李 軻，陳 楊，牟必鑫，李金璽，李智武，童 馗，華 天 ，劉升武

（1.成都理工大學，成都610059；2.四川省煤田地質工程勘查設計院，成都610072）

頁巖氣一般以吸附態(tài)、游離態(tài)隱蔽聚集在泥頁巖中，且具有自生自儲和吸附成藏的性質[1]，是一種潛能巨大的非常規(guī)油氣資源[2-3]。美國等國家已經率先勘探和開發(fā)[4]。近年來，我國頁巖氣勘探在重慶涪陵地區(qū)上古生界海相頁巖等地層獲得巨大突破。涪陵大型頁巖氣田——焦石壩龍馬溪組頁巖氣田，頁巖氣產量達到每年11 億m3[5-8]。中國海相頁巖有機質成熟度高，生烴能力強，在全國廣泛分布，頁巖厚度可觀，且普遍埋藏深大，有機質含量高，具有廣闊的頁巖氣勘探開發(fā)前景[9-10]。隨著頁巖氣勘測開采技術日益完善，一些勘測難度大的區(qū)域也逐漸進入考慮范圍，在新的潛在區(qū)域勘測與評價頁巖氣具有重要的現(xiàn)實意義。

西昌盆地地處上揚子板塊西緣，震旦紀—中三疊世作為泛揚子盆地的一部分，與四川盆地具有相似的構造-沉積格局[11-12]。但由于西昌盆地勘探程度較低，前人研究積累的基礎地質資料相對薄弱，對盆地內的烴源巖發(fā)育程度仍不確定，嚴重制約了西昌盆地的油氣勘探進程[13]。同時，由于西昌盆地經歷了多期構造變形，尤其是新生代以來，發(fā)生了強烈隆升、強烈擠壓變形和走滑運動，導致西昌盆地肢解成幾個次級構造殘余盆地。復雜構造活動對頁巖氣保存起著關鍵作用，如何在構造復雜的強改造區(qū)尋找頁巖氣有利區(qū)是當前研究區(qū)龍馬溪組頁巖氣勘探的重要科學問題。該研究深入探討了西昌盆地的構造特征及其與頁巖氣保存條件的耦合關系，為該區(qū)龍馬溪組頁巖氣勘探有利的目標區(qū)的確定提供指導，同時為構造復雜的強改造區(qū)中尋找相對有利勘探區(qū)塊提供借鑒。

圖1 西昌盆地南段構造綱要圖Fig. 1 Tectonic outline of the southern section of Xichang Basin

1 地質背景

圖1 所示為西昌盆地南段構造情況。西昌盆地位于揚子地塊西緣和青藏高原東緣的交接部位，如圖1 中a 區(qū)域所示。以安寧河斷裂為西界，以峨邊—美姑斷裂為東界，以則木河斷裂為南界，以大渡河為北界，面積大約為16 000 km2[11]。盆地經歷了長期復雜的構造演化，受控于晚三疊世之前伸展背景下差異升降活動和晚三疊世以來自西向東逆沖擠壓-走滑活動控制，形成南北分塊、東西分帶的構造格局，特別是新生代以來受印— 亞碰撞和青藏高原隆升的強烈影響，現(xiàn)今呈現(xiàn)為北西向、北東向和近南北向3 組構造疊加的復雜構造面貌，早期北東向和北西向構造遭受晚期近南北向構造的強烈疊加改造，如圖1 中b 區(qū)域所示，表現(xiàn)為一系列近南北向的大型走滑斷裂及其相關的褶皺和斷塊構造[14]。

圖2 西昌—布拖綜合剖面圖Fig. 2 Comprehensive profile of Xichang—Butuo

盆地在被動邊緣發(fā)展階段沉積了以震旦-二疊系海相碳酸鹽巖為主，晚三疊世發(fā)育了海陸過渡相碎屑巖，之后進入陸內斷陷盆地，發(fā)育厚層的陸相碎屑巖。盆地主要發(fā)育2 套烴源巖，一套為上三疊統(tǒng)白果灣組，另一套為下志留統(tǒng)龍馬溪組[15]。研究區(qū)主要位于西昌盆地南部西昌—布拖以南地區(qū)，從西到東，如圖1 中c 區(qū)域所示。主要分為則木河斷裂帶、米市盆地寬緩褶斷帶、布拖烏庫強變形褶斷帶、布拖—火烈寬緩褶斷帶，如圖2 所示。

