闽西南中二叠统童子岩组页岩气形成的地质条件及远景区预测

陈泉霖,程 乔,冯庆来,邓瑞锦

(1.中国地质大学 地球科学学院, 武汉 430074;2.福建省煤田地质局, 福州 350005;3.福建省煤田地质勘查院, 福州 350005)

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天然气[1-7]。 我国页岩气经过十多年的勘探开发, 已经在重庆涪陵、 四川长宁-威远、 云南昭通、 贵州习水海相地层以及鄂尔多斯盆地陆相地层中取得重大突破, 其中重庆涪陵和四川长宁-威远[8-9]已经进行商业开发, 取得了显著的经济效益。

福建地区开展的页岩气调查工作较少。 2013年,房立志等[10]对闽西南页岩孔隙特征及赋气机理开展了研究； 2016年福建省地质矿产勘查开发局对闽南地区页岩气进行了选区评价； 2018年陈泉霖分析了福建童子岩组泥页岩有机地球化学在空间上的分布特征[11]。但目前仍未有对福建地区页岩气形成地质条件进行系统总结的报道,造成对福建地区在这方面的认识不够清晰。笔者以永定ZK403钻孔岩心样品的分析数据为基础,结合前期的研究成果,对闽西南中二叠统童子岩组页岩气形成地质条件进行研究,并综合分析童子岩组页岩气远景区以及有利赋气层段,为我国东南地区陆相地层页岩气的勘探开发提供科学依据。

1 地质背景

闽西南坳陷位于福建省建宁县、 南平市以南, 永春县、 南靖县以西(图1)。 其北部为闽北变质岩分布区, 东部为闽东火山岩分布区, 地层分区属华南地层大区(Ⅵ)东南地层区(Ⅵ5)的一部分, 构造单元属于华南板块(一级构造单元)之华南新元古代—早古生代造山带内(二级构造单元内)。 在岩浆侵入和构造运动影响下, 福建地区童子岩组主要分布在闽西南地区[12]。

童子岩组为一套海陆交互相含煤碎屑建造, 是福建省最具经济意义的含煤岩系[13]。 自下而上分为3个岩性段, 下部为童子岩组一段(P2t1), 中部为童子岩组二段(P2t2), 上部为童子岩组三段(P2t3)。 其中: 童子岩组一段与三段含煤; 二段为浅海相沉积, 不含煤。 童子岩组在纵向沉积上具有分层性, 在闽西南地区的空间展布上还具有分区性。 闽西南的西部,即连城-武平一带为西条带, 永安-龙岩一带为中条带, 尤溪-永春一带为东条带(图1)。 古地理环境的差异性和地层沉降的不均衡性是地层分区的主要原因[14],且福建省主要煤矿区集中在中条带。

图1 岩心考察与采样位置分布简图Fig.1 Core investigation and sampling position

2 泥页岩厚度及展布特征

在前人研究的基础上[14], 结合以往煤田勘查施工钻孔, 统计绘制出研究区内童子岩组各段泥页岩厚度等值线图(图2)。 (1)在西条带内, 童子岩组一段、 二段与下伏地层文笔山组(P2w)均属于浅海相沉积,故西条带内童子岩组一段、 二段厚度难以区分(图2a、 b); 东条带内, 靠近永春地区童子岩组一段泥页岩沉积厚度最大, 自东向西厚度逐渐减小, 龙岩-永安一带厚度为200～250 m。(2)童子岩组二段厚度较大的地区在永定县附近及东条带中部, 厚度为60～130 m, 向西厚度同样逐渐减小(图2b)。(3)童子岩组三段发育较好, 区内均有分布, 厚度变化趋势与一段相似, 由中间向两边减小； 永定、 龙岩、 永安以及东条带中部沉积的泥页岩厚度>400 m; 西条带中部武平县一带厚度约200 m; 东条带边缘永春县一带厚度约300 m(图2c)。童子岩组总埋藏深度为0～3 000 m。

