁(yè)巖段以巖性均一、厚度較大、TOC(有機(jī)碳含量)值很高為主要特征[10]。洪水莊期在華北北部發(fā)育有兩個(gè)沉積中心，分別位于薊縣—興隆和寬城地區(qū)，沉積0～170m(圖1)。

表1 河北省頁(yè)巖主要層位地層層序簡(jiǎn)表Table 1 Simplified statement of main shale stratigraphic horizons in Hebei Province

(2)下馬嶺組。上元古界頁(yè)巖地層以下馬嶺組為代表，該套地層發(fā)育了大套的頁(yè)巖，僅中部夾部分砂巖。巖石組合以灰、灰綠色、紫紅色、 灰黑色粉砂質(zhì)頁(yè)巖或片狀粉砂巖為主。屬潮間至潮下帶沉積環(huán)境，厚133～537m。下馬嶺組主要分布于燕山地區(qū)和太行山北段燕遼沉降帶。以懷來(lái)、興隆一帶為沉積中心，其沉降、沉積中心在宣龍坳陷的懷來(lái)、下花園一帶，懷來(lái)趙家山、下花園區(qū)一帶最厚可達(dá)500多m。以此為中心，向東至寬城、向南至天津-保定一線逐漸減薄至尖滅(圖2)。

(3)太原組-山西組。河北省南部區(qū)域處于太行山構(gòu)造帶以及渤海灣盆地的大地構(gòu)造背景，主要賦存石炭—二疊紀(jì)煤系[11](圖3)。以太行山山前斷裂為界，斷裂西側(cè)的太行山東麓煤系沿?cái)嗔蚜阈欠植迹欢鴶嗔褨|側(cè)的冀東南沉降帶則由于沉積巨厚的新生界覆蓋層而使得煤系賦存通常較深。北部區(qū)域主要處于燕山構(gòu)造帶的控制范圍，燕山南麓諸煤田主要賦存石炭—二疊紀(jì)含煤地層，地層分布較零星。

河北境內(nèi)，石炭—二疊系太原組—山西組主要分布在冀中坳陷、臨清坳陷、黃驊坳陷內(nèi)。地層普遍遭受不同程度的剝蝕，其空發(fā)育特征具有以下規(guī)律：

山西組殘余厚度變化較大， 最厚處位于天津以南一帶，殘余厚度在300m左右，自此向四周地區(qū)逐漸減小，但在各坳陷中的厚度變化不一，最薄處位于館陶縣西北一帶，殘余厚度約為30m。山西組的暗色泥巖厚度總體上呈現(xiàn)從北向南逐漸變薄的趨勢(shì)，在臨清坳陷沉積厚度最小，一般在40～60m之間，而在黃驊坳陷沉積厚度較大，在40～140m(圖4)。

圖1 燕山地區(qū)洪水莊組地層厚度等值線圖Figure 1 Isogram of Hongshuizhuang Formation thickness in Yanshan area

圖2 燕山地區(qū)下馬嶺組地層厚度等值線圖Figure 2 Isogram of Xiamaling Formation thickness in Yanshan area

圖3 河北省賦煤構(gòu)造單元?jiǎng)澐謭DFigure 3 Coal hosting structural element partitioning in Hebei Province

圖4 山西組暗色泥巖厚度等值線圖Figure 4 Isogram of Shanxi Formation dark mudstone thicknesses

太原組分布區(qū)域廣泛，殘余厚度最大處位于黃驊坳陷中段附近，可達(dá)269.0m。以此為中心，向四周逐漸減小變薄，并在周邊坳陷內(nèi)，以若干小凹陷堆積形式向四周呈放射狀展布。

太原組的暗色泥巖總體與山西組相差不大，厚度走線多呈南北向，總體厚度大多在40～100m，黃驊坳陷和冀中坳陷一般60～100m(圖5)。

(4)孔店組和沙河街組。主要分布于華北平原分區(qū)內(nèi)，其中的古新統(tǒng)地層整體缺失，始新統(tǒng)的孔店組巖性以砂礫巖和膏泥巖為主，厚度10～1 000m。沙河街組三、四段富含頁(yè)巖層和煤層段，沙四段巖性為泥巖夾粉砂巖、細(xì)砂巖、頁(yè)巖，泥質(zhì)白云巖、玄武巖等，厚度1 050～2 828m。沙三段巖性為泥巖、粉砂巖夾砂礫巖、油頁(yè)巖，夾有薄煤層，厚度538～2 300m。

沙一段時(shí)期，黃驊坳陷存在多個(gè)獨(dú)立的沉積—沉降中心，海域地區(qū)表現(xiàn)出多個(gè)東西展布的深沉降中心。陸上的歧北次凹和歧南次凹的沉降作用減弱(圖6)。冀中坳陷分布范圍廣，但厚度小。暗色泥巖在中部饒陽(yáng)凹陷最發(fā)育，是饒陽(yáng)凹陷重要的頁(yè)巖氣源巖層，為一套由頁(yè)巖、鮞灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖、暗色泥巖組一般占地層厚度的50%以上。頁(yè)巖厚度以任西—馬西—肅寧洼槽最厚，一般在25m以上，厚度最大可達(dá)51m，蠡縣斜坡北部頁(yè)巖厚度在10～25m，南部幾乎為缺失。

