四川盆地东部龙马溪组页岩气成藏地质条件对比分析

李 斌， 郭庆勇， 罗 群， 胡博文， 晋长昊

(1.神华地质勘查有限责任公司，北京 100022； 2.中国石油大学(北京)，北京 102249)

0 引言

随着页岩气勘探的快速推进，在四川盆地及其周缘发现了工业气流，并进行规模化开采[1]。目前的页岩气重大发现均分布在四川盆地及周缘东部和南部，为构造相对比较简单的地区，如: 焦页1井日产20.3×104m3高产工业气流，累计突破1×108m3； 宁201井日产气量500×104m3，长宁区块年度累计产气量12.69×108m3。在构造复杂区也发现页岩气显示，但未见重大突破[2]。为深入研究该区的页岩气地质特征及成藏富集规律，本文选择川中地区、渝东地区以及湘鄂西地区，进行地层对比，揭示其构造、沉积演化特征，同时选择渝东隔挡式褶皱带内焦石坝地区、与其相邻的槽-挡过渡褶皱带内的彭水、黔江和酉阳地区，以及湘鄂西隔槽褶皱带内的湖南保靖地区，进行成藏地质条件对比，为该区页岩气勘探前景提供理论依据。

1 区域地层特征

中上扬子区以华蓥山断裂带、齐岳山断裂带和保靖—慈利断裂带为界，划分出四川盆地、渝东隔挡式褶皱带以及湘鄂西隔槽式褶皱带(图1)。中上扬子区具有统一的结晶基底，其沉积、构造演化特征与页岩气成藏条件、富集规律间必然存在一定的联系。经川中地区、渝东地区、湘鄂西地区综合对比[3]，其地层特征为： 川中地区发育元古宇—第四系，渝东地区发育元古宇—侏罗系，湘鄂西大部分地区发育元古宇—下三叠统，部分地区发育上三叠统—白垩系(阮麻盆地)。其纵向地质特征为： 古生界—下三叠统为海相碳酸盐岩，中三叠统—新生界为陆相碎屑岩。从区域上看，下古生界各地质历史时期变化较大，寒武系与奥陶系从东向西，厚度逐渐减小，志留系则在渝东地区最厚，湘鄂西地区较厚，川中地区消失。川中地区中、新生界发育最全，最新发育第四系，渝东地区最新发育上侏罗统，湘鄂西大部分地区最新发育下三叠统，仅在部分地区最新发育白垩系(沅麻盆地)。由此可见，寒武纪和奥陶纪时期，沉积中心位于湘鄂西以西地区，而川中地区远离沉积中心； 到志留纪时，沉积中心迁移至渝东地区，而川中古隆起地区隆升剥蚀。中、新生界从东向西，发育越来越新，其沉积中心位于四川盆地。

四川盆地及东部地质历史时期出现了多次大范围的重大不整合面，其中最为典型的有震旦系底部不整合面、志留系顶部不整合面、侏罗系顶部不整合面、白垩系顶部不整合面等，说明在地质历史时期中，中上扬子区曾发生过多次构造运动，且沉积中心发生过多次迁移。

2 沉积构造演化特征

中上扬子区自基底形成以来，伴随中扬子腹地复杂的构造运动和盆地演化而沉积充填[3-4]。震旦纪早期陆壳基底沿中上扬子区东南缘拉张，到震旦纪中期，中上扬子区过渡为稳定的被动大陆边缘[5]。进入早寒武世，大陆裂解加剧，全区发育牛蹄塘组厚层黑色碳质页岩，为我国南方地区第一套烃源岩。晚奥陶世至志留纪，加里东运动加剧，中上扬子区出现江南隆起、黔中隆起、川中隆起等多个隆起，在隆起包围的中扬子地区形成前陆盆地[6](图2)。

早志留世龙马溪组沉积期，沉积了厚度巨大的黑色碳质页岩(图3(a))，笔石化石丰富，为页岩气的生成提供了物质条件[7]。中志留世后，加里东运动加剧，中上扬子地区抬升剥蚀，形成了沉积间断。

