湘鄂西地区奥陶系—志留系滑脱层古流体对页岩气保存的意义

刘 安 欧文佳 黄惠兰 危 凯 李 海 陈孝红

1.中国地质调查局武汉地质调查中心 2.中国地质大学（武汉）

天然裂缝是页岩气赋存和渗流的重要空间[1-2]，滑脱变形是页岩形成天然裂缝的重要机制。近年来，随着页岩气勘探开发的兴起，页岩层滑脱构造的研究逐渐在油气领域得到重视。研究发现北美Appalachian盆地Marcellus核心区、Arkoma盆地Woodford页岩、墨西哥Haynesville气田页岩裂缝发育与滑脱变形密切相关[3-5]。我国中—上扬子地区发育多个滑脱层，由雪峰山向四川盆地滑脱层深度变浅，雪峰山地区滑脱层主要是下寒武统和青白口系板溪群，湘鄂西地区滑脱层主要为志留系和下寒武统，川东地区则变为下三叠统和中—下志留统[6]。滑脱变形层岩性常常是富有机质页岩层或膏盐层[7-8]。四川盆地涪陵地区志留系页岩气田裂缝的形成与喜马拉雅期构造强烈的褶皱反转和页岩大面积滑脱变形有关[9]，而且距主滑脱面越近，泥页岩层间滑动缝越发育，断—滑控缝[10]，另外有部分裂缝为超压所致[11]。

目前，中—上扬子地区奥陶系—志留系滑脱层（以下简称志留系滑脱层）的研究主要集中在页岩储层特征和储层改造方面[9-11]，古流体研究相对较少，滑脱层及裂缝的古流体研究热点为高密度甲烷包裹体的成因、地层压力的演化过程[12-14]，但是对于古流体的页岩气保存意义却少有涉及，而保存条件却是中—上扬子地区页岩气勘探的关键问题[15-17]。作者通过湘鄂西地区奥陶系—志留系剖面露头和钻探岩心观测裂缝脉体充填特征，分析裂隙形成与滑脱层的关系，通过裂缝脉体流体包裹体组分、温度测试分析古流体的形成环境，与川东南地区焦石坝区块、南川区块对比分析，综合研究湘鄂西地区志留系滑脱层对页岩气保存的意义。

1 区域地质特征

图1 研究区区域地质图及取样点位置图

湘鄂西地区南与江南—雪峰隆起以慈利—保靖断裂为界，北西以齐岳山断裂与川东分开，由一系列复背斜和复向斜相间组成（图1）。区域上发育震旦系—三叠系海相地层，其中下寒武统牛蹄塘组[18]、上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组为分布广泛的富有机质页岩[19]。五峰组页岩的厚度一般为数米，岩性为黑色硅质岩夹薄层状笔石页岩；龙马溪组下部富有机质页岩的厚度一般介于数米至数十米，岩性为黑色笔石页岩。湘鄂西地区构造变形主要是中生代以来陆内递进变形由东向西扩展[20]，发育多个滑脱层，志留系滑脱层分布较广泛。

2 滑脱层地质特征

本次研究在10余个剖面点和钻井的岩心滑脱层进行了剖面测量和岩心观察，并采集了裂缝石英脉/方解石脉样品，采样位置如图1所示。其中，通过露头剖面测量和岩心观察对奥陶系—志留系之交滑脱构造的分布、规模、变形特征、裂缝发育进行了描述分析（表1）。发现志留系滑脱层分布较广泛，为区域性的滑脱构造，但受叠瓦状逆冲推覆构造控制，滑脱层平面上展布非均质性强，很多剖面和钻井没有发现明显的滑脱构造。

滑脱层厚度一般为数十厘米至数米，大型逆冲断裂带附近和地层强烈褶皱变形区域滑脱层厚度大、岩层变形破坏强烈。地层平缓、断层不发育区域滑脱层规模小，变形较弱。滑脱层发育的层位主要为奥陶系五峰组—志留系龙马溪组黑色富有机质页岩段，在五峰组薄层状硅质岩夹页岩段中最为发育。五峰组下伏奥陶系厚层状石灰岩，五峰组—龙马溪组主要为薄层硅质岩夹页岩，当两套地层间的岩性发生明显变化时，层间滑动越容易产生，且在塑性更强的地层中更容易发生层间滑动[11]。

