黔西北地区构造对下寒武统页岩气藏保存的影响

付景龙，丁文龙*，曾维特，何建华，王哲

1.中国石油华北油田勘探开发研究院，河北任丘 062552；2.中国地质大学(北京)能源学院，北京海淀 100083；

3.页岩气藏资源战略评价国土资源部重点实验室·中国地质大学(北京)，北京海淀 100083；4.海南省地质调查院，海南海口 570206

黔西北地区构造对下寒武统页岩气藏保存的影响

付景龙1，丁文龙2，3*，曾维特4，何建华2，3，王哲2，3

1.中国石油华北油田勘探开发研究院，河北任丘 062552；
2.中国地质大学(北京)能源学院，北京海淀 100083；

3.页岩气藏资源战略评价国土资源部重点实验室·中国地质大学(北京)，北京海淀 100083；
4.海南省地质调查院，海南海口 570206

针对黔西北地区构造条件的复杂性，通过对黔西北地区构造演化特征、褶皱断裂发育分布特征研究，结合本区页岩的沉积环境、厚度、TOC和Rp等，对黔西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩气藏的保存条件进行了研究，参照页岩气藏保存条件评价指标，划分出了页岩气藏保存条件的有利区。同时，对其他地区页岩气藏保存条件的研究具有重要的参考价值。认为黔西北地区褶皱断裂非常发育，发育了以隔槽式为主的褶皱和不同期次下4组走向的断裂体系，使页岩气藏的保存条件得到了不同程度的破坏。页岩气藏保存条件有利的地区主要分布在黔西北中部的大方县和黔西县大部分地区、黔西北东北部的桐梓县以及仁怀市部分地区。

黔西北地区；牛蹄塘组；页岩气藏；构造特征；保存条件

付景龙，丁文龙，曾维特，等.黔西北地区构造对下寒武统页岩气藏保存的影响[J].西南石油大学学报(自然科学版)，2016，38(5)：2232.

FU Jinglong，DING Wenlong，ZENG Weite，et al.Influence of Structure of Northwest Guizhou Area on Preservation of Lower Cambrian Shale Gas Reservoirs[J].Journal of Southwest Petroleum University(Science&Technology Edition)，2016，38(5)：2232.

引言

页岩气是一种新型的能源，其资源量极其可观，该资源的勘探开发已成为现阶段能源界热点。北美页岩气藏的成功勘探开发给中国页岩气藏勘探提供了一些经验，但是北美页岩气藏盆地构造较简单、形变较弱而页岩层热演化也较适中(以成熟高成熟演化阶段为主)，其多处在不间断供气、连续聚集成藏状态，页岩气藏易于保存[1]。所以，北美页岩气藏勘探评价的有关文献中很少提及页岩气藏保存条件。中国大陆多陆块、地块的拼合经过了多期构造运动的叠加改造和强烈的抬升剥蚀，断裂发育程度和热演化程度高，构成了页岩气藏保存条件复杂的现状。中国页岩气藏有利区构造极其复杂，稳定性较差，致使页岩地层页岩气富集条件比较复杂[23]。构造活动的破坏使得中国页岩气藏对保存条件的要求必然比美国苛刻[4]。因此，虽然中国现今对页岩气藏保存条件的研究还处于初级阶段，但页岩气藏勘探非但不能照搬美国成功的经验，而且在开展页岩气藏试验区评价时更要重视页岩气藏保存条件的控制作用。贵州西北部的下寒武统牛蹄塘组富有机质黑色页岩具有良好的页岩气藏形成条件，但因该地区受到多期次强烈构造变动的影响，褶皱和断裂非常发育，在该地区开展页岩气藏研究工作时，页岩气藏的保存条件评价就变成了一项非常重要的内容。

本文针对黔西北地区构造条件的复杂性，通过对黔西北地区构造演化特征、褶皱断裂发育分布特征进行详细研究，并结合研究区页岩的沉积环境、页岩沉积厚度、TOC和Rp等，对黔西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩气藏的保存条件进行了研究，划分出了页岩气藏保存条件的有利区。

1 地质概况

黔西北地区在大地构造上处于扬子陆块内部，其构造单元包括：黔中隆起大部地区、滇黔北拗陷的东南部地区和川南拗陷的东南局部地区(图1，图2)。

图1 黔西北地区区域构造位置图Fig.1Region tectonic location of Nothwest Guizhou

研究区经历的地壳演化可以分为3个阶段：(1)Pt2晚期O2期，经历了从陆缘大洋到大陆的地质发展阶段；(2)O3T3中期，经历了大陆扩张的地质发展阶段，其中，O3D为拉张上隆环境，属于裂前拱起阶段；D T3中期主要为拉张沉陷环境，而在P1末之前属裂陷构造阶段，其后则属裂谷发育阶段，包括裂谷从扩张到沉陷以至消亡的整个过程；(3)Mz Kz(自T3晚期以来)期，经历了太平洋板块和印度板块向欧亚板块俯冲的地质发展阶段。

