古隆起边缘页岩气富集规律与选区——以雪峰西南缘下寒武统牛蹄塘组为例

马 龙，徐学金，闫剑飞，曹竣锋，门玉澎，淡 永，熊国庆，孙媛媛，邓 奇，杨 菲

（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.湖北省地质局第六地质大队，湖北 孝感 432100；4.中国地质科学院岩溶地质研究所，广西 桂林 541004）

在国际能源价格大幅震荡和“双碳”战略目标背景下，清洁、低碳的页岩气作为化石能源向新能源过渡的“桥梁”之一（邹才能等，2016），对保障国家能源安全和调整优化能源结构具有十分重要的作用。中国南方海相页岩气资源丰富，中上扬子地区的早寒武世筇竹寺期和晚奥陶世赫南特晚期至早志留世鲁丹期的富有机质页岩分布广泛、展布稳定（牟传龙等，2011），具有极大的勘探开发潜力。涪陵、威远、威荣、长宁、昭通和太阳等页岩气田（郭旭升，2014；金之钧等，2016；梁兴等，2017；马新华等，2018）的发现与投产，标志着五峰组—龙马溪组已实现了页岩气的高效勘探与开发，而下寒武统牛蹄塘组，尽管具备良好的页岩气成藏物质基础，但仍未获得实质性勘探突破，目前仅在四川盆地威远—犍为及湖北宜昌地区获工业气流（赵文智等，2016；王朋飞等，2018；王玉芳等，2018）。为探索海相页岩气富集差异性原因，国内学者从页岩气富集主控因素、富集模式及分布规律等方面开展了诸多卓有成效的研究（郭旭升，2014；王志刚，2015；邹才能等，2015；郭彤楼，2016；何治亮等，2017；庞河清等，2019）。最初侧重因素分析，如郭旭升（2014）提出的复杂构造区海相页岩气“二元富集”规律；王志刚（2015）提出的海相页岩气“三元富集”理论；邹才能等（2015）提出的页岩气“构造型甜点”和“连续型甜点区”富集模式。后续强调过程评价，如郭彤楼（2016）提出的中国式页岩气的富集机理（“沉积相带与保存条件”控藏，“构造类型与构造作用过程”控富）；何治亮等（2017）提出的页岩气“建造—改造”评价思路；庞河清等（2019）赋予王志刚“三元富集”理论动、静态结合的概念（优相控源、适演控位、良存控富）。纵观上述页岩气富集规律认识，与五峰组—龙马溪组相比，牛蹄塘组页岩气在富集成藏方面存在两大不利因素，即过高的热演化程度和整体较差的保存条件（王濡岳等，2016a；赵文智等，2016；顾志翔等，2017；郗兆栋等，2018；高波等，2020；李智文等，2020；梁峰等，2022）。在综合威远牛蹄塘组页岩气发现的基础上，翟刚毅等（2017）提出“古老隆起边缘控藏模式”（古隆起周缘古老页岩层系埋藏深度适中、抬升较早、构造变形较弱，逆冲推覆体下盘保存条件较好），实现了宜昌地区寒武系页岩气的重大发现，为南方古老层系页岩气勘查提供了新思路和有益经验借鉴。

近年来，古隆起周缘页岩气勘探开发研究主要集中于我国南方的中上扬子地区，北美因页岩气资源禀赋好，地质条件相对稳定，页岩气勘探理论以生烃能力和可压裂性为核心（郭旭升等，2022），相关研究尚未涉及。中上扬子地区有关雪峰古隆起（刘忠宝等，2017；Xi et al.，2019；彭中勤等，2019；苗凤彬等，2019；2020；李智文等，2020；刘安等，2021a；2021b；李海等，2022；刘雯等，2022）和宜昌黄陵古隆起（翟刚毅等，2017；2020；Bao et al.，2018；罗胜元等，2019a；2019b；2019c；2020a；2020b；何 晶 等，2020；陈科等，2020；Wei et al.，2020；刘早学等，2022）的研究较多，威远古隆起也开展了进一步的分析总结（王鹏威等，2019；Zhang et al.，2020；梁峰等，2022），汉南-米仓山古隆起报道了牛蹄塘组页岩气地质条件与含气性特征（陈相霖等，2018；2019）。与黄陵古隆起相比，雪峰古隆起周缘的牛蹄塘组页岩热演化程度同样较低（彭中勤等，2019；Ge et al.，2020），富有机质页岩层系的厚度规模更大，但在勘探程度相对较高的雪峰西缘，一直未取得实质性进展，有学者推断，该区控制页岩气富集的关键因素并非页岩的热演化程度和烃源岩规模，而是复杂的构造保存条件（李智文等，2020；刘安等，2021），区域勘探前景较差。与雪峰西缘相比，雪峰西南缘因所处位置不同，牛蹄塘组页岩层系的沉积环境、演化历史、构造强度及隆升幅度等存在差异。受勘探程度与资料限制，前人研究多限于某口井（卢树藩和陈厚国，2017；顾志翔等，2017；刘忠宝等，2017；Ge et al.，2020）、某一区块（王濡岳等，2016a）或某种方法（魏肖等，2018；伍耀文等，2019），系统性的页岩气富集因素分析较为欠缺，严重制约了该区域牛蹄塘组页岩气的选区评价。因此，本文依托野外剖面、岩心观察及测试分析等资料，结合近年研究成果和勘探实践，借鉴页岩气“建造-改造”评价思路，从沉积环境、演化历史、保存条件等方面探讨雪峰西南缘牛蹄塘组页岩气富集规律，以期为研究区下一步勘探部署提供可靠依据，也为相似地质条件下的页岩气选区评价提供参考。

