中上扬子区志留系龙马溪组页岩气勘探区优选

黄 盛 王国芝 邹 波 刘树根 徐国盛

（油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都610059）

随着近年来世界能源需求的不断攀升，能源公司已经极大地扩展了煤层气、致密砂岩气、页岩气等非常规气体的开发，页岩气作为最强劲的增长点受到越来越多的重视[1，2]。目前美国、加拿大等国已经实现了页岩气的商业开发，中国也在积极探索和发掘国内的页岩气资源优选区。页岩气是天然气生成之后在烃源岩内就近聚集的结果，表现为典型的“原地成藏”模式[3，4]。龙马溪组页岩作为中上扬子地区页岩气的优势地层，其沉积背景、岩相学特征、地球化学特征、生烃热史演化等方面与美国Fort Worth盆地Barnett页岩具有极高的相似性。但中上扬子地区的构造变形程度远比北美地台强烈，因而，对中上扬子地区龙马溪组中的页岩气勘探，必须充分考虑构造变形对页岩气保存的影响。本文将中上扬子地区龙马溪组页岩与具有相似构造背景的Fort Worth盆地Barnett页岩进行对比，揭示龙马溪组页岩与Barnett页岩的相似性和变形强度的差异性，探讨构造变形对龙马溪组页岩气成藏的可能影响；在此基础上，结合龙马溪组页岩的残存厚度，给出龙马溪组页岩气勘探的优势选区建议。

1 龙马溪组页岩与Barnett页岩的相似性

1.1 Barnett页岩

Fort Worth盆地是一个形成于晚古生代Ouachita造山运动的前陆盆地。早石炭世之后的南北美板块碰撞使Fort Worth盆地初具形态，早宾夕法尼亚世（晚石炭世）的连续碰撞造成盆地东缘发生逆掩断裂作用，形成Ouachita推覆带并开始造山运动。

在Barnett页岩形成的密西西比纪（早石炭世），Fort Worth盆地为劳亚大陆与冈瓦纳大陆之间的狭窄水道，西部为宽阔浅水碳酸盐台地，东部为弧形岛链（图1）。沉积物质主要有来自西部Chappel大陆架以密度流形式沉积的碳酸盐碎屑、南部Caballos Arkansas岛链以密度流形式沉积的黏土到粉砂级沉积物[5]。沉积水深为120～215m，沉积岩性主要为：硅质泥岩、层状黏土灰泥岩和骨架泥质泥粒灰岩，沉积范围为德克萨斯州中北部的大部分地区[6]。

图1 Barnett页岩构造沉积背景[5]Fig.1 Tectonic setting and sedimentary environment of the Mississippian Barnett Shale（1ft＝30.48cm）

成熟度与埋藏史重建表明Fort Worth盆地的Barnett页岩经历了多期热演化史（图2），并且受Ouachita构造和Minerals Wells断层产生的热液影响较大。二叠纪中期，盆地一直处于持续快速深埋过程。二叠纪末与整个中生代盆地一直处于深埋状态，Barnett页岩热成熟度与生烃量达到最大值。晚白垩世盆地开始快速隆升，隆升速率大约为25m／Ma[7]，生烃停止（图2）。盆地具典型的“早降晚抬”型演化模式，具体表现为沉降期长、抬升期短的特征。此外，Barnett页岩的热演化还遭受Ouachita冲断带和Mineral Well断裂系统的热液叠加作用。

Barnett页岩现今具有一种从东向西由干气到油气混合再到油的变化趋势（图3），这也表明热成熟度由东向西逐渐降低[6]。这种趋势与Barnett页岩的埋深并不吻合（Barnett页岩的最大埋深在靠近 Muenster背斜的盆地轴线上）。这些趋势表明，控制Barnett页岩生产的主要因素是页岩的成熟度与埋藏史。通过C同位素、生物标志化合物等研究显示Barnett页岩是Fort Worth盆地奥陶系、密西西比系、宾夕法尼亚系等常规储层的烃源岩[6]，它说明Barnett页岩经历过大规模的排烃过程。

