雪峰隆起西缘页岩气构造保存条件的古流体评价

刘 安, 蔡全升, 2, 陈孝红, 肖七林, 李 海, 彭中勤, 苗凤彬, 李培军, 黄惠兰

雪峰隆起西缘页岩气构造保存条件的古流体评价

刘 安1, 蔡全升1, 2, 陈孝红1, 肖七林2*, 李 海1, 彭中勤1, 苗凤彬1, 李培军1, 黄惠兰1

(1.中国地质调查局 武汉地质调查中心, 湖北 武汉 430205; 2.长江大学 资源与环境学院, 湖北 武汉 430100)

古隆起周缘页岩生烃时间晚、热演化程度低, 已成为中扬子地区油气勘探的重要领域。本文对雪峰古隆起西缘典型井JD1井寒武系页岩脉体系统采样并开展流体地球化学与包裹体分析, 从构造保存的角度探讨了影响研究区页岩气富集的主控因素。研究结果认为(1)牛蹄塘组页岩方解石脉FeO、MnO组分自下而上增高, 方解石脉δEu也整体具有向上增加的趋势, 与牛蹄塘组页岩Fe、Mn元素含量、δEu值自下而上呈降低的趋势刚好相反, 表明下部古流体的还原性弱于上部。(2)包裹体群组分中CH4含量、包裹体类型比例中甲烷包裹体比例都指示牛蹄塘组上部页岩的含气饱和度高于下部, 显示下部裂缝系统是页岩与外界气水交换的通道。(3)以包裹体类型、均一温度和纯CH4包裹体压力计算为基础, 揭示了牛蹄塘组在中侏罗世处于超压状态, 压力系数最大为1.4; 中‒晚侏罗世牛蹄塘组下部水溶液沿破碎带侵入页岩时的埋深为4～4.8 km, 致使页岩含气饱和度明显降低、含水饱和度明显上升。雪峰古隆起形成时间早, 但是在缺少刚性基底保护的条件下, 印支期以来构造变形强度大, 大型断裂发育使之碎片化, 大型断裂与牛蹄塘组底部破碎带形成了连通的疏导体系并持续开启, 成为页岩气散失的直接通道, 导致该区构造保存条件差, 不利于页岩气的富集成藏。

雪峰古隆起; 页岩气; 构造保存; 古流体; 包裹体; 含气饱和度

0 引 言

中扬子地区下寒武统属于被动大陆边缘沉积, 富有机质页岩广泛分布, 页岩厚度大、TOC高(刘安等, 2013; Ju et al., 2014; Zou et al., 2015), 与北美页岩对比中国南方海相页岩具有时代老、经历了多期次复杂构造影响、破坏强度大, 热演化史复杂、成熟度高的特点(Hao et al., 2013; Hu et al., 2014), 长期以来中扬子地区寒武系无论是天然气还是页岩气的勘探效果均不理想。近年来, 页岩气地质调查发现中扬子黄陵古隆起周缘寒武系页岩的热演化程度相对较低(o<3%), 构造保存条件较好, 并获得了页岩气和常规天然气的发现(刘安等, 2020), 显示了古隆起周缘良好的页岩气勘探前景。后续围绕同属于中扬子地区的雪峰古隆起周缘调查, 发现该区寒武系页岩的热演化程度也同样较低(彭中勤等, 2019), 但就目前实施的一系列钻井而言, 尽管该区发育厚度规模更大的富有机质页岩层系, 却并没有和黄陵隆起一样获得较好的含气性结果。因此, 可以推断雪峰隆起地区控制页岩气富集的主要因素并非页岩的热演化程度和烃源岩规模, 而可能是与该区复杂的构造保存条件密切相关(李智文等, 2020)。

以裂缝或孔洞充填矿物为主要载体的古流体不仅记录了盆地复杂的流体演化过程, 同时也蕴含了重大地质事件信息。在含油气盆地, 由于裂缝脉体及矿物次生加大边包裹体记录了古流体的成分、温度、压力、相态等信息(Lu et al., 2007; Shan et al., 2015), 元素地球化学记录了古流体形成的氧化还原条件、物质来源等信息(王加昇等, 2018; 刘力等, 2019), 因此它们被广泛用于油气成藏过程恢复, 油气藏、古油气柱和运移途径识别以及油气保存条件评价等方面(Eadington et al., 1996; Liu et al., 2018; Gao et al., 2019)。目前对雪峰隆起周缘页岩气保存条件的研究较少(梁峰等, 2016), 缺少典型井保存条件演化的系统分析, 页岩气散失机理不明。本文主要通过雪峰西缘典型的页岩气地质调查井JD1井系统采样, 解析裂缝充填脉体的微量元素地球化学特征, 脉体包裹体气相组成, 并结合流体包裹体测温分析, 明确寒武系页岩气保存条件的演变及其与构造变形的关系, 以期为页岩气调查勘探提供科学依据。

