川东南地区页岩储层开采条件对比分析

张骞 ，岳晓晶

（1.中国地质科学院矿产综合利用研究所，四川 成都 610041；2.中国地质大学（北京）水资源与环境学院，北京 100083）

页岩气是指赋存于以富有机质页岩为主的储集岩系中的非常规天然气，作为一种新型天然气资源受到广泛关注，对比常规储层气，其运移距离极短甚至不存在[1]。美国最早发现页岩气，开发页岩气已有80 年的历史，除美国之外，我国是第二个将页岩气成功产出并投入量化使用的国家。虽然页岩气在开采上不及传统天然气方便、简单，但随着人类对天然气资源使用量的增加，合理有效地开发利用页岩气，是为落实碳达峰碳中和目标、推动绿色低碳优势产业聚力成势提供坚实的资源保障，是我国保障能源供应和发展低碳经济的必然选择。在满足社会经济发展对清洁能源的巨大需求之外，大量开采页岩气对控制温室气体排放，构建资源节约、环境友好的生产方式和消费模式都具有重要作用，对改善居民用能环境，提高生态文明水平也具有重要的现实意义。

页岩不仅是页岩气的源岩，还作为储层和盖层，具有自生自储，原地成藏的特点，其孔隙度和渗透率极低，开采时须进行水力压裂增产改造，简单地说，水力压裂就是利用外部施压将水力压裂液注入储层岩石，携带支撑剂和化学添加剂将裂缝撑开，使得压力释放后, 保持页岩气可以沿断裂稳定流动的路径。若注入的压裂液和储集层高矿化度地层水是向上运移，便会直接污染地下水，此问题的关键在于页岩储集层和地下水的连通性，以及向上运移的驱动力[2]，因此我们要研究开采层所处的沉积环境、构造背景以及后期构造演化等多方面因素对其连通性的影响。

为了研究我国页岩气开发过程中的地下水环境污染风险，本文将对比我国四川盆地龙马溪组海相页岩和鄂尔多斯盆地延长组陆相页岩（表1）[3]，分析其相似性与特殊性。另外，本文将进一步以威远、昭通和长宁为代表地区，对比分析四川盆地内部不同的页岩气开采区地质构造特征的差异性，以揭示四川盆地页岩气开采压裂过程中，受其地质构造条件影响所产生的地下水污染风险。

由表1可知，中国龙马溪组页岩和美国Barnett页岩及Marcellus页岩，沉积环境类似，但具有一定的差异性，这与中美页岩构造复杂程度不同有关。美国Barnett页岩及Marcellus页岩普遍埋深比中国页岩储层浅，页岩储层厚度变化小，开采难度较小，页岩气赋存较好。而中国龙马溪组页岩经历了多次构造运动，导致其埋深更深、页岩储层普遍被压缩更密实，导致页岩储层渗透率更低，压力系数更大。龙马溪组页岩深埋大于Barnett页岩且具有更高的热成熟度，但远不如Marcellus页岩有机质含量高、微裂缝发育，这导致了页岩气开发困难、钻井和水力压裂的高成本以及不可类比的开采压裂及返排过程中的污染问题。

表1 中美页岩主要特征对比[3]Table 1 Comparison of main characteristics of shale between China and US

1 中国鄂尔多斯海相盆地页岩特征及页岩气开发现状

1.1 沉积环境和构造地质背景

鄂尔多斯盆地是在华北古生代克拉通浅海台地基础上发育起来的大型陆内叠合型盆地[4]，基底是太古界和下元古界变质岩系，发育石炭-二叠系山西组、太原组、本溪组及上三叠系延长组等多套富有机质页岩[5]，其中延长组是一套内陆湖泊一三角洲沉积体系形成的，处于深湖-半深湖沉积环境[6]。

鄂尔多斯盆地主要的地质构造特征是整体上升、持续沉降、接触整合。盆地内，区域坳陷复合、地质构造平缓，缺少背斜与断层，总体上呈东部翘起向西部倾伏的区域性斜坡面貌；沉积盖层时代较全，仅缺失志留系、泥盆系及下石炭统，平均沉积岩厚度5000 m[7]。早远古代华北地台形成后，自奥陶纪以来，盆地主要经历了加里东运动、印支运动及燕山运动等构造运动，具体构造运动特点见表2。

表2 四川盆地和鄂尔多斯盆地主要构造旋回活动对比Table 2 Comparison of main structural cycles in the Sichuan Basin and the Ordos Basin

