徐政語 梁 興 魯慧麗 張介輝 舒紅林 徐云俊武金云 王高成 盧文忠 唐協(xié)華 石文睿

1.中國石油杭州地質(zhì)研究院 2.中國石油浙江油田公司 3.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學

0 引言

近年來，隨著四川盆地南緣昭通國家級頁巖氣示范區(qū)勘探開發(fā)工作的不斷推進，南方海相頁巖氣甜點選區(qū)評價工作已由四川盆地內(nèi)的川渝頁巖氣示范區(qū)向盆外改造區(qū)拓展，昭通示范區(qū)也由北部羅場向斜向中部羅布—洛旺—小草壩及東部云山壩—大寨等淺層區(qū)擴展，甜點選區(qū)由早期“源儲”評價[1]向“構(gòu)造”評價轉(zhuǎn)變，并成為近期的研究熱點[2-7]。受多期構(gòu)造活動與特提斯、濱太平洋兩大構(gòu)造域疊加作用影響，該區(qū)頁巖氣甜點控因復雜，除受沉積期巖相古地理因素影響外，后期構(gòu)造改造強度、變形樣式以及地層抬升剝蝕、伴生節(jié)理及裂縫開啟程度等均對頁巖氣富集與賦存產(chǎn)生影響[2,4-7]，致使頁巖氣保存條件影響因素較為復雜。為此，筆者結(jié)合近年來在昭通示范區(qū)的選區(qū)評價工作，從構(gòu)造變形特征、地層節(jié)理與裂縫發(fā)育特點、頁巖圍巖封蓋能力、氣藏展布特征等方面探討該區(qū)頁巖氣的保存條件，以期為頁巖氣選區(qū)評價提供幫助。

1 構(gòu)造樣式及變形特征

昭通示范區(qū)地處云貴高原向四川盆地過渡的烏蒙山地區(qū)，大地構(gòu)造位置處于揚子陸塊西緣三江造山帶與東南緣江南—雪峰構(gòu)造帶前鋒疊合部，跨越了上揚子區(qū)蜀南坳陷、滇黔北坳陷、滇東黔中隆起等3大二級構(gòu)造單元，主體部分滇黔北坳陷細分為雷波復向斜、巧家—筠連背斜帶、彝良—羅布復向斜、昭通—古藺背斜帶、赫章—夜郎復向斜、畢節(jié)—桐梓背斜帶等6個三級構(gòu)造單元（圖1）。結(jié)合地面地質(zhì)與已鉆探、地球物理成果，示范區(qū)由南部黔中隆起向北部四川盆地方向依次劃分為隔槽式、等幅式與隔檔式3種褶皺樣式，變形區(qū)依次劃分為黔中隆起剪切變形區(qū)、滇黔北坳陷壓扭變形區(qū)與蜀南坳陷擠壓變形區(qū)等3大區(qū)域（圖1、2）。

1.1 黔中隆起及其周緣變形區(qū)

圖1 四川盆地南緣構(gòu)造單元劃分及變形分區(qū)圖

圖2 四川盆地南緣北西—南東向剖面圖

黔中隆起及其周緣變形區(qū)以剪切變形為特點，基底巖性主要由含火山碎屑的島弧型沉積巖變質(zhì)而成，質(zhì)地相對堅硬，呈“高阻”、“中磁性”特征[8-9]，沉積蓋層以發(fā)育隔槽式褶皺為主，背斜相對寬緩、呈箱狀，向斜區(qū)相對窄陡、發(fā)育大量逆沖推覆及走滑斷層[9-11]（圖2），區(qū)域構(gòu)造線走向NE。主要走滑斷裂有NEE向貴陽—鎮(zhèn)遠、湄潭—黔西、遵義—金沙—赫章等斷裂，斷裂沿線斷面以高陡、光滑、階步及擦痕常見為特征，剖面上呈現(xiàn)花狀組合樣式（圖2）。典型實例有遵義—金沙—赫章斷裂畢節(jié)段徐花屯斷層、赫章段古基鄉(xiāng)石灣村斷層。其中，徐花屯斷層發(fā)育于中二疊統(tǒng)茅口組（Р2m）淺灰色厚層塊狀灰?guī)r中，斷面光滑、呈曲線狀，手摸平展、光滑、向西順手，體現(xiàn)斷層南盤西移、左旋特征，斷面走向NE10°、傾角47°（圖3-a）；石灣村斷層亦發(fā)育于茅口組石灰?guī)r中，呈現(xiàn)典型南盤西移、整體左旋特征，擦痕揭示斷層北盤向北東方向滑移、走向NE20°、傾角近90°（圖 3-b）。

