川東南地區頁巖儲層開采條件對比分析

張騫 ，岳曉晶

（1.中國地質科學院礦產綜合利用研究所，四川 成都 610041；2.中國地質大學（北京）水資源與環境學院，北京 100083）

頁巖氣是指賦存于以富有機質頁巖為主的儲集巖系中的非常規天然氣，作為一種新型天然氣資源受到廣泛關注，對比常規儲層氣，其運移距離極短甚至不存在[1]。美國最早發現頁巖氣，開發頁巖氣已有80 年的歷史，除美國之外，我國是第二個將頁巖氣成功產出并投入量化使用的國家。雖然頁巖氣在開采上不及傳統天然氣方便、簡單，但隨著人類對天然氣資源使用量的增加，合理有效地開發利用頁巖氣，是為落實碳達峰碳中和目標、推動綠色低碳優勢產業聚力成勢提供堅實的資源保障，是我國保障能源供應和發展低碳經濟的必然選擇。在滿足社會經濟發展對清潔能源的巨大需求之外，大量開采頁巖氣對控制溫室氣體排放，構建資源節約、環境友好的生產方式和消費模式都具有重要作用，對改善居民用能環境，提高生態文明水平也具有重要的現實意義。

頁巖不僅是頁巖氣的源巖，還作為儲層和蓋層，具有自生自儲，原地成藏的特點，其孔隙度和滲透率極低，開采時須進行水力壓裂增產改造，簡單地說，水力壓裂就是利用外部施壓將水力壓裂液注入儲層巖石，攜帶支撐劑和化學添加劑將裂縫撐開，使得壓力釋放后, 保持頁巖氣可以沿斷裂穩定流動的路徑。若注入的壓裂液和儲集層高礦化度地層水是向上運移，便會直接污染地下水，此問題的關鍵在于頁巖儲集層和地下水的連通性，以及向上運移的驅動力[2]，因此我們要研究開采層所處的沉積環境、構造背景以及后期構造演化等多方面因素對其連通性的影響。

為了研究我國頁巖氣開發過程中的地下水環境污染風險，本文將對比我國四川盆地龍馬溪組海相頁巖和鄂爾多斯盆地延長組陸相頁巖（表1）[3]，分析其相似性與特殊性。另外，本文將進一步以威遠、昭通和長寧為代表地區，對比分析四川盆地內部不同的頁巖氣開采區地質構造特征的差異性，以揭示四川盆地頁巖氣開采壓裂過程中，受其地質構造條件影響所產生的地下水污染風險。

由表1可知，中國龍馬溪組頁巖和美國Barnett頁巖及Marcellus頁巖，沉積環境類似，但具有一定的差異性，這與中美頁巖構造復雜程度不同有關。美國Barnett頁巖及Marcellus頁巖普遍埋深比中國頁巖儲層淺，頁巖儲層厚度變化小，開采難度較小，頁巖氣賦存較好。而中國龍馬溪組頁巖經歷了多次構造運動，導致其埋深更深、頁巖儲層普遍被壓縮更密實，導致頁巖儲層滲透率更低，壓力系數更大。龍馬溪組頁巖深埋大于Barnett頁巖且具有更高的熱成熟度，但遠不如Marcellus頁巖有機質含量高、微裂縫發育，這導致了頁巖氣開發困難、鉆井和水力壓裂的高成本以及不可類比的開采壓裂及返排過程中的污染問題。

表1 中美頁巖主要特征對比[3]Table 1 Comparison of main characteristics of shale between China and US

1 中國鄂爾多斯海相盆地頁巖特征及頁巖氣開發現狀

1.1 沉積環境和構造地質背景

鄂爾多斯盆地是在華北古生代克拉通淺海臺地基礎上發育起來的大型陸內疊合型盆地[4]，基底是太古界和下元古界變質巖系，發育石炭-二疊系山西組、太原組、本溪組及上三疊系延長組等多套富有機質頁巖[5]，其中延長組是一套內陸湖泊一三角洲沉積體系形成的，處于深湖-半深湖沉積環境[6]。

