雪峰隆起西緣頁巖氣構造保存條件的古流體評價

劉 安, 蔡全升, 2, 陳孝紅, 肖七林, 李 海, 彭中勤, 苗鳳彬, 李培軍, 黃惠蘭

雪峰隆起西緣頁巖氣構造保存條件的古流體評價

劉 安1, 蔡全升1, 2, 陳孝紅1, 肖七林2*, 李 海1, 彭中勤1, 苗鳳彬1, 李培軍1, 黃惠蘭1

(1.中國地質調查局 武漢地質調查中心, 湖北 武漢 430205; 2.長江大學 資源與環境學院, 湖北 武漢 430100)

古隆起周緣頁巖生烴時間晚、熱演化程度低, 已成為中揚子地區油氣勘探的重要領域。本文對雪峰古隆起西緣典型井JD1井寒武系頁巖脈體系統采樣并開展流體地球化學與包裹體分析, 從構造保存的角度探討了影響研究區頁巖氣富集的主控因素。研究結果認為(1)牛蹄塘組頁巖方解石脈FeO、MnO組分自下而上增高, 方解石脈δEu也整體具有向上增加的趨勢, 與牛蹄塘組頁巖Fe、Mn元素含量、δEu值自下而上呈降低的趨勢剛好相反, 表明下部古流體的還原性弱于上部。(2)包裹體群組分中CH4含量、包裹體類型比例中甲烷包裹體比例都指示牛蹄塘組上部頁巖的含氣飽和度高于下部, 顯示下部裂縫系統是頁巖與外界氣水交換的通道。(3)以包裹體類型、均一溫度和純CH4包裹體壓力計算為基礎, 揭示了牛蹄塘組在中侏羅世處于超壓狀態, 壓力系數最大為1.4; 中?晚侏羅世牛蹄塘組下部水溶液沿破碎帶侵入頁巖時的埋深為4～4.8 km, 致使頁巖含氣飽和度明顯降低、含水飽和度明顯上升。雪峰古隆起形成時間早, 但是在缺少剛性基底保護的條件下, 印支期以來構造變形強度大, 大型斷裂發育使之碎片化, 大型斷裂與牛蹄塘組底部破碎帶形成了連通的疏導體系并持續開啟, 成為頁巖氣散失的直接通道, 導致該區構造保存條件差, 不利于頁巖氣的富集成藏。

雪峰古隆起; 頁巖氣; 構造保存; 古流體; 包裹體; 含氣飽和度

0 引 言

中揚子地區下寒武統屬于被動大陸邊緣沉積, 富有機質頁巖廣泛分布, 頁巖厚度大、TOC高(劉安等, 2013; Ju et al., 2014; Zou et al., 2015), 與北美頁巖對比中國南方海相頁巖具有時代老、經歷了多期次復雜構造影響、破壞強度大, 熱演化史復雜、成熟度高的特點(Hao et al., 2013; Hu et al., 2014), 長期以來中揚子地區寒武系無論是天然氣還是頁巖氣的勘探效果均不理想。近年來, 頁巖氣地質調查發現中揚子黃陵古隆起周緣寒武系頁巖的熱演化程度相對較低(o<3%), 構造保存條件較好, 并獲得了頁巖氣和常規天然氣的發現(劉安等, 2020), 顯示了古隆起周緣良好的頁巖氣勘探前景。后續圍繞同屬于中揚子地區的雪峰古隆起周緣調查, 發現該區寒武系頁巖的熱演化程度也同樣較低(彭中勤等, 2019), 但就目前實施的一系列鉆井而言, 盡管該區發育厚度規模更大的富有機質頁巖層系, 卻并沒有和黃陵隆起一樣獲得較好的含氣性結果。因此, 可以推斷雪峰隆起地區控制頁巖氣富集的主要因素并非頁巖的熱演化程度和烴源巖規模, 而可能是與該區復雜的構造保存條件密切相關(李智文等, 2020)。

