聶舟 ，馬詩杰 ，伍秋姿 ，田鶴 ，呂文雅 ，曾聯(lián)波 ，羅良

(1.四川長(zhǎng)寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司勘探開發(fā)部，四川 成都 610000；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；3.中國(guó)石油西南油氣田分公司頁巖氣研究院，四川 成都 610091)

近年來，我國(guó)在四川盆地相繼發(fā)現(xiàn)了涪陵、長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)和昭通等以古生界五峰組—龍馬溪組海相頁巖為主力產(chǎn)層的頁巖氣田，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)頁巖氣商業(yè)化規(guī)模開發(fā)的重大突破［1-2］?？碧介_發(fā)實(shí)踐表明，長(zhǎng)寧地區(qū)海相頁巖與北美地區(qū)頁巖具有相似的地質(zhì)特征，但四川盆地及周緣受到多期次構(gòu)造變形，盆地內(nèi)部五峰組—龍馬溪組埋藏普遍較深，斷層和裂縫系統(tǒng)復(fù)雜多樣，發(fā)育差異明顯，這對(duì)頁巖氣的富集和保存條件具有重要的影響［3］。目前，一些學(xué)者對(duì)頁巖中天然裂縫的特征、形成機(jī)理、控制因素及其對(duì)頁巖氣富集和保存條件的影響等方面取得了許多認(rèn)識(shí)［4-7］。例如：頁巖裂縫的走向和傾角越發(fā)散，頁巖氣含氣性越好［8］；總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）越高，越促進(jìn)頁巖內(nèi)部微裂縫的發(fā)育，有利于頁巖氣富集等［9］。由于不同成因類型的天然裂縫對(duì)頁巖含氣性具有明顯的影響，因此分類型研究頁巖儲(chǔ)層天然裂縫的發(fā)育特征及其對(duì)含氣性的影響，對(duì)尋找頁巖氣甜點(diǎn)具有重要意義。本文以四川盆地長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖為例，利用地表露頭、巖心、EMI成像測(cè)井、薄片和掃描電鏡資料，深入研究了該區(qū)頁巖儲(chǔ)層天然裂縫的發(fā)育特征和主控因素，并結(jié)合測(cè)試資料，分類型討論了天然裂縫對(duì)頁巖含氣性的影響，以期為頁巖氣保存條件研究提供理論基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

四川盆地位于我國(guó)西南部，是一個(gè)具有多方位逆沖推覆構(gòu)造背景的疊合型盆地［10-11］，目前是國(guó)內(nèi)海相頁巖氣商業(yè)化開采的主要地區(qū)。長(zhǎng)寧地區(qū)位于四川盆地南部的低陡褶皺帶，褶皺斷裂均較為發(fā)育。長(zhǎng)寧背斜核部志留系遭受風(fēng)化剝蝕，出露寒武系。研究區(qū)位于建武向斜，是長(zhǎng)寧頁巖氣田的主體建產(chǎn)區(qū)。向斜周緣以北東東—南西西向斷至地表的主干斷層為主，向斜內(nèi)部以北東東—南西西向和北西向的次級(jí)斷層為主（見圖1）。

主干斷層為向上斷至二疊系或三疊系的大斷層，次級(jí)斷層斷距介于20～100 m，通常被限制于志留系內(nèi)部。建武向斜為近東西向的平緩向斜，五峰組—龍馬溪組埋深介于2 000～3 200 m，發(fā)育大量構(gòu)造裂縫和成巖裂縫。裂縫發(fā)育的差異性對(duì)區(qū)內(nèi)頁巖氣富集和保存條件產(chǎn)生不同影響。五峰組—龍馬溪組頁巖主要為硅質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖和黏土質(zhì)頁巖，富含黃鐵礦，頁理發(fā)育，優(yōu)質(zhì)頁巖（TOC≥2%）的厚度為30～45 m，平均TOC介于 3.2%～4.3%，平均鏡質(zhì)組反射率為 2.3%～2.8%［12-15］，具有良好的生烴條件。

2 天然裂縫的發(fā)育特征與成因

利用地表露頭、巖心、EMI成像測(cè)井、薄片和掃描電鏡資料，按照地質(zhì)成因，四川盆地長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層宏觀裂縫可以劃分為構(gòu)造裂縫、成巖裂縫和異常高壓相關(guān)裂縫3種成因類型。根據(jù)裂縫產(chǎn)狀與巖石力學(xué)層的關(guān)系和力學(xué)性質(zhì)，構(gòu)造裂縫又可進(jìn)一步分為穿層剪切裂縫、順層剪切裂縫和層內(nèi)張裂縫3類［16-17］。成巖裂縫主要為頁理縫和收縮裂縫。微裂縫包括構(gòu)造微裂縫、粒間縫、粒內(nèi)縫等。研究區(qū)宏觀裂縫以構(gòu)造裂縫和頁理縫為主，微裂縫以構(gòu)造微裂縫和粒間縫為主，發(fā)育少量粒內(nèi)縫。

