中国“山地式”页岩气层内构造变动研究方法、理论及其勘探开发意义

李忠权, 贾承造, 江同文, 陈更生, 何 骁, 李国欣,杨洪志, 石学文, 吴 伟, 胡懿灵, 龙 伟

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059; 2.自然资源部构造成矿成藏重点实验室(成都理工大学)，成都 610059；3.中国石油勘探开发研究院，北京 100083; 4.中国石油天然气股份有限公司 勘探与生产分公司，北京 100007; 5.中国石油西南油气田公司，成都 610051; 6.中国石油天然气股份有限公司 青海油田分公司，甘肃 敦煌 736202；7.中国石油西南油气田公司 页岩气研究院，成都 610051)

页岩气勘探开发关系到国家能源战略安全，是当前和今后相当长一段时间国家能源战略重点[1-6]。四川盆地是中国当前最主要的页岩气产气区，五峰组—龙马溪组第一段页岩气资源丰富，通过近十余年的勘探、开发与工程实践，这套页岩层系已经实现了规模化的工业效益开发，形成了继北美之后第二个成功开发的规模页岩气产气区[7-8]。川南地区长宁-泸州一带则被规划为国家级页岩气示范区，具有极强的行业、区域经济发展引领意义。

随着勘探开发生产的不断深入，在川南页岩气实际勘探开发生产中发现页岩气存在“甜点”认识不清、钻井地质复杂、目的层追踪导向困难并导致钻井施工时常失利等问题[9-10]，通过深入研究发现页岩气产层内褶皱、断裂、破碎带、劈理带、裂缝带等层内构造复杂，与北美页岩气勘探开发赋存的地下地质构造环境存在很大差异[11]，由此本文首次提出中国“山地式”页岩气概念。

中国“山地式”页岩气主要指赋存于构造活动区的、受页岩层内复杂小构造控制的这类页岩气。目前在中国西部四川盆地南部-东部一带盆内、盆缘、丘陵地带勘探开发的页岩气就属“山地式”页岩气，该类页岩气与美国、加拿大等构造相对稳定区的“平原式”页岩气在勘探开发上存在着巨大的构造差异[12-13]。

页岩气最早在美国实现工业化开采，但美国页岩气产出的区域构造背景与中国现今川渝地区的“山地式”页岩气产出的区域构造背景有着天壤之别[14](图1)。美国页岩气相对中国页岩气而言可称之为“平原式”页岩气(图1-A)，其构造相对简单，地表地貌相对平坦，地腹构造主要表现为同沉积期的一些深部隐伏构造的继承保留，后期构造改造作用不强，其对页岩层内构造扰动不大，页岩层内构造与区域构造基本协调一致[12]，因此地质“甜点”预测与钻井工程安全基本都不存在大的风险与难点问题，这在理论上就不存在层内构造研究的特别需求，这也是目前国外基本没有层内构造研究可借鉴资料的原因之一。相反，中国“山地式”页岩气(图1-B)除了地下构造复杂外，其在地表地形上也常常表现为山川丘陵地貌[10-13]。地震勘探与钻井开发难度都较大[13]，因其形成后经历了多期构造运动的复合叠加，后期构造改造作用强烈，构造样式复杂多样[14-16]，特别是层内构造与区域构造的强烈不协调性，使得中国“山地式”页岩气的勘探开发生产难度极大[16]。最早开发的美国“平原式”页岩气开发技术能提供的构造地质学借鉴经验十分有限，构造研究的挑战始终贯穿了川南中国“山地式”页岩气勘探、开发生产全过程[17]。

