渝東南武隆地區(qū)構造作用對頁巖氣形成與保存的影響

張海濤 張 穎 何希鵬 高玉巧 張培先

（ 中國石化華東油氣分公司 ）

中國頁巖氣開發(fā)在焦石壩、長寧—威遠、富順—永川、昭通已初具規(guī)模[1-12]，目前成功實現(xiàn)開發(fā)的均為南方海相地層，這與北美地區(qū)頁巖氣主要形成于海相富有機質頁巖具有相似性[13-15]。中國頁巖氣研究經(jīng)歷了認識、實踐、再認識的過程，早期認為頁巖氣為“連續(xù)型”氣藏，受構造作用影響小[16-17]，主要評價頁巖厚度、含氣性、TOC、脆性礦物含量等靜態(tài)指標，隨著大量探井鉆探和頁巖氣示范區(qū)的建設，對中國式頁巖氣的認識越來越深入[18]，研究也逐漸向關注動態(tài)演化的過程發(fā)展，特別是越來越強調頁巖氣的保存條件[19-21]。

勘探上，多數(shù)探井評價結果顯示靜態(tài)指標差異不大的情況下，單井產(chǎn)量存在很大差異，主要原因是地層壓力系數(shù)反映出的地層能量大小及含氣性不同[22-24]。超壓（地層壓力系數(shù)大于1.2）地區(qū)單井產(chǎn)量高，如阿巴拉契亞盆地北部地區(qū)Marcellus頁巖、Sabine隆起Haynesville頁巖、涪陵焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖等；常壓（地層壓力系數(shù)為0.8～1.2）地區(qū)單井產(chǎn)量相對較低，如彭水地區(qū)桑柘坪向斜、武隆地區(qū)武隆向斜五峰組—龍馬溪組頁巖。開發(fā)上，北美大部分以常壓頁巖氣開發(fā)為主，相對淺的埋深和較好的地表條件利于工程施工。中國頁巖氣實現(xiàn)有效開發(fā)主要為四川盆地及周緣超壓頁巖氣，但從資源量評價結果看[25-26]，常壓頁巖氣分布廣泛，資源量巨大，中國頁巖氣形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢無法回避常壓頁巖氣這一關鍵。本文基于對頁巖氣富集成藏的再認識過程，以渝東南武隆地區(qū)為例，探討構造作用對頁巖氣形成及保存的影響。

1 地質特征

中國沉積盆地普遍經(jīng)歷了多旋回的構造運動，形成海相、海陸過渡相及陸相多套富有機質頁巖[27-31]，“多類型、多層系、多演化、多成因”的特征反映了構造作用對頁巖氣形成的重要性。渝東南地區(qū)位于川中隆起與黔中隆起之間，是上揚子地臺重要組成部分，經(jīng)歷了加里東運動、海西運動、印支運動、燕山運動及喜馬拉雅運動等多期構造運動。加里東—海西—印支期，揚子地臺構造活動相對較弱，以隆升作用為主，形成“大隆大坳”的構造格局。燕山期受太平洋板塊和印度洋板塊的俯沖影響，五峰組—龍馬溪組頁巖持續(xù)深埋并達到最大埋深；燕山晚期—喜馬拉雅期左旋擠壓運動形成一系列北東向展布的逆沖斷層，形成隔擋式褶皺形態(tài)，隨著地層進一步隆升，五峰組—龍馬溪組在部分地區(qū)完全剝蝕。對不同構造區(qū)樣品進行裂變徑跡分析表明，上揚子地區(qū)具有漸進式變形特征，變形時間東早西晚，抬升幅度東高西低，變形強度東強西弱。