長(zhǎng)寧地區(qū)龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫的優(yōu)勢(shì)方位為北西—南東向、北北東—南南西向、北東東—南西西向和東西向，其中東西向裂縫主要為高阻縫，通常被方解石或石英充填，在成像測(cè)井圖像上顯示為高亮正弦曲線。地表露頭上裂縫的規(guī)模從幾厘米到十幾米不等，龍馬溪組頁巖中的裂縫密度變化也較大，北西—南東向裂縫密度平均值為4.5條/m，北北東—南南西向裂縫密度平均值為2.2條/m，北東東—南西西向裂縫密度最大，平均值為6.7條/m，東西向裂縫密度為2.5條/m，總裂縫密度平均值為15.9條/m。研究區(qū)西側(cè)多發(fā)育北西—南東向和東西向構(gòu)造裂縫，東側(cè)北東東—南西西向和北北東—南南西向構(gòu)造裂縫發(fā)育程度高（見圖1）。

巖石力學(xué)層是一系列具有相似巖石力學(xué)性質(zhì)、富含脆性礦物的頁巖層［18］。穿層剪切裂縫是受剪應(yīng)力作用形成的一種裂縫類型，其與層面高角度相交，切穿多套巖石力學(xué)層。其裂縫面平整光滑，延伸長(zhǎng)度從幾十厘米至幾十米不等，方向性明顯，一般成組出現(xiàn)，相互切割、限制（見圖 2a，2b，3a）。據(jù)地表露頭統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)寧地區(qū)龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層主要發(fā)育北西—南東向、北北東—南南西向、北東東—南西西向、東西向4組穿層剪切裂縫，以中高角度裂縫為主。巖心統(tǒng)計(jì)表明，穿層剪切裂縫充填程度較低，占裂縫總數(shù)的22.3%，裂縫密度為0.05～1.30 條/m（見表 1）。

層內(nèi)張裂縫是頁巖沿最小主應(yīng)力方向發(fā)生擴(kuò)張破裂形成的一種裂縫，其顯著特點(diǎn)是被限制在單一巖石力學(xué)層內(nèi)［19］，與穿層剪切裂縫形成鮮明的對(duì)比。其與層面近垂直，裂縫延伸長(zhǎng)度一般小于20 cm（見圖2c，3b）。由于抬升作用導(dǎo)致應(yīng)力釋放，地表露頭的層內(nèi)張裂縫通常呈開啟狀態(tài)，等間距平行分布（見圖2d），而在巖心上常被方解石或硅質(zhì)充填。巖心統(tǒng)計(jì)表明，層內(nèi)張裂縫占裂縫總數(shù)的40.5%，裂縫密度為2.10～5.90條/m（見表 1）。

順層剪切裂縫是在擠壓背景下由層間的差異滑動(dòng)或順層剪切作用引起層面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)而形成的一種裂縫，其與層面平行或低角度相交，裂縫面可見明顯的擦痕和階步（見圖2e，2f，3c）。順層剪切裂縫易發(fā)育在巖石力學(xué)性質(zhì)變化的界面，例如巖性界面或黃鐵礦條帶附近。順層剪切裂縫發(fā)育的密集帶分布在五峰組和龍馬溪組底部，龍馬溪組底部發(fā)育大量黃鐵礦條帶，五峰組底部與寶塔組瘤狀灰?guī)r易形成巖石力學(xué)性質(zhì)差異面，巖心上觀察到大量順層剪切裂縫，被方解石和黃鐵礦半充填或全充填。一般地層傾角越高，順層剪切裂縫越發(fā)育［16］。巖心統(tǒng)計(jì)表明，順層剪切裂縫占裂縫總數(shù)的37.2%，裂縫密度為 0.10～0.50條/m（見表 1）。