针对川南地区页岩气区域构造影响因素的研究已经有不少成果，讨论了整体的埋深[18]、保存条件[19]、改造作用[20]、沉积环境受构造格局的控制作用[21-24]、热演化历史以及区域构造控制下的富集模式[25-26]等等方面，譬如：强隆升剥蚀作用导致下古生界页岩应力-应变特征和温度-压力环境等变化，从而影响页岩含气性及其保存条件[18]；隆升剥蚀作用使页岩气层和盖层脆性破裂，或已形成的断裂或者裂缝变成开启状态，降低泥页岩自身封堵性能和盖层的封闭能力，同时导致页岩应力-应变特征和温度-压力环境变化，从而影响页岩含气性及其保存条件[7-18]；构造运动形成的断层规模(断距、长度)影响了断层封闭性和页岩气的逸散程度[19]；宏观的区域构造格局控制着沉积盆地的展布，进而控制沉积相展布，决定了不同沉积环境中页岩的有机质、矿物组成(特别是硅质)等基本油气地质条件[21-24]；早期深埋阶段，页岩生烃并滞留保存，这期间的主控因素是顶底板的物性条件，在晚期抬升阶段，生烃停止、页岩气逸散与保存的主控因素是构造作用时间和强度等等[25-26]。

图1 美国页岩气与中国页岩气产出地质背景对比[14]Fig.1 Comparison of geological background of shale gas production in the United States and China (A)美国“平原式”页岩气; (B)中国“山地式”页岩气

由此不难看出，当前对于页岩层构造变动的研究主要集中于区域宏观尺度的研究[1-5]，往往将页岩层作为一个区域软弱层对其进行宏观研究，考虑的是它在区域构造变动中的角色，且通常将页岩层作为一套单一地层单元考虑其在区域变动中的协同作用，关注的是在区域应力作用过程中，由于页岩层其自身的软弱性和流动性，如何促成上覆、下伏地层的区域性褶皱和断裂的形成或消失，即区域构造的成生调节[15,17-18]；而对其本身层内构造研究甚少，基本是空白。实际上页岩层除了在区域构造变动中起着主导作用外，其层内构造也因其在区域构造变动中构造变形-变位的调节转换变得十分复杂，导致页岩层内褶皱-断裂、节理-裂缝的构造配置组合十分复杂。而正是这些构造样式的复杂配置方式直接影响了页岩气的层内富集与“甜点”分布，也影响了页岩气的钻井施工安全与开发水平井段目的层追踪的准确度(图2)。

图2 页岩层内可能孕育的复杂断层相关褶皱Fig.2 Complex fault-related folds that may develop in the shale layer

页岩气层内构造尺度属微、小构造范畴，构造幅度很多小于地震波的1/4波长，超出了地震波的有效识别精度，找不到识别刻画的方法手段[27]。且理论上没有足够的认识准备，没有从构造变形-变位与区域构造变动的有机耦合进行系统分析考虑，缺乏理论指导；因此页岩气层内构造研究刻画难度大，目前没有取得大的进展。本文为首次系统开展页岩气层内构造变动研究方法、理论的探索，其对页岩气的局部“甜点”富集认识及页岩气生产评价、随钻目的层追踪、钻井工程安全意义巨大，应用推广研究需求迫切。

1 页岩气层内构造变动研究的基本方法与手段

1.1 野外地质调查法

目前勘探开发的页岩气一般深埋地腹数百米至数千米，其构造发育特征无法直接观察，因此往往通过盆缘出露的页岩目的层进行层内构造研究。可在1∶20万、1∶5万地质图上对目的层进行研究分析，对页岩目的层上覆、下伏岩层的区域构造特征、褶皱-断裂成生机制进行解析，选定野外研究的露头剖面，进行实地调查研究。研究中除了注意页岩层作为单一岩层在区域构造形成机制上起的作用外，还应特别观察页岩层内本身强硬-软弱“排骨层”的组合关系、岩性组合特征、厚度变化；对层内褶皱、断裂、节理、劈理等构造产出要素进行准确测量与记录。对页岩层内、层间剪切滑脱褶皱、断层相关褶皱、断裂形成机制进行成因机理分析，搞清层内构造与区域构造之间的成生联系，总结层内构造发育样式，对褶皱-断裂、节理-裂隙的耦合与互为转化调节关系进行定性与定量研究，理清构造形成演化史与构造动力学成因机制，为深层页岩层内构造解析与预测提供依据。

