地质通报  2019, Vol. 38 Issue (2-3): 404-413  
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王浩, 任收麦, 周志, 王胜建, 刘一珉, 葛明娜, 郭天旭, 侯啓东, 金继浩. 华北燕山地区中—新元古界油气勘查形势[J]. 地质通报, 2019, 38(2-3): 404-413.
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Wang H, Ren S M, Zhou Z, Wang S J, Liu Y M, Ge M N, Guo T X, Hou Q D, Jin J H. Oil and gas exploration status analysis of the Meso-Neoproterozoic strata in Yanshan area, North China[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(2-3): 404-413.
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基金项目

国家自然科学基金项目《松嫩和佳木斯地块晚古生代构造重建:来自古地磁的约束》(批准号:41472197)和华北油田分公司勘探开发生产前期综合性科技项目《冀北中—新元古界有利区评价及突破口选择》

作者简介

王浩(1993-), 男, 在读硕士生, 应用构造地质学专业。E-mail:1297608879@qq.com

通讯作者

任收麦(1973-), 男, 博士, 研究员, 从事构造地质学和油气地质研究。E-mail:realshaw@vip.sina.com

文章历史

收稿日期: 2018-08-31
修订日期: 2018-12-20
华北燕山地区中—新元古界油气勘查形势
王浩1,2 , 任收麦3 , 周志2 , 王胜建2 , 刘一珉1,2 , 葛明娜2 , 郭天旭2 , 侯啓东1,2 , 金继浩1     
1. 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083;
2. 中国地质调查局油气资源调查中心, 北京 100083;
3. 中国地质调查局, 北京 100037
摘要: 东西伯利亚、阿曼和中国四川盆地等地中—新元古界油气勘探开发已获成功,表明中—新元古界是一个值得勘查的油气新层系。中国燕山地区中—新元古界烃源岩发育,具有良好的油气勘探前景,前人在该地区进行了调查研究,但尚未取得实质性勘探突破。在总结燕山地区中—新元古界的油气勘查进展、研究烃源岩有机地球化学特征、分析烃源岩生烃潜力和评估资源前景的基础上,提出准确落实中—新元古界构造稳定区、加强油气资源保存条件研究、以页岩气为主的资源勘查等工作建议,为国家油气资源战略选区提供了科学参考。
关键词: 燕山地区    中—新元古界    油气勘查    页岩气    
Oil and gas exploration status analysis of the Meso-Neoproterozoic strata in Yanshan area, North China
WANG Hao1,2, REN Shoumai3, ZHOU Zhi2, WANG Shengjian2, LIU Yimin1,2, GE Mingna2, GUO Tianxu2, HOU Qidong1,2, JIN Jihao1     
1. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
2. Oil & Gas Survey Center, China Geological Survey, Beijing 100083, China;
3. China Geological Survey, Beijing 100037, China
Abstract: The oil and gas of the Meso-Neoproterozoic strata in East Siberia, Oman and Sichuan Basin of China have been explored successfully, which indicates that the Meso-Neoproterozoic strata seem to be a series of oil-gas source strata which are worthy of attention. The Meso-Neoproterozoic source rocks in Yanshan area of China are well developed, which shows good prospects for oil and gas exploration. Previous studies have been carried out in this area without substantial breakthrough in the exploration. In this paper, the authors summed up the oil and gas exploration progress of the Meso-Neoproterozoic strata in Yanshan area, studied the organic geochemical characteristics of source rocks, analyzed the hydrocarbon generation potential of source rocks and evaluated the resources potentiality. Furthermore, the authors suggest that it is necessary to find the stable tectonic conditions of the MesoNeoproterozoic strata accurately, to strengthen the research on the preservation conditions of oil and gas resources and focus on the shale gas-based resources exploration.
Key words: Yanshan area    Meso-Neoproterozoic    oil and gas exploration    shale gas    