表1 長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍一13小層構(gòu)造裂縫密度

長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層中成巖裂縫主要為頁理縫。頁理縫是在成巖過程中沿著頁巖層理面破裂形成的裂縫，呈不連續(xù)的平行層理分布，開度較小，通常被方解石、硅質(zhì)和有機(jī)質(zhì)充填（見圖3d，4a），裂縫密度為0～20條/mm，是頁巖中最為發(fā)育的成巖裂縫［20-23］，對(duì)頁巖的橫向滲透性有一定的改善作用。收縮裂縫是指因脫水、礦物相變和熱收縮等作用導(dǎo)致頁巖體積減小形成的裂縫［24］，通常形成于成巖早期，裂縫面垂直于層面，常呈上寬下窄的形態(tài)分布，規(guī)模小，開度低，方向性不明顯（見圖3e，4b）。異常高壓相關(guān)裂縫的形成、分布與生烴增壓作用有關(guān)，在五峰組觀察到大量有機(jī)質(zhì)熱演化過程中局部異常流體壓力引起巖石發(fā)生擴(kuò)張破裂形成的異常高壓相關(guān)裂縫。這類裂縫面形態(tài)不規(guī)則，多被方解石或?yàn)r青充填（見圖3f，4c），受到流體和巖性等多種因素控制，是頁巖儲(chǔ)層內(nèi)高壓排烴和運(yùn)移的重要標(biāo)志［25］。薄片尺度上也可觀察到微裂縫之間存在相互限制和錯(cuò)斷的關(guān)系（見圖4d），不同類型裂縫相互交切形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)對(duì)頁巖氣的富集和保存具有重要影響。

根據(jù)掃描電鏡顯示結(jié)果，長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層中發(fā)育大量納米—微米級(jí)的裂縫，泥頁巖呈紋層狀分布，可見莓狀黃鐵礦、泥粉晶方解石、石英和云母顆粒等，富含有機(jī)質(zhì)。微裂縫以切穿石英、方解石甚至黃鐵礦的構(gòu)造微裂縫（見圖4e）和與紋層平行發(fā)育的粒間縫為主。在構(gòu)造裂縫周圍應(yīng)力集中部位，泥頁巖顆粒受到強(qiáng)烈的擠壓作用，石英、云母等脆性礦物之間會(huì)形成較多的粒間縫和粒內(nèi)縫（見圖4f）。粒間縫多平行層理呈孤立狀分布，部分充填碎屑顆粒，裂縫長(zhǎng)度一般與片狀礦物的長(zhǎng)度有關(guān)。粒內(nèi)縫一般發(fā)育在方解石、石英和片狀云母顆粒中，整體發(fā)育程度較低。掃描電鏡顯示：頁理縫通常被有機(jī)質(zhì)和莓狀黃鐵礦充填（見圖 4g），開度介于 0.1～20.0 μm，與紋層方向近平行分布，延伸長(zhǎng)度為納米—厘米級(jí)。大量微裂縫和有機(jī)質(zhì)孔形成了復(fù)雜的孔縫網(wǎng)絡(luò)（見圖4h），為甲烷分子提供了游離氣的賦存空間，對(duì)提高頁巖含氣量具有重要作用。

3 天然裂縫發(fā)育的主控因素

長(zhǎng)寧地區(qū)頁巖儲(chǔ)層中不同部位、不同類型裂縫的發(fā)育程度存在差異。天然裂縫的形成和分布受斷層、褶皺等局部構(gòu)造，脆性和巖石力學(xué)層厚度等因素控制［26-31］，其中構(gòu)造是控制頁巖儲(chǔ)層天然裂縫發(fā)育的主要因素［32］。明確研究區(qū)頁巖儲(chǔ)層天然裂縫發(fā)育的主控因素，對(duì)預(yù)測(cè)研究區(qū)天然裂縫的分布規(guī)律具有重要指導(dǎo)意義。

3.1 構(gòu)造

不同構(gòu)造部位應(yīng)力分布的差異性決定了天然裂縫的形成和分布。斷層是控制該區(qū)裂縫發(fā)育的重要構(gòu)造因素。地表露頭和巖心統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，斷層附近有明顯的裂縫發(fā)育帶，此區(qū)域穿層剪切裂縫和層內(nèi)張裂縫的發(fā)育程度明顯增高，與斷層距離越遠(yuǎn)，其發(fā)育程度越低。由于斷層上盤是活動(dòng)盤，應(yīng)力擾動(dòng)作用更加明顯，上盤構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度和裂縫發(fā)育帶的寬度高于下盤［33］。

遠(yuǎn)離斷層部位，構(gòu)造裂縫易在褶皺核部等局部應(yīng)力集中部位發(fā)育。綜合珙泉—硐底剖面統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)褶皺核部的構(gòu)造裂縫非常發(fā)育，而在翼部構(gòu)造裂縫發(fā)育程度變低?？傮w而言，隨距褶皺核部距離的增加，應(yīng)力集中程度降低，構(gòu)造裂縫密度減?。ㄒ妶D 5）。