1 区域地质背景

研究区位于雪峰隆起西南缘（图1a）。雪峰古隆起属于江南造山带的西段，是以晚前寒武纪浅变质岩系为主体的隆起带，总体以北西向突出的弧形特征展布于扬子陆块东南（梅廉夫等，2012；邓大飞等，2014）。在埃迪卡拉纪晚期—早寒武世初期，伴随华南古大陆进一步拉张，扬子陆块东南为被动大陆边缘盆地（Yeasmin et al.，2016）。至早寒武世筇竹寺期，海底扩张导致全球海平面迅速上升，灯影组沉积期的碳酸盐台地被淹没，沉积环境转变为长期稳定的深水陆棚环境，形成了一套沉积厚度大、有机质含量高的“被动陆缘型”暗色泥页岩沉积建造（燕继红等，2016），该时期牛蹄塘组岩性组合以黑色富有机质页岩为主，中上部夹黄绿或灰绿色砂质页岩，与下伏灯影组白云岩或老堡组硅质岩呈整合或平行不整合（局部）接触。

研究区牛蹄塘组富有机质页岩沉积后，经历了5次主要构造运动（徐政语等，2010；金宠等，2012）。其中，加里东运动（都匀、广西运动）是重要的陆内造山事件，雪峰隆起在此阶段开始隆升，并于加里东末期成为古陆遭受剥蚀（梅廉夫等，2012）。雪峰西南缘也随之进入隆起发育阶段，结束了海盆沉积，麻江、凯里古油藏形成。晚古生代为相对动荡的陆表海沉积，受二叠纪大规模海侵影响，雪峰隆起与其周缘一致，整体发育了稳定的碳酸盐岩台地沉积，不存在古陆剥蚀区（李聪等，2011）。海西运动主要表现为升降运动，发育多个平行不整合。印支—燕山运动使雪峰隆起形变为雪峰推覆体，并于晚侏罗世—早白垩世定型（李仲东等，2006）。雪峰西南缘因印支运动结束了海相沉积历史，进入陆相盆地发育阶段，下古生界烃源岩也进入生气阶段。燕山、喜山运动造成大面积的抬升剥蚀，以东部、北部最为剧烈，加里东期形成的古油藏破坏殆尽（王伟锋等，2014）。在上述多期构造运动叠加影响下，研究区内形成了现今以隔槽式褶皱为主的构造样式（图1b），牛蹄塘组页岩气的生成、富集与保存过程也变得更为复杂。

图1 研究区所处大地构造位置（a）与地质简图（b）Fig.1 The tectonic location（a）and the simplified geological map（b）of the study area

2 页岩气富集规律

页岩气等非常规油气资源勘探开发的成功，只是突破了早期常规储集层下限和传统的圈闭成藏观念，突破了油气资源“峰值论”、“枯竭论”（马永生等，2018），页岩气富集成藏依然遵从油气成藏的基本规律（郭旭升等，2016）。页岩气的形成、富集乃至破坏散失过程可分为地质建造作用和地质改造作用，“建造”指页岩的原始沉积条件和成岩过程，“改造”指页岩达到最大埋深后的构造变形改造与抬升剥蚀（何治亮等，2017）。

2.1 深水陆棚相的优质页岩是富集的基础

沉积环境决定了有机质含量、类型、矿物组成比例、厚度、孔渗性等页岩气基本地质要素特征（牟传龙等，2016a），即页岩气地质建造作用控制着其成藏基础物质条件的分布规律。从沉积成因角度来看，筇竹寺期的雪峰、威远和黄陵古隆起及周缘分别对应陆架边缘斜坡、棚内拉张槽和台地前缘斜坡三种类型。

