黔北凤冈区块典型残余隐伏向斜特征及其页岩气选区选带意义

夏 鹏, 王甘露, 周 豪, 牟雨亮, 张昊天, 刘杰刚

( 1. 贵州大学 资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550025； 2. 贵州省石油学会，贵州 贵阳 550025； 3. 成都理工大学 能源学院，四川 成都 610059 )

0 引言

全国页岩气资源潜力评价结果显示：贵州省页岩气地质资源量为10.4×1012m3，主要分布于黔北地区。黔北地区下古生界寒武系牛蹄塘组、志留系龙马溪组含厚层富有机质海相页岩，是页岩气勘探开发主要目的层[1]。下古生界富有机质页岩属于浅海环境深水陆棚沉积[2]。Zhang Junpeng等[3]、韩双彪等[4]、郭曼等[5]、康建威等[6]对黔北富有机质页岩进行地球化学研究，干酪根类型为Ⅰ型，生烃潜力大；富含有机质，TOC质量分数普遍高于2.0%；成熟度高，镜质体反射率Ro为2.00%～3.04%，属于过成熟—高成熟演化阶段；含气量较高，平均为1.56 m3/t，最高超过4.00 m3/t。黔北富有机质页岩比表面积、孔隙体积较大，孔隙以粒间孔、有机质孔、粒内孔等多种成因类型的微米—纳米级孔隙为主，孔隙度为1.30%～13.37%，平均为4.56%，具有较大的储集空间[7-11]。郭曼等[5]、秦川等[12]研究发现,黔北富有机质页岩脆性矿物质量分数高(平均大于40%)，脆性指数大，具有较好的储层改造条件。

人们对黔北富有机质页岩进行沉积学、矿物岩石学及地球化学方面的研究，揭示它具有较好的生、储气条件。黔北地区经历武陵、加里东、燕山、喜马拉雅等构造运动，构造条件复杂，地层遭受剥蚀严重[13]。复杂的构造演化背景导致页岩气保存条件差，限制页岩气勘探开发进程[14-16]。目前,针对黔北地区页岩气储层构造特征及保存条件方面的研究薄弱，尤其是对地下深部隐伏构造形态、规模缺少系统分析。根据二维地震勘探资料，结合野外地质调查，笔者分析黔北凤冈页岩气勘探二区块典型构造特征及其对页岩气保存条件的影响，研究结果对区块页岩气勘探方案部署具有参考价值。

1 区域构造特征

贵州省大地构造位于华南板块之扬子陆块与江南造山带。其中，黔北、黔西地区位于扬子陆块；黔南、黔东地区位于江南造山带；黔中地区位于扬子陆块与江南造山带的过渡区[17]。根据黔北与邻区发育地层及重要构造运动界面，戴传固等[13]将黔北地区构造特征划分为4个构造旋回期：武陵、雪峰—加里东、海西—印支—燕山及喜马拉雅(新)构造旋回期。武陵构造旋回期为洋陆转换阶段，武陵运动导致中元古界呈轴向NE的紧闭型阿尔卑斯式褶皱变形并伴生近SN向基底断裂，与新元古地层之间出现明显角度不整合。雪峰—加里东构造旋回期为裂谷洋盆发育阶段，广西运动使下古生界及下伏地层变质变形，以角度不整合接触于晚古生代地层之下。海西—印支—燕山构造旋回期为板内活动阶段，燕山运动使武陵、雪峰—加里东构造旋回期的部分构造形迹遭受叠加、改造而成为构造成分，形成典型的侏罗山式褶皱并发育NE走向断裂，与上覆上白垩统呈角度不整合接触[18]。燕山运动是黔北地区最重要的构造运动，奠定研究区现今主要地质构造面貌的基础[3]。喜马拉雅(新)构造旋回期为板内区域性抬升(见图1)和断块活动，新近纪以来的新构造运动控制黔北地貌、水系格局。中更新世以后，随着青藏高原强烈隆升，逐渐形成现代云贵高原，控制现今黔北地区西高东低的地貌格局[4]。黔北地区断裂非常发育，包括NE、SN、NW和EW走向4组断裂体系，相互切割、联合、干扰。其中，NE走向断裂体系最发育，形成于NW-SE走向挤压作用。

图1 凤冈页岩气勘探二区块位置及埋藏史Fig.1 Location and burial history of the Fengganger shale gas exploration block