1 地质背景

雪峰隆起位于扬子地块与华夏地块结合部位, 是以晚前寒武纪浅变质岩系为主体的隆起带, 走向由NNE到NE向, 总体向NW突出呈弧形展布, 具有复杂的演化历史(梅廉夫等, 2012)。震旦纪‒奥陶纪, 雪峰隆起地区为扬子台地的东南缘被动大陆边缘带; 志留纪中晚期, 加里东运动使之隆起成为古陆(赵宗举等, 2003)。印支‒燕山期为雪峰隆起的定型阶段, 燕山期由于印度板块和太平洋板块对华南板块的俯冲推挤, 引起基底拆离和表层滑动, 使雪峰山地区向西前展叠瓦式逆冲推覆, 不对称背冲式扇形雪峰推覆构造系最终定型(梅廉夫等, 2012)。燕山晚期在NW-SE伸展作用下, 雪峰山地区叠加了沅麻白垩系沉积盆地, 喜山期该区域再次转换为NW向挤压(柏道远等, 2015), 最终形成了现今的构造格局。

雪峰隆起地区主要发育寒武系和志留系富有机质页岩, 其中寒武系牛蹄塘组属于被动大陆边缘斜坡带沉积, 页岩的厚度一般大于200 m, TOC(总有机碳)一般在2%～9%, 有机质类型为Ⅰ型, 页岩热演化程度o一般2%～3%; 页岩碎屑矿物平均含量为77.25%,具有硅质含量高, 脆性大的特点(刘安等, 2013; 彭中勤等, 2019)。雪峰隆起地区寒武系地史中生烃潜力巨大, 古隆起周缘古油藏非常发育, 形成了一个从贵州到浙江的古油气成藏带, 油源对比表明, 多数古油藏的油源为寒武系牛蹄塘组页岩(刘安等, 2017)。

JD1井位于雪峰隆起西缘, 地理位置为吉首市河溪镇(图1), 该井开孔层位为寒武系比条组, 完钻井深2066 m, 完钻层位为震旦系金家洞组, 该井全井段取心, 钻遇牛蹄塘组页岩厚度为214.5 m, 岩性主要为碳质泥岩、含碳质钙质泥岩; 牛蹄塘组之上的寒武系主要为薄板状泥质灰岩、泥灰岩, 为典型的斜坡带深水沉积。

2 样品采集与测试

本次调查研究在JD1井牛蹄塘组及其顶底板岩层共计采集12个脉体样品(图1), 选取裂缝宽度大于1 cm的脉体挑取5～10 g单矿物进行包裹体群组分分析, 余样进行稀土元素测试。脉体磨制薄片, 后续电子探针分析, 以及包裹体均一温度、盐度测试; 其中流体包裹体群组分、均一温度、盐度测试在核工业北京地质研究院完成, 薄片电子探针、方解石脉稀土元素测试在自然资源部中南测试中心完成。电子探针型号为EPMA1600, 测试精度大于10´10−6, 薄片先镀碳膜制样, 再测试。稀土元素采用高电感耦合等离子质谱(ICP-MS)完成, 测试依据为DZ/T0223- 2001, 分析误差小于5%。包裹体均一温度和盐度测试采用LINKAM THMS600型冷热台, 测试方法依据为EJ/T1105-1999(矿物流体包裹体温度的测定)。包裹体群气相组分分析采用真空爆裂法将单矿物包裹体打开, 爆裂温度分别为石英550 ℃, 方解石450 ℃, 爆裂时间为10 min, 气相组分测定采用PE Clarus600气相色谱仪获得。

