页岩气富集与保存条件差异研究——以焦石坝—武隆地区为例

丁佳彤，陈孔全*，汤济广，庹秀松，张斗中

（1.长江大学非常规油气湖北省协同创新中心，湖北武汉 430100；2.长江大学地球科学学院，湖北武汉 430100）

0 引言

近年来，四川盆地东缘的页岩气开发已经成为学者们的研究热点，其中焦石坝地区页岩气田的勘探表现出色，焦页1HF井压裂试气后获高产达20.3×104m3/d，是中国第一口具有商业开发价值的页岩气井[1-6]。学术界围绕川东盆缘地区页岩气的产生、运移和富集进行了许多探讨，同时针对武隆地区的页岩气开发也逐步展开，隆页1 井顺利完钻，轨迹位于龙马溪组底部，压裂后获日产气4.5～6.0×104m3。齐岳山断层位于四川盆地的东部边界，同时也位于川东构造带与湘鄂西构造带的交会处，断裂两侧的构造特征差异明显，同时对油气的运移和聚集均存在不同影响，导致页岩气保存条件存在差异。武隆地区与焦石坝地区分别位于齐岳山断层两侧，以齐岳山断层为界呈对称分布，地理位置十分接近，但构造变形特征不同，页岩气井产量也参差不齐，造成如此局面的直接原因是其页岩气保存条件差异明显[7-9]。为了进一步解释川东盆缘两侧的页岩气保存条件差异，需要对研究区内东、西两个区块的页岩气保存条件主控因素进行深入分析及对比，以明确齐岳山断裂两侧的富页岩气构造样式、断裂发育等因素对页岩气保存的影响。

1 区域地质背景

研究区位于湘鄂西—川东褶皱构造带内，处于雪峰段逆冲推覆构造西北缘前峰带，受到江南—雪峰陆内造山运动北西方向的挤压应力影响。湘鄂西—川东构造带以齐岳山断裂为界，以东为背斜与向斜相间组成的湘鄂西厚皮“隔槽式”褶皱带；以西为紧闭的背斜与开阔宽缓的向斜相间排列，以志留系等主要滑脱层组成川东薄皮“隔挡式”褶皱带[10-13]。焦石坝地区与武隆地区处于隔槽式结构与隔挡式结构的过渡带中，二者以齐岳山断层为界具有镜像关系(图1)。

图1 焦石坝—武隆地区及邻区地质图

自中三叠世末以来，研究区受到来自东南方向江南—雪峰古陆的持续挤压，发生了大规模的由南东向北西的递进式构造变形，变形作用从江南—雪峰古陆地区经湘西北至川东扩展，且冲断作用的强度逐渐降低。

燕山运动时各构造体系差不多在同一时期形成，但先后顺序、强度和持续时间有差别。燕山早期(晚三叠世)，江南—雪峰造山运动的侧向推挤产生的推覆作用逐渐影响到川东地区，使基底由深至浅发生多重滑脱作用，由隔槽式褶皱向隔挡式褶皱转换，研究区内地层产生轻微褶皱变形；研究区在中燕山期(晚侏罗世)受雪峰山南东—北西向的逆冲推覆挤压运动，整体大幅度抬升，是侏罗纪以后研究区经历的构造变形最强、构造运动最剧烈的时期，因而其构造应力值也最大；早喜山期(晚白垩世)，研究区整体缓慢隆升，相对稳定，构造变形程度是侏罗纪以来最弱的一次，其构造应力值也最小；晚喜山期(中新世)，印度板块向欧亚板块俯冲，产生了强烈的挤压应力[4]，但由于该应力到达研究区时经过很多深大断裂，能量逐步减弱，最终只剩下较弱的挤压应力，表现为一定程度的隆升，构造变形程度高于早喜山期，低于晚燕山期。

