李金磊，尹 成，王明飛，楊莎莎，劉曉晶，陳 超

(1.西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500；2.中國石化 勘探分公司，成都 610041)

北美頁巖氣的大規(guī)?？碧介_發(fā)，改變了世界能源格局。前期，國內(nèi)外企業(yè)借鑒北美經(jīng)驗(yàn)在我國鉆探頁巖氣井100余口，均未獲得大型商業(yè)發(fā)現(xiàn)，中國學(xué)者就此開展了大量的對比研究，提出了南方復(fù)雜構(gòu)造區(qū)海相頁巖氣“二元富集”理論認(rèn)識[1-4]，指出中國南方海相頁巖氣與北美頁巖氣最大的差異在于保存條件[5-11]。北美地區(qū)的海相頁巖形成于具有大型穩(wěn)定基底的克拉通盆地或前陸盆地，構(gòu)造運(yùn)動相對簡單，而中國是由中朝、揚(yáng)子、塔里木等多個(gè)小陸塊和造山帶構(gòu)成的復(fù)合型大陸，具有基底穩(wěn)定性差、構(gòu)造活動性強(qiáng)的特點(diǎn)[12]，這種構(gòu)造運(yùn)動改造的差異會造成保存條件的差異，同時(shí)也造成了含氣性的差異。以四川盆地及周緣為例，其地質(zhì)資源量為57.27×1012m3，占全國的46.6%，國內(nèi)的儲量和產(chǎn)量幾乎均來自于該區(qū)域，是當(dāng)前中國頁巖氣勘探開發(fā)的主戰(zhàn)場。該區(qū)的上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組等主力頁巖氣層系先后經(jīng)歷了加里東期、海西期、印支期、燕山期以及喜馬拉雅期等多期構(gòu)造運(yùn)動的改造，使得保存條件和頁巖的含氣性橫向非均質(zhì)性強(qiáng)、差異大，給頁巖氣的勘探開發(fā)帶來了極大的風(fēng)險(xiǎn)。

四川盆地涪陵焦石壩地區(qū)作為中國率先投入商業(yè)開發(fā)的區(qū)域，隨著勘探開發(fā)的持續(xù)推進(jìn)，保存條件和含氣性在平面上顯現(xiàn)出較大的差異性，保存條件好的地方，頁巖氣產(chǎn)量就高，反之就低。本文以此為靶區(qū)，結(jié)合鉆井、測井、巖心等資料，充分利用高精度三維地震資料在空間描述上的優(yōu)勢，通過構(gòu)造精細(xì)解釋、應(yīng)力場數(shù)值模擬、裂縫檢測、傾角預(yù)測等手段，對該區(qū)的保存條件進(jìn)行了解剖分析，以期形成的認(rèn)識和方法對其他地區(qū)的目標(biāo)評價(jià)與優(yōu)選提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

涪陵焦石壩地區(qū)位于川東隔擋式褶皺帶、萬縣復(fù)向斜的南部與方斗山背斜帶西側(cè)的交會區(qū)，受多期次、多方向強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動改造，總體表現(xiàn)為一菱形構(gòu)造[13-14]。早期受雪峰山北西向的推覆擠壓作用，發(fā)育大耳山、石門、白家、馬武、吊水巖等一系列北東向斷層，形成石門斷塊、焦石壩箱狀背斜、江東斜坡、太和背斜、鳳來向斜、西部向斜等局部構(gòu)造；晚期受大婁山北東向和大巴山南西向的推覆擠壓作用，發(fā)育北西向?yàn)踅瓟鄬?，使得西南部?fù)雜化，形成烏江斷鼻，同時(shí)對早期形成的局部構(gòu)造進(jìn)一步改造定型，奠定了現(xiàn)今“東西分塊、南北分帶、隆洼相間”的構(gòu)造格局(圖1)。

2012年11月，JY1井在涪陵焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段試獲20.3×104m3/d高產(chǎn)頁巖氣流，發(fā)現(xiàn)了涪陵頁巖氣田，隨后進(jìn)行勘探部署、實(shí)施三維地震、JY1井核心區(qū)試驗(yàn)開發(fā)建產(chǎn)以及大規(guī)模展開涪陵頁巖氣國家示范區(qū)建設(shè)，截至2018年底，提交頁巖氣探明地質(zhì)儲量6 008×108m3，展現(xiàn)了良好的頁巖氣勘探開發(fā)前景。鉆井揭示：該區(qū)五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖分布穩(wěn)定，優(yōu)質(zhì)頁巖氣層段[w(TOC)≥2%]厚度為35～45 m；含氣泥頁巖層段TOC平均2.66%，孔隙度平均4.53%，含氣量平均4.21 m3/t，脆性礦物含量65%～79%[10]，展示了該頁巖層段良好的頁巖品質(zhì)。但同時(shí)也揭示保存條件在該區(qū)不同的構(gòu)造部位存在一定的復(fù)雜性和差異性。以JY1井、JY5井和JY103-2井為例，均位于五峰組—龍馬溪組深水陸棚相區(qū)，頁巖品質(zhì)相當(dāng)，但分屬于焦石壩箱狀背斜、烏江斷鼻和太和背斜3個(gè)不同的構(gòu)造單元，壓力系數(shù)分別為1.55，1.00，1.00，分別試獲20.3×104，3.5×104，0.7×104m3/d頁巖氣流，同一區(qū)塊、同一層系，壓力系數(shù)和測試產(chǎn)量卻表現(xiàn)出較大的差異，值得對比分析和研究。

