復雜構造背景區(qū)頁巖氣富集條件研究
——以大巴山前緣地區(qū)為例

康建威，林小兵，余 謙，田景春，門玉澎，閆劍飛，林家善，孫媛媛

(1.成都理工大學 沉積地質研究院，成都 610059； 2.成都地質調查中心，成都 610081)

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復雜構造背景區(qū)頁巖氣富集條件研究
——以大巴山前緣地區(qū)為例

康建威1,2，林小兵1，余 謙2，田景春1，門玉澎2，閆劍飛2，林家善2，孫媛媛2

(1.成都理工大學 沉積地質研究院，成都 610059； 2.成都地質調查中心，成都 610081)

通過大巴山前緣地區(qū)五峰—龍馬溪組富有機質泥巖的野外露頭、鉆井、巖心等資料的研究，對一系列巖石樣品進行了顯微薄片、掃描電鏡、有機地化、孔滲性、比表面積、含氣性解析等多項實驗測試分析，對五峰—龍馬溪組頁巖氣的富集條件進行了綜合研究。結果表明：大巴山前緣地區(qū)富有機質泥巖總體處在淺水—深水陸棚沉積環(huán)境下，其沉積厚度在40～70 m左右，平均有機碳含量大于2%；有機質類型為腐泥型Ⅰ型干酪根，有機質成熟度多數(shù)為0.82%～3.04%，達到高—過成熟階段；低滲透—低孔特征，并發(fā)育多種微觀空隙結構。典型鉆井解剖分析認為，頁巖氣保存條件是該區(qū)富集條件中最為關鍵的因素；未被斷裂破壞的箱狀背斜是最為有利的構造保存條件。

富有機質泥巖；頁巖氣富集條件；構造復雜區(qū)；五峰—龍馬溪組；大巴山前緣

近期，位于四川盆地邊緣構造復雜區(qū)的貴州省北部正安地區(qū)安頁1井獲得重大突破，有望成為千億立方儲量的大型頁巖氣田。這些成功均證明不僅僅在盆內(nèi)穩(wěn)定構造區(qū)有著良好的頁巖氣勘探前景，在復雜構造背景區(qū)同樣值得我們進一步研究。因此，中國頁巖氣的發(fā)展不能簡單復制美國頁巖氣的成功經(jīng)驗，應結合我國復雜的地質背景，探索中國式的頁巖氣勘探理論。

大巴山前緣地區(qū)處于四川盆地北部邊緣，由北向南分布著逆沖推覆區(qū)、斷層結合帶、褶皺結合帶，具有較為復雜的構造背景。總體上該區(qū)的頁巖氣勘探開發(fā)處于探索階段，勘探方向并不明確[1-12]。截至目前，該區(qū)共實施了14口頁巖氣調查井，但是多數(shù)鉆井并未取得良好的頁巖氣顯示。不過最新的井3井良好的頁巖氣顯示又為該地區(qū)頁巖氣勘探提供了新的希望。因此有必要綜合該地區(qū)頁巖氣多種地質要素，對五峰—龍馬溪組頁巖氣地質特征及富集條件進行深入研究。本文通過對該區(qū)大量的野外露頭剖面實測，結合最新的鉆井資料，分析、綜合已取得的研究成果，研究了構造復雜背景下的頁巖氣地質條件和富集因素，劃定有效的勘探有利區(qū)，以期為后期勘探開發(fā)提供依據(jù)。

1 構造特征

大巴山前緣地區(qū)主體位于上揚子地塊北緣、四川盆地與秦嶺造山帶的過渡帶上，西與米倉山基底沖斷隆起帶相連，東南部與川東高陡褶皺帶毗鄰，整體上為一向南西凸出的弧形構造帶。大巴山現(xiàn)今構造格局呈現(xiàn)為一系列由北東向南西推擠的逆沖推覆構造，形成疊瓦狀逆沖推覆構造系和滑脫—拆離構造[13-18](圖1)。習慣上，以規(guī)模巨大的城口—房縣深斷裂為界，將大巴山?jīng)_斷帶劃分為2個構造—地層單元：即北大巴山逆沖推覆構造帶和南大巴山?jīng)_斷帶。前者以城口斷裂為南界，由秦嶺區(qū)淺變質的震旦系至下古生界火山—沉積巖系構成；后者以城口斷裂為界，南以鐵溪—巫溪隱伏斷裂與四川盆地為界,卷入變形的地層從震旦系至侏羅系。