图2 黔西北及周缘地区构造单元图Fig.2Tectonic unit of Nothwest Guizhou and periphety

研究区随着扬子准地台由加里东构造阶段发展到海西印支构造阶段，整个地台从构造稳定区逐渐转化为大陆扩张区，直到燕山喜马拉雅构造阶段才发展为滨太平洋活动带[56]。稳定地台盖层形成时期(Z O2)，大面积的海侵造成该地区下寒武统牛蹄塘组与上震旦统灯影组呈假整合接触，揭示了黔西北的沉积相由灯影组的台地相转化为台盆过渡相。下寒武统牛蹄塘组以黑色炭质泥页岩为主，下部为硅质岩，代表深水环境，底部有磷块岩，代表着饥饿沉积环境，牛蹄塘组的炭质、硅质页岩是凝缩沉积的结果。下寒武统牛蹄塘组黑色泥页岩单层厚度大、TOC值高、Rp值高，是贵州西北部页岩气藏勘探开发的优选层系。

2 构造特征

黔西北地区褶皱、断裂非常发育(图3)。褶皱大体走向北东、北北东，仅西部有少数北西向分布，普遍呈隔槽式。分布多个走向相互切割、联合干扰的断裂，其走向以北东向和北北东向为主，局部地区走向东西和北西。多期次的构造运动，导致古断裂活化形成不同走向断裂非常复杂的切割关系。背斜构造带常发育伴生断层，而地层多沿着断裂带走向展布可以表明褶皱与断裂的发育程度对该地区地层展布有很明显的控制作用。由于黔西北地区差异较大的构造环境以及地层岩性的迥异，在后期风化剥蚀作用的不断改造下，易形成“向斜成山，背斜成谷”的地貌特征。

由图3可知，整个黔西北地区构造变形中，褶皱常呈“S”形或反“S”形，揭示了该地区以挤压变形为主，兼有走滑性质的构造变形特点。由于受不同期次构造活动长期的相互干扰和叠加的改造，最终呈现出目前该地区褶皱、断层发育以及组合形态较复杂的构造景观。

图3 黔西北地区地质构造纲要简图Fig.3Geological outline sketch of Nothwest Guizhou

3 页岩基本地质特征及构造活动对页岩气藏保存条件的影响

3.1 页岩基本地质特征

黔西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩的埋深由北西向东南方向逐渐变浅，其中，在毕节仁怀桐梓新站一线为最深，达到6 700 m左右。在习水地区达到黔西北地区埋深最大值，约9 900 m，向西南方向逐渐减小到1 600 m左右。受后期构造运动影响，黔中隆起及其周缘下寒武统牛蹄塘组页岩埋深减小，且深度值差异较大。在狭窄向斜区，地层倾角较大、埋深大，而在宽缓背斜区，地层倾角相对较小、埋深小；埋深同样受断层控制，尤其在同沉积断层的下降盘，埋藏深度明显较大[78]。贵州地区下寒武统牛蹄塘组页岩发育广泛，沉积以黔西修文一带为中心，沉积最厚可达60 m，牛蹄塘组页岩厚度由沉积中心向北、向南、向西南逐渐减薄[8]。根据对研究区所采集样品的地化实验数据可知，该地区有机碳含量较高的下寒武统牛蹄塘组页岩主要位于页岩的沉积中心，即黔西地区，有机碳含量超过6.0%。整个黔西北地区页岩有机碳含量表现出以高值点为中心向四周呈环状逐渐降低的趋势。该地区有机质成熟度高值区位于大方织金一带，大于4.0%，由此向西南、东北方向其值逐渐减小，至金沙岩孔一带达到最低值，约2.8%，但在该地区东北部遵义至习水地区有机质成熟度又逐渐增大到约3.6%，属于高成熟过成熟(图4)。由此可见，黔西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩具有较好的页岩气藏物质基础，是黔西北地区页岩气藏勘探开发优选的层位。而该地区的下寒武统牛蹄塘组页岩经过了8期比较大的构造运动，特别是燕山、喜马拉雅期运动，对页岩气藏成藏及其保存造成了巨大的影响。页岩气藏能否保存住是页岩气藏勘探开发的关键，因此，对黔西北地区保存条件评价的研究就显得非常重要。