以裂縫或孔洞充填礦物為主要載體的古流體不僅記錄了盆地復雜的流體演化過程, 同時也蘊含了重大地質事件信息。在含油氣盆地, 由于裂縫脈體及礦物次生加大邊包裹體記錄了古流體的成分、溫度、壓力、相態等信息(Lu et al., 2007; Shan et al., 2015), 元素地球化學記錄了古流體形成的氧化還原條件、物質來源等信息(王加昇等, 2018; 劉力等, 2019), 因此它們被廣泛用于油氣成藏過程恢復, 油氣藏、古油氣柱和運移途徑識別以及油氣保存條件評價等方面(Eadington et al., 1996; Liu et al., 2018; Gao et al., 2019)。目前對雪峰隆起周緣頁巖氣保存條件的研究較少(梁峰等, 2016), 缺少典型井保存條件演化的系統分析, 頁巖氣散失機理不明。本文主要通過雪峰西緣典型的頁巖氣地質調查井JD1井系統采樣, 解析裂縫充填脈體的微量元素地球化學特征, 脈體包裹體氣相組成, 并結合流體包裹體測溫分析, 明確寒武系頁巖氣保存條件的演變及其與構造變形的關系, 以期為頁巖氣調查勘探提供科學依據。

1 地質背景

雪峰隆起位于揚子地塊與華夏地塊結合部位, 是以晚前寒武紀淺變質巖系為主體的隆起帶, 走向由NNE到NE向, 總體向NW突出呈弧形展布, 具有復雜的演化歷史(梅廉夫等, 2012)。震旦紀?奧陶紀, 雪峰隆起地區為揚子臺地的東南緣被動大陸邊緣帶; 志留紀中晚期, 加里東運動使之隆起成為古陸(趙宗舉等, 2003)。印支?燕山期為雪峰隆起的定型階段, 燕山期由于印度板塊和太平洋板塊對華南板塊的俯沖推擠, 引起基底拆離和表層滑動, 使雪峰山地區向西前展疊瓦式逆沖推覆, 不對稱背沖式扇形雪峰推覆構造系最終定型(梅廉夫等, 2012)。燕山晚期在NW-SE伸展作用下, 雪峰山地區疊加了沅麻白堊系沉積盆地, 喜山期該區域再次轉換為NW向擠壓(柏道遠等, 2015), 最終形成了現今的構造格局。

雪峰隆起地區主要發育寒武系和志留系富有機質頁巖, 其中寒武系牛蹄塘組屬于被動大陸邊緣斜坡帶沉積, 頁巖的厚度一般大于200 m, TOC(總有機碳)一般在2%～9%, 有機質類型為Ⅰ型, 頁巖熱演化程度o一般2%～3%; 頁巖碎屑礦物平均含量為77.25%,具有硅質含量高, 脆性大的特點(劉安等, 2013; 彭中勤等, 2019)。雪峰隆起地區寒武系地史中生烴潛力巨大, 古隆起周緣古油藏非常發育, 形成了一個從貴州到浙江的古油氣成藏帶, 油源對比表明, 多數古油藏的油源為寒武系牛蹄塘組頁巖(劉安等, 2017)。

JD1井位于雪峰隆起西緣, 地理位置為吉首市河溪鎮(圖1), 該井開孔層位為寒武系比條組, 完鉆井深2066 m, 完鉆層位為震旦系金家洞組, 該井全井段取心, 鉆遇牛蹄塘組頁巖厚度為214.5 m, 巖性主要為碳質泥巖、含碳質鈣質泥巖; 牛蹄塘組之上的寒武系主要為薄板狀泥質灰巖、泥灰巖, 為典型的斜坡帶深水沉積。

2 樣品采集與測試

本次調查研究在JD1井牛蹄塘組及其頂底板巖層共計采集12個脈體樣品(圖1), 選取裂縫寬度大于1 cm的脈體挑取5～10 g單礦物進行包裹體群組分分析, 余樣進行稀土元素測試。脈體磨制薄片, 后續電子探針分析, 以及包裹體均一溫度、鹽度測試; 其中流體包裹體群組分、均一溫度、鹽度測試在核工業北京地質研究院完成, 薄片電子探針、方解石脈稀土元素測試在自然資源部中南測試中心完成。電子探針型號為EPMA1600, 測試精度大于10′10?6, 薄片先鍍碳膜制樣, 再測試。稀土元素采用高電感耦合等離子質譜(ICP-MS)完成, 測試依據為DZ/T0223- 2001, 分析誤差小于5%。包裹體均一溫度和鹽度測試采用LINKAM THMS600型冷熱臺, 測試方法依據為EJ/T1105-1999(礦物流體包裹體溫度的測定)。包裹體群氣相組分分析采用真空爆裂法將單礦物包裹體打開, 爆裂溫度分別為石英550 ℃, 方解石450 ℃, 爆裂時間為10 min, 氣相組分測定采用PE Clarus600氣相色譜儀獲得。

