渝西地区走滑断裂活动背景下地层水对页岩气富集的控制作用.pdf

大庆石油地质与开发 Petroleum Geology Oilfield Development in Daqing2023 年 6 月 第 42 卷第 3 期June，2023Vol.42 No.3DOI：10.19597/J.ISSN.1000-3754.202210006渝西地区走滑断裂活动背景下地层水对页岩气富集的控制作用邹辰1 吴永辉2，3 梁兴1 姜振学2，3 王高成1张介辉1 章超1 何叶1 端祥刚4 宫厚健2，3（1.中国石油浙江油田公司勘探开发一体化中心，浙江 杭州310023；2.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京102249；3.中国石油大学（北京）非常规油气科学技术研究院，北京102249；4.中国石油勘探开发研究院，北京100083）摘要：为了搞清渝西地区来苏-云锦向斜走滑断裂附近地层水活动对页岩气富集的控制作用，通过含水饱和度对比、含水饱和度与裂缝分布特征关系的分析，研究不同构造部位含水饱和度差异并明确其控制因素。通过井温对比、地层水氢氧同位素示踪、盆地模拟及构造演化分析，搞清页岩中地层水的来源，明确地层水活动对页岩气富集的影响。结果表明：走滑断裂走向转折端的构造低部位页岩的含水饱和度高且受控于裂缝发育程度，该部位页岩中的水来源于深部流体，页岩大量生气时期早于断裂走滑活动期和深部流体上涌期。走滑断裂活动背景下页岩气富集可分为2个阶段，第1阶段为侏罗纪早白垩世构造挤压阶段，页岩大量生气且保存条件好，来苏-云锦向斜利于页岩气保存，第2阶段为晚白垩世现今的走滑断裂活动阶段，云锦向斜南部受到的走滑挤压分量小，深部流体上涌进入页岩储层，导致页岩含气性差。研究成果可为川南坳陷同类地质条件的页岩气勘探部署提供理论支撑。关键词：渝西地区；来苏-云锦向斜；走滑断裂；地层水；页岩气；富集模式中图分类号：TE122.1 文献标识码：A 文章编号：1000-3754（2023）03-0011-09Control effect of formation water on shale gas enrichment in the background of strikeslip fault activity in western ChongqingZOU Chen1，WU Yonghui2，3，LIANG Xing1，JIANG Zhenxue2，3，WANG Gaocheng1，ZHANG Jiehui1，ZHANG Chao1，HE Ye1，DUAN Xianggang4，GONG Houjian2，3（1.Exploration and Development Integration Center of PetroChina Zhejiang Oilfield Company，Hangzhou 310023，China；2.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting，China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China；3.Unconventional Oil and Gas Science and Technology Institute，China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China；4.Petrochina Reserch Institute of Petroleum Exploration&Development，Beijing 100083，China）Abstract：In order to understand the control of formation water activity on shale gas enrichment near Laisu-Yunjin 收稿日期：2022-10-08 改回日期：2023-02-21基金项目：国家自然科学基金项目“海相富气页岩低阻成因及其对含气性的控制机理”（42072151）；国家能源页岩气研发（实验）中心基金项目“川南深层页岩低电阻成因及其对含气性的影响”（RZPED-2022-JS-1662）；浙江油田与中国石油大学（北京）合作项目“大安区块龙马溪组页岩低电阻成因机制及其勘探潜力影响评价”（zjyt-2021-kj-010）。第一作者：邹辰，男，1987年生，高级工程师，从事油气地质综合研究。E-mail：通信作者：姜振学，男，1963年生，博士，教授，博士生导师，从事含油气盆地分析、常规和非常规油气形成与分布方面的研究。