馬 龍，徐學(xué)金，閆劍飛，曹竣鋒，門玉澎，淡 永，熊國慶，孫媛媛，鄧 奇，楊 菲

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)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.湖北省地質(zhì)局第六地質(zhì)大隊，湖北 孝感 432100；4.中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，廣西 桂林 541004）

在國際能源價格大幅震蕩和“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)背景下，清潔、低碳的頁巖氣作為化石能源向新能源過渡的“橋梁”之一（鄒才能等，2016），對保障國家能源安全和調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)具有十分重要的作用。中國南方海相頁巖氣資源豐富，中上揚子地區(qū)的早寒武世筇竹寺期和晚奧陶世赫南特晚期至早志留世魯?shù)て诘母挥袡C質(zhì)頁巖分布廣泛、展布穩(wěn)定（牟傳龍等，2011），具有極大的勘探開發(fā)潛力。涪陵、威遠(yuǎn)、威榮、長寧、昭通和太陽等頁巖氣田（郭旭升，2014；金之鈞等，2016；梁興等，2017；馬新華等，2018）的發(fā)現(xiàn)與投產(chǎn)，標(biāo)志著五峰組—龍馬溪組已實現(xiàn)了頁巖氣的高效勘探與開發(fā)，而下寒武統(tǒng)牛蹄塘組，盡管具備良好的頁巖氣成藏物質(zhì)基礎(chǔ)，但仍未獲得實質(zhì)性勘探突破，目前僅在四川盆地威遠(yuǎn)—犍為及湖北宜昌地區(qū)獲工業(yè)氣流（趙文智等，2016；王朋飛等，2018；王玉芳等，2018）。為探索海相頁巖氣富集差異性原因，國內(nèi)學(xué)者從頁巖氣富集主控因素、富集模式及分布規(guī)律等方面開展了諸多卓有成效的研究（郭旭升，2014；王志剛，2015；鄒才能等，2015；郭彤樓，2016；何治亮等，2017；龐河清等，2019）。最初側(cè)重因素分析，如郭旭升（2014）提出的復(fù)雜構(gòu)造區(qū)海相頁巖氣“二元富集”規(guī)律；王志剛（2015）提出的海相頁巖氣“三元富集”理論；鄒才能等（2015）提出的頁巖氣“構(gòu)造型甜點”和“連續(xù)型甜點區(qū)”富集模式。后續(xù)強調(diào)過程評價，如郭彤樓（2016）提出的中國式頁巖氣的富集機理（“沉積相帶與保存條件”控藏，“構(gòu)造類型與構(gòu)造作用過程”控富）；何治亮等（2017）提出的頁巖氣“建造—改造”評價思路；龐河清等（2019）賦予王志剛“三元富集”理論動、靜態(tài)結(jié)合的概念（優(yōu)相控源、適演控位、良存控富）?？v觀上述頁巖氣富集規(guī)律認(rèn)識，與五峰組—龍馬溪組相比，牛蹄塘組頁巖氣在富集成藏方面存在兩大不利因素，即過高的熱演化程度和整體較差的保存條件（王濡岳等，2016a；趙文智等，2016；顧志翔等，2017；郗兆棟等，2018；高波等，2020；李智文等，2020；梁峰等，2022）。在綜合威遠(yuǎn)牛蹄塘組頁巖氣發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，翟剛毅等（2017）提出“古老隆起邊緣控藏模式”（古隆起周緣古老頁巖層系埋藏深度適中、抬升較早、構(gòu)造變形較弱，逆沖推覆體下盤保存條件較好），實現(xiàn)了宜昌地區(qū)寒武系頁巖氣的重大發(fā)現(xiàn)，為南方古老層系頁巖氣勘查提供了新思路和有益經(jīng)驗借鑒。

近年來，古隆起周緣頁巖氣勘探開發(fā)研究主要集中于我國南方的中上揚子地區(qū)，北美因頁巖氣資源稟賦好，地質(zhì)條件相對穩(wěn)定，頁巖氣勘探理論以生烴能力和可壓裂性為核心（郭旭升等，2022），相關(guān)研究尚未涉及。中上揚子地區(qū)有關(guān)雪峰古隆起（劉忠寶等，2017；Xi et al.，2019；彭中勤等，2019；苗鳳彬等，2019；2020；李智文等，2020；劉安等，2021a；2021b；李海等，2022；劉雯等，2022）和宜昌黃陵古隆起（翟剛毅等，2017；2020；Bao et al.，2018；羅勝元等，2019a；2019b；2019c；2020a；2020b；何 晶 等，2020；陳科等，2020；Wei et al.，2020；劉早學(xué)等，2022）的研究較多，威遠(yuǎn)古隆起也開展了進(jìn)一步的分析總結(jié)（王鵬威等，2019；Zhang et al.，2020；梁峰等，2022），漢南-米倉山古隆起報道了牛蹄塘組頁巖氣地質(zhì)條件與含氣性特征（陳相霖等，2018；2019）。與黃陵古隆起相比，雪峰古隆起周緣的牛蹄塘組頁巖熱演化程度同樣較低（彭中勤等，2019；Ge et al.，2020），富有機質(zhì)頁巖層系的厚度規(guī)模更大，但在勘探程度相對較高的雪峰西緣，一直未取得實質(zhì)性進(jìn)展，有學(xué)者推斷，該區(qū)控制頁巖氣富集的關(guān)鍵因素并非頁巖的熱演化程度和烴源巖規(guī)模，而是復(fù)雜的構(gòu)造保存條件（李智文等，2020；劉安等，2021），區(qū)域勘探前景較差。與雪峰西緣相比，雪峰西南緣因所處位置不同，牛蹄塘組頁巖層系的沉積環(huán)境、演化歷史、構(gòu)造強度及隆升幅度等存在差異。受勘探程度與資料限制，前人研究多限于某口井（盧樹藩和陳厚國，2017；顧志翔等，2017；劉忠寶等，2017；Ge et al.，2020）、某一區(qū)塊（王濡岳等，2016a）或某種方法（魏肖等，2018；伍耀文等，2019），系統(tǒng)性的頁巖氣富集因素分析較為欠缺，嚴(yán)重制約了該區(qū)域牛蹄塘組頁巖氣的選區(qū)評價。因此，本文依托野外剖面、巖心觀察及測試分析等資料，結(jié)合近年研究成果和勘探實踐，借鑒頁巖氣“建造-改造”評價思路，從沉積環(huán)境、演化歷史、保存條件等方面探討雪峰西南緣牛蹄塘組頁巖氣富集規(guī)律，以期為研究區(qū)下一步勘探部署提供可靠依據(jù)，也為相似地質(zhì)條件下的頁巖氣選區(qū)評價提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于雪峰隆起西南緣（圖1a）。雪峰古隆起屬于江南造山帶的西段，是以晚前寒武紀(jì)淺變質(zhì)巖系為主體的隆起帶，總體以北西向突出的弧形特征展布于揚子陸塊東南（梅廉夫等，2012；鄧大飛等，2014）。在埃迪卡拉紀(jì)晚期—早寒武世初期，伴隨華南古大陸進(jìn)一步拉張，揚子陸塊東南為被動大陸邊緣盆地（Yeasmin et al.，2016）。至早寒武世筇竹寺期，海底擴張導(dǎo)致全球海平面迅速上升，燈影組沉積期的碳酸鹽臺地被淹沒，沉積環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)殚L期穩(wěn)定的深水陸棚環(huán)境，形成了一套沉積厚度大、有機質(zhì)含量高的“被動陸緣型”暗色泥頁巖沉積建造（燕繼紅等，2016），該時期牛蹄塘組巖性組合以黑色富有機質(zhì)頁巖為主，中上部夾黃綠或灰綠色砂質(zhì)頁巖，與下伏燈影組白云巖或老堡組硅質(zhì)巖呈整合或平行不整合（局部）接觸。

