上扬子地区断裂活动对页岩气保存的破坏作用

余光春，魏祥峰，李 飞，刘珠江

(中国石油化工股份有限公司 勘探分公司，成都 610041)

断裂活动是造成油气晚期散失的主要原因[1-4]，前期主要以断距、断裂充填性质和断面的紧闭程度等因素来开展断裂封闭性评价[5-7]，且主要以区域构造分析和断裂组合特征来判别断裂的形成时期[8]。而对不同级别断裂的空间叠置关系关注较少，同时对于断裂形成期及其后主要构造运动时期的活动性缺乏定量的评价方法。断层是构造运动积累的应力释放而破裂的结果，断层与裂缝相伴而生，是页岩气散失的主要通道。“通天”断层可断穿上部区域盖层，成为页岩气散失的通道，造成页岩气藏被破坏；而断穿页岩气层的开启性断层连通高渗透层，也会造成页岩气向外运移而使得含气量减少[9]。

近年来，四川盆地及周缘下组合页岩气勘探进程不断推进，积累了丰富的实际地质资料，发现不同地区不同构造特征的页岩气钻井含气性存在较大差异[10]。通过研究，初步明确了顶底板条件、页岩自身封盖作用是该区页岩气早期滞留的关键因素，而后期构造改造强度与所持续的时间对页岩气藏的含气丰度具有明显的调整作用[11]。四川盆地及其周缘下古生界页岩气层一般经历了早期持续深埋和晚期持续抬升2个阶段[12]。晚期持续抬升阶段构造作用强烈，是生烃停止、页岩气逸散的改造阶段，页岩气逸散的强度和规模决定了页岩气层含气性。除了由于上覆岩层遭受剥蚀造成的自身封盖作用缺失而导致的页岩气散失外，抬升作用造成的缺失区、剥蚀区和开启性断裂是页岩气散失的主要指向区。其中断裂作用造成的页岩气散失在四川盆地复杂构造区更具有普遍性，是影响页岩气后期保存条件的关键因素。本文尝试在断裂活动对于下古生界海相页岩气后期保存的破坏作用方面开展定量评价，为该区下一步区带及目标评价提供借鉴。

1 断裂级别及展布方式

在地质研究中，主要根据断层对构造、沉积的控制作用以及构造发育史划分断裂级别，低级别断裂与高级别断裂之间一般具有成因上的关系。而在油气勘探中，主要是根据对不同级别油气构造的控制作用开展断裂级别的划分。断裂的叠置是指不同期次及级别的断裂在空间上的组合关系。断裂的叠置方式可以一定程度上反映不同时期形成的断层的构造强度及复杂程度。本文所论述的展布方式主要是指断裂在平面上的相交关系，纵向上的组合关系不在讨论范围。

1.1 断裂级别越高影响范围越大

前人通过模拟计算认为，大型断裂带油气输导能力远大于储层。断裂活动期进入“通天”大断裂带的油气主要趋于散失；小断裂由于储层的分流作用，即使在活动期，它作为油气散失通道的作用也是有限的，其油气的散失量可以忽略不计[13]。

根据断裂延伸长度、断距大小，可将四川盆地断裂按照规模划分为四级[14]。一级断裂为控盆断裂，延伸一般大于100 km，断距一般大于1 000 m，如川东南地区的控盆断裂——齐岳山断裂。二级断裂为控制二级构造单元的断裂，延伸约40～100 km，断距一般500～1 000 m，如乌江断裂、大耳山西断裂等。三级断裂为控制局部构造的断裂，一般与二级断裂具有成因关系，延伸约20～40 km，断距一般100～500 m，如控制焦石坝主体背斜的山窝断裂、吊水岩断裂等。四级断裂为局部构造内部小断裂，延伸一般小于20 km，断距一般小于100 m，如焦石坝主体背斜及白马复向斜中发育的小断裂(图1)。

