鄒 辰 吳永輝 梁 興 姜振學(xué) 王高成張介輝 章 超 何 葉 端祥剛 宮厚健

（1. 中國石油浙江油田公司勘探開發(fā)一體化中心，浙江 杭州 310023；2. 中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；3. 中國石油大學(xué)（北京）非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249；4. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

0 引 言

走滑斷裂對盆地內(nèi)沉積體系、儲層及流體活動均有明顯影響[1‐5］。與走滑斷裂活動有關(guān)的常規(guī)砂巖油氣藏、碳酸鹽巖油氣藏均獲得重大突破，如在渤海灣盆地遼東灣坳陷，發(fā)現(xiàn)了多個與走滑斷裂相關(guān)的億噸級砂巖油田[6‐7］，在塔里木盆地順北油田，也發(fā)現(xiàn)了與走滑斷裂相關(guān)的儲量規(guī)模達(dá)17×108t 的碳酸鹽巖油氣藏[8‐9］，這些勘探發(fā)現(xiàn)表明，與走滑斷裂相關(guān)的油氣藏具有良好的勘探開發(fā)前景。然而，在非常規(guī)油氣研究領(lǐng)域，走滑斷裂與頁巖含氣性的關(guān)系研究較少，現(xiàn)有的研究也僅局限于頁巖與斷裂距離的探討[10‐11］，特別是缺乏走滑斷裂活動背景下頁巖氣富集機(jī)理的研究，嚴(yán)重制約了典型走滑斷裂帶的頁巖氣勘探開發(fā)工作。因此，揭示走滑斷裂活動背景下頁巖氣富集機(jī)理對渝西地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)有著重大意義。

頁巖氣成藏期、區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動期及地層流體活動期的先后關(guān)系控制著頁巖氣的散失[12‐14］，決定著頁巖氣的富集程度。目前，在川南坳陷關(guān)于頁巖氣成藏期與成藏過程的研究較多，較為統(tǒng)一的觀點(diǎn)為頁巖氣主要成藏期發(fā)生在侏羅紀(jì)—早白堊世[13］，常用技術(shù)方法有盆地模擬方法[15‐16］、流體包裹體均一溫度分析法[17‐18］以及兩者結(jié)合的方法；關(guān)于區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動期的研究也較多，多數(shù)觀點(diǎn)為燕山期以構(gòu)造擠壓為主[19］，喜山期以斷裂走滑活動為主[20］，且燕山期、喜山期是影響頁巖氣富集的兩個關(guān)鍵時期[21］，常用的技術(shù)手段有構(gòu)造行跡分析、構(gòu)造演化恢復(fù)[22‐24］；關(guān)于頁巖儲層內(nèi)流體示蹤的研究方法也較多，常用的方法有礦化度分析法、氫氧同位素分析法、鍶氯同位素分析法、硼同位素與鋰同位素分析法等[25］，而關(guān)于地層流體活動的研究較少。

綜上所述，目前存在的主要問題是頁巖氣成藏、區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動及地層流體三方面的研究缺乏有效的結(jié)合，走滑斷裂活動背景下地層流體活動對頁巖氣富集的控制機(jī)理有待揭示。針對以上問題，本文以渝西地區(qū)來蘇?云錦向斜龍馬溪組頁巖為例，通過分析地層含水飽和度差異、地層含水飽和度與裂縫發(fā)育程度的關(guān)系及井溫測井資料與地層水的氫氧同位素特征，揭示走滑斷裂轉(zhuǎn)折端的構(gòu)造低部位頁巖儲層中水的來源；利用盆地模擬、鹽水包裹體均一溫度綜合分析方法，并結(jié)合區(qū)域構(gòu)造史，揭示走滑斷裂活動背景下頁巖氣散失與深部流體上涌的時空關(guān)系，明確走滑斷裂活動背景下地層水活動對頁巖氣富集的影響，研究成果可以為走滑斷裂帶頁巖氣勘探部署提供一定指導(dǎo)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)構(gòu)造位置處于四川盆地南部低陡褶皺帶，地理位置處于重慶西部。在燕山期，由于雪峰隆起北西向的擠壓，在四川盆地東南部形成了北東走向的帚狀褶皺群，研究區(qū)位于帚狀褶皺群的最西翼，形成時間大約距今95 Ma[26］。在喜山期，由于亞歐板塊北東向的俯沖，在四川盆地形成了大型右旋走滑應(yīng)力場[20］，在右旋走滑應(yīng)力場的影響下，在華鎣山基底斷裂附近形成了一系列北北東走向的伴生走滑斷裂（圖1），這些伴生走滑斷裂北段的擠壓分量大，斷層封閉性好，南段擠壓分量小，斷層封閉性較差。研究區(qū)走滑斷裂（文中也稱一級斷層[23］）斷開的層位包括震旦系及其上覆地層，對該地區(qū)地溫及流體活動有著重要影響。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置示意及構(gòu)造格局Fig. 1 Schematic of structural location and tectonic framework of studied area