图3为四川省雷波县野外露头剖面，在奥陶系宝塔组之上的五峰组-龙马溪组页岩“排骨”层中发育一个规模约为180 m的层间褶皱，卷入褶皱的五峰组-龙马溪组页岩层厚度约为60 m。在这个层间褶皱中发育了一束调节位移应变量的劈理密集带，层间褶皱形成机制与区域褶皱、断裂的形成在成因上有很好的耦合关系。

倘若此时开发井水平段沿五峰组-龙马溪组底部一带钻进，前方的目标层位褶皱变形很可能导致脱靶；而在压裂阶段，内部的劈理密集带则可能导致压窜事件的发生。

1.2 地震剖面构造-沉积精细解释及构造-沉积演化史分析

在野外地质调查与区域构造变动演化分析基础上，开展研究区二维、三维地震剖面构造-沉积精细解释研究工作，明确构造-沉积的成生演化史，理清断裂多期活动时间、活动期次、活动性质及断裂与褶皱之间构造依控关系，运用剪切滑动、正断层与逆断层的断层相关褶皱理论[28]、对剪切、拉张、挤压、反转等构造开展系统研究，搞清各种构造行迹的形成过程与动力学成生机制，确定目的层——页岩层在区域构造变动中所起的作用(属主要滑脱层还是次要滑脱层？抑或就没起到滑脱层的作用)。如果页岩层起到了区域滑脱层的作用，则要特别注意页岩层上、下构造变形层的构造样式差异，搞清上、下构造变形层的褶皱-断裂是如何消失滑脱、减弱于滑脱层中，运用构造变形-变位基本耦合原理，开展层内微小构造的深入研究。

图4为过川南泸州地区的一条地震剖面，由NW向SE，穿过新店子、黄瓜山、六合场、临峰场和石龙峡背斜。剖面整体表现为基底向东南倾斜，根据地震“戴帽”可以看出地表构造主要表现为隔挡式褶皱样式，其主滑脱层为寒武系膏岩层和志留系泥页岩层，目的层——志留系呈塑性减薄、加厚明显，志留系上、下断层系位移量一般都消失于志留系滑脱层中，引发志留系层内强烈变形、变位，导致志留系层内局部发育极不协调的褶皱-断裂-裂缝体系，控制页岩气“甜点”与影响钻井施工安全。

图3 雷波黄泥梁子五峰组-龙马溪组页岩层内构造剖面特征Fig.3 Characteristics of structural sections of Wufeng-Longmaxi Formation shale at Huangniliangzi, Leibo County

1.3 页岩层内微小构造多属性构造研究

在野外层内构造样式调查与地震剖面构造精细解释基础上，对页岩层内构造通过倾角、倾角偏差、方位角、曲率、混沌、方差、均方差振幅、振幅对比、广义谱分解、蚂蚁体追踪等多种地震属性变换处理[29-30]，分析整套页岩层内岩石建造的差异性与构造属性的差异性，运用断层相关褶皱、层间剪切滑动、平衡剖面正演与反演等相关构造地质学理论、方法、技术[28,31-32]对页岩层内可能出现的复杂调节构造进行构造几何学、运动学、动力学研究，理清褶皱-断裂-裂缝的构造配置关系，为层内页岩气富集、“甜点”预测及钻井施工安全避险提供精准科学预测。

层内构造研究一般至少要经过如下两个步骤：

a. 研究区页岩层内构造变形前初始岩层建造特征的厘定，这是构造变动研究的物质基础。

虽然页岩层宏观整体上表现为一套软弱层，但其内部的变形-变位在细节尺度上更多地受到内部物性差异的控制[32]，比如页岩内硅质含量、泥质含量、钙质含量的差异造成的岩层硬度局部差异。因此研究页岩层内的构造样式，必须要先明确页岩层的岩层建造特征。但地震剖面反映的则是现今的构造改造之后的岩层分布情况，为了建立页岩层变形前初始建造状态，需要利用地震数据，在多属性结合的情况下，对大量剖面中变形-变位相对简单区域，近似观察统计地震波形属性所揭示的强硬-软弱“排骨”层间互分布情况，结合钻井测井综合地质解译资料，确认研究区页岩层变形前初始地层建造特征。