3.2 脆性

頁巖的脆性大小影響構(gòu)造裂縫和頁理縫的發(fā)育程度。頁巖的脆性礦物主要包括石英、長(zhǎng)石和碳酸鹽礦物等［14，34］。脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，頁巖的脆性越強(qiáng)，在相同構(gòu)造強(qiáng)度下，高脆性的頁巖層更容易發(fā)生脆性破裂，形成構(gòu)造裂縫。在7口評(píng)價(jià)井的巖心上均可觀察到五峰組—龍一13小層發(fā)育復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，而龍一14小層黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，巖心規(guī)整，裂縫發(fā)育程度低。礦物成分分析和巖心裂縫統(tǒng)計(jì)表明，五峰組—龍馬溪組頁巖構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度與脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系（見圖6）。此外，頁理縫的發(fā)育程度與硅質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系。在成巖過程中，高硅質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)頁巖更易產(chǎn)生脆性薄弱面形成頁理縫，當(dāng)硅質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于30%時(shí)，頁理縫不發(fā)育［20］。

3.3 巖石力學(xué)層厚度

層內(nèi)張裂縫的形成和分布受巖石力學(xué)層的限制。由于風(fēng)化和壓力卸載等因素，野外露頭上巖石力學(xué)層界面清晰，其厚度主體分布在1～60 cm。層內(nèi)張裂縫被限制在單一巖石力學(xué)層內(nèi)，與層面垂直，近似等間距分布，而穿層剪切裂縫切穿多個(gè)巖石力學(xué)層，裂縫面與層面高角度相交并終止于巖性界面，受巖石力學(xué)層影響較小［16］。在珙泉—硐底野外剖面中，統(tǒng)計(jì)了巖石力學(xué)層厚度大于5 cm的層內(nèi)張裂縫密度。結(jié)果表明：在一定厚度內(nèi)，層內(nèi)張裂縫密度與巖石力學(xué)層厚度呈現(xiàn)較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，層內(nèi)張裂縫密度隨巖石力學(xué)層厚度的增大而減?。ㄒ妶D7）。

4 天然裂縫類型對(duì)頁巖含氣性的影響

TOC和孔隙度是頁巖含氣量高低的基礎(chǔ)。TOC越高，面孔率越大，儲(chǔ)層吸附氣量越大；孔隙度越大，游離氣量越高。頁巖儲(chǔ)層具有低孔低滲的特點(diǎn)，多類型和多尺度的裂縫網(wǎng)絡(luò)是頁巖儲(chǔ)層中重要的儲(chǔ)集空間和滲流通道，改善了頁巖儲(chǔ)層的孔滲性［35-36］。但裂縫發(fā)育的規(guī)模過大，也可能會(huì)導(dǎo)致頁巖氣的散失?；A(chǔ)資料表明：建武向斜五峰組—龍一13小層TOC相當(dāng)，介于4.13%～4.80%，孔隙度介于4.18%～6.32%，頁巖生烴條件相似。對(duì)7口井五峰組—龍一13小層樣品進(jìn)行含氣量測(cè)定，最大測(cè)試含氣量達(dá)6.70 m3/t，最小測(cè)試含氣量為2.60 m3/t，不同井的測(cè)試含氣量存在較大差異。綜合巖心裂縫統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和含氣量測(cè)試結(jié)果可知，不同類型天然裂縫的發(fā)育程度對(duì)頁巖含氣性的影響不同。收縮裂縫和異常高壓相關(guān)裂縫的規(guī)模較小，發(fā)育程度低，通常被方解石、硅質(zhì)和有機(jī)質(zhì)等充填，對(duì)頁巖含氣性影響較小。對(duì)頁巖含氣性影響較大的天然裂縫主要為構(gòu)造裂縫和頁理縫。

層內(nèi)張裂縫越發(fā)育，含氣性越好（見圖8a）。在遠(yuǎn)離主干斷層部位，層內(nèi)張裂縫的發(fā)育程度主要受到褶皺構(gòu)造和脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。褶皺核部和脆性大的巖層，層內(nèi)張裂縫發(fā)育程度較高（見表1）。層內(nèi)張裂縫的發(fā)育提高了頁巖儲(chǔ)層孔隙度，由于其規(guī)模較小，并未溝通上下層系，因此對(duì)頁巖氣散失無影響。例如：N7井位于構(gòu)造高點(diǎn)，五峰組—龍一13小層平均TOC為4.13%，層內(nèi)張裂縫密度為4.5條/m，平均孔隙度達(dá)6.32%，測(cè)試含氣量為5.98 m3/t；N6井遠(yuǎn)離大斷層，其脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為76%，在相同構(gòu)造強(qiáng)度下，脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的部位應(yīng)力越集中，越容易發(fā)育層內(nèi)張裂縫，巖心統(tǒng)計(jì)層內(nèi)張裂縫密度為5.9條/m，測(cè)試含氣量為6.70 m3/t。在一定范圍內(nèi)，層內(nèi)張裂縫發(fā)育程度越高，孔隙度越大，含氣量與層內(nèi)張裂縫密度呈正相關(guān)關(guān)系（見8b）。頁理縫的發(fā)育提高了頁巖儲(chǔ)層的水平滲透率，連通了更多的微裂縫、無機(jī)孔隙和有機(jī)質(zhì)孔［37］，使得總有效孔隙體積增加，有利于頁巖氣的富集。N4井層內(nèi)張裂縫發(fā)育較少，頁理縫發(fā)育程度高，五峰組—龍一13小層孔隙度為6.10%，測(cè)試含氣量為6.50 m3/t。

