随着常规油气藏开发难度日益增大,作为非常规油气资源的页岩气受到广泛关注,四川盆地南部泸州地区五峰组—龙马溪组整体为深水陆棚相,强还原沉积环境下富有机质泥页岩发育^[1⁃4],页岩储层品质优,资源丰富、累计提交探明地质储量2.64×10¹² m³,具规模开发潜力^[5⁃6]。相比于常规油气,页岩气的富集机理与生产机制都较为特殊,主要以游离气和吸附气分布于页岩的裂缝与孔隙中,裂缝作为页岩气的重要储集空间和运移通道,不仅直接影响页岩储层品质和页岩气产量的高低,还对后续页岩气藏的开采效益具有重要作用^[7⁃11]。因此,开展页岩天然裂缝发育程度评价对页岩气开发具有重要意义。

诸多学者对天然裂缝描述和评价开展了精细的研究工作^{[9⁃10,12⁃13]},均集中于裂缝分类、属性参数的评价,例如裂缝充填、裂缝宽度、裂缝渗透率以及裂缝孔隙度的计算,但由于资料获取、观察尺度的差异性,在各种裂缝参数上存在差异。同时,在页岩天然裂缝发育程度的研究中,主要用裂缝密度这一指标进行评价,尚未建立基于裂缝参数多样性的定量评价指标。为此,笔者通过对泸州地区五峰组—龙马溪组岩心尺度天然裂缝的系统研究,明确了不同构造部位裂缝发育规律,建立了天然裂缝发育指数评价方法,实现了天然裂缝发育程度的定量评价,深入探讨了裂缝发育的控制因素,以期为页岩区块裂缝评价方法、地质工程一体化精细开发设计提供一定的借鉴和参考。

四川盆地是一个海陆相叠合盆地,位于扬子地台西北缘,自古生代以来,经过复杂的地质构造作用,完成了克拉通盆地至前陆盆地的演化。川南泸州地区主要构造形成于喜山期大规模挤压造山环境下,以低陡背斜夹宽缓向斜为特征,广泛发育逆断层。受构造与海侵影响,在晚奥陶世—早志留世两次全球性海侵的作用下,四川盆地及其周缘地区沉积一套富含笔石化石的黑色页岩。泸州地区位于川南沉积中心^[14],五峰组沉积时期水体相对滞留,主要沉积黑色炭质页岩,常见笔石、角石等化石,页理发育,厚度介于5~16 m；奥陶纪晚期赫南特冰期导致全球海平面骤降,沉积水体变成高能浅水环境,沉积一套厚为几十厘米的介壳灰岩段,也称观音桥段。龙马溪组为深水陆棚—浅水陆棚沉积环境,厚度较大,介于300~650 m,根据岩性和电性不同特征可以划分为龙一段和龙二段,龙一段以富有机质黑色页岩为主,夹有粉砂质页岩和班脱岩,纹层发育,常见笔石、放射虫、海绵等化石。龙二段主要沉积灰绿色砂质页岩,夹粉砂岩和泥灰岩,颗粒粒度相比龙一段更为粗大。龙一段根据电性和岩性特征,细分为龙一₁亚段和龙一₂亚段,龙一₁亚段可进一步细分成7个小层,下层系为五峰组①—④小层、上层系为⑤—⑦小层^[15⁃16]（图1）。

图  1  研究区构造位置（a）、典型井五峰组—龙马溪组岩性综合柱状图（b）

Figure 1.  Structural location of study area (a) and comprehensive lithology histogram of typical well (b)in the Wufeng Formation⁃Longmaxi Formation

前人对页岩裂缝类型进行了广泛研究^[17⁃20],结合泸州地区五峰组—龙一₁亚段页岩天然裂缝特征,按地质成因分为构造裂缝、成岩裂缝以及异常高压裂缝三种类别,构造裂缝是指在构造应力场作用下形成的天然裂缝,是页岩最主要的天然裂缝类型,可进一步细分为剪切缝、张性缝和顺层滑脱缝。成岩裂缝是指页岩在成岩演化过程中受到成岩改造作用形成的裂缝,主要包括层间页理缝和溶蚀缝（表1）。

