冀北坳陷中元古界洪水莊組頁(yè)巖油勘探前景探討

李志明，孫中良，鮑云杰，徐二社，周勇水，張?jiān)偏I(xiàn)

1.中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無(wú)錫 214126；2.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214126；3.中國(guó)石化 油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214126；4.中國(guó)石化 中原油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院， 河南 濮陽(yáng) 457001

國(guó)內(nèi)外油氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明，古老的元古宙地層不僅具有生油氣潛力，而且也可以形成工業(yè)性油氣聚集[1-2]。燕遼裂陷帶是全球中—新元古界最發(fā)育并保存完整的地區(qū)之一。冀北坳陷北以承德—平泉—凌源大斷裂與“內(nèi)蒙地軸”相鄰，南以山海關(guān)隆起分隔冀東坳陷，東以凌源—叨爾登走滑斷裂為界與遼西坳陷相接，西以密懷隆起和宣龍坳陷相隔(圖1)，總面積8 733 km2。冀北坳陷內(nèi)油氣顯示異常豐富，地表露頭與一些淺井揭示在霧迷山組和鐵嶺組碳酸鹽巖地層中發(fā)現(xiàn)液態(tài)油苗和瀝青共計(jì)80處，在下馬嶺組底部發(fā)現(xiàn)瀝青砂巖點(diǎn)20處。針對(duì)霧迷山組、鐵嶺組等碳酸鹽巖儲(chǔ)層為目標(biāo)的常規(guī)油氣勘探雖揭示了豐富的油氣顯示，但均未取得工業(yè)油流。已有研究表明，燕遼裂陷帶中元古界發(fā)育串嶺溝組、洪水莊組、下馬嶺組3套黑色富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層系[1,3]和高于莊組、霧迷山組、鐵嶺組、下馬嶺組4套碳酸鹽巖烴源巖[4-5]，但在冀北坳陷僅發(fā)育高于莊組黑色泥晶白云巖和洪水莊組黑色頁(yè)巖2套烴源層。同時(shí)，生物標(biāo)志物油源對(duì)比分析認(rèn)為，冀北坳陷霧迷山組和鐵嶺組等碳酸鹽巖溶蝕孔洞與裂縫系統(tǒng)中的液體油苗以及下馬嶺組瀝青砂巖中的可溶烴組分，均與洪水莊組富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖層關(guān)系最為密切[6]，說(shuō)明洪水莊組富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖層是冀北坳陷中元古界最有效的烴源巖，并且現(xiàn)今仍處于成熟—高成熟早期階段。學(xué)者們針對(duì)華北北部中—新元古界頁(yè)巖氣成藏地質(zhì)條件進(jìn)行了探討[7-10]，但針對(duì)冀北坳陷洪水莊組富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖層段是否具有頁(yè)巖油勘探前景尚無(wú)文獻(xiàn)報(bào)道。為此，本文從頁(yè)巖油勘探評(píng)價(jià)角度出發(fā)，聚焦冀北坳陷中元古界，在對(duì)冀淺1井洪水莊組巖心和露頭剖面(宋杖子、龍?zhí)稖?、雙洞、孫家莊—北仗子等)泥頁(yè)巖發(fā)育特征觀測(cè)基礎(chǔ)上，采集典型樣品開(kāi)展實(shí)測(cè)分析，并綜合前人對(duì)化1井、冀元1和元基2井洪水莊組取心段分析、研究成果，開(kāi)展洪水莊組頁(yè)巖油形成條件研究、資源潛力評(píng)價(jià)，探討其頁(yè)巖油勘探前景，以期為冀北坳陷頁(yè)巖油勘探部署決策提供依據(jù)與基礎(chǔ)資料。

圖1 燕遼裂陷帶地層構(gòu)造單元與冀北坳陷構(gòu)造位置簡(jiǎn)圖據(jù)文獻(xiàn)[6]修編。Fig.1 Tectonic units of Yanliao fault belt and tectonic location of Jibei Depression

1 樣品采集和分析測(cè)試

為了獲取冀北坳陷洪水莊組泥頁(yè)巖的烴源品質(zhì)、成熟度、儲(chǔ)集物性與微觀孔隙結(jié)構(gòu)、含油氣性、可壓性等信息，在前人分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)冀淺1井洪水莊組鉆井巖心的泥頁(yè)巖樣品以及冀北坳陷洪水莊組露頭剖面泥頁(yè)巖層段典型樣品進(jìn)行了采集，合計(jì)采集樣品69件，其中巖心樣品29件，露頭樣品40件。對(duì)采集樣品系統(tǒng)開(kāi)展了巖石熱解、全巖鏡質(zhì)體反射率、孔隙度與滲透率、蓋層微觀聯(lián)合測(cè)定(壓汞+氮吸附)、氬離子拋光+掃描電鏡、X衍射全巖礦物等分析測(cè)試，分析測(cè)試工作均在中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院無(wú)錫石油地質(zhì)研究所實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究中心完成。