研究区地层发育较为完全，由新元古界至今仅缺失石炭系、泥盆系。现今页岩气主要勘探层系为奥陶系五峰组（O3w）—下志留统龙马溪组，是以页岩为主的海相沉积，地层发育与中晚奥陶世被动大陆边缘盆地向台内坳陷盆地的变革对应。五峰组为一套黑色炭质页岩，代表深水陆棚沉积环境[14-16]；龙马溪组底部为黑色炭质页岩，上部为泥质粉砂岩,具有分布广泛、厚度大的黑色笔石页岩沉积。川东盆缘地区内五峰—龙马溪组优质页岩厚度一般为20～50 m[7]，总有机碳含量(TOC)均值为3.3%～3.9%，镜质体反射率(Ro)集中分布在2.3%～3.1%，表明齐岳山断裂两侧五峰组—龙马溪组页岩沉积后普遍经历了深埋与生烃过程，烃源岩物质基础普遍良好，故保存条件成为了断裂两侧页岩气产量差别的关键性因素。

2 构造特征差异

基于构造特征和构造成因机制的差异，以齐岳山断层为界，划分为焦石坝构造带与武隆构造带。

2.1 焦石坝构造带

四川盆地内缘焦石坝构造带受到江南雪山陆内造山运动东南向的应力推覆作用影响，被前寒武系区域性滑脱断层所控制，因此在盖层中构造变形不甚强烈，变形以断滑作用与断展作用为主，背斜形态由南东向北西逐步紧缩，被乌江断层分开形成焦石坝背斜带与梓里场背斜带（表1）。

表1 焦石坝—武隆地区构造特征差异表

2.1.1 构造特征

焦石坝背斜带位于乌江断层以北、石门2 号断层以西、梓里场断层和吊水岩断层以东，发育有箱状背斜——焦石坝箱状背斜(图2)。研究区内箱状背斜受到前寒武系的顺层滑脱作用，呈转折端平缓、两翼产状较陡的形态。焦石坝背斜转折端断层不发育，仅在两个轴面处派生小型断层，受到构造运动改造强度较弱，构造整体结构形态完整。

图2 焦石坝背斜地质剖面

梓里场背斜带(图3)位于乌江断层与梓里场断层之间，受控于坡坪式断层——梓里场断层[17-23]，构造形态较焦石坝构造带更加紧缩，主要构造样式为弱改造型圆弧背斜，典型构造为梓里场背斜。弱改造型圆弧状背斜被断层改造的程度小，属于受逆冲断层控制的断展褶皱。梓里场背斜形态完整，但较为紧闭，翼间角为100°。构造两翼不对称，东翼岩层倾角较大，西翼岩层倾角相对较小，且西翼发育少量反冲逆断层，形成冲起构造。

图3 梓里场背斜地质剖面

焦石坝构造带为递进变形的前锋带，主控构造变形滑脱层由前寒武系向寒武系转变，使构造位移呈阶梯状向上传递[24]。由于盖层自西向东发生前展式的构造变形，乌江断层南、北段表现为不同的前展式结构特征。在乌江断层以北前寒武系基底断层发生顺层滑脱，未造成盖层中的断展作用，自东向西的构造变形依次为冲断—断滑—滑脱。乌江断层以南前寒武系基底断层呈犁式，盖层中发生断展作用，因此构造变形自东向西依次为冲断—断展—滑脱。

2.1.2 断裂展布特征

焦石坝构造带断裂体系形成于中燕山期，宏观上呈北东向展布，同时，由于收缩变形的不均一性，断裂发育受到北西向调节，在造山运动后期受到近东西向挤压应力影响，造成少部分断裂呈北西向展布。构造带内发育有压扭断层、逆断层、逆冲断层和走滑断层，断裂主要分布于焦石坝背斜两翼与梓里场背斜西翼位置。五峰组底界断层密度为0.57条/km，断距为0.2～2.69 km，延伸长度为10～50 km。主控断层为齐岳山压扭断层、乌江断层与大耳山走滑断层(图4)，焦石坝背斜东翼和梓里场背斜西翼断裂断开层位多为二叠系龙潭组到奥陶系五峰组和寒武系地层；焦石坝背斜西翼天台场断层附近断裂发育于奥陶系五峰组内。

