四川盆地涪陵地區(qū)頁巖氣層構(gòu)造特征與保存評價(jià)

羅 兵，郁 飛，陳亞琳，丁紅偉

(中國石化 江漢油田分公司 勘探開發(fā)研究院，武漢 430223)

中國南方海相頁巖氣開發(fā)潛力巨大，四川盆地及周緣下古生界海相頁巖氣大量的基礎(chǔ)研究和勘探實(shí)踐均表明，海相泥頁巖具有良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。但與北美地區(qū)頁巖氣相比，中國南方頁巖氣具有其特殊性。四川盆地及周緣地表?xiàng)l件復(fù)雜，經(jīng)歷了多期次復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動，保存條件差異大[1-3]。鉆探結(jié)果也證實(shí)，不同區(qū)塊的含氣性、產(chǎn)能具有較大的差異。筆者在川東涪陵地區(qū)地震精細(xì)解釋的基礎(chǔ)上，研究總結(jié)了該區(qū)的構(gòu)造特征與演化過程，認(rèn)為構(gòu)造作用是影響該區(qū)頁巖氣保存條件的主要因素，從構(gòu)造變形的區(qū)域差異性來探討該區(qū)的頁巖氣保存條件，優(yōu)選頁巖氣保存有利區(qū)，以期指導(dǎo)勘探開發(fā)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

川東高陡褶皺帶位于四川盆地東部，西起華鎣山斷層，東至齊岳山斷層，南達(dá)南川—開隆一線，東北以萬源斷裂帶與大巴山相接，大地構(gòu)造位置上屬江南—雪峰造山帶鋒帶；整體呈現(xiàn)為“隔檔式”褶皺樣式，寬緩向斜與窄陡背斜平行排列。北部為北北東向構(gòu)造走向，中部呈北東構(gòu)造走向，往南轉(zhuǎn)為北北西構(gòu)造走向，平面上表現(xiàn)為向北西方向突出的弧形[4-7]。涪陵地區(qū)位于川東弧形褶皺帶的東南部，在齊岳山斷層以西，研究區(qū)主體構(gòu)造隸屬于萬縣復(fù)向斜(圖1)。

晚奧陶世四川盆地發(fā)生海侵，至早志留世初期引起全球大規(guī)模的海平面上升，在四川盆地龍馬溪早期達(dá)到高潮[8]，并在其周緣北西高、南高和北東低的古地理格局制約下，沿川西南及川東南等地區(qū)形成了龍馬溪早期相對滯留、缺氧、水體較深的深水陸棚沉積環(huán)境，從而發(fā)育了一套巨厚的暗色碳質(zhì)筆石頁巖[9-11]，是四川盆地主要的烴源巖系，也是目前涪陵地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)的目的層系。

涪陵地區(qū)在背斜帶出露地層主要為二疊系—三疊系，主要分布在研究區(qū)東南部，高陡背斜帶局部剝蝕出露志留系地層，向斜帶出露地層主要為侏羅系，主要分布在研究區(qū)西部和北部。鉆井揭示，涪陵地區(qū)地層主要為古生界和中生界，缺失泥盆系和石炭系，僅局部殘留石炭系黃龍組，其中志留系由下統(tǒng)龍馬溪組、小河壩組和中統(tǒng)韓家店組組成，與下伏奧陶系整合接觸，與上覆石炭系黃龍組平行不整合接觸，厚度超過1 000 m。目的層段上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組一段在焦石壩地區(qū)分布穩(wěn)定，厚度將近100 m。

2 構(gòu)造變形特征

中生代以來，川東地區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造變形，構(gòu)造較復(fù)雜，縱向上構(gòu)造變形具有差異性，地表與地下構(gòu)造不一致。

