中國“山地式”頁巖氣層內(nèi)構(gòu)造變動研究方法、理論及其勘探開發(fā)意義

李忠權(quán), 賈承造, 江同文, 陳更生, 何 驍, 李國欣,楊洪志, 石學(xué)文, 吳 偉, 胡懿靈, 龍 偉

(1.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))，成都 610059; 2.自然資源部構(gòu)造成礦成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059；3.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083; 4.中國石油天然氣股份有限公司 勘探與生產(chǎn)分公司，北京 100007; 5.中國石油西南油氣田公司，成都 610051; 6.中國石油天然氣股份有限公司 青海油田分公司，甘肅 敦煌 736202；7.中國石油西南油氣田公司 頁巖氣研究院，成都 610051)

頁巖氣勘探開發(fā)關(guān)系到國家能源戰(zhàn)略安全，是當(dāng)前和今后相當(dāng)長一段時(shí)間國家能源戰(zhàn)略重點(diǎn)[1-6]。四川盆地是中國當(dāng)前最主要的頁巖氣產(chǎn)氣區(qū)，五峰組—龍馬溪組第一段頁巖氣資源豐富，通過近十余年的勘探、開發(fā)與工程實(shí)踐，這套頁巖層系已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；墓I(yè)效益開發(fā)，形成了繼北美之后第二個(gè)成功開發(fā)的規(guī)模頁巖氣產(chǎn)氣區(qū)[7-8]。川南地區(qū)長寧-瀘州一帶則被規(guī)劃為國家級頁巖氣示范區(qū)，具有極強(qiáng)的行業(yè)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展引領(lǐng)意義。

隨著勘探開發(fā)生產(chǎn)的不斷深入，在川南頁巖氣實(shí)際勘探開發(fā)生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)頁巖氣存在“甜點(diǎn)”認(rèn)識不清、鉆井地質(zhì)復(fù)雜、目的層追蹤導(dǎo)向困難并導(dǎo)致鉆井施工時(shí)常失利等問題[9-10]，通過深入研究發(fā)現(xiàn)頁巖氣產(chǎn)層內(nèi)褶皺、斷裂、破碎帶、劈理帶、裂縫帶等層內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，與北美頁巖氣勘探開發(fā)賦存的地下地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境存在很大差異[11]，由此本文首次提出中國“山地式”頁巖氣概念。

中國“山地式”頁巖氣主要指賦存于構(gòu)造活動區(qū)的、受頁巖層內(nèi)復(fù)雜小構(gòu)造控制的這類頁巖氣。目前在中國西部四川盆地南部-東部一帶盆內(nèi)、盆緣、丘陵地帶勘探開發(fā)的頁巖氣就屬“山地式”頁巖氣，該類頁巖氣與美國、加拿大等構(gòu)造相對穩(wěn)定區(qū)的“平原式”頁巖氣在勘探開發(fā)上存在著巨大的構(gòu)造差異[12-13]。

頁巖氣最早在美國實(shí)現(xiàn)工業(yè)化開采，但美國頁巖氣產(chǎn)出的區(qū)域構(gòu)造背景與中國現(xiàn)今川渝地區(qū)的“山地式”頁巖氣產(chǎn)出的區(qū)域構(gòu)造背景有著天壤之別[14](圖1)。美國頁巖氣相對中國頁巖氣而言可稱之為“平原式”頁巖氣(圖1-A)，其構(gòu)造相對簡單，地表地貌相對平坦，地腹構(gòu)造主要表現(xiàn)為同沉積期的一些深部隱伏構(gòu)造的繼承保留，后期構(gòu)造改造作用不強(qiáng)，其對頁巖層內(nèi)構(gòu)造擾動不大，頁巖層內(nèi)構(gòu)造與區(qū)域構(gòu)造基本協(xié)調(diào)一致[12]，因此地質(zhì)“甜點(diǎn)”預(yù)測與鉆井工程安全基本都不存在大的風(fēng)險(xiǎn)與難點(diǎn)問題，這在理論上就不存在層內(nèi)構(gòu)造研究的特別需求，這也是目前國外基本沒有層內(nèi)構(gòu)造研究可借鑒資料的原因之一。相反，中國“山地式”頁巖氣(圖1-B)除了地下構(gòu)造復(fù)雜外，其在地表地形上也常常表現(xiàn)為山川丘陵地貌[10-13]。地震勘探與鉆井開發(fā)難度都較大[13]，因其形成后經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動的復(fù)合疊加，后期構(gòu)造改造作用強(qiáng)烈，構(gòu)造樣式復(fù)雜多樣[14-16]，特別是層內(nèi)構(gòu)造與區(qū)域構(gòu)造的強(qiáng)烈不協(xié)調(diào)性，使得中國“山地式”頁巖氣的勘探開發(fā)生產(chǎn)難度極大[16]。最早開發(fā)的美國“平原式”頁巖氣開發(fā)技術(shù)能提供的構(gòu)造地質(zhì)學(xué)借鑒經(jīng)驗(yàn)十分有限，構(gòu)造研究的挑戰(zhàn)始終貫穿了川南中國“山地式”頁巖氣勘探、開發(fā)生產(chǎn)全過程[17]。