3 裂縫及脈體發育特征

JD1井牛蹄塘組頁巖整體而言下部裂縫發育, 上部裂縫不發育。其中牛蹄塘組底部發育2個滑脫破碎帶, 深度分別為2024.3～2015 m、2013～2007 m, 裂縫呈網格狀, 巖心破碎, 裂縫部分被方解石或石英充填, 部分晚期裂縫沒有見到明顯的充填, 測井顯示破碎帶具有相對高的聲波時差(AC), 低密度(DEN)的特點也表明該段晚期未充填的裂縫發育。破碎帶順層及切層的鏡面擦痕發育, 局部滑動、摩擦致使巖心碎裂呈渣狀(圖2a、b、c)。牛蹄塘組上部巖心完整, 部分層段主要發育相對孤立的裂縫, 以順層裂縫為主, 石英、方解石、黃鐵礦等完全充填, 局部可見脈體揉皺變形、頁巖角礫卷入脈體中(圖2d、e、f)。牛蹄塘組下伏留茶坡組硅質泥巖、硅質巖局部裂縫也較為發育, 以垂直縫為主, 局部破碎, 無充填; 下伏金家洞組灰巖局部層段裂縫發育, 見密集的垂直縫, 石英、方解石完全充填(圖2g)。取樣位置的裂縫特征見表1、圖3。

(a) 研究區地質圖; (b) 研究區大地構造位置(據梅廉夫等, 2012修改)。

(a) 巖心破碎, 部分充填, 2010.75～2015.4 m; (b) 巖心破碎, 部分呈渣狀, 2006.06～2010.75 m; (c) 鏡面擦痕, 2016.5 m; (d) 順層脈, 揉皺變形, 1981.5 m; (e) 順層脈, 見頁巖角礫, 1880 m; (f) 水平脈見黃鐵礦、方解石充填, 1834 m; (g) 密集的垂直縫, 2061.3 m。

表1 JD1井脈體取樣位置裂縫特征列表

注: 頁巖FeO含量趨勢據李海等(2019); 頁巖δEu趨勢據劉安等(2013)。

4 方解石脈元素地球化學分析

4.1 電子探針分析

JD1井方解石脈電子探針分析主要檢測出Na2O、K2O、CaO、TiO2、Al2O3、FeO、SiO2、MgO、MnO組分, 其中MgO、FeO、MnO組分的縱向變化規律性較強。MgO由下而上具有降低的趨勢, MgO主要由白云石的溶解產生, 因此來源可能是下伏震旦系白云巖夾層。FeO、MnO組分的變化整體具有一致性, 自下而上二者具有增加的趨勢。FeO、MnO組分的縱向變化規律與中揚子地區牛蹄塘組頁巖黃鐵礦含量的變化規律恰好相反(圖3), 后者黃鐵礦含量自下而上整體上呈降低的趨勢(李海等, 2019)。在氧化的成巖環境下, Mn2+趨向于被氧化為高價態不易置換Ca2+進入方解石晶格, 還原環境下的流體中Mn2+、Fe2+溶解度比較大, 含量也較高, 在埋藏過程中形成的碳酸鹽礦物的Mn2+、Fe2+含量一般較高(Rivers et al., 2008), 因此方解石脈體生成時所處的地層水環境和流體來源的差異往往會從脈體的化學成分差異中表現出來。JD1井牛蹄塘組上部FeO、MnO組分含量高, 可能指示了上部流體較下部還原性更強。

4.2 稀土元素分析

JD1井方解石ΣREE為14.32×10?6～206.79×10?6, 平均值為82.55×10?6; ΣLREE為11.51×10?6～142.61× 10?6, 平均值為68.04×10?6; ΣHREE為2.09×10?6～ 64.20×10?6, 平均值為15.27×10?6; LREE/HREE為2.22～9.86, 平均值為5.73; δEu=1.97～18.40, 平均值為5.85(標準化采用北美頁巖數據據Haskin et al., 1968), Eu具有明顯的正異常(表2, 圖4)。