研究區(qū)牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖沉積后，經(jīng)歷了5次主要構(gòu)造運動（徐政語等，2010；金寵等，2012）。其中，加里東運動（都勻、廣西運動）是重要的陸內(nèi)造山事件，雪峰隆起在此階段開始隆升，并于加里東末期成為古陸遭受剝蝕（梅廉夫等，2012）。雪峰西南緣也隨之進(jìn)入隆起發(fā)育階段，結(jié)束了海盆沉積，麻江、凱里古油藏形成。晚古生代為相對動蕩的陸表海沉積，受二疊紀(jì)大規(guī)模海侵影響，雪峰隆起與其周緣一致，整體發(fā)育了穩(wěn)定的碳酸鹽巖臺地沉積，不存在古陸剝蝕區(qū)（李聰?shù)龋?011）。海西運動主要表現(xiàn)為升降運動，發(fā)育多個平行不整合。印支—燕山運動使雪峰隆起形變?yōu)檠┓逋聘搀w，并于晚侏羅世—早白堊世定型（李仲東等，2006）。雪峰西南緣因印支運動結(jié)束了海相沉積歷史，進(jìn)入陸相盆地發(fā)育階段，下古生界烴源巖也進(jìn)入生氣階段。燕山、喜山運動造成大面積的抬升剝蝕，以東部、北部最為劇烈，加里東期形成的古油藏破壞殆盡（王偉鋒等，2014）。在上述多期構(gòu)造運動疊加影響下，研究區(qū)內(nèi)形成了現(xiàn)今以隔槽式褶皺為主的構(gòu)造樣式（圖1b），牛蹄塘組頁巖氣的生成、富集與保存過程也變得更為復(fù)雜。

圖1 研究區(qū)所處大地構(gòu)造位置（a）與地質(zhì)簡圖（b）Fig.1 The tectonic location（a）and the simplified geological map（b）of the study area

2 頁巖氣富集規(guī)律

頁巖氣等非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)的成功，只是突破了早期常規(guī)儲集層下限和傳統(tǒng)的圈閉成藏觀念，突破了油氣資源“峰值論”、“枯竭論”（馬永生等，2018），頁巖氣富集成藏依然遵從油氣成藏的基本規(guī)律（郭旭升等，2016）。頁巖氣的形成、富集乃至破壞散失過程可分為地質(zhì)建造作用和地質(zhì)改造作用，“建造”指頁巖的原始沉積條件和成巖過程，“改造”指頁巖達(dá)到最大埋深后的構(gòu)造變形改造與抬升剝蝕（何治亮等，2017）。

2.1 深水陸棚相的優(yōu)質(zhì)頁巖是富集的基礎(chǔ)

沉積環(huán)境決定了有機質(zhì)含量、類型、礦物組成比例、厚度、孔滲性等頁巖氣基本地質(zhì)要素特征（牟傳龍等，2016a），即頁巖氣地質(zhì)建造作用控制著其成藏基礎(chǔ)物質(zhì)條件的分布規(guī)律。從沉積成因角度來看，筇竹寺期的雪峰、威遠(yuǎn)和黃陵古隆起及周緣分別對應(yīng)陸架邊緣斜坡、棚內(nèi)拉張槽和臺地前緣斜坡三種類型。

