盆地边缘区高陡地层断裂发育页岩气特征

赵卫军，李 平，程礼军，尹晓君

（1.国投重庆页岩气开发利用有限公司，重庆 400043；2.重庆地质矿产研究院页岩气所，重庆 400042）



盆地边缘区高陡地层断裂发育页岩气特征

赵卫军1，李 平1，程礼军2，尹晓君1

（1.国投重庆页岩气开发利用有限公司，重庆 400043；2.重庆地质矿产研究院页岩气所，重庆 400042）

摘要：通过地表露头、地质和地球化学资料的分析，认为城口区块上奥陶统五峰组和下志留统龙马溪组页岩具有高有机碳含量、高过成熟度、节理裂缝发育、具有储藏页岩气的条件、解析（等温吸附）气含量高；根据地表的化验结果，预测了远景区；结合地貌指出了具有开发条件有利区。

关键词：页岩气；断裂；节理；远景区；盆缘

页岩气生烃方式为有机质热演化成因和生物成因，气体组成以甲烷为主，少量乙烷、丙烷等，具有自生、自储、自保的特点。页岩气分布广泛，一般当泥岩或页岩储层有机碳含量大于2%，镜质组反射率大于0.4%时，均认为具有形成工业价值气藏的基础条件。页岩气由吸附气和游离气组成，其中吸附气约占总气量的20%～80%。页岩气储层致密，孔隙度一般为4%～6%，渗透率小于0.001×10-3μ m2。目前页岩研究主要以地貌平，地层较缓，断裂少的地层为主，而城口区块位于盆缘，具有地层角度大，地貌以中高山为主，断裂较发育为特点。

1　勘查区地质概况

1.1地理位置

勘查区位于重庆市东北边缘，城口县高楠乡-城口县城-修齐镇-高观镇一带，东北与陕西省镇坪县、平利县、岚皋县、紫阳县接壤；南与重庆市巫溪县、开县毗邻；西与四川省万源市相连，境内交通主要依靠公路，省级公路贯穿勘查区，与各县级公路相连，交通较为便利。

1.2地表地貌

勘查区以低山河谷、中山等地貌为主，山脉呈北西-南东方向排列。区内山岭多，间夹河谷，河流多呈低弯度蛇曲状，下切作用强烈，所形成的河谷较为狭窄，谷坡陡峻。全县地貌明显形成四级夷平面，由北而南层层下降，从南西至北东，岭谷相间，相对高差大，层状地貌明显。

1.3地层展布

根据重庆市1∶50万地质图说明书及野外露头揭示，勘查区及周缘地区主要发育南华系、震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、二叠系、三叠系、第四系，缺失泥盆系、石炭系、侏罗系、白垩系、古近系。区内均为沉积岩地层，地层层序清楚，接触关系明显，层位比较稳定。

图1　城口地区地理位置图

图2　勘探区构造纲要图

勘查区内主要发育下寒武统水井沱组、上奥陶统五峰组、下志留统龙马溪组三套炭质页岩。此次主要研究上奥陶统五峰组、下志留统龙马溪组；上奥陶统五峰组为富含笔石和有机质的黑色页岩，厚度一般不足20m，但分布稳定，与上覆下志留统龙马溪组炭质页岩连续发育，故将上奥陶统五峰组和下志留统龙马溪组页岩作为一套目的层。该层在勘查区内广泛分布，但在北部遭受剥蚀殆尽，主要出露于勘查区的南部小部分地区，呈北西-南东向展布。

1.4构造特征

勘查区位于四川中生代前陆盆地和扬子陆块南部被动边缘褶皱带结合部位，经历多期构造运动，形成东西向密集、大体平行、不对称的背、向斜构造。构造线呈北西向延展，伴随褶皱的一系列斜冲断层，多发育在背斜轴部，以北东向北西斜冲为特点，常切割褶皱使背斜轴部遭受破坏。受区域构造影响，岩层中常见小型断层和褶皱，大角度倾斜岩层（大于60°）野外常见。主要有城巴断裂、乌坪断裂两条大断裂及城口-高燕复式向斜、旗杆山向斜两条向斜（图2）。构造由一系列北西向紧密线形复式褶皱及斜冲断层组成，构成叠瓦状逆掩推覆构造。向斜形态相对完整，背斜普遍遭受断层破坏。平面上，由城巴断裂带往北东褶皱强度和密度均由强到弱、由密集变稀疏。剖面上，褶皱强度越近地表越强烈，野外常见60°～ 70°的大倾角地层。断层走向与地层走向基本一致，断层两侧片理化现象普遍。

