西昌盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣保存條件研究

李 桃,楊貴來,何 偉,陳 楊,周瑞琦,牟必鑫,魏洪剛

(1.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院,四川 成都 610072;2.頁巖氣評價與開采四川省重點實驗室,四川 成都 610091;3.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心,四川 成都

610081)

類比于北美頁巖氣,我國學(xué)者對中國南方的龍馬溪組頁巖開展了大量有關(guān)沉積、烴源巖、古生物、儲層、富集模式等評價與研究(黃金亮等,2012;王世謙等,2009;何偉等,2015;聶海寬等,2020),這些指標的評價與研究有效地促進構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)或者保存條件較好的區(qū)域頁巖氣大規(guī)模的勘探開發(fā)。隨著中國南方頁巖氣勘探“向深層”和“向盆外”兩個方向的發(fā)展,頁巖氣富集因素研究的不斷深入,中國海相頁巖氣與北美頁巖氣富集的差異性也隨之表現(xiàn)得越明顯。中國南方頁巖氣的地質(zhì)條件要比北美復(fù)雜得多,頁巖地質(zhì)年代更老,在構(gòu)造復(fù)雜區(qū)普遍經(jīng)歷了深埋藏(高演化)、后期強隆升、強剝蝕和強變形等多期構(gòu)造改造(劉樹根等,2011,2016;程克明等,2009)。越來越多的學(xué)者也注意到中國南方頁巖氣有其自身客觀條件和特殊的評價方法。近年來,眾多學(xué)者對頁巖氣評價已經(jīng)由早期的靜態(tài)指標評價向靜態(tài)指標和動態(tài)因素綜合評價轉(zhuǎn)變。頁巖本身例如有機碳等靜態(tài)指標不再是頁巖氣富集差異的主因,而現(xiàn)今頁巖的分布、保存及其經(jīng)歷的構(gòu)造演化過程,才是決定因素(郭彤樓,2016)。

上世紀90年代以來,中石油等多家單位在西昌盆地開展了油氣地質(zhì)綜合評價,針對上三疊統(tǒng)白果灣組完成了多口鉆井,但均未獲得油氣發(fā)現(xiàn)(段偉剛,2004;邵紅君等,2019),相關(guān)學(xué)者從構(gòu)造(劉樹根等,2004;劉麗華等,2003;王運生和李云崗,1996;楊平等,2021a,2021b)、沉積(楊威等,2020;伏明珠和覃建雄,2011;唐勇和覃建雄,2007;劉樹根等,2004)、流體(覃建雄等,1994;從柏林等,1973)、化探(張朝文,1979;宋玉光等,1998;顏自給等,2004)等方面對常規(guī)油氣保存條件做了相關(guān)的討論,已有的這些研究涉及到五峰組—龍馬溪組的相對較少。已有的鉆井鉆遇龍馬溪組的分布情況差異較大,在喜德1井、普格1井和布地1井鉆遇五峰組—龍馬溪組,其他井均未鉆遇該層位。由于沉積相的變化,盆地西部總體缺失五峰組—龍馬溪組,在西昌盆地東南部及北部分布穩(wěn)定的龍馬溪組陸棚相黑色頁巖。野外露頭和鉆井巖心的觀察發(fā)現(xiàn),龍馬溪組主要巖性為鈣質(zhì)泥巖、泥質(zhì)白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r、粉砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖和黑色頁巖,具有發(fā)育頁巖氣儲層的基本條件。由于西昌盆地經(jīng)歷了多期構(gòu)造變形,尤其是新生代以來,發(fā)生了強烈隆升、擠壓變形和走滑運動,導(dǎo)致西昌盆地演化成幾個次級構(gòu)造組成的殘余盆地。多期構(gòu)造運動對頁巖氣保存條件的優(yōu)劣起著關(guān)鍵作用,如何在構(gòu)造復(fù)雜的強改造區(qū)尋找頁巖氣保存有利區(qū)是西昌盆地龍馬溪組頁巖氣勘探的重要問題。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,利用關(guān)鍵地質(zhì)露頭、典型鉆井巖心等資料,對西昌盆地五峰組—龍馬溪組的頂?shù)装鍡l件、構(gòu)造變形強度、裂縫發(fā)育、地層壓力與含氣性特征等保存條件進行了深入分析,優(yōu)選了保存條件有利區(qū),為該區(qū)頁巖氣勘探和類似構(gòu)造區(qū)保存條件的評價提供借鑒。

