郝越翔 劉佳杰 吳磊 周昕 李潔辛 江雨濛

（1.中國石油川慶鉆探工程有限公司頁巖氣勘探開發(fā)項目經(jīng)理部，四川 成都 610051；2.成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院，四川 成都 610059）

0 引言

四川盆地是中國西南部典型的大型沉積盆地之一，也是主要的天然氣產(chǎn)區(qū)，其中長寧—威遠地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組具有優(yōu)質(zhì)的頁巖氣資源［1］。2012年3 月，長寧—威遠地區(qū)被列為國家級頁巖氣示范區(qū)，多口鉆井的產(chǎn)氣量顯示出良好的勘探和開發(fā)前景，前期研究證明該地區(qū)的頁巖氣產(chǎn)量已經(jīng)達到數(shù)億立方米［2-3］。威遠龍馬溪組地層屬于深水陸棚優(yōu)質(zhì)頁巖，構(gòu)造改造較弱，是目前川內(nèi)頁巖氣開發(fā)的主力區(qū)域。其中，埋深超3 500 m 的區(qū)域資源潛力巨大，深層頁巖氣地質(zhì)資源量可達25.62×1012m3［4］。

威遠地區(qū)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖富含筆石，有機質(zhì)含量高。前人對該套地層的沉積條件、構(gòu)造條件、生烴條件、巖石化學(xué)特征、礦物學(xué)特征、孔隙結(jié)構(gòu)特征和分布特征進行了大量的研究［5-7］。此外，前人研究形成了關(guān)于五峰組—龍馬溪組的海相頁巖氣富集高產(chǎn)理論，包括“二元”富集理論、“三控”富集高產(chǎn)理論、基于筆石分層的“源—蓋控?zé)N”理論以及深層頁巖氣基于構(gòu)造差異性抬升影響的富集、逸散理論［8-9］。目前針對威遠地區(qū)龍馬溪組天然裂縫的類型及基本特征等進行了初步研究和認識，然而，由于缺乏對該層位天然裂縫基本特征和形成時期的研究，因而嚴重制約了對該地區(qū)天然裂縫和優(yōu)質(zhì)儲層的認識和預(yù)測。其研究認識深度和精細程度還不能滿足下一步氣藏開發(fā)方案的編制、工程工藝的設(shè)計與實施需求。

野外裂縫調(diào)查和巖心研究是了解天然裂縫形成時期最直接和有效的方法。然而，這些方法只能初步確定裂縫形成的先后順序，無法準確識別天然裂縫的具體形成時間。其制約了該區(qū)儲層分布預(yù)測及甜點區(qū)優(yōu)選等，因此急需在天然裂縫特征、形成期次、成因機制、分布規(guī)律等方面開展攻關(guān)研究。筆者基于研究區(qū)鉆井巖心、測井錄井及地震資料，利用構(gòu)造解析和地質(zhì)力學(xué)分析的方法，并結(jié)合碳氧同位素、流體包裹體等實驗測試方法，查明威遠龍馬溪組天然裂縫的基本特征，明確裂縫的形成期次及分布規(guī)律，為威遠龍馬溪組儲層評價、有利區(qū)優(yōu)選、優(yōu)質(zhì)儲層甜點區(qū)評價及勘探開發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

威遠地區(qū)位于四川盆地西南部，地理位置覆蓋內(nèi)江市威遠縣、資中縣、自貢市榮縣，構(gòu)造位置隸屬于川中隆起區(qū)的川西南低陡褶帶。威遠龍馬溪組與上覆地層下二疊統(tǒng)梁山組呈假整合接觸，與下伏上奧陶統(tǒng)五峰組呈整合接觸［10-11］。按照旋回特征自下而上可分為龍一段、龍二段，其中龍一段自下而上可分為龍一1亞段和龍一2亞段［12］。龍一1亞段黑色頁巖是研究重點，厚度分布在81.8～250.9 m，以富有機質(zhì)粉砂質(zhì)泥棚微相和富有機質(zhì)硅質(zhì)泥棚微相為主，具有良好的生烴能力［13-15］，從下至上可進一步細分為龍一11—龍一14小層。

