頁巖氣富集與保存條件差異研究
——以焦石壩—武隆地區(qū)為例

丁佳彤，陳孔全*，湯濟(jì)廣，庹秀松，張斗中

（1.長(zhǎng)江大學(xué)非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北武漢 430100；2.長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430100）

0 引言

近年來，四川盆地東緣的頁巖氣開發(fā)已經(jīng)成為學(xué)者們的研究熱點(diǎn)，其中焦石壩地區(qū)頁巖氣田的勘探表現(xiàn)出色，焦頁1HF井壓裂試氣后獲高產(chǎn)達(dá)20.3×104m3/d，是中國(guó)第一口具有商業(yè)開發(fā)價(jià)值的頁巖氣井[1-6]。學(xué)術(shù)界圍繞川東盆緣地區(qū)頁巖氣的產(chǎn)生、運(yùn)移和富集進(jìn)行了許多探討，同時(shí)針對(duì)武隆地區(qū)的頁巖氣開發(fā)也逐步展開，隆頁1 井順利完鉆，軌跡位于龍馬溪組底部，壓裂后獲日產(chǎn)氣4.5～6.0×104m3。齊岳山斷層位于四川盆地的東部邊界，同時(shí)也位于川東構(gòu)造帶與湘鄂西構(gòu)造帶的交會(huì)處，斷裂兩側(cè)的構(gòu)造特征差異明顯，同時(shí)對(duì)油氣的運(yùn)移和聚集均存在不同影響，導(dǎo)致頁巖氣保存條件存在差異。武隆地區(qū)與焦石壩地區(qū)分別位于齊岳山斷層兩側(cè)，以齊岳山斷層為界呈對(duì)稱分布，地理位置十分接近，但構(gòu)造變形特征不同，頁巖氣井產(chǎn)量也參差不齊，造成如此局面的直接原因是其頁巖氣保存條件差異明顯[7-9]。為了進(jìn)一步解釋川東盆緣兩側(cè)的頁巖氣保存條件差異，需要對(duì)研究區(qū)內(nèi)東、西兩個(gè)區(qū)塊的頁巖氣保存條件主控因素進(jìn)行深入分析及對(duì)比，以明確齊岳山斷裂兩側(cè)的富頁巖氣構(gòu)造樣式、斷裂發(fā)育等因素對(duì)頁巖氣保存的影響。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于湘鄂西—川東褶皺構(gòu)造帶內(nèi)，處于雪峰段逆沖推覆構(gòu)造西北緣前峰帶，受到江南—雪峰陸內(nèi)造山運(yùn)動(dòng)北西方向的擠壓應(yīng)力影響。湘鄂西—川東構(gòu)造帶以齊岳山斷裂為界，以東為背斜與向斜相間組成的湘鄂西厚皮“隔槽式”褶皺帶；以西為緊閉的背斜與開闊寬緩的向斜相間排列，以志留系等主要滑脫層組成川東薄皮“隔擋式”褶皺帶[10-13]。焦石壩地區(qū)與武隆地區(qū)處于隔槽式結(jié)構(gòu)與隔擋式結(jié)構(gòu)的過渡帶中，二者以齊岳山斷層為界具有鏡像關(guān)系(圖1)。

圖1 焦石壩—武隆地區(qū)及鄰區(qū)地質(zhì)圖

自中三疊世末以來，研究區(qū)受到來自東南方向江南—雪峰古陸的持續(xù)擠壓，發(fā)生了大規(guī)模的由南東向北西的遞進(jìn)式構(gòu)造變形，變形作用從江南—雪峰古陸地區(qū)經(jīng)湘西北至川東擴(kuò)展，且沖斷作用的強(qiáng)度逐漸降低。