鄂爾多斯盆地主要的地質構造特征是整體上升、持續沉降、接觸整合。盆地內，區域坳陷復合、地質構造平緩，缺少背斜與斷層，總體上呈東部翹起向西部傾伏的區域性斜坡面貌；沉積蓋層時代較全，僅缺失志留系、泥盆系及下石炭統，平均沉積巖厚度5000 m[7]。早遠古代華北地臺形成后，自奧陶紀以來，盆地主要經歷了加里東運動、印支運動及燕山運動等構造運動，具體構造運動特點見表2。

表2 四川盆地和鄂爾多斯盆地主要構造旋回活動對比Table 2 Comparison of main structural cycles in the Sichuan Basin and the Ordos Basin

1.2 構造類型

鄂爾多斯盆地內部斷層不發育，比較穩定，周圍為一系列小型斷陷盆地所環繞，主要的構造均位于盆地邊緣（圖1），其中西緣的構造特征相對復雜，斷裂系統十分發育，包括16條主斷裂，其中主干斷裂三條：六盤山西緣大斷裂、青銅峽一固原深大斷裂、車道—阿色浪斷裂，西部的天環凹陷構造運動相對強烈和埋深也較大，有些地方形成一些常規油氣藏；但鄂爾多斯盆地油氣資源還是主要分布在伊陜斜坡（盆地主體構造）上，該構造單元構造平緩，大致呈現由東向西傾斜約1°左右的，東高西低，北高南低的分布格局，主要包括鼻隆、穹窿、背斜、撓曲等 4 種基本類型，其中鼻狀構造是其基本的構成單元，其斷面形態呈現出連續和反復的具一定起伏的坡折特性[8]，對油氣聚集及大中型油氣田形成過程具有控制作用。

圖1 延長組頂部低幅度構造特征(改編[9]）Fig.1 Characteristics of low-amplitude structure at the top of Yanchang Formation (adapted [9])

1.3 沉積蓋層

鄂爾多斯盆地西南部的彬長區塊晚三疊世沉積了延長組地層，位于渭北隆起和伊陜斜坡結合部位，烴源巖生烴條件良好，埋藏深度較小，在縱向上構成了4套生-儲-蓋組合，根據源-儲配置關系及生儲蓋層疊置樣式將生儲蓋組合劃分為連續型（Ⅱ和 Ⅲ）和間斷型（Ⅰ和 Ⅵ），其中間斷型生儲蓋組合油氣富集主要受控于油源斷裂、源-儲距離和有利儲層展布；連續型生儲蓋組合油氣富集主要受控于張家灘頁巖與有利儲層展布和斷層-裂縫系統發育程度，其油氣充注與保存條件均較好，比間斷型的油氣富集程度更高，同時蓋層的好壞不僅取決于蓋層厚度，還取決于其橫向連續性，如彬長區塊長7油層組在厚度大于20 m的蓋層中所占比例最大，反映出其沉積時期湖盆水體較深，故其橫向連續性相對其他油層組較好[10]。

由此可知，鄂爾多斯盆地具有華北地臺的一級構造單元，頁巖埋深淺，且地質構造簡單、穩定。

2 四川盆地及川東南不同開采區頁巖及地質特征

2.1 四川盆地

2.1.1 沉積環境和構造地質背景

四川盆地總體在缺氧環境沉積，發育有川北、川東—鄂西和川南3個深水沉積區，其中五峰組—龍馬溪組頁巖的沉積環境為淺水陸棚亞相，處于弱氧化—弱還原環境。

整個四川盆地沉積蓋層具有海相和陸相雙層結構，從沉積特征上來說，從張裂環境轉化為壓縮環境；從構造演化上來說，震旦系到中三疊系之間存在多個沉積間斷面，但區域上未見角度不整合，各層系之間均呈平行疊置，即地層多長期處于臺地相，并且總體以下陷接受沉積為主。

