閆建平，羅靜超，石學文，鐘光海，鄭馬嘉，黃 毅，唐洪明，胡欽紅

（1.西南石油大學地球科學與技術(shù)學院，成都 610500；2.西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500；3.中國石油西南油氣田分公司頁巖氣研究院，成都 610051；4.中國石油西南油氣田分公司，成都 610051；5.中國石油集團測井有限公司西南分公司，重慶 400021；6.美國德克薩斯大學阿靈頓分校地球與環(huán)境科學系，美國德克薩斯州阿靈頓 76019）

0 引言

隨著世界各國掀起對頁巖氣勘探開發(fā)研究的熱潮，以及常規(guī)油氣藏的開發(fā)殆盡，頁巖氣逐步在我國能源利用方面占據(jù)越來越大的比例［1-3］。四川盆地先后發(fā)現(xiàn)了涪陵、長寧、威遠、瀘州等頁巖氣富集高產(chǎn)區(qū)［4-5］。深層頁巖氣的規(guī)模效益開發(fā)是頁巖氣能否實現(xiàn)有序接替的關(guān)鍵，川南瀘州地區(qū)具有復雜褶皺和斷裂系統(tǒng)［6］，其下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣資源豐富，是目前我國深層頁巖氣開發(fā)的主要地區(qū)之一。頁巖氣儲層具有特低孔、超低滲特征，需經(jīng)過壓裂后才能獲得工業(yè)產(chǎn)能［7］。裂縫發(fā)育對頁巖氣的保存和運移、壓裂改造及效益開發(fā)均具有重要影響。以往研究人員主要圍繞裂縫的成因［8-10］、巖石力學分析［11-13］、裂縫與巖性和物性的關(guān)系［14-15］、構(gòu)造裂縫的識別方法［16-19］、構(gòu)造裂縫的預測建模［20-21］和裂縫對后期壓裂的影響［22-24］等進行了研究，部分學者還針對非構(gòu)造裂縫的成因［25］和頁巖層理與壓裂縫縫高的關(guān)系［26］做了諸多實驗和分析。這些研究多集中于較大尺度的構(gòu)造裂縫，對于層理縫和細小裂縫以及頁巖構(gòu)造裂縫和層理縫組合的研究較為欠缺。

以川南瀘州地區(qū)五峰組—龍馬溪組深層海相頁巖為研究對象，根據(jù)巖心、測井等資料，分析了瀘州地區(qū)直井頁巖中裂縫的類型、發(fā)育情況和響應特征等，并結(jié)合構(gòu)造裂縫和層理的數(shù)量、產(chǎn)狀特征和組合情況提出了6 種裂縫發(fā)育模式：構(gòu)造裂縫與層理混合發(fā)育型、強構(gòu)造裂縫弱層理型、中密度層理型、緊密層理型、大尺度構(gòu)造裂縫型、致密型。同時討論了不同裂縫發(fā)育模式在測井曲線和巖石力學參數(shù)上的響應特征，以期為深層頁巖氣儲層裂縫發(fā)育特征的識別和預測提供新的思路。

1 地質(zhì)概況

四川盆地是位于揚子準地臺西北緣的復雜疊合盆地，根據(jù)多層次結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特征可將其劃分為川北低緩構(gòu)造帶、川東高陡構(gòu)造帶、川中平緩構(gòu)造帶、川西低陡構(gòu)造帶、川西南低陡構(gòu)造帶和川南低陡構(gòu)造帶等6 個二級構(gòu)造帶。瀘州地區(qū)位于四川盆地南部，構(gòu)造上屬于川南低陡構(gòu)造帶，經(jīng)歷了多期構(gòu)造活動和構(gòu)造疊加，北部以NE 向和近SN 向構(gòu)造為主，西部和南部以NE 向、近EW 向和NW向構(gòu)造為主（圖1a）。下志留統(tǒng)龍馬溪組地層自下而上可劃分為龍一段和龍二段，龍一1亞段自下而上又劃分為個小層（圖1b）。