在早志留世魯?shù)て?，研究區(qū)位于深水陸棚，頁巖巖相整體上沒有差異[27‐28］，表明研究區(qū)龍馬溪組頁巖具有相似的生儲條件。主力產(chǎn)氣層底部為厚層寶塔組灰?guī)r地層，頂部為龍馬溪組二段的貧有機(jī)質(zhì)頁巖及石牛欄組的厚層泥灰?guī)r地層；底部灰?guī)r、頂部的貧有機(jī)質(zhì)頁巖及泥灰?guī)r的孔隙度、滲透率均較低，且具有較大的突破壓力，對頁巖氣有著良好的封堵能力[29‐30］。

因此，來蘇?云錦向斜不同部位頁巖的含氣性差異可能與走滑斷裂背景下的地層流體活動有關(guān)。基于此，本文將系統(tǒng)研究走滑斷裂活動背景下地層流體活動對頁巖氣成藏富集的影響，以期揭示走滑斷裂附近頁巖含氣性差異的機(jī)理。

2 地層水

2.1 斷裂與埋深對含水飽和度的控制

來蘇向斜X1 井頁巖位于一級逆斷層上盤，具有距斷裂遠(yuǎn)、埋深淺、含水飽和度低（30%~50%）的特征；云錦向斜的頁巖位于一級逆斷層下盤，其北部的頁巖也具有距斷裂遠(yuǎn)、埋深較淺、含水飽和度低（20%~40%）的特征，而其南部的頁巖具有距斷裂更近，埋深更大，含水飽和度更高（X3 井頁巖含水飽和度40%~60%，X4 井頁巖含水飽和度70%~90%）的特征（圖1、圖2（a））。由此可以推測，來蘇向斜和云錦向斜不同構(gòu)造部位的頁巖含水飽和度差異與距一級逆斷層的距離及現(xiàn)今埋深有關(guān)。

圖2 來蘇-云錦向斜典型井含水飽和度、含氣量及云錦三維螞蟻體屬性切片F(xiàn)ig. 2 Water saturation and gas content of typical wells in Laisu-Yunjin syncline and 3D ant body attribute slice of Yunjin syncline

為了更好地證明與一級逆斷層距離和現(xiàn)今埋深對頁巖含水飽和度有明顯控制作用，本文主要通過不同構(gòu)造單元頁巖含水飽和度與裂縫分布的關(guān)系進(jìn)行研究，其中，裂縫的平面分布可通過沿層競爭性螞蟻體地震屬性切片獲得（圖2（b）），裂縫的單井分布通過裂縫發(fā)育程度進(jìn)行表征，裂縫發(fā)育程度計算公式為[31］：

式中：RF——裂縫發(fā)育程度；Ema——巖石骨架理論動彈性模量，GPa；E——巖體的動彈性模量，GPa；G——剪切模量，GPa；υ——動態(tài)泊松比；α——單位換算因子，取1.34×104；ρb——地層密度，g/cm3；Δtc——縱波時差，μs/m；Δts——橫波時差，μs/m。

在來蘇向斜與云錦向斜北部區(qū)域，頁巖含水飽和度與裂縫發(fā)育程度沒有明顯關(guān)系，表明斷層附近埋深較淺的頁巖，其含水飽和度不受裂縫和斷層的控制（圖3（a）、（b））。而在云錦向斜中南部，S1l111小層—S1l112小層頁巖的含水飽和度與裂縫發(fā)育程度存在較好的正相關(guān)關(guān)系（圖3 （c）、（d））），表明該區(qū)域頁巖中的地層水受裂縫控制。結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景，在喜山期，云錦向斜南部一級斷層的走滑擠壓分量弱、地層埋深大、斷面流體疏導(dǎo)能力強(qiáng)，有利于地層水向頁巖儲層中活動（圖1、圖2（b）），從而導(dǎo)致含氣性差，這就很好地解釋了來蘇向斜及云錦向斜北部頁巖的含氣性好而云錦向斜南部頁巖的含氣性差的結(jié)果。由此可見，頁巖含水飽和度高低受頁巖距一級逆斷層的距離、走滑斷裂擠壓的分量大小及現(xiàn)今頁巖的埋深共同控制。

