徐 壯， 彭女佳， 石萬忠， 舒志國

(1.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013；2.東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013； 3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 資源學(xué)院，湖北 武漢 430074； 4.中石化江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院，湖北 武漢 430074)

由于頁巖氣儲層低孔隙度、低滲透率特征，在生產(chǎn)開采的過程中，對高脆性儲層進(jìn)行壓裂產(chǎn)生誘導(dǎo)裂縫進(jìn)而形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，這對于實(shí)現(xiàn)頁巖氣的有效增產(chǎn)至關(guān)重要(Montgomery et al., 2005；李澈等，2014)。在實(shí)際生產(chǎn)中，直接對儲層裂縫的發(fā)育形態(tài)、數(shù)量進(jìn)行分析和描述并不現(xiàn)實(shí)，往往是通過地震資料的疊前彈性參數(shù)反演對區(qū)域裂縫進(jìn)行預(yù)測。趙劍等(2014)利用疊前彈性參數(shù)反演方法對中國西部地區(qū)的含氣儲層進(jìn)行了預(yù)測，通過反演出拉梅系數(shù)、剪切模量和密度，成功地預(yù)測了儲層的含氣性。但是頁巖儲層相比于常規(guī)儲層厚度要小很多，因此利用疊前彈性參數(shù)反演的精度較低，誤差較大。在頁巖儲層的評價中,通常用脆性來表征頁巖產(chǎn)生裂縫、形成裂縫網(wǎng)絡(luò)的能力，并以此作為評價儲層可壓裂性的主要參數(shù)。劉玉章等(2015)通過頁巖儲層的脆性指數(shù)分析了頁巖儲層壓裂形成縫網(wǎng)的受控因素，發(fā)現(xiàn)頁巖脆性指數(shù)越高，儲層越容易壓裂。但是該方法的缺點(diǎn)是忽視了儲層內(nèi)部先天裂縫對于儲層的影響。天然裂縫發(fā)育體系以及裂縫空間形態(tài)對頁巖氣藏的發(fā)育和富集具有重大影響(聶海寬等，2009；丁文龍等，2012；曾聯(lián)波等，2008)。裂縫的發(fā)育程度不僅影響巖體力學(xué)強(qiáng)度,也影響壓裂過程裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成(Gale et al., 2007；徐中華，2014)。在壓裂過程中,通過合理的壓裂技術(shù)可以有效利用天然裂縫誘導(dǎo)產(chǎn)生次生裂縫, 形成體積壓裂，從而提高井筒附近儲層的導(dǎo)流能力(Hill et al., 2004； 楊恒林等，2013)。目前，關(guān)于裂縫發(fā)育程度對儲層評價影響的相關(guān)研究較少。因此，總結(jié)出一套儲層裂縫控制下的頁巖氣成藏模式特征對于頁巖氣勘探尤為重要(劉理湘等，2018；章雙龍等，2019)。

中國海相頁巖氣資源豐富，同時由于經(jīng)歷多期次的構(gòu)造改造，具有頁巖時代老、熱演化程度高和埋深差異大等特殊性。其中，涪陵地區(qū)作為中國南方海相頁巖最具代表性的區(qū)域得到廣泛關(guān)注和深入研究。筆者綜合分析了涪陵地區(qū)頁巖氣的生烴、儲集、保存等多個要素，基于典型鉆井的測井資料、巖心觀察及測試數(shù)據(jù)，研究和探討涪陵地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖的裂縫發(fā)育模式及其控制因素，為南方海相頁巖氣的勘探開發(fā)提供了重要的指導(dǎo)作用。

1 區(qū)域概況

南方古生界海相頁巖是中國頁巖氣主要勘探對象(李建青，2012)。涪陵地區(qū)五峰-龍馬溪組黑色頁巖最具代表性。該套頁巖主體位于四川盆地東部萬縣復(fù)向斜的東南區(qū)域(楊銳等，2015)，基本被西北部的川東高陡褶皺帶與東南方向的川黔坳陷斷褶帶邊緣所發(fā)育的一系列斷層所夾持(郭旭升等，2014b；張曉明等，2015；管全中等，2015)。西北部的地層坡度較陡，東南部斷層發(fā)育，而奧陶系和志留系產(chǎn)狀一致，總體走勢平緩，呈現(xiàn)向西南、東北方向傾覆趨勢。