吉首?張家界一帶寒武紀屬于被動大陸邊緣斜坡帶, 前人建立了牛蹄塘組頁巖典型的斜坡帶元素地球化學剖面(劉安等, 2013), 顯示牛蹄塘組頁巖ΣREE為73.63×10?6～181.53×10?6, 平均值為131.88× 10?6; ΣLREE為65.69×10?6～165.86×10?6, 平均值為118.49×10?6; ΣHREE為7.94×10?6～16.97×10?6, 平均值為35.39×10?6; LREE/HREE為6.5～11.57, 平均值為8.87; δEu=1.08～2.02, 平均值為1.44, Eu具有明顯的正異常。

方解石脈與頁巖的稀土元素相比較, ΣREE平均值小于頁巖, 但是高于灰巖, 研究表明較純的碳酸鹽巖ΣREE一般小于30×10?6, 方解石脈高ΣREE與頁巖富含有機質的酸性流體對稀土元素溶解有關, 導致流體中REE升高, 使得REE含量高出原巖(胡文瑄等, 2010), 因此方解石脈ΣREE主要反映了受到頁巖中流體的影響程度。寒武系頁巖ΣREE整體上是底部偏高, 向上有降低的趨勢; 脈體中ΣREE最高值位于牛蹄塘組靠近頂部; 因此牛蹄塘組底部脈體ΣREE可能是受到了來自下伏低ΣREE灰巖段古流體的影響, 這與電子探針結果的認識相一致(圖3)。

方解石脈與頁巖相比較, δEu明顯高于后者。溶液中Eu會受到源巖的影響, 源巖具有高度的Eu負異常, 即使在高度還原環境, 溶液也具有明顯的負異常(周家喜等, 2012)。當巖層本身處于Eu正異常的條件下, 則可以指示其氧化還原環境, 例如黔北寒武系頁巖Eu普遍正異常, 脈體Eu則以負異常為主, 其形成于弱氧化環境(高澤遠等, 2019)。JD1井方解石脈δEu均大于1, 指示其主要形成于還原環境, 但是δEu縱向上的變化規律與頁巖具有不一致性, 寒武系被動大陸邊緣斜坡帶δEu從上到下整體上由1.08增大至2.02, 指示頁巖沉積環境還原性逐漸增強; 而方解石脈δEu則規律并不強, 最高值XJ-11位于牛蹄塘組近頂部, 表明方解石脈δEu除了受到圍巖的影響, 還受到流體還原性程度的影響, δEu的配分模式展現出與高溫熱液流體類似的特征(趙彥彥等, 2019)。

表2 JD1井方解石脈及頁巖稀土元素含量(×10?6)

圖4 JD1井脈體及圍巖北美頁巖標準化配分模式圖(北美頁巖數據據Haskin et al., 1968)

5 脈體包裹體分析

5.1 包裹體相分析

JD1井脈體包裹體的主要類型有氣相包裹體、氣液兩相包裹體和純水溶液包裹體。

(1) 氣相包裹體: 定向、自由分布, 大小4～20 μm, 見橢圓狀、菱形, 部分具有明顯負晶形, 包裹體見灰黑色、灰白色, 部分中間見明顯的亮線, 石英和方解石中均發現該類包裹體(圖5a, b, c, d, e), 激光拉曼顯示氣相組分主要為甲烷(圖6a)。(2) 氣液兩相包裹體: 室溫下呈氣液兩相, 定向分布或小群分布, 包裹體大小介于5～30 μm, 方解石中以長條狀為主, 石英中以米粒狀為主, 部分不規則狀, 氣液比為5%～15%, 沿顯微裂縫尤為發育(圖5f), 激光拉曼顯示氣相組分主要為甲烷(圖6b)。(3) 純水溶液包裹體: 室溫下呈單一液相, 以定向分布為主, 包裹體大小介于2～30 μm, 無色或淡粉色, 長條狀或米粒狀, 部分形狀不規則, 沿顯微裂縫尤為發育。

