盆緣構造復雜區(qū)頁巖氣保存條件分析與量化評價
——以黔北地區(qū)海相頁巖為例

趙安坤,余 謙,周業(yè)鑫,雷子慧,閆劍飛,門玉澎,張 茜,張 娣

(1.中國地質調查局成都地質調查中心,四川 成都 610081;2.自然資源部沉積盆地與油氣資源重點實驗室,四川 成都 610081;3.四川大學文學與新聞學院,四川 成都 610064)

馬永生等(2018)針對我國南方構造復雜區(qū)頁巖氣地質評價提出保存條件是不可忽略的關鍵因素,提出保存條件重點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,沉積厚度分布相對穩(wěn)定、演化程度相對適中,在構造復雜區(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。此外,多位學者對我國海相頁巖氣保存條件開展了研究,從構造作用演化史、地層水條件、蓋層、天然氣組分、頂底板條件和壓力系數等方面對頁巖氣的保存條件進行系統(tǒng)分析,提出優(yōu)越的頂底板條件是基礎,構造改造作用是主控因素(劉樹根等,2011;聶海寬和張金川,2012;胡東風等,2014)。

四川盆地周緣海相頁巖經歷運動改造復雜劇烈(郭旭升等,2014;劉樹根等,2011;劉樹根等,2016),特別是自加里東運動開始,改造強度逐漸增大,地層抬升剝蝕時間早,五峰組—龍馬溪組頁巖埋深相對較淺,甚至部分區(qū)域暴露地表接受剝蝕,導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,強烈變形導致褶皺、深大斷裂、通天斷裂尤其發(fā)育,使得保存條件復雜、評價變得尤為艱難,對構造復雜區(qū)保存條件開展進一步研究尤為必要(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)。

1 地質背景

四川盆地南緣構造復雜區(qū)經歷多期構造作用改造,在多期應力作用下形成復雜變形(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),西側與川滇南北向構造帶相鄰,南接滇中、黔中隆起,東臨雪峰山褶皺帶,其構造變形由大涼山褶皺帶向盆內擴展,主體呈北西向展布,同時受雪峰山陸內造山作用向盆內擴展形成的北東向構造擠壓疊加(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造運動(王二七和尹紀云,2009)。

研究區(qū)主要發(fā)育三組褶皺構造,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至齊岳山斷裂東側;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造帶向西南方向的延伸以及向盆內方向的擴展變形,背斜通常南東翼較緩、北西翼較陡、局部倒轉,且背斜向沿走向方向延伸不遠而發(fā)生傾伏,呈拉長的穹窿狀構造,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滑脫變形,形成的彌散性漸變盆山結構?？傮w上,構造以低陡褶皺為主,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

2 保存條件評價參數

以自然資源部頁巖氣選區(qū)評價相關參數標準為基礎,綜合前人頁巖氣資源評價方法(董大忠等,2009)、選區(qū)評價方法(王世謙等,2013)和保存條件因素分析(汪正江等,2018),結合研究區(qū)頁巖氣地質條件及構造因素,選取封閉性、底板條件、構造改造強度等開展研究,其中封閉性主要考慮壓力系數;底板條件主要考慮地層接觸關系;構造改造強度主要考慮地層產狀、埋深與斷裂展布共5個參數進行闡述。

2.1 斷裂展布分析

不同級次、不同性質的斷裂對頁巖氣的保存條件影響各不相同(庹秀松等,2020;趙文韜等,2018)。四川盆地內部因構造總體穩(wěn)定,對頁巖氣保存影響相對較大的主要是一級斷裂系統(tǒng)。因其規(guī)模較大,斷穿基底,上下盤斷距大、延伸距離長,對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造復雜區(qū)內對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)育數量多、規(guī)模大,延伸長度長,“通天”斷裂較多。區(qū)內主要分布的大型斷裂為西北側貴陽-遵義大斷裂、北部齊岳山隱伏斷裂,南部岑鞏斷裂,東側為宜昌-岳陽斷裂。如圖2所示,斷裂延伸方向主要有三組:北東向為主、次為近南北向,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),表明曾作為油氣運移通道,后因溝通地表,對頁巖氣保存起明顯破壞作用;北西—南東向斷裂對早期斷裂進行切割,發(fā)育時間晚于北東向斷裂,多系擠壓背景下不對稱擠壓所形成,具右行平移走滑性質。此類斷層斜交并錯移北東向主構造線、錯移或截斷主斷裂走向延伸,具較大破壞作用;近南—北向斷裂是在燕山期近東西向強烈擠壓背景下形成,受先期北東向斷裂疊加影響,易發(fā)生北東向偏轉。多為逆沖斷層性質,延伸距離短,對頁巖氣保存條件影響相對較弱。