燕山運(yùn)動(dòng)時(shí)各構(gòu)造體系差不多在同一時(shí)期形成，但先后順序、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間有差別。燕山早期(晚三疊世)，江南—雪峰造山運(yùn)動(dòng)的側(cè)向推擠產(chǎn)生的推覆作用逐漸影響到川東地區(qū)，使基底由深至淺發(fā)生多重滑脫作用，由隔槽式褶皺向隔擋式褶皺轉(zhuǎn)換，研究區(qū)內(nèi)地層產(chǎn)生輕微褶皺變形；研究區(qū)在中燕山期(晚侏羅世)受雪峰山南東—北西向的逆沖推覆擠壓運(yùn)動(dòng)，整體大幅度抬升，是侏羅紀(jì)以后研究區(qū)經(jīng)歷的構(gòu)造變形最強(qiáng)、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)最劇烈的時(shí)期，因而其構(gòu)造應(yīng)力值也最大；早喜山期(晚白堊世)，研究區(qū)整體緩慢隆升，相對(duì)穩(wěn)定，構(gòu)造變形程度是侏羅紀(jì)以來最弱的一次，其構(gòu)造應(yīng)力值也最小；晚喜山期(中新世)，印度板塊向歐亞板塊俯沖，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的擠壓應(yīng)力[4]，但由于該應(yīng)力到達(dá)研究區(qū)時(shí)經(jīng)過很多深大斷裂，能量逐步減弱，最終只剩下較弱的擠壓應(yīng)力，表現(xiàn)為一定程度的隆升，構(gòu)造變形程度高于早喜山期，低于晚燕山期。

研究區(qū)地層發(fā)育較為完全，由新元古界至今僅缺失石炭系、泥盆系。現(xiàn)今頁巖氣主要勘探層系為奧陶系五峰組（O3w）—下志留統(tǒng)龍馬溪組，是以頁巖為主的海相沉積，地層發(fā)育與中晚奧陶世被動(dòng)大陸邊緣盆地向臺(tái)內(nèi)坳陷盆地的變革對(duì)應(yīng)。五峰組為一套黑色炭質(zhì)頁巖，代表深水陸棚沉積環(huán)境[14-16]；龍馬溪組底部為黑色炭質(zhì)頁巖，上部為泥質(zhì)粉砂巖,具有分布廣泛、厚度大的黑色筆石頁巖沉積。川東盆緣地區(qū)內(nèi)五峰—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖厚度一般為20～50 m[7]，總有機(jī)碳含量(TOC)均值為3.3%～3.9%，鏡質(zhì)體反射率(Ro)集中分布在2.3%～3.1%，表明齊岳山斷裂兩側(cè)五峰組—龍馬溪組頁巖沉積后普遍經(jīng)歷了深埋與生烴過程，烴源巖物質(zhì)基礎(chǔ)普遍良好，故保存條件成為了斷裂兩側(cè)頁巖氣產(chǎn)量差別的關(guān)鍵性因素。

2 構(gòu)造特征差異

基于構(gòu)造特征和構(gòu)造成因機(jī)制的差異，以齊岳山斷層為界，劃分為焦石壩構(gòu)造帶與武隆構(gòu)造帶。

2.1 焦石壩構(gòu)造帶

四川盆地內(nèi)緣焦石壩構(gòu)造帶受到江南雪山陸內(nèi)造山運(yùn)動(dòng)?xùn)|南向的應(yīng)力推覆作用影響，被前寒武系區(qū)域性滑脫斷層所控制，因此在蓋層中構(gòu)造變形不甚強(qiáng)烈，變形以斷滑作用與斷展作用為主，背斜形態(tài)由南東向北西逐步緊縮，被烏江斷層分開形成焦石壩背斜帶與梓里場(chǎng)背斜帶（表1）。

表1 焦石壩—武隆地區(qū)構(gòu)造特征差異表

2.1.1 構(gòu)造特征

焦石壩背斜帶位于烏江斷層以北、石門2 號(hào)斷層以西、梓里場(chǎng)斷層和吊水巖斷層以東，發(fā)育有箱狀背斜——焦石壩箱狀背斜(圖2)。研究區(qū)內(nèi)箱狀背斜受到前寒武系的順層滑脫作用，呈轉(zhuǎn)折端平緩、兩翼產(chǎn)狀較陡的形態(tài)。焦石壩背斜轉(zhuǎn)折端斷層不發(fā)育，僅在兩個(gè)軸面處派生小型斷層，受到構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造強(qiáng)度較弱，構(gòu)造整體結(jié)構(gòu)形態(tài)完整。

圖2 焦石壩背斜地質(zhì)剖面

梓里場(chǎng)背斜帶(圖3)位于烏江斷層與梓里場(chǎng)斷層之間，受控于坡坪式斷層——梓里場(chǎng)斷層[17-23]，構(gòu)造形態(tài)較焦石壩構(gòu)造帶更加緊縮，主要構(gòu)造樣式為弱改造型圓弧背斜，典型構(gòu)造為梓里場(chǎng)背斜。弱改造型圓弧狀背斜被斷層改造的程度小，屬于受逆沖斷層控制的斷展褶皺。梓里場(chǎng)背斜形態(tài)完整，但較為緊閉，翼間角為100°。構(gòu)造兩翼不對(duì)稱，東翼巖層傾角較大，西翼巖層傾角相對(duì)較小，且西翼發(fā)育少量反沖逆斷層，形成沖起構(gòu)造。

