福建二叠系中统童子岩组页岩气储层特征_陈泉霖.pdf

第 46 卷 第 4 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.4 2018 年 8 月COALGEOLOGY 2. Fujian Administration of Coal Geology, Fuzhou 350003, China Abstract The work of geology survey and carbon isotopic composition on shale gas has been done to reasonably uate the gas resource potential of Middle Permian Tongziyan ation. The results indicate that Ⅲ -type kerogen in the shale predominate and the content of organic carbon in the shale is usually under 2, with the Rran between 2.52 and 5.80 generally and the organic is in a mature stage of evolution. Shale reservoirs have high content of clay minerals and low content of brittle mineral, which is unfavorable to the fracturing treatment. The shale has low porosity and extremely low permeability, and meso-pores constitute the major space for gas adsorption. Tongziyan ation gas content is generally low, mainly due to post-tectonic movement and magmatic activity. The analysis showed that the Tongziyan ation at the bottom of the syncline has reservoir-ing conditions in the relatively less affected local block segment, the Jiafu syncline and the Fushi syncline. Keywords shale gas; Tongziyan ation; reservoir character; post-tectonic movement; Permian; Fujian 页岩气是指以吸附状态和游离状态为主要形式 存在于富有机质泥页岩中的一种非常规能源[1-8]。中 国的页岩气勘探开发起步较晚， 现阶段主要工作重点 在重庆[9]、贵州[10]、山西[11]、湖南[12-13]、内蒙古[14] 等地。 福建省目前开展的页岩气资源调查工作很少， 仅有福建省地质矿产勘查开发局承担了中国地质调 查局委托的“福建闽南地区页岩气选区评价”工作， 由于投入工作量少，工作程度低，初步优选了闽南 地区页岩气远景区[15]。 2014 年福建省国土资源厅委 托福建省煤田地质局开展“福建省页岩气资源潜力 调查与评价”工作，这对完善国家页岩气规划布局 以及弥补福建省页岩气资源调查的不足有重要意 义。本文依托“福建省页岩气资源潜力调查与评价” 项目，以福建省二叠系中统童子岩组为研究对象， ChaoXing 80煤田地质与勘探第 46 卷 分析其页岩气储层特征。 1地质背景 福建省晚泥盆世中三叠世沉积期的各时代沉 积地层岩性、岩相较为一致，差异不大，基本可对 比。在此期间，经历了三次大的海进到海退过程， 沉积地层特征、沉积相、生物组合等显示其沉积环 境为稳定地台陆表海盆[16]。早古生代发育一套海相 细碎屑岩沉积，暗色千枚状泥岩、板岩和粉砂质泥 岩累计厚度大于 2 000 m， 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， 不作为页岩气资源调查重点； 中二叠世早三叠世暗 色泥页岩最为发育，沉积累计厚度一般超过 800 m。 虽然受海西印支、燕山、喜马拉雅运动的影响， 地层完整性受到一定变形破坏，但未发生明显的变 质作用，仍存在成为页岩气藏的可能性，可以作为 福建省页岩气调查研究的重点目标层位；早侏罗世 为–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。 