3 裂缝及脉体发育特征

JD1井牛蹄塘组页岩整体而言下部裂缝发育, 上部裂缝不发育。其中牛蹄塘组底部发育2个滑脱破碎带, 深度分别为2024.3～2015 m、2013～2007 m, 裂缝呈网格状, 岩心破碎, 裂缝部分被方解石或石英充填, 部分晚期裂缝没有见到明显的充填, 测井显示破碎带具有相对高的声波时差(AC), 低密度(DEN)的特点也表明该段晚期未充填的裂缝发育。破碎带顺层及切层的镜面擦痕发育, 局部滑动、摩擦致使岩心碎裂呈渣状(图2a、b、c)。牛蹄塘组上部岩心完整, 部分层段主要发育相对孤立的裂缝, 以顺层裂缝为主, 石英、方解石、黄铁矿等完全充填, 局部可见脉体揉皱变形、页岩角砾卷入脉体中(图2d、e、f)。牛蹄塘组下伏留茶坡组硅质泥岩、硅质岩局部裂缝也较为发育, 以垂直缝为主, 局部破碎, 无充填; 下伏金家洞组灰岩局部层段裂缝发育, 见密集的垂直缝, 石英、方解石完全充填(图2g)。取样位置的裂缝特征见表1、图3。

(a) 研究区地质图; (b) 研究区大地构造位置(据梅廉夫等, 2012修改)。

(a) 岩心破碎, 部分充填, 2010.75～2015.4 m; (b) 岩心破碎, 部分呈渣状, 2006.06～2010.75 m; (c) 镜面擦痕, 2016.5 m; (d) 顺层脉, 揉皱变形, 1981.5 m; (e) 顺层脉, 见页岩角砾, 1880 m; (f) 水平脉见黄铁矿、方解石充填, 1834 m; (g) 密集的垂直缝, 2061.3 m。

表1 JD1井脉体取样位置裂缝特征列表

注: 页岩FeO含量趋势据李海等(2019); 页岩δEu趋势据刘安等(2013)。

4 方解石脉元素地球化学分析

4.1 电子探针分析

JD1井方解石脉电子探针分析主要检测出Na2O、K2O、CaO、TiO2、Al2O3、FeO、SiO2、MgO、MnO组分, 其中MgO、FeO、MnO组分的纵向变化规律性较强。MgO由下而上具有降低的趋势, MgO主要由白云石的溶解产生, 因此来源可能是下伏震旦系白云岩夹层。FeO、MnO组分的变化整体具有一致性, 自下而上二者具有增加的趋势。FeO、MnO组分的纵向变化规律与中扬子地区牛蹄塘组页岩黄铁矿含量的变化规律恰好相反(图3), 后者黄铁矿含量自下而上整体上呈降低的趋势(李海等, 2019)。在氧化的成岩环境下, Mn2+趋向于被氧化为高价态不易置换Ca2+进入方解石晶格, 还原环境下的流体中Mn2+、Fe2+溶解度比较大, 含量也较高, 在埋藏过程中形成的碳酸盐矿物的Mn2+、Fe2+含量一般较高(Rivers et al., 2008), 因此方解石脉体生成时所处的地层水环境和流体来源的差异往往会从脉体的化学成分差异中表现出来。JD1井牛蹄塘组上部FeO、MnO组分含量高, 可能指示了上部流体较下部还原性更强。

4.2 稀土元素分析

JD1井方解石ΣREE为14.32×10−6～206.79×10−6, 平均值为82.55×10−6; ΣLREE为11.51×10−6～142.61× 10−6, 平均值为68.04×10−6; ΣHREE为2.09×10−6～ 64.20×10−6, 平均值为15.27×10−6; LREE/HREE为2.22～9.86, 平均值为5.73; δEu=1.97～18.40, 平均值为5.85(标准化采用北美页岩数据据Haskin et al., 1968), Eu具有明显的正异常(表2, 图4)。

吉首‒张家界一带寒武纪属于被动大陆边缘斜坡带, 前人建立了牛蹄塘组页岩典型的斜坡带元素地球化学剖面(刘安等, 2013), 显示牛蹄塘组页岩ΣREE为73.63×10−6～181.53×10−6, 平均值为131.88× 10−6; ΣLREE为65.69×10−6～165.86×10−6, 平均值为118.49×10−6; ΣHREE为7.94×10−6～16.97×10−6, 平均值为35.39×10−6; LREE/HREE为6.5～11.57, 平均值为8.87; δEu=1.08～2.02, 平均值为1.44, Eu具有明显的正异常。