圖3 梓里場(chǎng)背斜地質(zhì)剖面

焦石壩構(gòu)造帶為遞進(jìn)變形的前鋒帶，主控構(gòu)造變形滑脫層由前寒武系向寒武系轉(zhuǎn)變，使構(gòu)造位移呈階梯狀向上傳遞[24]。由于蓋層自西向東發(fā)生前展式的構(gòu)造變形，烏江斷層南、北段表現(xiàn)為不同的前展式結(jié)構(gòu)特征。在烏江斷層以北前寒武系基底斷層發(fā)生順層滑脫，未造成蓋層中的斷展作用，自東向西的構(gòu)造變形依次為沖斷—斷滑—滑脫。烏江斷層以南前寒武系基底斷層呈犁式，蓋層中發(fā)生斷展作用，因此構(gòu)造變形自東向西依次為沖斷—斷展—滑脫。

2.1.2 斷裂展布特征

焦石壩構(gòu)造帶斷裂體系形成于中燕山期，宏觀上呈北東向展布，同時(shí)，由于收縮變形的不均一性，斷裂發(fā)育受到北西向調(diào)節(jié)，在造山運(yùn)動(dòng)后期受到近東西向擠壓應(yīng)力影響，造成少部分?jǐn)嗔殉时蔽飨蛘共?。?gòu)造帶內(nèi)發(fā)育有壓扭斷層、逆斷層、逆沖斷層和走滑斷層，斷裂主要分布于焦石壩背斜兩翼與梓里場(chǎng)背斜西翼位置。五峰組底界斷層密度為0.57條/km，斷距為0.2～2.69 km，延伸長(zhǎng)度為10～50 km。主控?cái)鄬訛辇R岳山壓扭斷層、烏江斷層與大耳山走滑斷層(圖4)，焦石壩背斜東翼和梓里場(chǎng)背斜西翼斷裂斷開層位多為二疊系龍?zhí)督M到奧陶系五峰組和寒武系地層；焦石壩背斜西翼天臺(tái)場(chǎng)斷層附近斷裂發(fā)育于奧陶系五峰組內(nèi)。

圖4 焦石壩構(gòu)造帶奧陶系五峰組底界斷裂分布圖

2.1.3 構(gòu)造演化

在中燕山期，江南—雪峰方向的南東向北西的推覆作用移動(dòng)到盆內(nèi)緣構(gòu)造帶，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)劇烈，基本形成現(xiàn)今構(gòu)造格局。隨著擠壓應(yīng)力逐漸變強(qiáng)，在中燕山期烏江斷層北部基底斷層沿前寒武系發(fā)生斷滑作用，使焦石壩褶皺隆起變形，形成箱狀背斜，并在背斜東翼靠近方斗山斷層處形成緊閉向斜層；而烏江斷層南部地區(qū)由于石門2 號(hào)斷層發(fā)生沖斷作用，發(fā)育形成斷展褶皺，并發(fā)育一系列傾向南東的小型逆斷層，同時(shí)方斗山斷層和齊岳山斷層以東地層進(jìn)一步抬升到地表，產(chǎn)生輕微剝蝕。焦石壩地區(qū)隆升變形時(shí)間為85 Ma，構(gòu)造區(qū)東部發(fā)生劇烈變形，構(gòu)造變形表現(xiàn)為自東向西的擴(kuò)展模式。

2.1.4 剝蝕量

盆內(nèi)緣構(gòu)造帶出露地層以中生界三疊系、侏羅系及下白堊統(tǒng)為主，從南東向北西出露地層由老至新、隆升剝蝕逐漸劇烈。研究區(qū)位于齊岳山斷層以西，地層層系發(fā)育較全，在構(gòu)造活動(dòng)中受改造作用較弱[17]，很少發(fā)生地層抬升剝蝕。自晚白堊世以來，焦石壩背斜與梓里場(chǎng)背斜的地層剝蝕量均約為3500～4800 m。

