渝西地區(qū)走滑斷裂活動(dòng)背景下地層水對(duì)頁(yè)巖氣富集的控制作用

鄒 辰 吳永輝 梁 興 姜振學(xué) 王高成張介輝 章 超 何 葉 端祥剛 宮厚健

（1. 中國(guó)石油浙江油田公司勘探開(kāi)發(fā)一體化中心，浙江 杭州 310023；2. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；3. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249；4. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083）

0 引 言

走滑斷裂對(duì)盆地內(nèi)沉積體系、儲(chǔ)層及流體活動(dòng)均有明顯影響[1‐5］。與走滑斷裂活動(dòng)有關(guān)的常規(guī)砂巖油氣藏、碳酸鹽巖油氣藏均獲得重大突破，如在渤海灣盆地遼東灣坳陷，發(fā)現(xiàn)了多個(gè)與走滑斷裂相關(guān)的億噸級(jí)砂巖油田[6‐7］，在塔里木盆地順北油田，也發(fā)現(xiàn)了與走滑斷裂相關(guān)的儲(chǔ)量規(guī)模達(dá)17×108t 的碳酸鹽巖油氣藏[8‐9］，這些勘探發(fā)現(xiàn)表明，與走滑斷裂相關(guān)的油氣藏具有良好的勘探開(kāi)發(fā)前景。然而，在非常規(guī)油氣研究領(lǐng)域，走滑斷裂與頁(yè)巖含氣性的關(guān)系研究較少，現(xiàn)有的研究也僅局限于頁(yè)巖與斷裂距離的探討[10‐11］，特別是缺乏走滑斷裂活動(dòng)背景下頁(yè)巖氣富集機(jī)理的研究，嚴(yán)重制約了典型走滑斷裂帶的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)工作。因此，揭示走滑斷裂活動(dòng)背景下頁(yè)巖氣富集機(jī)理對(duì)渝西地區(qū)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有著重大意義。

頁(yè)巖氣成藏期、區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期及地層流體活動(dòng)期的先后關(guān)系控制著頁(yè)巖氣的散失[12‐14］，決定著頁(yè)巖氣的富集程度。目前，在川南坳陷關(guān)于頁(yè)巖氣成藏期與成藏過(guò)程的研究較多，較為統(tǒng)一的觀點(diǎn)為頁(yè)巖氣主要成藏期發(fā)生在侏羅紀(jì)—早白堊世[13］，常用技術(shù)方法有盆地模擬方法[15‐16］、流體包裹體均一溫度分析法[17‐18］以及兩者結(jié)合的方法；關(guān)于區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期的研究也較多，多數(shù)觀點(diǎn)為燕山期以構(gòu)造擠壓為主[19］，喜山期以斷裂走滑活動(dòng)為主[20］，且燕山期、喜山期是影響頁(yè)巖氣富集的兩個(gè)關(guān)鍵時(shí)期[21］，常用的技術(shù)手段有構(gòu)造行跡分析、構(gòu)造演化恢復(fù)[22‐24］；關(guān)于頁(yè)巖儲(chǔ)層內(nèi)流體示蹤的研究方法也較多，常用的方法有礦化度分析法、氫氧同位素分析法、鍶氯同位素分析法、硼同位素與鋰同位素分析法等[25］，而關(guān)于地層流體活動(dòng)的研究較少。