滑脱构造带揉皱构造、破碎角砾岩发育。长阳新桥剖面因滑脱构造导致五峰组厚度明显减薄。桑植袁家桥剖面揉皱构造中硅质岩挤压破碎成透镜状，揉皱轴面多指示上覆岩层向NW挤压运动。破碎角砾岩中角砾之间多被石英脉或者方解石脉充填，局部露头可见石英脉又被后期裂缝切割破碎，表明构造活动具有多期次特点。

剖面和钻井岩心裂缝统计发现，若滑脱层在龙马溪组页岩中，上覆泥岩则顺层裂缝发育；滑脱层发育龙马溪组底部或五峰组，裂缝常常发育在硅质岩层中，形成密集分布垂直岩层的共轭节理，节理一般不切穿页岩夹层，页岩发生层间滑动，镜面擦痕非常普遍。硅质岩节理缝宽一般小于1 mm，部分被石英脉充填。五峰组硅质岩裂缝发育一方面与脆性矿物含量高有关[21]，另一方面因硅质岩多为薄层，易于产生裂缝[22]。

3 裂缝充填脉包裹体特征

3.1 包裹体岩相学特征

根据30余块包裹体样品镜下观察，发现多数样品裂缝发育，石英或方解石矿物颗粒较破碎，矿物颗粒镜下较模糊，包裹体数量少、个体小、纯液相包裹体占比高，挑选其中8件两相包裹体相对发育、包裹体个体相对较大的样品做全面测试。测试结果（表2）分析表明：①纯水溶液包裹体占包裹体总量的30%～70%，室温下呈单一液相，定向分布或小群分布，包裹体大小介于2～6 μm，四边形或米粒状，沿显微裂缝尤为发育；②气液两相包裹体占包裹体总量的30%～50%，室温下见明显的气相和液相，气液比变化较大，为5%～30%，包裹体大小介于3～12 μm，自由分布或沿着显微裂缝分布；③气相包裹体占包裹体总量的0～20%，室温下为单相，包裹体大小介于2～6 μm，自由分布或沿着显微裂缝分布；④沥青包裹体在YD1井观测到，发育在龙马溪组底部石灰岩夹层的裂缝方解石脉中（井深1 300 m），呈椭圆形、小群分布，不规则状沿着显微裂隙分布，包裹体大小介于3～5 μm，不规则状超过20 μm；不发荧光。川东南地区志留系页岩高角度缝充填的脉体主要识别出两种类型的包裹体，即为气液两相包裹体、纯气相包裹体[14]，湘鄂西地区滑脱带与之相比较，富含纯水溶液包裹体。

表1 湘鄂西地区志留系滑脱层特征表

3.2 流体包裹体均一温度、盐度特征

流体包裹体均一温度分布范围介于90～271 ℃，流体活动具有多期次的特点（表2、图2）。WD02井的B-4、B-11、B-2样品测得的最高均一温度达到271 ℃，接近最大埋深的温度，但该期次均一温度测点少，可能是形成以后多期次构造活动将早期形成的包裹体破坏掉；WD02井包裹体记录的是均一温度介于120～140 ℃的流体活动；WD01井流体包裹体则记录了均一温度介于100～130 ℃的流体活动。从流体活动温度看，页岩气保存条件好的焦石坝、南川龙马溪组储层包裹体均一温度分别为225.6 ℃、233.6℃[14]，记录早期流体活动的包裹体较多，表明后期构造活动相对较弱，早期形成的包裹体很少被破坏掉。湘鄂西地区整体上表现出早期的较高均一温度流体包裹体不发育，可能是被后期构造活动破坏掉，后期构造阶段形成的较低均一温度流体包裹体相对发育，且低于彭水地区流体包裹体128.5～156.4 ℃的均一温度[14]。

流体包裹体冰点温度计算出的盐度介于0.53%～10.37%，多数包裹体盐度介于6%～9%（表2、图2），与焦石坝、南川、彭水等地区志留系储层脉体中的流体包裹体的盐度4.7%～9.7%较为接近[14]。但湘鄂西地区志留系滑脱层盐度范围分布更宽，部分测点盐度在3%附近。现代海水平均盐度为3.3%，平均盐度小于3.3%为半咸水—淡水，以此为标准判断古流体的来源。样品1407-3所测包裹体盐度小于3.3%对应的均一温度介于120～146 ℃，在均一温度峰值范围内；WD02井B-4、B-11样品盐度小于3.3%的包裹体对应均一温度为135 ℃左右。滑脱层低盐度流体包裹体对应低温，表明该期次流体活动与低盐度的古大气水具有密切的相关性。

