盆缘构造复杂区页岩气保存条件分析与量化评价——以黔北地区海相页岩为例

赵安坤,余 谦,周业鑫,雷子慧,闫剑飞,门玉澎,张 茜,张 娣

(1.中国地质调查局成都地质调查中心,四川 成都 610081;2.自然资源部沉积盆地与油气资源重点实验室,四川 成都 610081;3.四川大学文学与新闻学院,四川 成都 610064)

马永生等(2018)针对我国南方构造复杂区页岩气地质评价提出保存条件是不可忽略的关键因素,提出保存条件重点是盖层条件和边界断层封闭性。尤其是五峰组—龙马溪组页岩,沉积厚度分布相对稳定、演化程度相对适中,在构造复杂区残余分布中如何找到突破,保存条件不可或缺。“碎中找整,次中选优”的思路即是寻求保存条件适宜区域的体现。此外,多位学者对我国海相页岩气保存条件开展了研究,从构造作用演化史、地层水条件、盖层、天然气组分、顶底板条件和压力系数等方面对页岩气的保存条件进行系统分析,提出优越的顶底板条件是基础,构造改造作用是主控因素(刘树根等,2011;聂海宽和张金川,2012;胡东风等,2014)。

四川盆地周缘海相页岩经历运动改造复杂剧烈(郭旭升等,2014;刘树根等,2011;刘树根等,2016),特别是自加里东运动开始,改造强度逐渐增大,地层抬升剥蚀时间早,五峰组—龙马溪组页岩埋深相对较浅,甚至部分区域暴露地表接受剥蚀,导致仅在向斜核部残余分布(何治亮等,2017;金之钧等,2016;刘树根等,2011;聂海宽和张金川,2012;庹秀松等,2020)。同时,强烈变形导致褶皱、深大断裂、通天断裂尤其发育,使得保存条件复杂、评价变得尤为艰难,对构造复杂区保存条件开展进一步研究尤为必要(陈超,2018;陈孔全等,2020;弓义等,2020;姜磊,2019;庹秀松等,2020;张福等,2020;赵文韬等,2018;杨平等,2020;张茜等,2017;余谦等,2020)。

1 地质背景

四川盆地南缘构造复杂区经历多期构造作用改造,在多期应力作用下形成复杂变形(刘树根等,2016;赵安坤,2012)。本文研究区主要位于四川盆地南缘(图1),西侧与川滇南北向构造带相邻,南接滇中、黔中隆起,东临雪峰山褶皱带,其构造变形由大凉山褶皱带向盆内扩展,主体呈北西向展布,同时受雪峰山陆内造山作用向盆内扩展形成的北东向构造挤压叠加(陈虹,2010;庹秀松等,2020;徐政语等,2019)。该低陡褶皱带上白垩统—古近系地层卷入褶皱变形,表明该褶皱带定型于喜山期构造运动(王二七和尹纪云,2009)。

研究区主要发育三组褶皱构造,一组呈北东—南西平行于华蓥山断裂带展布,主要分布于雪峰山西侧至齐岳山断裂东侧;一组呈近南北向展布,主要分布于西昌—昭通一线;还有一组呈北西—南东向展布,犍为—沐川一线(图1)。北东向褶皱代表川东隔挡式高陡构造带向西南方向的延伸以及向盆内方向的扩展变形,背斜通常南东翼较缓、北西翼较陡、局部倒转,且背斜向沿走向方向延伸不远而发生倾伏,呈拉长的穹窿状构造,反映出具有北西向的叠加变形。而北西向褶皱代表大凉山褶断带向盆内滑脱变形,形成的弥散性渐变盆山结构。总体上,构造以低陡褶皱为主,局部发育较紧闭的高陡褶皱(孙博等,2018)

图1 研究区位置图Fig.1 Location of study area

2 保存条件评价参数

以自然资源部页岩气选区评价相关参数标准为基础,综合前人页岩气资源评价方法(董大忠等,2009)、选区评价方法(王世谦等,2013)和保存条件因素分析(汪正江等,2018),结合研究区页岩气地质条件及构造因素,选取封闭性、底板条件、构造改造强度等开展研究,其中封闭性主要考虑压力系数;底板条件主要考虑地层接触关系;构造改造强度主要考虑地层产状、埋深与断裂展布共5个参数进行阐述。