針對川南地區(qū)頁巖氣區(qū)域構(gòu)造影響因素的研究已經(jīng)有不少成果，討論了整體的埋深[18]、保存條件[19]、改造作用[20]、沉積環(huán)境受構(gòu)造格局的控制作用[21-24]、熱演化歷史以及區(qū)域構(gòu)造控制下的富集模式[25-26]等等方面，譬如：強(qiáng)隆升剝蝕作用導(dǎo)致下古生界頁巖應(yīng)力-應(yīng)變特征和溫度-壓力環(huán)境等變化，從而影響頁巖含氣性及其保存條件[18]；隆升剝蝕作用使頁巖氣層和蓋層脆性破裂，或已形成的斷裂或者裂縫變成開啟狀態(tài)，降低泥頁巖自身封堵性能和蓋層的封閉能力，同時(shí)導(dǎo)致頁巖應(yīng)力-應(yīng)變特征和溫度-壓力環(huán)境變化，從而影響頁巖含氣性及其保存條件[7-18]；構(gòu)造運(yùn)動形成的斷層規(guī)模(斷距、長度)影響了斷層封閉性和頁巖氣的逸散程度[19]；宏觀的區(qū)域構(gòu)造格局控制著沉積盆地的展布，進(jìn)而控制沉積相展布，決定了不同沉積環(huán)境中頁巖的有機(jī)質(zhì)、礦物組成(特別是硅質(zhì))等基本油氣地質(zhì)條件[21-24]；早期深埋階段，頁巖生烴并滯留保存，這期間的主控因素是頂?shù)装宓奈镄詶l件，在晚期抬升階段，生烴停止、頁巖氣逸散與保存的主控因素是構(gòu)造作用時(shí)間和強(qiáng)度等等[25-26]。

圖1 美國頁巖氣與中國頁巖氣產(chǎn)出地質(zhì)背景對比[14]Fig.1 Comparison of geological background of shale gas production in the United States and China (A)美國“平原式”頁巖氣; (B)中國“山地式”頁巖氣

由此不難看出，當(dāng)前對于頁巖層構(gòu)造變動的研究主要集中于區(qū)域宏觀尺度的研究[1-5]，往往將頁巖層作為一個(gè)區(qū)域軟弱層對其進(jìn)行宏觀研究，考慮的是它在區(qū)域構(gòu)造變動中的角色，且通常將頁巖層作為一套單一地層單元考慮其在區(qū)域變動中的協(xié)同作用，關(guān)注的是在區(qū)域應(yīng)力作用過程中，由于頁巖層其自身的軟弱性和流動性，如何促成上覆、下伏地層的區(qū)域性褶皺和斷裂的形成或消失，即區(qū)域構(gòu)造的成生調(diào)節(jié)[15,17-18]；而對其本身層內(nèi)構(gòu)造研究甚少，基本是空白。實(shí)際上頁巖層除了在區(qū)域構(gòu)造變動中起著主導(dǎo)作用外，其層內(nèi)構(gòu)造也因其在區(qū)域構(gòu)造變動中構(gòu)造變形-變位的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換變得十分復(fù)雜，導(dǎo)致頁巖層內(nèi)褶皺-斷裂、節(jié)理-裂縫的構(gòu)造配置組合十分復(fù)雜。而正是這些構(gòu)造樣式的復(fù)雜配置方式直接影響了頁巖氣的層內(nèi)富集與“甜點(diǎn)”分布，也影響了頁巖氣的鉆井施工安全與開發(fā)水平井段目的層追蹤的準(zhǔn)確度(圖2)。

圖2 頁巖層內(nèi)可能孕育的復(fù)雜斷層相關(guān)褶皺Fig.2 Complex fault-related folds that may develop in the shale layer

頁巖氣層內(nèi)構(gòu)造尺度屬微、小構(gòu)造范疇，構(gòu)造幅度很多小于地震波的1/4波長，超出了地震波的有效識別精度，找不到識別刻畫的方法手段[27]。且理論上沒有足夠的認(rèn)識準(zhǔn)備，沒有從構(gòu)造變形-變位與區(qū)域構(gòu)造變動的有機(jī)耦合進(jìn)行系統(tǒng)分析考慮，缺乏理論指導(dǎo)；因此頁巖氣層內(nèi)構(gòu)造研究刻畫難度大，目前沒有取得大的進(jìn)展。本文為首次系統(tǒng)開展頁巖氣層內(nèi)構(gòu)造變動研究方法、理論的探索，其對頁巖氣的局部“甜點(diǎn)”富集認(rèn)識及頁巖氣生產(chǎn)評價(jià)、隨鉆目的層追蹤、鉆井工程安全意義巨大，應(yīng)用推廣研究需求迫切。

1 頁巖氣層內(nèi)構(gòu)造變動研究的基本方法與手段

1.1 野外地質(zhì)調(diào)查法

目前勘探開發(fā)的頁巖氣一般深埋地腹數(shù)百米至數(shù)千米，其構(gòu)造發(fā)育特征無法直接觀察，因此往往通過盆緣出露的頁巖目的層進(jìn)行層內(nèi)構(gòu)造研究。可在1∶20萬、1∶5萬地質(zhì)圖上對目的層進(jìn)行研究分析，對頁巖目的層上覆、下伏巖層的區(qū)域構(gòu)造特征、褶皺-斷裂成生機(jī)制進(jìn)行解析，選定野外研究的露頭剖面，進(jìn)行實(shí)地調(diào)查研究。研究中除了注意頁巖層作為單一巖層在區(qū)域構(gòu)造形成機(jī)制上起的作用外，還應(yīng)特別觀察頁巖層內(nèi)本身強(qiáng)硬-軟弱“排骨層”的組合關(guān)系、巖性組合特征、厚度變化；對層內(nèi)褶皺、斷裂、節(jié)理、劈理等構(gòu)造產(chǎn)出要素進(jìn)行準(zhǔn)確測量與記錄。對頁巖層內(nèi)、層間剪切滑脫褶皺、斷層相關(guān)褶皺、斷裂形成機(jī)制進(jìn)行成因機(jī)理分析，搞清層內(nèi)構(gòu)造與區(qū)域構(gòu)造之間的成生聯(lián)系，總結(jié)層內(nèi)構(gòu)造發(fā)育樣式，對褶皺-斷裂、節(jié)理-裂隙的耦合與互為轉(zhuǎn)化調(diào)節(jié)關(guān)系進(jìn)行定性與定量研究，理清構(gòu)造形成演化史與構(gòu)造動力學(xué)成因機(jī)制，為深層頁巖層內(nèi)構(gòu)造解析與預(yù)測提供依據(jù)。