綜上所述，目前存在的主要問(wèn)題是頁(yè)巖氣成藏、區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及地層流體三方面的研究缺乏有效的結(jié)合，走滑斷裂活動(dòng)背景下地層流體活動(dòng)對(duì)頁(yè)巖氣富集的控制機(jī)理有待揭示。針對(duì)以上問(wèn)題，本文以渝西地區(qū)來(lái)蘇?云錦向斜龍馬溪組頁(yè)巖為例，通過(guò)分析地層含水飽和度差異、地層含水飽和度與裂縫發(fā)育程度的關(guān)系及井溫測(cè)井資料與地層水的氫氧同位素特征，揭示走滑斷裂轉(zhuǎn)折端的構(gòu)造低部位頁(yè)巖儲(chǔ)層中水的來(lái)源；利用盆地模擬、鹽水包裹體均一溫度綜合分析方法，并結(jié)合區(qū)域構(gòu)造史，揭示走滑斷裂活動(dòng)背景下頁(yè)巖氣散失與深部流體上涌的時(shí)空關(guān)系，明確走滑斷裂活動(dòng)背景下地層水活動(dòng)對(duì)頁(yè)巖氣富集的影響，研究成果可以為走滑斷裂帶頁(yè)巖氣勘探部署提供一定指導(dǎo)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)構(gòu)造位置處于四川盆地南部低陡褶皺帶，地理位置處于重慶西部。在燕山期，由于雪峰隆起北西向的擠壓，在四川盆地東南部形成了北東走向的帚狀褶皺群，研究區(qū)位于帚狀褶皺群的最西翼，形成時(shí)間大約距今95 Ma[26］。在喜山期，由于亞歐板塊北東向的俯沖，在四川盆地形成了大型右旋走滑應(yīng)力場(chǎng)[20］，在右旋走滑應(yīng)力場(chǎng)的影響下，在華鎣山基底斷裂附近形成了一系列北北東走向的伴生走滑斷裂（圖1），這些伴生走滑斷裂北段的擠壓分量大，斷層封閉性好，南段擠壓分量小，斷層封閉性較差。研究區(qū)走滑斷裂（文中也稱(chēng)一級(jí)斷層[23］）斷開(kāi)的層位包括震旦系及其上覆地層，對(duì)該地區(qū)地溫及流體活動(dòng)有著重要影響。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置示意及構(gòu)造格局Fig. 1 Schematic of structural location and tectonic framework of studied area

在早志留世魯?shù)て?，研究區(qū)位于深水陸棚，頁(yè)巖巖相整體上沒(méi)有差異[27‐28］，表明研究區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖具有相似的生儲(chǔ)條件。主力產(chǎn)氣層底部為厚層寶塔組灰?guī)r地層，頂部為龍馬溪組二段的貧有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖及石牛欄組的厚層泥灰?guī)r地層；底部灰?guī)r、頂部的貧有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖及泥灰?guī)r的孔隙度、滲透率均較低，且具有較大的突破壓力，對(duì)頁(yè)巖氣有著良好的封堵能力[29‐30］。

因此，來(lái)蘇?云錦向斜不同部位頁(yè)巖的含氣性差異可能與走滑斷裂背景下的地層流體活動(dòng)有關(guān)?；诖?，本文將系統(tǒng)研究走滑斷裂活動(dòng)背景下地層流體活動(dòng)對(duì)頁(yè)巖氣成藏富集的影響，以期揭示走滑斷裂附近頁(yè)巖含氣性差異的機(jī)理。

2 地層水

2.1 斷裂與埋深對(duì)含水飽和度的控制

來(lái)蘇向斜X1 井頁(yè)巖位于一級(jí)逆斷層上盤(pán)，具有距斷裂遠(yuǎn)、埋深淺、含水飽和度低（30%~50%）的特征；云錦向斜的頁(yè)巖位于一級(jí)逆斷層下盤(pán)，其北部的頁(yè)巖也具有距斷裂遠(yuǎn)、埋深較淺、含水飽和度低（20%~40%）的特征，而其南部的頁(yè)巖具有距斷裂更近，埋深更大，含水飽和度更高（X3 井頁(yè)巖含水飽和度40%~60%，X4 井頁(yè)巖含水飽和度70%~90%）的特征（圖1、圖2（a））。由此可以推測(cè)，來(lái)蘇向斜和云錦向斜不同構(gòu)造部位的頁(yè)巖含水飽和度差異與距一級(jí)逆斷層的距離及現(xiàn)今埋深有關(guān)。

圖2 來(lái)蘇-云錦向斜典型井含水飽和度、含氣量及云錦三維螞蟻體屬性切片F(xiàn)ig. 2 Water saturation and gas content of typical wells in Laisu-Yunjin syncline and 3D ant body attribute slice of Yunjin syncline

為了更好地證明與一級(jí)逆斷層距離和現(xiàn)今埋深對(duì)頁(yè)巖含水飽和度有明顯控制作用，本文主要通過(guò)不同構(gòu)造單元頁(yè)巖含水飽和度與裂縫分布的關(guān)系進(jìn)行研究，其中，裂縫的平面分布可通過(guò)沿層競(jìng)爭(zhēng)性螞蟻體地震屬性切片獲得（圖2（b）），裂縫的單井分布通過(guò)裂縫發(fā)育程度進(jìn)行表征，裂縫發(fā)育程度計(jì)算公式為[31］：