图5为川南某地通过多种属性变换对比[29-30]，最终通过广义谱分解属性确定的志留系+五峰组中相对强硬层11层、相对软弱层12层；顶部为一套软弱层，发育于二叠系之下；底部也为一套软弱层，发育于奥陶系宝塔灰岩之上。这是该地区页岩层变形构造研究的初始物质基础，说明研究区变形背景是在软弱-强硬相间的“排骨”层建造基础上展开的。

图4 川南某地震剖面3套滑脱层宏观变形特征Fig.4 Macroscopic deformation characteristics of the three sets of detachment layers in a seismic section in southern Sichuan

图5 GSD属性揭示的强硬-软弱“排骨”层特征Fig.5 GSD attributes revealing the characteristics of the hard-soft spacer

b. 通过构造判定，在三维地震剖面上选取合适方向的可显现层内构造的地震剖面进行多方法属性的构造解释研究，结合水平切片对微小构造的三维特征进行刻画。

图6为过川南某水平井地震剖面经GSD地震属性处理，在目的层龙马溪组和五峰组中刻画出的断层转折褶皱。

图6中，水平井段在地震剖面上没有表现出成规模的褶皱、断层，钻井水平段上方约200 m内可见局部构造样式受到以志留系滑脱层内相对强硬层和相对软弱层所展现出的断展褶皱控制，表明该区域受到局部挤压，导致滑脱层内出现小型断层，断层从软弱层底板(②号软弱层)启动，突破③号强硬层，③号强硬层以微幅断展褶皱的形式上冲至左侧③号层之上，导致滑脱层内局部的构造加厚。这种构造样式可以由局部的剪切、挤压甚至伸展滑覆形成，断展褶皱体系的断层则位于②号相对软弱层的底面，可以推测，在②号相对软弱层内部应当发育大量的滑脱构造，这些构造的发育必然影响页岩气“甜点”富集、开发方案编制与工程安全等问题。

1.4 层内显微构造研究法

为了准确把握研究区页岩层内微小构造可能存在的构造类型与构造样式的组合方式、层内构造经历的构造动力学环境，可在显微尺度下观测矿物或岩屑的应变样式与可能存在的应力机制，从而为页岩层内可能出现的微小构造多属性构造解译提供科学约束。

层内显微构造研究包括野外样品显微构造研究和钻井岩心显微构造研究两个方面。

a.野外样品显微构造研究：根据研究需求，尽量选择与研究区有着共同构造演化历程的野外露头点进行细致连续采样，采样精度必要时需要达到厘米级采样间隔。对连续采样的岩石样品切片以后，按照野外原始编号排序，进行高清图片采集分析。对单个显微薄片进行纹层级精细构造分析，分析内容包括纹层厚度、形态、弯曲度、连续性、渐变几何关系、界面变化性质(渐变或者突变)等页理缝变动特征以及构造微裂缝的宽度、长度、方向、填充物等次生构造裂缝特征[33-34]。通过野外样品的显微构造研究探讨显微尺度的构造类型、构造样式组合特征，为科学约束研究区地腹微小构造的多属性构造解释提供依据。

b.钻井岩心显微构造研究：可采集水平井段构造变异较大部位的钻井岩屑进行观察，了解微观尺度下可能存在的构造应变样式与应力状态，结合地腹高温、高压、富流体及地震子波、地震属性反映的波形特征，运用构造变形-变位基本耦合原理，研究层内微小构造的可能组合样式。

图6 GSD属性处理的反映水平井钻遇页岩层内复杂构造实例Fig.6 Example of complex structures in shale formations drilled by horizontal well