2 頁巖氣富集的物質條件特征

2.1 富有機質泥巖平面分布特征

作為頁巖氣載體的富有機質泥巖，其平面分布的規(guī)律和特點是研究頁巖氣富集最根本的物質基礎。

通過對大巴山前緣地區(qū)五峰—龍馬溪組野外剖面實測、鉆井資料分析(圖1)，并選取總有機碳(TOC)含量大于1%作為該區(qū)的富有機質泥巖進行研究[19-22]。

在研究區(qū)東部，受麻柳—大竹潛隆起的影響，由皮窩至雙河五峰—龍馬溪組富有機質泥巖厚度逐漸增大，由31.5 m增厚至51 m，在城口明通地區(qū)如明通剖面厚度達74 m，白泉剖面厚度達70.8 m；向大巴山前緣厚度增大，并在田壩地區(qū)形成厚度相對較大的沉積區(qū)，厚度可達70 m；向西往城口方向至白泉、中崗一帶，再到明通、廟壩，最后至雙河地區(qū)沉積水體變淺，厚度呈逐漸減薄的趨勢。其中，位于最西側的皮窩地區(qū)的富有機質泥巖厚度為31.51 m；白泉、中崗及周邊地區(qū)的厚度則為34.9～47.3 m；明通與廟壩一帶厚度為38.1～41.46 m。田壩向東往巴東方向至白鹿地區(qū)，再到栗子坪一帶，最后至巴東縣兩河口、大橋灘及周邊地區(qū)，由西向東富有機質泥巖厚度呈逐漸減薄的趨勢。栗子坪地區(qū)富有機質泥巖厚度為35.82 m；繼續(xù)向東至巴東縣兩河口，大橋灘及周邊地區(qū)厚度逐漸減薄，為26.12～26.92 m(圖2)。

圖1 大巴山地區(qū)構造分帶特征Fig.1 Structural zoning of Daba Mountain

圖2 大巴山前緣地區(qū)五峰—龍馬溪組富有機質泥巖厚度、含量、成熟度特征Fig.2 Thickness, TOC content and maturity of organic-rich mudstones in the Wufeng-Longmaxi formations, the front margin of Daba Mountain

總體上，研究區(qū)的大部分地區(qū)都具有較厚的富有機質泥巖，能夠為頁巖氣富集提供最基本的條件。

2.2 有機碳含量及其變化特征

總有機碳含量是評價頁巖有機質豐度的一項主要指標，也是生烴量和生烴強度的重要決定因素，較高的有機碳含量是頁巖氣富集高產(chǎn)的根本要素。

在縱向上，以井2井剖面為例(圖3)，從下至上，五峰組富有機質泥巖段的TOC值介于1.79%～6.53%之間，平均為3.67%；龍馬溪組下部富有機質泥巖段的TOC值在1.91%～3.38%之間，平均值為2.57%；龍馬溪組上段非黑色泥巖段的有機碳含量明顯降低，為1.35%。

圖3 大巴山前緣地區(qū)井2井有機碳含量變化Fig.3 Changes of TOC content of Jing2 well in the front margin of Daba Mountain

TOC變化顯示了3個峰值，分別出現(xiàn)在五峰組中部、上部及龍馬溪組中下部，其中，以五峰組上部(縱向上第二個)峰值最為突出(TOC含量達到6.53%)。由此可知，該剖面TOC高值主要集中在五峰組黑色泥巖段，龍馬溪組黑色泥巖次之，龍馬溪組非黑色頁巖段TOC含量最小。該剖面有機碳含量大于2.0%的泥巖厚度為34.9 m。

平面上，向西到大巴山前緣的鎮(zhèn)巴地區(qū)，有機碳含量相對穩(wěn)定。大巴山前緣地區(qū)鎮(zhèn)巴—萬源一線，TOC由漁渡剖面的2.01%到萬源皮窩剖面的3.56%，顯示有機碳含量向萬源地區(qū)增大；而在巫溪中崗、田壩地區(qū)TOC達到了5.13%和5.17%；向西的白鹿、沿渡河鎮(zhèn)TOC下降至3.15%和2.73%(圖2)。因此，從總體上顯示在開縣—奉節(jié)形成了有機碳含量的最大值區(qū)，這與富有機質泥巖厚度在一定程度上一致。