2 洪水莊組頁(yè)巖油形成條件剖析

2.1 構(gòu)造沉積背景

冀北坳陷發(fā)育巨厚的中元古界長(zhǎng)城系、薊縣系與新元古界青白口系[11-13]。中元古界厚度巨大，約7 931.1 m；新元古界青白口系厚度較薄，僅111.8 m。上覆古生界與中生界沉積蓋層。坳陷由北至南依次劃分為卸甲營(yíng)向斜帶、平泉背斜帶、黨壩向斜帶和郭杖子單斜帶(圖1)。

中—新元古代，冀北經(jīng)歷了中元古代早期大陸裂谷階段、中期被動(dòng)陸緣階段、晚期活動(dòng)陸緣階段、末期陸塊碰撞階段以及新元古代地殼伸展斷陷5個(gè)構(gòu)造演化階段[14](圖2)。距今1 800～1 600 Ma，隨著華北地塊發(fā)生伸展裂解，形成裂陷槽沉積環(huán)境，沉積了長(zhǎng)城系常州溝組至大紅峪組；進(jìn)一步伸展和洋殼的形成，使研究區(qū)逐步向被動(dòng)大陸邊緣演化，構(gòu)造環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，淺海沉積體系總體呈面狀分布，高于莊組至鐵嶺組形成以碳酸鹽潮坪和靜海潟湖為主的碳酸鹽巖和細(xì)碎屑巖沉積體系。在鐵嶺組沉積后，受華北地塊北緣可能演化為活動(dòng)大陸邊緣影響，弧后發(fā)生擠壓和抬升(“芹峪抬升”)，導(dǎo)致鐵嶺組發(fā)生抬升與剝蝕，而后期洋殼高角度的俯沖又造成弧后區(qū)域發(fā)生強(qiáng)烈的伸展與斷陷，沉積了下馬嶺組濱淺海至淺海陸棚細(xì)粒碎屑巖系，并伴隨輝綠巖侵入。華北地塊與相鄰地塊之間的碰撞，導(dǎo)致下馬嶺組沉積后的抬升(“蔚縣上升”)以及碰撞花崗巖的形成；華北陸塊自900 Ma起又開(kāi)始裂解，并造成區(qū)內(nèi)新元古界青白口系長(zhǎng)龍山組的超覆沉積和景兒峪組濱淺海碳酸鹽巖臺(tái)地的形成。

圖2 冀北坳陷構(gòu)造沉積演化簡(jiǎn)圖Fig.2 Tectonic and sedimentary evolutions of Jibei Depression

古生代時(shí)期，研究區(qū)從早寒武世府君山期開(kāi)始接受沉積，為碳酸鹽巖層系，在早、中奧陶世時(shí)發(fā)育陸表海碳酸鹽巖沉積，中奧陶世末期的加里東運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致研究區(qū)整體抬升，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，使石炭系上統(tǒng)直接覆蓋于奧陶系之上，其間普遍缺失晚奧陶世、志留紀(jì)、泥盆紀(jì)和早石炭世的沉積，沉積間斷達(dá) 130 Ma，直至晚石炭世再次接受沉積。海西運(yùn)動(dòng)在區(qū)內(nèi)主要表現(xiàn)為輕緩的震蕩運(yùn)動(dòng)，形成了淺海及臺(tái)地相碳酸鹽巖沉積以及濱海平原和海陸交互相含煤沉積。

三疊紀(jì)末的印支運(yùn)動(dòng)在研究區(qū)以褶皺作用為主，以張家營(yíng)—叨爾登斷裂為界，斷裂以西的冀北地區(qū)褶皺軸向以東西向?yàn)橹?；而斷裂以東的遼西地區(qū)褶皺軸向?yàn)楸睎|向。這次褶皺的幅度不大，地形高差較小，但印支運(yùn)動(dòng)影響廣泛，表現(xiàn)為下侏羅統(tǒng)和上三疊統(tǒng)與下伏地層的角度不整合關(guān)系。侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)的燕山運(yùn)動(dòng)，以斷裂、褶皺活動(dòng)和強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)為主，可分為5個(gè)構(gòu)造幕，每個(gè)構(gòu)造幕由前期的拉張階段和后期的擠壓階段組成。拉張階段斷裂強(qiáng)烈活動(dòng)，形成斷陷盆地并導(dǎo)致火山作用，堆積厚度較大的陸相碎屑巖建造；擠壓階段以褶皺作用為主，巖漿侵入活動(dòng)和沖斷活動(dòng)相伴出現(xiàn)。

