趙圣賢，夏自強，劉文平，張成林，張 鑒，文 莉，何沅翰，王重善

（1.中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院，四川成都 610051；2.中國石油西南油氣田公司，四川成都 610051）

四川盆地南部是中國深層頁巖氣勘探開發(fā)的主要地區(qū)［1］，五峰組—龍馬溪組以總有機碳含量（TOC）高、熱演化程度高、脆性強、有效厚度大、面積大、連片分布的特點，成為主要的開發(fā)層系［2-3］。頁巖具有低孔、低滲透的特點，被認為是集“自生、自儲、自蓋”為一體的巖類，頁巖氣通常以游離態(tài)賦存于孔隙空間，或以吸附態(tài)吸附于有機質(zhì)及礦物顆粒的表面［4-7］。中外成功開發(fā)的頁巖氣盆地勘探實踐顯示，天然裂縫的存在對有效儲層的形成至關(guān)重要［8］，同時作為先存的構(gòu)造薄弱面，有利于水力壓裂開發(fā)過程中復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成［9］。因此在頁巖氣地質(zhì)評價、水平井設(shè)計及水力壓裂方式選擇中均需要考慮天然裂縫的發(fā)育，一方面，未充填裂縫在提供一定儲集空間的同時，也是頁巖氣重要的運移通道，增強頁巖儲層有效性［10-14］，過度發(fā)育的裂縫又會破壞頁巖封閉性，造成頁巖氣的逸散；另一方面，裂縫作為天然的構(gòu)造薄弱面，直接影響水力壓裂開發(fā)過程中壓裂縫網(wǎng)的形成［15］，水平井的布置力求鉆遇更多的天然微裂縫，以提高壓裂效果［16］，因此，對天然裂縫的研究顯得尤為重要。隨著頁巖氣的持續(xù)開發(fā)，關(guān)于裂縫對頁巖儲層影響的研究，越來越多的學(xué)者開始聚焦于天然裂縫特征、平面分布預(yù)測、自封閉性及壓裂過程中對人工縫網(wǎng)形成的影響［17-18］。瀘州區(qū)塊是目前中國深層頁巖氣開發(fā)的主力戰(zhàn)場，瀘203井區(qū)構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜，目的層埋藏深度普遍在3 400 m 以下，單井測試產(chǎn)能最高為137.9×104m3/d，但不同單井測試產(chǎn)能差異巨大，明顯受裂縫發(fā)育的影響。因此，筆者以瀘州北部的瀘203 井區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖作為研究對象，基于巖心、測井資料對天然裂縫特征進行分析，采用地質(zhì)與實驗分析手段共同探討頁巖裂縫期次及形成演化，以期為瀘州區(qū)塊及其他地區(qū)深層頁巖氣的勘探與開發(fā)提供一定的理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

瀘203 井區(qū)位于四川盆地南部，構(gòu)造上處于川中古隆中斜平緩帶、川西南古中斜坡低褶帶、川南古坳中隆低陡帶等三大構(gòu)造帶的交接地區(qū)——永川帚狀構(gòu)造帶南部［19-20］，包括云頂場構(gòu)造、古佛山構(gòu)造、梯子崖構(gòu)造、海潮構(gòu)造、龍洞坪構(gòu)造及新店子構(gòu)造的部分區(qū)域，主要為NE向及SN向構(gòu)造疊加復(fù)合，整體具有“北聚斂南撒開”的構(gòu)造特征［21-22］。研究區(qū)受到華鎣山走滑斷裂及綦江斷裂的影響，構(gòu)造及斷層具扭動特征，構(gòu)造軸線呈NE—NNE 向，向東軸線向SN 向轉(zhuǎn)變。背斜狹長緊閉，向斜寬緩，不同背斜帶均表現(xiàn)為北高南低特征（圖1）。

圖1 瀘203井區(qū)地表構(gòu)造及綜合柱狀圖Fig.1 Surface structure and comprehensive histogram of Well Lu203 area

