盆地邊緣區高陡地層斷裂發育頁巖氣特征

趙衛軍，李 平，程禮軍，尹曉君

（1.國投重慶頁巖氣開發利用有限公司，重慶 400043；2.重慶地質礦產研究院頁巖氣所，重慶 400042）

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盆地邊緣區高陡地層斷裂發育頁巖氣特征

趙衛軍1，李 平1，程禮軍2，尹曉君1

（1.國投重慶頁巖氣開發利用有限公司，重慶 400043；2.重慶地質礦產研究院頁巖氣所，重慶 400042）

摘要：通過地表露頭、地質和地球化學資料的分析，認為城口區塊上奧陶統五峰組和下志留統龍馬溪組頁巖具有高有機碳含量、高過成熟度、節理裂縫發育、具有儲藏頁巖氣的條件、解析（等溫吸附）氣含量高；根據地表的化驗結果，預測了遠景區；結合地貌指出了具有開發條件有利區。

關鍵詞：頁巖氣；斷裂；節理；遠景區；盆緣

頁巖氣生烴方式為有機質熱演化成因和生物成因，氣體組成以甲烷為主，少量乙烷、丙烷等，具有自生、自儲、自保的特點。頁巖氣分布廣泛，一般當泥巖或頁巖儲層有機碳含量大于2%，鏡質組反射率大于0.4%時，均認為具有形成工業價值氣藏的基礎條件。頁巖氣由吸附氣和游離氣組成，其中吸附氣約占總氣量的20%～80%。頁巖氣儲層致密，孔隙度一般為4%～6%，滲透率小于0.001×10-3μ m2。目前頁巖研究主要以地貌平，地層較緩，斷裂少的地層為主，而城口區塊位于盆緣，具有地層角度大，地貌以中高山為主，斷裂較發育為特點。

1　勘查區地質概況

1.1地理位置

勘查區位于重慶市東北邊緣，城口縣高楠鄉-城口縣城-修齊鎮-高觀鎮一帶，東北與陜西省鎮坪縣、平利縣、嵐皋縣、紫陽縣接壤；南與重慶市巫溪縣、開縣毗鄰；西與四川省萬源市相連，境內交通主要依靠公路，省級公路貫穿勘查區，與各縣級公路相連，交通較為便利。

1.2地表地貌

勘查區以低山河谷、中山等地貌為主，山脈呈北西-南東方向排列。區內山嶺多，間夾河谷，河流多呈低彎度蛇曲狀，下切作用強烈，所形成的河谷較為狹窄，谷坡陡峻。全縣地貌明顯形成四級夷平面，由北而南層層下降，從南西至北東，嶺谷相間，相對高差大，層狀地貌明顯。

1.3地層展布

根據重慶市1∶50萬地質圖說明書及野外露頭揭示，勘查區及周緣地區主要發育南華系、震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系、第四系，缺失泥盆系、石炭系、侏羅系、白堊系、古近系。區內均為沉積巖地層，地層層序清楚，接觸關系明顯，層位比較穩定。

圖1　城口地區地理位置圖

圖2　勘探區構造綱要圖

勘查區內主要發育下寒武統水井沱組、上奧陶統五峰組、下志留統龍馬溪組三套炭質頁巖。此次主要研究上奧陶統五峰組、下志留統龍馬溪組；上奧陶統五峰組為富含筆石和有機質的黑色頁巖，厚度一般不足20m，但分布穩定，與上覆下志留統龍馬溪組炭質頁巖連續發育，故將上奧陶統五峰組和下志留統龍馬溪組頁巖作為一套目的層。該層在勘查區內廣泛分布，但在北部遭受剝蝕殆盡，主要出露于勘查區的南部小部分地區，呈北西-南東向展布。

1.4構造特征

勘查區位于四川中生代前陸盆地和揚子陸塊南部被動邊緣褶皺帶結合部位，經歷多期構造運動，形成東西向密集、大體平行、不對稱的背、向斜構造。構造線呈北西向延展，伴隨褶皺的一系列斜沖斷層，多發育在背斜軸部，以北東向北西斜沖為特點，常切割褶皺使背斜軸部遭受破壞。受區域構造影響，巖層中常見小型斷層和褶皺，大角度傾斜巖層（大于60°）野外常見。主要有城巴斷裂、烏坪斷裂兩條大斷裂及城口-高燕復式向斜、旗桿山向斜兩條向斜（圖2）。構造由一系列北西向緊密線形復式褶皺及斜沖斷層組成，構成疊瓦狀逆掩推覆構造。向斜形態相對完整，背斜普遍遭受斷層破壞。平面上，由城巴斷裂帶往北東褶皺強度和密度均由強到弱、由密集變稀疏。剖面上，褶皺強度越近地表越強烈，野外常見60°～ 70°的大傾角地層。斷層走向與地層走向基本一致，斷層兩側片理化現象普遍。