2.1.1 沉积环境与厚度分布

受早寒武世初期大规模海侵的影响，中上扬子地区大部分被海水超覆，除四川盆地内的绵阳—长宁拉张槽外（刘树根等，2013；2016），从北西至南东总体呈现出由滨岸向陆棚凹陷过渡的特征（图2a），且在黔中向靠近陆棚凹陷一带叠加海相热水沉积事件（罗超，2014）。雪峰隆起西南缘总体处于深水陆棚沉积环境，以铜仁—三都控相断裂为界线（吴根耀等，2012），南东为水体更深的陆棚凹陷，北西受晚震旦世隆凹相间的古地理格局影响，制约了富有机质页岩的厚度分布（图2b，图3）。如龙里地区钻探揭示富有机质页岩厚度仅5～20m（张培先，2017），而丹地1井、麻页1井、黔山1井、黄页1井、黄地1井、镇页1井等钻遇富有机质页岩厚度为81～112m，与都地1井相比，丹地1井中牛蹄塘组上、下地层的碳酸盐岩厚度也明显减薄。陆棚凹陷环境的资料有限，三都梁家沟与水碾剖面富有机质页岩厚度大于140m，区域上可与湘西沅麻盆地的牛蹄塘组对比（彭中勤等，2019）。陆棚内拉张槽型和台地前缘斜坡型富有机质页岩厚度相对较薄，威远地区金页1井页岩TOC大于1%的厚度为14m，TOC大于2%的厚度仅为5m，宜昌地区宜地2井页岩TOC大于2%的厚度为24m（高波等，2020）。

在故障研究中，可以通过分析这些波形来估计故障线路末端的电压和电流、电源和负载参数、故障位置、故障起始角、故障前负载等。利用电容电压互感器（CVT）、抗混叠低通滤波器和A/D转换过程，可对故障线路两端的模拟电压波形进行修正。

图2 雪峰隆起西南缘寒武纪牛蹄塘期古地理图（据罗超，2014；牟传龙等，2016b修改）Fig.2 Paleogeography of the Niutitang epoch，the southwestern margin of Xuefeng uplift（modified from Luo，2014；Mu et al.，2016b）

2.1.2 有机地球化学特征

研究区牛蹄塘组页岩有机碳含量（TOC）值普遍大于2.0%，一般介于3.0%～7.0%之间（图2，表1）。都地1井与丹地1井中牛蹄塘组页岩TOC纵向变化明显，总体呈由下向上减少，或者上下段分界明显，下段高值为主，上段低值居多，最优质的烃源岩集中于牛蹄塘组中下部，麻江基东与三都梁家沟剖面也具有相似的特征（图3），与丹寨南皋（罗超等，2014a）及三都渣拉沟（腾格尔等，2008）的结果较为一致。从区域上来看，牛蹄塘组页岩有机质丰度具有自西向东增高的趋势，平面上平塘—都匀—黄平—石阡一线以东为有机碳高值区，有机碳含量普遍大于4.0%。威远地区TOC介于0.4%～3.4%，宜昌地区TOC介于0.52%～5.96%，TOC含量总体上均低于雪峰西南缘。

图3 研究区下寒武统暗色泥页岩厚度对比Fig.3 Thickness of dark shale in the Lower Cambrian in the study area

都地1井牛蹄塘组烃源岩干酪根δ13C值（PDB，下同）为-34.67‰～-30.27‰，平均为-33.23‰（n＝17）；基东剖面烃源岩干酪根δ13C值为-35.44‰～-32.51‰，平均为-33.87‰（n＝20）；上寨剖面烃源岩干酪根δ13C值为-34.33‰～-31.67‰，平均为-33.04‰（n＝9）；梁家沟剖面烃源岩干酪根δ13C值为-34.05‰～-32.00‰，平均为-33.09‰（n＝25）。参照相关碳同位素划分有机质类型标准（梁狄刚等，2009；门玉澎等，2018），干酪根类型均为Ⅰ型（腐泥型）有机质。此外，研究区下寒武统牛蹄塘组烃源岩镜下观察鉴定亦表明，其显微组分主要为菌藻类腐泥无定形（杨瑞东等，1999；梁狄刚等，2009；谢小敏等，2015）。

Ⅰ／Ⅱ型干酪根以生油为主，在高成熟—过成熟阶段，滞留液态烃发生裂解成为页岩气的主要气源（赵文智等，2005；2016）。牛蹄塘组富有机质页岩缺少镜质体组分富含沥青，本次采用丰国秀和陈盛吉（1988）公式RO＝0.3195＋0.679×Rb换算，式中Rb为沥青反射率。研究区牛蹄塘组样品有机质成熟度范围介于2.06%～3.31%之间，平均值为2.63%，表明现今牛蹄塘组页岩有机质处于过成熟演化阶段。平面上，成熟度展布特点与北东—南西向同生断裂存在一定联系。可能受凯里、铜仁等同生断裂热液活动影响（李胜荣等，2000），页岩中铀含量较高，放射性元素衰变放热引起地层升温，加快了有机质热演化速度（赵文智等，2016），导致靠近断裂页岩等效镜质体反射率更高，形成有机质丰度与成熟度双高的烃源岩，与平参井可能因埋深形成的高热成熟度、低有机质丰度特征相异（图2，表1）。

表1 研究区牛蹄塘组黑色页岩有机地化特征Table1 Characteristics of organic geochemistry for the black shale of the Niutitang Formation in the study area