图2 中上扬子区志留纪龙马溪期古地理及龙马溪组厚度等值线图

泥盆纪至早石炭世中扬子大部分地区因构造运动而抬升[6]。晚石炭世至早三叠世，中上扬子区处于古特提斯洋扩张的伸展扩张背景[8]。中三叠世末，扬子板块与华北板块闭合拼接，完成中国大陆南北拼合[9]。晚三叠世以后，中上扬子区进入以前陆盆地为主的阶段。中侏罗世末，雪峰隆起进一步挤压隆起，而其西北侧发生大幅度沉降，沉积中心向西迁移至川中地区[10]，四川盆地基本定型，稳定沉积了陆相磨拉石，而在渝东地区、湘鄂西地区均发生抬升剥蚀，仅在沅麻盆地沉积了湖泊相碎屑岩[11](图3(b))。

(a) 志留纪

(b) 侏罗纪

(c) 白垩纪

图3 中上扬子区沉积环境演化模式

晚侏罗世燕山运动加剧，扬子板块东南部雪峰隆起再次活化造山，形成了大规模的逆冲推覆断层，由东南向西北构造作用逐渐减弱，在湘鄂西地区形成隔槽式褶皱带，而在渝东地区形成隔挡式褶皱带，前陆盆地沉积中心向西部迁移[12]。白垩纪时，中上扬子区早期以伸展构造为背景，在四川盆地沉积了陆相碎屑岩，渝东地区均抬升剥蚀，湘鄂西地区仅在阮麻盆地沉积了白垩系陆相碎屑岩(图3(c))。白垩纪末期，中上扬子区发生构造反转，渝东地区、湘鄂西地区均因构造运动强烈而导致抬升、剥蚀，四川盆地内湖盆面积逐渐缩小，沉积中心向西迁移，并继续接受新生界陆相碎屑岩沉积[13]。

3 热演化分析

目前，四川盆地及其东部主要的页岩气目的层位为志留系龙马溪组黑色碳质泥岩，其热演化过程和构造运动与后续的沉积作用有密切关系[14]。龙马溪组黑色碳质泥岩从沉积开始至晚二叠世，由于埋藏深度较浅且盆地热流值较低，地层温度较低，处于未成熟状态。晚二叠世，随着峨眉山玄武岩喷发，地壳拉张，热流值迅速增高，龙马溪组经历第一次快速演化，进入成熟阶段并开始生油。随后地壳拉张结束，大地热流值降低，热演化速度变缓。早三叠世开始，印支运动发生，雪峰隆起再次活化，沉积作用减缓，但构造运动增加了盆地基底热流值，热演化再次加速。晚三叠世到中侏罗世，燕山运动发生，湘鄂西地区隆起抬升，而渝东地区和四川盆地沉降，形成前陆盆地，龙马溪组快速埋深，沉积中心逐渐向西迁移，热演化程度加剧。中侏罗世后，燕山运动加剧，前陆盆地的沉积中心迁移至四川盆地中心区域，渝东地区以东大部分地区抬升剥蚀，四川盆地连续快速沉降，热演化快速进行，短时间内进入热裂解生干气阶段。早白垩世，中上扬子部分地区拉张断陷(主要为四川盆地、渝东西部地区及湘鄂西地区的阮麻盆地)，再次快速沉积，一直到晚白垩世，断陷盆地处地层达到最大埋深，温度可达160～250 ℃； 此后构造反转，经受大规模抬升，地层温度降低，热演化停止，成熟度不再增高，现今龙马溪组已处于过成熟状态。

四川盆地龙马溪组的生烃时间为晚二叠世—晚白垩世，部分地区可持续到新近纪； 渝东焦石坝地区为晚二叠世—晚白垩世[15]； 渝东彭水地区为晚二叠世—晚侏罗世[14]； 湖南保靖地区为晚二叠世—中侏罗世[15]。生烃时间的差异导致页岩气的生产能力从西向东有减弱的趋势。

4 成藏地质条件对比分析

决定页岩气成藏条件的因素一般有地层厚度、有机质丰度、热演化程度、物性、储集空间特征、封盖条件、含气性以及构造发育特征等。为了更好地了解四川盆地东部龙马溪组页岩气成藏条件差异，将代表性地区页岩气成藏基本地质条件进行对比(表1)，并对各地区的储集空间特征及构造裂隙活动进行分析，以期掌握其空间成藏规律，指导下一步勘探部署。