奧陶系沉積時期，中揚(yáng)子廣大地區(qū)在華南板塊的擠壓作用下基底迅速下沉，大規(guī)模的海侵形成了一套穩(wěn)定分布的富有機(jī)質(zhì)硅泥質(zhì)沉積(Dong et al., 2018；郭旭升等，2014b)。奧陶紀(jì)末全球冰川活動時期，沉積環(huán)境從深水相沉積轉(zhuǎn)變?yōu)闇\水臺地相沉積。志留紀(jì)早期，華南板塊的擠壓作用使揚(yáng)子板塊由臺地相轉(zhuǎn)換為前陸盆地沉積環(huán)境。石炭紀(jì)中晚期，本區(qū)整體遭受海侵和抬升剝蝕，石炭系中統(tǒng)地層剝蝕殆盡(張曉明等，2015；管全中等，2015)。海西運(yùn)動晚期，全區(qū)形成廣泛海侵，二疊紀(jì)本區(qū)沉積穩(wěn)定，為開闊海臺地相。進(jìn)入三疊紀(jì)，海退開始，下三疊統(tǒng)沉積厚度較穩(wěn)定。中三疊世末期，印支構(gòu)造旋回結(jié)束了本區(qū)漫長的海相沉積歷史。侏羅紀(jì)末期，太平洋板塊向揚(yáng)子板塊俯沖產(chǎn)生了強(qiáng)烈擠壓應(yīng)力作用和寧鎮(zhèn)運(yùn)動，開始了強(qiáng)烈褶皺造山運(yùn)動(Zou et al., 2017；張曉明等，2015)。至此，本區(qū)的前陸盆地演化歷史告一段落，主體構(gòu)造形成(圖1)。

圖1 研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造位置圖Fig.1 The region tectonic map of the research area

研究區(qū)沉積環(huán)境相對穩(wěn)定，在沉積過程中東部水體逐漸加深，南部為黔中隆起，西部為川中古隆起。在幾大古隆起的夾持下，研究區(qū)處于相對安靜的陸棚沉積環(huán)境，發(fā)育了一套暗色富有機(jī)質(zhì)和硅質(zhì)泥頁巖(Yang et al., 2016；徐壯等，2017)。研究區(qū)從晚奧陶紀(jì)一直到三疊紀(jì)的地層發(fā)育完整齊全，僅有晚志留紀(jì)到石炭紀(jì)的地層被剝蝕掉。而三疊系嘉陵江組至奧陶系十字鋪組厚度較大，可達(dá)4 100 m。涪陵地區(qū)在龍馬溪組底部區(qū)域，淺海陸棚相廣泛沉積炭質(zhì)泥頁巖、深灰色-灰黑色泥頁巖。依據(jù)巖性特征、巖相以及生物特征等變化趨勢與規(guī)律，其又可以分為深水陸棚亞相沉積和淺水陸棚亞相沉積(Mcdanlel et al., 2002；郭念發(fā)等，1998；王東，2009)。沉積初期主要發(fā)育灰黑色含粉砂炭質(zhì)泥巖、頁巖、含粉砂泥巖夾少量深灰色泥質(zhì)粉砂質(zhì)條帶(Duan et al., 2017；郭旭升等，2014b)。五峰組沉積時水體更深，黃鐵礦富集，巖性多以炭質(zhì)泥巖、頁巖為主，含少量粉砂(圖2)。

圖2 研究區(qū)A井綜合柱狀圖Fig.2 The comprehensive histogram of well A in the research area1.頁巖；2.泥質(zhì)灰?guī)r；3.炭質(zhì)頁巖；4.炭質(zhì)泥巖；5.粉砂質(zhì)泥巖；6.粉砂巖

2 裂縫類型

由于形態(tài)規(guī)模、形成機(jī)理、破裂性質(zhì)等評價標(biāo)準(zhǔn)的不同，裂縫的分類也不盡相同。一般來說，裂縫的形態(tài)對于頁巖儲層的改造和影響最為直接。油氣開采時采用的壓裂技術(shù)盡可能產(chǎn)生理想的立體裂縫系統(tǒng)，從而最大限度提高產(chǎn)能。在頁巖儲層中發(fā)育的天然裂縫可以分為層理縫、刺穿型高角度縫、內(nèi)部高角度縫、低角度縫和微裂縫等5種類型。

2.1 層理縫

綜合電成像圖可以識別頁理-層理縫。層理和頁理縫在動態(tài)圖上均有很好反應(yīng)，均顯示為暗色線狀模式。其中層理在靜態(tài)圖上表現(xiàn)為不明顯的暗色線狀模式，而頁理縫依舊顯示為較為明顯的暗色線狀模式(唐佳偉，2013；高松洋，2007；郭旭升，2015)。

綜合薄片、掃描電鏡及FMI成像測井識別結(jié)果，判別A井89 m厚的頁巖氣儲層段頁理-層理縫整體較為發(fā)育，其下部38 m厚的頁巖儲層頁理-層理縫最為發(fā)育(圖3)。深度增加，其發(fā)育程度越高(表1)。頁理-層理縫對于儲層儲集性能的貢獻(xiàn)并不明顯，然而，頁理-層理縫的廣泛發(fā)育可以連通更多的無機(jī)和有機(jī)孔隙，從而使得總的有效孔隙體積增加。