方解石脉与页岩的稀土元素相比较, ΣREE平均值小于页岩, 但是高于灰岩, 研究表明较纯的碳酸盐岩ΣREE一般小于30×10−6, 方解石脉高ΣREE与页岩富含有机质的酸性流体对稀土元素溶解有关, 导致流体中REE升高, 使得REE含量高出原岩(胡文瑄等, 2010), 因此方解石脉ΣREE主要反映了受到页岩中流体的影响程度。寒武系页岩ΣREE整体上是底部偏高, 向上有降低的趋势; 脉体中ΣREE最高值位于牛蹄塘组靠近顶部; 因此牛蹄塘组底部脉体ΣREE可能是受到了来自下伏低ΣREE灰岩段古流体的影响, 这与电子探针结果的认识相一致(图3)。

方解石脉与页岩相比较, δEu明显高于后者。溶液中Eu会受到源岩的影响, 源岩具有高度的Eu负异常, 即使在高度还原环境, 溶液也具有明显的负异常(周家喜等, 2012)。当岩层本身处于Eu正异常的条件下, 则可以指示其氧化还原环境, 例如黔北寒武系页岩Eu普遍正异常, 脉体Eu则以负异常为主, 其形成于弱氧化环境(高泽远等, 2019)。JD1井方解石脉δEu均大于1, 指示其主要形成于还原环境, 但是δEu纵向上的变化规律与页岩具有不一致性, 寒武系被动大陆边缘斜坡带δEu从上到下整体上由1.08增大至2.02, 指示页岩沉积环境还原性逐渐增强; 而方解石脉δEu则规律并不强, 最高值XJ-11位于牛蹄塘组近顶部, 表明方解石脉δEu除了受到围岩的影响, 还受到流体还原性程度的影响, δEu的配分模式展现出与高温热液流体类似的特征(赵彦彦等, 2019)。

表2 JD1井方解石脉及页岩稀土元素含量(×10−6)

图4 JD1井脉体及围岩北美页岩标准化配分模式图(北美页岩数据据Haskin et al., 1968)

5 脉体包裹体分析

5.1 包裹体相分析

JD1井脉体包裹体的主要类型有气相包裹体、气液两相包裹体和纯水溶液包裹体。

(1) 气相包裹体: 定向、自由分布, 大小4～20 μm, 见椭圆状、菱形, 部分具有明显负晶形, 包裹体见灰黑色、灰白色, 部分中间见明显的亮线, 石英和方解石中均发现该类包裹体(图5a, b, c, d, e), 激光拉曼显示气相组分主要为甲烷(图6a)。(2) 气液两相包裹体: 室温下呈气液两相, 定向分布或小群分布, 包裹体大小介于5～30 μm, 方解石中以长条状为主, 石英中以米粒状为主, 部分不规则状, 气液比为5%～15%, 沿显微裂缝尤为发育(图5f), 激光拉曼显示气相组分主要为甲烷(图6b)。(3) 纯水溶液包裹体: 室温下呈单一液相, 以定向分布为主, 包裹体大小介于2～30 μm, 无色或淡粉色, 长条状或米粒状, 部分形状不规则, 沿显微裂缝尤为发育。

统计显示不同的样品各类包裹体占比差别较大, 气相包裹体的占比范围为0～80%, 液相包裹体占比范围为5%～80%, 气液两相包裹体占比为10%～ 75%。纵向上, 整体而言气相包裹体的占比有向上增加的趋势。同一个样品相比较, 次生包裹体较原生包裹体气相类包裹体具有明显降低的趋势(表3), 例如XJ-5样品原生和次生包裹体气相类占比分别是80%、20%, 液相包裹体的占比分别是10%、50%。包裹体的类型变化规律表明古流体活动期间牛蹄塘组上部富气而下部富水, 原生‒次生包裹体类型的变化表明早期古流体富气、晚期富水。顺层纤维状方解石脉的形成往往与生烃过程中形成的超压密切相关(Parnell et al., 2000), 牛蹄塘组上部纤维状方解石脉及其以气相包裹体为主的特征表明其形成可能与生气阶段的超压具有相关性(图5d、e)。

(a) 方解石中定向分布的气相包裹体, XJ-6; (b) 石英中气相包裹体与气液两相包裹体伴生, XJ-5; (c) 石英中密集分布的气相包裹体, XJ-5; (d) 垂直脉壁生长的纤维状方解石脉, XJ-11; (e) 纤维状方解石脉中细小的气相包裹体, XJ-11; (f) 方解石中定向分布气液两相包裹体, XJ-7。