由于页岩层在应力作用下，常常表现为顺层剪切变形-变位组合，在靠近滑脱底板附近、小褶皱的翼部等位置通常发育次一级的剪切构造作用[34]。这些剪切作用所形成的“S”形、“Z”形等微观褶皱和剪切破裂系(图7)，是揭示页岩层所处构造动力学环境的有力证据，为页岩层内褶皱-断裂、裂缝的耦合配置分析提供支撑。

图7 页岩层内显微构造实例[33]Fig.7 Examples of microscopic shear fold in shale

1.5 构造物理模拟研究

根据研究区的实际勘探地质剖面揭示的岩层厚度、岩性特征，选用不同物理性质的实验材料(如不同黏度的硅胶、不同粒度的石英砂、玻璃珠、滑石粉等)，按等比例缩放原理[35]，搭建符合研究区客观实际的构造物理模型。根据研究区构造演化史分析与构造动力学特征，确定初始先存边界条件，采用不同动力学作用方式(挤压、拉张、剪切、隆升、下降)、作用参数(如变形速率、主应力与层面夹角)，开展构造物理正演模拟；结合高速摄像机对物理沙箱进行长时间连续拍摄，观察软弱层与上下强硬层之间构造分时、分阶段变形-变位耦合现象，观察断层变位、褶皱变形行迹在强硬岩层与软弱岩层之间转变关系，同时分析软弱层中变形-变位体系与裂缝发育体系的空间耦合配置关系；在此基础上运用最新图像处理与PIV粒子速度应变分析技术，为层内构造样式成生演化及构造动力学成因机制研究提供依据。

图8为构造物理模拟揭示的区域构造与层内构造的极大不协调性。从图中可见，以底板及蓝色石英砂之间的整套硅胶夹红、绿色薄砂层为滑脱层，滑脱层是由3层硅胶层和红、绿色两套石英砂共同组成的强硬-软弱的“排骨”层建造。由实验模拟结果可知，滑脱层内部由于次一级的物质硬度差异，将形成复杂的小型断层相关褶皱，滑脱层内以复杂的同斜-紧闭褶皱为特征，这种褶皱变形在进入上部强硬层时转化为单一的构造变位(如F1断层)。从这可以看出滑脱层内构造较为复杂，而上、下相对强硬层构造相对简单。

图8 模式实验揭示的滑脱层内构造与上覆盖层构造的不协调性Fig.8 Model experiment revealing the incompatibility between the structures in the detachment layer and the structures in the overlying layer

2 页岩气层内构造变动研究的基本理论

岩石受力主要发生变形、变位两种方式的构造变动，其中变形主要克服的是屈服极限，变位主要克服的是强度极限，变形与变位在一定条件下(如物性，外力作用的大小、时间、方式，岩石所处的温度、压力环境)可互相转换[32]。因岩石物性不同，在同一应力场中，其构造变动方式也各不相同(图9)。

图10为峨眉野外的一张露头照片，照片中的地层主要由强硬的灰岩层与软弱的页岩层交互组成软硬相间的“排骨”层，图中发育两条断层F1、F2，可见F1主要发育在②号软弱层之下的①号强硬层中，位移量向下顺层滑脱消失；F2主要发育于②号软弱层之上的②强硬岩层中，夹于中间的②号软弱层则没有发生断裂，而是发育了层间小褶皱。从这个露头可以发现上、下强硬层的断层变位体制在遇到软弱层时，受岩石物理性质控制，向软弱层内的变形体制转变，断裂变位转化导致的软弱层内变形将引起滑脱层内部发生强烈的构造扰动，出现复杂的构造变形-变位-微裂缝、层间缝局部发育的构造变异区，这是工程施工重点防范区，也是页岩气可能发育的构造“甜点”区。

图9 构造变形-变位机制Fig.9 Mechanisms of structural deformation and displacement

图10 “排骨”层中变形-变位相互转化特征Fig.10 Characteristics of the deformation-displacement transformation in “ribs” layers