表1 中上扬子区页岩气地质特征

4.1 地层厚度

由表1及志留纪中上扬子古地理图(图2)可知，湖南保靖地区龙马溪组最大厚度为30 m，彭水地区最大厚度为100 m，焦石坝地区则为173 m(表1)。从志留纪前陆盆地边缘向盆地中心，龙马溪组厚度逐渐增加，说明盆地中心的焦石坝地区和彭水地区页岩气生成的物质基础明显好于湖南保靖地区。

4.2 有机质丰度

湖南保靖地区龙马溪组有机质最大丰度为2.7%，彭水地区龙马溪组有机质最大丰度为4.3%，焦石坝地区龙马溪组有机质最大丰度为3.5%(表1)。从志留纪前陆盆地边缘向盆地中心，有机质丰度逐渐增加。储层中随着有机质含量的增加，有机质孔所占的比例也相应增加，总含气量也有增加的趋势(图4)。

图4 四川盆地东部有机质丰度等值线图

4.3 热演化程度

湖南保靖地区龙马溪组Ro平均值为2.56%，彭水地区龙马溪组Ro平均值为2.73%，焦石坝地区和巫溪地区龙马溪组Ro平均值为2.6%和2.9%(表1)。总体上志留纪前陆盆地中心区的热演化程度明显好于盆地东部边缘，导致在盆地中心部位游离气含量较高，如焦石坝地区游离气含量可达65%，而湖南保靖地区则以吸附气为主，游离气含量较少(图5)。

图5 四川盆地东部热演化程度等值线图

4.4 储层特征

由表1可知，湖南保靖地区龙马溪组孔隙度最大值为2.5%，彭水地区为4.6%[14]，焦石坝地区为7.1%[16]，由前陆盆地东部边缘向盆地中心，孔隙度明显增加。而湖南保靖地区龙马溪组渗透率最大值为4.17×10-4μm2，黔江—酉阳地区龙马溪组渗透率最大值为1.73×10-5μm2，彭水地区龙马溪组渗透率最大值为1.32×10-3μm2，焦石坝 地区龙马溪组渗透率最大值为0.1×10-3μm2[17]。湖南保靖地区渗透率远大于盆地中心焦石坝地区，其趋势与孔隙度正好相反，裂缝是造成这一现象的根本原因。在湖南保靖地区探井实验中裂缝发育的黑色碳质页岩含气性明显大于裂缝不发育的黑色碳质页岩，其渗透率与裂缝发育程度呈线性关系。根据构造运动特征推断，印支、燕山运动的动力均来自于中扬子东南部的雪峰隆起，湘鄂西地区隔槽式褶皱带靠近雪峰隆起，受构造运动的影响也明显强于渝东地区隔挡式褶皱带，其裂缝发育程度与构造运动相一致。强烈构造运动形成裂缝的形态一般为高角度网状裂缝，可为页岩气储集提供存储空间和运移通道。

据前人研究，页岩气主要存在于有机质孔隙与微裂缝中[17-18]。岩心显示，湖南保靖地区高角度裂缝极其发育，为页岩气聚集的主要场所，储集空间较大(图6(a))，其有机质孔隙直径较小(50～100 nm)，连通性均较差(图6(b))，推测其主要储集空间为裂缝型[3-7]。而焦石坝地区有机质孔隙极其发育,且直径较大(0.5～2 μm)，连通性极好(图6(c))，但裂缝发育较少，而且大多被方解石充填[18]。焦石坝地区发育的裂缝形成于晚白垩世早期，也即页岩生烃量达到最大时，属生烃增压产生的破裂及抬升卸载导致气体膨胀所形成的微裂缝，而非构造成因形成的复杂网状裂缝，主要为水平层理缝和低角度裂缝，可成为页岩气水平渗流的高效通道，并增加了有机孔隙的连通性。焦石坝地区页岩气储集空间主要为有机孔隙，为孔隙型储集空间[16]。而在与焦石坝具有相似构造沉积环境的巫溪地区，有机质孔隙也具有相同的特征,孔隙直径较大(0.2～0.6 μm)，连通性较好(图6(d))。彭水地区则介于湖南保靖地区与焦石坝地区之间，储集空间为孔隙-裂缝型[14]。