自震旦系以來，四川盆地經歷的構造活動較頻繁，從基底算起，可以追溯劃分為6個主要的構造旋回：揚子運動、加里東運動、海西運動、印支運動、燕山運動和喜馬拉雅運動（表2）：在加里東期和海西期，地殼的運動受張裂活動影響而呈升降運動，但沒有與擠壓活動有關的褶皺運動；從晚中生代燕山運動開始，發生較強烈的壓扭性構造運動，從而導致盆地內斷褶構造開始發育；早喜山運動是影響整個四川構造盆地和局部構造形成的主要時期，特別是喜馬拉雅運動，它使震旦紀至古近紀以來的沉積蓋層全面褶皺，并將不同時期、不同地域的褶皺和斷裂連成一體；晚喜山運動發生在新近紀以后、第四紀之前，該運動將早喜山期形成的構造進一步加強和改造，使四川盆地的構造面貌最終定型。多次的構造運動使四川盆地的褶皺發育，并且伴隨著褶皺過程，易產生次級斷裂等，使得四川盆地的構造背景更為復雜。

對比四川盆地和鄂爾多斯盆地，兩者均經歷了多次構造運動，但四川盆地比起鄂爾多斯盆地所經歷的構造運動更為復雜，其構造面貌受到的影響更大，在漫長的構造與沉積演化過程中，經歷了多期和多向的邊緣深斷裂活動，具有多旋回的特點，特別是印支運動、燕山運動和喜馬拉雅運動，對整個四川盆地的改造有著極為關鍵的作用；而鄂爾多斯盆地以整體升降為主，內部構造穩定，特別是在新生代時期，新構造運動主要對其周緣影響較大，其內部緩慢抬升，處于穩定狀態，轉為周邊斷陷發育。

2.1.2 斷裂展布、褶皺類型及其發育程度

四川盆地是由多條深大斷裂圍成的沉積盆地，基本都是基底斷裂和殼斷裂，具有縱向切割深、規模大、延伸遠的特點，大體上將這些深大斷裂分為北東、北西及南北向三組。其中會影響昭通頁巖氣開采區的深大斷裂-華鎣山斷裂帶（F4）是一個繼承性的大斷裂，由三條隱伏殼內斷裂組成，在地史上多次發生活動，特別是燕山晚期至喜馬拉雅期在川東壓扭應力作用下的活動，被斷層活動改造，是川東斷褶帶和川中平緩構造區的分界線；遵義-松坎斷裂帶（F12）是劃分川東與川南的分界斷裂；七曜山斷裂帶（F5），是由三條東傾的逆沖斷裂組成的，通過斷裂兩側基底的差異，說明晉寧期已經存在，而燕山晚期到喜馬拉雅期，在南東-北西方向的擠壓應力下又重新活動，成為逆沖斷裂，斷層兩側的沉積蓋層其構造變形的樣式和強度都具有較大的差別，東側為隔槽式褶皺，變形程度較低，西側為隔擋式褶皺，變形程度較高，并伴有大量斷層的出現[11]。

川東南地區褶皺發育，但是不同構造位置發育程度不同，將其進一步分為三個四級構造單元：

（1）邊部強烈變形區-褶皺變形強烈，多為線狀或狹長狀的高褶皺，呈梳狀或帶狀分布，伴生斷層發育，且多數通達地表，地表裂縫發育程度高；

（2）中部中等變形區-褶皺變成程度中等，多為短軸狀的中褶皺，基本無貫通性斷層，地表裂縫發育程度中等；

（3）中央弱變形區-褶皺變形程度較弱，多為低褶皺，呈短軸或近等軸狀，斷層和地表裂縫發育程度較弱。

2.1.3 沉積蓋層

蓋層是油氣藏形成的必要條件，其好壞也對環境污染具有關鍵意義，分為直接蓋層和間接蓋層。對于上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組頁巖氣藏來說，中下三疊統膏鹽巖、泥巖發育的地區可以形成一定范圍的壓力封閉，從而使得頁巖氣得以保存。例如，四川盆地內部的長寧地區保存了部分三疊系膏鹽，以寧201井為例，開孔層位為嘉陵江組四段、保存了部分嘉陵江組四段和嘉陵江組三段膏鹽巖，龍馬溪組頁巖的氣藏壓力系數是2。

