福建省頁巖氣資源潛力分析

陳泉霖，鄧瑞錦，張仰玉，楊生吉，程 喬

(1.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 武漢 430074； 2.福建省煤田地質(zhì)局， 福州 350005；3.福建省煤田地質(zhì)勘查院， 福州 350005)

0 引言

頁巖氣是指以吸附狀態(tài)和游離狀態(tài)為主要形式存在于富有機質(zhì)泥頁巖中的一種非常規(guī)能源[1-4]，是一種低碳、清潔的新興能源。美國頁巖氣成功開發(fā)已經(jīng)引發(fā)全球能源領(lǐng)域的一場革命。我國頁巖氣資源豐富，但勘查開發(fā)較遲。2009年國土資源部在國內(nèi)一些重點地區(qū)開展頁巖氣資源勘查工作，已經(jīng)在重慶涪陵[5]、四川盆地[6]、鄂爾多斯盆地[7]、貴州習(xí)水、鳳岡[8]等地取得重要突破。為了解福建省頁巖氣資源潛力，2014年福建省國土資源廳委托福建省煤田地質(zhì)局開展《福建省頁巖氣資源潛力調(diào)查與評價》工作。此次研究對完善華東地區(qū)頁巖氣資源調(diào)查規(guī)劃布局以及查明福建省頁巖氣資源潛力有重要意義。文章依托研究課題，對福建省頁巖氣資源潛力作出客觀評價。

1 地質(zhì)背景

福建構(gòu)造巖石地層單元分區(qū)三分性比較明顯。閩北地區(qū)主要分布一套前寒武變質(zhì)巖地層。閩東地區(qū)主要分布火山巖、火成巖地層。閩西南拗陷帶主要分布古—中生代沉積巖地層。從頁巖氣成藏影響因素分析，閩北及閩東地區(qū)不具備頁巖氣形成和賦存地質(zhì)條件。閩西南拗陷帶是福建省頁巖氣資源調(diào)查的重點區(qū)域(圖1)。閩西南拗陷帶晚泥盆世—中三疊世沉積期的各時代沉積地層巖性、巖相較為一致，差異不大，基本可對比。在此期間，經(jīng)歷了三次大的海進(jìn)到海退過程，沉積地層特征、沉積相、生物組合等顯示其沉積環(huán)境為穩(wěn)定地臺陸表海盆[9]。中二疊世-早侏羅世的文筆山組(P2w)、童子巖組(P2t)、溪口組(T1x)以及梨山組(J1l)暗色泥頁巖最為發(fā)育，沉積累計厚度一般超過800m，是本次頁巖氣資源潛力評價的重點對象。

閩西南拗陷帶自晚古生代以來，先后經(jīng)歷了華力西-印支、燕山、喜馬拉雅多起構(gòu)造運動的影響。華力西-印支期陸內(nèi)疊合造山，水平擠壓造成褶皺發(fā)育，垂向構(gòu)造運動形成滑覆-推覆系統(tǒng)；燕山期表現(xiàn)為走滑、推覆大規(guī)?；顒訑嗔?，深大斷裂發(fā)育；喜馬拉雅期對中二疊世-早侏羅世的沉積地層影響較小。巖漿活動影響則表現(xiàn)為燕山期最為激烈，該期的火山活動使閩西南拗陷帶內(nèi)沉積地層具有較高的熱演化程度，華力西-印支期、喜馬拉雅期影響較小。構(gòu)造運動使地層完整性受到一定變形破壞，巖漿活動造成部分地層發(fā)生變質(zhì)作用。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點分布圖Figure 1 Study area position and sampling point distributions

2 采樣方法及測試項目

此次調(diào)查采樣是先收集鉆孔柱狀圖，分析鉆孔揭露的地層后，進(jìn)行選擇性采樣；未進(jìn)行全孔系統(tǒng)的采集；部分地區(qū)鉆孔未揭露的地層選擇地表或生產(chǎn)礦井進(jìn)行采樣，采樣主要集中在閩西南拗陷帶內(nèi)(圖1)。共采取樣品307件，其中鉆孔樣品284件，鉆孔采樣深度介于104～1 625m；地表樣品17件，礦井巷道樣品6件。文筆山組樣品85件，童子巖組樣品191件，溪口組樣品24件，梨山組樣品7件。測試分析項目有有機碳含量、干酪根類型鑒定、Ro、礦物組成、孔隙度、滲透率、氮氣吸附實驗。

測試分析項目主要在國土資源部華東礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心(中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心)完成，僅氮氣吸附實驗在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)教育部構(gòu)造與油氣資源重點實驗室完成。