圖3　龍馬溪組頁巖TOC等值線圖

1.5沉積特點

上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組為深水陸棚，是靜水強還原環境，一般較有利于有機質的保存，因此，懸浮的沉積物經過沉積、埋藏、壓實、成巖等作用能夠形成富含有機質的暗色泥頁巖，巖石顏色通常為深灰-黑色，有機質含量普遍相對較高。

2　上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組頁巖平面分布

根據收集到的勘查區地質資料及野外踏勘實測，對重慶城口頁巖氣區塊資料包中所列的勘查區目的層的厚度、埋深進行了修訂。

勘查區上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組頁巖剝蝕較為嚴重，僅在西南部有少量分布。地層厚度一般為10m～60m，在城口大巖門、厚坪等地實測厚度均大于40m。上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組地層底界埋深變化表現為以下三個特點：埋深整體由北向南增加；埋深受褶皺、斷裂控制明顯；地層埋深變化較大，在300m～2 000m之間，其中，大部分地區的埋深在1 000m左右。由于該套地層相對較新，埋深相對較淺，剝蝕范圍較大，沿烏坪斷裂帶以北均為剝蝕區，斷裂帶以南剝蝕區零星分布，約占勘查區總面積的80%，有效勘探面積約為176km2。

圖4　龍馬溪組頁巖RO成熟度等值線圖

3 上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組頁巖地球化學特點

3.1有機質豐度

勘查區上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組46個頁巖樣品的有機碳分析測試表明，80%的樣品實測TOC值大于2.0%。平面上，頁巖有機碳含量基本在3.0%以上，有機質豐度高。

3.2 有機質類型

有機質類型決定了烴源巖生油氣能力的大小和烴類產物的組成，因此，頁巖有機質類型對頁巖氣勘探有利區選擇和資源預測十分重要。干酪根碳同位素能夠反映原始生烴母質的特征，次生的同位素分餾效應不會嚴重地掩蓋原始生烴物質的同位素印記，是劃分高-過成熟烴源巖有機質類型的有效指標，由此選擇用干酪根碳同位素確定有機質類型。

表1　龍馬溪組黑色頁巖巖礦組成

上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組頁巖干酪根的δ13C（PDB）為-28.8‰～-32.5‰，平均值為-30.2‰，母質類型為Ⅰ型干酪根，部分為Ⅱ1型。

3.3有機質成熟度

對勘查區及周緣上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組12個樣品分析測試表明，頁巖總體演化程度較高，Ro值分布在1.21%～3.22%之間，平均為1.70%。Ro值主體分布在1.3%～2.0%范圍內，屬于高成熟階段。該套頁巖Ro等值線平面分布變化不大，頁巖熱演化程度均處在高成熟、過成熟階段，北部（城口中心村剖面）熱演化程度相對較低，Ro值為1.64%，南部地區（城口厚坪剖面）熱演化程度最高，Ro＞3.0%,達到過成熟階段（圖4）。

4　上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組頁巖儲層特征

4.1頁巖礦物組成

根據全巖分析及粘土礦物X射線衍射實驗結果顯示（表1）：上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組頁巖各類礦物含量為：石英（7%～89%，平均56.1%）、粘土礦物（9%～49%，平均27.1%）、碳酸鹽（0～74%，平均7.94%）、長石（0～13%，平均6.2%），黃鐵礦（0～49%，平均2.59%）。粘土礦物主要包括高嶺石、綠泥石、伊利石和伊蒙混層等。

4.2頁巖孔滲特征

上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組頁巖24個樣品測試表明，其孔隙度在1.2%～10.3%之間，平均4.0%；從全部樣品的分布頻率上看，孔隙度小于2.0%的占33.3%，分布在2.0%～7.0%的占全部樣品的45.8%，分布在7.0%～10.0%的占全部樣品的16.6%，大于10.0%的占4；BJH總孔體積在0.001 50ml/g～0.016 45 ml/g之間，平均為0.006 04ml/g。

上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組24個頁巖樣品測試表明，頁巖滲透率主要分布在0.005 4×10-3μ m2～0.033 6×10-3μ m2之間，平均0.013 1×10-3μ m2，50%樣品的滲透率小于0.01×10-3μ m2，沒有大于0.05×10-3μ m2的樣品。

