谷陽(yáng) ，徐晟 ，張煒 ，徐佳佳 ，翟中楊

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地學(xué)文獻(xiàn)中心，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)圖書館，北京 100083；3.中國(guó)石油華北油田分公司第四采油廠，河北 廊坊 062550）

頁(yè)巖儲(chǔ)層具有低孔、低滲、極為致密等特點(diǎn)，儲(chǔ)層中的基質(zhì)孔隙一般不具備滲流能力，主要滲流通道來(lái)自裂縫。國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣成功開采經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)頁(yè)巖中天然裂縫發(fā)育程度較高時(shí)，在水力壓裂過(guò)程中有利于形成大規(guī)模的縫網(wǎng)，有效改善頁(yè)巖儲(chǔ)層條件。頁(yè)巖儲(chǔ)層中裂縫的發(fā)育有效改善了儲(chǔ)層的滲透性，其發(fā)育程度和含氣量有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此頁(yè)巖裂縫的發(fā)育程度在某種程度上說(shuō)是頁(yè)巖氣藏高產(chǎn)的關(guān)鍵[1-5]。目前，眾多學(xué)者在頁(yè)巖裂縫的發(fā)育特征、主控因素及分布規(guī)律等方面開展了廣泛研究，并取得了大量成果[6-10]。但中國(guó)南方復(fù)雜構(gòu)造區(qū)受多期構(gòu)造活動(dòng)的影響，褶皺變形強(qiáng)烈，造成斷裂系統(tǒng)發(fā)育、地應(yīng)力和天然裂縫分布不清，導(dǎo)致南方復(fù)雜構(gòu)造區(qū)古生界海相頁(yè)巖氣開采效果不佳，頁(yè)巖氣單井產(chǎn)能相差較大[11-13]。本文以黔北地區(qū)鳳岡區(qū)塊下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖為例，對(duì)頁(yè)巖裂縫發(fā)育特征、頁(yè)巖氣保存條件影響機(jī)制進(jìn)行深入研究，以期對(duì)中國(guó)南方復(fù)雜構(gòu)造區(qū)古生界海相頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)具有一定的指導(dǎo)作用。

1 區(qū)域概況

鳳岡區(qū)塊構(gòu)造主體位于揚(yáng)子板塊西南緣，是以前震旦系為基底的準(zhǔn)克拉通板塊（見(jiàn)圖1）。北部緊鄰四川盆地南緣，東南部為華南造山帶。研究區(qū)內(nèi)褶皺變形強(qiáng)烈，斷裂系統(tǒng)發(fā)育，斷裂之間相互干擾、聯(lián)合和切割現(xiàn)象明顯，主要發(fā)育北北東向和北東向斷裂。受加里東期、海西期、印支期、燕山期和喜馬拉雅期等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，先存斷裂被持續(xù)改造，導(dǎo)致多組斷裂之間交切關(guān)系十分復(fù)雜。經(jīng)歷印支期和燕山期2次大的抬升剝蝕，累計(jì)剝蝕厚度超過(guò)5 km，龍馬溪組頁(yè)巖受構(gòu)造抬升剝蝕影響嚴(yán)重，僅在務(wù)川復(fù)向斜內(nèi)部及研究區(qū)西部零星分布。

圖1 研究區(qū)位置

鳳岡區(qū)塊龍馬溪組頁(yè)巖具有良好的生氣潛力。總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為2.65%；礦物組分以石英為主，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在23%～68%，平均為38.2%；碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為21.5%；黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為21.4%，伊/蒙混層和伊利石占80.5%（見(jiàn)圖2）。研究區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖的礦物組分與Barnett頁(yè)巖類似，表明研究區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層具備良好的可改造條件[14]。

圖2 研究區(qū)永參2井綜合柱狀圖

2 頁(yè)巖裂縫發(fā)育特征

2.1 野外露頭裂縫發(fā)育特征

對(duì)研究區(qū)內(nèi)10處下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖露頭觀察發(fā)現(xiàn)，野外露頭天然裂縫類型主要為區(qū)域構(gòu)造縫、褶皺相關(guān)裂縫、斷層相關(guān)裂縫、風(fēng)化裂縫及層理縫。

