黔北鳳岡區(qū)塊典型殘余隱伏向斜特征及其頁巖氣選區(qū)選帶意義

夏 鵬, 王甘露, 周 豪, 牟雨亮, 張昊天, 劉杰剛

( 1. 貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 2. 貴州省石油學(xué)會(huì)，貴州 貴陽 550025； 3. 成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，四川 成都 610059 )

0 引言

全國頁巖氣資源潛力評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：貴州省頁巖氣地質(zhì)資源量為10.4×1012m3，主要分布于黔北地區(qū)。黔北地區(qū)下古生界寒武系牛蹄塘組、志留系龍馬溪組含厚層富有機(jī)質(zhì)海相頁巖，是頁巖氣勘探開發(fā)主要目的層[1]。下古生界富有機(jī)質(zhì)頁巖屬于淺海環(huán)境深水陸棚沉積[2]。Zhang Junpeng等[3]、韓雙彪等[4]、郭曼等[5]、康建威等[6]對(duì)黔北富有機(jī)質(zhì)頁巖進(jìn)行地球化學(xué)研究，干酪根類型為Ⅰ型，生烴潛力大；富含有機(jī)質(zhì)，TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍高于2.0%；成熟度高，鏡質(zhì)體反射率Ro為2.00%～3.04%，屬于過成熟—高成熟演化階段；含氣量較高，平均為1.56 m3/t，最高超過4.00 m3/t。黔北富有機(jī)質(zhì)頁巖比表面積、孔隙體積較大，孔隙以粒間孔、有機(jī)質(zhì)孔、粒內(nèi)孔等多種成因類型的微米—納米級(jí)孔隙為主，孔隙度為1.30%～13.37%，平均為4.56%，具有較大的儲(chǔ)集空間[7-11]。郭曼等[5]、秦川等[12]研究發(fā)現(xiàn),黔北富有機(jī)質(zhì)頁巖脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高(平均大于40%)，脆性指數(shù)大，具有較好的儲(chǔ)層改造條件。

人們對(duì)黔北富有機(jī)質(zhì)頁巖進(jìn)行沉積學(xué)、礦物巖石學(xué)及地球化學(xué)方面的研究，揭示它具有較好的生、儲(chǔ)氣條件。黔北地區(qū)經(jīng)歷武陵、加里東、燕山、喜馬拉雅等構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，構(gòu)造條件復(fù)雜，地層遭受剝蝕嚴(yán)重[13]。復(fù)雜的構(gòu)造演化背景導(dǎo)致頁巖氣保存條件差，限制頁巖氣勘探開發(fā)進(jìn)程[14-16]。目前,針對(duì)黔北地區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層構(gòu)造特征及保存條件方面的研究薄弱，尤其是對(duì)地下深部隱伏構(gòu)造形態(tài)、規(guī)模缺少系統(tǒng)分析。根據(jù)二維地震勘探資料，結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查，筆者分析黔北鳳岡頁巖氣勘探二區(qū)塊典型構(gòu)造特征及其對(duì)頁巖氣保存條件的影響，研究結(jié)果對(duì)區(qū)塊頁巖氣勘探方案部署具有參考價(jià)值。

