強(qiáng)改造區(qū)龍馬溪組頁巖氣保存條件指數(shù)評(píng)價(jià)

于俊友，雍自權(quán)，程凌云，蘭寧王天依，胡玉川，梁小龍

油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)）（四川成都） ６１００５９

近年來，四川盆地東南緣普遍發(fā)育的上奧陶統(tǒng)五峰組 （O3w）－下志留統(tǒng)龍馬溪組 （S1l）和下寒武統(tǒng)牛蹄塘組2套優(yōu)良烴源巖是值得高度重視的頁巖氣勘探開發(fā)層系［1～9］。馬永生等［10］主要從區(qū)域蓋層、構(gòu)造作用強(qiáng)度、出露地層、巖漿活動(dòng)、水文地質(zhì)與地球化學(xué)和古流體等6個(gè)影響因素對(duì)常規(guī)油氣保存條件評(píng)價(jià)研究。雖然頁巖氣與常規(guī)油氣在保存條件研究方面有相同之處，但頁巖氣的頂?shù)装濉⒆苑忾]特性和滲流具方向性等自身特點(diǎn)使得頁巖氣保存條件研究不同于常規(guī)油氣［11］。聶海寬、潘仁芳等［12，13］從物質(zhì)基礎(chǔ)、構(gòu)造作用和演化歷史、出露地層、水文地質(zhì)與地球化學(xué)、壓力等方面對(duì)頁巖氣保存條件進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。眾多學(xué)者強(qiáng)調(diào)中國與美國頁巖氣地質(zhì)條件的共性，而忽視了中國地質(zhì)條件的特性。美國地區(qū)地質(zhì)條件相對(duì)簡單，頁巖氣保存條件良好，而中國地質(zhì)條件具有多構(gòu)造旋回的特殊性，頁巖氣保存條件研究應(yīng)不同于美國。研究區(qū)內(nèi)S1l烴源巖雖條件最好［5］、生儲(chǔ)蓋在空間和時(shí)間上的組合關(guān)系等條件非常優(yōu)越［7］，但經(jīng)歷了加里東、海西、印支、燕山和喜山等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用的強(qiáng)改造，具有強(qiáng)隆升、強(qiáng)剝蝕、強(qiáng)變形等特點(diǎn)，斷裂作用相對(duì)發(fā)育，地質(zhì)條件相對(duì)較復(fù)雜，這就導(dǎo)致頁巖氣藏遭受一定的影響，甚至完全被破壞掉。筆者著重考慮頁巖氣本身特性及強(qiáng)改造的地質(zhì)條件，根據(jù)野外實(shí)測數(shù)據(jù)和收集的前人資料，通過海拔、剝蝕、傾角、變形、破裂等5個(gè)指數(shù)來探討該地區(qū)以S1l為目的層的海相頁巖氣保存條件，望能為強(qiáng)改造區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)提供參考。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)地理上位于重慶南部及貴州省北部，東起秀山－酉陽－黔江一線，西至涪陵－南川－正安一線，北起涪陵－黔江一線，南至正安－沿河－秀山一線。研究區(qū)構(gòu)造上位于上揚(yáng)子板塊東南部，四川盆地東南緣與雪峰山構(gòu)造推覆體之間的槽檔過渡帶和隔槽式變形帶，研究區(qū)以西依次為隔檔式變形帶和川中弱變形帶，以東依次為擠出式變形帶及雪峰隆起［14］。

研究區(qū)西北部主要出露志留系、三疊系和侏羅系，且目的層埋深較好，基本未被剝蝕，為勘探遠(yuǎn)景區(qū)；東南部抬升剝蝕嚴(yán)重，主要出露寒武系、奧陶系，目的層大部分被剝蝕，僅在向斜核部等局限地帶分布，為構(gòu)造破壞區(qū)。