E-mail：2023 年大庆石油地质与开发syncline strike-slip faults in western Chongqing，by comparing water saturation and analyzing relationship between water saturation and fractures distribution，water saturation difference of different structural locations is studied to identify its control factors.Through well temperature comparison，hydrogen and oxygen isotope tracing of formation water，basin modeling and structural evolution analysis，the source of formation water in shale is identified，and the influence of formation water activity on shale gas enrichment is revealed.The results show that shale in structural low at transition end of strike-slip fault has high water saturation and is controlled by fractures development degree，water in which comes from deep fluid.Massive gas generation period of shale is earlier than fault strike-slip activity period and deep fluid upwelling period.Shale gas enrichment in the background of strike-slip fault activity is divided into 2 stages.The first stage is Jurassic-Early Cretaceous structural compression stage with large amount of shale gas generation and good preservation conditions，and Laisu-Yunjin syncline is conducive to shale gas preservation.The second stage is Late Cretaceous-present strike-slip fault activity stage，with less strike-slip compression components in southern Yunjin syncline and deep fluids upwelling into shale reservoirs causing poor shale gas bearing property.The research provides theoretical support for shale gas exploration deployment with similar geological conditions in southern Sichuan Depression.Key words：western Chongqing area；Laisu-Yunjin syncline；strike-slip fault；formation water；shale gas；enrichment pattern0引言走滑断裂对盆地内沉积体系、储层及流体活动均有明显影响15。与走滑断裂活动有关的常规砂岩油气藏、碳酸盐岩油气藏均获得重大突破，如在渤海湾盆地辽东湾坳陷，发现了多个与走滑断裂相关的亿吨级砂岩油田67，在塔里木盆地顺北油田，也发现了与走滑断裂相关的储量规模达 17108 t的碳酸盐岩油气藏89，这些勘探发现表明，与走滑断裂相关的油气藏具有良好的勘探开发前景。然而，在非常规油气研究领域，走滑断裂与页岩含气性的关系研究较少，现有的研究也仅局限于页岩与断裂距离的探讨1011，特别是缺乏走滑断裂活动背景下页岩气富集机理的研究，严重制约了典型走滑断裂带的页岩气勘探开发工作。因此，揭示走滑断裂活动背景下页岩气富集机理对渝西地区页岩气勘探开发有着重大意义。页岩气成藏期、区域构造运动期及地层流体活动期的先后关系控制着页岩气的散失1214，决定着页岩气的富集程度。目前，在川南坳陷关于页岩气成藏期与成藏过程的研究较多，较为统一的观点为页岩气主要成藏期发生在侏罗纪早白垩世13，常用技术方法有盆地模拟方法1516、流体包裹体均一温度分析法1718以及两者结合的方法；关于区域构造运动期的研究也较多，多数观点为燕山期以构造挤压为主19，喜山期以断裂走滑活动为主20，且燕山期、喜山期是影响页岩气富集的两个关键时期21，常用的技术手段有构造行迹分析、构造演化恢复2224；关于页岩储层内流体示踪的研究方法也较多，常用的方法有矿化度分析法、氢氧同位素分析法、锶氯同位素分析法、硼同位素与锂同位素分析法等25，而关于地层流体活动的研究较少。