趙安坤,余 謙,周業(yè)鑫,雷子慧,閆劍飛,門玉澎,張 茜,張 娣
(1.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心,四川 成都 610081;2.自然資源部沉積盆地與油氣資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610081;3.四川大學(xué)文學(xué)與新聞學(xué)院,四川 成都 610064)
馬永生等(2018)針對(duì)我國南方構(gòu)造復(fù)雜區(qū)頁巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)提出保存條件是不可忽略的關(guān)鍵因素,提出保存條件重點(diǎn)是蓋層條件和邊界斷層封閉性。尤其是五峰組—龍馬溪組頁巖,沉積厚度分布相對(duì)穩(wěn)定、演化程度相對(duì)適中,在構(gòu)造復(fù)雜區(qū)殘余分布中如何找到突破,保存條件不可或缺。“碎中找整,次中選優(yōu)”的思路即是尋求保存條件適宜區(qū)域的體現(xiàn)。此外,多位學(xué)者對(duì)我國海相頁巖氣保存條件開展了研究,從構(gòu)造作用演化史、地層水條件、蓋層、天然氣組分、頂?shù)装鍡l件和壓力系數(shù)等方面對(duì)頁巖氣的保存條件進(jìn)行系統(tǒng)分析,提出優(yōu)越的頂?shù)装鍡l件是基礎(chǔ),構(gòu)造改造作用是主控因素(劉樹根等,2011;聶海寬和張金川,2012;胡東風(fēng)等,2014)。
四川盆地周緣海相頁巖經(jīng)歷運(yùn)動(dòng)改造復(fù)雜劇烈(郭旭升等,2014;劉樹根等,2011;劉樹根等,2016),特別是自加里東運(yùn)動(dòng)開始,改造強(qiáng)度逐漸增大,地層抬升剝蝕時(shí)間早,五峰組—龍馬溪組頁巖埋深相對(duì)較淺,甚至部分區(qū)域暴露地表接受剝蝕,導(dǎo)致僅在向斜核部殘余分布(何治亮等,2017;金之鈞等,2016;劉樹根等,2011;聶海寬和張金川,2012;庹秀松等,2020)。同時(shí),強(qiáng)烈變形導(dǎo)致褶皺、深大斷裂、通天斷裂尤其發(fā)育,使得保存條件復(fù)雜、評(píng)價(jià)變得尤為艱難,對(duì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)保存條件開展進(jìn)一步研究尤為必要(陳超,2018;陳孔全等,2020;弓義等,2020;姜磊,2019;庹秀松等,2020;張福等,2020;趙文韜等,2018;楊平等,2020;張茜等,2017;余謙等,2020)。
四川盆地南緣構(gòu)造復(fù)雜區(qū)經(jīng)歷多期構(gòu)造作用改造,在多期應(yīng)力作用下形成復(fù)雜變形(劉樹根等,2016;趙安坤,2012)。本文研究區(qū)主要位于四川盆地南緣(圖1),西側(cè)與川滇南北向構(gòu)造帶相鄰,南接滇中、黔中隆起,東臨雪峰山褶皺帶,其構(gòu)造變形由大涼山褶皺帶向盆內(nèi)擴(kuò)展,主體呈北西向展布,同時(shí)受雪峰山陸內(nèi)造山作用向盆內(nèi)擴(kuò)展形成的北東向構(gòu)造擠壓疊加(陳虹,2010;庹秀松等,2020;徐政語等,2019)。該低陡褶皺帶上白堊統(tǒng)—古近系地層卷入褶皺變形,表明該褶皺帶定型于喜山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(王二七和尹紀(jì)云,2009)。
研究區(qū)主要發(fā)育三組褶皺構(gòu)造,一組呈北東—南西平行于華鎣山斷裂帶展布,主要分布于雪峰山西側(cè)至齊岳山斷裂東側(cè);一組呈近南北向展布,主要分布于西昌—昭通一線;還有一組呈北西—南東向展布,犍為—沐川一線(圖1)。北東向褶皺代表川東隔擋式高陡構(gòu)造帶向西南方向的延伸以及向盆內(nèi)方向的擴(kuò)展變形,背斜通常南東翼較緩、北西翼較陡、局部倒轉(zhuǎn),且背斜向沿走向方向延伸不遠(yuǎn)而發(fā)生傾伏,呈拉長(zhǎng)的穹窿狀構(gòu)造,反映出具有北西向的疊加變形。而北西向褶皺代表大涼山褶斷帶向盆內(nèi)滑脫變形,形成的彌散性漸變盆山結(jié)構(gòu)??傮w上,構(gòu)造以低陡褶皺為主,局部發(fā)育較緊閉的高陡褶皺(孫博等,2018)
圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of study area
以自然資源部頁巖氣選區(qū)評(píng)價(jià)相關(guān)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),綜合前人頁巖氣資源評(píng)價(jià)方法(董大忠等,2009)、選區(qū)評(píng)價(jià)方法(王世謙等,2013)和保存條件因素分析(汪正江等,2018),結(jié)合研究區(qū)頁巖氣地質(zhì)條件及構(gòu)造因素,選取封閉性、底板條件、構(gòu)造改造強(qiáng)度等開展研究,其中封閉性主要考慮壓力系數(shù);底板條件主要考慮地層接觸關(guān)系;構(gòu)造改造強(qiáng)度主要考慮地層產(chǎn)狀、埋深與斷裂展布共5個(gè)參數(shù)進(jìn)行闡述。
不同級(jí)次、不同性質(zhì)的斷裂對(duì)頁巖氣的保存條件影響各不相同(庹秀松等,2020;趙文韜等,2018)。四川盆地內(nèi)部因構(gòu)造總體穩(wěn)定,對(duì)頁巖氣保存影響相對(duì)較大的主要是一級(jí)斷裂系統(tǒng)。因其規(guī)模較大,斷穿基底,上下盤斷距大、延伸距離長(zhǎng),對(duì)頁巖氣的保存起明顯的破壞作用。大型走滑斷裂及逆沖斷裂在盆緣構(gòu)造復(fù)雜區(qū)內(nèi)對(duì)頁巖氣保存條件影響較大,在頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選中需主要考慮作為不利因素盡量避開,如四川盆地東南緣齊岳山斷裂等。
盆緣黔北地區(qū)主要處于隔槽式、槽檔變形過渡帶,斷層發(fā)育數(shù)量多、規(guī)模大,延伸長(zhǎng)度長(zhǎng),“通天”斷裂較多。區(qū)內(nèi)主要分布的大型斷裂為西北側(cè)貴陽-遵義大斷裂、北部齊岳山隱伏斷裂,南部岑鞏斷裂,東側(cè)為宜昌-岳陽斷裂。如圖2所示,斷裂延伸方向主要有三組:北東向?yàn)橹鳌⒋螢榻媳毕?少量北西向。
圖2 盆緣地區(qū)主要斷裂分布圖Fig.2 Distribution map of main faults in the margin of Sichuan Basin
北東—南西向斷裂多發(fā)育在背斜核部,其形成時(shí)間早,以逆沖推覆斷層為主,兼具走滑特征。斷層面常見瀝青充填(圖3),表明曾作為油氣運(yùn)移通道,后因溝通地表,對(duì)頁巖氣保存起明顯破壞作用;北西—南東向斷裂對(duì)早期斷裂進(jìn)行切割,發(fā)育時(shí)間晚于北東向斷裂,多系擠壓背景下不對(duì)稱擠壓所形成,具右行平移走滑性質(zhì)。此類斷層斜交并錯(cuò)移北東向主構(gòu)造線、錯(cuò)移或截?cái)嘀鲾嗔炎呦蜓由?具較大破壞作用;近南—北向斷裂是在燕山期近東西向強(qiáng)烈擠壓背景下形成,受先期北東向斷裂疊加影響,易發(fā)生北東向偏轉(zhuǎn)。多為逆沖斷層性質(zhì),延伸距離短,對(duì)頁巖氣保存條件影響相對(duì)較弱。
圖3 研究區(qū)寶塔組地層與五峰組—龍馬溪組地層呈逆斷層接觸Fig.3 The reversed fault contact between Baota Formation and Wufeng-Longmaxi Formation