圖1 川南瀘州地區(qū)構(gòu)造斷裂位置和有利頁巖氣分布（a）及奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組巖性地層綜合柱狀圖（b）（據(jù)文獻［6］修改）Fig.1 Location of tectonic faults and favorable shale gas distribution（a）and stratigraphic column of Ordovician Wufeng-Silurian Longmaxi Formation（b）in Luzhou area，southern Sichuan Basin

2 裂縫發(fā)育特征

四川盆地是發(fā)育在揚子準臺地西北緣的一個次級構(gòu)造單元，南部的瀘州區(qū)塊處于川西南古中斜坡低褶帶東部，主應力方向為NE 向。基于電成像測井圖像資料，分析認為研究區(qū)裂縫類型主要有高導縫、斷層（縫）、高阻縫、層理等。

2.1 頁巖裂縫的電成像測井圖像特征

哈里伯頓公司推出的電成像測井（EMI）技術(shù)［27］是通過EMI 測井儀向地層發(fā)射電流，且極板上每個電極的電流強度隨井壁地層電阻率及井壁條件的不同而發(fā)生變化，因此通過EMI 測井儀記錄到的每個電極的電流強度和電壓均可得到微電阻率的變化情況。以川南瀘州地區(qū)L203 井為例，EMI 圖像上的裂縫信息包含高導縫、高阻縫、斷層（縫）和層理的信息，具有一定角度（0°～90°）的裂縫面在EMI 圖像上呈現(xiàn)為正弦線特征［28-29］（圖2）。

高導縫在EMI 圖像上呈暗色正弦線特征，裂縫被高電導率物質(zhì)填充（泥質(zhì)等），因此圖像顯示為黑色（圖2a）；高阻縫在電成像測井圖像上為亮白色正弦線，縫內(nèi)被方解石等高電阻率物質(zhì)填充（圖2b）；斷層（縫）與高導縫相似，圖像特征表現(xiàn)為暗色正弦線（圖2c），但由于斷層上、下盤存在相對運動，所以斷層面附近通常伴隨地層的錯動現(xiàn)象（圖中紫色箭頭處正弦線有明顯的不連續(xù)錯位現(xiàn)象）；層理（頁理）縫主要指由沉積作用所形成的平行紋層面間的孔縫，由一系列薄層頁巖組成，是泥頁巖儲層中最基本的裂縫類型，層理縫張開度一般較小，且多數(shù)被泥質(zhì)、黃鐵礦等高導礦物和方解石、石英等高阻礦物充填，圖像顯示為明暗相間色（圖2d）。

圖2 川南瀘州地區(qū)奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組裂縫電成像測井圖像特征Fig.2 Electrical imaging logging images of fractures of Ordovician Wufeng-Silurian Longmaxi Formation in Luzhou area，southern Sichuan Basin

2.2 頁巖裂縫、層理的產(chǎn)狀與特征

通過對L203 井EMI 圖像上不同裂縫的密度進行統(tǒng)計，明確了高阻縫、斷層、層理縫在縱向上的發(fā)育情況。高阻縫和斷層主要在龍一2亞段發(fā)育，且高阻縫多集中在龍一2亞段中上部；層理縫在龍一2亞段呈間隔發(fā)育，密度較高，在龍一1亞段的發(fā)育相對連續(xù)且均勻，在龍一14小層下部密度較高（圖3a）。由于深層頁巖氣地層本身的非均質(zhì)性和不同層段受到應力情況的差異性，不同裂縫在龍一段不同深度的產(chǎn)狀不同。高阻縫的傾角較大，為30°～60°；斷層和層理縫的傾角相對較小，分別為20°～50°和0°～50°，龍一1亞段層理的平均傾角明顯小于龍一2亞段。龍一1 亞段4 個小層的層理傾角均小于30°，多集中在0°～10°，龍一13小層傾角最小，走向呈隨機性（圖3b、表1）。

