四川盆地南缘昭通页岩气示范区构造变形特征及页岩气保存条件

2019-11-12徐政语鲁慧丽张介辉舒红林徐云俊武金云王高成卢文忠唐协华石文睿

天然气工业 2019年10期

徐政语梁兴鲁慧丽张介辉舒红林徐云俊武金云王高成卢文忠唐协华石文睿

1.中国石油杭州地质研究院 2.中国石油浙江油田公司 3.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学

0 引言

近年来，随着四川盆地南缘昭通国家级页岩气示范区勘探开发工作的不断推进，南方海相页岩气甜点选区评价工作已由四川盆地内的川渝页岩气示范区向盆外改造区拓展，昭通示范区也由北部罗场向斜向中部罗布—洛旺—小草坝及东部云山坝—大寨等浅层区扩展，甜点选区由早期“源储”评价[1]向“构造”评价转变，并成为近期的研究热点[2-7]。受多期构造活动与特提斯、滨太平洋两大构造域叠加作用影响，该区页岩气甜点控因复杂，除受沉积期岩相古地理因素影响外，后期构造改造强度、变形样式以及地层抬升剥蚀、伴生节理及裂缝开启程度等均对页岩气富集与赋存产生影响[2,4-7]，致使页岩气保存条件影响因素较为复杂。为此，笔者结合近年来在昭通示范区的选区评价工作，从构造变形特征、地层节理与裂缝发育特点、页岩围岩封盖能力、气藏展布特征等方面探讨该区页岩气的保存条件，以期为页岩气选区评价提供帮助。

1 构造样式及变形特征

昭通示范区地处云贵高原向四川盆地过渡的乌蒙山地区，大地构造位置处于扬子陆块西缘三江造山带与东南缘江南—雪峰构造带前锋叠合部，跨越了上扬子区蜀南坳陷、滇黔北坳陷、滇东黔中隆起等3大二级构造单元，主体部分滇黔北坳陷细分为雷波复向斜、巧家—筠连背斜带、彝良—罗布复向斜、昭通—古蔺背斜带、赫章—夜郎复向斜、毕节—桐梓背斜带等6个三级构造单元（图1）。结合地面地质与已钻探、地球物理成果，示范区由南部黔中隆起向北部四川盆地方向依次划分为隔槽式、等幅式与隔档式3种褶皱样式，变形区依次划分为黔中隆起剪切变形区、滇黔北坳陷压扭变形区与蜀南坳陷挤压变形区等3大区域（图1、2）。

1.1 黔中隆起及其周缘变形区

图1 四川盆地南缘构造单元划分及变形分区图

图2 四川盆地南缘北西—南东向剖面图

黔中隆起及其周缘变形区以剪切变形为特点，基底岩性主要由含火山碎屑的岛弧型沉积岩变质而成，质地相对坚硬，呈“高阻”、“中磁性”特征[8-9]，沉积盖层以发育隔槽式褶皱为主，背斜相对宽缓、呈箱状，向斜区相对窄陡、发育大量逆冲推覆及走滑断层[9-11]（图2），区域构造线走向NE。主要走滑断裂有NEE向贵阳—镇远、湄潭—黔西、遵义—金沙—赫章等断裂，断裂沿线断面以高陡、光滑、阶步及擦痕常见为特征，剖面上呈现花状组合样式（图2）。典型实例有遵义—金沙—赫章断裂毕节段徐花屯断层、赫章段古基乡石湾村断层。其中，徐花屯断层发育于中二叠统茅口组（Р2m）浅灰色厚层块状灰岩中，断面光滑、呈曲线状，手摸平展、光滑、向西顺手，体现断层南盘西移、左旋特征，断面走向NE10°、倾角47°（图3-a）；石湾村断层亦发育于茅口组石灰岩中，呈现典型南盘西移、整体左旋特征，擦痕揭示断层北盘向北东方向滑移、走向NE20°、倾角近90°（图 3-b）。

1.2 滇黔北坳陷变形区及蜀南坳陷南缘

滇黔北坳陷变形区及蜀南坳陷南缘基底呈现“低阻”、“低磁性”特征[8-9]，基岩由陆间弧后盆地、被动陆缘盆地沉积岩浅变质而成，基底多板岩并卷入盖层褶皱，发育多个滑脱层，以发育背型、向型近乎等幅的断展褶皱样式为特征（图1、2），压扭性断层发育[9-11]，主要发育NE及NW向两组构造线。其中东南发育NE向构造线，赫章—夜郎复向斜中南部下三叠统茅草铺组（T1m）泥质灰岩地层中发育渔洞压扭性断层及背型、向型近乎等幅的断展褶皱（图4-a），昭通—古蔺背斜带南部中二叠统地层在威信—花坭压扭性断层冷菁沟段呈典型旋转与逆冲变形特征，发育背型、向型近乎等幅的断展褶皱（图4-b）。