武隆向斜位于渝東南齊岳山斷裂以東，為北東向展布的寬緩向斜，燕山早期白沙斷裂和平安斷裂控制向斜的形成，晚期胡家園斷裂將其分割為南部的武隆次凹和北部的火爐次凹，武隆次凹西側為老廠坪背斜（圖1）。武隆地區(qū)五峰組—龍馬溪組埋深為0～4000m左右，在南部武隆次凹南斜坡鉆探隆頁1井，鉆遇五峰組—龍馬溪組優(yōu)質頁巖厚32m，TOC平均為4.36%，含氣量為2.49m3/t，Ro為2.54%。隆頁 1井與焦頁1井、彭頁1井相比，優(yōu)質頁巖厚度、TOC、Ro、脆性礦物含量等基本一致，含氣量比焦頁1井（平均為2.98m3/t）低，比彭頁1井（平均為2.06m3/t）高，武隆地區(qū)地層壓力系數(shù)（隆頁1井地層壓力系數(shù)為1.08）比焦石壩地區(qū)（焦頁1井地層壓力系數(shù)為1.55）低[32]，比彭水地區(qū)（彭頁1井地層壓力系數(shù)為0.96）高。根據(jù)各區(qū)勘探開發(fā)情況，地層壓力系數(shù)和含氣性是綜合反映單井產(chǎn)能最重要的兩個參數(shù)，受構造作用影響明顯，其中構造活動關鍵時間、構造活動強度和構造樣式是3個關鍵影響因素。

圖1 中上揚子地區(qū)及武隆地區(qū)構造特征圖

2 構造活動關鍵時間對頁巖氣生儲影響

構造活動關鍵時間決定了頁巖生排烴過程，對頁巖氣保存產(chǎn)生持續(xù)性影響。隆頁1井埋藏史分析表明，武隆地區(qū)五峰組—龍馬溪組經(jīng)歷了兩次埋藏生烴：①泥盆紀早期埋深達到1800m，進入生烴門限，成熟度低，有機質生烴量有限，之后至二疊紀中晚期經(jīng)歷了緩慢的抬升，生烴作用相對較弱；②二疊紀末期至白堊紀中期，經(jīng)歷了持續(xù)的深埋作用，最大埋深超過6000m，Ro約為2.54%，有機質熱演化進入過成熟階段，干酪根和殘留油大量生成天然氣，氣體賦存在原生孔隙和成巖作用形成的孔隙（生烴形成的有機質孔，黃鐵礦、黏土礦物轉化形成的無機孔）中。白堊紀中期以后地層快速抬升，進入氣藏調整破壞階段。武隆地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣形成過程可概括為早期持續(xù)深埋控制生烴、晚期快速抬升控制成藏兩個階段。

將隆頁1井埋藏史與彭頁1井、焦頁1井進行對比（圖2），3口井總體趨勢基本一致，泥盆紀早期經(jīng)歷第一階段淺埋進入生烴門限，但未大量生烴，至二疊紀末經(jīng)歷了長期緩慢抬升，之后進入第二階段深埋（焦頁1井、彭頁1井三疊紀經(jīng)歷小規(guī)模隆升），在白堊紀不同時期達到最大埋深，Ro均超過2%，此后進入快速抬升的氣藏調整破壞階段。

圖2 隆頁1井—彭頁1井—焦頁1井五峰組—龍馬溪組埋藏史對比

從3口井的埋藏史圖來看，構造活動關鍵時間對武隆、彭水和焦石壩的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：①干酪根持續(xù)生烴時間。加里東期相對較弱的構造運動使3口井同時進入生烴門限，之后持續(xù)深埋，受上揚子地區(qū)漸進式變形特征控制，彭頁1井、隆頁1井、焦頁1井漸次達到最大埋深，有機質成熟度均處于過成熟早期階段，差異不大，但焦頁1井經(jīng)歷了更長時間的生烴過程，干酪根熱解烴轉化率高，生烴量較另外兩口井高。②氣藏調整破壞時間。與干酪根持續(xù)生烴時間對應，最大埋深之后3口井均發(fā)生快速抬升，抬升對頁巖氣是絕對破壞過程，彭頁1井約在125Ma開始抬升，隆頁1井約在95Ma開始抬升，焦頁1井開始抬升時間約為85Ma。彭頁1井經(jīng)歷了更長時間的氣藏調整破壞，對頁巖氣保存條件影響較大。對五峰組和龍馬溪組頁巖方解石包裹體測溫分析表明，焦頁1井五峰組頁巖裂縫內方解石包裹體溫度為196.2～239.5℃，結合埋藏史分析裂縫形成于最大埋深期，為生烴增壓導致的破裂縫；彭頁1井龍馬溪組頁巖裂縫內方解石包裹體溫度為128～138℃，其裂縫形成于氣藏調整階段，為泄壓過程及構造擠壓形成的破裂縫；武隆地區(qū)西南側齊岳山斷裂西側的勝頁1井龍馬溪組頁巖裂縫內方解石包裹體溫度為100～194℃，為生烴增壓階段產(chǎn)生的破裂縫及抬升泄壓過程產(chǎn)生的破裂縫。

