霍 健 王星皓 羅 超 黃浩勇 陳 娟 尹 超 赫建明

(①中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，中國(guó)科學(xué)院頁(yè)巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029，中國(guó))(②中國(guó)科學(xué)院地球科學(xué)研究院，北京 100029，中國(guó))(③中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049，中國(guó))(④中國(guó)石油西南油氣田分公司頁(yè)巖氣研究院，成都 610051，中國(guó))

0 引 言

隨著全球油氣資源勘探開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣的大規(guī)模開(kāi)發(fā)逐漸成為可能(Neison，2009)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，常規(guī)油氣在總油氣儲(chǔ)量中僅占有20%的份額，非常規(guī)油氣占比高達(dá)80%。根據(jù)國(guó)際能源署的推測(cè)，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(dá)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(yè)巖氣的比例將大幅增高至11%。因此，頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)利用已成為全球趨勢(shì)。

裂縫是頁(yè)巖氣資源勘探開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要指標(biāo)，它主要承載著兩大功能：氣體儲(chǔ)集空間和滲流通道(Nelson，2001;Zeng et al.，2010;Zhang et al.，2016)。頁(yè)巖中的氣體儲(chǔ)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(yè)巖儲(chǔ)層中裂縫對(duì)氣體儲(chǔ)量具有正反兩方面作用：一是作為氣體儲(chǔ)集空間和運(yùn)移通道，對(duì)儲(chǔ)層總含氣量起正面作用；另一方面是若裂縫尺寸過(guò)大則可能導(dǎo)致頁(yè)巖氣散失，對(duì)儲(chǔ)層總含氣量起負(fù)面作用(Wailick，2006)。通過(guò)對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行長(zhǎng)期研究后發(fā)現(xiàn)，在阿巴拉契亞盆地中裂縫發(fā)育帶頁(yè)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(duì)四川省東南部海相頁(yè)巖的研究后發(fā)現(xiàn)裂縫作為儲(chǔ)層重要物理性質(zhì)之一，儲(chǔ)層的含氣性和滲透性均受到裂縫發(fā)育情況的控制，對(duì)儲(chǔ)層裂縫的研究應(yīng)當(dāng)成為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的重要研究?jī)?nèi)容(李新景等，2009)。通過(guò)對(duì)目前發(fā)現(xiàn)的具有商業(yè)開(kāi)采價(jià)值的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層統(tǒng)計(jì)得出其裂縫發(fā)育情況都比較好(Curtis，2002)。因此，頁(yè)巖儲(chǔ)層中裂縫特征與頁(yè)巖氣開(kāi)采密切相關(guān)，儲(chǔ)層裂縫系統(tǒng)越發(fā)育，頁(yè)巖氣開(kāi)采難度越低，開(kāi)采效果也越好(聶海寬等，2009)。

目前，研究頁(yè)巖儲(chǔ)層裂縫的主要手段包括：野外露頭裂縫觀察、儲(chǔ)層巖芯裂縫觀察和測(cè)井信息識(shí)別。對(duì)野外露頭進(jìn)行觀察研究是得到裂縫全貌最簡(jiǎn)單直觀的方法，但這種方法對(duì)野外露頭要求較高，巖石露頭必須是與研究區(qū)域儲(chǔ)層性質(zhì)相似。對(duì)儲(chǔ)層巖芯進(jìn)行觀察直接得到儲(chǔ)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(duì)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(guò)程中對(duì)裂縫性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)也可以得到儲(chǔ)層裂縫信息，雖然方便快捷，但缺點(diǎn)是準(zhǔn)確率不高，對(duì)測(cè)井信息的解譯方式也多種多樣，需要進(jìn)行大量分析工作。