1 地質(zhì)概況

西昌盆地位于揚子地塊西緣和青藏高原東緣的交接部位,經(jīng)歷了長期復(fù)雜的演化歷程,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(gòu)造格局,西以安寧河斷裂為界,東界可達峨邊-雷波斷裂,南界為則木河斷裂,向北延伸至大渡河附近,為南北向展布的狹長構(gòu)造盆地,中生代以來盆地面積約1.6萬平方千米。現(xiàn)今地貌主要表現(xiàn)為高山峽谷地貌,與四川盆地相比,二者存在較大的地貌高差,因此,認為西昌盆地亦為受構(gòu)造強烈改造的中生代殘留盆地(劉樹根等,2004;劉麗華等,2003;范明等,2018),主要由米市 凹 陷(面 積 約 為6000km2)、麻 姑 山 凹 陷(1500km2)、甘 洛 凹 陷(1300km2)、昭 覺 凹 陷(700km2)、美姑凹陷(3000km2)等5個凹陷組成(圖1)。

圖1 西昌盆地地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological map of Xichang Basin

1.1 地層特征

上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組為西昌盆地的主要富有機質(zhì)泥頁巖層系之一。在四開斷裂以西,龍馬溪組與下伏地層呈不整合接觸,在四開斷裂以東,龍馬溪組與下伏地層呈整合接觸,五峰組—龍馬溪組在西昌盆地的分布總體受康滇古隆起、滇中和黔中古隆起共同控制,向西和西南尖滅,表現(xiàn)為東厚西薄,主要分布于北部的甘洛-峨邊及東部的美姑及東南部的布拖一帶,向盆地西部龍馬溪組缺失。

由于靠近康滇古陸邊緣,沉積環(huán)境變化較大,巖性差異明顯(楊威等,2020;伏明珠和覃建雄,2011)。北部龍馬溪組主要分布于普雄河以東,其巖性為黑色、深灰色、黃灰色碳質(zhì)、鈣質(zhì)、砂質(zhì)頁巖及粉砂巖,局部夾灰黑色薄層狀泥灰?guī)r,微細水平層理發(fā)育,底部有一層10～30cm厚的紅褐色含礫石英砂巖。中部龍馬溪組出露較少,僅在竹核一帶有龍馬溪組出露,厚度達90m。其巖性為灰黑色薄層鈣質(zhì)頁巖、粉砂巖夾黑色薄層泥灰?guī)r及砂巖,底部為厚20～50cm的礫狀砂巖。根據(jù)鉆井揭示,下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機質(zhì)泥頁巖厚20～40m,為一套外陸棚相灰黑色、深灰色、黃灰色生物碎屑、富含筆石的碳質(zhì)頁巖(圖2)。

圖2 西昌盆地五峰組—龍馬溪組地層展布圖Fig.2 Stratigraphic columns of Wufeng-Formation to Longmaxi Formations in Xichang Basin

1.2 構(gòu)造作用

1.2.1 構(gòu)造樣式

總體上,西昌盆地各次級凹陷主要由走滑-沖斷帶相隔,凹陷內(nèi)地層緩傾(中心常呈近水平發(fā)育),構(gòu)造樣式表現(xiàn)為寬緩-開闊褶皺,由于受到盆緣斷裂沖斷作用的影響,盆緣褶皺常表現(xiàn)為緊閉-閉合褶皺,地層近于直立,局部發(fā)生倒轉(zhuǎn)(圖3)。