圖3為四川省雷波縣野外露頭剖面，在奧陶系寶塔組之上的五峰組-龍馬溪組頁巖“排骨”層中發(fā)育一個(gè)規(guī)模約為180 m的層間褶皺，卷入褶皺的五峰組-龍馬溪組頁巖層厚度約為60 m。在這個(gè)層間褶皺中發(fā)育了一束調(diào)節(jié)位移應(yīng)變量的劈理密集帶，層間褶皺形成機(jī)制與區(qū)域褶皺、斷裂的形成在成因上有很好的耦合關(guān)系。

倘若此時(shí)開發(fā)井水平段沿五峰組-龍馬溪組底部一帶鉆進(jìn)，前方的目標(biāo)層位褶皺變形很可能導(dǎo)致脫靶；而在壓裂階段，內(nèi)部的劈理密集帶則可能導(dǎo)致壓竄事件的發(fā)生。

1.2 地震剖面構(gòu)造-沉積精細(xì)解釋及構(gòu)造-沉積演化史分析

在野外地質(zhì)調(diào)查與區(qū)域構(gòu)造變動演化分析基礎(chǔ)上，開展研究區(qū)二維、三維地震剖面構(gòu)造-沉積精細(xì)解釋研究工作，明確構(gòu)造-沉積的成生演化史，理清斷裂多期活動時(shí)間、活動期次、活動性質(zhì)及斷裂與褶皺之間構(gòu)造依控關(guān)系，運(yùn)用剪切滑動、正斷層與逆斷層的斷層相關(guān)褶皺理論[28]、對剪切、拉張、擠壓、反轉(zhuǎn)等構(gòu)造開展系統(tǒng)研究，搞清各種構(gòu)造行跡的形成過程與動力學(xué)成生機(jī)制，確定目的層——頁巖層在區(qū)域構(gòu)造變動中所起的作用(屬主要滑脫層還是次要滑脫層？抑或就沒起到滑脫層的作用)。如果頁巖層起到了區(qū)域滑脫層的作用，則要特別注意頁巖層上、下構(gòu)造變形層的構(gòu)造樣式差異，搞清上、下構(gòu)造變形層的褶皺-斷裂是如何消失滑脫、減弱于滑脫層中，運(yùn)用構(gòu)造變形-變位基本耦合原理，開展層內(nèi)微小構(gòu)造的深入研究。

圖4為過川南瀘州地區(qū)的一條地震剖面，由NW向SE，穿過新店子、黃瓜山、六合場、臨峰場和石龍峽背斜。剖面整體表現(xiàn)為基底向東南傾斜，根據(jù)地震“戴帽”可以看出地表構(gòu)造主要表現(xiàn)為隔擋式褶皺樣式，其主滑脫層為寒武系膏巖層和志留系泥頁巖層，目的層——志留系呈塑性減薄、加厚明顯，志留系上、下斷層系位移量一般都消失于志留系滑脫層中，引發(fā)志留系層內(nèi)強(qiáng)烈變形、變位，導(dǎo)致志留系層內(nèi)局部發(fā)育極不協(xié)調(diào)的褶皺-斷裂-裂縫體系，控制頁巖氣“甜點(diǎn)”與影響鉆井施工安全。

圖3 雷波黃泥梁子五峰組-龍馬溪組頁巖層內(nèi)構(gòu)造剖面特征Fig.3 Characteristics of structural sections of Wufeng-Longmaxi Formation shale at Huangniliangzi, Leibo County

1.3 頁巖層內(nèi)微小構(gòu)造多屬性構(gòu)造研究

在野外層內(nèi)構(gòu)造樣式調(diào)查與地震剖面構(gòu)造精細(xì)解釋基礎(chǔ)上，對頁巖層內(nèi)構(gòu)造通過傾角、傾角偏差、方位角、曲率、混沌、方差、均方差振幅、振幅對比、廣義譜分解、螞蟻體追蹤等多種地震屬性變換處理[29-30]，分析整套頁巖層內(nèi)巖石建造的差異性與構(gòu)造屬性的差異性，運(yùn)用斷層相關(guān)褶皺、層間剪切滑動、平衡剖面正演與反演等相關(guān)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)理論、方法、技術(shù)[28,31-32]對頁巖層內(nèi)可能出現(xiàn)的復(fù)雜調(diào)節(jié)構(gòu)造進(jìn)行構(gòu)造幾何學(xué)、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)研究，理清褶皺-斷裂-裂縫的構(gòu)造配置關(guān)系，為層內(nèi)頁巖氣富集、“甜點(diǎn)”預(yù)測及鉆井施工安全避險(xiǎn)提供精準(zhǔn)科學(xué)預(yù)測。

層內(nèi)構(gòu)造研究一般至少要經(jīng)過如下兩個(gè)步驟：

a. 研究區(qū)頁巖層內(nèi)構(gòu)造變形前初始巖層建造特征的厘定，這是構(gòu)造變動研究的物質(zhì)基礎(chǔ)。

雖然頁巖層宏觀整體上表現(xiàn)為一套軟弱層，但其內(nèi)部的變形-變位在細(xì)節(jié)尺度上更多地受到內(nèi)部物性差異的控制[32]，比如頁巖內(nèi)硅質(zhì)含量、泥質(zhì)含量、鈣質(zhì)含量的差異造成的巖層硬度局部差異。因此研究頁巖層內(nèi)的構(gòu)造樣式，必須要先明確頁巖層的巖層建造特征。但地震剖面反映的則是現(xiàn)今的構(gòu)造改造之后的巖層分布情況，為了建立頁巖層變形前初始建造狀態(tài)，需要利用地震數(shù)據(jù)，在多屬性結(jié)合的情況下，對大量剖面中變形-變位相對簡單區(qū)域，近似觀察統(tǒng)計(jì)地震波形屬性所揭示的強(qiáng)硬-軟弱“排骨”層間互分布情況，結(jié)合鉆井測井綜合地質(zhì)解譯資料，確認(rèn)研究區(qū)頁巖層變形前初始地層建造特征。

