施振生，趙圣賢，趙群，孫莎莎，周天琪，程峰，施少軍，武瑾

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石油西南油氣田分公司頁巖氣研究院，四川 成都 610051；3.中國石油吉林油田分公司勘探開發(fā)研究院，吉林 松原 138000）

川南地區(qū)下古生界五峰組-龍馬溪組含氣頁巖發(fā)育，氣藏類型按照國標GB/T 26979—2011分類標準，可劃分為淺層（<500 m）、中淺層（500～2 000 m）、中深層（2 000～3 500 m）、深層（3 500～4 500 m）和超深層（≥4 500 m）5種類型，本文將深層和超深層統(tǒng)稱為深層，其他類型統(tǒng)稱為非深層。近些年來，川南地區(qū)淺層至中深層頁巖氣勘探已取得重大突破，中國石油2020年底獲得頁巖氣產(chǎn)量116.31×108m3。川南地區(qū)頁巖氣資源主要分布于深層，分布面積達4.33×104km2，地質資源量達24.28×1012m3，占川南總資源量的84%。深層頁巖氣勘探目前也取得重要進展，多口井測試獲得了高產(chǎn)氣流，其中瀘203井測試獲得137.9×104m/d的產(chǎn)量，展示出巨大潛力。

裂縫是頁巖氣的重要儲集空間和運移通道，直接影響著頁巖儲層品質和優(yōu)質頁巖段分布［1-2］。川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組裂縫廣泛發(fā)育，前人開展了一系列研究工作。例如，王玉滿等在對國內外6個大型頁巖氣田分析的基礎上，論述了海相頁巖裂縫孔隙發(fā)育機制及其對“甜點”形成的意義［3］。郭旭升等［4］和汪虎等［5］借助氬離子拋光片和場發(fā)射掃描電鏡等，識別了涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色頁巖的微裂縫類型及特征。Zeng等［6］在五峰組-龍馬溪組識別出構造裂縫、成巖裂縫及異常高壓裂縫，并認為構造作用是裂縫形成的主控因素。董大忠等通過大薄片分析了長寧雙河剖面五峰組-龍馬溪組頁巖的微裂縫特征，認為頁巖硅質含量和粒度直接影響微裂縫密度［7］。田鶴等通過巖心觀察和常規(guī)薄片分析明確了涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組露頭和巖心裂縫類型及形成主控因素［8］。王紅巖等［9］通過大薄片和掃描電鏡分析，認為隨著埋深增大，五峰組-龍馬溪組頁巖的微裂縫密度增大。

川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁巖裂縫研究仍存在以下問題：①巖心尺度、薄片尺度和掃描電鏡尺度裂縫均開展了系統(tǒng)研究，但多尺度結合研究較少；②埋藏深度小于3 500 m的頁巖裂縫研究較多，埋藏深度大于3 500 m的頁巖裂縫研究較少；③構造成因裂縫形成的主控因素研究較多，但非構造成因裂縫形成的主控因素研究較少。本次綜合利用露頭和巖心資料，通過宏觀描述、薄片鑒定和掃描電鏡分析相結合，重點探討五峰組-龍馬溪組含氣頁巖裂縫特征、形成主控因素及其頁巖氣意義。

1 地質背景

川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖廣泛分布（圖1），時代歸屬為晚奧陶世至早志留世。五峰組下部主要為大套黑色頁巖，夾多套薄層火山灰沉積層；頂部為灰?guī)r或泥灰?guī)r，赫南特貝動物群化石豐富［10］。龍馬溪組下部為黑色、灰黑色薄層狀頁巖或塊狀頁巖，紋層和裂縫發(fā)育［11］；上部為灰綠色、黃綠色頁巖夾砂質頁巖，有時夾粉砂巖或泥質灰?guī)r，由下至上砂質含量增高，構成向上變粗的沉積序列。