5.2 包裹体均一温度、盐度

JD1井脉体气液两相流体包裹体均一温度分布范围为128～224 ℃, 其中XJ4、XJ6样品的最高温度相对较低, 不超过160 ℃, 其余样品的最高均一温度主要分布在180～230 ℃; 整体而言上部样品的最高均一温度高于下部, 下部样品低温流体包裹体更发育, 峰值为130～140 ℃(表3, 图7)。包裹体盐度的分布范围为3.25%～15.98%。

5.3 CH4包裹体密度及压力计算

激光拉曼测得气液两相包裹体的气相组分为CH4, 拉曼偏移为2916.73 cm−1, 纯甲烷包裹体拉曼光谱偏移为2911 cm−1左右(图4)。据Lu et al. (2007)在玻璃毛细管系统中对不同压力条件下甲烷拉曼特征峰位移与甲烷压力关系的实验研究曲线资料, 甲烷拉曼特征峰位移由2918 cm−1至2910 cm−1, 所对应的压力可以由<0.1 MPa 逐渐增加到约60～ 70 MPa, 因此拉曼的偏移主要反映了包裹体的内压变化, 刘德汉等(2013)认为拉曼偏移<2912 cm−1, 密度大于0.162 g/cm−3的包裹体属于高密度甲烷包裹体, 因此JD1井检测到纯甲烷包裹体属于高密度甲烷包裹体。测得甲烷包裹体的均一温度为−85.6～−82.9 ℃, 根据包裹体密度计算公式(刘斌和沈昆, 1999):

图6 JD1井包裹体激光拉曼光谱

表3 JD1井包裹体类型、均一温度、盐度统计表

图7 JD1井脉体包裹体均一温度直方图

Fig.7 Histograms of homogeneous temperatures of fluid inclusions in calcite and quartz veins from the Well JD1

包裹体形成阶段压力选用Duan et al. (1992)建立的甲烷体系状态方程计算, 纯甲烷包裹体形成温度由伴生的气液两相盐水包裹体的均一温度主峰值(185 ℃)确定, 通过甲烷包裹体密度获得其捕获压力为60.72～81.93 MPa(表4)。

5.4 包裹体群组分分析

流体包裹体群气相组分分析获得了CH4、CO2、H2O的含量, 考虑到测试方法为高温(450 ℃)爆裂法打开包裹体, 可能造成CaCO3分解, 致使CO2含量升高。因此这里主要就CH4、H2O含量做分析。

方解石矿物包裹体群甲烷的含量总体而言从下至上有增加的趋势, 深度大于1966.2 m的样品CH4的含量普遍小于1 μL/g, 1966.2 m以上脉体样品的CH4含量普遍大于1 μL/g, 因此牛蹄塘组上部包裹体中CH4更普遍, 或者发育更多CH4包裹体。包裹体H2O组分变化较大, 范围为5.29×104～37.7×104μL/g,纵向上规律性较差(表5, 图3)。气/水值是页岩气保存条件的重要指标, 四川盆地内部保存条件较好, 页岩往往是高压、含气量高、含水饱和度低, 盆外地区因构造破坏, 页岩层含气性差, 含水饱和度高(刘洪林和王红岩, 2013; 魏祥峰等, 2017)。以包裹体气相组分为基础, 就CH4、H2O含量计算气/液比值, 比值范围为3.1×10−4～58.0×10−4, 该比值非常小, 可能是样品用去离子水处理过程中部分水溶液进入矿物微裂缝在低温烘干过程中又无法完全排除所致, 但是牛蹄塘组方解石包裹体群气/水在纵向上依然有增大的趋势, 与包裹体CH4含量的趋势一致。因此, 包裹体群和包裹体类型统计指示地史中牛蹄塘组上部总体具有高含气饱和度、下部具有高含水饱和度的特征, 就裂缝类型而言孤立裂缝含气饱和度高, 下部破碎带则含气饱和度偏低。