1 區(qū)域構(gòu)造特征

貴州省大地構(gòu)造位于華南板塊之揚(yáng)子陸塊與江南造山帶。其中，黔北、黔西地區(qū)位于揚(yáng)子陸塊；黔南、黔東地區(qū)位于江南造山帶；黔中地區(qū)位于揚(yáng)子陸塊與江南造山帶的過渡區(qū)[17]。根據(jù)黔北與鄰區(qū)發(fā)育地層及重要構(gòu)造運(yùn)動(dòng)界面，戴傳固等[13]將黔北地區(qū)構(gòu)造特征劃分為4個(gè)構(gòu)造旋回期：武陵、雪峰—加里東、海西—印支—燕山及喜馬拉雅(新)構(gòu)造旋回期。武陵構(gòu)造旋回期為洋陸轉(zhuǎn)換階段，武陵運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致中元古界呈軸向NE的緊閉型阿爾卑斯式褶皺變形并伴生近SN向基底斷裂，與新元古地層之間出現(xiàn)明顯角度不整合。雪峰—加里東構(gòu)造旋回期為裂谷洋盆發(fā)育階段，廣西運(yùn)動(dòng)使下古生界及下伏地層變質(zhì)變形，以角度不整合接觸于晚古生代地層之下。海西—印支—燕山構(gòu)造旋回期為板內(nèi)活動(dòng)階段，燕山運(yùn)動(dòng)使武陵、雪峰—加里東構(gòu)造旋回期的部分構(gòu)造形跡遭受疊加、改造而成為構(gòu)造成分，形成典型的侏羅山式褶皺并發(fā)育NE走向斷裂，與上覆上白堊統(tǒng)呈角度不整合接觸[18]。燕山運(yùn)動(dòng)是黔北地區(qū)最重要的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，奠定研究區(qū)現(xiàn)今主要地質(zhì)構(gòu)造面貌的基礎(chǔ)[3]。喜馬拉雅(新)構(gòu)造旋回期為板內(nèi)區(qū)域性抬升(見圖1)和斷塊活動(dòng)，新近紀(jì)以來的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制黔北地貌、水系格局。中更新世以后，隨著青藏高原強(qiáng)烈隆升，逐漸形成現(xiàn)代云貴高原，控制現(xiàn)今黔北地區(qū)西高東低的地貌格局[4]。黔北地區(qū)斷裂非常發(fā)育，包括NE、SN、NW和EW走向4組斷裂體系，相互切割、聯(lián)合、干擾。其中，NE走向斷裂體系最發(fā)育，形成于NW-SE走向擠壓作用。

圖1 鳳岡頁巖氣勘探二區(qū)塊位置及埋藏史Fig.1 Location and burial history of the Fengganger shale gas exploration block

鳳岡頁巖氣勘探二區(qū)塊位于黔北地區(qū)東南部(見圖1)，是人為劃分的頁巖氣勘探區(qū)塊，遵循黔北地區(qū)的整體構(gòu)造演化背景。野外露頭特征反映區(qū)塊構(gòu)造形態(tài)為復(fù)式向斜(見圖2)；出露地層由老到新依次為加里東運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致區(qū)塊內(nèi)中上志留統(tǒng)、泥盆系、石炭系缺失，燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致上三疊統(tǒng)、侏羅系、白堊系、古近系、新近系缺失。

圖2 鳳岡頁巖氣勘探二區(qū)塊地質(zhì)Fig.2 Geological map of the Fengganger shale gas exploration block

2 二維地震解釋

2.1 資料處理及層位標(biāo)定

鳳岡頁巖氣勘探二區(qū)塊內(nèi)布置地震測線17條(見圖2)。受區(qū)塊內(nèi)復(fù)雜地形、構(gòu)造條件影響，經(jīng)常規(guī)處理后地震資料的分辨率、信噪比較低。為保證地震解釋結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)地震資料進(jìn)行二次處理。主要針對(duì)區(qū)塊內(nèi)地表起伏劇烈、低降速帶橫向變化大及深層信噪比低等問題，采用層析靜校正、疊前多域去噪、疊前反褶積、多信息約束的速度分析與剩余靜校正迭代等技術(shù)，提高目的層段波組特征連續(xù)性及信噪比[19-21]。

