福建二疊系中統(tǒng)文筆山組頁巖氣儲層條件分析

陳泉霖

福建二疊系中統(tǒng)文筆山組頁巖氣儲層條件分析

陳泉霖1,2

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

為豐富福建省頁巖氣資源調(diào)查評價的基礎(chǔ)研究工作，以有機地球化學(xué)、巖石礦物成分和儲層物性分析等實驗為重點，結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查、露頭及鉆井等資料，分析研究了福建省二疊系中統(tǒng)文筆山組頁巖氣儲層地質(zhì)條件。結(jié)果表明：福建二疊系中統(tǒng)文筆山組泥頁巖干酪根為Ⅲ型；有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍在1%~2%，有機質(zhì)豐度中等；ran值介于3.76%~4.91%，泥頁巖處于過成熟演化階段；巖石脆性礦物普遍較低；泥頁巖孔隙度中等，滲透率極低，微孔和中孔提供了氣體吸附的主要場所。與國內(nèi)外典型含氣泥頁巖相比，福建文筆山組具有形成頁巖氣的物質(zhì)基礎(chǔ)和埋藏條件，初步認(rèn)為福建省中部龍巖一帶可以作為下一步工作的重點區(qū)域。后期需要加強有機質(zhì)成熟度和微觀孔隙結(jié)構(gòu)對儲氣性能的研究，了解研究區(qū)內(nèi)泥頁巖的吸附能力、孔隙形態(tài)及發(fā)育特征，為福建地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)提供指導(dǎo)作用。

頁巖氣；二疊系；文筆山組；儲層特征；構(gòu)造運動；福建龍巖

頁巖氣是指在暗色泥頁巖或高炭泥頁巖中“持續(xù)式”聚集的非常規(guī)天然氣[1-4]，經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為一種重要的戰(zhàn)略意義能源。頁巖氣的勘探開發(fā)首先在美國取得了突破，自2000年以來，先后于福特沃斯盆地的Barnett頁巖、密歇根盆地的Antrim頁巖、阿巴拉契亞盆地的Ohio頁巖、圣胡安盆地的Lewis頁巖以及伊利諾伊盆地的New Albany頁巖發(fā)現(xiàn)頁巖氣并實現(xiàn)了大規(guī)模的商業(yè)開發(fā)[5-8]。在此背景下，許多國家開始重視泥頁巖層系中頁巖氣的研究。我國經(jīng)過十多年的發(fā)展，已經(jīng)在重慶涪陵、四川長寧–威遠(yuǎn)建成頁巖氣產(chǎn)區(qū)[9]，進行商業(yè)開發(fā)。國內(nèi)外學(xué)者對以上盆地和地區(qū)進行研究，基本認(rèn)為有機質(zhì)豐度、有機質(zhì)成熟度、有機質(zhì)類型、礦物組分、孔隙結(jié)構(gòu)、埋藏深度及有效厚度等是評價頁巖氣儲層的重要因素。目前，福建省開展的頁巖氣資源評價調(diào)查工作很少[10]，筆者依托福建省頁巖氣資源潛力調(diào)查與評價項目，對福建省二疊系中統(tǒng)文筆山組頁巖氣儲層地質(zhì)條件進行分析，為福建省下一步頁巖氣勘探提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)背景