凤冈页岩气勘探二区块位于黔北地区东南部(见图1)，是人为划分的页岩气勘探区块，遵循黔北地区的整体构造演化背景。野外露头特征反映区块构造形态为复式向斜(见图2)；出露地层由老到新依次为加里东运动导致区块内中上志留统、泥盆系、石炭系缺失，燕山运动和喜马拉雅运动导致上三叠统、侏罗系、白垩系、古近系、新近系缺失。

图2 凤冈页岩气勘探二区块地质Fig.2 Geological map of the Fengganger shale gas exploration block

2 二维地震解释

2.1 资料处理及层位标定

凤冈页岩气勘探二区块内布置地震测线17条(见图2)。受区块内复杂地形、构造条件影响，经常规处理后地震资料的分辨率、信噪比较低。为保证地震解释结果的准确性，对地震资料进行二次处理。主要针对区块内地表起伏剧烈、低降速带横向变化大及深层信噪比低等问题，采用层析静校正、叠前多域去噪、叠前反褶积、多信息约束的速度分析与剩余静校正迭代等技术，提高目的层段波组特征连续性及信噪比[19-21]。

地震地质层位标定是地震资料解释的基础。常用的层位标定方法有VSP、合成地震记录、平均速度等，其中VSP精度最高，合成地震记录的次之[22-23]。凤冈页岩气勘探二区块钻有ZK-01、永凤1井，相比ZK-01井，永凤1井具有完整的VSP资料；ZK-01井浅(379.68 m)，仅揭露下志留统龙马溪组以上地层；永凤1井开孔层位为第四系，完钻层位为震旦系灯影组，井深为2 742.00 m。鉴于地质条件与资料特点，综合区域地质资料、地质填图成果及地震资料波组关系，确定浅部目的层(如龙马溪组)波组特征(见图3)；根据永凤1井揭露的地质资料对深部目的层(如牛蹄塘组)进行标定。

图3 ZK-01井合成地震记录及D2测线时间剖面波组关系显示Fig.3 Synthetic seismogram of ZK-01 well and wave group character of D2 line

2.2 典型构造特征

构造解释主要关注古生代以来的沉积地层，层位追踪以牛蹄塘组、龙马溪组为主。通过地震反射波同相轴形态、连续性反映构造形态及断层分布。解释结果显示：凤冈页岩气勘探二区块整体为轴向NE的复式向斜构造，自西向东依次发育永安背斜、绥阳向斜、旺龙背斜、凤冈向斜、覃家坡背斜、煎茶溪向斜和永和背斜(见图4)；背斜在构造曲率、分布特征等方面与向斜存在显著差异，整体表现为背斜狭窄陡峭、向斜宽阔平缓，为典型的隔挡式褶皱。黔东南地区野外地质调查结果显示区内褶皱以隔槽式为主[24]。贵州省南、北部构造形态存在显著区别：南部属于江南造山带，构造抬升、挤压过程产生的断层控制隔槽式褶皱紧闭向斜的发育位置与幅度，构造反转后，先期断层成为应力集中区，正断层转变为平移或逆冲断层，并沿断层带形成狭窄变形区(隔槽式褶皱向斜核部)[25]；黔北地区归属扬子陆块，靠近四川盆地，在挤压背景下，挤压应力诱发的逆冲断层及滑脱作用控制隔挡式褶皱的形成[26]。人们对黔北地区页岩气储层构造形态的研究多基于野外露头资料，对地下隐伏构造的研究较少。通过二维地震资料精细解释，揭示凤冈页岩气勘探二区块地下隐伏构造为典型隔挡式褶皱；区块内单个褶曲两翼形态不对称，向斜西翼宽缓、东翼陡峭甚至倒转(见图5)，背斜东翼宽缓、西翼陡峭。地震解释反映的构造特点在野外露头得到验证。

图4 凤冈页岩气勘探二区块地震剖面解释结果Fig.4 Seismic sections in the Fengganger shale gas exploration block

