黔北地区龙马溪组页岩裂缝发育特征及地质意义

谷阳 ，徐晟 ，张炜 ，徐佳佳 ，翟中杨

（1.中国地质调查局地学文献中心，北京 100083；2.中国地质图书馆，北京 100083；3.中国石油华北油田分公司第四采油厂，河北 廊坊 062550）

页岩储层具有低孔、低渗、极为致密等特点，储层中的基质孔隙一般不具备渗流能力，主要渗流通道来自裂缝。国内外页岩气成功开采经验表明，当页岩中天然裂缝发育程度较高时，在水力压裂过程中有利于形成大规模的缝网，有效改善页岩储层条件。页岩储层中裂缝的发育有效改善了储层的渗透性，其发育程度和含气量有较好的对应关系，因此页岩裂缝的发育程度在某种程度上说是页岩气藏高产的关键[1-5]。目前，众多学者在页岩裂缝的发育特征、主控因素及分布规律等方面开展了广泛研究，并取得了大量成果[6-10]。但中国南方复杂构造区受多期构造活动的影响，褶皱变形强烈，造成断裂系统发育、地应力和天然裂缝分布不清，导致南方复杂构造区古生界海相页岩气开采效果不佳，页岩气单井产能相差较大[11-13]。本文以黔北地区凤冈区块下志留统龙马溪组页岩为例，对页岩裂缝发育特征、页岩气保存条件影响机制进行深入研究，以期对中国南方复杂构造区古生界海相页岩气的勘探开发具有一定的指导作用。

1 区域概况

凤冈区块构造主体位于扬子板块西南缘，是以前震旦系为基底的准克拉通板块（见图1）。北部紧邻四川盆地南缘，东南部为华南造山带。研究区内褶皱变形强烈，断裂系统发育，断裂之间相互干扰、联合和切割现象明显，主要发育北北东向和北东向断裂。受加里东期、海西期、印支期、燕山期和喜马拉雅期等多期构造运动影响，先存断裂被持续改造，导致多组断裂之间交切关系十分复杂。经历印支期和燕山期2次大的抬升剥蚀，累计剥蚀厚度超过5 km，龙马溪组页岩受构造抬升剥蚀影响严重，仅在务川复向斜内部及研究区西部零星分布。

图1 研究区位置

凤冈区块龙马溪组页岩具有良好的生气潜力。总有机碳质量分数平均为2.65%；矿物组分以石英为主，质量分数在23%～68%，平均为38.2%；碳酸盐矿物质量分数平均为21.5%；黏土矿物质量分数平均为21.4%，伊/蒙混层和伊利石占80.5%（见图2）。研究区龙马溪组页岩的矿物组分与Barnett页岩类似，表明研究区龙马溪组页岩储层具备良好的可改造条件[14]。

图2 研究区永参2井综合柱状图

2 页岩裂缝发育特征

2.1 野外露头裂缝发育特征

对研究区内10处下志留统龙马溪组页岩露头观察发现，野外露头天然裂缝类型主要为区域构造缝、褶皱相关裂缝、断层相关裂缝、风化裂缝及层理缝。

区域构造缝在区域上一般具有一定的方向性和规律性，经常存在缝面较平直、延伸较远、穿层现象明显、与岩层面呈高角度相交或垂直层面、裂缝宽度变化较大等特点（见图3a）。同一层面上区域构造缝呈多组系出现，部分大型裂缝穿层现象明显，主要为未充填裂缝，可见2组裂缝相互切割，未充填缝切割错断方解石充填缝（见图3b）。

图3 研究区野外天然裂缝发育特征

褶皱与断层的形成过程中通常存在同期形成的伴生缝和晚期形成的派生缝。研究区处在南方复杂构造区，受区域或局部挤压作用形成不同规模的褶皱构造，在褶皱的核部及相邻的翼部主要发育剪切裂缝（见图3c），而在褶皱的转折端由于地层弯曲而产生张应力，因此，在褶皱的转折端附近张性裂缝较为发育（见图3d）。这类裂缝的发育规模不同，部分裂缝发育在层内，而部分裂缝则切穿多个层系。在野外露头中较大规模的断层附近可见与其伴生的裂缝，成组系分布于断面附近，与断面呈大角度或垂直相交，延伸不远，以未充填缝为主，部分见方解石和石英等矿物充填；在局部剪切应力下形成的断层附近页岩脆性破裂明显，周围裂缝发育（见图3e）。此外，可见龙马溪组页岩发育薄层状层理缝及中层状层理缝（见图3f），其抗风化能力较弱，容易在重力卸载、雨水淋滤、风化剥蚀等作用影响下，沿页岩层理面发生破碎，形成风化裂缝[15-16]。