根據(jù)全國大地構(gòu)造單元劃分，福建位于羌塘–揚子–華南板塊(一級構(gòu)造單元)之華南新元古代—早古生代造山帶(二級構(gòu)造單元內(nèi))，同時以政和–大埔斷裂帶為界，將福建劃分為閩西地塊和閩東沿海中生代巖漿帶兩個三級構(gòu)造單元[11]。閩西地塊以南平–寧化巖漿帶為界，劃分為閩北變質(zhì)巖分布區(qū)和閩西南坳陷區(qū)，閩東沿海為火山巖分布區(qū)(圖1)。在構(gòu)造運動和巖漿侵入作用的控制影響下，福建省文筆山組的沉積巖系主要分布在閩西南坳陷區(qū)和閩北變質(zhì)巖分布區(qū)。各時代沉積地層巖性、巖相較為一致，差異不大，基本可對比[12]。區(qū)內(nèi)首先于早古生代發(fā)育一套海相細(xì)碎屑巖、暗色千枚狀泥巖、板巖和粉砂質(zhì)泥巖，由于受加里東期構(gòu)造運動及巖漿活動的強烈破壞，部分地層發(fā)生淺變質(zhì)作用；中二疊世—早三疊世暗色泥頁巖最為發(fā)育，沉積累計厚度一般超過800 m，該時期龍巖、永安、大田、將樂等地沉積的地層未發(fā)生明顯變質(zhì)作用，是福建省頁巖氣調(diào)查研究的重點目標(biāo)層位[10]；早侏羅世為一套受海侵影響的陸相沉積，巖性以中–細(xì)粒碎屑為主，暗色泥巖也多以夾層為主，巖性特征不利于頁巖氣的生成。

圖1 福建省二疊系中統(tǒng)文筆山組泥頁巖有機碳等值線

2 樣品采集與測試

福建省區(qū)域地質(zhì)志[11]中將文筆山組的上覆地層童子巖組分為西、中、東3個條帶，其中中條帶又分為龍巖–永定區(qū)域和永安–大田區(qū)域。根據(jù)童子巖組條帶分區(qū)情況，此次調(diào)查研究過程中共采取文筆山組樣品85件，其中西條帶10件，中條帶(龍巖–永定)53件，中條帶(永安–大田)12件，東條帶10件。樣品的測試分析主要在中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心(國土資源部華東礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心)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。

測試分析項目有總有機碳含量(TOC)(85件)、干酪根類型(20件)、有機質(zhì)成熟度(ran)(57件)、巖石礦物組成(7件)、孔隙率(4件)、滲透率(4件)、氮氣吸附實驗(4件)，具體各條帶地球化學(xué)特征與孔隙率、滲透率數(shù)據(jù)見表1。

表1 福建省二疊系中統(tǒng)文筆山組泥頁巖地球化學(xué)特征與孔隙率、滲透率數(shù)據(jù)

注：0.24~3.65/1.32(10)：最小值~最大值/平均值(樣品數(shù))，其他數(shù)據(jù)同。

3 文筆山組頁巖氣儲層特征

3.1 地層厚度及賦存特征

研究區(qū)二疊系中統(tǒng)文筆山組泥頁巖主要分布于將樂–建甌一線以南，德化–安溪–南靖一線以西，范圍涵蓋整個閩西南坳陷區(qū)及部分閩北變質(zhì)巖分布區(qū)[11]，為一套淺海相細(xì)碎屑巖，巖性基本上為泥巖、粉砂巖和少量細(xì)砂巖的組合。其中，閩北變質(zhì)巖分布區(qū)建寧–泰寧–建甌一帶，為砂巖–粉砂巖組，寧化–將樂一帶主要為粉砂巖–砂巖–泥巖組；閩西南坳陷區(qū)龍巖–永安一帶為泥頁巖–粉砂巖組，武平–連城為泥巖–砂巖組；閩東沿海中生代巖漿帶內(nèi)主要是砂巖–粉砂巖組。文筆山組厚度表現(xiàn)為西部厚度較大，往東、北方向呈不斷變薄趨勢。厚度較大的區(qū)域在福建省西部連城–清流一帶，厚度為300~520 m；中部龍巖–永安一帶厚度為135~320 m；東部永春–南靖一帶厚度為71~160 m；泥頁巖的凈厚度為35~90 m。埋深受晚古生代坳陷控制，較深區(qū)域位于龍巖–漳平–永安一帶，埋深為500~2 500 m。

3.2 有機質(zhì)類型與豐度

福建省二疊系中統(tǒng)文筆山組干酪根有機顯微組分中，主要為鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，殼質(zhì)組和腐泥組較缺乏。干酪根類型指數(shù)為–76~–79，干酪根類型劃分為Ⅲ型。分析認(rèn)為文筆山組泥頁巖中有機顯微組分的物源主要來自于植物遺骸，現(xiàn)階段主要產(chǎn)出干氣。