圖1 川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組資料點分布（a）及地層組成（b）Fig.1 Sampling point distribution（a）and stratigraphic column（b）of the Wufeng?Longmaxi shale in southern Sichuan Basin

川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組形成于華夏地塊與揚子地塊相互碰階段［12］。中奧陶世之后，揚子板塊進入前陸盆地構造演化階段，川南地區(qū)為揚子前陸盆地一部分。志留世早期，由南東向北西方向擠壓作用增強，川南地區(qū)不斷抬升，樂山-龍女寺古隆起范圍升逐漸擴大，海域縮小，海水變淺，沉積分異作用加劇。該時期上揚子地區(qū)夾持在樂山-龍女寺古隆起范圍和黔中-雪峰古隆起之間，形成半閉塞滯流海盆。

根據(jù)巖性和電性特征，川南地區(qū)五峰組劃分為筆石頁巖段和觀音橋層，龍馬溪組劃分為龍一段和龍二段［13］。龍一段可劃分為龍一1亞段和龍一2亞段，龍一1亞段進一步細分為龍一1（1）—龍一1（4）4個小層。五峰組對應筆石帶WF1-WF4，龍一1（1）小層對應筆石帶LM1，龍一1（2）小層對應筆石帶LM2-LM3，龍一1（3）小層對應筆石帶LM4，龍一1（4）小層對應筆石帶LM5，龍一2亞段對應筆石帶LM6-LM8，龍二段對應筆石帶LM9［14］。

川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁巖集中分布于五峰組-龍一1亞段。頁巖具有高有機碳含量、高硅質含量、高孔隙度、高含氣量等特征，頁巖成熟度高（鏡質體反射率Ro值達2.20%～3.06%，均值為2.50%）［15］?！疤瘘c段”頁巖中，硅質含量常與總有機碳含量呈現(xiàn)正相關關系［16］，表明其多為生物成因［17］。

2 研究方法

2.1 巖心裂縫描述

為了減少構造活動強度對研究結果的影響，本次集中觀察和描述構造平緩區(qū)10口評價井和1條露頭剖面的巖心（圖1）。各井和露頭剖面巖心長度分別為：陽101H3-8井52 m、陽101H2-7井42 m、瀘205井49 m、瀘206井40 m、瀘208井52 m、自205井61 m、巫溪2井35 m、陽107井50 m、陽105井52 m、鹽津1-2井35 m及長寧雙河剖面19 m。巖心描述層位均為五峰組-龍馬溪組底部，巖心描述內容包括長度、高度、開度、密度、間距、充填物、類型等參數(shù)，并系統(tǒng)開展巖心裂縫照相。

2.2 大薄片成像裂縫分析

本次陽101H3-8井共開展32塊大薄片成像分析、長寧雙河剖面共開展203塊大薄片成像分析。大薄片制作及成像分析由北京天和信公司負責完成，其中，大薄片尺寸為5 cm×7 cm×30 μm，大薄片成像主要用于巖心尺度微裂縫特征及其與頁巖層面關系分析。選用德國Leica4 500P顯微高精度數(shù)字平臺開展全薄片照相，每張大薄片按順序采集圖像3 200張。圖像采集完成后，利用Adobe Photoshop CS5及以上版本圖形處理軟件在高配制工作站上對采集的圖像開展無縫拼接，從而完成全薄片成像。完成全薄片成像后，開展裂縫產(chǎn)狀、長度、開度及密度分析，并選用配備有Leica DFC450照相系統(tǒng)的Leica DMIP偏光顯微鏡開展標準薄片巖石學特征研究。

