川南地區(qū)龍馬溪組頁巖儲層裂縫特征*

霍 健 王星皓 羅 超 黃浩勇 陳 娟 尹 超 赫建明

(①中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，中國科學(xué)院頁巖氣與地質(zhì)工程重點實驗室，北京 100029，中國)(②中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院，北京 100029，中國)(③中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049，中國)(④中國石油西南油氣田分公司頁巖氣研究院，成都 610051，中國)

0 引 言

隨著全球油氣資源勘探開采技術(shù)的發(fā)展，頁巖氣等非常規(guī)油氣的大規(guī)模開發(fā)逐漸成為可能(Neison，2009)。據(jù)統(tǒng)計，常規(guī)油氣在總油氣儲量中僅占有20%的份額，非常規(guī)油氣占比高達80%。根據(jù)國際能源署的推測，全球能源消耗結(jié)構(gòu)中天然氣的比例將逐年增高，在2035年達到25%，成為第二大一次能源(鄒才能等，2018)。而在天然氣的消耗總量中，頁巖氣的比例將大幅增高至11%。因此，頁巖氣的開發(fā)利用已成為全球趨勢。

裂縫是頁巖氣資源勘探開發(fā)的一個重要指標，它主要承載著兩大功能：氣體儲集空間和滲流通道(Nelson，2001;Zeng et al.，2010;Zhang et al.，2016)。頁巖中的氣體儲集空間可分為裂縫型、孔隙型和裂縫孔隙復(fù)合型3種形式，其中：裂縫型為主導(dǎo)類型(Curtis，2002;Wang et al.，2016;Wu et al.，2017)。頁巖儲層中裂縫對氣體儲量具有正反兩方面作用：一是作為氣體儲集空間和運移通道，對儲層總含氣量起正面作用；另一方面是若裂縫尺寸過大則可能導(dǎo)致頁巖氣散失，對儲層總含氣量起負面作用(Wailick，2006)。通過對頁巖進行長期研究后發(fā)現(xiàn)，在阿巴拉契亞盆地中裂縫發(fā)育帶頁巖氣產(chǎn)量明顯高于裂縫不發(fā)育的地方，甚至有些裂縫不發(fā)育區(qū)產(chǎn)氣量為零(李新景等，2007)。對四川省東南部海相頁巖的研究后發(fā)現(xiàn)裂縫作為儲層重要物理性質(zhì)之一，儲層的含氣性和滲透性均受到裂縫發(fā)育情況的控制，對儲層裂縫的研究應(yīng)當成為頁巖氣開發(fā)的重要研究內(nèi)容(李新景等，2009)。通過對目前發(fā)現(xiàn)的具有商業(yè)開采價值的頁巖氣儲層統(tǒng)計得出其裂縫發(fā)育情況都比較好(Curtis，2002)。因此，頁巖儲層中裂縫特征與頁巖氣開采密切相關(guān)，儲層裂縫系統(tǒng)越發(fā)育，頁巖氣開采難度越低，開采效果也越好(聶海寬等，2009)。

目前，研究頁巖儲層裂縫的主要手段包括：野外露頭裂縫觀察、儲層巖芯裂縫觀察和測井信息識別。對野外露頭進行觀察研究是得到裂縫全貌最簡單直觀的方法，但這種方法對野外露頭要求較高，巖石露頭必須是與研究區(qū)域儲層性質(zhì)相似。對儲層巖芯進行觀察直接得到儲層裂縫的特征參數(shù)是最為直觀可靠的方法，其不足之處是對巖芯的保存狀態(tài)要求較高，需要保證其原狀結(jié)構(gòu)。利用專業(yè)技術(shù)手段在鉆井過程中對裂縫性質(zhì)進行檢測也可以得到儲層裂縫信息，雖然方便快捷，但缺點是準確率不高，對測井信息的解譯方式也多種多樣，需要進行大量分析工作。

