页岩裂缝成因及其对含气性影响——以渝东南地区阳春沟构造带五峰—龙马溪组为例

马军

（中国石化华东油气分公司勘探开发研究院，江苏南京210011）

川东南地区的五峰—龙马溪组页岩气勘探主要围绕四川盆地内与盆山转换带两种构造类型，中国石油在盆地内威远、长宁地区，中国石化勘探分公司在盆地内焦石坝构造均获得页岩气勘探突破[1-2]，华东油气分公司在盆山转换带的复杂构造区南川—彭水区块亦取得良好勘探效果。国内外页岩气开发成果表明，富有机质页岩在构造运动等作用下形成的天然裂缝或后期经水力压裂形成的大量人工裂缝，均可以成为天然气的有利聚集空间，其发育程度也会影响页岩气单井产量[3-5]。南川地区平桥—东胜构造带和涪陵地区焦石坝构造带勘探实践证实，页岩中的各类裂缝是影响页岩气成藏和高产的重要因素之一，天然裂缝既能为页岩气的聚集提供有效储空间，又能有效改善储层渗流能力[6-10]。阳春沟构造带位于涪陵页岩气田的西南部，南川区块西部，紧邻东胜构造带，目前区内有二维地震429 km和一口探井，附近平桥和东胜构造带正在进行产能建设。综合评价认为，构造带五峰—龙马溪组龙一段页岩具有地化指标优越、裂缝发育程度高、储层物性好、脆性指数大和含气性良好等特征，页岩气勘探潜力大，将是下步勘探开发的重点区域。但目前该地区勘探程度相对较低，页岩储层特征研究较少，因此，对该地区页岩裂缝特征及主控因素进行深入研究有利于页岩储层评价和资源潜力分析，为后续勘探开发提供科学依据。

1 区域地质概况

阳春沟构造带位于四川盆地川东南高陡构造带和武陵褶皱带西北缘之间的渝东南盆山转换带，是受齐岳山隐伏断裂和南川—遵义压扭走滑断裂控制的逆冲推覆构造。阳春沟构造带经历了多期构造运动，遭受了不同方向构造应力改造，在早期挤压、晚期走滑构造运动作用下，构造形迹主要呈南北走向，形态较复杂，可分为阳春沟背斜和阳春沟南斜坡两个四级构造单元（图1）。其中，阳春沟背斜为阳春沟断层控制的断背斜，东翼与神童坝向斜连为一体。阳春沟南斜坡受控于阳春沟断层和龙济桥断层，往南逐渐抬升至出露。钻探揭示，该构造带上奥陶统五峰—下志留统龙马溪组龙一段（以下简称龙一段）页岩总有机碳含量为2.22%、孔隙度为3.20%、硅质矿物含量为41.12%、脆性指数为58.51%、总含气量为2.31 g/m3、含气饱和度为52.04%，初步估算页岩气地质资源量1 000×108m3。

图1 阳春沟构造带五峰组底面构造Fig.1 Structure of Wufeng Formations in Yangchungou structural belt

2 裂缝发育特征

裂缝既能成为有效的页岩气聚集空间，也可成为页岩气排采生产的渗流通道，是页岩气影响富集和高产的重要因素[11-13]。本文通过宏观的岩心观察、FMI测井解释和微观的薄片鉴定、氩离子抛光扫描电镜等手段对阳春沟构造带龙一段页岩中发育的宏观和微观裂缝进行观察、描述和统计。研究发现，该构造带页岩裂缝数量较大、形态复杂、类型多样。