地層傾角是地層因構(gòu)造作用發(fā)生變形、褶皺、倒轉(zhuǎn)等而產(chǎn)生的傾斜角度。一般來說,構(gòu)造樣式的陡緩會(huì)影響頁巖橫向擴(kuò)散作用的強(qiáng)弱,因?yàn)轫搸r的滲流具有方向性,順層橫向滲透率遠(yuǎn)大于垂向滲透率,橫向滲透率是垂向的2~8倍(張文,2018),側(cè)向的擴(kuò)用作用破壞作用更強(qiáng)(張晨晨等,2017)。地層傾角越大,擴(kuò)散作用越強(qiáng),油氣逸散程度高,對(duì)頁巖氣的保存越不利。反之,地層越平緩,地層傾角越小,越有利于油氣保存。
平面上看,盆地內(nèi)川東高陡帶地層傾角變化較大,指示其構(gòu)造保存條件可能受影響,而盆地內(nèi)靠近川中自貢、長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)等地區(qū)地層傾角變化較小,指示其構(gòu)造保存條件相對(duì)較好(圖4)。而四川盆地南緣地區(qū)因褶皺發(fā)育,曲率值最大的多位于向斜和背斜核部,在向斜兩翼相對(duì)平緩處,龍馬溪組地層大面積出露,總體地層產(chǎn)狀穩(wěn)定,地層平緩,構(gòu)造曲率值較低。隨著向斜核部地層傾角逐漸變大導(dǎo)致曲率逐漸增加,如向斜核部構(gòu)造變形較強(qiáng),構(gòu)造曲率急劇變化,褶皺和斷裂使得這些地區(qū)發(fā)育較多的裂縫系統(tǒng),致頁巖氣保存條件變差。
圖4 盆緣地區(qū)地層傾角分布圖Fig.4 Dip diagram of strata in the margin areas of Sichuan Basin
埋藏深度是影響頁巖氣富集的關(guān)鍵因素之一,汪正江等(2019)指出,在川西南—滇東北等地,五峰組—龍馬溪組頁巖埋藏深度變淺,上覆地層壓力降低,造成頁巖儲(chǔ)層釋壓,解吸作用增強(qiáng),在地層釋壓過程中所形成的裂縫系統(tǒng)加速頁巖氣的逸散,導(dǎo)致儲(chǔ)層含氣量降低;埋藏深度過大直接促使有機(jī)質(zhì)熱演化程度過高,增加頁巖氣勘探、開發(fā)的工程難度和經(jīng)濟(jì)成本。
盆緣構(gòu)造復(fù)雜區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖在向斜核部埋藏深度>1500m,與盆內(nèi)相比,盆緣五峰組—龍馬溪組頁巖埋深較淺(雷子慧等,2016)。如安場(chǎng)向斜核部出露三疊系地層,其五峰組—龍馬溪組頁巖埋藏更深>3000m,向兩翼逐步變淺至暴露地表。當(dāng)再核部埋深1000~3000m時(shí),含氣性有一定的保證,若埋深不足500m,在缺乏側(cè)向封堵情況下,儲(chǔ)層含氣性較差(圖5)。
圖5 盆緣地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖埋深示意圖Fig.5 Burial depth of Wufeng-Longmaxi Formations in the margin of Sichuan Basin
不整合面通常是受區(qū)域性構(gòu)造抬升或是海平面升降,造成地層沉積缺失。以沉積間斷、古風(fēng)化殼存在為特征。四川盆地的不整合往往與整體抬升或者局部隆起有關(guān),其中加里東期雪峰山西側(cè)的不整合主要受黔中古陸的影響,在局部地方因形成高地而導(dǎo)致沉積間斷,形成平行不整合面。主要以風(fēng)化殼、古喀斯特淋濾帶、溶蝕以及各種泥裂、結(jié)殼等為標(biāo)志。四川盆地內(nèi)五峰組—龍馬溪組地層多是整合接觸關(guān)系,而雪峰山西側(cè)區(qū)域五峰組—龍馬溪組地層常見平行不整合接觸關(guān)系(圖5)。其平行不整合主要有三個(gè)地層,一是五峰組及下伏臨湘組地層不整合,二是五峰組和龍馬溪組因觀音橋段的缺失而出現(xiàn)的不整合,此外還有龍馬溪組內(nèi)出現(xiàn)的沉積間斷不整合。