对野外露头剖面中龙马溪组页岩构造裂缝的实测统计表明：裂缝走向以北东向为主，其次为近南北向和北西向，多见高角度裂缝和垂直裂缝（见图4）。利用声发射结果，结合区域应力分析，确定了研究区现今最大主应力为45 MPa，最小主应力为33 MPa。利用声波各向异性和FMI成像测井，分析得出现今水平最大主应力的方向为北东东—南西西。对研究区应力场情况、构造演化史、断裂体系特征分析表明，北东向裂缝主要形成于燕山运动时期，而近南北向和北西向裂缝分别形成于武陵运动—雪峰运动时期和志留纪末的广西运动时期[17-20]。

图4 研究区龙马溪组页岩野外露头裂缝统计

2.2 岩心裂缝发育特征

对研究区内YC-1井、YC-2井、YC-3井龙马溪组页岩岩心裂缝特征进行统计表明，研究区龙马溪组岩心裂缝以构造缝为主。但是通过对研究区内岩心观察发现，受构造部位和局部应力影响，岩心裂缝发育存在着明显的差异性，其中YC-3井主要发育高角度构造缝，而YC-1井、YC-2井以低角度滑脱缝、层理缝及层间缝为主。构造裂缝中的高角度剪性裂缝，一般以高角度和垂直缝为主，缝面平直，延伸较远，多数被方解石充填（见图5a）。研究区受多期构造运动影响，发育相互交切的多组裂缝，后期裂缝对早期裂缝进行切割改造（见图5b），受断裂改造的影响，断裂内部结构发育，包括断层泥和破碎带（被方解石充填）（见图5c）。

图5 研究区岩心裂缝发育特征

高角度扭性缝。按其成因可分为张扭性缝和压扭性缝，缝面多不平直，形态类似缝合线，主要为垂直缝或高角度构造缝，多被方解石充填（见图5d）。

张性缝。张性缝是在拉张伸展背景下形成的构造缝，缝面参差不齐，常成组系出现，并在周围存在多组伴生裂缝，多被矿物充填（见图5e）。

滑脱缝。滑脱缝主要是在伸展或挤压作用下，由低角度滑脱的剪应力形成，一般以水平或低角度缝为主，倾角较小，缝面常见明显擦痕、阶步等特征（见图5f）。

除了上述构造裂缝，研究区还发育一定数量的非构造裂缝，包括层理缝、层间缝、溶蚀缝和缝合线等（见图5g—5j）。非构造裂缝不仅是页岩储层流体的主要渗流通道，还提供了良好的储集空间，有效改善了储层的储集和渗透性能[21-26]。

3 构造特征对页岩气保存条件的影响

关于构造特征对裂缝发育程度的影响,前人进行了大量统计研究。一般认为，在同一构造应力背景下，距褶皱核部与断裂越近的区域，裂缝发育程度越高，裂缝密度越大[27-38]。研究区内YC-3井与YC-1井、YC-2井相距3 km左右，通过对比YC-1井、YC-2井与YC-3井裂缝发育程度，发现不同井之间裂缝发育情况稍有不同。YC-3井以高角度、中角度构造裂缝为主，层理缝欠发育，而YC-1井、YC-2井以低角度滑脱缝和层理缝为主，高角度构造缝欠发育（见图5k，5l）。

对3口井裂缝发育情况与构造部位研究表明：YC-3井和YC-1井、YC-2井都位于研究区务川复向斜西翼，但是两者所处构造部位有明显不同。其中：YC-3井位于向斜翼部“Y”字形断裂夹持处，在“Y”字形断裂伴生褶皱顶部受局部应力作用产生垂向变形，裂缝多为高角度缝，少见层间缝；而YC-1井、YC-2井位于向斜枢纽端，地层较平缓，构造应力不强，周围无明显断裂，地层多为顺层调节，因此构造裂缝不发育，以层间缝为主。可见，受不同构造应力状态的差异影响，裂缝类型也存在差异性和互补性。

对凤冈区块3口页岩气井龙马溪组的裂缝发育程度分别进行了统计。按裂缝产状将岩心裂缝分为高角度裂缝和水平裂缝，高角度缝以倾角大于45°的构造裂缝和垂直裂缝为主，水平裂缝一般与层理面平行或倾角小于15°，主要为低角度滑脱缝、层理缝。YC-1井高角度裂缝平均线密度为1.7条/m，YC-2井高角度裂缝平均线密度为2.2条/m，相比YC-1井、YC-12井，处在褶皱变形顶部的YC-3井高角度裂缝发育，平均线密度达到了6.3条/m。YC-1井水平缝较发育，水平缝线密度为12.8条/m，与YC-1井同处于背斜翼部的YC-2水平缝线密度为10.7条/m，而YC-3水平缝欠发育，水平缝线密度为6.6条/m。通过对比可见：YC-3井高角度缝线密度最大，但其水平缝线密度则相应最低；与之相反，YC-1井、YC-2井高角度缝线密度偏低，其水平缝线密度则相对高，高角度缝主要发育在研究区龙马溪组页岩上部，而龙马溪组页岩中下部水平缝线密度大。垂向上的岩性差异导致裂缝发育情况不同，而受构造应力状态差异的影响，不同类型裂缝的发育存在着互补性。