页岩气层内构造因其所处的区域构造部位及页岩层本身的软弱性、非均一性、叶理性、软-硬相间的“排骨”层性质的差异，在剪切、挤压、拉张等不同动力学环境下形成的构造极性、构造样式、构造组合特征及褶皱-断裂-裂缝的空间配置关系是各不相同的[31]。其研究的基本理论主要是地质体各单元之间的构造变形与变位耦合转化平衡理论，主要包括：与剪切动力学环境、挤压动力学环境、拉张动力学环境相关的变形-变位转化理论。下面简要论述这三种动力学环境下可能出现的一些典型构造变动样式。

2.1 与剪切动力学环境相关的变形-变位转化理论

强硬、软弱岩层构成的“排骨”层状岩石中，在简单剪切作用下，剪切边界通常表现为不同尺度的走滑断层，而在剪切边界夹持的区域内，软弱岩层受剪切作用分力的作用，应变体系在其中将表现为复杂的褶皱-断裂组合[31](图11)。

图11 剪切作用下构造变形-变位转化特征Fig.11 Characteristics of the structural deformation-displacement transformation under shearing

2.1.1 剪切面近直立的剪切

当剪切面近直立时，由于水平方向局部的物性差异、应力失稳，将在不同部位的转折区域派生出局部的挤压区域和伸展区域[36]。在挤压区域将发育次一级的逆断层、挤压褶皱，而在伸展区域将发育次一级的正断层、滚动背斜。此时，水平方向的剪切变位可转化为局部的挤压-伸展构造变动，形成局部的构造复杂带(图12)。

2.1.2 剪切面倾斜的层间剪切

倾斜的层间剪切滑动是页岩层内大量发育的一类断-褶构造，如在纵弯褶皱作用与横弯褶皱作用中的背斜核部、向斜核部及其间的翼部形成的层间构造变形-变位耦合样式是各不相同的[32]，图13为一个单斜层，因其掀斜的构造作用力方式不同，其层间褶皱、断裂、裂缝组合样式就存在很大差异。

以纵弯褶皱为例，在挤压过程中，褶皱两翼将发育剪切面倾斜的层间剪切，从而在翼部的相对软弱层中发育对应的“S”和“Z”形次级褶皱，同时伴随着斜交剪切边界(强硬层的层面)的次级剪切破裂，形成翼部强硬层之间、软弱层之内的复杂构造[34]。

图12 剪切面近直立时构造变形-变位特征Fig.12 Structural deformation-displacement characteristics with nearly vertical shear plane

图13 岩层掀斜的动力学方式不同导致层内构造样式不同Fig.13 Different dynamic models of rock tilt leading to different structural styles in the layer

2.1.3 剪切面近水平的顺层剪切

在一对水平剪切力偶作用下，因层间软弱层物性差异(如均一塑性流变层、非均一塑性夹砂质透镜体流变层、塑性-韧性-刚性薄层相间的“排骨”层等)，在剪切力偶作用下可出现塑性流变分叉、变薄、叠置增厚、旋转剪节理、褶皱、断裂、层间破碎带等现象[36]。

图14是一对水平剪切力偶作用下均一岩层内可能出现的网状裂隙、褶皱、断裂的理论模型。实际情况会因物性差异、力偶作用力大小及方向的差异，形成一种或多种不同样式的构造组合。在滑脱底板附近，这种顺层剪切作用将显著发育[28,32,34]。考虑到川南地区页岩气目的层主要位于五峰组和龙马溪组底部，因此这种顺层剪切是研究中不可不重视的一点。

因页岩层往往是坚硬层与软弱层交互叠置形成的“排骨”层，其层间滑动形成的调节区域位移量的断褶构造样式十分发育。因此在运用变形-变位耦合原理分析层间剪切滑动构造时要具体问题具体分析。

郭旭升等[37]、郭彤楼等[38]在研究礁石坝地区页岩气勘探时认识到页岩层顺层滑脱构造对页岩气富集的意义：强烈构造运动将导致褶皱、断裂及顺层滑动变形的广泛发育，对页岩气的储集和保存产生重要影响。根据前人研究，区域褶皱导致的岩层倾角大小是控制页岩发生顺层滑动的关键地质因素，断裂不发育但顺层滑动破碎带发育的背斜、断裂不发育且无顺层滑动破碎带的平缓向斜是两种有利于页岩气富集的构造模式。