有機碳含量(TOC)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，研究區(qū)文筆山組泥頁巖有機質(zhì)富集度中等，有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21%~12.97%，其中西條帶有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為1.32%，中條帶(龍巖–永定)為1.71%，中條帶(永安–大田)為1.55%，東條帶為1.26%(表1)。有機碳(TOC)質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要分布在1%~2%，具有高產(chǎn)氣能力(TOC> 2%)的測試樣品最少。根據(jù)2014年發(fā)布的《頁巖氣資源/儲量計算與評價技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的有機碳含量劃分標(biāo)準(zhǔn)，文筆山組泥頁巖有機質(zhì)含量中等，具有一定的生烴潛力。文筆山組有機碳含量(TOC)在平面上分布特征明顯。東部德化縣、永春縣泥頁巖有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1.20%，有機質(zhì)富集度較低；中部區(qū)域有機碳含量高于東部和西部，尤其是龍巖一帶，泥頁巖有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過2.00%，有機質(zhì)富集度高，生烴潛力較好，可以作為下一步勘探工作的重點區(qū)域；西部區(qū)域泥頁巖有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.00%~1.60%(圖1)。

3.3 有機質(zhì)成熟度

有機質(zhì)成熟度是表征有機質(zhì)生油產(chǎn)氣的重要因素，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[13]。此次調(diào)查結(jié)果表明，福建省文筆山組泥頁巖有機質(zhì)成熟度普遍較高，有機質(zhì)成熟度ran為3.76%~4.91%，平均4.41%。文筆山組有機質(zhì)成熟度在平面上普遍大于3.50%，處于過成熟演化階段。在垂向上，龍?zhí)兜V區(qū)ZK22-03孔泥頁巖樣品有機質(zhì)成熟度隨埋深增加而減小，兩者之間為負(fù)相關(guān)關(guān)系，可能與該鉆孔中上部巖漿侵入體有關(guān)；永定縣培豐–適中礦區(qū)ZK1和紅林坪礦區(qū)ZK11-3孔泥頁巖樣品有機質(zhì)成熟度隨埋深增加而變大，兩者之間為正相關(guān)關(guān)系(圖2)。初步認(rèn)為，福建省地質(zhì)歷史過程中劇烈的巖漿活動和構(gòu)造運動給文筆山組地層帶來大量的熱量，促使泥頁巖有機質(zhì)成熟度過高。

圖2 福建省二疊系中統(tǒng)文筆山組鏡質(zhì)體反射率與深度關(guān)系

3.4 礦物特征

當(dāng)泥頁巖中脆性礦物較多時，易于進行水力壓裂，提高氣體采收率，而當(dāng)脆性礦物過高時，不利于頁巖氣的生成和保存。一般認(rèn)為，泥頁巖的黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)小于50%，脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30%[14]。通過X射線衍射分析，文筆山組頁巖巖石礦物組成主要為黏土礦物和石英。黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為69%~88%，平均80.14%，含量較高，降低了巖石的脆性，削弱了巖石中裂縫的生成和發(fā)育；石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%~31%，平均19.86%(圖3)，石英含量低，對頁巖儲層的壓裂改造較為不利[15]。

圖3 福建省二疊系中統(tǒng)文筆山組泥頁巖礦物組成

3.5 儲層物性

泥頁巖的儲層物性對頁巖氣的聚集和后期勘探開發(fā)有重要影響[16]。通常情況下，含氣泥頁巖具有低孔、低滲透性特點[17]，頁巖氣儲層較為致密。根據(jù)國內(nèi)外頁巖優(yōu)選劃分標(biāo)準(zhǔn)[18]，文筆山組泥頁巖孔隙率中等，介于4.53%~ 6.84%，平均5.50%；滲透率極低，為(0.000 3~0.005 7)× 10-3μm2，平均0.002 1×10-3μm2。