研究區(qū)受多期構(gòu)造運動疊加改造的影響，具有早期沉積伴隨短期抬升及晚期持續(xù)性隆升的特點［23］，地層發(fā)育相對完整。本次研究地層主要為五峰組—龍馬溪組一段黑色富有機質(zhì)頁巖，其形成與晚奧陶世—早志留世的2次全球性海侵事件直接相關(guān)［24］，受川中、黔中、江南雪峰及瀘州古隆起的限制作用，沉積水體循環(huán)受到阻礙，形成閉塞的還原沉積性水體［1］。早志留世，地殼持續(xù)下降，發(fā)育黑色富有機質(zhì)頁巖，隨著全球海平面下降，沉積水體變淺，陸源碎屑輸入，頁巖有機質(zhì)含量降低，泥質(zhì)及砂質(zhì)含量升高［25-26］。龍馬溪組由下到上可分為3 段，龍一段發(fā)育灰黑色碳質(zhì)筆石頁巖，龍二段主要為深灰色粉砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖，龍三段發(fā)育深灰色含粉砂質(zhì)泥巖；其中龍一段又可分為2個亞段，底部Ⅰ亞段高硅質(zhì)富有機質(zhì)頁巖為現(xiàn)階段的主要開發(fā)層系，根據(jù)TOC含量及硅質(zhì)礦物的差異，Ⅰ亞段由下向上可分為4 個小層。龍馬溪組向上與石牛欄組泥質(zhì)灰?guī)r，向下與奧陶系五峰組頁巖均呈整合接觸。優(yōu)質(zhì)頁巖厚度在60 m 以上，有機質(zhì)類型以Ⅰ型為主，熱演化程度較高，是現(xiàn)階段四川盆地深層頁巖氣勘探的主要地區(qū)。

2 裂縫發(fā)育類型及特征

研究區(qū)地表出露最老地層為三疊系須家河組砂巖，缺少對應(yīng)的五峰組—龍馬溪組出露點，因此主要通過鉆井巖心及對應(yīng)的成像測井進行裂縫發(fā)育特征識別、分析。

2.1 裂縫發(fā)育類型

瀘203 井區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖埋藏深度大，構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜，巖心裂縫發(fā)育程度高，根據(jù)成因差異可以分為構(gòu)造縫與成巖縫2大類（圖2）。

構(gòu)造縫 構(gòu)造縫形成于統(tǒng)一構(gòu)造應(yīng)力場［27］，是研究區(qū)主要的裂縫發(fā)育類型，根據(jù)幾何形態(tài)差異、縫面平直程度及形成應(yīng)力機制，可分為剪切縫（圖2a，2b，2c）及張性縫（圖2d，2e，2f）。剪切縫為最主要的裂縫類型，具有縫面平直、光滑，縱向延伸遠，分布穩(wěn)定，切穿頁巖礦物顆粒，充填程度高的特點，占裂縫總數(shù)的65.5%。巖心上可見多條寬度差異明顯的剪切縫呈平行排列產(chǎn)出，單一構(gòu)造應(yīng)力場下的裂縫發(fā)育優(yōu)勢方位單一，受多期構(gòu)造應(yīng)力的影響及在應(yīng)力集中交匯處，通常不同方向的裂縫交織形成網(wǎng)狀縫，僅在部分井段發(fā)育。剪切縫面?？梢姍M向擦痕，顯示剪切縫具有走滑特性。構(gòu)造擠壓作用下局部區(qū)域發(fā)育派生張應(yīng)力下形成的派生張性縫，存在縫體彎曲不規(guī)則、產(chǎn)狀變化快、延伸距離短、不切穿礦物顆粒、充填程度高的特點，研究區(qū)發(fā)育相對較少。龍馬溪組頁理發(fā)育，在后期構(gòu)造運動中發(fā)生層間滑動，形成大量的順層滑脫縫，通常與頁巖層面平行或極小角度相交，縫面平直光滑，通常具擦痕或形成鏡面，多為礦物充填，充填物包括方解石及黃鐵礦2種。

