威远地区龙马溪组天然裂缝特征、分布规律及形成期次

郝越翔 刘佳杰 吴磊 周昕 李洁辛 江雨濛

（1.中国石油川庆钻探工程有限公司页岩气勘探开发项目经理部，四川 成都 610051；2.成都理工大学地球物理学院，四川 成都 610059）

0 引言

四川盆地是中国西南部典型的大型沉积盆地之一，也是主要的天然气产区，其中长宁—威远地区下志留统龙马溪组具有优质的页岩气资源［1］。2012年3 月，长宁—威远地区被列为国家级页岩气示范区，多口钻井的产气量显示出良好的勘探和开发前景，前期研究证明该地区的页岩气产量已经达到数亿立方米［2-3］。威远龙马溪组地层属于深水陆棚优质页岩，构造改造较弱，是目前川内页岩气开发的主力区域。其中，埋深超3 500 m 的区域资源潜力巨大，深层页岩气地质资源量可达25.62×1012m3［4］。

威远地区龙马溪组优质页岩富含笔石，有机质含量高。前人对该套地层的沉积条件、构造条件、生烃条件、岩石化学特征、矿物学特征、孔隙结构特征和分布特征进行了大量的研究［5-7］。此外，前人研究形成了关于五峰组—龙马溪组的海相页岩气富集高产理论，包括“二元”富集理论、“三控”富集高产理论、基于笔石分层的“源—盖控烃”理论以及深层页岩气基于构造差异性抬升影响的富集、逸散理论［8-9］。目前针对威远地区龙马溪组天然裂缝的类型及基本特征等进行了初步研究和认识，然而，由于缺乏对该层位天然裂缝基本特征和形成时期的研究，因而严重制约了对该地区天然裂缝和优质储层的认识和预测。其研究认识深度和精细程度还不能满足下一步气藏开发方案的编制、工程工艺的设计与实施需求。

野外裂缝调查和岩心研究是了解天然裂缝形成时期最直接和有效的方法。然而，这些方法只能初步确定裂缝形成的先后顺序，无法准确识别天然裂缝的具体形成时间。其制约了该区储层分布预测及甜点区优选等，因此急需在天然裂缝特征、形成期次、成因机制、分布规律等方面开展攻关研究。笔者基于研究区钻井岩心、测井录井及地震资料，利用构造解析和地质力学分析的方法，并结合碳氧同位素、流体包裹体等实验测试方法，查明威远龙马溪组天然裂缝的基本特征，明确裂缝的形成期次及分布规律，为威远龙马溪组储层评价、有利区优选、优质储层甜点区评价及勘探开发提供技术支撑。

1 区域地质背景

威远地区位于四川盆地西南部，地理位置覆盖内江市威远县、资中县、自贡市荣县，构造位置隶属于川中隆起区的川西南低陡褶带。威远龙马溪组与上覆地层下二叠统梁山组呈假整合接触，与下伏上奥陶统五峰组呈整合接触［10-11］。按照旋回特征自下而上可分为龙一段、龙二段，其中龙一段自下而上可分为龙一1亚段和龙一2亚段［12］。龙一1亚段黑色页岩是研究重点，厚度分布在81.8～250.9 m，以富有机质粉砂质泥棚微相和富有机质硅质泥棚微相为主，具有良好的生烃能力［13-15］，从下至上可进一步细分为龙一11—龙一14小层。

威远地区位于乐山—龙女寺隆起的东南翼，经历了多期运动叠加。威远背斜在印支期碰撞造山、燕山早期板块汇聚运动及燕山晚期—喜马拉雅期构造挤压等多期运动叠合作用下，在NW-SE 向区域挤压应力控制下，地层持续抬升剥蚀，形成了复杂的断裂样式［16-18］。

2 天然裂缝的力学成因类型

基于大量的岩心观察及薄片分析将威远龙马溪组天然裂缝划分为构造裂缝和非构造裂缝两大类（表1）。由于威远地区龙马溪组经历多期构造运动，所以构造裂缝较为发育［17-19］。根据裂缝产状与力学类型，可将龙马溪组构造裂缝进一步划分为剪切缝及张性缝两类。在岩心、薄片及成像测井上剪切缝及张性缝呈现出不同的特征。在岩心上，剪切裂缝相互交切，呈共轭组系，缝面光滑平整，延伸长、多条裂缝相互交错，发育阶步；在薄片上，剪切缝缝面较为平直，可切割岩石颗粒，近直立为主；在成像测井上，剪切缝表现为幅度较大的正弦波形黑色暗条（图1）。在岩心上，张性裂缝缝面粗糙、凹凸不平、呈弯曲状，多组平行组系；在薄片上，裂缝不光滑，缝宽多变化，有效性较好，见方解石或泥质充填；在成像测井上图像形态特征主要为较大幅度的暗色正弦曲线（图2）。

