高陡复杂构造带深层页岩气保存条件差异性分析——以川东南綦江高陡复杂构造带为例

张旭亮,刘珠江,陈 超,苏克露,张煜颖,陈斐然,张 迪

中国石化 勘探分公司,成都 610041

当前,页岩油气资源的勘探与开发已成为世界能源的焦点,随着勘探研究的深入和技术的不断发展完善,其勘探领域也逐步由中浅层向深层推进。川东南高陡构造深层页岩气具有分布面积广、资源潜力大的特征[1-2],前期评价有利勘探面积799.4 km2,资源量7 908.12亿方,是“十四五”期间实现非常规油气领域持续突破的重要方向。近二十年来,多位国内专家从区域构造演化、构造变形特征与页岩沉积特征等角度着手研究,取得了一系列的认识[3-16]。基于前人的研究成果,中国石化在川南高陡构造带及邻区部署实施了SY1井、TY1井及FB1井等一批深层页岩气井,但整体勘探效果不理想,多口井钻遇高含水、低电阻、低含气的页岩储层,与钻前认识不符,揭示綦江高陡构造页岩气富集规律复杂。因此,开展高陡构造精细解析,重新建立适合高陡构造带页岩气领域的解释模型,厘清与定量化评价影响保存条件的关键参数,以期为深化高陡复杂构造带深层页岩气成藏规律认识与后续勘探目标的部署提供参考。

1 区域地质背景

綦江高陡构造带位于川东南地区中部,西邻东吴期基底断裂,东以南川—遵义断裂为界,南至齐岳山断裂,北接华蓥山断裂,多期构造上下叠置,构造变形复杂多变。早燕山期,东部受到雪峰山弧形构造带的推覆构造应力影响,形成以多排并列的窄陡背斜为主体的隔档式褶皱;晚燕山期—喜马拉雅期,构造南侧受大娄山推覆影响形成局部走滑构造,北西侧则受川中古隆起反向阻挡,整体变形趋于复杂。高陡构造带内部可以进一步划分为石龙峡构造带、中梁山构造带、铁厂沟构造带、石油沟构造带、隆盛构造带与桃子荡构造带6个次级构造单元,整体构造特征受边界条件制约与“软硬相间”介质条件的协调,具备以下特点:(1)构造受边界断层控制,呈带状展布,区域上具备一致性;(2)构造变形在空间展布上总体具备层次性与协调性,局部呈现差异性;(3)构造的形成具备有序性,自南东向北西递进变形,变形强度逐级递减(图1a,b)[17]。

图1 川东南地区构造单元划分及綦江高陡构造典型地震剖面

川东南地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组早期为浅水陆棚—深水陆棚沉积环境,深水陆棚沉积主要分布于五峰组、龙马溪组龙一段一亚段,浅水陆棚沉积分布于龙马溪组龙一段二亚段—龙三段。平面上綦江高陡构造带位于深水陆棚相区内,沉积相展布稳定,优质页岩厚度在30～38 m之间,TOC含量高,为2.4%～3.6%,横向展布稳定,具备良好的物质基础。

2 綦江高陡构造变形模式

区域构造剖面揭示(图1c),綦江高陡构造带自东向西变形具有相似性:(1)多套区域性滑脱层/软弱层稳定发育;(2)构造样式保持高度一致。基于此,从多个角度、采用不同方法建立了一套适合高陡构造的解释模型,明确綦江高陡构造带具备“上陡下缓+膏岩主控+前锋变陡”的分层变形特征。

2.1 志留系滑脱层奠定高陡构造分层变形基础

根据断层相关褶皱理论[18-21]建立了褶皱形态、断层形态和断层位移量之间的定量关系。通过这一理论,能够使用轴面分析法来筛选符合地质规律的地震波阻和识别等倾角域。相同等倾角域的地层具备相似的变形环境,以此为依据,可以推导出断层的初始断点、转折断点与终结断点,描绘出断层的应有形态。借助最新的三维地震资料,经轴面精细分析后,明确綦江高陡构造整体构造具备“上覆断层传播褶皱”+“下伏断层转折褶皱” 的分层变形特征(图2):

