西昌盆地南部地区志留系龙马溪组页岩气保存条件的评价

李 轲，陈 杨，牟必鑫，李金玺，李智武，童 馗，华 天 ，刘升武

（1.成都理工大学，成都610059；2.四川省煤田地质工程勘查设计院，成都610072）

页岩气一般以吸附态、游离态隐蔽聚集在泥页岩中，且具有自生自储和吸附成藏的性质[1]，是一种潜能巨大的非常规油气资源[2-3]。美国等国家已经率先勘探和开发[4]。近年来，我国页岩气勘探在重庆涪陵地区上古生界海相页岩等地层获得巨大突破。涪陵大型页岩气田——焦石坝龙马溪组页岩气田，页岩气产量达到每年11 亿m3[5-8]。中国海相页岩有机质成熟度高，生烃能力强，在全国广泛分布，页岩厚度可观，且普遍埋藏深大，有机质含量高，具有广阔的页岩气勘探开发前景[9-10]。随着页岩气勘测开采技术日益完善，一些勘测难度大的区域也逐渐进入考虑范围，在新的潜在区域勘测与评价页岩气具有重要的现实意义。

西昌盆地地处上扬子板块西缘，震旦纪—中三叠世作为泛扬子盆地的一部分，与四川盆地具有相似的构造-沉积格局[11-12]。但由于西昌盆地勘探程度较低，前人研究积累的基础地质资料相对薄弱，对盆地内的烃源岩发育程度仍不确定，严重制约了西昌盆地的油气勘探进程[13]。同时，由于西昌盆地经历了多期构造变形，尤其是新生代以来，发生了强烈隆升、强烈挤压变形和走滑运动，导致西昌盆地肢解成几个次级构造残余盆地。复杂构造活动对页岩气保存起着关键作用，如何在构造复杂的强改造区寻找页岩气有利区是当前研究区龙马溪组页岩气勘探的重要科学问题。该研究深入探讨了西昌盆地的构造特征及其与页岩气保存条件的耦合关系，为该区龙马溪组页岩气勘探有利的目标区的确定提供指导，同时为构造复杂的强改造区中寻找相对有利勘探区块提供借鉴。

图1 西昌盆地南段构造纲要图Fig. 1 Tectonic outline of the southern section of Xichang Basin

1 地质背景

图1 所示为西昌盆地南段构造情况。西昌盆地位于扬子地块西缘和青藏高原东缘的交接部位，如图1 中a 区域所示。以安宁河断裂为西界，以峨边—美姑断裂为东界，以则木河断裂为南界，以大渡河为北界，面积大约为16 000 km2[11]。盆地经历了长期复杂的构造演化，受控于晚三叠世之前伸展背景下差异升降活动和晚三叠世以来自西向东逆冲挤压-走滑活动控制，形成南北分块、东西分带的构造格局，特别是新生代以来受印— 亚碰撞和青藏高原隆升的强烈影响，现今呈现为北西向、北东向和近南北向3 组构造叠加的复杂构造面貌，早期北东向和北西向构造遭受晚期近南北向构造的强烈叠加改造，如图1 中b 区域所示，表现为一系列近南北向的大型走滑断裂及其相关的褶皱和断块构造[14]。

图2 西昌—布拖综合剖面图Fig. 2 Comprehensive profile of Xichang—Butuo

盆地在被动边缘发展阶段沉积了以震旦-二叠系海相碳酸盐岩为主，晚三叠世发育了海陆过渡相碎屑岩，之后进入陆内断陷盆地，发育厚层的陆相碎屑岩。盆地主要发育2 套烃源岩，一套为上三叠统白果湾组，另一套为下志留统龙马溪组[15]。研究区主要位于西昌盆地南部西昌—布拖以南地区，从西到东，如图1 中c 区域所示。主要分为则木河断裂带、米市盆地宽缓褶断带、布拖乌库强变形褶断带、布拖—火烈宽缓褶断带，如图2 所示。