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

2.2 地層傾角分析

地層傾角是地層因構造作用發(fā)生變形、褶皺、倒轉等而產生的傾斜角度。一般來說,構造樣式的陡緩會影響頁巖橫向擴散作用的強弱,因為頁巖的滲流具有方向性,順層橫向滲透率遠大于垂向滲透率,橫向滲透率是垂向的2～8倍(張文,2018),側向的擴用作用破壞作用更強(張晨晨等,2017)。地層傾角越大,擴散作用越強,油氣逸散程度高,對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,盆地內川東高陡帶地層傾角變化較大,指示其構造保存條件可能受影響,而盆地內靠近川中自貢、長寧、威遠等地區(qū)地層傾角變化較小,指示其構造保存條件相對較好(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,在向斜兩翼相對平緩處,龍馬溪組地層大面積出露,總體地層產狀穩(wěn)定,地層平緩,構造曲率值較低。隨著向斜核部地層傾角逐漸變大導致曲率逐漸增加,如向斜核部構造變形較強,構造曲率急劇變化,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

2.3 埋藏深度

埋藏深度是影響頁巖氣富集的關鍵因素之一,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,造成頁巖儲層釋壓,解吸作用增強,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,導致儲層含氣量降低;埋藏深度過大直接促使有機質熱演化程度過高,增加頁巖氣勘探、開發(fā)的工程難度和經濟成本。

盆緣構造復雜區(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。當再核部埋深1000～3000m時,含氣性有一定的保證,若埋深不足500m,在缺乏側向封堵情況下,儲層含氣性較差(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

2.4 目的層地層接觸關系分析

不整合面通常是受區(qū)域性構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,其中加里東期雪峰山西側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致沉積間斷,形成平行不整合面。主要以風化殼、古喀斯特淋濾帶、溶蝕以及各種泥裂、結殼等為標志。四川盆地內五峰組—龍馬溪組地層多是整合接觸關系,而雪峰山西側區(qū)域五峰組—龍馬溪組地層常見平行不整合接觸關系(圖5)。其平行不整合主要有三個地層,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的不整合,此外還有龍馬溪組內出現的沉積間斷不整合。

調查發(fā)現,研究區(qū)及鄰區(qū)多個剖面或鉆井均揭示龍馬溪組底部存在整個五峰組缺失的沉積間斷,表現為巖心觀察見古風化殼和通過筆石鑒定發(fā)現缺乏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)研究認為是受“宜昌上升”影響(陳旭等,2018)。此外,王懌等(2016)對川西南滇東北地區(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系,可能與構造運動及沉積間斷相關。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化殼的影響變差,導致頁巖氣大量散失,鉆探效果不盡如人意。

圖6 四川盆地南緣五峰組—龍馬溪組地層對比圖(據戎嘉余等,2011修編)Fig.6 The distribution of Wufeng-Longmaxi Formations in the southern margin of Sichuan Basin

2.5 壓力系數分析

地層壓力系數是反映頁巖氣保存條件的重要量化指標,超壓區(qū)頁巖氣保存條件好,含氣量大。四川盆地內焦石壩(焦頁1井)、長寧地區(qū)(寧201井)地層壓力系數分別為1.55、2.03,盆外壓力系數整體呈減小的趨勢,在黔江、正安、來鳳區(qū)塊龍馬溪組頁巖地層壓力系數分別為0.66、1.25、0.96;牛蹄塘組頁巖其地層壓力系數整體處于常壓或低壓狀態(tài),盆內威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—龍馬溪組壓力系數分布圖(部分數據引自郭旭升等,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,四川盆地內部頁巖壓力系數大于盆外剝蝕區(qū)頁巖壓力系數。盆內威遠、內江、涪陵和富順—永川等地區(qū)壓力系數較高,壓力系數超過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)域壓力系數相對較低,如廣安、鄰水、墊江等地,壓力系數1～1.5,顯示受構造運動影響(魏祥峰等,2020),其保存條件相對次有利。盆緣構造復雜區(qū)整理壓力系數介于0.8～1.0,屬常壓—欠壓區(qū)域,保存條件相對盆內較差。

3 保存條件綜合分析

3.1 指標體系

通過區(qū)域蓋層、自封閉性、底板條件、構造改造強度等動態(tài)指標,建立有利區(qū)保存條件綜合評價指標體系(表1),對雪峰山西側及鄰區(qū)構造復雜區(qū)開展頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選預測研究。其中,對封閉性細分成壓力系數與上覆泥巖厚度;對底板條件進一步細化成底板巖性、地層接觸關系以及底部巖溶發(fā)育指標。

表1 雪峰山西側及鄰區(qū)頁巖氣有利區(qū)保存條件綜合評價指標體系Table1 Comprehensive evaluation index system of shale gas preservation conditions in the west side of Xuefeng Mountain and its adjacent areas