1） 剪切缝

剪切缝是受岩石剪性构造作用而形成的裂缝类型,研究区常见剪切缝切穿整块岩心,裂缝面平整,多为斜交和直立缝（图2a）,一般延伸较大,缝长0.05~1.50 m,缝宽较小,多在1 mm左右,常见方解石和黄铁矿充填。

图  2  研究区五峰组—龙马溪组页岩天然裂缝发育特征

Figure 2.  Characteristics of natural fractures in Wufeng Formation⁃Longmaxi Formation shale in the study area

2） 张性缝

岩石受到拉伸作用发生张性破裂的裂缝类型为张性缝,缝面多为粗糙不平,岩心横切面多可见锯齿状延伸,缝宽变化大,以直立缝为主,纵向延伸较短,缝长0.05~0.30 m,多被方解石充填（图2b）。

3） 顺层滑脱缝

顺层滑脱缝是指在伸展或挤压构造作用下,沿层面顺层滑动的剪切应力产生的裂缝,裂缝与岩层面大致平行,缝面多为方解石充填（图2c）,发育明显的擦痕（图2d）,研究区顺层滑脱缝较为发育,缝宽大多介于1~5 mm。

4） 层间页理缝

层间页理缝是指页岩在成岩演化过程中受机械压实作用、溶蚀作用、有机质演化作用以及破裂作用等影响,沿着页理面发生破裂形成的裂缝。研究区层间页理缝极为发育,缝面平直、光滑,无擦痕现象,多被方解石和黄铁矿等矿物混合充填,页理缝缝宽大多介于0.1~1.0 mm（图2e,f）。

5） 溶蚀缝

溶蚀缝是指页岩矿物受差异溶蚀作用而形成的裂缝,裂缝宽窄不一,边缘不规则,研究区溶蚀缝多为弯曲港湾状,常见方解石充填（图2h）。

6） 异常高压缝

异常高压缝是指在有机质生烃过程中或流体作用下,岩石内部孔隙流体压力超过岩石抗张强度而形成的裂缝,是泥质烃源岩内油气高压排烃和运移的重要标志。此类裂缝一般呈不规则形状,延伸较短,通常具有缝体中部宽、向两端快速变窄的特征,多被方解石、石英和沥青充填（图2g）。

泸州地区天然裂缝特征表现为“低线密度、低角度、小宽度、高充填”（图3）,线密度以0~5条/m的低线密度为主（占比为40.7%）,线密度大于25条/m的占比最低、低于10%。裂缝倾角以0°~15°最为发育（占比为52.3%）,其次为倾角大于75°裂缝（占比为30.9%）,倾角介于15°~75°裂缝发育频率最低。裂缝宽度以小宽度为主,小于1 mm的裂缝占比为50.8%。充填程度较高,全充填及半充填共占比94.1％,少量未充填；裂缝充填物见方解石、黄铁矿和泥质等矿物,以方解石和黄铁矿为主；剪切缝、张性缝主要被方解石充填,黄铁矿多见充填于层间页理缝。

图  3  五峰组—龙马溪组天然裂缝属性参数分布特征

Figure 3.  Distribution of natural fracture parameters in Wufeng Formation⁃Longmaxi Formation

纵向上,上层系天然裂缝线密度整体偏低,以水平缝为主,常见层间页理缝和顺层滑脱缝,高角度剪切缝、张性缝较少见,一般为单一类型矿物填充,充填物以方解石为主。下层系裂缝线密度高,以高角度缝和水平缝为主,常见高角度剪切缝、水平顺层滑脱缝和层间页理缝,张性缝相对较少,一般见多种矿物填充,充填物以方解石、黄铁矿和沥青为主。