2 西昌盆地南段基本地质特征

2.1 下志留统龙马溪组页岩岩性特征

龙马溪组为一套比较闭塞的浅海湾相笔石页岩和泥质碎屑岩建造。其岩性主要为灰黑色钙质页岩、炭质页岩、粉砂质页岩、粉砂岩夹泥砂质灰岩。岩相基本一致，产笔石化石，厚157 m，金沙江为页岩南侧边界，钙质粉砂岩夹泥沙质灰岩为下部岩相，向上岩相过渡为薄层灰岩夹钙质粉砂岩，产出笔石化石和丰富的三叶虫及腕足类化石等，构成一个混合相，厚度仅40 m。本组整合于中志留统石门坎组之下，如图3 所示。于盆缘地表露头、盆地少数钻井及地震资料，发现下志留统龙马溪组页岩厚度自西向东增厚，受康滇古陆长期处于抬升，该套页岩向东尖灭，如图4 所示。在盆地东部布拖地区，页岩厚度可达到约18 m，是区域内页岩发育最厚地区之一（区调报告——西昌幅）。

图3 西昌盆地南部志留系龙马溪组页岩野外特征形貌Fig. 3 Shale field characteristics of Longmaxi formation of silurian in the south of Xichang Basin

图4 西昌盆地南部志留系龙马溪组页岩厚度图Fig. 4 Shale thickness of Longmaxi formation of silurianin the southern Xichang Basin

2.2 西昌盆地南段构造特征

西昌盆地在经过了多期次和多旋回构造改造之后[11]，在该地区褶皱断裂样式多种多样，整体特征为盆缘变形较强、盆内变形较弱，并伴随着强隆升、强剥蚀等构造强改造。

研究区位于西昌盆地南部，主体为米市盆地及东侧的布拖盆地，走向为近SN 向，主干断裂发生了强烈左旋走滑运动[16-18]。盆地内部总体地层倾角平缓，构造样式主要表现为盆内宽缓开阔褶皱带，盆缘构造表现为褶皱冲断带、对冲带或走滑挤压带，变形强烈，地层发生较强改造，呈陡立或倒转产出，在断裂附近常见构造角砾、碎斑岩等构造发育，同时沿断裂带向两盘延伸有劈理密度减弱的趋势。

前人利用多封闭系统热年代学和QTQt 热模拟揭示出西昌盆地构造热演化史，主要分为3 个阶段：阶段一为早期沉降埋深与增温阶段，其发育时间为80～100 Ma，阶段二为缓慢抬升冷却-沉降阶段，其发育时间为30～80 Ma，阶段三为晚新生代快速隆升剥蚀阶段，其发育时间为20～30 Ma[19]。西昌盆地内的磷灰石裂变径迹年龄普遍小于30 Ma。在则木河断裂以西，区块磷灰石裂变径迹年龄至可能大于40 Ma。夹于安宁河—则木河断裂与峨边断裂之间的米市凹陷磷灰石裂变径迹年龄可能不大于5 Ma，表明2 个断裂活动性较强烈和较新[20]。

3 西昌盆地南段页岩气保存条件评价

3.1 评价指数

美国是世界上最早在页岩气领域成功实现商业开发的国家，其页岩气勘探开发历程及进展也基本代表了世界在该领域研究历程[21]。北美各大页岩气产区一般构造变形较弱，有机质成熟度相对较低，页岩气的产量主要取决于黑色页岩物质基础[22]。但我国南方上扬子板块页岩气的地质条件要比北美复杂，相比来说我国页岩地质年代较老，且经历了多期次的强烈构造叠加作用，褶皱变形较强、断裂切割破化严重、隆升剥蚀作用明显[23]，海相地层页岩气勘探更加复杂，因此如何在地质条件复杂的区域勘察和开发页岩气，是亟待解决的问题。

西昌盆地南部属于强改造区，根据前人研究成果和西昌盆地海相页岩的阶段性研究成果，在页岩气保存条件评价上，应当针对具体的问题具体分析，结合多期构造作用下的断裂情况和裂缝发育状况、隆升剥蚀情况、构造变形条件等因素，定量半定性对页岩气保存指数条件进行综合评价，通过断裂指数、剥蚀指数、倾角指数、埋深指数、海拔指数和顶底板发育条件（见表1）进行综合分析，从而建立页岩气保存条件评价指标体系，为有利区的划分提供科学的依据。