涪陵地區(qū)位于江南雪峰造山系鋒帶，總體表現(xiàn)為“隔檔式”褶皺樣式，背斜狹窄緊閉，向斜平緩寬闊。根據(jù)構(gòu)造形態(tài)可分為5個次級正向構(gòu)造和6個次級負(fù)向構(gòu)造，受江南雪峰造山帶由南東向北西的遞進(jìn)變形影響，焦石壩地區(qū)總體呈北東向隆凹相間的構(gòu)造格局，局部受后期改造出現(xiàn)北西向構(gòu)造，具有明顯的南東強(qiáng)北西弱、南東早北西晚的遞進(jìn)變形特征。

2.1 斷裂特征

圖1 四川盆地東部地區(qū)地質(zhì)概況

圖2 四川盆地涪陵地區(qū)五峰組底構(gòu)造

涪陵地區(qū)發(fā)育北東向、北西向2組逆斷層，北西向逆斷層只發(fā)育在研究區(qū)北部。斷裂發(fā)育具有分層性、分期性和繼承性的特點(diǎn)，主要形成于晚燕山期，北西向斷層發(fā)育時期稍晚。

研究區(qū)內(nèi)的主要大斷層有北東向的齊岳山斷層、石門斷層、金坪斷層、平橋西斷層與北西西向的大耳山西斷層、烏江斷層，主控?cái)鄬泳驏|傾，反映出明顯的從南東向北西方向的構(gòu)造擠壓(圖2)。

平面上斷層發(fā)育具有“東強(qiáng)西弱”的特點(diǎn)。研究區(qū)東南部斷層最為發(fā)育，基本為北東走向，主控?cái)鄬右?guī)模大，斷距最大達(dá)1 500 m以上，縱向上切穿寒武系、奧陶系、志留系、二疊系，向上斷至地表，構(gòu)造變形較強(qiáng)烈的背斜帶發(fā)育大量斷距100 m以下的小斷層，縱向上從奧陶系斷至下志留統(tǒng)，將背斜構(gòu)造破碎化。研究區(qū)西部斷層活動逐漸減弱，除西北部的烏江斷層斷距達(dá)到1 000 m外，其余主控?cái)鄬訑嗑嗑∮?00 m，向下終止于寒武系膏鹽層，向上斷至中—下三疊統(tǒng)膏鹽層，而且背斜帶斷層明顯減少，背斜主體構(gòu)造較完整，僅在主控?cái)鄬又芫壈樯恍┬鄬印?/p>

2.2 縱向變形特征

前人研究認(rèn)為川東地區(qū)中—下寒武統(tǒng)和中—下三疊統(tǒng)的膏巖層縱向厚度大，區(qū)域分布范圍廣，是川東地區(qū)控制構(gòu)造發(fā)育的2套主要的區(qū)域滑脫層系[12-17]。筆者通過精細(xì)的構(gòu)造解剖認(rèn)為，在涪陵地區(qū)，寒武系覃家廟組的膏鹽巖是主要的一套滑脫層，該層上下構(gòu)造變形具有明顯的差異。三疊系嘉陵江組在研究區(qū)東部遭受部分剝蝕，在西部向斜帶保存完整，斷層向上終止于該層，是研究區(qū)較重要的一套滑脫層。此外，志留系龍馬溪組的泥頁巖也是一套非常重要的滑脫層，多條斷層向上終止或向下消亡于志留系泥頁巖中，上、下構(gòu)造變形也具有不一致性。

涪陵地區(qū)的構(gòu)造變形主要受這3套區(qū)域滑脫層的影響，塑性巖層的滑脫作用造成滑脫層上、下巖層構(gòu)造變形的不均一性，各構(gòu)造層內(nèi)部變形程度不一致，發(fā)育不同的構(gòu)造樣式組合，控制了該區(qū)構(gòu)造變形的層次性。