图2 童子岩组各段泥页岩厚度分布图Fig.2 Thickness distribution of shales from Tongziyan Formation

3 童子岩组页岩气储层特征

3.1 有机质特征及垂向变化

有机地球化学指标是分析页岩气形成地质条件的重要评价参数[15],常用于页岩气形成地质条件评价分析的有机地球化学指标包括有机质丰度、有机质成熟度、有机质类型等。

3.1.1 有机质丰度及垂向变化 文献[11]曾从平面上分析童子岩组有机碳含量(TOC)变化特征,结果表明, 中条带龙岩-永定一带以及永安地区有机质丰度较高,可以作为页岩气富集的优质泥页岩分布区。此次研究由于未发现新鲜露头剖面,通过岩心考察,选取永定地区ZK403钻孔进行垂向采样对比分析。该钻孔经过的童子岩组发育完整,且受构造运动和岩浆活动的影响较小,对分析研究有机地球化学特征、岩石学特征以及物性特征具有一定的代表性。

童子岩组一段,钻孔揭露实际厚度244 m(图3), 采集样品20块。 有机碳含量(TOC)大多>1.0%,介于0.45%～9.97%,平均3.17%,泥页岩有机质丰度较好。TOC的高值(9.97%)出现在一段中部层段； TOC与深度之间未表现出线性关系。

图3 童子岩组一段有机碳含量随地层深度的变化Fig.3 Organic carbon varying with depth in Member 1 of Tongziyan Formation

童子岩组二段， 钻孔揭露的实际厚度为107 m(图4)。 二段为浅海相沉积, 岩性简单, 主要由泥岩和细粉砂岩组成。 测得25块泥页岩样品的TOC含量在0.89%～2.87%, 平均为1.53%, 有机质丰度中等。 TOC含量由底部向上60 m稳定于1.0%～2.0%,随后向上有缓慢增大的趋势。

图4 童子岩组二段有机碳含量随地层深度的变化Fig.4 Organic carbon varying with depth in Member 2 of Tongziyan Formation

童子岩组三段, 厚度大, 岩性复杂, 钻孔钻遇的实际厚度为429 m, 主要由泥岩、 细砂岩、 细粉砂岩、 炭质泥岩和煤层组成(图5)。 在该段取得样品76块, TOC含量在0.19%～6.29%, 平均1.55%, 有机质丰度中等。 TOC含量从底部向上30 m基本稳定于1.0%～2.0%, 在距底部约50 m处出现一个有机碳含量峰值(6.29%)； 继续向上250 m区间内, TOC在1.0%～3.0%间波动; 最后区间内TOC随深度变浅逐渐变小。 分析认为, 该段底部稳定发育的泥页岩是页岩气富集的有利层段。

3.1.2 有机质成熟度及垂向变化 有机质成熟度是表征有机质向油气转化的热演化程度,决定了泥页岩的生烃潜力[16]。此次研究共采取童子岩组样品98块,有机质成熟度(Ro)为3.76%～4.94%,平均4.33%。

童子岩组一段17块样品, 有机质成熟度在4.19%～5.25%(图3),平均4.56%。童子岩组二段25块样品，有机质成熟度在3.92%～4.96%, 平均4.40%。 一段与二段有机质成熟度随深度未表现出线性关系,显现的是一种震荡变化的状态(图4)。童子岩组三段共采集了56块样品, 有机质成熟度为3.76%～4.59%(图5), 平均4.29%。 从三段底部向上300 m, 有机质成熟度在4.1%～4.7%间波动变化; 300 m处至顶部,有机质成熟度呈现逐渐降低的趋势。整体的变化趋势与有机碳含量类似。

图5 童子岩组三段有机碳含量随地层深度的变化Fig.5 Organic carbon varying with depth in Member 3 of Tongziyan Formation

此次实验结果结合房立志等[10]、陈泉霖[11]在研究区内其他地区的分析结果,总体表明了闽西南童子岩组泥页岩有机质成熟度过高的事实。过高的热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。美国三大典型页岩气盆地页岩有机质成熟度均小于3.5%[17],远低于研究区童子岩组。国内有工业气流产出的已知的最高有机质成熟度泥页岩地层为四川盆地筇竹寺组,其有机质成熟度为4.5%。鉴于此,不能直接否定童子岩组的页岩气形成条件,有机质成熟度的具体影响有待进一步研究。