图5 绥阳向斜东翼地层产状Fig.5 Stratum attitude in the east wing of the Suiyang syncline

凤冈页岩气勘探二区块古生代以来沉积地层构造形态，反映明显的自东向西的应力推覆特征，受雪峰—加里东、海西—印支—燕山构造旋回期的叠加影响，褶皱兼具压扭性质。戴传固等[13,26]分析雪峰—加里东、海西—印支—燕山构造旋回期贵州省构造演化背景，认为黔北地区在广西运动、加里东运动期间整体抬升，下伏地层未发生严重变形，与上覆晚古生代地层呈平行不整合接触；受燕山板内造山带的影响，燕山运动期，黔北地区严重变形，断裂活动强烈，形成NE或SN走向、断面东倾的逆冲断层。研究结果与凤冈页岩气勘探二区块隐伏构造发育特征及形成机制(见图6)具有一致性。雪峰—加里东构造旋回期广西运动、加里东运动使研究区块抬升，下二叠统梁山组平行不整合接触于中志留统韩家店组之上。海西—印支—燕山构造旋回期燕山运动使区块遭受自东向西的强烈挤压，形成隔挡式褶皱，在背斜近核部位置，地层曲率最大，应力汇聚，当应力超过地层抗拉强度后地层破裂而形成逆冲断层，地层破裂并未使应力完全释放，剩余应力使断层上盘向下盘推覆，产生薄皮构造。燕山运动形成凤冈页岩气勘探二区块现今地质构造面貌的基础。喜马拉雅构造旋回期以来，受喜马拉雅运动影响，青藏高原迅速隆升，导致研究区块亦随之大幅度抬升。背斜区上覆地层遭受剥蚀严重，仅残存少量下寒武统地层；向斜区遭受剥蚀程度较小，除下寒武统地层保存较完整外，上覆地层也不同程度地保存下来，构成残留向斜(见图4)。

图6 凤冈页岩气勘探二区块雪峰—加里东、海西—印支—燕山旋回期构造演化模式

在来自东向的应力推覆影响下，区块内断层以倾向SE的逆断层为主，倾角在30°～50°之间；倾向NW的逆断层多为次级断层，发育规模小，倾角较大，可达70°。浅部断层多沿断层面发生滑脱，形成薄皮构造。如图4中FD3断层，整体断层规模大，两盘地层相对独立，导致在断层浅部出现薄皮构造。薄皮构造规模小，仅通过地震资料直接解释，其结果可信度低。为验证对薄皮构造的解释，收集位于凤冈向斜核部、正处于施工阶段的永凤3井(该井钻至上二叠统龙潭组，设计完钻层位为上奥陶统宝塔组)的地质分层资料(见图7)。分层资料显示：在下三叠统嘉陵江组之上发育下志留统石牛栏组和新滩组，且石牛栏组、新滩组层序颠倒(正常层序是新滩组位于石牛栏组之下，中间以松坎组相隔)；嘉陵江组与石牛栏组之间为断裂带分割。说明导致该井处浅部地层层序错乱的原因不是褶皱倒转，而是断层上盘受自东向西应力推动在浅部(浅部地层稳定性差)形成的推覆薄皮构造。薄皮构造的成因与非对称型褶皱的成因一致。

2.3 富有机页岩地层演化、保存特征

下寒武统牛蹄塘组、下志留统龙马溪组富有机页岩地层沉积于浅海—深水陆棚环境，稳定的构造沉降使它沉积后被迅速埋藏，有机质在微生物降解、热降解作用下生成石油、生物成因气和凝析气。中志留世晚期，研究区在广西运动影响下变形、抬升并遭受剥蚀，储层压力下降，油气大量运移、逸散。早二叠世，研究区再次沉降，受燕山期岩浆活动的影响，导致早期生成的石油、凝析气裂解，转变为干气。新生代喜马拉雅运动使研究区储层迅速抬升，平均抬升速率约为66.7 m/Ma；富有机页岩地层再次暴露于地表，遭受严重剥蚀，气体大量逸散[27]。目前，二维地震解释、野外地质勘查结果表明：研究区在喜马拉雅运动阶段遭受严重剥蚀，龙马溪组仅在向斜部位有残余，牛蹄塘组在向斜部位具有一定储存条件，在背斜部位暴露于

图7 永凤3井岩性柱状图Fig.7 Lithology column of Yongfeng3 well

地表，油气保存条件极差。

3 讨论

黔北地区页岩气储层优选结果表明：龙马溪组、牛蹄塘组是黔北地区页岩气勘探有利层位，黑色有机页岩层厚度大、有机质丰度大、有机质成熟度高、脆性矿物含量高[1-6]。以二维地震勘探数据为主，结合野外露头和钻井资料，揭示黔北地区凤冈页岩气勘探二区块地下深部隐伏构造形态，为页岩气勘探开发有利区、有利部位的选择提供依据。