综上所述，目前存在的主要问题是页岩气成藏、区域构造运动及地层流体三方面的研究缺乏有效的结合，走滑断裂活动背景下地层流体活动对页岩气富集的控制机理有待揭示。针对以上问题，本文以渝西地区来苏-云锦向斜龙马溪组页岩为例，通过分析地层含水饱和度差异、地层含水饱和度与裂缝发育程度的关系及井温测井资料与地层水的氢氧同位素特征，揭示走滑断裂转折端的构造低部位页岩储层中水的来源；利用盆地模拟、盐水包裹体均一温度综合分析方法，并结合区域构造史，揭示走滑断裂活动背景下页岩气散失与深部流体上涌的时空关系，明确走滑断裂活动背景下地层水活动对页岩气富集的影响，研究成果可以为走滑断裂带页岩气勘探部署提供一定指导。1地质背景研究区构造位置处于四川盆地南部低陡褶皱12第 42 卷 第 3 期邹辰 等：渝西地区走滑断裂活动背景下地层水对页岩气富集的控制作用带，地理位置处于重庆西部。在燕山期，由于雪峰隆起北西向的挤压，在四川盆地东南部形成了北东走向的帚状褶皱群，研究区位于帚状褶皱群的最西翼，形成时间大约距今95 Ma26。在喜山期，由于亚欧板块北东向的俯冲，在四川盆地形成了大型右旋走滑应力场20，在右旋走滑应力场的影响下，在华蓥山基底断裂附近形成了一系列北北东走向的伴生走滑断裂（图 1），这些伴生走滑断裂北段的挤压分量大，断层封闭性好，南段挤压分量小，断层封闭性较差。研究区走滑断裂（文中也称一级断层23）断开的层位包括震旦系及其上覆地层，对该地区地温及流体活动有着重要影响。在早志留世鲁丹期，研究区位于深水陆棚，页岩岩相整体上没有差异2728，表明研究区龙马溪组页岩具有相似的生储条件。主力产气层底部为厚层宝塔组灰岩地层，顶部为龙马溪组二段的贫有机质页岩及石牛栏组的厚层泥灰岩地层；底部灰岩、顶部的贫有机质页岩及泥灰岩的孔隙度、渗透率均较低，且具有较大的突破压力，对页岩气有着良好的封堵能力2930。因此，来苏-云锦向斜不同部位页岩的含气性差异可能与走滑断裂背景下的地层流体活动有关。基于此，本文将系统研究走滑断裂活动背景下地层流体活动对页岩气成藏富集的影响，以期揭示走滑断裂附近页岩含气性差异的机理。2地层水2.1断裂与埋深对含水饱和度的控制来苏向斜 X1 井页岩位于一级逆断层上盘，具有距断裂远、埋深浅、含水饱和度低（30%50%）的特征；云锦向斜的页岩位于一级逆断层下盘，其北部的页岩也具有距断裂远、埋深较浅、含水饱和度低（20%40%）的特征，而其南部的页岩具有距断裂更近，埋深更大，含水饱和度更高（X3 井页岩含水饱和度 40%60%，X4井页岩含水饱和度70%90%）的特征（图 1、图 2（a）。由此可以推测，来苏向斜和云锦向斜不同构造部位的页岩含水饱和度差异与距一级逆断层的距离及现今埋深有关。为了更好地证明与一级逆断层距离和现今埋深对页岩含水饱和度有明显控制作用，本文主要通过不同构造单元页岩含水饱和度与裂缝分布的关系进行研究，其中，裂缝的平面分布可通过沿层竞争性蚂蚁体地震属性切片获得（图 2（b），裂缝的单井分布通过裂缝发育程度进行表征，裂缝发育程度计算公式为31：RF=Ema-EEma（1）E=2G(1+)（2）G=bts（3）=0.5(ts/tc)2-1(ts/tc)2-1（4）式中：RF裂缝发育程度；Ema岩石骨架理论动弹性模量，GPa；E岩体的动弹性模量，GPa；G剪切模量，GPa；动态泊松比；单位换算因子，取 1.34104；b地层密度，g/cm3；tc纵波时差，s/m；ts横波时差，s/m。在来苏向斜与云锦向斜北部区域，页岩含水饱和度与裂缝发育程度没有明显关系，表明断层附近埋深较浅的页岩，其含水饱和度不受裂缝和断层的控制（图 3（a）、（b）。而在云锦向斜中南部，图1研究区构造位置示意及构造格局Fig.1 Schematic of structural location and tectonic framework of studied area132023 年大庆石油地质与开发S1l111小层S1l112小层页岩的含水饱和度与裂缝发育 程 度 存 在 较 好 的 正 相 关 关 系（图 3（c）、（d），表明该区域页岩中的地层水受裂缝控制。结合区域构造背景，在喜山期，云锦向斜南部一级断层的走滑挤压分量弱、地层埋深大、断面流体疏导能力强，有利于地层水向页岩储层中活动（图1、图2（b），从而导致含气性差，这就很好地解释了来苏向斜及云锦向斜北部页岩的含气性好而云锦向斜南部页岩的含气性差的结果。由此可见，页岩含水饱和度高低受页岩距一级逆断层的距离、走滑断裂挤压的分量大小及现今页岩的埋深共同控制。2.2地层水的来源和活动证据通过现今地温梯度、氢氧同位素及走滑挤压分量大小对流体疏导能力的控制等方面阐明了页岩中地层水来源与活动证据。假设不存在局部异常热源，来苏向斜和云锦向斜的地温梯度应该差异不大。