2.2 武隆構(gòu)造帶

東部盆外緣武隆構(gòu)造帶位于湘鄂西斷褶帶的恩施—利川斷褶帶內(nèi)，受前寒武系滑脫層控制，為湘鄂西—川東前展式構(gòu)造的擠壓褶皺帶，也是湘鄂西與武陵山斷褶的過渡帶，主要發(fā)育殘留向斜構(gòu)造（表1）。

2.2.1 構(gòu)造特征

武隆向斜位于大耳山茶園斷層以東，整體呈北東向，由胡家園斷層所分割成東西兩個(gè)走向與形態(tài)不盡一致的殘留向斜。武隆東向斜核部地層平緩而開闊，兩翼地層傾角小，為圓弧型。武隆西向斜轉(zhuǎn)折端為似箱狀，平面上呈三角形形態(tài)，兩翼變陡且北西翼傾角大于南東翼(圖5)。

圖5 武隆向斜地質(zhì)剖面

2.2.2 構(gòu)造演化

對(duì)于盆外緣構(gòu)造帶，武隆向斜北東向構(gòu)造發(fā)育于中燕山期，是江南隆起構(gòu)造域早中燕山期的產(chǎn)物。中燕山末期形成發(fā)育南北向以及北西向構(gòu)造，并疊加于早期北東向構(gòu)造之上。晚白堊世開始，區(qū)內(nèi)有張性構(gòu)造形成，但構(gòu)造作用較弱。由于受到江南—雪峰陸內(nèi)造山運(yùn)動(dòng)的南東—北西向的擠壓應(yīng)力，武隆向斜的抬升期略早于盆內(nèi)緣構(gòu)造帶，構(gòu)造變形的開始時(shí)間約為90 Ma。

2.2.3 剝蝕量

武隆地區(qū)位于湘鄂西斷褶帶的西部，地表主要出露有震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系、侏羅系以及白堊系。由于地層連續(xù)性差，且受到較為強(qiáng)烈的改造作用，導(dǎo)致高強(qiáng)度的抬升剝蝕(剝蝕量為1750～6750m)。

2.2.4 斷裂展布

受兩期構(gòu)造的疊加作用，武隆向斜中發(fā)育兩個(gè)方向的斷裂體系：北東向與近南北向，其中，北東向斷層主要分布于武隆東向斜，而近南北向斷層主要分布于武隆西向斜翼部。研究區(qū)龍馬溪組底部斷層密度為0.33 條/km，多為逆斷層。斷裂延伸長(zhǎng)度在2 km 以上、最長(zhǎng)超過20 km，斷距為90～1500 m。另外，斷層多由震旦系斷開至志留系和三疊系，斷開層位由寒武系至地表的斷層多分布于武隆西向斜(圖6)。研究區(qū)內(nèi)主要斷層為近南北向的逆斷層——胡家園斷層，延伸長(zhǎng)度24.7 km。

圖6 武隆地區(qū)龍馬溪組底界構(gòu)造等值線圖

3 富氣特征差異性

頁巖氣的富集主要取決于頁巖儲(chǔ)層的含氣性與封閉性，其中含氣性與頁巖氣儲(chǔ)層厚度、TOC 以及Ro等地球化學(xué)特征有關(guān)，而頁巖氣的封閉性則受斷裂、埋深、層理面正應(yīng)力等因素影響。下面從以上兩方面分析焦石壩構(gòu)造帶與武隆構(gòu)造帶的頁巖氣富集差異（表2）。

表2 焦石壩—武隆地區(qū)典型構(gòu)造帶頁巖氣參數(shù)對(duì)比表

3.1 焦石壩構(gòu)造帶含氣性特征

川東—湘鄂西地區(qū)內(nèi)五峰—龍馬溪組地層主要為黑色碳質(zhì)頁巖，屬于深水陸棚沉積環(huán)境，有穩(wěn)定的烴源巖來源，但由于不同構(gòu)造帶發(fā)生構(gòu)造改造的期次不同、強(qiáng)度不同，頁巖氣目的層的厚度及其他地球化學(xué)特征有一定差異，導(dǎo)致含氣量有所不同。

焦石壩構(gòu)造帶中五峰—龍馬溪組中TOC 大于2%的頁巖厚度為30～38 m，TOC 普遍較高，最高達(dá)到7.13%，Ro為2.4%～2.8%。依據(jù)優(yōu)質(zhì)烴源巖TOC 不低于1.5%的標(biāo)準(zhǔn)，在JY1 井的勘探中發(fā)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層厚度達(dá)到38 m，其TOC 為3.56%，Ro為2.5%，含氣量為5～10 m3/t，地層壓力系數(shù)為1.55。

