李志明，孫中良，鮑云杰，徐二社，周勇水，張云獻

1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質研究所，江蘇 無錫 214126；2.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，江蘇 無錫 214126；3.中國石化 油氣成藏重點實驗室，江蘇 無錫 214126；4.中國石化 中原油田分公司 勘探開發(fā)研究院， 河南 濮陽 457001

國內外油氣勘探開發(fā)實踐表明，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“內蒙地軸”相鄰，南以山海關隆起分隔冀東坳陷，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80處，在下馬嶺組底部發(fā)現(xiàn)瀝青砂巖點20處。針對霧迷山組、鐵嶺組等碳酸鹽巖儲層為目標的常規(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套黑色富有機質泥頁巖層系[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巖2套烴源層。同時，生物標志物油源對比分析認為，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質黑色頁巖層關系最為密切[6]，說明洪水莊組富有機質黑色頁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。學者們針對華北北部中—新元古界頁巖氣成藏地質條件進行了探討[7-10]，但針對冀北坳陷洪水莊組富有機質黑色頁巖層段是否具有頁巖油勘探前景尚無文獻報道。為此，本文從頁巖油勘探評價角度出發(fā)，聚焦冀北坳陷中元古界，在對冀淺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)泥頁巖發(fā)育特征觀測基礎上，采集典型樣品開展實測分析，并綜合前人對化1井、冀元1和元基2井洪水莊組取心段分析、研究成果，開展洪水莊組頁巖油形成條件研究、資源潛力評價，探討其頁巖油勘探前景，以期為冀北坳陷頁巖油勘探部署決策提供依據(jù)與基礎資料。

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

1 樣品采集和分析測試

為了獲取冀北坳陷洪水莊組泥頁巖的烴源品質、成熟度、儲集物性與微觀孔隙結構、含油氣性、可壓性等信息，在前人分析結果的基礎上，對冀淺1井洪水莊組鉆井巖心的泥頁巖樣品以及冀北坳陷洪水莊組露頭剖面泥頁巖層段典型樣品進行了采集，合計采集樣品69件，其中巖心樣品29件，露頭樣品40件。對采集樣品系統(tǒng)開展了巖石熱解、全巖鏡質體反射率、孔隙度與滲透率、蓋層微觀聯(lián)合測定(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試，分析測試工作均在中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質研究所實驗測試研究中心完成。

2 洪水莊組頁巖油形成條件剖析

2.1 構造沉積背景

冀北坳陷發(fā)育巨厚的中元古界長城系、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，冀北經歷了中元古代早期大陸裂谷階段、中期被動陸緣階段、晚期活動陸緣階段、末期陸塊碰撞階段以及新元古代地殼伸展斷陷5個構造演化階段[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，沉積了長城系常州溝組至大紅峪組；進一步伸展和洋殼的形成，使研究區(qū)逐步向被動大陸邊緣演化，構造環(huán)境相對穩(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大陸邊緣影響，弧后發(fā)生擠壓和抬升(“芹峪抬升”)，導致鐵嶺組發(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)生強烈的伸展與斷陷，沉積了下馬嶺組濱淺海至淺海陸棚細粒碎屑巖系，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起又開始裂解，并造成區(qū)內新元古界青白口系長龍山組的超覆沉積和景兒峪組濱淺海碳酸鹽巖臺地的形成。

圖2 冀北坳陷構造沉積演化簡圖Fig.2 Tectonic and sedimentary evolutions of Jibei Depression

古生代時期，研究區(qū)從早寒武世府君山期開始接受沉積，為碳酸鹽巖層系，在早、中奧陶世時發(fā)育陸表海碳酸鹽巖沉積，中奧陶世末期的加里東運動，導致研究區(qū)整體抬升，持續(xù)時間較長，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、泥盆紀和早石炭世的沉積，沉積間斷達 130 Ma，直至晚石炭世再次接受沉積。海西運動在區(qū)內主要表現(xiàn)為輕緩的震蕩運動，形成了淺海及臺地相碳酸鹽巖沉積以及濱海平原和海陸交互相含煤沉積。