區(qū)域構(gòu)造縫在區(qū)域上一般具有一定的方向性和規(guī)律性，經(jīng)常存在縫面較平直、延伸較遠(yuǎn)、穿層現(xiàn)象明顯、與巖層面呈高角度相交或垂直層面、裂縫寬度變化較大等特點(diǎn)（見(jiàn)圖3a）。同一層面上區(qū)域構(gòu)造縫呈多組系出現(xiàn)，部分大型裂縫穿層現(xiàn)象明顯，主要為未充填裂縫，可見(jiàn)2組裂縫相互切割，未充填縫切割錯(cuò)斷方解石充填縫（見(jiàn)圖3b）。

圖3 研究區(qū)野外天然裂縫發(fā)育特征

褶皺與斷層的形成過(guò)程中通常存在同期形成的伴生縫和晚期形成的派生縫。研究區(qū)處在南方復(fù)雜構(gòu)造區(qū)，受區(qū)域或局部擠壓作用形成不同規(guī)模的褶皺構(gòu)造，在褶皺的核部及相鄰的翼部主要發(fā)育剪切裂縫（見(jiàn)圖3c），而在褶皺的轉(zhuǎn)折端由于地層彎曲而產(chǎn)生張應(yīng)力，因此，在褶皺的轉(zhuǎn)折端附近張性裂縫較為發(fā)育（見(jiàn)圖3d）。這類裂縫的發(fā)育規(guī)模不同，部分裂縫發(fā)育在層內(nèi)，而部分裂縫則切穿多個(gè)層系。在野外露頭中較大規(guī)模的斷層附近可見(jiàn)與其伴生的裂縫，成組系分布于斷面附近，與斷面呈大角度或垂直相交，延伸不遠(yuǎn)，以未充填縫為主，部分見(jiàn)方解石和石英等礦物充填；在局部剪切應(yīng)力下形成的斷層附近頁(yè)巖脆性破裂明顯，周圍裂縫發(fā)育（見(jiàn)圖3e）。此外，可見(jiàn)龍馬溪組頁(yè)巖發(fā)育薄層狀層理縫及中層狀層理縫（見(jiàn)圖3f），其抗風(fēng)化能力較弱，容易在重力卸載、雨水淋濾、風(fēng)化剝蝕等作用影響下，沿頁(yè)巖層理面發(fā)生破碎，形成風(fēng)化裂縫[15-16]。

對(duì)野外露頭剖面中龍馬溪組頁(yè)巖構(gòu)造裂縫的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)表明：裂縫走向以北東向?yàn)橹鳎浯螢榻媳毕蚝捅蔽飨?，多?jiàn)高角度裂縫和垂直裂縫（見(jiàn)圖4）。利用聲發(fā)射結(jié)果，結(jié)合區(qū)域應(yīng)力分析，確定了研究區(qū)現(xiàn)今最大主應(yīng)力為45 MPa，最小主應(yīng)力為33 MPa。利用聲波各向異性和FMI成像測(cè)井，分析得出現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力的方向?yàn)楸睎|東—南西西。對(duì)研究區(qū)應(yīng)力場(chǎng)情況、構(gòu)造演化史、斷裂體系特征分析表明，北東向裂縫主要形成于燕山運(yùn)動(dòng)時(shí)期，而近南北向和北西向裂縫分別形成于武陵運(yùn)動(dòng)—雪峰運(yùn)動(dòng)時(shí)期和志留紀(jì)末的廣西運(yùn)動(dòng)時(shí)期[17-20]。

圖4 研究區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖野外露頭裂縫統(tǒng)計(jì)

