长宁地区海相页岩天然裂缝发育特征及其对含气性的影响

聂舟 ，马诗杰 ，伍秋姿 ，田鹤 ，吕文雅 ，曾联波 ，罗良

(1.四川长宁天然气开发有限责任公司勘探开发部，四川 成都 610000；2.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249；3.中国石油西南油气田分公司页岩气研究院，四川 成都 610091)

近年来，我国在四川盆地相继发现了涪陵、长宁、威远和昭通等以古生界五峰组—龙马溪组海相页岩为主力产层的页岩气田，实现了我国页岩气商业化规模开发的重大突破［1-2］。勘探开发实践表明，长宁地区海相页岩与北美地区页岩具有相似的地质特征，但四川盆地及周缘受到多期次构造变形，盆地内部五峰组—龙马溪组埋藏普遍较深，断层和裂缝系统复杂多样，发育差异明显，这对页岩气的富集和保存条件具有重要的影响［3］。目前，一些学者对页岩中天然裂缝的特征、形成机理、控制因素及其对页岩气富集和保存条件的影响等方面取得了许多认识［4-7］。例如：页岩裂缝的走向和倾角越发散，页岩气含气性越好［8］；总有机碳质量分数（TOC）越高，越促进页岩内部微裂缝的发育，有利于页岩气富集等［9］。由于不同成因类型的天然裂缝对页岩含气性具有明显的影响，因此分类型研究页岩储层天然裂缝的发育特征及其对含气性的影响，对寻找页岩气甜点具有重要意义。本文以四川盆地长宁地区五峰组—龙马溪组页岩为例，利用地表露头、岩心、EMI成像测井、薄片和扫描电镜资料，深入研究了该区页岩储层天然裂缝的发育特征和主控因素，并结合测试资料，分类型讨论了天然裂缝对页岩含气性的影响，以期为页岩气保存条件研究提供理论基础。

1 区域地质背景

四川盆地位于我国西南部，是一个具有多方位逆冲推覆构造背景的叠合型盆地［10-11］，目前是国内海相页岩气商业化开采的主要地区。长宁地区位于四川盆地南部的低陡褶皱带，褶皱断裂均较为发育。长宁背斜核部志留系遭受风化剥蚀，出露寒武系。研究区位于建武向斜，是长宁页岩气田的主体建产区。向斜周缘以北东东—南西西向断至地表的主干断层为主，向斜内部以北东东—南西西向和北西向的次级断层为主（见图1）。

主干断层为向上断至二叠系或三叠系的大断层，次级断层断距介于20～100 m，通常被限制于志留系内部。建武向斜为近东西向的平缓向斜，五峰组—龙马溪组埋深介于2 000～3 200 m，发育大量构造裂缝和成岩裂缝。裂缝发育的差异性对区内页岩气富集和保存条件产生不同影响。五峰组—龙马溪组页岩主要为硅质页岩、钙质页岩和黏土质页岩，富含黄铁矿，页理发育，优质页岩（TOC≥2%）的厚度为30～45 m，平均TOC介于 3.2%～4.3%，平均镜质组反射率为 2.3%～2.8%［12-15］，具有良好的生烃条件。

2 天然裂缝的发育特征与成因

利用地表露头、岩心、EMI成像测井、薄片和扫描电镜资料，按照地质成因，四川盆地长宁地区五峰组—龙马溪组页岩储层宏观裂缝可以划分为构造裂缝、成岩裂缝和异常高压相关裂缝3种成因类型。根据裂缝产状与岩石力学层的关系和力学性质，构造裂缝又可进一步分为穿层剪切裂缝、顺层剪切裂缝和层内张裂缝3类［16-17］。成岩裂缝主要为页理缝和收缩裂缝。微裂缝包括构造微裂缝、粒间缝、粒内缝等。研究区宏观裂缝以构造裂缝和页理缝为主，微裂缝以构造微裂缝和粒间缝为主，发育少量粒内缝。

长宁地区龙马溪组页岩储层构造裂缝的优势方位为北西—南东向、北北东—南南西向、北东东—南西西向和东西向，其中东西向裂缝主要为高阻缝，通常被方解石或石英充填，在成像测井图像上显示为高亮正弦曲线。地表露头上裂缝的规模从几厘米到十几米不等，龙马溪组页岩中的裂缝密度变化也较大，北西—南东向裂缝密度平均值为4.5条/m，北北东—南南西向裂缝密度平均值为2.2条/m，北东东—南西西向裂缝密度最大，平均值为6.7条/m，东西向裂缝密度为2.5条/m，总裂缝密度平均值为15.9条/m。研究区西侧多发育北西—南东向和东西向构造裂缝，东侧北东东—南西西向和北北东—南南西向构造裂缝发育程度高（见图1）。