1.2 滇黔北坳陷變形區(qū)及蜀南坳陷南緣

滇黔北坳陷變形區(qū)及蜀南坳陷南緣基底呈現(xiàn)“低阻”、“低磁性”特征[8-9]，基巖由陸間弧后盆地、被動陸緣盆地沉積巖淺變質(zhì)而成，基底多板巖并卷入蓋層褶皺，發(fā)育多個滑脫層，以發(fā)育背型、向型近乎等幅的斷展褶皺樣式為特征（圖1、2），壓扭性斷層發(fā)育[9-11]，主要發(fā)育NE及NW向兩組構(gòu)造線。其中東南發(fā)育NE向構(gòu)造線，赫章—夜郎復向斜中南部下三疊統(tǒng)茅草鋪組（T1m）泥質(zhì)灰?guī)r地層中發(fā)育漁洞壓扭性斷層及背型、向型近乎等幅的斷展褶皺（圖4-a），昭通—古藺背斜帶南部中二疊統(tǒng)地層在威信—花坭壓扭性斷層冷菁溝段呈典型旋轉(zhuǎn)與逆沖變形特征，發(fā)育背型、向型近乎等幅的斷展褶皺（圖4-b）。

1.3 蜀南坳陷變形區(qū)

蜀南坳陷變形區(qū)基底屬于典型四川盆地川中型基底，發(fā)育變質(zhì)—結(jié)晶基底[8-9]，基巖具有堅硬、抗剪切變形能力，沉積蓋層以典型隔檔式褶皺為特點，主要呈向斜寬緩、背斜窄陡，發(fā)育逆沖斷層及沖起構(gòu)造（圖2），構(gòu)造線發(fā)育NE及NW向兩組。其中NW向見于蜀南坳陷南緣羅場向斜南翼YS108井附近（珙縣上羅鎮(zhèn)）下三疊統(tǒng)嘉陵江組（T1j）石灰?guī)r中發(fā)育斷展褶皺，背、向斜相對寬緩，逆沖斷層規(guī)模?。▓D5）；NEE向見于落木柔背斜帶西部靠軸南翼褶皺高陡，以鹽津—牛皮寨斷層具有明顯高角度逆沖擠壓為特征。

