复杂构造背景区页岩气富集条件研究——以大巴山前缘地区为例

康建威，林小兵，余 谦，田景春，门玉澎，闫剑飞，林家善，孙媛媛

(1.成都理工大学 沉积地质研究院，成都 610059； 2.成都地质调查中心，成都 610081)



复杂构造背景区页岩气富集条件研究
——以大巴山前缘地区为例

康建威1,2，林小兵1，余 谦2，田景春1，门玉澎2，闫剑飞2，林家善2，孙媛媛2

(1.成都理工大学 沉积地质研究院，成都 610059； 2.成都地质调查中心，成都 610081)

通过大巴山前缘地区五峰—龙马溪组富有机质泥岩的野外露头、钻井、岩心等资料的研究，对一系列岩石样品进行了显微薄片、扫描电镜、有机地化、孔渗性、比表面积、含气性解析等多项实验测试分析，对五峰—龙马溪组页岩气的富集条件进行了综合研究。结果表明：大巴山前缘地区富有机质泥岩总体处在浅水—深水陆棚沉积环境下，其沉积厚度在40～70 m左右，平均有机碳含量大于2%；有机质类型为腐泥型Ⅰ型干酪根，有机质成熟度多数为0.82%～3.04%，达到高—过成熟阶段；低渗透—低孔特征，并发育多种微观空隙结构。典型钻井解剖分析认为，页岩气保存条件是该区富集条件中最为关键的因素；未被断裂破坏的箱状背斜是最为有利的构造保存条件。

富有机质泥岩；页岩气富集条件；构造复杂区；五峰—龙马溪组；大巴山前缘

近期，位于四川盆地边缘构造复杂区的贵州省北部正安地区安页1井获得重大突破，有望成为千亿立方储量的大型页岩气田。这些成功均证明不仅仅在盆内稳定构造区有着良好的页岩气勘探前景，在复杂构造背景区同样值得我们进一步研究。因此，中国页岩气的发展不能简单复制美国页岩气的成功经验，应结合我国复杂的地质背景，探索中国式的页岩气勘探理论。

大巴山前缘地区处于四川盆地北部边缘，由北向南分布着逆冲推覆区、断层结合带、褶皱结合带，具有较为复杂的构造背景。总体上该区的页岩气勘探开发处于探索阶段，勘探方向并不明确[1-12]。截至目前，该区共实施了14口页岩气调查井，但是多数钻井并未取得良好的页岩气显示。不过最新的井3井良好的页岩气显示又为该地区页岩气勘探提供了新的希望。因此有必要综合该地区页岩气多种地质要素，对五峰—龙马溪组页岩气地质特征及富集条件进行深入研究。本文通过对该区大量的野外露头剖面实测，结合最新的钻井资料，分析、综合已取得的研究成果，研究了构造复杂背景下的页岩气地质条件和富集因素，划定有效的勘探有利区，以期为后期勘探开发提供依据。

1 构造特征

大巴山前缘地区主体位于上扬子地块北缘、四川盆地与秦岭造山带的过渡带上，西与米仓山基底冲断隆起带相连，东南部与川东高陡褶皱带毗邻，整体上为一向南西凸出的弧形构造带。大巴山现今构造格局呈现为一系列由北东向南西推挤的逆冲推覆构造，形成叠瓦状逆冲推覆构造系和滑脱—拆离构造[13-18](图1)。习惯上，以规模巨大的城口—房县深断裂为界，将大巴山冲断带划分为2个构造—地层单元：即北大巴山逆冲推覆构造带和南大巴山冲断带。前者以城口断裂为南界，由秦岭区浅变质的震旦系至下古生界火山—沉积岩系构成；后者以城口断裂为界，南以铁溪—巫溪隐伏断裂与四川盆地为界,卷入变形的地层从震旦系至侏罗系。

2 页岩气富集的物质条件特征

2.1 富有机质泥岩平面分布特征

作为页岩气载体的富有机质泥岩，其平面分布的规律和特点是研究页岩气富集最根本的物质基础。

通过对大巴山前缘地区五峰—龙马溪组野外剖面实测、钻井资料分析(图1)，并选取总有机碳(TOC)含量大于1%作为该区的富有机质泥岩进行研究[19-22]。

在研究区东部，受麻柳—大竹潜隆起的影响，由皮窝至双河五峰—龙马溪组富有机质泥岩厚度逐渐增大，由31.5 m增厚至51 m，在城口明通地区如明通剖面厚度达74 m，白泉剖面厚度达70.8 m；向大巴山前缘厚度增大，并在田坝地区形成厚度相对较大的沉积区，厚度可达70 m；向西往城口方向至白泉、中岗一带，再到明通、庙坝，最后至双河地区沉积水体变浅，厚度呈逐渐减薄的趋势。其中，位于最西侧的皮窝地区的富有机质泥岩厚度为31.51 m；白泉、中岗及周边地区的厚度则为34.9～47.3 m；明通与庙坝一带厚度为38.1～41.46 m。田坝向东往巴东方向至白鹿地区，再到栗子坪一带，最后至巴东县两河口、大桥滩及周边地区，由西向东富有机质泥岩厚度呈逐渐减薄的趋势。栗子坪地区富有机质泥岩厚度为35.82 m；继续向东至巴东县两河口，大桥滩及周边地区厚度逐渐减薄，为26.12～26.92 m(图2)。