图4 黔西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩厚度、TOC和Rp叠合图Fig.4Overlap picture of shale thickness，TOC and Rpin the lower Cambrian Niutitang Formation of northwest Guizhou

3.2 构造活动对页岩气藏保存条件的影响

构造活动对页岩气藏保存条件有非常重要的影响。构造活动通过控制泥页岩的沉积、成岩作用和成岩期后的构造作用控制页岩气藏保存[9]。通常稳定构造区和压性应力场区对页岩气藏保存有利，而活动构造区和张性应力场区则不利于页岩气藏的保存。虽然页岩的吸附能力强，具有一定抗破坏能力，但是黔西北受多期次、强烈构造破坏，页岩气藏就可能遭到破坏甚至被完全破坏。在一些构造活动强烈的地区原先保存有页岩气藏，但是由于后期温压条件的改变，会产生大量断裂和宏观裂缝，导致页岩气藏散失掉[10—11]。区域性地质构造运动产生的大型断裂更是使页岩气藏遭到严重破坏。

3.2.1 褶皱对页岩气藏保存条件的影响

褶皱对页岩气藏保存的控制主要体现在褶皱强度的高低、规模和样式上。褶皱强度低的地区页岩气藏保存条件较好；强度高的地区，特别是高陡构造褶皱带，背斜轴部易被剥蚀，向斜地层倾角陡、渗入水水力坡度大，可以破坏到较深的页岩层，并伴生发育一些叠瓦状逆冲断层及宏观裂缝，使页岩气藏遭到破坏。大量的研究表明，褶皱发育区的宽向斜区，页岩气藏保存条件较好[12]。规模大的紧密褶皱地区，其岩层往往形成屏障，利于页岩气藏保存且向斜比背斜保存条件好。封闭条件较好的中型褶皱，背斜保存条件好，如潜伏背斜；封闭条件较差的中型褶皱，向斜保存条件好[13]。

黔西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩沉积后先后经历了都匀运动、广西运动、紫云运动、黔桂运动、东吴运动、安源运动、燕山运动和喜马拉雅运动8个期次构造运动的作用[6]。

都匀运动时期，黔西北地区发生了大面积的抬升，形成一些极为宽缓的褶皱和断裂，平缓褶皱方向为近东西向和近南北向，其中规模较大的为黔中背斜(图5)。

在广西运动时期，发育宽缓的褶皱和大量小规模的断裂，褶皱仍以黔中背斜为主，断裂以北东、北西向两组占有相当重要的地位(图6)。

紫云运动时期，Pz2岩石圈张裂沉陷不均，发生大面积相对上升，发育了少量极平缓的褶曲，黔中背斜仍有表现。

黔桂运动时期，仍为岩石圈张裂沉陷不均，但仅有部分地块发生间歇性相对抬升。

东吴运动时期，岩石圈断陷达到了上地幔，除了有玄武岩大量喷发外，还有大量同源辉绿岩床和岩墙侵入。在岩浆的侵入区，黔西北下寒武统牛蹄塘组页岩气藏保存条件遭到了极大的破坏。

安源运动时期，处于一个北东向的平缓向斜构造带之中。

图5 黔西北地区都匀运动界面底板地质略图Fig.5Duyun movement interfacial bottom geological sketch of Northwest Guizhou

图6 黔西北地区广西运动界面底板地质略图Fig.6Guangxi movement interfacial bottom geological sketch of Northwest Guizhou

燕山运动时期，太平洋板块对欧亚板块斜向俯冲形成滨太平洋活动构造带，使黔西北地区进入很重要的一次造山运动，晚白垩世之前的地层普遍发生了褶皱与断裂构造，并因此奠定了现今该地区地质构造和地貌发育的基础[14]。

喜马拉雅运动时期，构造运动的发生与印度板块和太平洋板块对欧亚板块的俯冲作用有紧密的联系。

经过8个期次的构造作用，特别是黔桂期、燕山和喜马拉雅期构造运动，使黔西北地区广泛发育了呈箱状宽阔舒缓背斜和呈紧密槽状狭窄向斜的隔槽式褶皱，造成黔西北一些地区的下寒武统牛蹄塘组页岩气藏的保存条件受到严重的破坏。

3.2.2 断层对页岩气藏保存条件的影响

断层对页岩气藏保存条件的影响主要取决于断层的封闭性，即纵向上断层两盘对置层中的页岩气藏能否穿过断面运移和垂向上页岩气藏能否顺断面作垂向运移[15]。影响断层封闭性的主要因素包括：断层的性质、断层断距、断层上消失层位、断面倾角以及断层两侧开启性强弱等。