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡圖

2 五峰組－龍馬溪組頁巖特征

研究區(qū)有機(jī)質(zhì)的黑色頁巖段集中在O3w 下段和S1l下段 （2個(gè)組的上段都主要為碳酸鹽巖和砂泥巖），所含有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型－Ⅱ型為主。研究區(qū)北部 （以焦頁1井為例），O3w－S1l富有機(jī)質(zhì)泥頁巖厚度在80～100m，總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0．55%～5．89% （平均2．54%），由下向上逐漸減小；有機(jī)質(zhì)成熟度一般在2．2%～3．06%之間［15］。研究區(qū)西部O3w－S1l黑色頁巖段厚度介于13．7～74m，總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般大于2．0%，有機(jī)質(zhì)成熟度為1．99%～2．74% （平均2．239%）［16］。研究區(qū)東南部未被剝蝕的富有機(jī)質(zhì)頁巖段厚度約為30～80m，總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)多大于2．0%；有機(jī)質(zhì)成熟度為2．2%～3．0%［17］。

研究區(qū)內(nèi)S1l富有機(jī)質(zhì)頁巖具有一定厚度，總體上呈現(xiàn)由北向南、由西向東厚度逐漸減小，總有機(jī)碳含量逐漸減小，但有機(jī)質(zhì)成熟度變化不大的特征。并且從彭頁1井以最高值為2．30m3／t的現(xiàn)場解析氣含量、焦頁1井日均產(chǎn)量5×104m3以上、黔頁1井壓裂試氣點(diǎn)火成功等情況來看，研究區(qū)頁巖氣資源潛力較大。

3 強(qiáng)改造特征

該區(qū)構(gòu)造樣式是多期構(gòu)造變形、擠壓兼走滑作用復(fù)合聯(lián)合形成的，呈現(xiàn)北東向?yàn)橹鳌⒛媳毕虼沃⒈蔽飨蜉^少的特點(diǎn)展布。褶皺主要呈現(xiàn)北北東向－北東向及南北向，部分背斜呈現(xiàn)弧形構(gòu)造線，主要以寬背斜窄向斜為主。斷裂多呈現(xiàn)北東向、近南北向及北北西向，北東向及南北向斷裂多發(fā)育在背斜核部，為高角度上沖斷層。研究區(qū)經(jīng)歷多旋回演化和多期構(gòu)造的疊加與改造，具有多期次、強(qiáng)隆升、強(qiáng)剝蝕和強(qiáng)變形等特點(diǎn)。自侏羅紀(jì)以來該地區(qū)主要經(jīng)歷了5期構(gòu)造應(yīng)力作用：第1期NW－SE 向擠壓應(yīng)力場（晚侏羅世－早白堊世），形成NE向構(gòu)造線理；第2期近E－W 向擠壓應(yīng)力場 （早白堊世），形成近S－N向構(gòu)造線理；第3期近S－N 向擠壓應(yīng)力場 （早白堊世－晚白堊世），形成近E－W 向構(gòu)造線理；第4 期NW－SE向引張應(yīng)力場 （晚白堊世）；第5期NE－SW 向擠壓應(yīng)力場 （漸新世）［18］。構(gòu)造隆升總體呈現(xiàn)4個(gè)階段：①快速隆升階段 （36～33．4Ma），隆升幅度約為800m；②緩慢隆升階段 （33．4～12．2Ma），隆升幅度約為220m；③快速隆升階段 （12．2～4．3Ma），隆升幅度約為500m；④加速隆升階段（4．3Ma～至今），隆升幅度約為2240m［19］。研究區(qū)構(gòu)造隆升量東南大、西北小，時(shí)間上東南早、西北晚。歷經(jīng)多期次構(gòu)造旋回的改造，海相構(gòu)造層的剝蝕量一般大于4500m［11］，且由西北向東南剝蝕量逐漸增大。早白堊世早期，研究區(qū)縮短率為1．09mm／a；到早白堊世晚期，縮短率為0．52mm／a；新生代擠壓縮短率在幾到幾十mm／a［20］。研究區(qū)為強(qiáng)變形區(qū)，且由東南向西北變形強(qiáng)度逐漸減弱。

多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的差異強(qiáng)隆升、強(qiáng)剝蝕、強(qiáng)變形作用必然導(dǎo)致地層溫度和壓力產(chǎn)生劇烈變化并在時(shí)空上表現(xiàn)為差異性，對(duì)頁巖層系中頁巖氣賦存和保存產(chǎn)生重要的差異性影響。

4 保存條件指數(shù)評(píng)價(jià)