構造活動關鍵時間控制干酪根持續(xù)生烴時間和氣藏調整破壞時間，一方面影響了氣源的供給，另一方面決定了氣藏的保存。特別是氣藏調整破壞階段，構造作用對頁巖物性產(chǎn)生影響，隨地層抬升頁巖內發(fā)生孔滲調整、裂縫變化等，其時間效應均影響了現(xiàn)今頁巖氣規(guī)模（主要影響含氣性和地層壓力系數(shù)兩個參數(shù)）。對構造活動關鍵時間進行分析，宏觀上能夠反映區(qū)域頁巖氣地質潛力，對比優(yōu)選有利勘探區(qū)；微觀上能夠評價時間效應對流體運移的影響，進一步評價單井產(chǎn)能。

3 構造活動強度對頁巖氣保存影響

構造活動強度對頁巖氣保存影響重點體現(xiàn)在其空間效應上，空間效應中地質能量的再分配宏觀上影響了斷裂、皺褶的規(guī)模及頁巖的埋深，微觀上影響了頁巖的物性（孔隙度、滲透率、裂縫形態(tài)及規(guī)模、巖石密度、脆韌性等）及有機質孔微觀特征。

武隆地區(qū)處在川東高陡褶皺帶，構造改造強度大（圖3a、d），武隆向斜地層傾角變化大（15°～30°）。區(qū)內3條大斷裂斷距變化幅度大：白沙斷裂北部斷距超過2000m，向南逐漸減??；胡家園斷裂北部斷距為1600m，南部斷距為500m；平安斷裂從北向南斷距由1200m減小到700m。焦石壩地區(qū)處于盆內弱構造改造區(qū)，為箱狀背斜，主體區(qū)變形弱，地層平緩，斷裂不發(fā)育，兩翼斷裂較發(fā)育（圖3b、e），主要斷裂斷距一般小于500m。與焦石壩地區(qū)相比，武隆地區(qū)構造改造強烈，能量釋放大，形成的區(qū)域性開放斷裂對頁巖氣保存條件破壞大，同時強烈的褶皺作用加劇了地層的風化剝蝕，向斜南北兩側五峰組—龍馬溪組均出露地表，頁巖含氣性及地層壓力系數(shù)均較低。彭水地區(qū)桑柘坪向斜，與武隆向斜同處于川東高陡褶皺帶，五峰組—龍馬溪組“四周”開口（圖3c、f），地層壓力系數(shù)為0.98，鉆井初產(chǎn)氣量較低。隆頁1HF井初產(chǎn)氣量為6.5×104m3/d，試采一年，目前產(chǎn)氣3×104m3/d；焦石壩主體區(qū)平均無阻流量大于50×104m3/d，兩翼構造復雜區(qū)平均無阻流量較主體區(qū)明顯降低；彭頁1HF井初產(chǎn)氣量小于3×104m3/d，后期遞減幅度較大。