2.2 巖心裂縫發(fā)育特征

對(duì)研究區(qū)內(nèi)YC-1井、YC-2井、YC-3井龍馬溪組頁(yè)巖巖心裂縫特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表明，研究區(qū)龍馬溪組巖心裂縫以構(gòu)造縫為主。但是通過(guò)對(duì)研究區(qū)內(nèi)巖心觀察發(fā)現(xiàn)，受構(gòu)造部位和局部應(yīng)力影響，巖心裂縫發(fā)育存在著明顯的差異性，其中YC-3井主要發(fā)育高角度構(gòu)造縫，而YC-1井、YC-2井以低角度滑脫縫、層理縫及層間縫為主。構(gòu)造裂縫中的高角度剪性裂縫，一般以高角度和垂直縫為主，縫面平直，延伸較遠(yuǎn)，多數(shù)被方解石充填（見(jiàn)圖5a）。研究區(qū)受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，發(fā)育相互交切的多組裂縫，后期裂縫對(duì)早期裂縫進(jìn)行切割改造（見(jiàn)圖5b），受斷裂改造的影響，斷裂內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)育，包括斷層泥和破碎帶（被方解石充填）（見(jiàn)圖5c）。

圖5 研究區(qū)巖心裂縫發(fā)育特征

高角度扭性縫。按其成因可分為張扭性縫和壓扭性縫，縫面多不平直，形態(tài)類似縫合線，主要為垂直縫或高角度構(gòu)造縫，多被方解石充填（見(jiàn)圖5d）。

張性縫。張性縫是在拉張伸展背景下形成的構(gòu)造縫，縫面參差不齊，常成組系出現(xiàn)，并在周圍存在多組伴生裂縫，多被礦物充填（見(jiàn)圖5e）。

滑脫縫?；摽p主要是在伸展或擠壓作用下，由低角度滑脫的剪應(yīng)力形成，一般以水平或低角度縫為主，傾角較小，縫面常見(jiàn)明顯擦痕、階步等特征（見(jiàn)圖5f）。

除了上述構(gòu)造裂縫，研究區(qū)還發(fā)育一定數(shù)量的非構(gòu)造裂縫，包括層理縫、層間縫、溶蝕縫和縫合線等（見(jiàn)圖5g—5j）。非構(gòu)造裂縫不僅是頁(yè)巖儲(chǔ)層流體的主要滲流通道，還提供了良好的儲(chǔ)集空間，有效改善了儲(chǔ)層的儲(chǔ)集和滲透性能[21-26]。

3 構(gòu)造特征對(duì)頁(yè)巖氣保存條件的影響

關(guān)于構(gòu)造特征對(duì)裂縫發(fā)育程度的影響,前人進(jìn)行了大量統(tǒng)計(jì)研究。一般認(rèn)為，在同一構(gòu)造應(yīng)力背景下，距褶皺核部與斷裂越近的區(qū)域，裂縫發(fā)育程度越高，裂縫密度越大[27-38]。研究區(qū)內(nèi)YC-3井與YC-1井、YC-2井相距3 km左右，通過(guò)對(duì)比YC-1井、YC-2井與YC-3井裂縫發(fā)育程度，發(fā)現(xiàn)不同井之間裂縫發(fā)育情況稍有不同。YC-3井以高角度、中角度構(gòu)造裂縫為主，層理縫欠發(fā)育，而YC-1井、YC-2井以低角度滑脫縫和層理縫為主，高角度構(gòu)造縫欠發(fā)育（見(jiàn)圖5k，5l）。

對(duì)3口井裂縫發(fā)育情況與構(gòu)造部位研究表明：YC-3井和YC-1井、YC-2井都位于研究區(qū)務(wù)川復(fù)向斜西翼，但是兩者所處構(gòu)造部位有明顯不同。其中：YC-3井位于向斜翼部“Y”字形斷裂夾持處，在“Y”字形斷裂伴生褶皺頂部受局部應(yīng)力作用產(chǎn)生垂向變形，裂縫多為高角度縫，少見(jiàn)層間縫；而YC-1井、YC-2井位于向斜樞紐端，地層較平緩，構(gòu)造應(yīng)力不強(qiáng)，周圍無(wú)明顯斷裂，地層多為順層調(diào)節(jié)，因此構(gòu)造裂縫不發(fā)育，以層間縫為主?？梢?jiàn)，受不同構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)的差異影響，裂縫類型也存在差異性和互補(bǔ)性。