2.3 有機質成熟度特征

研究區(qū)五峰組—龍馬溪組富有機質頁巖經(jīng)歷了多期次的熱演化，成熟度Ro大部介于1.5%～3.04%之間，平均1.93%，基本處于成熟階段。

平面上，受斷裂和埋深的影響，由北向南，五峰組—龍馬溪組富有機質頁巖熱演化程度逐漸升高(圖2)。開縣田壩—巫溪田壩—巫溪雙陽一線以南地區(qū)，Ro一般大于2.5%；向北至萬源白沙—城口滿月—巫溪中良—巫溪雙橋一帶，向東至巴東張家坡一帶，Ro值介于1.5%～2.0%之間。在大巴山前緣萬源—曹家地區(qū)，受星子山隆起及平壩斷裂逆沖推覆的影響，萬源曹家—城口明通—巫溪白鹿地區(qū)以及巴東沿渡河地區(qū)以1.3%

2.4 孔隙度和滲透率特征

對大巴山前緣典型剖面和鉆井五峰—龍馬溪組樣品進行了孔隙度和滲透率測定，并在此基礎上進行綜合分析認為：研究區(qū)孔隙度最高值多數(shù)為1%～3%，最低值為一般0.8%～0.9%，平均值多數(shù)為1.5%～1.9%，具有中—高孔隙度特征；滲透率最高值多數(shù)在(0.01～0.015)×10-3μm2之間，最低值在(0.001～0.002)×10-3μm2之間，平均值在(0.002～0.004)×10-3μm2，具有低滲透率特征?？傮w來說，龍馬溪組上部地層孔隙度比下部略高，滲透率也略呈現(xiàn)此特征，但孔隙度、滲透率比較差，具有低孔—超低滲的特征，而且具有孔隙度分散、滲透率接近的特點。

2.5 巖石比表面特征

大巴山前緣地區(qū)五峰—龍馬溪組地表剖面富有機質頁巖BET比表面積在3.41～27.32 m2/g，平均為8.94 m2/g。井2井五峰—龍馬溪組BET比表面積在8.09～23.02 m2/g，平均14.27 m2/g(表1)。對比涪陵焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組富有機質頁巖樣品BET比表面積為8.4～33.3 m2/g，平均為18.9 m2/g[23]。頁巖比表面積巨大，能為頁巖吸附提供非常有利的條件。

3 頁巖氣富集關鍵因素分析

在構造背景復雜區(qū)，大巴山前緣地區(qū)斷裂褶皺十分發(fā)育(圖4)，把原本分布面積廣、厚度大、有機質含量高的富有機質泥巖重新分布在不同構造區(qū)帶里。其中井1、井2、井3井分別處在不同的構造帶內(nèi)，受不同的構造作用控制。三者在富有機質泥巖厚度、TOC含量、有機質成熟度、孔隙物性參數(shù)、比表面積、埋深特征等方面都存在著較大的相似性，但是最終含氣性卻出現(xiàn)了較大的偏差(表2)。

表1 大巴山前緣地區(qū)井2井五峰—龍馬溪組富有機質泥巖比表面積分析

圖4 大巴山前緣地區(qū)井1-井2-井3井位構造樣式示意Fig.4 Structural styles of Jing1,2,3 wells in the front margin of Daba Mountain 表2 大巴山前緣地區(qū)不同構造區(qū)各鉆井富集條件對比 Table 2 Enrichment conditions in wells of different structural styles in the front margin of Daba Mountain

鉆井富有機質泥巖厚度/m平均TOC含量/%Ro/%孔隙度滲透率含氣性井1744．51．5納米孔為主低 總含氣量0．03～2．4m3/t之間，平均0．5m3/t；含37%氮氣、53%甲烷氣井2833．82．7納米孔為主低 總含氣量0．01～0．22m3/t，平均為0．07m3/t；含41%氮氣、51%甲烷氣井3894．72．4納米孔為主低 總含氣量1～8m3/t，平均為3．4m3/t；含95．17%甲烷氣

以井2、井1井為例，二者具備了頁巖氣富集的多種要素，并且在富有機質泥巖和有機碳含量方面遠比礁石壩頁巖氣田典型頁巖氣鉆井——JY1井優(yōu)越，孔隙度和比表面積條件也達到了頁巖氣富集條件的要求，但是最終含氣性卻存在很大差異。值得注意的是，其解析氣中均含有一定比例的氮氣，說明井2、井1井富有機質泥巖段與大氣連通，散失了大部分游離氣。通過對頁巖氣其他富集要素的分析，發(fā)現(xiàn)解析氣含量與比表面呈現(xiàn)較高的相關性，而與有機碳含量、有機質成熟度、滲透率、孔隙度、黏土礦物均呈現(xiàn)較低的相關性(圖5)。因此，從一定程度講，保存條件是研究區(qū)頁巖氣富集最為關鍵的因素。