图1 威远地区龙马溪组岩心、薄片、成像测井的剪切缝特征图

图2 威远地区龙马溪组岩心、薄片、成像测井中的张性缝特征图

表1 基于力学成因类型威远龙马溪组天然裂缝的分类特征表

威远龙马溪组地层非构造裂缝主要由层理缝和生烃超压缝构成。层理缝为龙马溪组地层中最主要的非构造裂缝，呈水平发育。薄层状页岩是受机械压实及风化作用影响，沿着页岩力学薄弱的层理面发生破裂而形成的一种非构造裂缝，为页岩储层流体的主要渗流通道及储集空间。龙马溪组大量发育的层理缝，部分被方解石充填（图3）。生烃超压缝多为微观裂缝，扫描电镜上生烃超压缝发育在矿物颗粒边缘或者有机质内部，裂缝形态无规则，多数为有效裂缝［20］。生烃超压缝发育于龙马溪组富有机质页岩层段，呈现纳微米小尺度、连通有效、定向性好等特征，为生烃超压大规模排烃所导致［21］（图4）。

图3 威远地区龙马溪组岩心层理缝特征图

图4 威远地区龙马溪组页岩生烃超压缝特征图

3 天然裂缝基本特征

3.1 裂缝基本参数特征

威远龙马溪组主要发育近水平和中低角度层理缝，中高角度构造裂缝的发育程度较低。其中，高角度缝和垂直裂缝占比17%，低角度缝和水平裂缝占比83%（图5a）。构造裂缝和层理缝开度集中分布在50 μm以下、10～30 μm之间（图5b～5c）。与四川其他地区相比，威远地区天然裂缝具有缝极细、层理缝占比高的特点。此外，研究进一步统计了不同井龙一1亚段的裂缝密度，发现龙一1亚段平均裂缝密度分布在2.2～4.8 条／m 范围内（图5d）。约有68.9%的天然裂缝被方解石、石英、白云石等脆性矿物充填，其中主要充填矿物以石英为主；31.1%为未充填的裂缝，该类裂缝对页岩气富集十分有利（图5e）。

图5 威远龙马溪组天然裂缝的基本参数特征、充填物占比图

3.2 天然裂缝分布特征

平面上，威远地区的天然裂缝主要受控于断层分布及构造运动两个因素。构造裂缝主要是由构造运动形成，其发育位置与构造应力分布相关，且主要受控于构造挤压和构造抬升剥蚀作用。威远地区经历多期构造运动，形成了东西长、南北短的不对称椭圆形背斜，研究区靠近威远背斜核部构造裂缝较为发育，靠近断层中高角度裂缝断层共派生裂缝较发育。纵向上，裂缝密度由龙一14小层到龙一11小层逐渐增加，其中龙一11小层裂缝密度最大。通过X射线衍射沉积岩全岩定量分析发现，石英含量与裂缝密度成正比，即石英含量越高、裂缝密度越大。

4 天然裂缝形成期次

根据研究区构造演化、岩心裂缝的切割环绕关系以及前人对该区构造演化期次的研究，结合裂缝充填物碳氧同位素及包裹体分析结果，分析研究区龙马溪组天然裂缝形成期次。

4.1 裂缝分期配套分析

岩心上不同裂缝的充填次序及相互切割关系可作为地质依据，从而推测天然裂缝形成期次［22-23］。威远地区岩心裂缝相互切割关系与分期配套如图6所示，从图6a 中可见两条不同时期形成的裂缝，一条为热液填充的剪切缝，一条为方解石填充的剪切缝，填充物间接地证明了裂缝的形成期次；从图6b岩心中可见一条晚期形成的高角度穿层剪切缝切割早期的剪切缝；图6c 为早期形成的张性缝被晚期形成的层理缝错开。通过对研究区多口井岩心进行观察描述，从切割关系来看，裂缝是多期形成的，至少可见2期。此外，通过薄片观察发现威远地区龙马溪组微裂缝发育，并且存在明显多期裂缝切割错断现象。图6d 为早期形成的剪切缝被晚期的张性缝切割，呈现明显的两期特征，反映出两期裂缝充填物存在差异。图6e 薄片样品存在明显的三期相互切割关系，综合岩心、成像测井及薄片观察可见威远地区龙马溪组发育2～3 期裂缝。威远地区成像测井解释裂缝结果显示，研究区龙马溪组主要发育NW-SE向、NNW-SSE 向两组构造裂缝，其中NW-SE 向最为发育，其次为NNW-SSE向，与前人发现的野外露头所反映的优势组系具有较高的一致性（图6f）。