3.2 權重賦值

基于多層次模糊識別可量化部分模糊定性參數,本文模型中頁巖氣保存條件有利區(qū)優(yōu)選的影響參數共計三大類評價指標、8項評價參數(表2)。其中,評價指標域={封閉性,底板條件,改造強度},評價因素域={壓力系數,上覆泥巖厚度,底板巖性,地層接觸關系,底部巖溶發(fā)育情況,地層產狀,埋深,斷裂影響},域中包括定量指標和非定量指標,對定量指標中的各地質數據進行無量綱化處理。

表2 多層次模糊識別保存條件評價矩陣Table2 Evaluation matrix of preservation conditions by using fuzzy recognition

同時,對同層次指標的兩兩比較,對于難以定量的指標,按照其對頁巖氣有利研究區(qū)優(yōu)選中的影響程度,按照好、較好、中等、較差、差5個層次分別賦值?？煞謩e構成頁巖氣保存條件判別矩陣(表3)。通過軟件計算,獲得各參數權重(表4)。

表3 保存條件評價參數矩陣結果表Table3 Results of preservation evaluation parameters

表4 保存條件評價參數矩陣重要性順序表Table4 The importance sequence of preservation evaluation parameters

通過對文中平面圖件進行網格化處理,疊加上述權重參數形成網格文件,對各參數網格文件進行加權匯總最終可獲得保存條件有利區(qū)評價圖件。

4 區(qū)塊保存條件評價應用

長順鼓揚向斜保存有利區(qū)位于長順縣交麻村—鼓揚鎮(zhèn),受東西兩側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 長順鼓揚向斜保存有利區(qū)地質圖(左)與長順鼓揚向斜產狀分布圖(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價指數,x1,x2…xi,為自變量即保存條件影響地質因素;β0,β1,β2,…βi為權重系數,ε為隨機誤差。

鼓揚向斜保存有利區(qū)東側邊界受長順-茅山斷裂和長安泥盆出露區(qū)控制,西側受廣順斷裂及分支斷裂控制,南至交麻斷向斜,北至鼓揚向斜北翼收斂端。東西兩側及南側為斷層控制,北側地層產狀高陡,構造線密集。鼓揚向斜東側與泥盆出露區(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°,向斜核部產狀變陡,地層傾角普遍大于30°。西側受斷層影響在尅混地區(qū)出露泥盆系,斷裂較發(fā)育,地層變形較強烈,丙貢—板當地區(qū)地層倒轉,產狀15°～60°,自西向東至鼓揚地層產狀較穩(wěn)定10°～30°(圖8右)。

南側受斷層影響破壞向斜構造,斷層分布組合呈菱形,說明該地區(qū)曾經過多期次多方向應力,推測地腹構造復雜(圖9左)。北側受鼓揚向斜核部收斂,地層變形強烈,頁巖氣保存條件較差。自交麻向斜北端-鼓揚向斜南端由鞍狀背斜相連(圖9右)。

圖9 斷層影響分布圖(左)與長順鼓揚向斜埋深分布圖(右)Fig.9 Influence area of fault(left)and burial-depth map(right)of Changshun-Guyang syncline

綜合前述地質特征,通過量化疊加各評價參數,獲得保存條件有利區(qū)量化評價圖(圖10左),圖中顯示鼓揚頁巖氣保存有利區(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,東側構造簡單優(yōu)于西側,埋藏深度1500～3500m,綠—黃色區(qū)域為保存條件次有利區(qū)域,對照傳統(tǒng)保存條件有利區(qū)評價圖,新方法與傳統(tǒng)方法的結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)的保存條件對比。

圖10 保存條件有利區(qū)量化評價圖(左)與傳統(tǒng)評價分布圖(右)對比Fig.10 Comparison of quantitative evaluation map(left)and traditional evaluation map(right)in favorable areas of preservation conditions

5 結論

(1)本文通過對四川盆地周緣斷裂展布、地層產狀、目的層埋深以及地層接觸情況等多項參數進行分析,評價構造復雜區(qū)海相頁巖氣保存條件影響因素,建立保存條件參數體系。

(2)通過模糊識別數學方法對各項參數賦予權重并進行排序,其中斷裂分布、埋藏深度、壓力系數及地層產狀在盆緣構造復雜區(qū)影響尤甚,上覆泥巖厚度、目的層地層接觸關系及底部古巖溶等也具有一定影響。

(3)以黔北長順區(qū)域為例,本文對區(qū)內保存條件參數指標的平面分布圖進行矢量化疊加,獲得保存條件有利區(qū)域評價圖。通過該圖可見,該方法保存條件最佳區(qū)域和傳統(tǒng)評價圖分布的范圍總體一致,但是區(qū)內有利位置更明確、可對比性更強,這為構造復雜區(qū)頁巖氣保存條件分析評價提供了一種更直觀、更準確的評價方法。