四川长宁地区页岩储层天然裂缝发育特征及研究意义

朱利锋，翁剑桥，吕文雅

（1.山西省地质调查院，太原030006；2.页岩气评价与开采四川省重点实验室，成都610091；3.四川省煤田地质局，成都610072；4.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京102249）



四川长宁地区页岩储层天然裂缝发育特征及研究意义

朱利锋1，翁剑桥2，3，吕文雅4

（1.山西省地质调查院，太原030006；2.页岩气评价与开采四川省重点实验室，成都610091；3.四川省煤田地质局，成都610072；4.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京102249）

摘要：页岩气是非常规天然气的一种，具有极低的孔隙度和基质渗透率，在勘探开发过程中势必要进行天然裂缝研究和评价。通过对长宁地区大量野外露头及岩心的观测统计，采用了页岩天然裂缝的地质成因、力学性质和形态特征相结合的页岩裂缝分类方案，将该区天然裂缝划分为构造裂缝、成岩裂缝和异常高压裂缝三类，其中构造裂缝进一步依据形态及力学性质划分为穿层剪切缝、层内扩张缝和顺层滑脱缝；成岩裂缝进一步依据形态特征划分为层理缝和收缩缝。本文论述了分类方案的合理性，并分别阐述了页岩中各天然裂缝类型的特征。在此基础上，总结了页岩天然裂缝研究对页岩气勘探开发的作用及意义。层内扩张缝和页理缝影响页岩气的富集，而穿层剪切缝和顺层滑脱缝则在不同地质背景中影响页岩气的保存。

关键字：页岩气；天然裂缝；类型；富集规律；四川长宁地区

北美页岩气勘探开发的成功实践，表明那些页岩气已经投入开发利用的地区多是天然裂缝系统比较发育的地区［1-4］。天然裂缝是页岩气储层的重要储集空间和主要渗流通道，提供了页岩气储层的基本渗透能力，控制了页岩气的运移、富集、保存条件及单井产能［1-6］。我国页岩气地质研究工作起步较晚，尤其在页岩天然裂缝研究方面，国内学者尚未根据我国页岩储层基本地质特征对天然裂缝的分类形成统一认识，且对页岩中不同成因类型裂缝的特征及其对页岩气富集与产能的贡献尚不清楚，因此，在现今中国页岩气勘探和开发示范区建设的初期阶段，进行页岩天然裂缝的类型及特征研究，统一对页岩中天然裂缝类型的认识，深入认识页岩气成藏与富集规律等具有重要的理论和实践意义。

本文以四川盆地东南缘长宁地区上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组海相页岩层系为例，在大量露头和钻井岩心裂缝观测资料的基础上，对页岩天然裂缝的成因类型及发育特征进行了深入研究，分析了不同类型裂缝对页岩气富集的影响，以期望对目前正在起步的我国南方海相页岩气勘探和开发有所借鉴。

1　地质背景

长宁地区地处四川盆地东南缘，位于川南低陡断褶带和川西南低缓断褶带交切复合部位（图1），该区褶皱断裂均较为发育，同时发育大量裂缝，对区内页岩气的富集与保存产生重要影响。主要构造为长宁背斜，背斜长轴总体呈NWW-SEE向。该区发育上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组海相深灰色-黑色炭质页岩，在长宁背斜轴部出露。该套页岩层系厚度大、分布广，与美国Fort Worth盆地的Barnett页岩在沉积背景、地球化学、生烃热史演化、构造演化及储集特征等方面存在诸多共性，尤其在川南地区具有较好的勘探前景，是我国南方古生界海相页岩气勘探和开发的首要目标层位［7］。自2008年中石油勘探开发研究院在长宁地区实施长心1井以来，现已建立“四川长宁-威远国家级页岩气示范区”，实现了页岩气勘探开发的重大突破。

图1　四川盆地构造单元划分及研究区位置Fig.1 Schematic map of the Sichuan Basin showing major tectonic units and location of the study area

2　裂缝类型

储层中天然裂缝的类型与划分，按照不同的分类方法可以有不同的分类方案且具有不同的实际意义［8］。按照地质成因可以划分为构造裂缝、成岩裂缝和异常高压裂缝等三大类；按照力学性质可以划分为剪切裂缝、扩张裂缝和拉张裂缝；按照与层面的关系则可以划分为穿层缝、层内缝及顺层缝，这种分类方案有助于定性评价裂缝对储层渗流能力的贡献程度。在实际的研究过程中，可以根据不同的需要采取不同的分类方法。