近年来,前寒武纪地层中潜在的油气资源引起广泛关注,东西伯利亚、阿曼地区和中国四川盆地的中—新元古界油气资源勘探取得重大突破。在西伯利亚克拉通面积350×104km2、烃源岩厚30~ 295m的区域内,油气探明和控制地质储量总计达22.36×108t油当量[1]。在阿曼Dhahaban含油气系统面积5×104km2、烃源岩厚达80m的区域内,石油探明储量达16 × 108m3,天然气探明储量达10000 × 108m3,年产石油达3000×104t [2-3]。在中国四川盆地高石梯地区震旦系灯影组面积3474 km2、储层厚度达90m的区域内,天然气探明地质储量达3698× 108m3,其中高石1井灯影组二段获日产102×104m3的高产气流[4]。在湖北宜昌地区震旦系陡山沱组面积1024km2、储层厚度达131m的区域内,页岩气地质资源量高达3.6×1012m3,鄂阳页1井压裂改造后日产气量高达5460m3/d[5-6]。这表明中—新元古界具有丰富的油气勘探潜力。

20世纪60年代以来,燕山地区中—新元古界引起了广大石油地质学者的兴趣和重视。调查研究表明,燕山地区发育洪水庄组、下马岭组等6套烃源岩,最大累计厚度超过1000m,碳酸盐岩和泥页岩TOC分别为0.2%~0.3%和0.5%~2.8%,热演化程度介于0.8%~2.2%之间[7-14];发育雾迷山组、铁岭组2套碳酸盐岩储层和2套主要的生储盖组合,野外发现油苗点223处,主要分布于宣龙、冀北和辽西坳陷[15-16]。北京地质调查研究院在北京采育镇凤河营村实施地热井——兴热9井,在井深3623m的雾迷山组获日产气1500m3,天然气占比40%。这表明燕山地区中—新元古界具有较好的油气勘查前景。因此,本文结合野外地质调查、总结前人研究资料,分析燕山地区中—新元古界油气勘查形势,评价烃源岩的生烃潜力,为进一步的油气勘探提供建议。

1 地质背景

研究区北邻中亚造山带,横跨冀、京、津、辽两省两市,面积约10.6×104km2。大地构造位置处于华北地台北部地区的燕山中生代板内造山带东段,是燕山板内造山带由近东西向北东构造方向的转换部位[15],区内主要发育2组断裂,其中近东西向的崇礼-赤城和承德-平泉断裂为燕山造山带与中亚造山带的分界断裂,在元古宙和太古宙时已形成,燕山期又强烈活动,属长期发育的高角度逆断层,对区域沉积作用、构造演化及岩浆活动起控制作用;北东向断裂自西向东发育鸡鸣山断裂、紫荆关断裂、沿河城断裂、高丽营-大灰厂断裂、铁门关断裂、凌源-喜峰口断裂等多组高角度正断层,其中鸡鸣山断裂、紫荆关断裂、沿城河断裂、高丽营-大灰厂断裂主要在燕山期活动,凌源-喜峰口断裂在印支期形成,燕山期进一步活动,铁门关断裂为长期活动断裂,最早形成于长城纪[8]。受断裂边界控制,燕山地区构造格局可划分为2个古隆起和5个古坳陷:密怀隆起、山海关隆起、宣龙坳陷、京西坳陷、冀东坳陷、冀北坳陷和辽西坳陷(图 1)。

图 1 燕山地区中—新元古界地质简图[15] Fig.1 Geological map of the Meso-Neoproterozoic strata in Yanshan area

燕山地区中、新元古界自下而上发育中元古界长城系、蓟县系、下马岭组和新元古界青白口系(图 2)。长城系包括常州沟组、串岭沟组、团山子组和大红峪组,为一套浅海碎屑岩和碳酸盐岩组合,沉积厚度大于2600m;蓟县系包括高于庄组、杨庄组、雾迷山组、洪水庄组和铁岭组,下部主要发育碳酸盐岩沉积含燧石条带,上部主要发育碳酸盐岩沉积夹灰黑色页岩,厚度达6000m;下马岭组主要发育灰黑色、黄绿色页岩,厚度最大可达300m;青白口系包括骆驼岭组和景儿峪组,岩性以砂岩和页岩为主,夹少量碳酸盐岩,厚度小于400m。长城纪,燕山地区处于由陆地向浅海过渡的沉积环境,发育水进沉积旋回;蓟县纪,燕山地区整体处于浅海到深海的沉积环境,发育2套水进沉积旋回;下马岭期,燕山地区处于中浅海沉积环境,海水深度发生变化;青白口纪,燕山地区整体仍处于中浅海沉积环境,海水逐渐变浅,并伴随陆源碎屑物质的持续供给。

