四川盆地涪陵地区海相页岩天然裂缝特征及对页岩气的影响

田 鹤，曾联波，徐 翔，舒志国，彭勇民，毛 哲，罗 兵

[1.油气资源与探测国家重点实验室 中国石油大学(北京)，北京 102249; 2.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249;3.中国石化 石油勘探开发研究院，北京 100083； 4.中国石化 江汉油田分公司 勘探开发研究院，湖北 武汉 430223]

页岩气是指主要以吸附态或游离态赋存于富有机质页岩地层中的非常规天然气资源[1-3]，近年来北美地区页岩气开发取得的巨大成功在全球范围内掀起了页岩气勘探开发的热潮[4-6]。中国南方海相页岩气勘探也取得重大突破，在四川盆地先后发现了涪陵、威远、长宁等页岩气富集高产区[7-9]。页岩气分布范围广、潜在资源量巨大，但由于页岩储层具有低孔、特低渗的特点导致页岩气的开发难度大，需要经过人工体积压裂改造后才能够获得工业产能[10-11]。天然裂缝的发育可为页岩气富集提供有效的储存空间，改善储层的渗流能力，同时对水力压裂效果具有重要影响[12-14]。近年来，随着页岩气勘探开发的深入，人们对页岩天然裂缝的发育特征、主控因素以及对页岩气成藏和开发的影响等方面开展了大量工作，取得了一定的认识[15-21]，但针对不同成因类型裂缝的主控因素及其对页岩含气性影响方面的研究工作尚显不足，为此，本文以四川盆地涪陵地区五峰组-龙马溪组海相页岩为研究对象，通过野外露头、岩心、薄片裂缝观察以及FMI成像测井解释等手段，深入分析了海相页岩天然裂缝的成因类型、发育特征、主控因素及不同类型天然裂缝对页岩气富集与保存的影响，以期为四川盆地海相页岩气的进一步勘探开发提供依据和借鉴。

1 地质背景

涪陵地区位于四川盆地东部隔挡式褶皱带万县复向斜内部，其东侧为盆地边缘的齐岳山断裂，西侧与川中构造相接并以华蓥山断裂为界，北侧紧邻秦岭褶皱带。研究区构造整体呈北东向展布的“侏罗山式”结构，构造变形具有明显的南东强北西弱、南东早北西晚的递进变形特征[22-24](图1)。研究区自震旦纪以来经历多期构造作用，具有早期沉降、晚期隆升的特点，发育晚震旦世至三叠纪地层，目的层为上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组的含气页岩段，厚度介于83～100 m，岩性以含放射虫硅质页岩、炭质页岩和粉砂质页岩为主，为深水陆棚沉积，平面展布稳定。其中优质页岩段(TOC≥2%)厚度在35～45 m，有机质类型为Ⅰ型，Ro值为2.20%～3.06%，是涪陵地区主要产气层段[25-26]。截至2018年底，涪陵页岩气田累计产气已突破2.0×1011m3，现已建成中国首个年产能1.0×1011m3的大型页岩气田。

2 裂缝类型及特征

通过对研究区内5口井395 m的岩心观察及周边7条野外露头的观测，五峰组-龙马溪组页岩裂缝根据地质成因不同可分为3种类型：构造裂缝、成岩裂缝以及异常高压裂缝[12,19-20]。

2.1 构造裂缝

构造裂缝是指在构造应力场作用下形成的天然裂缝，是页岩最主要的天然裂缝类型。根据构造裂缝的力学性质及其与层面之间的关系，研究区页岩构造裂缝可进一步分为层内张开裂缝、穿层剪切裂缝以及顺层剪切裂缝3种类型。

2.1.1 层内张开裂缝

层内张开裂缝受单一岩石力学层控制，裂缝在岩石力学层内部发育，两端终止于岩石力学层的上下界面(图2a，图3a)，裂缝面平整与层面近垂直或呈大角度相交(大于70°)。野外露头上层内张开裂缝充填程度弱，仅少数裂缝被方解石充填，而岩心上裂缝多被石英、方解石、黄铁矿充填，以方解石为主(图4a，b)。层内张开裂缝发育广泛，岩心和野外露头上常见多组裂缝相交形成网状裂缝，其中同组系裂缝具有良好的等间距性，裂缝密度随岩石力学层厚度的增大呈递减趋势(图5)。