2.1 岩心观察

岩心能够直观有效地反映地下岩层的形貌特征，是裂缝研究的重要原始资料，通过岩心观察对宏观裂缝进行观测和描述是裂缝研究的第一步。阳春沟构造带取心井观测表明，研究区龙一段构造裂缝十分发育。按照裂缝倾角的大小，可将宏观天然裂缝划分为水平缝（0°～15°）、低角度缝（15°～45°）、高角度缝（45°～75°）和垂直缝（75°～90°）；根据构造作用方式可划分剪切缝、层理缝、滑脱缝和网状缝，并且以剪切缝为主，多处呈现网状缝，其次是层理缝和滑脱缝等（图2）。其中剪切缝呈现为水平缝和低角度缝，多数具有缝面平直、缝宽不均、方解石充填的特证（图2a）；层理缝反而呈现为高角度或垂直裂缝（图2b），平行于页岩层理或纹层面，裂缝密度大，缝宽较小，整体较发育；滑脱缝产状与岩层产状基本一致，呈现为高角度或垂直裂缝，多发育在斑脱岩与页岩接触面，缝面平直，可见擦痕，阶步等现象（图2c），方解石充填，少数未充填滑脱缝呈光亮的镜面状，多发育在五峰组。不同方向、不同期次以及不同类型的裂缝交织形成复杂的网状缝（图2d、图2e、图2f），常伴生微断层或褶皱，造成岩心破碎，普遍存在于龙一段（其他地区仅发育在五峰组底部），为研究区重要的裂缝类型，有利于改善页岩储层储集空间和渗流能力。

图2 阳春沟构造带五峰—龙马溪组页岩宏观裂缝特征Fig.2 Characteristics of macro-fractures in shale from 1st member of Wufeng-Longmaxi Formations in Yangchungou structural belt

阳春沟构造带取心井岩心观察统计结果表明，该地区构造裂缝发育程度较高，发育29 处复杂缝网带（图3），延伸长度一般20～50 cm，其中有4处延伸长度超过100 cm，最大延伸长度达到649 cm。单一裂缝或简单裂缝延伸长度集中分布在15～30 cm，延伸长度中等，有三条延伸长度超过100 cm，最大400 cm。裂缝宽度为1～2 mm 的约占全部观测裂缝的67%，其次是宽度小于1 mm的，占24%，宽度总体较小，裂缝较闭合。裂缝密度大，尤其是复杂缝网发育带，裂缝条数无法详细统计。裂缝充填程度较高，除少数页理缝呈现半充填—未充填外，其余构造裂缝均被方解石充填，局部含有黄铁矿混合充填。研究区裂缝充填程度高，反映该构造带裂缝封闭程度较高。

2.2 成像测井解释

图3 阳春沟构造带SY3井五峰组-龙马溪组岩心裂缝发育特征Fig.3 Features of core fractures in shale from 1st member of Wufeng-Longmaxi Formations of well-SY3 in Yangchungou structural belt

利用全井壁微电阻率扫描成像测井（FMI）不仅可以识别页岩储层裂缝，而且能确定裂缝数量和产状，其主要依据是裂缝发育处遭受钻井液侵染后电阻率与围岩的差异。FMI 图像上色标的颜色代表的是井壁剖面的电阻率值，一般将高电阻率刻度为浅色，如闭合缝和充填缝（即高阻缝），由于充填物的存在，电阻高于围岩；将低电阻率刻度为深色，如开启缝和未充填缝（即高导缝），由于钻井液侵入，电阻率会低于围岩[14-15]。SY3 井五峰—龙马溪组成像测井共拾取到276 条高阻缝，10 条高导缝和17 条过井断层（图4）。其中龙三—龙二段有高阻缝73 条，高导缝5条，微断层11条，9处复杂缝网带，累计厚度60.4 m，占地层总厚度的15%；龙一段上部⑥～⑨小层有高阻缝135条，高导缝3条，微断层4条，12处复杂缝网带，累计厚度94.1 m，占地层总厚度的39%；龙一段下部①～⑤小层有高阻缝68条，高导缝2条，微断层2条，7处复杂缝网带，累计厚度76.9 m，占地层总厚度的65 %，并且①～③小层2 948～2 996 m 呈连续的揉皱段。而邻区东胜构造带SY1井在相同层段拾取到91 条高阻缝，SY2 井在相同层段仅拾取到17 条高阻缝。SY3井测井解释以高阻缝为主，与岩心观察的（裂缝充填程度高）结果一致，裂缝走向有北北东10°～30°、北东东50°～70°和南南东160°～170°三个优势方位，大多为北东-南西方向；倾向为南东向70～170°，优势方为为100°～120°；倾角变化较大，为5°～82°，相对集中分布于5°～30°和40°～60°两个带。高导缝走向为南南东140°～200°和北东东70°～80°，优势方位为南南东160°～180°；倾向为北东东70°～90°；倾角变化较大，为8°～52°，相对集中分布于22°左右。微断层多分布在地层界面附近，如龙三段底、龙二段底和龙一段①小层底（图4），走向为南东东方向，以90°～110°为主；倾向方位有北北东0°～20°、北东东30°～60°和北东东80°～90°三个方向，以北北东10°～20°方向为主；倾角为18°～78°，变化较大，相对集中分布于60°左右。其中2 条断点位置分别在2 621 m和2 975 m处的较大过井断层，导致地层倾角变化较大（图3），尤其是在2 975 m处，从测井曲线特征可看出优质页岩段①～③小层重复（此段岩心较为完整，无明显破碎特征）。

