福建二疊系中統文筆山組頁巖氣儲層條件分析

陳泉霖

福建二疊系中統文筆山組頁巖氣儲層條件分析

陳泉霖1,2

(1. 中國地質大學地球科學學院，湖北 武漢 430074；2. 福建省煤田地質局，福建 福州 350005)

為豐富福建省頁巖氣資源調查評價的基礎研究工作，以有機地球化學、巖石礦物成分和儲層物性分析等實驗為重點，結合野外地質調查、露頭及鉆井等資料，分析研究了福建省二疊系中統文筆山組頁巖氣儲層地質條件。結果表明：福建二疊系中統文筆山組泥頁巖干酪根為Ⅲ型；有機碳質量分數普遍在1%~2%，有機質豐度中等；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基礎和埋藏條件，初步認為福建省中部龍巖一帶可以作為下一步工作的重點區域。后期需要加強有機質成熟度和微觀孔隙結構對儲氣性能的研究，了解研究區內泥頁巖的吸附能力、孔隙形態及發育特征，為福建地區頁巖氣勘探開發提供指導作用。

頁巖氣；二疊系；文筆山組；儲層特征；構造運動；福建龍巖

頁巖氣是指在暗色泥頁巖或高炭泥頁巖中“持續式”聚集的非常規天然氣[1-4]，經過近幾十年的發展，已經成為一種重要的戰略意義能源。頁巖氣的勘探開發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頁巖發現頁巖氣并實現了大規模的商業開發[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。我國經過十多年的發展，已經在重慶涪陵、四川長寧–威遠建成頁巖氣產區[9]，進行商業開發。國內外學者對以上盆地和地區進行研究，基本認為有機質豐度、有機質成熟度、有機質類型、礦物組分、孔隙結構、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查工作很少[10]，筆者依托福建省頁巖氣資源潛力調查與評價項目，對福建省二疊系中統文筆山組頁巖氣儲層地質條件進行分析，為福建省下一步頁巖氣勘探提供理論依據和技術支撐。

1 地質背景

根據全國大地構造單元劃分，福建位于羌塘–揚子–華南板塊(一級構造單元)之華南新元古代—早古生代造山帶(二級構造單元內)，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，劃分為閩北變質巖分布區和閩西南坳陷區，閩東沿海為火山巖分布區(圖1)。在構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和閩北變質巖分布區。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]。區內首先于早古生代發育一套海相細碎屑巖、暗色千枚狀泥巖、板巖和粉砂質泥巖，由于受加里東期構造運動及巖漿活動的強烈破壞，部分地層發生淺變質作用；中二疊世—早三疊世暗色泥頁巖最為發育，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生明顯變質作用，是福建省頁巖氣調查研究的重點目標層位[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

福建省區域地質志[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–永定區域和永安–大田區域。根據童子巖組條帶分區情況，此次調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調查局南京地質調查中心(國土資源部華東礦產資源監督檢測中心)完成，僅氮氣吸附實驗在中國地質大學(武漢)教育部構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特征與孔隙率、滲透率數據見表1。

表1 福建省二疊系中統文筆山組泥頁巖地球化學特征與孔隙率、滲透率數據

注：0.24~3.65/1.32(10)：最小值~最大值/平均值(樣品數)，其他數據同。

3 文筆山組頁巖氣儲層特征

3.1 地層厚度及賦存特征

研究區二疊系中統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及部分閩北變質巖分布區[11]，為一套淺海相細碎屑巖，巖性基本上為泥巖、粉砂巖和少量細砂巖的組合。其中，閩北變質巖分布區建寧–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主要是砂巖–粉砂巖組。文筆山組厚度表現為西部厚度較大，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，較深區域位于龍巖–漳平–永安一帶，埋深為500~2 500 m。

3.2 有機質類型與豐度

福建省二疊系中統文筆山組干酪根有機顯微組分中，主要為鏡質組和惰質組，殼質組和腐泥組較缺乏。干酪根類型指數為–76~–79，干酪根類型劃分為Ⅲ型。分析認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，現階段主要產出干氣。

有機碳含量(TOC)數據統計表明，研究區文筆山組泥頁巖有機質富集度中等，有機碳質量分數為0.21%~12.97%，其中西條帶有機碳質量分數平均值為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)質量分數主要分布在1%~2%，具有高產氣能力(TOC> 2%)的測試樣品最少。根據2014年發布的《頁巖氣資源/儲量計算與評價技術規范》規定的有機碳含量劃分標準，文筆山組泥頁巖有機質含量中等，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量分數低于1.20%，有機質富集度較低；中部區域有機碳含量高于東部和西部，尤其是龍巖一帶，泥頁巖有機碳質量分數超過2.00%，有機質富集度高，生烴潛力較好，可以作為下一步勘探工作的重點區域；西部區域泥頁巖有機碳質量分數為1.00%~1.60%(圖1)。

