川東南地區(qū)頁巖儲(chǔ)層開采條件對(duì)比分析

張騫 ，岳曉晶

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)綜合利用研究所，四川 成都 610041；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083）

頁巖氣是指賦存于以富有機(jī)質(zhì)頁巖為主的儲(chǔ)集巖系中的非常規(guī)天然氣，作為一種新型天然氣資源受到廣泛關(guān)注，對(duì)比常規(guī)儲(chǔ)層氣，其運(yùn)移距離極短甚至不存在[1]。美國最早發(fā)現(xiàn)頁巖氣，開發(fā)頁巖氣已有80 年的歷史，除美國之外，我國是第二個(gè)將頁巖氣成功產(chǎn)出并投入量化使用的國家。雖然頁巖氣在開采上不及傳統(tǒng)天然氣方便、簡(jiǎn)單，但隨著人類對(duì)天然氣資源使用量的增加，合理有效地開發(fā)利用頁巖氣，是為落實(shí)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)、推動(dòng)綠色低碳優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)聚力成勢(shì)提供堅(jiān)實(shí)的資源保障，是我國保障能源供應(yīng)和發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的必然選擇。在滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)清潔能源的巨大需求之外，大量開采頁巖氣對(duì)控制溫室氣體排放，構(gòu)建資源節(jié)約、環(huán)境友好的生產(chǎn)方式和消費(fèi)模式都具有重要作用，對(duì)改善居民用能環(huán)境，提高生態(tài)文明水平也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

頁巖不僅是頁巖氣的源巖，還作為儲(chǔ)層和蓋層，具有自生自儲(chǔ)，原地成藏的特點(diǎn)，其孔隙度和滲透率極低，開采時(shí)須進(jìn)行水力壓裂增產(chǎn)改造，簡(jiǎn)單地說，水力壓裂就是利用外部施壓將水力壓裂液注入儲(chǔ)層巖石，攜帶支撐劑和化學(xué)添加劑將裂縫撐開，使得壓力釋放后, 保持頁巖氣可以沿?cái)嗔逊€(wěn)定流動(dòng)的路徑。若注入的壓裂液和儲(chǔ)集層高礦化度地層水是向上運(yùn)移，便會(huì)直接污染地下水，此問題的關(guān)鍵在于頁巖儲(chǔ)集層和地下水的連通性，以及向上運(yùn)移的驅(qū)動(dòng)力[2]，因此我們要研究開采層所處的沉積環(huán)境、構(gòu)造背景以及后期構(gòu)造演化等多方面因素對(duì)其連通性的影響。

為了研究我國頁巖氣開發(fā)過程中的地下水環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，本文將對(duì)比我國四川盆地龍馬溪組海相頁巖和鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組陸相頁巖（表1）[3]，分析其相似性與特殊性。另外，本文將進(jìn)一步以威遠(yuǎn)、昭通和長(zhǎng)寧為代表地區(qū)，對(duì)比分析四川盆地內(nèi)部不同的頁巖氣開采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征的差異性，以揭示四川盆地頁巖氣開采壓裂過程中，受其地質(zhì)構(gòu)造條件影響所產(chǎn)生的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)。

由表1可知，中國龍馬溪組頁巖和美國Barnett頁巖及Marcellus頁巖，沉積環(huán)境類似，但具有一定的差異性，這與中美頁巖構(gòu)造復(fù)雜程度不同有關(guān)。美國Barnett頁巖及Marcellus頁巖普遍埋深比中國頁巖儲(chǔ)層淺，頁巖儲(chǔ)層厚度變化小，開采難度較小，頁巖氣賦存較好。而中國龍馬溪組頁巖經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致其埋深更深、頁巖儲(chǔ)層普遍被壓縮更密實(shí)，導(dǎo)致頁巖儲(chǔ)層滲透率更低，壓力系數(shù)更大。龍馬溪組頁巖深埋大于Barnett頁巖且具有更高的熱成熟度，但遠(yuǎn)不如Marcellus頁巖有機(jī)質(zhì)含量高、微裂縫發(fā)育，這導(dǎo)致了頁巖氣開發(fā)困難、鉆井和水力壓裂的高成本以及不可類比的開采壓裂及返排過程中的污染問題。