3.1.3 有机质类型 经鉴定， 童子岩组干酪根有机显微组分以镜质组为主,含量在82%～97%,平均90.88%;惰质组次之,含量在3%～19%,平均8.81%;腐泥组和壳质组几乎不发育。干酪根类型是根据各显微组分的占用比例与各组分分布的系数进行相关计算得到的类型指数(TI)[18]来确定。童子岩组一段TI值为-79.5～-76,二段TI值为-78.5～-76,三段TI值为-78.75～-74。各段的TI值均小于0,即童子岩组各段干酪根类型相同,为Ⅲ型——腐殖型。

3.2 岩石矿物特征

采用全岩X衍射分析方法,对童子岩组53块(一段8块, 二段8块, 三段37块)样品进行了成分分析, 主要矿物含量(wB): 一段, 石英26%～51%(平均38%), 黏土矿物39%～62%(平均51%), 长石4%～15%(平均7.4%), 其他矿物约3.6%; 二段, 石英28%～58%(平均36%), 黏土矿物34%～63%(平均56%), 长石3%～7%(平均5.1%),其他矿物约2.9%; 三段, 石英32%～65%(平均44.8%), 黏土矿物33%～64%(平均50.6%),长石0～8%(平均2.9%), 其他矿物约1.7%。

为直接量化比较各段之间岩石脆性特征,利用以上矿物含量计算岩石的脆性指数(BI)：

其中,脆性矿物包括石英、长石、白云石、方解石、黄铁矿、重晶石等。

计算结果表明, 童子岩组一段BI值为35%～60%,平均48%;二段BI值为36%～65%,平均43%;三段BI值为35%～67%,平均49%。一段、二段的测试样品数相对较少,但与三段相同,脆性指数主要分布区间在40%～50%(图6),且各段平均值差异不大,均符合脆性指数大于40%的要求。较高的脆性矿物含量说明童子岩组泥页岩储层利于压裂造缝。

图6 童子岩组岩石脆性指数频率分布Fig.6 Frequency distribution of brittleness index of Tongziyan Formation

3.3 孔隙度、渗透率特征

通过研究泥页岩储层的有机地球化学、岩石矿物特征,可了解其生烃基础、生烃潜力以及压裂条件，再从孔隙度等指标判断泥页岩中游离态气体的含量,以及渗透率对气体开采速度的影响[19-20]。

童子岩组泥页岩样品的测试结果: 一段样品5块, 孔隙度在0.65%～1.99%(平均1.45%), 渗透率为(0.001 5～0.004 2)×10-3μm2(平均0.002 5×10-3μm2); 二段样品3块,孔隙度在1.09%～2.94%(平均1.84%), 渗透率为(0.000 5～0.006 5)×10-3μm2(平均0.002 6×10-3μm2); 三段样品12块, 孔隙度在0.58%～2.97%(平均1.46%), 渗透率为(0.000 6～0.044 5)×10-3μm2(平均0.006 2×10-3μm2)。

4 童子岩组页岩气远景区

为了更好地分析闽西南二叠系中统童子岩组页岩气储层的地质条件, 将其与国内四川盆地以及美国典型盆地含气泥页岩储层进行对比，其特征如表1所示:

表1 泥页岩储层特征对比Table 1 Characteristics comparison of shale gas

①童子岩组泥页岩TOC含量与其他典型盆地含气泥页岩相当, 稍有差异; 童子岩组三段TOC含量下限比国内外典型盆地要低, 但一段的上限比国内的筇竹寺组、 龙马溪组高, 三段的上限比筇竹寺组高, 比国外的Barnett、 Marcellus页岩有机碳含量低。 童子岩组各段TOC含量主要在1%～2%, 反映了该组泥页岩有机质富集较好, 且一段有机质富集程度最好, 三段次之, 二段略差, 总体表明各段具有较好的生烃基础。

