頁巖儲層天然裂縫定量評價及發(fā)育主控因素

摘 要 【目的】為豐富頁巖天然裂縫發(fā)育程度定量評價方法，明確裂縫發(fā)育主控因素?！痉椒ā恳詾o州地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖為例，通過巖心精細描述、有機地球化學測試、三軸巖石力學實驗、測井力學解釋等手段，對頁巖儲層天然裂縫的分類、發(fā)育指數(shù)評價、控制因素等進行了系統(tǒng)研究。【結(jié)果】研究區(qū)五峰組—龍一1亞段頁巖天然裂縫發(fā)育構(gòu)造裂縫、成巖裂縫、異常高壓裂縫三大成因類別，可細分為剪切縫、張性縫、順層滑脫縫、層間頁理縫、溶蝕縫、異常高壓縫等六種裂縫類型；建立的耦合裂縫線密度—裂縫充填種類—裂縫傾角種類的天然裂縫發(fā)育指數(shù)（Ffz）評價方法，實現(xiàn)了裂縫發(fā)育程度定量表征，明確了構(gòu)造部位控制區(qū)域天然裂縫發(fā)育程度：背斜區(qū)gt;斜坡區(qū)gt;向斜區(qū)；裂縫發(fā)育主控因素綜合分析表明，影響瀘州地區(qū)五峰組—龍一1亞段頁巖巖心天然裂縫發(fā)育程度的控制因素由大到小依次為構(gòu)造作用、巖石力學性質(zhì)、沉積成巖作用?！窘Y(jié)論】相關(guān)認識可為海相頁巖儲層天然裂縫定量評價與差異化壓裂工程設(shè)計提供借鑒與新思路。

關(guān)鍵詞 頁巖儲層；天然裂縫；發(fā)育指數(shù)；控制因素；五峰組；龍馬溪組；瀘州地區(qū)

第一作者簡介 趙圣賢，男，1987年出生，高級工程師，頁巖氣開發(fā)地質(zhì)評價，E-mail： zhaoshengxian@petrochina.com.cn

通信作者 夏自強，男，工程師，E-mail： xiaziqiang@petrochina.com.cn

中圖分類號 P618.13 文獻標志碼 A

0 引言

隨著常規(guī)油氣藏開發(fā)難度日益增大，作為非常規(guī)油氣資源的頁巖氣受到廣泛關(guān)注，四川盆地南部瀘州地區(qū)五峰組—龍馬溪組整體為深水陸棚相，強還原沉積環(huán)境下富有機質(zhì)泥頁巖發(fā)育[1?4]，頁巖儲層品質(zhì)優(yōu)，資源豐富、累計提交探明地質(zhì)儲量2.64×1012 m3，具規(guī)模開發(fā)潛力[5?6]。相比于常規(guī)油氣，頁巖氣的富集機理與生產(chǎn)機制都較為特殊，主要以游離氣和吸附氣分布于頁巖的裂縫與孔隙中，裂縫作為頁巖氣的重要儲集空間和運移通道，不僅直接影響頁巖儲層品質(zhì)和頁巖氣產(chǎn)量的高低，還對后續(xù)頁巖氣藏的開采效益具有重要作用[7?11]。因此，開展頁巖天然裂縫發(fā)育程度評價對頁巖氣開發(fā)具有重要意義。

諸多學者對天然裂縫描述和評價開展了精細的研究工作[9?10，12?13]，均集中于裂縫分類、屬性參數(shù)的評價，例如裂縫充填、裂縫寬度、裂縫滲透率以及裂縫孔隙度的計算，但由于資料獲取、觀察尺度的差異性，在各種裂縫參數(shù)上存在差異。同時，在頁巖天然裂縫發(fā)育程度的研究中，主要用裂縫密度這一指標進行評價，尚未建立基于裂縫參數(shù)多樣性的定量評價指標。為此，筆者通過對瀘州地區(qū)五峰組—龍馬溪組巖心尺度天然裂縫的系統(tǒng)研究，明確了不同構(gòu)造部位裂縫發(fā)育規(guī)律，建立了天然裂縫發(fā)育指數(shù)評價方法，實現(xiàn)了天然裂縫發(fā)育程度的定量評價，深入探討了裂縫發(fā)育的控制因素，以期為頁巖區(qū)塊裂縫評價方法、地質(zhì)工程一體化精細開發(fā)設(shè)計提供一定的借鑒和參考。