以所测低盐度流体包裹体的均一温度为基础，根据当时湘鄂西地区古地温梯度2～3 ℃/100 m，推测该期流体包裹体形成的深度超过4 000 m，前人通过裂缝方解石脉碳氧同位素、流体包裹体测试获得建始—巴东一带附近古大气水下渗深度一般为2 200～3 000 m[23]。本次研究得到志留系滑脱层古大气水下渗深度要明显大于前人基于碳酸盐岩储层研究获得的结果，表明滑脱层形成了明显的横向渗透层，其渗透性高于致密海相碳酸盐岩；当滑脱层与露头或者浅表断裂沟通后，古大气水会沿着滑脱层向更深更远的位置进一步渗透，导致滑脱层的古大气水下渗深度大于区域的古大气水下渗深度。

表2 包裹体组合特征、均一温度、盐度测试结果统计表

3.3 包裹体激光拉曼分析

本次研究对所有包裹体薄片做了拉曼测试，共获得10多个包裹体的拉曼测试结果。测试结果分析表明包裹体液相组分为水，气相组分较为复杂，以甲烷为主，部分为氮气或者是氮气与甲烷的混合（图3-a、b、c）。液相水的拉曼峰位移介于3 424～3 465 cm－1，气相甲烷的拉曼峰位移介于2 912～2 918 cm－1。包裹体甲烷的拉曼位移反映包裹体的捕获压力和密度[24]，个别包裹体甲烷的拉曼位移接近2 912 cm－1，表明捕获了高密度状态的甲烷包裹体，代表了地史中高压的地质环境[12]，但是多数包裹体甲烷的拉曼位移多指向2 917 cm－1一端，表明更多的包裹体形成于常压环境，或是在多期的构造运动中，记录超压环境的流体包裹体多被破坏掉了。

纯气相包裹体检测出氮气和甲烷的比例近11∶2（图3-b）。研究认为，无论是单组分还是混合体系中, 气体拉曼信号随压力变化趋势明显，可以用来指示包裹体的现实内压[25]，这种富含氮气的包裹体中甲烷的拉曼位移为2 917.53 cm－1，推测富含氮气的包裹体形成于常压条件。气液两相包裹体气相中检测出纯氮气，同一包裹体的液相组分中检测出氮气和甲烷（图3-c、d），二者的比例是7∶1，甲烷的拉曼位移为2 908.26 cm－1，具有典型的水相甲烷拉曼位移特征[26]，造成气相和水相中气体组分的差异可能是因为甲烷在水中的溶解度要远高于氮气。由于采样位置远离深大断裂和火山活动区域，且样品中氮气的比例超过20%，故来源于大气的可能性更大[27]。富含氮气包裹体形成于常压条件也支持古大气水下渗被流体包裹体捕获、氮气来源于大气的结论。

3.4 包裹体离子组分分析

图3 包裹体激光拉曼光谱图

本次研究以包裹体群离子组分为基础，将油田水化学分析常用的特征参数引入到包裹体群组分分析中，以此判断包裹体中古流体的性质，分析保存条件；研究中尽量将离子组分分析样品与包裹体测温样品一一对应。石英脉样品以Na+和Cl-为主，方解石脉样品阴离子以Cl-为主、阳离子Ca2+含量高于Na+，造成差异的原因可能是在加热爆裂过程中导致了部分方解石的分解产生了Ca2+。将离子浓度转换为毫克当量后求取了钠钙系数、脱硫系数、变质系数，并与保存条件良好的J28井志留系地层水参数（样品号J-1）进行对比分析（表3）。

钠氯系数（rNa+/rCl-），经过强烈水岩作用的沉积水的钠氯系数小于0.85，受大气水淋滤影响的地下水钠氯系数一般大于1[28]。除两个包裹体样品的钠氯系数分别为0.84、0.94，其余样品均大于1。

变质系数[(rCl-－rNa+)/rMg2+]反应地层水的浓缩变质程度，如果数值小于0，反应地层水封闭性被破坏。包裹体样品的变质系数除了样品1407-3、L-1外，其余样品均小于0，上述两个样品的钠氯系数也相对较小。结合前文的流体包裹体均一温度测试可知，这两个样品均一温度有两个峰值，其中较高均一温度（200～210 ℃、170～180 ℃）包裹体也较发育（图2、表2）。可能是较多的早期捕获的封闭性好的流体包裹体与后期捕获的混有古大气水的流体包裹体液相混合所致。