圖3 川南瀘州地區(qū)L203 井奧陶系龍馬溪組龍一段深層頁巖氣儲層裂縫、層理發(fā)育特征Fig.3 Fractures and bedding development characteristics of deep shale gas reservoirs of the first member of Ordovician Longmaxi Formation of well L203 in Luzhou area，southern Sichuan Basin

表1 川南瀘州地區(qū)L203 井奧陶系龍馬溪組各層段裂縫、層理發(fā)育情況及傾角范圍Table 1 Fracture，bedding development and dip angle range of Ordovician Longmaxi Formation of well L203 in Luzhou area，southern Sichuan Basin

2.3 深層頁巖氣井構(gòu)造裂縫發(fā)育情況

川南地區(qū)瀘州區(qū)塊深層頁巖氣井內(nèi)裂縫的發(fā)育情況與構(gòu)造活動及期次有關(guān)，通過統(tǒng)計龍一段不同小層10 口井的構(gòu)造裂縫發(fā)育條數(shù)（圖4）可知，由于不同井處在背斜或向斜構(gòu)造的不同位置，構(gòu)造裂縫在不同層段上的發(fā)育會有較大差異。龍一1亞段沉積時期受仙佛背斜和九奎山背斜影響，構(gòu)造活動強烈，應力情況復雜，構(gòu)造裂縫在研究井的龍一1 亞段均有發(fā)育。L208 井構(gòu)造裂縫在龍一2亞段較發(fā)育，在水平井靶體段（龍一11小層、龍一1

圖4 川南瀘州地區(qū)部分深層頁巖氣井奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組構(gòu)造裂縫發(fā)育情況Fig.4 Development of structural fractures of Ordovician Wufeng-Silurian Longmaxi Formation of some deep shale gas wells in Luzhou area，southern Sichuan Basin

2小層）較Y101 井發(fā)育弱。離構(gòu)造斷裂較遠的井（L206 井、L203 井等）構(gòu)造裂縫在水平井靶體段發(fā)育相對較弱。

3 裂縫發(fā)育模式

3.1 深層頁巖氣地層裂縫發(fā)育模式

結(jié)合巖心觀察和上文分析可知，在研究區(qū)水平井靶體段，構(gòu)造裂縫發(fā)育情況為：①構(gòu)造裂縫在龍一2亞段十分發(fā)育，到龍一1 1小層裂縫發(fā)育密度呈遞減趨勢（圖5a—5e）；②從龍一2亞段到靶體段構(gòu)造裂縫仍較發(fā)育，該類井多分布在構(gòu)造斷裂帶或其附近區(qū)域（圖5f—5g）。

圖5 川南瀘州地區(qū)奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組頁巖構(gòu)造裂縫發(fā)育情況Fig.5 Development of tectonic fractures of Ordovician Wufeng-Silurian Longmaxi shale in Luzhou area，southern Sichuan Basin

基于構(gòu)造裂縫和層理在不同深度處EMI 圖像上發(fā)育的數(shù)量、產(chǎn)狀特征和組合情況不同，并考慮深層頁巖構(gòu)造裂縫和層理之間的組合關(guān)系對水力壓裂的影響，認為深層頁巖存在6 種裂縫發(fā)育模式：構(gòu)造裂縫與層理混合發(fā)育型（Ⅰ型）、中密度層理型（Ⅱ型）、緊密層理型（Ⅲ型）、強構(gòu)造裂縫弱層理型（Ⅳ型）、大尺度構(gòu)造裂縫型（Ⅴ型）、致密型（Ⅵ型）（圖6）。

圖6 川南瀘州地區(qū)奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組深層頁巖裂縫發(fā)育模式Fig.6 Fracture development models of deep shale of Ordovician Wufeng-Silurian Longmaxi Formation in Luzhou area，southern Sichuan Basin