圖1 四川盆地涪陵焦石壩地區(qū)五峰組底界構(gòu)造

2 保存條件差異性分析

涪陵焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣層頂板為龍馬溪組二段的粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，底板為臨湘組含泥瘤狀灰?guī)r、灰?guī)r，厚度大，物性差，地層突破壓力高，使得該區(qū)頁巖氣在早期生成以后就能夠滯留與保存于頁巖層內(nèi)，為頁巖氣富集奠定了良好的基礎(chǔ)[4]，但后期多期次、多方向的構(gòu)造運(yùn)動，造成了地層的抬升、差異變形以及形成了一系列的斷裂系統(tǒng)，打破了早期良好的封存環(huán)境，因此，改造程度的差異造就了保存條件及含氣性的差異。

2.1 斷裂規(guī)模和性質(zhì)

斷裂發(fā)育規(guī)模的大小直接與構(gòu)造改造的強(qiáng)度相關(guān)，涪陵焦石壩地區(qū)主要受到早期雪峰山北西向和晚期大婁山北東、大巴山南西向的聯(lián)合推覆擠壓作用，主要發(fā)育北東向與北西向2組斷裂體系。整體來看，自東向西、由南向北構(gòu)造變形強(qiáng)度依次減弱，石門斷塊、烏江斷鼻以及太和背斜變形最為強(qiáng)烈，焦石壩箱狀背斜地層寬緩，變形最弱(圖1)。

一般情況下，地層變形越強(qiáng)烈，破裂的可能性越大，曲率值則越大，裂縫越發(fā)育[15-16]，因此，可用地震體曲率屬性來表征斷裂以及裂縫的發(fā)育情況。三維地震體曲率屬性分析揭示：焦石壩地區(qū)頁巖氣層頂板裂縫在不同的構(gòu)造單元呈現(xiàn)出較大的差異性(圖2)。焦石壩箱狀背斜與西部向斜裂縫最不發(fā)育，保存條件也最好。石門斷塊、太和背斜裂縫最發(fā)育，鉆井揭示該區(qū)保存條件差。對比分析，由于石門斷塊更加臨近雪峰山應(yīng)力源和盆地邊界，變形最為強(qiáng)烈，其主控?cái)嗔?大耳山斷裂、白家斷裂)斷距大、延伸長、派生小斷裂多、縱向斷開二疊系—寒武系，破壞范圍廣，保存條件也最差(表1)。烏江斷鼻與江東斜坡裂縫發(fā)育密度適中且相當(dāng)，但實(shí)鉆揭示2個(gè)區(qū)域的含氣性差異較大。分析其原因：一是控制局部構(gòu)造的烏江斷層與吊水巖斷層的發(fā)育規(guī)模不同，且烏江斷層具有走滑性質(zhì)，影響范圍更大；而西北部的江東斜坡雖然發(fā)育一定數(shù)量的小斷層，但延伸長度(≤16 km)、斷距(≤300 m)相比均較小，對保存條件的影響較小(表1)。如江東斜坡吊水巖②號斷裂，斷距平均0.3 km，延伸長度16 km，JY89-2HF井距其0.45 km，測試獲31.6×104m3/d的高產(chǎn)頁巖氣流，說明此類斷裂對頁巖氣的保存條件影響較小。二是裂縫的方向與最大主應(yīng)力的相對關(guān)系，還存在一定的差異。