地震地質(zhì)層位標(biāo)定是地震資料解釋的基礎(chǔ)。常用的層位標(biāo)定方法有VSP、合成地震記錄、平均速度等，其中VSP精度最高，合成地震記錄的次之[22-23]。鳳岡頁巖氣勘探二區(qū)塊鉆有ZK-01、永鳳1井，相比ZK-01井，永鳳1井具有完整的VSP資料；ZK-01井淺(379.68 m)，僅揭露下志留統(tǒng)龍馬溪組以上地層；永鳳1井開孔層位為第四系，完鉆層位為震旦系燈影組，井深為2 742.00 m。鑒于地質(zhì)條件與資料特點(diǎn)，綜合區(qū)域地質(zhì)資料、地質(zhì)填圖成果及地震資料波組關(guān)系，確定淺部目的層(如龍馬溪組)波組特征(見圖3)；根據(jù)永鳳1井揭露的地質(zhì)資料對(duì)深部目的層(如牛蹄塘組)進(jìn)行標(biāo)定。

圖3 ZK-01井合成地震記錄及D2測線時(shí)間剖面波組關(guān)系顯示Fig.3 Synthetic seismogram of ZK-01 well and wave group character of D2 line

2.2 典型構(gòu)造特征

構(gòu)造解釋主要關(guān)注古生代以來的沉積地層，層位追蹤以牛蹄塘組、龍馬溪組為主。通過地震反射波同相軸形態(tài)、連續(xù)性反映構(gòu)造形態(tài)及斷層分布。解釋結(jié)果顯示：鳳岡頁巖氣勘探二區(qū)塊整體為軸向NE的復(fù)式向斜構(gòu)造，自西向東依次發(fā)育永安背斜、綏陽向斜、旺龍背斜、鳳岡向斜、覃家坡背斜、煎茶溪向斜和永和背斜(見圖4)；背斜在構(gòu)造曲率、分布特征等方面與向斜存在顯著差異，整體表現(xiàn)為背斜狹窄陡峭、向斜寬闊平緩，為典型的隔擋式褶皺。黔東南地區(qū)野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果顯示區(qū)內(nèi)褶皺以隔槽式為主[24]。貴州省南、北部構(gòu)造形態(tài)存在顯著區(qū)別：南部屬于江南造山帶，構(gòu)造抬升、擠壓過程產(chǎn)生的斷層控制隔槽式褶皺緊閉向斜的發(fā)育位置與幅度，構(gòu)造反轉(zhuǎn)后，先期斷層成為應(yīng)力集中區(qū)，正斷層轉(zhuǎn)變?yōu)槠揭苹蚰鏇_斷層，并沿?cái)鄬訋纬瑟M窄變形區(qū)(隔槽式褶皺向斜核部)[25]；黔北地區(qū)歸屬揚(yáng)子陸塊，靠近四川盆地，在擠壓背景下，擠壓應(yīng)力誘發(fā)的逆沖斷層及滑脫作用控制隔擋式褶皺的形成[26]。人們對(duì)黔北地區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層構(gòu)造形態(tài)的研究多基于野外露頭資料，對(duì)地下隱伏構(gòu)造的研究較少。通過二維地震資料精細(xì)解釋，揭示鳳岡頁巖氣勘探二區(qū)塊地下隱伏構(gòu)造為典型隔擋式褶皺；區(qū)塊內(nèi)單個(gè)褶曲兩翼形態(tài)不對(duì)稱，向斜西翼寬緩、東翼陡峭甚至倒轉(zhuǎn)(見圖5)，背斜東翼寬緩、西翼陡峭。地震解釋反映的構(gòu)造特點(diǎn)在野外露頭得到驗(yàn)證。

圖4 鳳岡頁巖氣勘探二區(qū)塊地震剖面解釋結(jié)果Fig.4 Seismic sections in the Fengganger shale gas exploration block

圖5 綏陽向斜東翼地層產(chǎn)狀Fig.5 Stratum attitude in the east wing of the Suiyang syncline

