强改造作用下川南下古生界页岩气保存条件研究

论文摘要

上扬子下古生界富有机质黑色页岩层系以其良好的物质基础,成为我国页岩气勘探的重点领域。川南长宁、涪陵等地业已成为全国页岩气勘探示范性基地,但四川盆地以外的中国南方广大地区依旧鲜有突破,因此页岩气富集与保存机理及其有效评价已成为业界研究热点。四川盆地是一个周缘活动主控下形成的叠合盆地,其海相富有机质黑色页岩普遍经历了深埋藏、强隆升、强变形作用,简称“强改造作用”。本文以川南地区典型区带及其页岩气田为研究对象,基于野外构造变形分析、裂缝分形分析、同位素地球化学分析、包裹体分析、低温热年代学分析和砂箱构造物理模拟等手段,刻画川南地区不同构造样式含气构造的保存条件异同性,进而构建典型构造的页岩气保存条件模型,以期为页岩气保存条件评价及其勘探提供建设性指导。通过研究得出以下认识:（1）基于野外构造变形和擦痕、节理等构造分析揭示川南地区两期构造变形特征:燕山期NW-SE或近南北向挤压主应力的主构造变形期,新生代喜马拉雅期NE-SW向叠加挤压变形过程。明确了研究区典型构造样式:对冲型背斜（焦石坝背斜）、高陡背斜（大耳山背斜）、核部弱变形的箱状背斜（接龙场背斜）和核部强变形的箱状背斜（威信背斜）。（2）基于地表-地腹特征对比研究系统明确川南地区典型构造样式的变形特征及不同构造带变形异同性。对冲型背斜（如:焦石坝背斜）,核部变形微弱、裂缝以早期X型节理,背斜边缘/翼部隐伏断层发育、发育次级褶皱和贯透性节理。高陡背斜（如:大耳山背斜）,核部地层紧闭、劈理化构造常见,翼部地层陡立,发育挠曲褶皱、顺层断层、多期节理。核部弱变形箱状背斜（如:接龙场背斜）,核部岩层平缓-缓倾,发育寄生褶皱、轴面劈理和剪破裂-剪张性裂隙,翼部二叠系陡倾、发育张性裂隙或顺层断层。核部强变形箱状背斜（如:威信背斜）,核部突破断层多,发育寄生褶曲、小断层群、劈理化、密集剪张性节理、雁列脉节理等小构造。它们揭示出川南地区空间上构造样式与变形特征差异性,即娄山断褶带的变形强度大于齐岳山断褶带,二者的变形强度明显大于盆内的川东高陡褶皱区和川南低陡褶皱带。（3）基于热年代学特征及其热史模拟等,有效限定了川南地区晚三叠世末期以来的主要抬升剥蚀构造热事件的时空差异性。抬升剥蚀启动时间自盆外向盆内有变新的趋势,锆石裂变径迹年龄反映齐岳山断褶带-中央复背斜普遍存在200Ma左右的构造抬升运动。磷灰石裂变径迹热史模拟揭示川东地区晚白垩世（80-70Ma）普遍发生了构造抬升,新生代早中期处于平稳的缓慢抬升冷却阶段。娄山断褶带、川南低陡褶皱带一般在新生代早期50-40Ma发生快速抬升冷却,然后处于平稳的缓慢抬升冷却阶段。盆地西南边界,新生代20Ma以来普遍发生快速抬升冷却,抬升至地表,抬升剥蚀速率5-6℃/Ma。新生代10Ma以来,区域内广泛存在快速抬升。（4）基于埋深-沉降史和包裹体流体地球化学特征等揭示出川南地区流体充注序列与区域构造热事件具有明显耦合性。研究表明川东大耳山地区存在多期流体充注明显,两期流体主要充注事件分别发生于晚白垩世晚期-新生代早期和新近纪;川南长宁气田流体充注时间主要在古近纪末期,晚期流体盐度较低。川东地区在白垩纪（燕山运动中-晚期）发生大规模的抬升剥蚀和流体充注事件,川南地区主要在新生代快速抬升剥蚀和流体充注活动。（5）基于裂缝分形学和流体地球化学等明确了川南地区典型构造样式裂缝分形特征、盖层流体活动特征以及滑脱层效应。对冲型构造,裂缝系统以发散的孤立窄裂缝为主,流体活动弱-中等、以内源为主。高陡构造,裂缝系统以发散-随机的窄裂缝为主,流体活动中等、以内源为主。核部弱变形的箱状构造,核部裂缝系统以聚集的窄裂缝为主,陡倾翼以宽裂缝聚集发育为主,流体活动性中等、具多源性（内源流体和外源跨层流体）,且受大气淡水作用影响。核部强变形的箱状构造,核部裂缝系统以聚集的窄裂缝为主,流体活动性中等,可能存在外源流体活动。箱状背斜区二叠系-下三叠统裂缝流体活动多数为内源为主、少数区域（如下志留统龙马溪组剥蚀区边缘）出现跨层流体活动特征,表明盆外向斜区的二叠系-下三叠统盖层可能仍具备一定的封闭能力。川东高陡背斜带志留系下部普遍存在顺层滑脱变形,从而导致其上、下构造层中流体活动具分层性,即上构造层（志留系-二叠系）和下构造层（中上寒武统-奥陶系）具有相互独立的流体循环系统,上构造层普遍具内源（或内源异位）流体运移特点,盆缘-盆外的下构造层出现跨层流体迁移。（6）基于焦石坝地区叠加变形的砂箱物理模拟与页岩气富集-保存性的耦合关系等划分了4类叠加改造区类型:弱叠加构造区、初级叠加构造区、中级叠加构造区和高级叠加构造区;弱叠加区-初始叠加构造区具备一定的保存条件,中-高级叠加构造区保存条件大大下降。伴随叠加改造增强,页岩气保存条件下降,提出了强变形带15%范围内页岩气保存条件不佳的新认识。进一步结合勘探资料成果等明确了川南地区典型构造样式的页岩气保存条件优劣,从盆内对冲型构造、高陡背斜、核部弱变形的箱状背斜构造、核部强变形的箱状背斜构造等页岩气有效保存条件逐渐弱化。（7）页岩气产量与页岩储层的自封闭性密切相关。自封闭失效可能是低产的重要因素,密集发育的切层裂缝和页岩储层碎裂化是破坏页岩自封闭性的重要原因。由于纵弯褶皱机制下,强挤压变形对于页岩储层、顶底板、盖层都产生破坏作用,而整体升降运动的构造区一般强褶皱构造、冲断构造欠发育,有利于页岩气保存,往往是页岩气保存条件最好的地区。（8）明确了勘探有利区。盆内远离断层区域普遍具备五峰组-龙马溪组页岩气保存条件,指出盆内勘探应主要关注页岩储层自封闭性,重点研究构造裂缝破坏作用,勘探有利构造为背斜的缓坡、古隆起周缘的单斜构造。盆外箱状褶皱区的箱状背斜普遍不具备下寒武统筇竹寺组页岩气的底板条件和盖层封闭条件,页岩储层自封闭性差,勘探中建议寻找古隆起边缘、晚期形成的弱变形背斜构造,如断层相关褶皱的初始褶皱期、向斜内晚期形成的正向构造。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 选题依据和研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.2.3 存在的主要问题