從所處構造位置看，井2、井1井位于坪壩斷裂和鎮(zhèn)巴—雞鳴寺斷裂中間夾持的斷裂褶皺帶內(nèi)，其間斷裂密集分布，局部褶皺翼間角較小(圖1)，使得褶皺多以斜歪緊閉褶皺存在，而且褶皺之間多以斷層相連，造成了富有機質泥巖分布地表的不連續(xù)，地覆的不統(tǒng)一，在一定程度上甚至以斷片的形式存在，造成了其范圍和狀態(tài)發(fā)生了不可預測的變化。

構造作用對頁巖氣保存是一把雙刃劍，適當?shù)臉嬙鞌D壓富有機質泥巖段獲得較大的地層或者巖石壓力，在擠壓應力場下會形成多種裂隙，增大可容納空間，處在這種壓而不破狀態(tài)下的富有機質泥巖會更利于頁巖氣的聚集以及后期的開發(fā)。但是斷裂尤其是“通天”斷裂會破壞壓力場下的平衡，甚至會使壓力場轉變?yōu)閺埩?，并形成常壓狀態(tài)，從而使游離氣大量散失，不利于頁巖氣的保存。井2、井1井含氣較差的原因就是保存條件遭到了破壞，而這種破壞的直接原因就是復雜構造背景下褶皺緊閉斜歪和大量”通天”斷裂帶發(fā)育。

圖5 大巴山前緣地區(qū)井2井解析氣量相關性Fig.5 Different influencing factors for gas amount in Jing2 well in the front margin of Daba Mountain

根據(jù)鉆井資料顯示，井3井含氣量為1～2 m3/t的含氣層段34 m，含氣量為2～3 m3/t 的富含氣層段25 m，含氣量大于3 m3/t 的高含氣層段34 m，最高含氣量超過8 m3/t，氣體組分以甲烷為主(甲烷平均含量95.17%)，是大巴山前緣地區(qū)最具有良好的頁巖氣顯示和資源潛力的頁巖氣鉆井。初步分析表明，解析氣含量與有機碳含量、有機質成熟度、滲透率、孔隙度、黏土礦物、比表面積均呈現(xiàn)很好的正相關性。

井3井構造上位于鐵溪—巫溪隱伏斷裂帶以北、平壩斷裂以南的南大巴山褶皺帶內(nèi)，是造山與盆地的盆緣過渡帶。該區(qū)域內(nèi)斷裂發(fā)育一般，規(guī)模較小，多數(shù)以隱伏斷裂為主，井3井位于田壩箱狀背斜北翼，在應力上以擠壓應力為主。由于背斜向底部的收斂作用，使得地層由上到下擠壓應力是增加的，五峰組—龍馬溪組地層承受較強的應力作用，富有機質泥巖段上下面具有較大的應力差異。在這種應力擠壓下，泥巖段發(fā)育大量的網(wǎng)狀裂隙、裂縫，部分半充填裂縫、裂隙，這為游離氣的存在提供了一定的空間，同時也有利于頁巖儲集層的后期壓裂改造。

綜上所述，分布廣泛的富有機質泥巖、較高的有機碳含量、合理的有機質成熟度、較大的比表面積、多種孔隙的發(fā)育等是頁巖氣富集的基本條件，而這些基本條件在構造背景復雜的大巴山地區(qū)多數(shù)地方均已具備，但是研究區(qū)多數(shù)的鉆井失敗和井3井的成功表明，必須具備較好的保存條件才是該區(qū)頁巖氣富集最為關鍵的要素。而影響研究區(qū)構造保存的是大量發(fā)育的通天斷裂和被斷裂破壞了的斜歪褶皺。根據(jù)大巴山前緣地區(qū)構造發(fā)育特征，結合埋深的影響，坪壩斷裂以南靠近盆地的滑脫褶皺帶斷裂發(fā)育較少，向斜和背斜分布廣泛，該區(qū)域內(nèi)相對寬緩的箱狀背斜是勘探的目標和方向，如田壩背斜、滿月背斜。