2 西昌盆地南段基本地質特征

2.1 下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖巖性特征

龍馬溪組為一套比較閉塞的淺海灣相筆石頁巖和泥質碎屑巖建造。其巖性主要為灰黑色鈣質頁巖、炭質頁巖、粉砂質頁巖、粉砂巖夾泥砂質灰?guī)r。巖相基本一致，產筆石化石，厚157 m，金沙江為頁巖南側邊界，鈣質粉砂巖夾泥沙質灰?guī)r為下部巖相，向上巖相過渡為薄層灰?guī)r夾鈣質粉砂巖，產出筆石化石和豐富的三葉蟲及腕足類化石等，構成一個混合相，厚度僅40 m。本組整合于中志留統(tǒng)石門坎組之下，如圖3 所示。于盆緣地表露頭、盆地少數(shù)鉆井及地震資料，發(fā)現(xiàn)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖厚度自西向東增厚，受康滇古陸長期處于抬升，該套頁巖向東尖滅，如圖4 所示。在盆地東部布拖地區(qū)，頁巖厚度可達到約18 m，是區(qū)域內頁巖發(fā)育最厚地區(qū)之一（區(qū)調報告——西昌幅）。

圖3 西昌盆地南部志留系龍馬溪組頁巖野外特征形貌Fig. 3 Shale field characteristics of Longmaxi formation of silurian in the south of Xichang Basin

圖4 西昌盆地南部志留系龍馬溪組頁巖厚度圖Fig. 4 Shale thickness of Longmaxi formation of silurianin the southern Xichang Basin

2.2 西昌盆地南段構造特征

西昌盆地在經過了多期次和多旋回構造改造之后[11]，在該地區(qū)褶皺斷裂樣式多種多樣，整體特征為盆緣變形較強、盆內變形較弱，并伴隨著強隆升、強剝蝕等構造強改造。

研究區(qū)位于西昌盆地南部，主體為米市盆地及東側的布拖盆地，走向為近SN 向，主干斷裂發(fā)生了強烈左旋走滑運動[16-18]。盆地內部總體地層傾角平緩，構造樣式主要表現(xiàn)為盆內寬緩開闊褶皺帶，盆緣構造表現(xiàn)為褶皺沖斷帶、對沖帶或走滑擠壓帶，變形強烈，地層發(fā)生較強改造，呈陡立或倒轉產出，在斷裂附近常見構造角礫、碎斑巖等構造發(fā)育，同時沿斷裂帶向兩盤延伸有劈理密度減弱的趨勢。

前人利用多封閉系統(tǒng)熱年代學和QTQt 熱模擬揭示出西昌盆地構造熱演化史，主要分為3 個階段：階段一為早期沉降埋深與增溫階段，其發(fā)育時間為80～100 Ma，階段二為緩慢抬升冷卻-沉降階段，其發(fā)育時間為30～80 Ma，階段三為晚新生代快速隆升剝蝕階段，其發(fā)育時間為20～30 Ma[19]。西昌盆地內的磷灰石裂變徑跡年齡普遍小于30 Ma。在則木河斷裂以西，區(qū)塊磷灰石裂變徑跡年齡至可能大于40 Ma。夾于安寧河—則木河斷裂與峨邊斷裂之間的米市凹陷磷灰石裂變徑跡年齡可能不大于5 Ma，表明2 個斷裂活動性較強烈和較新[20]。

3 西昌盆地南段頁巖氣保存條件評價

3.1 評價指數(shù)