表1 中美頁巖主要特征對(duì)比[3]Table 1 Comparison of main characteristics of shale between China and US

1 中國鄂爾多斯海相盆地頁巖特征及頁巖氣開發(fā)現(xiàn)狀

1.1 沉積環(huán)境和構(gòu)造地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是在華北古生代克拉通淺海臺(tái)地基礎(chǔ)上發(fā)育起來的大型陸內(nèi)疊合型盆地[4]，基底是太古界和下元古界變質(zhì)巖系，發(fā)育石炭-二疊系山西組、太原組、本溪組及上三疊系延長(zhǎng)組等多套富有機(jī)質(zhì)頁巖[5]，其中延長(zhǎng)組是一套內(nèi)陸湖泊一三角洲沉積體系形成的，處于深湖-半深湖沉積環(huán)境[6]。

鄂爾多斯盆地主要的地質(zhì)構(gòu)造特征是整體上升、持續(xù)沉降、接觸整合。盆地內(nèi)，區(qū)域坳陷復(fù)合、地質(zhì)構(gòu)造平緩，缺少背斜與斷層，總體上呈東部翹起向西部?jī)A伏的區(qū)域性斜坡面貌；沉積蓋層時(shí)代較全，僅缺失志留系、泥盆系及下石炭統(tǒng)，平均沉積巖厚度5000 m[7]。早遠(yuǎn)古代華北地臺(tái)形成后，自奧陶紀(jì)以來，盆地主要經(jīng)歷了加里東運(yùn)動(dòng)、印支運(yùn)動(dòng)及燕山運(yùn)動(dòng)等構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，具體構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)見表2。

表2 四川盆地和鄂爾多斯盆地主要構(gòu)造旋回活動(dòng)對(duì)比Table 2 Comparison of main structural cycles in the Sichuan Basin and the Ordos Basin

1.2 構(gòu)造類型

鄂爾多斯盆地內(nèi)部斷層不發(fā)育，比較穩(wěn)定，周圍為一系列小型斷陷盆地所環(huán)繞，主要的構(gòu)造均位于盆地邊緣（圖1），其中西緣的構(gòu)造特征相對(duì)復(fù)雜，斷裂系統(tǒng)十分發(fā)育，包括16條主斷裂，其中主干斷裂三條：六盤山西緣大斷裂、青銅峽一固原深大斷裂、車道—阿色浪斷裂，西部的天環(huán)凹陷構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)強(qiáng)烈和埋深也較大，有些地方形成一些常規(guī)油氣藏；但鄂爾多斯盆地油氣資源還是主要分布在伊陜斜坡（盆地主體構(gòu)造）上，該構(gòu)造單元構(gòu)造平緩，大致呈現(xiàn)由東向西傾斜約1°左右的，東高西低，北高南低的分布格局，主要包括鼻隆、穹窿、背斜、撓曲等 4 種基本類型，其中鼻狀構(gòu)造是其基本的構(gòu)成單元，其斷面形態(tài)呈現(xiàn)出連續(xù)和反復(fù)的具一定起伏的坡折特性[8]，對(duì)油氣聚集及大中型油氣田形成過程具有控制作用。

圖1 延長(zhǎng)組頂部低幅度構(gòu)造特征(改編[9]）Fig.1 Characteristics of low-amplitude structure at the top of Yanchang Formation (adapted [9])