1.2 构造类型

鄂尔多斯盆地内部断层不发育，比较稳定，周围为一系列小型断陷盆地所环绕，主要的构造均位于盆地边缘（图1），其中西缘的构造特征相对复杂，断裂系统十分发育，包括16条主断裂，其中主干断裂三条：六盘山西缘大断裂、青铜峡一固原深大断裂、车道—阿色浪断裂，西部的天环凹陷构造运动相对强烈和埋深也较大，有些地方形成一些常规油气藏；但鄂尔多斯盆地油气资源还是主要分布在伊陕斜坡（盆地主体构造）上，该构造单元构造平缓，大致呈现由东向西倾斜约1°左右的，东高西低，北高南低的分布格局，主要包括鼻隆、穹窿、背斜、挠曲等 4 种基本类型，其中鼻状构造是其基本的构成单元，其断面形态呈现出连续和反复的具一定起伏的坡折特性[8]，对油气聚集及大中型油气田形成过程具有控制作用。

图1 延长组顶部低幅度构造特征(改编[9]）Fig.1 Characteristics of low-amplitude structure at the top of Yanchang Formation (adapted [9])

1.3 沉积盖层

鄂尔多斯盆地西南部的彬长区块晚三叠世沉积了延长组地层，位于渭北隆起和伊陕斜坡结合部位，烃源岩生烃条件良好，埋藏深度较小，在纵向上构成了4套生-储-盖组合，根据源-储配置关系及生储盖层叠置样式将生储盖组合划分为连续型（Ⅱ和 Ⅲ）和间断型（Ⅰ和 Ⅵ），其中间断型生储盖组合油气富集主要受控于油源断裂、源-储距离和有利储层展布；连续型生储盖组合油气富集主要受控于张家滩页岩与有利储层展布和断层-裂缝系统发育程度，其油气充注与保存条件均较好，比间断型的油气富集程度更高，同时盖层的好坏不仅取决于盖层厚度，还取决于其横向连续性，如彬长区块长7油层组在厚度大于20 m的盖层中所占比例最大，反映出其沉积时期湖盆水体较深，故其横向连续性相对其他油层组较好[10]。

由此可知，鄂尔多斯盆地具有华北地台的一级构造单元，页岩埋深浅，且地质构造简单、稳定。

2 四川盆地及川东南不同开采区页岩及地质特征

2.1 四川盆地

2.1.1 沉积环境和构造地质背景

四川盆地总体在缺氧环境沉积，发育有川北、川东—鄂西和川南3个深水沉积区，其中五峰组—龙马溪组页岩的沉积环境为浅水陆棚亚相，处于弱氧化—弱还原环境。

整个四川盆地沉积盖层具有海相和陆相双层结构，从沉积特征上来说，从张裂环境转化为压缩环境；从构造演化上来说，震旦系到中三叠系之间存在多个沉积间断面，但区域上未见角度不整合，各层系之间均呈平行叠置，即地层多长期处于台地相，并且总体以下陷接受沉积为主。

自震旦系以来，四川盆地经历的构造活动较频繁，从基底算起，可以追溯划分为6个主要的构造旋回：扬子运动、加里东运动、海西运动、印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动（表2）：在加里东期和海西期，地壳的运动受张裂活动影响而呈升降运动，但没有与挤压活动有关的褶皱运动；从晚中生代燕山运动开始，发生较强烈的压扭性构造运动，从而导致盆地内断褶构造开始发育；早喜山运动是影响整个四川构造盆地和局部构造形成的主要时期，特别是喜马拉雅运动，它使震旦纪至古近纪以来的沉积盖层全面褶皱，并将不同时期、不同地域的褶皱和断裂连成一体；晚喜山运动发生在新近纪以后、第四纪之前，该运动将早喜山期形成的构造进一步加强和改造，使四川盆地的构造面貌最终定型。多次的构造运动使四川盆地的褶皱发育，并且伴随着褶皱过程，易产生次级断裂等，使得四川盆地的构造背景更为复杂。

对比四川盆地和鄂尔多斯盆地，两者均经历了多次构造运动，但四川盆地比起鄂尔多斯盆地所经历的构造运动更为复杂，其构造面貌受到的影响更大，在漫长的构造与沉积演化过程中，经历了多期和多向的边缘深断裂活动，具有多旋回的特点，特别是印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动，对整个四川盆地的改造有着极为关键的作用；而鄂尔多斯盆地以整体升降为主，内部构造稳定，特别是在新生代时期，新构造运动主要对其周缘影响较大，其内部缓慢抬升，处于稳定状态，转为周边断陷发育。