2.1.3 矿物组分特征

沉积环境直接控制页岩的矿物组分，都地1井与丹地1井下寒武统牛蹄塘组富有机质页岩矿物组成以石英和黏土矿物为主，含少量长石、碳酸盐矿物和黄铁矿等，石英含量为25%～58%，平均为43.85%；黏土矿物含量为17%～53%，平均为31.71%，石英含量纵向变化趋势与有机碳含量（TOC）相似，总体向上减小（图4a，b）。石英（黏土）与TOC交会图显示，当TOC＜5.2%时，有机碳含量与石英具有较好的正相关性（图4c）；当TOC＞5.2%时，有机质与石英（黏土）之间可能此消彼长，且岩石组构存在差别，导致相关性变差，而高TOC含量的富有机质页岩塑性更强，易于压实（Milliken et al.，2013；王飞宇等，2013；Tian et al.，2015；王濡岳等，2016b）。TOC与黏土矿物负相关关系明显（图4d）。此外，钻井岩心观察与矿物组分均显示，丹地1井的黄铁矿含量高于都地1井，可能与丹地1井处于水体相对更深的还原环境相关。威远地区陆棚内拉张槽型页岩富含粉砂质及黏土矿物，宜昌地区台地前缘斜坡型页岩富含灰质，与研究区富含硅质页岩的矿物组成差异较明显。页岩矿物组分特征将深刻影响成岩过程中页岩储层孔隙演化及后期压裂改造效果。

图4 都地1井与丹地1井下寒武统牛蹄塘组页岩矿物组分特征Fig.4 The characteristics of mineral composition in the Lower Niutitang Formation shale in Well Dudi 1 and Well Dandi 1

2.2 适度热演化的成烃控储是富集的前提

伴随热演化过程中温压条件的改变，有机质生烃作用与成岩作用共同控制了泥页岩储层纳米孔隙的演化，页岩气含量及赋存状态也会发生相应转变，生烃演化与孔隙演化能否达到最佳匹配是页岩气富集成藏的基本前提（王朋飞等，2018）。气体赋存状态转化和储层演化贯穿页岩埋藏与抬升始终，衔接了页岩气建造作用与改造作用。受古隆起抬升演化和隔热作用影响，其周缘古老层系页岩具有埋藏深度较浅，热演化程度较低的优势。雪峰西南缘筇竹寺期页岩热演化程度（2.06% ＜RO＜3.31%）介于黄陵周缘（1.6%＜RO＜2.7%）和威远周缘（2.9%＜RO＜3.6%）之间，明显低于长宁（3.5%＜RO＜4.2%）、丁山（3.0%＜RO＜3.7%）、昭通（3.75%＜RO＜4.44%）、毕节（RO平均为4.5%）等非古隆起边缘地区。

2.2.1 生烃演化

研究区牛蹄塘组生烃演化受控于构造运动产生的埋藏热演化。以麻江古油藏为例（图5），初期埋深迅速增加，有机质处于未成熟阶段，天然气主要为生物气，并以吸附和游离状态赋存于页岩储层中。寒武纪末期，随埋藏深度与地层温度的增加，有机质开始进入生油阶段，油伴生气使吸附气和游离气含量增加，且吸附气含量高于游离气，随成熟度升高，生排烃量逐渐加大（谢渊等，2018），吸附气和游离气含量不断升高。晚奥陶世开始的早加里东运动（都匀运动）使研究区整体隆升并出露地表，但剥蚀程度较弱，生排烃暂停（金宠等，2012）。志留纪达到生烃高峰，储层产生高压，游离气含量开始迅速增加，伴随雪峰隆起初步隆升和黔中隆起基本形成，油气向湄潭—余庆—三都一带运聚成藏，形成以麻江为代表的古油藏。发生于志留纪末的晚加里东运动（广西运动）使雪峰与黔中两隆起连成一片，周缘剧烈隆升，生排烃停止，麻江古油藏背斜核部被剥蚀破坏（崔敏等，2009；梅廉夫等，2012）。泥盆纪—二叠纪稳定沉积了大规模的碳酸盐岩，有机质进入高—过成熟阶段，液态烃裂解成湿气（陈方文等，2016；谢渊等，2018），部分吸附气解吸，游离气含量大幅增加，并向雪峰隆起西南缘运移聚集，储层压力系数快速增加。期间经历了海西期的紫云、黔桂和东吴运动，但隆升剥蚀不强，对油气保存影响较小。早—中三叠世的整体沉降使烃源岩达到最大埋深，超过6000m，滞留于烃源岩内的分散状液态烃裂解为“干气”，含油系统向纯含气系统转化（梅廉夫等，2009），游离气含量达到最大值，压力系数也达到最大值。研究区前期生排烃不强，成为该阶段生排烃的主力区域，天然气就近聚集，是牛蹄塘组页岩气成藏的主要阶段。印支运动开始抬升改造过程，有机质生烃终止和保存条件改变，储层压力系数减小，温度降低，游离气发生吸附，吸附气含量增加。当保存条件严重破坏时，不仅游离气散失，吸附气也将解吸散失。

