陽春溝構造帶頁巖裂縫發(fā)育特征及對產能的影響

萬靜雅

(中國石化華東油氣分公司 勘探開發(fā)研究院， 南京 210019)

頁巖氣勘探開發(fā)潛力巨大。美國“頁巖氣革命”取得成功后，近年來在中國南方陸續(xù)發(fā)現了涪陵、長寧-威遠等多個具有商業(yè)價值的頁巖氣田[1]?？碧酵黄婆c商業(yè)開采實踐表明：天然裂縫較發(fā)育或經后期水力壓裂改造能產生大量裂縫的富有機質頁巖，能夠作為天然氣的儲集體[2-4]，因此對頁巖裂縫的研究尤為重要。眾多學者開展了頁巖裂縫成因、分布規(guī)律、控制因素等研究工作，取得了豐富的成果。有機質豐度高、脆性礦物高、裂縫發(fā)育與良好的保存條件是焦石壩頁巖氣高產的關鍵因素，裂縫的發(fā)育能有效改善頁巖的儲集空間與滲流能力，提高游離氣比例[5]，裂縫發(fā)育程度直接影響頁巖氣產量。目前陽春溝地區(qū)成為四川盆地下一步勘探開發(fā)的潛力區(qū)域，五峰組-龍馬溪組頁巖為主要產氣層，裂縫的發(fā)育對頁巖氣的富集、保存和開發(fā)具有重要意義，因此亟須深化對頁巖裂縫發(fā)育特征的研究。

本文通過露頭、巖心、成像測井等資料，剖析頁巖裂縫的成因類型，開展陽春溝構造帶裂縫發(fā)育特征描述，并進一步深入探討天然裂縫對頁巖氣成藏與開發(fā)的影響，有利于深入認識該區(qū)域頁巖裂縫分布規(guī)律，為頁巖氣藏綜合地質研究與勘探部署、壓裂改造方案制定等提供重要依據。

1 區(qū)域地質背景

渝東南盆緣轉換帶構造上位于四川盆地川東高陡構造帶與武陵褶皺帶西北緣，經歷了多期構造運動改造，其中以加里東-海西期、印支期、燕山-喜山期構造作用影響最大，受陽春溝斷裂、大千斷裂、茶園斷裂、胡家園斷裂四條斷裂控制，形成了NE-SW向為主的復背斜與復向斜相間的構造樣式(圖1)。在奧陶系-志留系早期，以深水陸棚相沉積為主，發(fā)育一套廣泛分布的黑色硅質頁巖、粉砂質泥巖，有機質發(fā)育程度較高，生物化石豐富[6]，具有良好的勘探開發(fā)潛力，是主要產氣層段。

圖1 渝東南盆緣轉換帶構造位置

2 裂縫成因與發(fā)育特征

2.1 巖心裂縫特征

X井地理上位于重慶市南川區(qū)，構造上位于四川盆地川東高陡褶皺帶萬縣復向斜陽春溝南斜坡，由于小河壩以上地層較平緩，小河壩組以下地層傾角急劇增大，導致五峰組-龍馬溪組頁巖取心長度較長，累計心長192.9 m(圖2)，根據地質成因，主要發(fā)育高角度構造縫、低角度滑脫縫、層理縫、層間縫[7-8]。高角度構造縫的發(fā)育程度主要受構造作用強弱的影響。在越靠近斷裂帶區(qū)域附近，構造作用越強烈，高角度縫發(fā)育，規(guī)模較大，常形成裂縫組系且具有一定的方向性，大多數被方解石充填，少量未充填[9-10]。低角度滑脫縫是由于在順層方向的剪切應力作用，發(fā)生滑脫破裂而形成的裂縫[11]，傾角較小，一般小于30°，裂縫面上明顯可見擦痕、階步及鏡面等特征現象，在五峰組-龍馬溪組底部較為常見。層理縫是在受到地層壓力釋放、礦物溶蝕等外力作用時，頁理作為應力薄弱面，易形成裂縫，一般為水平縫，縫寬極小，分布較集中，裂縫密度較大。同時，受多期構造運動影響，不同類型和期次的裂縫常交互出現，呈現相互切割關系[12]，形成復雜縫網(圖3)。

圖2 陽春溝構造帶X井五峰組-龍馬溪組一段單井柱狀圖

通過巖心觀察描述可以統計裂縫的幾何參數(長度與寬度)、產狀(傾角與方位)、充填情況(充填物及充填程度)[13]、裂縫間的交切關系等裂縫基本參數[14]。X井裂縫長度大部分較長，易于夠使巖心發(fā)生破裂。開度主要以1～2 mm最多，共338條，開度小于1 mm與大于4 mm的裂縫較少，分別為80條、21條，裂縫開度較大，說明裂縫不僅為頁巖氣提供儲集空間[15]，同時對頁巖氣滲流、后期人工壓裂改造都具有重要意義。以高角度縫和垂直縫為主，其中高角度縫最為發(fā)育，共計256條，垂直縫發(fā)育次之，共計144條，水平縫和低角度縫發(fā)育相對較少。裂縫充填程度分為充填、半充填、未充填，大部分裂縫為充填縫，充填物主要以方解石、黃鐵礦為主，少部分被泥質、有機質充填[16-17](圖4)。綜上所述，X井龍馬溪組頁巖裂縫開度較大，易于使巖心發(fā)生破裂；開度相對較大，對頁巖儲集、滲流、后期人工壓裂改造具有重要意義[18]；以高角度縫和垂直縫為主，大部分被方解石和黃鐵礦充填[19]。