表4 JD1井CH4包裹体均一温度、密度及捕获压力计算结果

表5 JD1井脉体包裹体群CH4、H2O含量

6 构造保存条件综合评价

6.1 古流体与页岩气逸散的通道

裂缝脉体地球化学揭示JD1井古流体与同层位页岩的地球化学特征参数纵向变化规律具有不一致性, 流体包裹体群指示古流体的含气性与页岩的TOC也不具有明显的相关性(图3), 正是由于裂缝系统发育改变了古流体的性质以及页岩的含气性。具有氧化还原指示意义的方解石脉FeO含量与包裹体群CH4含量具有一定的正相关性(图8), 暗示了外来流体改变了页岩的封闭性, 也改变了页岩的含气性。前人研究表明, 页岩的横向渗透率是纵向渗透率的数十倍(Zhang et al., 2019); 而且整个中下寒武统在斜坡带以泥岩和致密泥质灰岩沉积为主, 盖层的封盖能力强, 在裂缝不发育的情况下, 页岩气不易发生向上散失。牛蹄塘组底部及其下伏地层裂缝系统发育使之成为页岩气散失的直接通道, 裂缝越发育的层段则页岩气的散失程度越高; 同时, 页岩裂缝系统与下伏地层水相连通、甚至与大气降水相沟通, 致使牛蹄塘组底部的优质页岩段成为高含水层。牛蹄塘组底部及下伏岩层裂缝发育, 一方面是因为页岩易于形成区域上的滑脱带(Liu et al., 2018), 另一方面寒武系下部页岩脆性矿物含量高(彭中勤等, 2019), 易于产生裂缝, 且在刚性颗粒的支撑作用下裂缝不易愈合, 可以形成渗透层, 成为页岩气散失的通道(Liu et al., 2018)。

6.2 页岩高含气‒高含水转变的埋深及时间确定

烃源岩的低含水饱和度主要是生烃排水和汽化携液造成的(Lewan, 1997), 牛蹄塘组脉体包裹体最大均一温度超过200 ℃, 包裹体中的烃类组分也是以甲烷为主, 缺少早期生油阶段的包裹体, 表明裂缝形成是在页岩经历了最大埋深之后的构造变形阶段, 页岩经历了充分的生烃和排水作用, 在构造破坏前页岩气藏处于高含气饱和状态。因此页岩裂缝的开启以及与外界的沟通程度是可以从流体的性质反映出来的, 即由以气为主的包裹体类型变为以水为主的包裹体类型, 含气饱和度下降、含水饱和度上升, 是页岩由封闭系统转变为与外界沟通的重要表现(Liu et al., 2018; Gao et al., 2019; 刘安等, 2020)。以XJ-4样品所在层段为例, 牛蹄塘组TOC值最高, 页岩的含气性一般与TOC呈正相关, 在深埋生烃阶段, 该段应为含气饱和度最高的层段。岩心显示XJ-4样品所在层段裂缝发育, 且裂缝脉体包裹体以液相和两相为主, 因此包裹体记录了页岩高含气‒高含水的转变。XJ-4样品气液两相包裹体均一温度为134～158 ℃, 以此为基础, 与埋藏史相结合, 可以确定裂缝形成的主要时间段, 即为页岩变为高含水饱和度的时间。

恢复雪峰山西缘地区寒武系的埋藏史, 模拟所需地层厚度以钻井和露头为依据, 以岩心和露头o数据(彭中勤等, 2019)、本次研究寒武系包裹体最大均一温度数据为制约, 剥蚀厚度、时间恢复参考前人的研究成果(赵宗举等, 2003), 热流值以盆地类型为基础, 同时考虑该区断裂活动频繁(杨绍祥, 1998)对深部热流值传导的影响。

研究表明, 加里东期雪峰构造带西缘主要形成了宽缓的背斜, 自中、晚三叠世之交的印支运动开始, 该区域才被褶皱和断裂构造所改造(赵宗举等, 2003), 因此寒武系裂缝古流体记录的主要是印支运动以来的构造活动信息, 同时考虑到雪峰隆起西侧沅麻盆地白垩系产状平缓, 断层不发育, 白垩系与下伏南华系‒中生代不同层系呈角度不整合接触; 因此寒武系盖层的主要剥蚀时间应在白垩纪之前。

图8 JD1井脉体FeO含量与包裹体群CH4含量相关图

将XJ-4样品均一温度投到埋藏史图, 该期流体活动对应的页岩埋深为4～4.8 km, 时间为侏罗纪中‒晚期(图9)。

同理, 将XJ-5样品捕获甲烷包裹体的同期气液两相包裹体均一温度185 ℃投到埋藏史图上, 对应的深度为5.8 km, 将甲烷包裹体的捕获压力与静水压力作比较, 获得地层的压力系数为1.05～1.41, 处于弱超压的状态, 时间为侏罗纪中期(表5, 图9)。