图1 大巴山地区构造分带特征Fig.1 Structural zoning of Daba Mountain

图2 大巴山前缘地区五峰—龙马溪组富有机质泥岩厚度、含量、成熟度特征Fig.2 Thickness, TOC content and maturity of organic-rich mudstones in the Wufeng-Longmaxi formations, the front margin of Daba Mountain

总体上，研究区的大部分地区都具有较厚的富有机质泥岩，能够为页岩气富集提供最基本的条件。

2.2 有机碳含量及其变化特征

总有机碳含量是评价页岩有机质丰度的一项主要指标，也是生烃量和生烃强度的重要决定因素，较高的有机碳含量是页岩气富集高产的根本要素。

在纵向上，以井2井剖面为例(图3)，从下至上，五峰组富有机质泥岩段的TOC值介于1.79%～6.53%之间，平均为3.67%；龙马溪组下部富有机质泥岩段的TOC值在1.91%～3.38%之间，平均值为2.57%；龙马溪组上段非黑色泥岩段的有机碳含量明显降低，为1.35%。

图3 大巴山前缘地区井2井有机碳含量变化Fig.3 Changes of TOC content of Jing2 well in the front margin of Daba Mountain

TOC变化显示了3个峰值，分别出现在五峰组中部、上部及龙马溪组中下部，其中，以五峰组上部(纵向上第二个)峰值最为突出(TOC含量达到6.53%)。由此可知，该剖面TOC高值主要集中在五峰组黑色泥岩段，龙马溪组黑色泥岩次之，龙马溪组非黑色页岩段TOC含量最小。该剖面有机碳含量大于2.0%的泥岩厚度为34.9 m。

平面上，向西到大巴山前缘的镇巴地区，有机碳含量相对稳定。大巴山前缘地区镇巴—万源一线，TOC由渔渡剖面的2.01%到万源皮窝剖面的3.56%，显示有机碳含量向万源地区增大；而在巫溪中岗、田坝地区TOC达到了5.13%和5.17%；向西的白鹿、沿渡河镇TOC下降至3.15%和2.73%(图2)。因此，从总体上显示在开县—奉节形成了有机碳含量的最大值区，这与富有机质泥岩厚度在一定程度上一致。

2.3 有机质成熟度特征

研究区五峰组—龙马溪组富有机质页岩经历了多期次的热演化，成熟度Ro大部介于1.5%～3.04%之间，平均1.93%，基本处于成熟阶段。

平面上，受断裂和埋深的影响，由北向南，五峰组—龙马溪组富有机质页岩热演化程度逐渐升高(图2)。开县田坝—巫溪田坝—巫溪双阳一线以南地区，Ro一般大于2.5%；向北至万源白沙—城口满月—巫溪中良—巫溪双桥一带，向东至巴东张家坡一带，Ro值介于1.5%～2.0%之间。在大巴山前缘万源—曹家地区，受星子山隆起及平坝断裂逆冲推覆的影响，万源曹家—城口明通—巫溪白鹿地区以及巴东沿渡河地区以1.3%

2.4 孔隙度和渗透率特征

对大巴山前缘典型剖面和钻井五峰—龙马溪组样品进行了孔隙度和渗透率测定，并在此基础上进行综合分析认为：研究区孔隙度最高值多数为1%～3%，最低值为一般0.8%～0.9%，平均值多数为1.5%～1.9%，具有中—高孔隙度特征；渗透率最高值多数在(0.01～0.015)×10-3μm2之间，最低值在(0.001～0.002)×10-3μm2之间，平均值在(0.002～0.004)×10-3μm2，具有低渗透率特征。总体来说，龙马溪组上部地层孔隙度比下部略高，渗透率也略呈现此特征，但孔隙度、渗透率比较差，具有低孔—超低渗的特征，而且具有孔隙度分散、渗透率接近的特点。

2.5 岩石比表面特征

大巴山前缘地区五峰—龙马溪组地表剖面富有机质页岩BET比表面积在3.41～27.32 m2/g，平均为8.94 m2/g。井2井五峰—龙马溪组BET比表面积在8.09～23.02 m2/g，平均14.27 m2/g(表1)。对比涪陵焦石坝区块五峰组—龙马溪组富有机质页岩样品BET比表面积为8.4～33.3 m2/g，平均为18.9 m2/g[23]。页岩比表面积巨大，能为页岩吸附提供非常有利的条件。