頁巖氣是以吸附態(tài)與游離態(tài)賦存于富有機(jī)質(zhì)和納米級(jí)孔徑的頁巖地層系統(tǒng)中的天然氣，一般具有以下特征：①源儲(chǔ)一體，形成時(shí)間早，持續(xù)性聚集；②圈閉界限不明確，富集仍需要良好封閉；③儲(chǔ)層致密，孔隙以納米級(jí)為主；④以游離態(tài)與吸附態(tài)2種主要方式賦存；⑤頁巖氣大面積連續(xù)分布，資源規(guī)模大［21］。這就使得頁巖氣與常規(guī)油氣在保存條件評(píng)價(jià)研究方面有不同之處。前人主要從物質(zhì)基礎(chǔ)、構(gòu)造作用和演化歷史、出露地層、水文地質(zhì)與地球化學(xué)、壓力等方面對(duì)頁巖氣保存條件進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)［12，13］。但研究區(qū)經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈地改造作用，具有強(qiáng)隆升、強(qiáng)剝蝕、強(qiáng)變形等特性，頁巖層系地層壓力和地溫條件曾發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致不同邊界條件下頁巖層系中頁巖氣吸附狀態(tài)、含氣量及其自身封閉性等相關(guān)保存特征的動(dòng)態(tài)變化。筆者野外采集海拔、地層巖性及產(chǎn)狀、地層剝蝕情況、節(jié)理及斷裂特征、褶皺形態(tài)、泉水及熱液礦床的分布等資料，從海拔指數(shù)、剝蝕指數(shù)、傾角指數(shù)、變形指數(shù)、破裂指數(shù)等5個(gè)方面定性、半定量地對(duì)強(qiáng)改造區(qū)頁巖氣保存條件進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4．1 海拔指數(shù)

頁巖本身也是一種蓋層，頁巖氣具有自封閉性。具有一定埋深的頁巖層系才具有良好的自身封蓋作用，并且大的有效面積才有利于形成大面積連續(xù)分布的頁巖氣藏。海拔較高的地方，風(fēng)化剝蝕作用強(qiáng)烈，裂縫發(fā)育，頁巖氣自身封閉性遭到破壞，不利于頁巖氣保存；海拔高差大，溝谷切割深度強(qiáng)，使頁巖蓋層的有效面積減小，不利于頁巖氣保存。總之，海拔越高，高差越大，頁巖氣保存條件越差；反之，條件越好。研究區(qū)內(nèi)山巒起伏，河谷交錯(cuò)，高差懸殊，金佛山峰海拔標(biāo)高2251m，烏江水面最低標(biāo)高為179m。西北部地勢(shì)低緩開闊，海拔指數(shù)基本在400～800之間，高差不大，且出露地層為侏羅系和三疊系，頁巖層系有一定埋深，易于形成大面積有效蓋層，為頁巖氣保存條件有利區(qū)。金佛山至雙河鎮(zhèn)一線，海拔較高，約為1600m 左右，溝谷交切，區(qū)域蓋層面積小，頁巖氣易于擴(kuò)散消失，不利于頁巖氣保存。東南部海拔較低，海拔指數(shù)基本在400～1200之間，有利于油氣保存 （圖2 （a））。

4．2 剝蝕指數(shù)

隆升剝蝕作用是海相頁巖氣保存的關(guān)鍵因素。穩(wěn)定抬升剝蝕區(qū)域，淺層最小水平主應(yīng)力與最大垂直主應(yīng)力產(chǎn)生明顯變化，隨著兩者比值逐漸增大，地層發(fā)生破裂變形 （圖3 （a）），導(dǎo)致頁巖氣活動(dòng)性和保存特征伴隨巖石不同破裂行為而發(fā)生相應(yīng)的變化［22］。隆升剝蝕作用導(dǎo)致頁巖氣層段上覆區(qū)域蓋層厚度減小、壓力減小，在流體壓力、地層應(yīng)力的作用下，原閉合的裂縫重新開啟，破壞區(qū)域蓋層的完整性及有效性，不利于頁巖氣保存。此外，伴隨地層壓力減小，游離氣散失，導(dǎo)致吸附氣解吸，進(jìn)而會(huì)造成總含氣量下降。筆者根據(jù)該區(qū)域沉積地層總厚度減去殘留地層厚度估算剝蝕量。如圖4所示，桴焉壩向斜向西，出露地層由新到老，剝蝕指數(shù)相對(duì)增大；上官防背斜向東，出露地層由老到新，剝蝕指數(shù)逐漸減小。區(qū)內(nèi)西北部地層剝蝕量小，志留系很少出露，蓋層的封蓋能力尚存，易于頁巖氣保存。東南部剝蝕嚴(yán)重，志留系基本被剝蝕掉，大部分出露的地層為寒武系、奧陶系，剝蝕嚴(yán)重的地方，出露震旦系，頁巖氣保存條件差 （圖2 （b））。