圖3 美姑—昭覺—西昌路線構(gòu)造剖面A-A′(位置見圖1)Fig.3 Structural section A-A′of Meigu-Zhaojue-Xichang(location see Figure1)

1.2.2 斷層分布特征

根據(jù)斷裂對盆地的控制作用、對區(qū)域地層的影響、斷裂的延伸展布和規(guī)模結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化,初步將盆內(nèi)的斷裂分為4個等級(圖4)。

圖4 西昌盆地斷裂分布圖Fig.4 Distribution of faults in Xichang Basin

一級斷裂,即一級控盆斷裂,斷裂對盆地和區(qū)域地層具有明顯的控制作用,同時區(qū)域上表現(xiàn)為深大斷裂,區(qū)域上延伸長遠、斷距大,構(gòu)造活動通常具有為多期性、繼承性和新生性;盆內(nèi)主要為則木河斷裂,對頁巖氣保存影響最大。二級斷裂主要為次級控盆斷裂,即盆地內(nèi)控制米市凹陷、昭覺凹陷、甘洛凹陷、美姑凹陷和麻姑山凹陷的斷裂,主要有石棉-昭覺斷裂(東支和西支),漢源-甘洛斷裂和峨邊-美姑斷裂等,這些斷裂通常也是古生代斷裂,在中新生代復(fù)活,區(qū)域上延伸較好,具有明顯的線性地貌,同時對中生代或二疊系峨眉山玄武巖等地層具有明顯的控制作用,斷距一般較大。三級斷層主要為盆內(nèi)次級斷層,錯切二級斷裂或與二級斷裂平行展布,一般延伸較短,斷裂規(guī)模較小,斷距小,斷層性質(zhì)明顯,具有一定的地貌顯示等;盆內(nèi)如司果莊斷層、竹核斷層等。四級斷層主要指露頭尺度的斷層,一般延伸短、斷距小,無地貌顯示,露頭見牽引變形、構(gòu)造透鏡體、碎斑巖、碎粉巖和斷層泥等,一般為主干斷裂的派生斷層。

2 頁巖氣保存條件

2.1 頂?shù)装鍡l件

頂?shù)装鍡l件是阻礙頁巖氣垂向運移散失的關(guān)鍵因素,也影響著頁巖氣開發(fā)過程中的壓裂效果(Xuet al.,2014;魏祥峰等,2017;胡明等,2017;羅兵等,2018;鄒玉濤等,2016)。如果頂?shù)装鍘r性的孔隙度和滲透率均較小,斷裂相對不發(fā)育,對頁巖氣的垂向逸散起到阻擋作用,可以認為該頁巖層系的頂?shù)装鍡l件較好。一般來說,泥頁巖、致密砂巖和膏巖層等均可作為頁巖氣較好的頂?shù)装?圖5)。

圖5 西昌盆地封蓋條件Fig.5 Sealing conditions of Xichang Hasin

西昌盆地下古生界主要發(fā)育五峰組—龍馬溪組頁巖,由西向東增厚,底部主要為黑色碳質(zhì)頁巖和粉砂巖,是區(qū)內(nèi)重要的烴源巖層系。與志留系龍馬溪組直接接觸的下伏地層為奧陶系大箐組,大箐組以灰白色中細粒結(jié)晶白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r為主,含有較薄的膏鹽層,說明大箐組有過短暫地處于蒸發(fā)相的過程,主體為碳酸鹽巖臺地相沉積。通過喜德1井巖心物性分析表明,大箐組平均孔隙度為1.276%,滲透率為0.2051mD,屬低孔低滲型(圖6a、b)。

大箐組孔縫洞較發(fā)育,多數(shù)未充填或半充填,充填物為石英、方解石及次生石英晶族等,但孔洞大多孤立存在,連通性較差。類比于四川盆地寶塔組,寶塔組龜裂紋灰?guī)r為臺地前緣斜坡—廣海陸棚相沉積,龜裂紋屬成巖—后生階段壓溶作用結(jié)果,灰?guī)r具有低孔低滲特點,但成縫和溶蝕作用對改善其滲濾性能極為有利,形成以裂縫和次生溶蝕孔、洞、縫為主的儲集空間,成為天然氣富集的良好場所(李天生,1989)。

