閩西南中二疊統(tǒng)童子巖組頁巖氣形成的地質(zhì)條件及遠(yuǎn)景區(qū)預(yù)測(cè)

陳泉霖,程 喬,馮慶來,鄧瑞錦

(1.中國(guó)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)

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(jī)質(zhì)泥頁巖中的一種非常規(guī)天然氣[1-7]。 我國(guó)頁巖氣經(jīng)過十多年的勘探開發(fā), 已經(jīng)在重慶涪陵、 四川長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)、 云南昭通、 貴州習(xí)水海相地層以及鄂爾多斯盆地陸相地層中取得重大突破, 其中重慶涪陵和四川長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)[8-9]已經(jīng)進(jìn)行商業(yè)開發(fā), 取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

福建地區(qū)開展的頁巖氣調(diào)查工作較少。 2013年,房立志等[10]對(duì)閩西南頁巖孔隙特征及賦氣機(jī)理開展了研究； 2016年福建省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局對(duì)閩南地區(qū)頁巖氣進(jìn)行了選區(qū)評(píng)價(jià)； 2018年陳泉霖分析了福建童子巖組泥頁巖有機(jī)地球化學(xué)在空間上的分布特征[11]。但目前仍未有對(duì)福建地區(qū)頁巖氣形成地質(zhì)條件進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)的報(bào)道,造成對(duì)福建地區(qū)在這方面的認(rèn)識(shí)不夠清晰。筆者以永定ZK403鉆孔巖心樣品的分析數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合前期的研究成果,對(duì)閩西南中二疊統(tǒng)童子巖組頁巖氣形成地質(zhì)條件進(jìn)行研究,并綜合分析童子巖組頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)以及有利賦氣層段,為我國(guó)東南地區(qū)陸相地層頁巖氣的勘探開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

閩西南坳陷位于福建省建寧縣、 南平市以南, 永春縣、 南靖縣以西(圖1)。 其北部為閩北變質(zhì)巖分布區(qū), 東部為閩東火山巖分布區(qū), 地層分區(qū)屬華南地層大區(qū)(Ⅵ)東南地層區(qū)(Ⅵ5)的一部分, 構(gòu)造單元屬于華南板塊(一級(jí)構(gòu)造單元)之華南新元古代—早古生代造山帶內(nèi)(二級(jí)構(gòu)造單元內(nèi))。 在巖漿侵入和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響下, 福建地區(qū)童子巖組主要分布在閩西南地區(qū)[12]。

童子巖組為一套海陸交互相含煤碎屑建造, 是福建省最具經(jīng)濟(jì)意義的含煤巖系[13]。 自下而上分為3個(gè)巖性段, 下部為童子巖組一段(P2t1), 中部為童子巖組二段(P2t2), 上部為童子巖組三段(P2t3)。 其中: 童子巖組一段與三段含煤; 二段為淺海相沉積, 不含煤。 童子巖組在縱向沉積上具有分層性, 在閩西南地區(qū)的空間展布上還具有分區(qū)性。 閩西南的西部,即連城-武平一帶為西條帶, 永安-龍巖一帶為中條帶, 尤溪-永春一帶為東條帶(圖1)。 古地理環(huán)境的差異性和地層沉降的不均衡性是地層分區(qū)的主要原因[14],且福建省主要煤礦區(qū)集中在中條帶。

