四川盆地涪陵地區海相頁巖天然裂縫特征及對頁巖氣的影響

田 鶴，曾聯波，徐 翔，舒志國，彭勇民，毛 哲，羅 兵

[1.油氣資源與探測國家重點實驗室 中國石油大學(北京)，北京 102249; 2.中國石油大學(北京) 地球科學學院，北京 102249;3.中國石化 石油勘探開發研究院，北京 100083； 4.中國石化 江漢油田分公司 勘探開發研究院，湖北 武漢 430223]

頁巖氣是指主要以吸附態或游離態賦存于富有機質頁巖地層中的非常規天然氣資源[1-3]，近年來北美地區頁巖氣開發取得的巨大成功在全球范圍內掀起了頁巖氣勘探開發的熱潮[4-6]。中國南方海相頁巖氣勘探也取得重大突破，在四川盆地先后發現了涪陵、威遠、長寧等頁巖氣富集高產區[7-9]。頁巖氣分布范圍廣、潛在資源量巨大，但由于頁巖儲層具有低孔、特低滲的特點導致頁巖氣的開發難度大，需要經過人工體積壓裂改造后才能夠獲得工業產能[10-11]。天然裂縫的發育可為頁巖氣富集提供有效的儲存空間，改善儲層的滲流能力，同時對水力壓裂效果具有重要影響[12-14]。近年來，隨著頁巖氣勘探開發的深入，人們對頁巖天然裂縫的發育特征、主控因素以及對頁巖氣成藏和開發的影響等方面開展了大量工作，取得了一定的認識[15-21]，但針對不同成因類型裂縫的主控因素及其對頁巖含氣性影響方面的研究工作尚顯不足，為此，本文以四川盆地涪陵地區五峰組-龍馬溪組海相頁巖為研究對象，通過野外露頭、巖心、薄片裂縫觀察以及FMI成像測井解釋等手段，深入分析了海相頁巖天然裂縫的成因類型、發育特征、主控因素及不同類型天然裂縫對頁巖氣富集與保存的影響，以期為四川盆地海相頁巖氣的進一步勘探開發提供依據和借鑒。

1 地質背景

涪陵地區位于四川盆地東部隔擋式褶皺帶萬縣復向斜內部，其東側為盆地邊緣的齊岳山斷裂，西側與川中構造相接并以華鎣山斷裂為界，北側緊鄰秦嶺褶皺帶。研究區構造整體呈北東向展布的“侏羅山式”結構，構造變形具有明顯的南東強北西弱、南東早北西晚的遞進變形特征[22-24](圖1)。研究區自震旦紀以來經歷多期構造作用，具有早期沉降、晚期隆升的特點，發育晚震旦世至三疊紀地層，目的層為上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組的含氣頁巖段，厚度介于83～100 m，巖性以含放射蟲硅質頁巖、炭質頁巖和粉砂質頁巖為主，為深水陸棚沉積，平面展布穩定。其中優質頁巖段(TOC≥2%)厚度在35～45 m，有機質類型為Ⅰ型，Ro值為2.20%～3.06%，是涪陵地區主要產氣層段[25-26]。截至2018年底，涪陵頁巖氣田累計產氣已突破2.0×1011m3，現已建成中國首個年產能1.0×1011m3的大型頁巖氣田。

2 裂縫類型及特征

通過對研究區內5口井395 m的巖心觀察及周邊7條野外露頭的觀測，五峰組-龍馬溪組頁巖裂縫根據地質成因不同可分為3種類型：構造裂縫、成巖裂縫以及異常高壓裂縫[12,19-20]。

2.1 構造裂縫

構造裂縫是指在構造應力場作用下形成的天然裂縫，是頁巖最主要的天然裂縫類型。根據構造裂縫的力學性質及其與層面之間的關系，研究區頁巖構造裂縫可進一步分為層內張開裂縫、穿層剪切裂縫以及順層剪切裂縫3種類型。

2.1.1 層內張開裂縫

層內張開裂縫受單一巖石力學層控制，裂縫在巖石力學層內部發育，兩端終止于巖石力學層的上下界面(圖2a，圖3a)，裂縫面平整與層面近垂直或呈大角度相交(大于70°)。野外露頭上層內張開裂縫充填程度弱，僅少數裂縫被方解石充填，而巖心上裂縫多被石英、方解石、黃鐵礦充填，以方解石為主(圖4a，b)。層內張開裂縫發育廣泛，巖心和野外露頭上常見多組裂縫相交形成網狀裂縫，其中同組系裂縫具有良好的等間距性，裂縫密度隨巖石力學層厚度的增大呈遞減趨勢(圖5)。