图2 Barnett页岩埋藏和隆升史Fig.2 Buried and uplifting history of the Mississippian Barnett Shale

图3 Fort Worth盆地Barnett页岩分布Fig.3 Distribution of the Barnett Shale in the Fort Worth Basin

1.2 龙马溪组页岩

中上扬子区的演化始于南华纪统一超级大陆Rodinia的裂解。震旦纪到早奥陶世时期，整个中上扬子区处于伸展裂离背景，在陆块内部形成稳定的中上扬子克拉通盆地，在陆块的北缘形成陆缘裂陷盆地，在陆块的西缘和东南缘分别形成边缘盆地和被动边缘盆地。中奥陶世到志留纪时期，在扬子陆块的北缘，秦岭洋沿商丹断裂带向华北陆块俯冲，华北陆块与扬子陆块碰撞相接，扬子陆块北缘由原来的被动大陆边缘盆地转为活动大陆边缘前陆盆地；与此同时，在扬子板块的东南缘，古华南洋向西俯冲，造成华南洋与扬子陆块的碰撞拼贴，古华南残留洋盆关闭并褶皱造山，在造山带的前缘形成前陆盆地和前陆隆起。扬子陆块的中心保持稳定沉积，形成受川中隆起、黔中隆起和汉南古陆控制的稳定克拉通盆地[8－11]。

龙马溪组页岩是一套形成于早志留世挤压背景下局限浅海环境沉积产物。受川中隆起、黔中隆起和汉南古陆的影响，龙马溪组页岩主要沉积于川东北、川东鄂西、川南等几个沉积－沉降中心[12，13]。

沉积厚度受古隆起带的控制，在隆起边缘仅数米厚，以致尖灭，但沿着隆起的边缘带厚达数百米[14]。沉积岩性主要为：含黄铁矿颗粒和笔石生物的碳质页岩、粉砂质页岩。

在早志留世龙马溪组页岩沉积以后的漫长历史演化过程中，中上扬子地区受挤压与碰撞作用，经历“早降晚抬”型隆升演化模式[15]。具体表现为：早志留世到晚志留世处于短暂的沉降状态，早泥盆世到晚石炭世发生抬升，其后除中二叠世有沉积间断外，总体仍然持续沉降直到白垩纪末；白垩纪末期以后一直处于快速抬升状态，抬升速率为35m／Ma[7]。总体表现为早期沉降、中期深埋、晚期隆升，沉降期长、隆升期短的特点（图4）。此外，川南地区在二叠纪还受到峨眉地幔柱的热流体影响[14]。

图4 龙马溪页岩的埋藏隆升演化史Fig.4 Buried and uplifting history of the Longmaxi shale

1.3 相似性对比

从前面的叙述中可以看出，龙马溪组页岩与Barnett页岩均是形成于挤压背景下的前陆盆地和（或）稳定克拉通盆地沉积，它们具有相似的岩性组合，都经历了“早降晚抬”型隆升演化模式；只是龙马溪组页岩可能具有更快的隆升速率。而且川南地区龙马溪组页岩和Barnett页岩均受到热流体的叠加影响[7，14]。

2 龙马溪组页岩与Barnett页岩变形的差异性

2.1 Barnett页岩的变形特征

Fort Worth盆地经过长期的构造演化形成了以Ouachita逆冲断层为其东缘、Llano古隆起为其南缘、Eastern Shelf为其西缘、Red River背斜和Muenster背斜为其北缘、现今面积大约为38 100km2的南北向延伸的前陆盆地（图3）。由于Ouachita逆冲断层的向西推进，盆地的枢纽线逐渐向西推移形成一个总体西高东低的楔形。盆地北面的北东－南西向Mineral Wells断层整体延伸达104km，把核心产区Newark－East地区一分为二。地震资料显示Mineral Wells断层为一条周期性活动的基底断层。该断层影响了该地区的沉积模式、热演化史与烃类的运移。