岩石力学层是一系列具有相似岩石力学性质、富含脆性矿物的页岩层［18］。穿层剪切裂缝是受剪应力作用形成的一种裂缝类型，其与层面高角度相交，切穿多套岩石力学层。其裂缝面平整光滑，延伸长度从几十厘米至几十米不等，方向性明显，一般成组出现，相互切割、限制（见图 2a，2b，3a）。据地表露头统计，长宁地区龙马溪组页岩储层主要发育北西—南东向、北北东—南南西向、北东东—南西西向、东西向4组穿层剪切裂缝，以中高角度裂缝为主。岩心统计表明，穿层剪切裂缝充填程度较低，占裂缝总数的22.3%，裂缝密度为0.05～1.30 条/m（见表 1）。

层内张裂缝是页岩沿最小主应力方向发生扩张破裂形成的一种裂缝，其显著特点是被限制在单一岩石力学层内［19］，与穿层剪切裂缝形成鲜明的对比。其与层面近垂直，裂缝延伸长度一般小于20 cm（见图2c，3b）。由于抬升作用导致应力释放，地表露头的层内张裂缝通常呈开启状态，等间距平行分布（见图2d），而在岩心上常被方解石或硅质充填。岩心统计表明，层内张裂缝占裂缝总数的40.5%，裂缝密度为2.10～5.90条/m（见表 1）。

顺层剪切裂缝是在挤压背景下由层间的差异滑动或顺层剪切作用引起层面发生相对滑动而形成的一种裂缝，其与层面平行或低角度相交，裂缝面可见明显的擦痕和阶步（见图2e，2f，3c）。顺层剪切裂缝易发育在岩石力学性质变化的界面，例如岩性界面或黄铁矿条带附近。顺层剪切裂缝发育的密集带分布在五峰组和龙马溪组底部，龙马溪组底部发育大量黄铁矿条带，五峰组底部与宝塔组瘤状灰岩易形成岩石力学性质差异面，岩心上观察到大量顺层剪切裂缝，被方解石和黄铁矿半充填或全充填。一般地层倾角越高，顺层剪切裂缝越发育［16］。岩心统计表明，顺层剪切裂缝占裂缝总数的37.2%，裂缝密度为 0.10～0.50条/m（见表 1）。

表1 长宁地区五峰组—龙一13小层构造裂缝密度

长宁地区五峰组—龙马溪组页岩储层中成岩裂缝主要为页理缝。页理缝是在成岩过程中沿着页岩层理面破裂形成的裂缝，呈不连续的平行层理分布，开度较小，通常被方解石、硅质和有机质充填（见图3d，4a），裂缝密度为0～20条/mm，是页岩中最为发育的成岩裂缝［20-23］，对页岩的横向渗透性有一定的改善作用。收缩裂缝是指因脱水、矿物相变和热收缩等作用导致页岩体积减小形成的裂缝［24］，通常形成于成岩早期，裂缝面垂直于层面，常呈上宽下窄的形态分布，规模小，开度低，方向性不明显（见图3e，4b）。异常高压相关裂缝的形成、分布与生烃增压作用有关，在五峰组观察到大量有机质热演化过程中局部异常流体压力引起岩石发生扩张破裂形成的异常高压相关裂缝。这类裂缝面形态不规则，多被方解石或沥青充填（见图3f，4c），受到流体和岩性等多种因素控制，是页岩储层内高压排烃和运移的重要标志［25］。薄片尺度上也可观察到微裂缝之间存在相互限制和错断的关系（见图4d），不同类型裂缝相互交切形成的裂缝网络对页岩气的富集和保存具有重要影响。

根据扫描电镜显示结果，长宁地区五峰组—龙马溪组页岩储层中发育大量纳米—微米级的裂缝，泥页岩呈纹层状分布，可见莓状黄铁矿、泥粉晶方解石、石英和云母颗粒等，富含有机质。微裂缝以切穿石英、方解石甚至黄铁矿的构造微裂缝（见图4e）和与纹层平行发育的粒间缝为主。在构造裂缝周围应力集中部位，泥页岩颗粒受到强烈的挤压作用，石英、云母等脆性矿物之间会形成较多的粒间缝和粒内缝（见图4f）。粒间缝多平行层理呈孤立状分布，部分充填碎屑颗粒，裂缝长度一般与片状矿物的长度有关。粒内缝一般发育在方解石、石英和片状云母颗粒中，整体发育程度较低。扫描电镜显示：页理缝通常被有机质和莓状黄铁矿充填（见图 4g），开度介于 0.1～20.0 μm，与纹层方向近平行分布，延伸长度为纳米—厘米级。大量微裂缝和有机质孔形成了复杂的孔缝网络（见图4h），为甲烷分子提供了游离气的赋存空间，对提高页岩含气量具有重要作用。