表3 滑脱带脉体矿物包裹体离子组分统计表

脱硫系数（rSO42-×100/rCl-）越小，地层的封闭性越好，通常把脱硫系数1作为脱硫作用是否彻底的界限值。包裹体样品脱硫系数变化较大，从0.05～30.73都有分布，样品1407-3、L-1的数值也非常低；整体看一半的样品脱硫系数大于1，指示包裹体捕获了地层相对开放阶段的流体。

综合钠氯系数、脱硫系数、变质系数，从浅井和露头采集志留系滑脱层石英脉、方解石脉样品富含晚期低均一温度的流体包裹体，记录了滑脱层构造活动导致地层水封闭性被破坏、古大气水下渗与地层水混合形成的古流体。与J28井志留系地层水参数比较，包裹体水化学特征系数差别大，一方面与样品捕获的各个期次流体包裹体所占的比例相关，另一方面可能也反映了古大气水混入程度的差异。

4 滑脱层页岩气聚散模式

4.1 滑脱层页岩气聚散特征

前文流体包裹体分析表明滑脱层是志留系底部页岩段流体运移的重要通道，更多的证据表明这种通道具有普遍性。焦石坝构造主区由南向北沿构造轴线海拔逐步变高，地层压力系数由南向北逐渐变大，在滑脱构造及裂缝发育条件下，龙马溪组页岩气层整体处于一个相对统一的压力系统，页岩气与常规气类似，有向构造高点运移的趋势。另外，页岩气组分在横向上的变化表明页岩气存在横向运移。宜昌地区的YY1HF井离南边的天阳坪断裂约5 km，下寒武统水井沱组页岩段靠近断裂附近裂缝发育，水平段井深3 200 m以浅气测录井显示气组分以甲烷为主，含微量的乙烷和丙烷；井深3 200 m以深气测录井显示除了上述气组分外，逐渐出现微量的异丁烷、正丁烷、异戊烷气组分。研究认为构造高位和低位气组分的差异主要受气体运移时重力分异因素的影响[29]。即使在不考虑滑脱构造及裂缝的条件下，页岩水平渗透率大于垂向渗透率（相差可达到3个数量级以上）决定了无论是剥蚀区还是断层附近，水平方向是页岩气逸散的主要通道[30]；裂缝、扩散速率等因素决定了页岩的自封闭性[31]。因此，在页岩段滑脱构造发育情况下，滑脱层及其裂缝系统形成了一个输导层，页岩气类似常规气在储层中的运移，也有学者将这类受裂缝影响明显的页岩气藏定义为复合型成藏[32]。

滑脱构造与生烃演化时间上的耦合是滑脱层成为页岩气运移通道的重要因素。湘鄂西地区自桑植—石门复向斜到川东褶皱带华蓥山背斜，开始强烈构造变形隆升的时间从中侏罗世末的165 Ma到早、晚白垩世之交的95 Ma[20]。志留系页岩在隆升变形之前经历最大埋深，燕山期处于干气生气阶段，随着抬升而停止生烃[33]，滑脱构造始于志留系页岩干气阶段。从流体包裹体的组成看，除了在黄陵隆起周缘发现的包裹体含有沥青，其他的样品烃类包裹体主要是甲烷，表明包裹体形成晚于原油裂解，记录的应该是经历了最大埋深后的流体过程，与滑脱构造密切相关。

流体包裹体记录了滑脱层页岩气聚散的过程。长距离的滑脱层变形形成了横向连续延伸的破碎带，卷入变形带的硅质岩角砾起到了刚性支撑作用，形成了广泛分布的横向渗透层。滑脱层裂缝形成后，加剧页岩气向构造高点运移；记录古流体的石英、方解石脉体充填裂缝，但多期次挤压滑脱导致裂缝充填矿物变形破碎，矿物内流体包裹体被改造，次生流体包裹体形成，以及新的期次的石英脉、方解石脉充填。脉体早期捕获包裹体气相组分以高密度甲烷为主，在焦石坝、南川地区较为典型，湘鄂西地区滑脱层脉体也发现了少量该类包裹体；随着进一步抬升剥蚀，页岩段超压释放，捕获的甲烷包裹体密度降低，彭水地区记录了大量常压条件下捕获的流体包裹体。当页岩段进一步被滑脱构造改造和抬升，裂缝开启程度加大，古大气水下渗深度变大，裂缝中充填的石英、方解石矿物捕获大量古大气水和地层水混合的气液两相包裹体、纯液相包裹体，包裹体气相组分中出现氮气，出现低盐度流体包裹体，包裹体液相组分钠氯系数升高、脱硫系数变大、变质系数降低，滑脱层古大气水下渗的最大深度超过4 000 m。因滑脱层影响，页岩段游离气和吸附气进一步扩散损失，总含气量降低；滑脱层中地表水携带的大气组分与页岩中的烃类气体发生交换，页岩吸附了大量空气中的氮气。在鄂西地区实施的志留系页岩气浅钻WD01井、WD02井深度小于1 000 m，解吸获得页岩的含气量一般为1 m3/t左右，其中氮气的含量高达90%。古大气水或地层水沿着滑脱层渗入含气层，一方面会导致页岩的含气性降低，另一方面导致页岩的含水饱和度上升。研究表明，页岩气富集情况下，页岩的含水饱和度非常低，页岩气藏遭受破坏则表现为高含水饱和度[34]，湘鄂西志留系滑脱层富含大量纯盐水包裹体特征与之非常吻合。