3 泥頁巖地球化學(xué)特征

3.1 有機質(zhì)(TOC)豐度

有機碳(TOC)測試結(jié)果表明(表1)，文筆山組和童子巖組有機碳含量中等。文筆山組有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21%～12.97%，均值為1.59%；童子巖組有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%～14.04%，均值為1.83%。兩組的有機碳含量測試峰值均在1.00%～2.00%。溪口組有機碳含量較低，有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21%～1.17%，均值為0.41%。梨山組有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%～3.19%，均值為1.37%。由此可知，閩西南拗陷帶內(nèi)文筆山組、童子巖組、梨山組有機質(zhì)豐度中等，溪口組有機質(zhì)豐度較差。

表1 目標(biāo)地層基本信息及有機地化特征

3.2 有機質(zhì)類型

4套地層共有75塊泥頁巖樣品進(jìn)行干酪根類型鑒定，文筆山組組20塊、童子巖組44塊、溪口組3塊，梨山組8塊。文筆山組干酪根類型指數(shù)為-78.75～-76.00，童子巖組干酪根類型指數(shù)為-79.50～-74.00，溪口組干酪根類型指數(shù)為-78.25～-70.50，梨山組干酪根類型指數(shù)為-20.25～43.50。干酪根鑒定結(jié)果顯示文筆山組、童子巖組、溪口組均為Ⅲ型干酪根(腐殖型)，最明顯的特征是此3套泥頁巖中均沒有腐泥組，絕大部分是鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，少量殼質(zhì)組。梨山組主要以Ⅱ1(腐殖—腐泥型)型為主，少量Ⅱ2(腐泥殖—腐型)、Ⅲ(腐殖型)型。

3.3 有機質(zhì)成熟度

有機質(zhì)成熟度是表征有機質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化的熱演化反映程度，它不僅可以決定泥頁巖的生烴潛力，還可以影響有機質(zhì)表面的吸附量[11]。此次調(diào)查，文筆山組57塊樣品，有機質(zhì)成熟度為3.96%～4.91%，平均值為4.41%；童子巖89塊樣品，有機質(zhì)成熟度為2.52%～5.80%，平均值為4.69%；溪口組4塊樣品，有機質(zhì)成熟度為2.63%～4.22%，平均值為3.13%；梨山組9塊樣品，有機質(zhì)成熟度為2.60%～3.52%，平均值為3.09%(表1)。在平面上，各組大部分地區(qū)Ro>3.0%，結(jié)果表明，4套地層的有機質(zhì)成熟度普遍較高，處于過成熟演化階段。垂向上，文筆山組與童子巖組測試數(shù)據(jù)較多，各選取取樣數(shù)較多的幾個鉆孔，繪制出鏡質(zhì)體反射率與深度之間的關(guān)系圖(圖2)，反映文筆山組和童子巖組Ro值和埋藏深度之間相關(guān)性不強，表明地?zé)釄鰧ζ錈嵫莼痪呖刂菩浴７治稣J(rèn)為，劇烈的巖漿活動為各地層提供了大量的熱量，造成儲層達(dá)到過成熟演化狀態(tài)，促使原地?zé)釄鍪テ淇刂谱饔谩?/p>

由于溪口組TOC<1.00%，達(dá)不到頁巖氣最新技術(shù)規(guī)范要求的有機碳含量的最低標(biāo)準(zhǔn)，以及梨山組礦物組成與儲層物性相關(guān)的分析數(shù)據(jù)較少，故下文將只針對文筆山組和童子巖組作出分析。

4 泥頁巖巖石學(xué)特征

樣品測試結(jié)果顯示文筆山組和童子巖組巖石礦物組成主要為黏土礦物和石英。文筆山組黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為69%～88%，均值為80.14%；石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%～31%，均值為19.86%。黏土礦物中以伊利石和綠泥石為主，含少量高嶺石。童子巖組黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68%～90%，平均為79.85%；石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～32%，平均為20.15%。黏土礦物中以伊利石和綠泥石為主，同樣含少量高嶺石(圖3)。泥頁巖儲層的巖礦特征表明：泥頁巖儲層黏土礦物含量較高，脆性礦物含量不高，這對泥頁巖儲層的壓裂改造較為不利[12]。

圖2 文筆山組與童子巖組鏡質(zhì)體反射率與深度關(guān)系Figure 2 Relationship between vitrinite reflectance and depth in Wenbishan and Tongziyan formations

圖3 文筆山組與童子巖組泥頁巖礦物組成Figure 3 Argillutite mineral compositions in Wenbishan and Tongziyan formations