图3　龙马溪组页岩TOC等值线图

1.5沉积特点

上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组为深水陆棚，是静水强还原环境，一般较有利于有机质的保存，因此，悬浮的沉积物经过沉积、埋藏、压实、成岩等作用能够形成富含有机质的暗色泥页岩，岩石颜色通常为深灰-黑色，有机质含量普遍相对较高。

2　上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩平面分布

根据收集到的勘查区地质资料及野外踏勘实测，对重庆城口页岩气区块资料包中所列的勘查区目的层的厚度、埋深进行了修订。

勘查区上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩剥蚀较为严重，仅在西南部有少量分布。地层厚度一般为10m～60m，在城口大岩门、厚坪等地实测厚度均大于40m。上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组地层底界埋深变化表现为以下三个特点：埋深整体由北向南增加；埋深受褶皱、断裂控制明显；地层埋深变化较大，在300m～2 000m之间，其中，大部分地区的埋深在1 000m左右。由于该套地层相对较新，埋深相对较浅，剥蚀范围较大，沿乌坪断裂带以北均为剥蚀区，断裂带以南剥蚀区零星分布，约占勘查区总面积的80%，有效勘探面积约为176km2。

图4　龙马溪组页岩RO成熟度等值线图

3 上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩地球化学特点

3.1有机质丰度

勘查区上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组46个页岩样品的有机碳分析测试表明，80%的样品实测TOC值大于2.0%。平面上，页岩有机碳含量基本在3.0%以上，有机质丰度高。

3.2 有机质类型

有机质类型决定了烃源岩生油气能力的大小和烃类产物的组成，因此，页岩有机质类型对页岩气勘探有利区选择和资源预测十分重要。干酪根碳同位素能够反映原始生烃母质的特征，次生的同位素分馏效应不会严重地掩盖原始生烃物质的同位素印记，是划分高-过成熟烃源岩有机质类型的有效指标，由此选择用干酪根碳同位素确定有机质类型。

表1　龙马溪组黑色页岩岩矿组成

上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩干酪根的δ13C（PDB）为-28.8‰～-32.5‰，平均值为-30.2‰，母质类型为Ⅰ型干酪根，部分为Ⅱ1型。

3.3有机质成熟度

对勘查区及周缘上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组12个样品分析测试表明，页岩总体演化程度较高，Ro值分布在1.21%～3.22%之间，平均为1.70%。Ro值主体分布在1.3%～2.0%范围内，属于高成熟阶段。该套页岩Ro等值线平面分布变化不大，页岩热演化程度均处在高成熟、过成熟阶段，北部（城口中心村剖面）热演化程度相对较低，Ro值为1.64%，南部地区（城口厚坪剖面）热演化程度最高，Ro＞3.0%,达到过成熟阶段（图4）。

4　上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩储层特征

4.1页岩矿物组成

根据全岩分析及粘土矿物X射线衍射实验结果显示（表1）：上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩各类矿物含量为：石英（7%～89%，平均56.1%）、粘土矿物（9%～49%，平均27.1%）、碳酸盐（0～74%，平均7.94%）、长石（0～13%，平均6.2%），黄铁矿（0～49%，平均2.59%）。粘土矿物主要包括高岭石、绿泥石、伊利石和伊蒙混层等。

4.2页岩孔渗特征

上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩24个样品测试表明，其孔隙度在1.2%～10.3%之间，平均4.0%；从全部样品的分布频率上看，孔隙度小于2.0%的占33.3%，分布在2.0%～7.0%的占全部样品的45.8%，分布在7.0%～10.0%的占全部样品的16.6%，大于10.0%的占4；BJH总孔体积在0.001 50ml/g～0.016 45 ml/g之间，平均为0.006 04ml/g。

上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组24个页岩样品测试表明，页岩渗透率主要分布在0.005 4×10-3μ m2～0.033 6×10-3μ m2之间，平均0.013 1×10-3μ m2，50%样品的渗透率小于0.01×10-3μ m2，没有大于0.05×10-3μ m2的样品。