研究表明，Barnett页岩的核心产区未曾发生过强烈的整体抬升，导致了核心产区异常高压的形成，从而保证了Barnett页岩的储能[15]。而非核心产区则可能发育了贯穿地层的断层、裂隙，致使Barnett页岩的储能受到破坏。

2.2 龙马溪组页岩变形特征

中上扬子地区在早志留世以后经过了多期复杂的地质改造，形成了不同展布方向、不同变形强度与不同期次的褶皱－冲断带，由此划分出构造样式与地质结构类型明显不同的变形区带[16]。根据变形样式、展布方向与地质结构的差异，中上扬子地区被分为龙门山前陆褶皱－冲断带、米仓山－南大巴山前陆褶皱－冲断带、雪峰山川东基底拆离带、川南－黔中－黔南褶皱－冲断带、大洪山－江汉盆地挤压－伸展反转带5个构造分区（图5）[16]。龙马溪组页岩经过漫长的演化最终形成了残存于米仓山－南大巴山前陆褶皱－冲断带上的川北镇巴厚约20m的页岩发育带，残存于雪峰山川东基底拆离带上的川东石柱－鄂西利川厚达100m的页岩发育带，以及残存于川南－黔中－黔南褶皱－冲断带上的川南泸州一带厚达60～80m的页岩发育带（图5）。3个页岩发育带分别与川东北、川东鄂西、川南3个沉积中心相吻合[16]。

图5 中上扬子结构分区与烃源岩分布Fig.5 Tectonic division and distribution of source rocks in the middle－upper the Yangtze area

川东北页岩发育带发育于秦岭造山带南缘与中上扬子板块北缘的交汇部位 米仓山－南大巴山褶皱－冲断带上，跨越大巴山前陆冲断带与大巴山前陆拗陷带。变形特征由北东向南西逐渐减弱，深部与浅部断层、褶皱均发育，构造缩短率大。志留系龙马溪组页岩作为区域滑脱层存在于南大巴山区域变形带中，其变形程度大、埋藏深、岩层厚度较薄。

川东鄂西页岩发育带发育于川东－鄂西－雪峰山基底拆离带上，主要受雪峰山构造域的控制。该构造带具有递进变形特征，由南东向北西可进一步将其划分为上冲推覆带、基底卷入带和盖层滑脱带[16]。川东鄂西页岩发育带位于川东－鄂西－雪峰山基底拆离带的盖层滑脱带上（图6）。华蓥山到齐岳山为断层隐伏的盖层滑脱带，发育高陡背斜和其间的宽缓向斜带，形成“隔挡式”褶皱带。齐岳山到大庸为断层显露的盖层滑脱带，发育众多坡坪式逆断层和与坡坪式逆断层成反冲关系的次级小断裂，以及断层引起的轴面南东的膝折构造[17]。坡坪式逆断层的拐点以及次级小断裂与坡坪式逆断层的交汇点多位于龙马溪组页岩层附近（图6）。尽管发育众多次级小断裂，但总体受坡坪式滑脱断层及其衍生褶皱控制[16]。龙马溪组页岩主要作为滑脱层处于湘鄂西断层显露的盖层滑脱带内，由于泥页岩的强塑性，在滑动过程中可能产生弯流作用造成背斜核部地层的加厚（如渝页1井）[18]，滑脱层上下的地层都显示出一定的变形，且滑脱层多被断层切过[16，17]。

川南页岩发育带发育于川南－黔中－黔南褶皱－冲断带上，川南－黔中－黔南褶皱－冲断带在黔中古隆起的限制下接受沉积作用与挤压变形作用而成（图5）。按照构造变形的差异，可以将川南－黔中－黔南褶皱－冲断带进一步划分为黔南冲褶带、黔中稳定带、黔北冲褶带和川南盖层滑脱带[16]。川南页岩发育带主要位于川南－黔中－黔南褶皱－冲断带的川南盖层滑脱带上[16]（图7）。总体来说，该带以变形程度相对较弱的中、低缓背斜为主，发育少量隐伏于地层内部的小断层。龙马溪组页岩以滑脱层的形式出现，滑脱层上下地层变形不强，滑脱层分布稳定。