图5 麻江古油藏寒武系牛蹄塘组页岩生烃演化史（据金宠等，2012；谢舟等，2014修改）Fig.5 The hydrocarbon generation history of Cambrian Niutitang Formation in Majiang ancient oil field（modified from Jin et al.，2012；Xie et al.，2014）

2.2.2 储层演化

富有机质页岩储集空间主要分为粒间孔、粒内孔、有机质孔和微裂缝。其中，有机质孔隙提供了甲烷等烃类气体的主要赋存空间（Loucks et al.，2012），而有机质孔隙的形成与演化伴随有机质生烃和成岩过程（图6）。与生烃演化相对应，早成岩阶段（RO＜0.5%），页岩由半固结到固结，主要发育原生矿物粒间孔，生物作用分解部分有机质产生少量孔隙，孔隙度在压实和胶结作用下快速降低。中成岩阶段A期（0.5%＜RO＜1.3%），开始生油，干酪根大量生烃，产生部分有机质孔。生烃产生的有机酸对长石和碳酸盐等不稳定矿物进行溶蚀，形成粒内溶蚀孔，数量较少，对总孔隙度影响有限（罗超等，2014b；曾维特等，2019）。压实、胶结及充填作用使无机孔隙持续减小。中成岩阶段B期（1.3%＜RO＜2.0%），干酪根大量热解生气，形成大量有机质孔，而部分溶蚀孔被迁移有机质充填。RO＞1.6%后，干酪根生烃趋于减小，迁移有机质（滞留烃或原油）开始裂解生气，有机质孔大幅度增加。压实、胶结及充填作用依然破坏原始矿物孔隙。晚成岩阶段（RO＞2.0%），干酪根热解气逐渐枯竭，而迁移有机质（滞留烃或沥青）裂解气逐渐增加，二者接力生气，孔隙体积随成熟度的增加不断升高，但当RO值达到和超过3.2%～3.5%以后，有机质可能发生碳化，有机质孔隙因坍塌闭合而逐渐降低（Curtis et al.，2012；王淑芳等，2016），储层储集能力变差甚至丧失。地层持续抬升阶段，上覆压力卸载使部分闭合孔隙和微裂缝重新开启，但整体孔隙恢复潜力较小。

图6 富有机质页岩成岩与生烃过程中孔隙演化模式图（据Wei et al.，2020；王幸蒙，2020修改）Fig.6 The evolution pattern of pore during diagenesis and hydrocarbon generation of organic-rich shale（modified from Wei et al.，2020；Wang，2020）

储层演化过程中，孔隙体积存在两个最佳发育期，构成页岩气的重要储集空间（王幸蒙，2020）。一是高成熟阶段生油晚期或干酪根生气高峰结束期（1.5%＜RO＜1.8%），二是过成熟阶段滞留烃裂解生气高峰期（2.5%＜RO＜3.2%）。研究区牛蹄塘组页岩RO介于2.06%～3.31%，处于峰值更高的滞留烃裂解生气期，在岑巩可见发育良好的蜂窝状有机质孔，多呈圆、椭圆状（曾维特等，2019），而远离雪峰隆起的凤参1井（RO平均3.7%），有机孔发育较差，分布较散，多呈狭缝型，趋于闭合（孙文吉斌，2021）。说明研究区受古隆起影响，埋深适中，在生烃类气体达到最大高峰时，地层开始抬升，热演化终止，大量发育的有机质孔隙得以保留，符合生烃演化与储层演化相匹配的页岩气富集前提。

各种成岩作用中，机械压实对孔隙的影响贯穿始终，包括构造抬升阶段，当孔隙内气体压力不能支撑上覆岩层压力时，有机质孔隙会坍塌闭合。黄页1井页岩中可见长轴达数百纳米的狭缝形有机质孔，在页岩气生成富集过程中，曾经形成过大量百纳米级圆形或椭圆形的大孔径有机质孔，现今狭缝形孔隙可能主要因天然气大量逸散，过成熟页岩生气量不能支撑有机质孔原有形态坍塌或萎缩而成（刘忠宝等，2017）。丹地1井解吸气含量高的样品TOC＜5.2%，而TOC＞5.2%的样品解吸气含量均小于0.2m3／t，可能在保存条件破坏后，高TOC含量的页岩有机质孔更易被压实闭合。因此，良好的保存条件对超压保孔尤为关键。