3.3 有機質成熟度

有機質成熟度是表征有機質生油產氣的重要因素，它不僅可以決定泥頁巖的生烴潛力，還可以影響有機質表面的吸附量[13]。此次調查結果表明，福建省文筆山組泥頁巖有機質成熟度普遍較高，有機質成熟度ran為3.76%~4.91%，平均4.41%。文筆山組有機質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，龍潭礦區ZK22-03孔泥頁巖樣品有機質成熟度隨埋深增加而減小，兩者之間為負相關關系，可能與該鉆孔中上部巖漿侵入體有關；永定縣培豐–適中礦區ZK1和紅林坪礦區ZK11-3孔泥頁巖樣品有機質成熟度隨埋深增加而變大，兩者之間為正相關關系(圖2)。初步認為，福建省地質歷史過程中劇烈的巖漿活動和構造運動給文筆山組地層帶來大量的熱量，促使泥頁巖有機質成熟度過高。

圖2 福建省二疊系中統文筆山組鏡質體反射率與深度關系

3.4 礦物特征

當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，而當脆性礦物過高時，不利于頁巖氣的生成和保存。一般認為，泥頁巖的黏土礦物質量分數應小于50%，脆性礦物質量分數大于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。黏土礦物質量分數為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育；石英質量分數為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。根據國內外頁巖優選劃分標準[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果(圖4)顯示，研究區泥頁巖平均孔徑為6.72~9.89 nm，平均孔徑在中孔(2~50 nm)范圍內；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，總結福建省二疊系中統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 有機質豐度

研究區文筆山組泥頁巖層系有機質豐度與其他典型盆地含氣泥頁巖相當，稍有差異；文筆山組有機碳含量(TOC)下限比國內外典型盆地偏低，但上限比國內的龍馬溪組、筇竹寺組以及國外的Ohio、Lewis頁巖偏高，有機碳(TOC)質量分數主要集中在1%~2%，總體反映文筆山組泥頁巖有機質富集度中等，具有一定的生烴潛力。同時四川盆地頁巖氣主要產層有機碳質量分數介于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，相比較國內四川盆地，勘探與開采成本略有優勢；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有機質成熟度

研究區文筆山組有機質成熟度普遍高于其他層系，且其不介于一般商業性頁巖氣藏有機質成熟度2.0%~3.5%的范圍[18]，過高的演化程度預示著生烴能力的減弱，對一個地區的頁巖氣評價不利。國內海相頁巖僅四川盆地筇竹寺組部分地區泥頁巖有機質成熟度超過3.5%，甚至在高達4.5%的情況下仍然有工業氣流產出，其他地區尚未出現同類情況。說明文筆山組泥頁巖有機質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成熟度相對較低的區域。

④泥頁巖滲透率

相較于其他層系，研究區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，略優于龍馬溪組、筇竹寺組。文筆山組有遠大于常規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構的研究，了解具體的孔隙形態和發育特征，為水力壓裂作業提供指導，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。根據表1數據統計結果，中條帶的龍巖–永定地區有機質成熟度為3.76%~4.38%，平均4.32%，為4個分區中演化程度相對最低的地區，將是福建省文筆山組頁巖氣的有利區。

5 結論

a.福建二疊系中統文筆山組頁巖干酪根類型為Ⅲ型；有機碳質量分數普遍在1%~2%，有機質豐度中等，具有一定的生烴潛力；有機質成熟度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，同時泥頁巖發育一定量的微裂隙且有機質表面孔隙發育，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基礎和埋藏條件，但與國內外典型頁巖氣盆地含氣泥頁巖相比，文筆山組有機質成熟度過高、滲透率偏低，需要圈定出演化程度相對低的地區。福建省中條帶龍巖–永定地區演化程度相對最低，有機質成熟度ran為3.76%~4.38%，平均4.32%，初步認為該地區可以作為下一步工作的重點。后期工作需要加強有機質成熟度和微觀孔隙結構對儲氣性能的影響研究，了解研究區內泥頁巖的吸附能力、孔隙形態及發育特征，為準確圈定文筆山組頁巖氣成藏有利區提供技術支撐。

致謝：感謝中國地質大學(武漢)地球科學學院馮慶來教授的悉心指導，感謝中國地質調查局南京地質調查中心提供的幫助，感謝課題組鄧瑞錦、程喬同仁的協助。

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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

福建省公益性基礎性地質調查(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，從事煤田地質與礦井地質工作. E-mail：553776060@qq.com

陳泉霖. 福建二疊系中統文筆山組頁巖氣儲層條件分析[J]. 煤田地質與勘探，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.

(責任編輯 范章群)