式中：RF——裂縫發(fā)育程度；Ema——巖石骨架理論動(dòng)彈性模量，GPa；E——巖體的動(dòng)彈性模量，GPa；G——剪切模量，GPa；υ——?jiǎng)討B(tài)泊松比；α——單位換算因子，取1.34×104；ρb——地層密度，g/cm3；Δtc——縱波時(shí)差，μs/m；Δts——橫波時(shí)差，μs/m。

在來(lái)蘇向斜與云錦向斜北部區(qū)域，頁(yè)巖含水飽和度與裂縫發(fā)育程度沒(méi)有明顯關(guān)系，表明斷層附近埋深較淺的頁(yè)巖，其含水飽和度不受裂縫和斷層的控制（圖3（a）、（b））。而在云錦向斜中南部，S1l111小層—S1l112小層頁(yè)巖的含水飽和度與裂縫發(fā)育程度存在較好的正相關(guān)關(guān)系（圖3 （c）、（d））），表明該區(qū)域頁(yè)巖中的地層水受裂縫控制。結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景，在喜山期，云錦向斜南部一級(jí)斷層的走滑擠壓分量弱、地層埋深大、斷面流體疏導(dǎo)能力強(qiáng)，有利于地層水向頁(yè)巖儲(chǔ)層中活動(dòng)（圖1、圖2（b）），從而導(dǎo)致含氣性差，這就很好地解釋了來(lái)蘇向斜及云錦向斜北部頁(yè)巖的含氣性好而云錦向斜南部頁(yè)巖的含氣性差的結(jié)果。由此可見(jiàn)，頁(yè)巖含水飽和度高低受頁(yè)巖距一級(jí)逆斷層的距離、走滑斷裂擠壓的分量大小及現(xiàn)今頁(yè)巖的埋深共同控制。

圖3 來(lái)蘇-云錦向斜典型井含水飽和度與裂縫發(fā)育程度的關(guān)系Fig. 3 Relationship between water saturation and fractures development degree of typical wells in Laisu-Yunjin syncline

2.2 地層水的來(lái)源和活動(dòng)證據(jù)

通過(guò)現(xiàn)今地溫梯度、氫氧同位素及走滑擠壓分量大小對(duì)流體疏導(dǎo)能力的控制等方面闡明了頁(yè)巖中地層水來(lái)源與活動(dòng)證據(jù)。

假設(shè)不存在局部異常熱源，來(lái)蘇向斜和云錦向斜的地溫梯度應(yīng)該差異不大。實(shí)際井溫資料顯示，來(lái)蘇向斜X1 井的頁(yè)巖層系（埋深約4 080 m）的現(xiàn)今溫度為115 ℃，地溫梯度最?。?.1~2.4 ℃/hm）（圖4（a）），云錦向斜南部X3 井的頁(yè)巖層系（埋深約4 260 m）現(xiàn)今溫度為130 ℃，地溫梯度居中（2.4~2.7 ℃/hm）（圖4（b）），X4 井頁(yè)巖層系（埋深約4 360 m）現(xiàn)今溫度約150 ℃，地溫梯度最大（2.7~3.0 ℃/hm）（圖4（c））。

圖4 來(lái)蘇-云錦向斜典型井井溫、現(xiàn)今地溫梯度與深度關(guān)系Fig. 4 Relationship of typical-wells temperature and present geothermal gradient vs. depth in Laisu-Yunjin syncline

綜上可知，來(lái)蘇?云錦向斜存在異常熱源。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，來(lái)蘇向斜與云錦向斜大地?zé)崃髦档牟町悜?yīng)該與深部流體活動(dòng)有關(guān)。具體解釋為：云錦向斜南部走滑斷裂擠壓分量小，走向轉(zhuǎn)折處開(kāi)度較大，深部流體上涌，導(dǎo)致南部靠近一級(jí)斷層的構(gòu)造低部位大地?zé)崃髦蹈撸浞终f(shuō)明深部流體向儲(chǔ)層中發(fā)生了活動(dòng)。