主干斷層直接影響穿層剪切裂縫的發(fā)育程度。主干斷層附近，穿層剪切裂縫密度高，隨距主干斷層距離的增大，穿層剪切裂縫密度顯著減?。ㄒ妶D8a）。受剪切作用影響，穿層剪切裂縫附近頁巖吸附甲烷的能力變差，有機(jī)質(zhì)-礦物復(fù)合孔增多，促進(jìn)吸附氣向游離氣解吸［38］。同時(shí)大規(guī)模的穿層剪切裂縫與上覆地層溝通，大幅提高了縱向滲透率，并且靠近斷層，導(dǎo)致頁巖氣更易向上運(yùn)移而散失，不利于頁巖氣的保存。N2井和N3井鉆遇目的層均為優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層，巖心上穿層剪切裂縫密度大，介于1.2～1.6條/m，實(shí)測(cè)含氣量相對(duì)偏低。頁巖測(cè)試含氣量與穿層剪切裂縫密度呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系（見圖 8c）。

研究認(rèn)為：在主干斷層附近，穿層剪切裂縫對(duì)頁巖氣保存條件起主導(dǎo)作用，其發(fā)育促進(jìn)了頁巖氣的散失，不利于頁巖氣的保存；在遠(yuǎn)離主干斷層的褶皺核部，高脆性頁巖中層內(nèi)張裂縫、頁理縫和微裂縫的發(fā)育，提高了儲(chǔ)層的孔隙度和滲流能力，有利于頁巖氣的富集。

5 結(jié)論

1）長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層中宏觀裂縫可分為構(gòu)造裂縫、成巖裂縫和異常高壓相關(guān)裂縫3種成因類型。構(gòu)造裂縫又可細(xì)分為穿層剪切裂縫、順層剪切裂縫和層內(nèi)張裂縫，成巖裂縫包含頁理縫和收縮裂縫。研究區(qū)宏觀裂縫以構(gòu)造裂縫和成巖裂縫為主，微裂縫主要為構(gòu)造微裂縫和粒間縫。構(gòu)造裂縫的走向主要為北西—南東向、北北東—南南西向、北東東—南西西向和東西向。

2）天然裂縫的發(fā)育受斷層、褶皺等局部構(gòu)造、脆性和巖石力學(xué)層厚度的控制。構(gòu)造是控制頁巖儲(chǔ)層天然裂縫發(fā)育的主要因素?？拷鼣鄬硬课涣芽p發(fā)育程度高，遠(yuǎn)離斷層部位受到局部構(gòu)造的影響，褶皺核部的構(gòu)造裂縫發(fā)育程度高，離褶皺核部越遠(yuǎn)，構(gòu)造裂縫發(fā)育程度越低；富含脆性礦物的頁巖，構(gòu)造裂縫更易發(fā)育；巖石力學(xué)層限制了層內(nèi)張裂縫的分布，巖石力學(xué)層厚度越大，層內(nèi)張裂縫發(fā)育程度越低。

3）層內(nèi)張裂縫和頁理縫有利于頁巖氣的富集，穿層剪切裂縫不利于頁巖氣的保存。在頁巖生烴條件相似的前提下，層內(nèi)張裂縫和頁理縫越發(fā)育，含氣性越好；穿層剪切裂縫越發(fā)育，含氣性越差?？拷鞲蓴鄬硬课?，穿層剪切裂縫的發(fā)育程度高，不利于頁巖氣的保存；遠(yuǎn)離主干斷層部位，不同成因類型的天然裂縫對(duì)頁巖含氣性的影響不同，因此需要開展頁巖裂縫的分類評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，可以更好地指導(dǎo)頁巖氣甜點(diǎn)區(qū)的評(píng)價(jià)。