2.1.1 沉積環(huán)境與厚度分布

受早寒武世初期大規(guī)模海侵的影響，中上揚子地區(qū)大部分被海水超覆，除四川盆地內(nèi)的綿陽—長寧拉張槽外（劉樹根等，2013；2016），從北西至南東總體呈現(xiàn)出由濱岸向陸棚凹陷過渡的特征（圖2a），且在黔中向靠近陸棚凹陷一帶疊加海相熱水沉積事件（羅超，2014）。雪峰隆起西南緣總體處于深水陸棚沉積環(huán)境，以銅仁—三都控相斷裂為界線（吳根耀等，2012），南東為水體更深的陸棚凹陷，北西受晚震旦世隆凹相間的古地理格局影響，制約了富有機質(zhì)頁巖的厚度分布（圖2b，圖3）。如龍里地區(qū)鉆探揭示富有機質(zhì)頁巖厚度僅5～20m（張培先，2017），而丹地1井、麻頁1井、黔山1井、黃頁1井、黃地1井、鎮(zhèn)頁1井等鉆遇富有機質(zhì)頁巖厚度為81～112m，與都地1井相比，丹地1井中牛蹄塘組上、下地層的碳酸鹽巖厚度也明顯減薄。陸棚凹陷環(huán)境的資料有限，三都梁家溝與水碾剖面富有機質(zhì)頁巖厚度大于140m，區(qū)域上可與湘西沅麻盆地的牛蹄塘組對比（彭中勤等，2019）。陸棚內(nèi)拉張槽型和臺地前緣斜坡型富有機質(zhì)頁巖厚度相對較薄，威遠(yuǎn)地區(qū)金頁1井頁巖TOC大于1%的厚度為14m，TOC大于2%的厚度僅為5m，宜昌地區(qū)宜地2井頁巖TOC大于2%的厚度為24m（高波等，2020）。

在故障研究中，可以通過分析這些波形來估計故障線路末端的電壓和電流、電源和負(fù)載參數(shù)、故障位置、故障起始角、故障前負(fù)載等。利用電容電壓互感器（CVT）、抗混疊低通濾波器和A/D轉(zhuǎn)換過程，可對故障線路兩端的模擬電壓波形進(jìn)行修正。

圖2 雪峰隆起西南緣寒武紀(jì)牛蹄塘期古地理圖（據(jù)羅超，2014；牟傳龍等，2016b修改）Fig.2 Paleogeography of the Niutitang epoch，the southwestern margin of Xuefeng uplift（modified from Luo，2014；Mu et al.，2016b）

2.1.2 有機地球化學(xué)特征

研究區(qū)牛蹄塘組頁巖有機碳含量（TOC）值普遍大于2.0%，一般介于3.0%～7.0%之間（圖2，表1）。都地1井與丹地1井中牛蹄塘組頁巖TOC縱向變化明顯，總體呈由下向上減少，或者上下段分界明顯，下段高值為主，上段低值居多，最優(yōu)質(zhì)的烴源巖集中于牛蹄塘組中下部，麻江基東與三都梁家溝剖面也具有相似的特征（圖3），與丹寨南皋（羅超等，2014a）及三都渣拉溝（騰格爾等，2008）的結(jié)果較為一致。從區(qū)域上來看，牛蹄塘組頁巖有機質(zhì)豐度具有自西向東增高的趨勢，平面上平塘—都勻—黃平—石阡一線以東為有機碳高值區(qū)，有機碳含量普遍大于4.0%。威遠(yuǎn)地區(qū)TOC介于0.4%～3.4%，宜昌地區(qū)TOC介于0.52%～5.96%，TOC含量總體上均低于雪峰西南緣。

圖3 研究區(qū)下寒武統(tǒng)暗色泥頁巖厚度對比Fig.3 Thickness of dark shale in the Lower Cambrian in the study area

都地1井牛蹄塘組烴源巖干酪根δ13C值（PDB，下同）為-34.67‰～-30.27‰，平均為-33.23‰（n＝17）；基東剖面烴源巖干酪根δ13C值為-35.44‰～-32.51‰，平均為-33.87‰（n＝20）；上寨剖面烴源巖干酪根δ13C值為-34.33‰～-31.67‰，平均為-33.04‰（n＝9）；梁家溝剖面烴源巖干酪根δ13C值為-34.05‰～-32.00‰，平均為-33.09‰（n＝25）。參照相關(guān)碳同位素劃分有機質(zhì)類型標(biāo)準(zhǔn)（梁狄剛等，2009；門玉澎等，2018），干酪根類型均為Ⅰ型（腐泥型）有機質(zhì)。此外，研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組烴源巖鏡下觀察鑒定亦表明，其顯微組分主要為菌藻類腐泥無定形（楊瑞東等，1999；梁狄剛等，2009；謝小敏等，2015）。

Ⅰ／Ⅱ型干酪根以生油為主，在高成熟—過成熟階段，滯留液態(tài)烴發(fā)生裂解成為頁巖氣的主要氣源（趙文智等，2005；2016）。牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖缺少鏡質(zhì)體組分富含瀝青，本次采用豐國秀和陳盛吉（1988）公式RO＝0.3195＋0.679×Rb換算，式中Rb為瀝青反射率。研究區(qū)牛蹄塘組樣品有機質(zhì)成熟度范圍介于2.06%～3.31%之間，平均值為2.63%，表明現(xiàn)今牛蹄塘組頁巖有機質(zhì)處于過成熟演化階段。平面上，成熟度展布特點與北東—南西向同生斷裂存在一定聯(lián)系?？赡苁軇P里、銅仁等同生斷裂熱液活動影響（李勝榮等，2000），頁巖中鈾含量較高，放射性元素衰變放熱引起地層升溫，加快了有機質(zhì)熱演化速度（趙文智等，2016），導(dǎo)致靠近斷裂頁巖等效鏡質(zhì)體反射率更高，形成有機質(zhì)豐度與成熟度雙高的烴源巖，與平參井可能因埋深形成的高熱成熟度、低有機質(zhì)豐度特征相異（圖2，表1）。

表1 研究區(qū)牛蹄塘組黑色頁巖有機地化特征Table1 Characteristics of organic geochemistry for the black shale of the Niutitang Formation in the study area