圖3 A井頁巖儲層層理發(fā)育特征Fig.3 Developmental characteristics of shale reservoir in well A

表1 A井巖芯紋層發(fā)育特征統(tǒng)計

從穩(wěn)態(tài)法測定水平滲透率統(tǒng)計結(jié)果來看，目的層段水平滲透率主要為0.034～6.463 mD，平均值為1.330 mD。垂直滲透率不高于1 mD，最小值為0.000 2 mD，峰值為0.020 4 mD，平均值為0.003 2 mD，而頁理縫發(fā)育的樣品經(jīng)由穩(wěn)態(tài)法測定，其滲透率顯著增高，普遍高于1 mD，峰值可達(dá)6.463 mD(表2，圖4)。研究區(qū)測井滲透率也顯示出了相同的規(guī)律，由此可知頁理-層理縫對地層水平滲流能力具有顯著的貢獻(xiàn)作用(Ma et al., 2017；管全中等，2015)。

圖4 B井五峰組-龍馬溪組儲層滲透率Fig.4 The reservoir permeability of Wufeng-Longmaxi formation in well B

表2 A井水平滲透率和垂直滲透率對比統(tǒng)計數(shù)據(jù)

A井實(shí)測數(shù)據(jù)表明，涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖垂直滲透率普遍小于1 mD，平均為0.003 2 mD；而在頁理-層理縫發(fā)育處，水平方向的滲流性能普遍得到改善，普遍大于1 mD，最高值達(dá)到6.463 mD，證實(shí)了頁理-層理縫是頁巖氣儲層段滲流性能的關(guān)鍵控制因素。同時頁理-層理縫可溝通大量的有機(jī)孔隙和無機(jī)孔隙，從而使得總有效孔隙體積增加，其對于水平滲流能力和儲集性能起到了雙重貢獻(xiàn)作用(Curtis，2002；Jarvie et al.,2003；郭旭升等，2014a)。

2.2 刺穿型高角度縫

五峰-龍馬溪組下部巖芯中主要發(fā)育大量水平縫以及局部少量高角度縫。高角度縫長度通常較長，可以達(dá)幾米到幾十米，但該類大型裂縫少見，即使在儲層邊界處發(fā)育密度也不大。但是由于優(yōu)質(zhì)頁巖儲層內(nèi)部的裂縫網(wǎng)絡(luò)相互貫通，造成頁巖氣的散失不可忽視(Dong et al., 2018；Lin et al., 2017)。

頁巖儲層中天然開啟的大型裂縫很少見。大型裂縫越發(fā)育，其對儲層的破壞越明顯，頁巖產(chǎn)氣能力越低,這是由于大型裂縫可能會引起天然氣竄層,導(dǎo)致天然氣大量漏失(龍鵬宇等，2011)。而在漫長的地質(zhì)歷史時期，刺穿型高角度縫對于儲層的破壞同樣不可忽視。巖芯照片及FIM成像測井顯示，A井上部地層高角度縫發(fā)育明顯(圖5)。

圖5 A井上部FIM成像測井圖Fig.5 FIM images of the upper formation in well A

2.3 內(nèi)部高角度縫和低角度縫

內(nèi)部高角度縫和低角度縫是連接水平井和微裂縫、層理縫的重要通道。若頁巖儲層只發(fā)育微裂縫和層理縫，僅依靠壓裂很難有效溝通大部分儲存空間，誘導(dǎo)裂縫連接層理縫和微裂縫的作用也很有限。而低角度縫發(fā)育的規(guī)模往往也不大，延伸不遠(yuǎn)，一般不會導(dǎo)致頁巖氣大規(guī)模地逸散。巖芯觀察結(jié)果顯示，五峰-龍馬溪組頁巖儲層段構(gòu)造裂縫整體欠發(fā)育，巖芯中局部段可見高角度縫和構(gòu)造剪切縫，被方解石半充填-全充填，少數(shù)未充填。因此在儲層內(nèi)部的裂縫系統(tǒng)中，內(nèi)部高角度縫相當(dāng)于一級干道，低角度縫相當(dāng)于二級干道。低角度縫與微裂縫可以串聯(lián)起層理縫，使頁巖氣裂縫由平面裂縫系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成立體裂縫系統(tǒng)，從而大大提高頁巖氣聚集和滲流的能力。低角度縫發(fā)育的規(guī)模往往也不大，延伸不遠(yuǎn)，一般不會導(dǎo)致頁巖氣大規(guī)模地逸散。