1.3 沉積蓋層

鄂爾多斯盆地西南部的彬長(zhǎng)區(qū)塊晚三疊世沉積了延長(zhǎng)組地層，位于渭北隆起和伊陜斜坡結(jié)合部位，烴源巖生烴條件良好，埋藏深度較小，在縱向上構(gòu)成了4套生-儲(chǔ)-蓋組合，根據(jù)源-儲(chǔ)配置關(guān)系及生儲(chǔ)蓋層疊置樣式將生儲(chǔ)蓋組合劃分為連續(xù)型（Ⅱ和 Ⅲ）和間斷型（Ⅰ和 Ⅵ），其中間斷型生儲(chǔ)蓋組合油氣富集主要受控于油源斷裂、源-儲(chǔ)距離和有利儲(chǔ)層展布；連續(xù)型生儲(chǔ)蓋組合油氣富集主要受控于張家灘頁巖與有利儲(chǔ)層展布和斷層-裂縫系統(tǒng)發(fā)育程度，其油氣充注與保存條件均較好，比間斷型的油氣富集程度更高，同時(shí)蓋層的好壞不僅取決于蓋層厚度，還取決于其橫向連續(xù)性，如彬長(zhǎng)區(qū)塊長(zhǎng)7油層組在厚度大于20 m的蓋層中所占比例最大，反映出其沉積時(shí)期湖盆水體較深，故其橫向連續(xù)性相對(duì)其他油層組較好[10]。

由此可知，鄂爾多斯盆地具有華北地臺(tái)的一級(jí)構(gòu)造單元，頁巖埋深淺，且地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、穩(wěn)定。

2 四川盆地及川東南不同開采區(qū)頁巖及地質(zhì)特征

2.1 四川盆地

2.1.1 沉積環(huán)境和構(gòu)造地質(zhì)背景

四川盆地總體在缺氧環(huán)境沉積，發(fā)育有川北、川東—鄂西和川南3個(gè)深水沉積區(qū)，其中五峰組—龍馬溪組頁巖的沉積環(huán)境為淺水陸棚亞相，處于弱氧化—弱還原環(huán)境。

整個(gè)四川盆地沉積蓋層具有海相和陸相雙層結(jié)構(gòu)，從沉積特征上來說，從張裂環(huán)境轉(zhuǎn)化為壓縮環(huán)境；從構(gòu)造演化上來說，震旦系到中三疊系之間存在多個(gè)沉積間斷面，但區(qū)域上未見角度不整合，各層系之間均呈平行疊置，即地層多長(zhǎng)期處于臺(tái)地相，并且總體以下陷接受沉積為主。

自震旦系以來，四川盆地經(jīng)歷的構(gòu)造活動(dòng)較頻繁，從基底算起，可以追溯劃分為6個(gè)主要的構(gòu)造旋回：揚(yáng)子運(yùn)動(dòng)、加里東運(yùn)動(dòng)、海西運(yùn)動(dòng)、印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)（表2）：在加里東期和海西期，地殼的運(yùn)動(dòng)受張裂活動(dòng)影響而呈升降運(yùn)動(dòng)，但沒有與擠壓活動(dòng)有關(guān)的褶皺運(yùn)動(dòng)；從晚中生代燕山運(yùn)動(dòng)開始，發(fā)生較強(qiáng)烈的壓扭性構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致盆地內(nèi)斷褶構(gòu)造開始發(fā)育；早喜山運(yùn)動(dòng)是影響整個(gè)四川構(gòu)造盆地和局部構(gòu)造形成的主要時(shí)期，特別是喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)，它使震旦紀(jì)至古近紀(jì)以來的沉積蓋層全面褶皺，并將不同時(shí)期、不同地域的褶皺和斷裂連成一體；晚喜山運(yùn)動(dòng)發(fā)生在新近紀(jì)以后、第四紀(jì)之前，該運(yùn)動(dòng)將早喜山期形成的構(gòu)造進(jìn)一步加強(qiáng)和改造，使四川盆地的構(gòu)造面貌最終定型。多次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使四川盆地的褶皺發(fā)育，并且伴隨著褶皺過程，易產(chǎn)生次級(jí)斷裂等，使得四川盆地的構(gòu)造背景更為復(fù)雜。

