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    四川盆地東南地區龍馬溪組頁巖氣有效保存區綜合評價
    博燃網● 2015-08-12

     受差異構造邊界的制約,四川盆地東南地區(簡稱川東南)中新生代發生差異構造變形,使得保。存條件成為控制該區下古生界頁巖氣富集的主要因素。為此,從制約保存條件的直接原因——構造作用出發,對該區頁巖氣保存條件進行了綜合評價。首先以構造研究為先導,立足于中新生代差異構造變形方式和強度,將評價區劃分為7個構造形變帶,并對各構造形變帶的斷裂規模、斷裂密度、頂底板巖性和厚度、目的層埋深、構造形態和裂縫間距指數等影響因素進行系統揭示,確立頁巖氣有效保存區的評價指標和標準,建立頁巖氣保存條件綜合評價體系。在此基礎上,依據該區頁巖氣保存條件最優評價參數標準,對7個構造形變帶下志留統龍馬溪組頁巖氣的保存條件進行了宏觀評價。結果表明:齊岳山斷裂以西地區的保存條件整體上好于東側;齊岳山.斷裂以東地區,以武隆斷褶帶的保存條件為最好,其次為彭水斷褶帶和黔江斷褶帶,道真疊加斷褶帶、務川I疊加斷褶帶和沿河疊加斷褶帶相對較差。

    關鍵詞四川盆地  東南  頁巖氣  早志留世  保存條件  綜合評價  差異構造變形  強度

    Comprehensive evaluation of effective preservation zone of Longmaxi Formation shale gas in the Southeast Sichuan Basin

    AbstractUnder the differential tectonic boundary constraints,the differential structural deformation occurred in Meso Cenozoic strata in the southeastern part of the Sichuan Basin,and the complex preservation conditions betame a major factor that controls the accumulation of shale gas within the Lower Paleozoic strataThus,based on tectonism which is considered a direct factor restricting the preservation condition,this paper provides an integrated evaluation of preservation conditions of shale gas in this areaFirst,the evaluation zone,led by structure,was divided into seven tectonic deformation belts,based on the mode and intensity of Meso-Cenozoic differential tectonic deformationThe influencing factors for each tectonic deformation belt,such as fracture scale,fracture density,roof and bottom lithology and thickness,buried depth of target layer,structural feature and fracture spacing index,were systematically revealedThe criterion and standard for evaluating the effective preservation zone of shale gas were determined to construct an integrated evaluation system of shale gas preservation conditionThen,the preservation condition of the Lower Silurian Longmaxi Formation shale gas were evaluated macroscopically concerning the seven tectonic deformation belts on the Basis of the optimal evaluation parameter standard for the preservation condition of shale gas in this areaThe result suggests that,the preservation condition appears to be better in the region to the west of the Qiyueshan Fault than to the cast;and in the region to the cast,the Wulong Fault-fold Belt has the best preservation condition,followed by the Pengshui anal Qianjiang Fault-fold Belts,while tile Daozhen,Wuchuan and Yanhe superimposed fault fold belts have relatively worse conditions

    KeywordsSichuan Basin;Southeast;Shale gas;Early Silurian;Preservation condition;Integrated evaluation;Differential tectonic deformation;Intensity

    早志留世龍馬溪期,四川盆地東南部(簡稱川東南)地區處于深水陸棚相,發育與北美克拉通頁巖氣富集條件極為相似的黑色頁巖,為上揚子下古生界頁巖氣有利富集區之一[1-11]。齊岳山斷裂帶東側彭水地區桑柘坪構造,西側涪陵地區焦石壩構造和富順永川區塊的勘探實踐亦揭示川東南地區龍馬溪組頁巖氣資源豐富。但受江南隆起的陸內造山以及太平洋構造域的伸展作用,川東南地區下古生界頁巖自沉積、成巖、成氣以來,發生多期強烈的斷裂褶皺作用[12-17],隆升剝蝕強烈,斷裂極其發育,致使游離氣部分散失,吸附氣部分被置換,使得頁巖氣富集具有與北美頁巖氣相異的個性特征[3,18-19],而頁巖氣保存這一特殊和復雜的地質條件亦成為川東南復雜構造變動區頁巖氣富集的主控因素[20-24]。