鳳岡頁巖氣勘探二區(qū)塊古生代以來沉積地層構(gòu)造形態(tài)，反映明顯的自東向西的應(yīng)力推覆特征，受雪峰—加里東、海西—印支—燕山構(gòu)造旋回期的疊加影響，褶皺兼具壓扭性質(zhì)。戴傳固等[13,26]分析雪峰—加里東、海西—印支—燕山構(gòu)造旋回期貴州省構(gòu)造演化背景，認(rèn)為黔北地區(qū)在廣西運(yùn)動(dòng)、加里東運(yùn)動(dòng)期間整體抬升，下伏地層未發(fā)生嚴(yán)重變形，與上覆晚古生代地層呈平行不整合接觸；受燕山板內(nèi)造山帶的影響，燕山運(yùn)動(dòng)期，黔北地區(qū)嚴(yán)重變形，斷裂活動(dòng)強(qiáng)烈，形成NE或SN走向、斷面東傾的逆沖斷層。研究結(jié)果與鳳岡頁巖氣勘探二區(qū)塊隱伏構(gòu)造發(fā)育特征及形成機(jī)制(見圖6)具有一致性。雪峰—加里東構(gòu)造旋回期廣西運(yùn)動(dòng)、加里東運(yùn)動(dòng)使研究區(qū)塊抬升，下二疊統(tǒng)梁山組平行不整合接觸于中志留統(tǒng)韓家店組之上。海西—印支—燕山構(gòu)造旋回期燕山運(yùn)動(dòng)使區(qū)塊遭受自東向西的強(qiáng)烈擠壓，形成隔擋式褶皺，在背斜近核部位置，地層曲率最大，應(yīng)力匯聚，當(dāng)應(yīng)力超過地層抗拉強(qiáng)度后地層破裂而形成逆沖斷層，地層破裂并未使應(yīng)力完全釋放，剩余應(yīng)力使斷層上盤向下盤推覆，產(chǎn)生薄皮構(gòu)造。燕山運(yùn)動(dòng)形成鳳岡頁巖氣勘探二區(qū)塊現(xiàn)今地質(zhì)構(gòu)造面貌的基礎(chǔ)。喜馬拉雅構(gòu)造旋回期以來，受喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)影響，青藏高原迅速隆升，導(dǎo)致研究區(qū)塊亦隨之大幅度抬升。背斜區(qū)上覆地層遭受剝蝕嚴(yán)重，僅殘存少量下寒武統(tǒng)地層；向斜區(qū)遭受剝蝕程度較小，除下寒武統(tǒng)地層保存較完整外，上覆地層也不同程度地保存下來，構(gòu)成殘留向斜(見圖4)。

圖6 鳳岡頁巖氣勘探二區(qū)塊雪峰—加里東、海西—印支—燕山旋回期構(gòu)造演化模式

在來自東向的應(yīng)力推覆影響下，區(qū)塊內(nèi)斷層以傾向SE的逆斷層為主，傾角在30°～50°之間；傾向NW的逆斷層多為次級(jí)斷層，發(fā)育規(guī)模小，傾角較大，可達(dá)70°。淺部斷層多沿?cái)鄬用姘l(fā)生滑脫，形成薄皮構(gòu)造。如圖4中FD3斷層，整體斷層規(guī)模大，兩盤地層相對(duì)獨(dú)立，導(dǎo)致在斷層淺部出現(xiàn)薄皮構(gòu)造。薄皮構(gòu)造規(guī)模小，僅通過地震資料直接解釋，其結(jié)果可信度低。為驗(yàn)證對(duì)薄皮構(gòu)造的解釋，收集位于鳳岡向斜核部、正處于施工階段的永鳳3井(該井鉆至上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，設(shè)計(jì)完鉆層位為上奧陶統(tǒng)寶塔組)的地質(zhì)分層資料(見圖7)。分層資料顯示：在下三疊統(tǒng)嘉陵江組之上發(fā)育下志留統(tǒng)石牛欄組和新灘組，且石牛欄組、新灘組層序顛倒(正常層序是新灘組位于石牛欄組之下，中間以松坎組相隔)；嘉陵江組與石牛欄組之間為斷裂帶分割。說明導(dǎo)致該井處淺部地層層序錯(cuò)亂的原因不是褶皺倒轉(zhuǎn)，而是斷層上盤受自東向西應(yīng)力推動(dòng)在淺部(淺部地層穩(wěn)定性差)形成的推覆薄皮構(gòu)造。薄皮構(gòu)造的成因與非對(duì)稱型褶皺的成因一致。