2.3 氬離子拋光片MAPS成像分析

本次陽101H3-8井共開展20塊氬離子拋光片SEM成像和20塊MAPS成像分析，長寧雙河剖面共開展4塊氬離子拋光片SEM成像和4塊MAPS成像分析，陽105井共開展10塊氬離子拋光片SEM成像分析，鹽津1-2井共開展15塊氬離子拋光片SEM成像分析。這些分析在中國石油勘探開發(fā)研究院實驗研究中心進行。為了獲得高精度和大視域微裂縫圖像，采用了氬離子拋光片制作、圖像采集和拼接、微裂縫分析等研究步驟和方法。氬離子拋光片尺寸為10 mm×10 mm×5 mm，圖像采集選用攜帶冷排放的Hitachi場發(fā)射掃描電鏡，并配備有低到高的二次電子探針和X射線能譜儀（EDS）。掃描電鏡放大倍數(shù)為30×103倍（單張照片最大分辨率為9 nm）。圖像采集區(qū)域垂直于紋層面，累積采集面積60μm×40μm。圖像采集完成后，選用微軟公司HD View軟件進行圖形觀察和微裂縫分析。

2.4 有機地化和巖石學分析

利用LECO CS-200硫碳分析儀進行總有機碳含量（TOC）分析，實驗前先用鹽酸去除樣品中無機碳，TOC通過高溫燃燒稱重直接測得。利用日本理學RINT-TTR3型X射線衍射儀進行XRD實驗，采用Cu靶（單色），旋轉角度3°～45°，管壓45 kV，管流100 mA。定量分析采用步進掃描，掃描速度4°/min，采樣間隔0.02°。按照中國石油天然氣行業(yè)標準（SY/T 5163—2010）《沉積巖中粘土礦物和常見非粘土礦物X射線衍射分析方法》對礦物成分進行定量分析。TOC和XRD分析測試在西南油氣田分公司實驗研究中心進行。

3.1 裂縫類型及特性

3.1.1 宏觀裂縫

宏觀裂縫指巖心和露頭上肉眼可識別和描述的裂縫，裂縫長0.3～8 cm，多數(shù)小于1 cm，裂縫多貫穿巖心，裂縫開度多為0.1～3 mm。宏觀裂縫多數(shù)被方解石和黃鐵礦充填（圖2），少數(shù)為石膏充填。宏觀裂縫根據(jù)其與層理面的關系可劃分為順層縫和非順層縫［7］。宏觀裂縫以順層縫為主，其占比可達75%以上，而非順層縫占比較少。順層縫（裂縫傾角0°～10°）主要為頁理縫和層間滑移縫，非順層縫主要為斜交縫（裂縫傾角10°～60°）或垂直縫（裂縫傾角60°～90°）。頁理縫主要為具剝離線理的平行層理紋層面間的孔縫（圖2a—c），為沉積作用形成，具有順著頁理面發(fā)生彎曲、斷續(xù)、分枝、尖滅等特點。層間滑移縫是平行于層理面且具有明顯滑移痕跡的裂縫，裂縫面一般存在大量平整、光滑或具有劃痕與階步等特征（圖2d，e）。層間滑移縫一般隨著地層傾角的增大而增大［6］。非順層縫主要受構造作用影響，構造變形較弱地區(qū)非順層縫基本不發(fā)育，而構造作用強烈地區(qū)非順層縫密度和規(guī)模均較大［4］。

圖2 川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組不同埋深含氣頁巖巖心和露頭裂縫類型及特征Fig.2 Core and outcrop photos showing fracture types and characteristics of the Wufeng?Longmaxi shale with various burial depths in southern Sichuan Basin