針對頁巖儲層中裂縫特征，不同的學(xué)者進行了多方面的研究。對巴內(nèi)特頁巖巖芯中天然裂縫的長度、走向和充填性質(zhì)等特征進行觀察總結(jié)(Gala et al.,2018)，發(fā)現(xiàn)大部分天然裂縫的開度小于0.05mm，走向西北偏西，表現(xiàn)為封閉裂縫但在水力壓裂時會作為薄弱面而被激活。之后通過對美國巴內(nèi)特頁巖氣藏的天然裂縫充填特征進行了研究，發(fā)現(xiàn)主要充填物為石英、黃鐵礦、方解石等，充填物和裂縫壁面間的膠結(jié)情況會影響裂縫強度(Bowker，2007)。蘇培東等在塔河油田奧陶系儲層裂縫的觀察研究中發(fā)現(xiàn)塔河油田儲層裂縫主要由壓溶縫合線、成巖縫兩種非構(gòu)造縫和水平縫、低角度縫及高角度縫等3種構(gòu)造縫組成，裂縫的形成受到構(gòu)造部位、儲層巖性和儲層埋深的影響較大(Montgomery et al.，2005)。針對沙特阿拉伯Qusaiba頁巖露頭進行觀察研究(Tbrahim et al.,2019)，依據(jù)其中裂縫的長度、密度以及穿過的巖相等特征將該區(qū)域的裂縫網(wǎng)絡(luò)由優(yōu)至劣劃分了4個等級(吳禮明等，2011)。Di et al.(2021)整合多源、多尺度的地質(zhì)地球物理數(shù)據(jù)，有效地減少了地球物理響應(yīng)中的不確定性。

隨著四川省頁巖氣勘探開發(fā)的進程，川南地區(qū)的頁巖氣開發(fā)潛力逐漸得到了認可(唐嘉貴等，2008；程克明等，2009；黃籍中，2009；王世謙等，2009)，很多學(xué)者都對此區(qū)域重點開采層位頁巖裂縫特征進行了研究。對川南龍馬溪組頁巖露頭和巖芯樣品進行掃描電鏡研究(王玉滿等，2017)，將氣體儲集空間劃分為基質(zhì)孔隙和裂縫2大類，其中裂縫的主要形態(tài)包括層間縫和斜交縫(張金川等，2004)，巖芯裂縫長度普遍小于12cm，類型以低角度和高角度傾斜縫為主，多以方解石和黃鐵礦充填。通過對龍馬溪組下部頁巖樣品的掃描電鏡分析將儲層孔隙分為微米級、納米級和微裂縫3種，其中微裂縫主要由充填縫、層間縫等構(gòu)成(蘇培東等，2008)。對焦石壩地區(qū)龍馬溪組—五峰組頁巖巖芯進行觀察后發(fā)現(xiàn)巖芯中主要存在水平縫和高角度縫2類裂縫，其中水平縫數(shù)量較多，其開度最高可達6mm，密度最高可達40條/m。對長寧地區(qū)龍馬溪組—五峰組的露頭和巖芯觀察研究后將裂縫分為構(gòu)造縫、成巖縫和異常高壓縫3種，其中構(gòu)造縫還可進一步劃分為穿層剪切縫、層內(nèi)擴張縫和順層滑脫縫(Zimmerman，2005)。對渝東南丁山區(qū)龍馬溪組頁巖露頭和巖芯觀察發(fā)現(xiàn)該區(qū)內(nèi)頁巖裂縫以高角度剪切縫為主，裂縫密度為3～8條/m，多數(shù)被方解石及黃鐵礦填充(Zou et al.，2015)。雖然目前針對頁巖儲層裂縫進行過較為詳細的研究，但不同區(qū)域內(nèi)頁巖儲層的裂縫特征不盡相同，針對頁巖氣不同產(chǎn)區(qū)有必要進行裂縫特征的研究。

本文基于對四川瀘201井所取得的巖芯樣品進行顯微鏡拍照觀測，通過本次對川南頁巖儲層細觀尺度下的觀察實驗，總結(jié)其中天然裂縫的數(shù)量及形態(tài)特征，構(gòu)建頁巖二維裂縫模型，對于后續(xù)頁巖氣開采以及儲層氣體流動分析具有十分重要的意義。

