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第 47 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.4 2019 年 8 月 COAL GEOLOGY 2. Fujian Administration of Coal Geology, Fuzhou 350005, China Abstract This study is pered on the geological conditions of shale gas in Middle Permian Wenbishan a- tion 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, Rran is between 3.76 to 4.91 in the shale of Wenbishan ation, 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 ation in Fujian Province has material basis and buried condition for ing shale gas. It is pre- liminarily 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 perance, 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. Keywords shale gas; Permian; Wenbishan ation; reservoir characteristics; tectonic movement; Longyan, Fujian province 页岩气是指在暗色泥页岩或高炭泥页岩中“持 续式”聚集的非常规天然气[1-4]，经过近几十年的发 展，已经成为一种重要的战略意义能源。页岩气的 勘探开发首先在美国取得了突破，自 2000 年以来， 先后于福特沃斯盆地的 Barnett 页岩、 密歇根盆地的 Antrim 页岩、 阿巴拉契亚盆地的 Ohio 页岩、 圣胡安 盆地的 Lewis 页岩以及伊利诺伊盆地的 New Albany 页岩发现页岩气并实现了大规模的商业开发[5-8]。 在此 ChaoXing 第 4 期 陈泉霖 福建二叠系中统文笔山组页岩气储层条件分析 89 背景下，许多国家开始重视泥页岩层系中页岩气的 研究。我国经过十多年的发展，已经在重庆涪陵、 四川长宁–威远建成页岩气产区[9]，进行商业开发。 国内外学者对以上盆地和地区进行研究，基本认为 有机质丰度、有机质成熟度、有机质类型、矿物组 分、孔隙结构、埋藏深度及有效厚度等是评价页岩 气储层的重要因素。目前，福建省开展的页岩气资 源评价调查工作很少[10]，笔者依托福建省页岩气资 源潜力调查与评价项目，对福建省二叠系中统文笔 山组页岩气储层地质条件进行分析，为福建省下一 步页岩气勘探提供理论依据和技术支撑。 1 地质背景 根据全国大地构造单元划分，福建位于羌塘– 扬子–华南板块一级构造单元之华南新元古代 早古生代造山带二级构造单元内，同时以政和–大 埔断裂带为界， 将福建划分为闽西地块和闽东沿海 中生代岩浆带两个三级构造单元[11]。 闽西地块以南 平–宁化岩浆带为界，划分为闽北变质岩分布区和 闽西南坳陷区，闽东沿海为火山岩分布区图 1。 在构造运动和岩浆侵入作用的控制影响下，福建省 文笔山组的沉积岩系主要分布在闽西南坳陷区和闽 北变质岩分布区。各时代沉积地层岩性、岩相较为 一致，差异不大，基本可对比[12]。区内首先于早古 生代发育一套海相细碎屑岩、暗色千枚状泥岩、板 岩和粉砂质泥岩，由于受加里东期构造运动及岩浆 活动的强烈破坏，部分地层发生浅变质作用；中二 叠世早三叠世暗色泥页岩最为发育，沉积累 图 1 福建省二叠系中统文笔山组泥页岩有机碳等值线 Fig.1 The isoline of thermal maturity in Middle Permian Wenbishan ation shale, Fujian Province ChaoXing 90 煤田地质与勘探 第 47 卷 计厚度一般超过 800 m，该时期龙岩、永安、大田、将 乐等地沉积的地层未发生明显变质作用，是福建省页 岩气调查研究的重点目标层位[10]；早侏罗世为一套受 海侵影响的陆相沉积，岩性以中–细粒碎屑为主，暗色 泥岩也多以夹层为主，岩性特征不利于页岩气的生成。 