4.3孔隙及裂縫特征

野外露頭表明，勘查區內頁巖中天然裂縫十分發育。主要包括天然張開縫、風化的頁巖破碎帶、X剪節理、沉積間斷不整合面和方解石脈充填的早期擠壓縫等。鄰區鉆井巖心中也發現了十分發育的高角度微裂縫，指示勘查區頁巖易于發生脆性裂縫；電子顯微特征顯示，本區泥頁巖中存在大量的微小孔洞和裂隙，且呈蜂窩狀分布，孔隙直徑一般為0.1μ m～0.8μ m。

5　頁巖含氣性及保存條件

5.1頁巖含氣性

頁巖含氣量是頁巖氣勘探和資源可采性評價的關鍵參數之一。等溫吸附模擬實驗表明，上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組頁巖吸附氣量在1.82～2.90m3/t之間，平均1.92m3/t，顯示兩套目的層頁巖具有較好的吸附性能。

勘查區外圍的巫溪縣境內的巫淺1井，鉆遇五峰祖-龍馬溪組黑色頁巖目的層位時監測到氣體異常現象，現場巖心放入常溫水中普遍產生大量氣泡冒出，顯示兩套頁巖良好的含氣性。

5.2保存條件

勘查區發育3套區域蓋層，即中下三疊統泥巖和膏鹽（厚度不超過800m）、志留系泥巖（厚300m～2 000m）和上寒武統泥巖（厚150m～300m），但總體位于四川盆地邊緣及外圍地區，隨著地層抬升遭受剝蝕，在不同地區區域蓋層保存程度不同，進而導致保存條件存在較大差異。從下古生界兩套海相頁巖的區域蓋層分布看，勘查區先后經歷了多期次構造運動的建造與改造，海相層系遭后期改造破壞，但局部地區下古生界兩套黑色頁巖層系頂部整合的巨厚致密碳酸鹽巖總體未受明顯破壞，為頁巖氣的保存提供了有利條件。

圖5　勘查區龍馬溪組頁巖氣勘查有利區

6　有利區選擇

上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組頁巖分布于勘查區西南部，面積小（圖6），厚度約為40m，分布穩定；埋深變化范圍較大，在300m～2 000m之間；有機質豐度高，有機質類型以Ⅰ型為主，少量Ⅱ1型；有機質熱演化處于高成熟-過成熟階段；巖礦組成上石英等脆性礦物含量較高，構造微裂縫發育，有利于壓裂改造。等溫吸附實驗表明頁巖吸附性能良好，最大吸附氣量為1.92m3/t，因此為勘查區次要的頁巖氣勘探目標層位。

7　存在問題及建議

勘查區基本屬于常規油氣勘探空白區，區域勘探程度較低，未進行過地球物理勘探，油氣資料缺乏，存在的地質風險主要有以下4個方面：

1）山地地貌有利區預測要考慮是否具備開發條件。

2）構造運動對頁巖氣保存條件的影響。勘查區構造及地表條件復雜，地層傾角大。地層經過加里東期、華力西期、印支期、燕山期、喜馬拉雅期多期構造運動，發育大巴山斷裂及烏坪斷裂兩條深大斷裂，破壞地層的完整性，褶皺斷裂發育，地層倒轉現象普遍，可能是不利于頁巖氣保存的構造條件。

3）熱演化程度過高對頁巖含氣量的影響。對于熱成因型頁巖氣藏，隨著Ro的增高，含氣量會逐漸增大，但當Ro＞3.0%以后，有機質進入過成熟期，生氣量明顯降低。勘查區目的層生烴時代較早，熱演化程度較高，普遍達到高-過成熟階段，因此，對頁巖的含氣性可能有一定影響。

4）實驗分析樣品數量較多、但基本都是地表樣品，缺乏地下新鮮巖樣、嚴重影響實驗效果，也給更深層次的研究帶來一定的難度。

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Characteristics of Shale Gas Developed by Fracture in Basin Edge Mountain with High and Steep Formation

ZHAO Weijun1LI Ping1CHENG Lijun2Yin Xiaojun1
(1-Chongqing Shale Gas Development Co.,Ltd.,Chongqing 400043; 2-Institute of Shale Gas,Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources,Chongqing 400042)

Abstract:Geological and geochemical study indicates that shale of the Upper Ordovician Wufeng Formation and the Lower Silurian Longmaxi Formation in the Chengkou area is characterized by high organic carbon content,high/over mature,developmental crack and fissure as well as high resolution (isothermal adsorption) gas content.This paper predicts perspective of shale gas in the Chengkou area.

Key words:shale gas; fracture; fissure; prospect area; basin edge

作者簡介：趙衛軍（1976-），男，陜西禮泉人，高級工程師，主要從事頁巖氣勘探工作

收稿日期：2014-12-30

DOI：10.3969/j.issn.1006-0995.2016.01.007

中圖分類號：P618.1

文獻標識碼：A

文章編號：1006-0995（2015）04-0034-04