沙三段沉積時(shí)期，黃驊坳陷中、北區(qū)強(qiáng)烈活動(dòng)的北東向滄東斷層、港西斷層、港東斷層、南大港斷層、茶淀斷層和大神堂斷層等控制了板橋次凹、歧北次凹、歧南次凹、歧口主凹和北塘次凹等多個(gè)次級(jí)沉積—沉降中心，這些次級(jí)凹陷的厚度等值線均表現(xiàn)為NE向延伸。冀中坳陷暗色泥巖厚度大，有機(jī)質(zhì)豐度高，大都為正常淡水湖相沉積，是冀中坳陷主要生油氣層段。整個(gè)冀中東部坳陷帶內(nèi)沙三段暗色泥巖都有發(fā)育，北厚南薄(圖7)。北部廊固凹陷暗色泥巖最厚， 厚度可達(dá)2 400m以上， 主要集中在沙三中、下亞段，泥巖連續(xù)厚度大，砂巖夾層少，較深湖相發(fā)育；霸縣凹陷夾多層頁(yè)巖和炭質(zhì)泥巖；饒陽(yáng)、深縣—束鹿凹陷暗色泥巖與砂巖互層， 以淺湖相沉積為主，厚度一般在500～600m。

孔店組暗色泥巖以黃驊坳陷孔店凸起以南(孔南地區(qū))頁(yè)巖氣源巖以孔二段最為典型，面積約4 700km2， 孔南地區(qū)孔二段富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖主要分布在深凹區(qū)的深湖相-半深湖相，平面上主要集中在風(fēng)化店-段六拔-王官屯一帶。巖性主要為黑色頁(yè)巖、深灰色泥巖、油頁(yè)巖、粉砂巖及泥灰?guī)r等，其中泥頁(yè)巖累計(jì)厚度最高可達(dá)400m，部分井段純頁(yè)巖厚度達(dá)70～80m。冀中坳陷孔店-沙四段暗色泥巖主要分布在廊固、霸縣、晉縣凹陷及饒陽(yáng)凹陷南部，北厚南薄。北部廊固凹陷厚度最大，最厚可達(dá)2 000m；孔店組上部含膏，沙四段中上部夾砂礫巖和火山噴發(fā)巖；南部晉縣凹陷北部是一套含膏鹽巖、碳酸鹽巖的鹽湖相沉積，暗色泥巖最厚可達(dá)600m；中部廣大地區(qū)暗色泥巖不發(fā)育，厚度只有幾十米厚至一、二百米(圖8)。

圖5 太原組暗色泥巖厚度等值線圖Figure 5 Isogram of Taiyuan Formation dark mudstone thicknesses

圖6 沙一段暗色泥巖厚度等值線圖Figure 6 Isogram of dark mudstone thicknesses in Shahejie Formation first member

圖7 沙三段暗色泥巖厚度等值線圖Figure 7 Isogram of dark mudstone thicknesses in Shahejie Formation third member

圖8 孔店-沙四段暗色泥巖厚度等值線圖Figure 8 Isogram of dark mudstone thicknesses in Kongdian Formation and Shahejie Formation fourth member

3 有機(jī)地化特征

通過(guò)相關(guān)有機(jī)地球化學(xué)分析測(cè)試數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)：洪水莊組有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ型，以Ⅱ1型為主；有機(jī)碳含量較高，最大值達(dá)到8.51%，TOC大于1.0%的占到53.6%，TOC大于2.0%的占到36.4%；等效鏡質(zhì)體反射率在1.2%～1.8%，處于高成熟干氣階段。下馬嶺組有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型為主，部分為Ⅱ1型；可作為頁(yè)巖氣烴源巖的下馬嶺組三段以黑色泥頁(yè)巖為主，有機(jī)質(zhì)含量較高，TOC大于1.0%的占68%，大于2.0%的占47.3%，最大值高達(dá)10.9%；等效鏡質(zhì)體反射率在0.6%～2.0%，主體位于1.2%～2.0%，處于高成熟干氣階段。

石炭—二疊系含煤地層中煤是最主要的氣源巖，煤和煤系泥頁(yè)巖有機(jī)碳含量較高，太原組和山西組泥頁(yè)巖總體上為好—較好的烴源巖。太原組有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型；有機(jī)質(zhì)含量介于1.0%～5.0%，處于成熟階段，山西組有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ和Ⅱ型為主；有機(jī)碳含量為1.0%～5.0%，處于成熟階段。

古近系孔店組、沙河街組由于沉積相的控制，非均質(zhì)性較強(qiáng)，各坳陷內(nèi)有機(jī)質(zhì)類型不盡相同，總體上以Ⅰ、Ⅱ型為主，部分也為Ⅲ型。黃驊坳陷、冀中坳陷總體上為Ⅱ、Ⅲ型為主；臨清坳陷以Ⅰ、Ⅱ型為主。各坳陷內(nèi)有機(jī)碳含量差別較大，孔店組和沙河街組泥頁(yè)巖成熟度較低變化也較大，不同坳陷內(nèi)的成熟度不同，隨著埋深的增加成熟度也增大，但總體上處于未成熟或者低成熟階段。

4 河北省頁(yè)巖氣潛力分析

根據(jù)有關(guān)學(xué)者研究，只有有機(jī)碳含量大于2%，熱成熟度大于0.4%的泥頁(yè)巖才具有形成工業(yè)價(jià)值頁(yè)巖氣的基礎(chǔ)條件，以及厚度、埋深等條件來(lái)看河北省存在的6套頁(yè)巖層系是具有頁(yè)巖氣潛力的。同時(shí)相鄰省份在相同層系已經(jīng)有了成功案例，比如河南、山東、山西等，這些都說(shuō)明河北省是具有頁(yè)巖氣前景的。

5 結(jié)論

河北省下馬嶺組和洪水莊組，古生界山西組和太原組，及新生界孔店組和沙河街組等6套頁(yè)巖層系，不僅具有分布范圍廣，埋深適當(dāng)，有一定的厚度，而且有機(jī)碳含量和成熟度適中，可以作為頁(yè)巖氣發(fā)育有利層位，可以進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)研究和勘探開(kāi)發(fā)工作。