四川盆地涪陵焦石坝地区保存条件差异性分析

李金磊，尹 成，王明飞，杨莎莎，刘晓晶，陈 超

(1.西南石油大学 地球科学与技术学院，成都 610500；2.中国石化 勘探分公司，成都 610041)

北美页岩气的大规模勘探开发，改变了世界能源格局。前期，国内外企业借鉴北美经验在我国钻探页岩气井100余口，均未获得大型商业发现，中国学者就此开展了大量的对比研究，提出了南方复杂构造区海相页岩气“二元富集”理论认识[1-4]，指出中国南方海相页岩气与北美页岩气最大的差异在于保存条件[5-11]。北美地区的海相页岩形成于具有大型稳定基底的克拉通盆地或前陆盆地，构造运动相对简单，而中国是由中朝、扬子、塔里木等多个小陆块和造山带构成的复合型大陆，具有基底稳定性差、构造活动性强的特点[12]，这种构造运动改造的差异会造成保存条件的差异，同时也造成了含气性的差异。以四川盆地及周缘为例，其地质资源量为57.27×1012m3，占全国的46.6%，国内的储量和产量几乎均来自于该区域，是当前中国页岩气勘探开发的主战场。该区的上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组等主力页岩气层系先后经历了加里东期、海西期、印支期、燕山期以及喜马拉雅期等多期构造运动的改造，使得保存条件和页岩的含气性横向非均质性强、差异大，给页岩气的勘探开发带来了极大的风险。

四川盆地涪陵焦石坝地区作为中国率先投入商业开发的区域，随着勘探开发的持续推进，保存条件和含气性在平面上显现出较大的差异性，保存条件好的地方，页岩气产量就高，反之就低。本文以此为靶区，结合钻井、测井、岩心等资料，充分利用高精度三维地震资料在空间描述上的优势，通过构造精细解释、应力场数值模拟、裂缝检测、倾角预测等手段，对该区的保存条件进行了解剖分析，以期形成的认识和方法对其他地区的目标评价与优选提供一定的参考。

1 研究区概况

涪陵焦石坝地区位于川东隔挡式褶皱带、万县复向斜的南部与方斗山背斜带西侧的交会区，受多期次、多方向强烈构造运动改造，总体表现为一菱形构造[13-14]。早期受雪峰山北西向的推覆挤压作用，发育大耳山、石门、白家、马武、吊水岩等一系列北东向断层，形成石门断块、焦石坝箱状背斜、江东斜坡、太和背斜、凤来向斜、西部向斜等局部构造；晚期受大娄山北东向和大巴山南西向的推覆挤压作用，发育北西向乌江断层，使得西南部复杂化，形成乌江断鼻，同时对早期形成的局部构造进一步改造定型，奠定了现今“东西分块、南北分带、隆洼相间”的构造格局(图1)。

2012年11月，JY1井在涪陵焦石坝地区五峰组—龙马溪组一段试获20.3×104m3/d高产页岩气流，发现了涪陵页岩气田，随后进行勘探部署、实施三维地震、JY1井核心区试验开发建产以及大规模展开涪陵页岩气国家示范区建设，截至2018年底，提交页岩气探明地质储量6 008×108m3，展现了良好的页岩气勘探开发前景。钻井揭示：该区五峰组—龙马溪组富有机质泥页岩分布稳定，优质页岩气层段[w(TOC)≥2%]厚度为35～45 m；含气泥页岩层段TOC平均2.66%，孔隙度平均4.53%，含气量平均4.21 m3/t，脆性矿物含量65%～79%[10]，展示了该页岩层段良好的页岩品质。但同时也揭示保存条件在该区不同的构造部位存在一定的复杂性和差异性。以JY1井、JY5井和JY103-2井为例，均位于五峰组—龙马溪组深水陆棚相区，页岩品质相当，但分属于焦石坝箱状背斜、乌江断鼻和太和背斜3个不同的构造单元，压力系数分别为1.55，1.00，1.00，分别试获20.3×104，3.5×104，0.7×104m3/d页岩气流，同一区块、同一层系，压力系数和测试产量却表现出较大的差异，值得对比分析和研究。

图1 四川盆地涪陵焦石坝地区五峰组底界构造

2 保存条件差异性分析

涪陵焦石坝地区五峰组—龙马溪组页岩气层顶板为龙马溪组二段的粉砂岩、泥质粉砂岩，底板为临湘组含泥瘤状灰岩、灰岩，厚度大，物性差，地层突破压力高，使得该区页岩气在早期生成以后就能够滞留与保存于页岩层内，为页岩气富集奠定了良好的基础[4]，但后期多期次、多方向的构造运动，造成了地层的抬升、差异变形以及形成了一系列的断裂系统，打破了早期良好的封存环境，因此，改造程度的差异造就了保存条件及含气性的差异。