5 泥頁巖儲層物性特征

泥頁巖的儲層物性對頁巖氣的聚集和后期的勘探開發(fā)有重要影響[13]。文筆山組泥頁巖孔隙度為4.53%～6.84%，平均值為5.50%，孔隙度中等；滲透率為(0.000 32～0.005 60)×10-3μm2，平均值為0.002 08×10-3μm2，滲透率極低。氮氣吸附實驗表明文筆山組泥頁巖平均孔徑為6.72～9.89nm，平均孔徑在中孔(2～50nm)范圍內(nèi)；比表面積為5.99～7.44 m2/g，平均比表面積為6.89 m2/g，比表面積主要集中在微孔和中孔。微孔比表面積平均為2.95m2/g，中孔比表面積平均為2.99m2/g，大孔比表面積平均為0.96m2/g。

童子巖組泥頁巖孔隙度介于2.97%～5.93%，平均為4.11%，孔隙度較低；滲透率為(0.000 20～0.000 47) ×10-3μm2，平均為0.000 33×10-3μm2，滲透率極低。氮氣吸附實驗表明研究區(qū)泥頁巖平均孔徑介于6.10～11.73 nm，平均孔徑在中孔(2～50 nm)范圍內(nèi)；比表面積為2.71～9.94 m2/g，平均比表面積為6.32 m2/g，比表面積同樣主要集中在微孔和中孔。微孔比表面積平均為2.50m2/g，中孔比表面積平均為2.93m2/g，大孔比表面積平均為0.89m2/g。

綜上所述，文筆山組和童子組泥頁巖中微孔和中孔是頁巖氣主要的吸附場所。同時根據(jù)北美海相頁巖氣儲層評價標(biāo)準(zhǔn)和我國南方海相頁巖氣有利區(qū)優(yōu)先的標(biāo)準(zhǔn)對比結(jié)果[14-15]，頁巖氣儲層評價標(biāo)準(zhǔn)中孔滲條件一般為孔隙度>2%，滲透率>0.01×10-3μm2，說明兩組泥頁巖滲透率條件不利于后期勘探開發(fā)。

6 頁巖氣資源潛力分析

文筆山組為地臺陸表海盆沉積環(huán)境，沉積環(huán)境相對穩(wěn)定，沉積泥頁巖厚度為58～141m，厚度較大，有機碳含量中等，均值為1.59%，有機質(zhì)類型為腐殖型，有機質(zhì)成熟度較高，平均為4.41%。礦物成分測試結(jié)果表明，文筆山組總體上黏土礦物含量較高。儲層物性特征說明，文筆山組泥頁巖中微孔和中孔是頁巖氣主要的吸附場所。

童子巖組為海陸交互相沉積環(huán)境，是福建省主要的含煤層系。沉積環(huán)境相對穩(wěn)定，沉積厚度為138～1 210 m，厚度大，有機碳含量中等，平均為1.83%，有機質(zhì)類型為腐殖型，有機質(zhì)成熟度較高，平均為4.69%。童子巖組同樣黏土礦物含量較高，且微孔和中孔是其頁巖氣主要的吸附場所。

溪口組平均有機碳含量為0.41%，有機質(zhì)豐度較低，初步評價認(rèn)該層的頁巖氣資源潛力不大。

梨山組為河流-湖泊相沉積環(huán)境，是一套下粗上細(xì)的沉積旋回。泥頁巖厚度14.4～501.8m，有機碳含量中等，均值為1.37%，有機質(zhì)類型主要以Ⅱ1(腐殖—腐泥型)型為主，少量Ⅱ2(腐泥殖—腐型)、Ⅲ(腐殖型)型，有機質(zhì)成熟度為2.60%～3.52%，均值為3.09%。綜上所述，文筆山組、童子巖組以及梨山組具有較好的生烴基礎(chǔ)，有一定的資源潛力。

7 結(jié)論

(1)福建閩西南拗陷帶二疊系文筆山組、童子巖組以及侏羅系梨山組有機碳均值分別為1.59%、1.83%、1.37%，有機質(zhì)豐度中等，具有較好的生烴基礎(chǔ)，有進(jìn)一步勘探研究的潛力。三疊系溪口組由于有機質(zhì)豐度較低，不具備進(jìn)一步勘探研究的價值。

(2)二疊系文筆山組、童子巖組泥頁巖儲層均處于過成熟演化階段，分析認(rèn)為主要受研究區(qū)內(nèi)巖漿活動影響，使儲層達(dá)到過成熟演化階段；其次，受構(gòu)造動力影響，使儲層有機質(zhì)成熟度變高。福建地區(qū)有機質(zhì)成熟度對氣體吸附性能的影響，有待進(jìn)一步加強研究。

(3)建議在閩西南拗陷帶受后期構(gòu)造運動、巖漿活動影響較小以及封蓋層條件較好的區(qū)塊內(nèi)，將文筆山組、童子巖組、梨山組做為下一步研究工作的重點，對福建省頁巖氣資源潛力獲得更深的認(rèn)識。

致謝：感謝中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院馮慶來教授的悉心指導(dǎo)，感謝中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心的大力協(xié)助。