美國是世界上最早在頁巖氣領域成功實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的國家，其頁巖氣勘探開發(fā)歷程及進展也基本代表了世界在該領域研究歷程[21]。北美各大頁巖氣產區(qū)一般構造變形較弱，有機質成熟度相對較低，頁巖氣的產量主要取決于黑色頁巖物質基礎[22]。但我國南方上揚子板塊頁巖氣的地質條件要比北美復雜，相比來說我國頁巖地質年代較老，且經歷了多期次的強烈構造疊加作用，褶皺變形較強、斷裂切割破化嚴重、隆升剝蝕作用明顯[23]，海相地層頁巖氣勘探更加復雜，因此如何在地質條件復雜的區(qū)域勘察和開發(fā)頁巖氣，是亟待解決的問題。

西昌盆地南部屬于強改造區(qū)，根據前人研究成果和西昌盆地海相頁巖的階段性研究成果，在頁巖氣保存條件評價上，應當針對具體的問題具體分析，結合多期構造作用下的斷裂情況和裂縫發(fā)育狀況、隆升剝蝕情況、構造變形條件等因素，定量半定性對頁巖氣保存指數(shù)條件進行綜合評價，通過斷裂指數(shù)、剝蝕指數(shù)、傾角指數(shù)、埋深指數(shù)、海拔指數(shù)和頂?shù)装灏l(fā)育條件（見表1）進行綜合分析，從而建立頁巖氣保存條件評價指標體系，為有利區(qū)的劃分提供科學的依據。

表1 頁巖氣保存條件綜合評價指數(shù)體系Table 1 Comprehensive evaluation index system of shale gas preservation conditions

3.1.1 海拔指數(shù)

頁巖氣成藏后，整體氣藏隨著隆升或者其他構造作用形成高海拔并隨之產生構造裂縫，隨著海拔相對增高就會迫使頁巖氣藏蓋層被風化剝蝕而減薄，使蓋層的有效厚度降低，蓋層所提供的壓力相對減弱，頁巖卸荷，促使構造裂縫的形成，迫使蓋層的原有的孔隙度和滲透率增大，使頁巖氣藏的原有的封堵能力減小。區(qū)域應力也會促使地層抬升而形成裂隙系統(tǒng)，影響頁巖氣的滲流和保存。頁巖氣成藏以后，雖其自身烴源巖層可以作為蓋層，有自封閉的特性[24]，但是頁巖氣的保存非同常規(guī)油氣保存，需要有一定的埋深，這樣才具有良好的自封閉的特性。況且頁巖氣具有較大有效面積，對于形成連續(xù)聚集且大面積展布的頁巖氣氣藏是必要的條件。

因此對研究區(qū)的海拔進行了劃分，并分為9 個參數(shù)進行評價。海拔指數(shù)分類標準為實際海拔數(shù)值除以500 所得的數(shù)值。海拔指數(shù)0～4 可以劃分為優(yōu)選區(qū)1 類，4～6 為優(yōu)選區(qū)2 類，大于等于6～9 為較差區(qū)域。在西昌盆地南部，雖然西昌市地區(qū)海拔在2 000 m 之內，但下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖在西昌地區(qū)尖滅，無頁巖氣保存研究的先決條件。在米市盆地海拔在2 000 m 以內為頁巖氣優(yōu)選區(qū)1 類區(qū)，而昭覺盆地海拔范圍為2 000～3 000 m，為頁巖氣優(yōu)選區(qū)2類區(qū)。在布拖火烈地區(qū)海拔為200～3 000 m，也被評價為頁巖氣優(yōu)選區(qū)2 類區(qū)，其他區(qū)域為3 000 m 以上，則為頁巖氣保存較差區(qū)域，如圖5b 所示。

3.1.2 剝蝕指數(shù)

頁巖巖層是相對封閉的，具有自生自儲的特性，但是在構造變形程度較高、隆升作用較強、地層剝蝕較重的地區(qū)，頁巖（氣）溫壓場發(fā)生較大變化，進而影響頁巖氣富集程度。頁巖氣上覆巖層抬升剝蝕過程中，地層（微）裂縫相對開啟，吸附的頁巖氣逐漸解析、擴散，當頁巖氣壓力超過裂縫封堵能力，頁巖氣的保存受到影響。因此，剝蝕對頁巖氣的保存具有雙重作用，剝蝕量較少，則有利于頁巖中的隱蔽聚集在頁巖的吸附氣，解壓脫附而聚集；剝蝕程度較大，甚至會讓頁巖裸露地表，就會導致頁巖氣保存條件喪失。