頁巖層的頂板條件則相對復(fù)雜,龍馬溪組有機質(zhì)含量較高,其脆性礦物含量也較低,地層塑性相對較強、裂隙較發(fā)育,作為自身的封蓋層稍有不足;而上覆石門坎組主要為深灰色鈣質(zhì)頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r與灰綠色泥巖、泥質(zhì)條帶灰?guī)r夾生物碎屑灰?guī)r,平均孔隙度為0.59%,滲透率為0.0026mD,可以有效地阻止頁巖氣的垂向逸散,為有利的頁巖層頂板條件(圖6c-d)。除這套直接蓋層外,喜德1井侏羅系鉆厚1683.00m,如此巨厚且以泥質(zhì)巖為主的地層,對于下伏志留系龍馬溪組是良好的區(qū)域蓋層。總體來說,西昌盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣頂?shù)装鍡l件較好(圖7)。

圖6 五峰組—龍馬溪組頁巖頂?shù)装鍘r性孔隙度和滲透率直方圖(據(jù)大慶油田資料)Fig.6 Histogram of porosity and permeability of roof ＆ floor rocks in Wufeng-Longmaxi Formations(Daqing Oilfield information)

圖7 西昌盆地龍馬溪組頁巖頂板(a)及底板(b)分布與厚度圖(據(jù)童馗,2021修改)Fig.7 Distribution and thickness diagrams of roof(a)＆ floor(b)shale rocks of Longmaxi Formation in Xichang Basin(modified from Tongkui,2021)

2.2 構(gòu)造變形強度

綜合前人研究成果,在盆地內(nèi)實測了兩條NEE—SWW向的格架構(gòu)造剖面(美姑—喜德剖面,西昌—雷波剖面),均顯示了近東西向的擠壓,并疊加區(qū)域強烈左旋走滑運動。基于平衡剖面原理,根據(jù)物質(zhì)守恒定律認為變形前后巖石總體積不變,其面積守恒和層長守恒(Dai et al.,2012;Feng et al.,2017;Deng et al.,2018)。以上三疊統(tǒng)白果灣組為標志層,將其上的地層層序平衡恢復(fù)。其中,喜德-美姑剖面全長137.4km,恢復(fù)斷裂產(chǎn)生的縮短量再展開后的長度約168.4km,縮短量為31km,縮短率為18%(圖8A)。西 昌—雷 波 剖 面 全 長184.8km,恢復(fù)斷裂產(chǎn)生的縮短量再展開后的長度約197.0km,縮短量為12.2km,縮短率為6.2%(圖8B)。需要指出的是,西昌盆地中生代地層褶皺軸走向總體為近SN向,說明總體縮短方向為近EW向,但是褶皺軸的彎曲會使得EW向剖面與實際的縮短方向之間存在一定的偏差。盡管如此,這種偏差不會大于30°。通常如果地質(zhì)剖面的方向與實際縮短方向之間的偏差不超過30°,縮短量的誤差不會超過縮短量的15%。由此計算得知,美姑-喜德剖面縮短誤差不會超過4.6km,西昌-雷波剖面誤差不超過1.8km,因此,兩條剖面的縮短量分別為(31±4.6)km和(12.2±1.8)km,指示西昌盆地構(gòu)造帶較少的構(gòu)造縮短變形,變形強度較弱。

圖8 西昌盆地實測構(gòu)造剖面及平衡恢復(fù)圖(位置見圖1,據(jù)Deng et al,2018修改)Fig.8 Cross section and restoration diagram of Xichang Basin(see Figure1for locations,modified from Deng et al,2018)