新生代的喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)對(duì)本地區(qū)的改造作用較弱，由于張性或扭性斷裂的差異性活動(dòng)，導(dǎo)致斷塊升降的顯著差異。燕山地區(qū)主要表現(xiàn)為抬升，其斷裂活動(dòng)相對(duì)南部地區(qū)較弱，新生界分布很零星，厚度也較小，大部分地區(qū)在新生代沒(méi)有接受沉積，而是經(jīng)受較強(qiáng)烈的抬升，現(xiàn)今的高山和深谷均反映出這種抬升作用的強(qiáng)烈程度，但新生代的斷裂作用對(duì)中上元古界的褶皺構(gòu)造的改造作用較弱[15]。

在上述區(qū)域構(gòu)造沉積演化背景下，冀北坳陷北部卸甲營(yíng)向斜帶和南部郭杖子單斜帶的新元古界—下古生界普遍缺失，存在數(shù)億年的沉積間斷，地層遭受嚴(yán)重剝蝕。因此，中元古界洪水莊組僅在冀北坳陷中部平泉背斜帶和黨壩向斜帶保存相對(duì)較好，而隨著中新生界地層的沉積，中元古界富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖進(jìn)一步熟化，可形成新的油氣藏[1]，這也為中元古界富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層系形成頁(yè)巖油奠定了基礎(chǔ)。

2.2 富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖發(fā)育特征、品質(zhì)與成熟度

根據(jù)洪水莊組上覆鐵嶺組(1 422 Ma±22 Ma)和下伏霧迷山組(1 487 Ma±16 Ma)SHRIMP U-Pb年齡推算，洪水莊組形成于1 422 Ma之前[16]，沉降中心主要分布于薊縣、興隆、寬城一帶，沉積環(huán)境以潮坪、潟湖相為主，地層厚度分布較穩(wěn)定[10]。冀北坳陷區(qū)鉆井與露頭剖面揭示：洪水莊組發(fā)育了一套以黑色頁(yè)巖、白云質(zhì)泥巖、泥質(zhì)白云巖、白云巖為主的巖性組合，且黑色頁(yè)巖富含有機(jī)質(zhì),是中國(guó)大陸最古老的富有機(jī)質(zhì)的沉積巖和烴源巖之一(圖3)。

自下而上洪水莊組可分為下、中、上3個(gè)巖性段，下段以淺灰色泥質(zhì)白云巖、灰色頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖互層為特征，中段則以黑色、深灰色頁(yè)巖為主，上段主要為淺灰色泥晶白云巖、泥質(zhì)白云巖，總厚度為71～130 m，其中富有機(jī)質(zhì)(TOC大于2.0%)泥頁(yè)巖厚度為35～48 m(表1)，并集中分布于洪水莊組中段(圖3)。依據(jù)鉆井和露頭剖面揭示結(jié)果，綜合孫樞等[17]和張新生等[19]研究結(jié)果以及區(qū)域地質(zhì)背景，編制了冀北坳陷洪水莊組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖厚度等值線圖(圖4)，明確了洪水莊組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖主要分布于興隆縣北—寬城—凌源龍?zhí)稖弦阅?、平泉—承德縣以北的區(qū)域。其中，寬城至承德縣西一帶受洪水莊組沉積時(shí)期存在一北西向水下隆起影響[16]，導(dǎo)致除該區(qū)帶洪水莊組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的厚度小于45 m外,黨壩凹陷的其他區(qū)域推斷富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的發(fā)育厚度一般均在50 m以上。洪水莊組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖厚度大、分布穩(wěn)定，可為頁(yè)巖油形成提供豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖3 冀北坳陷冀淺1井洪水莊組巖性與地球化學(xué)綜合柱狀圖Fig.3 Lithological and geochemical columns of Mesoproterozoic Hongshuizhuang Formation, well Jiqian 1, Jibei Depression