A、B、C井上部地層發(fā)育高角度縫，均鉆遇了較好的氣測異常顯示，而不發(fā)育裂縫的D井在上部地層未見到氣測異常顯示。分析認(rèn)為，高角度縫對于頁巖氣儲層段的含氣性起到了調(diào)節(jié)作用，高角度縫的發(fā)育使儲層上部所賦存的頁巖氣向上部地層進(jìn)行滲流運(yùn)移，從而導(dǎo)致了上部含氣性整體變差，故對其含氣性評價將綜合考慮上部地層高角度縫發(fā)育情況。

2.4 微裂縫

涪陵地區(qū)五峰-龍馬溪組暗色富有機(jī)質(zhì)泥頁巖段的氬離子拋光掃描電鏡及普通掃描電鏡結(jié)果顯示納米級微裂縫極其發(fā)育。微裂縫長度通常由微米級到納米級,縫寬由幾百納米級到幾微米級。該套頁巖沉積后經(jīng)歷了深埋藏-抬升變淺的構(gòu)造演化過程，在后期的抬升過程中，上覆地層遭受剝蝕導(dǎo)致地層壓力下降，形成了五峰-龍馬溪組內(nèi)部壓力大于上覆地層壓力，地層內(nèi)部高壓使得巖石的有效應(yīng)力降低，使微裂縫在沿著頁巖層理面等薄弱層帶大量發(fā)育(Yang et al., 2016；管全中等，2015)。這類微裂縫橫向延伸一般繞過碎屑顆粒，沿著上下巖層應(yīng)力差異性界面處發(fā)育。其主要類型包括3種：①在片狀礦物(云母)內(nèi)部容易劈開形成解理縫(圖6a)；②沿碎屑顆粒與黏土礦物界面處形成的緊貼碎屑顆粒邊緣發(fā)育的裂縫(圖6b)；③黏土礦物晶間縫(圖6c)。微裂縫若彼此首尾連接會形成水平產(chǎn)狀的長條狀微裂縫，而在微裂縫內(nèi)部則呈現(xiàn)網(wǎng)狀特征。

圖6 A井微裂縫氬離子拋光掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.6 Scanning electron microscopy images of microfracture argon ion polishing in well Aa.解理縫(2 411.84 m)；b.碎屑顆粒與黏土礦物界面貼?？p(2 406.32 m)；c.黏土礦物晶間縫(2 415.10 m)

在后期的構(gòu)造演化過程中，受構(gòu)造應(yīng)力的作用，在巖層中形成一些構(gòu)造成因的微裂縫。這類裂縫縫壁比較平直，產(chǎn)狀多樣，多呈低角度-高角度，裂縫在延伸過程中往往切穿碎屑顆粒。

3 裂縫分布的控制因素

3.1 構(gòu)造因素的影響

構(gòu)造因素是造成巖石破裂的主要外在因素,是造成涪陵地區(qū)高角度縫與層間滑動縫形成的主要控制因素。一般認(rèn)為，高角度縫主要為韌性剪切破裂作用形成的以剪切和張剪性構(gòu)造裂縫為主的構(gòu)造裂縫。這類裂縫常與層面方向近似垂直，方向性較為明顯，裂縫面光滑平整。其主要發(fā)育在巖層內(nèi)部，部分裂縫可以切穿頁巖層面從而形成刺穿型裂縫。巖相相同時，斷層規(guī)模越大、活動性越強(qiáng)則越容易產(chǎn)生裂縫。低角度滑脫縫則是在區(qū)域構(gòu)造作用下，在頁巖層的頂?shù)撞?，沿著層面順層滑動的剪切?yīng)力作用于頁巖儲層所產(chǎn)生。這種裂縫主要呈現(xiàn)傾角小，傾向變化大的特征。在裂縫面上往往可以見到明顯的鏡面和擦痕。受北西-南東向構(gòu)造運(yùn)動擠壓，在該地區(qū)似箱狀斷背斜形成同時，高角度縫與層間縫得以相伴而生。但是，由于似箱狀斷背斜整體較為平緩，致使本區(qū)五峰組-龍馬溪組高角度縫整體不發(fā)育。

涪陵地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖底部頁理縫、滑動縫尤其發(fā)育?；瑒涌p裂縫面可見明顯的擦痕、階步或者光滑平整的鏡面特征。由此推斷，印支期以來，多期構(gòu)造運(yùn)動造成五峰組-龍馬溪組作為區(qū)域性塑性層起到了層滑作用，尤其五峰組-龍馬溪組下部沉積環(huán)境相對更加安靜、貧氧，頁理相對更發(fā)育。同時，沿層理縫更容易造成層間的滑動，因此層間滑動縫發(fā)育程度更高。