2.3 薄片鉴定

应用AXIOSKOP40型显微镜对阳春沟构造带龙一段页岩薄片进行观察，识别出构造缝和层理缝（图5）。

构造剪切缝形状不规则，被方解石充填，一般斜交于纹层分布，裂缝宽度0.01～0.17 mm，长度2.8～27.5 mm（图5a），可以分辨出两个方向的裂缝（图5c、图5d），说明至少存在两期构造作用。

层理缝一般较规则，平行于纹层分布，方解石充填，缝宽和缝长相对偏小，裂宽仅为0.01～0.06 mm，缝长仅为0.75～14.3 mm（图5b）。

图4 阳春沟构造带SY3井五峰组-龙马溪组裂缝分布与产状分析Fig.4 Fracture distribution and occurrence analysis of Wufeng-Longmaxi Formation of well-SY3 in Yangchungou structural belt

图5 阳春沟构造带五峰—龙马溪组页岩薄片鉴定裂缝特征Fig.5 Fracture characteristics identified by thin sections of Wufeng-Longmaxi formation in Yangchungou structural belt

2.4 扫描电镜

在氩离子抛光扫描电镜（ZEISS SIGMA场发射扫描电子显微镜）下观察到的微裂缝主要有构造微裂缝、解理缝和收缩缝等3种类型（图6）。

构造微裂缝通常发育在构造应力释放点附近，多数会切穿有机质、矿物或碎屑颗粒，有一定弯曲度，多呈不规则锯齿状，规模较大，长度、产状变化大（图6a、图6b）。

图6 阳春沟构造带五峰组—龙马溪组页岩扫描电镜下微观裂缝发育特征Fig.6 Characteristics of micro-fractures in shale from 1st member of Wufeng-Longmaxi Formations in Yangchungou structural belt

解理缝主要发育于片状矿物（如云母）内部或边缘，一般是矿物在机械张力的影响下形成的，沿一定方向相互平行的等间距细缝，裂宽0.02～1 μm，缝宽和缝长较小，多数未被胶结物充填，缝面较平直，少量有轻微弯曲（图6c）。

收缩缝主要是沿有机质、矿物或碎屑颗粒的界面处形成的裂缝（图6d），多具有一定的弧度，缝面不规则，孤立存在，缝宽和缝长有限，缝宽0.01～0.5 μm。普遍发育在龙一段富含有机质的硅质页岩中。

3 裂缝发育主控因素

页岩裂缝按照地质成因可分划为构造裂缝和非构造裂缝，其中构造裂缝可划分为剪切裂缝、张性裂缝、滑脱裂缝、网状裂缝等类型；非构造裂缝可划分为层理缝、解理缝、收缩缝、晶间缝等类型[1，2，8，12]。