泸州地区不同构造部位天然裂缝发育特征连井对比表明,取心井所处的构造部位影响天然裂缝发育程度。五峰组—龙一₁亚段页岩天然裂缝线密度：背斜地区最高（平均22.4条/m）,其次为斜坡地区（平均4.9条/m）,向斜地区最低（平均3.8条/m）（图4）。

图  4  研究区不同构造部位天然裂缝连井对比图

Figure 4.  Comparison of natural fractures in different structural positions at wells in the study area

在裂缝发育特征精细描述基础上,为定量评价页岩天然裂缝的发育程度,开展了区内页岩取心井岩心观察和描述。岩心观察尺度、裂缝可观察的属性参数包括裂缝线密度、倾角、充填、裂缝宽度、缝长等^[17⁃18,20]。裂缝线密度客观表征裂缝发育条数,指示岩石遭受应力作用后的破碎状态,是最常用的评价裂缝发育情况的一项参数。裂缝充填矿物主要有方解石、黄铁矿和碳质,裂缝充填矿物的种类反映多期次的应力作用引起多期流体注入,指示应力期次的复杂性。裂缝倾角种类是多期次、多性质的应力作用的反映,指示应力期次、裂缝成因的复杂性。裂缝宽度和裂缝长度可以反映应力作用的强弱,但由于单条裂缝的缝宽存在变化,某一深度段裂缝数据统计需进行多次均一化,从而未能表征纵向裂缝开度的差异性；且由于取心井岩心直径仅10 cm,远小于裂缝长度（15~30 cm）,因此对裂缝长度的统计存在很多的随机性。综上,选取裂缝线密度、充填、倾角此三项参数用以表征裂缝发育程度,每项参数纵向上存在显著差异性,且均可实现量化评价。

裂缝发育指数（F_fz）即表征页岩岩心尺度裂缝发育程度,为裂缝总线密度、倾角种类、充填种类的乘积。针对区内背斜区、斜坡区、向斜区分别选取1口典型取心井,统计天然裂缝发育指数分布特征,依据三分位数统计分析方法^[21],建立了岩心尺度天然裂缝发育程度分级评价方案,裂缝发育程度高、中等、低对应裂缝发育指数为≥1、0.1~1.0、≤0.1,其所对应的数据样本比例分别为38%、37%、25%（图5、表2,3）。

式中：F_fz为裂缝发育指数；F_m为裂缝线密度,单位为条/m；F_c为裂缝充填种类,取值范围1~3 种/m；F_q为裂缝倾角种类,取值范围1~3种/m。

图  5  五峰组—龙一₁亚段天然裂缝发育指数分布图

Figure 5.  Distribution of natural fracture development index in Wufeng Formation⁃S₁l11 sub⁃member

前人分析表明,天然裂缝发育主要受构造作用、沉积成岩作用、岩石力学性质的共同控制^[19⁃20]。为探究区内岩心裂缝发育主控因素,针对区内不同构造部位的8口典型取心井开展岩心精细描述（背斜区典型井选自龙洞坪背斜,斜坡区典型井选自福集向斜和得胜向斜,向斜区典型井选自福集向斜、得胜向斜和云锦向斜）,进行裂缝发育指数计算,开展裂缝发育主控因素综合分析。

构造作用是影响天然裂缝发育的重要因素,前人研究表明,泸州地区受多期构造运动叠加改造的影响,主要经历三期构造运动,第一期NNW向应力形成近东西向断层,第二期SEE向应力形成北东向断层,第三期NEE向应力形成南北向断层^[22]。通过分析不同构造部位评价井裂缝对比剖面,发现构造部位控制天然裂缝整体的发育程度,天然裂缝发育指数背斜区>斜坡区>向斜区。背斜区裂缝发育指数介于0.05~3.45（均值1.46）,以中等—高裂缝发育程度为主；斜坡区裂缝发育指数介于0.01~2.40（均值0.33）,以中等裂缝发育程度为主；向斜区裂缝发育指数介于0.01~2.22（均值0.18）,以低—中等裂缝发育程度为主（图6）。