對(duì)比四川盆地和鄂爾多斯盆地，兩者均經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，但四川盆地比起鄂爾多斯盆地所經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)更為復(fù)雜，其構(gòu)造面貌受到的影響更大，在漫長(zhǎng)的構(gòu)造與沉積演化過程中，經(jīng)歷了多期和多向的邊緣深斷裂活動(dòng)，具有多旋回的特點(diǎn)，特別是印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)，對(duì)整個(gè)四川盆地的改造有著極為關(guān)鍵的作用；而鄂爾多斯盆地以整體升降為主，內(nèi)部構(gòu)造穩(wěn)定，特別是在新生代時(shí)期，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要對(duì)其周緣影響較大，其內(nèi)部緩慢抬升，處于穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)為周邊斷陷發(fā)育。

2.1.2 斷裂展布、褶皺類型及其發(fā)育程度

四川盆地是由多條深大斷裂圍成的沉積盆地，基本都是基底斷裂和殼斷裂，具有縱向切割深、規(guī)模大、延伸遠(yuǎn)的特點(diǎn)，大體上將這些深大斷裂分為北東、北西及南北向三組。其中會(huì)影響昭通頁巖氣開采區(qū)的深大斷裂-華鎣山斷裂帶（F4）是一個(gè)繼承性的大斷裂，由三條隱伏殼內(nèi)斷裂組成，在地史上多次發(fā)生活動(dòng)，特別是燕山晚期至喜馬拉雅期在川東壓扭應(yīng)力作用下的活動(dòng)，被斷層活動(dòng)改造，是川東斷褶帶和川中平緩構(gòu)造區(qū)的分界線；遵義-松坎斷裂帶（F12）是劃分川東與川南的分界斷裂；七曜山斷裂帶（F5），是由三條東傾的逆沖斷裂組成的，通過斷裂兩側(cè)基底的差異，說明晉寧期已經(jīng)存在，而燕山晚期到喜馬拉雅期，在南東-北西方向的擠壓應(yīng)力下又重新活動(dòng)，成為逆沖斷裂，斷層兩側(cè)的沉積蓋層其構(gòu)造變形的樣式和強(qiáng)度都具有較大的差別，東側(cè)為隔槽式褶皺，變形程度較低，西側(cè)為隔擋式褶皺，變形程度較高，并伴有大量斷層的出現(xiàn)[11]。

川東南地區(qū)褶皺發(fā)育，但是不同構(gòu)造位置發(fā)育程度不同，將其進(jìn)一步分為三個(gè)四級(jí)構(gòu)造單元：

（1）邊部強(qiáng)烈變形區(qū)-褶皺變形強(qiáng)烈，多為線狀或狹長(zhǎng)狀的高褶皺，呈梳狀或帶狀分布，伴生斷層發(fā)育，且多數(shù)通達(dá)地表，地表裂縫發(fā)育程度高；

（2）中部中等變形區(qū)-褶皺變成程度中等，多為短軸狀的中褶皺，基本無貫通性斷層，地表裂縫發(fā)育程度中等；

（3）中央弱變形區(qū)-褶皺變形程度較弱，多為低褶皺，呈短軸或近等軸狀，斷層和地表裂縫發(fā)育程度較弱。

2.1.3 沉積蓋層

蓋層是油氣藏形成的必要條件，其好壞也對(duì)環(huán)境污染具有關(guān)鍵意義，分為直接蓋層和間接蓋層。對(duì)于上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣藏來說，中下三疊統(tǒng)膏鹽巖、泥巖發(fā)育的地區(qū)可以形成一定范圍的壓力封閉，從而使得頁巖氣得以保存。例如，四川盆地內(nèi)部的長(zhǎng)寧地區(qū)保存了部分三疊系膏鹽，以寧201井為例，開孔層位為嘉陵江組四段、保存了部分嘉陵江組四段和嘉陵江組三段膏鹽巖，龍馬溪組頁巖的氣藏壓力系數(shù)是2。