2 样品采集与测试 福建省区域地质志[11]中将文笔山组的上覆地 层童子岩组分为西、中、东 3 个条带，其中中条带 又分为龙岩–永定区域和永安–大田区域。根据童子 岩组条带分区情况，此次调查研究过程中共采取文 笔山组样品 85 件，其中西条带 10 件，中条带龙岩 –永定53 件，中条带永安–大田12 件，东条带 10 件。样品的测试分析主要在中国地质调查局南京地 质调查中心国土资源部华东矿产资源监督检测中 心完成，仅氮气吸附实验在中国地质大学武汉教 育部构造与油气资源重点实验室完成。 测试分析项目有总有机碳含量TOC85 件、 干 酪根类型20 件、有机质成熟度Rran57 件、岩石 矿物组成7 件、孔隙率4 件、渗透率4 件、氮气 吸附实验4 件，具体各条带地球化学特征与孔隙 率、渗透率数据见表 1。 表 1 福建省二叠系中统文笔山组泥页岩地球化学特征与孔隙率、渗透率数据 Table 1 Geochemical characteristics, porosity and permeability of Middle Permian Wenbishan ation shale, Fujian Province 研究区分区 有机碳质量分数/ 镜质体反射率 Rran/ 干酪根类型指数 孔隙率/ 渗透率/10-3 μm2 西条带 0.243.65/1.3210 3.974.59/4.356–78.50–76.00/–76.904 中条带龙岩–永定 0.2112.97/1.7153 3.764.38/4.3225–78.75–76.25/–77.178 5.156.84/6.002 0.000 30.001 8/0.001 02 中条带永安–大田 0.424.98/1.5512 3.944.68/4.3713–78.00–76.50/–77.064 4.531 0.005 61 东条带 0.452.67/1.2610 4.114.91/4.5513–77.75–76.25/–76.7245.491 0.000 71 注0.243.65/1.3210最小值最大值/平均值样品数，其他数据同。 3 文笔山组页岩气储层特征 3.1 地层厚度及赋存特征 研究区二叠系中统文笔山组泥页岩主要分布于 将乐–建瓯一线以南， 德化–安溪–南靖一线以西， 范围 涵盖整个闽西南坳陷区及部分闽北变质岩分布区[11]， 为一套浅海相细碎屑岩，岩性基本上为泥岩、粉砂 岩和少量细砂岩的组合。其中，闽北变质岩分布区 建宁–泰宁–建瓯一带，为砂岩–粉砂岩组，宁化–将 乐一带主要为粉砂岩–砂岩–泥岩组；闽西南坳陷区 龙岩–永安一带为泥页岩–粉砂岩组， 武平–连城为泥 岩–砂岩组；闽东沿海中生代岩浆带内主要是砂岩– 粉砂岩组。文笔山组厚度表现为西部厚度较大，往 东、北方向呈不断变薄趋势。厚度较大的区域在福 建省西部连城–清流一带，厚度为 300520 m；中部龙 岩–永安一带厚度为 135320 m；东部永春–南靖一带 厚度为 71160 m；泥页岩的净厚度为 3590 m。埋深 受晚古生代坳陷控制，较深区域位于龙岩–漳平–永 安一带，埋深为 5002 500 m。 3.2 有机质类型与丰度 福建省二叠系中统文笔山组干酪根有机显微 组分中，主要为镜质组和惰质组，壳质组和腐泥组 较缺乏。干酪根类型指数为–76–79，干酪根类型 划分为Ⅲ型。 分析认为文笔山组泥页岩中有机显微 组分的物源主要来自于植物遗骸， 现阶段主要产出 干气。 有机碳含量TOC数据统计表明，研究区文笔 山组泥页岩有机质富集度中等，有机碳质量分数为 0.2112.97，其中西条带有机碳质量分数平均值 为 1.32，中条带龙岩–永定为 1.71，中条带永 安–大田为 1.55，东条带为 1.26表 1。有机碳 TOC质量分数主要分布在 12，具有高产气能 力TOC 2的测试样品最少。根据 2014 年发布的 页岩气资源/储量计算与评价技术规范规定的有 机碳含量划分标准，文笔山组泥页岩有机质含量中 等，具有一定的生烃潜力。文笔山组有机碳含量 TOC在平面上分布特征明显。东部德化县、永春 县泥页岩有机碳质量分数低于 1.20，有机质富集 度较低；中部区域有机碳含量高于东部和西部，尤 其是龙岩一带，泥页岩有机碳质量分数超过 2.00， 有机质富集度高，生烃潜力较好，可以作为下一步 勘探工作的重点区域；西部区域泥页岩有机碳质量 分数为 1.001.60图 1。 