2.1.3 礦物組分特征

沉積環(huán)境直接控制頁巖的礦物組分，都地1井與丹地1井下寒武統(tǒng)牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖礦物組成以石英和黏土礦物為主，含少量長石、碳酸鹽礦物和黃鐵礦等，石英含量為25%～58%，平均為43.85%；黏土礦物含量為17%～53%，平均為31.71%，石英含量縱向變化趨勢與有機碳含量（TOC）相似，總體向上減?。▓D4a，b）。石英（黏土）與TOC交會圖顯示，當(dāng)TOC＜5.2%時，有機碳含量與石英具有較好的正相關(guān)性（圖4c）；當(dāng)TOC＞5.2%時，有機質(zhì)與石英（黏土）之間可能此消彼長，且?guī)r石組構(gòu)存在差別，導(dǎo)致相關(guān)性變差，而高TOC含量的富有機質(zhì)頁巖塑性更強，易于壓實（Milliken et al.，2013；王飛宇等，2013；Tian et al.，2015；王濡岳等，2016b）。TOC與黏土礦物負(fù)相關(guān)關(guān)系明顯（圖4d）。此外，鉆井巖心觀察與礦物組分均顯示，丹地1井的黃鐵礦含量高于都地1井，可能與丹地1井處于水體相對更深的還原環(huán)境相關(guān)。威遠(yuǎn)地區(qū)陸棚內(nèi)拉張槽型頁巖富含粉砂質(zhì)及黏土礦物，宜昌地區(qū)臺地前緣斜坡型頁巖富含灰質(zhì)，與研究區(qū)富含硅質(zhì)頁巖的礦物組成差異較明顯。頁巖礦物組分特征將深刻影響成巖過程中頁巖儲層孔隙演化及后期壓裂改造效果。

圖4 都地1井與丹地1井下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖礦物組分特征Fig.4 The characteristics of mineral composition in the Lower Niutitang Formation shale in Well Dudi 1 and Well Dandi 1

2.2 適度熱演化的成烴控儲是富集的前提

伴隨熱演化過程中溫壓條件的改變，有機質(zhì)生烴作用與成巖作用共同控制了泥頁巖儲層納米孔隙的演化，頁巖氣含量及賦存狀態(tài)也會發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)變，生烴演化與孔隙演化能否達(dá)到最佳匹配是頁巖氣富集成藏的基本前提（王朋飛等，2018）。氣體賦存狀態(tài)轉(zhuǎn)化和儲層演化貫穿頁巖埋藏與抬升始終，銜接了頁巖氣建造作用與改造作用。受古隆起抬升演化和隔熱作用影響，其周緣古老層系頁巖具有埋藏深度較淺，熱演化程度較低的優(yōu)勢。雪峰西南緣筇竹寺期頁巖熱演化程度（2.06% ＜RO＜3.31%）介于黃陵周緣（1.6%＜RO＜2.7%）和威遠(yuǎn)周緣（2.9%＜RO＜3.6%）之間，明顯低于長寧（3.5%＜RO＜4.2%）、丁山（3.0%＜RO＜3.7%）、昭通（3.75%＜RO＜4.44%）、畢節(jié)（RO平均為4.5%）等非古隆起邊緣地區(qū)。

2.2.1 生烴演化

研究區(qū)牛蹄塘組生烴演化受控于構(gòu)造運動產(chǎn)生的埋藏?zé)嵫莼Ｒ月榻庞筒貫槔▓D5），初期埋深迅速增加，有機質(zhì)處于未成熟階段，天然氣主要為生物氣，并以吸附和游離狀態(tài)賦存于頁巖儲層中。寒武紀(jì)末期，隨埋藏深度與地層溫度的增加，有機質(zhì)開始進(jìn)入生油階段，油伴生氣使吸附氣和游離氣含量增加，且吸附氣含量高于游離氣，隨成熟度升高，生排烴量逐漸加大（謝淵等，2018），吸附氣和游離氣含量不斷升高。晚奧陶世開始的早加里東運動（都勻運動）使研究區(qū)整體隆升并出露地表，但剝蝕程度較弱，生排烴暫停（金寵等，2012）。志留紀(jì)達(dá)到生烴高峰，儲層產(chǎn)生高壓，游離氣含量開始迅速增加，伴隨雪峰隆起初步隆升和黔中隆起基本形成，油氣向湄潭—余慶—三都一帶運聚成藏，形成以麻江為代表的古油藏。發(fā)生于志留紀(jì)末的晚加里東運動（廣西運動）使雪峰與黔中兩隆起連成一片，周緣劇烈隆升，生排烴停止，麻江古油藏背斜核部被剝蝕破壞（崔敏等，2009；梅廉夫等，2012）。泥盆紀(jì)—二疊紀(jì)穩(wěn)定沉積了大規(guī)模的碳酸鹽巖，有機質(zhì)進(jìn)入高—過成熟階段，液態(tài)烴裂解成濕氣（陳方文等，2016；謝淵等，2018），部分吸附氣解吸，游離氣含量大幅增加，并向雪峰隆起西南緣運移聚集，儲層壓力系數(shù)快速增加。期間經(jīng)歷了海西期的紫云、黔桂和東吳運動，但隆升剝蝕不強，對油氣保存影響較小。早—中三疊世的整體沉降使烴源巖達(dá)到最大埋深，超過6000m，滯留于烴源巖內(nèi)的分散狀液態(tài)烴裂解為“干氣”，含油系統(tǒng)向純含氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)化（梅廉夫等，2009），游離氣含量達(dá)到最大值，壓力系數(shù)也達(dá)到最大值。研究區(qū)前期生排烴不強，成為該階段生排烴的主力區(qū)域，天然氣就近聚集，是牛蹄塘組頁巖氣成藏的主要階段。印支運動開始抬升改造過程，有機質(zhì)生烴終止和保存條件改變，儲層壓力系數(shù)減小，溫度降低，游離氣發(fā)生吸附，吸附氣含量增加。當(dāng)保存條件嚴(yán)重破壞時，不僅游離氣散失，吸附氣也將解吸散失。

圖5 麻江古油藏寒武系牛蹄塘組頁巖生烴演化史（據(jù)金寵等，2012；謝舟等，2014修改）Fig.5 The hydrocarbon generation history of Cambrian Niutitang Formation in Majiang ancient oil field（modified from Jin et al.，2012；Xie et al.，2014）

