四川盆地南緣昭通頁巖氣示范區構造變形特征及頁巖氣保存條件

徐政語 梁 興 魯慧麗 張介輝 舒紅林 徐云俊武金云 王高成 盧文忠 唐協華 石文睿

1.中國石油杭州地質研究院 2.中國石油浙江油田公司 3.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學

0 引言

近年來，隨著四川盆地南緣昭通國家級頁巖氣示范區勘探開發工作的不斷推進，南方海相頁巖氣甜點選區評價工作已由四川盆地內的川渝頁巖氣示范區向盆外改造區拓展，昭通示范區也由北部羅場向斜向中部羅布—洛旺—小草壩及東部云山壩—大寨等淺層區擴展，甜點選區由早期“源儲”評價[1]向“構造”評價轉變，并成為近期的研究熱點[2-7]。受多期構造活動與特提斯、濱太平洋兩大構造域疊加作用影響，該區頁巖氣甜點控因復雜，除受沉積期巖相古地理因素影響外，后期構造改造強度、變形樣式以及地層抬升剝蝕、伴生節理及裂縫開啟程度等均對頁巖氣富集與賦存產生影響[2,4-7]，致使頁巖氣保存條件影響因素較為復雜。為此，筆者結合近年來在昭通示范區的選區評價工作，從構造變形特征、地層節理與裂縫發育特點、頁巖圍巖封蓋能力、氣藏展布特征等方面探討該區頁巖氣的保存條件，以期為頁巖氣選區評價提供幫助。

1 構造樣式及變形特征

昭通示范區地處云貴高原向四川盆地過渡的烏蒙山地區，大地構造位置處于揚子陸塊西緣三江造山帶與東南緣江南—雪峰構造帶前鋒疊合部，跨越了上揚子區蜀南坳陷、滇黔北坳陷、滇東黔中隆起等3大二級構造單元，主體部分滇黔北坳陷細分為雷波復向斜、巧家—筠連背斜帶、彝良—羅布復向斜、昭通—古藺背斜帶、赫章—夜郎復向斜、畢節—桐梓背斜帶等6個三級構造單元（圖1）。結合地面地質與已鉆探、地球物理成果，示范區由南部黔中隆起向北部四川盆地方向依次劃分為隔槽式、等幅式與隔檔式3種褶皺樣式，變形區依次劃分為黔中隆起剪切變形區、滇黔北坳陷壓扭變形區與蜀南坳陷擠壓變形區等3大區域（圖1、2）。

1.1 黔中隆起及其周緣變形區

圖1 四川盆地南緣構造單元劃分及變形分區圖

圖2 四川盆地南緣北西—南東向剖面圖

黔中隆起及其周緣變形區以剪切變形為特點，基底巖性主要由含火山碎屑的島弧型沉積巖變質而成，質地相對堅硬，呈“高阻”、“中磁性”特征[8-9]，沉積蓋層以發育隔槽式褶皺為主，背斜相對寬緩、呈箱狀，向斜區相對窄陡、發育大量逆沖推覆及走滑斷層[9-11]（圖2），區域構造線走向NE。主要走滑斷裂有NEE向貴陽—鎮遠、湄潭—黔西、遵義—金沙—赫章等斷裂，斷裂沿線斷面以高陡、光滑、階步及擦痕常見為特征，剖面上呈現花狀組合樣式（圖2）。典型實例有遵義—金沙—赫章斷裂畢節段徐花屯斷層、赫章段古基鄉石灣村斷層。其中，徐花屯斷層發育于中二疊統茅口組（Р2m）淺灰色厚層塊狀灰巖中，斷面光滑、呈曲線狀，手摸平展、光滑、向西順手，體現斷層南盤西移、左旋特征，斷面走向NE10°、傾角47°（圖3-a）；石灣村斷層亦發育于茅口組石灰巖中，呈現典型南盤西移、整體左旋特征，擦痕揭示斷層北盤向北東方向滑移、走向NE20°、傾角近90°（圖 3-b）。