前人也對西昌盆地內(nèi)部構(gòu)造變形進行過分析(陳長云和何宏林,2008),得出越西-甘洛-美姑剖面恢復(fù)斷裂產(chǎn)生的縮短量再展開后的長度約52.9km,縮短量為10.6km,縮短率為20.2%;冕寧-美姑剖面恢復(fù)斷裂產(chǎn)生的縮短量再展開后的長度約72km,縮短量為10.8km,縮短率為14.9%;喜德剖面恢復(fù)斷裂產(chǎn)生的縮短量再展開后的長度約60.3km,縮短量為7.3km,縮短率為12.1%;布拖剖面恢復(fù)斷裂產(chǎn)生的縮短量再展開后的長度約63km,縮短量為15km,縮短率為17.8%;總體表明整個西昌盆地內(nèi)部構(gòu)造變形較弱。

構(gòu)造作用會使地層發(fā)生變形、褶皺、倒轉(zhuǎn),往往使巖層產(chǎn)生傾斜。利用地層產(chǎn)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°)。一般情況下,地層產(chǎn)狀越大,傾角指數(shù)越大,頁巖保存條件越差。基于前人的研究成果和頁巖氣勘探實踐,傾角指數(shù)＜3,屬于頁巖氣保存有利區(qū);傾角指數(shù)≥3,即地層產(chǎn)狀≥30°頁巖氣保存條件變差。

通過大量野外地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)的實測工作,同時收集前人資料,共收集了西昌盆地及其周緣地層產(chǎn)狀約1700余個,通過等值線分析能夠較好地反映西昌盆地地層傾角展布實際情況,從而客觀地反映西昌盆地不同構(gòu)造單元構(gòu)造變形強度的差異。因此,將地層傾角等值線圖可作為評判構(gòu)造變形強度的參考指標之一。盆地內(nèi)部總體地層傾角平緩,構(gòu)造樣式主要表現(xiàn)為盆內(nèi)寬緩開闊褶皺帶,盆緣構(gòu)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(zhuǎn)產(chǎn)出,在斷裂附近常見構(gòu)造角礫、碎斑巖等構(gòu)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。通過西昌盆地地層傾角等值線圖可知,西昌盆地盆地內(nèi)部總體地層傾角平緩,其中傾角小于30°、變形微弱的圍限區(qū)域有5個,這與西昌盆地的5個凹陷整體構(gòu)造具有良好的耦合性;在弱變形區(qū)外圍地層傾角通常較陡,特別是沿著斷裂附近,地層傾角可達80°以上(圖9)。因此,認為西昌盆地內(nèi)斷裂的改造是控制變形強度的主要因素,通常斷裂帶附近表現(xiàn)為強變形帶,受斷裂的圍限的盆地表現(xiàn)為弱變形帶。這與地層縮短率特征、西昌盆地構(gòu)造組合樣式特征和西昌盆地主干斷裂分布具有良好的耦合性。因此,認為西昌盆地保存有利區(qū)主要分布于凹陷內(nèi)部。

圖9 西昌盆地地層傾角等值線圖Fig.9 Contour map of stratigraphic dip angles in Xichang Basin

2.3 裂縫發(fā)育特征

強烈的斷裂破碎作用對頁巖氣藏具有顯著的破壞作用,強烈的構(gòu)造變形造成頁巖氣層和頂?shù)装逯辛芽p發(fā)育,進而導(dǎo)致頁巖氣逸散(Zeng et al.,2016;劉鵬等,2016;Yi et al.,2019)。西昌盆地內(nèi)主要發(fā)育的構(gòu)造裂隙類型有透鏡體、劈理、節(jié)理和斷層等,研究認為地層層面亦是原生裂隙的表現(xiàn)。因此,將原生裂隙與次生裂隙進行統(tǒng)一研究。