中二叠统童子岩组暗色泥岩非常发育，观察区 内各剖面的岩石组合特征，可以说基本上为一套泥 页岩、粉砂岩夹细砂岩的组合[15]。因此，从页岩气 研究角度出发， 将整套童子岩组作为一个完整的 “有 效页岩层段”来研究。 2童子岩组页岩气储层特征 2.1地层及赋存特征 研究区内童子岩组主要分布于将乐顺昌南 平一线以南，尤溪坂面永春天湖山南靖船场一 线以西地区，范围涵盖整个闽西南凹陷带及部分闽 北地区图 1[16]。 研究区统计的各地剖面数据可以看 出，其厚度适中，代表性剖面龙岩市毛桃坑剖 面分层显示了童子岩组岩性主要为灰紫、灰色、浅 灰色中厚层薄层泥岩、粉砂岩、细砂岩夹煤层、 煤线，整体粒度较细，厚度约为 584 m。但由于遭 1砂岩–粉砂岩组； 2粉砂岩–砂岩–泥岩组； 3粉砂岩–泥岩组； 4泥岩–砂岩组； 5泥岩–粉砂岩组； 6剥蚀区； 7滨海潮间坪Ⅰ/ 滨海沼泽相Ⅱ；8滨海湖上坪相Ⅲ/沉积环境不明区；9物质来源方向；10海退方向；11岩组界限；12沉积组界线 图 1福建省童子岩组岩相古地理图 Fig.1Lithofacies and paleogeography of Tongziyan ation in Fujian Province ChaoXing 第 4 期陈泉霖 福建二叠系中统童子岩组页岩气储层特征81 受到后期构造运动破坏，区内许多地区的童子岩组 地层并不完整，地层厚度一般 1381 210 m。总体表 现为北东向条带分布，由北向南、由东向西厚度增 大，埋藏深度为 02 000 m。 2.2采样及分析 此次调查研究一共采取童子岩组样品 202 件， 主要为研究区内 27 个矿区的钻孔岩心样品，有 168 件；部分为野外露头样品，有 34 件。测试分析项目 主要在国土资源部华东矿产资源监督检测中心中 国地质调查局南京地质调查中心完成，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。 测试分析项目有干酪根类型44 件、有机碳含 量202 件、Rran89 件、物相组成14 件、孔隙度5 件、渗透率4 件、氮气吸附实验17 件、扫描电 镜12 件以及泥页岩现场解吸测试29 件。 2.3有机质类型 童子岩组干酪根有机显微组分中，正常镜质组 和惰质组相对含量较高，其中，正常镜质体体积分 数为 8297，平均值为 90.88，惰质组体积分 数为 319，平均值为 8.81。干酪根类型指数 为–79.5–74.0，干酪根类型为Ⅲ型。实验结果表明， 泥页岩中有机显微组分主要为镜质组和惰质组，缺 乏壳质组和腐泥组。含气烃源岩的物源来自于动物 遗骸，具有含氢量低、含氧量高的特点，主要产出 干气。 2.4有机质丰度 有机碳测试结果表明，研究区童子岩组有机碳 质量分数介于 0.1014.40，平均值为 1.83，为 中等品质烃源岩。TOC 主要分布在 12图 2， 占样品总数量的 54.97；其次为高等级24烃 源岩，占样品总数量的 22.51；低等级4的烃源岩样品最少，占样品总数量的 5.24。 在平面上， 童子岩组有机碳含量分布特征明 显。处于研究区中部的大田县向东辐射约 30 km， 至东部德化煤矿区及大田煤矿区边缘地带，为较低 品质烃源岩分布区；西部条带中清流宁化一带也 为较低品质烃源岩分布区；中部龙永煤田靠近漳平 地区以及永安地区烃源岩品质较高，部分区域超过 4.0，此区间可以作为页岩气富集的优质泥岩分布 区。在垂向空间上，取样钻孔样品的有机碳含量与 埋藏深度之间未表现出明显的相关性。这与当时的 沉积环境有关，东部区域主要为陆源补给区，物源 的补偿速度大于盆地的沉积速度，不利于富有机质 页岩的长时间稳定富集；中部区域处于相对稳定的 沉积环境，有利于富有机质页岩的母源在长时间内 稳定富集；西部区域沉积过程水动力条件复杂，对 富含有机质页岩的母源富集有一定的影响。 图 2二叠系中统童子岩组有机碳频率分布 Fig.2Organic carbon frequency distribution in Middle Permian Tongziyan ation 2.5有机质成熟度 有机质成熟度是表征有机质向油气转化的热演 化程度，其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[17]。此次调查表明，童 子岩组泥页岩有机质成熟度普遍较高， Rran为 2.52 5.80，平均值为 4.69。在平面分布上，童子岩组 Rran普遍大于 2.0，大都处于过成熟演化阶段。垂 向上，选取取样品数较多的 6 个钻孔，绘制出镜质 体反射率与深度之间的关系图图 3， 反映童子岩组 Rran值和埋藏深度之间相关性不强， 表明地热场对其 热演化不具控制性。 