1 地質(zhì)概況

四川盆地是一個海陸相疊合盆地，位于揚子地臺西北緣，自古生代以來，經(jīng)過復雜的地質(zhì)構(gòu)造作用，完成了克拉通盆地至前陸盆地的演化。川南瀘州地區(qū)主要構(gòu)造形成于喜山期大規(guī)模擠壓造山環(huán)境下，以低陡背斜夾寬緩向斜為特征，廣泛發(fā)育逆斷層。受構(gòu)造與海侵影響，在晚奧陶世—早志留世兩次全球性海侵的作用下，四川盆地及其周緣地區(qū)沉積一套富含筆石化石的黑色頁巖。瀘州地區(qū)位于川南沉積中心[14]，五峰組沉積時期水體相對滯留，主要沉積黑色炭質(zhì)頁巖，常見筆石、角石等化石，頁理發(fā)育，厚度介于5～16 m；奧陶紀晚期赫南特冰期導致全球海平面驟降，沉積水體變成高能淺水環(huán)境，沉積一套厚為幾十厘米的介殼灰?guī)r段，也稱觀音橋段。龍馬溪組為深水陸棚—淺水陸棚沉積環(huán)境，厚度較大，介于300～650 m，根據(jù)巖性和電性不同特征可以劃分為龍一段和龍二段，龍一段以富有機質(zhì)黑色頁巖為主，夾有粉砂質(zhì)頁巖和班脫巖，紋層發(fā)育，常見筆石、放射蟲、海綿等化石。龍二段主要沉積灰綠色砂質(zhì)頁巖，夾粉砂巖和泥灰?guī)r，顆粒粒度相比龍一段更為粗大。龍一段根據(jù)電性和巖性特征，細分為龍一1亞段和龍一2亞段，龍一1亞段可進一步細分成7個小層，下層系為五峰組①—④小層、上層系為⑤—⑦小層[15?16]（圖1）。

2 天然裂縫發(fā)育特征

2.1 天然裂縫發(fā)育類型

前人對頁巖裂縫類型進行了廣泛研究[17?20]，結(jié)合瀘州地區(qū)五峰組—龍一1亞段頁巖天然裂縫特征，按地質(zhì)成因分為構(gòu)造裂縫、成巖裂縫以及異常高壓裂縫三種類別，構(gòu)造裂縫是指在構(gòu)造應(yīng)力場作用下形成的天然裂縫，是頁巖最主要的天然裂縫類型，可進一步細分為剪切縫、張性縫和順層滑脫縫。成巖裂縫是指頁巖在成巖演化過程中受到成巖改造作用形成的裂縫，主要包括層間頁理縫和溶蝕縫（表1）。

1） 剪切縫

剪切縫是受巖石剪性構(gòu)造作用而形成的裂縫類型，研究區(qū)常見剪切縫切穿整塊巖心，裂縫面平整，多為斜交和直立縫（圖2a），一般延伸較大，縫長0.05～1.50 m，縫寬較小，多在1 mm左右，常見方解石和黃鐵礦充填。

2） 張性縫

巖石受到拉伸作用發(fā)生張性破裂的裂縫類型為張性縫，縫面多為粗糙不平，巖心橫切面多可見鋸齒狀延伸，縫寬變化大，以直立縫為主，縱向延伸較短，縫長0.05～0.30 m，多被方解石充填（圖2b）。

3） 順層滑脫縫

順層滑脫縫是指在伸展或擠壓構(gòu)造作用下，沿層面順層滑動的剪切應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫，裂縫與巖層面大致平行，縫面多為方解石充填（圖2c），發(fā)育明顯的擦痕（圖2d），研究區(qū)順層滑脫縫較為發(fā)育，縫寬大多介于1～5 mm。