3.2 武隆構(gòu)造帶含氣性特征

武隆構(gòu)造帶中TOC 大于2%的頁巖厚度為32～40 m，TOC 為3.91%～4.50%，Ro為2.5%～2.7%。LY1 井優(yōu)質(zhì)頁巖厚度達(dá)到32 m，TOC 為4.4%，Ro為2.54%，現(xiàn)場(chǎng)分析含氣量為2.38 m3/t，測(cè)井解釋總含氣量達(dá)5.70 m3/t；LY2 井優(yōu)質(zhì)頁巖厚35.3 m，TOC 為4.5%，Ro為2.85%，現(xiàn)場(chǎng)分析含氣量為3.3 m3/t。整體上JY1井的優(yōu)質(zhì)頁巖厚度、有機(jī)質(zhì)TOC 以及含氣量均與LY1井差距較小，武隆構(gòu)造帶內(nèi)的頁巖氣儲(chǔ)層厚度與含氣量稍低于焦石壩構(gòu)造帶，而TOC則高于焦石壩構(gòu)造帶。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，JY1井初始日產(chǎn)量為20.3×104m3，LY1井壓裂后獲日產(chǎn)氣4.5×104～6.0×104m3。綜合LY1井的含氣量及組成可知，總含氣量相對(duì)較低、TOC高，而且地層壓力系數(shù)為常壓系數(shù)（1.08），JY1井為高壓地層，故焦石壩構(gòu)造帶的頁巖氣產(chǎn)量高于武隆構(gòu)造帶。

4 保存條件主控因素差異性分析

為明確不同構(gòu)造區(qū)塊對(duì)于頁巖氣富集的影響，結(jié)合前文對(duì)于研究區(qū)內(nèi)的富氣構(gòu)造特征與頁巖氣富集特征，總結(jié)3 種焦石壩—武隆地區(qū)內(nèi)頁巖氣富集差異構(gòu)造模式，并分析不同構(gòu)造帶內(nèi)的富氣構(gòu)造保存條件主控因素。

4.1 正向構(gòu)造頁巖氣藏

4.1.1 箱狀背斜

箱狀背斜型頁巖氣藏主要分布于焦石壩地區(qū)東北部背斜帶，埋深一般為2000～3000 m，由于其核部遭受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度不劇烈，甚少發(fā)育斷裂，兩翼較陡，在褶皺轉(zhuǎn)折端向兩翼過渡處的軸面位置易形成斷裂，即箱狀背斜中，轉(zhuǎn)折端處變形較弱，而變形主要集中于兩個(gè)軸面處，同時(shí)在軸面外緣，還易于派生小型正斷層。構(gòu)造整體形似箱子，頁巖氣儲(chǔ)層壓力系數(shù)較高，地層孔隙度適中，頁巖氣分子儲(chǔ)存于構(gòu)造轉(zhuǎn)折處頁巖氣層中，不易發(fā)生逸散，翼部在擠壓環(huán)境下裂縫發(fā)育，在裂縫、斷層中存在游離氣的運(yùn)移聚集。故箱狀背斜的主要逸散方式為翼部穿層逸散，箱狀背斜的兩個(gè)軸面處斷層與裂縫是制約保存的主要控制因素。焦石壩背斜中的頁巖氣儲(chǔ)層具有兩翼陡、轉(zhuǎn)折端近乎水平的特征，且轉(zhuǎn)折端不發(fā)育斷裂，頁巖氣保存條件最好。在發(fā)育過程中，焦石壩背斜的東、西兩側(cè)軸面處應(yīng)力集中，發(fā)育逆斷層(大耳山斷層、吊水巖2 號(hào)斷層、天臺(tái)場(chǎng)斷層)，背斜核部斷裂密度低、規(guī)模小，保存條件良好(圖7)。JY1井位于焦石壩背斜核部，鉆井資料表明焦石壩背斜構(gòu)造中水平井全烴高(20%～30%)、含氣飽和度高(69%)、孔隙度適中(4.85%)、屬于高壓地層(地層壓力系數(shù)1.55)，實(shí)際產(chǎn)量達(dá)到2.03×104m3/d。