不同的裂縫發(fā)育模式其巖相、脆性礦物組分、黏土礦物含量、有機質(zhì)含量、物性等均存在一定差異。Ⅰ型和Ⅱ型裂縫發(fā)育模式脆性礦物含量相對較高，水力壓裂時有助于裂縫擴展，適度發(fā)育的層理也有利于復雜縫網(wǎng)的形成。Ⅲ型裂縫發(fā)育模式黏土礦物含量較高，高密度的層理不利于縱向上裂縫的延伸，實施水力壓裂時對復雜縫網(wǎng)的形成具有一定限制。Ⅳ型和Ⅴ型裂縫發(fā)育模式多出現(xiàn)在貧有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖巖相中，受高水平應力差和構(gòu)造活動影響較大。Ⅴ型裂縫發(fā)育模式裂縫尺度大，數(shù)量少，主要起滲流作用，儲集意義較小（表2）。

表2 川南瀘州地區(qū)奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組頁巖不同裂縫發(fā)育模式的差異Table 2 Differences between different fracture development models of Ordovician Wufeng-Silurian Longmaxi shale in Luzhou area，southern Sichuan Basin%

3.2 EMI 圖像上裂縫信息的提取

為了在單井上進行裂縫發(fā)育模式的劃分與識別，需首先將EMI 圖像上構(gòu)造裂縫和層理的位置和產(chǎn)狀信息提取出來。采用改進霍夫變換拾取固定周期正弦線的方法提取構(gòu)造裂縫的產(chǎn)狀信息：圖7中P 和P'為間隔一半周期的點對，C 為P 和P'的中點，當P 和P'像素值均為1 時，C 點縱坐標的累加器在該位置的值加1；通過像素點P 并設置C 點的累加器從而確定出正弦線的基線L［30］（圖8a）。對于具有相近產(chǎn)狀的層理發(fā)育圖像或像素低且復雜不清晰的圖像來說，圖像經(jīng)處理后提取基線效果不理想（圖8b），因此對于層理發(fā)育的信息本文需采用人機交互的方式進行拾取。

圖7 一類正弦線基線的確定原理示意Fig.7 Schematic illustration of the determination principle of a class of sinusoidal baselines

圖8 川南瀘州地區(qū)奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組構(gòu)造裂縫和層理基線提取效果對比Fig.8 Comparison of the extraction results of structural fractures and bedding baselines of Ordovician Wufeng-Silurian Longmaxi Formation in Luzhou area，southern Sichuan Basin

3.3 單井裂縫發(fā)育模式劃分

獲取了構(gòu)造裂縫和層理的信息之后，引入平均開度（σ）和層理條數(shù)（n）的概念

式中：ng，n，σ是從EMI 圖像上以1 m 為一段統(tǒng)計得到的參數(shù)。ng為該段構(gòu)造裂縫的條數(shù)，σi為該段第i個構(gòu)造裂縫的開度，mm；n為層理條數(shù)，條；σ為平均開度，mm。σ能反映出長度為1 m 的層段中構(gòu)造裂縫和層理發(fā)育的程度，有助于區(qū)分不同的裂縫發(fā)育模式。（σi是由該段第i個構(gòu)造裂縫在縱向上平均覆蓋的像素點個數(shù)乘以圖片上單個像素點代表的實際大小得到。）

當σ和n的值均較大且在一定范圍內(nèi)時為Ⅰ型裂縫發(fā)育模式；σ值較小而n值較大時對應Ⅱ型裂縫發(fā)育模式；Ⅲ型裂縫發(fā)育模式的黏土含量高，層理十分發(fā)育，n值最大；Ⅳ型裂縫發(fā)育模式的σ值較大，n值較?。沪抑岛艽蟮玭值很小時對應Ⅴ型裂縫發(fā)育模式；Ⅵ型裂縫發(fā)育模式的裂縫、層理均欠發(fā)育，σ和n值均很?。▓D9）。

圖9 平均開度和層理條數(shù)限制下裂縫發(fā)育模式類型及特點的表征Fig.9 Characterization of fracture development model and characteristics under the limitation of average opening and bedding number