4） 層間頁理縫

層間頁理縫是指頁巖在成巖演化過程中受機械壓實作用、溶蝕作用、有機質(zhì)演化作用以及破裂作用等影響，沿著頁理面發(fā)生破裂形成的裂縫。研究區(qū)層間頁理縫極為發(fā)育，縫面平直、光滑，無擦痕現(xiàn)象，多被方解石和黃鐵礦等礦物混合充填，頁理縫縫寬大多介于0.1～1.0 mm（圖2e，f）。

5） 溶蝕縫

溶蝕縫是指頁巖礦物受差異溶蝕作用而形成的裂縫，裂縫寬窄不一，邊緣不規(guī)則，研究區(qū)溶蝕縫多為彎曲港灣狀，常見方解石充填（圖2h）。

6） 異常高壓縫

異常高壓縫是指在有機質(zhì)生烴過程中或流體作用下，巖石內(nèi)部孔隙流體壓力超過巖石抗張強度而形成的裂縫，是泥質(zhì)烴源巖內(nèi)油氣高壓排烴和運移的重要標志。此類裂縫一般呈不規(guī)則形狀，延伸較短，通常具有縫體中部寬、向兩端快速變窄的特征，多被方解石、石英和瀝青充填（圖2g）。

2.2 天然裂縫發(fā)育特征

瀘州地區(qū)天然裂縫特征表現(xiàn)為“低線密度、低角度、小寬度、高充填”（圖3），線密度以0～5條/m的低線密度為主（占比為40.7%），線密度大于25條/m的占比最低、低于10%。裂縫傾角以0°～15°最為發(fā)育（占比為52.3%），其次為傾角大于75°裂縫（占比為30.9%），傾角介于15°～75°裂縫發(fā)育頻率最低。裂縫寬度以小寬度為主，小于1 mm的裂縫占比為50.8%。充填程度較高，全充填及半充填共占比94.1％，少量未充填；裂縫充填物見方解石、黃鐵礦和泥質(zhì)等礦物，以方解石和黃鐵礦為主；剪切縫、張性縫主要被方解石充填，黃鐵礦多見充填于層間頁理縫。

縱向上，上層系天然裂縫線密度整體偏低，以水平縫為主，常見層間頁理縫和順層滑脫縫，高角度剪切縫、張性縫較少見，一般為單一類型礦物填充，充填物以方解石為主。下層系裂縫線密度高，以高角度縫和水平縫為主，常見高角度剪切縫、水平順層滑脫縫和層間頁理縫，張性縫相對較少，一般見多種礦物填充，充填物以方解石、黃鐵礦和瀝青為主。

瀘州地區(qū)不同構(gòu)造部位天然裂縫發(fā)育特征連井對比表明，取心井所處的構(gòu)造部位影響天然裂縫發(fā)育程度。五峰組—龍一1亞段頁巖天然裂縫線密度：背斜地區(qū)最高（平均22.4條/m），其次為斜坡地區(qū)（平均4.9條/m），向斜地區(qū)最低（平均3.8條/m）（圖4）。

3 裂縫發(fā)育指數(shù)評價

3.1 裂縫發(fā)育指數(shù)參數(shù)

在裂縫發(fā)育特征精細描述基礎(chǔ)上，為定量評價頁巖天然裂縫的發(fā)育程度，開展了區(qū)內(nèi)頁巖取心井巖心觀察和描述。巖心觀察尺度、裂縫可觀察的屬性參數(shù)包括裂縫線密度、傾角、充填、裂縫寬度、縫長等[17?18，20]。裂縫線密度客觀表征裂縫發(fā)育條數(shù)，指示巖石遭受應(yīng)力作用后的破碎狀態(tài)，是最常用的評價裂縫發(fā)育情況的一項參數(shù)。裂縫充填礦物主要有方解石、黃鐵礦和碳質(zhì)，裂縫充填礦物的種類反映多期次的應(yīng)力作用引起多期流體注入，指示應(yīng)力期次的復雜性。裂縫傾角種類是多期次、多性質(zhì)的應(yīng)力作用的反映，指示應(yīng)力期次、裂縫成因的復雜性。裂縫寬度和裂縫長度可以反映應(yīng)力作用的強弱，但由于單條裂縫的縫寬存在變化，某一深度段裂縫數(shù)據(jù)統(tǒng)計需進行多次均一化，從而未能表征縱向裂縫開度的差異性；且由于取心井巖心直徑僅10 cm，遠小于裂縫長度（15～30 cm），因此對裂縫長度的統(tǒng)計存在很多的隨機性。綜上，選取裂縫線密度、充填、傾角此三項參數(shù)用以表征裂縫發(fā)育程度，每項參數(shù)縱向上存在顯著差異性，且均可實現(xiàn)量化評價。

