李 桃,楊貴來(lái),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(jì)研究院,四川 成都 610072;2.頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)與開采四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610091;3.中國(guó)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(yè)巖氣,我國(guó)學(xué)者對(duì)中國(guó)南方的龍馬溪組頁(yè)巖開展了大量有關(guān)沉積、烴源巖、古生物、儲(chǔ)層、富集模式等評(píng)價(jià)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(biāo)的評(píng)價(jià)與研究有效地促進(jìn)構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)或者保存條件較好的區(qū)域頁(yè)巖氣大規(guī)模的勘探開發(fā)。隨著中國(guó)南方頁(yè)巖氣勘探“向深層”和“向盆外”兩個(gè)方向的發(fā)展,頁(yè)巖氣富集因素研究的不斷深入,中國(guó)海相頁(yè)巖氣與北美頁(yè)巖氣富集的差異性也隨之表現(xiàn)得越明顯。中國(guó)南方頁(yè)巖氣的地質(zhì)條件要比北美復(fù)雜得多,頁(yè)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(qiáng)隆升、強(qiáng)剝蝕和強(qiáng)變形等多期構(gòu)造改造(劉樹根等,2011,2016;程克明等,2009)。越來(lái)越多的學(xué)者也注意到中國(guó)南方頁(yè)巖氣有其自身客觀條件和特殊的評(píng)價(jià)方法。近年來(lái),眾多學(xué)者對(duì)頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)已經(jīng)由早期的靜態(tài)指標(biāo)評(píng)價(jià)向靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)因素綜合評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變。頁(yè)巖本身例如有機(jī)碳等靜態(tài)指標(biāo)不再是頁(yè)巖氣富集差異的主因,而現(xiàn)今頁(yè)巖的分布、保存及其經(jīng)歷的構(gòu)造演化過(guò)程,才是決定因素(郭彤樓,2016)。

上世紀(jì)90年代以來(lái),中石油等多家單位在西昌盆地開展了油氣地質(zhì)綜合評(píng)價(jià),針對(duì)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(yùn)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?zhàn)越o等,2004)等方面對(duì)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(duì)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(yè)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(yè)巖,具有發(fā)育頁(yè)巖氣儲(chǔ)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(lái),發(fā)生了強(qiáng)烈隆升、擠壓變形和走滑運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致西昌盆地演化成幾個(gè)次級(jí)構(gòu)造組成的殘余盆地。多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)頁(yè)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(qiáng)改造區(qū)尋找頁(yè)巖氣保存有利區(qū)是西昌盆地龍馬溪組頁(yè)巖氣勘探的重要問(wèn)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(duì)西昌盆地五峰組—龍馬溪組的頂?shù)装鍡l件、構(gòu)造變形強(qiáng)度、裂縫發(fā)育、地層壓力與含氣性特征等保存條件進(jìn)行了深入分析,優(yōu)選了保存條件有利區(qū),為該區(qū)頁(yè)巖氣勘探和類似構(gòu)造區(qū)保存條件的評(píng)價(jià)提供借鑒。

1 地質(zhì)概況

西昌盆地位于揚(yáng)子地塊西緣和青藏高原東緣的交接部位,經(jīng)歷了長(zhǎng)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(dòng)和晚三疊世以來(lái)自西向東逆沖擠壓-走滑活動(dòng)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(dá)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(zhǎng)構(gòu)造盆地,中生代以來(lái)盆地面積約1.6萬(wàn)平方千米?，F(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(rèn)為西昌盆地亦為受構(gòu)造強(qiáng)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(gè)凹陷組成(圖1)。

圖1 西昌盆地地質(zhì)簡(jiǎn)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(jī)質(zhì)泥頁(yè)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(yè)巖及粉砂巖,局部夾灰黑色薄層狀泥灰?guī)r,微細(xì)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(dá)90m。其巖性為灰黑色薄層鈣質(zhì)頁(yè)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(jī)質(zhì)泥頁(yè)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(yè)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(jí)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(duì)盆地的控制作用、對(duì)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(gè)等級(jí)(圖4)。