統計顯示不同的樣品各類包裹體占比差別較大, 氣相包裹體的占比范圍為0～80%, 液相包裹體占比范圍為5%～80%, 氣液兩相包裹體占比為10%～ 75%?？v向上, 整體而言氣相包裹體的占比有向上增加的趨勢。同一個樣品相比較, 次生包裹體較原生包裹體氣相類包裹體具有明顯降低的趨勢(表3), 例如XJ-5樣品原生和次生包裹體氣相類占比分別是80%、20%, 液相包裹體的占比分別是10%、50%。包裹體的類型變化規律表明古流體活動期間牛蹄塘組上部富氣而下部富水, 原生?次生包裹體類型的變化表明早期古流體富氣、晚期富水。順層纖維狀方解石脈的形成往往與生烴過程中形成的超壓密切相關(Parnell et al., 2000), 牛蹄塘組上部纖維狀方解石脈及其以氣相包裹體為主的特征表明其形成可能與生氣階段的超壓具有相關性(圖5d、e)。

(a) 方解石中定向分布的氣相包裹體, XJ-6; (b) 石英中氣相包裹體與氣液兩相包裹體伴生, XJ-5; (c) 石英中密集分布的氣相包裹體, XJ-5; (d) 垂直脈壁生長的纖維狀方解石脈, XJ-11; (e) 纖維狀方解石脈中細小的氣相包裹體, XJ-11; (f) 方解石中定向分布氣液兩相包裹體, XJ-7。

5.2 包裹體均一溫度、鹽度

JD1井脈體氣液兩相流體包裹體均一溫度分布范圍為128～224 ℃, 其中XJ4、XJ6樣品的最高溫度相對較低, 不超過160 ℃, 其余樣品的最高均一溫度主要分布在180～230 ℃; 整體而言上部樣品的最高均一溫度高于下部, 下部樣品低溫流體包裹體更發育, 峰值為130～140 ℃(表3, 圖7)。包裹體鹽度的分布范圍為3.25%～15.98%。

5.3 CH4包裹體密度及壓力計算

激光拉曼測得氣液兩相包裹體的氣相組分為CH4, 拉曼偏移為2916.73 cm?1, 純甲烷包裹體拉曼光譜偏移為2911 cm?1左右(圖4)。據Lu et al. (2007)在玻璃毛細管系統中對不同壓力條件下甲烷拉曼特征峰位移與甲烷壓力關系的實驗研究曲線資料, 甲烷拉曼特征峰位移由2918 cm?1至2910 cm?1, 所對應的壓力可以由<0.1 MPa 逐漸增加到約60～ 70 MPa, 因此拉曼的偏移主要反映了包裹體的內壓變化, 劉德漢等(2013)認為拉曼偏移<2912 cm?1, 密度大于0.162 g/cm?3的包裹體屬于高密度甲烷包裹體, 因此JD1井檢測到純甲烷包裹體屬于高密度甲烷包裹體。測得甲烷包裹體的均一溫度為?85.6～?82.9 ℃, 根據包裹體密度計算公式(劉斌和沈昆, 1999):

圖6 JD1井包裹體激光拉曼光譜

表3 JD1井包裹體類型、均一溫度、鹽度統計表

圖7 JD1井脈體包裹體均一溫度直方圖

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

包裹體形成階段壓力選用Duan et al. (1992)建立的甲烷體系狀態方程計算, 純甲烷包裹體形成溫度由伴生的氣液兩相鹽水包裹體的均一溫度主峰值(185 ℃)確定, 通過甲烷包裹體密度獲得其捕獲壓力為60.72～81.93 MPa(表4)。

5.4 包裹體群組分分析

流體包裹體群氣相組分分析獲得了CH4、CO2、H2O的含量, 考慮到測試方法為高溫(450 ℃)爆裂法打開包裹體, 可能造成CaCO3分解, 致使CO2含量升高。因此這里主要就CH4、H2O含量做分析。