3.2 裂縫發(fā)育指數(shù)計算

裂縫發(fā)育指數(shù)（Ffz）即表征頁巖巖心尺度裂縫發(fā)育程度，為裂縫總線密度、傾角種類、充填種類的乘積。針對區(qū)內(nèi)背斜區(qū)、斜坡區(qū)、向斜區(qū)分別選取1口典型取心井，統(tǒng)計天然裂縫發(fā)育指數(shù)分布特征，依據(jù)三分位數(shù)統(tǒng)計分析方法[21]，建立了巖心尺度天然裂縫發(fā)育程度分級評價方案，裂縫發(fā)育程度高、中等、低對應(yīng)裂縫發(fā)育指數(shù)為≥1、0.1～1.0、≤0.1，其所對應(yīng)的數(shù)據(jù)樣本比例分別為38%、37%、25%（圖5、表2，3）。

Ffz = Fm × Fc × Fq／ 100 （1）

式中：Ffz為裂縫發(fā)育指數(shù)；Fm為裂縫線密度，單位為條/m；Fc為裂縫充填種類，取值范圍1～3 種/m；Fq為裂縫傾角種類，取值范圍1～3種/m。

4 裂縫發(fā)育控制因素

前人分析表明，天然裂縫發(fā)育主要受構(gòu)造作用、沉積成巖作用、巖石力學性質(zhì)的共同控制[19?20]。為探究區(qū)內(nèi)巖心裂縫發(fā)育主控因素，針對區(qū)內(nèi)不同構(gòu)造部位的8口典型取心井開展巖心精細描述（背斜區(qū)典型井選自龍洞坪背斜，斜坡區(qū)典型井選自福集向斜和得勝向斜，向斜區(qū)典型井選自福集向斜、得勝向斜和云錦向斜），進行裂縫發(fā)育指數(shù)計算，開展裂縫發(fā)育主控因素綜合分析。

4.1 構(gòu)造作用

構(gòu)造作用是影響天然裂縫發(fā)育的重要因素，前人研究表明，瀘州地區(qū)受多期構(gòu)造運動疊加改造的影響，主要經(jīng)歷三期構(gòu)造運動，第一期NNW向應(yīng)力形成近東西向斷層，第二期SEE向應(yīng)力形成北東向斷層，第三期NEE向應(yīng)力形成南北向斷層[22]。通過分析不同構(gòu)造部位評價井裂縫對比剖面，發(fā)現(xiàn)構(gòu)造部位控制天然裂縫整體的發(fā)育程度，天然裂縫發(fā)育指數(shù)背斜區(qū)gt;斜坡區(qū)gt;向斜區(qū)。背斜區(qū)裂縫發(fā)育指數(shù)介于0.05～3.45（均值1.46），以中等—高裂縫發(fā)育程度為主；斜坡區(qū)裂縫發(fā)育指數(shù)介于0.01～2.40（均值0.33），以中等裂縫發(fā)育程度為主；向斜區(qū)裂縫發(fā)育指數(shù)介于0.01～2.22（均值0.18），以低—中等裂縫發(fā)育程度為主（圖6）。

三期構(gòu)造運動形成的斷層控制三期伴生天然裂縫的發(fā)育，裂縫帶的分布控制巖心天然裂縫的發(fā)育。結(jié)合單井距斷層、曲率裂縫帶的距離，開展裂縫發(fā)育指數(shù)、總線密度相關(guān)性分析（圖7），結(jié)果表明巖心裂縫發(fā)育程度與距曲率裂縫帶距離呈現(xiàn)良好的對數(shù)相關(guān)關(guān)系（R2gt;0.6）。進一步開展下層系裂縫發(fā)育指數(shù)分析表明，下層系相關(guān)性較五峰組—龍一1亞段略好（圖7），曲率裂縫帶對巖心裂縫影響范圍為600 m。距曲率裂縫帶距離大于600 m的區(qū)域裂縫發(fā)育程度整體較低（裂縫發(fā)育指數(shù)小于0.2、裂縫總線密度小于5條/m），裂縫發(fā)育主要受沉積成巖作用及巖石力學性質(zhì)的影響。