对于页岩储层中裂缝的成因及类型，国内多名学者均进行过不同程度的总结［3，6，9-20］。总体而言，现今对于页岩中天然裂缝分类的原则及标准相差较大。笔者通过对长宁地区五峰组-龙马溪组页岩野外露头、岩心及其微观裂缝观测统计认为，对于该地区页岩中裂缝分类采取地质成因、力学性质及形态特征相结合的方法较为合理，一方面可避免裂缝分类的重复冗杂，另一方面便于野外及岩心中裂缝的识别描述，同时，对于后期裂缝的定量表征及综合评价又具有重要的现实意义。即首先据裂缝的地质成因分为构造裂缝、成岩裂缝和异常高压裂缝等三个大类，然后据力学性质与形态特征进一步划分为穿层剪切缝、顺层滑脱缝、层内扩张缝、页理缝、收缩缝和异常高压缝等六个小类（图2）。

图2　页岩裂缝综合分类方案Fig.2 Comprehensive classification of shale fractures

3　裂缝特征

3.1构造裂缝

构造裂缝是指裂缝的形成和分布受构造事件或构造应力场控制的裂缝，包括局部构造与区域性构造。裂缝的分布及形成均与构造的运动学及动力学机制有关［21］。通过对长宁地区野外露头及岩心观察统计表明，构造裂缝是页岩中最常见也是最主要的裂缝类型。据构造裂缝的力学性质、形态特征以及与页岩层理的关系，进一步将构造裂缝划分为穿层剪切缝、顺层滑脱缝和层内扩张缝三种类型。

3.1.1穿层剪切缝

穿层剪切缝是在剪应力作用下形成的一种裂缝类型。页岩储层在局部或区域构造应力作用下，遭受剪切应力达到一定限度发生破裂而形成高角度剪切缝，常与断层或褶皱相伴生。在形态上，穿层剪切缝缝面多平直规则，贯穿多层页岩层系，产状相对较稳定，沿其走向和倾向延伸较远，如被矿物充填，脉体宽度比较均匀，脉壁平直光滑。此类裂缝通常成组出现，与层面高角度相交或垂直，在区域上具有明显的方向性和组系性，分布广泛，在野外以及岩心中极易识别（图3），是长宁地区五峰组-龙马溪组页岩层系中最为重要的一种裂缝类型。

3.1.2顺层滑脱缝

顺层滑脱缝与低角度剪切缝成因相一致，主要是在挤压构造作用下，由顺层剪切作用或者层间差异滑动产生剪切应力作用而形成［9，10，22］。此类裂缝与岩层面大致平行或低角度相交，主要分布在页岩层的顶部和底部。裂缝的产状与岩层产状近乎一致，多被方解石与黄铁矿等矿物充填，缝面平整光滑，具有显著的镜面特征，并常伴有明显的擦痕、阶步等（图4a），但位移一般不大。在长宁地区五峰组-龙马溪组页岩中相对较为发育。

3.1.3层内扩张缝

层内扩张缝是页岩层系在扩张应力下发生破裂而形成的一种裂缝。其典型特征为裂缝延伸较短，多限制在页岩层内，与穿层剪切缝形成鲜明的对比。通过野外露头的观察，发现扩张裂缝主要表现为横张裂缝或追踪张裂缝。扩张裂缝实际上是页岩层系遭受构造挤压应力的情况下，沿最小主应力方向发生相对扩张而形成的一种裂缝类型。该类裂缝延伸相对较短且多处于开启状态，岩心中多被后期矿物充填（图4b、4c）。

图3　页岩露头与岩心中的穿层剪切缝（a.长宁双河；b.长心1井）Fig.3 Transformational shear fractures in the shale outcrop and core（a.Changning Shuanghe；b.Changxin-1#）

图4　长宁地区页岩露头与岩心中的裂缝特征Fig.4 Natural fractures of shale in the outcrops and cores in Changning area

3.2成岩裂缝

页岩层系中的成岩裂缝是指页岩层系在成岩过程中由于压实等地质作用而产生的一种裂缝类型［21，23］。据其成因及形态特征，进一步将成岩裂缝划分为页理缝和收缩缝两种类型。

3.2.1页理缝

页理是页岩中的力学薄弱面，沿页理方向极易发生剥离，在机械压实作用下发生破裂，即形成页理缝。页理缝分布较普遍，在该地区野外露头、岩心和薄片下均可观察到（图4d），是页岩中最为发育的成岩裂缝类型。页理缝一般情况下张开度较小，且多数被完全充填或处于闭合状态，但其构成页岩层系的力学性能薄弱面，形成一系列微裂缝，对于页岩气的富集及储层后期压裂改造等具有重要意义。