2.3 变形差异性对比

图6 川东鄂西构造剖面图Fig.6 Sketch map of the tectonic profile in East Sichuan and West Hubei（据文献[16]）

图7 川南构造剖面示意图Fig.7 Sketch map of the tectonic profile in South Sichuan（据文献[16]）

前面的分析表明，龙马溪组页岩与Barnett页岩在地质演化过程中均经历了构造变形。Barnett页岩所经历的构造变动较弱，主要是来自于东部Ouachita逆冲断层向西推覆造成的平缓抬升，以致其核心产区还存在异常高压。但龙马溪组页岩则经历多期构造改造，形成构造样式与地质结构类型各异的变形区带。其中川东北页岩发育带变形程度与埋深最大、残存厚度最小；川东鄂西页岩发育带通天断层与“隔挡式”褶皱发育，坡坪式断层与其伴生小断层相互交汇，且弯滑作用造成局部地层加厚；川南页岩发育带变形相对较弱，龙马溪组页岩地层变形不强，分布稳定。

3 构造变形对页岩气成藏和保存条件的影响

岩石在外力作用下，逐渐发生弹性形变、塑性形变与断裂形变，3个变形阶段依次发生，但不能截然分开[19]。在塑性形变开始时期即褶皱变形的初期，岩石受到侧向水平挤压应力的作用，通常先形成一对垂直于层面的直立共轭剪切裂缝和一组平行于层面的横张裂缝；随着侧向水平挤压应力的逐渐加强，岩层开始弯曲变形，由此形成平行于褶皱轴方向的纵向张裂缝[21]。褶皱相关裂缝在宏观上表现出裂缝发育于褶皱轴部、不发育于两翼部位，发育于高部位、不发育于低部位的特征[20－24]。位于背斜核部的渝页1井的实钻也证实了背斜核部裂缝发育的特征。通过观测岩心发现，渝页1井岩心中发育大量的构造裂缝，宏观上可分为高角度、低角度、近水平及杂乱状4类裂缝[18，23]；裂缝一般呈高角度延伸，单一裂缝长度可达1.6m，呈充填、半充填和无充填状态[23]。

随着应力的进一步加强，岩层发生断裂形变，形成断层及断层派生的裂缝。断层对裂缝的影响比较复杂[25]。由于构造应力相对集中，与断层相关的裂缝主要发育于断裂构造的两侧、断裂带交汇处、断层的末端、断层的拐点和断层夹持带内[20，22，23]。在发育于断层附近的裂缝中，总 有一组或几组裂缝的走向平行于或接近平行于断层走向，裂缝的密度均由断层向断层一侧或两侧不断减小[21，26]。断层越发育裂缝越发育，裂缝张开度越大、数量越多[21]。研究表明，巨型、大型裂缝的形成与分布大多受构造断裂变形的控制，而中型、小型和微裂缝大多为非构造成因[27]。

北美的页岩气勘探开发实践表明，裂缝对页岩气的产能具有十分重要的控制作用。页岩气藏的储集空间主要为裂缝和孔隙。通过对美国正在进行商业开采的页岩气总结分析发现，Fort Worth盆地中Barnett组，Appalachian盆地中的Ohio组，Michigan盆地中的Antrim组页岩层段的裂缝发育[28]。页岩气以游离气和吸附气2种形式存在，裂缝中的页岩气主要以游离态形式存在，吸附气赋存在含较高有机质和黏土矿物的泥页岩孔隙中。孔隙是页岩气藏中气体的储存空间，很大程度上决定了其储能。裂缝作为孔隙的连接通道，天然裂缝系统有助于泥页岩层中游离态天然气体积的增加和吸附态天然气的解吸[3，29]，它决定着页岩气的产能[6，15，27]。由于泥页岩裂缝性储集层各向异性很强，可采储量最终取决于泥页岩储集层内的裂缝产状、密度、组合特征和张开程度[30]。