圖7 箱狀背斜型頁巖氣藏保存模式

4.1.2 圓弧狀背斜

圓弧狀背斜屬于正向構(gòu)造，在焦石壩構(gòu)造帶西南部發(fā)育弱改造型圓弧狀背斜（梓里場(chǎng)背斜），埋深為2200～3500 m。弱改造圓弧狀背斜在縱彎褶皺發(fā)育過程中派生裂縫極為發(fā)育，因此弱改造圓弧狀背斜只要褶皺曲率到達(dá)一定程度，就會(huì)在轉(zhuǎn)折端發(fā)育派生張節(jié)理，頁巖氣易發(fā)生穿層逸散，故弱改造型背斜的斷層、由背斜曲率控制的派生張性結(jié)構(gòu)是制約保存的主要控制因素(圖8)。JY-C 井優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲(chǔ)層中含氣量介于2.25～6.48 m3/t，平均值為3.05 m3/t，孔隙度較低，僅為0.76%[14]，梓里場(chǎng)背斜中發(fā)育有大量裂縫，在構(gòu)造西翼有斷層發(fā)育，影響了頁巖氣的保存。在實(shí)測(cè)中井口壓力較低，試氣時(shí)產(chǎn)量無法測(cè)出。

圖8 弱改造型圓弧背斜型頁巖氣藏保存模式

4.2 負(fù)向構(gòu)造頁巖氣藏

在武隆構(gòu)造帶中主要發(fā)育殘留向斜構(gòu)造，如武隆東向斜與武隆西向斜。負(fù)向構(gòu)造單元中頁巖氣保存需要良好的頂、底封蓋、側(cè)緣遮擋，同時(shí)頁巖氣儲(chǔ)層的埋深與周緣斷裂也是重要影響因素(圖9)。武隆向斜埋深為250～5250 m，斷裂不發(fā)育，川東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲(chǔ)層頂板為龍馬溪組上段泥頁巖、含砂泥頁巖，底板為臨湘組和寶塔組灰?guī)r。武隆地區(qū)頁巖氣的勘探證實(shí)，龍馬溪組之上的小河壩組(石牛欄組)的泥頁巖和中志留統(tǒng)韓家店組的泥頁巖是較好的蓋層，對(duì)封閉龍馬溪組頁巖層系的天然氣、減緩其逸散十分有利。臨湘組—寶塔組為致密灰?guī)r，空間分布穩(wěn)定，厚度為30～50 m，可作良好的底板。武隆東向斜核部地層傾角為20o～25°，于兩翼處變陡。武隆西向斜核部西部地層平緩，地層傾角為30°，兩翼地層傾角為10o～20°。于向斜中部署的LY1 井目的層頁理面上正應(yīng)力為65 MPa，LY2井目的層頁理面上正應(yīng)力為58 MPa，含氣量較低，水平井全烴低(分別為12%、5%)，屬于常壓氣藏(地層壓力系數(shù)分別為1.08、1.02)，壓裂后產(chǎn)量較低。

圖9 殘留向斜型頁巖氣藏保存模式

在向斜構(gòu)造中游離氣可沿頁理順層逸散，因此宏觀上殘留向斜構(gòu)造相對(duì)于背斜構(gòu)造不利于頁巖氣的保存[25-26]。在殘留向斜構(gòu)造中頁巖氣的主要逸散方式是順層逸散與穿層逸散。一方面，若頁理面中的排氣壓力大，則可形成較好的毛細(xì)管側(cè)向遮擋，也可形成較好的保存條件。另一方面，若頁理面上正應(yīng)力大，相對(duì)于順層逸散體系被封閉了，故頁理面上的正應(yīng)力如果超過流體壓力則頁理封閉。對(duì)于斷層而言，由于斷面受到較強(qiáng)的擠壓應(yīng)力，封閉性能較好。其中頁理面上正應(yīng)力與巖層埋深和巖層傾角密切相關(guān)。緊閉向斜兩翼傾角較大，頁理面上正應(yīng)力小，而寬緩向斜兩翼傾角小，頁理面上正應(yīng)力大。綜上，頁理面上正應(yīng)力主要取決于巖層傾角和埋深，因此在殘留向斜構(gòu)造樣式中，巖層傾角和埋深是頁巖氣保存條件的主控因素。

4.3 頁巖氣保存特征與保存條件評(píng)價(jià)