2 地層節(jié)理及裂縫發(fā)育特點

圖3 典型走滑斷裂斷面特征圖

圖4 典型壓扭性斷層及斷展褶皺照片

圖5 羅場向斜南翼逆沖斷層照片

昭通示范區(qū)頁巖在經(jīng)歷多期構(gòu)造事件與變形改造后，主要目的層及其上覆地層節(jié)理及裂縫按照構(gòu)造變形區(qū)自南向北依次發(fā)育走向與地層呈高角度、中—低角度及順層等交互關系的3大類型。結(jié)合筆者2017年及2018年度兩次野外地質(zhì)調(diào)查成果，對示范區(qū)261個觀察點中34個代表點節(jié)理面走向與傾向統(tǒng)計（圖6）分析發(fā)現(xiàn)：①南部黔中隆起變形區(qū)發(fā)育有3組NNW與3組近EW向節(jié)理與裂縫，北緣赫章—夜郎復向斜南部、畢節(jié)—桐梓背斜帶北部節(jié)理裂縫走向與示范區(qū)南部主體近EW向構(gòu)造線走向高角斜交、表現(xiàn)為典型走滑剪切應力場特征；②中部滇黔北坳陷變形區(qū)發(fā)育12組NE向、4組NW向、5組NEE向節(jié)理與裂縫，其中彝良—羅布復向斜、昭通—古藺背斜帶、赫章—夜郎復向斜中北部節(jié)理裂縫走向與示范區(qū)中部NE向構(gòu)造線走向近于一致或低角度斜交，總體表現(xiàn)為壓扭應力場環(huán)境；③北部蜀南坳陷變形區(qū)發(fā)育7組NW向、8組NE向、6組近SN及6組近EW節(jié)理與裂縫，南緣羅場向斜、珙縣背斜及巧家—筠連背斜帶節(jié)理裂縫走向與示范區(qū)北部NW—SE向構(gòu)造線走向近于垂直或平行，總體表現(xiàn)為擠壓應力場環(huán)境。對示范區(qū)14口井成像測井資料統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)全區(qū)井下（2 800 m以淺）頁巖高導縫走向表現(xiàn)出與地面露頭區(qū)節(jié)理及裂縫走向基本相同的展布規(guī)律與應力場環(huán)境特征。示范區(qū)上覆蓋層現(xiàn)今節(jié)理及裂縫表現(xiàn)出南部變形區(qū)產(chǎn)狀高陡、穿層性強，封蓋能力弱，易導致氣藏泄漏與散失，保存條件總體較差；北部變形區(qū)蓋層發(fā)育順層或弱穿層節(jié)理及裂縫、產(chǎn)狀平緩，地層封蓋能力較強，保存條件總體較好；中部變形區(qū)節(jié)理及裂縫穿層性與產(chǎn)狀處于過渡狀態(tài)，地層封蓋能力處于中等狀態(tài)，保存條件相對較好[12-13]。

2.1 黔中隆起變形區(qū)

南部黔中隆起變形區(qū)赫章—夜郎復向斜西南翼（赫章縣達依鄉(xiāng)海馬村S212省道旁）下三疊統(tǒng)飛仙關組（T1f）灰綠色泥質(zhì)粉砂巖地層中至少發(fā)育有3組節(jié)理，裂縫密度達8.89 條/m2，均處于開啟、未充填狀態(tài)，節(jié)理面傾向NNE及SE、走向以SSE及SWW向為主，節(jié)理面多垂直或高角度斜交地層層面，地層具有剪切、脆性變形特征，總體呈現(xiàn)出走滑與壓扭剪切雙重特點（表1）。該向斜在軸部（赫章縣六曲河鎮(zhèn)劉家梁子）及北翼（赫章縣六曲河鎮(zhèn)哲莊）地層中同樣發(fā)育有類似的節(jié)理及裂縫，節(jié)理及裂縫數(shù)介于3～5組，密度介于4.25～6.50 條/m2，總體體現(xiàn)向斜南翼裂縫密度高。該變形區(qū)節(jié)理及裂隙穿層性強，對頁巖氣封蓋能力影響較大，可形成氣藏向地面泄漏與散失的系列通道，保存條件總體較差[12-13]。

2.2 滇黔北坳陷變形區(qū)

圖6 昭通示范區(qū)地面露頭節(jié)理裂隙延伸方向展布圖

中部滇黔北坳陷變形區(qū)彝良—羅布復向斜中部南翼（鎮(zhèn)雄縣羅坎鄉(xiāng)坡腳鳳雨公路旁）飛仙關組灰綠與紫紅色泥質(zhì)粉砂巖地層中至少發(fā)育有4組節(jié)理，裂縫密度達5.2 條/m2，均處于開啟、未充填狀態(tài)，節(jié)理面傾向SW及NW、走向以NW及NEE向為主，節(jié)理面多中—低角度斜交地層層面，地層具有走滑、脆性變形特征，總體呈現(xiàn)出擠壓與走滑雙重特點（表1）。在威信背斜軸部（威信縣雨河鎮(zhèn)叉河）及北翼（威信縣雙河鎮(zhèn)大石板）地層中同樣發(fā)育有相似的節(jié)理及裂縫，密度為5.25～6.50 條/m2，節(jié)理及裂縫數(shù)為3～6組，表現(xiàn)出均一分布特點。該變形區(qū)節(jié)理及裂隙有一定的穿層性，可形成氣藏向地面泄漏與散失的部分通道，降低了頁巖氣封蓋能力，但影響遠較南部黔中隆起變形區(qū)弱，保存條件總體較好[12-13]。