四川盆地志留系页岩裂缝古流体的形成时间主要是白垩纪晚期以来, 压力系数可以达到2.2(席斌斌等, 2016); 与四川盆地内部相比较, 雪峰地区明显具有裂缝形成时间早、页岩泄压时间早、压力系数低、水溶液侵入页岩时间早且深度大的特征, 不利于页岩气晚期保存。

6.3 古流体与页岩现今含气性的关系

古流体记录了牛蹄塘组页岩的含气性由于后期的构造作用, 发生了逆转, 即上部页岩因为构造破坏弱, 记录了高压、高含气饱和度的状态。下部受到了来自下伏碳酸盐岩地层以水溶液为主的古流体影响, 页岩气逸散。但是古流体指示的页岩地史中含气性与现今的页岩含气性几乎相反。气测录井甲烷含量高值段为2007～2060 m, 最高超过16%, 该段TOC也整体较高, 但是气测值与TOC没有明显对应关系; 气测异常程度高的段往往与裂缝显示出较大的相关性, 最高值为破碎带, 之下垂直裂缝气测值也高; 钻探现场水浸实验揭示该段主要是裂缝气, 页岩微孔气显非常弱, 解析气含量普遍低于1 m3/t (彭中勤等, 2019)。因此主要是晚期浅埋藏、无充填的开启性裂缝控制了页岩的现今含气性, 裂缝可能主要形成于新生代(图9)。正是在页岩段相对封闭、致密的条件下, 构造形成顺层破碎段, 增大了有效储集空间; 在压力差的驱使下导致页岩气向破碎带汇聚, 致使页岩气逸散, 部分残留在裂缝中, 形成现今的气测异常段。

图9 JD1井埋藏史及地质事件

6.4 页岩气散失模式

雪峰地区晚中生代以来属于厚皮逆冲构造带, 总体发育指向NW的断层‒褶皱组合, 断层样式为断坪‒断坡样式, 断坪沿板溪群内部薄弱层发育, 向地表浅部产状明显变陡, 以断坡形式切穿地表, 逆冲距离可能有限; 褶皱表现为断坡处紧闭背斜和断坪上盘发育的宽缓向斜(颜丹平等, 2018)。雪峰地区中生代以来牛蹄塘组底部并没有形成大规模长距离的滑脱破碎带, 但是雪峰隆起周缘靠近中扬子中生代陆内递进变形“发动机”的位置(梅廉夫等, 2010), 构造挤压强烈, 依然形成了一定规模的裂缝系统和局部的破碎带与大的逆冲断裂组合成为牛蹄塘组页岩气散失的通道。伴随多期次的挤压破碎和构造抬升, 牛蹄塘组页岩不断从超压气藏向常压气藏, 从高含气饱和度向高含水饱和度转变。

白垩纪以来由挤压向拉张构造环境的演变, 结束了寒武系中生代以来遭受的持续挤压‒抬升剥蚀(柏道远等, 2015), 白垩系沉积盖层在一定程度抑制了页岩气的散失。该区域可见二叠系逆冲至白垩系之上, 表明白垩纪以来构造活动依然较为活跃, 寒武系处于浅埋藏阶段, 该阶段是无充填裂缝发育的主要阶段, 对原来的破碎带进一步改造, 脉体和页岩再次被挤压破碎, 造成页岩气的晚期逸散。

雪峰地区在加里东时期处于隆起区, 页岩生烃时间晚、热演化程度相对低、扩散时间短, 保存条件有利。但是中生代以来雪峰古隆起在逆冲推覆作用下使之碎片化, 断层与牛蹄塘组底部裂缝及破碎带相互连通是页岩气逸散的直接通道, 牛蹄塘组页岩气向下扩散至破碎带, 再沿着断层散失到地表, 地下水和地表水则沿着断裂带下渗, 再通过破碎带侵入含气层(图10); 多期次的挤压使得页岩气散失通道长期处于开启状态不利于页岩气保存。而黄陵古隆起因具有统一的花岗岩刚性基底, 在中新生代以来的构造变形中表现为整体性升降, 构造变形弱、断裂和褶皱不发育, 保存条件优越(刘安等, 2020)。因此, 雪峰隆起西缘页岩气构造保存条件较差, 区域勘探前景也较差。