實際頁巖地層中裂縫條數(shù)和平均開度均不可能無限大，因此坐標系中的數(shù)據(jù)點均在曲線L 的限制內(nèi)（圖9）。為了更直觀地對裂縫模式進行劃分與識別，選取L203 井27 個包含了所有不同裂縫發(fā)育模式的樣本點，在坐標系中的不同區(qū)域劃分出對應的6 種裂縫發(fā)育模式（圖10），定量獲得了劃分與識別這6 種裂縫發(fā)育模式的σ，n的取值范圍。

圖10 川南瀘州地區(qū)奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組不同類型裂縫發(fā)育模式在坐標系中的劃分Fig.10 Division of different fracture development models in the coordinate system of Ordovician Wufeng-Silurian Longmaxi Formation in Luzhou area，southern Sichuan Basin

Ⅰ型裂縫發(fā)育模式的σ值為2.90～6.05 mm，n為7～13 條；Ⅱ型裂縫發(fā)育模式的的σ值為0～2.90 mm，n為7～13 條；Ⅲ型裂縫發(fā)育模式的的σ值為0～2.90 mm，n>13 條；Ⅳ型裂縫發(fā)育模式的的σ值為2.90～6.05 mm，n為0～6條；Ⅴ型裂縫發(fā)育模式的σ>6.05 mm，n為0～6 條；Ⅵ型裂縫發(fā)育模式的σ值為0～2.90 mm，n為0～6 條。

4 裂縫識別與應用

4.1 基于EMI 圖像裂縫發(fā)育模式的識別

將川南瀘州地區(qū)L203 井龍一段EMI 圖像上的σ和n參數(shù)以1 m 為一段提取后，按照圖10 得到的參數(shù)界限進行裂縫發(fā)育模式劃分，并在剖面上展開，得到L203 井裂縫發(fā)育模式剖面圖（圖11）。

L203 井Ⅰ型裂縫多在龍一2亞段中上部破裂壓力較低的部位發(fā)育，較低的破裂壓力有助于復雜縫網(wǎng)的形成；Ⅱ型裂縫集中發(fā)育在龍一1亞段，夾雜部分Ⅲ型裂縫；龍一2亞段中部層理發(fā)育程度降低，Ⅳ型裂縫集中發(fā)育，Ⅴ型裂縫整體發(fā)育較少且僅散布在龍一2亞段；龍一14小層中有一段鈣質(zhì)致密層（Ⅵ型），Ⅵ型裂縫主要在龍一2 亞段中部出現(xiàn)，且常夾在Ⅳ型中出現(xiàn)（圖11）。

圖11 川南瀘州地區(qū)L203 井奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組頁巖裂縫發(fā)育模式測井響應特征圖Fig.11 Logging response characteristics of fracture development models of Ordovician Wufeng-Silurian Longmaxi shale of well L203 in Luzhou area，southern Sichuan Basin

不同類型的裂縫在工程甜點評價中的意義不同。Ⅰ型裂縫發(fā)育模式中高角度裂縫與水平層理均發(fā)育，且二者相互交錯形成天然復雜縫網(wǎng)，對后期壓裂具有促進作用，但部分頁巖氣井受構(gòu)造斷裂活動的影響較小；靶體段（龍一11小層、龍一12小層）Ⅰ型裂縫不發(fā)育，多出現(xiàn)Ⅱ型裂縫；Ⅱ型裂縫脆性礦物含量和TOC含量均較高、破裂壓力較低、層理和紋層信息在EMI 圖像上顯示清晰，較高的脆性礦物含量有利于壓裂縫的形成，并且水平層理易被貫穿形成復雜縫網(wǎng)；Ⅲ型裂縫層理密度過高，雖具有形成復雜縫網(wǎng)的優(yōu)勢，但不利于對靶體甜點區(qū)的充分動用；Ⅳ型裂縫常與Ⅵ型裂縫相伴出現(xiàn)，其構(gòu)造裂縫的尺度小于Ⅴ型裂縫，天然的高角度裂縫是良好的滲濾通道；Ⅴ型裂縫發(fā)育層段具有低TOC含量、低黏土礦物含量、高破裂壓力特征，可能會導致巖石出現(xiàn)“碎而不裂”的狀態(tài)。