針對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層中裂縫特征，不同的學(xué)者進(jìn)行了多方面的研究。對(duì)巴內(nèi)特頁(yè)巖巖芯中天然裂縫的長(zhǎng)度、走向和充填性質(zhì)等特征進(jìn)行觀察總結(jié)(Gala et al.,2018)，發(fā)現(xiàn)大部分天然裂縫的開(kāi)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(shí)會(huì)作為薄弱面而被激活。之后通過(guò)對(duì)美國(guó)巴內(nèi)特頁(yè)巖氣藏的天然裂縫充填特征進(jìn)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(huì)影響裂縫強(qiáng)度(Bowker，2007)。蘇培東等在塔河油田奧陶系儲(chǔ)層裂縫的觀察研究中發(fā)現(xiàn)塔河油田儲(chǔ)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(chǔ)層巖性和儲(chǔ)層埋深的影響較大(Montgomery et al.，2005)。針對(duì)沙特阿拉伯Qusaiba頁(yè)巖露頭進(jìn)行觀察研究(Tbrahim et al.,2019)，依據(jù)其中裂縫的長(zhǎng)度、密度以及穿過(guò)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(gè)等級(jí)(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(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的進(jìn)程，川南地區(qū)的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)潛力逐漸得到了認(rèn)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(duì)此區(qū)域重點(diǎn)開(kāi)采層位頁(yè)巖裂縫特征進(jìn)行了研究。對(duì)川南龍馬溪組頁(yè)巖露頭和巖芯樣品進(jìn)行掃描電鏡研究(王玉滿等，2017)，將氣體儲(chǔ)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(zhǎng)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(guò)對(duì)龍馬溪組下部頁(yè)巖樣品的掃描電鏡分析將儲(chǔ)層孔隙分為微米級(jí)、納米級(jí)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(duì)焦石壩地區(qū)龍馬溪組—五峰組頁(yè)巖巖芯進(jìn)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(kāi)度最高可達(dá)6mm，密度最高可達(dá)40條/m。對(duì)長(zhǎng)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(jìn)一步劃分為穿層剪切縫、層內(nèi)擴(kuò)張縫和順層滑脫縫(Zimmerman，2005)。對(duì)渝東南丁山區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖露頭和巖芯觀察發(fā)現(xiàn)該區(qū)內(nèi)頁(yè)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(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層裂縫進(jìn)行過(guò)較為詳細(xì)的研究，但不同區(qū)域內(nèi)頁(yè)巖儲(chǔ)層的裂縫特征不盡相同，針對(duì)頁(yè)巖氣不同產(chǎn)區(qū)有必要進(jìn)行裂縫特征的研究。

本文基于對(duì)四川瀘201井所取得的巖芯樣品進(jìn)行顯微鏡拍照觀測(cè)，通過(guò)本次對(duì)川南頁(yè)巖儲(chǔ)層細(xì)觀尺度下的觀察實(shí)驗(yàn)，總結(jié)其中天然裂縫的數(shù)量及形態(tài)特征，構(gòu)建頁(yè)巖二維裂縫模型，對(duì)于后續(xù)頁(yè)巖氣開(kāi)采以及儲(chǔ)層氣體流動(dòng)分析具有十分重要的意義。

1 儲(chǔ)層巖芯采集區(qū)地質(zhì)概況

本次所觀察的儲(chǔ)層巖芯采自瀘201井，該項(xiàng)目位于四川省瀘州市江陽(yáng)區(qū)通灘鎮(zhèn)羅石橋村境內(nèi)，由中國(guó)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(píng)價(jià)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(duì)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(chǔ)層巖芯采集區(qū)瀘201井的具體位置。儲(chǔ)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(shí)代越來(lái)越老、經(jīng)受的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)越來(lái)越強(qiáng)。盆地內(nèi)發(fā)育有良好的厚層頁(yè)巖，且越往東南方向頁(yè)巖埋深越大(張金川等，2008；沃玉進(jìn)等，2009)。四川盆地屬于海陸相復(fù)雜疊合盆地(劉樹(shù)根等，2004)，其發(fā)展主要可以分為兩個(gè)階段，一是相對(duì)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(dòng)地槽與穩(wěn)定地臺(tái)之間的前陸盆地階段(汪澤成等，2002a；魏國(guó)齊等，2005)?？死ㄅ璧匮莼^(guò)程中，大型隆坳控制形成以海相碳酸鹽巖和頁(yè)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(jì)厚度可達(dá)10km；一般認(rèn)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(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(shí)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(guó)大型富含天然氣盆地之一，通過(guò)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(gè)含氣區(qū)。從實(shí)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(yè)巖氣資源最為豐富的地區(qū)之一，頁(yè)巖儲(chǔ)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(guò)大面積隆升構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地層時(shí)代新，有大套海相頁(yè)巖存在，是理想的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)區(qū)域；中部地區(qū)也經(jīng)歷了區(qū)域抬升運(yùn)動(dòng)，但相對(duì)東部較為平緩，是致密油和頁(yè)巖氣同時(shí)開(kāi)發(fā)的理想?yún)^(qū)域；西部地區(qū)較中東部地層時(shí)代老，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)平緩，并不是目前主要的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)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(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)勘探等研究發(fā)現(xiàn)，目前主要的頁(yè)巖儲(chǔ)層是五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖，其中又以龍馬溪組頁(yè)巖為主。川南區(qū)域的五峰組頁(yè)巖沉積自晚奧陶世凱迪期，這個(gè)時(shí)期四川盆地處于不斷下凹的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)階段，相對(duì)海平面上升；龍馬溪組頁(yè)巖沉積自晚奧陶世至早志留世，這個(gè)時(shí)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(zhǎng)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(wú)缺失。整體來(lái)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(lái)越窄，北西端軸面稍有彎曲，向西傾斜后漸沒(méi)。在長(zhǎng)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?yàn)橹?，斷裂?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(yùn)動(dòng)，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(yè)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(guò)幾千萬(wàn)年的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及地質(zhì)沉積，形成了3套具有頁(yè)巖氣資源開(kāi)采潛力的頁(yè)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(yè)巖氣產(chǎn)層(鄒才能等，2010；董大忠等，2016)。本次研究對(duì)象集中在龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層巖芯，以及少數(shù)五峰組巖芯。