图6 威远地区岩心裂缝相互切割关系与分期配套图

4.2 裂缝充填期次测定

根据天然裂缝充填物包裹体的均一温度可以进一步判断裂缝形成时间。研究区天然裂缝中脉体的流体包裹体均一温度介于40～150 ℃，可以分为3个区间，分别是40～60 ℃，90～120 ℃，140～150 ℃（图7a），结合构造埋藏演化史，分别对应了3 个时期。此外，通过对裂缝充填物的稳定碳氧同位素进行测定，分析整理实验数据并建立δ13C值与δ18O值交汇图，可实现对裂缝不同充填期次的划分，进而推测裂缝的形成期次［24］。利用研究区裂缝充填物稳定同位素数据对研究区裂缝形成期次进行分析，结果显示δ18O 值介于-11.8‰～-3.5‰，δ13C 的值介于-16.1‰～-3.0‰，充填矿物中δ18O和δ13C值存在较大差异，显示出多期充填的特征（图7b）。利用Fritz等提出的氧同位素测温方程，推算裂缝形成时的古温度［25］：

图7 威远龙马溪组天然裂缝形成期次实验测试成果图

通过δ18O—δ13C图解法分析发现数据较为明显地分布在3 个区域，并按研究区常年平均地面温度20 ℃、地温梯度2.65 ℃／100 m 计算裂缝形成时的埋藏深度。综合分析得出，裂缝至少分为三期形成，第一期裂缝充填物δ18O值介于-6.15‰～-2.13‰、δ13C 值介于-15.8‰～-14.3‰；第二期裂缝充填物δ18O 值介于-9.02‰～-4.12‰、δ13C 值介于-13.9‰～-9.8‰；第三期裂缝充填物δ18O 值介于-12.17‰～-8.18‰、δ13C值介于-6.8‰～-2.5‰（图7）。

5 裂缝形成演化模式

利用Basinmod 盆地模拟软件恢复威远地区w3 井的埋藏史。结合岩心及薄片切割关系、包裹体充填矿物均一温度分布情况、碳氧同位素充填分析等结果，并与埋藏演化史匹配进而确定研究区构造裂缝形成时期（图8）。

图8 威远地区单井构造埋藏演化史及裂缝形成期次模式图

岩心、成像测井及薄片上观察到威远龙马溪组至少存在2～3 期天然裂缝，裂缝充填物碳氧同位素及包裹体实验测试显示均存在3期天然裂缝。将实验计算的温度叠合到构造埋藏演化史发现：威远龙马溪组天然裂缝大规模形成于距今200～250 Ma（印支期）、 距今160～180 Ma（燕山期）及距今10～20 Ma（喜马拉雅晚期）3个时期。其中，印支期龙马溪组地层受到伸展及短暂的弱挤压抬升作用，最大的古构造应力范围为39.3～59.9 MPa，发育少量的NW 剪切缝及砂泥互层层理缝。燕山期最大的古构造应力范围为63.6～80.0 MPa，龙马溪组地层受到燕山期应力作用在断层附近、背斜高部位发育NW剪切缝和生烃超压缝。喜马拉雅晚期近北西向快速强烈挤压作用，最大的古构造应力范围为80.9～100.0 MPa，在断层附近、背斜高部位发育近NW和NWW组系剪切缝，背斜核部发育近S-N组系张性缝。

6 结论

1）依据力学成因，将威远龙马溪组天然裂缝划分为构造裂缝、生烃超压缝及层理缝3种类型；天然裂缝具有宽度细、水平层理缝占比高、偶见高角度构造缝、有效性低的特征；岩心统计和有效裂缝测井识别结果均显示龙一1亚段裂缝最为发育，随着龙马组地层埋深的增加，裂缝发育密度逐渐增大。

2）结合研究区构造演化史、岩心裂缝切割环绕关系、裂缝充填物碳氧同位素及包裹体实验结果认为，威远龙马溪组发育三期天然裂缝，分别形成于距今200～250 Ma（印支期）、距今160～180 Ma（燕山期）和距今10～20 Ma（喜马拉雅晚期）的3个时期，其中燕山期及喜马拉雅晚期是天然裂缝大规模形成的时期。

3）根据威远龙马溪组天然裂缝全区时间演化序列，研究区印支期发育少量的NW剪切缝及砂泥互层层理缝；燕山期在断层附近、背斜高部位发育NW剪切缝和生烃超压缝；喜马拉雅晚期在断层附近、背斜高部位发育近NW和NWW组系剪切缝，背斜核部发育近S-N组系张性缝。