    構造作用是制約復雜構造變動區頁巖氣保存的關鍵因素和直接原因,筆者以構造變形為先導,建立起川東南地區斷裂規模、斷裂密度、頂底板巖性和厚度、目的層埋深、構造形態和裂縫間距指數等頁巖氣保存指標和標準,確立頁巖氣保存綜合評價體系,以推動川東南地區下古生界頁巖氣的勘探,并將加深對中國復雜構造變動區頁巖氣聚集條件與富集機理的認識。

    1 地質背景

    川東南地區位于湘鄂西川東斷裂褶皺帶中南段,由一系列被斷層切割的NE向復背斜和復向斜相構成(1)。受差異區域滑脫作用和構造邊界條件的影響,齊岳山斷裂(齊岳山斷層在研究區內未出露,故未標齊岳山斷)將該區分為東西2個小同構造形變區,其東側湘鄂西斷褶帶以厚皮“隔槽式”結構為主,出露下占生界,西側川東斷褶帶為薄皮“隔擋式”結構,以中生界出露為主。晚燕山期,受太平洋構造域作用,東側湘鄂西斷褶帶部分逆斷層在燕山晚期發負反轉成為正斷層。

    2 差異構造變形

    川東南地區主體構造變形受江南隆起向北西方向遞進擴展所控制,同時黔北地區遭受晚期近南北向構造疊加,不同的構造區具差異的構造變形強度和變形方式。

    21 差異構造特征

    211構造單元劃分

    以齊岳山斷裂為界,將川東南地區分為2級構造單元:川東南褶皺帶和湘鄂西黔東北斷褶帶。湘鄂西黔東北斷褶帶中依據NE向構造變形強度劃分為武隆道真構造帶、彭水務川構造帶和黔江沿河構造帶等3個二級構造單元。再根據近南北向構造與NE向構造的疊加,將以二級構造單元進行南北分段,其北段武隆斷褶帶、彭水斷褶帶、西陽斷褶帶斷裂、背斜和向斜均為NNE向;南段則表現為NNE向和近SN向構造的疊加,并且斷裂異常發育,不僅NE向斷層發育,而且近SN向和NW向斷層也發育,NW向斷層切割NE向斷層(1、表1)。

     

     

    奧陶紀晚期早志留世早期,為陸棚、盆地相沉積,暗色頁巖發育。下志留統龍馬溪組中生代中期成氣后[25],受汀南隆起陸內造山的擴展作用,該區中生代中晚期發生強烈斷裂褶皺作用[16],從而致使龍馬溪組頁巖保存條件復雜。

    212差異構造特征

    2121川東南褶皺帶

    川東南褶皺帶位于齊岳山斷裂西側,印支期以來持續收縮變形,構造樣式為隔擋式褶皺,地表斷裂不甚發育。褶皺多為倒轉或斜歪褶皺,軸面傾向南東。

    焦石壩構造為川東南褶皺帶一個重要的含頁巖氣構造,為一箱狀褶皺,轉折端平緩,兩翼為高角度,同時兩翼中斷層較為發育(2)。

     

    2122湘鄂西黔東北斷褶帶

    湘鄂西黔東北斷褶帶位于齊岳山斷裂東側,構造類型為隔槽式褶皺槽擋轉換帶,斷褶作用強烈。

    1)武隆道真構造帶:武隆斷褶帶,該構造帶為槽擋轉換帶,整體構造呈NE向,局部存在近南北向構造,由石柱向斜、老廠坪背斜、牛巖鋪向斜構成。斷層性質多樣,表現為逆斷層和正斷層,其中正斷層多為早期逆沖斷層在晚燕山早喜馬拉雅期的負反轉所形成(2);道真疊加斷褶帶,該構造帶整體呈近南北向,由于受構造疊加影響,多成“S”形,由道真向斜、土城背斜、桃源向斜、三會背斜和青山向斜構成。斷層性質為逆斷層和正斷層,其正斷層既有早期逆沖斷層在晚燕山早喜馬拉雅期的負反轉所形成,也有后期伸展作用的產物。該構造帶中斷層走向空間多樣化,呈近南北向、NE向和NW向,其中NW向斷層切割NE向斷層(3)。

     