根據研究區(qū)內低溫年代學[25]和區(qū)域地層厚度（區(qū)調報告——西昌幅），把研究區(qū)剝蝕量劃分為9 個指數(shù)等級（1～9），建立剝蝕指數(shù)，進行定量半定性評價，如圖6 所示。剝蝕指數(shù)是反應地層剝蝕量的一個參數(shù)，剝蝕指數(shù)賦值定義為：將地層剝蝕量0～9 000 m賦值為0～9（0代表0 m，9代表9 000 m）。剝蝕指數(shù)0～5 為保存條件好，5～6 為保存條件一般，6～9 為保存條件差。研究區(qū)剝蝕量在5 000 m 以內，則都為保存條件較好的區(qū)域。研究區(qū)剝蝕特征為盆地內部小，盆地邊緣大，且都不超過5 000 m，若以剝蝕量評價頁巖氣保存，則研究區(qū)都為頁巖氣保存有利區(qū)，且在研究區(qū)內黑水河斷層以西米市盆地內轎頂山地區(qū)，及黑水河斷層與羅西斷裂之間的昭覺盆地為研究區(qū)，為頁巖氣保存優(yōu)選區(qū)1 類區(qū)中更好區(qū)域，其他區(qū)域為優(yōu)選區(qū)1 類區(qū)，如圖5c 所示。

事實上，根據馬斯洛的創(chuàng)造理論[3]，以及后來阿瑪拜爾等人的研究，創(chuàng)造力并不是天才人物所獨有，而是呈現(xiàn)出一個類似于連續(xù)性的“波譜”，為每一個健康的人所擁有。在“波譜”的一端可能是天才的創(chuàng)造力，而中間或另一端則是普通大眾的一般創(chuàng)造力。創(chuàng)造力是普遍人性的一個基本特點。

3.1.3 傾角指數(shù)

構造作用會使地層發(fā)生變形、褶皺、倒轉，往往使巖層產生傾斜。利用地層產狀在一定程度上能夠反映區(qū)域變形程度。傾角指數(shù)就是把地層傾角以10°為間隔劃分0～9 級別（0 代表0°，9 代表90°）。一般，地層產狀越大，傾角指數(shù)越大，頁巖保存條件越差?；谇叭说难芯砍晒晚搸r氣勘探實踐[10,26]，傾角指數(shù)＜3，屬于頁巖氣保存有利區(qū)，指數(shù)≥3，即地層產狀≥30°頁巖氣保存條件變差。

統(tǒng)計盆地南部地區(qū)的地層產狀，研究區(qū)的傾角指數(shù)變化較大。在米市盆地內部，地層較緩，起伏不大，傾角在30°以內，及布拖縣東部布拖—火烈寬緩褶斷帶，傾角在30°以內，為頁巖氣保存優(yōu)選1 類區(qū)。則木河斷裂帶和布拖烏庫強變形褶斷帶，傾角指數(shù)均≥3，即頁巖氣保存較差區(qū)域，如圖5d 所示。

3.1.4 斷裂密度

地層的斷層和裂縫，是由構造作用形成的，斷層和裂縫的發(fā)育程度對頁巖氣的保存具有雙重作用，在異常高壓的條件下，微裂縫改變頁巖的儲滲條件，有利于頁巖氣的富集和保存；但是構造作用形成的過量的微裂縫和斷層，會使頁巖氣難以有效的聚集，致使頁巖氣逸散，不利于頁巖氣的保存。因此斷裂指數(shù)決定著頁巖氣氣藏在研究區(qū)的規(guī)模和分布。根據區(qū)域地質資料和野外地質調查并結合地震剖面資料，初步確定斷裂發(fā)育程度和規(guī)模，并根據巖層破裂程度，確定斷裂帶影響范圍，建立斷裂發(fā)育等級。將斷裂指數(shù)劃分為7 個等級（1～7），采用的是（4×4）km 網格統(tǒng)計單位網格的斷層長度，根據斷裂發(fā)育程度分別劃分了1～7 共7 個等級，從而評價研究區(qū)頁巖氣的保存情況。