研究区受多期构造活动叠加影响，形成了复杂的复背斜与复向斜相间排列的隔槽式褶皱面貌。根据构造应力强弱、构造变形样式及裂缝发育类型等特征，将研究区构造保存有利区进一步划分为稳定区（YC-1井、YC-2井）和弱变形区（YC-3井）。

稳定区地层变形较弱，是研究区构造最稳定区域，构造主体为宽缓背斜和紧闭向斜，断裂不发育；通过岩心观察，总结了稳定区裂缝发育模式（见图6a。图左为岩性剖面，图右为岩心照片），裂缝发育程度较低，以层理缝为主，发育少量高角度构造缝，且多为方解石充填，开启程度较低。研究区龙马溪组顶板岩性为深灰色厚层石灰岩夹数层瘤状石灰岩，底板为浅灰色厚层石灰岩，顶底板岩性均较致密，裂缝欠发育，厚度大，对页岩气隔挡较好。由于稳定区大型断裂不发育，裂缝也多以非构造裂缝为主，因此页岩气自封闭性良好，形成局部超压，受压实作用影响减弱，有利于气体富集，是页岩气保存的有利区。弱变形区相对于稳定区构造略显复杂，发育多条不同走向断层及一系列伴生、调节断层，构造裂缝较发育，以高角度构造缝为主，方解石充填，受多期构造活动影响，晚期裂缝切割错动早期裂缝现象明显（见图6b。图左为岩性剖面，图右为岩心照片）。虽然该类构造改造程度稍强，断裂和裂缝均较发育，但是“Y”字形断裂两盘走向与主应力方向垂直，表明断层应具有良好的封堵性。

图6 研究区龙马溪组页岩裂缝发育模式

此外，挤压断层中的泥岩涂抹现象也能反映裂缝的侧向封闭性，在YC-3井岩心裂缝观察中可见镜面擦痕，表明页岩中裂缝存在涂抹层，具有良好的封堵性。YC-3井龙马溪组中上部高角度、垂直缝发育，表明受挤压作用影响，YC-3井龙马溪组页岩位于褶皱中和面以下，裂缝发育类型受构造部位控制明显。由于层间缝和层理缝等非构造缝的活动调节了部分应力，弱变形区中的水平应力差降低，有利于后期水力压裂。弱变形区中的未充填缝在一定程度上也为页岩气提供了储存空间与运移通道，在周围无大型断裂发育的情况下有利于页岩气富集，从研究区现场解析气量情况看（见表1），构造弱变形区对页岩气保存也较有利。

表1 研究区龙马溪组页岩气解析结果

4 地质意义

在良好保存条件下——裂缝发育数量与规模适度且未断穿顶底板盖层，裂缝的发育对页岩气聚集具有积极作用；裂缝发育规模过大，则会导致页岩气的散失及储层改造时与高渗层或含水层的沟通。对于中国南方复杂构造区海相富有机质页岩来说，保存条件至关重要，适度的构造抬升作用能够产生大量的微裂缝并避免穿层裂缝与断裂的形成。位于构造稳定区的YC-3井岩心现场含气量测试资料与裂缝参数之间的关系表明，页岩裂缝发育程度与总含气量和解吸气量具有一定的正相关性。对于研究区下志留统龙马溪组页岩，虽然岩心裂缝大部分被充填，但未充填裂缝及裂缝充填物中开启的次级孔、缝提供了一部分储集空间及大量的渗流通道，因此裂缝的发育对龙马溪组页岩含气性与渗透性均具有贡献，而对渗透性的改善是其最主要的贡献。

5 结论

1）研究区野外天然裂缝类型主要为区域构造缝、断层相关裂缝、褶皱相关裂缝、风化裂缝和层理缝。岩心裂缝以构造裂缝为主，裂缝类型以高角度剪切裂缝、高角度张性裂缝、高角度扭性裂缝和低角度滑脱裂缝为主。非构造裂缝多为充填和未充填的层理缝、溶蚀缝和层间缝。

2）根据褶皱翼部次级断裂发育强度、构造样式及顶底板等条件，进一步将研究区褶皱翼部区域分为稳定区和弱变形区。稳定区裂缝发育程度较低，以层理缝为主，发育少量高角度构造缝，且多为方解石充填，开启程度较低。弱变形区构造裂缝较发育，以高角度构造缝为主，方解石充填，受多期构造活动影响，晚期裂缝切割错动早期裂缝现象明显。

3）页岩储层中裂缝的发育有利于游离态页岩气的富集和吸附态天然气的解吸，研究区龙马溪组页岩中天然裂缝的发育，对页岩储层含气性和渗透性的改善影响显著。