在頁巖氣儲(chǔ)層具有一定含氣量的基礎(chǔ)上，頁巖氣的富集與逸散密不可分，在劇烈的地質(zhì)活動(dòng)中地層隆起剝蝕，使頁巖氣目的層地層壓力降低，大量吸附氣解離，游離氣得以運(yùn)移，并且沿頁理、裂縫和斷層等通道發(fā)生逸散。常規(guī)頁巖氣逸散方式主要有順層逸散和穿層逸散兩種，即橫向順層沿頁理面、垂向沿裂縫或斷裂逸散。

焦石壩箱狀背斜與梓里場(chǎng)圓弧狀背斜均為正向構(gòu)造，蓋層完整，三疊系出露。JY1井優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲(chǔ)層埋深為2415 m，地層壓力系數(shù)為1.55。梓里場(chǎng)背斜核部JY-C 井頁巖氣儲(chǔ)層埋深為3240 m，地層壓力系數(shù)較小。對(duì)于正向構(gòu)造單元，游離氣在運(yùn)移中將聚集到構(gòu)造高點(diǎn)，不會(huì)發(fā)生順層逸散，順層封閉性好。影響頁巖氣垂向保存的因素主要有斷層發(fā)育位置、斷層性質(zhì)、延伸長(zhǎng)度、斷距、斷面傾角等。焦石壩構(gòu)造帶整體斷層不發(fā)育，斷層密度低，斷開層位一般為寒武系、奧陶系，基本不達(dá)到蓋層；構(gòu)造帶內(nèi)逆斷層數(shù)量較多，其次為壓扭斷層，斷面正應(yīng)力較大；除個(gè)別主控?cái)鄬油鈹鄬友由扉L(zhǎng)度普遍為10～25 km，傾角為40o～80°，斷層斷距范圍為 0.2～2.69 km，斷距為斷層活動(dòng)強(qiáng)度的直接體現(xiàn)，即斷距越小，斷層越趨向封閉。故盆內(nèi)緣構(gòu)造帶內(nèi)斷裂封閉性好，不易發(fā)生頁巖氣穿層逸散。對(duì)于圓弧狀背斜，其較箱狀背斜形態(tài)更緊閉，巖層彎曲程度更大，更易在背斜核部區(qū)域形成“V”型張裂縫，相對(duì)于箱狀背斜斷裂更發(fā)育，更易發(fā)生垂向逸散。

武隆構(gòu)造帶中主要分布負(fù)向構(gòu)造單元，構(gòu)造帶內(nèi)大斷裂較少，僅有1 條，主要發(fā)育逆斷層，同時(shí)復(fù)合一定扭動(dòng)特征；龍馬溪組底部斷層密度為0.3條/km，穿層封閉性較好。在負(fù)向構(gòu)造單元內(nèi)，游離氣在運(yùn)移中將沿頁理面向兩翼高處逸散，故頁理面的封閉性對(duì)于頁巖氣的保存十分重要。武隆地區(qū)頁巖氣目的層埋深為250～5250 m、巖層傾角為10o～30°，即頁巖埋深大，頁巖的地層壓力大，且頁理面上正應(yīng)力也大，從而增強(qiáng)了頁巖的吸附能力，減弱了游離氣運(yùn)移，頁巖氣不易逸散。在評(píng)價(jià)頁理封閉性時(shí)通常認(rèn)為頁理面正應(yīng)力小于50 MPa 時(shí)為開啟、50～65 MPa 時(shí)為過渡封閉、超過65 MPa 時(shí)則為封閉。武隆構(gòu)造帶頁理面正應(yīng)力為55～65 MPa，故認(rèn)為武隆向斜頁理封閉性一般，屬于過渡封閉。

在含氣頁巖一端出露地表的構(gòu)造樣式中，如負(fù)向構(gòu)造單元、斷塊，游離氣易于沿頁理面發(fā)生逸散，因此頁理封閉是向斜構(gòu)造中評(píng)判封閉性的關(guān)鍵因素。借用常規(guī)油氣勘探中“斷面正應(yīng)力大、則斷層的封閉性能好”準(zhǔn)則評(píng)價(jià)斷層封閉性，對(duì)于橫向頁理封閉可以從頁理面上的正應(yīng)力大小來考慮。在不考慮構(gòu)造作用的情況下，僅認(rèn)為頁理面正應(yīng)力由上覆巖層引起，則頁理面的正應(yīng)力主要與巖層的埋深和傾角有關(guān)。