通过对四川盆地南部典型页岩气钻井与不同级别断裂之间的距离统计发现(表1)：一、二级断裂对于页岩气保存具有直接的破坏作用，总体来看距离一级断裂即控盆断裂较近(约10 km以内)的钻井保存条件受到了较大的破坏，基本为微气或常压的状态，典型钻井如南天湖TY1井、丁山DY1井、DY3井等；距二级断裂5 km以内的钻井保存条件同样也受到较大的影响，典型钻井如焦石坝JY5井，基本为常压或微含气；三级断裂破坏作用相对有限，距离三级断裂2～3 km以内，页岩气保存条件受到了一定影响，地层压力系数总体不超过1.5，典型钻井如焦石坝南部复杂构造区JY6井、JY7井；四级断裂破坏作用不明显，焦石坝及平桥产能建设区多口钻井钻遇四级断层，压力系数和产量基本没受影响。

图1 川东南焦石坝地区断裂分布

表1 四川盆地及周缘五峰组—龙马溪组重点页岩气钻井井区断裂统计

由于不同地区所处区域构造背景及改造程度有所不同，再加上不同钻井埋深的差异造成封盖条件的差异，以上统计仅具有一定的指示意义，并非具有完全的定量评价断裂破坏作用的意义，且不同地区不同级别断裂间的叠置方式也各有不同，因此需要全面考虑。

1.2 断裂叠置越复杂破坏性越强

在四川盆地及周缘下组合海相页岩气的勘探实践中，除了不同级别的断裂造成的影响范围不同以外，不同级别断裂叠置方式也对井区页岩气保存条件具有重要的影响(表1)。不同断裂之间在空间上的叠置关系可以简单地分为平行、小角度相交、大角度相交。显然同一地区平行分布的断裂一般其构造应力背景相对接近，而相交的断层一般在构造发育期次及应力背景上有明显的差异。

平桥断背斜JY8井区(图1)尽管距三、四级断裂都比较近，且断裂相对较多，但是该地区断裂叠置方式相对简单，二、三、四级断裂基本呈平行状态，反映构造期次相对较少，因此断裂对保存条件的影响相对较小。焦石坝背斜南部JY5井区四级断裂相对不发育，但是两组二级断裂呈相交的叠置方式，反映本区经历了不同期次的构造叠加作用，页岩气保存条件受到较大的破坏。川西南地区屏边断背斜及南部的永善向斜，四级断裂发育且与三级断裂小角度相交，而三级断裂又与二级断裂近垂直相交(图2)，这种复杂的叠置关系使得该地区页岩气后期散失严重，钻井普遍含气性差，MY1井、SY1井、YYY1井、YD1井等仅微含气[15]。

2 断裂活动期次及持续性

四川盆地自早古生代以来，经历了加里东、海西、印支、燕山、喜马拉雅等多期构造旋回，构造动力学环境也经历了拉张—过渡—挤压的转变[16]。自晚燕山期以来，盆地一直处于构造挤压抬升的状态[17-18]，也是现今活动性断裂主要发育时期。随着构造运动的演化和地应力场的变化，断裂的活动性会发生周期性的变化，盆地中断裂活动的周期性与断裂封闭及开启密切相关，对油气的多期成藏及破坏具有重要影响[19]。油气不仅可以沿静止期断裂穿过泥岩盖层渗滤散失，更多的情况下是沿着活动期断裂穿过泥岩盖层渗滤散失[20]。下组合页岩气沿静止期断裂穿过泥岩盖层散失的主要通道是孔隙，通过扩散作用散失[21]；而沿活动期断裂散失通道则是断裂和诱导裂缝，通过渗流及扩散等多种方式散失。显然通过活动期断裂页岩气的散失方式更加多样化，其散失破坏作用比静止期断裂更加强烈，对后期页岩气的保存往往更具有破坏性影响。因此，断裂活动期次和活动的持续性也是评价断裂破坏作用的重要参数。