在压应力场下发育的逆掩断层、逆冲断层等具有很好的封闭性，而张应力场下发育的张性断裂则不利于页岩气藏的保存。断层断距大，应力作用强的地区页岩气藏保存条件差[16]。断层上消失不同层位也会影响页岩气藏保存，特别是断层导致两侧层位岩性的变化，可能破坏页岩气藏保存。倾角小的断面在较大的上覆岩体应力作用下，断面和裂缝闭合，改善了页岩气藏成藏的封闭条件。相反的，倾角大的断面，对页岩气藏保存条件具有破坏作用。陡断层的视断距与垂直断距接近，两侧开启程度强，断开部分或全部盖层的几率大[17]，对页岩气藏的保存不利(图7a)。反之，缓断层开启程度弱，两条断层视断距相同，垂直断距小的那个断层在垂向上两侧同一岩层错开的距离小，盖层垂向因错位而失去封闭能力的几率小，对页岩气藏的保存产生破坏的几率也小(图7b)。

图7 断层两侧及其开启性对页岩气藏保存条件影响示意图Fig.7Schematic diagram of influence of fault bilateral and their opening resistance to shale gas reservoir

黔西北地区的断裂非常复杂，以压性和压扭性逆断层断裂为主，同时存在一些平移断层和张性正断层。虽然该地区断裂发育很复杂，但其在总体上具有明显的阶段性。

对研究区断裂发育影响较大的几期构造运动主要有都匀、广西、燕山和喜马拉雅构造运动。该地区早期都匀运动发育了规模较小的断裂，进而经过广西运动的局部改造至燕山、喜马拉雅运动的剧烈构造作用，发育了不同方向互相切割、错综复杂的断裂。从不同的断裂走向着手，将黔西北地区的断裂体系划分为东西向、北西向、北北东、北东向4组，每组断裂体系的分布与主要形成期有较大差异[18—19]。

该地区东西向断裂体系主要分布在南部，主要形成在都匀运动时期(O3S1)，沿施秉织金一线分布。此方向的断裂有切割后期断裂形成的迹象，说明其在燕山期、甚至在喜马拉雅期仍有活动。该地区北西向断裂体系主要分布在西部地区，形成于晚志留世末的广西运动时期，发育较少，对页岩气藏保存条件的影响相对较弱。在太平洋板块斜向俯冲亚洲大陆构造活动影响下形成的北北东向断裂体系主要分布在黔西北地区的西北和东南部，分布较为广泛，形成时期为燕山运动时期(T3K2)，其断裂性质以压扭性为主。北东向断裂体系是黔西北地区最发育的断裂体系，北部和南部均有发育，且南部极其发育，而中部黔中隆起核心地区该断裂体系较不发育。该断裂体系为都匀运动、广西运动和燕山运动多期次运动形成的复杂断裂体系(图8)。

由此可知，该地区断裂体系以北北东和北东向为主，特别是北东向断裂体系，继承性的断裂活动，对页岩气藏的保存十分不利。

图8 黔西北地区断裂体系图Fig.8Fault system figure of Northwest Guizhou

4 页岩气藏保存条件有利区

表1 页岩气藏保存条件评价指标[20—21]Tab.1Evaluation index of preservation condition of shale gas reservoir

根据黔西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩基本地质特征、沉积期和沉积期后构造演化特征、断裂发育体系和褶皱断层性质，考虑其对页岩气藏保存条件的影响，参照表1的页岩气藏保存条件评价指标，划分出了页岩气藏保存条件有利区(图9)。

由图9可知，黔西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩气藏保存条件最有利的地区分布在毕节市朱昌镇地区，大方县双山镇、高店乡、东关乡和达溪镇大寨村地区，黔西县的甘棠乡、永燊彝族苗族乡、定新彝族苗族乡、中坪镇和重新镇地区，桐梓县燎原镇地区，仁怀市的学孔乡、喜头镇地区，遵义县的芝麻镇地区。黔西北的其他地区，在以上地区附近较小区域与习水县城、习水县的东皇镇、良村镇、寨坝镇、丁山镇地区和赤水市的官渡镇、长期镇、长沙镇、旺隆镇、九支镇、天台镇、复兴镇、大同镇地区下寒武统牛蹄塘组页岩气藏保存条件较好，其他大部分地区页岩气藏保存条件差。

图9 黔西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩气藏保存评价图Fig.9Evaluation of preservation of shale gas reservoirs in the Lower Cambrian Niutitang Formation of Northwest Guizhou