图 2 燕山地区中—新元古代地层沉积柱状图[15, 17-18] Fig.2 Histogram of the Meso-Neoproterozoic strata in Yanshan area
2 油气地质特征

燕山地区中—新元古界主要发育6套烃源岩层系,分别为串岭沟组和洪水庄组页岩,高于庄组和雾迷山组碳酸盐岩,以及铁岭组和下马岭组页岩和碳酸盐岩。

2.1 烃源岩生烃潜力评价

燕山地区中—新元古界烃源岩研究表明,下马岭组页岩TOC值较高,S1+S2值高,评价为好烃源岩,有机质热演化主要处于低成熟-成熟阶段,以生油为主。铁岭组页岩TOC值和S1+S2值较高,评价为好烃源岩;碳酸盐岩TOC值和S1+S2值较低,评价为较差烃源岩,有机质热演化处于成熟阶段,以生油为主。洪水庄组页岩TOC值高,S1+S2值较高,评价为好烃源岩,有机质热演化主要处于成熟-高成熟阶段,以生油为主。雾迷山组碳酸盐岩TOC值低,S1+S2值较低,评价为差烃源岩,有机质热演化处于成熟阶段,以生油为主。高于庄组碳酸盐岩TOC值较低,S1+S2值较高,评价为较差烃源岩,有机质热演化处于成熟-高成熟阶段,以生成湿气为主。串岭沟组TOC值较低,S1+S2值低,评价为差烃源岩,有机质热演化主要处于高-过成熟阶段,生烃潜力低(表 1)。

表 1 燕山地区中—新元古界烃源岩地球化学特征[7-14, 19-21] Table 1 Geochemical characteristics of the Meso-Neoproterozoic source rocks in Yanshan area

冀北坳陷热演化处于生油晚期,有机质丰度较高,其中洪水庄组、铁岭组和下马岭组在该坳陷分布广、厚度大、保存好、有机质丰度高,表明冀北坳陷具备良好的生烃条件。宣龙坳陷热演化处于成熟阶段中-晚期,各烃源岩层系均具生烃潜力,作为下马岭组的沉积-沉降中心,宣龙坳陷下马岭组发育齐全,含多层页岩、油页岩烃源岩层,有机碳含量为全区最高[22-23]。京西坳陷热演化处于高-过成熟阶段,各烃源岩层有机质丰度较低,仅下马岭组有机碳含量高,可作为页岩气勘查目的层,其他层段生烃潜力较差。冀东坳陷热演化处于高成熟阶段,其中洪水庄组显示出一定的生烃潜力,铁岭组和下马岭组丰度低,生烃能力较差,从地层的厚度和分布分析,冀东坳陷生烃能力低。辽西坳陷热演化主要处于高成熟早期阶段,洪水庄组、铁岭组和下马岭组有机碳含量较高,前两者具有较大生油能力,后者具有较大生气潜力(图 3)。

图 3 燕山地区中—新元古界烃源岩TOC和Ro分布[7-14] Fig.3 Distribution of TOC and Ro of the Meso-Neoproterozoic source rocks in Yanshan area a—燕山地区各坳陷各组烃源岩TOC分布图;b—燕山地区各坳陷各组烃源岩Ro分布图
2.2 储层类型及特征