2.1.2 穿层剪切裂缝

穿层剪切裂缝是在地层处于挤压应力作用下岩石发生剪切破裂形成的裂缝，裂缝侧向延伸长，垂向上可穿过多套岩石力学层，裂缝高度从几米至几十米高，裂缝规模大方向性明显(图2b)。露头上可见穿层剪切裂缝与层面近垂直呈等间距分布(图3b)；亦可见其在局部地层密集发育，缝面与层面近垂直或与层面斜交(图3c)。与层内张开裂缝相比，穿层剪切裂缝密度与岩石力学层厚度相关性明显变差[12]。

图1 四川盆地涪陵地区构造特征(a)及研究区位置(b)(据文献[27]修改)Fig.1 Structural features(a) and location(b) of Fuling area,Sichuan Basin(modified after reference[27])

2.1.3 顺层剪切裂缝

顺层剪切裂缝是指在伸展或挤压构造背景下，岩层在顺层剪切应力作用下发生破裂形成的裂缝[28]。页岩中顺层剪切裂缝主要沿页理面等软弱结构面发生破裂，形成的裂缝与层面大致平行或低角度相交，缝面上擦痕方向明显具有显著的镜面特征(图2c)；裂缝局部可见方解石充填(图3d)，但整体充填程度较弱，侧向连通性好。顺层剪切裂缝的发育程度受地层倾角的影响较大，一般随地层倾角的增大裂缝的规模和密度均会有所增大[12]。研究区五峰组-龙马溪组页岩顺层剪切裂缝较为发育，岩心上局部可见裂缝密集发育形成顺层剪切裂缝带。

2.2 成岩裂缝

2.2.1 页理缝

页理缝是指成岩演化过程中岩层在多种成岩作用下沿着页理面发生破裂形成的裂缝，这些成岩作用主要包括机械压实作用、失水收缩作用、溶蚀作用、有机质演化作用以及破裂作用等。页理缝具有顺页理面发生弯曲、断续、分枝、尖灭等分布特点[12](图2d，图4d)。岩心上可见页理缝密集发育，裂缝开度在几百纳米至几十微米之间；与顺层剪切裂缝相比，页理缝的规模小且侧向联通性差，缝面无擦痕现象。页理缝的发育可增大页岩的储存空间、改善储层的渗流能力，同时对后期水力压裂的效果具有重要影响[20]。

2.2.2 收缩裂缝

收缩裂缝是指泥页岩在成岩早期或成岩过程中，由于热收缩作用、干燥作用、脱水作用、矿物相变作用等造成的岩石收缩体积减小而形成的裂缝[29]。此类裂缝规模小，延伸短，方向性不明显；纵向上呈“V”形分布，裂缝形成后多被后期沉积物充填。

图2 四川盆地涪陵地区五峰组-龙马溪组页岩岩心裂缝特征Fig.2 Characteristics of the fractures in cores from Wufeng-Longmaxi Formations in Fuling area,Sichuan Basina.层内张开裂缝，方解石充填，JY87-3井，埋深3 648 m；b.穿层剪切裂缝，JY143-5井，埋深2 840 m；c.顺层剪切裂缝，JY41-5井，埋深2 618 m；d.页理缝，JY190-2井，埋深4 030 m；e.异常高压裂缝，JY182-6井，埋深3 508 m；f.顺层脉状裂缝，纤维状方解石黄铁矿充填，JY145-2井， 埋深2 217 m