2.3 富有機(jī)頁巖地層演化、保存特征

下寒武統(tǒng)牛蹄塘組、下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機(jī)頁巖地層沉積于淺海—深水陸棚環(huán)境，穩(wěn)定的構(gòu)造沉降使它沉積后被迅速埋藏，有機(jī)質(zhì)在微生物降解、熱降解作用下生成石油、生物成因氣和凝析氣。中志留世晚期，研究區(qū)在廣西運(yùn)動(dòng)影響下變形、抬升并遭受剝蝕，儲(chǔ)層壓力下降，油氣大量運(yùn)移、逸散。早二疊世，研究區(qū)再次沉降，受燕山期巖漿活動(dòng)的影響，導(dǎo)致早期生成的石油、凝析氣裂解，轉(zhuǎn)變?yōu)楦蓺?。新生代喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)使研究區(qū)儲(chǔ)層迅速抬升，平均抬升速率約為66.7 m/Ma；富有機(jī)頁巖地層再次暴露于地表，遭受嚴(yán)重剝蝕，氣體大量逸散[27]。目前，二維地震解釋、野外地質(zhì)勘查結(jié)果表明：研究區(qū)在喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)階段遭受嚴(yán)重剝蝕，龍馬溪組僅在向斜部位有殘余，牛蹄塘組在向斜部位具有一定儲(chǔ)存條件，在背斜部位暴露于

圖7 永鳳3井巖性柱狀圖Fig.7 Lithology column of Yongfeng3 well

地表，油氣保存條件極差。

3 討論

黔北地區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層優(yōu)選結(jié)果表明：龍馬溪組、牛蹄塘組是黔北地區(qū)頁巖氣勘探有利層位，黑色有機(jī)頁巖層厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度大、有機(jī)質(zhì)成熟度高、脆性礦物含量高[1-6]。以二維地震勘探數(shù)據(jù)為主，結(jié)合野外露頭和鉆井資料，揭示黔北地區(qū)鳳岡頁巖氣勘探二區(qū)塊地下深部隱伏構(gòu)造形態(tài)，為頁巖氣勘探開發(fā)有利區(qū)、有利部位的選擇提供依據(jù)。

鳳岡頁巖氣勘探二區(qū)塊背斜區(qū)地層剝蝕嚴(yán)重(見圖4)，龍馬溪組作為主要有機(jī)頁巖發(fā)育地層之一幾乎被剝蝕殆盡(見圖8)，另一套富有機(jī)頁巖地層——牛蹄塘組受構(gòu)造抬升和剝蝕的影響，埋藏淺、儲(chǔ)層壓力小、頁巖氣保存條件差、氣體流失嚴(yán)重。因此，背斜區(qū)整體頁巖氣勘探開發(fā)潛力差。比較而言，向斜區(qū)地層遭受剝蝕程度弱，頁巖氣儲(chǔ)層埋藏適中，保存條件好，是區(qū)塊內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)有利區(qū)。

通天斷層是頁巖氣逸散的主要通道，不利于頁巖氣的保存[28]。二維地震解釋結(jié)果顯示，區(qū)塊內(nèi)通天斷層非常發(fā)育，將有利向斜區(qū)切割為多個(gè)斷塊。綏陽向斜東翼受FD1、FD6、FD7斷層組成的斷裂帶切割，斷裂帶從前寒武地層延伸至地表，是綏陽向斜的東部邊界；向斜西翼盡管受斷層影響小，但地層產(chǎn)狀相對(duì)核部明顯陡。鳳岡向斜東部以FD2、FD3斷層組成的斷裂帶為界，斷裂帶切穿所有目的層并延伸至地表；北部以FD1斷層為界，整體為斷層—褶曲組合構(gòu)造。向斜內(nèi)部，NE走向的FD4斷層將向斜分割為東、西兩個(gè)斷塊(見圖4、圖8)，其中，西斷塊整體為向斜形態(tài)，地層產(chǎn)狀陡、埋深變化大；東斷塊為傾向SW的平緩單斜，地層產(chǎn)狀平緩，埋深適中。在FD3斷層影響下，煎茶溪向斜作為上升盤被整體抬升、部分疊覆于鳳岡向斜之上，導(dǎo)致頁巖氣儲(chǔ)層埋藏深度顯著減小，遭受更強(qiáng)烈的剝蝕，殘余面積更小。