圖5為川南某地通過多種屬性變換對比[29-30]，最終通過廣義譜分解屬性確定的志留系+五峰組中相對強(qiáng)硬層11層、相對軟弱層12層；頂部為一套軟弱層，發(fā)育于二疊系之下；底部也為一套軟弱層，發(fā)育于奧陶系寶塔灰?guī)r之上。這是該地區(qū)頁巖層變形構(gòu)造研究的初始物質(zhì)基礎(chǔ)，說明研究區(qū)變形背景是在軟弱-強(qiáng)硬相間的“排骨”層建造基礎(chǔ)上展開的。

圖4 川南某地震剖面3套滑脫層宏觀變形特征Fig.4 Macroscopic deformation characteristics of the three sets of detachment layers in a seismic section in southern Sichuan

圖5 GSD屬性揭示的強(qiáng)硬-軟弱“排骨”層特征Fig.5 GSD attributes revealing the characteristics of the hard-soft spacer

b. 通過構(gòu)造判定，在三維地震剖面上選取合適方向的可顯現(xiàn)層內(nèi)構(gòu)造的地震剖面進(jìn)行多方法屬性的構(gòu)造解釋研究，結(jié)合水平切片對微小構(gòu)造的三維特征進(jìn)行刻畫。

圖6為過川南某水平井地震剖面經(jīng)GSD地震屬性處理，在目的層龍馬溪組和五峰組中刻畫出的斷層轉(zhuǎn)折褶皺。

圖6中，水平井段在地震剖面上沒有表現(xiàn)出成規(guī)模的褶皺、斷層，鉆井水平段上方約200 m內(nèi)可見局部構(gòu)造樣式受到以志留系滑脫層內(nèi)相對強(qiáng)硬層和相對軟弱層所展現(xiàn)出的斷展褶皺控制，表明該區(qū)域受到局部擠壓，導(dǎo)致滑脫層內(nèi)出現(xiàn)小型斷層，斷層從軟弱層底板(②號軟弱層)啟動，突破③號強(qiáng)硬層，③號強(qiáng)硬層以微幅斷展褶皺的形式上沖至左側(cè)③號層之上，導(dǎo)致滑脫層內(nèi)局部的構(gòu)造加厚。這種構(gòu)造樣式可以由局部的剪切、擠壓甚至伸展滑覆形成，斷展褶皺體系的斷層則位于②號相對軟弱層的底面，可以推測，在②號相對軟弱層內(nèi)部應(yīng)當(dāng)發(fā)育大量的滑脫構(gòu)造，這些構(gòu)造的發(fā)育必然影響頁巖氣“甜點(diǎn)”富集、開發(fā)方案編制與工程安全等問題。

1.4 層內(nèi)顯微構(gòu)造研究法

為了準(zhǔn)確把握研究區(qū)頁巖層內(nèi)微小構(gòu)造可能存在的構(gòu)造類型與構(gòu)造樣式的組合方式、層內(nèi)構(gòu)造經(jīng)歷的構(gòu)造動力學(xué)環(huán)境，可在顯微尺度下觀測礦物或巖屑的應(yīng)變樣式與可能存在的應(yīng)力機(jī)制，從而為頁巖層內(nèi)可能出現(xiàn)的微小構(gòu)造多屬性構(gòu)造解譯提供科學(xué)約束。

層內(nèi)顯微構(gòu)造研究包括野外樣品顯微構(gòu)造研究和鉆井巖心顯微構(gòu)造研究兩個(gè)方面。

a.野外樣品顯微構(gòu)造研究：根據(jù)研究需求，盡量選擇與研究區(qū)有著共同構(gòu)造演化歷程的野外露頭點(diǎn)進(jìn)行細(xì)致連續(xù)采樣，采樣精度必要時(shí)需要達(dá)到厘米級采樣間隔。對連續(xù)采樣的巖石樣品切片以后，按照野外原始編號排序，進(jìn)行高清圖片采集分析。對單個(gè)顯微薄片進(jìn)行紋層級精細(xì)構(gòu)造分析，分析內(nèi)容包括紋層厚度、形態(tài)、彎曲度、連續(xù)性、漸變幾何關(guān)系、界面變化性質(zhì)(漸變或者突變)等頁理縫變動特征以及構(gòu)造微裂縫的寬度、長度、方向、填充物等次生構(gòu)造裂縫特征[33-34]。通過野外樣品的顯微構(gòu)造研究探討顯微尺度的構(gòu)造類型、構(gòu)造樣式組合特征，為科學(xué)約束研究區(qū)地腹微小構(gòu)造的多屬性構(gòu)造解釋提供依據(jù)。

b.鉆井巖心顯微構(gòu)造研究：可采集水平井段構(gòu)造變異較大部位的鉆井巖屑進(jìn)行觀察，了解微觀尺度下可能存在的構(gòu)造應(yīng)變樣式與應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)合地腹高溫、高壓、富流體及地震子波、地震屬性反映的波形特征，運(yùn)用構(gòu)造變形-變位基本耦合原理，研究層內(nèi)微小構(gòu)造的可能組合樣式。