朱振宏等[32］與林耀庭等[33］對(duì)于四川盆地南部盆緣帶的地層水來(lái)源進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)研究。川南坳陷下組合地層（震旦系及下古生界）的地層水氫氧同位素值分布于巖漿水與變質(zhì)水分區(qū)附近（圖5），充分表明川南坳陷下組合地層中的水來(lái)源于地球深部熱液。由于研究區(qū)位于川南坳陷內(nèi)部且頁(yè)巖層系屬于早古生界地層（下組合地層），由此可知，云錦向斜南部頁(yè)巖中的地層水來(lái)源于深部熱液，這也很好解釋了在地質(zhì)歷史過(guò)程中，深部流體發(fā)生過(guò)上涌并進(jìn)入頁(yè)巖儲(chǔ)層的活動(dòng)。

圖5 四川盆地及其周緣地層水氫氧同位素關(guān)系（據(jù)文獻(xiàn)[32-33]）Fig. 5 Relationship between hydrogen isotope and oxygen isotope of formation water in Sichuan Basin and its surrounding areas (From references[32-33])

3 地層水對(duì)頁(yè)巖氣成藏的控制作用

現(xiàn)場(chǎng)解析結(jié)果表明，由北向南，頁(yè)巖含氣量有逐漸降低的趨勢(shì)。北部來(lái)蘇向斜頁(yè)巖含氣量高，普遍為3~8 m3/t，其主力產(chǎn)氣層S1l111小層—S1l112小層總含氣量可達(dá)6~8 m3/t；云錦向斜北部頁(yè)巖含氣量為4~8 m3/t，主力產(chǎn)氣層S1l111小層—S1l112小層含氣量也可達(dá)6~8 m3/t，說(shuō)明來(lái)蘇向斜與云錦向斜北部的頁(yè)巖氣具有較好的勘探潛力；而云錦向斜南部頁(yè)巖含氣量均小于1 m3/t，勘探前景較差（圖2）。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)特征，初步判定在地質(zhì)歷史時(shí)期中，云錦向斜南部頁(yè)巖氣發(fā)生過(guò)散失，且頁(yè)巖氣散失與走滑斷裂活動(dòng)背景下深部流體上涌有關(guān)，相關(guān)證據(jù)如下：

X3 井盆地模擬結(jié)果顯示，在晚二疊世與侏羅紀(jì)—早白堊世2 個(gè)時(shí)期，地層發(fā)生過(guò)快速沉降，是龍馬溪組頁(yè)巖的2 次生氣階段，在這2 個(gè)時(shí)期，地層壓力及壓力系數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，且以侏羅紀(jì)—早白堊世生氣為主（圖6（a）—（c））。侏羅紀(jì)—早白堊世頁(yè)巖大量生氣時(shí)期和鄰井與氣包裹體共生的鹽水包裹體均一溫度對(duì)應(yīng)（圖6（d）），證實(shí)了盆地模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。構(gòu)造裂縫脈體中的鹽水包裹體均一溫度可有效反映頁(yè)巖氣的大量散失時(shí)間，鄰井X4 井目的層段巖心照片表明，云錦向斜南部構(gòu)造成因裂縫中主要發(fā)育方解石脈體（圖6（e）），根據(jù)鄰井方解石脈體中鹽水包裹體均一溫度可推測(cè)，來(lái)蘇?云錦向斜一級(jí)走滑斷層活動(dòng)期及深部流體上涌時(shí)期發(fā)生于白堊紀(jì)末期（即燕山晚期）（圖6（f））。由此可知，云錦向斜龍馬溪組頁(yè)巖大量生氣階段較早，研究區(qū)一級(jí)走滑斷層及深部流體活動(dòng)時(shí)期較晚。在一級(jí)斷層走滑活動(dòng)期，云錦向斜南部走滑斷裂擠壓分量小，斷裂開(kāi)度大，導(dǎo)致深部流體上涌進(jìn)入頁(yè)巖裂縫及儲(chǔ)層，使原本儲(chǔ)藏于頁(yè)巖中的氣體散失。且隨著頁(yè)巖層系中氣體的散失，一級(jí)走滑斷裂在擠壓環(huán)境下閉合，深部熱液在擠壓作用下繼續(xù)上涌，導(dǎo)致頁(yè)巖儲(chǔ)層出現(xiàn)超壓現(xiàn)象（圖6（c）），這也很好地解釋了靠近一級(jí)斷層構(gòu)造低部位的云錦向斜南部，其頁(yè)巖儲(chǔ)層微氣但地層超壓的現(xiàn)象。