3 页岩气富集关键因素分析

在构造背景复杂区，大巴山前缘地区断裂褶皱十分发育(图4)，把原本分布面积广、厚度大、有机质含量高的富有机质泥岩重新分布在不同构造区带里。其中井1、井2、井3井分别处在不同的构造带内，受不同的构造作用控制。三者在富有机质泥岩厚度、TOC含量、有机质成熟度、孔隙物性参数、比表面积、埋深特征等方面都存在着较大的相似性，但是最终含气性却出现了较大的偏差(表2)。

表1 大巴山前缘地区井2井五峰—龙马溪组富有机质泥岩比表面积分析

图4 大巴山前缘地区井1-井2-井3井位构造样式示意Fig.4 Structural styles of Jing1,2,3 wells in the front margin of Daba Mountain 表2 大巴山前缘地区不同构造区各钻井富集条件对比 Table 2 Enrichment conditions in wells of different structural styles in the front margin of Daba Mountain

钻井富有机质泥岩厚度/m平均TOC含量/%Ro/%孔隙度渗透率含气性井1744．51．5纳米孔为主低 总含气量0．03～2．4m3/t之间，平均0．5m3/t；含37%氮气、53%甲烷气井2833．82．7纳米孔为主低 总含气量0．01～0．22m3/t，平均为0．07m3/t；含41%氮气、51%甲烷气井3894．72．4纳米孔为主低 总含气量1～8m3/t，平均为3．4m3/t；含95．17%甲烷气

以井2、井1井为例，二者具备了页岩气富集的多种要素，并且在富有机质泥岩和有机碳含量方面远比礁石坝页岩气田典型页岩气钻井——JY1井优越，孔隙度和比表面积条件也达到了页岩气富集条件的要求，但是最终含气性却存在很大差异。值得注意的是，其解析气中均含有一定比例的氮气，说明井2、井1井富有机质泥岩段与大气连通，散失了大部分游离气。通过对页岩气其他富集要素的分析，发现解析气含量与比表面呈现较高的相关性，而与有机碳含量、有机质成熟度、渗透率、孔隙度、黏土矿物均呈现较低的相关性(图5)。因此，从一定程度讲，保存条件是研究区页岩气富集最为关键的因素。

从所处构造位置看，井2、井1井位于坪坝断裂和镇巴—鸡鸣寺断裂中间夹持的断裂褶皱带内，其间断裂密集分布，局部褶皱翼间角较小(图1)，使得褶皱多以斜歪紧闭褶皱存在，而且褶皱之间多以断层相连，造成了富有机质泥岩分布地表的不连续，地覆的不统一，在一定程度上甚至以断片的形式存在，造成了其范围和状态发生了不可预测的变化。

构造作用对页岩气保存是一把双刃剑，适当的构造挤压富有机质泥岩段获得较大的地层或者岩石压力，在挤压应力场下会形成多种裂隙，增大可容纳空间，处在这种压而不破状态下的富有机质泥岩会更利于页岩气的聚集以及后期的开发。但是断裂尤其是“通天”断裂会破坏压力场下的平衡，甚至会使压力场转变为张力场，并形成常压状态，从而使游离气大量散失，不利于页岩气的保存。井2、井1井含气较差的原因就是保存条件遭到了破坏，而这种破坏的直接原因就是复杂构造背景下褶皱紧闭斜歪和大量”通天”断裂带发育。

图5 大巴山前缘地区井2井解析气量相关性Fig.5 Different influencing factors for gas amount in Jing2 well in the front margin of Daba Mountain

根据钻井资料显示，井3井含气量为1～2 m3/t的含气层段34 m，含气量为2～3 m3/t 的富含气层段25 m，含气量大于3 m3/t 的高含气层段34 m，最高含气量超过8 m3/t，气体组分以甲烷为主(甲烷平均含量95.17%)，是大巴山前缘地区最具有良好的页岩气显示和资源潜力的页岩气钻井。初步分析表明，解析气含量与有机碳含量、有机质成熟度、渗透率、孔隙度、黏土矿物、比表面积均呈现很好的正相关性。

井3井构造上位于铁溪—巫溪隐伏断裂带以北、平坝断裂以南的南大巴山褶皱带内，是造山与盆地的盆缘过渡带。该区域内断裂发育一般，规模较小，多数以隐伏断裂为主，井3井位于田坝箱状背斜北翼，在应力上以挤压应力为主。由于背斜向底部的收敛作用，使得地层由上到下挤压应力是增加的，五峰组—龙马溪组地层承受较强的应力作用，富有机质泥岩段上下面具有较大的应力差异。在这种应力挤压下，泥岩段发育大量的网状裂隙、裂缝，部分半充填裂缝、裂隙，这为游离气的存在提供了一定的空间，同时也有利于页岩储集层的后期压裂改造。