圖6 GSD屬性處理的反映水平井鉆遇頁巖層內(nèi)復(fù)雜構(gòu)造實(shí)例Fig.6 Example of complex structures in shale formations drilled by horizontal well

由于頁巖層在應(yīng)力作用下，常常表現(xiàn)為順層剪切變形-變位組合，在靠近滑脫底板附近、小褶皺的翼部等位置通常發(fā)育次一級的剪切構(gòu)造作用[34]。這些剪切作用所形成的“S”形、“Z”形等微觀褶皺和剪切破裂系(圖7)，是揭示頁巖層所處構(gòu)造動力學(xué)環(huán)境的有力證據(jù)，為頁巖層內(nèi)褶皺-斷裂、裂縫的耦合配置分析提供支撐。

圖7 頁巖層內(nèi)顯微構(gòu)造實(shí)例[33]Fig.7 Examples of microscopic shear fold in shale

1.5 構(gòu)造物理模擬研究

根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際勘探地質(zhì)剖面揭示的巖層厚度、巖性特征，選用不同物理性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)材料(如不同黏度的硅膠、不同粒度的石英砂、玻璃珠、滑石粉等)，按等比例縮放原理[35]，搭建符合研究區(qū)客觀實(shí)際的構(gòu)造物理模型。根據(jù)研究區(qū)構(gòu)造演化史分析與構(gòu)造動力學(xué)特征，確定初始先存邊界條件，采用不同動力學(xué)作用方式(擠壓、拉張、剪切、隆升、下降)、作用參數(shù)(如變形速率、主應(yīng)力與層面夾角)，開展構(gòu)造物理正演模擬；結(jié)合高速攝像機(jī)對物理沙箱進(jìn)行長時(shí)間連續(xù)拍攝，觀察軟弱層與上下強(qiáng)硬層之間構(gòu)造分時(shí)、分階段變形-變位耦合現(xiàn)象，觀察斷層變位、褶皺變形行跡在強(qiáng)硬巖層與軟弱巖層之間轉(zhuǎn)變關(guān)系，同時(shí)分析軟弱層中變形-變位體系與裂縫發(fā)育體系的空間耦合配置關(guān)系；在此基礎(chǔ)上運(yùn)用最新圖像處理與PIV粒子速度應(yīng)變分析技術(shù)，為層內(nèi)構(gòu)造樣式成生演化及構(gòu)造動力學(xué)成因機(jī)制研究提供依據(jù)。

圖8為構(gòu)造物理模擬揭示的區(qū)域構(gòu)造與層內(nèi)構(gòu)造的極大不協(xié)調(diào)性。從圖中可見，以底板及藍(lán)色石英砂之間的整套硅膠夾紅、綠色薄砂層為滑脫層，滑脫層是由3層硅膠層和紅、綠色兩套石英砂共同組成的強(qiáng)硬-軟弱的“排骨”層建造。由實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果可知，滑脫層內(nèi)部由于次一級的物質(zhì)硬度差異，將形成復(fù)雜的小型斷層相關(guān)褶皺，滑脫層內(nèi)以復(fù)雜的同斜-緊閉褶皺為特征，這種褶皺變形在進(jìn)入上部強(qiáng)硬層時(shí)轉(zhuǎn)化為單一的構(gòu)造變位(如F1斷層)。從這可以看出滑脫層內(nèi)構(gòu)造較為復(fù)雜，而上、下相對強(qiáng)硬層構(gòu)造相對簡單。

圖8 模式實(shí)驗(yàn)揭示的滑脫層內(nèi)構(gòu)造與上覆蓋層構(gòu)造的不協(xié)調(diào)性Fig.8 Model experiment revealing the incompatibility between the structures in the detachment layer and the structures in the overlying layer

2 頁巖氣層內(nèi)構(gòu)造變動研究的基本理論

巖石受力主要發(fā)生變形、變位兩種方式的構(gòu)造變動，其中變形主要克服的是屈服極限，變位主要克服的是強(qiáng)度極限，變形與變位在一定條件下(如物性，外力作用的大小、時(shí)間、方式，巖石所處的溫度、壓力環(huán)境)可互相轉(zhuǎn)換[32]。因巖石物性不同，在同一應(yīng)力場中，其構(gòu)造變動方式也各不相同(圖9)。

圖10為峨眉野外的一張露頭照片，照片中的地層主要由強(qiáng)硬的灰?guī)r層與軟弱的頁巖層交互組成軟硬相間的“排骨”層，圖中發(fā)育兩條斷層F1、F2，可見F1主要發(fā)育在②號軟弱層之下的①號強(qiáng)硬層中，位移量向下順層滑脫消失；F2主要發(fā)育于②號軟弱層之上的②強(qiáng)硬巖層中，夾于中間的②號軟弱層則沒有發(fā)生斷裂，而是發(fā)育了層間小褶皺。從這個(gè)露頭可以發(fā)現(xiàn)上、下強(qiáng)硬層的斷層變位體制在遇到軟弱層時(shí)，受巖石物理性質(zhì)控制，向軟弱層內(nèi)的變形體制轉(zhuǎn)變，斷裂變位轉(zhuǎn)化導(dǎo)致的軟弱層內(nèi)變形將引起滑脫層內(nèi)部發(fā)生強(qiáng)烈的構(gòu)造擾動，出現(xiàn)復(fù)雜的構(gòu)造變形-變位-微裂縫、層間縫局部發(fā)育的構(gòu)造變異區(qū)，這是工程施工重點(diǎn)防范區(qū)，也是頁巖氣可能發(fā)育的構(gòu)造“甜點(diǎn)”區(qū)。

圖9 構(gòu)造變形-變位機(jī)制Fig.9 Mechanisms of structural deformation and displacement

圖10 “排骨”層中變形-變位相互轉(zhuǎn)化特征Fig.10 Characteristics of the deformation-displacement transformation in “ribs” layers