图4 四川盆地涪陵地区五峰组-龙马溪组页岩薄片裂缝发育特征Fig.4 Characteristics of the fractures in thin sections from Wufeng-Longmaxi Formations in Fuling area,Sichuan Basina.构造裂缝被方解石充填，LY1井，埋深2 835 m；b.构造裂缝被石英充填，LY1井，埋深2 835 m；c.垂向裂缝被顺层剪切裂缝错断，JY190-2井，埋深4 039.73 m； d.页理缝缝面弯曲，规模小，侧向联通性差，漆辽剖面；e.异常高压裂缝，被石英、方解石充填，JY51-2井，埋深3 047.1 m；f.顺 层脉状裂缝被纤维状方解石、石英充填，漆辽剖面

图5 四川盆地涪陵地区郁山剖面五峰组-龙马溪组页岩裂缝层内张开裂缝密度与岩石力学层厚度的关系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 异常高压裂缝

异常高压裂缝是指岩石内部孔隙流体压力超过岩石抗张强度时，岩石发生张性破裂形成的一种裂缝类型。通常情况下异常高压裂缝延伸较短，缝面形态不规则，不成组系，且多被沥青、方解石充填(图2e，图3e，图4e)。除此之外，富有机质页岩中还广泛发育一种顺层脉状裂缝[21,31]，此类裂缝是在异常流体压力作用下沿页理面张开形成的裂缝，多被纤维状方解石、石英以及黄铁矿充填，具有明显的张性特征，是泥质烃源岩内油气高压排烃和运移的重要标志[32-33](图2f，图3f，图4f)。

3 裂缝发育主控因素

天然裂缝的发育程度受多种因素控制，其中构造裂缝主要受构造作用及构造部位、岩石力学层厚度及脆性矿物含量控制；页理缝主要受页理发育程度、脆性矿物含量、异常流体压力、有机质含量及其热演化程度控制；异常高压裂缝的形成与异常流体压力有关，受异常流体压力的形成与分布控制。

3.1 构造

构造作用是影响页岩构造裂缝发育程度的重要地质因素，不同时期构造运动的强度及方向的差异会导致其形成构造裂缝的发育程度、分布规律存在明显差异。即使在同一构造运动作用下，不同构造部位也会因所受应力不同导致裂缝的发育和分布不同。同一岩相条件下，断层上盘的变形程度高于下盘，裂缝更为发育，并且随着地层距离断层面越近，裂缝发育程度越大[12,19]。例如，研究区JY41-5井靠近北东向的石门断层，通过FMI成像测井资料，目的层裂缝密度为0.93条/m；而远离断层的JY11-4井，目的层页岩的矿物成分和TOC含量等条件相同，通过FMI成像测井资料，裂缝密度为0.16条/m，断层附近井的裂缝发育程度明显高于远离断层的井。

3.2 岩石力学层厚度

岩石力学层厚度主要影响层内张开裂缝的发育程度。岩石力学层是指一套岩石力学行为相近或岩石力学性质相一致的岩层[33]。层内张开裂缝受单一岩石力学层控制，在岩石力学层内部发育，与岩石力学层近垂直，并终止与岩石力学层上下界面上。岩石力学层内部同组系层内张开裂缝具有良好的等间距性，裂缝发育程度、规模受岩石力学层厚度控制，在一定厚度范围内，岩石力学层厚度越大，裂缝规模越大，裂缝密度越低(图5)。而穿层剪切裂缝和顺层剪切裂缝的发育程度受岩石力学层厚度影响较小[12]。

3.3 脆性矿物含量

页岩的脆性矿物含量影响构造裂缝和页理缝的发育程度。X衍射分析资料表明，涪陵地区五峰组-龙马溪组页岩主要由粘土矿物、石英、方解石、白云石、黄铁矿等矿物组成，其中脆性矿物主要包括石英、长石、碳酸盐岩[34]。脆性矿物含量的高低直接影响页岩的岩石力学性质，在相同的外力作用下，脆性矿物含量越高页岩越容易发生破裂，在地质历史时期也越容易形成裂缝，因而脆性矿物含量高的页岩构造裂缝更发育。通过研究区4口导眼井岩心构造裂缝统计及矿物成分分析表明，五峰组-龙马溪组页岩构造裂缝密度与石英含量之间大体呈正相关关系，而与粘土矿物含量之间大体呈负相关关系(图6)，因此，在石英含量高、粘土矿物含量低的页岩中构造裂缝发育程度高。此外，石英含量的高低还影响页理缝的发育程度。成岩演化过程中在相同的成岩作用下，高脆性页岩的页理面更容易发生破裂，因而硅质含量越高页理缝发育程度越大[22]。