    2)彭水務川構造帶:彭水斷褶帶,該構造帶為隔槽式褶皺帶,整體構造呈NE向,其中南部呈近南北向,由鍋場壩背斜、清水溪向斜、郁山背斜、桑柘坪向斜和筲箕灘背斜構成。斷層性質多為正斷層,其成因多為早期逆沖斷層在晚燕山-早喜馬拉雅期的負反轉所形成(2);務川疊加斷褶帶,該構造帶整體構造呈近南北向,由于受構造疊加影響,多成弧形,由龔灘向斜、金雞嶺背斜、黃郎坪向斜和鎮南背斜構成。斷層性質多樣,其正斷層既有早期逆沖斷層在晚燕山早喜馬拉雅期的負反轉所形成,也有后期伸展作用的產物。同道真疊加斷褶帶,該構造帶中斷層走向亦空間多樣化。

    3)黔江沿河構造帶:黔江斷褶帶,該構造帶為隔槽式褶皺帶,整體構造呈NE向,且向NW方向呈弧形突出,由咸豐背斜、濯河壩向斜、天館背斜構成。斷層性質多為傾向NW的正斷層,為早期逆沖斷層在晚燕山早喜嶼拉雅期的負反轉所形成;沿河疊加斷褶帶,該構造帶整體構造呈近南北向,由于受構造疊加影響,多成向SE方向突出的弧形,由銅西向斜、宜居背斜構成。以正斷層為主,多為早期逆沖斷層在晚燕山早喜馬拉雅期的負反轉所形成,斷層走向主要為NE向。

    22 中新生代構造演化

    中生界的地層接觸關系和構造年代學證據顯示,川東南地區構造變形主要發生于晚侏羅世與白堊紀,即燕山期才發生強烈擠壓褶皺變形[16]。

    221早燕山晚燕山早期

    早燕山期構造變形普遍表現為沖斷褶皺構造,川東南地區的構造變形為燕山期的產物,且具有遞進變形的特點。早燕山期構造波及的范圍主要是齊岳山斷裂以東,北東向構造帶形成于該時期;晚燕山早期構造運動前鋒沖斷褶皺構造影響到華鎣山一線,南部疊加的近東西向斷褶是該時期的產物。

    222晚燕山晚期  喜馬拉雅期

    晚白堊世開始,受中國東部區域范圍內伸展作用的影響,川東南地區從壓性環境慢慢轉變為張性環境,逐漸在區內形成張性構造。由于張應力從南東向北西方向逐漸減弱,其正斷層作用僅能斷開至齊岳山,往北西再難形成正斷層,只形成部分不同規模的張節理。

    3 保存條件評價

    保存條件是川東南地區頁巖氣富集的主控因素之一,而構造是引發差異保存條件的關鍵。以構造為先導,強調差異構造作用是致使保存條件復雜化的根本原因,也是進行頁巖氣保存條件評價思路的關鍵。

    31 保存條件評價標準

    為了更好地體現構造對頁巖氣保存的關鍵控制作用,在構造形變區的基礎上,基于差異構造變形,對不同構造帶的保存條件進行評價。關于頁巖氣保存條件評價的思路和方法是:整體構造框架下的宏觀保存體系。整體構造框架強調構造運動是影響保存條件和頁巖氣散失的根本原因,保存條件的研究應首先從各期次的構造運動對保存條件所產生的影響開始。宏觀保存體系指受宏觀構造地質背景控制的區域蓋層、斷裂系統和構造形態所組成的立體封閉體系,斷裂、蓋層條件的好壞以及構造形態是頁巖氣得以富集和保存的最直接的因素。

    構造引發頁巖氣的差異保存條件宏觀上可從斷層作用、頁巖頂板厚度、上覆層厚度、構造形態等來評價。具體評價時采用綜合指標量化加權評分排隊的方法:第一步將參與評價的各保存條件評價參數的好壞進行次序排列,給每一個級次賦以評價值,即1.00,0.75,0.5,0.25,Ⅰ-Ⅱ0.85,Ⅱ-I0.60,Ⅲ-Ⅳ級=0.35;第二步是將每一個評價參數的評價值與評價參數權系數相乘命名為評價參數指標,并將各評價參數指標值相加得綜合評價指標;第二步是按綜合評價指標值的大小進行順序排列。評價參數設置、取值標準和權系數充分考慮研究區復雜的實際地質條件,并結合勘探成果和勘探實踐經驗而確定(2)。

     