5 结论

(1)黔西北地区褶皱以北东向、北北东向为主，西部地区有少数北西向分布。断裂具有多个走向的断裂相互切割、联合和干扰的特点。下寒武统牛蹄塘组以黑色炭质泥页岩为主，下部为硅质岩，黑色富有机质泥页岩单层厚度大、TOC含量高、Rp高，是黔西北地区页岩气藏勘探开发的优选层系。

(2)黔西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩经过8个期次的构造作用，特别是黔桂期、燕山和喜马拉雅期构造运动，使黔西北地区广泛发育了呈箱状宽阔舒缓背斜和呈紧密槽状狭窄向斜的隔槽式褶皱，造成黔西北一些地区的下寒武统牛蹄塘组页岩气藏的保存条件受到严重的破坏。研究区发育的东西向、北西向、北北东向和北东向4组断裂体系对页岩气藏有不同程度的影响，特别是一些地区发育的北东向断裂体系，继承性的断裂活动，对页岩气藏的保存十分不利。

(3)根据页岩气藏的沉积情况、构造演化特征、褶皱断裂发育情况，参照页岩气藏保存条件评价指标，划分出了黔西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩气藏保存条件的有利区。其中最有利的地区分布在黔中的大方县和黔西县的大部分地区、桐梓县部分地区以及仁怀部分地区。

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付景龙，1987年生，男，汉族，安徽砀山人，硕士，主要从事石油构造分析、页岩气藏构造和裂缝及其与含气量关系等方面的研究。E-mail：fujinglong110@163.com

丁文龙，1965年生，男，汉族，河南南阳人，教授，博士生导师，主要从事石油构造分析与控油作用、页岩气藏构造和裂缝及其与含气量关系等方面的教学与研究。E-mail：dingwenlong2006@126.com

曾维特，1986年生，男，汉族，海南澄迈人，博士，主要从事石油构造分析和非常规油气地质勘探研究工作。E-mail：zengweite@126.com

何建华，1990年生，男，汉族，湖北荆州人，博士研究生，主要从事石油构造分析、非常规油气构造和裂缝及其与含气量关系等方面的研究。E-mail：hejianhuadizhi@163.com

王哲，1987年生，男，汉族，山东淄博人，硕士研究生，主要从事石油构造分析、非常规油气构造和裂缝及其与含气量关系等方面的研究。E-mail：Shiyougege@126.com

编辑：张云云

编辑部网址：http：//zk.swpuxb.com

Influence of Structure of Northwest Guizhou Area on Preservation of Lower Cambrian Shale Gas Reservoirs

FU Jinglong1，DING Wenlong2，3*，ZENG Weite4，HE Jianhua2，3，WANG Zhe2，3
1.Exploration and Development Research Institute of Huabei Oilfield，PetroChina，Renqiu，Hebei 062552，China；2.School of Energy Resources，China University of Geosciences(Beijing)，Haidian，Beijing 100083，China；3.Key Laboratory for Shale Gas Exploitation and Assessment，Ministry of Land and Resources，China University of Geosciences(Beijing)，Haidian，Beijing 100083，China；4.Hainan Institute of Geological Survey，Haikou，Hainan 570206，China

Tectonic conditions of Northwest Guizhouare highly complex.The preservation conditions of shale gas reservoirs in Lower Cambrian Niutitang Formation are studied and the favorable preservation condition areas of the shale gas reservoirs are divided with reference to shale gas reservoirs'preservation condition evaluation index.Combined with the tectonic evolution，the development and distribution characteristics of folds and faults，the shale sedimentary environment and thickness，the organic carbon content and the organic matter maturity，etc.in Northwest，Guizhou.Preservation conditions of shale gas reservoirs have important reference values in other areas.The folds and faultsare highly developed in Northwest，Guizhou.The foldsaremainlytrough-likefolds，and the faultshave four groups off aultsystemsat different stages and trends.The preservation conditions of shale gas reservoirs are destroyed at different degrees by the above reasons.The favorable preservation condition areas of the shale gas reservoirs are mainly distributed in most parts of the Dafang and Qianxi County in Central of Northwest Guizhou，and some parts of the Tongzi County and Renhuai City in the northeast of Northwest Guizhou.

northwest Guizhou；Niutitang Formation；shale gas reservoirs；structural characteristics；preservation condition

10.11885/j.issn.16745086.2015.01.08.02

16745086(2016)05002211

TE122

A

http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1718.TE.20161010.1656.018.html

20150108

时间：20161010

丁文龙，E-mail：dingwenlong2006@126.com

国家自然科学基金(41072098，41372139)；国家科技重大专项(2011ZX05018001002，2011ZX05009002205)；全国油气资源战略选区调查与评价国家专项(2009GYXQ 15)。