3.4 有机质含量及其热演化程度

有机质含量及其热演化程度对页岩构造裂缝、页理缝以及异常高压裂缝的发育程度具有重要影响。五峰组-龙马溪组一段一亚段页岩中硅质含量较高，硅质来源主要为生物成因硅[35-36]，石英含量与有机质含量之间存在较好的正相关关系(图7)，随着有机质含量增加石英含量随之增大。因此富有机质页岩通常具有较高的石英含量，页岩的脆性大、构造裂缝发育(图8)。此外，有机质在热演化过程中会生成大量的烃类，这些烃类在封闭的页岩体系中难以排出很容易形成异常流体压力，并且随着热演化程度的升高，有机质由生油阶段逐渐演变为生气阶段，生烃增压效果更为显著[37]。因此在有机质含量高、热演化程度高的页岩中页理缝和异常高压裂缝较为发育。研究区页岩热演化程度较高，Ro介于2%～3.5%，已经进入油气生成的后期阶段；其中燕山晚期为研究区的主要生气阶段[38]，此时的生烃量远高于排烃量，形成的异常流体压力有利于研究区页理缝和异常高压裂缝的形成。

图6 四川盆地涪陵地区五峰组-龙马溪组页岩岩心构造裂缝密度与石英含量(a)、粘土矿物含量(b)的关系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

图7 四川盆地涪陵地区JY11-4井五峰组-龙马溪组一段一亚段页岩石英含量与TOC含量的关系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

图8 四川盆地涪陵地区五峰组-龙马溪组页岩岩心构造裂缝密度与TOC含量的关系Fig.8 The correlation of tectonic fracture density in core with TOC content in Wufeng-Longmaxi Formation shale,Fuling area,Sichuan Basin

3.5 页理发育程度

页理的发育程度影响页理缝的发育情况。沉积岩石学中将厚度小于1 cm的水平细层定义为页理。页理面是页岩内部的力学薄弱面极易发生剥离，因此页理越发育的地层其内部力学薄弱面越多，越容易形成页理缝。研究区五峰组-龙马溪组一段一亚段页理最发育，页理缝密度大，整体页理缝极发育；中部龙马溪组一段二亚段页理不发育，页理缝密度小，整体页理缝欠发育；上部龙马溪组一段三亚段页理发育，页理缝密度大，整体页理缝较发育[22]。

3.6 异常高压

异常高压控制着页岩气储层异常高压裂缝的形成，当孔隙流体压力增大到一定程度时会首先导致其内部的力学薄弱面张开，如页理面或先存裂缝的张开；而在页理不发育缺少先存裂缝的地层则会形成新的泄压裂缝。丁文龙等[38]研究认为当大于静水柱压力的部分流体压力等于基质压力的1/2或1/3时，泥页岩中开始形成超压裂缝。而当孔隙流体压力降低至正常孔隙流体压力的1.2～1.3倍时，裂缝会发生闭合停止泄压作用[39]。研究区五峰组-龙马溪组页岩现今地层压力系数介于1.3～1.6[40]，较高的孔隙压力有利于异常高压裂缝的保存，对页岩气的富集具有重要意义。泥页岩异常流体压力的形成机制主要包括欠压实作用，粘土矿物脱水转化、有机质生烃增压以及构造挤压作用等[41]，通常一个地区异常流体压力的形成是多种因素共同作用的结果。焦石坝地区构造较为平缓，构造挤压作用较弱，异常高压成因机制主要以有机质生烃增压作用和欠压实作用为主。而位于其邻区的平桥和江东地区构造复杂挤压作用强烈，除上述两种作用以外构造挤压作用也是该区异常高压的重要成因机制之一[40]。