2.1.2 穿層剪切裂縫

穿層剪切裂縫是在地層處于擠壓應力作用下巖石發生剪切破裂形成的裂縫，裂縫側向延伸長，垂向上可穿過多套巖石力學層，裂縫高度從幾米至幾十米高，裂縫規模大方向性明顯(圖2b)。露頭上可見穿層剪切裂縫與層面近垂直呈等間距分布(圖3b)；亦可見其在局部地層密集發育，縫面與層面近垂直或與層面斜交(圖3c)。與層內張開裂縫相比，穿層剪切裂縫密度與巖石力學層厚度相關性明顯變差[12]。

圖1 四川盆地涪陵地區構造特征(a)及研究區位置(b)(據文獻[27]修改)Fig.1 Structural features(a) and location(b) of Fuling area,Sichuan Basin(modified after reference[27])

2.1.3 順層剪切裂縫

順層剪切裂縫是指在伸展或擠壓構造背景下，巖層在順層剪切應力作用下發生破裂形成的裂縫[28]。頁巖中順層剪切裂縫主要沿頁理面等軟弱結構面發生破裂，形成的裂縫與層面大致平行或低角度相交，縫面上擦痕方向明顯具有顯著的鏡面特征(圖2c)；裂縫局部可見方解石充填(圖3d)，但整體充填程度較弱，側向連通性好。順層剪切裂縫的發育程度受地層傾角的影響較大，一般隨地層傾角的增大裂縫的規模和密度均會有所增大[12]。研究區五峰組-龍馬溪組頁巖順層剪切裂縫較為發育，巖心上局部可見裂縫密集發育形成順層剪切裂縫帶。

2.2 成巖裂縫

2.2.1 頁理縫

頁理縫是指成巖演化過程中巖層在多種成巖作用下沿著頁理面發生破裂形成的裂縫，這些成巖作用主要包括機械壓實作用、失水收縮作用、溶蝕作用、有機質演化作用以及破裂作用等。頁理縫具有順頁理面發生彎曲、斷續、分枝、尖滅等分布特點[12](圖2d，圖4d)。巖心上可見頁理縫密集發育，裂縫開度在幾百納米至幾十微米之間；與順層剪切裂縫相比，頁理縫的規模小且側向聯通性差，縫面無擦痕現象。頁理縫的發育可增大頁巖的儲存空間、改善儲層的滲流能力，同時對后期水力壓裂的效果具有重要影響[20]。

2.2.2 收縮裂縫

收縮裂縫是指泥頁巖在成巖早期或成巖過程中，由于熱收縮作用、干燥作用、脫水作用、礦物相變作用等造成的巖石收縮體積減小而形成的裂縫[29]。此類裂縫規模小，延伸短，方向性不明顯；縱向上呈“V”形分布，裂縫形成后多被后期沉積物充填。

圖2 四川盆地涪陵地區五峰組-龍馬溪組頁巖巖心裂縫特征Fig.2 Characteristics of the fractures in cores from Wufeng-Longmaxi Formations in Fuling area,Sichuan Basina.層內張開裂縫，方解石充填，JY87-3井，埋深3 648 m；b.穿層剪切裂縫，JY143-5井，埋深2 840 m；c.順層剪切裂縫，JY41-5井，埋深2 618 m；d.頁理縫，JY190-2井，埋深4 030 m；e.異常高壓裂縫，JY182-6井，埋深3 508 m；f.順層脈狀裂縫，纖維狀方解石黃鐵礦充填，JY145-2井， 埋深2 217 m

圖4 四川盆地涪陵地區五峰組-龍馬溪組頁巖薄片裂縫發育特征Fig.4 Characteristics of the fractures in thin sections from Wufeng-Longmaxi Formations in Fuling area,Sichuan Basina.構造裂縫被方解石充填，LY1井，埋深2 835 m；b.構造裂縫被石英充填，LY1井，埋深2 835 m；c.垂向裂縫被順層剪切裂縫錯斷，JY190-2井，埋深4 039.73 m； d.頁理縫縫面彎曲，規模小，側向聯通性差，漆遼剖面；e.異常高壓裂縫，被石英、方解石充填，JY51-2井，埋深3 047.1 m；f.順 層脈狀裂縫被纖維狀方解石、石英充填，漆遼剖面