成巖縫 頁巖從沉積至壓實固結(jié)成巖過程中以及后期再成巖作用形成一系列裂縫，主要包括溶蝕縫、層理縫和異常高壓縫等3 種類型。溶蝕縫是頁巖成巖過程中，成巖礦物中的易溶顆粒受流體溶蝕形成，溶蝕縫通常呈水平狀產(chǎn)出，多為方解石全充填，縫體寬度為10～30 mm，通常與未溶蝕礦物條帶交替出現(xiàn)（圖2h）。層理縫是巖心中最常見的成巖縫，是受沉積、壓實、成巖演化共同作用的結(jié)果，通常順層發(fā)育，延伸距離短，規(guī)模小，橫向連通性強，對增大頁巖橫向滲流能力具有重要意義。異常高壓縫的發(fā)育相對局限，是由于頁巖封閉，層內(nèi)有機質(zhì)生烴增壓造成異常高壓，超過頁巖抗張強度后形成的，這類裂縫沿著層理面開始擴張，形成的裂縫具有延伸短、寬度差異明顯、形狀不規(guī)則、呈透鏡狀產(chǎn)出的特點，通常為方解石全充填，呈纖維狀（圖2g）。

圖2 瀘203井區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖巖心裂縫特征Fig.2 Core fractures of Wufeng-Longmaxi Formation shale in Well Lu203 area

2.2 裂縫發(fā)育程度及特征

通過對研究區(qū)7口井五峰組—龍馬溪組巖心裂縫觀察測量，統(tǒng)計裂縫充填物類型、充填程度、延伸長度、寬度、傾角等特征，結(jié)果顯示，裂縫充填情況復(fù)雜，包括單礦物及多礦物混合充填2種形式，充填礦物包括方解石、黃鐵礦、石英及少量瀝青，其中以方解石充填為主，占充填縫的54.2%，瀝青充填縫相對較少，僅占6.54%，混合充填多見黃鐵礦與方解石及方解石與瀝青混合（圖3a）。龍馬溪組頁巖充填程度高，全充填縫占裂縫總數(shù)的65.4%，半充填縫占18.8%，未充填縫僅占15.8%（圖3b）。剪切縫以寬度小于1 mm 的低開度裂縫為主，占裂縫總數(shù)的79.8%，寬度為1～2 mm 的占13.5%，寬度為2～4 mm的占5.4%，寬度大于4 mm 的占1.3%（圖3c）?？紤]裂縫延伸長度，巖心上裂縫長度整體較小，以小型縫（長度為10～20 cm）為主，占裂縫總數(shù)的44.5%，微裂縫（長度小于10 cm）占28.7%，中型縫（長度大于20 cm）占20%，大型縫（長度大于30 cm）占6.8%，可見少量長度大于1 m 的大型剪切縫（圖3e）。裂縫密度在五峰組及龍一段Ⅰ亞段不同小層存在明顯差異，五峰組為9.57條/m，龍馬溪組為1.32～6.25條/m，由1小層到4小層，裂縫密度逐漸減?。▓D3f）。

圖3 瀘203井區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖裂縫參數(shù)統(tǒng)計Fig.3 Fracture parameters for Wufeng-Longmaxi Formation shale in Well Lu203 area

2.3 裂縫產(chǎn)狀及縱向變化

根據(jù)裂縫充填程度及充填礦物差異可以分為高阻縫及高導(dǎo)縫2 種。高阻縫通常為方解石、石英等礦物全充填或半充填，成像測井曲線上表現(xiàn)為亮黃色的正弦曲線，對頁巖氣儲層而言，為無效裂縫。高導(dǎo)縫表現(xiàn)為黑色的正弦曲線，為有效裂縫。研究區(qū)不同井五峰組—龍馬溪組成像測井裂縫產(chǎn)狀拾取結(jié)果顯示，在同一井段的不同部位，高導(dǎo)縫及高阻縫均有發(fā)育，五峰組—龍馬溪組頁巖縱向上裂縫變化規(guī)律性較為明顯，根據(jù)成像測井裂縫走向統(tǒng)計結(jié)果，五峰組—龍馬溪組裂縫發(fā)育6組優(yōu)勢方位，其中①NWW 向（275°±5°），④NNE 向（15°±5°），⑤NNE向（25°±5°）最為發(fā)育，其次為②NW 向（315°±5°），③NW向（325°±5°）及⑥NEE向（65°±5°）（圖4）。