2.1.2 断裂展布、褶皱类型及其发育程度

四川盆地是由多条深大断裂围成的沉积盆地，基本都是基底断裂和壳断裂，具有纵向切割深、规模大、延伸远的特点，大体上将这些深大断裂分为北东、北西及南北向三组。其中会影响昭通页岩气开采区的深大断裂-华蓥山断裂带（F4）是一个继承性的大断裂，由三条隐伏壳内断裂组成，在地史上多次发生活动，特别是燕山晚期至喜马拉雅期在川东压扭应力作用下的活动，被断层活动改造，是川东断褶带和川中平缓构造区的分界线；遵义-松坎断裂带（F12）是划分川东与川南的分界断裂；七曜山断裂带（F5），是由三条东倾的逆冲断裂组成的，通过断裂两侧基底的差异，说明晋宁期已经存在，而燕山晚期到喜马拉雅期，在南东-北西方向的挤压应力下又重新活动，成为逆冲断裂，断层两侧的沉积盖层其构造变形的样式和强度都具有较大的差别，东侧为隔槽式褶皱，变形程度较低，西侧为隔挡式褶皱，变形程度较高，并伴有大量断层的出现[11]。

川东南地区褶皱发育，但是不同构造位置发育程度不同，将其进一步分为三个四级构造单元：

（1）边部强烈变形区-褶皱变形强烈，多为线状或狭长状的高褶皱，呈梳状或带状分布，伴生断层发育，且多数通达地表，地表裂缝发育程度高；

（2）中部中等变形区-褶皱变成程度中等，多为短轴状的中褶皱，基本无贯通性断层，地表裂缝发育程度中等；

（3）中央弱变形区-褶皱变形程度较弱，多为低褶皱，呈短轴或近等轴状，断层和地表裂缝发育程度较弱。

2.1.3 沉积盖层

盖层是油气藏形成的必要条件，其好坏也对环境污染具有关键意义，分为直接盖层和间接盖层。对于上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩气藏来说，中下三叠统膏盐岩、泥岩发育的地区可以形成一定范围的压力封闭，从而使得页岩气得以保存。例如，四川盆地内部的长宁地区保存了部分三叠系膏盐，以宁201井为例，开孔层位为嘉陵江组四段、保存了部分嘉陵江组四段和嘉陵江组三段膏盐岩，龙马溪组页岩的气藏压力系数是2。

对于注入目标储层的压裂液是否会在垂向运动影响到上部含水层引起环境风险，直接盖层是关键，即页岩层之上的各种致密岩层，包括页岩、粉砂质页岩、泥质粉砂岩和灰岩等，它们的岩性、物性参数及参数之间的差异性将直接决定盖层的封闭能力和被压裂后连通的可能性。一般优质开采层的平均孔隙度大，且其直接盖层有较好的封闭能力，如下志留统龙马溪组之上的小河坝组（石牛栏组）和韩家店组的泥页岩就是较好的直接盖层，根据前人对四川盆地建深1井、五科1井和太13井的志留系小河坝组和韩家店组的砂岩样品孔隙度分析，建深1井韩家店组3块极细粉砂岩孔隙度为0.48%～2.9%，平均为1.55%，12块粉砂岩孔隙度为0.4%～1.1%，平均为0.64%[12]，明显小于龙马溪组黑色页岩的孔隙度；而从页岩矿物组成的角度，五峰组-龙马溪组页岩自下而上的石英含量减少，粘土矿物含量增加，也就是说开采层上部的页岩，塑性增强，那么同样的受力大小下，压实作用更强，孔隙度更小，排驱压力会增加，在压裂及返排过程中，使压裂液向上运移的程度减小，压裂液或返排液不易窜入水层污染地下水，减少对土壤的扰动，以至于污染土壤表层或浅层地表[13]。

2.2 威远与长宁-昭通区块

威远与长宁-昭通区块的沉积环境类似，都是早期是深水陆棚，晚期为浅水陆棚代替；长宁-昭通区块龙马溪组页岩富硅质（硅质储量高于40%）、脆性矿物含量较高，易于压裂产生网状缝，具有较好改造的特点[14]，但其主要发育基质孔隙，孔隙度平均约为5%，仅局部存在裂缝孔隙，多发育层间缝，开发难度较大[15]。威远地区龙马溪组页岩储层主要发育有机质孔、无机质孔、微裂缝，由于龙马溪组页岩深埋藏、强隆升、高演化等特点，压实作用、成岩作用明显，导致有机质孔隙发育，局部连通性好；无机质孔隙相对不发育，多为孤立孔隙，连通性差；层间缝、部分构造缝发育，且延伸范围广，连通性好。因此，有机质孔、裂缝是该地区页岩气储层主要渗流运移的通道[16]。