以區(qū)域滑脫層為界，涪陵地區(qū)的沉積蓋層縱向上可劃分為上、中、下3套構(gòu)造變形層(圖3)。下構(gòu)造層為震旦系—中寒武統(tǒng)地層，構(gòu)造起伏相對較小，多發(fā)育斷展褶皺和滑脫褶皺，斷層相對不發(fā)育，斷距較小，向上消減于寒武系膏鹽層中；中構(gòu)造層為上寒武統(tǒng)—中三疊統(tǒng)地層，構(gòu)造變形最為強(qiáng)烈，發(fā)育斷展褶皺、斷彎褶皺、背沖、對沖構(gòu)造及雙重構(gòu)造，主控?cái)鄬訑嗑噍^大，最大可超過1 000 m，除研究區(qū)東部少量斷層從寒武系直接斷至三疊系，大多數(shù)斷層和褶皺又以志留系厚層泥頁巖作為主要滑脫層，向上終止或向下消亡于該層段中，志留系上、下構(gòu)造變形特征具有差異性；上構(gòu)造層由侏羅系陸相碎屑巖組成，在向斜區(qū)可見，構(gòu)造形態(tài)與地表一致，有輕微褶皺變形，斷裂不發(fā)育。

2.3 構(gòu)造平面分區(qū)

涪陵地區(qū)的構(gòu)造變形由南東向北西逐漸減弱，構(gòu)造樣式、斷裂規(guī)模、剝蝕程度等在不同區(qū)域具有較大的差異，平面上以研究區(qū)中部北東走向的石門—金坪斷層為界，可將涪陵地區(qū)分為東、西2帶(圖4)，東帶構(gòu)造變形明顯強(qiáng)于西帶。

東帶：石門—金坪斷層以東，包括白馬向斜帶與石門—金坪背斜帶2個次級構(gòu)造帶，緊鄰齊岳山大斷裂，構(gòu)造變形較強(qiáng)烈，以沖斷—褶皺變形為主，發(fā)育大量北東向逆斷層，斷距較大，平面延伸較長，主控?cái)鄬訑嘀恋乇?，以疊瓦狀逆沖、反沖、擠出構(gòu)造、三角帶構(gòu)造為主。白馬向斜帶受較強(qiáng)烈擠壓，向斜內(nèi)部微構(gòu)造較發(fā)育；背斜帶形態(tài)不對稱，西翼較窄，背斜轉(zhuǎn)折端被多條斷層切割，構(gòu)造較破碎，剝蝕量大，背斜帶出露二疊系，局部剝蝕至志留系。

圖3 四川盆地涪陵地區(qū)西南部地震解釋剖面

圖4 四川盆地涪陵地區(qū)“東西分帶”地震解釋剖面

西帶：石門—金坪斷層以西，包括焦石壩背斜帶、平橋背斜帶、梓里場背斜帶、烏江背斜帶、江東向斜帶、鳳來向斜帶、白濤向斜帶、涪陵向斜帶和雙河口向斜帶共9個次級構(gòu)造帶。該帶遠(yuǎn)離齊岳山大斷裂，受山前沖斷作用影響相對減弱，以褶皺變形為主，斷裂發(fā)育程度明顯降低，斷裂規(guī)模減小，向上多終止于中—下三疊統(tǒng)膏巖層，剝蝕量較東帶小，背斜帶仍保留有三疊系地層，具有良好的封蓋條件，且構(gòu)造變形程度適中，保存條件明顯好于東帶。但需要注意的是，西帶中北西走向的烏江斷裂帶形成時期相對較晚，明顯改造北東向構(gòu)造，主控?cái)鄬右?guī)模較大，向上溝通地表，周緣6～8 km派生多條北西向斷層，切割背斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀變化大，整個烏江斷裂帶構(gòu)造變形相對較強(qiáng)。

3 保存評價(jià)