圖1 巖心考察與采樣位置分布簡(jiǎn)圖Fig.1 Core investigation and sampling position

2 泥頁巖厚度及展布特征

在前人研究的基礎(chǔ)上[14], 結(jié)合以往煤田勘查施工鉆孔, 統(tǒng)計(jì)繪制出研究區(qū)內(nèi)童子巖組各段泥頁巖厚度等值線圖(圖2)。 (1)在西條帶內(nèi), 童子巖組一段、 二段與下伏地層文筆山組(P2w)均屬于淺海相沉積,故西條帶內(nèi)童子巖組一段、 二段厚度難以區(qū)分(圖2a、 b); 東條帶內(nèi), 靠近永春地區(qū)童子巖組一段泥頁巖沉積厚度最大, 自東向西厚度逐漸減小, 龍巖-永安一帶厚度為200～250 m。(2)童子巖組二段厚度較大的地區(qū)在永定縣附近及東條帶中部, 厚度為60～130 m, 向西厚度同樣逐漸減小(圖2b)。(3)童子巖組三段發(fā)育較好, 區(qū)內(nèi)均有分布, 厚度變化趨勢(shì)與一段相似, 由中間向兩邊減??； 永定、 龍巖、 永安以及東條帶中部沉積的泥頁巖厚度>400 m; 西條帶中部武平縣一帶厚度約200 m; 東條帶邊緣永春縣一帶厚度約300 m(圖2c)。童子巖組總埋藏深度為0～3 000 m。

圖2 童子巖組各段泥頁巖厚度分布圖Fig.2 Thickness distribution of shales from Tongziyan Formation

3 童子巖組頁巖氣儲(chǔ)層特征

3.1 有機(jī)質(zhì)特征及垂向變化

有機(jī)地球化學(xué)指標(biāo)是分析頁巖氣形成地質(zhì)條件的重要評(píng)價(jià)參數(shù)[15],常用于頁巖氣形成地質(zhì)條件評(píng)價(jià)分析的有機(jī)地球化學(xué)指標(biāo)包括有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)成熟度、有機(jī)質(zhì)類型等。

3.1.1 有機(jī)質(zhì)豐度及垂向變化 文獻(xiàn)[11]曾從平面上分析童子巖組有機(jī)碳含量(TOC)變化特征,結(jié)果表明, 中條帶龍巖-永定一帶以及永安地區(qū)有機(jī)質(zhì)豐度較高,可以作為頁巖氣富集的優(yōu)質(zhì)泥頁巖分布區(qū)。此次研究由于未發(fā)現(xiàn)新鮮露頭剖面,通過巖心考察,選取永定地區(qū)ZK403鉆孔進(jìn)行垂向采樣對(duì)比分析。該鉆孔經(jīng)過的童子巖組發(fā)育完整,且受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和巖漿活動(dòng)的影響較小,對(duì)分析研究有機(jī)地球化學(xué)特征、巖石學(xué)特征以及物性特征具有一定的代表性。

童子巖組一段,鉆孔揭露實(shí)際厚度244 m(圖3), 采集樣品20塊。 有機(jī)碳含量(TOC)大多>1.0%,介于0.45%～9.97%,平均3.17%,泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度較好。TOC的高值(9.97%)出現(xiàn)在一段中部層段； TOC與深度之間未表現(xiàn)出線性關(guān)系。

圖3 童子巖組一段有機(jī)碳含量隨地層深度的變化Fig.3 Organic carbon varying with depth in Member 1 of Tongziyan Formation

童子巖組二段， 鉆孔揭露的實(shí)際厚度為107 m(圖4)。 二段為淺海相沉積, 巖性簡(jiǎn)單, 主要由泥巖和細(xì)粉砂巖組成。 測(cè)得25塊泥頁巖樣品的TOC含量在0.89%～2.87%, 平均為1.53%, 有機(jī)質(zhì)豐度中等。 TOC含量由底部向上60 m穩(wěn)定于1.0%～2.0%,隨后向上有緩慢增大的趨勢(shì)。

圖4 童子巖組二段有機(jī)碳含量隨地層深度的變化Fig.4 Organic carbon varying with depth in Member 2 of Tongziyan Formation

童子巖組三段, 厚度大, 巖性復(fù)雜, 鉆孔鉆遇的實(shí)際厚度為429 m, 主要由泥巖、 細(xì)砂巖、 細(xì)粉砂巖、 炭質(zhì)泥巖和煤層組成(圖5)。 在該段取得樣品76塊, TOC含量在0.19%～6.29%, 平均1.55%, 有機(jī)質(zhì)豐度中等。 TOC含量從底部向上30 m基本穩(wěn)定于1.0%～2.0%, 在距底部約50 m處出現(xiàn)一個(gè)有機(jī)碳含量峰值(6.29%)； 繼續(xù)向上250 m區(qū)間內(nèi), TOC在1.0%～3.0%間波動(dòng); 最后區(qū)間內(nèi)TOC隨深度變淺逐漸變小。 分析認(rèn)為, 該段底部穩(wěn)定發(fā)育的泥頁巖是頁巖氣富集的有利層段。