图4 焦石坝构造带奥陶系五峰组底界断裂分布图

2.1.3 构造演化

在中燕山期，江南—雪峰方向的南东向北西的推覆作用移动到盆内缘构造带，构造运动剧烈，基本形成现今构造格局。随着挤压应力逐渐变强，在中燕山期乌江断层北部基底断层沿前寒武系发生断滑作用，使焦石坝褶皱隆起变形，形成箱状背斜，并在背斜东翼靠近方斗山断层处形成紧闭向斜层；而乌江断层南部地区由于石门2 号断层发生冲断作用，发育形成断展褶皱，并发育一系列倾向南东的小型逆断层，同时方斗山断层和齐岳山断层以东地层进一步抬升到地表，产生轻微剥蚀。焦石坝地区隆升变形时间为85 Ma，构造区东部发生剧烈变形，构造变形表现为自东向西的扩展模式。

2.1.4 剥蚀量

盆内缘构造带出露地层以中生界三叠系、侏罗系及下白垩统为主，从南东向北西出露地层由老至新、隆升剥蚀逐渐剧烈。研究区位于齐岳山断层以西，地层层系发育较全，在构造活动中受改造作用较弱[17]，很少发生地层抬升剥蚀。自晚白垩世以来，焦石坝背斜与梓里场背斜的地层剥蚀量均约为3500～4800 m。

2.2 武隆构造带

东部盆外缘武隆构造带位于湘鄂西断褶带的恩施—利川断褶带内，受前寒武系滑脱层控制，为湘鄂西—川东前展式构造的挤压褶皱带，也是湘鄂西与武陵山断褶的过渡带，主要发育残留向斜构造（表1）。

2.2.1 构造特征

武隆向斜位于大耳山茶园断层以东，整体呈北东向，由胡家园断层所分割成东西两个走向与形态不尽一致的残留向斜。武隆东向斜核部地层平缓而开阔，两翼地层倾角小，为圆弧型。武隆西向斜转折端为似箱状，平面上呈三角形形态，两翼变陡且北西翼倾角大于南东翼(图5)。

图5 武隆向斜地质剖面

2.2.2 构造演化

对于盆外缘构造带，武隆向斜北东向构造发育于中燕山期，是江南隆起构造域早中燕山期的产物。中燕山末期形成发育南北向以及北西向构造，并叠加于早期北东向构造之上。晚白垩世开始，区内有张性构造形成，但构造作用较弱。由于受到江南—雪峰陆内造山运动的南东—北西向的挤压应力，武隆向斜的抬升期略早于盆内缘构造带，构造变形的开始时间约为90 Ma。

2.2.3 剥蚀量

武隆地区位于湘鄂西断褶带的西部，地表主要出露有震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、二叠系、三叠系、侏罗系以及白垩系。由于地层连续性差，且受到较为强烈的改造作用，导致高强度的抬升剥蚀(剥蚀量为1750～6750m)。

2.2.4 断裂展布

受两期构造的叠加作用，武隆向斜中发育两个方向的断裂体系：北东向与近南北向，其中，北东向断层主要分布于武隆东向斜，而近南北向断层主要分布于武隆西向斜翼部。研究区龙马溪组底部断层密度为0.33 条/km，多为逆断层。断裂延伸长度在2 km 以上、最长超过20 km，断距为90～1500 m。另外，断层多由震旦系断开至志留系和三叠系，断开层位由寒武系至地表的断层多分布于武隆西向斜(图6)。研究区内主要断层为近南北向的逆断层——胡家园断层，延伸长度24.7 km。

图6 武隆地区龙马溪组底界构造等值线图

3 富气特征差异性

页岩气的富集主要取决于页岩储层的含气性与封闭性，其中含气性与页岩气储层厚度、TOC 以及Ro等地球化学特征有关，而页岩气的封闭性则受断裂、埋深、层理面正应力等因素影响。下面从以上两方面分析焦石坝构造带与武隆构造带的页岩气富集差异（表2）。

表2 焦石坝—武隆地区典型构造带页岩气参数对比表

3.1 焦石坝构造带含气性特征

川东—湘鄂西地区内五峰—龙马溪组地层主要为黑色碳质页岩，属于深水陆棚沉积环境，有稳定的烃源岩来源，但由于不同构造带发生构造改造的期次不同、强度不同，页岩气目的层的厚度及其他地球化学特征有一定差异，导致含气量有所不同。