2.3 蜀南坳陷變形區(qū)

北部蜀南坳陷變形區(qū)羅場向斜中部北翼（高縣文江鎮(zhèn)沙灣S309省道旁）飛仙關組淺灰色中—厚層狀泥灰?guī)r地層中至少發(fā)育有3組節(jié)理，裂縫密度達6.1 條/m2，均處于開啟、未充填狀態(tài)，節(jié)理面傾向NWW—NE、走向以NNE—SE向為主，節(jié)理面多低角度斜交—順地層層面，地層具有擠壓變形特征，總體呈現(xiàn)擠壓與走滑雙重特點（表1）。羅場向斜南翼（筠連縣城東、珙縣洛表鎮(zhèn)等）地層中也發(fā)育相似的節(jié)理及裂縫，密度約4.5 條/m2，節(jié)理及裂縫數(shù)為3～4組。該變形區(qū)內(nèi)節(jié)理及裂隙基本順層，對頁巖氣封蓋能力基本沒有影響，保存條件遠較示范區(qū)中部、南部變形區(qū)好、優(yōu)越[12-13]。

表1 四川盆地南緣地層節(jié)理及裂縫特征參數(shù)統(tǒng)計表

3 頁巖及圍巖封蓋能力

3.1 地層厚度

昭通示范區(qū)五峰組—龍馬溪組泥頁巖累計厚度介于50～350 m，主要分布于示范區(qū)北部滇黔北坳陷大關—彝良—鎮(zhèn)雄—畢節(jié)一線以北向斜區(qū)，總體呈現(xiàn)由南向北增厚趨勢（圖7）。

五峰組厚度介于4～15 m、呈現(xiàn)中厚南北偏薄特征，坳陷西北部鹽津李家灣剖面、Z104井、YS201井及B1井五峰組厚度介于4～11 m；坳陷中部威信大石板剖面、YQ7井及YQ8井五峰組厚度增至7～15 m，至坳陷中南部鎮(zhèn)雄干溝及芒部大灣頭剖面五峰組厚度減薄為4～5 m；坳陷北部YS108井至YS111井、YS113井及YS115井五峰組厚度減薄為4～7 m；向東至敘永縣大寨YS117井及YS109井區(qū)五峰組厚度減薄至4～5 m。

龍馬溪組厚度介于0～350 m，總體呈現(xiàn)由南往北逐漸增厚特征，新寨子—彝良—海子溝—仁懷—板橋以南、馬邊—美姑以西龍馬溪組厚度介于0～100 m，往北至黃坪—鹽津—長寧—YS112井—敘永—韓家店龍馬溪組厚度增至300 m，繼續(xù)向北至屏山—瀘州—萬盛一帶龍馬溪組厚度超過300 m。

3.2 地層封蓋能力

YS108井巖心物性測試結(jié)果表明，五峰組—龍馬溪組頁巖致密，巖石密度介于2.48～2.68 g/cm3、平均值為2.58 g/cm3；有效孔隙度介于1.0%～4.0%、平均值為2.6%；孔喉直徑介于0.05～0.10 μm；滲透率介于 0.004 0 ～ 0.011 1 mD，平均值為 0.006 5 mD（表2），孔隙度和滲透率均較低，表明頁巖自身毛細管阻力大，油氣難以向外逸散，具有較好的自我封閉能力，可作為良好的頁巖氣藏蓋層。