調(diào)查發(fā)現(xiàn),研究區(qū)及鄰區(qū)多個(gè)剖面或鉆井均揭示龍馬溪組底部存在整個(gè)五峰組缺失的沉積間斷,表現(xiàn)為巖心觀察見古風(fēng)化殼和通過筆石鑒定發(fā)現(xiàn)缺乏WF1-LM1帶筆石。黔北遵義、桐梓等地龍馬溪組底部缺失;黔東北務(wù)川、沿河一帶觀音橋段與龍馬溪組底部均缺失,陳旭(2018)研究認(rèn)為是受“宜昌上升”影響(陳旭等,2018)。此外,王懌等(2016)對(duì)川西南滇東北地區(qū)志留系研究中提出鹽源地區(qū)的龍馬溪組與下伏地層呈不整合接觸關(guān)系,可能與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及沉積間斷相關(guān)。與之類似的是盆緣牛蹄塘組地層,其保存條件受下伏地層燈影組古風(fēng)化殼的影響變差,導(dǎo)致頁巖氣大量散失,鉆探效果不盡如人意。
圖6 四川盆地南緣五峰組—龍馬溪組地層對(duì)比圖(據(jù)戎嘉余等,2011修編)Fig.6 The distribution of Wufeng-Longmaxi Formations in the southern margin of Sichuan Basin
地層壓力系數(shù)是反映頁巖氣保存條件的重要量化指標(biāo),超壓區(qū)頁巖氣保存條件好,含氣量大。四川盆地內(nèi)焦石壩(焦頁1井)、長(zhǎng)寧地區(qū)(寧201井)地層壓力系數(shù)分別為1.55、2.03,盆外壓力系數(shù)整體呈減小的趨勢(shì),在黔江、正安、來鳳區(qū)塊龍馬溪組頁巖地層壓力系數(shù)分別為0.66、1.25、0.96;牛蹄塘組頁巖其地層壓力系數(shù)整體處于常壓或低壓狀態(tài),盆內(nèi)威201井為0.92,盆外宜昌地區(qū)鄂陽頁1井約為1.0~1.1(圖7)。
圖7 四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組壓力系數(shù)分布圖(部分?jǐn)?shù)據(jù)引自郭旭升等,2014;王玉芳等,2017;王玉滿等,2016;翟剛毅等,2017,2020)Fig.7 Distribution of pressure coefficient of Wufeng-Longmaxi Formations in Sichuan Basin and its adjacent area
總體上,四川盆地內(nèi)部頁巖壓力系數(shù)大于盆外剝蝕區(qū)頁巖壓力系數(shù)。盆內(nèi)威遠(yuǎn)、內(nèi)江、涪陵和富順—永川等地區(qū)壓力系數(shù)較高,壓力系數(shù)超過2.0,為異常高壓地層區(qū),表明頁巖氣保存條件總體較好;川東高陡帶背斜軸部區(qū)域壓力系數(shù)相對(duì)較低,如廣安、鄰水、墊江等地,壓力系數(shù)1~1.5,顯示受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響(魏祥峰等,2020),其保存條件相對(duì)次有利。盆緣構(gòu)造復(fù)雜區(qū)整理壓力系數(shù)介于0.8~1.0,屬常壓—欠壓區(qū)域,保存條件相對(duì)盆內(nèi)較差。
通過區(qū)域蓋層、自封閉性、底板條件、構(gòu)造改造強(qiáng)度等動(dòng)態(tài)指標(biāo),建立有利區(qū)保存條件綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1),對(duì)雪峰山西側(cè)及鄰區(qū)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)開展頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選預(yù)測(cè)研究。其中,對(duì)封閉性細(xì)分成壓力系數(shù)與上覆泥巖厚度;對(duì)底板條件進(jìn)一步細(xì)化成底板巖性、地層接觸關(guān)系以及底部巖溶發(fā)育指標(biāo)。