圖4 瀘203井區(qū)裂縫成像測井識別及走向玫瑰花圖Fig.4 Fracture imaging logging identification and trending rose diagram in Well Lu203 area

為方便統(tǒng)計裂縫縱向變化，根據(jù)傾角差異，將裂縫分為水平縫、斜交縫及直立縫3 種類型，3 類裂縫在縱向上具有明顯的分段集中特點。由瀘208井及瀘207井裂縫縱向變化特征（圖5）可以看出，直立縫及水平縫在五峰組最為發(fā)育，向上直立縫逐漸減少（圖3d）；龍一段Ⅰ亞段3 小層及4 小層以水平縫發(fā)育為主，僅發(fā)育極少量直立縫；4 小層底部水平縫發(fā)育，向上逐漸減少。瀘208 井龍一段Ⅰ亞段4 小層中部（3 802.5～3 817 m）水平縫及直立縫均不發(fā)育，至中上部（3 780～3 800 m）水平縫出現(xiàn)集中分布的特征，同時發(fā)育少量的直立縫。

圖5 瀘203井區(qū)裂縫縱向變化特征Fig.5 Longitudinal variations of fractures in Well Lu203 area

3 裂縫期次及成因演化

3.1 裂縫發(fā)育序列

巖心裂縫表現(xiàn)是多期構(gòu)造事件記錄的總和［28］，采用巖心、薄片裂縫交切限制關(guān)系觀察等地質(zhì)分析手段與包裹體均一溫度、巖石聲發(fā)射實驗等測試分析手段相結(jié)合的方法分析研究區(qū)裂縫形成期次。

3.1.1 巖心及薄片觀察

巖心及薄片觀察是裂縫形成期次分析的直觀方式［29-30］，根據(jù)不同裂縫之間的切割錯斷與限制關(guān)系、裂縫充填物差異等可以定性判斷不同組系裂縫形成的先后順序。五峰組—龍馬溪組巖心橫截面及表面裂縫的交切、限制關(guān)系觀察顯示，裂縫切割關(guān)系多樣，裂縫微細，充填情況復(fù)雜，巖心上多見水平縫對高角度縫及直立縫的限制（圖6e），同時可見方解石全充填縫切割早期水平縫（圖6g），巖心及薄片中最多可見3 期明顯的裂縫交切關(guān)系（圖6g，6h，6i）。

圖6 瀘203井區(qū)五峰組—龍馬溪組巖心、薄片裂縫交切關(guān)系Fig.6 Intersection relationships between cores and flake fractures of Wufeng-Longmaxi Formation in Well Lu203 area

3.1.2 包裹體均一溫度測試

裂縫形成、礦質(zhì)流體充填過程中，由于晶格缺陷對流體進行捕獲，形成流體包裹體，這些流體包裹體可記錄流體充注時的溫度、鹽度等信息［31-32］。因此通過測定與裂縫同期形成的原生流體包裹體均一溫度可以用于推測裂縫形成期次［33］。選取五峰組—龍馬溪組呈不同交切關(guān)系的裂縫充填物共18 個測點進行均一溫度測試，充填物類型均為方解石。結(jié)合巖心交切關(guān)系及構(gòu)造演化史分析可以將裂縫的形成分為3 期：第1 期裂縫充填物包裹體均一溫度為130.4～150.6 ℃（圖7），對應(yīng)龍馬溪組頁巖持續(xù)埋藏后的第1 次快速抬升；第2 期裂縫充填物包裹體均一溫度為194.8～210 ℃，對應(yīng)五峰組—龍馬溪組達到最大埋深之后的第1 次快速抬升；第3期裂縫充填物包裹體均一溫度為163.3～190 ℃，對應(yīng)后期的持續(xù)隆升階段。