圖3 武隆、焦石壩、彭水地區(qū)構造剖面圖及地震剖面

對五峰組—龍馬溪組頁巖樣品進行三軸應力卸載物理模擬實驗和覆壓脈沖滲透率實驗測試（圖4a、b）。三軸應力卸載實驗結果表明，隨著圍壓降低，軸向載荷緩慢增加，當圍壓下降到16.6MPa（圖4a中B點）時，巖樣發(fā)生剪切破壞，模擬對應地層埋深1544m（圖4a中C點）。覆壓脈沖滲透率測試結果顯示，隨著圍壓增加，頁巖滲透率明顯減小，以三軸應力卸載實驗中巖石發(fā)生剪切破壞對應的圍壓（16.6MPa）為界，圍壓大于16.6MPa，頁巖滲透率隨圍壓增加緩慢遞減，圍壓大于30MPa，滲透率接近于零；圍壓小于16.6MPa，頁巖滲透率隨圍壓減小快速增加（圖4b）。結合埋藏史分析結果，武隆地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖最大埋深后抬升剝蝕，上部地層剝蝕厚度普遍大于3000m，頁巖滲透率增加；橫向上，武隆向斜區(qū)由核部向兩翼，滲透率逐漸增加，頁巖氣的散失強度逐漸增強，尤其是埋深1500m到露頭區(qū)，滲透率大幅增加，頁巖氣大量逸散。

圖4 頁巖三軸應力卸載實驗和覆壓脈沖滲透率實驗曲線圖

統(tǒng)計焦石壩、長寧—威遠、彭水、丁山等地區(qū)頁巖氣單井產(chǎn)量發(fā)現(xiàn)，頁巖埋深與產(chǎn)氣量具有一定的相關性（圖5），埋深為2500～3000m時，頁巖氣單井產(chǎn)量普遍超過10×104m3/d；埋深為3000～4000m時，單井產(chǎn)量一般低于10×104m3/d；埋深大于4000m時，除威遠、丁山地區(qū)部分井產(chǎn)量較高外，單井產(chǎn)量一般小于5×104m3/d。

頁巖氣開發(fā)需要經(jīng)過大規(guī)模水力壓裂，建立有效人工縫網(wǎng)溝通天然孔隙/裂隙系統(tǒng)，從頁巖埋深與單井產(chǎn)量關系圖，結合覆壓脈沖滲透率實驗分析，可以推斷，埋深小于2000m時，就上揚子地區(qū)五峰組—龍馬溪組而言，上覆地層抬升剝蝕厚度普遍超過3000m，使得頁巖滲透率大幅增加，不利于頁巖氣的保存，導致頁巖含氣性及地層壓力系數(shù)降低，雖然實測頁巖具有一定的含氣量，但這種常壓地層中游離氣占比大幅減少，吸附氣脫附困難，開發(fā)潛力很小；埋深2000m到3500m區(qū)間內，抬升剝蝕量較小，泄壓對滲透率的影響較小，但泄壓實際上改善了頁巖的儲集性能（未形成連通縫網(wǎng)），在人工壓裂改造的情況下，能夠建立有效的縫網(wǎng)，從而實現(xiàn)頁巖氣的有效開發(fā)；埋深大于3500m時，頁巖氣的保存條件極為有利，但過高的圍壓造成壓裂改造不充分，因此極少數(shù)井（深大斷裂控制區(qū)）會獲得高產(chǎn)。

圖5 頁巖埋深與頁巖氣單井產(chǎn)量關系圖

關于埋深對壓裂效果的影響，筆者選取武隆地區(qū)隆頁1HF井第1段、第7段、第13段共3個壓裂段進行對比分析（圖6）。隆頁1HF井水平段高差500多米，第1段、第7段、第13段軌跡均位于龍馬溪組優(yōu)質頁巖③號小層內。從微地震檢測分析結果來看，第13段壓裂效果較第1段好，改造體積大，縫長、縫寬等都有明顯提升，除施工的部分因素外，主要受頁巖埋深影響。

此外，由于頁巖較強的非均質性，構造活動強度對其滲透率產(chǎn)生影響的同時，其非均質性同時表現(xiàn)在水平滲透率與垂直滲透率的巨大差異。通過對多口頁巖氣井頁巖樣品進行脈沖實驗分析對比發(fā)現(xiàn)，頁巖的水平滲透率遠高于垂直滲透率，當構造作用使頁巖達到滲透率大幅變化的深度邊界時，沿著頁理頁巖氣會發(fā)生逸散。