3 天然裂缝发育的主控因素

长宁地区页岩储层中不同部位、不同类型裂缝的发育程度存在差异。天然裂缝的形成和分布受断层、褶皱等局部构造，脆性和岩石力学层厚度等因素控制［26-31］，其中构造是控制页岩储层天然裂缝发育的主要因素［32］。明确研究区页岩储层天然裂缝发育的主控因素，对预测研究区天然裂缝的分布规律具有重要指导意义。

3.1 构造

不同构造部位应力分布的差异性决定了天然裂缝的形成和分布。断层是控制该区裂缝发育的重要构造因素。地表露头和岩心统计发现，断层附近有明显的裂缝发育带，此区域穿层剪切裂缝和层内张裂缝的发育程度明显增高，与断层距离越远，其发育程度越低。由于断层上盘是活动盘，应力扰动作用更加明显，上盘构造裂缝的发育程度和裂缝发育带的宽度高于下盘［33］。

远离断层部位，构造裂缝易在褶皱核部等局部应力集中部位发育。综合珙泉—硐底剖面统计数据进行回归分析，发现褶皱核部的构造裂缝非常发育，而在翼部构造裂缝发育程度变低。总体而言，随距褶皱核部距离的增加，应力集中程度降低，构造裂缝密度减小（见图 5）。

3.2 脆性

页岩的脆性大小影响构造裂缝和页理缝的发育程度。页岩的脆性矿物主要包括石英、长石和碳酸盐矿物等［14，34］。脆性矿物质量分数越高，页岩的脆性越强，在相同构造强度下，高脆性的页岩层更容易发生脆性破裂，形成构造裂缝。在7口评价井的岩心上均可观察到五峰组—龙一13小层发育复杂的裂缝网络，而龙一14小层黏土矿物质量分数增加，脆性矿物质量分数减少，岩心规整，裂缝发育程度低。矿物成分分析和岩心裂缝统计表明，五峰组—龙马溪组页岩构造裂缝的发育程度与脆性矿物质量分数呈正相关关系（见图6）。此外，页理缝的发育程度与硅质质量分数呈正相关关系。在成岩过程中，高硅质质量分数页岩更易产生脆性薄弱面形成页理缝，当硅质质量分数低于30%时，页理缝不发育［20］。

3.3 岩石力学层厚度

层内张裂缝的形成和分布受岩石力学层的限制。由于风化和压力卸载等因素，野外露头上岩石力学层界面清晰，其厚度主体分布在1～60 cm。层内张裂缝被限制在单一岩石力学层内，与层面垂直，近似等间距分布，而穿层剪切裂缝切穿多个岩石力学层，裂缝面与层面高角度相交并终止于岩性界面，受岩石力学层影响较小［16］。在珙泉—硐底野外剖面中，统计了岩石力学层厚度大于5 cm的层内张裂缝密度。结果表明：在一定厚度内，层内张裂缝密度与岩石力学层厚度呈现较好的负相关关系，层内张裂缝密度随岩石力学层厚度的增大而减小（见图7）。

4 天然裂缝类型对页岩含气性的影响

TOC和孔隙度是页岩含气量高低的基础。TOC越高，面孔率越大，储层吸附气量越大；孔隙度越大，游离气量越高。页岩储层具有低孔低渗的特点，多类型和多尺度的裂缝网络是页岩储层中重要的储集空间和渗流通道，改善了页岩储层的孔渗性［35-36］。但裂缝发育的规模过大，也可能会导致页岩气的散失。基础资料表明：建武向斜五峰组—龙一13小层TOC相当，介于4.13%～4.80%，孔隙度介于4.18%～6.32%，页岩生烃条件相似。对7口井五峰组—龙一13小层样品进行含气量测定，最大测试含气量达6.70 m3/t，最小测试含气量为2.60 m3/t，不同井的测试含气量存在较大差异。综合岩心裂缝统计数据和含气量测试结果可知，不同类型天然裂缝的发育程度对页岩含气性的影响不同。收缩裂缝和异常高压相关裂缝的规模较小，发育程度低，通常被方解石、硅质和有机质等充填，对页岩含气性影响较小。对页岩含气性影响较大的天然裂缝主要为构造裂缝和页理缝。