3.2 巖性界面物性差異

由于界面物性的差異，構(gòu)造應(yīng)力會使小型滑脫面產(chǎn)生。界面附近層間滑動縫可見集中發(fā)育。五峰組內(nèi)部還存在著與斑脫巖相關(guān)的小型巖性界面，與其伴生的水平裂縫發(fā)育密度較高。因此，裂縫在具有物性差異的巖性界面附近集中發(fā)育。五峰組尤其明顯，這是因?yàn)槲宸褰M地層薄，頂?shù)讕r性為硬度較大的灰?guī)r，在韌性相對較強(qiáng)的頁巖中，層間滑動縫更為發(fā)育。在A井巖芯五峰-龍馬溪組頁巖地層中，五峰組底部，即炭質(zhì)筆石頁巖與臨湘組含泥瘤狀灰?guī)r之間的界面，裂縫的發(fā)育密度高達(dá)12.8條/m；在五峰組與龍馬溪組接觸界面，即含生屑含炭灰質(zhì)泥巖與含骨針含放射蟲筆石頁巖之間，裂縫的密度也明顯高于上下地層，統(tǒng)計結(jié)果為2.19條/m。

3.3 脆性礦物含量與巖石破裂壓力

脆性礦物含量與破裂壓力是構(gòu)造裂縫在縱向上發(fā)育差異的主要原因。脆性礦物主要包括石英、長石和黃鐵礦等。無論是天然裂縫還是誘導(dǎo)裂縫,脆性礦物含量都是裂縫發(fā)育的前提，即一定范圍內(nèi)，脆性礦物含量越高，裂縫-微裂縫越發(fā)育(圖7)。

圖7 A井脆性礦物含量與裂縫-微裂縫關(guān)系圖Fig.7 The relationship of brittleness mineral content and crack-microfracture in well A

通過對研究區(qū)A井龍馬溪組-五峰組目的層段43塊巖芯樣品進(jìn)行裂縫統(tǒng)計，以及對滲透率和脆性礦物含量進(jìn)行測試。結(jié)果表明，在頁巖優(yōu)質(zhì)儲層中，膨脹性黏土礦物含量相對較少，而硅質(zhì)、碳酸鹽巖和長石等脆性礦物的含量相對較多。這是因?yàn)楫?dāng)黏土礦物含量較高時，膠結(jié)物中比重較大的泥質(zhì)成分會導(dǎo)致儲層強(qiáng)度和穩(wěn)定性較低。石英等脆性礦物含量越高，膠結(jié)物中硅質(zhì)成分比重就越大，強(qiáng)度和穩(wěn)定性也就越高。同時，脆性礦物含量的增加會增強(qiáng)巖石的剛度，從而抵消壓實(shí)作用對于孔隙減少的影響，致使更多的有機(jī)質(zhì)孔隙得以保存。因此儲層的抗壓強(qiáng)度與石英、長石等脆性礦物的含量表現(xiàn)為正相關(guān)性。當(dāng)?shù)貙討?yīng)力達(dá)到屈服極限時，巖石穩(wěn)定性越強(qiáng)，越會通過破裂產(chǎn)生裂縫釋放壓力。因此，富含硅質(zhì)的頁巖要比富含黏土質(zhì)的頁巖容易發(fā)育更多的天然裂縫(Zhang et al., 2014；馬云鵬等，2015；蒲泊伶等，2008)。

在五峰-龍馬溪組下部，頁巖儲層脆性礦物含量高，破裂壓力低，裂縫更容易產(chǎn)生，自下而上脆性礦物含量逐漸減少，破裂壓力逐漸升高，裂縫發(fā)育程度由好變差。A井五峰組地層脆性礦物含量的均值高達(dá)62.4%，峰值為80.3%，破裂壓力的平均值為62.57 MPa，裂縫密度高達(dá)20條/m。水平縫與高角度縫相互交織，網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)較為發(fā)達(dá)。在涪陵地區(qū)龍馬溪組-五峰組的礦物組成方面，以A井為例，對按照深度(2 414.15～2 330.46 m)均勻取樣的84塊鉆井巖芯樣品的礦物組分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明石英含量遠(yuǎn)大于其他脆性礦物含量(圖8)。此84塊鉆井巖芯的實(shí)測石英含量與ECS元素測井所測得的硅質(zhì)含量及隨深度的變化趨勢具備相當(dāng)好的一致性，這說明了二者結(jié)果都較為準(zhǔn)確。在本地區(qū)，隨著深度增加，地層密度由于儲層的孔隙度以及有機(jī)質(zhì)的含量逐漸增加而逐漸降低，與石英含量變化呈負(fù)相關(guān)。根據(jù)A井實(shí)測石英含量與地層密度良好的響應(yīng)關(guān)系(R=87.7%)，計算得到B、C、D井石英含量(圖9)。對比圖3和圖9發(fā)現(xiàn)，石英含量在縱向上與層理縫發(fā)育具備良好的對應(yīng)關(guān)系。