對(duì)于注入目標(biāo)儲(chǔ)層的壓裂液是否會(huì)在垂向運(yùn)動(dòng)影響到上部含水層引起環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，直接蓋層是關(guān)鍵，即頁巖層之上的各種致密巖層，包括頁巖、粉砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖和灰?guī)r等，它們的巖性、物性參數(shù)及參數(shù)之間的差異性將直接決定蓋層的封閉能力和被壓裂后連通的可能性。一般優(yōu)質(zhì)開采層的平均孔隙度大，且其直接蓋層有較好的封閉能力，如下志留統(tǒng)龍馬溪組之上的小河壩組（石牛欄組）和韓家店組的泥頁巖就是較好的直接蓋層，根據(jù)前人對(duì)四川盆地建深1井、五科1井和太13井的志留系小河壩組和韓家店組的砂巖樣品孔隙度分析，建深1井韓家店組3塊極細(xì)粉砂巖孔隙度為0.48%～2.9%，平均為1.55%，12塊粉砂巖孔隙度為0.4%～1.1%，平均為0.64%[12]，明顯小于龍馬溪組黑色頁巖的孔隙度；而從頁巖礦物組成的角度，五峰組-龍馬溪組頁巖自下而上的石英含量減少，粘土礦物含量增加，也就是說開采層上部的頁巖，塑性增強(qiáng)，那么同樣的受力大小下，壓實(shí)作用更強(qiáng)，孔隙度更小，排驅(qū)壓力會(huì)增加，在壓裂及返排過程中，使壓裂液向上運(yùn)移的程度減小，壓裂液或返排液不易竄入水層污染地下水，減少對(duì)土壤的擾動(dòng)，以至于污染土壤表層或淺層地表[13]。

2.2 威遠(yuǎn)與長(zhǎng)寧-昭通區(qū)塊

威遠(yuǎn)與長(zhǎng)寧-昭通區(qū)塊的沉積環(huán)境類似，都是早期是深水陸棚，晚期為淺水陸棚代替；長(zhǎng)寧-昭通區(qū)塊龍馬溪組頁巖富硅質(zhì)（硅質(zhì)儲(chǔ)量高于40%）、脆性礦物含量較高，易于壓裂產(chǎn)生網(wǎng)狀縫，具有較好改造的特點(diǎn)[14]，但其主要發(fā)育基質(zhì)孔隙，孔隙度平均約為5%，僅局部存在裂縫孔隙，多發(fā)育層間縫，開發(fā)難度較大[15]。威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層主要發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔、無機(jī)質(zhì)孔、微裂縫，由于龍馬溪組頁巖深埋藏、強(qiáng)隆升、高演化等特點(diǎn)，壓實(shí)作用、成巖作用明顯，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育，局部連通性好；無機(jī)質(zhì)孔隙相對(duì)不發(fā)育，多為孤立孔隙，連通性差；層間縫、部分構(gòu)造縫發(fā)育，且延伸范圍廣，連通性好。因此，有機(jī)質(zhì)孔、裂縫是該地區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層主要滲流運(yùn)移的通道[16]。

威遠(yuǎn)地區(qū)在構(gòu)造上主要位于川中隆起區(qū)樂山-龍女寺古隆起的東南斜坡帶上，包括川南古坳中隆低陡構(gòu)造區(qū)帶及川西南中古斜坡低陡構(gòu)等，樂山-龍女寺古隆起軸部控制著威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組沉積作用，為大型穹窿狀背斜構(gòu)造[17-18]。威遠(yuǎn)構(gòu)造的形成經(jīng)歷了整體抬升、整體下沉以及基底變形：從寒武系至奧陶系一直呈現(xiàn)北西高南東低的構(gòu)造形態(tài)；志留系經(jīng)歷了加里東運(yùn)動(dòng)，地層抬高，遭受剝蝕，穹窿構(gòu)造初態(tài)形成；泥盆紀(jì)一石炭紀(jì)時(shí)期，繼續(xù)隆升，在志留系與二疊系之間出現(xiàn)了沉積間斷；二疊系沉積前，威遠(yuǎn)地區(qū)受運(yùn)動(dòng)影響開始下沉入水底接受沉積，期間構(gòu)造穩(wěn)定、沉積較為平緩；之后的喜山運(yùn)動(dòng)使威遠(yuǎn)地區(qū)基底卷入變形，快速褶皺隆升形成背斜[19]。