2.3 改造调整后的有效保存是富集的关键

中国南方海相页岩气勘探实践表明，在多期构造演化和抬升剥蚀背景下，有效的保存条件是复杂构造区页岩气富集成藏的关键（郭旭升，2014；马永生等，2018）。页岩封闭条件决定了页岩气在早期主生烃阶段的滞留与保存，晚期构造改造强度与持续时间对页岩含气丰度具有明显的调整作用（魏祥峰等，2017）。四川盆地内，即使富有机质页岩底板封闭条件较差，但其构造改造强度弱，仍具有规模性富集成藏的潜力，如威远隆起区，筇竹寺组不整合于灯影组之上，金页1HF井在筇竹寺组中段仍然钻获8.4×104m3／d页岩气工业气流（燕继红等，2016）。四川盆地外围的宜昌地区与雪峰周缘地区，虽然筇竹寺期发育的富有机质页岩顶底板条件较好，但构造改造强烈，目前仅在黄陵隆起边缘钻获工业气流，原因是宜昌斜坡的整体性较好，构造强度明显弱于邻区（罗胜元等，2020b），具有更好的保存条件，而雪峰隆起作为推覆体的一部分，其周缘保存条件复杂。单就隆起区周缘与非古隆起地区相比而言，由于筇竹寺期沉积的富有机质页岩（如牛蹄塘组）最大埋深相对较浅，达到适宜页岩气勘探开发的深度所遭受的构造变形与抬升剥蚀强度相对较小。

2.3.1 早期封闭聚集

页岩封闭条件包括页岩顶、底板条件及其自封闭性，持续良好的封闭条件从生烃开始就能有效阻止烃类纵向散失，维持富有机质页岩的烃类滞留聚集和储层超压保孔。顶、底板岩性以及不整合面存在与否是页岩封闭性的重要影响因素。研究区牛蹄塘组富有机质页岩顶板为其上部含粉砂质泥岩、泥岩及九门冲组灰岩，厚度大、低孔、低渗、高突破压力为页岩气提供良好的封盖作用。底板具有分带性，瓮安—福泉—龙里以西地区以溶孔白云岩为主，瓮安—龙里以东、镇远—三都以西地区为上硅质岩下白云岩组合，硅质岩厚度普遍小于20m，镇远—三都以东地区以硅质岩为主，总厚度20～40m。白云岩底板封堵效果较差，硅质岩底板封堵效果较好（门玉澎等，2020）。值得注意的是，硅质岩性脆，在构造作用下易破碎形成裂缝，丧失对页岩气的底板封存能力，如果与断裂沟通，则成为页岩气散失的通道。如岑巩地区天马1井牛蹄塘组和老堡组与含水层沟通，产生大量溶蚀孔洞（王濡岳等，2015），且老堡组中微含气（王生林，2017），保存条件极差。由于早寒武世早期海侵之前的暴露，震旦系灯影组在黔北和麻江地区为岩溶缝洞型白云岩，当构造作用较强时，裂缝将沟通上覆硅质岩与岩溶缝洞型白云岩，若与开启断层接触，将成为页岩气散失的快速通道。都地1井与黄页1井牛蹄塘组底部气测录井全烃均较低，可能与硅质岩失去底板封存能力有关，而中上部气测录井全烃较高，说明牛蹄塘组底部富有机质页岩充当了底板的角色；而丹地1井牛蹄塘组底部气测录井全烃较高，可能由于灯影组白云岩在丹寨地区岩性较致密，与上覆老堡组硅质岩组合具有更好的底板封闭性。

页岩气逸散需要克服页岩自身的吸附阻力，吸附阻力不仅与岩性有关，与页岩的厚度和TOC含量也明显相关（吕延防等，2000），粉砂质含量越少、厚度越大、TOC含量越高，吸附阻力越大。覆压物性试验也表明，优质页岩在有效压力从3.5MPa升高到40MPa过程中，渗透率基本上降低了2个数量级，即在深埋条件下，页岩的物性封闭能力明显增强（魏祥峰等，2017）。黄地1井牛蹄塘组页岩埋深大于1280m，虽然距离露头区较近，仍具有一定的含气性（Ge et al.，2020），说明埋深对页岩自封闭性具有积极作用。抬升剥蚀与扩散作用会引起早期泄压与致密化，虽然对页岩气储层物性与含气性造成一定影响，但缓慢的压力与储层物性演化可以增强页岩自封闭性，形成常压页岩气藏（王濡岳等，2020）。彭水地区抬升时期早、幅度大、持续时间长，五峰组—龙马溪组富有机质页岩在大于4000m埋深阶段已泄至常压，PY1井现今压力系数为0.96，页岩孔隙结构与储层物性一般，但日产气量可达2.5×104m3。川东石柱复向斜YZ1井区和JS1井区志留系地层分别为常压和超高压，YZ1井曾具有与JS1井相似的超压环境，含气性好，但受晚期断裂破坏影响，良好的孔渗与超压环境促使页岩气快速逸散（聂海宽等，2019；王濡岳等，2020），导致YZ1井虽然微观孔隙结构较好，有机孔的发育和保持程度较高，但含气性较差。研究区牛蹄塘组地层受雪峰隆起影响抬升较早，具备形成早期泄压与致密化的常压页岩气藏条件。