4.2 滑脱层页岩气聚散模式

将滑脱层与构造样式相结合，建立了志留系滑脱层页岩气聚散的3种模式，即向斜模式、宽缓背斜模式、紧闭背斜模式（图4）。

图4 湘鄂西志留系滑脱带页岩气聚散模式图

向斜模式（图4-a）：湘鄂西地区隆起带周缘的单斜构造和向斜构造单元，若滑脱构造发育，页岩段气体将会向两翼或者是页岩露头区逸散，将不利于页岩气保存，离露头区越近，页岩气保存条件越差；PY1井及本次研究采集滑脱层包裹体样品的钻井和露头多属于这类情况。

宽缓的背斜构造模式（图4-b）：背斜核部形成气体运移指向区，滑脱层将促进页岩气向核部运移形成大量的游离气，相对有利于页岩气富集；焦石坝地区志留系页岩气应属于这种类型。

紧闭背斜模式（图4-c）：因背斜核部垂直裂缝发育，滑脱层致使两翼页岩层与背斜核部裂缝相沟通，将会加剧页岩气逸散，不利于页岩气保存；川东地区分布广泛的隔档式褶皱属于此类。

湘鄂西地区油气保存条件整体较差，在页岩气勘探中，邻近断层或剥蚀区的单斜、向斜以及紧闭的背斜构造应该尽量避开滑脱构造发育的页岩层，例如EY1井、YD1井虽然志留系目的层埋深较浅、离露头区较近，但滑脱构造及垂直裂缝不发育，现场解吸也获得了较好的含气性。保存条件较好的情况下，滑脱构造发育的宽缓背斜可能游离气富集，也有利于储层压裂改造。

5 结论

1）湘鄂西地区志留系页岩段滑脱层面上展布具有非均质性，部分地区未发现明显的滑脱构造，滑脱构造主要发育于奥陶系—志留系之交的硅质岩夹页岩段，硅质岩破碎为角砾状，或者发育小型揉皱，滑脱带上下硅质岩层共轭垂直节理较发育。

2）滑脱层脉体发育多期次、多类型包裹体，富含纯水溶液包裹体。早期的较高均一温度流体包裹体不发育，后期构造阶段形成的均一温度较低的（100～140 ℃）流体包裹体较发育。包裹体的均一温度推测古大气水沿着滑脱带最大下渗深度超过4 000 m。激光拉曼揭示滑脱带早期捕获了超压条件下的高密度甲烷包裹体，后期因封闭性遭受破坏，古大气水下渗，包裹体捕获了常压甲烷和氮气。

3）以流体包裹体群离子组分分析为基础，将油田水化学分析常用的特征参数引入到包裹体群组分分析中；与典型封闭性好的志留系地层水相比较，记录晚期古流体的包裹体离子组分钠氯系数高、脱硫系数大、变质系数低，表明滑脱带页岩封闭性变差。

4）古流体特征表明研究区志留系构造滑脱层为一套渗透层，单斜和向斜滑脱带不利于页岩气富集，宽缓背斜相对有利于页岩气聚集，在紧闭背斜中滑脱带将加剧页岩气散失。

致谢：感谢武汉地质调查中心李芳高级工程师在流体包裹体测试方面提供的帮助，感谢中国地质大学（武汉）何谋春老师协助拉曼实验，感谢江汉石油工程公司油藏评价研究所张寅所长、武汉地质调查中心王保忠博士等提出的宝贵意见。

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