4.2 沉積成巖作用

沉積成巖作用決定了巖石的成分和結(jié)構(gòu)，五峰組—龍馬溪組頁巖整體形成于靜水沉積環(huán)境，礦物組成和巖相分布體現(xiàn)著頁巖沉積環(huán)境的差異性。

巖相分類參考前人三端元法頁巖巖相劃分方案[23?27]，結(jié)合有機質(zhì)含量（富有機質(zhì)：TOC大于2%，貧有機質(zhì)：TOC小于2%），根據(jù)XRD礦物組分類型及含量測試結(jié)果，建立以硅質(zhì)礦物（石英+長石）、黏土礦物和碳酸鹽類礦物為基礎(chǔ)的巖相類型定量劃分標準，以礦物含量25%、50%為界限，單一礦物組分含量在50%以上為主名，25%～50%為質(zhì)，當硅質(zhì)、碳酸鹽以及黏土礦物的含量均介于25%～50%時為混合頁巖巖相類型。研究區(qū)主要發(fā)育六類巖相：富有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖、富有機質(zhì)黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁巖、貧有機質(zhì)黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁巖、貧有機質(zhì)混合頁巖、貧有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖、貧有機質(zhì)灰質(zhì)頁巖。研究區(qū)單井頁巖巖相縱向演化分析表明，天然裂縫發(fā)育段集中于富有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖巖相（圖8、表4）。

通過研究區(qū)典型井裂縫發(fā)育指數(shù)、總線密度與礦物組分相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，裂縫發(fā)育與脆性礦物含量呈一定的正相關(guān)關(guān)系，與黃鐵礦和黏土含量呈負相關(guān)關(guān)系。綜合分析表明，區(qū)內(nèi)裂縫發(fā)育程度高的層段（裂縫發(fā)育指數(shù)大于1、裂縫總密度大于16.5條/m）對應(yīng)的頁巖礦物組分含量為：脆性礦物含量普遍大于55%、黏土含量小于40%、黃鐵礦含量小于5%（圖9）。

在前述整體規(guī)律認識的基礎(chǔ)上，針對與裂縫發(fā)育程度呈負相關(guān)關(guān)系的黏土和黃鐵礦礦物開展了進一步探討。黏土礦物作為塑性礦物，其含量增加必然導致巖石脆性降低，從而不利于裂縫發(fā)育。開展巖心精細描述是研究黃鐵礦對天然裂縫發(fā)育影響的最直接研究方式，頁巖中黃鐵礦主要以層狀、條帶狀和結(jié)核狀分布[28?29]；同時依據(jù)普氏硬度系數(shù)，頁巖硬度介于1.5～3.0、黃鐵礦硬度可達6.0～6.5，黃鐵礦硬度明顯強于頁巖。因此，黃鐵礦的局部富集將限制天然裂縫在頁巖中延伸，不利于構(gòu)造裂縫的發(fā)育（圖10）。

為了厘清不同構(gòu)造部位裂縫發(fā)育程度與脆性礦物含量的相關(guān)性，在分背斜區(qū)、斜坡區(qū)、向斜區(qū)三個構(gòu)造部位開展統(tǒng)計分析。分析結(jié)果表明，向斜區(qū)脆性礦物含量與裂縫線密度呈較好正相關(guān)關(guān)系（R2gt;0.3），相關(guān)性高于斜坡區(qū)與背斜區(qū)。揭示在構(gòu)造作用較強的背斜和斜坡區(qū)，其裂縫的發(fā)育雖然受到礦物組成的影響，但不是其裂縫發(fā)育的主要控制因素；而在構(gòu)造作用相對較弱的穩(wěn)定向斜區(qū)，其裂縫的發(fā)育受脆性礦物含量的控制作用更為顯著（圖11）。

4.3 巖石力學性質(zhì)