3.2.2收缩缝

收缩缝是指页岩层系在成岩早期或成岩过程中，因体积减小而产生张应力形成的拉张裂缝或者扩张裂缝［21］。与页理缝最大的区别在于收缩缝多垂直于层系方位。在平面上，这类裂缝呈四边形至六边形不等的多边形网状分布；在纵向上，通常主要表现为呈上宽下窄的“V”形分布，少部分与层面近平行分布。收缩裂缝的规模小，延伸短，方向性不明显，复杂无系统性，间隔较小且开度变化较大，多被后期沉积物充填，统计表明此类裂缝分布局限，在野外露头及岩心中很少见到。

3.3异常高压缝

异常高压裂缝是指有机质在热演化过程中产生局部异常流体压力致使岩石发生破裂而形成的一种裂缝类型［21，24，25］。该类裂缝的形成与分布受岩性、构造、埋深、应力及流体等多种因素控制。异常高压裂缝一般呈放射状，缝面形态不规则，不成组系，多被沥青、碳质等有机质或后期矿物充填（图4e、4f）。该类裂缝分布有限，所占比例较少，该类裂缝的出现可以为页岩有机质热演化分析及储层应力敏感性研究提供依据［26］。

4　页岩裂缝研究的意义

页岩中的天然裂缝影响页岩气的富集与保存，在页岩气勘探阶段进行天然裂缝研究，可以为页岩气勘探优选区提供参考依据；天然裂缝作为页岩气的渗流通道，在页岩气开发阶段，天然裂缝的有效性与渗透率各向异性评价直接影响井网部署和储层压裂改造，是水平井部署与地质导向的重要参考指标。

4.1指示页岩气富集带

由于页岩粒度极细，导致了页岩储层的致密性特征，研究表明页岩气主要以吸附态和游离态两种赋存方式存在，少部分页岩气溶解在沥青等有机溶剂中。其中，吸附气在页岩气含量中的比例通常在20%～85%之间，其余主要为游离气［4］。天然裂缝的存在，为页岩气提供一定的储集空间。但由于不同类型裂缝的规模及发育特征不同，使得不同类型裂缝对页岩气成藏与富集产生不同的作用。收缩缝和异常高压缝所占比例较少且多被后期矿物充填，因此对页岩气的富集与保存影响较小，而穿层剪切缝、顺层滑脱缝、层内扩张缝及页理缝对页岩气的富集保存作用较大［27］。

游离气主要赋存在页岩基质孔隙和天然裂缝中，因此层内扩张缝及页理缝，对页岩气起着非常好的富集作用。而穿层剪切缝和顺层滑脱缝发育规模则相对较大，理论上讲，规模较大裂缝的存在会使天然气排出并运移至上覆岩层，导致天然气散失。根据穿层剪切缝和顺层滑脱缝的特征，在低角度页岩层系地区，顺层滑脱缝则呈水平分布，其发育程度相对变差，而穿层剪切缝呈高角度分布，其发育规模则控制着页岩气的保存；反之，在泥页岩层系呈高角度地区，穿层剪切缝为低角度，在上覆岩层压力下，呈闭合状态，而顺层滑脱缝呈高角度，则顺层滑脱缝对页岩气的保存起主要作用。因此，在勘探开发初期，要根据具体区域构造演化，研究分析天然裂缝的形成机理与分布特征，评价页岩中天然裂缝对页岩气富集与保存的影响程度，合理圈定页岩气有利区。

典型成功实例为美国Michigan盆地Antrim页岩北部带的勘探实践，研究人员通过露头测量确定出该地主要发育NW-SE和NE-SW向两组近垂直的构造裂缝，裂缝规模较大但多被后期方解石等矿物充填，推测规模较大的穿层剪切缝对页岩气的保存影响不大；岩心中局部成岩微裂缝较发育，且多充填有机质，表明存在含气裂缝富集带。后利用三维地震资料的处理解释，包括地震资料的三维偏移、共深点叠加等技术手段推断解释出含气裂缝带的深度、走向、规模等特征，圈定出了页岩气勘探的有利靶区［4，28］。后进行钻井试气等后期施工，取得了该地区页岩气勘探的有效突破。