圖4 五峰組-龍馬溪組一段頁巖巖心裂縫特征參數統計

2.2 裂縫微觀特征

研究區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖裂縫微觀特征顯示，裂縫充填物以方解石和石英為主。根據充填物及其切割關系，可觀察到3期構造裂縫，表明經歷了多期構造改造。在方解石與石英充填縫中，可見充填物內部發(fā)育開啟的次級孔、縫，對頁巖儲集空間具有一定貢獻。氬離子拋光掃描電鏡觀察顯示，微米-納米尺度下，微裂縫以非構造縫為主，主要類型為層間縫、粒間縫、粒內縫，開度為微米級[20]。方解石、石英、黃鐵礦等剛性礦物有利于粒間孔縫的發(fā)育與保存，具有較大的面孔率[16](圖5)。擠壓與滑動作用使滑脫面礦物顆粒發(fā)生糜棱化，顆粒磨圓與破碎程度高，粒間孔縫發(fā)育。粒內縫主要發(fā)育于片狀礦物內部或邊緣，縫面較平直或曲度較小，多數未充填。微裂縫與宏觀裂縫相互溝通，形成裂縫網絡，有效改善頁巖儲層的儲集空間與滲流能力。

圖5 X井五峰組-龍馬溪組一段頁巖微觀裂縫特征

3 頁巖裂縫對成藏和開發(fā)的影響

根據目前壓裂試采資料，總結了五峰組-龍馬溪組頁巖產能與各因素的相關關系，認為除了與TOC、物性、脆性指數等地質因素及總液量、總砂量、射孔簇數、試氣段長等工程因素相關外，裂縫的發(fā)育程度也對頁巖氣成藏和開發(fā)具有重要影響。頁巖氣具有自生自儲的特點，裂縫對成藏的影響主要體現在對儲集空間的改善和對保存條件的影響[21]。絕大多數頁巖氣井都需要人工體積壓裂改造才能獲得工業(yè)氣流，裂縫對頁巖氣開發(fā)的影響主要體現在對水力壓裂效果的影響。

3.1 天然裂縫對頁巖氣成藏的影響

頁巖的儲集空間主要為基質孔、有機孔、裂縫三大類。大量巖心、薄片、掃描電鏡和分析化驗表明，頁巖發(fā)育大量天然裂縫，但大多被方解石、石英等礦物充填，對儲集性能的提升并不明顯。只有未被充填的天然裂縫及裂縫填充物中開啟的次級孔縫，才能提供一部分儲集空間和滲流通道，增加游離態(tài)頁巖氣的含量[22]。

中國南方復雜構造帶海相頁巖氣需要致密的頂底板條件，保存條件至關重要，構造改造作用是控制頁巖氣保存條件的關鍵因素。斷裂帶附近往往發(fā)育大型開啟裂縫，會一定程度上破壞頁巖氣藏的封閉性能[23-24]，將導致游離氣在濃度差驅使下向開啟性斷層和裂縫帶等泄壓區(qū)運移散失，影響頁巖含氣量和游離氣占比，不利于頁巖氣的保存。

3.2 天然裂縫對頁巖氣開發(fā)的影響

在實際壓裂測試中，對壓裂影響較大的是高角度剪切縫等構造裂縫，發(fā)育范圍廣且連通性好，頁理縫和成巖縫等非構造裂縫發(fā)育范圍局限，對壓裂效果影響微弱。裂縫對體積壓裂改造具有雙重影響。一方面新的裂縫都是沿著先存裂縫面發(fā)育，天然裂縫與后期人工體積壓裂改造形成的裂縫形成裂縫網絡，從而使頁巖氣解吸-擴散-滲流進入井筒采出[25]，最終獲得工業(yè)產能。另一方面，大型開啟裂縫會大量吸收壓裂液，阻礙新裂縫的形成，導致形成單一裂縫而非復雜縫網；同時壓裂液也會沿著天然裂縫向上下地層漏失，減弱壓裂液的壓力，影響裂縫的延展性。

4 結論

1)研究區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖中發(fā)育大量裂縫，宏觀裂縫以構造縫為主，主要為高角度構造縫、低角度滑脫縫，非構造縫主要為層理縫和層間縫，微觀裂縫主要為層間縫、粒間縫、粒內縫。

2)天然裂縫對成藏的影響主要體現在是否改善儲集空間及和是否破壞保存條件。天然裂縫能夠增加頁巖的儲集空間，但其相比于基質孔隙和有機孔隙作用較為微弱，對儲集能力的改善效果并不明顯；大型天然開啟裂縫會破壞上覆層的封閉性，不利于頁巖氣成藏。

3)天然裂縫對開發(fā)的影響主要體現在對產能的貢獻和對水力壓裂的影響。誘導縫與先存裂縫共同作用，裂縫條數越多，走向越分散，越能有效提高頁巖氣產量，而大型開啟裂縫會造成壓裂液漏失，不利于水力壓裂。