2.2.2 儲層演化

富有機質(zhì)頁巖儲集空間主要分為粒間孔、粒內(nèi)孔、有機質(zhì)孔和微裂縫。其中，有機質(zhì)孔隙提供了甲烷等烴類氣體的主要賦存空間（Loucks et al.，2012），而有機質(zhì)孔隙的形成與演化伴隨有機質(zhì)生烴和成巖過程（圖6）。與生烴演化相對應(yīng)，早成巖階段（RO＜0.5%），頁巖由半固結(jié)到固結(jié)，主要發(fā)育原生礦物粒間孔，生物作用分解部分有機質(zhì)產(chǎn)生少量孔隙，孔隙度在壓實和膠結(jié)作用下快速降低。中成巖階段A期（0.5%＜RO＜1.3%），開始生油，干酪根大量生烴，產(chǎn)生部分有機質(zhì)孔。生烴產(chǎn)生的有機酸對長石和碳酸鹽等不穩(wěn)定礦物進(jìn)行溶蝕，形成粒內(nèi)溶蝕孔，數(shù)量較少，對總孔隙度影響有限（羅超等，2014b；曾維特等，2019）。壓實、膠結(jié)及充填作用使無機孔隙持續(xù)減小。中成巖階段B期（1.3%＜RO＜2.0%），干酪根大量熱解生氣，形成大量有機質(zhì)孔，而部分溶蝕孔被遷移有機質(zhì)充填。RO＞1.6%后，干酪根生烴趨于減小，遷移有機質(zhì)（滯留烴或原油）開始裂解生氣，有機質(zhì)孔大幅度增加。壓實、膠結(jié)及充填作用依然破壞原始礦物孔隙。晚成巖階段（RO＞2.0%），干酪根熱解氣逐漸枯竭，而遷移有機質(zhì)（滯留烴或瀝青）裂解氣逐漸增加，二者接力生氣，孔隙體積隨成熟度的增加不斷升高，但當(dāng)RO值達(dá)到和超過3.2%～3.5%以后，有機質(zhì)可能發(fā)生碳化，有機質(zhì)孔隙因坍塌閉合而逐漸降低（Curtis et al.，2012；王淑芳等，2016），儲層儲集能力變差甚至喪失。地層持續(xù)抬升階段，上覆壓力卸載使部分閉合孔隙和微裂縫重新開啟，但整體孔隙恢復(fù)潛力較小。

圖6 富有機質(zhì)頁巖成巖與生烴過程中孔隙演化模式圖（據(jù)Wei et al.，2020；王幸蒙，2020修改）Fig.6 The evolution pattern of pore during diagenesis and hydrocarbon generation of organic-rich shale（modified from Wei et al.，2020；Wang，2020）

儲層演化過程中，孔隙體積存在兩個最佳發(fā)育期，構(gòu)成頁巖氣的重要儲集空間（王幸蒙，2020）。一是高成熟階段生油晚期或干酪根生氣高峰結(jié)束期（1.5%＜RO＜1.8%），二是過成熟階段滯留烴裂解生氣高峰期（2.5%＜RO＜3.2%）。研究區(qū)牛蹄塘組頁巖RO介于2.06%～3.31%，處于峰值更高的滯留烴裂解生氣期，在岑鞏可見發(fā)育良好的蜂窩狀有機質(zhì)孔，多呈圓、橢圓狀（曾維特等，2019），而遠(yuǎn)離雪峰隆起的鳳參1井（RO平均3.7%），有機孔發(fā)育較差，分布較散，多呈狹縫型，趨于閉合（孫文吉斌，2021）。說明研究區(qū)受古隆起影響，埋深適中，在生烴類氣體達(dá)到最大高峰時，地層開始抬升，熱演化終止，大量發(fā)育的有機質(zhì)孔隙得以保留，符合生烴演化與儲層演化相匹配的頁巖氣富集前提。

各種成巖作用中，機械壓實對孔隙的影響貫穿始終，包括構(gòu)造抬升階段，當(dāng)孔隙內(nèi)氣體壓力不能支撐上覆巖層壓力時，有機質(zhì)孔隙會坍塌閉合。黃頁1井頁巖中可見長軸達(dá)數(shù)百納米的狹縫形有機質(zhì)孔，在頁巖氣生成富集過程中，曾經(jīng)形成過大量百納米級圓形或橢圓形的大孔徑有機質(zhì)孔，現(xiàn)今狹縫形孔隙可能主要因天然氣大量逸散，過成熟頁巖生氣量不能支撐有機質(zhì)孔原有形態(tài)坍塌或萎縮而成（劉忠寶等，2017）。丹地1井解吸氣含量高的樣品TOC＜5.2%，而TOC＞5.2%的樣品解吸氣含量均小于0.2m3／t，可能在保存條件破壞后，高TOC含量的頁巖有機質(zhì)孔更易被壓實閉合。因此，良好的保存條件對超壓?？子葹殛P(guān)鍵。

2.3 改造調(diào)整后的有效保存是富集的關(guān)鍵

中國南方海相頁巖氣勘探實踐表明，在多期構(gòu)造演化和抬升剝蝕背景下，有效的保存條件是復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁巖氣富集成藏的關(guān)鍵（郭旭升，2014；馬永生等，2018）。頁巖封閉條件決定了頁巖氣在早期主生烴階段的滯留與保存，晚期構(gòu)造改造強度與持續(xù)時間對頁巖含氣豐度具有明顯的調(diào)整作用（魏祥峰等，2017）。四川盆地內(nèi)，即使富有機質(zhì)頁巖底板封閉條件較差，但其構(gòu)造改造強度弱，仍具有規(guī)模性富集成藏的潛力，如威遠(yuǎn)隆起區(qū)，筇竹寺組不整合于燈影組之上，金頁1HF井在筇竹寺組中段仍然鉆獲8.4×104m3／d頁巖氣工業(yè)氣流（燕繼紅等，2016）。四川盆地外圍的宜昌地區(qū)與雪峰周緣地區(qū)，雖然筇竹寺期發(fā)育的富有機質(zhì)頁巖頂?shù)装鍡l件較好，但構(gòu)造改造強烈，目前僅在黃陵隆起邊緣鉆獲工業(yè)氣流，原因是宜昌斜坡的整體性較好，構(gòu)造強度明顯弱于鄰區(qū)（羅勝元等，2020b），具有更好的保存條件，而雪峰隆起作為推覆體的一部分，其周緣保存條件復(fù)雜。單就隆起區(qū)周緣與非古隆起地區(qū)相比而言，由于筇竹寺期沉積的富有機質(zhì)頁巖（如牛蹄塘組）最大埋深相對較淺，達(dá)到適宜頁巖氣勘探開發(fā)的深度所遭受的構(gòu)造變形與抬升剝蝕強度相對較小。