威远地区在构造上主要位于川中隆起区乐山-龙女寺古隆起的东南斜坡带上，包括川南古坳中隆低陡构造区带及川西南中古斜坡低陡构等，乐山-龙女寺古隆起轴部控制着威远地区龙马溪组沉积作用，为大型穹窿状背斜构造[17-18]。威远构造的形成经历了整体抬升、整体下沉以及基底变形：从寒武系至奥陶系一直呈现北西高南东低的构造形态；志留系经历了加里东运动，地层抬高，遭受剥蚀，穹窿构造初态形成；泥盆纪一石炭纪时期，继续隆升，在志留系与二叠系之间出现了沉积间断；二叠系沉积前，威远地区受运动影响开始下沉入水底接受沉积，期间构造稳定、沉积较为平缓；之后的喜山运动使威远地区基底卷入变形，快速褶皱隆升形成背斜[19]。

四川盆地水文地质特征极其复杂，地下水类型包括松散岩类孔隙水、碳酸盐岩岩溶水、基岩裂隙水以及浅层地下水，其中基岩裂隙水又可分为碎屑岩类孔隙裂隙水、变质岩裂隙水和岩浆岩裂隙水，再进一步按照地下水赋存空间性质和水动力特征划分，可将碎屑岩磊孔隙裂隙水分为裂隙水、可溶性溶孔（洞）裂隙水和层间裂隙水，其中可溶性溶孔（洞）裂隙水主要分布在威远穹窿北西翼外围[20]。昭通地区岩类发育齐全，地层复杂，为碳酸盐岩夹碎屑岩类互层，主要赋存岩溶裂隙水，具有岩溶水、裂隙水双重水文地质特征[21]，长宁地区也主要赋存岩溶水。

2.3 长宁区块与昭通区块对比

长宁-昭通区块位于川南深水陆棚沉积中心部位，其中长宁处于川南和渝东沉积中心, 昭通示范区则处于川南沉积中心的南缘, 其五峰组—龙马溪组页岩静态地质条件相对长宁地区略差[22]。两者产层均为钙质深水陆棚相页岩，但构造样式存在差异，长宁位于四川盆地承压区正向构造带，形成于燕山—喜马拉雅期断裂褶皱期，其主体位于四川盆地南缘长宁背斜南斜坡—向斜区（见图2），总体为一个大型宽缓向斜内的马鞍型构造，裂缝形成机制与喜马拉雅期构造强烈褶皱反转和页岩层大面积滑脱变形作用有关，其页岩层基本未发生滑脱变形作用[13]，见北东向张性断裂但通天断层不发育，保存条件优越，但在长宁背斜核心区（即狮子山背斜），五峰组—龙马溪组已出露地表并遭受剥蚀，通天断层发育，保存条件存在较大风险[15]。

昭通示范区黄金坝区块位于四川台坳川南中-低陡褶皱带（图2中Ⅲ2）罗场复向斜建武向斜边缘[23]，褶皱系数较小，约为0.35～0.05，多为短轴褶皱，翼部地层产状相对较缓、断层不发育。其沉积盖层从震旦系到侏罗系，厚约6000～7000 m，其碳酸盐岩、硅质矿物含量明显低于储层。

图2 长宁五峰组-龙马溪组页岩气藏构造剖面图（北东-南西向）Fig.2 Structural profile of shale gas reservoirs in Wufeng-Longmaxi Formation, Changning (NE-SW direction)

以YS108H1水平井组（图3）为例进行对比分析，其位于四川台坳川南低陡褶带南缘，北接四川盆地，南与滇黔北坳陷相邻（图4），受燕山期太平洋—古特提斯洋与扬子板块碰撞、喜马拉雅期印度板块向北冲挤双重作用的影响，形成近东西向和近南北向共同剪切的构造格局，构造形变从滇东黔中隆起到滇黔北坳陷再到四川盆地由强到弱[24]。

图3 YS108H1、H6 水平井组井场自然地理及交通位置Fig.3 Well site physical geography and traffic location map of YS108H1 and H6 horizontal well groups

图4 YS108H1水平井组井区域构造单元划分Fig.4 Structure unit division map of YS108H1 horizontal well group

YS108H1水平井组处于帚状构造带末端，构造作用相对较弱，构造形态相对简单（图5）。图6表明，YS108H1水平井组地层产状较平缓，地层分布稳定，构造平缓，处于建武向斜南翼靠底部部位，为页岩气有利保存区，在水平井部署的向斜区域地层稳定，过井剖面显示井轨迹无明显断层通过；加之其位于向斜和背斜的转折部位，地层封闭性较好, 有效地阻止了页岩气的侧向迁移, 有利于页岩气资源的保存[23]。