实际井温资料显示，来苏向斜X1井的页岩层系（埋深约4 080 m）的现今温度为 115，地温梯度最小（2.12.4/hm）（图4（a），云锦向斜南部 X3 井的页岩层系（埋深约 4 260 m）现今温度为 130，地温梯度居中（2.42.7/hm）（图 4（b），X4 井页岩层系（埋深约 4 360 m）现今温度约 150，地温梯度最大（2.73.0/hm）（图4（c）。综上可知，来苏-云锦向斜存在异常热源。结合区域地质背景，来苏向斜与云锦向斜大地热流值的差异应该与深部流体活动有关。具体解释为：云图3来苏-云锦向斜典型井含水饱和度与裂缝发育程度的关系Fig.3 Relationship between water saturation and fractures development degree of typical wells in Laisu-Yunjin syncline图2来苏-云锦向斜典型井含水饱和度、含气量及云锦三维蚂蚁体属性切片Fig.2 Water saturation and gas content of typical wells in Laisu-Yunjin syncline and 3D ant body attribute slice of Yunjin syncline14第 42 卷 第 3 期邹辰 等：渝西地区走滑断裂活动背景下地层水对页岩气富集的控制作用锦向斜南部走滑断裂挤压分量小，走向转折处开度较大，深部流体上涌，导致南部靠近一级断层的构造低部位大地热流值高，充分说明深部流体向储层中发生了活动。朱振宏等32与林耀庭等33对于四川盆地南部盆缘带的地层水来源进行过系统研究。川南坳陷下组合地层（震旦系及下古生界）的地层水氢氧同位素值分布于岩浆水与变质水分区附近（图 5），充分表明川南坳陷下组合地层中的水来源于地球深部热液。由于研究区位于川南坳陷内部且页岩层系属于早古生界地层（下组合地层），由此可知，云锦向斜南部页岩中的地层水来源于深部热液，这也很好解释了在地质历史过程中，深部流体发生过上涌并进入页岩储层的活动。3地层水对页岩气成藏的控制作用现场解析结果表明，由北向南，页岩含气量有逐渐降低的趋势。北部来苏向斜页岩含气量高，普遍为38 m3/t，其主力产气层S1l111小层S1l112小层总含气量可达 68 m3/t；云锦向斜北部页岩含气量为48 m3/t，主力产气层S1l111小层S1l112小层含气量也可达 68 m3/t，说明来苏向斜与云锦向斜北部的页岩气具有较好的勘探潜力；而云锦向斜南部页岩含气量均小于 1 m3/t，勘探前景较差（图 2）。结合区域地质特征，初步判定在地质历史时期中，云锦向斜南部页岩气发生过散失，且页岩气散失与走滑断裂活动背景下深部流体上涌有关，相关证据如下：X3 井盆地模拟结果显示，在晚二叠世与侏罗纪早白垩世2个时期，地层发生过快速沉降，是龙马溪组页岩的 2次生气阶段，在这 2个时期，地层压力及压力系数呈现增加趋势，且以侏罗纪早白垩世生气为主（图 6（a）（c）。侏罗纪早白垩世页岩大量生气时期和邻井与气包裹体共生的盐水包裹体均一温度对应（图 6（d），证实了盆地模拟结果的准确性。构造裂缝脉体中的盐水包裹体均一温度可有效反映页岩气的大量散失时间，邻井 X4 井目的层段岩心照片表明，云锦向斜南部构 造 成 因 裂 缝 中 主 要 发 育 方 解 石 脉 体（图 6（e），根据邻井方解石脉体中盐水包裹体均一温度可推测，来苏-云锦向斜一级走滑断层活动期及图5四川盆地及其周缘地层水氢氧同位素关系（据文献32-33）Fig.5 Relationship between hydrogen isotope and oxygen isotope of formation water in Sichuan Basin and its surrounding areas(From references32-33)图4来苏-云锦向斜典型井井温、现今地温梯度与深度关系Fig.4 Relationship of typical-wells temperature and present geothermal gradient vs.depth in Laisu-Yunjin syncline152023 年大庆石油地质与开发深部流体上涌时期发生于白垩纪末期（即燕山晚期）（图6（f）。由此可知，云锦向斜龙马溪组页岩大量生气阶段较早，研究区一级走滑断层及深部流体活动时期较晚。在一级断层走滑活动期，云锦向斜南部走滑断裂挤压分量小，断裂开度大，导致深部流体上涌进入页岩裂缝及储层，使原本储藏于页岩中的气体散失。且随着页岩层系中气体的散失，一级走滑断裂在挤压环境下闭合，深部热液在挤压作用下继续上涌，导致页岩储层出现超压现象（图 6（c），这也很好地解释了靠近一级断层构造低部位的云锦向斜南部，其页岩储层微气但地层超压的现象。4走滑断裂活动背景下的页岩气富集模式综合以上研究，可将来苏-云锦向斜页岩气的富集时期划分为2个阶段。第 1 阶段（三叠纪早白垩世）：地层快速沉降，龙马溪组页岩开始进入大量生油期，在埋深达到 4 000 m 左右时，有机质达到高过成熟阶段，大量原油裂解生气，是页岩层中含气量最大的时期。