圖4為瀘201井綜合測(cè)井曲線，對(duì)其識(shí)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(jī)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(jī)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(cè)井曲線Fig.4 Comprehensive logging curve from Wufeng Formation to Longmaxi Formation in Well Lu 201

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料，龍馬溪組龍一1亞段探測(cè)深度為3539.80～3617.05m，厚77.25m，巖性以炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、含粉砂質(zhì)頁(yè)巖為主。近年來(lái)，我國(guó)已進(jìn)行了數(shù)次川南地區(qū)的頁(yè)巖氣試驗(yàn)性開(kāi)采，現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果表明，五峰組龍一1亞段在頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)中表現(xiàn)最好，是進(jìn)行頁(yè)巖氣開(kāi)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(gè)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(jī)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(yè)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?jǐn)?shù)伊利石的含量最高，可達(dá)50%以上(張永剛等，2007)。

2 頁(yè)巖儲(chǔ)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(yè)巖氣氣田瀘201井的巖芯為主要研究對(duì)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(duì)巖芯進(jìn)行了細(xì)觀尺度下的觀察實(shí)驗(yàn)。首先使用手持顯微鏡尋找天然裂縫，并對(duì)其數(shù)量及形態(tài)特征進(jìn)行描述，探究其存在規(guī)律；然后利用M205A體視顯微鏡對(duì)部分天然裂縫進(jìn)行細(xì)致觀察，探索天然裂縫開(kāi)度特征。主要的研究步驟包括：

圖5 觀測(cè)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(duì)川南頁(yè)巖氣氣田瀘201井的巖芯(圖6～圖8)，進(jìn)行細(xì)觀尺度下的觀察實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)裂縫的數(shù)量、類型特征，之后通過(guò)Photoshop等圖片處理工具進(jìn)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(duì)部分天然裂縫進(jìn)行細(xì)致觀察，探索天然裂縫開(kāi)度特征。

(3)根據(jù)以上所得，分析頁(yè)巖儲(chǔ)層裂縫長(zhǎng)度分布概率函數(shù)，進(jìn)行頁(yè)巖二維裂縫模型構(gòu)建。

2.2 儲(chǔ)層裂縫類別及特征

頁(yè)巖儲(chǔ)層中發(fā)育裂縫能夠?yàn)闅怏w提供更大的儲(chǔ)集空間，同時(shí)也可以在頁(yè)巖氣開(kāi)采時(shí)為氣體提供更豐富的運(yùn)移通道。完成頁(yè)巖儲(chǔ)層巖芯顯微鏡觀察后利用Photoshop軟件進(jìn)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(jì)分析發(fā)現(xiàn)，龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層裂縫較為發(fā)育，總計(jì)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(dòng)縫和頁(yè)理縫，滑動(dòng)縫是指平行于層面且具有明顯滑移痕跡的裂縫，頁(yè)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(dòng)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(yè)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(chǔ)層巖芯中此類裂縫最為常見(jiàn)，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(dá)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(chǔ)層巖芯中此類裂縫最為少見(jiàn)，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(guó)頁(yè)巖氣商業(yè)性開(kāi)發(fā)深度一般小于4000m，其成因多以熱成因?yàn)橹?，絕大部分頁(yè)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(jī)碳(TOC)含量和成熟度高于我國(guó)四川盆地頁(yè)巖儲(chǔ)層，并且其硅質(zhì)含量高于35%，脆性較大，易于形成為裂縫。對(duì)于我國(guó)高成熟度、低孔隙的頁(yè)巖，則必須把頁(yè)巖裂縫作為重要指標(biāo)之一。在天然裂縫的基礎(chǔ)上進(jìn)行壓裂改造等才能實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣的商業(yè)化開(kāi)采。

2.3 儲(chǔ)層裂縫發(fā)育特征

儲(chǔ)層裂縫的幾項(xiàng)重要發(fā)育特征分別是長(zhǎng)度、密度和開(kāi)度，這三者可以在一定程度上決定儲(chǔ)層的滲透性，衡量?jī)?chǔ)層的開(kāi)采優(yōu)劣性。因此對(duì)觀察得到的五峰—龍馬溪組儲(chǔ)層裂縫長(zhǎng)度、密度和開(kāi)度參數(shù)進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)與總結(jié)，研究其裂縫發(fā)育特征。

2.3.1 裂縫長(zhǎng)度特征

對(duì)裂縫長(zhǎng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算不同層位中不同長(zhǎng)度裂縫的分布規(guī)律，其中：裂縫長(zhǎng)度的描述采用如下標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