圖4 西昌盆地?cái)嗔逊植紙DFig.4 Distribution of faults in Xichang Basin

一級(jí)斷裂,即一級(jí)控盆斷裂,斷裂對(duì)盆地和區(qū)域地層具有明顯的控制作用,同時(shí)區(qū)域上表現(xiàn)為深大斷裂,區(qū)域上延伸長(zhǎng)遠(yuǎn)、斷距大,構(gòu)造活動(dòng)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(duì)頁(yè)巖氣保存影響最大。二級(jí)斷裂主要為次級(jí)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(shí)對(duì)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(jí)斷層主要為盆內(nèi)次級(jí)斷層,錯(cuò)切二級(jí)斷裂或與二級(jí)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(jí)斷層主要指露頭尺度的斷層,一般延伸短、斷距小,無(wú)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(yè)巖氣保存條件

2.1 頂?shù)装鍡l件

頂?shù)装鍡l件是阻礙頁(yè)巖氣垂向運(yùn)移散失的關(guān)鍵因素,也影響著頁(yè)巖氣開發(fā)過(guò)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(duì)不發(fā)育,對(duì)頁(yè)巖氣的垂向逸散起到阻擋作用,可以認(rèn)為該頁(yè)巖層系的頂?shù)装鍡l件較好。一般來(lái)說(shuō),泥頁(yè)巖、致密砂巖和膏巖層等均可作為頁(yè)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(yè)巖,由西向東增厚,底部主要為黑色碳質(zhì)頁(yè)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(xì)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(shuō)明大箐組有過(guò)短暫地處于蒸發(fā)相的過(guò)程,主體為碳酸鹽巖臺(tái)地相沉積。通過(guò)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(tái)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(diǎn),但成縫和溶蝕作用對(duì)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(chǔ)集空間,成為天然氣富集的良好場(chǎng)所(李天生,1989)。

頁(yè)巖層的頂板條件則相對(duì)復(fù)雜,龍馬溪組有機(jī)質(zhì)含量較高,其脆性礦物含量也較低,地層塑性相對(duì)較強(qiáng)、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(yè)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(yè)巖氣的垂向逸散,為有利的頁(yè)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(duì)于下伏志留系龍馬溪組是良好的區(qū)域蓋層?？傮w來(lái)說(shuō),西昌盆地五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣頂?shù)装鍡l件較好(圖7)。

圖6 五峰組—龍馬溪組頁(yè)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(yè)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(qiáng)度

綜合前人研究成果,在盆地內(nèi)實(shí)測(cè)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(qiáng)烈左旋走滑運(yùn)動(dòng)。基于平衡剖面原理,根據(jù)物質(zhì)守恒定律認(rèn)為變形前后巖石總體積不變,其面積守恒和層長(zhǎng)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(biāo)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(zhǎng)137.4km,恢復(fù)斷裂產(chǎn)生的縮短量再展開后的長(zhǎng)度約168.4km,縮短量為31km,縮短率為18%(圖8A)。西 昌—雷 波 剖 面 全 長(zhǎng)184.8km,恢復(fù)斷裂產(chǎn)生的縮短量再展開后的長(zhǎng)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(shuō)明總體縮短方向?yàn)榻麰W向,但是褶皺軸的彎曲會(huì)使得EW向剖面與實(shí)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(huì)大于30°。通常如果地質(zhì)剖面的方向與實(shí)際縮短方向之間的偏差不超過(guò)30°,縮短量的誤差不會(huì)超過(guò)縮短量的15%。由此計(jì)算得知,美姑-喜德剖面縮短誤差不會(huì)超過(guò)4.6km,西昌-雷波剖面誤差不超過(guò)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(qiáng)度較弱。