3.1.2 有機(jī)質(zhì)成熟度及垂向變化 有機(jī)質(zhì)成熟度是表征有機(jī)質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化的熱演化程度,決定了泥頁巖的生烴潛力[16]。此次研究共采取童子巖組樣品98塊,有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)為3.76%～4.94%,平均4.33%。

童子巖組一段17塊樣品, 有機(jī)質(zhì)成熟度在4.19%～5.25%(圖3),平均4.56%。童子巖組二段25塊樣品，有機(jī)質(zhì)成熟度在3.92%～4.96%, 平均4.40%。 一段與二段有機(jī)質(zhì)成熟度隨深度未表現(xiàn)出線性關(guān)系,顯現(xiàn)的是一種震蕩變化的狀態(tài)(圖4)。童子巖組三段共采集了56塊樣品, 有機(jī)質(zhì)成熟度為3.76%～4.59%(圖5), 平均4.29%。 從三段底部向上300 m, 有機(jī)質(zhì)成熟度在4.1%～4.7%間波動(dòng)變化; 300 m處至頂部,有機(jī)質(zhì)成熟度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。整體的變化趨勢(shì)與有機(jī)碳含量類似。

圖5 童子巖組三段有機(jī)碳含量隨地層深度的變化Fig.5 Organic carbon varying with depth in Member 3 of Tongziyan Formation

此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合房立志等[10]、陳泉霖[11]在研究區(qū)內(nèi)其他地區(qū)的分析結(jié)果,總體表明了閩西南童子巖組泥頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度過高的事實(shí)。過高的熱演化程度預(yù)示著生烴能力的減弱,對(duì)一個(gè)地區(qū)的頁巖氣評(píng)價(jià)不利。美國(guó)三大典型頁巖氣盆地頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度均小于3.5%[17],遠(yuǎn)低于研究區(qū)童子巖組。國(guó)內(nèi)有工業(yè)氣流產(chǎn)出的已知的最高有機(jī)質(zhì)成熟度泥頁巖地層為四川盆地筇竹寺組,其有機(jī)質(zhì)成熟度為4.5%。鑒于此,不能直接否定童子巖組的頁巖氣形成條件,有機(jī)質(zhì)成熟度的具體影響有待進(jìn)一步研究。

3.1.3 有機(jī)質(zhì)類型 經(jīng)鑒定， 童子巖組干酪根有機(jī)顯微組分以鏡質(zhì)組為主,含量在82%～97%,平均90.88%;惰質(zhì)組次之,含量在3%～19%,平均8.81%;腐泥組和殼質(zhì)組幾乎不發(fā)育。干酪根類型是根據(jù)各顯微組分的占用比例與各組分分布的系數(shù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算得到的類型指數(shù)(TI)[18]來確定。童子巖組一段TI值為-79.5～-76,二段TI值為-78.5～-76,三段TI值為-78.75～-74。各段的TI值均小于0,即童子巖組各段干酪根類型相同,為Ⅲ型——腐殖型。

3.2 巖石礦物特征

采用全巖X衍射分析方法,對(duì)童子巖組53塊(一段8塊, 二段8塊, 三段37塊)樣品進(jìn)行了成分分析, 主要礦物含量(wB): 一段, 石英26%～51%(平均38%), 黏土礦物39%～62%(平均51%), 長(zhǎng)石4%～15%(平均7.4%), 其他礦物約3.6%; 二段, 石英28%～58%(平均36%), 黏土礦物34%～63%(平均56%), 長(zhǎng)石3%～7%(平均5.1%),其他礦物約2.9%; 三段, 石英32%～65%(平均44.8%), 黏土礦物33%～64%(平均50.6%),長(zhǎng)石0～8%(平均2.9%), 其他礦物約1.7%。