圖5 四川盆地涪陵地區郁山剖面五峰組-龍馬溪組頁巖裂縫層內張開裂縫密度與巖石力學層厚度的關系Fig.5 The relationship of intra-layer aperture fracture density and rock mechanical strategraphic thickness in the Wufeng-Longmaxi Formation shale from Yushan outcrop in Fuling area,Sichuan Basin

2.3 異常高壓裂縫

異常高壓裂縫是指巖石內部孔隙流體壓力超過巖石抗張強度時，巖石發生張性破裂形成的一種裂縫類型。通常情況下異常高壓裂縫延伸較短，縫面形態不規則，不成組系，且多被瀝青、方解石充填(圖2e，圖3e，圖4e)。除此之外，富有機質頁巖中還廣泛發育一種順層脈狀裂縫[21,31]，此類裂縫是在異常流體壓力作用下沿頁理面張開形成的裂縫，多被纖維狀方解石、石英以及黃鐵礦充填，具有明顯的張性特征，是泥質烴源巖內油氣高壓排烴和運移的重要標志[32-33](圖2f，圖3f，圖4f)。

3 裂縫發育主控因素

天然裂縫的發育程度受多種因素控制，其中構造裂縫主要受構造作用及構造部位、巖石力學層厚度及脆性礦物含量控制；頁理縫主要受頁理發育程度、脆性礦物含量、異常流體壓力、有機質含量及其熱演化程度控制；異常高壓裂縫的形成與異常流體壓力有關，受異常流體壓力的形成與分布控制。

3.1 構造

構造作用是影響頁巖構造裂縫發育程度的重要地質因素，不同時期構造運動的強度及方向的差異會導致其形成構造裂縫的發育程度、分布規律存在明顯差異。即使在同一構造運動作用下，不同構造部位也會因所受應力不同導致裂縫的發育和分布不同。同一巖相條件下，斷層上盤的變形程度高于下盤，裂縫更為發育，并且隨著地層距離斷層面越近，裂縫發育程度越大[12,19]。例如，研究區JY41-5井靠近北東向的石門斷層，通過FMI成像測井資料，目的層裂縫密度為0.93條/m；而遠離斷層的JY11-4井，目的層頁巖的礦物成分和TOC含量等條件相同，通過FMI成像測井資料，裂縫密度為0.16條/m，斷層附近井的裂縫發育程度明顯高于遠離斷層的井。

3.2 巖石力學層厚度

巖石力學層厚度主要影響層內張開裂縫的發育程度。巖石力學層是指一套巖石力學行為相近或巖石力學性質相一致的巖層[33]。層內張開裂縫受單一巖石力學層控制，在巖石力學層內部發育，與巖石力學層近垂直，并終止與巖石力學層上下界面上。巖石力學層內部同組系層內張開裂縫具有良好的等間距性，裂縫發育程度、規模受巖石力學層厚度控制，在一定厚度范圍內，巖石力學層厚度越大，裂縫規模越大，裂縫密度越低(圖5)。而穿層剪切裂縫和順層剪切裂縫的發育程度受巖石力學層厚度影響較小[12]。

3.3 脆性礦物含量

頁巖的脆性礦物含量影響構造裂縫和頁理縫的發育程度。X衍射分析資料表明，涪陵地區五峰組-龍馬溪組頁巖主要由粘土礦物、石英、方解石、白云石、黃鐵礦等礦物組成，其中脆性礦物主要包括石英、長石、碳酸鹽巖[34]。脆性礦物含量的高低直接影響頁巖的巖石力學性質，在相同的外力作用下，脆性礦物含量越高頁巖越容易發生破裂，在地質歷史時期也越容易形成裂縫，因而脆性礦物含量高的頁巖構造裂縫更發育。通過研究區4口導眼井巖心構造裂縫統計及礦物成分分析表明，五峰組-龍馬溪組頁巖構造裂縫密度與石英含量之間大體呈正相關關系，而與粘土礦物含量之間大體呈負相關關系(圖6)，因此，在石英含量高、粘土礦物含量低的頁巖中構造裂縫發育程度高。此外，石英含量的高低還影響頁理縫的發育程度。成巖演化過程中在相同的成巖作用下，高脆性頁巖的頁理面更容易發生破裂，因而硅質含量越高頁理縫發育程度越大[22]。