1.2 滇黔北坳陷變形區及蜀南坳陷南緣

滇黔北坳陷變形區及蜀南坳陷南緣基底呈現“低阻”、“低磁性”特征[8-9]，基巖由陸間弧后盆地、被動陸緣盆地沉積巖淺變質而成，基底多板巖并卷入蓋層褶皺，發育多個滑脫層，以發育背型、向型近乎等幅的斷展褶皺樣式為特征（圖1、2），壓扭性斷層發育[9-11]，主要發育NE及NW向兩組構造線。其中東南發育NE向構造線，赫章—夜郎復向斜中南部下三疊統茅草鋪組（T1m）泥質灰巖地層中發育漁洞壓扭性斷層及背型、向型近乎等幅的斷展褶皺（圖4-a），昭通—古藺背斜帶南部中二疊統地層在威信—花坭壓扭性斷層冷菁溝段呈典型旋轉與逆沖變形特征，發育背型、向型近乎等幅的斷展褶皺（圖4-b）。

1.3 蜀南坳陷變形區

蜀南坳陷變形區基底屬于典型四川盆地川中型基底，發育變質—結晶基底[8-9]，基巖具有堅硬、抗剪切變形能力，沉積蓋層以典型隔檔式褶皺為特點，主要呈向斜寬緩、背斜窄陡，發育逆沖斷層及沖起構造（圖2），構造線發育NE及NW向兩組。其中NW向見于蜀南坳陷南緣羅場向斜南翼YS108井附近（珙縣上羅鎮）下三疊統嘉陵江組（T1j）石灰巖中發育斷展褶皺，背、向斜相對寬緩，逆沖斷層規模小（圖5）；NEE向見于落木柔背斜帶西部靠軸南翼褶皺高陡，以鹽津—牛皮寨斷層具有明顯高角度逆沖擠壓為特征。

2 地層節理及裂縫發育特點

圖3 典型走滑斷裂斷面特征圖

圖4 典型壓扭性斷層及斷展褶皺照片

圖5 羅場向斜南翼逆沖斷層照片

昭通示范區頁巖在經歷多期構造事件與變形改造后，主要目的層及其上覆地層節理及裂縫按照構造變形區自南向北依次發育走向與地層呈高角度、中—低角度及順層等交互關系的3大類型。結合筆者2017年及2018年度兩次野外地質調查成果，對示范區261個觀察點中34個代表點節理面走向與傾向統計（圖6）分析發現：①南部黔中隆起變形區發育有3組NNW與3組近EW向節理與裂縫，北緣赫章—夜郎復向斜南部、畢節—桐梓背斜帶北部節理裂縫走向與示范區南部主體近EW向構造線走向高角斜交、表現為典型走滑剪切應力場特征；②中部滇黔北坳陷變形區發育12組NE向、4組NW向、5組NEE向節理與裂縫，其中彝良—羅布復向斜、昭通—古藺背斜帶、赫章—夜郎復向斜中北部節理裂縫走向與示范區中部NE向構造線走向近于一致或低角度斜交，總體表現為壓扭應力場環境；③北部蜀南坳陷變形區發育7組NW向、8組NE向、6組近SN及6組近EW節理與裂縫，南緣羅場向斜、珙縣背斜及巧家—筠連背斜帶節理裂縫走向與示范區北部NW—SE向構造線走向近于垂直或平行，總體表現為擠壓應力場環境。對示范區14口井成像測井資料統計分析，發現全區井下（2 800 m以淺）頁巖高導縫走向表現出與地面露頭區節理及裂縫走向基本相同的展布規律與應力場環境特征。示范區上覆蓋層現今節理及裂縫表現出南部變形區產狀高陡、穿層性強，封蓋能力弱，易導致氣藏泄漏與散失，保存條件總體較差；北部變形區蓋層發育順層或弱穿層節理及裂縫、產狀平緩，地層封蓋能力較強，保存條件總體較好；中部變形區節理及裂縫穿層性與產狀處于過渡狀態，地層封蓋能力處于中等狀態，保存條件相對較好[12-13]。