表1 雪峰山西側(cè)及鄰區(qū)頁巖氣有利區(qū)保存條件綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table1 Comprehensive evaluation index system of shale gas preservation conditions in the west side of Xuefeng Mountain and its adjacent areas
基于多層次模糊識(shí)別可量化部分模糊定性參數(shù),本文模型中頁巖氣保存條件有利區(qū)優(yōu)選的影響參數(shù)共計(jì)三大類評(píng)價(jià)指標(biāo)、8項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)(表2)。其中,評(píng)價(jià)指標(biāo)域={封閉性,底板條件,改造強(qiáng)度},評(píng)價(jià)因素域={壓力系數(shù),上覆泥巖厚度,底板巖性,地層接觸關(guān)系,底部巖溶發(fā)育情況,地層產(chǎn)狀,埋深,斷裂影響},域中包括定量指標(biāo)和非定量指標(biāo),對(duì)定量指標(biāo)中的各地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理。
表2 多層次模糊識(shí)別保存條件評(píng)價(jià)矩陣Table2 Evaluation matrix of preservation conditions by using fuzzy recognition
同時(shí),對(duì)同層次指標(biāo)的兩兩比較,對(duì)于難以定量的指標(biāo),按照其對(duì)頁巖氣有利研究區(qū)優(yōu)選中的影響程度,按照好、較好、中等、較差、差5個(gè)層次分別賦值??煞謩e構(gòu)成頁巖氣保存條件判別矩陣(表3)。通過軟件計(jì)算,獲得各參數(shù)權(quán)重(表4)。
表3 保存條件評(píng)價(jià)參數(shù)矩陣結(jié)果表Table3 Results of preservation evaluation parameters
表4 保存條件評(píng)價(jià)參數(shù)矩陣重要性順序表Table4 The importance sequence of preservation evaluation parameters
通過對(duì)文中平面圖件進(jìn)行網(wǎng)格化處理,疊加上述權(quán)重參數(shù)形成網(wǎng)格文件,對(duì)各參數(shù)網(wǎng)格文件進(jìn)行加權(quán)匯總最終可獲得保存條件有利區(qū)評(píng)價(jià)圖件。
長(zhǎng)順鼓揚(yáng)向斜保存有利區(qū)位于長(zhǎng)順縣交麻村—鼓揚(yáng)鎮(zhèn),受東西兩側(cè)斷裂控制的向斜弱變形區(qū)保存單元,目的層為下石炭統(tǒng)打屋壩組。保存有利區(qū)面積約188km2,出露地層為石炭系—三疊系地層(圖8左)。
圖8 長(zhǎng)順鼓揚(yáng)向斜保存有利區(qū)地質(zhì)圖(左)與長(zhǎng)順鼓揚(yáng)向斜產(chǎn)狀分布圖(右)Fig.8 Geological map(left)and formation occurrences(right)of the Changshun-Guyang syncline
保存條件量化分析的通式為:
式中:y為因變量保存條件評(píng)價(jià)指數(shù),x1,x2…xi,為自變量即保存條件影響地質(zhì)因素;β0,β1,β2,…βi為權(quán)重系數(shù),ε為隨機(jī)誤差。
鼓揚(yáng)向斜保存有利區(qū)東側(cè)邊界受長(zhǎng)順-茅山斷裂和長(zhǎng)安泥盆出露區(qū)控制,西側(cè)受廣順斷裂及分支斷裂控制,南至交麻斷向斜,北至鼓揚(yáng)向斜北翼收斂端。東西兩側(cè)及南側(cè)為斷層控制,北側(cè)地層產(chǎn)狀高陡,構(gòu)造線密集。鼓揚(yáng)向斜東側(cè)與泥盆出露區(qū)范圍相同出露打屋壩組(圖8左),自東向西出露石炭系、二疊系、三疊系。