中—新元古界储层岩石类型主要为碳酸盐岩,其次为页岩。其中碳酸盐岩成岩程度高,岩石致密性强[11]。碳酸盐岩储层岩石类型又可细分为凝块石白云岩、叠层石白云岩、灰岩、核形石白云岩、层纹白云岩等(图 4-a)。纵向上,碳酸盐岩储层主要分布在铁岭组上部、雾迷山组四段和三段、高于庄组三段和一段(表 2)。其中,蓟县系铁岭组和雾迷山组藻粒结构碳酸盐岩、结晶白云岩是燕山地区的最佳储层[23-24],其油气成藏意义已得到证实,在双洞和化皮古油藏残迹中及华北油田潜山油藏中为主力含油层。碳酸盐岩储层原生孔隙保留程度低,经成岩及后生改造作用,有效储集空间主要为次生孔隙,包括溶洞、溶孔(晶间溶孔、晶内溶孔、粒间溶孔、藻溶孔等)等(图 5-b),其次为裂缝(图 5-a)。

图 4 张家口荞麦川地区雾迷山组层纹白云岩(a)和宣化怀来下马岭组黑色页岩(b)野外照片 Fig.4 Field photos of laminated dolomite of Wumishan Formation in Qiaomaichuan area, Zhangjiakou (a), and black shale of Xiamaling Formation in Huailai, Xuanhua(b)
表 2 燕山地区中—新元古界碳酸盐岩纵向分布 Table 2 Vertical distribution of the Meso-Neoproterozoic carbonate rocks in Yanshan area
图 5 燕山地区中—新元古界白云岩、页岩孔隙和裂缝特征 Fig.5 The pore and fracture characteristics of the Meso-Neoproterozoic dolomite and shale in Yanshan area a—张家口荞麦川雾迷山组藻凝块白云岩溶孔;b—张家口荞麦川雾迷山组藻凝块白云岩裂缝;c—张家口荞麦川地区下马岭组页岩矿物间微裂隙;d—冀浅1井洪水庄组泥页岩有机质孔

页岩储层主要发育于洪水庄组和下马岭组(图 4-b)。利用扫描电镜对页岩孔隙结构进行观察,结果显示页岩孔隙较发育,主要类型包括微裂缝、有机质孔、矿物溶蚀孔隙、矿物粒间孔等(图 5-cd)。页岩微孔隙直径一般为0.5~1μm,部分为1~5μm,微裂缝宽度一般为10~20μm,微孔隙呈蜂窝状分布,表明燕山地区中元古界页岩储集物性较好。

燕山地区中—新元古界泥页岩具有良好的后期压裂改造条件。中元古界洪水庄组和下马岭组页岩样品X衍射全岩数据表明,脆性矿物含量为45.8%~88%,平均值为66.8%,以石英和斜长石为主,含量在30.2%~85.1%之间(图 6-a);粘土矿物含量12%~55.2%,平均值为29.7%,以伊/蒙混层和伊利石为主,伊利石含量6%~31%,平均值为19.7%(图 6-b)。矿物成分特征表明,燕山地区下马岭组、洪水庄组富有机质页岩脆性矿物含量丰富,粘土矿物演化程度高,以稳定矿物为主,蒙皂石等膨胀性粘土矿物含量较低。与中国南方地区页岩气勘探开发主力层系上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组优质层段页岩相比[25],燕山地区洪水庄组、下马岭组黑色页岩岩石矿物组成相似,石英等脆性矿物含量高,利于后期压裂改造。

图 6 燕山地区中元古界页岩矿物组成 Fig.6 Mineral composition of the Mesoproterozoic shale in Yanshan area a—燕山地区中-新元古界页岩全岩矿物含量;b—燕山地区中-新元古界页岩粘土矿物含量
2.3 盖层评价