2.1 黔中隆起變形區

南部黔中隆起變形區赫章—夜郎復向斜西南翼（赫章縣達依鄉海馬村S212省道旁）下三疊統飛仙關組（T1f）灰綠色泥質粉砂巖地層中至少發育有3組節理，裂縫密度達8.89 條/m2，均處于開啟、未充填狀態，節理面傾向NNE及SE、走向以SSE及SWW向為主，節理面多垂直或高角度斜交地層層面，地層具有剪切、脆性變形特征，總體呈現出走滑與壓扭剪切雙重特點（表1）。該向斜在軸部（赫章縣六曲河鎮劉家梁子）及北翼（赫章縣六曲河鎮哲莊）地層中同樣發育有類似的節理及裂縫，節理及裂縫數介于3～5組，密度介于4.25～6.50 條/m2，總體體現向斜南翼裂縫密度高。該變形區節理及裂隙穿層性強，對頁巖氣封蓋能力影響較大，可形成氣藏向地面泄漏與散失的系列通道，保存條件總體較差[12-13]。

2.2 滇黔北坳陷變形區

圖6 昭通示范區地面露頭節理裂隙延伸方向展布圖

中部滇黔北坳陷變形區彝良—羅布復向斜中部南翼（鎮雄縣羅坎鄉坡腳鳳雨公路旁）飛仙關組灰綠與紫紅色泥質粉砂巖地層中至少發育有4組節理，裂縫密度達5.2 條/m2，均處于開啟、未充填狀態，節理面傾向SW及NW、走向以NW及NEE向為主，節理面多中—低角度斜交地層層面，地層具有走滑、脆性變形特征，總體呈現出擠壓與走滑雙重特點（表1）。在威信背斜軸部（威信縣雨河鎮叉河）及北翼（威信縣雙河鎮大石板）地層中同樣發育有相似的節理及裂縫，密度為5.25～6.50 條/m2，節理及裂縫數為3～6組，表現出均一分布特點。該變形區節理及裂隙有一定的穿層性，可形成氣藏向地面泄漏與散失的部分通道，降低了頁巖氣封蓋能力，但影響遠較南部黔中隆起變形區弱，保存條件總體較好[12-13]。

2.3 蜀南坳陷變形區

北部蜀南坳陷變形區羅場向斜中部北翼（高縣文江鎮沙灣S309省道旁）飛仙關組淺灰色中—厚層狀泥灰巖地層中至少發育有3組節理，裂縫密度達6.1 條/m2，均處于開啟、未充填狀態，節理面傾向NWW—NE、走向以NNE—SE向為主，節理面多低角度斜交—順地層層面，地層具有擠壓變形特征，總體呈現擠壓與走滑雙重特點（表1）。羅場向斜南翼（筠連縣城東、珙縣洛表鎮等）地層中也發育相似的節理及裂縫，密度約4.5 條/m2，節理及裂縫數為3～4組。該變形區內節理及裂隙基本順層，對頁巖氣封蓋能力基本沒有影響，保存條件遠較示范區中部、南部變形區好、優越[12-13]。

表1 四川盆地南緣地層節理及裂縫特征參數統計表

3 頁巖及圍巖封蓋能力

3.1 地層厚度

昭通示范區五峰組—龍馬溪組泥頁巖累計厚度介于50～350 m，主要分布于示范區北部滇黔北坳陷大關—彝良—鎮雄—畢節一線以北向斜區，總體呈現由南向北增厚趨勢（圖7）。

五峰組厚度介于4～15 m、呈現中厚南北偏薄特征，坳陷西北部鹽津李家灣剖面、Z104井、YS201井及B1井五峰組厚度介于4～11 m；坳陷中部威信大石板剖面、YQ7井及YQ8井五峰組厚度增至7～15 m，至坳陷中南部鎮雄干溝及芒部大灣頭剖面五峰組厚度減薄為4～5 m；坳陷北部YS108井至YS111井、YS113井及YS115井五峰組厚度減薄為4～7 m；向東至敘永縣大寨YS117井及YS109井區五峰組厚度減薄至4～5 m。