為直接量化比較各段之間巖石脆性特征,利用以上礦物含量計(jì)算巖石的脆性指數(shù)(BI)：

其中,脆性礦物包括石英、長(zhǎng)石、白云石、方解石、黃鐵礦、重晶石等。

計(jì)算結(jié)果表明, 童子巖組一段BI值為35%～60%,平均48%;二段BI值為36%～65%,平均43%;三段BI值為35%～67%,平均49%。一段、二段的測(cè)試樣品數(shù)相對(duì)較少,但與三段相同,脆性指數(shù)主要分布區(qū)間在40%～50%(圖6),且各段平均值差異不大,均符合脆性指數(shù)大于40%的要求。較高的脆性礦物含量說明童子巖組泥頁巖儲(chǔ)層利于壓裂造縫。

圖6 童子巖組巖石脆性指數(shù)頻率分布Fig.6 Frequency distribution of brittleness index of Tongziyan Formation

3.3 孔隙度、滲透率特征

通過研究泥頁巖儲(chǔ)層的有機(jī)地球化學(xué)、巖石礦物特征,可了解其生烴基礎(chǔ)、生烴潛力以及壓裂條件，再?gòu)目紫抖鹊戎笜?biāo)判斷泥頁巖中游離態(tài)氣體的含量,以及滲透率對(duì)氣體開采速度的影響[19-20]。

童子巖組泥頁巖樣品的測(cè)試結(jié)果: 一段樣品5塊, 孔隙度在0.65%～1.99%(平均1.45%), 滲透率為(0.001 5～0.004 2)×10-3μm2(平均0.002 5×10-3μm2); 二段樣品3塊,孔隙度在1.09%～2.94%(平均1.84%), 滲透率為(0.000 5～0.006 5)×10-3μm2(平均0.002 6×10-3μm2); 三段樣品12塊, 孔隙度在0.58%～2.97%(平均1.46%), 滲透率為(0.000 6～0.044 5)×10-3μm2(平均0.006 2×10-3μm2)。

4 童子巖組頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)

為了更好地分析閩西南二疊系中統(tǒng)童子巖組頁巖氣儲(chǔ)層的地質(zhì)條件, 將其與國(guó)內(nèi)四川盆地以及美國(guó)典型盆地含氣泥頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行對(duì)比，其特征如表1所示:

表1 泥頁巖儲(chǔ)層特征對(duì)比Table 1 Characteristics comparison of shale gas

①童子巖組泥頁巖TOC含量與其他典型盆地含氣泥頁巖相當(dāng), 稍有差異; 童子巖組三段TOC含量下限比國(guó)內(nèi)外典型盆地要低, 但一段的上限比國(guó)內(nèi)的筇竹寺組、 龍馬溪組高, 三段的上限比筇竹寺組高, 比國(guó)外的Barnett、 Marcellus頁巖有機(jī)碳含量低。 童子巖組各段TOC含量主要在1%～2%, 反映了該組泥頁巖有機(jī)質(zhì)富集較好, 且一段有機(jī)質(zhì)富集程度最好, 三段次之, 二段略差, 總體表明各段具有較好的生烴基礎(chǔ)。

②在埋藏深度、 凈厚度方面, 童子巖組與其他典型盆地含氣泥頁巖仍具有較好的可比性。 其中, 埋藏深度淺于四川盆地的筇竹寺組, 接近于美國(guó)Barnett、 Marcellus頁巖; 童子巖組泥頁巖凈厚度條件較好, 與國(guó)內(nèi)外典型盆地含氣泥頁巖均有一定的可比性[17]。

③童子巖組有機(jī)質(zhì)成熟度普遍高于其他泥頁巖, 且大于一般商業(yè)性頁巖氣藏有機(jī)質(zhì)成熟度3.5%的上限[21], 與其他頁巖氣儲(chǔ)層對(duì)比, 童子巖組頁巖氣的有機(jī)質(zhì)成熟度條件不佳, 限制了頁巖氣的成藏。 但四川盆地龍馬溪組、 筇竹寺組有機(jī)質(zhì)成熟度普遍高于2.0%, 筇竹寺組部分地區(qū)泥頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度超過3.5%, 高達(dá)4.5%[17], 仍然有工業(yè)氣流產(chǎn)出, 說明一些過高成熟度地區(qū)仍然有頁巖氣成藏條件, 童子巖組有機(jī)質(zhì)成熟度對(duì)含氣性的影響有待進(jìn)一步研究。