圖7 滇黔北坳陷及鄰區(qū)龍馬溪組地層等厚圖

表2 YS108井五峰組—龍馬溪組頁巖物性測試結(jié)果統(tǒng)計表

根據(jù)前人對蓋層物性封閉能力劃分標準：當巖層排驅(qū)壓力大于2 MРa時，巖層的封閉能力較好[14]；當排驅(qū)壓力介于1～3 MРa時，巖層封蓋能力可達中等以上水平[15]。結(jié)合YS108井五峰組—龍馬溪組巖心實測分析成果，頁巖排驅(qū)壓力已達3.16～6.59 MРa（表2），表明其不但具有較好的生烴供氣能力[16]、同時還具有良好的物性封閉能力[12]，完全具備源儲一體、自身封蓋成藏的頁巖氣保存條件。

參照我國資源豐度超過10×108m3/km2的大中型氣田泥質(zhì)巖蓋層突破壓力統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，多數(shù)氣田蓋層突破壓力集中介于1～15 MРa[17-19]。示范區(qū)B1井龍馬溪組頁巖在試驗溫度為40 ℃、上覆凈壓力為20 MРa條件下突破壓力介于 9.6 ～ 14.5 MРa，蓋層突破時間介于 0.014 9 ～ 0.032 4 a（表 3），表明示范區(qū)馬溪組對自身集聚的頁巖氣具有較好的封蓋作用，完全具備原生封蓋能力與保存條件。

表3 B1井龍馬溪組頁巖突破壓力測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

此外，依據(jù)示范區(qū)五峰組—龍馬溪組上覆的下志留統(tǒng)石牛欄組至上古生界泥盆系、石炭系、二疊系及中生界三疊系—侏羅系多套地層分布與巖性組合特點，確立中二疊統(tǒng)梁山組及上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M泥巖、砂泥巖夾煤系地層可充當局部蓋層，巖層厚度分別為2～20 m、20～200 m，除在背斜核部遭剝蝕、區(qū)域連續(xù)性變差、封蓋能力有限外，在向斜區(qū)連續(xù)性較好，能充當較好的局部蓋層；中—下三疊統(tǒng)砂巖夾泥巖段雖有一定的封蓋能力，但在示范區(qū)大范圍區(qū)域已暴露地表，遭受剝蝕，分布連續(xù)性差、殘留厚度小，封蓋能力十分有限。因此，整體而言，示范區(qū)主要依靠五峰組—龍馬溪組頁巖頂板石牛欄組泥質(zhì)灰?guī)r夾泥巖與中志留統(tǒng)韓家店組泥巖及致密砂巖起到的封蓋作用，以及底板澗草溝組與寶塔組致密石灰?guī)r的封閉作用在向斜區(qū)形成頁巖氣封存箱[12,14-15]。

據(jù)鉆井資料統(tǒng)計，示范區(qū)龍馬溪組頂板石牛欄組（黃葛溪組）上部發(fā)育灰綠—灰色泥巖夾泥灰?guī)r，下部發(fā)育大套厚層灰色致密石灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r或粉砂巖，與龍馬溪組整合接觸，地層厚度介于100～ 350 m，局部厚達442 m，巖心樣品在75 ℃條件下測得突破壓力介于35.6～38.8 MРa，表明具有良好的封蓋能力，可構(gòu)成五峰組—龍馬溪組頁巖氣優(yōu)質(zhì)蓋層。底板澗草溝組及寶塔組發(fā)育灰—深灰色瘤狀灰?guī)r、塊狀致密灰?guī)r，厚度介于30～95 m，在75 ℃條件下測得突破壓力介于62.7～68.2 MРa，封閉能力優(yōu)良，可有效阻擋頁巖氣向下擴散。

示范區(qū)北部除石牛欄組蓋層外，韓家店組發(fā)育灰綠色、黃灰色、藍灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，厚度介于190～311 m，亦可充當蓋層。大關—彝良一帶還發(fā)育中志留統(tǒng)嘶風崖組和大路寨組，亦可構(gòu)成局部蓋層。其中嘶風崖組頂、底發(fā)育暗紫紅色頁巖，中部發(fā)育灰綠色、黃綠色頁巖、粉砂巖夾石灰?guī)r；大路寨組發(fā)育灰色、灰綠色鈣質(zhì)頁巖、粉砂巖夾泥質(zhì)灰?guī)r，B1井鉆厚分別達142 m、352 m，均有封蓋能力。