三疊紀末的印支運動在研究區(qū)以褶皺作用為主，以張家營—叨爾登斷裂為界，斷裂以西的冀北地區(qū)褶皺軸向以東西向為主；而斷裂以東的遼西地區(qū)褶皺軸向為北東向。這次褶皺的幅度不大，地形高差較小，但印支運動影響廣泛，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系。侏羅紀—白堊紀的燕山運動，以斷裂、褶皺活動和強烈的巖漿活動為主，可分為5個構造幕，每個構造幕由前期的拉張階段和后期的擠壓階段組成。拉張階段斷裂強烈活動，形成斷陷盆地并導致火山作用，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，巖漿侵入活動和沖斷活動相伴出現(xiàn)。

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

在上述區(qū)域構造沉積演化背景下，冀北坳陷北部卸甲營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較好，而隨著中新生界地層的沉積，中元古界富有機質泥頁巖進一步熟化，可形成新的油氣藏[1]，這也為中元古界富有機質泥頁巖層系形成頁巖油奠定了基礎。

2.2 富有機質泥頁巖發(fā)育特征、品質與成熟度

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)育了一套以黑色頁巖、白云質泥巖、泥質白云巖、白云巖為主的巖性組合，且黑色頁巖富含有機質,是中國大陸最古老的富有機質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個巖性段，下段以淺灰色泥質白云巖、灰色頁巖、硅質頁巖互層為特征，中段則以黑色、深灰色頁巖為主，上段主要為淺灰色泥晶白云巖、泥質白云巖，總厚度為71～130 m，其中富有機質(TOC大于2.0%)泥頁巖厚度為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果，綜合孫樞等[17]和張新生等[19]研究結果以及區(qū)域地質背景，編制了冀北坳陷洪水莊組富有機質泥頁巖厚度等值線圖(圖4)，明確了洪水莊組富有機質泥頁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期存在一北西向水下隆起影響[16]，導致除該區(qū)帶洪水莊組富有機質泥頁巖的厚度小于45 m外,黨壩凹陷的其他區(qū)域推斷富有機質泥頁巖的發(fā)育厚度一般均在50 m以上。洪水莊組富有機質泥頁巖厚度大、分布穩(wěn)定，可為頁巖油形成提供豐富的物質基礎。

圖3 冀北坳陷冀淺1井洪水莊組巖性與地球化學綜合柱狀圖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質頁巖厚度與等效鏡質體反射率等值線圖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質頁巖厚度Table 1 Thickness of Mesoproterozoic Hongshuizhuang Formation and organic-rich shale from wells and outcrop sections in Jibei Depression

考慮到露頭剖面風化作用強，對烴源品質影響大，故本文依據(jù)冀淺1井洪水莊組取心段典型巖性熱解實測分析結果和文獻[16]中元基2井洪水莊組典型巖性熱解分析結果，對洪水莊組泥頁巖的品質進行了分析。兩口鉆井分析結果表明，洪水莊組黑色頁巖TOC含量主要介于1.0%～6.8%，平均高達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，反映富有機質頁巖在侵入巖高溫烘烤作用影響下，局部會導致其TOC顯著降低，生烴潛力耗盡。冀淺1井洪水莊組黑色頁巖熱解氫指數(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，洪水莊組黑色頁巖有機質類型以Ⅱ1、Ⅱ2型為主(圖6)，與典型海相富有機質烴源巖的有機質類型一致。中元古代時期高等植物尚未發(fā)育，海洋中有機質生源單一，以發(fā)育低等浮游生物為主[16]。洪水莊組黑色頁巖有機巖石學分析揭示，原生顯微組分包括殼質組、腐泥組和類鏡質組[3]。綜上分析，冀北坳陷中元古界洪水莊組黑色頁巖為一套富有機質的好—極好烴源巖，具備形成規(guī)模頁巖油的能力。