圖8 鳳岡頁巖氣勘探二區(qū)塊龍馬溪組底界面構(gòu)造等值線Fig.8 Structural isopleths of the bottom of Longmaxi formation in the Fengganger shale gas exploration block

下志留統(tǒng)龍馬溪組剝蝕嚴(yán)重，在背斜區(qū)幾乎遭受剝蝕完全，僅在綏陽向斜、鳳岡向斜和煎茶溪向斜內(nèi)有殘余(見圖8)。綏陽向斜龍馬溪組殘留面積約為88.42 km2，最大埋深約為2.0 km，頁巖氣開發(fā)有利埋深區(qū)間(0.5～3.5 km[29])內(nèi)面積為62.80 km2。鳳岡向斜內(nèi)龍馬溪組殘留面積約為112.18 km2，最大埋深為2.2 km，頁巖氣開發(fā)有利埋深區(qū)間內(nèi)面積為94.82 km2。煎茶溪向斜內(nèi)龍馬溪組殘留面積為69.46 km2，最大埋深為1.4 km，頁巖氣開發(fā)有利埋深區(qū)間內(nèi)面積為44.95 km2。下寒武統(tǒng)牛蹄塘組埋深大，保存相對(duì)完整，但受強(qiáng)烈變形、抬升的影響，背斜區(qū)整體埋藏淺、頁巖氣保存條件差。

綜合考慮向斜區(qū)內(nèi)地層產(chǎn)狀、斷層分布、埋藏深度等因素，綏陽向斜、鳳岡向斜有利頁巖氣開發(fā)部位分別為向斜核部、東斷塊中部，典型特征是地層產(chǎn)狀平緩、遠(yuǎn)離通天斷層，屬于頁巖氣保存有利區(qū)。煎茶溪向斜受抬升幅度大，整體埋藏淺，與向斜翼部相比，向斜核部埋深較大，有利于頁巖氣保存。

4 結(jié)論

(1)基于二維地震數(shù)據(jù)，結(jié)合野外露頭、鉆井資料，揭示黔北地區(qū)鳳岡二區(qū)塊地下隱伏構(gòu)造特征。區(qū)塊整體為復(fù)式向斜構(gòu)造，背斜狹窄陡峭、向斜寬闊平緩，屬于典型的隔擋式褶皺。褶皺形成于自西向東的應(yīng)力推覆作用，在表層發(fā)育薄皮構(gòu)造，導(dǎo)致地表淺層構(gòu)造與深部隱伏構(gòu)造間存在明顯區(qū)別。

(2)背斜區(qū)地層遭受剝蝕嚴(yán)重，龍馬溪組、牛蹄塘組富有機(jī)頁巖地層被剝蝕殆盡；向斜區(qū)地層遭受剝蝕程度小，成為殘留向斜，具有頁巖氣勘探開發(fā)價(jià)值，是鳳岡二區(qū)塊頁巖氣開發(fā)有利區(qū)。

(3)綏陽向斜、鳳岡向斜有利頁巖氣開發(fā)部位分別為向斜核部、東斷塊中部，典型特征是地層產(chǎn)狀平緩、遠(yuǎn)離通天斷層，是頁巖氣保存有利區(qū)。煎茶溪向斜受抬升導(dǎo)致整體埋藏淺，向斜核部埋深相對(duì)較大，有利于頁巖氣保存。

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