圖2 強(qiáng)改造區(qū)頁巖氣保存條件指數(shù)圖

圖3 研究區(qū)構(gòu)造特征

圖4 正安廟塘－瑞濠保存條件綜合剖面圖

4．3 傾角指數(shù)

構(gòu)造作用使地層發(fā)生變形、褶皺、倒轉(zhuǎn)等，致使巖層產(chǎn)生一定角度的傾斜。頁巖氣滲流具有方向性，順層方向的滲透率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直巖層方向，橫向滲透率約是垂向滲透率的2～8倍，側(cè)向擴(kuò)散作用具有更強(qiáng)的破壞作用［11］。構(gòu)造樣式的陡緩一定程度地影響橫向擴(kuò)散作用的強(qiáng)弱。地層傾角大，擴(kuò)散破壞作用越強(qiáng)，導(dǎo)致油氣的逸散，不利于油氣保存 （圖3 （b））；地層傾角小，有利于油氣的運(yùn)移和聚集成藏，且油氣的橫向擴(kuò)散速率小，油氣的散失量也就小，利于油氣保存 （圖3 （c））。正安廟塘至瑞濠剖面（圖4），上官防背斜兩翼地層傾角較大，不利于油氣保存，而桴焉壩向斜核部寬緩且地層產(chǎn)狀平緩，利于頁巖氣保存。研究區(qū)內(nèi)西北部屬于弱變形區(qū)，地層傾角指數(shù)相對(duì)較小，一般在5～30之間，有利于油氣保存。而在正安、務(wù)川、沿河及酉陽等地，由于構(gòu)造作用強(qiáng)，褶皺變形和斷裂作用使得這些地區(qū)發(fā)育較多的高角度地層，致使上述地區(qū)的頁巖氣保存條件差 （圖2 （c））。

4．4 變形指數(shù)

褶皺變形的強(qiáng)度對(duì)油氣保存有重要的意義。褶皺變形強(qiáng)度弱時(shí)，有利于油氣的運(yùn)移、聚集，形成連續(xù)性頁巖氣藏。但褶皺變形作用強(qiáng)時(shí)，蓋層遭到破壞，可分為拉破裂區(qū)、拉剪破裂區(qū)及壓破裂區(qū)，產(chǎn)生大量裂縫，導(dǎo)致油氣逸散，從而破壞油氣藏，不利于油氣的保存。在正安縣桃子灣附近，地層受到褶皺作用而變形強(qiáng)烈，產(chǎn)生大量裂縫，不利于油氣保存 （圖3 （d））；正安縣小馬村公社北部地層變形強(qiáng)度弱，利于油氣保存 （圖3 （e））。筆者把變形指數(shù)按褶皺形態(tài)的翼間角的大小分為3個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。翼間角大，變形強(qiáng)度就相對(duì)弱，變形指數(shù)賦值小；反之，變形指數(shù)賦值就大。如圖4所示，上官防背斜的翼間角就小于桴焉壩向斜，說明上官防背斜變形強(qiáng)度大，相對(duì)后者不利于油氣保存。研究區(qū)內(nèi)西北部變形相對(duì)較弱，變形指數(shù)約為1～2，保存條件較好，而東南部變形相對(duì)較強(qiáng)，變形指數(shù)為2～3，保存條件相對(duì)較差 （圖2 （d））。

4．5 破裂指數(shù)