龍馬溪組厚度介于0～350 m，總體呈現由南往北逐漸增厚特征，新寨子—彝良—海子溝—仁懷—板橋以南、馬邊—美姑以西龍馬溪組厚度介于0～100 m，往北至黃坪—鹽津—長寧—YS112井—敘永—韓家店龍馬溪組厚度增至300 m，繼續向北至屏山—瀘州—萬盛一帶龍馬溪組厚度超過300 m。

3.2 地層封蓋能力

YS108井巖心物性測試結果表明，五峰組—龍馬溪組頁巖致密，巖石密度介于2.48～2.68 g/cm3、平均值為2.58 g/cm3；有效孔隙度介于1.0%～4.0%、平均值為2.6%；孔喉直徑介于0.05～0.10 μm；滲透率介于 0.004 0 ～ 0.011 1 mD，平均值為 0.006 5 mD（表2），孔隙度和滲透率均較低，表明頁巖自身毛細管阻力大，油氣難以向外逸散，具有較好的自我封閉能力，可作為良好的頁巖氣藏蓋層。

圖7 滇黔北坳陷及鄰區龍馬溪組地層等厚圖

表2 YS108井五峰組—龍馬溪組頁巖物性測試結果統計表

根據前人對蓋層物性封閉能力劃分標準：當巖層排驅壓力大于2 MРa時，巖層的封閉能力較好[14]；當排驅壓力介于1～3 MРa時，巖層封蓋能力可達中等以上水平[15]。結合YS108井五峰組—龍馬溪組巖心實測分析成果，頁巖排驅壓力已達3.16～6.59 MРa（表2），表明其不但具有較好的生烴供氣能力[16]、同時還具有良好的物性封閉能力[12]，完全具備源儲一體、自身封蓋成藏的頁巖氣保存條件。

參照我國資源豐度超過10×108m3/km2的大中型氣田泥質巖蓋層突破壓力統計數據分析，多數氣田蓋層突破壓力集中介于1～15 MРa[17-19]。示范區B1井龍馬溪組頁巖在試驗溫度為40 ℃、上覆凈壓力為20 MРa條件下突破壓力介于 9.6 ～ 14.5 MРa，蓋層突破時間介于 0.014 9 ～ 0.032 4 a（表 3），表明示范區馬溪組對自身集聚的頁巖氣具有較好的封蓋作用，完全具備原生封蓋能力與保存條件。

表3 B1井龍馬溪組頁巖突破壓力測試數據統計表

此外，依據示范區五峰組—龍馬溪組上覆的下志留統石牛欄組至上古生界泥盆系、石炭系、二疊系及中生界三疊系—侏羅系多套地層分布與巖性組合特點，確立中二疊統梁山組及上二疊統龍潭組泥巖、砂泥巖夾煤系地層可充當局部蓋層，巖層厚度分別為2～20 m、20～200 m，除在背斜核部遭剝蝕、區域連續性變差、封蓋能力有限外，在向斜區連續性較好，能充當較好的局部蓋層；中—下三疊統砂巖夾泥巖段雖有一定的封蓋能力，但在示范區大范圍區域已暴露地表，遭受剝蝕，分布連續性差、殘留厚度小，封蓋能力十分有限。因此，整體而言，示范區主要依靠五峰組—龍馬溪組頁巖頂板石牛欄組泥質灰巖夾泥巖與中志留統韓家店組泥巖及致密砂巖起到的封蓋作用，以及底板澗草溝組與寶塔組致密石灰巖的封閉作用在向斜區形成頁巖氣封存箱[12,14-15]。

據鉆井資料統計，示范區龍馬溪組頂板石牛欄組（黃葛溪組）上部發育灰綠—灰色泥巖夾泥灰巖，下部發育大套厚層灰色致密石灰巖、泥灰巖、泥質灰巖或粉砂巖，與龍馬溪組整合接觸，地層厚度介于100～ 350 m，局部厚達442 m，巖心樣品在75 ℃條件下測得突破壓力介于35.6～38.8 MРa，表明具有良好的封蓋能力，可構成五峰組—龍馬溪組頁巖氣優質蓋層。底板澗草溝組及寶塔組發育灰—深灰色瘤狀灰巖、塊狀致密灰巖，厚度介于30～95 m，在75 ℃條件下測得突破壓力介于62.7～68.2 MРa，封閉能力優良，可有效阻擋頁巖氣向下擴散。