方解石礦物包裹體群甲烷的含量總體而言從下至上有增加的趨勢, 深度大于1966.2 m的樣品CH4的含量普遍小于1 μL/g, 1966.2 m以上脈體樣品的CH4含量普遍大于1 μL/g, 因此牛蹄塘組上部包裹體中CH4更普遍, 或者發育更多CH4包裹體。包裹體H2O組分變化較大, 范圍為5.29×104～37.7×104μL/g,縱向上規律性較差(表5, 圖3)。氣/水值是頁巖氣保存條件的重要指標, 四川盆地內部保存條件較好, 頁巖往往是高壓、含氣量高、含水飽和度低, 盆外地區因構造破壞, 頁巖層含氣性差, 含水飽和度高(劉洪林和王紅巖, 2013; 魏祥峰等, 2017)。以包裹體氣相組分為基礎, 就CH4、H2O含量計算氣/液比值, 比值范圍為3.1×10?4～58.0×10?4, 該比值非常小, 可能是樣品用去離子水處理過程中部分水溶液進入礦物微裂縫在低溫烘干過程中又無法完全排除所致, 但是牛蹄塘組方解石包裹體群氣/水在縱向上依然有增大的趨勢, 與包裹體CH4含量的趨勢一致。因此, 包裹體群和包裹體類型統計指示地史中牛蹄塘組上部總體具有高含氣飽和度、下部具有高含水飽和度的特征, 就裂縫類型而言孤立裂縫含氣飽和度高, 下部破碎帶則含氣飽和度偏低。

表4 JD1井CH4包裹體均一溫度、密度及捕獲壓力計算結果

表5 JD1井脈體包裹體群CH4、H2O含量

6 構造保存條件綜合評價

6.1 古流體與頁巖氣逸散的通道

裂縫脈體地球化學揭示JD1井古流體與同層位頁巖的地球化學特征參數縱向變化規律具有不一致性, 流體包裹體群指示古流體的含氣性與頁巖的TOC也不具有明顯的相關性(圖3), 正是由于裂縫系統發育改變了古流體的性質以及頁巖的含氣性。具有氧化還原指示意義的方解石脈FeO含量與包裹體群CH4含量具有一定的正相關性(圖8), 暗示了外來流體改變了頁巖的封閉性, 也改變了頁巖的含氣性。前人研究表明, 頁巖的橫向滲透率是縱向滲透率的數十倍(Zhang et al., 2019); 而且整個中下寒武統在斜坡帶以泥巖和致密泥質灰巖沉積為主, 蓋層的封蓋能力強, 在裂縫不發育的情況下, 頁巖氣不易發生向上散失。牛蹄塘組底部及其下伏地層裂縫系統發育使之成為頁巖氣散失的直接通道, 裂縫越發育的層段則頁巖氣的散失程度越高; 同時, 頁巖裂縫系統與下伏地層水相連通、甚至與大氣降水相溝通, 致使牛蹄塘組底部的優質頁巖段成為高含水層。牛蹄塘組底部及下伏巖層裂縫發育, 一方面是因為頁巖易于形成區域上的滑脫帶(Liu et al., 2018), 另一方面寒武系下部頁巖脆性礦物含量高(彭中勤等, 2019), 易于產生裂縫, 且在剛性顆粒的支撐作用下裂縫不易愈合, 可以形成滲透層, 成為頁巖氣散失的通道(Liu et al., 2018)。

6.2 頁巖高含氣?高含水轉變的埋深及時間確定

烴源巖的低含水飽和度主要是生烴排水和汽化攜液造成的(Lewan, 1997), 牛蹄塘組脈體包裹體最大均一溫度超過200 ℃, 包裹體中的烴類組分也是以甲烷為主, 缺少早期生油階段的包裹體, 表明裂縫形成是在頁巖經歷了最大埋深之后的構造變形階段, 頁巖經歷了充分的生烴和排水作用, 在構造破壞前頁巖氣藏處于高含氣飽和狀態。因此頁巖裂縫的開啟以及與外界的溝通程度是可以從流體的性質反映出來的, 即由以氣為主的包裹體類型變為以水為主的包裹體類型, 含氣飽和度下降、含水飽和度上升, 是頁巖由封閉系統轉變為與外界溝通的重要表現(Liu et al., 2018; Gao et al., 2019; 劉安等, 2020)。以XJ-4樣品所在層段為例, 牛蹄塘組TOC值最高, 頁巖的含氣性一般與TOC呈正相關, 在深埋生烴階段, 該段應為含氣飽和度最高的層段。巖心顯示XJ-4樣品所在層段裂縫發育, 且裂縫脈體包裹體以液相和兩相為主, 因此包裹體記錄了頁巖高含氣?高含水的轉變。XJ-4樣品氣液兩相包裹體均一溫度為134～158 ℃, 以此為基礎, 與埋藏史相結合, 可以確定裂縫形成的主要時間段, 即為頁巖變為高含水飽和度的時間。