圖8 脆性礦物含量百分比Fig.8 Percentage content of brittleness mineral

圖9 涪陵地區(qū)石英含量縱向分布連井剖面Fig.9 The longitudinal distribution of silica content even the well profile in Fuling area1.石灰?guī)r；2.炭質(zhì)泥巖；3.粉砂質(zhì)泥巖；4.頁巖；5.硅質(zhì)頁巖；6.粉砂巖；7.砂質(zhì)泥巖；8.炭質(zhì)泥巖；9.砂質(zhì)頁巖

3.4 巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)與非均質(zhì)性對裂縫的影響

巖石粒徑的大小對于裂縫發(fā)育同樣產(chǎn)生影響。曾聯(lián)波等(2008)通過研究認(rèn)為，巖石顆粒的粒徑越細(xì)，越有利于裂縫的發(fā)育。例如北美Barnett頁巖屬于較深水的前陸盆地沉積,巖石多以微細(xì)顆粒為主，裂縫廣泛發(fā)育。此外，巖性變化處往往是裂縫發(fā)育的地區(qū)(郭英海等，2015)。掃描電鏡顯示紋層、夾層、有機(jī)質(zhì)與純凈的頁巖相間分布，黃鐵礦等礦物團(tuán)狀聚集，區(qū)域聚集的礦物組合等都造成了頁巖的非均質(zhì)性，從而導(dǎo)致了頁巖微裂縫形態(tài)的多樣特征。常見的形態(tài)包括平直狀、彎曲狀、分叉狀、交叉狀等，其發(fā)育部位、配置關(guān)系、發(fā)育方向、發(fā)育特征在微觀尺度下也具有強(qiáng)非均質(zhì)性(楊海雨，2014)。

脆性較高、粒徑較小的頁巖在充分破壞時, 宏觀各向異性和微觀均質(zhì)性共同影響裂縫-微裂縫的擴(kuò)展。宏觀各向異性表現(xiàn)在不同方向上的力學(xué)差異影響優(yōu)勢破裂面的選擇，其造成的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展控制產(chǎn)生最后復(fù)雜的主破裂面(Price, 1996；Bowker, 2007；楊振恒等，2013)。微觀均質(zhì)性控制微裂縫沿多角度、多方向進(jìn)行擴(kuò)展。其決定了巖石完全破碎時能否形成多重破裂面(曹華齡，1991；莫生娟，2013；左中航等，2012)。微裂縫通常來說都是平行于層理和在黏土礦物粒間發(fā)育的，常與黏土顆粒具有相同的定向特征(梁豪，2014)。各向異性程度也決定了天然微裂隙的定向發(fā)育程度。各向異性越高，對于壓力變化也更加敏感，在后期壓裂改造過程中也越容易形成網(wǎng)狀誘導(dǎo)裂縫(胡東風(fēng)等，2014)。

4 裂縫型儲層頁巖氣富集模式

一般認(rèn)為，裂縫對于頁巖儲層的意義在于裂縫不僅可以作為頁巖氣的儲集空間和運(yùn)移通道，同時還可以作為頁巖生烴形成的有機(jī)烴以及酸性流體的通道，使其在更廣的范圍內(nèi)對不穩(wěn)定礦物進(jìn)行溶蝕。此外，裂縫對后期壓裂改造效果具有重要的影響(Gillespie et al., 2015；Lin et al., 2017)。

北美典型頁巖氣藏所在的盆地主要展布于被動大陸邊緣演化成前陸盆地的區(qū)域以及古生界克拉通地臺區(qū)，這些盆地一般構(gòu)造穩(wěn)定、地層總體較為平緩,儲層埋藏深度適中(Gale et al., 2007)。例如密歇根盆地就是一個基底為前寒武系結(jié)晶巖系,自寒武紀(jì)開始發(fā)育的克拉通內(nèi)古生代盆地。該盆地特點(diǎn)為沉降速率較小,構(gòu)造變形較弱,無中新生界覆蓋,油氣保存較好(Gale et al., 2007；Montgomery et al., 2005)。因此，北美頁巖氣的勘探開采經(jīng)驗(yàn)中，并不需要著重關(guān)注區(qū)域尺度構(gòu)造因素對于儲層裂縫發(fā)育的影響。