威遠地區(qū)位于樂山—龍女寺隆起的東南翼，經(jīng)歷了多期運動疊加。威遠背斜在印支期碰撞造山、燕山早期板塊匯聚運動及燕山晚期—喜馬拉雅期構(gòu)造擠壓等多期運動疊合作用下，在NW-SE 向區(qū)域擠壓應(yīng)力控制下，地層持續(xù)抬升剝蝕，形成了復(fù)雜的斷裂樣式［16-18］。

2 天然裂縫的力學(xué)成因類型

基于大量的巖心觀察及薄片分析將威遠龍馬溪組天然裂縫劃分為構(gòu)造裂縫和非構(gòu)造裂縫兩大類（表1）。由于威遠地區(qū)龍馬溪組經(jīng)歷多期構(gòu)造運動，所以構(gòu)造裂縫較為發(fā)育［17-19］。根據(jù)裂縫產(chǎn)狀與力學(xué)類型，可將龍馬溪組構(gòu)造裂縫進一步劃分為剪切縫及張性縫兩類。在巖心、薄片及成像測井上剪切縫及張性縫呈現(xiàn)出不同的特征。在巖心上，剪切裂縫相互交切，呈共軛組系，縫面光滑平整，延伸長、多條裂縫相互交錯，發(fā)育階步；在薄片上，剪切縫縫面較為平直，可切割巖石顆粒，近直立為主；在成像測井上，剪切縫表現(xiàn)為幅度較大的正弦波形黑色暗條（圖1）。在巖心上，張性裂縫縫面粗糙、凹凸不平、呈彎曲狀，多組平行組系；在薄片上，裂縫不光滑，縫寬多變化，有效性較好，見方解石或泥質(zhì)充填；在成像測井上圖像形態(tài)特征主要為較大幅度的暗色正弦曲線（圖2）。

圖1 威遠地區(qū)龍馬溪組巖心、薄片、成像測井的剪切縫特征圖

圖2 威遠地區(qū)龍馬溪組巖心、薄片、成像測井中的張性縫特征圖

表1 基于力學(xué)成因類型威遠龍馬溪組天然裂縫的分類特征表

威遠龍馬溪組地層非構(gòu)造裂縫主要由層理縫和生烴超壓縫構(gòu)成。層理縫為龍馬溪組地層中最主要的非構(gòu)造裂縫，呈水平發(fā)育。薄層狀頁巖是受機械壓實及風(fēng)化作用影響，沿著頁巖力學(xué)薄弱的層理面發(fā)生破裂而形成的一種非構(gòu)造裂縫，為頁巖儲層流體的主要滲流通道及儲集空間。龍馬溪組大量發(fā)育的層理縫，部分被方解石充填（圖3）。生烴超壓縫多為微觀裂縫，掃描電鏡上生烴超壓縫發(fā)育在礦物顆粒邊緣或者有機質(zhì)內(nèi)部，裂縫形態(tài)無規(guī)則，多數(shù)為有效裂縫［20］。生烴超壓縫發(fā)育于龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖層段，呈現(xiàn)納微米小尺度、連通有效、定向性好等特征，為生烴超壓大規(guī)模排烴所導(dǎo)致［21］（圖4）。

圖3 威遠地區(qū)龍馬溪組巖心層理縫特征圖

圖4 威遠地區(qū)龍馬溪組頁巖生烴超壓縫特征圖

3 天然裂縫基本特征

3.1 裂縫基本參數(shù)特征

威遠龍馬溪組主要發(fā)育近水平和中低角度層理縫，中高角度構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度較低。其中，高角度縫和垂直裂縫占比17%，低角度縫和水平裂縫占比83%（圖5a）。構(gòu)造裂縫和層理縫開度集中分布在50 μm以下、10～30 μm之間（圖5b～5c）。與四川其他地區(qū)相比，威遠地區(qū)天然裂縫具有縫極細、層理縫占比高的特點。此外，研究進一步統(tǒng)計了不同井龍一1亞段的裂縫密度，發(fā)現(xiàn)龍一1亞段平均裂縫密度分布在2.2～4.8 條／m 范圍內(nèi)（圖5d）。約有68.9%的天然裂縫被方解石、石英、白云石等脆性礦物充填，其中主要充填礦物以石英為主；31.1%為未充填的裂縫，該類裂縫對頁巖氣富集十分有利（圖5e）。