3.1.2 微裂縫

微裂縫是指主要通過顯微鏡和掃描電鏡識別和描述的裂縫，根據(jù)裂縫與層理面的關系也可細分為順層縫和非順層縫［7］。順層縫主要為頁理縫，非順層縫主要為生烴增壓縫、成巖收縮縫和溶蝕縫。順層縫的裂縫面多呈線狀或凹凸狀。大薄片顯微照片下，順層縫主要沿著泥紋層與粉砂紋層分界面或泥紋層內部延伸，在某一位置切穿紋層分界面并進入另一紋層（圖3a—g）。順層縫長8～35 mm，裂縫開度20～30μm。多數(shù)充填硅質，少數(shù)充填有機質（圖3g，h）。SEM電鏡下，順層縫主要為頁理縫，平行層理面呈孤立狀分布，少數(shù)相互交切構成網(wǎng)狀。微裂縫面順著紋層接觸面（圖4a，b）或層狀有機質（圖4c，d）與圍巖的接觸面伸展，裂縫伸展過程中多數(shù)繞過顆粒邊緣，很少切穿礦物顆?；蛴袡C質。微裂縫長度80～400 μm，開度2～10μm。裂縫面兩側顆粒凹凸接觸，相互匹配良好，未發(fā)現(xiàn)大量滑動或偏移。少數(shù)微裂縫呈開放狀，局部充填圍巖碎片（圖4e，f）。多數(shù)微裂縫被瀝青充填，瀝青中含有大量圍巖碎片或草莓狀黃鐵礦顆粒（圖4g—j）。順層縫主要沿紋層接觸面或條帶狀水平分布的瀝青與圍巖的接觸面發(fā)育，說明其形成與頁理有關；富含圍巖碎片的瀝青作為唯一充填物表明微裂縫主要形成于干酪根降解過程中，其形成與生烴增壓作用有關［18］。

圖4 川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組不同埋深含氣頁巖順層微裂縫類型及特征SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images showing bedding?parallel micro?fracture types and characteristics of the Wufeng?Longmaxi shale with different burial depths in southern Sichuan Basin

非順層微裂縫的形成多與成巖作用、生烴增壓、溶蝕作用或流體侵入作用等有關。大薄片下，非順層微裂縫多呈網(wǎng)狀或樹枝狀分布，網(wǎng)狀縫相互交切（圖3k），裂縫充填物多為方解石，常切穿早期的順層縫（圖3l）。SEM電鏡下，非順層縫主要有生烴增壓縫、成巖收縮縫和溶蝕縫。生烴增壓縫主要發(fā)育于有機質與碎屑顆?；蛘惩恋V物的邊緣，縫面不規(guī)則，不成組系（圖5a—c）。微裂縫面順著有機質與圍巖接觸面伸展，裂縫伸展過程中多數(shù)圍繞顆粒邊緣，很少切穿礦物顆?；蛴袡C質。微裂縫長度5～20 μm，開度0.1～0.3 μm。多數(shù)微裂縫呈開放狀，局部充填圍巖礦片。生烴增壓縫主要分布于有機質與圍巖接觸面之間，表明其形成與烴類的生成有關［18］。成巖收縮縫主要呈簇狀分布，主要發(fā)育于片狀粘土礦物內部或片狀粘土礦物和碎屑顆粒的邊緣（圖5d—i）。片狀粘土礦物內部裂縫面一般比較平直，曲度較小，少量輕微彎曲。成巖收縮縫裂縫開度0.1～0.2μm，長度一般與片狀礦物長度有關，少數(shù)裂縫內部見黃鐵礦顆粒充填。成巖收縮縫多形成于片狀粘土礦物內部或邊緣，表明其形成與粘土礦物脫水轉化作用有關［19］。溶蝕縫多呈孤立狀，主要發(fā)育于碳酸鹽礦物內部或邊緣，裂縫呈斷續(xù)狀，裂縫壁常見小型方解石晶粒（圖5j—l）。裂縫開度0.1～1μm，裂縫長度4～6 μm。溶蝕縫多數(shù)未見膠結物充填，少數(shù)見黃鐵礦顆粒充填。溶蝕縫多形成于碳酸鹽礦物內部或邊緣，表明其形成多與碳酸鹽礦物溶蝕作用有關。

圖3 川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組不同埋深含氣頁巖微裂縫類型及特征常規(guī)薄片偏光顯微鏡照片F(xiàn)ig.3 Microscopic photos showing fracture types and characteristics of the Wufeng?Longmaxi shale with different burial depths in southern Sichuan Basin