斷裂以及裂縫發(fā)育區(qū)，會(huì)造成頁巖氣垂向逸散，因此頁巖氣的垂向封閉是復(fù)雜構(gòu)造變動(dòng)區(qū)頁巖氣富集的另一關(guān)鍵保存因素。頁巖氣的垂向封閉可以從兩個(gè)方面來評(píng)價(jià)：一是斷層裂縫不發(fā)育；二是斷層裂縫發(fā)育但是封閉。斷層裂縫不發(fā)育是最有利的封閉類型，如箱狀構(gòu)造中，轉(zhuǎn)折端處巖層近乎水平，斷層裂縫幾乎不發(fā)育，故保存條件最好。由于甲烷分子小，易于逸散，因此斷層裂縫發(fā)育區(qū)，其封閉條件要求高。因此在頁巖氣垂向封閉性的分析中，主要考慮斷層的性質(zhì)、發(fā)育程度以及發(fā)育位置等。

在評(píng)價(jià)頁巖氣的富集時(shí)，考慮到頁巖氣的逸散方式有順層和穿層兩種，通常認(rèn)為影響保存的關(guān)鍵為斷裂與層理面正應(yīng)力，即影響頁巖氣保存條件的因素有巖層傾角、埋深、斷層與裂縫等。但在不同構(gòu)造模式下，頁巖氣的主要逸散方式有很大區(qū)別，當(dāng)逸散方式不同時(shí)，相同的地質(zhì)條件對(duì)頁巖氣保存的影響程度不同。故在評(píng)價(jià)各構(gòu)造模式中頁巖氣保存條件時(shí)，應(yīng)針對(duì)其構(gòu)造特征，重點(diǎn)分析主控地質(zhì)因素，并建立不同的頁巖氣保存評(píng)價(jià)體系（表3）。

表3 焦石壩—武隆地區(qū)富氣模式與保存主控因素

箱狀背斜型頁巖氣藏的主控因素為斷層和裂縫，頁巖氣的保存條件取決于構(gòu)造中斷裂的發(fā)育位置、斷距、斷開層位等因素。圓弧狀背斜型頁巖氣保存條件的主控因素為斷層、由背斜曲率控制的派生張性結(jié)構(gòu)。在殘留向斜構(gòu)造中，巖層傾角和埋深是頁巖氣保存的主控因素（表3）。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)變形方式與構(gòu)造作用的不同，焦石壩—武隆地區(qū)可劃分為盆外緣武隆構(gòu)造帶和盆內(nèi)緣焦石壩構(gòu)造帶，其中焦石壩構(gòu)造帶受滑脫作用的控制，發(fā)育沖斷構(gòu)造、沖起構(gòu)造、扭動(dòng)構(gòu)造與疊瓦狀構(gòu)造；武隆構(gòu)造帶受擠壓作用影響，發(fā)育斷展構(gòu)造、沖起構(gòu)造。

(2)焦石壩構(gòu)造帶與武隆構(gòu)造帶的烴源巖物質(zhì)基礎(chǔ)差距較小，但焦石壩構(gòu)造帶的頁巖氣產(chǎn)量遠(yuǎn)大于武隆構(gòu)造帶，故不同構(gòu)造特征造成的保存差異是二者之間頁巖氣差異富集的主因。焦石壩構(gòu)造帶的富氣構(gòu)造有箱狀背斜和弱改造型圓弧背斜；武隆構(gòu)造帶的富氣構(gòu)造為殘留向斜；箱狀背斜和弱改造型背斜的保存方式為斷層封閉，頁巖氣逸散方式是穿層逸散；殘留向斜產(chǎn)生頁巖氣順層逸散，頁巖氣保存主要取決于頁理面的封閉性。

(3)構(gòu)造區(qū)帶劃分與構(gòu)造形態(tài)差異有關(guān)，焦石壩—武隆地區(qū)存在3種頁巖氣富集構(gòu)造模式，分析、對(duì)比不同構(gòu)造樣式的富氣構(gòu)造特征，并結(jié)合典型井位的保存條件與測(cè)試日產(chǎn)量，認(rèn)為保存條件較好的構(gòu)造樣式主要分布于焦石壩構(gòu)造帶內(nèi)，與鉆井資料一致。綜合構(gòu)造變形與富頁巖氣構(gòu)造模式差異，筆者認(rèn)為焦石壩構(gòu)造帶的頁巖氣保存條件優(yōu)于武隆構(gòu)造帶。