通过之前阳春沟构造带岩心观察与描述、成像测井解释成果、显微镜薄片鉴定和氩离子抛光扫描电镜综合研究结果揭示，页岩储层裂缝分布具有不均一性。影响裂缝发育特征的因素有很多，根据本构造带裂缝的发育规律分析，认为其明显受控于构造地质作用、页岩矿物成分和力学性质、斑脱岩出现频次和与主滑脱面间的距离等因素。构造作用主要控制剪切缝、滑脱缝、复杂缝网、揉皱等的发育程度；页岩矿物成分和力学性质主要控制层理缝、解理缝和收缩缝等；斑脱岩出现频次主要控制层间滑脱缝的发育程度。

3.1 构造地质作用

构造裂缝的形成主要受构造活动的影响，不同期次的构造运动、不同方向的构造应力、不同构造部位局部应力场的差异性等将影响裂缝发育程度和分布规律[16-19]。即使在相同的构造背景下，局部构造活动差异越大，构造应力集中和释放的过程越频繁，越容易造成页岩破裂，裂缝发育程度越高。同时，构造部位对裂缝发育也具有重要控制作用，尤其是断层发育带或褶皱核部附近，这些曲率变化较大的部位，页岩容易发生破裂形成裂缝[20-21]。具体发育在断裂带的两端、产状变化处、不同产状断层交汇处或者大致平行且距离较近断层的夹持带等应力集中部位，其次，背斜高陡部位也是裂缝发育的有利区带[22-23]。

阳春沟构造带早期主要受雪峰山隆起南东—北西向推覆挤压应力影响，形成北东向和南北向两组主力断层以及一系列伴生微小断层。整体表现为阳春沟断层、龙济桥断层夹持形成的断展褶皱构造样式，有利于形成复杂缝网（图1、图7）。SY3井区靠近褶皱核部（图7），龙一段存在一条近南北向走滑断层，走向与阳春沟断层一致，从而造成该井钻遇地层倾角较大（龙一段⑦～⑨小层地层倾角80°～90°近似直立），裂缝相对更加的发育，多处形成复杂缝网。

由于两套地层间存在岩性和力学性质差异，它们的界面即为力学薄弱面。岩层在构造作用下发生变形时会产生层间滑脱，且在相对塑性更强的地层中，更容易发生层间滑动，从而产生大量层间滑动裂缝。上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩为区域滑脱层，具备以上层间滑动裂缝形成的条件。从纵向地层剖面看，五峰—龙马溪组页岩下伏为下古生界巨厚的、不易变形的碳酸盐岩地层。两套地层岩性和岩石物理性质的巨大差异，使得当川东南高陡构造带发生逆冲推覆造山作用时，所产生的自雪峰隆起到四川盆地内，由南东向北西的挤压应力传递到该区域，会在五峰—龙马溪组底部塑性页岩层会产生滑脱构造，自下而上层间滑动裂缝逐渐减少。越靠近五峰组与临湘组之间的主滑脱面的页岩层内，滑脱现象越明显，相应的层间滑动缝越发育。

图7 阳春沟构造带地震—地质解释剖面Fig.7 Profile of structural form by seismic-geological interpretation in Yangchungou structural belt

3.2 页岩矿物成分和力学性质

构造作用是页岩裂缝形成的外因，页岩矿物组成和岩石力学性质则是裂隙形成的内因。在页岩的矿物组分中，石英、长石、碳酸盐等脆性矿物的含量高低是决定页岩能否发生脆性破裂的关键因素，脆性指数越高，页岩越易在构造作用的影响下发生脆性断裂并形成天然裂缝[24-26]。研究区龙一段为深水陆棚相环境下沉积的一套灰黑、黑色薄—中层夹厚层状硅质页岩、含粉砂页岩和黑色碳质页岩为主，页岩样品X 衍射全岩检测试验结果表明，其中石英含量为17.5%～74.9%，平均值为39.8%；碳酸盐（方解石和白云石）含量为1.5%～62.5%，平均值为8.5%；长石含量为1.5%～11.1%，平均值为5.6%；黄铁矿含量为0.7%～15.7%，平均值为2.7%；黏土矿物含量为13.9%～79.5%，平均值为45.0%。研究区脆性指数为32.7%～86.1%，平均值为57.1%，脆性指数较高，页岩裂缝发育程度较高（图8）。