1 儲層巖芯采集區(qū)地質(zhì)概況

本次所觀察的儲層巖芯采自瀘201井，該項目位于四川省瀘州市江陽區(qū)通灘鎮(zhèn)羅石橋村境內(nèi)，由中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司投資建設(shè)，該井屬單井，井別為評價井，井型為直井。在井深3539.80m鉆遇龍馬溪組龍一1亞段，3617.05m鉆遇五峰組。本次研究的主要對象是上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組龍一1亞段的1、2小層。

1.1 地理位置及構(gòu)造特征

圖1展示了儲層巖芯采集區(qū)瀘201井的具體位置。儲層巖芯采自四川盆地南部，四川省瀘州市。四川盆地外部被諸多造山帶所圍繞，內(nèi)部從北西方向至東南方向地層時代越來越老、經(jīng)受的構(gòu)造運動越來越強。盆地內(nèi)發(fā)育有良好的厚層頁巖，且越往東南方向頁巖埋深越大(張金川等，2008；沃玉進等，2009)。四川盆地屬于海陸相復(fù)雜疊合盆地(劉樹根等，2004)，其發(fā)展主要可以分為兩個階段，一是相對穩(wěn)定且大陸地殼厚度大的克拉通盆地階段，二是位于活動地槽與穩(wěn)定地臺之間的前陸盆地階段(汪澤成等，2002a；魏國齊等，2005)?？死ㄅ璧匮莼^程中，大型隆坳控制形成以海相碳酸鹽巖和頁巖等為主的下構(gòu)造層，這些構(gòu)造層分布面積廣、沉積厚度大，平均厚度4～7km，最大累計厚度可達10km；一般認為，在前陸盆地演化階段，盆地沉降中心發(fā)生了由川東至川西的大型區(qū)域構(gòu)造運動，盆地東部地殼大幅度隆起，盆地西部山前帶地層經(jīng)受擾動較小且繼續(xù)接受上構(gòu)造層的陸相沉積，造成了盆地東部相較于西部地層時代老的現(xiàn)狀(張金川等，2008)。

圖1 瀘201井井位示意圖Fig.1 Schematic diagram of well location of Well Lu 201

四川盆地是中國大型富含天然氣盆地之一，通過勘探，基本明確了震旦系、石炭系、二疊系、三疊系等主要含氣層系，形成了川東、川西、川南和川中4個含氣區(qū)。從實鉆資料和綜合地質(zhì)研究成果看，川南地區(qū)是四川盆地中頁巖氣資源最為豐富的地區(qū)之一，頁巖儲層分布穩(wěn)定、厚度大，探明油氣田數(shù)量眾多(圖2)；川東地區(qū)由于曾經(jīng)受到過大面積隆升構(gòu)造運動，地層時代新，有大套海相頁巖存在，是理想的頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)域；中部地區(qū)也經(jīng)歷了區(qū)域抬升運動，但相對東部較為平緩，是致密油和頁巖氣同時開發(fā)的理想?yún)^(qū)域；西部地區(qū)較中東部地層時代老，構(gòu)造運動平緩，并不是目前主要的頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)(劉宇，2016；付常青，2017；高莉，2019)。

圖2 四川盆地南部含氣構(gòu)造分布圖(馬力等，2004;張水昌等，2006;李德生，2007;有修改)Fig.2 Distribution map of gas-bearing structures in the Southern Sichuan Basin(Ma et al.，2004;Zhang et al.，2006;Li，2007;modified)

經(jīng)過室內(nèi)實驗、現(xiàn)場勘探等研究發(fā)現(xiàn)，目前主要的頁巖儲層是五峰組—龍馬溪組頁巖，其中又以龍馬溪組頁巖為主。川南區(qū)域的五峰組頁巖沉積自晚奧陶世凱迪期，這個時期四川盆地處于不斷下凹的構(gòu)造運動階段，相對海平面上升；龍馬溪組頁巖沉積自晚奧陶世至早志留世，這個時期由于冰川期結(jié)束，南極冰蓋消融，海平面上升。