4.2为页岩气开发提供依据

页岩气开发中的关键技术包括丛式水平井及其分段压裂改造技术［29］。在水平井部署工作中，一个重要因素就是天然裂缝的主方位及现今地应力的方位与大小［30-32］。同时充分考虑天然裂缝系统特征对页岩储层后期压裂改造的影响。在水平井网部署工作中，一般倾向于井眼方位与水平井段选择在裂缝发育程度高的页岩层段，理论上讲，选择垂直于天然裂缝最大延伸方向，以钻穿最多的裂缝组系，从而增大压裂过程中流出井筒和在生产过程中流入井筒的有效渗透率，在开发中取得最大有效渗流面积，提高页岩气采收率。统计长宁地区五峰组-龙马溪组页岩中的天然裂缝表明，该地区主要发育NE-SW向、NWW-SEE向和S-N向三组构造裂缝，其中以前两组为主，在进行长宁地区丛式水平井H2、H3平台部署设计时，综合考虑该地区构造裂缝方位及现今地应力特征，最终确定长宁地区丛式水平井部署方案（表，图5）。以最大限度利用该地区天然裂缝系统，增加有效渗流面积和压裂改造体积，提高页岩气采收率。

表1　长宁地区H2、H3平台丛式水平井部署设计参数Tab.1　Design parameter list of cluster horizontal wells in the Changning area of H2、H3

图5　长宁地区H2、H3平台丛式水平井部署设计水平投影图Fig.5 Horizontal projection of cluster horizontal wells in Changning area of H2、H3

5　结论及建议

（1）页岩储层裂缝分类采取地质成因与裂缝力学性质及形态特征相结合的方法较为合理，此方案便于野外及岩心中裂缝的鉴定，同时，对于分析各裂缝类型对页岩气的富集与保存具有重要的现实意义。

（2）长宁地区五峰组-龙马溪组页岩气储层中的裂缝可以划分为构造裂缝、成岩裂缝和异常高压裂缝三大类，其中以构造裂缝为主；构造裂缝又进一步划分为穿层剪切缝、层内扩张缝和顺层滑脱缝三种类型，成岩裂缝可以进一步分为页理缝和收缩缝两种类型。

（3）页岩中收缩缝和异常高压缝所占比例较少且多被后期矿物充填，对页岩气的富集与保存影响较小，而穿层剪切缝、顺层滑脱缝、层内扩张缝及页理缝对页岩气的富集保存作用较大，层内扩张缝和页理缝可以指示页岩气富集带；而穿层剪切缝和顺层滑脱缝则影响页岩气的保存。

（4）在页岩气的开发中，天然裂缝定量表征可以为储层压裂改造措施及水平井部署提供一定的地质依据，水平井一般垂直于天然裂缝最大延伸方向，以钻穿最多的裂缝组系，取得最大有效渗流面积。

致谢：首先感谢审稿专家提出的宝贵意见，同时，在研究过程中得到了中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室、长江学者特聘教授曾联波教授的悉心指导，在野外工作中，得到中国石化中原油田分公司勘探开发研究院祖克威博士的帮助，笔者一并表示感谢。

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资助项目：国家重点基础研究发展计划（973）项目“中国南方海相页岩气高效开发的基础研究（2013CB228000）"

中图分类号：P624

文献标识码：A

文章编号：1672-4135（2016）02-0104-07

收稿日期：2016-03-16

作者简介：朱利锋（1986-），男，助理工程师，硕士研究生，2013年毕业于中国石油大学（北京）构造地质学专业，现主要从事地质矿产相关工作，Email：zzff2012@sina.com。

The significance and characteristics of natural fractures of the Shale in Changning area，Sichuan province

ZHU Li-feng1，WENG Jian-qiao2，3，LYU Wen-ya4
（1.Shanxi Institute of Geological Survey，Taiyuan 030006，China；2.Sichuan Key Laboratory of Shale Gas Evaluation and Exploitation，Chengdu 610091，China；3.Sichuan Coalfield Geology Bureau，Chengdu 610072，China；4.College of Geosciences，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Abstract：A large number of outcrop and core observation statistics show that the natural fracture of shale gas of n overall consideration as geological causes mechanics properties and morphological characteristics are the most easonable method for fracture classification.The natural fractures of the Shale in this area can be divided into hree categories tectonic fractures，diagenetic fractures and abnormal high-pressure-related fractures.Tectonic ractures can be further divided into transformational shear fractures，intraformational open fractures and ed-parallel shear fractures，whereas diagenetic fractures can be divided into bed-parallel lamellated fractures and hrinkage fractures.On the basis of this elaborate the geological characteristics of each fracture types in shale，we um up the important of shale gas fracture to the exploration and development of shale gas.Transformational hear fractures，intraformational open fractures，bed-parallel shear fractures and lamellated fractures are ignificant to shale gas.Intraformational open fractures and lamellation fractures can enrich the degree of shale as.Transformational shear fractures and bed-parallel shear fractures determine the gas preservation in different reas.

Key words：shale gas；natural fracture；Changning；enrichment rule；Changning area in Sichuan