3.3 有机质成熟度 有机质成熟度是表征有机质生油产气的重要因 素，它不仅可以决定泥页岩的生烃潜力，还可以影 响有机质表面的吸附量[13]。此次调查结果表明，福 建省文笔山组泥页岩有机质成熟度普遍较高，有机 ChaoXing 第 4 期 陈泉霖 福建二叠系中统文笔山组页岩气储层条件分析 91 质成熟度 Rran为 3.764.91，平均 4.41。文笔 山组有机质成熟度在平面上普遍大于 3.50，处于 过成熟演化阶段。在垂向上，龙潭矿区 ZK22-03 孔 泥页岩样品有机质成熟度随埋深增加而减小，两者 之间为负相关关系，可能与该钻孔中上部岩浆侵入体 有关； 永定县培丰–适中矿区ZK1和红林坪矿区ZK11-3 孔泥页岩样品有机质成熟度随埋深增加而变大，两者 之间为正相关关系图 2。初步认为，福建省地质历史 过程中剧烈的岩浆活动和构造运动给文笔山组地层带 来大量的热量，促使泥页岩有机质成熟度过高。 图 2 福建省二叠系中统文笔山组镜质体 反射率与深度关系 Fig.2 Rran of vitrinite and depth for the Middle Permian Wenbishan ation, Fujian Province 3.4 矿物特征 当泥页岩中脆性矿物较多时，易于进行水力压 裂，提高气体采收率，而当脆性矿物过高时，不利 于页岩气的生成和保存。一般认为，泥页岩的黏土 矿物质量分数应小于 50，脆性矿物质量分数大于 30[14]。通过 X 射线衍射分析，文笔山组页岩岩石 矿物组成主要为黏土矿物和石英。黏土矿物质量分 数为 6988，平均 80.14，含量较高，降低了 岩石的脆性，削弱了岩石中裂缝的生成和发育；石 英质量分数为 1231，平均 19.86图 3，石英 含量低，对页岩储层的压裂改造较为不利[15]。 图 3 福建省二叠系中统文笔山组泥页岩矿物组成 Fig.3 Mineral composition of shale in Middle Permian Wenbishan ation, Fujian Province 3.5 储层物性 泥页岩的储层物性对页岩气的聚集和后期勘探开 发有重要影响[16]。通常情况下，含气泥页岩具有低 孔、低渗透性特点[17]，页岩气储层较为致密。根据 国内外页岩优选划分标准[18]，文笔山组泥页岩孔隙 率中等，介于 4.53 6.84，平均 5.50；渗透率极 低， 为0.000 30.005 7 10-3 μm2， 平均0.002 110-3 μm2。 此外，通过低温液氮吸附实验结果图 4显示， 研究区泥页岩平均孔径为 6.729.89 nm， 平均孔径在 中孔250 nm范围内；比表面积为 5.997.44 m2/g， 平均 6.89 m2/g。文笔山组泥页岩平均孔隙比表面积 主要集中在微孔和中孔，分别占总比表面积的 43.39、42.86。平均孔隙体积主要集中在中孔和 大孔，分别占总孔隙体积的 45.68和 46.16。 图 4 福建省二叠系中统文笔山组泥页岩孔隙体积与孔 比表面积分布直方图 Fig.4 Histogram of pore volume and pore specific surface area of shale in Middle Permian Wenbishan ation, Fujian Province 4 讨 论 通过上述分析，总结福建省二叠系中统文笔山 组页岩气储层条件，并与我国四川盆地及美国典型 盆地含气泥页岩储层进行对比表 2。 ① 有机质丰度 研究区文笔山组泥页岩层系有机质丰度与其他 典型盆地含气泥页岩相当，稍有差异；文笔山组有 ChaoXing 92 煤田地质与勘探 第 47 卷 表 2 页岩储层特征对比 Table 2 Comparison of characteristics of shale reservoir 盆地地区 目标层位 时代 埋深/m 净厚度/mTOC/ 有机质成熟度 Rran/ 孔隙率/ 渗透率/ 10-3 μm2 干酪根类型 福建省 文笔山组 中二叠世 5002 5003590 0.212.93.94.9 4.56.8 0.002 Ⅲ型 四川盆地[1,9,20] 龙马溪组 早志留世 2 5003 50084102 0.68.42.23.1 1.25.8 0.023 Ⅰ、Ⅱ型为主 四川盆地[1,9,20] 筇竹寺组 早寒武世 1 5005 00040100 0.64.52.04.5 0.13.0 ＜0.01 Ⅰ、Ⅱ型为主 福特沃斯[5,6] Barnett 早石炭世 1 9812 59261152 