在研究區(qū)內次盆地內的斷裂指數(shù)一般是1～3，盆緣指數(shù)大多大于3，小江斷裂系統(tǒng)斷裂指數(shù)最大，局部可達7，如布拖西側斷裂極其發(fā)育，如圖5e 所示。在米市寬緩盆地褶斷帶和布拖火烈寬緩褶斷帶保存條件較好，在則木河斷裂帶和布拖烏庫強變形褶斷帶則為保存條件較差區(qū)域。

圖5 評價指數(shù)示意圖Fig. 5 Schematic diagram of evaluation index

3.1.5 地層埋深及壓力指數(shù)

地層埋深在頁巖氣生烴與保存都存在著至關重要的作用，一方面一定程度的埋深可以為頁巖氣藏形成演化提供必要溫壓條件，另一方面埋深可以影響頁巖氣吸附氣量的大小，決定著頁巖氣藏的大小和保存環(huán)境是否穩(wěn)定。但是埋深過大，則會增大頁巖氣的開發(fā)成本，使已有氣藏未達到可開采的經濟價值。在頁巖氣藏形成的過程中，由于環(huán)境封閉，在熱裂解生氣的作用下，都會形成異常高壓，因此壓力指數(shù)也往往是判定一個完好的頁巖氣藏保存的關鍵指數(shù)?？碧阶C實四川盆地及周緣下古生界頁巖氣日產氣量與地層壓力系數(shù)呈對數(shù)關系[27]。研究區(qū)地區(qū)頁巖層的埋深為1 000～4 500 m，根據中國頁巖層有利勘探深度和地層壓力系數(shù)劃分標準，只有具有一定埋深的頁巖，才能對頁巖氣有一個持續(xù)的保存的能力，海相泥頁巖由于自身演化程度高，自身具有的壓力相對較大，由于地層抬升自身壓力大于地層賦予的壓力導致自身裂縫開啟程度增加，頁巖氣保存也因此遭受破壞。據前人資料表明，頁巖氣井在正常情況下只有地層壓力系數(shù)大于2.0，埋深大于3 500 m 且壓裂工藝得當，才能獲得高產的商業(yè)氣流。因此，研究采取的評價標準為埋藏深度大，孔隙發(fā)育較少，孔滲條件較差，滲透率較小，則頂?shù)装鍖搸r氣的保存條件較好。一般來說，致密砂巖、膏鹽層和泥頁巖等均可作為頁巖氣的較好的頂?shù)装?。西昌盆地南部主要發(fā)育下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖層，與中奧陶統(tǒng)大箐組地層不小于3 500 m為頁巖氣保存有利區(qū)[28]。

根據（恢復）古地層巖性柱厚度及其AHe，ZHe揭示的古埋深溫度可有效計算地表樣品古埋深及其抬升剝蝕量，獲得了西昌盆地南部地區(qū)頁巖埋深情況。在米市寬緩盆地褶斷帶（轎頂山地區(qū)），埋藏深度為3 500～5 000 m，埋藏深度遠大于3 500 m，按剝蝕厚度評價條件分析，為保存條件較好區(qū)域，其他位置埋深指數(shù)達不到3 500 m 的要求，對頁巖氣保存壓力稍微欠缺，則為頁巖氣保存較差區(qū)域，如圖5f 所示。