圖6 隆頁1HF井壓裂微地震檢測圖

4 構造樣式對頁巖氣保存影響

構造樣式對頁巖氣保存的影響研究較少，一般認為正向構造比負向構造更有利于頁巖氣的保存。通過構造活動關鍵時間和構造活動強度對頁巖氣形成和保存影響的分析，筆者認為單純的構造樣式（如背斜、向斜、單斜、斷背斜、斷鼻等）對頁巖氣的影響是不明顯的，構造樣式對頁巖氣形成、保存的影響是多因素耦合的結果，包括褶皺的連續(xù)性（是否存在露頭區(qū)）、地層產(chǎn)狀、有效蓋層的厚度、斷裂的封堵性等。

通過調研中國石化、中國石油南方海相探區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)資料不難發(fā)現(xiàn)，在背斜、向斜、斷鼻、斜坡區(qū)，甚至斷裂帶附近都有較好的頁巖氣顯示井，說明構造對頁巖氣成藏的影響不是絕對的，分析構造對頁巖氣保存條件的影響應該放在更大的地質背景下系統(tǒng)考慮，特別是對于“隔擋”“隔槽”“槽擋轉換帶”（即四川盆地內外）應區(qū)別研究。關于南方海相頁巖氣富集成藏模式已經(jīng)提出的有“二元富集”理論[33]、“三元富集”理論[4]、“源—蓋控藏”模式[34]、“三因素控藏”理論[24]等，上述理論核心均強調了頁巖氣富集成藏的3個基礎：深水陸棚相富有機質頁巖發(fā)育、有機質孔發(fā)育及良好的保存條件。筆者在此基礎上，對保存條件進一步劃分為“三帶三區(qū)”評價模式（圖7），利用“三帶三區(qū)”評價模式能夠將不同構造樣式統(tǒng)一到一個評價模式下探討頁巖氣保存條件。

圖7 不同構造類型頁巖氣保存條件“三帶三區(qū)”評價模式圖

（1）縱向“三帶”主要包括①脆性變形帶、②過渡帶、③韌性變形帶，“三帶”主要與頁巖埋深有關，劃分依據(jù)是泥巖埋藏壓實特征及三軸應力卸載實驗結果。泥巖的脆韌變化與壓力、溫度相關，在剝蝕露頭區(qū)，由于氣體的逸散及地下水的影響，“三帶”深度分布具有一定的差異性?！叭龓А钡姆植际乾F(xiàn)今條件下影響頁巖氣富集的最關鍵因素。對于南方海相地區(qū)五峰組—龍馬溪組優(yōu)質頁巖而言，其經(jīng)歷了“埋藏—生烴—抬升”，不存在“二次生烴”，“三帶”直接反映了五峰組—龍馬溪組生烴之后的狀態(tài)。

根據(jù)隆頁1井的鉆探實際，地層壓力系數(shù)為1.08，巖心發(fā)育部分高角度縫，可以大致確定隆頁1井處于過渡帶，該帶表現(xiàn)為：地層裂而不破，頁巖氣能夠富集成藏，能夠形成常壓或超壓型頁巖氣，是頁巖氣開發(fā)的重點分帶。脆性變形帶由于高角度縫發(fā)育，受斷層、徑流、壓差等影響，氣體發(fā)生運移散失，不具備勘探開發(fā)價值。韌性變形帶（深層頁巖氣區(qū))頁巖氣保存條件最為優(yōu)越，但需要不斷提升的壓裂工藝配合才能實現(xiàn)有效開發(fā)。

（2） 橫向“三區(qū)”主要包括Ⅰ封閉區(qū)、Ⅱ內連通區(qū)、Ⅲ外連通區(qū)，“三區(qū)”劃分主要考慮不同圍壓條件下頁巖滲透率的變化，定性表征泥頁巖中頁巖氣的“流動”行為。