天然气散失形成的常压状态失去了超压对孔隙的保持能力，导致有机质孔坍塌变形，孔隙空间减小，甚至弥合消失。黄页1井牛蹄塘组页岩保存条件总体较差，有机质孔数量较多，但孔径较小，且以狭窄型孔隙为主，与川南地区保存条件较好的金页1井牛蹄塘组页岩的孔隙特征存在较大差异（高波等，2020）。天星1井比天马1井保存条件好，具有相对更高的储集与渗透性能（王濡岳等，2017）。常压状态对页岩储层产生负面影响，但可以增强页岩自封闭性，二者如何平衡以形成常压页岩气藏，仍需要更多的钻探资料进行研究。

2.3.2 晚期改造调整

构造变形与抬升剥蚀作用改造保存条件，包括埋藏深度、地层应力及裂缝发育程度等，如果强度过大，页岩封闭条件被破坏，页岩气系统将部分或者完全失效。研究区牛蹄塘组页岩气主要成藏于印支期，燕山—喜山期构造运动对保存条件改造强烈，是页岩气藏调整和破坏的关键时期。燕山期以来，雪峰隆起向西、向北挤压，铜仁—三都断裂向东逆冲推覆，贵阳—镇远断裂在向北斜冲右行走滑过程中，可能受深层结晶基底“岛链”状分布影响（徐政语等，2010），派生出贵定、福泉—都匀等北北东—近南北向断层，派生断裂不仅切割了早期的东西向断裂（如福泉—都匀断层错开陕斑—凯里断层），也控制了北北东—近南北向的主要褶皱（吴根耀等，2012；王伟锋等，2014），奠定了雪峰西南缘现今构造格局（图1）。喜山期在近东西向的挤压背景下以抬升剥蚀为主，断层活动性弱，喜山晚期为差异隆升（王伟锋等，2014）。

在上述构造运动影响下形成的各种构造样式，直接影响着页岩气保存的有效性。全直径岩心分析表明，页岩水平渗透率远大于垂直渗透率（胡东风等，2014），故页岩气水平方向扩散能力强于垂直方向，当页岩地层出现侧向出露或与开启性断层接触时，更易发生天然气的顺层逸散（翟刚毅等，2017）。张海涛等（2018）根据泥页岩压实、断裂、露头区等特征，将构造样式下页岩气保存条件归纳划分为“三带三区”（图7）。其中，韧性变形带（③带）、封闭区（I区）表现为有气无产，过渡带（②带）、内连通区（II区）表现为有气有产，脆性变形带（①带）、外连通区（Ⅲ区）表现为低气无产。

图7 不同构造样式页岩气保存条件“三带三区”评价模式图（据张海涛等，2018修改）Fig.7 Evaluation graph of＂three belts and three zones＂for shale gas preservation with different structural styles（modified from Zhang et al.，2018）

研究区牛蹄塘组地层受雪峰古隆起影响抬升较早，埋深未达到韧性变形带，构造样式上不利于页岩气保存的主要是Ⅲ区①带。由研究区构造样式可见（图8），都地1井位于低幅宽缓背斜核部，附近发育深层滑脱断层及走滑断层，属于盖层破坏背斜区中的Ⅲ区①带，丹地1井位于断层改造向斜出露于地表的断块上，垂向与横向均无有效封堵，属于盖层破坏向斜区中的Ⅲ区①带，两口井牛蹄塘组中上部虽然见较好的页岩气显示，但整体上均不利于页岩气保存，都属于低气无产。而施洞口断裂向西至贵定断裂之间发育低幅宽缓的向斜与背斜构造样式，远离“通天”断裂或位于逆断层下盘的构造部位可能具有较好的保存条件。特别是残留向斜与逆断向斜，是页岩气富集的最有利区，而低幅宽缓背斜核部易发育深层滑脱断层及走滑断层，应当加强地球物理勘探与精细解释，从而准确识别深部构造，避免将探井部署在深部破碎带和断层之上。岑巩地区天星1井位于构造稳定部位，距离断裂较远，保存条件与含气性较好，而天马1井处于走滑断裂带，高角度断层与裂缝的发育沟通了牛蹄塘组与下部含水层，保存条件与含气性差（王濡岳等，2016a）。

图8 研究区地震测线构造解释（据徐政语等，2010；金宠等，2012修改，测线位置见图1）Fig.8 Geologic cross sections for seismic line in the study area（modified from Xu et al.，2010；Jin et al.，2012，and seismic line location in Fig.1）

3 有利勘探区带优选

复杂构造区页岩气有利区带的优选一般采用“倒推法”，即先选出构造相对稳定的保存有利区，再应用“综合信息叠加法”评价分类。页岩气保存取决于断裂规模而非发育程度（Zeng et al.，2016），研究区深部断裂规模与地层倾角、古大气水下渗深度（金宠等，2012；魏肖等，2018）、地层水类型和温泉循环深度（李梅，2011；闫剑飞等，2015）、低温热液矿床（点）分布（周家喜等，2020）、气体组分中氮气含量（夏鹏等，2018；苏越等，2019；伍耀文等，2019）等指标密切相关，各项指标的大小能够反映保存条件优劣。因此，在缺少地震资料和地层压力系数的情况下，可应用上述指标构建页岩气保存条件综合评价体系（聂海宽等，2012）。结合前人对区内保存条件认识的梳理与分析，选取上述相关指标叠合圈定了雪峰隆起西南缘构造保存相对稳定区（图9）。对于各项指标的具体意义以及对保存条件的影响等内容将另文讨论。