    32 保存條件

    321斷裂作用

    3211主于斷裂破壞

    主干斷裂一般指構造邊界大斷層和一些長期活動的深斷裂,其對區內構造邊界的形成、斷褶構造的演化等都具有明顯的控制作用,形成時間一般都較早,起始于印支期  早燕山期,并且后期多次活動,成為控制構造演化的重要因素。將延伸長度超過40km的斷裂認定為主干斷裂,整體北東向延伸。武隆斷褶帶中發育3條主干斷裂:三岔正斷層、火石埡逆斷層、仙女山逆斷層。道真疊加斷褶帶發育1條主干斷裂:大矸壩斷層。彭水斷褶帶發育1條主干斷裂:彭水斷層。務川疊加斷褶帶發育2條主干斷裂:焦壩正斷層、興隆雙龍廠走滑斷層。黔江斷褶帶發育1條主干斷裂:銅鼓逆斷層(4)。

     

    除務川疊加斷褶帶中的興隆雙龍廠走滑斷層,各主干斷層印支期早燕山期就開始發育,持續至早喜馬拉雅期,且在晚燕山早喜馬拉雅期發生負反轉。主干斷裂的長期活動和分布程度反映了構造的多次活動及其強度,溫泉也常沿著這些斷裂分布。因此長期活動的主干斷裂異常發育對油氣的保存來說一般是不利的。

    3212斷層密度

    印支期至中燕山期川東南地區發生多期構造的聯合與復合,其中道真疊加斷褶帶、務川疊加斷褶帶、沿河疊加斷褶帶不僅遭受SENW方向的擠壓作用,同時還遭受SWNE方向的應力作用,且燕山晚期喜馬拉雅早期,該區進入了中國東部的伸展作用階段,發育大量的張性正斷層。由于構造作用的差異性,斷層的發育區塊分布規律明顯、強度也有稽可查。道真疊加斷褶帶、務川疊加斷褶帶、沿河疊加斷褶帶為NENW向構造疊合區,斷裂密度大,而彭水斷褶帶和黔江斷褶帶斷層密度較小,川東南褶皺帶和武降斷褶帶中地表儀發育少量小規模斷裂(1)。

    322頂底板有效性

    川東南地區五峰組龍馬溪組頁巖氣頂板為龍馬溪組上啞段泥頁巖、含砂泥頁巖,底板為臨湘組和寶塔組石灰巖,與Barnetl頁巖及頂底板地層結構類似。其空間分布穩定,其在桑柘坪向斜中厚度為90130m,且垂向滲透率低[26],可構成有效封蓋。底板為臨湘組  寶塔組致密石灰巖,空間分布穩定,厚度范圍為3050m。

    323上覆層厚度

    上覆巖層厚度制約氣體滲濾散失和阻止擴散速度。Leythaeuscr曾對荷蘭哈林根氣田統計分析發現,上覆巖層厚度減小100m,則天然氣儲量減少12的時間為40×104a。齊岳山以西上覆層厚度最大,可達6050m。武隆向斜上覆巖層厚度可達4250m,其次為武隆的白馬向斜,上覆巖層最厚為3650m,上覆巖層厚度最薄的是彭水桑拓坪向斜,厚度僅為2600m(4)。整體上,晚白堊世以來川東南地區自南東向北西剝蝕強度逐漸減弱,上覆層厚度則逐漸增厚。

    324構造形態

    四川盆地及周緣地區白堊紀以來發生強烈隆升剝蝕作用,從而造成五峰組龍馬溪組的地層埋藏深度變淺,地層壓力減小,頁巖吸附能力減弱,即大量吸附氣轉化為游離氣。含氣量測試顯示,彭頁l井含氣頁巖核心段游離氣占總含氣量的38.52%,焦頁1井含氣頁巖核心段游離氣超過總含氣量的50%。

    如若使得游離氣有效聚集,需有類似于常規油氣勘探正向構造,只有這些正向構造的存在,才能不至于使得游離氣被大量逸散。四川盆地的頁巖氣勘探亦昆示,寬緩型背斜和寬緩型向斜部位頁巖氣井產氣量相對較高。焦石壩構造為箱狀褶皺,富順永川區塊的陽101井亦位于寬緩背斜之上,壓裂日產氣43×104m3。齊岳山斷裂以東由于晚白堊世以來的強烈隆升剝蝕,龍馬溪組主要分布于向斜構造中,即齊岳山斷裂以東頁巖氣富集的構造形態主要為向斜,而以西則為背斜。