對(duì)鳳岡區(qū)塊3口頁(yè)巖氣井龍馬溪組的裂縫發(fā)育程度分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。按裂縫產(chǎn)狀將巖心裂縫分為高角度裂縫和水平裂縫，高角度縫以傾角大于45°的構(gòu)造裂縫和垂直裂縫為主，水平裂縫一般與層理面平行或傾角小于15°，主要為低角度滑脫縫、層理縫。YC-1井高角度裂縫平均線密度為1.7條/m，YC-2井高角度裂縫平均線密度為2.2條/m，相比YC-1井、YC-12井，處在褶皺變形頂部的YC-3井高角度裂縫發(fā)育，平均線密度達(dá)到了6.3條/m。YC-1井水平縫較發(fā)育，水平縫線密度為12.8條/m，與YC-1井同處于背斜翼部的YC-2水平縫線密度為10.7條/m，而YC-3水平縫欠發(fā)育，水平縫線密度為6.6條/m。通過(guò)對(duì)比可見(jiàn)：YC-3井高角度縫線密度最大，但其水平縫線密度則相應(yīng)最低；與之相反，YC-1井、YC-2井高角度縫線密度偏低，其水平縫線密度則相對(duì)高，高角度縫主要發(fā)育在研究區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖上部，而龍馬溪組頁(yè)巖中下部水平縫線密度大。垂向上的巖性差異導(dǎo)致裂縫發(fā)育情況不同，而受構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)差異的影響，不同類型裂縫的發(fā)育存在著互補(bǔ)性。

研究區(qū)受多期構(gòu)造活動(dòng)疊加影響，形成了復(fù)雜的復(fù)背斜與復(fù)向斜相間排列的隔槽式褶皺面貌。根據(jù)構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)弱、構(gòu)造變形樣式及裂縫發(fā)育類型等特征，將研究區(qū)構(gòu)造保存有利區(qū)進(jìn)一步劃分為穩(wěn)定區(qū)（YC-1井、YC-2井）和弱變形區(qū)（YC-3井）。

穩(wěn)定區(qū)地層變形較弱，是研究區(qū)構(gòu)造最穩(wěn)定區(qū)域，構(gòu)造主體為寬緩背斜和緊閉向斜，斷裂不發(fā)育；通過(guò)巖心觀察，總結(jié)了穩(wěn)定區(qū)裂縫發(fā)育模式（見(jiàn)圖6a。圖左為巖性剖面，圖右為巖心照片），裂縫發(fā)育程度較低，以層理縫為主，發(fā)育少量高角度構(gòu)造縫，且多為方解石充填，開啟程度較低。研究區(qū)龍馬溪組頂板巖性為深灰色厚層石灰?guī)r夾數(shù)層瘤狀石灰?guī)r，底板為淺灰色厚層石灰?guī)r，頂?shù)装鍘r性均較致密，裂縫欠發(fā)育，厚度大，對(duì)頁(yè)巖氣隔擋較好。由于穩(wěn)定區(qū)大型斷裂不發(fā)育，裂縫也多以非構(gòu)造裂縫為主，因此頁(yè)巖氣自封閉性良好，形成局部超壓，受壓實(shí)作用影響減弱，有利于氣體富集，是頁(yè)巖氣保存的有利區(qū)。弱變形區(qū)相對(duì)于穩(wěn)定區(qū)構(gòu)造略顯復(fù)雜，發(fā)育多條不同走向斷層及一系列伴生、調(diào)節(jié)斷層，構(gòu)造裂縫較發(fā)育，以高角度構(gòu)造縫為主，方解石充填，受多期構(gòu)造活動(dòng)影響，晚期裂縫切割錯(cuò)動(dòng)早期裂縫現(xiàn)象明顯（見(jiàn)圖6b。圖左為巖性剖面，圖右為巖心照片）。雖然該類構(gòu)造改造程度稍強(qiáng)，斷裂和裂縫均較發(fā)育，但是“Y”字形斷裂兩盤走向與主應(yīng)力方向垂直，表明斷層應(yīng)具有良好的封堵性。