2.3.1 早期封閉聚集

頁巖封閉條件包括頁巖頂、底板條件及其自封閉性，持續(xù)良好的封閉條件從生烴開始就能有效阻止烴類縱向散失，維持富有機質(zhì)頁巖的烴類滯留聚集和儲層超壓?？住ｍ?、底板巖性以及不整合面存在與否是頁巖封閉性的重要影響因素。研究區(qū)牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖頂板為其上部含粉砂質(zhì)泥巖、泥巖及九門沖組灰?guī)r，厚度大、低孔、低滲、高突破壓力為頁巖氣提供良好的封蓋作用。底板具有分帶性，甕安—福泉—龍里以西地區(qū)以溶孔白云巖為主，甕安—龍里以東、鎮(zhèn)遠(yuǎn)—三都以西地區(qū)為上硅質(zhì)巖下白云巖組合，硅質(zhì)巖厚度普遍小于20m，鎮(zhèn)遠(yuǎn)—三都以東地區(qū)以硅質(zhì)巖為主，總厚度20～40m。白云巖底板封堵效果較差，硅質(zhì)巖底板封堵效果較好（門玉澎等，2020）。值得注意的是，硅質(zhì)巖性脆，在構(gòu)造作用下易破碎形成裂縫，喪失對頁巖氣的底板封存能力，如果與斷裂溝通，則成為頁巖氣散失的通道。如岑鞏地區(qū)天馬1井牛蹄塘組和老堡組與含水層溝通，產(chǎn)生大量溶蝕孔洞（王濡岳等，2015），且老堡組中微含氣（王生林，2017），保存條件極差。由于早寒武世早期海侵之前的暴露，震旦系燈影組在黔北和麻江地區(qū)為巖溶縫洞型白云巖，當(dāng)構(gòu)造作用較強時，裂縫將溝通上覆硅質(zhì)巖與巖溶縫洞型白云巖，若與開啟斷層接觸，將成為頁巖氣散失的快速通道。都地1井與黃頁1井牛蹄塘組底部氣測錄井全烴均較低，可能與硅質(zhì)巖失去底板封存能力有關(guān)，而中上部氣測錄井全烴較高，說明牛蹄塘組底部富有機質(zhì)頁巖充當(dāng)了底板的角色；而丹地1井牛蹄塘組底部氣測錄井全烴較高，可能由于燈影組白云巖在丹寨地區(qū)巖性較致密，與上覆老堡組硅質(zhì)巖組合具有更好的底板封閉性。

頁巖氣逸散需要克服頁巖自身的吸附阻力，吸附阻力不僅與巖性有關(guān)，與頁巖的厚度和TOC含量也明顯相關(guān)（呂延防等，2000），粉砂質(zhì)含量越少、厚度越大、TOC含量越高，吸附阻力越大。覆壓物性試驗也表明，優(yōu)質(zhì)頁巖在有效壓力從3.5MPa升高到40MPa過程中，滲透率基本上降低了2個數(shù)量級，即在深埋條件下，頁巖的物性封閉能力明顯增強（魏祥峰等，2017）。黃地1井牛蹄塘組頁巖埋深大于1280m，雖然距離露頭區(qū)較近，仍具有一定的含氣性（Ge et al.，2020），說明埋深對頁巖自封閉性具有積極作用。抬升剝蝕與擴散作用會引起早期泄壓與致密化，雖然對頁巖氣儲層物性與含氣性造成一定影響，但緩慢的壓力與儲層物性演化可以增強頁巖自封閉性，形成常壓頁巖氣藏（王濡岳等，2020）。彭水地區(qū)抬升時期早、幅度大、持續(xù)時間長，五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖在大于4000m埋深階段已泄至常壓，PY1井現(xiàn)今壓力系數(shù)為0.96，頁巖孔隙結(jié)構(gòu)與儲層物性一般，但日產(chǎn)氣量可達(dá)2.5×104m3。川東石柱復(fù)向斜YZ1井區(qū)和JS1井區(qū)志留系地層分別為常壓和超高壓，YZ1井曾具有與JS1井相似的超壓環(huán)境，含氣性好，但受晚期斷裂破壞影響，良好的孔滲與超壓環(huán)境促使頁巖氣快速逸散（聶海寬等，2019；王濡岳等，2020），導(dǎo)致YZ1井雖然微觀孔隙結(jié)構(gòu)較好，有機孔的發(fā)育和保持程度較高，但含氣性較差。研究區(qū)牛蹄塘組地層受雪峰隆起影響抬升較早，具備形成早期泄壓與致密化的常壓頁巖氣藏條件。

天然氣散失形成的常壓狀態(tài)失去了超壓對孔隙的保持能力，導(dǎo)致有機質(zhì)孔坍塌變形，孔隙空間減小，甚至彌合消失。黃頁1井牛蹄塘組頁巖保存條件總體較差，有機質(zhì)孔數(shù)量較多，但孔徑較小，且以狹窄型孔隙為主，與川南地區(qū)保存條件較好的金頁1井牛蹄塘組頁巖的孔隙特征存在較大差異（高波等，2020）。天星1井比天馬1井保存條件好，具有相對更高的儲集與滲透性能（王濡岳等，2017）。常壓狀態(tài)對頁巖儲層產(chǎn)生負(fù)面影響，但可以增強頁巖自封閉性，二者如何平衡以形成常壓頁巖氣藏，仍需要更多的鉆探資料進(jìn)行研究。