頁巖氣層內(nèi)構(gòu)造因其所處的區(qū)域構(gòu)造部位及頁巖層本身的軟弱性、非均一性、葉理性、軟-硬相間的“排骨”層性質(zhì)的差異，在剪切、擠壓、拉張等不同動力學(xué)環(huán)境下形成的構(gòu)造極性、構(gòu)造樣式、構(gòu)造組合特征及褶皺-斷裂-裂縫的空間配置關(guān)系是各不相同的[31]。其研究的基本理論主要是地質(zhì)體各單元之間的構(gòu)造變形與變位耦合轉(zhuǎn)化平衡理論，主要包括：與剪切動力學(xué)環(huán)境、擠壓動力學(xué)環(huán)境、拉張動力學(xué)環(huán)境相關(guān)的變形-變位轉(zhuǎn)化理論。下面簡要論述這三種動力學(xué)環(huán)境下可能出現(xiàn)的一些典型構(gòu)造變動樣式。

2.1 與剪切動力學(xué)環(huán)境相關(guān)的變形-變位轉(zhuǎn)化理論

強(qiáng)硬、軟弱巖層構(gòu)成的“排骨”層狀巖石中，在簡單剪切作用下，剪切邊界通常表現(xiàn)為不同尺度的走滑斷層，而在剪切邊界夾持的區(qū)域內(nèi)，軟弱巖層受剪切作用分力的作用，應(yīng)變體系在其中將表現(xiàn)為復(fù)雜的褶皺-斷裂組合[31](圖11)。

圖11 剪切作用下構(gòu)造變形-變位轉(zhuǎn)化特征Fig.11 Characteristics of the structural deformation-displacement transformation under shearing

2.1.1 剪切面近直立的剪切

當(dāng)剪切面近直立時(shí)，由于水平方向局部的物性差異、應(yīng)力失穩(wěn)，將在不同部位的轉(zhuǎn)折區(qū)域派生出局部的擠壓區(qū)域和伸展區(qū)域[36]。在擠壓區(qū)域?qū)l(fā)育次一級的逆斷層、擠壓褶皺，而在伸展區(qū)域?qū)l(fā)育次一級的正斷層、滾動背斜。此時(shí)，水平方向的剪切變位可轉(zhuǎn)化為局部的擠壓-伸展構(gòu)造變動，形成局部的構(gòu)造復(fù)雜帶(圖12)。

2.1.2 剪切面傾斜的層間剪切

傾斜的層間剪切滑動是頁巖層內(nèi)大量發(fā)育的一類斷-褶構(gòu)造，如在縱彎褶皺作用與橫彎褶皺作用中的背斜核部、向斜核部及其間的翼部形成的層間構(gòu)造變形-變位耦合樣式是各不相同的[32]，圖13為一個(gè)單斜層，因其掀斜的構(gòu)造作用力方式不同，其層間褶皺、斷裂、裂縫組合樣式就存在很大差異。

以縱彎褶皺為例，在擠壓過程中，褶皺兩翼將發(fā)育剪切面傾斜的層間剪切，從而在翼部的相對軟弱層中發(fā)育對應(yīng)的“S”和“Z”形次級褶皺，同時(shí)伴隨著斜交剪切邊界(強(qiáng)硬層的層面)的次級剪切破裂，形成翼部強(qiáng)硬層之間、軟弱層之內(nèi)的復(fù)雜構(gòu)造[34]。

圖12 剪切面近直立時(shí)構(gòu)造變形-變位特征Fig.12 Structural deformation-displacement characteristics with nearly vertical shear plane

圖13 巖層掀斜的動力學(xué)方式不同導(dǎo)致層內(nèi)構(gòu)造樣式不同F(xiàn)ig.13 Different dynamic models of rock tilt leading to different structural styles in the layer

2.1.3 剪切面近水平的順層剪切

在一對水平剪切力偶作用下，因?qū)娱g軟弱層物性差異(如均一塑性流變層、非均一塑性夾砂質(zhì)透鏡體流變層、塑性-韌性-剛性薄層相間的“排骨”層等)，在剪切力偶作用下可出現(xiàn)塑性流變分叉、變薄、疊置增厚、旋轉(zhuǎn)剪節(jié)理、褶皺、斷裂、層間破碎帶等現(xiàn)象[36]。

圖14是一對水平剪切力偶作用下均一巖層內(nèi)可能出現(xiàn)的網(wǎng)狀裂隙、褶皺、斷裂的理論模型。實(shí)際情況會因物性差異、力偶作用力大小及方向的差異，形成一種或多種不同樣式的構(gòu)造組合。在滑脫底板附近，這種順層剪切作用將顯著發(fā)育[28,32,34]?？紤]到川南地區(qū)頁巖氣目的層主要位于五峰組和龍馬溪組底部，因此這種順層剪切是研究中不可不重視的一點(diǎn)。

因頁巖層往往是堅(jiān)硬層與軟弱層交互疊置形成的“排骨”層，其層間滑動形成的調(diào)節(jié)區(qū)域位移量的斷褶構(gòu)造樣式十分發(fā)育。因此在運(yùn)用變形-變位耦合原理分析層間剪切滑動構(gòu)造時(shí)要具體問題具體分析。

郭旭升等[37]、郭彤樓等[38]在研究礁石壩地區(qū)頁巖氣勘探時(shí)認(rèn)識到頁巖層順層滑脫構(gòu)造對頁巖氣富集的意義：強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動將導(dǎo)致褶皺、斷裂及順層滑動變形的廣泛發(fā)育，對頁巖氣的儲集和保存產(chǎn)生重要影響。根據(jù)前人研究，區(qū)域褶皺導(dǎo)致的巖層傾角大小是控制頁巖發(fā)生順層滑動的關(guān)鍵地質(zhì)因素，斷裂不發(fā)育但順層滑動破碎帶發(fā)育的背斜、斷裂不發(fā)育且無順層滑動破碎帶的平緩向斜是兩種有利于頁巖氣富集的構(gòu)造模式。