2.1 断裂展布分析

不同级次、不同性质的断裂对页岩气的保存条件影响各不相同(庹秀松等,2020;赵文韬等,2018)。四川盆地内部因构造总体稳定,对页岩气保存影响相对较大的主要是一级断裂系统。因其规模较大,断穿基底,上下盘断距大、延伸距离长,对页岩气的保存起明显的破坏作用。大型走滑断裂及逆冲断裂在盆缘构造复杂区内对页岩气保存条件影响较大,在页岩气有利区优选中需主要考虑作为不利因素尽量避开,如四川盆地东南缘齐岳山断裂等。

盆缘黔北地区主要处于隔槽式、槽档变形过渡带,断层发育数量多、规模大,延伸长度长,“通天”断裂较多。区内主要分布的大型断裂为西北侧贵阳-遵义大断裂、北部齐岳山隐伏断裂,南部岑巩断裂,东侧为宜昌-岳阳断裂。如图2所示,断裂延伸方向主要有三组:北东向为主、次为近南北向,少量北西向。

图2 盆缘地区主要断裂分布图Fig.2 Distribution map of main faults in the margin of Sichuan Basin

北东—南西向断裂多发育在背斜核部,其形成时间早,以逆冲推覆断层为主,兼具走滑特征。断层面常见沥青充填(图3),表明曾作为油气运移通道,后因沟通地表,对页岩气保存起明显破坏作用;北西—南东向断裂对早期断裂进行切割,发育时间晚于北东向断裂,多系挤压背景下不对称挤压所形成,具右行平移走滑性质。此类断层斜交并错移北东向主构造线、错移或截断主断裂走向延伸,具较大破坏作用;近南—北向断裂是在燕山期近东西向强烈挤压背景下形成,受先期北东向断裂叠加影响,易发生北东向偏转。多为逆冲断层性质,延伸距离短,对页岩气保存条件影响相对较弱。

图3 研究区宝塔组地层与五峰组—龙马溪组地层呈逆断层接触Fig.3 The reversed fault contact between Baota Formation and Wufeng-Longmaxi Formation

2.2 地层倾角分析

地层倾角是地层因构造作用发生变形、褶皱、倒转等而产生的倾斜角度。一般来说,构造样式的陡缓会影响页岩横向扩散作用的强弱,因为页岩的渗流具有方向性,顺层横向渗透率远大于垂向渗透率,横向渗透率是垂向的2～8倍(张文,2018),侧向的扩用作用破坏作用更强(张晨晨等,2017)。地层倾角越大,扩散作用越强,油气逸散程度高,对页岩气的保存越不利。反之,地层越平缓,地层倾角越小,越有利于油气保存。

平面上看,盆地内川东高陡带地层倾角变化较大,指示其构造保存条件可能受影响,而盆地内靠近川中自贡、长宁、威远等地区地层倾角变化较小,指示其构造保存条件相对较好(图4)。而四川盆地南缘地区因褶皱发育,曲率值最大的多位于向斜和背斜核部,在向斜两翼相对平缓处,龙马溪组地层大面积出露,总体地层产状稳定,地层平缓,构造曲率值较低。随着向斜核部地层倾角逐渐变大导致曲率逐渐增加,如向斜核部构造变形较强,构造曲率急剧变化,褶皱和断裂使得这些地区发育较多的裂缝系统,致页岩气保存条件变差。

图4 盆缘地区地层倾角分布图Fig.4 Dip diagram of strata in the margin areas of Sichuan Basin

2.3 埋藏深度

埋藏深度是影响页岩气富集的关键因素之一,汪正江等(2019)指出,在川西南—滇东北等地,五峰组—龙马溪组页岩埋藏深度变浅,上覆地层压力降低,造成页岩储层释压,解吸作用增强,在地层释压过程中所形成的裂缝系统加速页岩气的逸散,导致储层含气量降低;埋藏深度过大直接促使有机质热演化程度过高,增加页岩气勘探、开发的工程难度和经济成本。

盆缘构造复杂区五峰组—龙马溪组页岩在向斜核部埋藏深度＞1500m,与盆内相比,盆缘五峰组—龙马溪组页岩埋深较浅(雷子慧等,2016)。如安场向斜核部出露三叠系地层,其五峰组—龙马溪组页岩埋藏更深＞3000m,向两翼逐步变浅至暴露地表。当再核部埋深1000～3000m时,含气性有一定的保证,若埋深不足500m,在缺乏侧向封堵情况下,储层含气性较差(图5)。

图5 盆缘地区五峰组—龙马溪组页岩埋深示意图Fig.5 Burial depth of Wufeng-Longmaxi Formations in the margin of Sichuan Basin