圖5 冀北坳陷中元古界洪水莊組泥頁巖總有機碳含量(TOC)和生烴潛量 (S1+S2)的關系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型頁巖油甜點區(qū)分布的重要因素[20]，其不僅制約著基質型頁巖油的富集與分布，而且控制著頁巖油組分、可動性以及頁巖的儲集性與可壓性等。北美投入大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的海相頁巖油區(qū)帶剖析揭示，優(yōu)質烴源巖的熱演化程度主要處于生油高峰期至輕質油—凝析油氣階段，如墨西哥灣盆地Eagle Ford組頁巖油產量主要來自成熟度Ro為1.10%～1.30%的區(qū)域，屬與濕氣伴生的輕質油和凝析油[18]；甜點區(qū)成熟度Ro界限為0.85%～1.50%[20]。鐘寧寧等[21]研究表明，無結構藻類體Ro和類鏡質體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)，其有機質的真實熱演化程度可以通過換算為等效鏡質體反射率EqVRo表示。冀北坳陷洪水莊組有機質的等效鏡質體反射率(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，則處于過成熟度階段(等效鏡質體反射率已達2.40%以上)(圖4)。同時，冀淺1井洪水莊組富有機質黑色頁巖典型樣品的熱解峰溫Tmax值主要處于442～454 ℃，平均為446 ℃(圖3)，相對應的等效鏡質體反射率(EqVRo)為0.80%～1.00%，平均0.90%(圖6b)。另外，冀淺1井富有機質頁巖樣品的瀝青反射率Rb最高值為0.78%，等效鏡質體反射率(EqVRo)為0.88%。很顯然，盡管洪水莊組富有機質頁巖地層時代古老，但未遭受侵入巖侵位影響的地區(qū)，現(xiàn)今有機質熱演化仍處于生油高峰期至高成熟度的早期階段，為頁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質頁巖有機質類型圖解Fig.6 Organic matter types of organic rich shale of Mesoproterozoic Hongshuizhuang Formation in Jibei Depression

2.3 富有機質頁巖儲集物性與孔隙結構特征

冀北坳陷洪水莊組黑色頁巖典型樣品基質孔隙度與脈沖法基質滲透率分析結果如圖7所示?？梢姾樗f組富有機質頁巖基質孔隙度較低，主要介于1.0%～8.0%，平均4.7%，與純頁巖儲層孔隙度一般為4.0%～6.0%[22]相接近；基質滲透率很低，主要介于(2～100) ×10-6μm2，與郝石生等[23]的分析結果[洪水莊泥頁巖滲透率主要介于(1～260) ×10-6μm2]基本一致，比北美西墨西哥灣盆地Eagle Ford頁巖的滲透率主要介于(100～1 500) ×10-6μm2[24]還低，反映黑色頁巖總體很致密，基質滲透能力弱，只有在微裂縫或人工壓裂有效改造下，才會形成有效滲流能力。同時，利用壓汞與氮吸附聯(lián)合分析技術對冀淺1井典型黑色頁巖樣品開展孔隙結構分析揭示(圖8)，富有機質黑色頁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果表明，洪水莊組頁巖孔隙類型以無機礦物殘余粒間孔、黏土礦物晶間孔、磷灰石球粒粒內溶孔、高鎂方解石等粒內微裂縫、無機礦物顆粒與有機質之間粒緣縫為主，有機質顆粒中有機孔總體不發(fā)育，僅在少量有機質中發(fā)育有機孔。因此，無機孔縫是冀北坳陷洪水莊組富有機質頁巖層段頁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質頁巖基質孔滲圖解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質頁巖孔隙結構a.冀淺1井，127.23 m，黑色頁巖；b.冀淺1井，131.10 m，黑色頁巖；c.冀淺1井，137.28 m，黑色頁巖；d.冀淺1井，155.00 m，黑色頁巖；e.冀淺1井，172.80 m，黑色頁巖；f.冀淺1井，189.58 m，黑色硅質巖Fig.8 Pore structure of typical organic matter rich shale of Mesoproterozoic Hongshuizhuang Formation in Jibei Depression