此外，通過低溫液氮吸附實驗結(jié)果(圖4)顯示，研究區(qū)泥頁巖平均孔徑為6.72~9.89 nm，平均孔徑在中孔(2~50 nm)范圍內(nèi)；比表面積為5.99~7.44 m2/g，平均6.89 m2/g。文筆山組泥頁巖平均孔隙比表面積主要集中在微孔和中孔，分別占總比表面積的43.39%、42.86%。平均孔隙體積主要集中在中孔和大孔，分別占總孔隙體積的45.68%和46.16%。

圖4 福建省二疊系中統(tǒng)文筆山組泥頁巖孔隙體積與孔比表面積分布直方圖

4 討論

通過上述分析，總結(jié)福建省二疊系中統(tǒng)文筆山組頁巖氣儲層條件，并與我國四川盆地及美國典型盆地含氣泥頁巖儲層進行對比(表2)。

① 有機質(zhì)豐度

研究區(qū)文筆山組泥頁巖層系有機質(zhì)豐度與其他典型盆地含氣泥頁巖相當(dāng)，稍有差異；文筆山組有機碳含量(TOC)下限比國內(nèi)外典型盆地偏低，但上限比國內(nèi)的龍馬溪組、筇竹寺組以及國外的Ohio、Lewis頁巖偏高，有機碳(TOC)質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要集中在1%~2%，總體反映文筆山組泥頁巖有機質(zhì)富集度中等，具有一定的生烴潛力。同時四川盆地頁巖氣主要產(chǎn)層有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于1.1%~8.4%[19]，說明文筆山組有機碳含量達到評價要求。

表2 頁巖儲層特征對比

②埋深與凈厚度

與其他典型盆地相比，文筆山組埋藏深度淺于四川盆地的龍馬溪組、筇竹寺組，深于美國阿巴拉契亞、密歇根、伊利諾斯、圣胡安等4大盆地的頁巖，相比較國內(nèi)四川盆地，勘探與開采成本略有優(yōu)勢；文筆山組泥頁巖凈厚度為35~90 m，略小于四川盆地龍馬溪組、筇竹寺組，與阿巴拉契亞、圣胡安盆地頁巖差距較大。

③有機質(zhì)成熟度

研究區(qū)文筆山組有機質(zhì)成熟度普遍高于其他層系，且其不介于一般商業(yè)性頁巖氣藏有機質(zhì)成熟度2.0%~3.5%的范圍[18]，過高的演化程度預(yù)示著生烴能力的減弱，對一個地區(qū)的頁巖氣評價不利。國內(nèi)海相頁巖僅四川盆地筇竹寺組部分地區(qū)泥頁巖有機質(zhì)成熟度超過3.5%，甚至在高達4.5%的情況下仍然有工業(yè)氣流產(chǎn)出，其他地區(qū)尚未出現(xiàn)同類情況。說明文筆山組泥頁巖有機質(zhì)成熟度是其頁巖氣評價的不確定因素，需要開展進一步研究圈定有機質(zhì)成熟度相對較低的區(qū)域。

④泥頁巖滲透率

相較于其他層系，研究區(qū)文筆山組泥頁巖的滲透率明顯低于四川盆地龍馬溪組、筇竹寺組，比國外典型盆地含氣泥頁巖更低。

⑤泥頁巖孔隙特征

文筆山組泥頁巖孔隙率條件較好，略優(yōu)于龍馬溪組、筇竹寺組。文筆山組有遠(yuǎn)大于常規(guī)巖石儲層的孔隙率和孔比表面積，有利于氣體的吸附，具有較好的氣體吸附場所。但較弱的滲透能力，后期需要加強對微觀孔隙結(jié)構(gòu)的研究，了解具體的孔隙形態(tài)和發(fā)育特征，為水力壓裂作業(yè)提供指導(dǎo)，盡可能減小滲透率偏低帶來的不利。

文筆山組頁巖氣儲層有一定的研究前景，需要注意的是，有機質(zhì)成熟度普遍偏高是文筆山組頁巖氣評價的不確定因素。根據(jù)表1數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，中條帶的龍巖–永定地區(qū)有機質(zhì)成熟度為3.76%~4.38%，平均4.32%，為4個分區(qū)中演化程度相對最低的地區(qū)，將是福建省文筆山組頁巖氣的有利區(qū)。