圖7 瀘203井區(qū)裂縫充填物包裹體均一溫度區(qū)間Fig.7 Inclusion homogenization temperature range of fractures in Well Lu203 area

3.1.3 巖石聲發(fā)射實驗

剛性材料普遍具有聲記錄現(xiàn)象［34］，當施加在頁巖上的應(yīng)力達到先期應(yīng)力時，先存微裂縫會再次張開，發(fā)射明顯的聲信號，形成Kaiser 效應(yīng)點，可以用于分析巖石形成破裂期次［35-36］。

對研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖樣品進行聲發(fā)射實驗，通過巖石聲發(fā)射曲線上Kaiser 效應(yīng)點的數(shù)量及分布分析巖樣經(jīng)歷的最小微破裂次數(shù)。實驗結(jié)果（圖8）表明，龍馬溪組頁巖聲發(fā)射曲線存在5個明顯的Kaiser 效應(yīng)點，考慮實驗過程中造成的機械破碎，研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖形成后至少經(jīng)歷了4 次構(gòu)造運動，由于加里東構(gòu)造運動整體表現(xiàn)為小幅度的垂直升降，對整個地區(qū)構(gòu)造及裂縫的形成影響較小，以及初始裂縫閉合形成的效應(yīng)點，在分析過程中對加里東構(gòu)造運動不做單獨考慮。結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化史綜合分析，認為研究區(qū)共經(jīng)歷了3期大型構(gòu)造運動：印支運動、燕山運動晚期—喜馬拉雅運動早期、喜馬拉雅運動中—晚期，其中燕山運動晚期—喜馬拉雅早期的構(gòu)造運動最為強烈，是構(gòu)造形成的主要時期，與區(qū)域構(gòu)造演化特征一致。

圖8 瀘州地區(qū)五峰組—龍馬溪組巖石聲發(fā)射實驗曲線Fig.8 Curves of rock acoustic emission experiments of Wufeng-Longmaxi Formation in Luzhou area

3.2 裂縫成因演化

研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖現(xiàn)今裂縫的形成是多期構(gòu)造運動疊加改造的結(jié)果，通過巖心觀察、巖石Kaiser 效應(yīng)及充填物包裹體均一溫度測試等直觀分析與實驗測試結(jié)合手段證實了瀘203井區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖在埋藏后經(jīng)歷了3期不同的構(gòu)造運動。研究區(qū)主要形成于擠壓背景，結(jié)合地表須家河組裂縫分期配套及巖心裂縫交切關(guān)系，在擠壓應(yīng)力作用下，共軛剪切縫的銳夾角平分線指示應(yīng)力方向，與剖面縫垂直。以此為理論基礎(chǔ)，綜合實驗結(jié)果，建立研究區(qū)斷裂的形成與演化模式（圖9）。

圖9 瀘203井區(qū)五峰組—龍馬溪組裂縫發(fā)育模式Fig.9 Fracture development modes of Wufeng-Longmaxi Formation in Well Lu203 area

印支期（第1 期）印支期，五峰組—龍馬溪組頁巖埋藏后第1 次快速抬升，區(qū)域構(gòu)造格局發(fā)生巨變，地層埋藏深度在2 000～3 000 m 左右，受到東南方向江南-雪峰隆起影響，以及西部龍門山造山運動的遠程應(yīng)力傳導(dǎo)效應(yīng)，研究區(qū)整體受到NNW 向的聯(lián)合應(yīng)力的強烈構(gòu)造擠壓作用，五峰組—龍馬溪組頁巖發(fā)育平面共軛“X”型剪切縫，早期形成的平面剪切縫與巖層層面近乎垂直，裂縫發(fā)育優(yōu)勢方位為NNE 向及NW 向，隨著構(gòu)造應(yīng)力的持續(xù)，形成NEE 向的剖面剪切縫。在NNW—SSE 向構(gòu)造應(yīng)力的持續(xù)作用下，形成NEE 向斷裂體系，早期形成的平面剪切縫多被礦物所充填，充填時間早，充填程度高，充填物以方解石、黃鐵礦為主。