图 3二叠系中统童子岩组页岩镜质体反射率与 深度关系 Fig.3Rranand depth for the Middle Permian Tongziyan ation 2.6岩矿特征 样品测试结果显示童子岩组岩石矿物组成主要 为黏土矿物和石英。黏土矿物质量分数为 68 90，平均为 79.85；石英质量分数为 1032， 平均为 20.15。黏土矿物中以伊利石和绿泥石为 ChaoXing 82煤田地质与勘探第 46 卷 主，含少量高岭石。童子岩组泥页岩矿物组成见 图 4。泥页岩储层的岩矿特征表明泥页岩储层黏 土矿物含量较高，脆性矿物含量不高，这对页岩储 层的压裂改造较为不利[18]。 图 4童子岩组泥页岩矿物组成 Fig.4Mineral compositions of shale in Tongziyan ation 2.7储层物性 泥页岩的储层物性对页岩气的聚集和后期的勘探 开发有重要影响[19]。童子岩组泥页岩孔隙度介于 2.975.93，平均为4.11，孔隙度较低；渗透率为 0.000200.0004710-3μm2，平均为0.0003310-3μm2， 渗透率极低。氮气吸附实验表明研究区泥页岩平均孔 径介于 6.1011.73 nm，平均孔径在中孔250 nm范围 内；比表面积为 2.719.94 m2/g，平均 6.40 m2/g，主要 集中在中孔。此外，通过扫描电镜发现童子岩组泥 页岩矿物以黏土和石英为主，少量有机质图 5。泥页 岩中存在大量的石英粒间孔隙，且石英表面孔隙较发 育；有机质表面孔隙裂缝发育。根据北美海相页岩气 储层评价标准和我国南方海相页岩气有利区优选的标 准对比结果[20-21]， 页岩气储层评价标准中孔渗条件一般 为孔隙度2，渗透率0.01 10-3μm2，说明童子岩组 泥页岩渗透率条件不利于后期勘探开发。 2.8含气性特征 泥页岩的含气量是页岩气资源量评价及勘探开 发的关键性技术指标。本次调查中利用直接解吸测 定法[22-24]，采用海城市石油化工仪器厂研发的 YSQ-IV 型测气仪，在新罗区翠屏山、永安市龙塘、 永安市大窠、永安市塘下洋、永定县杏坑北 5 个矿 区进行解吸测试，测试样品数共 19 件。需要指出的 是测试结果仅为解吸气，不包括损失气和残余气， 即泥页岩的实际含气量是大于测试结果的。具体样 品测试信息及测试结果见表 1。 测试结果显示，童子岩组泥页岩解吸气量介于 0.0130.258m3/t， 其中仅5块样品解吸气量大于0.10m3/t， 近一半样品的测试结果小于 0.05 m3/t，平均含气量为 0.071 m3/t。测试结果虽未包括损失气和残余气，但 考虑到含气量下限标准为埋深 h50 m 时， 含气量大 于 1 m3/t，解吸气量很少，与标准下限差距两个数 量级，所以仍然能反应区内童子岩组泥页岩含气量 较低。在纵向上，童子岩组泥页岩含气量未表现出 差异性。这和纵向空间上有机碳含量不存在差异性 有一定的关系。 3童子岩组页岩气赋存影响因素 福建省童子岩组为滨海平原沉积环境，沉积 环境相对稳定，沉积厚度为 1381 210 m，且其 泥页岩生气条件与贵州龙马溪组[10,25]相接近，理 论上存在成藏条件。但目前的测试成果显示，童 子岩组泥页岩含气性不佳，分析认为应与后期的 构造运动、岩浆活动破坏作用及封盖层的厚度大 小等因素有关。 3.1构造运动 自二叠系沉积以来，研究区经历了华力西印 支、燕山、喜马拉雅 3 次大的构造运动，对区内页 岩气储存有重大影响。 图 5童子岩组泥页岩样品电镜扫描照片 Fig.5SEM images of shale in Tongziyan ation ChaoXing 第 4 期陈泉霖 福建二叠系中统童子岩组页岩气储层特征83 表 1童子岩组含气量测试样品及测试信息 Table 1Related ination of gas content cores of Tongziyan ation 矿区钻孔编号解吸数据编号井深/m质量/kg总解吸量/mL解吸气量/m3t-1 新罗区翠屏山ZK10-2 AN017061.14870.820.049 AN027281.56241.740.021 AN037301.38762.350.035 AN047321.17719.790.013 永安龙塘ZK6-2 AN058230.614135.80.175 AN068250.951310.310.258 AN078480.60244.460.058 AN088520.83847.290.045 永安大窠ZK17-1 AN094300.72277.710.085 AN104430.587103.810.140 AN115000.92364.330.055 AN125100.71090.480.101 AN135210.831111.130.106 永安塘下洋ZK33-2 AN146400.88160.750.052 AN156470.88341.130.035 AN166550.78938.60.037 AN177280.79716.430.015 AN187530.75228.770.029 永定杏坑北ZK403AN1912891.26071.600.043 印支燕山期构造运动造成区内地层总体上发 育弹弯机制作用下的挠曲变形，形成一系列 NNE 向 紧闭宽缓型褶皱。