5 結(jié)論

a.福建二疊系中統(tǒng)文筆山組頁巖干酪根類型為Ⅲ型；有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍在1%~2%，有機質(zhì)豐度中等，具有一定的生烴潛力；有機質(zhì)成熟度ran為3.94%~4.91%，頁巖儲層處于過成熟演化階段；巖石脆性礦物普遍較低。

b. 文筆山組泥頁巖孔隙率中等，為4.53%~ 6.84%；滲透率極低，為(0.000 3~0.005 7)×10-3μm2。文筆山組泥頁巖具有較好的孔隙體積和孔隙比表面積，微孔和中孔是氣體吸附的主要場所，同時泥頁巖發(fā)育一定量的微裂隙且有機質(zhì)表面孔隙發(fā)育，為氣體的脫附和排出提供了通道。

c. 文筆山組有形成頁巖氣的物質(zhì)基礎(chǔ)和埋藏條件，但與國內(nèi)外典型頁巖氣盆地含氣泥頁巖相比，文筆山組有機質(zhì)成熟度過高、滲透率偏低，需要圈定出演化程度相對低的地區(qū)。福建省中條帶龍巖–永定地區(qū)演化程度相對最低，有機質(zhì)成熟度ran為3.76%~4.38%，平均4.32%，初步認(rèn)為該地區(qū)可以作為下一步工作的重點。后期工作需要加強有機質(zhì)成熟度和微觀孔隙結(jié)構(gòu)對儲氣性能的影響研究，了解研究區(qū)內(nèi)泥頁巖的吸附能力、孔隙形態(tài)及發(fā)育特征，為準(zhǔn)確圈定文筆山組頁巖氣成藏有利區(qū)提供技術(shù)支撐。

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)查中心提供的幫助，感謝課題組鄧瑞錦、程喬同仁的協(xié)助。

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Analysis of reservoir conditions of shale gas in Middle Permian Wenbishan Formation in Fujian Province

CHEN Quanlin1,2

(1. School of Earth Sciences, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; 2. Fujian Administration of Coal Geology, Fuzhou 350005, China)

This study is performed on the geological conditions of shale gas in Middle Permian Wenbishan Formation in Fujian Province. It is based on organic geochemistry, rock minerals and reservoir physical property after geology survey and drilling. The results indicate that kerogen is III-type, organic carbon is usually between 1% to 2%,ranis between 3.76% to 4.91% in the shale of Wenbishan Formation, and the shale is in the mature stage. The content of brittle minerals is generally low. The shale has medium porosity and extremely low permeability, the micro and meso-pores constitute the major space for gas adsorption. In comparison with other typical studies, Wenbishan Formation in Fujian Province has material basis and buried condition for forming shale gas. It is preliminarily believed that Longyan in the central part of Fujian Province can be used as a key region for further work. In the next study, the effect of organic matter maturity and micro-pore structure on gas storage performance, and adsorption capacity, pore morphology as well as development characteristics of the shale should be enhanced, all of them could direct the exploration and development of shale gas in Fujian Province.

shale gas; Permian; Wenbishan Formation; reservoir characteristics; tectonic movement; Longyan, Fujian province

P618

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.014

1001-1986(2019)04-0088-06

2015-12-09

福建省公益性基礎(chǔ)性地質(zhì)調(diào)查(GY20140301)

Public Welfare and Fundamental Geological Survey in Fujian Province(GY20140301)

陳泉霖，1964年生，男，福建莆田人，教授級高級工程師，博士研究生，從事煤田地質(zhì)與礦井地質(zhì)工作. E-mail：553776060@qq.com

陳泉霖. 福建二疊系中統(tǒng)文筆山組頁巖氣儲層條件分析[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(4)：88–93.

CHEN Quanlin. Analysis of reservoir conditions of shale gas in Middle Permian Wenbishan Formation in Fujian Province[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：88–93.

(責(zé)任編輯 范章群)