    325裂縫間距指數

    巖石斷裂變形過程中不僅形成斷層,同時還發育大量裂縫,而裂縫的密度以及破裂深度直接反應巖層破裂程度。含氣頁巖上覆巖層破裂發育程度越高,則對下伏巖層的封存能力也就越弱。Ruf評價賓夕法尼亞HuntingdonBroadtop向斜中泥盆系Brallicr組巖層的破裂發育程度時,提出了FSI指數法皚[27]。FSI指數是依據破裂間距和破裂切層深度做出的相關系數,FSI指數越大,表示裂縫密度越大,破裂穿切巖層的厚度也就越大,那么巖層破碎程度越高,封存能力也隨之減弱。

    野外裂縫實測數據顯示:涪陵地區FSI指數為1.2536、武隆地區FSI指數為3.2679、彭水地區FSI指數為5.3955、道真地FSI指數為9.4767(5)。從計算結果來看,FSI指數存在較大的差異,靠近四川盆地最近的區域涪陵最小,其次是武隆地區、彭水地區,最大的是靠近金佛山菱形構造區域頂端部位的道真地區。數據的差異也說明了各個區域破裂發育程度也是不盡相同。其次涪陵裂縫多為小型層內裂縫,穿切巖層厚度不大,道真則多見“通天”破裂。

     

    依據Ruf的觀點,道真區域破裂發育程度最高,其次為彭水和武隆區域,上覆巖層完整程度最好的是涪陵地區。就破裂程度來看,全區由南至北、由東至西破裂發育程度逐漸減弱,上覆蓋層的封蓋性也相對變好。

    33 保存條件綜合評價

    從斷裂作用、頂底板有效性、上覆層厚度、構造形態以及裂縫間距指數等方面來揭示川東南地區的各構造形變區頁巖氣宏觀保存條件。評價結果顯示各構造形變區宏觀頁巖氣保存條件綜合評價指標值介于0.42500.7875。其中川東南褶皺帶綜合評價指標最高,為0.7875,其次為武隆斷褶帶0.5875,再次為彭水斷褶帶和黔江斷褶帶,綜合評價指標為0.525,最后為道真疊加斷褶帶、務川疊加斷褶帶和沿河疊加斷褶帶,綜合評價指標為0.425(3)。

     

    空間上齊岳山斷裂以東整體封閉保存條件都不是分的理想,而且武隆彭水一線以南構造疊加帶保存條件最差。

    4 結論

    1)以齊岳山斷裂為界,將川東南地區分為川東南褶皺帶和湘鄂西黔東北斷褶帶2個一級構造單元。其中湘鄂西黔東北斷褶帶可劃分出武隆道真構造帶、彭水務川構造帶和黔江  沿河構造帶等3個二級構造單元,再根據構造疊加特征,將以上二級構造單元進一步劃分為6個三級構造單元。

    2)東南褶皺帶以褶皺作用為主,變形較弱。武隆斷褶帶、彭水斷褶帶和黔江斷褶帶早燕期斷裂褶皺作用強烈,地層剝蝕強度大。道真疊加斷褶帶、務川疊加斷褶帶和沿河疊加斷褶帶燕山南北向構造與北東向構造疊加,加之晚燕山至早喜馬拉雅期的伸展作用,斷層密度大,構造變形復雜。

    3)立足于構造作用對頁巖氣保存的直接制約,從斷層作用、頁巖頂板厚度、上覆層厚度、構造形態和裂縫間距指數等建立起綜合評價指標,各指標的相應權重為0.25、0.25、0.2、0.20.1。同時各保存條件評價參數劃分4個等級,并賦以評價值,即1.00,0.75,0.5,IV0.25。

    4)保存條件評價結果顯示,川東南褶皺帶宏觀保存條件最好,其次為武隆斷褶帶,再次為彭水斷褶帶和黔江斷褶帶,最后為道真疊加斷褶帶、務川疊加斷褶帶和沿河疊加斷褶帶。

     

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    本文作者:湯濟廣  李豫  汪凱明  齊澤宇

    作者單位:長江大學地球科學學院

      非常規油氣湖北省協同創新中心·長江大學

      中國白化中原油田分公司采油二廠

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