表1 页岩气保存条件综合评价指数体系Table 1 Comprehensive evaluation index system of shale gas preservation conditions

3.1.1 海拔指数

页岩气成藏后，整体气藏随着隆升或者其他构造作用形成高海拔并随之产生构造裂缝，随着海拔相对增高就会迫使页岩气藏盖层被风化剥蚀而减薄，使盖层的有效厚度降低，盖层所提供的压力相对减弱，页岩卸荷，促使构造裂缝的形成，迫使盖层的原有的孔隙度和渗透率增大，使页岩气藏的原有的封堵能力减小。区域应力也会促使地层抬升而形成裂隙系统，影响页岩气的渗流和保存。页岩气成藏以后，虽其自身烃源岩层可以作为盖层，有自封闭的特性[24]，但是页岩气的保存非同常规油气保存，需要有一定的埋深，这样才具有良好的自封闭的特性。况且页岩气具有较大有效面积，对于形成连续聚集且大面积展布的页岩气气藏是必要的条件。

因此对研究区的海拔进行了划分，并分为9 个参数进行评价。海拔指数分类标准为实际海拔数值除以500 所得的数值。海拔指数0～4 可以划分为优选区1 类，4～6 为优选区2 类，大于等于6～9 为较差区域。在西昌盆地南部，虽然西昌市地区海拔在2 000 m 之内，但下志留统龙马溪组页岩在西昌地区尖灭，无页岩气保存研究的先决条件。在米市盆地海拔在2 000 m 以内为页岩气优选区1 类区，而昭觉盆地海拔范围为2 000～3 000 m，为页岩气优选区2类区。在布拖火烈地区海拔为200～3 000 m，也被评价为页岩气优选区2 类区，其他区域为3 000 m 以上，则为页岩气保存较差区域，如图5b 所示。

3.1.2 剥蚀指数

页岩岩层是相对封闭的，具有自生自储的特性，但是在构造变形程度较高、隆升作用较强、地层剥蚀较重的地区，页岩（气）温压场发生较大变化，进而影响页岩气富集程度。页岩气上覆岩层抬升剥蚀过程中，地层（微）裂缝相对开启，吸附的页岩气逐渐解析、扩散，当页岩气压力超过裂缝封堵能力，页岩气的保存受到影响。因此，剥蚀对页岩气的保存具有双重作用，剥蚀量较少，则有利于页岩中的隐蔽聚集在页岩的吸附气，解压脱附而聚集；剥蚀程度较大，甚至会让页岩裸露地表，就会导致页岩气保存条件丧失。

根据研究区内低温年代学[25]和区域地层厚度（区调报告——西昌幅），把研究区剥蚀量划分为9 个指数等级（1～9），建立剥蚀指数，进行定量半定性评价，如图6 所示。剥蚀指数是反应地层剥蚀量的一个参数，剥蚀指数赋值定义为：将地层剥蚀量0～9 000 m赋值为0～9（0代表0 m，9代表9 000 m）。剥蚀指数0～5 为保存条件好，5～6 为保存条件一般，6～9 为保存条件差。研究区剥蚀量在5 000 m 以内，则都为保存条件较好的区域。研究区剥蚀特征为盆地内部小，盆地边缘大，且都不超过5 000 m，若以剥蚀量评价页岩气保存，则研究区都为页岩气保存有利区，且在研究区内黑水河断层以西米市盆地内轿顶山地区，及黑水河断层与罗西断裂之间的昭觉盆地为研究区，为页岩气保存优选区1 类区中更好区域，其他区域为优选区1 类区，如图5c 所示。

事实上，根据马斯洛的创造理论[3]，以及后来阿玛拜尔等人的研究，创造力并不是天才人物所独有，而是呈现出一个类似于连续性的“波谱”，为每一个健康的人所拥有。在“波谱”的一端可能是天才的创造力，而中间或另一端则是普通大众的一般创造力。创造力是普遍人性的一个基本特点。

3.1.3 倾角指数

构造作用会使地层发生变形、褶皱、倒转，往往使岩层产生倾斜。利用地层产状在一定程度上能够反映区域变形程度。倾角指数就是把地层倾角以10°为间隔划分0～9 级别（0 代表0°，9 代表90°）。一般，地层产状越大，倾角指数越大，页岩保存条件越差。基于前人的研究成果和页岩气勘探实践[10,26]，倾角指数＜3，属于页岩气保存有利区，指数≥3，即地层产状≥30°页岩气保存条件变差。