恢復雪峰山西緣地區寒武系的埋藏史, 模擬所需地層厚度以鉆井和露頭為依據, 以巖心和露頭o數據(彭中勤等, 2019)、本次研究寒武系包裹體最大均一溫度數據為制約, 剝蝕厚度、時間恢復參考前人的研究成果(趙宗舉等, 2003), 熱流值以盆地類型為基礎, 同時考慮該區斷裂活動頻繁(楊紹祥, 1998)對深部熱流值傳導的影響。

研究表明, 加里東期雪峰構造帶西緣主要形成了寬緩的背斜, 自中、晚三疊世之交的印支運動開始, 該區域才被褶皺和斷裂構造所改造(趙宗舉等, 2003), 因此寒武系裂縫古流體記錄的主要是印支運動以來的構造活動信息, 同時考慮到雪峰隆起西側沅麻盆地白堊系產狀平緩, 斷層不發育, 白堊系與下伏南華系?中生代不同層系呈角度不整合接觸; 因此寒武系蓋層的主要剝蝕時間應在白堊紀之前。

圖8 JD1井脈體FeO含量與包裹體群CH4含量相關圖

將XJ-4樣品均一溫度投到埋藏史圖, 該期流體活動對應的頁巖埋深為4～4.8 km, 時間為侏羅紀中?晚期(圖9)。

同理, 將XJ-5樣品捕獲甲烷包裹體的同期氣液兩相包裹體均一溫度185 ℃投到埋藏史圖上, 對應的深度為5.8 km, 將甲烷包裹體的捕獲壓力與靜水壓力作比較, 獲得地層的壓力系數為1.05～1.41, 處于弱超壓的狀態, 時間為侏羅紀中期(表5, 圖9)。

四川盆地志留系頁巖裂縫古流體的形成時間主要是白堊紀晚期以來, 壓力系數可以達到2.2(席斌斌等, 2016); 與四川盆地內部相比較, 雪峰地區明顯具有裂縫形成時間早、頁巖泄壓時間早、壓力系數低、水溶液侵入頁巖時間早且深度大的特征, 不利于頁巖氣晚期保存。

6.3 古流體與頁巖現今含氣性的關系

古流體記錄了牛蹄塘組頁巖的含氣性由于后期的構造作用, 發生了逆轉, 即上部頁巖因為構造破壞弱, 記錄了高壓、高含氣飽和度的狀態。下部受到了來自下伏碳酸鹽巖地層以水溶液為主的古流體影響, 頁巖氣逸散。但是古流體指示的頁巖地史中含氣性與現今的頁巖含氣性幾乎相反。氣測錄井甲烷含量高值段為2007～2060 m, 最高超過16%, 該段TOC也整體較高, 但是氣測值與TOC沒有明顯對應關系; 氣測異常程度高的段往往與裂縫顯示出較大的相關性, 最高值為破碎帶, 之下垂直裂縫氣測值也高; 鉆探現場水浸實驗揭示該段主要是裂縫氣, 頁巖微孔氣顯非常弱, 解析氣含量普遍低于1 m3/t (彭中勤等, 2019)。因此主要是晚期淺埋藏、無充填的開啟性裂縫控制了頁巖的現今含氣性, 裂縫可能主要形成于新生代(圖9)。正是在頁巖段相對封閉、致密的條件下, 構造形成順層破碎段, 增大了有效儲集空間; 在壓力差的驅使下導致頁巖氣向破碎帶匯聚, 致使頁巖氣逸散, 部分殘留在裂縫中, 形成現今的氣測異常段。

圖9 JD1井埋藏史及地質事件

6.4 頁巖氣散失模式

雪峰地區晚中生代以來屬于厚皮逆沖構造帶, 總體發育指向NW的斷層?褶皺組合, 斷層樣式為斷坪?斷坡樣式, 斷坪沿板溪群內部薄弱層發育, 向地表淺部產狀明顯變陡, 以斷坡形式切穿地表, 逆沖距離可能有限; 褶皺表現為斷坡處緊閉背斜和斷坪上盤發育的寬緩向斜(顏丹平等, 2018)。雪峰地區中生代以來牛蹄塘組底部并沒有形成大規模長距離的滑脫破碎帶, 但是雪峰隆起周緣靠近中揚子中生代陸內遞進變形“發動機”的位置(梅廉夫等, 2010), 構造擠壓強烈, 依然形成了一定規模的裂縫系統和局部的破碎帶與大的逆沖斷裂組合成為牛蹄塘組頁巖氣散失的通道。伴隨多期次的擠壓破碎和構造抬升, 牛蹄塘組頁巖不斷從超壓氣藏向常壓氣藏, 從高含氣飽和度向高含水飽和度轉變。