4.2 不同裂縫發(fā)育模式的測井響應及應用

裂縫發(fā)育對頁巖氣儲層實施壓裂施工以及最終是否獲得產(chǎn)能具有重要影響，頁巖氣實際甜點評價中，物性、含氣性、脆性以及裂縫發(fā)育等因素的優(yōu)選區(qū)并不能很好地重疊。因此頁巖氣甜點評價過程中若能準確把握地層剖面不同位置裂縫的發(fā)育模式和其隨深度的變化特征，并根據(jù)不同的裂縫發(fā)育模式提出有針對性的壓裂方案，從而助力頁巖氣產(chǎn)能的提高。

根據(jù)不同裂縫發(fā)育模式的常規(guī)測井響應特征可知，Ⅰ型裂縫發(fā)育模式的縱波時差和斯通利波時差值均較小，橫波時差分布范圍較廣，且值較大；Ⅱ型裂縫發(fā)育模式的縱波時差、橫波時差值均較大；Ⅲ型裂縫發(fā)育模式斯通利波時差值較??；Ⅳ型裂縫發(fā)育模式和Ⅴ型裂縫發(fā)育模式縱波時差值均較小；Ⅳ型裂縫發(fā)育模式的斯通利波時差分布范圍廣，值較大（圖12a）。

力學性質(zhì)的差異也在不同裂縫發(fā)育模式上具有不同程度的體現(xiàn)，Ⅰ型裂縫發(fā)育模式泊松比整體較低（圖12b），抗剪強度較小，Ⅱ型裂縫發(fā)育模式在抗剪強度上明顯小于Ⅲ型（圖12c）。由于Ⅱ型裂縫發(fā)育模式集中發(fā)育在龍一1亞段，該段具有低破裂壓力，低抗剪強度，低泊松比特征，是壓裂優(yōu)選的重要類型之一。

圖12 川南瀘州地區(qū)L203 井奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組不同裂縫發(fā)育模式的聲波測井和巖石力學參數(shù)響應Fig.12 Acoustic logging and rock mechanics parameter responses of different fracture development models of Ordovician Wufeng-Silurian Longmaxi Formation of well L203 in Luzhou area，southern Sichuan Basin

5 結(jié)論

（1）川南瀘州地區(qū)龍馬溪組頁巖在EMI 圖像上主要發(fā)育高角度裂縫（高阻縫居多）、斷層和層理。受構(gòu)造斷裂帶影響較大的井靶體段構(gòu)造裂縫發(fā)育，反之靶體段以層理為主，構(gòu)造裂縫發(fā)育較少，且地層由深到淺裂縫傾角增大，裂縫、斷層數(shù)量增多。

（2）基于構(gòu)造裂縫和層理之間的關(guān)系及其對壓裂的影響，研究區(qū)可劃出6 種裂縫發(fā)育模式，分別為構(gòu)造裂縫與層理混合發(fā)育型（Ⅰ型）、中密度層理型（Ⅱ型）、緊密層理型（Ⅲ型）、強構(gòu)造裂縫弱層理型（Ⅳ型）、大尺度構(gòu)造裂縫型（Ⅴ型）、致密型（Ⅳ型）。其中Ⅰ，Ⅱ型為壓裂優(yōu)選類型。

（3）引入σ=k/n（k為常數(shù)，n>0）曲線，σ和n的值能夠有效表征構(gòu)造裂縫和層理的相對發(fā)育程度，將每段（1 m）的參數(shù)值投影到坐標系中可定量地對每種裂縫發(fā)育模式進行劃分與識別。

（4）川南瀘州地區(qū)龍馬溪組不同類型的裂縫發(fā)育模式在測井和巖石力學參數(shù)中表現(xiàn)出不同程度的差異：Ⅰ型泊松比整體較低；Ⅱ型抗剪強度明顯小于Ⅲ型；Ⅰ型、Ⅲ型斯通利波時差較低；Ⅰ型、Ⅳ型和Ⅴ型縱波時差值均較小。