1.013.01.12.1 4.05.0 ＜0.01 Ⅱ型为主 阿巴拉契亚[5,7,20] Ohio 泥盆纪 6101 52491305 0.54.80.41.3 2.011.0 ＜0.1 Ⅰ、Ⅱ型为主 密执安[5,20] Antrim 泥盆纪 200720 2137 0.325.00.40.6 2.010.0 ＜0.1 Ⅰ型为主 伊利诺斯[5,8,20] New Albany 泥盆纪 1831 50031140 1.025.00.41.0 5.015.0 ＜0.1 Ⅱ型为主 圣胡安[5,8,20] Lewis 早白垩世 9141 8291525790.452.51.61.9 0.55.5 ＜0.1 Ⅲ型为主 机碳含量TOC下限比国内外典型盆地偏低，但上 限比国内的龙马溪组、筇竹寺组以及国外的 Ohio、 Lewis 页岩偏高，有机碳TOC质量分数主要集中在 12，总体反映文笔山组泥页岩有机质富集度中 等，具有一定的生烃潜力。同时四川盆地页岩气主 要产层有机碳质量分数介于 1.18.4[19]，说明文 笔山组有机碳含量达到评价要求。 ② 埋深与净厚度 与其他典型盆地相比，文笔山组埋藏深度浅于 四川盆地的龙马溪组、筇竹寺组，深于美国阿巴拉 契亚、密歇根、伊利诺斯、圣胡安等 4 大盆地的页 岩，相比较国内四川盆地，勘探与开采成本略有优 势；文笔山组泥页岩净厚度为 3590 m，略小于四 川盆地龙马溪组、筇竹寺组，与阿巴拉契亚、圣胡 安盆地页岩差距较大。 ③ 有机质成熟度 研究区文笔山组有机质成熟度普遍高于其他层 系，且其不介于一般商业性页岩气藏有机质成熟度 2.03.5的范围[18]，过高的演化程度预示着生烃 能力的减弱，对一个地区的页岩气评价不利。国内 海相页岩仅四川盆地筇竹寺组部分地区泥页岩有机 质成熟度超过 3.5，甚至在高达 4.5的情况下仍 然有工业气流产出，其他地区尚未出现同类情况。 说明文笔山组泥页岩有机质成熟度是其页岩气评价 的不确定因素，需要开展进一步研究圈定有机质成 熟度相对较低的区域。 ④ 泥页岩渗透率 相较于其他层系，研究区文笔山组泥页岩的渗 透率明显低于四川盆地龙马溪组、筇竹寺组，比国 外典型盆地含气泥页岩更低。 ⑤ 泥页岩孔隙特征 文笔山组泥页岩孔隙率条件较好，略优于龙 马溪组、筇竹寺组。文笔山组有远大于常规岩石 储层的孔隙率和孔比表面积，有利于气体的吸附， 具有较好的气体吸附场所。但较弱的渗透能力， 后期需要加强对微观孔隙结构的研究，了解具体 的孔隙形态和发育特征，为水力压裂作业提供指 导，尽可能减小渗透率偏低带来的不利。 文笔山组页岩气储层有一定的研究前景，需要 注意的是，有机质成熟度普遍偏高是文笔山组页岩 气评价的不确定因素。根据表 1 数据统计结果，中 条 带 的 龙 岩 – 永 定 地 区 有 机 质 成 熟 度 为 3.764.38，平均 4.32，为 4 个分区中演化程度 相对最低的地区，将是福建省文笔山组页岩气的有 利区。 5 结 论 a. 福建二叠系中统文笔山组页岩干酪根类型 为Ⅲ型；有机碳质量分数普遍在 12，有机质丰 度中等，具有一定的生烃潜力；有机质成熟度 Rran 为 3.944.91，页岩储层处于过成熟演化阶段； 岩石脆性矿物普遍较低。 b. 文笔山组泥页岩孔隙率中等，为 4.53 6.84；渗透率极低，为0.000 30.005 710-3 μm2。 文笔山组泥页岩具有较好的孔隙体积和孔隙比表面 积，微孔和中孔是气体吸附的主要场所，同时泥页 岩发育一定量的微裂隙且有机质表面孔隙发育，为 气体的脱附和排出提供了通道。 c. 文笔山组有形成页岩气的物质基础和埋藏 条件， 但与国内外典型页岩气盆地含气泥页岩相比， 文笔山组有机质成熟度过高、渗透率偏低，需要圈 定出演化程度相对低的地区。福建省中条带龙岩– 永定地区演化程度相对最低，有机质成熟度 Rran为 3.764.38，平均 4.32，初步认为该地区可以作 为下一步工作的重点。 后期工作需要加强有机质成熟 度和微观孔隙结构对储气性能的影响研究， 了解研究 区内泥页岩的吸附能力、 孔隙形态及发育特征， 为准 确圈定文笔山组页岩气成藏有利区提供技术支撑。 ChaoXing 第 4 期 陈泉霖 福建二叠系中统文笔山组页岩气储层条件分析 93 致谢感谢中国地质大学武汉地球科学学院 冯庆来教授的悉心指导，感谢中国地质调查局南京 地质调查中心提供的帮助，感谢课题组邓瑞锦、程 乔同仁的协助。 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