圖3 來蘇-云錦向斜典型井含水飽和度與裂縫發(fā)育程度的關(guān)系Fig. 3 Relationship between water saturation and fractures development degree of typical wells in Laisu-Yunjin syncline

2.2 地層水的來源和活動證據(jù)

通過現(xiàn)今地溫梯度、氫氧同位素及走滑擠壓分量大小對流體疏導(dǎo)能力的控制等方面闡明了頁巖中地層水來源與活動證據(jù)。

假設(shè)不存在局部異常熱源，來蘇向斜和云錦向斜的地溫梯度應(yīng)該差異不大。實(shí)際井溫資料顯示，來蘇向斜X1 井的頁巖層系（埋深約4 080 m）的現(xiàn)今溫度為115 ℃，地溫梯度最?。?.1~2.4 ℃/hm）（圖4（a）），云錦向斜南部X3 井的頁巖層系（埋深約4 260 m）現(xiàn)今溫度為130 ℃，地溫梯度居中（2.4~2.7 ℃/hm）（圖4（b）），X4 井頁巖層系（埋深約4 360 m）現(xiàn)今溫度約150 ℃，地溫梯度最大（2.7~3.0 ℃/hm）（圖4（c））。

圖4 來蘇-云錦向斜典型井井溫、現(xiàn)今地溫梯度與深度關(guān)系Fig. 4 Relationship of typical-wells temperature and present geothermal gradient vs. depth in Laisu-Yunjin syncline

綜上可知，來蘇?云錦向斜存在異常熱源。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，來蘇向斜與云錦向斜大地?zé)崃髦档牟町悜?yīng)該與深部流體活動有關(guān)。具體解釋為：云錦向斜南部走滑斷裂擠壓分量小，走向轉(zhuǎn)折處開度較大，深部流體上涌，導(dǎo)致南部靠近一級斷層的構(gòu)造低部位大地?zé)崃髦蹈?，充分說明深部流體向儲層中發(fā)生了活動。

朱振宏等[32］與林耀庭等[33］對于四川盆地南部盆緣帶的地層水來源進(jìn)行過系統(tǒng)研究。川南坳陷下組合地層（震旦系及下古生界）的地層水氫氧同位素值分布于巖漿水與變質(zhì)水分區(qū)附近（圖5），充分表明川南坳陷下組合地層中的水來源于地球深部熱液。由于研究區(qū)位于川南坳陷內(nèi)部且頁巖層系屬于早古生界地層（下組合地層），由此可知，云錦向斜南部頁巖中的地層水來源于深部熱液，這也很好解釋了在地質(zhì)歷史過程中，深部流體發(fā)生過上涌并進(jìn)入頁巖儲層的活動。

圖5 四川盆地及其周緣地層水氫氧同位素關(guān)系（據(jù)文獻(xiàn)[32-33]）Fig. 5 Relationship between hydrogen isotope and oxygen isotope of formation water in Sichuan Basin and its surrounding areas (From references[32-33])

3 地層水對頁巖氣成藏的控制作用

現(xiàn)場解析結(jié)果表明，由北向南，頁巖含氣量有逐漸降低的趨勢。北部來蘇向斜頁巖含氣量高，普遍為3~8 m3/t，其主力產(chǎn)氣層S1l111小層—S1l112小層總含氣量可達(dá)6~8 m3/t；云錦向斜北部頁巖含氣量為4~8 m3/t，主力產(chǎn)氣層S1l111小層—S1l112小層含氣量也可達(dá)6~8 m3/t，說明來蘇向斜與云錦向斜北部的頁巖氣具有較好的勘探潛力；而云錦向斜南部頁巖含氣量均小于1 m3/t，勘探前景較差（圖2）。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)特征，初步判定在地質(zhì)歷史時期中，云錦向斜南部頁巖氣發(fā)生過散失，且頁巖氣散失與走滑斷裂活動背景下深部流體上涌有關(guān)，相關(guān)證據(jù)如下：