地層傾角10°~30°,翼部地層傾角10°~20°,向斜核部產(chǎn)狀變陡,地層傾角普遍大于30°。西側(cè)受斷層影響在尅混地區(qū)出露泥盆系,斷裂較發(fā)育,地層變形較強(qiáng)烈,丙貢—板當(dāng)?shù)貐^(qū)地層倒轉(zhuǎn),產(chǎn)狀15°~60°,自西向東至鼓揚(yáng)地層產(chǎn)狀較穩(wěn)定10°~30°(圖8右)。
南側(cè)受斷層影響破壞向斜構(gòu)造,斷層分布組合呈菱形,說明該地區(qū)曾經(jīng)過多期次多方向應(yīng)力,推測(cè)地腹構(gòu)造復(fù)雜(圖9左)。北側(cè)受鼓揚(yáng)向斜核部收斂,地層變形強(qiáng)烈,頁巖氣保存條件較差。自交麻向斜北端-鼓揚(yáng)向斜南端由鞍狀背斜相連(圖9右)。
圖9 斷層影響分布圖(左)與長(zhǎng)順鼓揚(yáng)向斜埋深分布圖(右)Fig.9 Influence area of fault(left)and burial-depth map(right)of Changshun-Guyang syncline
綜合前述地質(zhì)特征,通過量化疊加各評(píng)價(jià)參數(shù),獲得保存條件有利區(qū)量化評(píng)價(jià)圖(圖10左),圖中顯示鼓揚(yáng)頁巖氣保存有利區(qū)為橙—紅色區(qū)域范圍,以向斜核部三疊系地層出露區(qū)為佳,東側(cè)構(gòu)造簡(jiǎn)單優(yōu)于西側(cè),埋藏深度1500~3500m,綠—黃色區(qū)域?yàn)楸4鏃l件次有利區(qū)域,對(duì)照傳統(tǒng)保存條件有利區(qū)評(píng)價(jià)圖,新方法與傳統(tǒng)方法的結(jié)果具有一定的一致性,即最有利范圍總體分布一致,新方法能更直觀地展示有利區(qū)范圍、保存條件差異分布及不同地區(qū)的保存條件對(duì)比。
圖10 保存條件有利區(qū)量化評(píng)價(jià)圖(左)與傳統(tǒng)評(píng)價(jià)分布圖(右)對(duì)比Fig.10 Comparison of quantitative evaluation map(left)and traditional evaluation map(right)in favorable areas of preservation conditions
(1)本文通過對(duì)四川盆地周緣斷裂展布、地層產(chǎn)狀、目的層埋深以及地層接觸情況等多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析,評(píng)價(jià)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)海相頁巖氣保存條件影響因素,建立保存條件參數(shù)體系。
(2)通過模糊識(shí)別數(shù)學(xué)方法對(duì)各項(xiàng)參數(shù)賦予權(quán)重并進(jìn)行排序,其中斷裂分布、埋藏深度、壓力系數(shù)及地層產(chǎn)狀在盆緣構(gòu)造復(fù)雜區(qū)影響尤甚,上覆泥巖厚度、目的層地層接觸關(guān)系及底部古巖溶等也具有一定影響。
(3)以黔北長(zhǎng)順區(qū)域?yàn)槔?本文對(duì)區(qū)內(nèi)保存條件參數(shù)指標(biāo)的平面分布圖進(jìn)行矢量化疊加,獲得保存條件有利區(qū)域評(píng)價(jià)圖。通過該圖可見,該方法保存條件最佳區(qū)域和傳統(tǒng)評(píng)價(jià)圖分布的范圍總體一致,但是區(qū)內(nèi)有利位置更明確、可對(duì)比性更強(qiáng),這為構(gòu)造復(fù)雜區(qū)頁巖氣保存條件分析評(píng)價(jià)提供了一種更直觀、更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)方法。