1.3 蜀南坳陷变形区

蜀南坳陷变形区基底属于典型四川盆地川中型基底，发育变质—结晶基底[8-9]，基岩具有坚硬、抗剪切变形能力，沉积盖层以典型隔档式褶皱为特点，主要呈向斜宽缓、背斜窄陡，发育逆冲断层及冲起构造（图2），构造线发育NE及NW向两组。其中NW向见于蜀南坳陷南缘罗场向斜南翼YS108井附近（珙县上罗镇）下三叠统嘉陵江组（T1j）石灰岩中发育断展褶皱，背、向斜相对宽缓，逆冲断层规模小（图5）；NEE向见于落木柔背斜带西部靠轴南翼褶皱高陡，以盐津—牛皮寨断层具有明显高角度逆冲挤压为特征。

2 地层节理及裂缝发育特点

图3 典型走滑断裂断面特征图

图4 典型压扭性断层及断展褶皱照片

图5 罗场向斜南翼逆冲断层照片

昭通示范区页岩在经历多期构造事件与变形改造后，主要目的层及其上覆地层节理及裂缝按照构造变形区自南向北依次发育走向与地层呈高角度、中—低角度及顺层等交互关系的3大类型。结合笔者2017年及2018年度两次野外地质调查成果，对示范区261个观察点中34个代表点节理面走向与倾向统计（图6）分析发现：①南部黔中隆起变形区发育有3组NNW与3组近EW向节理与裂缝，北缘赫章—夜郎复向斜南部、毕节—桐梓背斜带北部节理裂缝走向与示范区南部主体近EW向构造线走向高角斜交、表现为典型走滑剪切应力场特征；②中部滇黔北坳陷变形区发育12组NE向、4组NW向、5组NEE向节理与裂缝，其中彝良—罗布复向斜、昭通—古蔺背斜带、赫章—夜郎复向斜中北部节理裂缝走向与示范区中部NE向构造线走向近于一致或低角度斜交，总体表现为压扭应力场环境；③北部蜀南坳陷变形区发育7组NW向、8组NE向、6组近SN及6组近EW节理与裂缝，南缘罗场向斜、珙县背斜及巧家—筠连背斜带节理裂缝走向与示范区北部NW—SE向构造线走向近于垂直或平行，总体表现为挤压应力场环境。对示范区14口井成像测井资料统计分析，发现全区井下（2 800 m以浅）页岩高导缝走向表现出与地面露头区节理及裂缝走向基本相同的展布规律与应力场环境特征。示范区上覆盖层现今节理及裂缝表现出南部变形区产状高陡、穿层性强，封盖能力弱，易导致气藏泄漏与散失，保存条件总体较差；北部变形区盖层发育顺层或弱穿层节理及裂缝、产状平缓，地层封盖能力较强，保存条件总体较好；中部变形区节理及裂缝穿层性与产状处于过渡状态，地层封盖能力处于中等状态，保存条件相对较好[12-13]。

2.1 黔中隆起变形区

南部黔中隆起变形区赫章—夜郎复向斜西南翼（赫章县达依乡海马村S212省道旁）下三叠统飞仙关组（T1f）灰绿色泥质粉砂岩地层中至少发育有3组节理，裂缝密度达8.89 条/m2，均处于开启、未充填状态，节理面倾向NNE及SE、走向以SSE及SWW向为主，节理面多垂直或高角度斜交地层层面，地层具有剪切、脆性变形特征，总体呈现出走滑与压扭剪切双重特点（表1）。该向斜在轴部（赫章县六曲河镇刘家梁子）及北翼（赫章县六曲河镇哲庄）地层中同样发育有类似的节理及裂缝，节理及裂缝数介于3～5组，密度介于4.25～6.50 条/m2，总体体现向斜南翼裂缝密度高。该变形区节理及裂隙穿层性强，对页岩气封盖能力影响较大，可形成气藏向地面泄漏与散失的系列通道，保存条件总体较差[12-13]。