2.2 最大主應(yīng)力方向與斷裂走向的關(guān)系

在擠壓環(huán)境下，構(gòu)造應(yīng)力場的最大主應(yīng)力方向與斷裂走向的相互關(guān)系決定著斷裂的封閉程度，兩者的銳夾角越大，斷裂的封閉性越好；兩者的銳夾角越小，斷裂的封閉性越差，滲透性越好，越有利于流體的運(yùn)移[17]。本文重點(diǎn)分析比較江東斜坡與烏江斷鼻的差異性。從曲率屬性表征的裂縫發(fā)育密度來看，江東斜坡總體更發(fā)育，以JY81井區(qū)為例，該區(qū)裂縫發(fā)育密度在江東斜坡最大，但最大水平主應(yīng)力與斷裂走向間的銳角較大(圖3a)，裂縫面應(yīng)力大，且為擠壓性應(yīng)力，封閉性更好，平均測試產(chǎn)量達(dá)26.5×104m3/d。烏江斷鼻受控于烏江斷裂，除走滑特征對保存條件的影響之外，最大主應(yīng)力與裂縫走向近乎平行，銳夾角較小，多表現(xiàn)為開啟性的高角度裂縫，封閉性相對較差，JY5井離烏江斷裂1 km，實(shí)鉆揭示為常壓，測試產(chǎn)量3.5×104m3/d；但當(dāng)逐漸遠(yuǎn)離該控制斷層時(shí)，銳夾角逐漸增大(圖3b)，保存條件逐漸變好，JY50-2HF井離烏江斷裂1.8 km，測試產(chǎn)量達(dá)到26.4×104m3/d，進(jìn)一步說明最大主應(yīng)力與裂縫走向之間的關(guān)系對裂縫的封閉性具有一定的影響。

圖2 四川盆地涪陵焦石壩地區(qū)頁巖氣儲層頂板裂縫預(yù)測平面圖

斷裂名稱斷開層位走向斷距/m延伸長度/km江東斜坡石門斷塊太和背斜烏江斷鼻吊水巖①斷層吊水巖②斷層大耳山斷層石門①斷層石門②斷層白家斷層馬武斷層烏江斷層志留系—寒武系志留系—寒武系二疊系—寒武系志留系—寒武系志留系—寒武系二疊系—寒武系志留系—寒武系志留系—寒武系北東30010北東30016近南北1 000>60北東1 000>13北東1 000>18北東2 000>52北東1 500>26北西1 000>31

2.3 斷裂的疊加效應(yīng)對頂板的破壞作用

涪陵焦石壩地區(qū)海相頁巖儲層的頂板為龍馬溪組二段的粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，厚約50 m，孔隙度平均2.4%、滲透率平均0.001 6×10-3μm2，地層突破壓力為69.8～71.2 MPa，為五峰組—龍馬溪組一段的頁巖氣層提供了良好的封閉條件。通過巖心觀察和成像測井分析，頁巖氣層及頂板主要發(fā)育小斷層、高角度縫和水平縫。在保存條件好的區(qū)域(如JY1井所在的焦石壩箱狀背斜)，發(fā)育高角度縫和水平縫，但多被方解石充填，裂縫封閉性好；保存條件較差的區(qū)域(如JY5井所在的烏江斷鼻、JY103-2井所在的太和背斜)，高角度縫和小斷層在頁巖氣層及頂板均有發(fā)育，見大量未被充填的裂縫，頁巖氣層頂板遭受一定的破壞，造成頁巖氣的大量散失(圖4，5)。

地層發(fā)育顯示涪陵焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣層之上存在二疊系、三疊系多套滑脫體系，若頁巖氣層直接接觸的頂板存在一定的裂縫擴(kuò)散通道，可能不足以完全破壞整個(gè)頁巖氣層的封閉條件，但縱向多層系的斷裂疊加，形成斷裂帶，構(gòu)建了延至地表的逃逸通道，則可能造成局部封閉體系的破壞，引起頁巖氣的大量散失。JY103-2井所在的太和背斜以及JY5井所在的烏江斷鼻，通過貫穿志留系以及二疊、三疊系，多個(gè)時(shí)期的縱向斷裂相互溝通，形成縱向斷裂通道，導(dǎo)致所在局部地區(qū)的保存條件變差，造成頁巖氣的縱向接力散失。JY103-2井與JY5井測試揭示均為常壓(壓力系數(shù)1.0)，距烏江斷裂1.5 km范圍內(nèi)的頁巖氣鉆井，含氣性相比要差，測試產(chǎn)量基本小于15×104m3/d。當(dāng)逐漸遠(yuǎn)離斷裂疊加區(qū)，裂縫發(fā)育密度逐漸減小，散失減弱，保存條件得到改善，JY4井實(shí)測壓力系數(shù)1.46，測試獲得25×104m3/d高產(chǎn)頁巖氣流(圖6)。