2.1 断裂规模和性质

断裂发育规模的大小直接与构造改造的强度相关，涪陵焦石坝地区主要受到早期雪峰山北西向和晚期大娄山北东、大巴山南西向的联合推覆挤压作用，主要发育北东向与北西向2组断裂体系。整体来看，自东向西、由南向北构造变形强度依次减弱，石门断块、乌江断鼻以及太和背斜变形最为强烈，焦石坝箱状背斜地层宽缓，变形最弱(图1)。

一般情况下，地层变形越强烈，破裂的可能性越大，曲率值则越大，裂缝越发育[15-16]，因此，可用地震体曲率属性来表征断裂以及裂缝的发育情况。三维地震体曲率属性分析揭示：焦石坝地区页岩气层顶板裂缝在不同的构造单元呈现出较大的差异性(图2)。焦石坝箱状背斜与西部向斜裂缝最不发育，保存条件也最好。石门断块、太和背斜裂缝最发育，钻井揭示该区保存条件差。对比分析，由于石门断块更加临近雪峰山应力源和盆地边界，变形最为强烈，其主控断裂(大耳山断裂、白家断裂)断距大、延伸长、派生小断裂多、纵向断开二叠系—寒武系，破坏范围广，保存条件也最差(表1)。乌江断鼻与江东斜坡裂缝发育密度适中且相当，但实钻揭示2个区域的含气性差异较大。分析其原因：一是控制局部构造的乌江断层与吊水岩断层的发育规模不同，且乌江断层具有走滑性质，影响范围更大；而西北部的江东斜坡虽然发育一定数量的小断层，但延伸长度(≤16 km)、断距(≤300 m)相比均较小，对保存条件的影响较小(表1)。如江东斜坡吊水岩②号断裂，断距平均0.3 km，延伸长度16 km，JY89-2HF井距其0.45 km，测试获31.6×104m3/d的高产页岩气流，说明此类断裂对页岩气的保存条件影响较小。二是裂缝的方向与最大主应力的相对关系，还存在一定的差异。

2.2 最大主应力方向与断裂走向的关系

在挤压环境下，构造应力场的最大主应力方向与断裂走向的相互关系决定着断裂的封闭程度，两者的锐夹角越大，断裂的封闭性越好；两者的锐夹角越小，断裂的封闭性越差，渗透性越好，越有利于流体的运移[17]。本文重点分析比较江东斜坡与乌江断鼻的差异性。从曲率属性表征的裂缝发育密度来看，江东斜坡总体更发育，以JY81井区为例，该区裂缝发育密度在江东斜坡最大，但最大水平主应力与断裂走向间的锐角较大(图3a)，裂缝面应力大，且为挤压性应力，封闭性更好，平均测试产量达26.5×104m3/d。乌江断鼻受控于乌江断裂，除走滑特征对保存条件的影响之外，最大主应力与裂缝走向近乎平行，锐夹角较小，多表现为开启性的高角度裂缝，封闭性相对较差，JY5井离乌江断裂1 km，实钻揭示为常压，测试产量3.5×104m3/d；但当逐渐远离该控制断层时，锐夹角逐渐增大(图3b)，保存条件逐渐变好，JY50-2HF井离乌江断裂1.8 km，测试产量达到26.4×104m3/d，进一步说明最大主应力与裂缝走向之间的关系对裂缝的封闭性具有一定的影响。

图2 四川盆地涪陵焦石坝地区页岩气储层顶板裂缝预测平面图

断裂名称断开层位走向断距/m延伸长度/km江东斜坡石门断块太和背斜乌江断鼻吊水岩①断层吊水岩②断层大耳山断层石门①断层石门②断层白家断层马武断层乌江断层志留系—寒武系志留系—寒武系二叠系—寒武系志留系—寒武系志留系—寒武系二叠系—寒武系志留系—寒武系志留系—寒武系北东30010北东30016近南北1 000>60北东1 000>13北东1 000>18北东2 000>52北东1 500>26北西1 000>31

2.3 断裂的叠加效应对顶板的破坏作用

涪陵焦石坝地区海相页岩储层的顶板为龙马溪组二段的粉砂岩、泥质粉砂岩，厚约50 m，孔隙度平均2.4%、渗透率平均0.001 6×10-3μm2，地层突破压力为69.8～71.2 MPa，为五峰组—龙马溪组一段的页岩气层提供了良好的封闭条件。通过岩心观察和成像测井分析，页岩气层及顶板主要发育小断层、高角度缝和水平缝。在保存条件好的区域(如JY1井所在的焦石坝箱状背斜)，发育高角度缝和水平缝，但多被方解石充填，裂缝封闭性好；保存条件较差的区域(如JY5井所在的乌江断鼻、JY103-2井所在的太和背斜)，高角度缝和小断层在页岩气层及顶板均有发育，见大量未被充填的裂缝，页岩气层顶板遭受一定的破坏，造成页岩气的大量散失(图4，5)。