统计盆地南部地区的地层产状，研究区的倾角指数变化较大。在米市盆地内部，地层较缓，起伏不大，倾角在30°以内，及布拖县东部布拖—火烈宽缓褶断带，倾角在30°以内，为页岩气保存优选1 类区。则木河断裂带和布拖乌库强变形褶断带，倾角指数均≥3，即页岩气保存较差区域，如图5d 所示。

3.1.4 断裂密度

地层的断层和裂缝，是由构造作用形成的，断层和裂缝的发育程度对页岩气的保存具有双重作用，在异常高压的条件下，微裂缝改变页岩的储渗条件，有利于页岩气的富集和保存；但是构造作用形成的过量的微裂缝和断层，会使页岩气难以有效的聚集，致使页岩气逸散，不利于页岩气的保存。因此断裂指数决定着页岩气气藏在研究区的规模和分布。根据区域地质资料和野外地质调查并结合地震剖面资料，初步确定断裂发育程度和规模，并根据岩层破裂程度，确定断裂带影响范围，建立断裂发育等级。将断裂指数划分为7 个等级（1～7），采用的是（4×4）km 网格统计单位网格的断层长度，根据断裂发育程度分别划分了1～7 共7 个等级，从而评价研究区页岩气的保存情况。

在研究区内次盆地内的断裂指数一般是1～3，盆缘指数大多大于3，小江断裂系统断裂指数最大，局部可达7，如布拖西侧断裂极其发育，如图5e 所示。在米市宽缓盆地褶断带和布拖火烈宽缓褶断带保存条件较好，在则木河断裂带和布拖乌库强变形褶断带则为保存条件较差区域。

图5 评价指数示意图Fig. 5 Schematic diagram of evaluation index

3.1.5 地层埋深及压力指数

地层埋深在页岩气生烃与保存都存在着至关重要的作用，一方面一定程度的埋深可以为页岩气藏形成演化提供必要温压条件，另一方面埋深可以影响页岩气吸附气量的大小，决定着页岩气藏的大小和保存环境是否稳定。但是埋深过大，则会增大页岩气的开发成本，使已有气藏未达到可开采的经济价值。在页岩气藏形成的过程中，由于环境封闭，在热裂解生气的作用下，都会形成异常高压，因此压力指数也往往是判定一个完好的页岩气藏保存的关键指数。勘探证实四川盆地及周缘下古生界页岩气日产气量与地层压力系数呈对数关系[27]。研究区地区页岩层的埋深为1 000～4 500 m，根据中国页岩层有利勘探深度和地层压力系数划分标准，只有具有一定埋深的页岩，才能对页岩气有一个持续的保存的能力，海相泥页岩由于自身演化程度高，自身具有的压力相对较大，由于地层抬升自身压力大于地层赋予的压力导致自身裂缝开启程度增加，页岩气保存也因此遭受破坏。据前人资料表明，页岩气井在正常情况下只有地层压力系数大于2.0，埋深大于3 500 m 且压裂工艺得当，才能获得高产的商业气流。因此，研究采取的评价标准为埋藏深度大，孔隙发育较少，孔渗条件较差，渗透率较小，则顶底板对页岩气的保存条件较好。一般来说，致密砂岩、膏盐层和泥页岩等均可作为页岩气的较好的顶底板。西昌盆地南部主要发育下志留统龙马溪组页岩层，与中奥陶统大箐组地层不小于3 500 m为页岩气保存有利区[28]。

根据（恢复）古地层岩性柱厚度及其AHe，ZHe揭示的古埋深温度可有效计算地表样品古埋深及其抬升剥蚀量，获得了西昌盆地南部地区页岩埋深情况。在米市宽缓盆地褶断带（轿顶山地区），埋藏深度为3 500～5 000 m，埋藏深度远大于3 500 m，按剥蚀厚度评价条件分析，为保存条件较好区域，其他位置埋深指数达不到3 500 m 的要求，对页岩气保存压力稍微欠缺，则为页岩气保存较差区域，如图5f 所示。