通過巖心薄片觀察、流體注入實驗等方法能夠確定，泥頁巖中分布著大量納米級孔隙/裂隙，研究認為氣體在納米級孔隙/裂隙中的流動行為不能用達西流單一表征，還包括擴散、滑脫等行為，同時普遍認為低滲透儲層中很難發(fā)生大規(guī)模的氣體運移，頁巖氣井鉆探也顯示很多井“有氣無產(chǎn)”，因此頁巖氣的滲流特征是認識頁巖氣的關鍵。“三區(qū)”定性地反映了頁巖儲層中氣體的賦存運聚狀態(tài)，封閉區(qū)以吸附氣為主，游離氣以擴散作用發(fā)生交換，其系統(tǒng)類似于“單個封閉房間”，整體處于動態(tài)平衡，不會發(fā)生大規(guī)模的運移散失，但由于儲層物性條件較差（對開發(fā)而言），使得該區(qū)主要表現(xiàn)為“有氣無產(chǎn)”。內連通區(qū)以吸附氣為主，有機質孔發(fā)育，同時與天然裂隙溝通，其系統(tǒng)類似于“雙連通房間”，系統(tǒng)在一個房間達到平衡狀態(tài)時與第二房間發(fā)生連通，平衡狀態(tài)開始調整，此時頁巖氣會發(fā)生小范圍的運移，在調整過程也會造成系統(tǒng)整體壓力降低，但因為儲層物性條件較好，使得該區(qū)成為主要的頁巖氣開發(fā)區(qū)，表現(xiàn)為“有氣有產(chǎn)”。外連通區(qū)以游離氣為主，其系統(tǒng)類似于“開放型房間”，始終處于物質交換階段，氣體發(fā)生運移散失，使得該區(qū)主要表現(xiàn)為“低氣無產(chǎn)”。

5 武隆地區(qū)頁巖氣富集成藏模式

武隆地區(qū)頁巖氣富集成藏模式如圖8所示，其東翼五峰組—龍馬溪組出露地表，為開放型斜坡區(qū)，其西翼與老廠坪背斜連為一體，五峰組—龍馬溪組僅在部分地區(qū)“開天窗”，同時轉換帶附近發(fā)育一條大斷裂，對頁巖氣的保存具有一定的影響。隆頁1HF井水平段落差500多米，根據(jù)“三帶三區(qū)”的認識，其處于過渡帶、內連通區(qū)，但由于東翼為開放型斜坡，使得內連通區(qū)的埋深下限增加，使整體含氣性降低，因此隆頁1HF井“有氣有產(chǎn)”，但產(chǎn)量較低。

對于焦石壩、富順、桑柘坪、道真、威遠等區(qū)域，其保存條件的評價均可以統(tǒng)一到“三帶三區(qū)”評價模式中，勘探的重點是過渡帶、內連通區(qū)。

圖8 武隆地區(qū)“三帶三區(qū)”模式圖

6 結論

構造作用從時間、強度和形成的構造樣式3個方面影響頁巖氣的保存條件。構造活動關鍵時間和強度直接影響有機質生烴和烴類保存，一般來講，抬升均會破壞頁巖氣保存條件，對于渝東南地區(qū)，構造變形從東到西漸進式發(fā)展，東部地區(qū)抬升早，氣藏經(jīng)歷更長的調整破壞階段，頁巖氣保存條件較西部地區(qū)差，但適度的抬升有利于頁巖氣開發(fā)。構造樣式不直接反映頁巖氣保存條件，而是通過多因素耦合綜合影響頁巖氣保存，根據(jù)泥巖壓實特征和斷裂、露頭區(qū)等發(fā)育特征，任何構造樣式下頁巖氣保存均可劃分為“三帶三區(qū)”，“三帶三區(qū)”是綜合評價頁巖氣保存條件的重要因素，其中韌性變形帶、封閉區(qū)表現(xiàn)為有氣無產(chǎn)，過渡帶、內連通區(qū)表現(xiàn)為有氣有產(chǎn)，脆性變形帶、外連通區(qū)表現(xiàn)為低氣無產(chǎn)。武隆地區(qū)東翼為開放型斜坡，低氣無產(chǎn)區(qū)范圍較大，勘探應該向構造中心有氣有產(chǎn)區(qū)靠近；西翼為連續(xù)型斜坡，保存條件較東翼好，有氣有產(chǎn)區(qū)范圍大，可適當向淺層勘探。