综上所述，分布广泛的富有机质泥岩、较高的有机碳含量、合理的有机质成熟度、较大的比表面积、多种孔隙的发育等是页岩气富集的基本条件，而这些基本条件在构造背景复杂的大巴山地区多数地方均已具备，但是研究区多数的钻井失败和井3井的成功表明，必须具备较好的保存条件才是该区页岩气富集最为关键的要素。而影响研究区构造保存的是大量发育的通天断裂和被断裂破坏了的斜歪褶皱。根据大巴山前缘地区构造发育特征，结合埋深的影响，坪坝断裂以南靠近盆地的滑脱褶皱带断裂发育较少，向斜和背斜分布广泛，该区域内相对宽缓的箱状背斜是勘探的目标和方向，如田坝背斜、满月背斜。

4 结论

(1)在构造背景复杂的大巴山前缘地区，五峰—龙马溪组沉积厚度在40～70 m左右，平均有机碳含量大于2%，有机质类型为腐泥型Ⅰ型干酪根，有机质成熟度多数为0.82%～3.04%，达到高—过成熟阶段，具低渗透—低孔特征，并发育多种微观孔隙结构，具备了页岩气富集的基本条件。

(2)复杂构造背景下的大巴山前缘地区的页岩气富集条件中，厚层的富有机质页岩为页岩气的生成提供了物质基础，高有机碳含量提供了生烃潜力，合理的有机质成熟度提供了生气动力，良好储集物性提供了容纳空间。但是较好的保存条件才是该区页岩气富集最为关键的要素。

(3)影响研究区构造保存的是大量发育的通天断裂和被断裂破坏了的斜歪褶皱。因此在大巴山盆缘地区的褶皱带内，二叠系或者三叠系覆盖的田坝背斜、满月背斜是最佳的勘探目标区。

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(编辑 徐文明)

Shale gas enrichment conditions in complex geological structure areas: A case study in the front margin of Daba Mountain

Kang Jianwei1,2, Lin Xiaobing1, Yu Qian2, Tian Jingchun1, Men Yupeng2, Yan Jianfei2, Lin Jiashan2, Sun Yuanyuan2

(1.InstituteofSedimentaryGeology,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China; 2.ChengduCenter,ChinaGeologicalSurvey,Chengdu,Sichuan610081,China)

A series of investigations on both outcrops and drilling cores from the front edge of Daba Mountain were carried out. Organic-rich mudstones collected from the Wufeng-Longmaxi formations in Fengjie-Kaixian-Baiquan-Manyue areas were sampled and analyzed. Information was obtained from thin sections and Scanning Electron Microscopy (SEM), and some relevant laboratory tests including organic geochemistry, X-ray diffraction, He-porosity and permeability and Specific Surface Area were made to summarize the basic geological conditions of Wufeng-Longmaxi formations in the study area. The results show that the organic-rich mudstones in the front edge of Daba Mountain were probably formed in a shallow to deep shelf during the Late Ordovician-Early Silurian. The thicknesses of these mudstones range 40-70 m, and the average total organic carbon (TOC) content is more than 2%. The kerogen mainly shows characteristics of type Ⅰ. The thermal maturity of mudstones ranges 0.82%-3.04%, indicating a high to over mature stage. Additionally, the features of low permeability and low porosity as well as several types of pore microstructures were observed in these mudstones. The analyses of typical wells indicate that the preservation of shale gas is a key element for hydrocarbon accumulation. The well-preserved box-shaped anticlines are most favorable for shale gas preservation.

organic-rich mudstone; shale gas preservation condition; complex geological structure area; Wufeng-Longmaxi formations; front margin of Daba Mountain

1001-6112(2017)04-0437-07

10.11781/sysydz201704437

2017-03-06；

2017-06-10。

康建威(1980—)，男，在读博士，工程师，从事沉积与油气地质研究。E-mail:best_kang@163.com。

林小兵(1980—)，博士，讲师，从事沉积地质学的教学与科研工作。E-mail：linxiaobing07@cdut.cn。

TE132.2

A

中国地质调查局“四川盆地下古生界海相页岩气基础地质调查”(DD20160176)和重庆市国土资源和房屋管理局“重庆富有机质页岩沉积特征与储层评价研究”(渝地调设审字[2013]032号)资助。

美国页岩气田具有页岩分布广泛、埋藏浅、厚度大、成熟度低等特征，尤其重要的是美国页岩气往往分布在构造稳定的地区。近年来，中国的页岩气勘探开发取得了突破性进展，处于构造相对稳定地区的长宁、昭通、威远和焦石坝地区的上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩气已实现商业开发。