涪陵地區(qū)五峰-龍馬溪組黑色含炭頁巖儲層的滲流儲集模式與北美典型頁巖氣藏存在較為明顯的差異。區(qū)域尺度上，四川盆地古生代屬于海相沉積盆地,頁巖沉積環(huán)境屬于深水相沉積、淺-深水陸棚相,主力層段為下寒武統(tǒng)以及下志留統(tǒng)。儲層深度更深，斷裂活動強(qiáng)烈,裂縫廣泛發(fā)育。四川盆地所發(fā)育海相地層雖然經(jīng)過多次后期的構(gòu)造改造,但是總體面貌沒有遭到明顯的破壞。下古生界地層較好的保存程度和高穩(wěn)定性表明，構(gòu)造運(yùn)動并沒有對頁巖氣藏造成巨大破壞。本地區(qū)主體為似箱狀背斜，兩翼陡，頂部緩，邊緣逆斷層封堵良好，高角度縫不發(fā)育，開采獲得高產(chǎn)，其中A井日產(chǎn)量可達(dá)20.3×104m3。彭水地區(qū)則處于向斜構(gòu)造帶，邊緣同樣被逆斷層封閉，但該地區(qū)構(gòu)造改造強(qiáng)度大，抬升剝蝕強(qiáng)烈，刺穿型高角度斷層發(fā)育，較差的保存條件導(dǎo)致大量的游離氣沿著層間滑動縫逸散(圖10)。以E井為代表的諸多鉆井均鉆遇到了優(yōu)質(zhì)頁巖儲層，只收獲了低產(chǎn)頁巖氣流，E井的測試日產(chǎn)量僅為2.5×104m3，尚未獲得頁巖氣的商業(yè)性發(fā)現(xiàn)(Dong et al., 2018；Zou et al., 2017)。

圖10 川東南涪陵地區(qū)以及彭水地區(qū)地層發(fā)育以及斷裂發(fā)育模式(Jarvie et al., 2003)Fig.10 The formation development and fracture development pattern in Fuling and Pengshui area1.侏羅紀(jì)；2.志留紀(jì)；3.二疊紀(jì)-三疊紀(jì)；4.石炭紀(jì)-奧陶紀(jì)；5.新元古代

宏觀上，巖芯觀察頁理縫較為發(fā)育，局部見到層間滑移，推測在該套地層內(nèi)部是閉合的，高角度縫主要發(fā)育在底部，多被方解石充填。由于頁巖頁理縫和層間滑動縫發(fā)育，順頁理方向上的擴(kuò)散作用大大增加，巖芯中密集發(fā)育的鏡面、擦痕和階步就是最有力的證據(jù)。其影響就是順層方向的滲透率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過垂直層理方向的滲透率(圖4)。這意味著平行層理面方向孔隙的連通性以及微裂縫的發(fā)育情況遠(yuǎn)優(yōu)于垂直層理面方向，頁巖氣擴(kuò)散作用增強(qiáng)，甚至頁巖氣沿層面主要以擴(kuò)散相運(yùn)移至埋深較淺處。同時，頁理縫的進(jìn)一步發(fā)育還可以連通更多的無機(jī)和有機(jī)孔隙，使儲集空間進(jìn)一步增加。理論上，埋深由深到淺往往意味著圍壓的降低。實(shí)驗(yàn)證明，圍壓下降到一定值時，巖石將發(fā)生剪切破裂，從而裂縫-微裂縫的規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大。斷裂開啟，孔隙度和滲透率都將增大。龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖埋深不足1 500 m時，對自身頁巖氣的封蓋保存作用較差，埋藏越淺，封蓋效果越差(Zhang et al., 2014；Ma et al., 2017)。

微觀上，氬離子掃描電鏡下可見礦物和有機(jī)質(zhì)內(nèi)部發(fā)育縫寬約5～200 nm的微裂縫。微裂縫和微裂隙的存在對于儲層的儲集性能和滲流性能均具備一定的貢獻(xiàn)，特別是對于滲流性能的貢獻(xiàn)作用十分顯著。在此情況下，側(cè)向擴(kuò)散作用成為頁巖氣(主要是游離氣)擴(kuò)散運(yùn)移的主要作用方式之一。四川盆地以及周緣下古生界海相頁巖成巖程度普遍較高，頁巖壓實(shí)作用導(dǎo)致片狀的黏土礦物近似平行巖層面進(jìn)行定向排列。反復(fù)疊加及本身塑性變形造成了垂直巖層面方向上延伸的孔隙被大量阻塞，分子擴(kuò)散作用在垂向上受到一定程度的減緩和限制(Curtis, 2002；Schlomer et al., 2004)。