图5 YS108H1 水平井组井区域地质Fig.5 Geological map of YS108H1 horizontal well group well area

图6 YS108H1水平井台区域志留系龙马溪组底界构造Fig.6 Bottom boundary structure map of Silurian Longmaxi Formation in horizontal well platform area YS108H1

长宁-昭通区块龙马溪组页岩富硅质（硅质储量高于40%）、脆性矿物含量较高，易于压裂产生网状缝，具有较好改造的特点[14]，但其主要发育基质孔隙，孔隙度平均约为5%，仅局部存在裂缝孔隙，多发育层间缝，开发难度较大[15]。四川盆地内部长宁地区主要发育裂缝类型以层理缝和高角度充填缝为主，裂缝分布密度低，天然裂缝欠发育；四川盆地周缘构造运动相对剧烈，受盆地边缘构造运动影响，主要发育高角度张开缝，常见缝面划痕；裂缝分布密度较大，天然裂缝较发育，整体上，昭通区块天然裂缝发育程度高于长宁[25]。

3 页岩气开采过程中的地下水环境问题

根据目前总结的页岩气开发经验，开采过程中涉及到的地下水环境的主要是泄漏问题，泄漏成分包括气体、压裂液以及返排液等，见图7。如果管路密封不良，或者是遇到断层及裂缝区，压裂液及页岩气可能会窜入水层并对地下水造成影响[13]。

图7 页岩气开发相关的地下水风险示意Fig.7 Groundwater risks associated with shale gas development

压裂结束后因地质构造的不同会有10%～70%的压裂液返排至地表，但仍有部分压裂液残留在地层。这些压裂液中的有毒物质可能直接通过断裂、裂缝系统自地下深处缓慢向上迁移，直接污染地下水[26]，这个问题是水力压裂技术争议的焦点。此问题的关键在于页岩储集层和地下水的连通性，以及向上运移的驱动力，目前学术界较为普遍的共识是水力压裂不会产生连通地表的裂缝，且受毛细管力限制，液体缺少足够向上运移的动力[27]，但四川盆地经历了多期构造运动，地质构造复杂，可以借鉴美国相关经验，但不可完全照搬，况且已知 1 例发生在美国怀俄明州的致密砂岩气藏的事故，在浅层地下水中检测到压裂液成分。

4 结 论

（1）通过对比中美页岩地质特征，即中国龙马溪组页岩和美国Barnett页岩、Marcellus页岩，发现三者沉积环境类似，同时具有一定的差异性，中美页岩构造复杂程度不同，龙马溪组页岩深埋大于Barnett页岩且具有更高的热成熟度，但远不如Marcellus页岩有机质含量高、微裂缝发育，这导致了页岩气开发困难、钻井和水力压裂的高成本以及不可类比的开采压裂及返排过程中的污染问题。

（2）通过对比中国陆相和海相页岩地质特征，即四川盆地龙马溪组页岩和鄂尔多斯盆地延长组页岩，两者分别为扬子地台和华北地台的一级构造单元，沉积环境不同，四川盆地较之鄂尔多斯盆地构造复杂，褶皱断裂体系发育，而鄂尔多斯盆地页岩埋深浅，且地质构造简单、稳定。

（3）川东南几个页岩气开发区块对比表明，威远区块和长宁-昭通区块以及长宁区块和昭通区块，虽然同处川东南地区且页岩特性相似，但由于位于不同构造部位，威远位于背斜核部，而长宁、昭通属向斜构造，且昭通处于四川盆地边缘，而威远和长宁处在川南沉积中心，天然裂缝发育程度、地下水类型和特性以及连通程度、盖层特性等均有不同，故在地下水脆弱性评价，应结合不同位置区块的特点进行分析。

（4）中国的页岩气开发还处于起步阶段，但不可忽视开采过程中可能会引发的地下水环境问题，需要借鉴已有多年开发历史的美国页岩气田的经验，但通过由此及彼依次对比中美页岩、四川盆地龙马溪组页岩和鄂尔多斯盆地延长组页岩以及四川盆地不同区块龙马溪组页岩地质特征，发现两两之间均存在不小的差异性，我们不能完全照搬美国页岩气开采经验，或将不同沉积环境、不同地理位置的页岩开发简单地合并考虑，无论是在开发方面还是处理地下水环境问题方面。