圖14 順層剪切導(dǎo)致層內(nèi)可能出現(xiàn)的變形-變位特征Fig.14 Possible deformation-displacement characteristics in the layer caused by bedding-parallel shear

2.2 與擠壓動力學(xué)環(huán)境相關(guān)的變形-變位轉(zhuǎn)化理論

一般起構(gòu)造調(diào)節(jié)作用的頁巖層系，經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動之后，常常表現(xiàn)出復(fù)雜的構(gòu)造變形-變位耦合。頁巖層上、下強(qiáng)硬層中不同時(shí)期的逆斷層、正斷層進(jìn)入相對軟弱的頁巖層時(shí)，斷層位移量通常順頁巖軟弱層滑脫轉(zhuǎn)化為軟弱層內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜的構(gòu)造變形-變位組合，可導(dǎo)致頁巖層內(nèi)發(fā)育一系列剪切滑動構(gòu)造，誘發(fā)一系列低序次的褶皺-斷裂-裂縫的局部發(fā)育，進(jìn)而導(dǎo)致順層裂縫、局部虛脫空間與構(gòu)造破碎帶的局部復(fù)雜狀況的出現(xiàn)[39]，這些地帶是構(gòu)造“甜點(diǎn)”的有利目標(biāo)尋找區(qū)與工程鉆井高度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(圖15)。

根據(jù)構(gòu)造形成機(jī)制，經(jīng)典的斷層相關(guān)褶皺理論是擠壓動力學(xué)環(huán)境相關(guān)的變形-變位轉(zhuǎn)化理論的一個(gè)典型代表[28]：斷層滑脫褶皺、斷層傳播褶皺、斷層轉(zhuǎn)折褶皺(圖16)。

理論上，在斷層相關(guān)褶皺中，斷面的形態(tài)(斷坪、斷坡)和沿傾向的延伸取決于巖層的力學(xué)性質(zhì)[28]。在泥巖、頁巖或者膏鹽巖等軟弱巖層中容易形成斷坪，在此斷面常常平行于巖層面，這時(shí)巖層的滑動將導(dǎo)致軟弱巖層底部出現(xiàn)次一級的擠壓、伸展和剪切的伴生應(yīng)力場；而在灰?guī)r、白云巖、致密砂巖等強(qiáng)硬巖層中，斷面以一定角度切截這些強(qiáng)硬巖層而形成斷坡。志留系內(nèi)部軟硬相間的局部物性差異，使得擠壓斷層相關(guān)褶皺很容易發(fā)育，這在當(dāng)前研究中已取得一定成效，因此，五峰組-龍馬溪組頁巖氣開發(fā)相關(guān)構(gòu)造地質(zhì)研究就必須考慮上奧陶統(tǒng)-志留系內(nèi)部的局部斷層相關(guān)褶皺體系。

圖15 沖起構(gòu)造觸發(fā)的局部層間滑脫構(gòu)造Fig.15 Local interlayer detachment structure caused by pop-up structure

圖16 斷層相關(guān)褶皺的3種類型Fig.16 Three types of fault-related folds

當(dāng)斷層具有一個(gè)或多個(gè)坡-坪式結(jié)構(gòu)(臺階狀)時(shí)，則往往出現(xiàn)斷層轉(zhuǎn)折褶皺或斷層轉(zhuǎn)折褶皺與斷層傳播褶皺的復(fù)合(圖17)。

2.3 與拉張動力學(xué)環(huán)境相關(guān)的變形-變位轉(zhuǎn)化理論

在拉張動力學(xué)環(huán)境下，主要形成一系列與正斷層活動相關(guān)的斷層相關(guān)褶皺。在張性構(gòu)造環(huán)境中的正斷層活動能造成斷層相關(guān)褶皺的發(fā)育[40-41]，與之有關(guān)的褶皺樞紐與斷層的走向平行或者近于平行，一般局限于緊鄰斷層面的區(qū)域，常見的如反牽引褶皺或稱之為滾動背斜(圖18)。

圖17 多個(gè)坡-坪結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)的斷層相關(guān)褶皺組合方式Fig.17 Possible fault-related fold combinations in multiple ramp-flat structures

圖18 正斷層相關(guān)構(gòu)造變形-變位特征Fig.18 Deformation-displacement characteristics of normal fault-related structures

變形機(jī)制包括垂直簡單剪切、傾斜的簡單剪切和撓曲滑動。四川盆地南部在印支期及以前主要表現(xiàn)為差異隆升的造陸運(yùn)動，深部保留了大量的不同規(guī)模的該時(shí)期的正斷層系統(tǒng)[42]，對于最終構(gòu)造樣式的形成具有不可忽視的控制作用，因此與正斷層活動相關(guān)的斷層相關(guān)褶皺，對于川南地區(qū)的構(gòu)造研究是重要的一環(huán)。

如圖18，在局部極陡立的正斷層情形下，正斷層向上的傳播，應(yīng)力影響其上部的巖層，應(yīng)力以一定角度傳播，將使得斷層變位轉(zhuǎn)化為上部巖層的撓曲褶皺變形。而兩條甚至多條正斷層在剖面上呈雁列狀排布時(shí)，其間隔區(qū)域內(nèi)的軟弱巖層也將以褶皺變形的形式調(diào)節(jié)正斷層系導(dǎo)致的部分變位，使得宏觀上的變形-變位體系統(tǒng)一起來(圖19)。