巖石的成分和結(jié)構(gòu)決定巖石力學性質(zhì)，而巖石力學性質(zhì)是控制裂縫發(fā)育的內(nèi)因。利用測井解釋四項力學參數(shù)：最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、楊氏模量、泊松比，統(tǒng)計裂縫描述深度段對應(yīng)的巖石力學參數(shù)平均值。對不同構(gòu)造部位典型井相關(guān)性分析表明：最大、最小水平應(yīng)力值與頁巖天然裂縫發(fā)育程度無明顯線性相關(guān)關(guān)系，但應(yīng)力值對裂縫發(fā)育起著門檻值的控制作用。裂縫發(fā)育程度高的層段對應(yīng)最大水平主應(yīng)力小于115 MPa、最小水平主應(yīng)力小于100 MPa（圖12）。

楊氏模量、泊松比與裂縫發(fā)育指數(shù)相關(guān)性分析表明，隨著泊松比逐漸增大，裂縫發(fā)育指數(shù)呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在0.25～0.30區(qū)間內(nèi)裂縫發(fā)育指數(shù)更高；而隨著楊氏模量的增大，裂縫發(fā)育指數(shù)呈增大趨勢，呈較好線性相關(guān)性。裂縫發(fā)育程度高的層段（裂縫發(fā)育指數(shù)≥1）對應(yīng)泊松比0.2～0.3，楊氏模量大于35×103 MPa（圖13）。在整體分析的基礎(chǔ)上，進一步開展不同構(gòu)造部位泊松比、楊氏模量對裂縫發(fā)育指數(shù)的影響作用。研究發(fā)現(xiàn)，泊松比與裂縫發(fā)育指數(shù)相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)（R2）整體低于0.1；楊氏模量與裂縫發(fā)育指數(shù)的相關(guān)性總體較好，構(gòu)造擠壓作用越弱的區(qū)域，楊氏模量與裂縫發(fā)育指數(shù)相關(guān)系數(shù)越高：向斜區(qū)（R2=0.6）gt;斜坡區(qū)（R2=0.3）gt;背斜區(qū)（R2=0.1）。

綜上所述，裂縫控制因素綜合分析表明，構(gòu)造作用對裂縫發(fā)育的控制最為顯著，裂縫發(fā)育指數(shù)與距曲率裂縫帶距離相關(guān)性最好（R2gt;0.6）；其次為巖石力學性質(zhì)，裂縫發(fā)育指數(shù)與楊氏模量相關(guān)性較好（R2介于0.1～0.6）；最后為沉積成巖作用，由于研究區(qū)五峰組—龍一1亞段整體位于川南沉積中心，因此礦物組成具相似性，裂縫總線密度與脆性礦物含量具有弱相關(guān)性（R2介于0.1～0.3）。因此，影響研究區(qū)天然裂縫發(fā)育程度的主控因素由大到小依次為構(gòu)造作用、巖石力學性質(zhì)、沉積成巖作用。

5 結(jié)論

（1） 瀘州地區(qū)五峰組—龍一1亞段頁巖天然裂縫發(fā)育構(gòu)造裂縫、成巖裂縫及異常高壓裂縫三大類裂縫成因類別，可細分為剪切縫、張性縫、順層滑脫縫、層間頁理縫、溶蝕縫、異常高壓縫等六種裂縫類型。

（2） 考慮線密度、傾角種類、充填種類等三項裂縫參數(shù)，建立的天然裂縫發(fā)育指數(shù)，實現(xiàn)了裂縫發(fā)育程度定量表征，明確了構(gòu)造部位控制區(qū)域天然裂縫發(fā)育程度：背斜區(qū)gt;斜坡區(qū)gt;向斜區(qū)。

（3） 研究區(qū)天然裂縫發(fā)育程度受三大類因素共同控制，影響裂縫發(fā)育程度的控制因素由大到小依次為構(gòu)造作用、巖石力學性質(zhì)、沉積成巖作用。

致謝 感謝兩位審稿專家提出的寶貴修改意見，感謝編輯老師針對論文格式提出的詳細修改意見及認真細致的審校。

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基金項目：中國石油西南油氣田分公司科研項目（20210304-07）