2.4 富有機質頁巖含油氣性特征

泥頁巖含油氣性表征方法主要包括有機地球化學方法和巖心物理方法兩類[25-33]，由于有機地球化學方法既快速又經濟，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巖含油氣性表征最實用的方法，尤其是熱解游離烴S1[26-30]。泥頁巖樣品的含油氣性分析結果影響因素復雜，除與泥頁巖本身的有機質豐度、有機質類型和熱演化程度有關外，由于賦存于泥頁巖中的氣態(tài)烴和輕烴在常溫、常壓下極易逸散損失，以及頁巖中滯留油在近地表、地表或室內長期放置會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、放置時間長短、儲集物性與孔隙結構特征以及碎樣方式、碎樣后分析的及時性等密切相關。因此，頁巖樣品實測含油氣性分析結果往往較地質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巖樣品均已遭受了復雜的物理化學風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)內冀淺1井、元基2井取心段巖心熱解分析結果，并結合前人含氣量分析結果來進行評價。但巖心樣品取樣分析時也已放置近9年，故實測分析獲得的游離烴S1[0.40～1.6 mg/g，平均為1.0 mg/g(圖9a)]已無法真實地反映其在地質條件下的原位含量，同樣需要進行校正。前期對富有機質、特低滲泥頁巖新鮮樣品與放置5個月后樣品的熱解游離烴S1對比研究揭示，長期放置后游離烴S1損失恢復系數(shù)介于1.33～1.89，平均為1.50[34-35]。對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質灰質泥頁巖的研究表明，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型頁巖油已取得規(guī)模突破[37]，這為本次研究洪水莊組巖心樣品熱解S1恢復系數(shù)的確定提供了依據(jù)?？紤]到洪水莊組巖心樣品已放置9年，故針對洪水莊組巖心樣品熱解游離烴S1采用恢復系數(shù)4.0進行恢復(圖9b)?？梢?，當頁巖的TOC含量小于2.0%時，恢復后熱解游離烴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；當頁巖的TOC含量大于2.0%時，恢復后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]對冀淺1井和冀元1井洪水莊組典型黑色頁巖殘余氣態(tài)烴含量定量分析揭示，洪水莊組黑色頁巖殘余氣態(tài)烴含量較高，介于0.13～0.24 m3/t，高于蘇北盆地阜二段頁巖油富集層段典型樣品在鉆井現(xiàn)場分析的氣態(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質頁巖具有較好的含油氣性和一定的頁巖油資源潛力。

圖9 冀北坳陷中元古界洪水莊組典型富有機質頁巖游離烴S1恢復前后與TOC的關系Fig.9 TOC vs. S1 before and after recovery of typical organic matter rich shale of Mesoproterozoic Hongshuizhuang Formation in Jibei Depression

2.5 富有機質頁巖可壓性與頁巖油保存

富有機質頁巖的全巖礦物組成是影響頁巖可壓性的關鍵因素[39-41]。冀北坳陷冀淺1井和野外露頭洪水莊組富有機質頁巖典型樣品全巖礦物組成分析結果(表2)表明，洪水莊組富有機質頁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、鉀長石、斜長石、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質頁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質頁巖礦物組成Table 2 Mineral compositions of organic matter rich shale of Mesoproterozoic Hongshuizhuang Formation in Jibei Depression

同時，冀淺1井等取心段洪水莊組富有機質泥頁巖局部微裂縫異常發(fā)育，并被白云石脈和石英脈充填[38]，反映在地質條件下洪水莊組富有機質泥頁巖脆性較好，容易破裂，進一步說明洪水莊組富有機質頁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囗搸r層系頁巖油得以有效保存的關鍵必要條件，致密頂?shù)装逡灾旅芑規(guī)r或頁巖為主[18, 42-43]。冀北坳陷洪水莊組富有機質頁巖的頂板為洪莊水組上部的致密泥質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白云巖、泥巖和霧迷山組致密白云巖、灰?guī)r。但在斷裂構造發(fā)育區(qū)，裂縫系統(tǒng)溝通洪水莊組富有機質頁巖層系與上、下致密頂?shù)装?，受此影響，則容易導致洪水莊組富有機質層系的頁巖油發(fā)生散失與運移，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。因此，在裂縫系統(tǒng)欠發(fā)育的凹陷帶(洼陷區(qū))，應是洪水莊組富有機質頁巖層系頁巖油保存條件相對較有利的地區(qū)。