由圖3可看出，研究區(qū)的主要構(gòu)造為東西向和北東向構(gòu)造。該褶皺構(gòu)造為長寧—珙縣背斜，屬于弧形構(gòu)造復(fù)式肥大背斜，其下部地層發(fā)育較為完善，基本無缺失。整體來看，背斜軸向由北西逐漸轉(zhuǎn)向北西西，由東南向西北寬度越來越窄，北西端軸面稍有彎曲，向西傾斜后漸沒。在長寧背斜的周圍存在一系列褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造，走向以北東向為主，斷裂構(gòu)造主要為逆沖斷層(汪澤成等，2002a，2002b)。

圖3 川南低陡褶皺帶構(gòu)造行跡圖(汪澤成等，2002a,2002b；有修改)Fig.3 Structural track map of low-steep fold belt in southern Sichuan (Wang et al.，2002a，2002b;modified)

1.2 地層巖性特征

四川盆地雖歷經(jīng)多期構(gòu)造運動，但古生界地層保存較為完好，地層之間整合接觸、平行不整合接觸和角度不整合接觸3種類型均有發(fā)現(xiàn)，整合接觸居多。古生界地層可劃分為兩套巖性差異較大的巖層：一是下古生界的海相沉積巖，厚度在3500m至6000m之間，也是主要的頁巖氣產(chǎn)層；二是上古生界的陸相沉積巖，厚度在2500m至6000m之間(蒲泊伶，2008；蒲泊伶等，2010)。

川南地區(qū)經(jīng)過幾千萬年的構(gòu)造運動及地質(zhì)沉積，形成了3套具有頁巖氣資源開采潛力的頁巖地層，分別是牛蹄塘組、五峰—龍馬溪組和吳家坪組，其中：五峰—龍馬溪組是目前最主要的頁巖氣產(chǎn)層(鄒才能等，2010；董大忠等，2016)。本次研究對象集中在龍馬溪組頁巖儲層巖芯，以及少數(shù)五峰組巖芯。

圖4為瀘201井綜合測井曲線，對其識別，五峰組深度為3617.05～3622.02m，厚4.97m，與下伏臨湘組灰?guī)r地層、上伏龍馬溪組均呈整合接觸。五峰組頂部約3m處總有機碳值出現(xiàn)了高值區(qū)，此處巖性為炭質(zhì)泥巖；底部總有機碳值有一段低值區(qū)，此處巖性為含鈣粉砂質(zhì)泥巖。

圖4 瀘201井五峰組—龍馬溪組綜合測井曲線Fig.4 Comprehensive logging curve from Wufeng Formation to Longmaxi Formation in Well Lu 201

根據(jù)現(xiàn)場資料，龍馬溪組龍一1亞段探測深度為3539.80～3617.05m，厚77.25m，巖性以炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖、含粉砂質(zhì)頁巖為主。近年來，我國已進行了數(shù)次川南地區(qū)的頁巖氣試驗性開采，現(xiàn)場結(jié)果表明，五峰組龍一1亞段在頁巖氣勘探開發(fā)中表現(xiàn)最好，是進行頁巖氣開采的理想層位，其中又以龍一1亞段1、2小層表現(xiàn)最為突出，是目前水平井的主要鉆層(羅超等，2017)。根據(jù)巖性、電性和地化特征可將龍馬溪組龍一1亞段分為4個小層，分別是1小層(3614.01～3617.05m)、2小層(3609.58～3614.01m)、3小層(3603.46～3609.58m)、4小層(3539.80～3603.46m)。龍一1亞段有機質(zhì)含量高，TOC平均值明顯高于上部龍一2亞段。

龍一1亞段1、2小層位于龍馬溪組巖層底部，巖性主要表現(xiàn)為黑色紋層狀頁巖，包含的主要礦物有黏土礦物、碳酸鹽礦物和黃鐵礦，其中以黏土礦物居多，黏土礦物中又數(shù)伊利石的含量最高，可達50%以上(張永剛等，2007)。