斷裂、破碎作用是油氣保存條件破壞的主要因素之一。在脆性巖層中 （如砂巖、灰?guī)r層），構(gòu)造作用產(chǎn)生的破裂往往是開啟的，形成有效的運(yùn)移通道。在膏巖及泥巖等塑性巖層中，若巖層厚度較大，斷層形成時(shí)，斷層壁上會(huì)被涂抹一層泥巖或膏巖，就造成了有效的封堵作用，形成有效的圈閉。大部分構(gòu)造作用產(chǎn)生的斷裂，對(duì)蓋層的破壞性很強(qiáng)，往往成為油氣散失的運(yùn)移通道，破壞油氣保存條件。區(qū)內(nèi)自中生代以來受到多期構(gòu)造作用，晚期構(gòu)造活動(dòng)劇烈，蓋層往往被大斷裂切穿或發(fā)育裂縫而失去蓋層的封蓋性能，對(duì)油氣的保存帶來極大影響。泉水及熱液礦物出露的地區(qū)，地層往往是十分破碎，發(fā)育通天斷裂或裂縫。為了研究該地區(qū)地層的破裂強(qiáng)度，筆者分析了區(qū)內(nèi)泉水及熱液礦物 （汞礦）的分布（圖2 （e）），泉水及熱液礦物基本沿?cái)嗔逊植迹粌H表明斷裂對(duì)蓋層的封堵作用破壞嚴(yán)重，而且說明這些地區(qū)經(jīng)歷了熱事件，加速了油氣的擴(kuò)散。綜合區(qū)內(nèi)的斷層、泉水及熱液礦物分布情況，按照距通天斷層的距離、泉水、熱液礦分布及野外測得節(jié)理發(fā)育情況，把該區(qū)的破裂指數(shù)賦值：距離通天斷裂1．5km 之內(nèi)的地區(qū)，破裂指數(shù)賦值6～9；距離為1．5～3．0km 之間的地區(qū)，破裂指數(shù)賦值3～6；而大于3．0km 的區(qū)域，破裂指數(shù)賦值小于3 （據(jù)泉水、熱液礦物分布情況及野外實(shí)測節(jié)理特征給予適當(dāng)?shù)恼{(diào)整）。

白泥壩附近出露地層為S1l上段灰色薄層泥灰?guī)r，節(jié)理及裂縫十分發(fā)育，破裂強(qiáng)度相對(duì)較大，不利于S1l下段頁巖氣的保存 （圖3 （f））。在正安廟塘－瑞濠剖面 （圖4）上，斷層F出露處破裂強(qiáng)度大，破裂指數(shù)較大，向兩翼逐漸減小。研究區(qū)內(nèi)西北部破裂指數(shù)相對(duì)較小，保存條件相對(duì)較好；正安、道真、務(wù)川及沿河等地破裂指數(shù)相對(duì)最大，保存條件相對(duì)較差 （圖2 （f））。

5 頁巖氣保存條件綜合評(píng)價(jià)

據(jù)頁巖氣5 個(gè)保存條件評(píng)價(jià)指標(biāo) （表1），龍?zhí)丁诐遵R、武隆、火爐、彭水、桑柘及道真等8個(gè)地區(qū)為S1l頁巖氣保存條件有利區(qū) （圖1）。整體上研究區(qū)內(nèi)西北部S1l保存條件好，東南部保存條件差。以上結(jié)論均可從黔頁1 井壓裂試氣點(diǎn)火成功、彭頁1 井和焦頁1 井等日產(chǎn)量（2～5）×104m3得到驗(yàn)證。

表1 強(qiáng)改造區(qū)頁巖氣保存條件評(píng)價(jià)指標(biāo)

6 結(jié)論

研究區(qū)S1l為優(yōu)質(zhì)烴源巖，但受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，褶皺變形、隆升剝蝕作用強(qiáng)烈，為構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)改造區(qū)域，保存條件研究對(duì)頁巖氣的勘探開發(fā)具有非常重要的意義。西北部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造強(qiáng)度相對(duì)較弱，S1l有一定的埋深，保存條件相對(duì)較好；東南部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)，目的層大部分被剝蝕，僅在向斜核部有殘留，且頁巖氣保存條件較差。通過海拔、剝蝕、傾角、變形及破裂5個(gè)指數(shù)定性半定量對(duì)S1l頁巖氣保存條件進(jìn)行評(píng)價(jià)，龍?zhí)丁诐遵R、武隆、火爐、彭水、桑柘及道真地區(qū)為強(qiáng)改造區(qū)頁巖氣保存條件優(yōu)選區(qū)。

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