图2 川东南綦江地区石龙峡高陡构造几何学模型建立流程示意

纵向上,寒武系陡坡寺组膏岩盐滑脱层、志留系韩家店组泥页岩滑脱层与三叠系嘉陵江组膏岩盐滑脱层将构造划分为上、中、下、基底4个构造层。其中,基底构造体系在盆内整体变形较弱,对上覆构造体系的变形影响不大;而盐上构造体系则表现为3套构造变形作用的叠加:(1)以陡坡寺组膏岩盐层塑性变形为主的滑脱褶皱;(2)以陡坡寺组膏岩盐层为底板、韩家店组泥页岩层为主动顶板的断层转折褶皱,同时叠加志留系内部页岩、泥页岩层的塑性变形;(3)以志留系泥页岩层为底板、嘉陵江组膏岩层为主动顶板滑脱层的断层传播褶皱。

2.2 寒武系膏岩层塑性变形控制高陡构造整体隆升

三维地震资料显示,綦江地区志留系底部之下存在一套巨厚的寒武系膏盐层,该塑性层的变形控制了高陡构造的整体隆升。

对綦江地区高陡构造各构造层的隆升幅度统计后可知(图3),相同构造带同一套地层(寒武系膏岩底至五峰组底界)的整体隆升幅度(T,单位为m)由南至北基本一致,但膏岩层变形幅度变化趋势与上覆构造的隆升幅度的变化趋势相反,呈此消彼长的关系。由此可以推断,膏岩层的变形(G,单位为m)对上覆构造的变形(U,膏岩层顶界以上地层的变形,单位为m)具有直接的控制作用,彼此间存在的对应关系如下:

图3 川东南綦江地区膏岩层厚度与志留系隆升幅度统计

T=G+U

(1)

G可以划分为垂向变形(G1,单位为m)与横向变形(G2,单位为m),公式(1)进一步演化为:

T=G1+G2+U

(2)

其中,G2正是T由南至北存在差异的主要原因。关于几者间关系的成因,有如下解释:在挤压应力的持续作用下,能干性强的寒武系膏盐层率先开始塑性变形,此时上覆构造在此基础上被动隆升,自身的变形幅度为零。当应力持续累计到达临界值之后,上覆刚性地层开始破裂变形。这一破裂变形是在下伏膏盐层已经吸收了部分应力的基础上完成的,膏盐层吸收的应变量越多,自身的塑性形变就越强,相对应的,上覆构造层形变量就会有所缩减,二者相互转换,借此达到动态平衡。换言之,总应变量有一部分被膏岩层吸收了,剩余的部分通过脆性变形来实现应力释放。以此猜想为基础,建立了相应的膏岩主控模型,此模型与实测地震数据匹配度高,具有较高的可信度(图4)。

图4 川东南綦江地区石油沟高陡构造膏岩主控上覆构造变形模型示意

值得注意的是,上述模型探讨的是相似应力条件下,同一构造带内下伏塑性层与上覆脆性层之间应变量的相互转换关系。当应力条件有所差别时,二者将呈现完全不同的对应关系。以图1展示的綦江构造典型剖面为例,由北东至南西,隆起的总体幅度递减,指示总应变量在传递的过程中逐级衰减,不同高陡构造带所承受的应力有所差异。通过对不同地层隆升幅度进行统计(表1),得出与模型截然不同的结论:膏盐层厚度与上覆构造隆升幅度呈正相关关系。究其原因,应是应变总量存在差异,在平行于构造运动走向的方向上,承受应力越强的构造,各地层的变形幅度越高,彼此之间呈正相关关系。