圖8 西昌盆地實(shí)測(cè)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(duì)西昌盆地內(nèi)部構(gòu)造變形進(jìn)行過(guò)分析(陳長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度約63km,縮短量為15km,縮短率為17.8%;總體表明整個(gè)西昌盆地內(nèi)部構(gòu)造變形較弱。

構(gòu)造作用會(huì)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(jí)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(yè)巖保存條件越差?；谇叭说难芯砍晒晚?yè)巖氣勘探實(shí)踐,傾角指數(shù)＜3,屬于頁(yè)巖氣保存有利區(qū);傾角指數(shù)≥3,即地層產(chǎn)狀≥30°頁(yè)巖氣保存條件變差。

通過(guò)大量野外地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)的實(shí)測(cè)工作,同時(shí)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(gè),通過(guò)等值線分析能夠較好地反映西昌盆地地層傾角展布實(shí)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(qiáng)度的差異。因此,將地層傾角等值線圖可作為評(píng)判構(gòu)造變形強(qiáng)度的參考指標(biāo)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(duì)沖帶或走滑擠壓帶,變形強(qiáng)烈,地層發(fā)生較強(qiáng)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(shí)沿?cái)嗔褞騼杀P延伸有劈理密度減弱的趨勢(shì)。通過(guò)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(gè),這與西昌盆地的5個(gè)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(dá)80°以上(圖9)。因此,認(rèn)為西昌盆地內(nèi)斷裂的改造是控制變形強(qiáng)度的主要因素,通常斷裂帶附近表現(xiàn)為強(qiáng)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(rèn)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(qiáng)烈的斷裂破碎作用對(duì)頁(yè)巖氣藏具有顯著的破壞作用,強(qiáng)烈的構(gòu)造變形造成頁(yè)巖氣層和頂?shù)装逯辛芽p發(fā)育,進(jìn)而導(dǎo)致頁(yè)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(rèn)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(jìn)行統(tǒng)一研究。

西昌盆地的龍馬溪組頁(yè)巖在烏科牧場(chǎng)露頭較好,頂?shù)卓梢?。通過(guò)對(duì)烏科牧場(chǎng)剖面進(jìn)行測(cè)量,發(fā)現(xiàn)該剖面頁(yè)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(shí)期形成近東西走向的較陡裂縫,較晚時(shí)期形成近東西向緩傾的裂縫,最后發(fā)生區(qū)域隆升過(guò)程中,發(fā)生了不規(guī)則拉張裂縫。這兩種裂縫對(duì)頁(yè)巖氣在目的層內(nèi)的運(yùn)移起到了路徑的作用。

圖10 烏科牧場(chǎng)龍馬溪組底部(左)和中部(右)頁(yè)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(gè)別被高角度裂縫切割,裂縫微細(xì)—較細(xì)(寬約0.01～0.2mm),垂直于層面,不規(guī)則,平直或彎曲,延伸遠(yuǎn),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(cè),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(shí),在埋深2376m處龍馬溪組泥頁(yè)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(shí)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(dòng),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(dòng)有關(guān)。綜上所述,布地1井主要發(fā)育3個(gè)期次的方解石裂隙。通過(guò)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(yè)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(shuō)明地層間的連通性較差,這對(duì)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)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(qiáng)烈的構(gòu)造隆升、褶皺變形和斷裂破壞致使獨(dú)立、封閉的頁(yè)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(guò)地層壓力特征來(lái)表征頁(yè)巖氣保存條件。地層壓力系數(shù)是頁(yè)巖氣保存條件評(píng)價(jià)的綜合指標(biāo)之一(舒逸等,2018;姚雪根,2007;鄧祖佑等,2000)。近年來(lái)的頁(yè)巖氣勘探實(shí)踐證明,高壓發(fā)育是頁(yè)巖氣保存條件良好的充分條件之一,頁(yè)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(guò)程中在頂?shù)装搴湍康膶游窗l(fā)生井漏,測(cè)得地層壓力系數(shù)為1.02,現(xiàn)場(chǎng)解析實(shí)驗(yàn)測(cè)得頁(yè)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(lái)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(duì)較高且埋深適中的區(qū)域開展頁(yè)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(yè)巖氣氣體組分也可間接指示地層的封閉性,常用指標(biāo)為天然氣組分中CO2和N2含量和來(lái)源;當(dāng)天然氣組分中CO2和N2含量較高且為無(wú)機(jī)成因時(shí),表明地層與大氣之間的連通性較好。分析布地1井的頁(yè)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(lái)源為有機(jī)質(zhì)熱解,N2應(yīng)來(lái)源于地殼超深部和上地幔,并非大氣來(lái)源。中外勘探開發(fā)成功盆地的頁(yè)巖氣組分分析結(jié)果顯示,Michigan盆地的Antyim頁(yè)巖和Appalachian盆地的Ohio頁(yè)巖氣組分中N2含量為42%～90%,表明其頁(yè)巖層與大氣的連通性較好,保存條件較差;而Fortworth盆地頁(yè)巖氣組分中N2含量為0.98%～7.56%,表明其頁(yè)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(yè)巖氣組分中N2含量與Fortworth盆地相當(dāng),表明其頁(yè)巖層與大氣的連通性較差,保存條件良好。