2.3.2 晚期改造調(diào)整

構(gòu)造變形與抬升剝蝕作用改造保存條件，包括埋藏深度、地層應(yīng)力及裂縫發(fā)育程度等，如果強度過大，頁巖封閉條件被破壞，頁巖氣系統(tǒng)將部分或者完全失效。研究區(qū)牛蹄塘組頁巖氣主要成藏于印支期，燕山—喜山期構(gòu)造運動對保存條件改造強烈，是頁巖氣藏調(diào)整和破壞的關(guān)鍵時期。燕山期以來，雪峰隆起向西、向北擠壓，銅仁—三都斷裂向東逆沖推覆，貴陽—鎮(zhèn)遠(yuǎn)斷裂在向北斜沖右行走滑過程中，可能受深層結(jié)晶基底“島鏈”狀分布影響（徐政語等，2010），派生出貴定、福泉—都勻等北北東—近南北向斷層，派生斷裂不僅切割了早期的東西向斷裂（如福泉—都勻斷層錯開陜斑—凱里斷層），也控制了北北東—近南北向的主要褶皺（吳根耀等，2012；王偉鋒等，2014），奠定了雪峰西南緣現(xiàn)今構(gòu)造格局（圖1）。喜山期在近東西向的擠壓背景下以抬升剝蝕為主，斷層活動性弱，喜山晚期為差異隆升（王偉鋒等，2014）。

在上述構(gòu)造運動影響下形成的各種構(gòu)造樣式，直接影響著頁巖氣保存的有效性。全直徑巖心分析表明，頁巖水平滲透率遠(yuǎn)大于垂直滲透率（胡東風(fēng)等，2014），故頁巖氣水平方向擴散能力強于垂直方向，當(dāng)頁巖地層出現(xiàn)側(cè)向出露或與開啟性斷層接觸時，更易發(fā)生天然氣的順層逸散（翟剛毅等，2017）。張海濤等（2018）根據(jù)泥頁巖壓實、斷裂、露頭區(qū)等特征，將構(gòu)造樣式下頁巖氣保存條件歸納劃分為“三帶三區(qū)”（圖7）。其中，韌性變形帶（③帶）、封閉區(qū)（I區(qū)）表現(xiàn)為有氣無產(chǎn)，過渡帶（②帶）、內(nèi)連通區(qū)（II區(qū)）表現(xiàn)為有氣有產(chǎn)，脆性變形帶（①帶）、外連通區(qū)（Ⅲ區(qū)）表現(xiàn)為低氣無產(chǎn)。

圖7 不同構(gòu)造樣式頁巖氣保存條件“三帶三區(qū)”評價模式圖（據(jù)張海濤等，2018修改）Fig.7 Evaluation graph of＂three belts and three zones＂for shale gas preservation with different structural styles（modified from Zhang et al.，2018）

研究區(qū)牛蹄塘組地層受雪峰古隆起影響抬升較早，埋深未達(dá)到韌性變形帶，構(gòu)造樣式上不利于頁巖氣保存的主要是Ⅲ區(qū)①帶。由研究區(qū)構(gòu)造樣式可見（圖8），都地1井位于低幅寬緩背斜核部，附近發(fā)育深層滑脫斷層及走滑斷層，屬于蓋層破壞背斜區(qū)中的Ⅲ區(qū)①帶，丹地1井位于斷層改造向斜出露于地表的斷塊上，垂向與橫向均無有效封堵，屬于蓋層破壞向斜區(qū)中的Ⅲ區(qū)①帶，兩口井牛蹄塘組中上部雖然見較好的頁巖氣顯示，但整體上均不利于頁巖氣保存，都屬于低氣無產(chǎn)。而施洞口斷裂向西至貴定斷裂之間發(fā)育低幅寬緩的向斜與背斜構(gòu)造樣式，遠(yuǎn)離“通天”斷裂或位于逆斷層下盤的構(gòu)造部位可能具有較好的保存條件。特別是殘留向斜與逆斷向斜，是頁巖氣富集的最有利區(qū)，而低幅寬緩背斜核部易發(fā)育深層滑脫斷層及走滑斷層，應(yīng)當(dāng)加強地球物理勘探與精細(xì)解釋，從而準(zhǔn)確識別深部構(gòu)造，避免將探井部署在深部破碎帶和斷層之上。岑鞏地區(qū)天星1井位于構(gòu)造穩(wěn)定部位，距離斷裂較遠(yuǎn)，保存條件與含氣性較好，而天馬1井處于走滑斷裂帶，高角度斷層與裂縫的發(fā)育溝通了牛蹄塘組與下部含水層，保存條件與含氣性差（王濡岳等，2016a）。

圖8 研究區(qū)地震測線構(gòu)造解釋（據(jù)徐政語等，2010；金寵等，2012修改，測線位置見圖1）Fig.8 Geologic cross sections for seismic line in the study area（modified from Xu et al.，2010；Jin et al.，2012，and seismic line location in Fig.1）

3 有利勘探區(qū)帶優(yōu)選

復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁巖氣有利區(qū)帶的優(yōu)選一般采用“倒推法”，即先選出構(gòu)造相對穩(wěn)定的保存有利區(qū)，再應(yīng)用“綜合信息疊加法”評價分類。頁巖氣保存取決于斷裂規(guī)模而非發(fā)育程度（Zeng et al.，2016），研究區(qū)深部斷裂規(guī)模與地層傾角、古大氣水下滲深度（金寵等，2012；魏肖等，2018）、地層水類型和溫泉循環(huán)深度（李梅，2011；閆劍飛等，2015）、低溫?zé)嵋旱V床（點）分布（周家喜等，2020）、氣體組分中氮氣含量（夏鵬等，2018；蘇越等，2019；伍耀文等，2019）等指標(biāo)密切相關(guān)，各項指標(biāo)的大小能夠反映保存條件優(yōu)劣。因此，在缺少地震資料和地層壓力系數(shù)的情況下，可應(yīng)用上述指標(biāo)構(gòu)建頁巖氣保存條件綜合評價體系（聶海寬等，2012）。結(jié)合前人對區(qū)內(nèi)保存條件認(rèn)識的梳理與分析，選取上述相關(guān)指標(biāo)疊合圈定了雪峰隆起西南緣構(gòu)造保存相對穩(wěn)定區(qū)（圖9）。對于各項指標(biāo)的具體意義以及對保存條件的影響等內(nèi)容將另文討論。