2 頁巖儲層裂縫觀察及發(fā)育特征分析

2.1 裂縫觀察方法及流程

本文以川南頁巖氣氣田瀘201井的巖芯為主要研究對象，以手持顯微鏡(放大率800×)、體式顯微鏡(分辨率0.952μm)為主要研究工具(圖5)，對巖芯進行了細觀尺度下的觀察實驗。首先使用手持顯微鏡尋找天然裂縫，并對其數(shù)量及形態(tài)特征進行描述，探究其存在規(guī)律；然后利用M205A體視顯微鏡對部分天然裂縫進行細致觀察，探索天然裂縫開度特征。主要的研究步驟包括：

圖5 觀測設(shè)備Fig.5 Observation equipmenta.手持顯微鏡;b.體式顯微鏡

(1)采用手持顯微鏡對川南頁巖氣氣田瀘201井的巖芯(圖6～圖8)，進行細觀尺度下的觀察實驗，統(tǒng)計裂縫的數(shù)量、類型特征，之后通過Photoshop等圖片處理工具進行圖像重構(gòu)，得到巖芯拼合照片。

圖6 龍馬溪組龍一1亞段1小層局部巖芯照片F(xiàn)ig.6 Local core photos of 1st small layer in the Long-1 sub-member of Longmaxi Formation

圖7 龍馬溪組龍一1亞段2小層局部巖芯照片F(xiàn)ig.7 Photographs of local cores of 2nd small layers in Long-1 sub-member of Longmaxi Formation

圖8 五峰組局部巖芯照片F(xiàn)ig.8 Local core photos of Wufeng Formation

(2)利用M205A體視顯微鏡對部分天然裂縫進行細致觀察，探索天然裂縫開度特征。

(3)根據(jù)以上所得，分析頁巖儲層裂縫長度分布概率函數(shù)，進行頁巖二維裂縫模型構(gòu)建。

2.2 儲層裂縫類別及特征

頁巖儲層中發(fā)育裂縫能夠為氣體提供更大的儲集空間，同時也可以在頁巖氣開采時為氣體提供更豐富的運移通道。完成頁巖儲層巖芯顯微鏡觀察后利用Photoshop軟件進行了圖像重構(gòu)，各層位重構(gòu)示意圖如圖9～圖11所示，圖片中從左至右為埋深方向，從上至下為巖層方向。

圖9 龍馬溪組龍一1亞段1小層局部巖芯重構(gòu)圖像Fig.9 Reconstruction image of local cores of 1st small layer in the Long-1 submember of Longmaxi Formation

圖10 龍馬溪組龍一1亞段2小層局部巖芯重構(gòu)圖像Fig.10 Local core reconstruction images of 2nd small layers in the Long-1 sub-member of Longmaxi Formation

圖11 五峰組局部巖芯重構(gòu)圖像Fig.11 Local core reconstruction image of Wufeng Formation

經(jīng)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，龍馬溪組頁巖儲層裂縫較為發(fā)育，總計259條，五峰組裂縫較少，僅觀察到6條。依據(jù)裂縫傾角的大小，可分為水平裂縫(小于15°)、低角度裂縫(15°～75°)和高角度裂縫(大于75°)3大類(圖12)。

圖12 不同類型裂縫示意圖Fig.12 Diagram of different types of cracksa.水平裂縫；b.低角度裂縫；c.高角度裂縫

2.2.1 水平裂縫

水平裂縫包括層間滑動縫和頁理縫，滑動縫是指平行于層面且具有明顯滑移痕跡的裂縫，頁理縫主要為具剝離線理的平行層理紋層面間的孔縫，層間滑動縫的成因包括應(yīng)力釋放、礦物結(jié)晶以及生排烴等作用，頁理縫的成因主要是沉積作用，兩種裂縫均平行于層面存在。本論文所研究的儲層巖芯中此類裂縫最為常見，占全部觀察裂縫的92.1%，在龍馬溪組巖芯中水平裂縫占比高達91.8%。