图2 川西南地区志留系断裂分布

断裂活动往往伴生开启性裂缝，裂缝的发育程度侧面上反映了断裂的活动强度，而裂缝所充填的脉体则记录了断裂活动时期的流体信息，尤其是脉体中的流体包裹体记录了脉体形成时地层的原始信息[22-24]。本次研究尝试运用五峰组—龙马溪组裂缝充填方解石脉中的流体包裹体资料来恢复断裂的主要活动期次及持续性，共对焦石坝主体构造、焦石坝南部复杂构造区、平桥断背斜、丁山地区、南天湖地区、川西南屏边地区等6个地区11口钻井47个五峰组—龙马溪组样品开展了包裹体观察和均一温度测量。共观测到包裹体测点434个，包裹体镜下鉴定皆为气—液两相盐水包裹体，液相为无色透明，见气泡，无荧光特征，未发现其他相态包裹体，其中方解石盐水包裹体303个，石英盐水包裹体131个。这种气—液两相的盐水包裹体在地层中分布较为广泛，可用于均一温度测定，是研究盆地热演化史的基础资料[25-26]。本次研究镜下观察的盐水包裹体大部分呈现出沿裂隙成群分布的特征，推断为主要断裂活动时期沿裂缝充填方解石脉体所捕获，在不受下部热液流体影响的情况下，其均一温度大致反映了主要断裂活动时期地层的温度。而根据地层埋藏史所恢复的地层不同时期的温度可以恢复相应的地质时代，从而获得主要断裂的活动时期。根据现有钻井包裹体均一温度测试资料，结合区域构造演化及地层埋藏史资料，四川盆地周缘主要井区断裂活动期次及其连续性可以划分为4种类型，不同活动期次及类型的断裂对于页岩气后期保存具有不同程度的影响。

2.1 晚燕山期短期活动型

页岩裂缝内方解石脉包裹体均一温度普遍为高值且分布范围集中，总体反映流体充注时间相对较早、晚期构造活动影响相对较弱的特点。典型地区为丁山深埋缓坡区的DY2井，该井五峰组—龙马溪组页岩裂缝内包裹体均一温度显示至少存在1期的热流体活动，对应的流体充注时间为晚燕山期85～65 Ma的构造抬升时期(图3)。因此可推断该地区主要断裂活动期为晚燕山期，而后进入相对稳定时期。总体显示断裂活动期相对较早且持续时间相对较短，同时由于活动期页岩气层总体埋藏较深，封盖条件总体相对较好，因而断裂活动对页岩气层保存条件影响较小。

图3 川东南丁山地区DY2井龙马溪组埋藏史(a)及流体包裹体均一温度分布(b)

2.2 燕山期—早喜马拉雅期断续活动型

页岩裂缝内方解石脉包裹体均一温度分布范围相对较广，大体上可以划分为2期：晚燕山期及早喜马拉雅期，按照断裂活动的持续性可划分为以下2种类型。

(1)断裂活动持续性较弱型，典型地区为焦石坝主体区及平桥地区。其中焦石坝主体区的JY2井包裹体均一温度为90～180 ℃，但是温度主峰具有明显的间断，显示了断裂在2个主要的活动期之间存在着相对的稳定期。而页岩气的散失主要发生在断裂活动期，稳定期所占的时间越长，对页岩气后期保存越有利(图4)。

(2)断裂活动持续较强型，典型地区为焦石坝主体构造南部鸭江断鼻(JY5井区)。JY5井包裹体样品显示至少存在1期3幕连续的热流体活动，显示了井区在晚燕山期—喜马拉雅期(82～19 Ma)基本都属于断裂活动期(图5)。尽管晚喜马拉雅期断裂活动不明显，但是页岩气保存条件仍然受到了较大的破坏，JY5井显示常压状态也印证了这一点。

2.3 晚燕山期以来持续活动型

页岩裂缝内方解石脉包裹体均一温度分布连续且不集中，总体反映出断裂活动持续性强、分期性不明显的特征。典型地区如南天湖地区TY1井区，该井龙马溪组页岩包裹体样品均一温度分布在90～170 ℃(图6)，显示井区至少存在1期3幕的热流体充注，对应流体的充注期次自晚燕山期开始(75 Ma)且持续至今，显示了井区附近的控盆断裂——齐岳山断裂及其次级断裂自晚燕山期以来具有持续的活动性，对页岩气后期的保存造成了破坏性的影响。