圖4 冀北坳陷中元古界洪水莊組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度與等效鏡質(zhì)體反射率等值線圖Fig.4 Contours of thickness and equivalent vitrinite reflectance of organic matter rich shale of Mesoproterozoic Hongshuizhuang Formation in Jibei Depression

表1 冀北坳陷鉆井與露頭剖面洪水莊組與富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度Table 1 Thickness of Mesoproterozoic Hongshuizhuang Formation and organic-rich shale from wells and outcrop sections in Jibei Depression

考慮到露頭剖面風(fēng)化作用強(qiáng)，對(duì)烴源品質(zhì)影響大，故本文依據(jù)冀淺1井洪水莊組取心段典型巖性熱解實(shí)測(cè)分析結(jié)果和文獻(xiàn)[16]中元基2井洪水莊組典型巖性熱解分析結(jié)果，對(duì)洪水莊組泥頁(yè)巖的品質(zhì)進(jìn)行了分析。兩口鉆井分析結(jié)果表明，洪水莊組黑色頁(yè)巖TOC含量主要介于1.0%～6.8%，平均高達(dá)4.7%；生烴潛量PG(S1+S2)主要介于6.0～24.0 mg/g，平均15.8 mg/g，以好—極好烴源巖為主；而深灰色泥巖和泥質(zhì)白云巖TOC含量小于1.0%，生烴潛量小于4.0 mg/g，主要屬差烴源巖(圖5)。高漸珍等[19]的研究揭示，冀元1井洪水莊組受霧迷山組頂部侵入巖影響，盡管洪水莊組黑色頁(yè)巖TOC含量為1.53%～4.97%，平均2.46%，但生烴潛量均小于0.10 mg/g，反映富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖在侵入巖高溫烘烤作用影響下，局部會(huì)導(dǎo)致其TOC顯著降低，生烴潛力耗盡。冀淺1井洪水莊組黑色頁(yè)巖熱解氫指數(shù)IH和氧指數(shù)IO圖解、氫指數(shù)IH和熱解峰溫Tmax圖解揭示，洪水莊組黑色頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ1、Ⅱ2型為主(圖6)，與典型海相富有機(jī)質(zhì)烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型一致。中元古代時(shí)期高等植物尚未發(fā)育，海洋中有機(jī)質(zhì)生源單一，以發(fā)育低等浮游生物為主[16]。洪水莊組黑色頁(yè)巖有機(jī)巖石學(xué)分析揭示，原生顯微組分包括殼質(zhì)組、腐泥組和類鏡質(zhì)組[3]。綜上分析，冀北坳陷中元古界洪水莊組黑色頁(yè)巖為一套富有機(jī)質(zhì)的好—極好烴源巖，具備形成規(guī)模頁(yè)巖油的能力。

圖5 冀北坳陷中元古界洪水莊組泥頁(yè)巖總有機(jī)碳含量(TOC)和生烴潛量 (S1+S2)的關(guān)系Fig.5 TOC vs. PG (S1+S2) of mudstone and shale from Mesoproterozoic Hongshuizhuang Formation in Jibei Depression

烴源巖成熟度是控制基質(zhì)型頁(yè)巖油甜點(diǎn)區(qū)分布的重要因素[20]，其不僅制約著基質(zhì)型頁(yè)巖油的富集與分布，而且控制著頁(yè)巖油組分、可動(dòng)性以及頁(yè)巖的儲(chǔ)集性與可壓性等。北美投入大規(guī)模商業(yè)開(kāi)發(fā)的海相頁(yè)巖油區(qū)帶剖析揭示，優(yōu)質(zhì)烴源巖的熱演化程度主要處于生油高峰期至輕質(zhì)油—凝析油氣階段，如墨西哥灣盆地Eagle Ford組頁(yè)巖油產(chǎn)量主要來(lái)自成熟度Ro為1.10%～1.30%的區(qū)域，屬與濕氣伴生的輕質(zhì)油和凝析油[18]；甜點(diǎn)區(qū)成熟度Ro界限為0.85%～1.50%[20]。鐘寧寧等[21]研究表明，無(wú)結(jié)構(gòu)藻類體Ro和類鏡質(zhì)體Ro可以作為表征中—新元古界海相地層熱演化程度的最重要參數(shù)，其有機(jī)質(zhì)的真實(shí)熱演化程度可以通過(guò)換算為等效鏡質(zhì)體反射率EqVRo表示。冀北坳陷洪水莊組有機(jī)質(zhì)的等效鏡質(zhì)體反射率(EqVRo)主要介于0.80%～1.25%，平均為1.10%，局部如冀元1井區(qū)受侵入巖烘烤作用影響，則處于過(guò)成熟度階段(等效鏡質(zhì)體反射率已達(dá)2.40%以上)(圖4)。同時(shí)，冀淺1井洪水莊組富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖典型樣品的熱解峰溫Tmax值主要處于442～454 ℃，平均為446 ℃(圖3)，相對(duì)應(yīng)的等效鏡質(zhì)體反射率(EqVRo)為0.80%～1.00%，平均0.90%(圖6b)。另外，冀淺1井富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖樣品的瀝青反射率Rb最高值為0.78%，等效鏡質(zhì)體反射率(EqVRo)為0.88%。很顯然，盡管洪水莊組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖地層時(shí)代古老，但未遭受侵入巖侵位影響的地區(qū)，現(xiàn)今有機(jī)質(zhì)熱演化仍處于生油高峰期至高成熟度的早期階段，為頁(yè)巖油滯留富集的最佳熱演化期。