图14 顺层剪切导致层内可能出现的变形-变位特征Fig.14 Possible deformation-displacement characteristics in the layer caused by bedding-parallel shear

2.2 与挤压动力学环境相关的变形-变位转化理论

一般起构造调节作用的页岩层系，经历多期构造运动之后，常常表现出复杂的构造变形-变位耦合。页岩层上、下强硬层中不同时期的逆断层、正断层进入相对软弱的页岩层时，断层位移量通常顺页岩软弱层滑脱转化为软弱层内构造复杂的构造变形-变位组合，可导致页岩层内发育一系列剪切滑动构造，诱发一系列低序次的褶皱-断裂-裂缝的局部发育，进而导致顺层裂缝、局部虚脱空间与构造破碎带的局部复杂状况的出现[39]，这些地带是构造“甜点”的有利目标寻找区与工程钻井高度风险区(图15)。

根据构造形成机制，经典的断层相关褶皱理论是挤压动力学环境相关的变形-变位转化理论的一个典型代表[28]：断层滑脱褶皱、断层传播褶皱、断层转折褶皱(图16)。

理论上，在断层相关褶皱中，断面的形态(断坪、断坡)和沿倾向的延伸取决于岩层的力学性质[28]。在泥岩、页岩或者膏盐岩等软弱岩层中容易形成断坪，在此断面常常平行于岩层面，这时岩层的滑动将导致软弱岩层底部出现次一级的挤压、伸展和剪切的伴生应力场；而在灰岩、白云岩、致密砂岩等强硬岩层中，断面以一定角度切截这些强硬岩层而形成断坡。志留系内部软硬相间的局部物性差异，使得挤压断层相关褶皱很容易发育，这在当前研究中已取得一定成效，因此，五峰组-龙马溪组页岩气开发相关构造地质研究就必须考虑上奥陶统-志留系内部的局部断层相关褶皱体系。

图15 冲起构造触发的局部层间滑脱构造Fig.15 Local interlayer detachment structure caused by pop-up structure

图16 断层相关褶皱的3种类型Fig.16 Three types of fault-related folds

当断层具有一个或多个坡-坪式结构(台阶状)时，则往往出现断层转折褶皱或断层转折褶皱与断层传播褶皱的复合(图17)。

2.3 与拉张动力学环境相关的变形-变位转化理论

在拉张动力学环境下，主要形成一系列与正断层活动相关的断层相关褶皱。在张性构造环境中的正断层活动能造成断层相关褶皱的发育[40-41]，与之有关的褶皱枢纽与断层的走向平行或者近于平行，一般局限于紧邻断层面的区域，常见的如反牵引褶皱或称之为滚动背斜(图18)。

图17 多个坡-坪结构中可能出现的断层相关褶皱组合方式Fig.17 Possible fault-related fold combinations in multiple ramp-flat structures

图18 正断层相关构造变形-变位特征Fig.18 Deformation-displacement characteristics of normal fault-related structures

变形机制包括垂直简单剪切、倾斜的简单剪切和挠曲滑动。四川盆地南部在印支期及以前主要表现为差异隆升的造陆运动，深部保留了大量的不同规模的该时期的正断层系统[42]，对于最终构造样式的形成具有不可忽视的控制作用，因此与正断层活动相关的断层相关褶皱，对于川南地区的构造研究是重要的一环。

如图18，在局部极陡立的正断层情形下，正断层向上的传播，应力影响其上部的岩层，应力以一定角度传播，将使得断层变位转化为上部岩层的挠曲褶皱变形。而两条甚至多条正断层在剖面上呈雁列状排布时，其间隔区域内的软弱岩层也将以褶皱变形的形式调节正断层系导致的部分变位，使得宏观上的变形-变位体系统一起来(图19)。