该时期对应燕山活动期，雪峰隆起北西向挤压活动导致页岩气保存条件好，因此，来苏-云锦向斜页岩含气性差别不大（图7（a）（c）。第 2 阶段（晚白垩世现今）：由于印度洋板块向北东方向挤压，华蓥山断裂带再次被激活并发生右行走滑活动，断裂北段走滑挤压分量大，附近地层抬升幅度大，伴生断裂的断裂面封闭性好（图7（d）、（e），这是来苏向斜与云锦向斜北部页岩含气量高的原因；断裂南段走滑挤压分量小，地层埋深大，活动期断裂面的封闭性较差，利于深部流体上涌活动（图7（d）、（f），使得页岩气顺着断裂向上部低势区聚集，与此同时，深部流体持续充注于页岩的裂缝或储层，导致云锦向斜南部一级断层附近构造低部位的页岩具有高含水低含气的现象。综上所述，走滑断裂北段挤压分量较强的地区是来苏-云锦向斜内页岩气勘探的有利区，而走滑断裂南段挤压分量较弱的构造低部位，上部层系则是常规天然气勘探的有利目标层系。图6X3井盆地模拟结果及相关参数和事件Fig.6 Basin modeling of Well X3 and related parameters and events16第 42 卷 第 3 期邹辰 等：渝西地区走滑断裂活动背景下地层水对页岩气富集的控制作用5结论（1）在走滑断裂活动背景下，构造低部位页岩的含水饱和度受距一级断层距离及埋深的控制，且地层水来源于深部流体。（2）来苏-云锦向斜页岩大量生气时间早，走滑断裂活动与深部流体上涌的时期晚，深部流体充注进页岩储层导致云锦向斜南部页岩气散失并形成超压微气页岩储层。（3）来苏-云锦向斜页岩气富集分为2个阶段，第1阶段为龙马溪组页岩大量生气、雪峰隆起北西向挤压阶段，页岩气保存条件好，来苏-云锦向斜页岩含气量无明显差异；第2阶段为走滑断裂右旋活动阶段，来苏向斜与云锦向斜北部走滑断裂挤压分量大，有利于页岩气富集，云锦向斜南部走滑断裂挤压分量小，向斜埋深大，页岩气保存条件差，不利于页岩气富集。参考文献：1 何京，吴奎，张江涛，等.辽东湾坳陷新生代走滑断裂体系及其成因J.大庆石油地质与开发，2018，37（2）：40-47.HE Jing，WU Kui，ZHANG Jiangtao，et al.Cenozoic strike-slip fault system and its generating mechanism for Liaodong Bay Depression J.Petroleum Geology&Oilfield Development in 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strike-slip fault zone in Shuntuoguole Low Uplift for Tarim Basin J.Petroleum Geology and Experiment，2022，44（4）：603-612.9 漆立，新云露，曹自成，等.顺北油气田地质储量评估与油气勘探方向J.新疆石油地质，2021，42（2）：127-135.QI Li，XIN Yunlu，CAO Zicheng，et al.Geological reserves assessment and petroleum exploration targets in Shunbei Oil&Gas Field J.Xinjiang Petroleum Geology，2021，42（2）：127-135.10 许露露，温雅茹，张焱林，等.鄂西地区上奥陶统五峰组下志留统龙马溪组页岩含气性特征及保存条件 J.石油实验地质，2021，43（3）：395-405.XU Lulu，WEN Yaru，ZHANG Yanlin，et al.Gas-bearing characteristics and preservation conditions of Upper Ordovician Wufeng-Lower Silurian Longmaxi shale in western Hubei J.Petroleum Geology&Experiment，2021，43（3）：395-405.11 弓义，李天宇，吴凯凯，等.涪陵页岩气田五峰组龙马溪组页岩气保存条件评价 J.海相油气地质，2020，25（3）：253-262.GONG Yi，LI Tianyu，WU Kaikai，et al.Evaluation of shale gas preservation condition of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in Fuling shale gas field J.Marine Origin Petroleum Geology，2020，25（3）：253-262.12 余光春，魏祥峰，李飞，等.上扬子地区断裂活动对页岩气保存的破坏作用J.石油实验地质，2020，42（3）：355-362.YU Guangchun，WEI 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