表1 川东南綦江高陡构造带膏岩与上覆构造隆升幅度统计

2.3 持续挤压导致局部构造断背斜前锋带倾角变陡

綦江高陡构造带内多口钻井实钻数据显示,断层上、下盘实钻地层倾角大于初始预测倾角:HC1井钻前预测志留系地层倾角为12°,实钻地层倾角为30°～45°,SY1井钻前预测志留系地层倾角为11°,实钻地层倾角为20°～61°(图5,图6)。

图5 川东南地区过HC1井地震剖面与岩心资料

图6 川东南地区过SY1井地震剖面与FMI成像测井

邻区鄂西—渝东地区的物理模拟实验同样显示,随着挤压量的不断累积,地层达到临界破裂点之后开始发育断层,断层在逐步向上发育的同时,前锋带处的变形加剧变化,导致地层倾角变大,变形最强烈时甚至可能出现倒转现象(图7)。综上所述,綦江高陡构造背斜区会聚了大量的挤压应力,其前锋带处的地层倾角会加速变陡,与地震剖面中展示出来的低倾角不符。在此认识的基础上,建立前锋带变陡的模型,在后续的勘探部署中,必须综合考虑断背斜前锋带存在地层倾角变陡,保存条件变差的情况,择优部署井位。

图7 鄂西—渝东地区构造物理模拟实验局部放大示意

3 页岩气保存条件主控因素

3.1 构造变形强度

3.1.1 主动变形强度

基于上述膏岩主控模型,可将高陡构造滑脱变形拆分为膏盐岩塑性挤压(被动变形)和断层破裂(主动变形)两部分,在求取膏盐厚度趋势约束下的构造平滑面的基础上,计算其与志留系目的层底界构造图的差值,得到主动变形量,用以表征上覆构造实际变形强度,计算公式如下:

D=G1+Δu

(3)

式中:D为标志层的变形,单位为m;Δu为主动变形量,单位为m(图4)。

同时,根据膏岩层最高点切线的深度与未变形前的标志层深度间的相对关系,可进一步延伸出一系列公式:

G1=h1+h2

(4)

D=U+h2

(5)

式中:h1为膏岩层底界深度与未变形前的标志层深度的差值,单位为m;h2为未变形前的标志层深度与膏岩层最高点切线的深度的差值,单位为m(图4)。

将公式(3)—(5)联立,可推导出:

U=h1+Δu

(6)

更进一步,将公式(6)与公式(4)代入公式(1),可得出:

T=G1+h1+Δu+G2

(7)

公式(7)表明,地层总变形等于膏岩层总变形(横向+纵向)、膏岩层底界和标志层底界之间的层厚度与主动变形量的总和。在标志层与膏岩之间层厚已知的情况下,膏岩层变形量与主动变形量之间呈反比。

由西到东,膏岩层厚度逐渐增加(图1),但主动变形强度变化趋势正相反,整体自西向东逐渐减弱(图8)。桃子荡与隆盛构造主动变形强度最小,表明改造作用最弱,保存条件较好,而石龙峡与中梁山主动变形强度最大,保存条件较差,应与晚期大娄山向北推覆有关[22]。

图8 川东南綦江高陡构造主动变形强度平面分布

3.1.2 断裂体系

通过区域构造分析可知,綦江地区存在多期多级别的断裂(图9),不同体系的断裂对页岩气保存条件具备不同的控制作用[23-25]:

图9 川东南綦江地区上奥陶统五峰组底界断裂分布

(1)先存基底断裂与走滑断裂限制了后期褶皱轴迹的发育。雪峰逆冲推覆运动为川东南地区提供了持续变形的动力基础,导致该区褶皱轴迹呈现弧形扩散的趋势,但先存基底断裂,即位于中梁山地区的东吴期基底断裂与走滑断裂——南川—遵义断裂带限制了该弧形褶皱轴迹的扩展,使其发生了偏转,导致原本较宽缓的背斜变得陡窄,褶皱系数增大,增加了顶部裂缝发育的可能性,破坏了页岩的顶板条件,降低了相应的保存能力。