圖6 冀北坳陷中元古界洪水莊組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型圖解Fig.6 Organic matter types of organic rich shale of Mesoproterozoic Hongshuizhuang Formation in Jibei Depression

2.3 富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)集物性與孔隙結(jié)構(gòu)特征

冀北坳陷洪水莊組黑色頁(yè)巖典型樣品基質(zhì)孔隙度與脈沖法基質(zhì)滲透率分析結(jié)果如圖7所示?？梢?jiàn)洪水莊組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖基質(zhì)孔隙度較低，主要介于1.0%～8.0%，平均4.7%，與純頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度一般為4.0%～6.0%[22]相接近；基質(zhì)滲透率很低，主要介于(2～100) ×10-6μm2，與郝石生等[23]的分析結(jié)果[洪水莊泥頁(yè)巖滲透率主要介于(1～260) ×10-6μm2]基本一致，比北美西墨西哥灣盆地Eagle Ford頁(yè)巖的滲透率主要介于(100～1 500) ×10-6μm2[24]還低，反映黑色頁(yè)巖總體很致密，基質(zhì)滲透能力弱，只有在微裂縫或人工壓裂有效改造下，才會(huì)形成有效滲流能力。同時(shí)，利用壓汞與氮吸附聯(lián)合分析技術(shù)對(duì)冀淺1井典型黑色頁(yè)巖樣品開(kāi)展孔隙結(jié)構(gòu)分析揭示(圖8)，富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖的孔隙明顯以孔徑大于50 nm的宏孔為主，孔隙體積占比一般在50%以上；次為孔徑介于2～50 nm的介孔，孔隙體積占比一般為10%～40%；微孔含量最低，孔隙體積占比均在10%以下。典型樣品氬離子拋光掃描電鏡分析結(jié)果表明，洪水莊組頁(yè)巖孔隙類型以無(wú)機(jī)礦物殘余粒間孔、黏土礦物晶間孔、磷灰石球粒粒內(nèi)溶孔、高鎂方解石等粒內(nèi)微裂縫、無(wú)機(jī)礦物顆粒與有機(jī)質(zhì)之間粒緣縫為主，有機(jī)質(zhì)顆粒中有機(jī)孔總體不發(fā)育，僅在少量有機(jī)質(zhì)中發(fā)育有機(jī)孔。因此，無(wú)機(jī)孔縫是冀北坳陷洪水莊組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層段頁(yè)巖油的主要賦存空間。

圖7 冀北坳陷中元古界洪水莊組典型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖基質(zhì)孔滲圖解Fig.7 Matrix porosity and permeability of typical organic matter rich shale of Mesoproterozoic Hongshuizhuang Formation in Jibei Depression

圖8 冀北坳陷中元古界洪水莊組典型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)a.冀淺1井，127.23 m，黑色頁(yè)巖；b.冀淺1井，131.10 m，黑色頁(yè)巖；c.冀淺1井，137.28 m，黑色頁(yè)巖；d.冀淺1井，155.00 m，黑色頁(yè)巖；e.冀淺1井，172.80 m，黑色頁(yè)巖；f.冀淺1井，189.58 m，黑色硅質(zhì)巖Fig.8 Pore structure of typical organic matter rich shale of Mesoproterozoic Hongshuizhuang Formation in Jibei Depression