3.1.6 頂?shù)装鍡l件

因頁巖本身就是一個封閉的保存系統(tǒng)。但是在構造條件復雜的西昌盆地，其自身的封閉系統(tǒng)被破壞，頁巖氣保存就需要考慮頂?shù)装鍡l件是否滿足形成壓力封存箱。頂?shù)装鍡l件是指頁巖目的層的上覆和下伏地層的孔滲條件是能否封存頁巖氣，是否能阻擋頁巖氣在垂向上的散失，頂?shù)装灞容^完整，構造單一。圖6 所示為大慶油田勘探開發(fā)研究院提供的頁巖頂?shù)装蹇紫抖群蜐B透率直方圖。整合接觸，大箐組以灰白色中細粒結晶白云巖、白云質灰?guī)r為主，較致密；孔隙性較好，如圖6a 和圖6b 所示，溶蝕孔洞更為發(fā)育，可達到做頁巖巖層底板的要求。下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖地層塑性較強，因西昌盆地構造條件復雜，頁巖層破壞較嚴重，裂隙較為發(fā)育，且因為其有機質含量高，脆性礦物含量較低，自身不能作為自身的頂板。但中志留統(tǒng)石門坎組巖性主要為深灰色鈣質頁巖、泥質灰?guī)r與灰綠色泥巖、泥質條帶灰?guī)r夾生物碎屑灰?guī)r，含泥量較高?？梢杂行У刈柚鬼搸r氣的垂向逸散，為有利的頁巖層頂板條件，如圖6c 和圖6d 所示。

圖6 頁巖頂?shù)装蹇紫抖群蜐B透率直方圖Fig. 6 Histogram of porosity and permeability of shale roof and floor

3.2 保存條件綜合評價

通過野外路線地質調查，對西昌—布拖剖面進行實測分析，分析頁巖氣的保存條件。該剖面主要經過轎頂山向斜、三灣河向斜、四開—交際河背斜、龍恩河向斜。轎頂山向斜位于米市盆地寬緩褶斷帶內，海拔變化較小，不大于2 000 m，地勢較為平緩，不存在突變地勢，變形程度較小，其內白虎山斷層發(fā)育斷距較小且延伸程度較短，黑水河斷裂露頭不明顯，且露頭為侏羅系粉砂巖地層。地層傾角不大于30°，剝蝕量小于3 000 m，埋深約為5 000 m，頂?shù)装遢^好，頁巖氣保存條件較好。

三灣河向斜和四開—交際河背斜位于布拖烏庫強變形褶斷帶內，海拔變化較大，海拔約為3 500 m，地勢突變明顯，變形程度較強，區(qū)內發(fā)育四開—交際河斷層、羅西斷層，巖石較破碎。地層傾角大于40°。埋深較淺，約為1 500 m。龍馬溪組頁巖出露地表，頁巖氣保存條件較差。

龍恩河向斜位于布拖—火烈寬緩褶斷帶，海拔變化較小，海拔高度約2 500 m，區(qū)內于夢斷層發(fā)育，斷距較小，延伸斷，地層變形較小，傾角不大于30°，斷裂密度較小，剝蝕小于4 000 m，埋深約為2 000 m 左右。頁巖氣保存條件相對較好。

4 結論

1）米市盆地轎頂山向斜地區(qū)和布拖—火烈寬緩褶斷帶具有良好的保存條件。該區(qū)塊內部地層變形微弱，褶皺表現(xiàn)為寬緩-開闊的樣式，地層傾角較緩，小于30°，內部斷層發(fā)育斷距小、延伸短。區(qū)塊內部地表出露最新地層為雷打樹組。剝蝕厚度主要小于3 000 m。布拖—火烈寬緩褶斷帶，內部變形較弱，地層傾角小于30°，內部斷層發(fā)育斷距小、延伸短。但在埋深指數(shù)上稍顯不足，地層壓力稍有欠缺。其他地區(qū)變形程度較強，地層破壞較嚴重，頁巖氣保存條件較差。

2）西昌盆地龍馬溪組頁巖經歷了多期次構造運動，尤其是新生代青藏高原東擴效應，受到強烈的擠壓-走滑構造變形和大幅度的隆升剝蝕等構造強改造作用，研究區(qū)具有強變形、強隆升、強剝蝕等構造特征，在頁巖氣保存條件評價中，后期構造改造和變形為制約頁巖氣保存的關鍵因素。

3）綜合評價分析研究區(qū)海拔指數(shù)、剝蝕指數(shù)、斷裂指數(shù)，傾角指數(shù)、埋深指數(shù)和頂?shù)装鍡l件等指標，優(yōu)選出研究區(qū)轎頂山向斜為頁巖氣保存優(yōu)選區(qū)1 類區(qū)，布拖—火烈鄉(xiāng)寬緩褶斷帶為頁巖氣保存優(yōu)選區(qū)2 類區(qū)。