3.4 有機質含量及其熱演化程度

有機質含量及其熱演化程度對頁巖構造裂縫、頁理縫以及異常高壓裂縫的發育程度具有重要影響。五峰組-龍馬溪組一段一亞段頁巖中硅質含量較高，硅質來源主要為生物成因硅[35-36]，石英含量與有機質含量之間存在較好的正相關關系(圖7)，隨著有機質含量增加石英含量隨之增大。因此富有機質頁巖通常具有較高的石英含量，頁巖的脆性大、構造裂縫發育(圖8)。此外，有機質在熱演化過程中會生成大量的烴類，這些烴類在封閉的頁巖體系中難以排出很容易形成異常流體壓力，并且隨著熱演化程度的升高，有機質由生油階段逐漸演變為生氣階段，生烴增壓效果更為顯著[37]。因此在有機質含量高、熱演化程度高的頁巖中頁理縫和異常高壓裂縫較為發育。研究區頁巖熱演化程度較高，Ro介于2%～3.5%，已經進入油氣生成的后期階段；其中燕山晚期為研究區的主要生氣階段[38]，此時的生烴量遠高于排烴量，形成的異常流體壓力有利于研究區頁理縫和異常高壓裂縫的形成。

圖6 四川盆地涪陵地區五峰組-龍馬溪組頁巖巖心構造裂縫密度與石英含量(a)、粘土礦物含量(b)的關系Fig.6 The correlation of tectonic fracture density with quartz content(a) and clay mineral content(b) in Wufeng-Longmaxi Formation shale,Fuling area,Sichuan Basin

圖7 四川盆地涪陵地區JY11-4井五峰組-龍馬溪組一段一亞段頁巖石英含量與TOC含量的關系Fig.7 The correlation of quartz content with TOC content in the 1st member shale of Wufeng-Longmaxi Formations in Well JY11-4,Fuling area,Sichuan Basin

圖8 四川盆地涪陵地區五峰組-龍馬溪組頁巖巖心構造裂縫密度與TOC含量的關系Fig.8 The correlation of tectonic fracture density in core with TOC content in Wufeng-Longmaxi Formation shale,Fuling area,Sichuan Basin

3.5 頁理發育程度

頁理的發育程度影響頁理縫的發育情況。沉積巖石學中將厚度小于1 cm的水平細層定義為頁理。頁理面是頁巖內部的力學薄弱面極易發生剝離，因此頁理越發育的地層其內部力學薄弱面越多，越容易形成頁理縫。研究區五峰組-龍馬溪組一段一亞段頁理最發育，頁理縫密度大，整體頁理縫極發育；中部龍馬溪組一段二亞段頁理不發育，頁理縫密度小，整體頁理縫欠發育；上部龍馬溪組一段三亞段頁理發育，頁理縫密度大，整體頁理縫較發育[22]。

3.6 異常高壓

異常高壓控制著頁巖氣儲層異常高壓裂縫的形成，當孔隙流體壓力增大到一定程度時會首先導致其內部的力學薄弱面張開，如頁理面或先存裂縫的張開；而在頁理不發育缺少先存裂縫的地層則會形成新的泄壓裂縫。丁文龍等[38]研究認為當大于靜水柱壓力的部分流體壓力等于基質壓力的1/2或1/3時，泥頁巖中開始形成超壓裂縫。而當孔隙流體壓力降低至正?？紫读黧w壓力的1.2～1.3倍時，裂縫會發生閉合停止泄壓作用[39]。研究區五峰組-龍馬溪組頁巖現今地層壓力系數介于1.3～1.6[40]，較高的孔隙壓力有利于異常高壓裂縫的保存，對頁巖氣的富集具有重要意義。泥頁巖異常流體壓力的形成機制主要包括欠壓實作用，粘土礦物脫水轉化、有機質生烴增壓以及構造擠壓作用等[41]，通常一個地區異常流體壓力的形成是多種因素共同作用的結果。焦石壩地區構造較為平緩，構造擠壓作用較弱，異常高壓成因機制主要以有機質生烴增壓作用和欠壓實作用為主。而位于其鄰區的平橋和江東地區構造復雜擠壓作用強烈，除上述兩種作用以外構造擠壓作用也是該區異常高壓的重要成因機制之一[40]。