焦石坝构造带中五峰—龙马溪组中TOC 大于2%的页岩厚度为30～38 m，TOC 普遍较高，最高达到7.13%，Ro为2.4%～2.8%。依据优质烃源岩TOC 不低于1.5%的标准，在JY1 井的勘探中发现优质页岩储层厚度达到38 m，其TOC 为3.56%，Ro为2.5%，含气量为5～10 m3/t，地层压力系数为1.55。

3.2 武隆构造带含气性特征

武隆构造带中TOC 大于2%的页岩厚度为32～40 m，TOC 为3.91%～4.50%，Ro为2.5%～2.7%。LY1 井优质页岩厚度达到32 m，TOC 为4.4%，Ro为2.54%，现场分析含气量为2.38 m3/t，测井解释总含气量达5.70 m3/t；LY2 井优质页岩厚35.3 m，TOC 为4.5%，Ro为2.85%，现场分析含气量为3.3 m3/t。整体上JY1井的优质页岩厚度、有机质TOC 以及含气量均与LY1井差距较小，武隆构造带内的页岩气储层厚度与含气量稍低于焦石坝构造带，而TOC则高于焦石坝构造带。现场测试表明，JY1井初始日产量为20.3×104m3，LY1井压裂后获日产气4.5×104～6.0×104m3。综合LY1井的含气量及组成可知，总含气量相对较低、TOC高，而且地层压力系数为常压系数（1.08），JY1井为高压地层，故焦石坝构造带的页岩气产量高于武隆构造带。

4 保存条件主控因素差异性分析

为明确不同构造区块对于页岩气富集的影响，结合前文对于研究区内的富气构造特征与页岩气富集特征，总结3 种焦石坝—武隆地区内页岩气富集差异构造模式，并分析不同构造带内的富气构造保存条件主控因素。

4.1 正向构造页岩气藏

4.1.1 箱状背斜

箱状背斜型页岩气藏主要分布于焦石坝地区东北部背斜带，埋深一般为2000～3000 m，由于其核部遭受构造运动强度不剧烈，甚少发育断裂，两翼较陡，在褶皱转折端向两翼过渡处的轴面位置易形成断裂，即箱状背斜中，转折端处变形较弱，而变形主要集中于两个轴面处，同时在轴面外缘，还易于派生小型正断层。构造整体形似箱子，页岩气储层压力系数较高，地层孔隙度适中，页岩气分子储存于构造转折处页岩气层中，不易发生逸散，翼部在挤压环境下裂缝发育，在裂缝、断层中存在游离气的运移聚集。故箱状背斜的主要逸散方式为翼部穿层逸散，箱状背斜的两个轴面处断层与裂缝是制约保存的主要控制因素。焦石坝背斜中的页岩气储层具有两翼陡、转折端近乎水平的特征，且转折端不发育断裂，页岩气保存条件最好。在发育过程中，焦石坝背斜的东、西两侧轴面处应力集中，发育逆断层(大耳山断层、吊水岩2 号断层、天台场断层)，背斜核部断裂密度低、规模小，保存条件良好(图7)。JY1井位于焦石坝背斜核部，钻井资料表明焦石坝背斜构造中水平井全烃高(20%～30%)、含气饱和度高(69%)、孔隙度适中(4.85%)、属于高压地层(地层压力系数1.55)，实际产量达到2.03×104m3/d。

图7 箱状背斜型页岩气藏保存模式

4.1.2 圆弧状背斜

圆弧状背斜属于正向构造，在焦石坝构造带西南部发育弱改造型圆弧状背斜（梓里场背斜），埋深为2200～3500 m。弱改造圆弧状背斜在纵弯褶皱发育过程中派生裂缝极为发育，因此弱改造圆弧状背斜只要褶皱曲率到达一定程度，就会在转折端发育派生张节理，页岩气易发生穿层逸散，故弱改造型背斜的断层、由背斜曲率控制的派生张性结构是制约保存的主要控制因素(图8)。JY-C 井优质页岩气储层中含气量介于2.25～6.48 m3/t，平均值为3.05 m3/t，孔隙度较低，仅为0.76%[14]，梓里场背斜中发育有大量裂缝，在构造西翼有断层发育，影响了页岩气的保存。在实测中井口压力较低，试气时产量无法测出。