四川盆地水文地質(zhì)特征極其復(fù)雜，地下水類型包括松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖巖溶水、基巖裂隙水以及淺層地下水，其中基巖裂隙水又可分為碎屑巖類孔隙裂隙水、變質(zhì)巖裂隙水和巖漿巖裂隙水，再進(jìn)一步按照地下水賦存空間性質(zhì)和水動(dòng)力特征劃分，可將碎屑巖磊孔隙裂隙水分為裂隙水、可溶性溶孔（洞）裂隙水和層間裂隙水，其中可溶性溶孔（洞）裂隙水主要分布在威遠(yuǎn)穹窿北西翼外圍[20]。昭通地區(qū)巖類發(fā)育齊全，地層復(fù)雜，為碳酸鹽巖夾碎屑巖類互層，主要賦存巖溶裂隙水，具有巖溶水、裂隙水雙重水文地質(zhì)特征[21]，長(zhǎng)寧地區(qū)也主要賦存巖溶水。

2.3 長(zhǎng)寧區(qū)塊與昭通區(qū)塊對(duì)比

長(zhǎng)寧-昭通區(qū)塊位于川南深水陸棚沉積中心部位，其中長(zhǎng)寧處于川南和渝東沉積中心, 昭通示范區(qū)則處于川南沉積中心的南緣, 其五峰組—龍馬溪組頁巖靜態(tài)地質(zhì)條件相對(duì)長(zhǎng)寧地區(qū)略差[22]。兩者產(chǎn)層均為鈣質(zhì)深水陸棚相頁巖，但構(gòu)造樣式存在差異，長(zhǎng)寧位于四川盆地承壓區(qū)正向構(gòu)造帶，形成于燕山—喜馬拉雅期斷裂褶皺期，其主體位于四川盆地南緣長(zhǎng)寧背斜南斜坡—向斜區(qū)（見圖2），總體為一個(gè)大型寬緩向斜內(nèi)的馬鞍型構(gòu)造，裂縫形成機(jī)制與喜馬拉雅期構(gòu)造強(qiáng)烈褶皺反轉(zhuǎn)和頁巖層大面積滑脫變形作用有關(guān)，其頁巖層基本未發(fā)生滑脫變形作用[13]，見北東向張性斷裂但通天斷層不發(fā)育，保存條件優(yōu)越，但在長(zhǎng)寧背斜核心區(qū)（即獅子山背斜），五峰組—龍馬溪組已出露地表并遭受剝蝕，通天斷層發(fā)育，保存條件存在較大風(fēng)險(xiǎn)[15]。

昭通示范區(qū)黃金壩區(qū)塊位于四川臺(tái)坳川南中-低陡褶皺帶（圖2中Ⅲ2）羅場(chǎng)復(fù)向斜建武向斜邊緣[23]，褶皺系數(shù)較小，約為0.35～0.05，多為短軸褶皺，翼部地層產(chǎn)狀相對(duì)較緩、斷層不發(fā)育。其沉積蓋層從震旦系到侏羅系，厚約6000～7000 m，其碳酸鹽巖、硅質(zhì)礦物含量明顯低于儲(chǔ)層。

圖2 長(zhǎng)寧五峰組-龍馬溪組頁巖氣藏構(gòu)造剖面圖（北東-南西向）Fig.2 Structural profile of shale gas reservoirs in Wufeng-Longmaxi Formation, Changning (NE-SW direction)