裂缝作为烃类运移的重要通道，天然原生裂缝并不能提高地层产气潜力，如果大量开放原生裂缝存在反而导致气体的排出，降低页岩孔隙压力，减少吸附气量，从而降低气体储量。并且，原生裂隙会被后期物质充填，导致水力压裂能量沿其传导、逸散，阻碍水力压裂效果，引起产能下降[31]。尤其是如果微裂缝网络与断裂相连通时，呈游离态的气易于通过断层而逸散，对页岩气保存条件极为不利。研究表明，巨型和大型裂缝一般是页岩排烃的通道，发育该类裂缝的区域，有利于页岩的排烃，页岩中残留的烃较少，不利于页岩气聚集[27]。如美国Barnett页岩气藏，在高裂缝发育区的产能往往较低，尤其是断层附近的井，常常表现为比非构造部位页岩气井生产能力下降和含水提高[6]。在 Wise郡、Denton郡等Barnett页岩的核心产区，Barnett页岩存在明显的异常高压；而在Johnson郡等非核心产区则不存在异常高压[15]。异常高压形成于地质历史过程中的岩层发生隆升剥蚀，且隆升剥蚀的同时没有产生大的断裂、裂缝等压力传导系统过多地释放地层原始压力。据此可知，Barnett页岩的核心产区未曾发生过强烈的整体抬升，从而造成该区的异常高压，因而保证了Barnett页岩的储能。而非核心区则可能发育了贯穿地层的断层、裂隙，致使Barnett页岩的储能受到破坏。

上面的分析说明，页岩在受到变形特别是多期构造变形的改造后，常会形成断层和不同的断裂组合及各种不同类型、不同规模的裂缝[26，29]。页岩气藏主要靠微裂缝运聚，断层和宏观裂缝起破坏作用，因此，强烈的构造活动形成的构造断裂不利于页岩气的保存，而非构造成因的中、小型和微裂缝有利于页岩气的保存[23]。

4 龙马溪组页岩气优选区

正如前面所述，龙马溪组自其沉积成岩以后，受到了多期构造变形的改造和叠加，在中上扬子地区形成了不同方向的褶皱和断裂。这些褶皱和断裂构造控制了龙马溪组泥页岩裂缝发育的展布、空间形态和发育程度，相应地也在很大程度上影响了页岩气的富集、成藏、破坏。虽然裂缝发育区有利于页岩中吸附气的解离，但开放性原生裂缝会降低页岩孔隙压力，减少吸附气量，降低气体储量；另一方面，原生裂缝的存在，可导致水力压裂能量沿其传导、逸散，阻碍水力压裂效果，从而使页岩气的储能和产能均大幅度降低，这一点已为Fort Worth盆地中Barnett页岩气的勘探所证实[15]。因而，在确定页岩气优选区时必需综合考虑：（1）构造变形强度和裂缝的发育程度；（2）裂缝对储能和产能的综合影响；（3）现今龙马溪组页岩气的残存厚度。

从前面的分析可知，川东北页岩发育带受大巴山构造域与雪峰山构造域的双重影响，表现出深浅部断层均发育、浅部断层都具有通天的特征。由于紧邻造山带，变形强烈，构造缩短率大，裂缝网络发育，不利于页岩气的成藏；另外，该页岩发育带是3个页岩发育带中残存厚度最薄的带，加之其埋深也是最大的：因而，川东北页岩发育带，可能是3个页岩发育带中最不理想的页岩气勘探区带。