西昌盆地的龍馬溪組頁巖在烏科牧場露頭較好,頂?shù)卓梢姟Ｍㄟ^對烏科牧場剖面進行測量,發(fā)現(xiàn)該剖面頁巖裂縫較為發(fā)育(圖10),走向主要在70°～120°,為近東西向展布。研究層系內(nèi)可見多類型裂縫發(fā)育,以層內(nèi)節(jié)理縫與層間X型共扼節(jié)理最為常見。從節(jié)理交切關(guān)系可以看出,地層發(fā)生傾斜或者褶皺之前,較早時期形成近東西走向的較陡裂縫,較晚時期形成近東西向緩傾的裂縫,最后發(fā)生區(qū)域隆升過程中,發(fā)生了不規(guī)則拉張裂縫。這兩種裂縫對頁巖氣在目的層內(nèi)的運移起到了路徑的作用。

圖10 烏科牧場龍馬溪組底部(左)和中部(右)頁巖裂縫特征Fig.10 Characteristics of fractures in the bottom(left)and middle(right)shales of Longmaxi Formation in Wuke Ranch

布拖地區(qū)龍馬溪組裂縫多為小型裂縫,寬度多小于1mm,布地1井鉆探結(jié)果表明,五峰組—龍馬溪組巖性較純,僅在龍馬溪底部發(fā)育少量裂縫,觀察表明張性裂縫多成組存在(圖11),個別被高角度裂縫切割,裂縫微細—較細(寬約0.01～0.2mm),垂直于層面,不規(guī)則,平直或彎曲,延伸遠,呈垂直層面平行排列展布和斜交層面羽狀排列展布。平行展布裂縫為粒狀自形方解石充填,羽狀裂縫為纖柱狀方解石充填。其中,高角度裂縫填充厚度普遍比低角度裂縫好。根據(jù)該井巖心觀測,主要表現(xiàn)為高角度裂縫切割低角度-水平裂縫,指示低角度-水平裂縫為第一期脈體,高角度裂縫為第二期脈體。同時,在埋深2376m處龍馬溪組泥頁巖內(nèi)部見大量構(gòu)造角礫發(fā)育,角礫常呈棱角狀,其間為方解石脈體充填,該構(gòu)造角礫同時切割了高角度裂縫和低角度-水平裂縫,指示為最晚一期脈體活動,可能與晚喜山期擠壓-走滑構(gòu)造背景下研究區(qū)斷層活動有關(guān)。綜上所述,布地1井主要發(fā)育3個期次的方解石裂隙。通過研究脈體鍶同位素含量發(fā)現(xiàn),布拖區(qū)域龍馬溪組泥頁巖脈體的87Sr/86Sr=0.7092,圍巖的87Sr/86Sr=0.7105,根據(jù)脈體與圍巖的87Sr/86Sr值的縱向和橫向比較分析,西昌盆地東南部地區(qū)大部分流體與圍巖沉積的鍶同位素物源較為一致,說明地層間的連通性較差,這對下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖的保存條件較為有利。

圖11 布地1井龍馬溪組巖心裂縫特征Fig.11 Photos of fractures of Longmaxi Formation in cores in Budi Well1

2.4 地層壓力特征

強烈的構(gòu)造隆升、褶皺變形和斷裂破壞致使獨立、封閉的頁巖壓力系統(tǒng)受到改變,流體散失必然導(dǎo)致地層流體能量、成分的變化,因此可通過地層壓力特征來表征頁巖氣保存條件。地層壓力系數(shù)是頁巖氣保存條件評價的綜合指標之一(舒逸等,2018;姚雪根,2007;鄧祖佑等,2000)。近年來的頁巖氣勘探實踐證明,高壓發(fā)育是頁巖氣保存條件良好的充分條件之一,頁巖氣工業(yè)產(chǎn)能通常與異常高壓發(fā)育程度呈正相關(guān)關(guān)系。布地1井鉆探過程中在頂?shù)装搴湍康膶游窗l(fā)生井漏,測得地層壓力系數(shù)為1.02,現(xiàn)場解析實驗測得頁巖含氣量在0.37～2.57m3/t之間,平均為1.18m3/t,含氣性較好。西昌盆地壓力封存箱的頂板為中志留統(tǒng)石門坎組泥質(zhì)巖;底板為中奧陶統(tǒng)大箐組泥灰?guī)r和泥巖互層;西側(cè)隔板為龍恩河斷層、東側(cè)隔板為于孟斷層;箱內(nèi)與箱外存在一定壓力系數(shù)差,箱內(nèi)壓力系數(shù)1.02～1.05,箱外表現(xiàn)為正常壓力系數(shù)(圖12),具有壓力封存箱的典型地質(zhì)結(jié)構(gòu)。盡管相較四川盆地來講,西昌盆地龍馬溪組的地層壓力系數(shù)較低,但在本區(qū)優(yōu)選靠近向斜中心部位、壓力系數(shù)相對較高且埋深適中的區(qū)域開展頁巖氣勘探開發(fā)依然是可行的(聶海寬等,2019)。