圖6 X3井盆地模擬結(jié)果及相關(guān)參數(shù)和事件Fig. 6 Basin modeling of Well X3 and related parameters and events

4 走滑斷裂活動(dòng)背景下的頁(yè)巖氣富集模式

綜合以上研究，可將來(lái)蘇?云錦向斜頁(yè)巖氣的富集時(shí)期劃分為2 個(gè)階段。

第1 階段（三疊紀(jì)—早白堊世）：地層快速沉降，龍馬溪組頁(yè)巖開(kāi)始進(jìn)入大量生油期，在埋深達(dá)到4 000 m 左右時(shí)，有機(jī)質(zhì)達(dá)到高—過(guò)成熟階段，大量原油裂解生氣，是頁(yè)巖層中含氣量最大的時(shí)期。該時(shí)期對(duì)應(yīng)燕山活動(dòng)期，雪峰隆起北西向擠壓活動(dòng)導(dǎo)致頁(yè)巖氣保存條件好，因此，來(lái)蘇?云錦向斜頁(yè)巖含氣性差別不大（圖7（a）—（c））。

圖7 走滑斷裂附近構(gòu)造低部位生排烴期與構(gòu)造改造期流體演化模式Fig. 7 Fluid evolution pattern of hydrocarbon generationexpulsion period and structural reworking period in struc‐tural low near strike-slip fault

第2 階段（晚白堊世—現(xiàn)今）：由于印度洋板塊向北東方向擠壓，華鎣山斷裂帶再次被激活并發(fā)生右行走滑活動(dòng)，斷裂北段走滑擠壓分量大，附近地層抬升幅度大，伴生斷裂的斷裂面封閉性好（圖7（d）、（e）），這是來(lái)蘇向斜與云錦向斜北部頁(yè)巖含氣量高的原因；斷裂南段走滑擠壓分量小，地層埋深大，活動(dòng)期斷裂面的封閉性較差，利于深部流體上涌活動(dòng)（圖7（d）、（f）），使得頁(yè)巖氣順著斷裂向上部低勢(shì)區(qū)聚集，與此同時(shí)，深部流體持續(xù)充注于頁(yè)巖的裂縫或儲(chǔ)層，導(dǎo)致云錦向斜南部一級(jí)斷層附近構(gòu)造低部位的頁(yè)巖具有高含水低含氣的現(xiàn)象。

綜上所述，走滑斷裂北段擠壓分量較強(qiáng)的地區(qū)是來(lái)蘇?云錦向斜內(nèi)頁(yè)巖氣勘探的有利區(qū)，而走滑斷裂南段擠壓分量較弱的構(gòu)造低部位，上部層系則是常規(guī)天然氣勘探的有利目標(biāo)層系。

5 結(jié) 論

（1）在走滑斷裂活動(dòng)背景下，構(gòu)造低部位頁(yè)巖的含水飽和度受距一級(jí)斷層距離及埋深的控制，且地層水來(lái)源于深部流體。

（2）來(lái)蘇?云錦向斜頁(yè)巖大量生氣時(shí)間早，走滑斷裂活動(dòng)與深部流體上涌的時(shí)期晚，深部流體充注進(jìn)頁(yè)巖儲(chǔ)層導(dǎo)致云錦向斜南部頁(yè)巖氣散失并形成超壓微氣頁(yè)巖儲(chǔ)層。

（3）來(lái)蘇?云錦向斜頁(yè)巖氣富集分為2 個(gè)階段，第1 階段為龍馬溪組頁(yè)巖大量生氣、雪峰隆起北西向擠壓階段，頁(yè)巖氣保存條件好，來(lái)蘇?云錦向斜頁(yè)巖含氣量無(wú)明顯差異；第2 階段為走滑斷裂右旋活動(dòng)階段，來(lái)蘇向斜與云錦向斜北部走滑斷裂擠壓分量大，有利于頁(yè)巖氣富集，云錦向斜南部走滑斷裂擠壓分量小，向斜埋深大，頁(yè)巖氣保存條件差，不利于頁(yè)巖氣富集。