层内张裂缝越发育，含气性越好（见图8a）。在远离主干断层部位，层内张裂缝的发育程度主要受到褶皱构造和脆性矿物质量分数的影响。褶皱核部和脆性大的岩层，层内张裂缝发育程度较高（见表1）。层内张裂缝的发育提高了页岩储层孔隙度，由于其规模较小，并未沟通上下层系，因此对页岩气散失无影响。例如：N7井位于构造高点，五峰组—龙一13小层平均TOC为4.13%，层内张裂缝密度为4.5条/m，平均孔隙度达6.32%，测试含气量为5.98 m3/t；N6井远离大断层，其脆性矿物质量分数为76%，在相同构造强度下，脆性矿物质量分数高的部位应力越集中，越容易发育层内张裂缝，岩心统计层内张裂缝密度为5.9条/m，测试含气量为6.70 m3/t。在一定范围内，层内张裂缝发育程度越高，孔隙度越大，含气量与层内张裂缝密度呈正相关关系（见8b）。页理缝的发育提高了页岩储层的水平渗透率，连通了更多的微裂缝、无机孔隙和有机质孔［37］，使得总有效孔隙体积增加，有利于页岩气的富集。N4井层内张裂缝发育较少，页理缝发育程度高，五峰组—龙一13小层孔隙度为6.10%，测试含气量为6.50 m3/t。

主干断层直接影响穿层剪切裂缝的发育程度。主干断层附近，穿层剪切裂缝密度高，随距主干断层距离的增大，穿层剪切裂缝密度显著减小（见图8a）。受剪切作用影响，穿层剪切裂缝附近页岩吸附甲烷的能力变差，有机质-矿物复合孔增多，促进吸附气向游离气解吸［38］。同时大规模的穿层剪切裂缝与上覆地层沟通，大幅提高了纵向渗透率，并且靠近断层，导致页岩气更易向上运移而散失，不利于页岩气的保存。N2井和N3井钻遇目的层均为优质页岩储层，岩心上穿层剪切裂缝密度大，介于1.2～1.6条/m，实测含气量相对偏低。页岩测试含气量与穿层剪切裂缝密度呈现一定的负相关关系（见图 8c）。

研究认为：在主干断层附近，穿层剪切裂缝对页岩气保存条件起主导作用，其发育促进了页岩气的散失，不利于页岩气的保存；在远离主干断层的褶皱核部，高脆性页岩中层内张裂缝、页理缝和微裂缝的发育，提高了储层的孔隙度和渗流能力，有利于页岩气的富集。

5 结论

1）长宁地区五峰组—龙马溪组页岩储层中宏观裂缝可分为构造裂缝、成岩裂缝和异常高压相关裂缝3种成因类型。构造裂缝又可细分为穿层剪切裂缝、顺层剪切裂缝和层内张裂缝，成岩裂缝包含页理缝和收缩裂缝。研究区宏观裂缝以构造裂缝和成岩裂缝为主，微裂缝主要为构造微裂缝和粒间缝。构造裂缝的走向主要为北西—南东向、北北东—南南西向、北东东—南西西向和东西向。

2）天然裂缝的发育受断层、褶皱等局部构造、脆性和岩石力学层厚度的控制。构造是控制页岩储层天然裂缝发育的主要因素。靠近断层部位裂缝发育程度高，远离断层部位受到局部构造的影响，褶皱核部的构造裂缝发育程度高，离褶皱核部越远，构造裂缝发育程度越低；富含脆性矿物的页岩，构造裂缝更易发育；岩石力学层限制了层内张裂缝的分布，岩石力学层厚度越大，层内张裂缝发育程度越低。

3）层内张裂缝和页理缝有利于页岩气的富集，穿层剪切裂缝不利于页岩气的保存。在页岩生烃条件相似的前提下，层内张裂缝和页理缝越发育，含气性越好；穿层剪切裂缝越发育，含气性越差。靠近主干断层部位，穿层剪切裂缝的发育程度高，不利于页岩气的保存；远离主干断层部位，不同成因类型的天然裂缝对页岩含气性的影响不同，因此需要开展页岩裂缝的分类评价和预测，可以更好地指导页岩气甜点区的评价。