前期研究認(rèn)為涪陵地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段頁巖層段的厚度、礦物成分和有機(jī)碳含量等原始品質(zhì)平面展布穩(wěn)定，構(gòu)造作用是影響涪陵地區(qū)頁巖氣保存的主控因素，構(gòu)造變形的差異性導(dǎo)致了焦石壩不同區(qū)塊保存條件的變化。構(gòu)造變形所產(chǎn)生的大斷裂及其破碎作用，切穿儲層至蓋層的所有層系，并在周圍形成大量小斷裂和裂縫，成為油氣散失的主要通道[18-20]。同時，構(gòu)造變形對蓋層的封蓋有極大的影響。構(gòu)造作用導(dǎo)致的強(qiáng)烈抬升導(dǎo)致蓋層暴露遭受剝蝕，也能在蓋層中產(chǎn)生大量裂隙、微裂隙，破壞原封蓋層的整體塑性，使其封蓋性能大大降低，甚至失去封蓋作用[21-26]?？傮w而言，構(gòu)造變形越強(qiáng)烈，對頁巖氣的保存影響越大。

涪陵地區(qū)根據(jù)構(gòu)造變形特征劃分的東、西2帶。從保存條件來看，東帶強(qiáng)烈的構(gòu)造變形對頁巖氣藏保存帶來不利影響。東帶整體地層壓力系數(shù)低于1.2，也反映東帶整體保存條件較差，僅在構(gòu)造變形相對較弱的斜坡部位地層壓力系數(shù)超過1.3，因此，東帶頁巖氣藏勘探開發(fā)的有利區(qū)帶不是背斜構(gòu)造，而是構(gòu)造相對簡單且埋藏適中的斜坡部位。西帶整體構(gòu)造變形較弱，保存條件較好，整體地層壓力系數(shù)高于1.3，部分區(qū)域地層壓力系數(shù)超過1.5，也反映西帶整體保存條件好；而烏江斷裂帶對頁巖氣藏保存起破壞作用，其影響范圍內(nèi)地層壓力系數(shù)小于1.3，因此西帶頁巖氣藏勘探開發(fā)的有利區(qū)帶為遠(yuǎn)離烏江斷裂帶的正向構(gòu)造。

但評價(jià)構(gòu)造變形對保存的影響目前主要還是基于定性的判斷，用于指導(dǎo)勘探階段的選區(qū)選帶；定性的認(rèn)識則比較粗放，而且評價(jià)結(jié)果因人而異，難以建立有效的量化指標(biāo)來指導(dǎo)開發(fā)。為進(jìn)一步落實(shí)頁巖氣開發(fā)有利區(qū)，筆者在“東西分帶”的定性認(rèn)識基礎(chǔ)上，根據(jù)研究區(qū)的構(gòu)造變形特征和實(shí)際資料情況，嘗試建立一種涪陵地區(qū)保存條件的量化評價(jià)方法。

涪陵地區(qū)的保存條件主要是構(gòu)造影響，要量化評價(jià)保存條件，重點(diǎn)是對構(gòu)造變形特征進(jìn)行量化表征。另外，一些地質(zhì)參數(shù)也可以有效評價(jià)保存條件，如含氣量、孔隙壓力和孔隙度等。涪陵地區(qū)前后采集了2塊三維地震資料，通過地震預(yù)測開展與保存相關(guān)的參數(shù)預(yù)測，也是一項(xiàng)有效的定量評價(jià)手段。筆者從構(gòu)造變形量化表征和“甜點(diǎn)”地震預(yù)測2方面出發(fā)，對保存條件嘗試進(jìn)行量化評價(jià)。