燕山地区中—新元古界盖层条件良好。盖层主要分布于下马岭组、蓟县系洪水庄组和高于庄组、长城系串岭沟组等泥岩发育段。其中,下马岭组和洪水庄组泥岩集中发育段为燕山地区中—新元古界最好的封盖层。下马岭组和洪水庄组残留厚度依次为0~500m、0~180m,泥质岩所占厚度比为40%~97%、40%~100%。盖层连片覆盖区主要为冀北坳陷、京西坳陷、宣龙坳陷(表 3)。另外,洪水庄组与下马岭组泥页岩主要为黑色页岩,大部分地区沉积厚度大于100m,渗透率均低于10-6μm2,含粉砂的泥页岩渗透率介于(10-4~10-5)×10-3μm2之间,说明其具有很好的油气封闭性(表 4)。

表 3 燕山地区中—新元古界主要盖层数据 Table 3 Cap rocks data of the MesoNeoproterozoic main covers in Yanshan area
表 4 洪水庄组和下马岭组盖层垂向渗透率数据 Table 4 The vertical permeability data of cap rocks of Hongshuizhuang Formation and Xiamaling Formation
2.4 生储盖组合

燕山地区由于后期处于隆升阶段,中—新元古界分布局限,油气藏属于早期形成的古油藏,其生储盖组合主要属自生自储自盖型。

燕山地区雾迷山组(生、储)-洪水庄组(生、盖)组合为一套较有利的油气组合。2组组合中的泥页岩均可作为有效的油气源岩,雾迷山组顶部发育较好的溶蚀带,具备有利的储集条件;上覆洪水庄组泥页岩有较好的封闭性能,能起盖层作用,该组合为一套有利的生储盖组合。其平面分布主要受控于盖层,即洪水庄组泥页岩残留地层分布范围的限制,主要分布于承德平泉、兴隆,天津蓟县和北京十三陵区[9]

上部洪水庄组(生)、铁岭组(生、储)、下马岭组(生、盖)为另一套有利的油气组合。3组地层均可提供油气源,油气源充足,铁岭组储集条件和下马岭组盖层条件较好,构成了非常有利的生储盖配置关系。该套组合主要分布于承德平泉、兴隆,冀中坳陷北部与张家口下花园区,平面分布的主要影响因素为盖层分布的范围和烃源岩的质量[9]

2.5 资源潜力估算

中—新元古界主要生烃地区在冀北坳陷、冀东坳陷北部和京西坳陷。初步的油气资源评价数据表明[26],燕山地区中—新元古界生烃强度大于50× 104t/km2的面积超过16×104km2,发育天津蓟县、河北宽城2个生烃中心,总生烃量为1227.01×108t,生油量为941.01×108t,以生油为主,资源潜力巨大。

3 油气勘查现状 3.1 油气勘查进展

在燕山地区中—新元古界,液态油苗与固体沥青广泛发育,主要分布于冀北坳陷,其次为宣龙坳陷和辽西坳陷(图 1)。以冀北坳陷为例,总计发现液态油和固体沥青组成的油苗点115处,其中产自中元古界的油苗点98处(有超过76%的油苗、沥青点主要集中于中元古界蓟县系雾迷山组和铁岭组)(表 5),这与燕山地区2套主要的生储盖组合中雾迷山组和铁岭组作为主要储集层吻合。

表 5 燕山地区冀北坳陷油苗类型与产层分布信息[15-16] Table 5 Seepage types and distribution in the northern Hebei Depression in Yanshan area

钻探结果进一步表明,燕山地区中—新元古界具有较好的油气资源潜力。在冀北坳陷宽城、平泉、承德等地区已实施的双1井、化1井、冀浅1井、冀浅2井、宽1井、冀元1井和在京西坳陷凤河营地区已实施的京101井、兴热9井共8口井钻遇中—新元古界油气显示(图 1)。其中,双1井在雾迷山组见0.8m油斑显示,54.6m荧光显示;化1井在雾迷山组见86.7m油斑显示,189.2m荧光显示,在147m的井段综合解释差油层4层57m,含油层4层24m;冀浅1、冀浅2在雾迷山组、洪水庄组和铁岭组发现大量油气显示,取心可见原油外渗;宽1井在685.6~773m井段取心见油斑29层25m,荧光6层2m,测井解释显示含油层段为125m;冀元1井分别在铁岭组2376~2379m有荧光1层3m和洪水庄组2411~ 2413m有荧光1层2m;京101井在洪水庄组2392~ 3423m有荧光2层8m;兴热9井在井深3623m的雾迷山组获日产气1500m3,天然气占比40%。