X3 井盆地模擬結(jié)果顯示，在晚二疊世與侏羅紀(jì)—早白堊世2 個時期，地層發(fā)生過快速沉降，是龍馬溪組頁巖的2 次生氣階段，在這2 個時期，地層壓力及壓力系數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢，且以侏羅紀(jì)—早白堊世生氣為主（圖6（a）—（c））。侏羅紀(jì)—早白堊世頁巖大量生氣時期和鄰井與氣包裹體共生的鹽水包裹體均一溫度對應(yīng)（圖6（d）），證實(shí)了盆地模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。構(gòu)造裂縫脈體中的鹽水包裹體均一溫度可有效反映頁巖氣的大量散失時間，鄰井X4 井目的層段巖心照片表明，云錦向斜南部構(gòu)造成因裂縫中主要發(fā)育方解石脈體（圖6（e）），根據(jù)鄰井方解石脈體中鹽水包裹體均一溫度可推測，來蘇?云錦向斜一級走滑斷層活動期及深部流體上涌時期發(fā)生于白堊紀(jì)末期（即燕山晚期）（圖6（f））。由此可知，云錦向斜龍馬溪組頁巖大量生氣階段較早，研究區(qū)一級走滑斷層及深部流體活動時期較晚。在一級斷層走滑活動期，云錦向斜南部走滑斷裂擠壓分量小，斷裂開度大，導(dǎo)致深部流體上涌進(jìn)入頁巖裂縫及儲層，使原本儲藏于頁巖中的氣體散失。且隨著頁巖層系中氣體的散失，一級走滑斷裂在擠壓環(huán)境下閉合，深部熱液在擠壓作用下繼續(xù)上涌，導(dǎo)致頁巖儲層出現(xiàn)超壓現(xiàn)象（圖6（c）），這也很好地解釋了靠近一級斷層構(gòu)造低部位的云錦向斜南部，其頁巖儲層微氣但地層超壓的現(xiàn)象。

圖6 X3井盆地模擬結(jié)果及相關(guān)參數(shù)和事件Fig. 6 Basin modeling of Well X3 and related parameters and events

4 走滑斷裂活動背景下的頁巖氣富集模式

綜合以上研究，可將來蘇?云錦向斜頁巖氣的富集時期劃分為2 個階段。

第1 階段（三疊紀(jì)—早白堊世）：地層快速沉降，龍馬溪組頁巖開始進(jìn)入大量生油期，在埋深達(dá)到4 000 m 左右時，有機(jī)質(zhì)達(dá)到高—過成熟階段，大量原油裂解生氣，是頁巖層中含氣量最大的時期。該時期對應(yīng)燕山活動期，雪峰隆起北西向擠壓活動導(dǎo)致頁巖氣保存條件好，因此，來蘇?云錦向斜頁巖含氣性差別不大（圖7（a）—（c））。

圖7 走滑斷裂附近構(gòu)造低部位生排烴期與構(gòu)造改造期流體演化模式Fig. 7 Fluid evolution pattern of hydrocarbon generationexpulsion period and structural reworking period in struc‐tural low near strike-slip fault

第2 階段（晚白堊世—現(xiàn)今）：由于印度洋板塊向北東方向擠壓，華鎣山斷裂帶再次被激活并發(fā)生右行走滑活動，斷裂北段走滑擠壓分量大，附近地層抬升幅度大，伴生斷裂的斷裂面封閉性好（圖7（d）、（e）），這是來蘇向斜與云錦向斜北部頁巖含氣量高的原因；斷裂南段走滑擠壓分量小，地層埋深大，活動期斷裂面的封閉性較差，利于深部流體上涌活動（圖7（d）、（f）），使得頁巖氣順著斷裂向上部低勢區(qū)聚集，與此同時，深部流體持續(xù)充注于頁巖的裂縫或儲層，導(dǎo)致云錦向斜南部一級斷層附近構(gòu)造低部位的頁巖具有高含水低含氣的現(xiàn)象。

綜上所述，走滑斷裂北段擠壓分量較強(qiáng)的地區(qū)是來蘇?云錦向斜內(nèi)頁巖氣勘探的有利區(qū)，而走滑斷裂南段擠壓分量較弱的構(gòu)造低部位，上部層系則是常規(guī)天然氣勘探的有利目標(biāo)層系。

5 結(jié) 論

（1）在走滑斷裂活動背景下，構(gòu)造低部位頁巖的含水飽和度受距一級斷層距離及埋深的控制，且地層水來源于深部流體。

（2）來蘇?云錦向斜頁巖大量生氣時間早，走滑斷裂活動與深部流體上涌的時期晚，深部流體充注進(jìn)頁巖儲層導(dǎo)致云錦向斜南部頁巖氣散失并形成超壓微氣頁巖儲層。

（3）來蘇?云錦向斜頁巖氣富集分為2 個階段，第1 階段為龍馬溪組頁巖大量生氣、雪峰隆起北西向擠壓階段，頁巖氣保存條件好，來蘇?云錦向斜頁巖含氣量無明顯差異；第2 階段為走滑斷裂右旋活動階段，來蘇向斜與云錦向斜北部走滑斷裂擠壓分量大，有利于頁巖氣富集，云錦向斜南部走滑斷裂擠壓分量小，向斜埋深大，頁巖氣保存條件差，不利于頁巖氣富集。