龙一段页岩的矿物成分控制解理缝、晶间缝和收缩缝等微观裂缝及层理缝的发育。页岩矿物组分中可检测到云母、伊利石等片状矿物，它们的内部或边缘通常发育解理缝。龙一段总有机碳含量为2.22%，有机质含量丰富，在其热演化过程中体积收缩或生烃产生局部异常压力使矿物或颗粒破碎，而在有机质、矿物或碎屑颗粒的界面处形成的收缩缝或者晶间缝。龙一段页岩纵上成分、结构、颜色向存在一定变化，具有非均质性，表现为层理构造十分发育，层理面即为力学薄弱面，将会形成层理缝。

页岩的岩石力学性质也将影响裂缝的发育特征。泊松比、杨氏模量、破裂压力等参数反映了岩石抗剪能力、抗张能力、抗压能力等力学性质，其大小会影响裂缝发育程度。在相同构造作用下，泊松比越小，杨氏模量越大，脆性指数越高，页岩越易发生破裂，越有利于裂缝形成。测井解释结果显示，研究区五峰—龙马溪组页岩泊松比为0.17～0.33，平均为0.25；杨氏模量为32.11～68.26 GPa，平均为44.68 GPa；最小水平主应力为57.3～63.6 MPa,平均为59.7 MPa；最大主应力为64.7～71.8 MPa；岩石破裂压力63 MPa，闭合压力57 MPa（图8）。总体评价，研究区页岩泊松比较小，杨氏模量较大，构造裂缝发育。

3.3 斑脱岩出现频次

图8 阳春沟构造带SY3井五峰—龙马溪组综合评价Fig.8 Comprehensive evaluation of Wufeng Longmaxi Formation of well-SY3 in Yangchungou structural belt

斑脱岩是由火山喷发形成的凝灰物质在海洋环境中经沉积成岩和蚀变作用后脱玻化而成的富钾质黏土岩[28-29]。斑脱岩的矿物成分主要为黏土矿物和非黏土矿物，其中黏土矿物以伊—蒙混层矿物和伊利石为主，定向排列形成定向构造；非黏土矿物主要为岩浆喷发前形成的自形的石英、高温透长石、锆石、磷灰石、独居石等斑晶矿物。在阳春沟构造带龙一段页岩气层内广泛发育。斑脱岩与页岩交接处存在滑脱现象，形成滑脱缝，伴随有擦痕、阶步等现象，多被方解石充填，局部伴生有层状黄铁矿。钻井岩心显示，斑脱岩在该地区龙一段自下而上逐渐减少，单层厚度逐渐减薄。其中五峰组中观察到46 层斑脱岩，多呈薄层状，单层厚0.5～40 mm 不等，颜色多呈灰白或灰绿色，与上、下灰黑色笔石页岩明显不同（图3）。由于斑脱岩与上、下黑色—深黑色富碳富硅富笔石页岩在全岩组分上有显著差异，因此这两种岩性界面之间为力学薄弱面，在后期构造作用下，可产生许多滑脱缝。