(2)晚期大娄山运动赋予N-S向展布的控边断裂走滑性质,破坏高陡构造的保存条件。晚喜马拉雅期,大娄山运动推进至石龙峡构造位置处,对该构造带的变形造成了相应的影响:早期雪峰逆冲推覆奠定了石龙峡构造的主体构造,后期大娄山运动为主控断裂赋予了走滑性质,以寒武系膏岩滑脱层和志留系泥页岩滑脱层为底板顺层滑脱旋转,导致石龙峡构造的轴迹发生了扭曲偏转,主控断裂的倾向发生了多次偏转,对高陡构造的保存条件进行破坏。

(3)转换断裂提供页岩气散失的通道,降低石龙峡构造页岩的含气性。在逆冲推覆不断推进的过程中,多排并列褶皱逐步形成。主控这类褶皱的控边断裂的断距、位移等各不相同,为了协调变形过程中产生的位移,在临近的褶皱之间会发育与控边断裂近乎垂直的横向转换断裂,这类断裂一般断距较小,但延伸较长,为页岩气的逸散提供了横向散失通道。

3.2 构造封闭性

3.2.1 断面正应力

前人研究表明[26],断面正应力与断层封堵性呈正相关关系。制约断层封闭性的关键因素之一是断面自身的紧闭程度。断面在断层停止活动后受上覆地层的压力发生愈合,愈合程度随正应力的增长而增高。因此,为查明断层封堵性及其对页岩气保存条件的影响,在三维构造解释的基础上,刻画断裂—地层接触关系,通过建立高精度逆断层角点网格体模型,定量计算主控断裂的断面正应力(图10)。统计发现,綦江高陡构造带主控断裂断面正压力在平面上的分布整体变化较大,自西向东断面正应力逐渐增大。地震剖面显示,SY1井主控断层的水平断距较小,钻前认为该井所处位置构造变形强度较低,保存条件较好。但实测下来含气量偏低,仅1.88 m3/t,与钻前认识相悖。后期重新计算后发现SY1井所在翼主控断层的正应力相对较低(90 MPa),断层封堵性较差;同理,钻前认为XY1井处断层水平断距较大,变形强度较高,但钻后反而实现高产,其原因应与断面平缓,断面正应力较高(120 MPa),断层封堵性好有关[27]。

图10 川东南綦江地区高陡构造志留系断裂正应力平面分布

3.2.2 构造与地应力夹角

綦江地区多期次构造运动导致区域内保存条件复杂,地处石龙峡构造以西的探井的实钻数据展示了多种特殊地质现象:SY1井与TY1井局部岩心发育顺层方解石密集条带,宽度在10～50 cm不等。同时SY1井还存在多期裂缝相互切割的现象。通过综合分析后认为,应是后期大娄山长时间的顺层持续运动切穿了早期的裂缝与断裂导致的。反之,在石龙峡构造以东的钻井数据显示正常,没有发现特殊地质现象,表明石龙峡两侧存在两套变形机制不同的构造体系域:以石龙峡—中梁山为界,西部属于顺层滑脱体系域,受雪峰山、大娄山与川中反向阻挡影响,地应力方向与构造主体近平行(SY1井、TY1井、FB1井),封闭性低,保存条件较差。东部属于逆冲挤压体系域,主要受雪峰逆冲推覆影响,地应力方向与构造主体近垂直(XY1井、SY3井、SY5井),封闭性高,保存条件较好(图11)。

图11 川东南地区高陡构造倾角与地应力方向叠合

3.3 顶板滑脱层

綦江高陡构造带多口探井实钻数据表明,不同构造带的保存条件有所差异,其原因可能与页岩气目的层龙马溪组顶板滑脱层的位置有关:志留系内部存在多套区域性软弱层,在特定条件下都可以作为顶板滑脱层。一直以来,綦江地区主控顶板滑脱层的归属存在争议,具体的深度难以确定。为了明确主控滑脱层的归属及确定顶板滑脱层对保存条件的影响,现采用ADS法来辅助判定冲断坡背斜滑脱层的深度。利用高于标志层的面积和标志层距参考面的深度,以及滑移量,基于变形前后物质守恒的准则来确定滑脱层的深度:

H=h-(1/D)S

(8)

式中:H为滑脱层基于参考面的深度,单位为m;h为标志层距参考面的深度,单位为m;S为高于标志层的面积,单位为m2。

通过计算公式推算出滑脱层深度H的基础上,可以通过断层相关褶皱模型中断层与地层倾角变化关系来反推滑脱层在探井上的位置,最终确定顶板滑脱层距离页岩气目的层的垂向距离(图12)。

图12 川东南地区XY1井ADS法定量解译剖面

统计具有相似构造变形背景的已钻井实测含气量之后(表2),可得出以下两点相关结论:(1)主控顶板滑脱层距离目的层越远,保存条件越好;(2)断层滑移量越大,指示上覆构造层变形强度越强,保存条件越差,但对页岩气保存条件的影响能力不及顶板滑脱层距目的层的距离。

表2 川东南地区主控顶板滑脱层对页岩气目的层保存条件影响能力统计

3.4 綦江高陡构造页岩气保存条件评价体系

以綦江高陡构造带重点目标的构造解析与成因机制分析为基础,从构造封闭性、断裂体系、滑脱层等多方面进行考量(表3),综合前人基于实钻数据总结的经验,得出以下几条基本判定标准,综合评价认为隆盛—桃子荡地区保存条件较好:(1)断面正应力高于100 MPa,断层与地应力夹角较大(大于75°),封闭性较好;(2)主动变形强度低于0.2 km,保存条件较好;(3)远离转换断裂0.5 km,保存条件较好;(4)远离走滑性质主控断裂1 km,保存条件较好;(5)远离先存基底/走滑断裂大于1.5 km,保存条件较好;(6)滑脱层距页岩目的层顶距离远,保存条件较好。

表3 川东南綦江高陡构造埋深5 km以浅有利目标评价

4 结论

(1)綦江地区构造受雪峰逆冲推覆运动的影响,变形以分层滑脱模式为主,样式上多表现为“上覆断层传播褶皱”+“下伏断层转折褶皱”。在持续的挤压过程中,随着挤压量的不断累计,褶皱的前锋带处变形加剧,倾角较理论模型预测值大。

(2)寒武系膏盐层塑性形变对上覆构造的隆起起到控制作用。相似应力条件下,同一构造带内膏盐层厚度(被动变形)与上覆构造隆升(主动变形)幅度呈负相关;应力条件有所差异时,不同构造带内膏盐层厚度与上覆构造隆升幅度呈正相关。

(3)影响页岩气保存条件的因素包含主动变形强度、断裂体系、断面正应力、构造与地应力夹角、顶板滑脱层等。参数在区域上的变化,主要由雪峰山推覆、大娄山推覆与川中刚性地体阻挡等多期构造运动相互叠加造成。正是复杂因素的相互作用,最终导致研究区内部保存条件存在明显差异。

(4)结合多种方法,综合建立了綦江高陡构造保存条件评价标准,明确隆盛—桃子荡构造带所受构造应力单一,主动变形强度低,构造封闭性强,保存条件好,是下一步勘探的主要目标。

利益冲突声明/Conflict of Interests

所有作者声明不存在利益冲突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者贡献/Authors’Contributions

刘珠江、陈超参与实验设计;张煜颖、张迪完成实验操作;张旭亮、苏克露和陈斐然参与论文写作和修改。所有作者均阅读并同意最终稿件的提交。

The study was designed by LIU Zhujiang and CHEN Chao. The experimental operation was completed by ZHANG Yuying and ZHANG Di. The manuscript was drafted and revised by ZHANG Xuliang, Su Kelu and CHEN Feiran. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.