图8 弱改造型圆弧背斜型页岩气藏保存模式

4.2 负向构造页岩气藏

在武隆构造带中主要发育残留向斜构造，如武隆东向斜与武隆西向斜。负向构造单元中页岩气保存需要良好的顶、底封盖、侧缘遮挡，同时页岩气储层的埋深与周缘断裂也是重要影响因素(图9)。武隆向斜埋深为250～5250 m，断裂不发育，川东南地区五峰组—龙马溪组页岩气储层顶板为龙马溪组上段泥页岩、含砂泥页岩，底板为临湘组和宝塔组灰岩。武隆地区页岩气的勘探证实，龙马溪组之上的小河坝组(石牛栏组)的泥页岩和中志留统韩家店组的泥页岩是较好的盖层，对封闭龙马溪组页岩层系的天然气、减缓其逸散十分有利。临湘组—宝塔组为致密灰岩，空间分布稳定，厚度为30～50 m，可作良好的底板。武隆东向斜核部地层倾角为20º～25°，于两翼处变陡。武隆西向斜核部西部地层平缓，地层倾角为30°，两翼地层倾角为10º～20°。于向斜中部署的LY1 井目的层页理面上正应力为65 MPa，LY2井目的层页理面上正应力为58 MPa，含气量较低，水平井全烃低(分别为12%、5%)，属于常压气藏(地层压力系数分别为1.08、1.02)，压裂后产量较低。

图9 残留向斜型页岩气藏保存模式

在向斜构造中游离气可沿页理顺层逸散，因此宏观上残留向斜构造相对于背斜构造不利于页岩气的保存[25-26]。在残留向斜构造中页岩气的主要逸散方式是顺层逸散与穿层逸散。一方面，若页理面中的排气压力大，则可形成较好的毛细管侧向遮挡，也可形成较好的保存条件。另一方面，若页理面上正应力大，相对于顺层逸散体系被封闭了，故页理面上的正应力如果超过流体压力则页理封闭。对于断层而言，由于断面受到较强的挤压应力，封闭性能较好。其中页理面上正应力与岩层埋深和岩层倾角密切相关。紧闭向斜两翼倾角较大，页理面上正应力小，而宽缓向斜两翼倾角小，页理面上正应力大。综上，页理面上正应力主要取决于岩层倾角和埋深，因此在残留向斜构造样式中，岩层倾角和埋深是页岩气保存条件的主控因素。

4.3 页岩气保存特征与保存条件评价

在页岩气储层具有一定含气量的基础上，页岩气的富集与逸散密不可分，在剧烈的地质活动中地层隆起剥蚀，使页岩气目的层地层压力降低，大量吸附气解离，游离气得以运移，并且沿页理、裂缝和断层等通道发生逸散。常规页岩气逸散方式主要有顺层逸散和穿层逸散两种，即横向顺层沿页理面、垂向沿裂缝或断裂逸散。

焦石坝箱状背斜与梓里场圆弧状背斜均为正向构造，盖层完整，三叠系出露。JY1井优质页岩气储层埋深为2415 m，地层压力系数为1.55。梓里场背斜核部JY-C 井页岩气储层埋深为3240 m，地层压力系数较小。对于正向构造单元，游离气在运移中将聚集到构造高点，不会发生顺层逸散，顺层封闭性好。影响页岩气垂向保存的因素主要有断层发育位置、断层性质、延伸长度、断距、断面倾角等。焦石坝构造带整体断层不发育，断层密度低，断开层位一般为寒武系、奥陶系，基本不达到盖层；构造带内逆断层数量较多，其次为压扭断层，断面正应力较大；除个别主控断层外断层延伸长度普遍为10～25 km，倾角为40º～80°，断层断距范围为 0.2～2.69 km，断距为断层活动强度的直接体现，即断距越小，断层越趋向封闭。故盆内缘构造带内断裂封闭性好，不易发生页岩气穿层逸散。对于圆弧状背斜，其较箱状背斜形态更紧闭，岩层弯曲程度更大，更易在背斜核部区域形成“V”型张裂缝，相对于箱状背斜断裂更发育，更易发生垂向逸散。