(a) 湖南保靖地区龙马溪组裂缝特征(b) 湖南保靖地区龙马溪组有机质孔隙特征

(c) 焦石坝地区龙马溪组有机质孔隙特征(d) 巫溪地区龙马溪组有机质孔隙特征

4.5 盖层条件与压力

由综合地层柱状图可知，龙马溪组的埋深从四川盆地向东逐渐变浅。焦石坝地区中三叠统有一层膏岩，其岩石致密，是极佳的盖层，且构造活动较少，封存条件最好。彭水地区发育上三叠统陆相碎屑岩封存能力较差，而湖南保靖地区缺失中三叠统以上地层，其封存作用明显差于相邻的彭水地区及焦石坝地区。地层的埋深、盖层的封存和断裂的发育程度直接导致地层压力的差异。勘探实践证明，焦石坝地区压力系数可达1.55，而彭水地区与湖南保靖地区为常压1.0。压力条件与页岩气的生产量呈线性关系。

4.6 断裂活动

多期次的构造运动形成了四川盆地东部复杂的构造带——湘鄂西隔槽式褶皱带和渝东隔挡式褶皱带。其受力来源主要为中扬子东南部雪峰隆起的逆冲推覆作用，其构造强度从东向西具有明显减弱的趋势[19]。控制褶皱带形成的另一个条件为区域性深大断裂的形成时间与深度，它们决定了褶皱形成的形态以及变形强度。保靖—慈利断裂带发育于前寒武纪，断裂最深切割了前寒武系。齐岳山断裂形成时间为中侏罗世，断裂最深切割到震旦系，华蓥山断裂的形成时间为晚白垩世，断裂最深切割到志留纪地层。燕山运动强烈，雪峰隆起活化隆升，在保靖—慈利断裂带与齐岳山断裂带之间较深的老地层挤压变形，软地层则顺层滑脱，形成了厚皮构造型褶皱带，并产生大量的逆冲断层，其向斜狭窄而背斜宽缓，为隔槽式褶皱带[20]。而在齐岳山断裂带与华蓥山断裂之间压力释放较大，仅使新地层挤压变形，软地层顺层滑脱，形成薄皮构造，背斜狭窄而向斜宽缓，为隔挡式褶皱带。

从雪峰隆起到华蓥山断裂，构造作用的减弱，直接影响了储层的物性、热演化程度等。特别是湘鄂西地区通天断裂的形成，导致部分页岩气散失，对页岩气保存富集极为不利。但部分地区因构造抬升作用而伴生的微裂缝在没有与大型穿层裂缝或断裂沟通时，表现为一种“裂而不破”的状态。具这种状态的地区是一种极为有利的页岩气富集区[21]。据研究，距离通天断裂500 m之外，页岩气将无法散失，且四川盆地东部发育的断层多为逆冲推覆断层，经后期的喜山运动后，断层多已闭合，其泥岩的涂抹作用具有良好的封存作用。

综上所述，湘鄂西地区龙马溪组地层厚度、有机质丰度、生烃演化时间、储集空间特征、盖层封盖条件均难以与渝东地区相比，而构造运动的活动强度明显大于渝东地区，其页岩气前景也无法与渝东地区相提并论。但湘鄂西地区在远离通天断裂、具有一定埋深且地层平缓的地区，页岩气保存条件较好，特别是一些小型未穿越龙马溪组地层的2个断裂带之间的地堑中，裂缝极为发育，可能造成局部富集，可进一步深入开展页岩气勘探工作。

5 结论

(1)在志留纪龙马溪组地层沉积时期，四川盆地东部形成了前陆盆地，沉积了富含有机质的碳质页岩，为页岩气生成提供了物质条件。其沉积中心位于渝东焦石坝地区，从前陆盆地中心向边缘生烃能力减小。

(2)四川盆地东部龙马溪组从西向东生烃时间缩短。

(3)四川盆地东部龙马溪组由西向东地层厚度、有机质丰度逐渐减小，热演化程度降低，地层埋深减小，盖层封盖变差，压力系数减小。

(4)焦石坝地区储集空间特征为孔隙型，彭水地区为孔隙-裂缝型，湖南保靖地区为裂缝型。四川盆地东部从西向东其储层类型可划分为孔隙型、孔隙-裂缝型和裂缝型3种。

(5)四川盆地东部断裂活动对页岩气保存的影响从西向东逐渐增加。

(6)渝东地区页岩气勘探前景广阔，湘鄂西地区的裂缝发育区也具有一定的勘探前景。