2.2.2 低角度裂縫

低角度裂縫包括傾角較小的斜交縫，這類裂縫一般為滑脫縫，呈低角度或近水平狀態(tài)，在觀察的儲層巖芯中此類裂縫最為少見，占全部觀察裂縫的1.1%，在龍馬溪組巖芯中低角度裂縫占比1.2%。

2.2.3 高角度裂縫

高角度裂縫包括斜交縫和垂直縫，這類裂縫發(fā)育易造成壓裂主裂縫得不到充分改造，支撐劑充填效果差。在觀察到的裂縫中數(shù)量較少，占全部觀察裂縫的6.8%，在龍馬溪組巖芯中高角度裂縫占比7.0%。

目前美國頁巖氣商業(yè)性開發(fā)深度一般小于4000m，其成因多以熱成因為主，絕大部分頁巖氣井分布在盆地斜坡和盆地中心部位，其構(gòu)造上較為穩(wěn)定。其有機碳(TOC)含量和成熟度高于我國四川盆地頁巖儲層，并且其硅質(zhì)含量高于35%，脆性較大，易于形成為裂縫。對于我國高成熟度、低孔隙的頁巖，則必須把頁巖裂縫作為重要指標之一。在天然裂縫的基礎(chǔ)上進行壓裂改造等才能實現(xiàn)頁巖氣的商業(yè)化開采。

2.3 儲層裂縫發(fā)育特征

儲層裂縫的幾項重要發(fā)育特征分別是長度、密度和開度，這三者可以在一定程度上決定儲層的滲透性，衡量儲層的開采優(yōu)劣性。因此對觀察得到的五峰—龍馬溪組儲層裂縫長度、密度和開度參數(shù)進行記錄、統(tǒng)計與總結(jié)，研究其裂縫發(fā)育特征。

2.3.1 裂縫長度特征

對裂縫長度進行統(tǒng)計，并計算不同層位中不同長度裂縫的分布規(guī)律，其中：裂縫長度的描述采用如下標準(表1)。

表1 五峰組—龍馬溪組頁巖裂縫長度劃分標準Table 1 Standards for dividing the fracture length of Wufeng Formation-Longmaxi Formation shale

裂縫按照龍馬溪組龍一1亞段1小層、龍一1亞段2小層和五峰組3個層位進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，分別計算了3種不同的裂縫類型在這3個層位頁巖儲層中的比例。觀察統(tǒng)計結(jié)果顯示，巖芯中裂縫多為短裂縫，這部分裂縫在1小層、2小層和五峰組中占的比例分別為91.7%、90.5%和57.1%，平均占比79.8%；中裂縫次之，占比例依次為6.2%、4.8%和42.8%，平均占比17.9%；觀察到的較長裂縫較少，占比例分別為2.1%、4.7%和0.0%，平均占比2.3%；在巖芯觀察中并未發(fā)現(xiàn)長裂縫的存在。以上數(shù)據(jù)表明頁巖儲層裂縫長度分布隨不同層位發(fā)育具有差異性，但趨勢是一致的。

2.3.2 裂縫密度特征

裂縫的線密度λ定義為沿裂縫平均法向向量單位長度上的平均裂縫數(shù)。對所觀察的3個層位巖芯分別進行裂縫密度統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。龍一1亞段1、2小層裂縫密度特征相當，1小層裂縫密度略高于2小層；五峰組裂縫密度遠低于1、2小層，裂縫數(shù)量較少。

表2 五峰組—龍馬溪組頁巖裂縫類型與密度統(tǒng)計Table 2 Fracture types and density statistics of Wufeng Formation-Longmaxi Formation shale