地层变形容易形成裂缝，在裂缝 比较发育地区，页岩气藏的保存条件相对要差些[26]， 气体容易散失，聚集难度变大，增加了页岩气成藏 难度。喜马拉雅期主要表现为断块差异隆升活动。 西部条带中将乐明溪连城一带所受影响较大， 童子岩组地层多出露地表，不利于页岩气的保存。 3.2岩浆活动 华力西印支时期火山喷发及岩浆侵入活动相 对较弱，燕山期是福建省岩浆喷发及侵入活动最鼎 盛时期，喜马拉雅期岩浆活动微弱。燕山期，强烈 的火山喷发及与火山活动同时、同源频繁的岩浆侵 入，加剧了地层的变质作用，具体表现为福建地区 有机质成熟度普遍偏高。有学者发现，过成熟页岩 的纳米级孔隙有随着成熟度变高先发育后萎缩的变 化模式[27]，在变化过程中，其对储层含气性能的影 响是先有利后不利。学术界虽然对变化模式中临界 点存在异议，但根据研究区储层特征及现场解吸测 定，确定童子岩组泥页岩已经跨入纳米级孔隙萎缩 阶段，即福建省地质历史时期的岩浆活动总体上是 不利于页岩气的储存。 3.3封盖层条件 受改造运动及岩浆活动的影响，古生代地层基 本上支离破碎， 表现出局限狭长条带状分布的特征， 未能形成大面积封盖目标层位的区域。且受后期的 构造运动影响，造成大面积目标层出露地表，风化 作用严重；还有部分地层抬升后埋藏较浅300 m， 封盖条件不好，储气性能不佳。 4相对有利页岩气赋存块段 综合研究了童子岩泥页岩储层特征及后期构造 运动、岩浆活动及封盖层条件等影响因素，认为区 内童子岩组整体上含气性差。但也发现，在受后期 构造变动、岩浆活动影响相对较小的个别地区仍有 一定的成藏可能，如处于研究区中部的永安盆地的 加福向斜面积约 150 km2和龙永煤田的抚市向斜 面积约 100 km2。 加福向斜位于福建中部含煤条带永安市境内， 该地区积累了大量的勘查资料。勘查表明加福向斜 内构造相对简单，周边岩浆岩不发育，多数钻孔深 度 900 m 以上尚未穿过童子岩组地层，深部的童子 岩组地层也相对完整。童子岩组地层以海相泥岩、 粉砂岩为主，厚度较大平均约 300 m，埋藏深度达 到中浅层5002 000 m。此外，加福向斜周边的丰 海煤矿、福溪矿区 TOC 质量分数为 2.81，Rran为 4.03，有机质丰度较好，热演化程度较高。 抚市向斜位于福建龙岩新罗永定区境内，勘 ChaoXing 84煤田地质与勘探第 46 卷 查资料表明， 该地区悠远矿区孔深超过 1600 m 仍然 为童子岩组地层， 孔深超过 1000 m 尚在童子岩组地 层的有杏坑北、东门地、黄塘、石坑岽等矿区，且 深部未见断层， 周边岩浆岩不发育。 向斜深部存在页 岩气赋存的主要目标层系童子岩组为一套泥页岩、 粉 砂岩夹细砂岩的组合，厚度较大平均约 300 m。周 边黄塘、龙潭矿区 TOC 质量分数为 1.88，Rran为 4.77，有机质丰度较好，热演化程度较高。 通过上述分析，考虑泥页岩的厚度、埋深、有 机质及埋藏条件等多因素综合分析，认为永安盆地 的加福向斜和龙永煤田的抚市向斜是福建省童子岩 组页岩气成藏的两个相对有利区。 5结 论 a. 福建二叠系中统童子岩组页岩干酪根为Ⅲ 型；有机碳质量分数大部分处于 2以下，有机质丰 度中等； Rran值介于 2.525.80， 平均值为 4.69， 页岩储层处于过成熟演化阶段。 b. 童子岩组页岩储层黏土矿物含量较高， 脆性 矿物含量不高，不利于页岩储层的压裂改造。页岩 孔隙度较低，介于 2.975.93，渗透率极低，范 围为0.000 200.000 4710-3μm2，中孔是童子岩组 页岩气储存的主要场所。 c. 童子岩组解吸气量介于 0.0130.258 m3/t， 平 均气量为 0.071 m3/t， 含气量较低， 强烈的构造运动、 频繁的岩浆活动以及封盖层条件不佳是造成含气量 低的主要原因。 d. 在受后期构造运动、岩浆活动影响相对较小 的个别地区，如加福向斜和抚市向斜深部，是童 子岩组页岩气成藏的相对有利区。 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，感谢课题组邓瑞锦、程乔 同仁的大力协助。 参考文献 [1] 张金川，金之钧，袁明生. 页岩气成藏机理和分布[J]. 天然气 工业，2004，24715–18. 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