對于注入目標儲層的壓裂液是否會在垂向運動影響到上部含水層引起環境風險，直接蓋層是關鍵，即頁巖層之上的各種致密巖層，包括頁巖、粉砂質頁巖、泥質粉砂巖和灰巖等，它們的巖性、物性參數及參數之間的差異性將直接決定蓋層的封閉能力和被壓裂后連通的可能性。一般優質開采層的平均孔隙度大，且其直接蓋層有較好的封閉能力，如下志留統龍馬溪組之上的小河壩組（石牛欄組）和韓家店組的泥頁巖就是較好的直接蓋層，根據前人對四川盆地建深1井、五科1井和太13井的志留系小河壩組和韓家店組的砂巖樣品孔隙度分析，建深1井韓家店組3塊極細粉砂巖孔隙度為0.48%～2.9%，平均為1.55%，12塊粉砂巖孔隙度為0.4%～1.1%，平均為0.64%[12]，明顯小于龍馬溪組黑色頁巖的孔隙度；而從頁巖礦物組成的角度，五峰組-龍馬溪組頁巖自下而上的石英含量減少，粘土礦物含量增加，也就是說開采層上部的頁巖，塑性增強，那么同樣的受力大小下，壓實作用更強，孔隙度更小，排驅壓力會增加，在壓裂及返排過程中，使壓裂液向上運移的程度減小，壓裂液或返排液不易竄入水層污染地下水，減少對土壤的擾動，以至于污染土壤表層或淺層地表[13]。

2.2 威遠與長寧-昭通區塊

威遠與長寧-昭通區塊的沉積環境類似，都是早期是深水陸棚，晚期為淺水陸棚代替；長寧-昭通區塊龍馬溪組頁巖富硅質（硅質儲量高于40%）、脆性礦物含量較高，易于壓裂產生網狀縫，具有較好改造的特點[14]，但其主要發育基質孔隙，孔隙度平均約為5%，僅局部存在裂縫孔隙，多發育層間縫，開發難度較大[15]。威遠地區龍馬溪組頁巖儲層主要發育有機質孔、無機質孔、微裂縫，由于龍馬溪組頁巖深埋藏、強隆升、高演化等特點，壓實作用、成巖作用明顯，導致有機質孔隙發育，局部連通性好；無機質孔隙相對不發育，多為孤立孔隙，連通性差；層間縫、部分構造縫發育，且延伸范圍廣，連通性好。因此，有機質孔、裂縫是該地區頁巖氣儲層主要滲流運移的通道[16]。

威遠地區在構造上主要位于川中隆起區樂山-龍女寺古隆起的東南斜坡帶上，包括川南古坳中隆低陡構造區帶及川西南中古斜坡低陡構等，樂山-龍女寺古隆起軸部控制著威遠地區龍馬溪組沉積作用，為大型穹窿狀背斜構造[17-18]。威遠構造的形成經歷了整體抬升、整體下沉以及基底變形：從寒武系至奧陶系一直呈現北西高南東低的構造形態；志留系經歷了加里東運動，地層抬高，遭受剝蝕，穹窿構造初態形成；泥盆紀一石炭紀時期，繼續隆升，在志留系與二疊系之間出現了沉積間斷；二疊系沉積前，威遠地區受運動影響開始下沉入水底接受沉積，期間構造穩定、沉積較為平緩；之后的喜山運動使威遠地區基底卷入變形，快速褶皺隆升形成背斜[19]。

四川盆地水文地質特征極其復雜，地下水類型包括松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖巖溶水、基巖裂隙水以及淺層地下水，其中基巖裂隙水又可分為碎屑巖類孔隙裂隙水、變質巖裂隙水和巖漿巖裂隙水，再進一步按照地下水賦存空間性質和水動力特征劃分，可將碎屑巖磊孔隙裂隙水分為裂隙水、可溶性溶孔（洞）裂隙水和層間裂隙水，其中可溶性溶孔（洞）裂隙水主要分布在威遠穹窿北西翼外圍[20]。昭通地區巖類發育齊全，地層復雜，為碳酸鹽巖夾碎屑巖類互層，主要賦存巖溶裂隙水，具有巖溶水、裂隙水雙重水文地質特征[21]，長寧地區也主要賦存巖溶水。