4 裂缝发育对含气性的影响

勘探实践证实，裂缝发育程度对页岩气成藏具有重要影响[30-31]。一方面裂缝作为重要的储集空间和运移通道，有利于页岩层系中游离气聚集和吸附气解吸，页岩裂缝发育程度与总含气量和游离气含量呈正相关关系，即页岩裂缝发育程度越高，缝网越复杂，其含气量越大，水力压裂改造后也越容易获得高产；另一方面裂缝规模过大，反映受到构造作用过强，不利于页岩气保存，会破坏页岩气藏。根据SY3井岩心观察和测井解释结果可知，研究区构造复杂，裂缝发育，存在多处揉皱和微断层等构造现象，但并未破坏页岩气保存条件。构造裂缝几乎都被方解石充填，封闭性较好，并且网状缝、多处复杂缝网带和微断层，进一步扩展了游离气的储集空间，有利于游离气的聚集。非构造裂缝中的有机质收缩缝和矿物晶间缝则有利于吸附气聚集。

SY3 井钻探过程中取心段气测显示全烃0.83%～20.85%，平均5.27%（泥浆比重1.35 g/cm3）；SY1 井取心段气测显示全烃0.51 %～4.70 %，平均1.21%（泥浆比重1.35 g/cm3）；SY2井取心段气测显示全烃0.26%～6.87%，平均2.05%（泥浆比重1.35 g/cm3）。

SY3 现场实测总含气量1.00～4.68 m3/t，平均2.61 m3/t；测井解释龙一段总含气量0.51～7.06 m3/t，平均3.38 m3/t；游离气含量0.47～3.76 m3/t，平均1.84 m3/t；游离气占比51.78～69.42 %，平均57.81 %（图8）。SY1现场实测总含气量1.36～5.29 m3/t，平均2.59 m3/t；测井解释龙一段总含气量1.51～6.67 m3/t，平均3.44 m3/t；游离气含量0.67～3.61 m3/t，平均1.89 m3/t；游离气占比45.80～62.63 %，平均53.61 %。SY2 现场实测总含气量1.18～4.86 m3/t，平均2.66 m3/t；测井解释龙一段总含气量1.30～7.09 m3/t，平均3.50 m3/t；游离气含量0.31～4.66 m3/t，平均1.23 m3/t；游离气占比20.14～98.03%，平均53.83%。

SY3 井取心段气测显示全烃值优于邻区SY1 和SY2 取心段气测显示全烃值。SY3 井总含气量与邻区相当，但游离气占比高于邻区SY1井和SY2井。说明天然裂缝发育有利于该地区的页岩气成藏。

5 结论

1）阳春沟构造带五峰组-龙马溪组龙一段页岩发育构造剪切缝、网状缝、层理缝和滑脱缝等宏观裂缝以及解理缝、晶间缝和收缩缝等微观裂缝。裂缝产状受地层产状影响，页理缝和层间滑动缝呈现为中高角度—垂直裂缝；剪裂缝反而呈现为水平—低角度缝。多处呈现多期裂缝交错切割形成复杂缝网，并可见揉皱、微断层等现象。

2）该构造带页岩裂缝发育特征的主控因素为构造地质作用、页岩矿物成分和力学性质、斑脱岩出现频次。构造作用是页岩裂缝发育的外因，主要控制剪切缝、网状缝、复杂缝网带和褶皱带等的发育。页岩矿物成分和力学性质是页岩裂缝发育的内因，控制解理缝、晶间缝和收缩缝等微观裂缝及层理缝的发育，并且该地区龙一段页岩矿物成以硅质矿物为主，脆性指数较高，泊松比较小，杨氏模量较大，有利于各类裂缝形成。斑脱岩出现频次是影响页岩层内滑脱缝发育的特有条件，SY3井取心段五峰组可观察到40 多条厚度不等斑脱岩层，在斑脱岩层出现的地方，页岩发生层内滑脱，形成滑脱缝，并且在页岩层面伴生擦痕、阶步等现象。

3）阳春沟构造带龙一段构造裂缝是以被方解石充填的高阻缝为主，封闭性较好，扩展了游离气储集空间；非构造裂缝的存在，有利吸附气聚集。SY3钻探揭示龙一段总含气量与邻区相当，但气测全烃高于邻区，游离气占也高于邻区。说明天然裂缝发育有利于该地区的页岩气成藏。