圖6 研究區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖裂縫發(fā)育模式

此外，擠壓斷層中的泥巖涂抹現(xiàn)象也能反映裂縫的側(cè)向封閉性，在YC-3井巖心裂縫觀察中可見(jiàn)鏡面擦痕，表明頁(yè)巖中裂縫存在涂抹層，具有良好的封堵性。YC-3井龍馬溪組中上部高角度、垂直縫發(fā)育，表明受擠壓作用影響，YC-3井龍馬溪組頁(yè)巖位于褶皺中和面以下，裂縫發(fā)育類型受構(gòu)造部位控制明顯。由于層間縫和層理縫等非構(gòu)造縫的活動(dòng)調(diào)節(jié)了部分應(yīng)力，弱變形區(qū)中的水平應(yīng)力差降低，有利于后期水力壓裂。弱變形區(qū)中的未充填縫在一定程度上也為頁(yè)巖氣提供了儲(chǔ)存空間與運(yùn)移通道，在周圍無(wú)大型斷裂發(fā)育的情況下有利于頁(yè)巖氣富集，從研究區(qū)現(xiàn)場(chǎng)解析氣量情況看（見(jiàn)表1），構(gòu)造弱變形區(qū)對(duì)頁(yè)巖氣保存也較有利。

表1 研究區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖氣解析結(jié)果

4 地質(zhì)意義

在良好保存條件下——裂縫發(fā)育數(shù)量與規(guī)模適度且未斷穿頂?shù)装迳w層，裂縫的發(fā)育對(duì)頁(yè)巖氣聚集具有積極作用；裂縫發(fā)育規(guī)模過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖氣的散失及儲(chǔ)層改造時(shí)與高滲層或含水層的溝通。對(duì)于中國(guó)南方復(fù)雜構(gòu)造區(qū)海相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖來(lái)說(shuō)，保存條件至關(guān)重要，適度的構(gòu)造抬升作用能夠產(chǎn)生大量的微裂縫并避免穿層裂縫與斷裂的形成。位于構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)的YC-3井巖心現(xiàn)場(chǎng)含氣量測(cè)試資料與裂縫參數(shù)之間的關(guān)系表明，頁(yè)巖裂縫發(fā)育程度與總含氣量和解吸氣量具有一定的正相關(guān)性。對(duì)于研究區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖，雖然巖心裂縫大部分被充填，但未充填裂縫及裂縫充填物中開啟的次級(jí)孔、縫提供了一部分儲(chǔ)集空間及大量的滲流通道，因此裂縫的發(fā)育對(duì)龍馬溪組頁(yè)巖含氣性與滲透性均具有貢獻(xiàn)，而對(duì)滲透性的改善是其最主要的貢獻(xiàn)。

5 結(jié)論

1）研究區(qū)野外天然裂縫類型主要為區(qū)域構(gòu)造縫、斷層相關(guān)裂縫、褶皺相關(guān)裂縫、風(fēng)化裂縫和層理縫。巖心裂縫以構(gòu)造裂縫為主，裂縫類型以高角度剪切裂縫、高角度張性裂縫、高角度扭性裂縫和低角度滑脫裂縫為主。非構(gòu)造裂縫多為充填和未充填的層理縫、溶蝕縫和層間縫。

2）根據(jù)褶皺翼部次級(jí)斷裂發(fā)育強(qiáng)度、構(gòu)造樣式及頂?shù)装宓葪l件，進(jìn)一步將研究區(qū)褶皺翼部區(qū)域分為穩(wěn)定區(qū)和弱變形區(qū)。穩(wěn)定區(qū)裂縫發(fā)育程度較低，以層理縫為主，發(fā)育少量高角度構(gòu)造縫，且多為方解石充填，開啟程度較低。弱變形區(qū)構(gòu)造裂縫較發(fā)育，以高角度構(gòu)造縫為主，方解石充填，受多期構(gòu)造活動(dòng)影響，晚期裂縫切割錯(cuò)動(dòng)早期裂縫現(xiàn)象明顯。

3）頁(yè)巖儲(chǔ)層中裂縫的發(fā)育有利于游離態(tài)頁(yè)巖氣的富集和吸附態(tài)天然氣的解吸，研究區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖中天然裂縫的發(fā)育，對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層含氣性和滲透性的改善影響顯著。