2.4 目的层地层接触关系分析

不整合面通常是受区域性构造抬升或是海平面升降,造成地层沉积缺失。以沉积间断、古风化壳存在为特征。四川盆地的不整合往往与整体抬升或者局部隆起有关,其中加里东期雪峰山西侧的不整合主要受黔中古陆的影响,在局部地方因形成高地而导致沉积间断,形成平行不整合面。主要以风化壳、古喀斯特淋滤带、溶蚀以及各种泥裂、结壳等为标志。四川盆地内五峰组—龙马溪组地层多是整合接触关系,而雪峰山西侧区域五峰组—龙马溪组地层常见平行不整合接触关系(图5)。其平行不整合主要有三个地层,一是五峰组及下伏临湘组地层不整合,二是五峰组和龙马溪组因观音桥段的缺失而出现的不整合,此外还有龙马溪组内出现的沉积间断不整合。

调查发现,研究区及邻区多个剖面或钻井均揭示龙马溪组底部存在整个五峰组缺失的沉积间断,表现为岩心观察见古风化壳和通过笔石鉴定发现缺乏WF1-LM1带笔石。黔北遵义、桐梓等地龙马溪组底部缺失;黔东北务川、沿河一带观音桥段与龙马溪组底部均缺失,陈旭(2018)研究认为是受“宜昌上升”影响(陈旭等,2018)。此外,王怿等(2016)对川西南滇东北地区志留系研究中提出盐源地区的龙马溪组与下伏地层呈不整合接触关系,可能与构造运动及沉积间断相关。与之类似的是盆缘牛蹄塘组地层,其保存条件受下伏地层灯影组古风化壳的影响变差,导致页岩气大量散失,钻探效果不尽如人意。

图6 四川盆地南缘五峰组—龙马溪组地层对比图(据戎嘉余等,2011修编)Fig.6 The distribution of Wufeng-Longmaxi Formations in the southern margin of Sichuan Basin

2.5 压力系数分析

地层压力系数是反映页岩气保存条件的重要量化指标,超压区页岩气保存条件好,含气量大。四川盆地内焦石坝(焦页1井)、长宁地区(宁201井)地层压力系数分别为1.55、2.03,盆外压力系数整体呈减小的趋势,在黔江、正安、来凤区块龙马溪组页岩地层压力系数分别为0.66、1.25、0.96;牛蹄塘组页岩其地层压力系数整体处于常压或低压状态,盆内威201井为0.92,盆外宜昌地区鄂阳页1井约为1.0～1.1(图7)。

图7 四川盆地及周缘五峰组—龙马溪组压力系数分布图(部分数据引自郭旭升等,2014;王玉芳等,2017;王玉满等,2016;翟刚毅等,2017,2020)Fig.7 Distribution of pressure coefficient of Wufeng-Longmaxi Formations in Sichuan Basin and its adjacent area

总体上,四川盆地内部页岩压力系数大于盆外剥蚀区页岩压力系数。盆内威远、内江、涪陵和富顺—永川等地区压力系数较高,压力系数超过2.0,为异常高压地层区,表明页岩气保存条件总体较好;川东高陡带背斜轴部区域压力系数相对较低,如广安、邻水、垫江等地,压力系数1～1.5,显示受构造运动影响(魏祥峰等,2020),其保存条件相对次有利。盆缘构造复杂区整理压力系数介于0.8～1.0,属常压—欠压区域,保存条件相对盆内较差。

3 保存条件综合分析

3.1 指标体系

通过区域盖层、自封闭性、底板条件、构造改造强度等动态指标,建立有利区保存条件综合评价指标体系(表1),对雪峰山西侧及邻区构造复杂区开展页岩气有利区优选预测研究。其中,对封闭性细分成压力系数与上覆泥岩厚度;对底板条件进一步细化成底板岩性、地层接触关系以及底部岩溶发育指标。

表1 雪峰山西侧及邻区页岩气有利区保存条件综合评价指标体系Table1 Comprehensive evaluation index system of shale gas preservation conditions in the west side of Xuefeng Mountain and its adjacent areas

3.2 权重赋值

基于多层次模糊识别可量化部分模糊定性参数,本文模型中页岩气保存条件有利区优选的影响参数共计三大类评价指标、8项评价参数(表2)。其中,评价指标域={封闭性,底板条件,改造强度},评价因素域={压力系数,上覆泥岩厚度,底板岩性,地层接触关系,底部岩溶发育情况,地层产状,埋深,断裂影响},域中包括定量指标和非定量指标,对定量指标中的各地质数据进行无量纲化处理。