圖9 研究區(qū)構(gòu)造保存有利區(qū)分布Fig.9 The favorable region for tectonic preservation in the study area

借鑒海相頁巖氣、常壓頁巖氣、黔中隆起及鄰區(qū)評價參數(shù)（趙磊等，2015；王濡岳等，2016a；張培先，2017；方志雄，2019），從頁巖氣地質(zhì)“建造”與物質(zhì)基礎(chǔ)和構(gòu)造“改造”與保存條件兩方面建立了選區(qū)評價標(biāo)準(zhǔn)（表2）。選區(qū)參數(shù)體系與其他地區(qū)相比，要求富有機質(zhì)頁巖厚度更大（I類區(qū)大于80m），在一定程度上可以抵消保存條件不利。TOC含量更高，當(dāng)TOC大于3.0%時，黏土礦物含量小于30%（圖4），脆性礦物含量相應(yīng)增加，有利于頁巖儲層微孔隙的保存。熱演化程度范圍限制更窄（I類區(qū)RO介于2.0%～3.0%），對應(yīng)頁巖儲層孔隙發(fā)育最佳期。埋深更大（I類區(qū)介于2000～4000m），既反映后期抬升剝蝕強度相對較弱，也對頁巖自封閉性起到積極作用。構(gòu)造樣式首選是寬緩向斜。綜合選區(qū)評價標(biāo)準(zhǔn)與區(qū)域資料情況，本次研究選用頁巖有效厚度等值線、有機碳含量（TOC）等值線、有機質(zhì)成熟度（RO）等值線以及頁巖頂界埋藏深度等值線，通過“綜合信息疊加法”預(yù)測雪峰隆起西南緣下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣勘探有利區(qū)帶，大致沿古隆起邊緣的岑鞏—施秉—黃平—麻江—都勻—獨山一帶分布（圖10）。丹寨—獨山有利區(qū)連片面積大，在雪峰隆起向西、向北擠壓的構(gòu)造背景下，變形強度相對較弱，抬升剝蝕較小，地表出露地層以泥盆系為主，擁有復(fù)雜構(gòu)造區(qū)最具勘探前景的殘留向斜構(gòu)造樣式，頂、底板條件在雪峰隆起西南緣也最為優(yōu)越，具有I類有利區(qū)的潛力，是研究區(qū)首選勘探目標(biāo)，且在丹地1井中的寒武系烏訓(xùn)組、變馬沖組、牛蹄塘組及震旦系陡山沱組等多個層位發(fā)現(xiàn)了頁巖氣（淡永等，2021），具有多層系立體式頁巖氣勘探前景。

表2 雪峰隆起西南緣頁巖氣選區(qū)評價標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The criteria for evaluation of shale gas area selection on the southwestern margin of Xuefeng uplift

圖10 研究區(qū)牛蹄塘組頁巖氣有利區(qū)分布Fig.10 The favorable area distribution of the Cambrian Niutitang Formation in the study area

4 結(jié)論與建議

（1）早寒武世初期，雪峰隆起西南緣為深水陸棚相沉積，在熱液活動參與下，牛蹄塘組下段發(fā)育高豐度、I型、富熱成因硅的優(yōu)質(zhì)頁巖，熱演化程度雖處于過成熟階段，但有機質(zhì)尚未碳化，生烴演化與儲層演化相匹配，具備頁巖氣富集的基礎(chǔ)和前提。早期良好的頂、底板條件與自封閉性阻止了烴類散失，保證了頁巖氣持續(xù)聚集成藏，經(jīng)過燕山期以來構(gòu)造運動的改造調(diào)整，其保存條件是否依然有效成為頁巖氣富集的關(guān)鍵。

（2）采用“倒推法”開展有利區(qū)帶優(yōu)選，即先綜合構(gòu)造改造強度指標(biāo)實現(xiàn)“動中尋穩(wěn)”，再疊加綜合信息評價標(biāo)準(zhǔn)。認(rèn)為雪峰隆起西南緣的岑鞏—施秉—黃平—麻江—都勻—獨山一帶，下寒武統(tǒng)牛蹄塘組有機碳含量高（≥2.0%）、熱演化程度適中（RO平均2.63%）、埋深適中（1500～4000m）、富有機質(zhì)泥頁巖厚度大（50～140m）、構(gòu)造相對穩(wěn)定，是頁巖氣勘探的有利區(qū)帶。其中，丹寨—獨山有利區(qū)可主探牛蹄塘組頁巖氣，兼探寒武系烏訓(xùn)組、變馬沖組及震旦系陡山沱組頁巖氣，區(qū)域內(nèi)最具勘探前景，有望實現(xiàn)頁巖氣突破。

（3）牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖層段沉積后，因所處構(gòu)造單元或構(gòu)造部位存在差異，其埋藏史、熱演化史及抬升剝蝕等不同，決定了頁巖的生烴演化和儲層演化，控制了頁巖氣富集成藏歷程。

致謝：時值中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心（原國土資源部成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所）成立60周年，謹(jǐn)以此文向南方頁巖氣調(diào)查團隊的前輩、同事，向多年來奮戰(zhàn)在祖國大西南地區(qū)油氣勘探第一線的地質(zhì)工作者們致敬！審稿專家給予的建設(shè)性修改意見對提高文章的質(zhì)量起到了重要作用，樣品采集得到了西南石油大學(xué)劉灝博士、巖溶所聶國權(quán)和季少聰2位工程師的鼎力相助，成都地質(zhì)調(diào)查中心徐國棟高級工程師承擔(dān)了相關(guān)的實驗測試工作，在此一并致以衷心的感謝！