2.3.3 裂縫開度特征

對龍馬溪組儲層巖芯的觀察顯示，絕大多數(shù)的裂縫都平行于層理方向，僅在1小層出現(xiàn)了一組垂直于層理的高角度裂縫。存在高角度裂縫是富含石油巖芯的標志之一。因此，對圖13中龍一1亞段1小層頂部巖芯中的高角度天然裂縫進行了裂縫開度測量。測量結(jié)果顯示該天然裂縫的開度為0.029～0.061mm，部分充填，從巖芯端面向巖芯中心逐漸完全充填直至閉合。

圖13 龍馬溪組龍一1亞段1小層高角度裂縫示意圖Fig.13 Schematic diagram of high-angle fractures in a small layer of Long-1 sub-member of Longmaxi Formation

2.4 層間裂縫充填礦物特征

此次觀察主要基于裂縫的顯微鏡觀察進行，可觀測到的主要礦物為黃鐵礦和方解石，在礦物周圍往往會有更多的裂縫存在。通過巖芯觀察發(fā)現(xiàn)，五峰組—龍馬溪組頁巖中黃鐵礦呈暗黃色，有反光現(xiàn)象，主要沿條狀(圖14a)或帶狀(圖14b)分布，有時呈結(jié)晶塊狀(圖14c)。從整體分布特點來看，黃鐵礦沿層面分布居多，隨著巖芯深度增加，黃鐵礦含量也逐漸增多。方解石的含量明顯多于黃鐵礦，且在巖石表面分布的范圍較大，在巖石表面呈白色，摻雜泥質(zhì)后呈灰白色。方解石同樣多順層分布，一般出現(xiàn)在裂縫周邊或填充裂縫，所觀察儲層巖芯中可見方解石脈，呈現(xiàn)出細條狀分布且延續(xù)較長的特點(圖15)。

圖14 頁巖儲層黃鐵礦塊體特征Fig.14 Characteristics of pyrite blocks in shale reservoirsa.條狀黃鐵礦；b.帶狀黃鐵礦；c.結(jié)晶狀黃鐵礦

圖15 方解石脈Fig.15 Calcite veins

3 二維頁巖裂縫模型

依據(jù)觀察得到的頁巖儲層裂縫發(fā)育特征，構(gòu)建二維頁巖裂縫模型。由于五峰組裂縫發(fā)育不明顯，因此僅對龍馬溪組龍一1亞段1、2小層構(gòu)建計算模型。將各長度范圍的裂縫比例進行統(tǒng)計(表3)。

表3 裂縫長度分布情況統(tǒng)計表Table 3 Statistical table of crack length distribution

按照以下步驟進行二維頁巖裂縫模型的構(gòu)建：

(1)對裂縫長度分布函數(shù)進行擬合。結(jié)果顯示，裂縫長度特征值出現(xiàn)頻率呈現(xiàn)先增大后減小至0的趨勢，頻率最高值出現(xiàn)在裂縫長度與巖芯周長的比值為0.1時。其中y軸為縫長特征值出現(xiàn)頻率，x軸為裂縫長度與巖芯周長的比值分布范圍(圖16)。

圖16 龍一1亞段1、2小層頁巖巖芯裂縫長度分布Fig.16 Fracture length distribution of shale cores in the 1st and 2nd sub-member of Long-1

(2)確定裂縫密度。取觀察到的1、2小層平均裂縫密度為標準值，設(shè)定水平裂縫線密度為8.68m-1，低角度裂縫線密度為0.36m-1，高角度裂縫線密度為3.14m-1。

(3)按照以上步驟得到的裂縫長度分布與裂縫密度，進行二維裂縫網(wǎng)絡(luò)建模?？p網(wǎng)設(shè)置需要利用Python語言編寫實現(xiàn)，生成縫網(wǎng)包含水平、豎直、傾斜3組裂縫，裂縫間距依據(jù)表2裂縫密度數(shù)據(jù)，裂縫長度分布由圖16擬合曲線決定。模型生成步驟如圖17。

圖17 二維裂縫網(wǎng)絡(luò)模型生成流程圖Fig.17 Flow chart of generating two-dimensional fracture network model