2.2 滇黔北坳陷变形区

图6 昭通示范区地面露头节理裂隙延伸方向展布图

中部滇黔北坳陷变形区彝良—罗布复向斜中部南翼（镇雄县罗坎乡坡脚凤雨公路旁）飞仙关组灰绿与紫红色泥质粉砂岩地层中至少发育有4组节理，裂缝密度达5.2 条/m2，均处于开启、未充填状态，节理面倾向SW及NW、走向以NW及NEE向为主，节理面多中—低角度斜交地层层面，地层具有走滑、脆性变形特征，总体呈现出挤压与走滑双重特点（表1）。在威信背斜轴部（威信县雨河镇叉河）及北翼（威信县双河镇大石板）地层中同样发育有相似的节理及裂缝，密度为5.25～6.50 条/m2，节理及裂缝数为3～6组，表现出均一分布特点。该变形区节理及裂隙有一定的穿层性，可形成气藏向地面泄漏与散失的部分通道，降低了页岩气封盖能力，但影响远较南部黔中隆起变形区弱，保存条件总体较好[12-13]。

2.3 蜀南坳陷变形区

北部蜀南坳陷变形区罗场向斜中部北翼（高县文江镇沙湾S309省道旁）飞仙关组浅灰色中—厚层状泥灰岩地层中至少发育有3组节理，裂缝密度达6.1 条/m2，均处于开启、未充填状态，节理面倾向NWW—NE、走向以NNE—SE向为主，节理面多低角度斜交—顺地层层面，地层具有挤压变形特征，总体呈现挤压与走滑双重特点（表1）。罗场向斜南翼（筠连县城东、珙县洛表镇等）地层中也发育相似的节理及裂缝，密度约4.5 条/m2，节理及裂缝数为3～4组。该变形区内节理及裂隙基本顺层，对页岩气封盖能力基本没有影响，保存条件远较示范区中部、南部变形区好、优越[12-13]。

表1 四川盆地南缘地层节理及裂缝特征参数统计表

3 页岩及围岩封盖能力

3.1 地层厚度

昭通示范区五峰组—龙马溪组泥页岩累计厚度介于50～350 m，主要分布于示范区北部滇黔北坳陷大关—彝良—镇雄—毕节一线以北向斜区，总体呈现由南向北增厚趋势（图7）。

五峰组厚度介于4～15 m、呈现中厚南北偏薄特征，坳陷西北部盐津李家湾剖面、Z104井、YS201井及B1井五峰组厚度介于4～11 m；坳陷中部威信大石板剖面、YQ7井及YQ8井五峰组厚度增至7～15 m，至坳陷中南部镇雄干沟及芒部大湾头剖面五峰组厚度减薄为4～5 m；坳陷北部YS108井至YS111井、YS113井及YS115井五峰组厚度减薄为4～7 m；向东至叙永县大寨YS117井及YS109井区五峰组厚度减薄至4～5 m。

龙马溪组厚度介于0～350 m，总体呈现由南往北逐渐增厚特征，新寨子—彝良—海子沟—仁怀—板桥以南、马边—美姑以西龙马溪组厚度介于0～100 m，往北至黄坪—盐津—长宁—YS112井—叙永—韩家店龙马溪组厚度增至300 m，继续向北至屏山—泸州—万盛一带龙马溪组厚度超过300 m。

3.2 地层封盖能力

YS108井岩心物性测试结果表明，五峰组—龙马溪组页岩致密，岩石密度介于2.48～2.68 g/cm3、平均值为2.58 g/cm3；有效孔隙度介于1.0%～4.0%、平均值为2.6%；孔喉直径介于0.05～0.10 μm；渗透率介于 0.004 0 ～ 0.011 1 mD，平均值为 0.006 5 mD（表2），孔隙度和渗透率均较低，表明页岩自身毛细管阻力大，油气难以向外逸散，具有较好的自我封闭能力，可作为良好的页岩气藏盖层。

图7 滇黔北坳陷及邻区龙马溪组地层等厚图

表2 YS108井五峰组—龙马溪组页岩物性测试结果统计表

根据前人对盖层物性封闭能力划分标准：当岩层排驱压力大于2 MРa时，岩层的封闭能力较好[14]；当排驱压力介于1～3 MРa时，岩层封盖能力可达中等以上水平[15]。结合YS108井五峰组—龙马溪组岩心实测分析成果，页岩排驱压力已达3.16～6.59 MРa（表2），表明其不但具有较好的生烃供气能力[16]、同时还具有良好的物性封闭能力[12]，完全具备源储一体、自身封盖成藏的页岩气保存条件。

参照我国资源丰度超过10×108m3/km2的大中型气田泥质岩盖层突破压力统计数据分析，多数气田盖层突破压力集中介于1～15 MРa[17-19]。示范区B1井龙马溪组页岩在试验温度为40 ℃、上覆净压力为20 MРa条件下突破压力介于 9.6 ～ 14.5 MРa，盖层突破时间介于 0.014 9 ～ 0.032 4 a（表 3），表明示范区马溪组对自身集聚的页岩气具有较好的封盖作用，完全具备原生封盖能力与保存条件。