图  6  研究区不同构造部位五峰组—龙马溪组天然裂缝发育指数分布特征

Figure 6.  Distribution of natural fracture development index in Wufeng Formation⁃Longmaxi Formation for different structural positions in study area

三期构造运动形成的断层控制三期伴生天然裂缝的发育,裂缝带的分布控制岩心天然裂缝的发育。结合单井距断层、曲率裂缝带的距离,开展裂缝发育指数、总线密度相关性分析（图7）,结果表明岩心裂缝发育程度与距曲率裂缝带距离呈现良好的对数相关关系（R²>0.6）。进一步开展下层系裂缝发育指数分析表明,下层系相关性较五峰组—龙一₁亚段略好（图7）,曲率裂缝带对岩心裂缝影响范围为600 m。距曲率裂缝带距离大于600 m的区域裂缝发育程度整体较低（裂缝发育指数小于0.2、裂缝总线密度小于5条/m）,裂缝发育主要受沉积成岩作用及岩石力学性质的影响。

图  7  研究区裂缝发育指数、总线密度与距断层距离、距曲率裂缝带距离相关性图

Figure 7.  Correlation of fracture development index, total fracture linear density, distance from fault, and distance from curvature fracture zone in the study area

沉积成岩作用决定了岩石的成分和结构,五峰组—龙马溪组页岩整体形成于静水沉积环境,矿物组成和岩相分布体现着页岩沉积环境的差异性。

岩相分类参考前人三端元法页岩岩相划分方案^[23⁃27],结合有机质含量（富有机质：TOC大于2%,贫有机质：TOC小于2%）,根据XRD矿物组分类型及含量测试结果,建立以硅质矿物（石英+长石）、黏土矿物和碳酸盐类矿物为基础的岩相类型定量划分标准,以矿物含量25%、50%为界限,单一矿物组分含量在50%以上为主名,25%~50%为质,当硅质、碳酸盐以及黏土矿物的含量均介于25%~50%时为混合页岩岩相类型。研究区主要发育六类岩相：富有机质硅质页岩、富有机质黏土质硅质混合页岩、贫有机质黏土质硅质混合页岩、贫有机质混合页岩、贫有机质硅质页岩、贫有机质灰质页岩。研究区单井页岩岩相纵向演化分析表明,天然裂缝发育段集中于富有机质硅质页岩岩相（图8、表4）。

图  8  Y1井岩相分布及裂缝发育特征

Figure 8.  Lithofacies distribution and fracture development at well Y1

通过研究区典型井裂缝发育指数、总线密度与矿物组分相关性分析发现,裂缝发育与脆性矿物含量呈一定的正相关关系,与黄铁矿和黏土含量呈负相关关系。综合分析表明,区内裂缝发育程度高的层段（裂缝发育指数大于1、裂缝总密度大于16.5条/m）对应的页岩矿物组分含量为：脆性矿物含量普遍大于55%、黏土含量小于40%、黄铁矿含量小于5%（图9）。

图  9  页岩矿物组分与裂缝发育指数、裂缝总线密度相关性图

Figure 9.  Correlation diagram of shale mineral composition with fracture development index and total fracture linear density

在前述整体规律认识的基础上,针对与裂缝发育程度呈负相关关系的黏土和黄铁矿矿物开展了进一步探讨。黏土矿物作为塑性矿物,其含量增加必然导致岩石脆性降低,从而不利于裂缝发育。开展岩心精细描述是研究黄铁矿对天然裂缝发育影响的最直接研究方式,页岩中黄铁矿主要以层状、条带状和结核状分布^[28⁃29]；同时依据普氏硬度系数,页岩硬度介于1.5~3.0、黄铁矿硬度可达6.0~6.5,黄铁矿硬度明显强于页岩。因此,黄铁矿的局部富集将限制天然裂缝在页岩中延伸,不利于构造裂缝的发育（图10）。

图  10  层状及结核状黄铁矿发育段裂缝发育特征

Figure 10.  Fracture development characteristics of layered and nodular pyrite development