4.3孔隙及裂缝特征

野外露头表明，勘查区内页岩中天然裂缝十分发育。主要包括天然张开缝、风化的页岩破碎带、X剪节理、沉积间断不整合面和方解石脉充填的早期挤压缝等。邻区钻井岩心中也发现了十分发育的高角度微裂缝，指示勘查区页岩易于发生脆性裂缝；电子显微特征显示，本区泥页岩中存在大量的微小孔洞和裂隙，且呈蜂窝状分布，孔隙直径一般为0.1μ m～0.8μ m。

5　页岩含气性及保存条件

5.1页岩含气性

页岩含气量是页岩气勘探和资源可采性评价的关键参数之一。等温吸附模拟实验表明，上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩吸附气量在1.82～2.90m3/t之间，平均1.92m3/t，显示两套目的层页岩具有较好的吸附性能。

勘查区外围的巫溪县境内的巫浅1井，钻遇五峰祖-龙马溪组黑色页岩目的层位时监测到气体异常现象，现场岩心放入常温水中普遍产生大量气泡冒出，显示两套页岩良好的含气性。

5.2保存条件

勘查区发育3套区域盖层，即中下三叠统泥岩和膏盐（厚度不超过800m）、志留系泥岩（厚300m～2 000m）和上寒武统泥岩（厚150m～300m），但总体位于四川盆地边缘及外围地区，随着地层抬升遭受剥蚀，在不同地区区域盖层保存程度不同，进而导致保存条件存在较大差异。从下古生界两套海相页岩的区域盖层分布看，勘查区先后经历了多期次构造运动的建造与改造，海相层系遭后期改造破坏，但局部地区下古生界两套黑色页岩层系顶部整合的巨厚致密碳酸盐岩总体未受明显破坏，为页岩气的保存提供了有利条件。

图5　勘查区龙马溪组页岩气勘查有利区

6　有利区选择

上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩分布于勘查区西南部，面积小（图6），厚度约为40m，分布稳定；埋深变化范围较大，在300m～2 000m之间；有机质丰度高，有机质类型以Ⅰ型为主，少量Ⅱ1型；有机质热演化处于高成熟-过成熟阶段；岩矿组成上石英等脆性矿物含量较高，构造微裂缝发育，有利于压裂改造。等温吸附实验表明页岩吸附性能良好，最大吸附气量为1.92m3/t，因此为勘查区次要的页岩气勘探目标层位。

7　存在问题及建议

勘查区基本属于常规油气勘探空白区，区域勘探程度较低，未进行过地球物理勘探，油气资料缺乏，存在的地质风险主要有以下4个方面：

1）山地地貌有利区预测要考虑是否具备开发条件。

2）构造运动对页岩气保存条件的影响。勘查区构造及地表条件复杂，地层倾角大。地层经过加里东期、华力西期、印支期、燕山期、喜马拉雅期多期构造运动，发育大巴山断裂及乌坪断裂两条深大断裂，破坏地层的完整性，褶皱断裂发育，地层倒转现象普遍，可能是不利于页岩气保存的构造条件。

3）热演化程度过高对页岩含气量的影响。对于热成因型页岩气藏，随着Ro的增高，含气量会逐渐增大，但当Ro＞3.0%以后，有机质进入过成熟期，生气量明显降低。勘查区目的层生烃时代较早，热演化程度较高，普遍达到高-过成熟阶段，因此，对页岩的含气性可能有一定影响。

4）实验分析样品数量较多、但基本都是地表样品，缺乏地下新鲜岩样、严重影响实验效果，也给更深层次的研究带来一定的难度。

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Characteristics of Shale Gas Developed by Fracture in Basin Edge Mountain with High and Steep Formation

ZHAO Weijun1LI Ping1CHENG Lijun2Yin Xiaojun1
(1-Chongqing Shale Gas Development Co.,Ltd.,Chongqing 400043; 2-Institute of Shale Gas,Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources,Chongqing 400042)

Abstract:Geological and geochemical study indicates that shale of the Upper Ordovician Wufeng Formation and the Lower Silurian Longmaxi Formation in the Chengkou area is characterized by high organic carbon content,high/over mature,developmental crack and fissure as well as high resolution (isothermal adsorption) gas content.This paper predicts perspective of shale gas in the Chengkou area.

Key words:shale gas; fracture; fissure; prospect area; basin edge

作者简介：赵卫军（1976-），男，陕西礼泉人，高级工程师，主要从事页岩气勘探工作

收稿日期：2014-12-30

DOI：10.3969/j.issn.1006-0995.2016.01.007

中图分类号：P618.1

文献标识码：A

文章编号：1006-0995（2015）04-0034-04