3.1.6 顶底板条件

因页岩本身就是一个封闭的保存系统。但是在构造条件复杂的西昌盆地，其自身的封闭系统被破坏，页岩气保存就需要考虑顶底板条件是否满足形成压力封存箱。顶底板条件是指页岩目的层的上覆和下伏地层的孔渗条件是能否封存页岩气，是否能阻挡页岩气在垂向上的散失，顶底板比较完整，构造单一。图6 所示为大庆油田勘探开发研究院提供的页岩顶底板孔隙度和渗透率直方图。整合接触，大箐组以灰白色中细粒结晶白云岩、白云质灰岩为主，较致密；孔隙性较好，如图6a 和图6b 所示，溶蚀孔洞更为发育，可达到做页岩岩层底板的要求。下志留统龙马溪组页岩地层塑性较强，因西昌盆地构造条件复杂，页岩层破坏较严重，裂隙较为发育，且因为其有机质含量高，脆性矿物含量较低，自身不能作为自身的顶板。但中志留统石门坎组岩性主要为深灰色钙质页岩、泥质灰岩与灰绿色泥岩、泥质条带灰岩夹生物碎屑灰岩，含泥量较高。可以有效地阻止页岩气的垂向逸散，为有利的页岩层顶板条件，如图6c 和图6d 所示。

图6 页岩顶底板孔隙度和渗透率直方图Fig. 6 Histogram of porosity and permeability of shale roof and floor

3.2 保存条件综合评价

通过野外路线地质调查，对西昌—布拖剖面进行实测分析，分析页岩气的保存条件。该剖面主要经过轿顶山向斜、三湾河向斜、四开—交际河背斜、龙恩河向斜。轿顶山向斜位于米市盆地宽缓褶断带内，海拔变化较小，不大于2 000 m，地势较为平缓，不存在突变地势，变形程度较小，其内白虎山断层发育断距较小且延伸程度较短，黑水河断裂露头不明显，且露头为侏罗系粉砂岩地层。地层倾角不大于30°，剥蚀量小于3 000 m，埋深约为5 000 m，顶底板较好，页岩气保存条件较好。

三湾河向斜和四开—交际河背斜位于布拖乌库强变形褶断带内，海拔变化较大，海拔约为3 500 m，地势突变明显，变形程度较强，区内发育四开—交际河断层、罗西断层，岩石较破碎。地层倾角大于40°。埋深较浅，约为1 500 m。龙马溪组页岩出露地表，页岩气保存条件较差。

龙恩河向斜位于布拖—火烈宽缓褶断带，海拔变化较小，海拔高度约2 500 m，区内于梦断层发育，断距较小，延伸断，地层变形较小，倾角不大于30°，断裂密度较小，剥蚀小于4 000 m，埋深约为2 000 m 左右。页岩气保存条件相对较好。

4 结论

1）米市盆地轿顶山向斜地区和布拖—火烈宽缓褶断带具有良好的保存条件。该区块内部地层变形微弱，褶皱表现为宽缓-开阔的样式，地层倾角较缓，小于30°，内部断层发育断距小、延伸短。区块内部地表出露最新地层为雷打树组。剥蚀厚度主要小于3 000 m。布拖—火烈宽缓褶断带，内部变形较弱，地层倾角小于30°，内部断层发育断距小、延伸短。但在埋深指数上稍显不足，地层压力稍有欠缺。其他地区变形程度较强，地层破坏较严重，页岩气保存条件较差。

2）西昌盆地龙马溪组页岩经历了多期次构造运动，尤其是新生代青藏高原东扩效应，受到强烈的挤压-走滑构造变形和大幅度的隆升剥蚀等构造强改造作用，研究区具有强变形、强隆升、强剥蚀等构造特征，在页岩气保存条件评价中，后期构造改造和变形为制约页岩气保存的关键因素。

3）综合评价分析研究区海拔指数、剥蚀指数、断裂指数，倾角指数、埋深指数和顶底板条件等指标，优选出研究区轿顶山向斜为页岩气保存优选区1 类区，布拖—火烈乡宽缓褶断带为页岩气保存优选区2 类区。