②在埋藏深度、 净厚度方面, 童子岩组与其他典型盆地含气泥页岩仍具有较好的可比性。 其中, 埋藏深度浅于四川盆地的筇竹寺组, 接近于美国Barnett、 Marcellus页岩; 童子岩组泥页岩净厚度条件较好, 与国内外典型盆地含气泥页岩均有一定的可比性[17]。

③童子岩组有机质成熟度普遍高于其他泥页岩, 且大于一般商业性页岩气藏有机质成熟度3.5%的上限[21], 与其他页岩气储层对比, 童子岩组页岩气的有机质成熟度条件不佳, 限制了页岩气的成藏。 但四川盆地龙马溪组、 筇竹寺组有机质成熟度普遍高于2.0%, 筇竹寺组部分地区泥页岩有机质成熟度超过3.5%, 高达4.5%[17], 仍然有工业气流产出, 说明一些过高成熟度地区仍然有页岩气成藏条件, 童子岩组有机质成熟度对含气性的影响有待进一步研究。

④童子岩组泥页岩的孔隙度较低, 约是美国Barnett页岩的1/3、 Marcellus页岩的1/6, 与国内四川盆地筇竹寺组孔隙度相接近, 略低于龙马溪组。 相较于童子岩组较低的孔隙度条件, 渗透率条件良好。 渗透率高于美国Barnett、Marcellus页岩0.001×10-3μm2的渗透率条件,同时大于筇竹寺组、 龙马溪组的渗透率。

对比结果表明, 童子岩组有机质成熟度与孔隙度条件较差, 可能导致童子岩组不具备页岩气前景。

另外, 研究区位于活跃的大陆边缘, 侵入岩分布广泛,其出露面积规模较大, 对沉积地层的保存较为不利。通过研究二叠纪以来的侵入岩分布范围发现, 童子岩组较好地保存于西条带西北部,中条带永定-龙岩-漳平-永安地区以及东条带尤溪县地区(图7)。

图7 闽西南童子岩组页岩气远景区简图Fig.7 Shale gas prospective area from Tongziyan Formation in southwestern Fujian

根据以上分析，总结认为,闽西南中二叠统童子岩组页岩气形成的地质条件欠佳,需进一步深入研究。

根据本次研究成果，结合童子岩组有机地球化学在空间上的分布特征、泥页岩厚度、 埋深，以及岩浆侵入状况, 对这几项因素进行综合叠加分析，优选出4块童子岩组页岩气远景区。这4块页岩气远景区均分布在中部条带：永定-龙岩-漳平一带有2块, 靠近永安-大田县有1块, 还有1块位于永安市正西方向约20 km处。 这些远景区可作为福建地区页岩气下一步勘探工作的重点区域。

5 结 论

(1)闽西南二叠系中统童子岩组泥页岩有一定的有机质富集度, 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页岩气富集的有利层段； 一段、 二段、 三段的有机质成熟度平均值分别为4.56%、 4.40%、 4.29%,均处于很高的演化程度,可能导致童子岩组不太具备页岩气前景,是童子岩组页岩气评价的不确定因素。参照四川盆地筇竹寺组在高成熟度情况下仍有工业气流产出的情况,有机质成熟度对童子岩组页岩气的影响有待进一步研究。童子岩组的有机质类型为Ⅲ型——腐殖型。

(2)童子岩组一段、二段、三段的岩石的脆性指数平均值为48%、43%、49%,具有较好的压裂条件。该组泥页岩的孔隙度较低,低于美国典型盆地页岩气储层,接近于国内四川盆地筇竹寺组。童子岩组的渗透率条件良好。

(3)闽西南童子岩组具有形成页岩气的地质条件， 永定-龙岩、龙岩-漳平、永安-大田县以及永安市附近4块远景区,可作为福建页岩气下一步勘探工作的重点区域。

研究过程中得到了中国科学院大学地球科学学院琚宜文教授的悉心指导，在此表示衷心的感谢！