3 頁巖油資源潛力與勘探前景探討

頁巖油地質資源量的評價方法與常規(guī)油氣類似，也可分為動態(tài)法和靜態(tài)法。由于全球范圍內除美國外，對于頁巖油的研究仍處于勘探評價階段，因此，目前國內頁巖油地質資源量評價的方法主要是靜態(tài)法，如類比法、統(tǒng)計法和成因法[44]。基于研究區(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，對冀北坳陷洪水莊組富有機質頁巖層段的頁巖油地質資源量進行估算，估算公式參考文獻[45]，具體如下：

Q=AHρS1K/100

式中：Q為頁巖油資源量，104t；A為評價單元有效面積，km2；H為富有機質頁巖厚度，m；ρ為含油泥頁巖密度，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、野外剖面露頭結合區(qū)域地質資料(重點1∶20萬區(qū)域地質圖)，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%的富有機質頁巖厚度主要介于35～55 m，平均45 m(圖4)；富有機質泥頁巖密度取2.55 t/m3；游離烴S1平均1.0 mg/g；S1校正系數(shù)K取4.0。計算結果表明，冀北坳陷洪水莊組富有機質頁巖層段頁巖油地質資源量為120 258×104t，即約為12×108t。北美頁巖油開發(fā)實踐結果表明，頁巖油可采系數(shù)一般在5%～7%[34]，本文取可采系數(shù)6%計算，則冀北坳陷洪水莊組富有機質頁巖層段的可采頁巖油資源量為0.72×108t，說明冀北坳陷洪水莊組富有機質頁巖具有一定的頁巖油資源潛力。

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巖有機質豐度高、有機類型與典型海相富有機質烴源巖的有機質類型一致，以Ⅱ1、Ⅱ2型為主，等效鏡質體反射率主要處于0.80%～1.20%，熱演化程度適中，頁巖油地質資源量約為12×108t，可采資源量為0.72×108t，具備開展頁巖油勘探的資源基礎。區(qū)內探井巖心富有機質泥頁巖熱解游離烴含量經恢復后普遍大于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)頁巖油的一定潛力。另外富有機質泥頁巖上下發(fā)育致密白云巖或泥質白云巖頂?shù)装澹跀嗔严到y(tǒng)相對不發(fā)育的位置保存條件優(yōu)越；孔隙度與國內外頁巖型頁巖油儲層基本一致，盡管基質滲透率極低，但洪水莊組泥頁巖脆性礦物含量高(70%左右)，易于壓裂改造形成有效縫網。因此，綜合評價認為，冀北坳陷洪水莊組富有機質泥頁巖層段應具有較好的基質型頁巖油勘探前景。

4 結論

(1)冀北坳陷洪水莊組中部潟湖相黑色泥頁巖厚度主要介于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；有機質類型以Ⅱ1、Ⅱ2型為主，為一套富有機質的好—優(yōu)質烴源巖，具備形成規(guī)模頁巖油的物質基礎；有機質的等效鏡質體反射率(EqVRo)主要介于0.80%～1.25%，平均為1.10%，處于頁巖油滯留富集的最佳熱演化階段。

(2)洪水莊組富有機質泥頁巖孔隙度主要介于1.0%～8.0%，平均4.7%，基質滲透率很低，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；無機孔縫是冀北坳陷洪水莊組富有機質頁巖層段頁巖油的主要賦存空間。

(3)洪水莊組富有機質泥頁巖熱解游離烴S1含量經恢復后普遍大于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)頁巖油的一定潛力，并且富有機質泥頁巖上下發(fā)育致密白云巖或泥質白云巖頂?shù)装?，在斷裂系統(tǒng)相對不發(fā)育的位置保存條件優(yōu)越；孔隙度與國內外頁巖型頁巖油儲層基本一致，盡管基質滲透率極低，但洪水莊組富有機質頁巖脆性礦物含量高(平均介于61.9%～72.3%)，易于壓裂改造形成有效縫網。

(4)冀北坳陷洪水莊組富有機質頁巖型頁巖油地質資源量約為12×108t，可采資源量為0.72×108t，具備針對洪水莊組富有機質泥頁巖開展頁巖油勘探的資源基礎，具有較好的基質型頁巖油勘探前景。