2.4 喜马拉雅期以来持续活动型

页岩裂缝内方解石脉包裹体均一温度相对较低，主要受喜马拉雅期断裂影响且持续至今。按照起始活动时间，可以划分为早喜马拉雅期以来持续型及晚喜马拉雅期持续型。

(1)早喜马拉雅晚期以来持续型，典型地区如丁山断鼻带浅埋藏区DY1井区。该井五峰组—龙马溪组页岩包裹体样品均一温度显示至少存在2期5幕次的热流体活动(图7)，对应的流体充注期次为晚燕山—早喜马拉雅期(88～73 Ma)和晚喜马拉雅期(16～4 Ma)的构造抬升时期。显示丁山地区靠近盆地边界断裂地区受喜马拉雅期以来构造抬升影响较大，页岩气保存条件受到了影响，DY1井及DY3井都显示常压特征。

图4 川东南焦石坝地区JY2井龙马溪组埋藏史(a)及流体包裹体均一温度分布(b)

图5 川东南焦石坝地区JY5井龙马溪组埋藏史(a)及流体包裹体均一温度分布(b)

图6 川东南南天湖地区TY1井龙马溪组埋藏史(a)及流体包裹体均一温度分布(b)

(2)晚喜马拉雅期以来持续型，典型地区如川西南屏边断背斜MY1井。该井五峰组—龙马溪组页岩包裹体样品显示至少存在1期3幕次的热流体活动(图8)，流体充注主要发生在晚喜马拉雅期(6～0 Ma)，显示断裂活动时间较晚、分期性不明显，这与川西南屏边断背斜地区晚喜马拉雅期快速抬升的构造背景相吻合[27]。屏边断背斜及南部永善向斜钻井含气性差，显示了这种持续性的断裂活动对页岩气保存条件造成了破坏性影响。

图7 川东南丁山地区DY1井龙马溪组埋藏史(a)及流体包裹体均一温度分布(b)

图8 川西南屏边地区MY1井龙马溪组埋藏史(a)及流体包裹体均一温度分布(b)

通过以上4种断裂活动期次、持续性及其对页岩气保存条件影响类型的划分及描述，可以推断出断裂活动期次越多、持续时间越长对页岩气后期保存的破坏作用越强。结合区域构造位置及断裂级别，可初步得出以下认识：(1)盆内远离一、二级断裂的深埋平缓区，断裂主要为晚燕山期短期活动，加之后期抬升幅度较小，保存条件影响较小；(2)盆内及盆缘距二、三级断裂较近的中、浅埋藏区，断裂大部分为燕山期—早喜马拉雅期断续活动，后期抬升幅度相对较大，保存条件受一定影响；(3)紧邻一级断裂的盆缘复杂构造区，尤其是川东南紧邻齐岳山断层地区，断裂自晚燕山期以来持续活动，保存条件破坏严重；(4)川东南盆缘靠近一、二级断裂的浅埋藏地区及川西南地区，主体断裂自喜马拉雅期以来持续活动，由于抬升幅度或抬升强度大，保存条件受影响较大。

3 结论

(1)断裂的级别总体反映了断裂作用的强弱，断裂级别越高其影响范围越大。从四川盆地下组合断裂及页岩气钻井的实钻效果来看，距离一级断裂即控盆断裂较近(约10 km以内)，对保存条件破坏较大；距离二级断裂5 km以内页岩气保存条件受影响较大，钻井基本呈现常压状态；距离三级断裂2～3 km以内，页岩气保存条件受一定影响，压力系数总体不超过1.5；四级断裂影响相对较小，页岩气保存条件基本不受影响。

(2)不同级别的断层在空间上的叠置对页岩气保存条件具有一定的影响。主要体现在断层相交在空间上为页岩气的后期散失提供了更好的通道，在井区断裂密度相似的前提下，断裂从平行到小角度相交再到大角度相交，对页岩气保存的破坏作用逐渐增强。

(3)断裂活动期次越多、持续时间越长，对页岩气后期保存的破坏作用越强，尤其是晚期(15 Ma以来)、伴随快速抬升连续性活动的断裂，对下古生界页岩气保存具有破坏性作用。