表2 多层次模糊识别保存条件评价矩阵Table2 Evaluation matrix of preservation conditions by using fuzzy recognition

同时,对同层次指标的两两比较,对于难以定量的指标,按照其对页岩气有利研究区优选中的影响程度,按照好、较好、中等、较差、差5个层次分别赋值。可分别构成页岩气保存条件判别矩阵(表3)。通过软件计算,获得各参数权重(表4)。

表3 保存条件评价参数矩阵结果表Table3 Results of preservation evaluation parameters

表4 保存条件评价参数矩阵重要性顺序表Table4 The importance sequence of preservation evaluation parameters

通过对文中平面图件进行网格化处理,叠加上述权重参数形成网格文件,对各参数网格文件进行加权汇总最终可获得保存条件有利区评价图件。

4 区块保存条件评价应用

长顺鼓扬向斜保存有利区位于长顺县交麻村—鼓扬镇,受东西两侧断裂控制的向斜弱变形区保存单元,目的层为下石炭统打屋坝组。保存有利区面积约188km2,出露地层为石炭系—三叠系地层(图8左)。

图8 长顺鼓扬向斜保存有利区地质图(左)与长顺鼓扬向斜产状分布图(右)Fig.8 Geological map(left)and formation occurrences(right)of the Changshun-Guyang syncline

保存条件量化分析的通式为:

式中:y为因变量保存条件评价指数,x1,x2…xi,为自变量即保存条件影响地质因素;β0,β1,β2,…βi为权重系数,ε为随机误差。

鼓扬向斜保存有利区东侧边界受长顺-茅山断裂和长安泥盆出露区控制,西侧受广顺断裂及分支断裂控制,南至交麻断向斜,北至鼓扬向斜北翼收敛端。东西两侧及南侧为断层控制,北侧地层产状高陡,构造线密集。鼓扬向斜东侧与泥盆出露区范围相同出露打屋坝组(图8左),自东向西出露石炭系、二叠系、三叠系。

地层倾角10°～30°,翼部地层倾角10°～20°,向斜核部产状变陡,地层倾角普遍大于30°。西侧受断层影响在尅混地区出露泥盆系,断裂较发育,地层变形较强烈,丙贡—板当地区地层倒转,产状15°～60°,自西向东至鼓扬地层产状较稳定10°～30°(图8右)。

南侧受断层影响破坏向斜构造,断层分布组合呈菱形,说明该地区曾经过多期次多方向应力,推测地腹构造复杂(图9左)。北侧受鼓扬向斜核部收敛,地层变形强烈,页岩气保存条件较差。自交麻向斜北端-鼓扬向斜南端由鞍状背斜相连(图9右)。

图9 断层影响分布图(左)与长顺鼓扬向斜埋深分布图(右)Fig.9 Influence area of fault(left)and burial-depth map(right)of Changshun-Guyang syncline

综合前述地质特征,通过量化叠加各评价参数,获得保存条件有利区量化评价图(图10左),图中显示鼓扬页岩气保存有利区为橙—红色区域范围,以向斜核部三叠系地层出露区为佳,东侧构造简单优于西侧,埋藏深度1500～3500m,绿—黄色区域为保存条件次有利区域,对照传统保存条件有利区评价图,新方法与传统方法的结果具有一定的一致性,即最有利范围总体分布一致,新方法能更直观地展示有利区范围、保存条件差异分布及不同地区的保存条件对比。

图10 保存条件有利区量化评价图(左)与传统评价分布图(右)对比Fig.10 Comparison of quantitative evaluation map(left)and traditional evaluation map(right)in favorable areas of preservation conditions

5 结论

(1)本文通过对四川盆地周缘断裂展布、地层产状、目的层埋深以及地层接触情况等多项参数进行分析,评价构造复杂区海相页岩气保存条件影响因素,建立保存条件参数体系。

(2)通过模糊识别数学方法对各项参数赋予权重并进行排序,其中断裂分布、埋藏深度、压力系数及地层产状在盆缘构造复杂区影响尤甚,上覆泥岩厚度、目的层地层接触关系及底部古岩溶等也具有一定影响。

(3)以黔北长顺区域为例,本文对区内保存条件参数指标的平面分布图进行矢量化叠加,获得保存条件有利区域评价图。通过该图可见,该方法保存条件最佳区域和传统评价图分布的范围总体一致,但是区内有利位置更明确、可对比性更强,这为构造复杂区页岩气保存条件分析评价提供了一种更直观、更准确的评价方法。