武隆构造带中主要分布负向构造单元，构造带内大断裂较少，仅有1 条，主要发育逆断层，同时复合一定扭动特征；龙马溪组底部断层密度为0.3条/km，穿层封闭性较好。在负向构造单元内，游离气在运移中将沿页理面向两翼高处逸散，故页理面的封闭性对于页岩气的保存十分重要。武隆地区页岩气目的层埋深为250～5250 m、岩层倾角为10º～30°，即页岩埋深大，页岩的地层压力大，且页理面上正应力也大，从而增强了页岩的吸附能力，减弱了游离气运移，页岩气不易逸散。在评价页理封闭性时通常认为页理面正应力小于50 MPa 时为开启、50～65 MPa 时为过渡封闭、超过65 MPa 时则为封闭。武隆构造带页理面正应力为55～65 MPa，故认为武隆向斜页理封闭性一般，属于过渡封闭。

在含气页岩一端出露地表的构造样式中，如负向构造单元、断块，游离气易于沿页理面发生逸散，因此页理封闭是向斜构造中评判封闭性的关键因素。借用常规油气勘探中“断面正应力大、则断层的封闭性能好”准则评价断层封闭性，对于横向页理封闭可以从页理面上的正应力大小来考虑。在不考虑构造作用的情况下，仅认为页理面正应力由上覆岩层引起，则页理面的正应力主要与岩层的埋深和倾角有关。

断裂以及裂缝发育区，会造成页岩气垂向逸散，因此页岩气的垂向封闭是复杂构造变动区页岩气富集的另一关键保存因素。页岩气的垂向封闭可以从两个方面来评价：一是断层裂缝不发育；二是断层裂缝发育但是封闭。断层裂缝不发育是最有利的封闭类型，如箱状构造中，转折端处岩层近乎水平，断层裂缝几乎不发育，故保存条件最好。由于甲烷分子小，易于逸散，因此断层裂缝发育区，其封闭条件要求高。因此在页岩气垂向封闭性的分析中，主要考虑断层的性质、发育程度以及发育位置等。

在评价页岩气的富集时，考虑到页岩气的逸散方式有顺层和穿层两种，通常认为影响保存的关键为断裂与层理面正应力，即影响页岩气保存条件的因素有岩层倾角、埋深、断层与裂缝等。但在不同构造模式下，页岩气的主要逸散方式有很大区别，当逸散方式不同时，相同的地质条件对页岩气保存的影响程度不同。故在评价各构造模式中页岩气保存条件时，应针对其构造特征，重点分析主控地质因素，并建立不同的页岩气保存评价体系（表3）。

表3 焦石坝—武隆地区富气模式与保存主控因素

箱状背斜型页岩气藏的主控因素为断层和裂缝，页岩气的保存条件取决于构造中断裂的发育位置、断距、断开层位等因素。圆弧状背斜型页岩气保存条件的主控因素为断层、由背斜曲率控制的派生张性结构。在残留向斜构造中，岩层倾角和埋深是页岩气保存的主控因素（表3）。

5 结论

(1)根据变形方式与构造作用的不同，焦石坝—武隆地区可划分为盆外缘武隆构造带和盆内缘焦石坝构造带，其中焦石坝构造带受滑脱作用的控制，发育冲断构造、冲起构造、扭动构造与叠瓦状构造；武隆构造带受挤压作用影响，发育断展构造、冲起构造。

(2)焦石坝构造带与武隆构造带的烃源岩物质基础差距较小，但焦石坝构造带的页岩气产量远大于武隆构造带，故不同构造特征造成的保存差异是二者之间页岩气差异富集的主因。焦石坝构造带的富气构造有箱状背斜和弱改造型圆弧背斜；武隆构造带的富气构造为残留向斜；箱状背斜和弱改造型背斜的保存方式为断层封闭，页岩气逸散方式是穿层逸散；残留向斜产生页岩气顺层逸散，页岩气保存主要取决于页理面的封闭性。

(3)构造区带划分与构造形态差异有关，焦石坝—武隆地区存在3种页岩气富集构造模式，分析、对比不同构造样式的富气构造特征，并结合典型井位的保存条件与测试日产量，认为保存条件较好的构造样式主要分布于焦石坝构造带内，与钻井资料一致。综合构造变形与富页岩气构造模式差异，笔者认为焦石坝构造带的页岩气保存条件优于武隆构造带。