圖3 四川盆地涪陵焦石壩地區(qū)局部應(yīng)力方向預(yù)測平面圖

圖4 四川盆地焦石壩地區(qū)典型井FMI成像測井裂縫發(fā)育對比

圖5 四川盆地焦石壩地區(qū)典型井五峰組—龍馬溪組一段巖心裂縫發(fā)育對比

同時(shí)，同層系相鄰斷裂的橫向疊加也可能造成局部夾持地區(qū)的保存條件變差，如馬武斷裂—烏江斷裂夾持的鳳來向斜部分區(qū)域(圖2，6)，不僅縱向擴(kuò)散較強(qiáng)，同時(shí)橫向斷裂及裂縫發(fā)育，加之頁巖大量水平縫的發(fā)育，聯(lián)合形成了立體的滲流通道，保存條件存在極大的風(fēng)險(xiǎn)，需加以重視。

圖6 四川盆地涪陵焦石壩地區(qū)過JY103-2井—JY5井—JY4井地震疊合曲率剖面

2.4 地層傾角影響

地層傾角是構(gòu)造作用強(qiáng)度的直觀體現(xiàn)，可作為保存條件評價(jià)的參考因素。滲流與擴(kuò)散作用是油氣運(yùn)移的2種基本方式，伴隨著頁巖成烴演化的整個(gè)歷史時(shí)期。泥頁巖本身作為儲層，具有低孔隙度、特低滲透率的特征，同時(shí)它還具有頁理發(fā)育的特征，這就決定了其滲流具有方向性，因此，頁巖地層的側(cè)向擴(kuò)散成為頁巖氣散失的主要方式之一[6]。五峰組—龍馬溪組全直徑巖心樣品實(shí)測顯示，橫向滲透率可達(dá)到垂向滲透率的2～8倍[4]，意味著孔隙的連通性在平行層理方向遠(yuǎn)大于垂直層理方向，在無斷層和裂縫的情況下，主要沿頁理面擴(kuò)散。

對于頁理封閉性可從頁理面上的正應(yīng)力大小來考慮，如果頁理面上正應(yīng)力大，則頁理的封閉程度相對會更高，能夠有效阻止頁巖氣的橫向擴(kuò)散，其大小則主要取決于巖層傾角和埋深兩方面，埋深越大、地層傾角越小，頁理面上應(yīng)力則越大(公式1)。因此，在埋深相當(dāng)?shù)那闆r下，地層傾角的大小會直接影響擴(kuò)散的強(qiáng)度。

P=ρgHcos2θ

(1)

式中：P為巖層層面正應(yīng)力；ρ為上覆地層密度；H為地層埋深；g為重力加速度；θ為地層傾角。

地層傾角可通過地層傾角測井及利用構(gòu)造圖計(jì)算求得。地層傾角計(jì)算結(jié)果表明：JY1—JY4井區(qū)所在的焦石壩箱狀背斜地層平緩，地層傾角為0°～5°，對應(yīng)頁理面上正應(yīng)力大，頁巖氣側(cè)向逸散相對較弱，保存條件好；烏江斷鼻、石門斷塊以及太和背斜，地層傾角大于25°，頁理面上的正應(yīng)力相對較小，頁巖氣順層橫向逸散作用強(qiáng)，疊合規(guī)模斷裂發(fā)育，頁巖氣保存條件相對較差；而江東斜坡雖然地層傾角較大，但是埋深相比要深，且前述分析的最大主應(yīng)力方向與裂縫走向間銳角較大，裂縫封閉性較好，橫向擴(kuò)散相比較弱，表現(xiàn)出相對較好的保存條件(圖7)。

3 結(jié)論

(1)后期構(gòu)造運(yùn)動的差異改造是涪陵焦石壩地區(qū)各局部構(gòu)造單元保存條件差異的主要原因，具體表現(xiàn)為裂縫發(fā)育規(guī)模和性質(zhì)的差異、裂縫封閉性的差異、斷裂的疊加效應(yīng)影響以及引起的地層變形程度差異。

(2)構(gòu)造運(yùn)動形成的斷裂規(guī)模及斷裂的性質(zhì)決定了局部構(gòu)造單元基本的保存條件；最大主應(yīng)力與裂縫走向之間的關(guān)系對裂縫的封閉性也具有一定的控制作用，銳夾角較大的區(qū)域，裂縫的封閉性更好，對保存條件更有利；同時(shí)需要重視斷裂的疊加效應(yīng)對頂板的破壞作用以及地層傾角較大的區(qū)域頁巖氣的側(cè)向擴(kuò)散效應(yīng)。

圖7 四川盆地涪陵焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段地層傾角分布

(3)保存條件差異對比分析表明，涪陵焦石壩地區(qū)發(fā)育的7個(gè)局部構(gòu)造單元中焦石壩箱狀背斜、江東斜坡保存條件最好，石門斷塊最差，烏江斷鼻、太和背斜、鳳來向斜、西部向斜次之，目標(biāo)優(yōu)選時(shí)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離規(guī)模較大的斷裂，尋找地層平緩的區(qū)域?qū)嵤┎渴稹?/p>