2.4 富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖含油氣性特征

泥頁(yè)巖含油氣性表征方法主要包括有機(jī)地球化學(xué)方法和巖心物理方法兩類[25-33]，由于有機(jī)地球化學(xué)方法既快速又經(jīng)濟(jì)，并且不易遺漏巖石封閉孔隙中的烴類[25]，故該表征方法是泥頁(yè)巖含油氣性表征最實(shí)用的方法，尤其是熱解游離烴S1[26-30]。泥頁(yè)巖樣品的含油氣性分析結(jié)果影響因素復(fù)雜，除與泥頁(yè)巖本身的有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型和熱演化程度有關(guān)外，由于賦存于泥頁(yè)巖中的氣態(tài)烴和輕烴在常溫、常壓下極易逸散損失，以及頁(yè)巖中滯留油在近地表、地表或室內(nèi)長(zhǎng)期放置會(huì)遭受微生物降解等作用影響，故也與樣品保存方式、新鮮程度、放置時(shí)間長(zhǎng)短、儲(chǔ)集物性與孔隙結(jié)構(gòu)特征以及碎樣方式、碎樣后分析的及時(shí)性等密切相關(guān)。因此，頁(yè)巖樣品實(shí)測(cè)含油氣性分析結(jié)果往往較地質(zhì)埋藏條件下的原地含油氣量明顯偏低。冀北坳陷剖面露頭中洪水莊組黑色頁(yè)巖樣品均已遭受了復(fù)雜的物理化學(xué)風(fēng)化作用與微生物作用等影響，幾乎所有樣品熱解游離烴S1均小于0.10 mg/g，故其含油氣性特征采用區(qū)內(nèi)冀淺1井、元基2井取心段巖心熱解分析結(jié)果，并結(jié)合前人含氣量分析結(jié)果來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。但巖心樣品取樣分析時(shí)也已放置近9年，故實(shí)測(cè)分析獲得的游離烴S1[0.40～1.6 mg/g，平均為1.0 mg/g(圖9a)]已無(wú)法真實(shí)地反映其在地質(zhì)條件下的原位含量，同樣需要進(jìn)行校正。前期對(duì)富有機(jī)質(zhì)、特低滲泥頁(yè)巖新鮮樣品與放置5個(gè)月后樣品的熱解游離烴S1對(duì)比研究揭示，長(zhǎng)期放置后游離烴S1損失恢復(fù)系數(shù)介于1.33～1.89，平均為1.50[34-35]。對(duì)蘇北盆地處于生烴高峰期(Ro為0.80%～1.00%)的阜二段特低滲富有機(jī)質(zhì)灰質(zhì)泥頁(yè)巖的研究表明，新鮮樣品熱解游離烴S1含量是放置3～6年以上樣品熱解游離烴S1的2.52～5.56倍，平均4.04倍[36]。目前蘇北盆地阜二段基質(zhì)型頁(yè)巖油已取得規(guī)模突破[37]，這為本次研究洪水莊組巖心樣品熱解S1恢復(fù)系數(shù)的確定提供了依據(jù)。考慮到洪水莊組巖心樣品已放置9年，故針對(duì)洪水莊組巖心樣品熱解游離烴S1采用恢復(fù)系數(shù)4.0進(jìn)行恢復(fù)(圖9b)?？梢?jiàn)，當(dāng)頁(yè)巖的TOC含量小于2.0%時(shí)，恢復(fù)后熱解游離烴S1主要介于0.88～2.63 mg/g，平均1.63 mg/g，油飽和指數(shù)OSI主要介于55～307 mg/g，平均為196 mg/g；當(dāng)頁(yè)巖的TOC含量大于2.0%時(shí)，恢復(fù)后S1主要介于1.60～6.50 mg/g，平均3.90 mg/g，油飽和指數(shù)OSI主要介于50～135 mg/g，平均為85 mg/g。另外，據(jù)吳迪[38]對(duì)冀淺1井和冀元1井洪水莊組典型黑色頁(yè)巖殘余氣態(tài)烴含量定量分析揭示，洪水莊組黑色頁(yè)巖殘余氣態(tài)烴含量較高，介于0.13～0.24 m3/t，高于蘇北盆地阜二段頁(yè)巖油富集層段典型樣品在鉆井現(xiàn)場(chǎng)分析的氣態(tài)烴含量(0.05～0.14 m3/t)，氣態(tài)烴組分由CH4、C2H6、C3H8、iC4H10、nC4H10、iC5H12、nC5H12組成。因此，冀北坳陷洪水莊組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖具有較好的含油氣性和一定的頁(yè)巖油資源潛力。