構(gòu)造變形的定量描述一直是業(yè)界難題，原因在于構(gòu)造運(yùn)動導(dǎo)致地層變形狀態(tài)可以用很多種相關(guān)參數(shù)進(jìn)行描述，可從構(gòu)造樣式、剝蝕程度、破裂程度等方面進(jìn)行綜合表征，但多數(shù)參數(shù)往往只能用于定性描述，難以量化表征。本次研究根據(jù)相關(guān)性高、易測量、可量化的原則，優(yōu)選了主斷裂斷距、褶皺縮短率、裂縫密度、地層增厚比例、曲率等5個參數(shù)，通過對這幾項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行歸一化后的加權(quán)求和，得到構(gòu)造變形強(qiáng)度指數(shù)，對涪陵地區(qū)的構(gòu)造變形進(jìn)行量化表征。圖5a中，紅色為構(gòu)造變形強(qiáng)度指數(shù)低值區(qū)，代表構(gòu)造變形較弱；藍(lán)色為高值區(qū)，代表構(gòu)造變形相對較強(qiáng)。構(gòu)造變形強(qiáng)度指數(shù)小于0.5的區(qū)域，構(gòu)造變形較弱，主要分布在“西帶”，屬Ⅰ類變形帶；變形指數(shù)0.50～0.75的區(qū)域，構(gòu)造變形較強(qiáng)，主要分布在斜坡部位的斷裂帶，屬Ⅱ類變形帶；變形指數(shù)大于0.75的區(qū)域，主要分布在“東帶”的背斜帶、復(fù)雜斷裂帶與西帶的烏江斷背斜帶，構(gòu)造變形最為強(qiáng)烈，屬Ⅲ類變形帶，對頁巖氣保存的破壞最大。

同時，對涪陵地區(qū)開展了地震預(yù)測，求得涪陵地區(qū)頁巖層段的含氣量、地層孔隙壓力、孔隙度3項(xiàng)參數(shù)。這3項(xiàng)參數(shù)值越高，代表保存條件越好。將這3項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行歸一化處理后做加權(quán)求和，得到含氣性綜合指數(shù)，用作對該區(qū)保存條件的量化評價(jià)。圖5b中，紅色為含氣性綜合指數(shù)低值區(qū)，代表頁巖氣保存條件較好；藍(lán)色為高值區(qū)，代表頁巖氣保存條件相對較差。通過與實(shí)際井測試產(chǎn)量進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)位于含氣性綜合指數(shù)大于0.6區(qū)域的井，產(chǎn)量均大于15×104m3/d，因此將含氣性綜合指數(shù)大于0.6作為保存條件較好的評價(jià)指標(biāo)。

圖5 四川盆地涪陵地區(qū)頁巖層段構(gòu)造變形強(qiáng)度指數(shù)(a)和含氣性綜合指數(shù)(b)

綜合構(gòu)造變形定量表征和地震預(yù)測評價(jià)結(jié)果，對涪陵地區(qū)的保存條件進(jìn)行深入評價(jià)，將構(gòu)造變形強(qiáng)度指數(shù)小于0.5和含氣性綜合指數(shù)大于0.6作為評選標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合目前的壓裂工藝水平，在埋深小于4 000 m的范圍內(nèi)，優(yōu)選出江東、平橋、白馬、白濤、梓里場5個有利目標(biāo)區(qū)。

4 結(jié)論

(1)涪陵地區(qū)位于江南雪峰造山系鋒帶，總體呈“隔檔式”褶皺樣式，區(qū)內(nèi)發(fā)育北東向、北西向2組逆斷層；構(gòu)造形成于晚燕山期，北西向構(gòu)造發(fā)育時期稍晚。

(2)涪陵地區(qū)縱向上發(fā)育3套滑脫層，沉積蓋層的構(gòu)造變形縱向上具有“三分性”，中構(gòu)造層構(gòu)造變形相對強(qiáng)烈。

(3)以石門—金坪斷層為界，涪陵地區(qū)的構(gòu)造變形存在明顯的“東西分帶”特征，西帶保存條件好于東帶。

(4)綜合構(gòu)造變形定量表征和地震預(yù)測，對涪陵地區(qū)的保存條件進(jìn)行量化評價(jià)，在西帶優(yōu)選出3個有利目標(biāo)區(qū)，在東帶優(yōu)選出2個有利目標(biāo)區(qū)。

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