表1 五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖裂縫長(zhǎng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)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(gè)層位進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分別計(jì)算了3種不同的裂縫類型在這3個(gè)層位頁(yè)巖儲(chǔ)層中的比例。觀察統(tǒng)計(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)裂縫的存在。以上數(shù)據(jù)表明頁(yè)巖儲(chǔ)層裂縫長(zhǎng)度分布隨不同層位發(fā)育具有差異性，但趨勢(shì)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(zhǎng)度上的平均裂縫數(shù)。對(duì)所觀察的3個(gè)層位巖芯分別進(jìn)行裂縫密度統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)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(dāng)，1小層裂縫密度略高于2小層；五峰組裂縫密度遠(yuǎn)低于1、2小層，裂縫數(shù)量較少。

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

2.3.3 裂縫開(kāi)度特征

對(duì)龍馬溪組儲(chǔ)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(biāo)志之一。因此，對(duì)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(jìn)行了裂縫開(kāi)度測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯示該天然裂縫的開(kāi)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(jìn)行，可觀測(cè)到的主要礦物為黃鐵礦和方解石，在礦物周圍往往會(huì)有更多的裂縫存在。通過(guò)巖芯觀察發(fā)現(xiàn)，五峰組—龍馬溪組頁(yè)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(shí)呈結(jié)晶塊狀(圖14c)。從整體分布特點(diǎn)來(lái)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(chǔ)層巖芯中可見(jiàn)方解石脈，呈現(xiàn)出細(xì)條狀分布且延續(xù)較長(zhǎng)的特點(diǎn)(圖15)。

圖14 頁(yè)巖儲(chǔ)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(yè)巖裂縫模型

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

表3 裂縫長(zhǎng)度分布情況統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of crack length distribution

按照以下步驟進(jìn)行二維頁(yè)巖裂縫模型的構(gòu)建：

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

圖16 龍一1亞段1、2小層頁(yè)巖巖芯裂縫長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)度分布與裂縫密度，進(jìn)行二維裂縫網(wǎng)絡(luò)建模?？p網(wǎng)設(shè)置需要利用Python語(yǔ)言編寫實(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)度分布隨機(jī)生成不同長(zhǎng)度裂縫；

③根據(jù)裂縫密度指標(biāo)調(diào)整裂縫間距，并適當(dāng)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(guò)程得到豎直裂縫組和傾斜裂縫組

3)根據(jù)裂縫密度指標(biāo)調(diào)整裂縫間距和角度，并進(jìn)行裂縫刪減

4)二維裂縫網(wǎng)絡(luò)模型建立完畢

利用Python語(yǔ)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(yè)巖裂縫模型如圖18所示。

圖18 不同尺度二維頁(yè)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(guò)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(guò)0.3%，裂縫長(zhǎng)度按比例分布，與以往計(jì)算模型相比，較符合場(chǎng)地實(shí)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(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)采的先驅(qū)性探索為中國(guó)未來(lái)頁(yè)巖氣事業(yè)提供了極具意義的指導(dǎo)性實(shí)踐，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣商業(yè)化開(kāi)采指明了方向，對(duì)我國(guó)甚至全球的頁(yè)巖氣領(lǐng)域發(fā)展都起到了極大的促進(jìn)作用。由于內(nèi)部的構(gòu)造特征與地層特點(diǎn)，四川盆地成為了我國(guó)主要的頁(yè)巖氣賦存區(qū)，其中川西南和川南區(qū)域氣田遍布，是進(jìn)行頁(yè)巖氣勘探開(kāi)采的理想地區(qū)，目前的試驗(yàn)性開(kāi)采也證明了其頁(yè)巖氣開(kāi)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(yè)巖儲(chǔ)層裂縫發(fā)育特征，結(jié)果顯示：裂縫多為裂縫長(zhǎng)度/巖芯周長(zhǎng)小于25%的短裂縫，平均占比79.8%；裂縫長(zhǎng)度/巖芯周長(zhǎng)在25%到50%之間的中裂縫次之，平均占比17.9%；裂縫長(zhǎng)度/巖芯周長(zhǎng)在50%到75%之間的較長(zhǎng)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(zhǎng)度/巖芯周長(zhǎng)大于75%的長(zhǎng)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(jiàn)的天然微裂縫，與實(shí)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(guò)巖芯觀察發(fā)現(xiàn)，五峰組—龍馬溪組頁(yè)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(zhǔn)，依據(jù)裂縫長(zhǎng)度分布函數(shù)和裂縫密度數(shù)據(jù)成功構(gòu)建二維頁(yè)巖裂縫模型，該裂縫模型后續(xù)可進(jìn)行氣體流動(dòng)等數(shù)值模擬分析。