2.3 長寧區塊與昭通區塊對比

長寧-昭通區塊位于川南深水陸棚沉積中心部位，其中長寧處于川南和渝東沉積中心, 昭通示范區則處于川南沉積中心的南緣, 其五峰組—龍馬溪組頁巖靜態地質條件相對長寧地區略差[22]。兩者產層均為鈣質深水陸棚相頁巖，但構造樣式存在差異，長寧位于四川盆地承壓區正向構造帶，形成于燕山—喜馬拉雅期斷裂褶皺期，其主體位于四川盆地南緣長寧背斜南斜坡—向斜區（見圖2），總體為一個大型寬緩向斜內的馬鞍型構造，裂縫形成機制與喜馬拉雅期構造強烈褶皺反轉和頁巖層大面積滑脫變形作用有關，其頁巖層基本未發生滑脫變形作用[13]，見北東向張性斷裂但通天斷層不發育，保存條件優越，但在長寧背斜核心區（即獅子山背斜），五峰組—龍馬溪組已出露地表并遭受剝蝕，通天斷層發育，保存條件存在較大風險[15]。

昭通示范區黃金壩區塊位于四川臺坳川南中-低陡褶皺帶（圖2中Ⅲ2）羅場復向斜建武向斜邊緣[23]，褶皺系數較小，約為0.35～0.05，多為短軸褶皺，翼部地層產狀相對較緩、斷層不發育。其沉積蓋層從震旦系到侏羅系，厚約6000～7000 m，其碳酸鹽巖、硅質礦物含量明顯低于儲層。

圖2 長寧五峰組-龍馬溪組頁巖氣藏構造剖面圖（北東-南西向）Fig.2 Structural profile of shale gas reservoirs in Wufeng-Longmaxi Formation, Changning (NE-SW direction)

以YS108H1水平井組（圖3）為例進行對比分析，其位于四川臺坳川南低陡褶帶南緣，北接四川盆地，南與滇黔北坳陷相鄰（圖4），受燕山期太平洋—古特提斯洋與揚子板塊碰撞、喜馬拉雅期印度板塊向北沖擠雙重作用的影響，形成近東西向和近南北向共同剪切的構造格局，構造形變從滇東黔中隆起到滇黔北坳陷再到四川盆地由強到弱[24]。

圖3 YS108H1、H6 水平井組井場自然地理及交通位置Fig.3 Well site physical geography and traffic location map of YS108H1 and H6 horizontal well groups

圖4 YS108H1水平井組井區域構造單元劃分Fig.4 Structure unit division map of YS108H1 horizontal well group

YS108H1水平井組處于帚狀構造帶末端，構造作用相對較弱，構造形態相對簡單（圖5）。圖6表明，YS108H1水平井組地層產狀較平緩，地層分布穩定，構造平緩，處于建武向斜南翼靠底部部位，為頁巖氣有利保存區，在水平井部署的向斜區域地層穩定，過井剖面顯示井軌跡無明顯斷層通過；加之其位于向斜和背斜的轉折部位，地層封閉性較好, 有效地阻止了頁巖氣的側向遷移, 有利于頁巖氣資源的保存[23]。

圖5 YS108H1 水平井組井區域地質Fig.5 Geological map of YS108H1 horizontal well group well area

圖6 YS108H1水平井臺區域志留系龍馬溪組底界構造Fig.6 Bottom boundary structure map of Silurian Longmaxi Formation in horizontal well platform area YS108H1