4 頁巖氣有利區(qū)帶

依據(jù)示范區(qū)15口井氣樣組分分析（氣樣由中國石油浙江油田公司采用鹽水瓶采集、中國石油勘探開發(fā)研究院非常規(guī)油氣重點實驗室分析，測試采用7890A天然氣分析儀、Нe/N2載氣、FID/雙TCD檢測器），氣體成分自北向南依次劃分為甲烷帶、甲烷＋氮氣混合帶、氮氣帶。其中，甲烷帶：CН4含量（摩爾分數(shù)）大于75%，N2＋CO2含量（摩爾分數(shù)）小于25%；甲烷＋氮氣混合帶：CН4含量（摩爾分數(shù)）介于25%～50%、N2＋CO2含量（摩爾分數(shù)）介于25%～50%；氮氣帶：CН4含量（摩爾分數(shù)）小于25%，N2＋CO2含量（摩爾分數(shù)）大于75%。

結(jié)合示范區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖殘余厚度以及上覆地層構(gòu)造變形樣式、地層節(jié)理裂縫發(fā)育特點等綜合分析認為，北部擠壓變形區(qū)及其南緣具有目的層頁巖自身厚度大、上覆蓋層發(fā)育，頁巖變形與改造強度弱，節(jié)理及裂隙順層發(fā)育，頁巖氣封蓋性能好、保存條件優(yōu)越，處于瓦斯風化帶以下的封閉系統(tǒng)，天然氣成分以甲烷等烴類氣體為主，示范區(qū)頁巖氣建產(chǎn)區(qū)（黃金壩、紫金壩、云山壩、大寨）及甜點均分布于北部[20-22]；中部偏北區(qū)域受自身厚度減薄、上覆蓋層減少、頁巖變形與改造增強影響，節(jié)理及裂隙斜交地層發(fā)育，頁巖氣封蓋性能減弱、保存條件變差，處于瓦斯風化帶附近，系統(tǒng)處于半封閉狀態(tài)，天然氣成分中混入了一定數(shù)量的N2、CO2，局部可富集成頁巖氣甜點[20-22]；中南部及南部變形區(qū)受主要目的層頁巖自身尖滅與上覆蓋層剝蝕增強、頁巖變形與改造作用進一步增強影響，節(jié)理及裂隙與地層交角逐漸增大、穿層作用增強，頁巖氣封蓋性能進一步減弱、保存條件進一步變差，處于瓦斯風化帶以上，系統(tǒng)處于半開放狀態(tài)、封存能力十分有限，天然氣成分中混入了大量的N2、CO2，主要富集低豐度低品位頁巖氣。

5 結(jié)論

1）昭通示范區(qū)由南向北依次發(fā)育隔槽式、等幅式與隔檔式等3種構(gòu)造變形樣式，變形區(qū)可劃分為黔中隆起剪切變形區(qū)、滇黔北坳陷壓扭變形區(qū)與蜀南坳陷擠壓變形區(qū)等3大區(qū)域。

2）昭通示范區(qū)五峰組—龍馬溪組及其上覆地層節(jié)理與裂縫走向與地層走向的交互關系自南向北依次表現(xiàn)為高角度、中—低角度及順層等3種類型，各類分布范圍與3大變形區(qū)基本一致。

3）昭通示范區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖發(fā)育、呈北厚南薄趨勢，依據(jù)自身物性特征，完全具備源儲一體、自身封蓋成藏的頁巖氣保存條件，外加上覆地層與頂?shù)装宸馍w能力，保存條件總體較好。

4）昭通示范區(qū)頁巖氣組分自北向南依次劃分為甲烷、甲烷＋氮氣混合、氮氣等3個帶，頁巖氣保存條件總體呈現(xiàn)為北好南差格局，頁巖氣甜點區(qū)集中分布于示范區(qū)中—北部。

成文中，審稿專家和本文編輯提出了寶貴的意見和建議，在此表示衷心感謝！