圖5 川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組不同埋深含氣頁巖非順層微裂縫類型及特征SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images showing non?bedding?parallel fracture types and characteristics of the Wufeng?Longmaxi shale with different burial depths in southern Sichuan Basin

3.2 裂縫組成與分布

3.2.1 裂縫發(fā)育規(guī)模和密度

宏觀裂縫和微裂縫均以順層縫密度最大。宏觀裂縫中，順層縫密度為15條/m，斜交縫密度為4條/m，而垂直縫密度僅為1條/m，順層縫數(shù)量占比達到75%（圖6a）。以長寧地區(qū)雙河露頭剖面、威遠地區(qū)威202井、瀘州地區(qū)陽101H2-7井和瀘206井巖心統(tǒng)計結果為例，其順層縫占比均超過70%，非順層縫占比均不足30 %（圖7）。微裂縫中，順層縫為39條/片，成巖收縮縫為4條/片，生烴增壓縫和溶蝕縫僅為1條/片（圖6b），順層縫密度占比可達87 %。以瀘州地區(qū)陽101H3-8井10塊樣品MAPS圖像統(tǒng)計結果為例，其順層縫為42條/片，成巖收縮縫為5條/片，生烴增壓縫為2條/片，溶蝕縫僅為1條/片。

圖6 川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁巖宏觀裂縫和微裂縫密度組成Fig.6 Density of different macro?and micro?fracture types of the Wufeng?Longmaxi shale in southern Sichuan Basin

3.2.2 裂縫分布

川南地區(qū)龍馬溪組底部宏觀裂縫密度最大，其中埋深小于3 500 m地區(qū)龍一1（1）小層裂縫密度最大，埋深大于3 500 m地區(qū)龍一1（1~3）小層裂縫密度最大。以埋深較淺的威遠地區(qū)威202井為例（圖7），系統(tǒng)觀察的35 m巖心中，五峰組裂縫密度為1.3條/m，龍一1（1）小層5.4條/m，龍一1（2-4）小層和龍一2亞段裂縫密度僅為1條/m，龍一1（1）小層裂縫密度最大。以深層瀘州地區(qū)瀘206井為例（圖7），系統(tǒng)觀察的50 m巖心中，五峰組裂縫密度為3條/m，龍一1（1）小層為7條/m，龍一1（2）小層為5條/m，龍一1（3）小層為4條/m，龍一1（4）小層為3條/m，而龍一2亞段裂縫密度僅為1條/m，龍一1（1-3）小層裂縫密度均較大。

川南地區(qū)龍馬溪組底部含氣頁巖微裂縫密度大，其中，埋深大于3 500 m地區(qū)五峰組-龍一1（1-3）小層微裂縫密度最大。以瀘州地區(qū)陽101H3-8井為例（表1；圖7），所分析的20塊MAPS圖像中，五峰組總裂縫密度為18條/片，龍一1（1）小層為10條/片，龍一1（2）小層為6條/片，龍一1（3）小層為8條/片，龍一1（4）小層為7條/片，龍一2亞段為7條/片，龍二段為5條/片，五峰組-龍一1（1-3）小層微裂縫密度最大。另外，微裂縫均以順層縫為主，裂縫密度最大值集中分布于五峰組-龍一1（1-3）小層。

表1 川南地區(qū)陽101H3-8井五峰組-龍馬溪組不同層段含氣頁巖微裂縫組成Table 1 Micro?fracture types in various intervals of the Wufeng?Longmaxi shale with different burial depths in Well Yang101H3?8，southern Sichuan Basin

圖7 川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組不同埋深含氣頁巖巖心裂縫組成及縱向分布Fig.7 Types and vertical distribution of fracture identified in cores from the Wufeng?Longmaxi shale with different burial depths in southern Sichuan Basin