圖5 威遠龍馬溪組天然裂縫的基本參數(shù)特征、充填物占比圖

3.2 天然裂縫分布特征

平面上，威遠地區(qū)的天然裂縫主要受控于斷層分布及構(gòu)造運動兩個因素。構(gòu)造裂縫主要是由構(gòu)造運動形成，其發(fā)育位置與構(gòu)造應(yīng)力分布相關(guān)，且主要受控于構(gòu)造擠壓和構(gòu)造抬升剝蝕作用。威遠地區(qū)經(jīng)歷多期構(gòu)造運動，形成了東西長、南北短的不對稱橢圓形背斜，研究區(qū)靠近威遠背斜核部構(gòu)造裂縫較為發(fā)育，靠近斷層中高角度裂縫斷層共派生裂縫較發(fā)育?？v向上，裂縫密度由龍一14小層到龍一11小層逐漸增加，其中龍一11小層裂縫密度最大。通過X射線衍射沉積巖全巖定量分析發(fā)現(xiàn)，石英含量與裂縫密度成正比，即石英含量越高、裂縫密度越大。

4 天然裂縫形成期次

根據(jù)研究區(qū)構(gòu)造演化、巖心裂縫的切割環(huán)繞關(guān)系以及前人對該區(qū)構(gòu)造演化期次的研究，結(jié)合裂縫充填物碳氧同位素及包裹體分析結(jié)果，分析研究區(qū)龍馬溪組天然裂縫形成期次。

4.1 裂縫分期配套分析

巖心上不同裂縫的充填次序及相互切割關(guān)系可作為地質(zhì)依據(jù)，從而推測天然裂縫形成期次［22-23］。威遠地區(qū)巖心裂縫相互切割關(guān)系與分期配套如圖6所示，從圖6a 中可見兩條不同時期形成的裂縫，一條為熱液填充的剪切縫，一條為方解石填充的剪切縫，填充物間接地證明了裂縫的形成期次；從圖6b巖心中可見一條晚期形成的高角度穿層剪切縫切割早期的剪切縫；圖6c 為早期形成的張性縫被晚期形成的層理縫錯開。通過對研究區(qū)多口井巖心進行觀察描述，從切割關(guān)系來看，裂縫是多期形成的，至少可見2期。此外，通過薄片觀察發(fā)現(xiàn)威遠地區(qū)龍馬溪組微裂縫發(fā)育，并且存在明顯多期裂縫切割錯斷現(xiàn)象。圖6d 為早期形成的剪切縫被晚期的張性縫切割，呈現(xiàn)明顯的兩期特征，反映出兩期裂縫充填物存在差異。圖6e 薄片樣品存在明顯的三期相互切割關(guān)系，綜合巖心、成像測井及薄片觀察可見威遠地區(qū)龍馬溪組發(fā)育2～3 期裂縫。威遠地區(qū)成像測井解釋裂縫結(jié)果顯示，研究區(qū)龍馬溪組主要發(fā)育NW-SE向、NNW-SSE 向兩組構(gòu)造裂縫，其中NW-SE 向最為發(fā)育，其次為NNW-SSE向，與前人發(fā)現(xiàn)的野外露頭所反映的優(yōu)勢組系具有較高的一致性（圖6f）。

圖6 威遠地區(qū)巖心裂縫相互切割關(guān)系與分期配套圖

4.2 裂縫充填期次測定

根據(jù)天然裂縫充填物包裹體的均一溫度可以進一步判斷裂縫形成時間。研究區(qū)天然裂縫中脈體的流體包裹體均一溫度介于40～150 ℃，可以分為3個區(qū)間，分別是40～60 ℃，90～120 ℃，140～150 ℃（圖7a），結(jié)合構(gòu)造埋藏演化史，分別對應(yīng)了3 個時期。此外，通過對裂縫充填物的穩(wěn)定碳氧同位素進行測定，分析整理實驗數(shù)據(jù)并建立δ13C值與δ18O值交匯圖，可實現(xiàn)對裂縫不同充填期次的劃分，進而推測裂縫的形成期次［24］。利用研究區(qū)裂縫充填物穩(wěn)定同位素數(shù)據(jù)對研究區(qū)裂縫形成期次進行分析，結(jié)果顯示δ18O 值介于-11.8‰～-3.5‰，δ13C 的值介于-16.1‰～-3.0‰，充填礦物中δ18O和δ13C值存在較大差異，顯示出多期充填的特征（圖7b）。利用Fritz等提出的氧同位素測溫方程，推算裂縫形成時的古溫度［25］：