圖9 冀北坳陷中元古界洪水莊組典型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖游離烴S1恢復(fù)前后與TOC的關(guān)系Fig.9 TOC vs. S1 before and after recovery of typical organic matter rich shale of Mesoproterozoic Hongshuizhuang Formation in Jibei Depression

2.5 富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖可壓性與頁(yè)巖油保存

富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的全巖礦物組成是影響頁(yè)巖可壓性的關(guān)鍵因素[39-41]。冀北坳陷冀淺1井和野外露頭洪水莊組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖典型樣品全巖礦物組成分析結(jié)果(表2)表明，洪水莊組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖礦物組成主要為石英和黏土礦物，次為白云石、黃鐵礦，另含少量菱鐵礦、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、方解石、硬石膏和石膏。其中冀淺1井樣品中石英含量介于31.7%～77.0%，平均為54.4%(n=27)，黏土礦物含量13.2%～35.0%，平均為27.2%(n=27)，脆性礦物總量平均達(dá)72.3%；野外露頭樣品中石英含量介于38.9%～73.1%，平均為55.2%(n=25)，黏土礦物含量23.5%～52.5%，平均為36.2%(n=25)，脆性礦物總量平均為61.9%。這表明洪水莊組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖具備良好的可壓裂改造性。

表2 冀北坳陷中元古界洪水莊組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖礦物組成Table 2 Mineral compositions of organic matter rich shale of Mesoproterozoic Hongshuizhuang Formation in Jibei Depression

同時(shí)，冀淺1井等取心段洪水莊組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖局部微裂縫異常發(fā)育，并被白云石脈和石英脈充填[38]，反映在地質(zhì)條件下洪水莊組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖脆性較好，容易破裂，進(jìn)一步說(shuō)明洪水莊組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖具有良好的可壓性。

發(fā)育區(qū)域廣泛分布的致密頂?shù)装迨潜泵篮Ｏ囗?yè)巖層系頁(yè)巖油得以有效保存的關(guān)鍵必要條件，致密頂?shù)装逡灾旅芑規(guī)r或頁(yè)巖為主[18, 42-43]。冀北坳陷洪水莊組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的頂板為洪莊水組上部的致密泥質(zhì)白云巖與鐵嶺組致密白云巖，底板為洪水莊組下部的致密泥質(zhì)白云巖、泥巖和霧迷山組致密白云巖、灰?guī)r。但在斷裂構(gòu)造發(fā)育區(qū)，裂縫系統(tǒng)溝通洪水莊組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層系與上、下致密頂?shù)装?，受此影響，則容易導(dǎo)致洪水莊組富有機(jī)質(zhì)層系的頁(yè)巖油發(fā)生散失與運(yùn)移，洪水莊組下伏霧迷山組和上覆鐵嶺組白云巖中的油苗可能與此有關(guān)。因此，在裂縫系統(tǒng)欠發(fā)育的凹陷帶(洼陷區(qū))，應(yīng)是洪水莊組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層系頁(yè)巖油保存條件相對(duì)較有利的地區(qū)。

3 頁(yè)巖油資源潛力與勘探前景探討

頁(yè)巖油地質(zhì)資源量的評(píng)價(jià)方法與常規(guī)油氣類似，也可分為動(dòng)態(tài)法和靜態(tài)法。由于全球范圍內(nèi)除美國(guó)外，對(duì)于頁(yè)巖油的研究仍處于勘探評(píng)價(jià)階段，因此，目前國(guó)內(nèi)頁(yè)巖油地質(zhì)資源量評(píng)價(jià)的方法主要是靜態(tài)法，如類比法、統(tǒng)計(jì)法和成因法[44]?；谘芯繀^(qū)油氣勘探程度極低，資料有限，本文采用體積法中的熱解S1法，對(duì)冀北坳陷洪水莊組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層段的頁(yè)巖油地質(zhì)資源量進(jìn)行估算，估算公式參考文獻(xiàn)[45]，具體如下：

Q=AHρS1K/100

式中：Q為頁(yè)巖油資源量，104t；A為評(píng)價(jià)單元有效面積，km2；H為富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度，m；ρ為含油泥頁(yè)巖密度，t/m3；S1為熱解游離烴含量，mg/g；K為S1的校正系數(shù)。