1.3 研究内容、思路及主要研究方法

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究思路与方法

1.3.3 主要工作量

1.4 取得的主要认识与创新点

1.4.1 取得的主要认识

1.4.2 创新点

第2章川南地区构造变形特征

2.1 区域构造背景及构造演化特征

2.1.1 区域沉积构造演化简介

2.1.2 区域不整合面、主要岩性界面与构造层划分

2.1.3 主要构造单元简介

2.2 川东-川南渐变型盆山结构及构造变形特征

2.3 典型构造样式的构造变形特征

2.3.1 对冲型断背斜-焦石坝构造

2.3.2 高陡背斜-大耳山构造

2.3.3 核部弱变形、突破断层欠发育的箱状背斜

2.3.4 核部强变形或突破断层发育的箱状背斜

2.3.5 川南差异性构造变形特征对比

第3章川南强隆升剥蚀作用和流体充注

3.1 方法简介

3.1.1 磷灰石裂变径迹简介

3.1.2 埋藏史模拟与流体包裹体分析

3.2 川南-川东地区晚白垩世以来的抬升剥蚀过程

3.2.1 川南和川西南地区典型样品抬升剥蚀过程

3.2.2 川东-渝东南地区典型样品抬升剥蚀过程

3.2.3 典型样品的差异抬升作用对比

3.3 川南典型钻井的埋藏演化史及流体包裹体特征

3.3.1 大耳山高陡背斜钻井B201 的埋藏史模拟及包裹体分析

3.3.2 长宁气田地区的埋藏史模拟及包裹体分析

3.4 差异抬升剥蚀过程-流体充注与页岩气保存条件耦合性分析

第4章川南地区差异构造的流体活动特征

4.1 研究方法

4.1.1 形态学方法

4.1.2 流体地球化学方法

4.1.3 锶、碳、氧同位素测试流程简介

4.2 典型构造样式的流体活动性研究

4.2.1 对冲型构造-焦石坝背斜裂缝及流体特征

4.2.2 高陡构造裂缝及流体特征

4.2.3 核部弱变形、突破断层欠发育的箱状背斜

4.2.4 核部强变形或突破断层发育的箱状背斜

4.3 流体迁移与保存条件

第5章叠加变形与页岩气保存条件相关性模拟

5.1 砂箱构造格架及边界条件设计

5.2 模型实验结果

5.2.1 a=30°均质砂箱物理模型和非均质砂箱物理模型

5.2.2 a=45°非均质砂箱物理模型

5.2.3 a=60°非均质砂箱物理模型

5.3 焦石坝构造砂箱物理模拟

5.4 砂箱模型与焦石坝页岩气保存条件对比

第6章川南地区下古生界页岩气保存条件探讨

6.1 研究区典型构造页岩气保存条件评价

6.1.1 对冲型背斜构造

6.1.2 高陡背斜构造

6.1.3 核部弱变形箱状背斜构造

6.1.4 核部强变形的箱状背斜构造

6.1.5 斜坡构造或者向斜构造

6.2 基于构造样式的川南地区页岩气保存条件评价及选区

6.2.1 盆内的有利构造样式及勘探选区

6.2.2 盆外的有利构造样式及勘探选区

6.3 差异性强改造作用是影响页岩气保存条件的关键因素

6.3.1 构造样式是页岩气保存条件评价的表象因素

6.3.2 滑脱体系可能是页岩气保存条件评价的关键因素

6.3.3 强改造作用是决定页岩气保存条件的本质因素

6.3.4 切层裂缝是影响页岩储层自封闭性的关键因素

6.4 升降作用主导的构造可能是保存条件的有利区

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 姜磊

导师: 刘树根,邓宾

关键词: 页岩气保存条件,下古生界,构造样式,裂缝分形,流体活动,砂箱模拟

来源: 成都理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,石油天然气工业

单位: 成都理工大学

基金: 四川省科技支撑项目《强改造作用下川南地区下古生界页岩气保存条件研究》(2015SZ0001-02)

分类号: P618.13

DOI: 10.26986/d.cnki.gcdlc.2019.000012

总页数: 165

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强改造作用下川南下古生界页岩气保存条件研究

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