图19 正断层组合中典型构造变形-变位特征Fig.19 Typical structural deformation-displacement characteristics in normal fault combination

3 页岩气层内构造变动研究的勘探、开发、钻井施工意义

在以往页岩气相关构造研究中，重点关注的是页岩层作为区域岩层的一部分参与上、下岩层的区域构造变动及页岩层在区域构造变动中的作用，对区域断层位移量在滑脱层中消失、区域褶皱构造的变形强弱导致的页岩层内本身强烈的构造变形、变位研究极少[13-21]，进一步深入研究页岩层内本身的构造变动特征与机理是亟待推进的科学问题，对页岩层内局部“甜点”的预测、随钻导向的目标追踪及工程风险的防范意义都非常巨大[10,11,13]，可解决钻井过程中复杂的地下地质构造问题。

a.在勘探方面的意义：页岩气层内构造直接控制了页岩气的局部富集与“甜点”分布。页岩气是自生自储的非常规天然气，其在页岩层中主要以游离态存在于裂隙和孔洞中、以吸附态存在于干酪根和黏土颗粒表面，还有极少量以溶解态存在于干酪根和沥青质中[2]。

页岩气层内构造主要是泥页岩及其夹层因地层建造的非均一性(如泥岩中夹砂质透镜体)、页岩小层及夹层之间的物性差异(如软硬相间的“排骨”层)，在伸展、挤压、剪切等局部构造动力学环境下形成的褶皱、断裂、层间缝、节理缝、劈理缝及破碎带等，是游离气赋存的主要场所(比率一般在20%～85%)。传统思维常认为页岩气大规模连续富集，在页岩气勘探有利区及“甜点”优选中，常重点关注沉积环境和储层品质的变化；而页岩气层内构造的发现与解析，更新了这一传统观念，将“构造甜点”这一思路引入页岩气勘探之中，将有效指导页岩气勘探井位部署，筛选出页岩气富集的“构造甜点”区，提高勘探发现的成功率。

b.在开发方面的意义：页岩气层内构造控制了页岩产气层的变薄与变厚(流变)、断失与冲断叠加增厚(脆-韧性)、裂缝密集带的发育与展布方位、石香肠与挤入构造的发育等。而在页岩气开发过程中，如何选择最优的铂金靶体、如何设置合理的井间距避免压窜、套变情况的发生，一直以来都是制约页岩气规模效益开发和提高单井EUR的难题[6-7,10]。而页岩产气层的变薄与变厚，以及裂缝带的发育与展布情况将直接影响页岩气井的靶体选择、水平井方向以及井距、井网布置等[16]。因此，层内构造解析研究可优化开发技术、提高开发压裂方案编制的科学性，最终实现整体资源规模动用。

c.在工程施工方面的意义：页岩气钻井施工安全是页岩气成功开采的关键，提高优质储层钻遇率、缩短钻井周期是主要目标。页岩气地腹层内构造的复杂性是影响钻井施工安全及钻井提速提效最重要的因素[9,11,13]，提前针对性解析工作区层内褶皱、断裂、节理、破碎带的展布方向、规模，将能有效预判钻井过程中可能存在的复杂构造情况，提前优化钻井轨迹，提前做好复杂工况应对方案，减少钻井事故的发生，对防治复杂钻井故障、提高优质储层钻遇率具有重要意义。除此之外，层内构造的精确解析可提前预判储层的厚薄以及破碎带的展布，一方面可指导随钻工作的开展，减少“脱靶”情况的发生，提高I类储层钻遇率；另一方面可在压裂设计及施工过程中，综合考虑页岩产气层的变薄与变厚情况及天然裂缝分布和规模，制定针对性压裂方案，设计差异化压裂参数，提高压裂缝网复杂程度，最终提高储量动用比率，大幅度提高单井产量。

在完成本文的过程中，得到了中国石油西南油气田公司页岩气研究院苟其勇、张洞君、罗超、陈丽清、罗浩然、钟可塑、伍秋姿、杨雨然等科研人员的大力支持，在此一并向他们表示感谢！