根據(jù)鉆井揭示、野外剖面露頭結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料(重點(diǎn)1∶20萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)圖)，確定冀北坳陷洪水莊組主要分布于黨壩向斜帶、郭杖子單斜帶的北緣和平泉背斜帶南緣，有效分布面積約為2 620 km2；TOC大于2.0%的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度主要介于35～55 m，平均45 m(圖4)；富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖密度取2.55 t/m3；游離烴S1平均1.0 mg/g；S1校正系數(shù)K取4.0。計(jì)算結(jié)果表明，冀北坳陷洪水莊組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層段頁(yè)巖油地質(zhì)資源量為120 258×104t，即約為12×108t。北美頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)實(shí)踐結(jié)果表明，頁(yè)巖油可采系數(shù)一般在5%～7%[34]，本文取可采系數(shù)6%計(jì)算，則冀北坳陷洪水莊組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層段的可采頁(yè)巖油資源量為0.72×108t，說(shuō)明冀北坳陷洪水莊組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖具有一定的頁(yè)巖油資源潛力。

烴源條件系統(tǒng)剖析表明，冀北坳陷洪水莊組中部的黑色泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度高、有機(jī)類型與典型海相富有機(jī)質(zhì)烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型一致，以Ⅱ1、Ⅱ2型為主，等效鏡質(zhì)體反射率主要處于0.80%～1.20%，熱演化程度適中，頁(yè)巖油地質(zhì)資源量約為12×108t，可采資源量為0.72×108t，具備開(kāi)展頁(yè)巖油勘探的資源基礎(chǔ)。區(qū)內(nèi)探井巖心富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖熱解游離烴含量經(jīng)恢復(fù)后普遍大于2.0 mg/g，并且近40%樣品的油飽和指數(shù)大于100 mg/g，具有形成工業(yè)頁(yè)巖油的一定潛力。另外富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖上下發(fā)育致密白云巖或泥質(zhì)白云巖頂?shù)装?，在斷裂系統(tǒng)相對(duì)不發(fā)育的位置保存條件優(yōu)越；孔隙度與國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖型頁(yè)巖油儲(chǔ)層基本一致，盡管基質(zhì)滲透率極低，但洪水莊組泥頁(yè)巖脆性礦物含量高(70%左右)，易于壓裂改造形成有效縫網(wǎng)。因此，綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為，冀北坳陷洪水莊組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層段應(yīng)具有較好的基質(zhì)型頁(yè)巖油勘探前景。

4 結(jié)論

(1)冀北坳陷洪水莊組中部潟湖相黑色泥頁(yè)巖厚度主要介于35～55 m，TOC含量主要介于1.0%～6.8%，平均高達(dá)4.7%；生烴潛量(S1+S2)主要介于6.0～24.0 mg/g，平均15.8 mg/g；有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ1、Ⅱ2型為主，為一套富有機(jī)質(zhì)的好—優(yōu)質(zhì)烴源巖，具備形成規(guī)模頁(yè)巖油的物質(zhì)基礎(chǔ)；有機(jī)質(zhì)的等效鏡質(zhì)體反射率(EqVRo)主要介于0.80%～1.25%，平均為1.10%，處于頁(yè)巖油滯留富集的最佳熱演化階段。

(2)洪水莊組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙度主要介于1.0%～8.0%，平均4.7%，基質(zhì)滲透率很低，主要介于(2～100) ×10-6μm2；孔隙以孔徑大于50 nm的宏孔為主，其孔隙體積占比一般在50%以上；無(wú)機(jī)孔縫是冀北坳陷洪水莊組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層段頁(yè)巖油的主要賦存空間。

(3)洪水莊組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖熱解游離烴S1含量經(jīng)恢復(fù)后普遍大于2.0 mg/g，40%的樣品油飽和指數(shù)OSI大于100 mg/g，具有形成工業(yè)頁(yè)巖油的一定潛力，并且富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖上下發(fā)育致密白云巖或泥質(zhì)白云巖頂?shù)装?，在斷裂系統(tǒng)相對(duì)不發(fā)育的位置保存條件優(yōu)越；孔隙度與國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖型頁(yè)巖油儲(chǔ)層基本一致，盡管基質(zhì)滲透率極低，但洪水莊組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖脆性礦物含量高(平均介于61.9%～72.3%)，易于壓裂改造形成有效縫網(wǎng)。

(4)冀北坳陷洪水莊組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖型頁(yè)巖油地質(zhì)資源量約為12×108t，可采資源量為0.72×108t，具備針對(duì)洪水莊組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖開(kāi)展頁(yè)巖油勘探的資源基礎(chǔ)，具有較好的基質(zhì)型頁(yè)巖油勘探前景。