長寧-昭通區塊龍馬溪組頁巖富硅質（硅質儲量高于40%）、脆性礦物含量較高，易于壓裂產生網狀縫，具有較好改造的特點[14]，但其主要發育基質孔隙，孔隙度平均約為5%，僅局部存在裂縫孔隙，多發育層間縫，開發難度較大[15]。四川盆地內部長寧地區主要發育裂縫類型以層理縫和高角度充填縫為主，裂縫分布密度低，天然裂縫欠發育；四川盆地周緣構造運動相對劇烈，受盆地邊緣構造運動影響，主要發育高角度張開縫，常見縫面劃痕；裂縫分布密度較大，天然裂縫較發育，整體上，昭通區塊天然裂縫發育程度高于長寧[25]。

3 頁巖氣開采過程中的地下水環境問題

根據目前總結的頁巖氣開發經驗，開采過程中涉及到的地下水環境的主要是泄漏問題，泄漏成分包括氣體、壓裂液以及返排液等，見圖7。如果管路密封不良，或者是遇到斷層及裂縫區，壓裂液及頁巖氣可能會竄入水層并對地下水造成影響[13]。

圖7 頁巖氣開發相關的地下水風險示意Fig.7 Groundwater risks associated with shale gas development

壓裂結束后因地質構造的不同會有10%～70%的壓裂液返排至地表，但仍有部分壓裂液殘留在地層。這些壓裂液中的有毒物質可能直接通過斷裂、裂縫系統自地下深處緩慢向上遷移，直接污染地下水[26]，這個問題是水力壓裂技術爭議的焦點。此問題的關鍵在于頁巖儲集層和地下水的連通性，以及向上運移的驅動力，目前學術界較為普遍的共識是水力壓裂不會產生連通地表的裂縫，且受毛細管力限制，液體缺少足夠向上運移的動力[27]，但四川盆地經歷了多期構造運動，地質構造復雜，可以借鑒美國相關經驗，但不可完全照搬，況且已知 1 例發生在美國懷俄明州的致密砂巖氣藏的事故，在淺層地下水中檢測到壓裂液成分。

4 結 論

（1）通過對比中美頁巖地質特征，即中國龍馬溪組頁巖和美國Barnett頁巖、Marcellus頁巖，發現三者沉積環境類似，同時具有一定的差異性，中美頁巖構造復雜程度不同，龍馬溪組頁巖深埋大于Barnett頁巖且具有更高的熱成熟度，但遠不如Marcellus頁巖有機質含量高、微裂縫發育，這導致了頁巖氣開發困難、鉆井和水力壓裂的高成本以及不可類比的開采壓裂及返排過程中的污染問題。

（2）通過對比中國陸相和海相頁巖地質特征，即四川盆地龍馬溪組頁巖和鄂爾多斯盆地延長組頁巖，兩者分別為揚子地臺和華北地臺的一級構造單元，沉積環境不同，四川盆地較之鄂爾多斯盆地構造復雜，褶皺斷裂體系發育，而鄂爾多斯盆地頁巖埋深淺，且地質構造簡單、穩定。

（3）川東南幾個頁巖氣開發區塊對比表明，威遠區塊和長寧-昭通區塊以及長寧區塊和昭通區塊，雖然同處川東南地區且頁巖特性相似，但由于位于不同構造部位，威遠位于背斜核部，而長寧、昭通屬向斜構造，且昭通處于四川盆地邊緣，而威遠和長寧處在川南沉積中心，天然裂縫發育程度、地下水類型和特性以及連通程度、蓋層特性等均有不同，故在地下水脆弱性評價，應結合不同位置區塊的特點進行分析。

（4）中國的頁巖氣開發還處于起步階段，但不可忽視開采過程中可能會引發的地下水環境問題，需要借鑒已有多年開發歷史的美國頁巖氣田的經驗，但通過由此及彼依次對比中美頁巖、四川盆地龍馬溪組頁巖和鄂爾多斯盆地延長組頁巖以及四川盆地不同區塊龍馬溪組頁巖地質特征，發現兩兩之間均存在不小的差異性，我們不能完全照搬美國頁巖氣開采經驗，或將不同沉積環境、不同地理位置的頁巖開發簡單地合并考慮，無論是在開發方面還是處理地下水環境問題方面。