图9 研究区构造保存有利区分布Fig.9 The favorable region for tectonic preservation in the study area

借鉴海相页岩气、常压页岩气、黔中隆起及邻区评价参数（赵磊等，2015；王濡岳等，2016a；张培先，2017；方志雄，2019），从页岩气地质“建造”与物质基础和构造“改造”与保存条件两方面建立了选区评价标准（表2）。选区参数体系与其他地区相比，要求富有机质页岩厚度更大（I类区大于80m），在一定程度上可以抵消保存条件不利。TOC含量更高，当TOC大于3.0%时，黏土矿物含量小于30%（图4），脆性矿物含量相应增加，有利于页岩储层微孔隙的保存。热演化程度范围限制更窄（I类区RO介于2.0%～3.0%），对应页岩储层孔隙发育最佳期。埋深更大（I类区介于2000～4000m），既反映后期抬升剥蚀强度相对较弱，也对页岩自封闭性起到积极作用。构造样式首选是宽缓向斜。综合选区评价标准与区域资料情况，本次研究选用页岩有效厚度等值线、有机碳含量（TOC）等值线、有机质成熟度（RO）等值线以及页岩顶界埋藏深度等值线，通过“综合信息叠加法”预测雪峰隆起西南缘下寒武统牛蹄塘组页岩气勘探有利区带，大致沿古隆起边缘的岑巩—施秉—黄平—麻江—都匀—独山一带分布（图10）。丹寨—独山有利区连片面积大，在雪峰隆起向西、向北挤压的构造背景下，变形强度相对较弱，抬升剥蚀较小，地表出露地层以泥盆系为主，拥有复杂构造区最具勘探前景的残留向斜构造样式，顶、底板条件在雪峰隆起西南缘也最为优越，具有I类有利区的潜力，是研究区首选勘探目标，且在丹地1井中的寒武系乌训组、变马冲组、牛蹄塘组及震旦系陡山沱组等多个层位发现了页岩气（淡永等，2021），具有多层系立体式页岩气勘探前景。

表2 雪峰隆起西南缘页岩气选区评价标准Table 2 The criteria for evaluation of shale gas area selection on the southwestern margin of Xuefeng uplift

图10 研究区牛蹄塘组页岩气有利区分布Fig.10 The favorable area distribution of the Cambrian Niutitang Formation in the study area

4 结论与建议

（1）早寒武世初期，雪峰隆起西南缘为深水陆棚相沉积，在热液活动参与下，牛蹄塘组下段发育高丰度、I型、富热成因硅的优质页岩，热演化程度虽处于过成熟阶段，但有机质尚未碳化，生烃演化与储层演化相匹配，具备页岩气富集的基础和前提。早期良好的顶、底板条件与自封闭性阻止了烃类散失，保证了页岩气持续聚集成藏，经过燕山期以来构造运动的改造调整，其保存条件是否依然有效成为页岩气富集的关键。

（2）采用“倒推法”开展有利区带优选，即先综合构造改造强度指标实现“动中寻稳”，再叠加综合信息评价标准。认为雪峰隆起西南缘的岑巩—施秉—黄平—麻江—都匀—独山一带，下寒武统牛蹄塘组有机碳含量高（≥2.0%）、热演化程度适中（RO平均2.63%）、埋深适中（1500～4000m）、富有机质泥页岩厚度大（50～140m）、构造相对稳定，是页岩气勘探的有利区带。其中，丹寨—独山有利区可主探牛蹄塘组页岩气，兼探寒武系乌训组、变马冲组及震旦系陡山沱组页岩气，区域内最具勘探前景，有望实现页岩气突破。

（3）牛蹄塘组富有机质页岩层段沉积后，因所处构造单元或构造部位存在差异，其埋藏史、热演化史及抬升剥蚀等不同，决定了页岩的生烃演化和储层演化，控制了页岩气富集成藏历程。

致谢：时值中国地质调查局成都地质调查中心（原国土资源部成都地质矿产研究所）成立60周年，谨以此文向南方页岩气调查团队的前辈、同事，向多年来奋战在祖国大西南地区油气勘探第一线的地质工作者们致敬！审稿专家给予的建设性修改意见对提高文章的质量起到了重要作用，样品采集得到了西南石油大学刘灏博士、岩溶所聂国权和季少聪2位工程师的鼎力相助，成都地质调查中心徐国栋高级工程师承担了相关的实验测试工作，在此一并致以衷心的感谢！