3.2 油气成藏耦合关系

燕山地区中—新元古界沉积至今,经历了多期构造运动,总体热演化程度较低,具有一定的油气勘探前景。勘探实践证实,烃源岩生烃演化史与构造运动史(特别是晚期构造运动)之间的耦合关系对油气/页岩气富集成藏非常重要[27-28]。新元古代中—晚期至寒武纪之前,燕山地区整体长期隆起,处于沉积间断或隆升剥蚀阶段,中—新元古界有机质热演化作用基本处于停滞状态。寒武纪—二叠纪末期,燕山地区整体处于缓慢而稳定的沉降,受较低的古地温梯度影响[8],大部分地区烃源岩处于未成熟阶段,如洪水庄组烃源岩埋深接近3000m,热演化程度仍处于低成熟阶段,未进入“生油窗”范畴。二叠纪末期—三叠纪末期,燕山地区在印支运动作用下发生剧烈抬升,中元古界的古地温再次回升,在三叠纪晚期达到最高值,烃源岩热演化程度升高,烃源岩开始进入“生油窗”,在成岩早期的微-细晶矿物或微裂隙中可见黑色液烃包裹体或沥青包裹体, 无荧光显示,代表成熟度较低的油气活动[29]。侏罗纪末期,中元古界烃源岩逐渐进入成熟阶段中期或晚期,烃源岩进入生油高峰,形成成熟度较高的中-轻质古油藏[29]。白垩纪至今,燕山运动和喜马拉雅运动使燕山地区中—新元古界遭受强烈的褶皱回返,尤其是喜马拉雅运动张扭性断裂使燕山地区发生差异性升降,北部地区冀北坳陷、宣龙坳陷等大幅隆升,造成大部分烃源岩生烃终止,早期形成的古油藏遭受破坏调整(图 7);而燕山地区南部地区后期持续沉降,烃源岩始终处于生排烃阶段,如京西坳陷、冀东坳陷洪水庄组等烃源岩在侏罗纪末进入成熟阶段中—晚期,后期仍持续沉降接受沉积,有机质进一步热演化,至今仍处于凝析气-干气生成阶段。因此,在燕山地区南部,洪水庄组、下马岭组烃源岩生烃高峰期发生在褶皱、断裂构造形成时或二者在时间上较接近,具备形成原生油气藏的地质条件[8]

图 7 燕山地区冀北坳陷中—新元古界地层生烃演化史与热史[15] Fig.7 Sedimentary history and thermal history of the Meso-Neoproterozoic strata in northern Hebei Depression, Yanshan area
4 结论

(1)燕山地区中—新元古界沉积地层厚度大,分布范围广,烃源岩层系发育,具有较好的生烃潜力,碳酸盐岩和页岩储层发育良好,区域盖层良好,是油气勘查较有利的区域和层系。

(2)燕山地区北部冀北坳陷、宣龙坳陷从白垩纪开始整体抬升,烃源岩生烃作用终止,晚期断裂等构造活动对页岩气藏具有重要的影响。南部的京西坳陷、冀东坳陷后期持续沉降接受沉积,洪水庄组、下马岭组等层系页岩持续生烃,晚期构造对页岩气富集成藏影响较弱,是潜在的有利区。

(3)建议在京西坳陷、冀东坳陷等覆盖区加强页岩气调查评价工作,部署高精度重力航磁测量,落实中—新元古界构造稳定区,实施地质调查井,解析构造、沉积、生烃演化之间的关系,力争获得油气新发现。

致谢: 成文过程中与自然资源部油气资源战略研究中心乔德武研究员、中国地质科学院地质力学研究所张拴宏研究员、中国地质调查局沈阳地质调查中心李永飞高级工程师进行了探讨,在此一并表示感谢。

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