4 天然裂缝对页岩气富集与保存的影响

天然裂缝对页岩含气性的影响主要表现在两个方面，一方面天然裂缝可作为页岩气的储存空间，对页岩气的富集起促进作用；另一方面天然裂缝可作为页岩气的高效运移通道，对页岩气的保存起破坏作用。天然裂缝对页岩气藏保存与破坏的程度主要取决于裂缝的规模、发育程度以及裂缝的有效性。不同类型的天然裂缝由于其基本特征、分布规律不同，对含气性的影响也不同(表1)。

收缩裂缝主要在成岩早期形成，裂缝规模小且多被泥质充填，此类裂缝对页岩气的产能贡献较小[12]。一般情况下，异常高压裂缝在页岩裂缝中仅占很小的比例，且多被矿物完全充填对页岩气产能贡献也较小。层内张开裂缝与页理缝在页岩层内发育，裂缝规模小，因此不会造成页岩气的大量散失。未被充填的层内张开裂缝和页理缝有利于页岩气从吸附态向游离态转化并最终赋存于裂缝中，两类裂缝的发育程度越高，越有利于页岩气的富集。此外，岩心上被充填的层内张开裂缝充填物多以方解石为主，而方解石充填物与硅质含量较高的页岩裂缝面之间很难形成连续性的结晶体，充填物与裂缝面之间的抗张强度约为母岩强度的一半[42]，因此即使层内张开裂缝被方解石完全充填，在水力压裂过程中也很容易发生再次开启，有利于页岩气的解吸和游离气的渗流。

表1 海相页岩天然裂缝特征及对页岩气的影响Table 1 Natural fractures of marine shale and their influence on shale gas

穿层剪切裂缝及顺层剪切裂缝发育规模大，是影响页岩气保存条件的主要裂缝类型。由于穿层剪切裂缝和顺层剪切裂缝的特征不同，其对页岩气保存条件的影响主要分为两种情况：在低角度的页层系如焦石坝背斜主体区域，顺层剪切裂缝呈水平分布且发育程度低，在上覆地层压力的作用下裂缝开度小侧向连通性差；而此时穿层剪切裂缝呈高角度分布沟通上覆地层，容易造成页岩气的垂向散失，其发育规模控制着页岩气的保存条件。相反，在高角度的页岩层系如焦石坝背斜的两翼，穿层剪切裂缝的倾角较低，而顺层剪切裂缝呈高角度分布，并且随着地层倾角的增大顺层剪切裂缝的发育规模及发育程度均增大，此时顺层剪切裂缝是控制页岩气保存的关键因素[12]。

5 结论

1) 涪陵地区五峰组-龙马溪组页岩裂缝根据地质成因不同可分为3种类型：构造裂缝、成岩裂缝以及异常高压裂缝。构造裂缝包括层内张开裂缝、穿层剪切裂缝及顺层剪切裂缝；成岩裂缝包括页理缝、收缩裂缝。

2) 涪陵地区五峰组-龙马溪组页岩裂缝发育程度受多种因素控制，其中构造裂缝主要受构造作用及构造部位、岩石力学层厚度及脆性矿物含量控制；页理缝主要受页理发育程度、脆性矿物含量、异常流体压力、有机质含量及其热演化程度控制；异常高压裂缝的形成与异常流体压力有关，受异常流体压力的形成与分布控制。

3) 不同天然裂缝对页岩气的影响不同，与其实际地质条件有关。层内张开裂缝和页理缝在页岩层内发育，裂缝规模小，可为页岩气富集提供良好的储集空间；穿层剪切裂缝和顺层剪切裂缝发育规模大，裂缝呈高角度分布时容易造成页岩气的散失，影响页岩气的保存条件；收缩裂缝和异常高压裂缝的发育程度低和有效性差，对页岩气富集和保存的影响较小。由于不同裂缝对页岩气的作用不同，因此在页岩气储层的裂缝研究时，需要进行分类评价与预测。