4 天然裂縫對頁巖氣富集與保存的影響

天然裂縫對頁巖含氣性的影響主要表現在兩個方面，一方面天然裂縫可作為頁巖氣的儲存空間，對頁巖氣的富集起促進作用；另一方面天然裂縫可作為頁巖氣的高效運移通道，對頁巖氣的保存起破壞作用。天然裂縫對頁巖氣藏保存與破壞的程度主要取決于裂縫的規模、發育程度以及裂縫的有效性。不同類型的天然裂縫由于其基本特征、分布規律不同，對含氣性的影響也不同(表1)。

收縮裂縫主要在成巖早期形成，裂縫規模小且多被泥質充填，此類裂縫對頁巖氣的產能貢獻較小[12]。一般情況下，異常高壓裂縫在頁巖裂縫中僅占很小的比例，且多被礦物完全充填對頁巖氣產能貢獻也較小。層內張開裂縫與頁理縫在頁巖層內發育，裂縫規模小，因此不會造成頁巖氣的大量散失。未被充填的層內張開裂縫和頁理縫有利于頁巖氣從吸附態向游離態轉化并最終賦存于裂縫中，兩類裂縫的發育程度越高，越有利于頁巖氣的富集。此外，巖心上被充填的層內張開裂縫充填物多以方解石為主，而方解石充填物與硅質含量較高的頁巖裂縫面之間很難形成連續性的結晶體，充填物與裂縫面之間的抗張強度約為母巖強度的一半[42]，因此即使層內張開裂縫被方解石完全充填，在水力壓裂過程中也很容易發生再次開啟，有利于頁巖氣的解吸和游離氣的滲流。

表1 海相頁巖天然裂縫特征及對頁巖氣的影響Table 1 Natural fractures of marine shale and their influence on shale gas

穿層剪切裂縫及順層剪切裂縫發育規模大，是影響頁巖氣保存條件的主要裂縫類型。由于穿層剪切裂縫和順層剪切裂縫的特征不同，其對頁巖氣保存條件的影響主要分為兩種情況：在低角度的頁層系如焦石壩背斜主體區域，順層剪切裂縫呈水平分布且發育程度低，在上覆地層壓力的作用下裂縫開度小側向連通性差；而此時穿層剪切裂縫呈高角度分布溝通上覆地層，容易造成頁巖氣的垂向散失，其發育規?？刂浦搸r氣的保存條件。相反，在高角度的頁巖層系如焦石壩背斜的兩翼，穿層剪切裂縫的傾角較低，而順層剪切裂縫呈高角度分布，并且隨著地層傾角的增大順層剪切裂縫的發育規模及發育程度均增大，此時順層剪切裂縫是控制頁巖氣保存的關鍵因素[12]。

5 結論

1) 涪陵地區五峰組-龍馬溪組頁巖裂縫根據地質成因不同可分為3種類型：構造裂縫、成巖裂縫以及異常高壓裂縫。構造裂縫包括層內張開裂縫、穿層剪切裂縫及順層剪切裂縫；成巖裂縫包括頁理縫、收縮裂縫。

2) 涪陵地區五峰組-龍馬溪組頁巖裂縫發育程度受多種因素控制，其中構造裂縫主要受構造作用及構造部位、巖石力學層厚度及脆性礦物含量控制；頁理縫主要受頁理發育程度、脆性礦物含量、異常流體壓力、有機質含量及其熱演化程度控制；異常高壓裂縫的形成與異常流體壓力有關，受異常流體壓力的形成與分布控制。

3) 不同天然裂縫對頁巖氣的影響不同，與其實際地質條件有關。層內張開裂縫和頁理縫在頁巖層內發育，裂縫規模小，可為頁巖氣富集提供良好的儲集空間；穿層剪切裂縫和順層剪切裂縫發育規模大，裂縫呈高角度分布時容易造成頁巖氣的散失，影響頁巖氣的保存條件；收縮裂縫和異常高壓裂縫的發育程度低和有效性差，對頁巖氣富集和保存的影響較小。由于不同裂縫對頁巖氣的作用不同，因此在頁巖氣儲層的裂縫研究時，需要進行分類評價與預測。