以YS108H1水平井組（圖3）為例進(jìn)行對(duì)比分析，其位于四川臺(tái)坳川南低陡褶帶南緣，北接四川盆地，南與滇黔北坳陷相鄰（圖4），受燕山期太平洋—古特提斯洋與揚(yáng)子板塊碰撞、喜馬拉雅期印度板塊向北沖擠雙重作用的影響，形成近東西向和近南北向共同剪切的構(gòu)造格局，構(gòu)造形變從滇東黔中隆起到滇黔北坳陷再到四川盆地由強(qiáng)到弱[24]。

圖3 YS108H1、H6 水平井組井場(chǎng)自然地理及交通位置Fig.3 Well site physical geography and traffic location map of YS108H1 and H6 horizontal well groups

圖4 YS108H1水平井組井區(qū)域構(gòu)造單元?jiǎng)澐諪ig.4 Structure unit division map of YS108H1 horizontal well group

YS108H1水平井組處于帚狀構(gòu)造帶末端，構(gòu)造作用相對(duì)較弱，構(gòu)造形態(tài)相對(duì)簡(jiǎn)單（圖5）。圖6表明，YS108H1水平井組地層產(chǎn)狀較平緩，地層分布穩(wěn)定，構(gòu)造平緩，處于建武向斜南翼靠底部部位，為頁巖氣有利保存區(qū)，在水平井部署的向斜區(qū)域地層穩(wěn)定，過井剖面顯示井軌跡無明顯斷層通過；加之其位于向斜和背斜的轉(zhuǎn)折部位，地層封閉性較好, 有效地阻止了頁巖氣的側(cè)向遷移, 有利于頁巖氣資源的保存[23]。

圖5 YS108H1 水平井組井區(qū)域地質(zhì)Fig.5 Geological map of YS108H1 horizontal well group well area

圖6 YS108H1水平井臺(tái)區(qū)域志留系龍馬溪組底界構(gòu)造Fig.6 Bottom boundary structure map of Silurian Longmaxi Formation in horizontal well platform area YS108H1

長(zhǎng)寧-昭通區(qū)塊龍馬溪組頁巖富硅質(zhì)（硅質(zhì)儲(chǔ)量高于40%）、脆性礦物含量較高，易于壓裂產(chǎn)生網(wǎng)狀縫，具有較好改造的特點(diǎn)[14]，但其主要發(fā)育基質(zhì)孔隙，孔隙度平均約為5%，僅局部存在裂縫孔隙，多發(fā)育層間縫，開發(fā)難度較大[15]。四川盆地內(nèi)部長(zhǎng)寧地區(qū)主要發(fā)育裂縫類型以層理縫和高角度充填縫為主，裂縫分布密度低，天然裂縫欠發(fā)育；四川盆地周緣構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)劇烈，受盆地邊緣構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，主要發(fā)育高角度張開縫，常見縫面劃痕；裂縫分布密度較大，天然裂縫較發(fā)育，整體上，昭通區(qū)塊天然裂縫發(fā)育程度高于長(zhǎng)寧[25]。

3 頁巖氣開采過程中的地下水環(huán)境問題

根據(jù)目前總結(jié)的頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，開采過程中涉及到的地下水環(huán)境的主要是泄漏問題，泄漏成分包括氣體、壓裂液以及返排液等，見圖7。如果管路密封不良，或者是遇到斷層及裂縫區(qū)，壓裂液及頁巖氣可能會(huì)竄入水層并對(duì)地下水造成影響[13]。

圖7 頁巖氣開發(fā)相關(guān)的地下水風(fēng)險(xiǎn)示意Fig.7 Groundwater risks associated with shale gas development