圖7 威遠龍馬溪組天然裂縫形成期次實驗測試成果圖

通過δ18O—δ13C圖解法分析發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)較為明顯地分布在3 個區(qū)域，并按研究區(qū)常年平均地面溫度20 ℃、地溫梯度2.65 ℃／100 m 計算裂縫形成時的埋藏深度。綜合分析得出，裂縫至少分為三期形成，第一期裂縫充填物δ18O值介于-6.15‰～-2.13‰、δ13C 值介于-15.8‰～-14.3‰；第二期裂縫充填物δ18O 值介于-9.02‰～-4.12‰、δ13C 值介于-13.9‰～-9.8‰；第三期裂縫充填物δ18O 值介于-12.17‰～-8.18‰、δ13C值介于-6.8‰～-2.5‰（圖7）。

5 裂縫形成演化模式

利用Basinmod 盆地模擬軟件恢復(fù)威遠地區(qū)w3 井的埋藏史。結(jié)合巖心及薄片切割關(guān)系、包裹體充填礦物均一溫度分布情況、碳氧同位素充填分析等結(jié)果，并與埋藏演化史匹配進而確定研究區(qū)構(gòu)造裂縫形成時期（圖8）。

圖8 威遠地區(qū)單井構(gòu)造埋藏演化史及裂縫形成期次模式圖

巖心、成像測井及薄片上觀察到威遠龍馬溪組至少存在2～3 期天然裂縫，裂縫充填物碳氧同位素及包裹體實驗測試顯示均存在3期天然裂縫。將實驗計算的溫度疊合到構(gòu)造埋藏演化史發(fā)現(xiàn)：威遠龍馬溪組天然裂縫大規(guī)模形成于距今200～250 Ma（印支期）、 距今160～180 Ma（燕山期）及距今10～20 Ma（喜馬拉雅晚期）3個時期。其中，印支期龍馬溪組地層受到伸展及短暫的弱擠壓抬升作用，最大的古構(gòu)造應(yīng)力范圍為39.3～59.9 MPa，發(fā)育少量的NW 剪切縫及砂泥互層層理縫。燕山期最大的古構(gòu)造應(yīng)力范圍為63.6～80.0 MPa，龍馬溪組地層受到燕山期應(yīng)力作用在斷層附近、背斜高部位發(fā)育NW剪切縫和生烴超壓縫。喜馬拉雅晚期近北西向快速強烈擠壓作用，最大的古構(gòu)造應(yīng)力范圍為80.9～100.0 MPa，在斷層附近、背斜高部位發(fā)育近NW和NWW組系剪切縫，背斜核部發(fā)育近S-N組系張性縫。

6 結(jié)論

1）依據(jù)力學(xué)成因，將威遠龍馬溪組天然裂縫劃分為構(gòu)造裂縫、生烴超壓縫及層理縫3種類型；天然裂縫具有寬度細、水平層理縫占比高、偶見高角度構(gòu)造縫、有效性低的特征；巖心統(tǒng)計和有效裂縫測井識別結(jié)果均顯示龍一1亞段裂縫最為發(fā)育，隨著龍馬組地層埋深的增加，裂縫發(fā)育密度逐漸增大。

2）結(jié)合研究區(qū)構(gòu)造演化史、巖心裂縫切割環(huán)繞關(guān)系、裂縫充填物碳氧同位素及包裹體實驗結(jié)果認為，威遠龍馬溪組發(fā)育三期天然裂縫，分別形成于距今200～250 Ma（印支期）、距今160～180 Ma（燕山期）和距今10～20 Ma（喜馬拉雅晚期）的3個時期，其中燕山期及喜馬拉雅晚期是天然裂縫大規(guī)模形成的時期。

3）根據(jù)威遠龍馬溪組天然裂縫全區(qū)時間演化序列，研究區(qū)印支期發(fā)育少量的NW剪切縫及砂泥互層層理縫；燕山期在斷層附近、背斜高部位發(fā)育NW剪切縫和生烴超壓縫；喜馬拉雅晚期在斷層附近、背斜高部位發(fā)育近NW和NWW組系剪切縫，背斜核部發(fā)育近S-N組系張性縫。