1)水平裂縫生成

①輸入裂縫生成范圍，確定邊界位置；

②給定裂縫長度分布隨機生成不同長度裂縫；

③根據(jù)裂縫密度指標調(diào)整裂縫間距，并適當刪除不合適的裂縫，水平裂縫組生成完成。

2)根據(jù)水平裂縫組的生成過程得到豎直裂縫組和傾斜裂縫組

3)根據(jù)裂縫密度指標調(diào)整裂縫間距和角度，并進行裂縫刪減

4)二維裂縫網(wǎng)絡(luò)模型建立完畢

利用Python語言生成裂縫網(wǎng)格，二維裂縫網(wǎng)絡(luò)模型的生成流程如下圖。

(4)最終建立的二維頁巖裂縫模型如圖18所示。

圖18 不同尺度二維頁巖裂縫模型示意圖Fig.18 Schematic diagram of two-dimensional shale fracture models at different scalesa.1m×1m；b.50m×50m；c.100m×100m

圖18所示的二維裂縫網(wǎng)絡(luò)是經(jīng)過間距和角度自適應(yīng)調(diào)整得到，除了水平裂縫和豎直裂縫外，還有低角度裂縫組存在。裂縫網(wǎng)絡(luò)密度為1.728m-1，整體密度偏差不超過0.3%，裂縫長度按比例分布，與以往計算模型相比，較符合場地實際情況。此裂縫模型直觀地展現(xiàn)了巖芯不同層位裂縫分布情況。

4 結(jié) 論

四川盆地針對頁巖氣開采的先驅(qū)性探索為中國未來頁巖氣事業(yè)提供了極具意義的指導(dǎo)性實踐，為未來實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)化開采指明了方向，對我國甚至全球的頁巖氣領(lǐng)域發(fā)展都起到了極大的促進作用。由于內(nèi)部的構(gòu)造特征與地層特點，四川盆地成為了我國主要的頁巖氣賦存區(qū)，其中川西南和川南區(qū)域氣田遍布，是進行頁巖氣勘探開采的理想地區(qū)，目前的試驗性開采也證明了其頁巖氣開采潛力。本研究主要結(jié)論包括：

(1)從宏觀到微觀角度觀察了龍馬溪組龍一1亞段1、2小層與五峰組頁巖儲層裂縫發(fā)育特征，結(jié)果顯示：裂縫多為裂縫長度/巖芯周長小于25%的短裂縫，平均占比79.8%；裂縫長度/巖芯周長在25%到50%之間的中裂縫次之，平均占比17.9%；裂縫長度/巖芯周長在50%到75%之間的較長裂縫較少，平均占比2.3%；在巖芯觀察中并未發(fā)現(xiàn)裂縫長度/巖芯周長大于75%的長裂縫的存在。

(2)龍一1亞段1小層巖芯裂縫發(fā)育，以平行于層理的裂縫為主，由1小層向上或向下，裂縫密度均降低；龍一1亞段2小層天然微裂縫數(shù)量略低于1小層，而五峰組巖芯僅發(fā)現(xiàn)極少量微觀可見的天然微裂縫，與實際生產(chǎn)結(jié)果相匹配。

(3)巖芯裂縫充填礦物主要為黃鐵礦、方解石。通過巖芯觀察發(fā)現(xiàn)，五峰組—龍馬溪組頁巖中的黃鐵礦主要沿巖層分布，呈條狀、帶狀或結(jié)晶塊狀分布，隨著巖芯深度增加，黃鐵礦含量也逐漸增多；方解石的含量明顯多于黃鐵礦，且在巖石表面分布的范圍較大，一般出現(xiàn)在裂縫周邊或填充裂縫。

(4)取巖芯觀察中裂縫發(fā)育情況較好的龍馬溪組龍一1亞段1、2小層裂縫數(shù)據(jù)為基準，依據(jù)裂縫長度分布函數(shù)和裂縫密度數(shù)據(jù)成功構(gòu)建二維頁巖裂縫模型，該裂縫模型后續(xù)可進行氣體流動等數(shù)值模擬分析。