地层发育显示涪陵焦石坝地区五峰组—龙马溪组一段页岩气层之上存在二叠系、三叠系多套滑脱体系，若页岩气层直接接触的顶板存在一定的裂缝扩散通道，可能不足以完全破坏整个页岩气层的封闭条件，但纵向多层系的断裂叠加，形成断裂带，构建了延至地表的逃逸通道，则可能造成局部封闭体系的破坏，引起页岩气的大量散失。JY103-2井所在的太和背斜以及JY5井所在的乌江断鼻，通过贯穿志留系以及二叠、三叠系，多个时期的纵向断裂相互沟通，形成纵向断裂通道，导致所在局部地区的保存条件变差，造成页岩气的纵向接力散失。JY103-2井与JY5井测试揭示均为常压(压力系数1.0)，距乌江断裂1.5 km范围内的页岩气钻井，含气性相比要差，测试产量基本小于15×104m3/d。当逐渐远离断裂叠加区，裂缝发育密度逐渐减小，散失减弱，保存条件得到改善，JY4井实测压力系数1.46，测试获得25×104m3/d高产页岩气流(图6)。

图3 四川盆地涪陵焦石坝地区局部应力方向预测平面图

图4 四川盆地焦石坝地区典型井FMI成像测井裂缝发育对比

图5 四川盆地焦石坝地区典型井五峰组—龙马溪组一段岩心裂缝发育对比

同时，同层系相邻断裂的横向叠加也可能造成局部夹持地区的保存条件变差，如马武断裂—乌江断裂夹持的凤来向斜部分区域(图2，6)，不仅纵向扩散较强，同时横向断裂及裂缝发育，加之页岩大量水平缝的发育，联合形成了立体的渗流通道，保存条件存在极大的风险，需加以重视。

图6 四川盆地涪陵焦石坝地区过JY103-2井—JY5井—JY4井地震叠合曲率剖面

2.4 地层倾角影响

地层倾角是构造作用强度的直观体现，可作为保存条件评价的参考因素。渗流与扩散作用是油气运移的2种基本方式，伴随着页岩成烃演化的整个历史时期。泥页岩本身作为储层，具有低孔隙度、特低渗透率的特征，同时它还具有页理发育的特征，这就决定了其渗流具有方向性，因此，页岩地层的侧向扩散成为页岩气散失的主要方式之一[6]。五峰组—龙马溪组全直径岩心样品实测显示，横向渗透率可达到垂向渗透率的2～8倍[4]，意味着孔隙的连通性在平行层理方向远大于垂直层理方向，在无断层和裂缝的情况下，主要沿页理面扩散。

对于页理封闭性可从页理面上的正应力大小来考虑，如果页理面上正应力大，则页理的封闭程度相对会更高，能够有效阻止页岩气的横向扩散，其大小则主要取决于岩层倾角和埋深两方面，埋深越大、地层倾角越小，页理面上应力则越大(公式1)。因此，在埋深相当的情况下，地层倾角的大小会直接影响扩散的强度。

P=ρgHcos2θ

(1)

式中：P为岩层层面正应力；ρ为上覆地层密度；H为地层埋深；g为重力加速度；θ为地层倾角。

地层倾角可通过地层倾角测井及利用构造图计算求得。地层倾角计算结果表明：JY1—JY4井区所在的焦石坝箱状背斜地层平缓，地层倾角为0°～5°，对应页理面上正应力大，页岩气侧向逸散相对较弱，保存条件好；乌江断鼻、石门断块以及太和背斜，地层倾角大于25°，页理面上的正应力相对较小，页岩气顺层横向逸散作用强，叠合规模断裂发育，页岩气保存条件相对较差；而江东斜坡虽然地层倾角较大，但是埋深相比要深，且前述分析的最大主应力方向与裂缝走向间锐角较大，裂缝封闭性较好，横向扩散相比较弱，表现出相对较好的保存条件(图7)。

3 结论

(1)后期构造运动的差异改造是涪陵焦石坝地区各局部构造单元保存条件差异的主要原因，具体表现为裂缝发育规模和性质的差异、裂缝封闭性的差异、断裂的叠加效应影响以及引起的地层变形程度差异。

(2)构造运动形成的断裂规模及断裂的性质决定了局部构造单元基本的保存条件；最大主应力与裂缝走向之间的关系对裂缝的封闭性也具有一定的控制作用，锐夹角较大的区域，裂缝的封闭性更好，对保存条件更有利；同时需要重视断裂的叠加效应对顶板的破坏作用以及地层倾角较大的区域页岩气的侧向扩散效应。

图7 四川盆地涪陵焦石坝地区五峰组—龙马溪组一段地层倾角分布

(3)保存条件差异对比分析表明，涪陵焦石坝地区发育的7个局部构造单元中焦石坝箱状背斜、江东斜坡保存条件最好，石门断块最差，乌江断鼻、太和背斜、凤来向斜、西部向斜次之，目标优选时应尽量远离规模较大的断裂，寻找地层平缓的区域实施部署。