示范區北部除石牛欄組蓋層外，韓家店組發育灰綠色、黃灰色、藍灰色泥巖、粉砂質泥巖，厚度介于190～311 m，亦可充當蓋層。大關—彝良一帶還發育中志留統嘶風崖組和大路寨組，亦可構成局部蓋層。其中嘶風崖組頂、底發育暗紫紅色頁巖，中部發育灰綠色、黃綠色頁巖、粉砂巖夾石灰巖；大路寨組發育灰色、灰綠色鈣質頁巖、粉砂巖夾泥質灰巖，B1井鉆厚分別達142 m、352 m，均有封蓋能力。

4 頁巖氣有利區帶

依據示范區15口井氣樣組分分析（氣樣由中國石油浙江油田公司采用鹽水瓶采集、中國石油勘探開發研究院非常規油氣重點實驗室分析，測試采用7890A天然氣分析儀、Нe/N2載氣、FID/雙TCD檢測器），氣體成分自北向南依次劃分為甲烷帶、甲烷＋氮氣混合帶、氮氣帶。其中，甲烷帶：CН4含量（摩爾分數）大于75%，N2＋CO2含量（摩爾分數）小于25%；甲烷＋氮氣混合帶：CН4含量（摩爾分數）介于25%～50%、N2＋CO2含量（摩爾分數）介于25%～50%；氮氣帶：CН4含量（摩爾分數）小于25%，N2＋CO2含量（摩爾分數）大于75%。

結合示范區五峰組—龍馬溪組頁巖殘余厚度以及上覆地層構造變形樣式、地層節理裂縫發育特點等綜合分析認為，北部擠壓變形區及其南緣具有目的層頁巖自身厚度大、上覆蓋層發育，頁巖變形與改造強度弱，節理及裂隙順層發育，頁巖氣封蓋性能好、保存條件優越，處于瓦斯風化帶以下的封閉系統，天然氣成分以甲烷等烴類氣體為主，示范區頁巖氣建產區（黃金壩、紫金壩、云山壩、大寨）及甜點均分布于北部[20-22]；中部偏北區域受自身厚度減薄、上覆蓋層減少、頁巖變形與改造增強影響，節理及裂隙斜交地層發育，頁巖氣封蓋性能減弱、保存條件變差，處于瓦斯風化帶附近，系統處于半封閉狀態，天然氣成分中混入了一定數量的N2、CO2，局部可富集成頁巖氣甜點[20-22]；中南部及南部變形區受主要目的層頁巖自身尖滅與上覆蓋層剝蝕增強、頁巖變形與改造作用進一步增強影響，節理及裂隙與地層交角逐漸增大、穿層作用增強，頁巖氣封蓋性能進一步減弱、保存條件進一步變差，處于瓦斯風化帶以上，系統處于半開放狀態、封存能力十分有限，天然氣成分中混入了大量的N2、CO2，主要富集低豐度低品位頁巖氣。

5 結論

1）昭通示范區由南向北依次發育隔槽式、等幅式與隔檔式等3種構造變形樣式，變形區可劃分為黔中隆起剪切變形區、滇黔北坳陷壓扭變形區與蜀南坳陷擠壓變形區等3大區域。

2）昭通示范區五峰組—龍馬溪組及其上覆地層節理與裂縫走向與地層走向的交互關系自南向北依次表現為高角度、中—低角度及順層等3種類型，各類分布范圍與3大變形區基本一致。

3）昭通示范區五峰組—龍馬溪組頁巖發育、呈北厚南薄趨勢，依據自身物性特征，完全具備源儲一體、自身封蓋成藏的頁巖氣保存條件，外加上覆地層與頂底板封蓋能力，保存條件總體較好。

4）昭通示范區頁巖氣組分自北向南依次劃分為甲烷、甲烷＋氮氣混合、氮氣等3個帶，頁巖氣保存條件總體呈現為北好南差格局，頁巖氣甜點區集中分布于示范區中—北部。

成文中，審稿專家和本文編輯提出了寶貴的意見和建議，在此表示衷心感謝！