3 保存條件評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)西昌盆地實(shí)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(biāo),對(duì)西昌盆地龍馬溪組頁(yè)巖氣保存條件進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)(胡東風(fēng)等,2014;何偉等,2021;Zeng et al.,2013;Guo et al.,2015;Guo et al.,2017;湯濟(jì)廣等,2015)(表1)。

表1 西昌盆地頁(yè)巖氣保存綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table1 Comprehensive evaluation index system of shale gas preservation in Xichang Basin

構(gòu)造作用的影響通過(guò)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(lái)表征。構(gòu)造變動(dòng)產(chǎn)生的次生裂縫和引起的地層壓力釋放,加劇頁(yè)巖內(nèi)部氣體的擴(kuò)散和逃逸,對(duì)于頁(yè)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(duì)較小,向斜核部埋深較大,裂縫相對(duì)不發(fā)育,利于頁(yè)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(yè)巖氣藏遭受破壞。

3.2 保存有利區(qū)評(píng)價(jià)

西昌盆地勘探程度及研究程度較低,目的層龍馬溪組頁(yè)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(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖為目標(biāo),對(duì)西昌盆地頁(yè)巖氣的保存條件進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),在西昌盆地優(yōu)選出昭覺和布拖2個(gè)頁(yè)巖氣有利區(qū),為頁(yè)巖氣勘探開發(fā)最有潛力的區(qū)塊(圖13)。

圖13 西昌盆地頁(yè)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(duì)較陡,地層傾角一般為30°～65°;東翼地層相對(duì)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(duì)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(shí)測(cè)剖面有機(jī)地化實(shí)驗(yàn)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(shì);富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖段厚度在20～30m之間;熱演化程度在2.5%～3.5%,處于高—過(guò)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(shì)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(duì)簡(jiǎn)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(zhǎng)35～40km,軸面走向北北西,傾向80°,傾角60°～45°,褶皺形態(tài)不對(duì)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(shí)測(cè)剖面及有機(jī)地化實(shí)驗(yàn)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(shì);富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖段厚度在20～30m之間;熱演化程度在2.5%～3.5%,處于高—過(guò)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(shì)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(qiáng)度的主要因素,通常斷裂帶附近表現(xiàn)為強(qiáng)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(rèn)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(yè)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(gè)盆地內(nèi)部構(gòu)造變形強(qiáng)度較弱。

(3)盆地南部布拖區(qū)域,龍馬溪組頁(yè)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(guò)與構(gòu)造作用關(guān)系密切的構(gòu)造樣式、變形強(qiáng)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(duì)西昌盆地五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣保存條件進(jìn)行評(píng)價(jià),在西昌盆地優(yōu)選出昭覺和布拖2個(gè)頁(yè)巖氣有利區(qū)。