圖12 西昌盆地壓力封存箱模式示意圖Fig.12 Schematic diagram of pressure compartment mode in Xichang Basin

2.5 氣體組分

頁巖氣氣體組分也可間接指示地層的封閉性,常用指標為天然氣組分中CO2和N2含量和來源;當(dāng)天然氣組分中CO2和N2含量較高且為無機成因時,表明地層與大氣之間的連通性較好。分析布地1井的頁巖氣組分,發(fā)現(xiàn)甲烷含量平均為88%,乙烷和丙烷含量少,不含H2S,CO2和N2含量分別為6.50%和4.35%,CO2來源為有機質(zhì)熱解,N2應(yīng)來源于地殼超深部和上地幔,并非大氣來源。中外勘探開發(fā)成功盆地的頁巖氣組分分析結(jié)果顯示,Michigan盆地的Antyim頁巖和Appalachian盆地的Ohio頁巖氣組分中N2含量為42%～90%,表明其頁巖層與大氣的連通性較好,保存條件較差;而Fortworth盆地頁巖氣組分中N2含量為0.98%～7.56%,表明其頁巖層不存在大氣水與地表水的頻繁交替,保存條件良好;而西昌盆地布地1井頁巖氣組分中N2含量與Fortworth盆地相當(dāng),表明其頁巖層與大氣的連通性較差,保存條件良好。

3 保存條件評價

3.1 評價參數(shù)及標準

針對西昌盆地實際情況,結(jié)合多期構(gòu)造作用下的斷裂情況和裂縫發(fā)育狀況、隆升剝蝕情況、構(gòu)造變形條件等因素的指標,對西昌盆地龍馬溪組頁巖氣保存條件進行綜合評價(胡東風(fēng)等,2014;何偉等,2021;Zeng et al.,2013;Guo et al.,2015;Guo et al.,2017;湯濟廣等,2015)(表1)。

表1 西昌盆地頁巖氣保存綜合評價指標體系Table1 Comprehensive evaluation index system of shale gas preservation in Xichang Basin

構(gòu)造作用的影響通過構(gòu)造樣式、地層縮短率、距通天斷裂距離、斷裂傾角、地層傾角和裂縫發(fā)育程度來表征。構(gòu)造變動產(chǎn)生的次生裂縫和引起的地層壓力釋放,加劇頁巖內(nèi)部氣體的擴散和逃逸,對于頁巖氣藏具有破壞作用。構(gòu)造樣式的影響表現(xiàn)為向斜和翼部寬緩部位保存條件良好,主要是由于低緩背斜變形幅度相對較小,向斜核部埋深較大,裂縫相對不發(fā)育,利于頁巖氣保存;較窄的隔槽狀構(gòu)造樣式是主要的應(yīng)力集中區(qū),變形幅度大,頁巖氣藏遭受破壞。

3.2 保存有利區(qū)評價

西昌盆地勘探程度及研究程度較低,目的層龍馬溪組頁巖氣分布范圍有限,綜合利用本次研究成果及前人資料,以上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機質(zhì)泥頁巖為目標,對西昌盆地頁巖氣的保存條件進行綜合評價,在西昌盆地優(yōu)選出昭覺和布拖2個頁巖氣有利區(qū),為頁巖氣勘探開發(fā)最有潛力的區(qū)塊(圖13)。