图10 雪峰隆起西缘地区页岩气散失模式图

7 结 论

(1) 典型井JD1井方解石脉地球化学特征指示雪峰山西缘地区牛蹄塘组下部页岩破碎带较上部页岩的还原性弱、含气饱和度低、含水饱和度高, 与牛蹄塘组页岩的氧化还原条件、TOC等指标刚好相反; 表明了牛蹄塘组下部裂缝系统是页岩气散失的通道, 裂缝与含水层发生了沟通。

(2) 脉体捕获的纯甲烷包裹体埋深为5.8 km, 地层的压力系数为1.01～1.41, 破碎带水溶液侵入深度为4～4.8 km, 上述地质事件分别发生在侏罗纪中期和中‒晚期; 雪峰地区明显具有裂缝形成时间早、页岩气泄压时间早、压力系数低、水溶液侵入页岩时间早且深度大的特征, 不利于页岩气晚期保存。

(3) 雪峰古隆起西缘印支期以来构造变形强度大, 大型断裂发育使之碎片化, 大型断裂与牛蹄塘组底部破碎带形成了连通的疏导体系并持续开启, 成为页岩气散失、地层水和大气水侵入的直接通道, 导致页岩气构造保存条件变差, 该区域页岩气勘探前景较差。

感谢中石化勘探开发研究院高键博士在包裹体压力计算方面提供的帮助, 感谢核工业北京地质研究院欧光习老师在包裹体测试方面给予的帮助和指导; 感谢中国地质大学(武汉)郭小文教授和另一位匿名审稿专家提出的宝贵修改意见！

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Paleofluid as Indicator of Shale Gas Tectonic Preservation in the Western Margin of Xuefeng Uplift

LIU An1, CAI Quansheng1, 2, CHEN Xiaohong1, XIAO Qilin2*, LI Hai1, PENG Zhongqin1, MIAO Fengbin1, LI Peijun1and HUANG Huilan1

(1.430205,; 2.430100,)

The shales around paleo-uplifts have become the targets of petroleum exploration in the middle Yangtze region because of the late hydrocarbon generation and relatively low maturity of the source rocks. In this paper, geochemical characteristics and fluid inclusions from the hydrothermal veins in the Niutitang Formation from the Well JD1 in the Xuefeng paleouplift are reported, and the tectonic preservation and main control factors of shale gas enrichment are discussed. The following results were obtained: (1) FeO, MnO contents and δEu values of calcite veins in the Niutitang Formation increase from bottom to top, which is quite contrary to the trend of the shales, indicating the paleo-fluid in the upper strata is more reducing. (2) Both the CH4contents and the proportions of methane inclusions indicate that the gas saturation in the upper part of the Niutitang Formation is high, and the fractures in the lower part are the exchanging pathway for gas and water. (3) Based on the inclusion types, homogenization temperatures and the trapping pressures calculated with the state equation of CH4system, several important geological events are rebuilt. The shale reservoirs were over pressured in the Middle Jurassic, with the max pressure coefficient of 1.4. During the Middle-Late Jurassic, water from the lower part of the Niutitang Formation (with depth of 4 to 4.8 km) penetrated the shales along the fractures, which lowered the gas saturation and elevated the water saturation. We conclude that without the protection of a rigid basement, the early-formed Xuefeng uplift was fragmented by numerous faults and intense tectonic deformation during Indosinian, thus the shale gas in the lower part of the Niutitang Formation dispersed in an open and permeable zone. Therefore, the poor tectonic preservation in the western margin of the Xuefeng uplift makes it an unfavorable area for Cambrian shale gas reservoirs.

Xuefeng uplift; shale gas; tectonic preservation; paleofluid; inclusions; gas saturation

TE121, P59

A

1001-1552(2021)06-1161-013

10.16539/j.ddgzyckx.2021.06.003

2020-05-11;

2021-01-19

国家科技重大专项“中扬子高演化页岩气赋存机理与富集规律研究”(2016ZX05034001-002)、“宜昌斜坡区页岩气有利区战略调查”(DD20179615)、“雪峰古陆周缘页岩气地质调查”(DD20190558)资助。

刘安(1981–)男, 硕士, 高级工程师, 从事古流体与页岩气成藏、保存研究。Email: globstar@163.com

肖七林(1980–), 男, 博士, 副教授, 主要从事石油地质-地球化学研究及相关教学工作。Email: qilinxiao@cug.edu.cn