为了厘清不同构造部位裂缝发育程度与脆性矿物含量的相关性,在分背斜区、斜坡区、向斜区三个构造部位开展统计分析。分析结果表明,向斜区脆性矿物含量与裂缝线密度呈较好正相关关系（R²>0.3）,相关性高于斜坡区与背斜区。揭示在构造作用较强的背斜和斜坡区,其裂缝的发育虽然受到矿物组成的影响,但不是其裂缝发育的主要控制因素；而在构造作用相对较弱的稳定向斜区,其裂缝的发育受脆性矿物含量的控制作用更为显著（图11）。

图  11  不同构造部位脆性矿物含量与裂缝总线密度相关性图

Figure 11.  Correlation of brittle mineral content and total fracture linear density in different structural positions

岩石的成分和结构决定岩石力学性质,而岩石力学性质是控制裂缝发育的内因。利用测井解释四项力学参数：最大水平主应力、最小水平主应力、杨氏模量、泊松比,统计裂缝描述深度段对应的岩石力学参数平均值。对不同构造部位典型井相关性分析表明：最大、最小水平应力值与页岩天然裂缝发育程度无明显线性相关关系,但应力值对裂缝发育起着门槛值的控制作用。裂缝发育程度高的层段对应最大水平主应力小于115 MPa、最小水平主应力小于100 MPa（图12）。

图  12  研究区裂缝发育指数与最大、最小主应力相关性图

Figure 12.  Correlation of fracture development index and major and minor principal stresses in the study area

杨氏模量、泊松比与裂缝发育指数相关性分析表明,随着泊松比逐渐增大,裂缝发育指数呈现先增加后降低的趋势,在0.25~0.30区间内裂缝发育指数更高；而随着杨氏模量的增大,裂缝发育指数呈增大趋势,呈较好线性相关性。裂缝发育程度高的层段（裂缝发育指数≥1）对应泊松比0.2~0.3,杨氏模量大于35×10³ MPa（图13）。在整体分析的基础上,进一步开展不同构造部位泊松比、杨氏模量对裂缝发育指数的影响作用。研究发现,泊松比与裂缝发育指数相关性较差,相关系数（R²）整体低于0.1；杨氏模量与裂缝发育指数的相关性总体较好,构造挤压作用越弱的区域,杨氏模量与裂缝发育指数相关系数越高：向斜区（R²=0.6）>斜坡区（R²=0.3）>背斜区（R²=0.1）。

图  13  研究区裂缝发育指数与泊松比、杨氏模量相关性图

Figure 13.  Correlation of fracture development index with Poisson’s ratio and Young’s modulus in the study area

综上所述,裂缝控制因素综合分析表明,构造作用对裂缝发育的控制最为显著,裂缝发育指数与距曲率裂缝带距离相关性最好（R²>0.6）；其次为岩石力学性质,裂缝发育指数与杨氏模量相关性较好（R²介于0.1~0.6）；最后为沉积成岩作用,由于研究区五峰组—龙一₁亚段整体位于川南沉积中心,因此矿物组成具相似性,裂缝总线密度与脆性矿物含量具有弱相关性（R²介于0.1~0.3）。因此,影响研究区天然裂缝发育程度的主控因素由大到小依次为构造作用、岩石力学性质、沉积成岩作用。

（1） 泸州地区五峰组—龙一₁亚段页岩天然裂缝发育构造裂缝、成岩裂缝及异常高压裂缝三大类裂缝成因类别,可细分为剪切缝、张性缝、顺层滑脱缝、层间页理缝、溶蚀缝、异常高压缝等六种裂缝类型。

（2） 考虑线密度、倾角种类、充填种类等三项裂缝参数,建立的天然裂缝发育指数,实现了裂缝发育程度定量表征,明确了构造部位控制区域天然裂缝发育程度：背斜区>斜坡区>向斜区。

（3） 研究区天然裂缝发育程度受三大类因素共同控制,影响裂缝发育程度的控制因素由大到小依次为构造作用、岩石力学性质、沉积成岩作用。