川东鄂西页岩发育带主要受雪峰山构造域的影响，龙马溪组页岩自东向西变形由强变弱，在该发育带形成了一系列的叠瓦状逆冲断层、反冲断层和褶皱构造，地表断层大多是通天断层，靠近造山带一侧的断层较远离造山带一侧的断层密集（图6）。由于其坡坪式断层的拐点和坡坪式断层与次级小断裂的交汇点位于龙马溪组页岩附近，在断层由陡变缓处和断层交汇处是裂缝最为发育的地方，易于形成裂缝网络，从而使赋存于泥岩孔隙中的吸附气解吸变成游离气。当这些裂缝网络与主断裂连通时，呈游离态的气散失，而不能成藏。该发育带上夹持于断裂间的褶皱规模远较川南页岩发育带上的褶皱的规模小，褶皱的曲率相对较大；因而，与川南页岩发育带相比，在该发育带的褶皱核部更易形成裂缝网络。对鄂西渝东区古生界—中生界不同层位中的古流体地球化学同位素示踪表明，在中生界和上古生界中均存在来自于下古生界或震旦系的古流体[32]，说明这些裂缝网络具有连通性，因而，龙马溪组中裂缝发育区将会影响页岩气的聚集。从变形和裂缝的发育程度来说，川东鄂西页岩发育带具有比川南页岩发育带变形相对较强、裂缝相对发育的特点，结合该带页岩的残存厚度，认为川东鄂西页岩发育带是较川东北页岩发育带相对优越，但较川南页岩发育带略差的页岩气有利勘探区带。

川南页岩发育带在黔中隆起的格架下受雪峰山构造域的影响，该带主要发育规模较小的隐伏断层和曲率较小的背斜及背斜之间的宽缓向斜。由东向西断层也显示出由密变疏的特征（图7）。龙马溪组页岩作为区域滑脱层稳定分布于该带内。由于该带变形总体较弱，只有发育于断层附近、背斜核部等局部地区的裂缝网络造成吸附气解吸成游离气散失。稳定分布的滑脱层存在滑脱构造，在滑脱面上下页岩或不同岩性中易于形成顺层低角度滑脱裂缝，这类滑脱裂缝，多为封闭性的中、小型裂缝，它们有利于吸附气的解吸和页岩气的保存成藏。因此，从变形和裂缝的发育程度来说，川南页岩发育带总体显示良好的勘探潜力，再结合其残存厚度，可以认为川南是中上扬子地区3个龙马溪组页岩发育区最有利的页岩气勘探区带。

正如前面所述，变形越强的地方，断层越发育，相对应地裂缝越发育，裂缝张开度也越大、数量也越多[21]。另一方面，变形越强的地方，断层间所夹持的褶皱曲率越大，越易形成裂缝网络系统。虽然裂缝发育有利于页岩气藏中吸附气的解吸，但当断裂与裂缝相连通或裂缝相互连通后，会不利于页岩气的成藏。即或这些裂缝不连通，似乎可以使页岩气的储能增加；但通过模拟计算表明，与孔隙的储能相比，裂缝中页岩气的储能是相当低的[28]。更为重要的一点就是，原生裂缝发育区尤其是断层附近，易于地层水或后期开采过程中水的注入，使产能降低[6]。因而，在前述的2个有利勘探区带内，应当优选那些变形相对较弱、远离断裂带和原生巨型－大型裂缝不发育的地区进行页岩气藏的勘探。

5 结论

a.龙马溪组页岩与Barnett页岩在沉积背景、岩性组合和隆升演化模式上具有很好的相似性，但龙马溪组页岩的变形强度远比Barnett页岩强烈。

b.中上扬子区的龙马溪组页岩经历了多期变形的改造和叠加，强烈的变形和复杂的断裂、裂缝网络对龙马溪组页岩气的富集、成藏和产能具有重要的影响和控制作用。

c.川南页岩发育带和川东鄂西页岩发育带是3个页岩发育带中最具勘探潜力的区带，以川南页岩发育带最优。

d.在川南页岩发育带和川东鄂西页岩发育带内，变形相对较弱、远离断裂带和原生巨型－大型裂缝不甚发育区应该是页岩气藏勘探的首选目标区。

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