壓裂結(jié)束后因地質(zhì)構(gòu)造的不同會(huì)有10%～70%的壓裂液返排至地表，但仍有部分壓裂液殘留在地層。這些壓裂液中的有毒物質(zhì)可能直接通過斷裂、裂縫系統(tǒng)自地下深處緩慢向上遷移，直接污染地下水[26]，這個(gè)問題是水力壓裂技術(shù)爭(zhēng)議的焦點(diǎn)。此問題的關(guān)鍵在于頁巖儲(chǔ)集層和地下水的連通性，以及向上運(yùn)移的驅(qū)動(dòng)力，目前學(xué)術(shù)界較為普遍的共識(shí)是水力壓裂不會(huì)產(chǎn)生連通地表的裂縫，且受毛細(xì)管力限制，液體缺少足夠向上運(yùn)移的動(dòng)力[27]，但四川盆地經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，可以借鑒美國相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，但不可完全照搬，況且已知 1 例發(fā)生在美國懷俄明州的致密砂巖氣藏的事故，在淺層地下水中檢測(cè)到壓裂液成分。

4 結(jié) 論

（1）通過對(duì)比中美頁巖地質(zhì)特征，即中國龍馬溪組頁巖和美國Barnett頁巖、Marcellus頁巖，發(fā)現(xiàn)三者沉積環(huán)境類似，同時(shí)具有一定的差異性，中美頁巖構(gòu)造復(fù)雜程度不同，龍馬溪組頁巖深埋大于Barnett頁巖且具有更高的熱成熟度，但遠(yuǎn)不如Marcellus頁巖有機(jī)質(zhì)含量高、微裂縫發(fā)育，這導(dǎo)致了頁巖氣開發(fā)困難、鉆井和水力壓裂的高成本以及不可類比的開采壓裂及返排過程中的污染問題。

（2）通過對(duì)比中國陸相和海相頁巖地質(zhì)特征，即四川盆地龍馬溪組頁巖和鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組頁巖，兩者分別為揚(yáng)子地臺(tái)和華北地臺(tái)的一級(jí)構(gòu)造單元，沉積環(huán)境不同，四川盆地較之鄂爾多斯盆地構(gòu)造復(fù)雜，褶皺斷裂體系發(fā)育，而鄂爾多斯盆地頁巖埋深淺，且地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、穩(wěn)定。

（3）川東南幾個(gè)頁巖氣開發(fā)區(qū)塊對(duì)比表明，威遠(yuǎn)區(qū)塊和長(zhǎng)寧-昭通區(qū)塊以及長(zhǎng)寧區(qū)塊和昭通區(qū)塊，雖然同處川東南地區(qū)且頁巖特性相似，但由于位于不同構(gòu)造部位，威遠(yuǎn)位于背斜核部，而長(zhǎng)寧、昭通屬向斜構(gòu)造，且昭通處于四川盆地邊緣，而威遠(yuǎn)和長(zhǎng)寧處在川南沉積中心，天然裂縫發(fā)育程度、地下水類型和特性以及連通程度、蓋層特性等均有不同，故在地下水脆弱性評(píng)價(jià)，應(yīng)結(jié)合不同位置區(qū)塊的特點(diǎn)進(jìn)行分析。

（4）中國的頁巖氣開發(fā)還處于起步階段，但不可忽視開采過程中可能會(huì)引發(fā)的地下水環(huán)境問題，需要借鑒已有多年開發(fā)歷史的美國頁巖氣田的經(jīng)驗(yàn)，但通過由此及彼依次對(duì)比中美頁巖、四川盆地龍馬溪組頁巖和鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組頁巖以及四川盆地不同區(qū)塊龍馬溪組頁巖地質(zhì)特征，發(fā)現(xiàn)兩兩之間均存在不小的差異性，我們不能完全照搬美國頁巖氣開采經(jīng)驗(yàn)，或?qū)⒉煌练e環(huán)境、不同地理位置的頁巖開發(fā)簡(jiǎn)單地合并考慮，無論是在開發(fā)方面還是處理地下水環(huán)境問題方面。