④童子巖組泥頁巖的孔隙度較低, 約是美國(guó)Barnett頁巖的1/3、 Marcellus頁巖的1/6, 與國(guó)內(nèi)四川盆地筇竹寺組孔隙度相接近, 略低于龍馬溪組。 相較于童子巖組較低的孔隙度條件, 滲透率條件良好。 滲透率高于美國(guó)Barnett、Marcellus頁巖0.001×10-3μm2的滲透率條件,同時(shí)大于筇竹寺組、 龍馬溪組的滲透率。

對(duì)比結(jié)果表明, 童子巖組有機(jī)質(zhì)成熟度與孔隙度條件較差, 可能導(dǎo)致童子巖組不具備頁巖氣前景。

另外, 研究區(qū)位于活躍的大陸邊緣, 侵入巖分布廣泛,其出露面積規(guī)模較大, 對(duì)沉積地層的保存較為不利。通過研究二疊紀(jì)以來的侵入巖分布范圍發(fā)現(xiàn), 童子巖組較好地保存于西條帶西北部,中條帶永定-龍巖-漳平-永安地區(qū)以及東條帶尤溪縣地區(qū)(圖7)。

圖7 閩西南童子巖組頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)簡(jiǎn)圖Fig.7 Shale gas prospective area from Tongziyan Formation in southwestern Fujian

根據(jù)以上分析，總結(jié)認(rèn)為,閩西南中二疊統(tǒng)童子巖組頁巖氣形成的地質(zhì)條件欠佳,需進(jìn)一步深入研究。

根據(jù)本次研究成果，結(jié)合童子巖組有機(jī)地球化學(xué)在空間上的分布特征、泥頁巖厚度、 埋深，以及巖漿侵入狀況, 對(duì)這幾項(xiàng)因素進(jìn)行綜合疊加分析，優(yōu)選出4塊童子巖組頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)。這4塊頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)均分布在中部條帶：永定-龍巖-漳平一帶有2塊, 靠近永安-大田縣有1塊, 還有1塊位于永安市正西方向約20 km處。 這些遠(yuǎn)景區(qū)可作為福建地區(qū)頁巖氣下一步勘探工作的重點(diǎn)區(qū)域。

5 結(jié) 論

(1)閩西南二疊系中統(tǒng)童子巖組泥頁巖有一定的有機(jī)質(zhì)富集度, 其中一段最好, 三段次之, 二段略差。 一段的中部及三段的底部是頁巖氣富集的有利層段； 一段、 二段、 三段的有機(jī)質(zhì)成熟度平均值分別為4.56%、 4.40%、 4.29%,均處于很高的演化程度,可能導(dǎo)致童子巖組不太具備頁巖氣前景,是童子巖組頁巖氣評(píng)價(jià)的不確定因素。參照四川盆地筇竹寺組在高成熟度情況下仍有工業(yè)氣流產(chǎn)出的情況,有機(jī)質(zhì)成熟度對(duì)童子巖組頁巖氣的影響有待進(jìn)一步研究。童子巖組的有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型——腐殖型。

(2)童子巖組一段、二段、三段的巖石的脆性指數(shù)平均值為48%、43%、49%,具有較好的壓裂條件。該組泥頁巖的孔隙度較低,低于美國(guó)典型盆地頁巖氣儲(chǔ)層,接近于國(guó)內(nèi)四川盆地筇竹寺組。童子巖組的滲透率條件良好。

(3)閩西南童子巖組具有形成頁巖氣的地質(zhì)條件， 永定-龍巖、龍巖-漳平、永安-大田縣以及永安市附近4塊遠(yuǎn)景區(qū),可作為福建頁巖氣下一步勘探工作的重點(diǎn)區(qū)域。

研究過程中得到了中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院琚宜文教授的悉心指導(dǎo)，在此表示衷心的感謝！