圖13 西昌盆地頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選圖Fig.13 Optimal shale gas areas in Xichang Basin

(1)昭覺有利區(qū),該區(qū)塊面積約40km2,構(gòu)造主體為昭覺向斜。其構(gòu)造形態(tài)表現(xiàn)為:向斜西翼地層相對較陡,地層傾角一般為30°～65°;東翼地層相對平緩,一般為15°～25°,為竹核斷層所破壞;核部平緩,地層傾角一般為5°～10°。上、下構(gòu)造層形態(tài)基本一致,為一構(gòu)造盆地,即底部寬緩,地層傾角小,斷層不發(fā)育,兩翼相對陡傾,斷層發(fā)育。該有利區(qū)龍馬溪組為深水陸棚相沉積,根據(jù)實測剖面有機地化實驗數(shù)據(jù),有利區(qū)內(nèi)TOC值大于2.0%,且自南西向北東呈逐漸增大的趨勢;富有機質(zhì)泥頁巖段厚度在20～30m之間;熱演化程度在2.5%～3.5%,處于高—過成熟階段;埋藏深度在1000～2000m;剝蝕厚度＜2000m,地層縮短率為16.8%;區(qū)域地勢東西部高,中部低且平坦,山脈多呈南北走向,海拔在2000～3000m之間,最低海拔位于昭覺縣城,地形以山間丘陵、山間谷地和高山盆地為主。

(2)布拖有利區(qū),該區(qū)塊面積約200km2,構(gòu)造相對簡單,位于龍恩斷層以東,該區(qū)以于孟背斜和西溪河向斜作為其主要形態(tài);于孟背斜延伸長35～40km,軸面走向北北西,傾向80°,傾角60°～45°,褶皺形態(tài)不對稱,已被于孟斷層破壞;西溪河向斜地層較平緩,且傾角變化小,在5°～30°之間,通常小于20°。該有利區(qū)龍馬溪組為深水陸棚相沉積,根據(jù)實測剖面及有機地化實驗數(shù)據(jù),有利區(qū)內(nèi)TOC值大于2.0%,且自南西向北東呈逐漸增大的趨勢;富有機質(zhì)泥頁巖段厚度在20～30m之間;熱演化程度在2.5%～3.5%,處于高—過成熟階段;埋藏深度在1000～2500m;剝蝕厚度＜2000m,地層縮短率為17.9%;區(qū)域地勢東西部高,中部低且平坦,山脈多呈南北走向,海拔在2400～3200m之間,地形以山間丘陵、山間谷地和高山盆地為主。

4 結(jié)論

(1)西昌盆地內(nèi)斷裂的改造是控制變形強度的主要因素,通常斷裂帶附近表現(xiàn)為強變形帶,受斷裂圍限的盆地表現(xiàn)為弱變形帶。這與地層縮短率特征、地層傾角等值線的分布、研究區(qū)構(gòu)造組合樣式特征和研究區(qū)主干斷裂分布具有良好的耦合性。因此,認為西昌盆地保存有利區(qū)主要分布于凹陷內(nèi)部。

(2)西昌盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣頂?shù)装鍡l件較好,盆地內(nèi)部構(gòu)造縮短量較少,縮短率均小于20%,指示整個盆地內(nèi)部構(gòu)造變形強度較弱。

(3)盆地南部布拖區(qū)域,龍馬溪組頁巖可形成典型壓力封箱式地質(zhì)結(jié)構(gòu),箱內(nèi)與箱外存在一定壓力系數(shù)差,箱內(nèi)地層壓力穩(wěn)定,保存條件好。

(4)通過與構(gòu)造作用關(guān)系密切的構(gòu)造樣式、變形強度、斷裂發(fā)育情況、裂縫發(fā)育程度、地層壓力系數(shù)和氣體組分等參數(shù)對西昌盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣保存條件進行評價,在西昌盆地優(yōu)選出昭覺和布拖2個頁巖氣有利區(qū)。