通過對諸多勘探實(shí)例進(jìn)行歸納總結(jié)，并結(jié)合裂縫對于頁巖氣富集的影響的相關(guān)結(jié)論，建立了裂縫型儲層的頁巖氣富集模式。參考多個影響因素，裂縫型儲層的頁巖氣富集模式大體上可以分為9種。水平縫發(fā)育、構(gòu)造活動影響較小的北美地區(qū)典型頁巖氣藏模式一直是世界各國開展頁巖氣相關(guān)研究的模型與基礎(chǔ)(圖11a)。在該模式中，游離氣與吸附氣均勻分布于頁巖儲層中，后期通過對儲層的壓裂改造往往能夠形成較好的單井產(chǎn)量。在單斜型構(gòu)造模式中，構(gòu)造高點(diǎn)處的縱向以及側(cè)向的封閉性對于能否成藏起到?jīng)Q定性的作用。這是因?yàn)樵谠撃Ｊ街校搸r氣(主要是游離氣)在流體勢的驅(qū)動下從高勢區(qū)(構(gòu)造低點(diǎn))向低勢區(qū)(構(gòu)造高點(diǎn))運(yùn)移。如果構(gòu)造高點(diǎn)處的封閉性良好，那么常會形成儲量相當(dāng)可觀的頁巖氣藏(圖11c)；一旦刺穿型裂縫或者斷層分布于構(gòu)造高點(diǎn)，則對于頁巖氣成藏起毀滅性破壞作用(圖11b)。受到多期構(gòu)造作用的改造效果疊加，以涪陵地區(qū)焦石壩為代表模式的背斜型構(gòu)造樣式和彭水地區(qū)為代表的向斜型構(gòu)造模式在廣大的中國南方地區(qū)發(fā)育。在背斜型和向斜型構(gòu)造模式當(dāng)中，儲層頂?shù)装宓姆忾]效果對于成藏至關(guān)重要。如果頂?shù)装宸忾]性較差，其中斷裂發(fā)育或者由滲透效果良好的砂巖構(gòu)成，那么頁巖氣可能直接穿透頂?shù)装寤蛘咴谶\(yùn)移的過程中透過頂?shù)装暹M(jìn)行散失掉(圖11f,g)。如果構(gòu)造高點(diǎn)處刺穿型裂縫或者斷裂發(fā)育，聚集于此的頁巖氣同樣會散失(圖11e,g)。在頂?shù)装宸忾]效果良好且刺穿型裂縫不發(fā)育的情況下，背斜型構(gòu)造的頁巖氣成藏位置往往在于背斜核部(圖11d),而向斜型構(gòu)造的成藏位置在于向斜兩側(cè)翼部(圖11i)。這為頁巖氣甜點(diǎn)區(qū)的勘探提供了一定程度的指向性。

圖11 頁巖氣儲層構(gòu)造裂縫復(fù)合控制模式(王超等，2017)Fig.11 Composite control mode of shale gas reservoirs structural fractures a.北美頁巖氣藏模式圖，構(gòu)造影響小，水平縫發(fā)育；b.構(gòu)造高點(diǎn)裂縫發(fā)育的單斜型構(gòu)造模式圖；c.構(gòu)造高點(diǎn)無裂縫發(fā)育的單斜型構(gòu)造模式圖d.背斜型構(gòu)造對儲層游離氣運(yùn)移的影響；e.構(gòu)造高點(diǎn)裂縫發(fā)育的背斜型構(gòu)造模式圖；f.頂?shù)装鍡l件不佳的背斜型構(gòu)造模式圖；g.構(gòu)造高點(diǎn)裂縫發(fā)育的向斜型構(gòu)造模式圖；h.頂?shù)装鍡l件不佳的向斜型構(gòu)造模式圖；i.向斜型構(gòu)造對儲層游離氣運(yùn)移的影響

5 結(jié)論

(1)涪陵地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖儲層微裂縫和頁理-層理縫發(fā)育程度較高，為頁巖氣滲流和儲集提供了良好的通道和空間。區(qū)域構(gòu)造作用形成的層間滑動縫則為頁巖氣在區(qū)域尺度上的運(yùn)移聚集提供了條件，高角度縫無明顯發(fā)育。

(2)該地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖脆性礦物含量高、巖石破裂壓力低、非均質(zhì)程度高。在構(gòu)造作用的改造下，該套頁巖裂縫發(fā)育良好，后期壓裂改造潛力巨大。

(3)涪陵地區(qū)五峰-龍馬溪組裂縫控制下的頁巖氣聚集成藏模式為典型頁巖氣藏與構(gòu)造因素控制下的氣藏結(jié)合的復(fù)合模式。該模式兼具典型頁巖氣藏低孔隙度、低滲透率特征，同時由于沿層滑脫縫、層理縫以及構(gòu)造裂縫等組成的裂縫系統(tǒng)影響，封閉成藏條件下的構(gòu)造高點(diǎn)往往容易成為頁巖氣滲流聚集區(qū)。