白堊紀以來由擠壓向拉張構造環境的演變, 結束了寒武系中生代以來遭受的持續擠壓?抬升剝蝕(柏道遠等, 2015), 白堊系沉積蓋層在一定程度抑制了頁巖氣的散失。該區域可見二疊系逆沖至白堊系之上, 表明白堊紀以來構造活動依然較為活躍, 寒武系處于淺埋藏階段, 該階段是無充填裂縫發育的主要階段, 對原來的破碎帶進一步改造, 脈體和頁巖再次被擠壓破碎, 造成頁巖氣的晚期逸散。

雪峰地區在加里東時期處于隆起區, 頁巖生烴時間晚、熱演化程度相對低、擴散時間短, 保存條件有利。但是中生代以來雪峰古隆起在逆沖推覆作用下使之碎片化, 斷層與牛蹄塘組底部裂縫及破碎帶相互連通是頁巖氣逸散的直接通道, 牛蹄塘組頁巖氣向下擴散至破碎帶, 再沿著斷層散失到地表, 地下水和地表水則沿著斷裂帶下滲, 再通過破碎帶侵入含氣層(圖10); 多期次的擠壓使得頁巖氣散失通道長期處于開啟狀態不利于頁巖氣保存。而黃陵古隆起因具有統一的花崗巖剛性基底, 在中新生代以來的構造變形中表現為整體性升降, 構造變形弱、斷裂和褶皺不發育, 保存條件優越(劉安等, 2020)。因此, 雪峰隆起西緣頁巖氣構造保存條件較差, 區域勘探前景也較差。

圖10 雪峰隆起西緣地區頁巖氣散失模式圖

7 結 論

(1) 典型井JD1井方解石脈地球化學特征指示雪峰山西緣地區牛蹄塘組下部頁巖破碎帶較上部頁巖的還原性弱、含氣飽和度低、含水飽和度高, 與牛蹄塘組頁巖的氧化還原條件、TOC等指標剛好相反; 表明了牛蹄塘組下部裂縫系統是頁巖氣散失的通道, 裂縫與含水層發生了溝通。

(2) 脈體捕獲的純甲烷包裹體埋深為5.8 km, 地層的壓力系數為1.01～1.41, 破碎帶水溶液侵入深度為4～4.8 km, 上述地質事件分別發生在侏羅紀中期和中?晚期; 雪峰地區明顯具有裂縫形成時間早、頁巖氣泄壓時間早、壓力系數低、水溶液侵入頁巖時間早且深度大的特征, 不利于頁巖氣晚期保存。

(3) 雪峰古隆起西緣印支期以來構造變形強度大, 大型斷裂發育使之碎片化, 大型斷裂與牛蹄塘組底部破碎帶形成了連通的疏導體系并持續開啟, 成為頁巖氣散失、地層水和大氣水侵入的直接通道, 導致頁巖氣構造保存條件變差, 該區域頁巖氣勘探前景較差。

感謝中石化勘探開發研究院高鍵博士在包裹體壓力計算方面提供的幫助, 感謝核工業北京地質研究院歐光習老師在包裹體測試方面給予的幫助和指導; 感謝中國地質大學(武漢)郭小文教授和另一位匿名審稿專家提出的寶貴修改意見！

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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

國家科技重大專項“中揚子高演化頁巖氣賦存機理與富集規律研究”(2016ZX05034001-002)、“宜昌斜坡區頁巖氣有利區戰略調查”(DD20179615)、“雪峰古陸周緣頁巖氣地質調查”(DD20190558)資助。

劉安(1981–)男, 碩士, 高級工程師, 從事古流體與頁巖氣成藏、保存研究。Email: globstar@163.com

肖七林(1980–), 男, 博士, 副教授, 主要從事石油地質-地球化學研究及相關教學工作。Email: qilinxiao@cug.edu.cn