4 結論

(1)在構造背景復雜的大巴山前緣地區(qū)，五峰—龍馬溪組沉積厚度在40～70 m左右，平均有機碳含量大于2%，有機質類型為腐泥型Ⅰ型干酪根，有機質成熟度多數(shù)為0.82%～3.04%，達到高—過成熟階段，具低滲透—低孔特征，并發(fā)育多種微觀孔隙結構，具備了頁巖氣富集的基本條件。

(2)復雜構造背景下的大巴山前緣地區(qū)的頁巖氣富集條件中，厚層的富有機質頁巖為頁巖氣的生成提供了物質基礎，高有機碳含量提供了生烴潛力，合理的有機質成熟度提供了生氣動力，良好儲集物性提供了容納空間。但是較好的保存條件才是該區(qū)頁巖氣富集最為關鍵的要素。

(3)影響研究區(qū)構造保存的是大量發(fā)育的通天斷裂和被斷裂破壞了的斜歪褶皺。因此在大巴山盆緣地區(qū)的褶皺帶內(nèi)，二疊系或者三疊系覆蓋的田壩背斜、滿月背斜是最佳的勘探目標區(qū)。

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Yang Rui,He Sheng,Hu Dongfeng,et al.Characteristics and the main controlling factors of micro-pore structure of the shale in Wufeng Formation-Longmaxi Formation in Jiaoshiba area[J].Geological Science and Technology Information 2015,34(5):105-113.

(編輯 徐文明)

Shale gas enrichment conditions in complex geological structure areas: A case study in the front margin of Daba Mountain

Kang Jianwei1,2, Lin Xiaobing1, Yu Qian2, Tian Jingchun1, Men Yupeng2, Yan Jianfei2, Lin Jiashan2, Sun Yuanyuan2

(1.InstituteofSedimentaryGeology,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China; 2.ChengduCenter,ChinaGeologicalSurvey,Chengdu,Sichuan610081,China)

A series of investigations on both outcrops and drilling cores from the front edge of Daba Mountain were carried out. Organic-rich mudstones collected from the Wufeng-Longmaxi formations in Fengjie-Kaixian-Baiquan-Manyue areas were sampled and analyzed. Information was obtained from thin sections and Scanning Electron Microscopy (SEM), and some relevant laboratory tests including organic geochemistry, X-ray diffraction, He-porosity and permeability and Specific Surface Area were made to summarize the basic geological conditions of Wufeng-Longmaxi formations in the study area. The results show that the organic-rich mudstones in the front edge of Daba Mountain were probably formed in a shallow to deep shelf during the Late Ordovician-Early Silurian. The thicknesses of these mudstones range 40-70 m, and the average total organic carbon (TOC) content is more than 2%. The kerogen mainly shows characteristics of type Ⅰ. The thermal maturity of mudstones ranges 0.82%-3.04%, indicating a high to over mature stage. Additionally, the features of low permeability and low porosity as well as several types of pore microstructures were observed in these mudstones. The analyses of typical wells indicate that the preservation of shale gas is a key element for hydrocarbon accumulation. The well-preserved box-shaped anticlines are most favorable for shale gas preservation.

organic-rich mudstone; shale gas preservation condition; complex geological structure area; Wufeng-Longmaxi formations; front margin of Daba Mountain

1001-6112(2017)04-0437-07

10.11781/sysydz201704437

2017-03-06；

2017-06-10。

康建威(1980—)，男，在讀博士，工程師，從事沉積與油氣地質研究。E-mail:best_kang@163.com。

林小兵(1980—)，博士，講師，從事沉積地質學的教學與科研工作。E-mail：linxiaobing07@cdut.cn。

TE132.2

A

中國地質調查局“四川盆地下古生界海相頁巖氣基礎地質調查”(DD20160176)和重慶市國土資源和房屋管理局“重慶富有機質頁巖沉積特征與儲層評價研究”(渝地調設審字[2013]032號)資助。

美國頁巖氣田具有頁巖分布廣泛、埋藏淺、厚度大、成熟度低等特征，尤其重要的是美國頁巖氣往往分布在構造穩(wěn)定的地區(qū)。近年來，中國的頁巖氣勘探開發(fā)取得了突破性進展，處于構造相對穩(wěn)定地區(qū)的長寧、昭通、威遠和焦石壩地區(qū)的上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣已實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)。