燕山運動晚期—喜馬拉雅運動早期（第2期）江南-雪峰隆起向NW 方向持續(xù)推進，同時受到川中古隆起及黔中隆起的聯(lián)合作用，在走滑斷層的調(diào)節(jié)作用下，引發(fā)研究區(qū)SEE 向的構(gòu)造應(yīng)力，形成NNE 向及一定量的NE 向斷層，并對早期NNE 向的構(gòu)造進行疊加改造，斷層發(fā)生走滑扭動，斷距加大，斷層末端具向北偏轉(zhuǎn)的跡象，同時產(chǎn)生NEE—SWW 向及SE—NW 向裂縫。早期NEE—SWW 向及SE—NW 向平面剪切縫形成后，在應(yīng)力的持續(xù)作用下產(chǎn)生NNE向的剖面剪切縫。

喜馬拉雅運動中—晚期（第3 期）受江南-雪峰隆起、川中隆起的聯(lián)合作用，同時受大巴山弧形構(gòu)造形成以及綦江走滑斷裂的調(diào)節(jié)，引發(fā)研究區(qū)NEE 向聯(lián)合應(yīng)力，持續(xù)的構(gòu)造擠壓進一步改造早期斷層及構(gòu)造形態(tài)，形成NNE—SSW 向及SEE—NWW向平面剪切縫，隨著構(gòu)造應(yīng)力作用的持續(xù)，形成具有走滑性質(zhì)的逆斷層，同時對早期形成的NNE 向及NEE 向斷裂體系進行改造，形成現(xiàn)今復(fù)雜疊合構(gòu)造體系。

4 結(jié)論

瀘203井區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖主要發(fā)育構(gòu)造成因的剪切縫，具有高充填程度、高角度、高密度、多礦物混合充填的特點，充填物以方解石、黃鐵礦及二者混合為主?？v向上底部以直立縫與水平縫共同發(fā)育，向上主要發(fā)育水平縫，裂縫發(fā)育NWW向（275°±5°），NNE 向（15°±5°）與（35°±5°），NW 向（325°±5°）與（315°±5°），NEE向（65°±5°）等6組優(yōu)勢方位。

采用地質(zhì)-實驗分析相結(jié)合的手段確定了瀘203 井區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖裂縫形成于3 期構(gòu)造運動：第1 期裂縫形成于印支運動（距今253.4～250.0 Ma），主要被方解石及黃鐵礦高程度充填，包裹體均一溫度為130.4～150.6 ℃；第2 期裂縫形成于燕山運動晚期—喜馬拉雅運動早期（距今70.58～42.64 Ma），裂縫被方解石充填，包裹體均一溫度為194.8～210 ℃；第3 期裂縫形成于喜馬拉雅運動中—晚期（距今42.64～0 Ma），主要為半充填-未充填，包裹體均一溫度為163.3～190 ℃。

在綜合分析裂縫形成期次的基礎(chǔ)上，建立了研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖斷裂演化模式。印支期，在NNW—SSE 向擠壓應(yīng)力作用下，五峰組—龍馬溪組頁巖發(fā)育NNE 向及NWW 向平面剪切縫與NEE 向剖面剪切縫，隨著應(yīng)力的持續(xù)形成NEE 向逆斷層；燕山運動晚期—喜馬拉雅運動早期，受到SEE—NWW 向構(gòu)造應(yīng)力作用，發(fā)育NE—NNW 向平面剪切縫與NNE 向剖面剪切縫，應(yīng)力的持續(xù)形成NNE 向斷層，同時改造第1 期斷裂；喜馬拉雅運動中—晚期，受NEE 向構(gòu)造應(yīng)力作用，形成近NNE 向與近WE 向裂縫，近NS 向斷層發(fā)育，并對前期斷層加強改造。