圖19 正斷層組合中典型構(gòu)造變形-變位特征Fig.19 Typical structural deformation-displacement characteristics in normal fault combination

3 頁巖氣層內(nèi)構(gòu)造變動研究的勘探、開發(fā)、鉆井施工意義

在以往頁巖氣相關(guān)構(gòu)造研究中，重點(diǎn)關(guān)注的是頁巖層作為區(qū)域巖層的一部分參與上、下巖層的區(qū)域構(gòu)造變動及頁巖層在區(qū)域構(gòu)造變動中的作用，對區(qū)域斷層位移量在滑脫層中消失、區(qū)域褶皺構(gòu)造的變形強(qiáng)弱導(dǎo)致的頁巖層內(nèi)本身強(qiáng)烈的構(gòu)造變形、變位研究極少[13-21]，進(jìn)一步深入研究頁巖層內(nèi)本身的構(gòu)造變動特征與機(jī)理是亟待推進(jìn)的科學(xué)問題，對頁巖層內(nèi)局部“甜點(diǎn)”的預(yù)測、隨鉆導(dǎo)向的目標(biāo)追蹤及工程風(fēng)險(xiǎn)的防范意義都非常巨大[10,11,13]，可解決鉆井過程中復(fù)雜的地下地質(zhì)構(gòu)造問題。

a.在勘探方面的意義：頁巖氣層內(nèi)構(gòu)造直接控制了頁巖氣的局部富集與“甜點(diǎn)”分布。頁巖氣是自生自儲的非常規(guī)天然氣，其在頁巖層中主要以游離態(tài)存在于裂隙和孔洞中、以吸附態(tài)存在于干酪根和黏土顆粒表面，還有極少量以溶解態(tài)存在于干酪根和瀝青質(zhì)中[2]。

頁巖氣層內(nèi)構(gòu)造主要是泥頁巖及其夾層因地層建造的非均一性(如泥巖中夾砂質(zhì)透鏡體)、頁巖小層及夾層之間的物性差異(如軟硬相間的“排骨”層)，在伸展、擠壓、剪切等局部構(gòu)造動力學(xué)環(huán)境下形成的褶皺、斷裂、層間縫、節(jié)理縫、劈理縫及破碎帶等，是游離氣賦存的主要場所(比率一般在20%～85%)。傳統(tǒng)思維常認(rèn)為頁巖氣大規(guī)模連續(xù)富集，在頁巖氣勘探有利區(qū)及“甜點(diǎn)”優(yōu)選中，常重點(diǎn)關(guān)注沉積環(huán)境和儲層品質(zhì)的變化；而頁巖氣層內(nèi)構(gòu)造的發(fā)現(xiàn)與解析，更新了這一傳統(tǒng)觀念，將“構(gòu)造甜點(diǎn)”這一思路引入頁巖氣勘探之中，將有效指導(dǎo)頁巖氣勘探井位部署，篩選出頁巖氣富集的“構(gòu)造甜點(diǎn)”區(qū)，提高勘探發(fā)現(xiàn)的成功率。

b.在開發(fā)方面的意義：頁巖氣層內(nèi)構(gòu)造控制了頁巖產(chǎn)氣層的變薄與變厚(流變)、斷失與沖斷疊加增厚(脆-韌性)、裂縫密集帶的發(fā)育與展布方位、石香腸與擠入構(gòu)造的發(fā)育等。而在頁巖氣開發(fā)過程中，如何選擇最優(yōu)的鉑金靶體、如何設(shè)置合理的井間距避免壓竄、套變情況的發(fā)生，一直以來都是制約頁巖氣規(guī)模效益開發(fā)和提高單井EUR的難題[6-7,10]。而頁巖產(chǎn)氣層的變薄與變厚，以及裂縫帶的發(fā)育與展布情況將直接影響頁巖氣井的靶體選擇、水平井方向以及井距、井網(wǎng)布置等[16]。因此，層內(nèi)構(gòu)造解析研究可優(yōu)化開發(fā)技術(shù)、提高開發(fā)壓裂方案編制的科學(xué)性，最終實(shí)現(xiàn)整體資源規(guī)模動用。

c.在工程施工方面的意義：頁巖氣鉆井施工安全是頁巖氣成功開采的關(guān)鍵，提高優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率、縮短鉆井周期是主要目標(biāo)。頁巖氣地腹層內(nèi)構(gòu)造的復(fù)雜性是影響鉆井施工安全及鉆井提速提效最重要的因素[9,11,13]，提前針對性解析工作區(qū)層內(nèi)褶皺、斷裂、節(jié)理、破碎帶的展布方向、規(guī)模，將能有效預(yù)判鉆井過程中可能存在的復(fù)雜構(gòu)造情況，提前優(yōu)化鉆井軌跡，提前做好復(fù)雜工況應(yīng)對方案，減少鉆井事故的發(fā)生，對防治復(fù)雜鉆井故障、提高優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率具有重要意義。除此之外，層內(nèi)構(gòu)造的精確解析可提前預(yù)判儲層的厚薄以及破碎帶的展布，一方面可指導(dǎo)隨鉆工作的開展，減少“脫靶”情況的發(fā)生，提高I類儲層鉆遇率；另一方面可在壓裂設(shè)計(jì)及施工過程中，綜合考慮頁巖產(chǎn)氣層的變薄與變厚情況及天然裂縫分布和規(guī)模，制定針對性壓裂方案，設(shè)計(jì)差異化壓裂參數(shù)，提高壓裂縫網(wǎng)復(fù)雜程度，最終提高儲量動用比率，大幅度提高單井產(chǎn)量。

在完成本文的過程中，得到了中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院茍其勇、張洞君、羅超、陳麗清、羅浩然、鐘可塑、伍秋姿、楊雨然等科研人員的大力支持，在此一并向他們表示感謝！