表3 B1井龙马溪组页岩突破压力测试数据统计表

此外，依据示范区五峰组—龙马溪组上覆的下志留统石牛栏组至上古生界泥盆系、石炭系、二叠系及中生界三叠系—侏罗系多套地层分布与岩性组合特点，确立中二叠统梁山组及上二叠统龙潭组泥岩、砂泥岩夹煤系地层可充当局部盖层，岩层厚度分别为2～20 m、20～200 m，除在背斜核部遭剥蚀、区域连续性变差、封盖能力有限外，在向斜区连续性较好，能充当较好的局部盖层；中—下三叠统砂岩夹泥岩段虽有一定的封盖能力，但在示范区大范围区域已暴露地表，遭受剥蚀，分布连续性差、残留厚度小，封盖能力十分有限。因此，整体而言，示范区主要依靠五峰组—龙马溪组页岩顶板石牛栏组泥质灰岩夹泥岩与中志留统韩家店组泥岩及致密砂岩起到的封盖作用，以及底板涧草沟组与宝塔组致密石灰岩的封闭作用在向斜区形成页岩气封存箱[12,14-15]。

据钻井资料统计，示范区龙马溪组顶板石牛栏组（黄葛溪组）上部发育灰绿—灰色泥岩夹泥灰岩，下部发育大套厚层灰色致密石灰岩、泥灰岩、泥质灰岩或粉砂岩，与龙马溪组整合接触，地层厚度介于100～ 350 m，局部厚达442 m，岩心样品在75 ℃条件下测得突破压力介于35.6～38.8 MРa，表明具有良好的封盖能力，可构成五峰组—龙马溪组页岩气优质盖层。底板涧草沟组及宝塔组发育灰—深灰色瘤状灰岩、块状致密灰岩，厚度介于30～95 m，在75 ℃条件下测得突破压力介于62.7～68.2 MРa，封闭能力优良，可有效阻挡页岩气向下扩散。

示范区北部除石牛栏组盖层外，韩家店组发育灰绿色、黄灰色、蓝灰色泥岩、粉砂质泥岩，厚度介于190～311 m，亦可充当盖层。大关—彝良一带还发育中志留统嘶风崖组和大路寨组，亦可构成局部盖层。其中嘶风崖组顶、底发育暗紫红色页岩，中部发育灰绿色、黄绿色页岩、粉砂岩夹石灰岩；大路寨组发育灰色、灰绿色钙质页岩、粉砂岩夹泥质灰岩，B1井钻厚分别达142 m、352 m，均有封盖能力。

4 页岩气有利区带

依据示范区15口井气样组分分析（气样由中国石油浙江油田公司采用盐水瓶采集、中国石油勘探开发研究院非常规油气重点实验室分析，测试采用7890A天然气分析仪、Нe/N2载气、FID/双TCD检测器），气体成分自北向南依次划分为甲烷带、甲烷＋氮气混合带、氮气带。其中，甲烷带：CН4含量（摩尔分数）大于75%，N2＋CO2含量（摩尔分数）小于25%；甲烷＋氮气混合带：CН4含量（摩尔分数）介于25%～50%、N2＋CO2含量（摩尔分数）介于25%～50%；氮气带：CН4含量（摩尔分数）小于25%，N2＋CO2含量（摩尔分数）大于75%。

结合示范区五峰组—龙马溪组页岩残余厚度以及上覆地层构造变形样式、地层节理裂缝发育特点等综合分析认为，北部挤压变形区及其南缘具有目的层页岩自身厚度大、上覆盖层发育，页岩变形与改造强度弱，节理及裂隙顺层发育，页岩气封盖性能好、保存条件优越，处于瓦斯风化带以下的封闭系统，天然气成分以甲烷等烃类气体为主，示范区页岩气建产区（黄金坝、紫金坝、云山坝、大寨）及甜点均分布于北部[20-22]；中部偏北区域受自身厚度减薄、上覆盖层减少、页岩变形与改造增强影响，节理及裂隙斜交地层发育，页岩气封盖性能减弱、保存条件变差，处于瓦斯风化带附近，系统处于半封闭状态，天然气成分中混入了一定数量的N2、CO2，局部可富集成页岩气甜点[20-22]；中南部及南部变形区受主要目的层页岩自身尖灭与上覆盖层剥蚀增强、页岩变形与改造作用进一步增强影响，节理及裂隙与地层交角逐渐增大、穿层作用增强，页岩气封盖性能进一步减弱、保存条件进一步变差，处于瓦斯风化带以上，系统处于半开放状态、封存能力十分有限，天然气成分中混入了大量的N2、CO2，主要富集低丰度低品位页岩气。