凤冈页岩气勘探二区块背斜区地层剥蚀严重(见图4)，龙马溪组作为主要有机页岩发育地层之一几乎被剥蚀殆尽(见图8)，另一套富有机页岩地层——牛蹄塘组受构造抬升和剥蚀的影响，埋藏浅、储层压力小、页岩气保存条件差、气体流失严重。因此，背斜区整体页岩气勘探开发潜力差。比较而言，向斜区地层遭受剥蚀程度弱，页岩气储层埋藏适中，保存条件好，是区块内页岩气勘探开发有利区。

通天断层是页岩气逸散的主要通道，不利于页岩气的保存[28]。二维地震解释结果显示，区块内通天断层非常发育，将有利向斜区切割为多个断块。绥阳向斜东翼受FD1、FD6、FD7断层组成的断裂带切割，断裂带从前寒武地层延伸至地表，是绥阳向斜的东部边界；向斜西翼尽管受断层影响小，但地层产状相对核部明显陡。凤冈向斜东部以FD2、FD3断层组成的断裂带为界，断裂带切穿所有目的层并延伸至地表；北部以FD1断层为界，整体为断层—褶曲组合构造。向斜内部，NE走向的FD4断层将向斜分割为东、西两个断块(见图4、图8)，其中，西断块整体为向斜形态，地层产状陡、埋深变化大；东断块为倾向SW的平缓单斜，地层产状平缓，埋深适中。在FD3断层影响下，煎茶溪向斜作为上升盘被整体抬升、部分叠覆于凤冈向斜之上，导致页岩气储层埋藏深度显著减小，遭受更强烈的剥蚀，残余面积更小。

图8 凤冈页岩气勘探二区块龙马溪组底界面构造等值线Fig.8 Structural isopleths of the bottom of Longmaxi formation in the Fengganger shale gas exploration block

下志留统龙马溪组剥蚀严重，在背斜区几乎遭受剥蚀完全，仅在绥阳向斜、凤冈向斜和煎茶溪向斜内有残余(见图8)。绥阳向斜龙马溪组残留面积约为88.42 km2，最大埋深约为2.0 km，页岩气开发有利埋深区间(0.5～3.5 km[29])内面积为62.80 km2。凤冈向斜内龙马溪组残留面积约为112.18 km2，最大埋深为2.2 km，页岩气开发有利埋深区间内面积为94.82 km2。煎茶溪向斜内龙马溪组残留面积为69.46 km2，最大埋深为1.4 km，页岩气开发有利埋深区间内面积为44.95 km2。下寒武统牛蹄塘组埋深大，保存相对完整，但受强烈变形、抬升的影响，背斜区整体埋藏浅、页岩气保存条件差。

综合考虑向斜区内地层产状、断层分布、埋藏深度等因素，绥阳向斜、凤冈向斜有利页岩气开发部位分别为向斜核部、东断块中部，典型特征是地层产状平缓、远离通天断层，属于页岩气保存有利区。煎茶溪向斜受抬升幅度大，整体埋藏浅，与向斜翼部相比，向斜核部埋深较大，有利于页岩气保存。

4 结论

(1)基于二维地震数据，结合野外露头、钻井资料，揭示黔北地区凤冈二区块地下隐伏构造特征。区块整体为复式向斜构造，背斜狭窄陡峭、向斜宽阔平缓，属于典型的隔挡式褶皱。褶皱形成于自西向东的应力推覆作用，在表层发育薄皮构造，导致地表浅层构造与深部隐伏构造间存在明显区别。

(2)背斜区地层遭受剥蚀严重，龙马溪组、牛蹄塘组富有机页岩地层被剥蚀殆尽；向斜区地层遭受剥蚀程度小，成为残留向斜，具有页岩气勘探开发价值，是凤冈二区块页岩气开发有利区。

(3)绥阳向斜、凤冈向斜有利页岩气开发部位分别为向斜核部、东断块中部，典型特征是地层产状平缓、远离通天断层，是页岩气保存有利区。煎茶溪向斜受抬升导致整体埋藏浅，向斜核部埋深相对较大，有利于页岩气保存。

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