3.3 不同埋深含氣頁巖裂縫特征差異性

川南深層地區(qū)含氣頁巖的宏觀裂縫密度遠大于非深層地區(qū)。以陽105井、威202井、陽101H3-8井和瀘206井龍一1（1）小層為例（表2），陽105井龍一1（1）小層埋深1 200.2～1 201.5 m，其裂縫密度0.77條/m；威202井龍一1（1）小層埋深2 572.6～2 574.0 m，裂縫密度5.4條/m；陽101H3-8井 龍 一1（1）小 層 埋 深3 781.9～3 784.6 m，裂縫密度5.9條/m；瀘206井龍一1（1）小層埋深4 038.0～4 040.8 m，裂縫密度7.8條/m。隨著埋深增大，含氣頁巖宏觀裂縫密度增大。深層瀘206井龍一1（1）小層裂縫密度是淺層陽105井的10倍。

表2 川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組不同埋深含氣頁巖宏觀裂縫密度對比Table 2 Comparison of macro?fracture density of the Wufeng?Longmaxi shale with different burial depths in southern Sichuan Basin

川南深層地區(qū)頁巖微裂縫密度遠大于非深層地區(qū)。深層地區(qū)頁巖順層縫密度和開度均較大（圖4），而淺層地區(qū)頁巖順層縫密度和開度較?。▓D8a—c）。同樣，深層地區(qū)頁巖生烴增壓縫發(fā)育，在條帶狀有機質與圍巖之間普遍發(fā)育微裂縫（圖5a—c），而淺層地區(qū)頁巖生烴增壓縫不發(fā)育，有機質與圍巖緊密接觸（圖8d，e）。同樣，深層地區(qū)頁巖片狀礦物中發(fā)育大量成巖收縮縫（圖5d—i），而淺層地區(qū)頁巖的片狀礦物多數(shù)呈緊密接觸，很少發(fā)育成巖收縮縫（圖8f）。另外，深層地區(qū)頁巖溶蝕縫發(fā)育（圖5j—l），而淺層地區(qū)頁巖溶蝕縫較少。

圖8 川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組淺層和中淺層含氣頁巖微裂縫特征SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM images showing micro?fracture characteristics of the Wufeng?Longmaxi shale with shallow or medium burial depth in southern Sichuan Basin

4 裂縫形成主控因素

川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組裂縫發(fā)育主要受有機碳含量、層理類型及埋藏深度控制。其中，總有機碳含量（TOC）為最重要控制因素，在TOC相同情況下，埋藏深度大的條帶狀粉砂型水平層理頁巖裂縫密度更發(fā)育。

4.1 TOC和硅質含量

裂縫密度與TOC正相關，隨著TOC增高，頁巖裂縫密度增大（圖9）。以瀘206井宏觀裂縫密度為例，當TOC小于2 %時，頁巖裂縫密度小于2條/m；TOC為2 %～3 %時，裂縫密度3.6～3.7條/m；TOC為3 %～4%時，裂縫密度4.4條/m；TOC為4%～5%時，裂縫密度5.1～7.8條/m；宏觀裂縫密度隨著TOC增高而增大。以陽101H3-8井微裂縫密度為例（表1），當TOC小于2 %時，頁巖裂縫密度0.7～1.9條/片；TOC為2%～3%時，裂縫密度7條/片；TOC為3%～4%時，裂縫密度6～8條/片；TOC為4%～5%時，裂縫密度10～18條/片。川南焦石壩地區(qū)和重慶東南部渝頁1井五峰組-龍馬溪組裂縫密度與TOC也呈正相關［20-21］，與本文研究結論一致。

圖9 川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁巖宏觀裂縫密度與TOC關系Fig.9 Relationship between macro?fracture density and TOC in the Wufeng?Longmaxi shale in southern Sichuan Basin

川南地區(qū)淺層至中淺層地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁巖TOC與硅質含量呈正比關系，隨著TOC增高，硅質含量相應增高［15］，含氣頁巖裂縫密度也相應增大。董大忠等研究發(fā)現(xiàn)［7］，長寧地區(qū)雙河剖面五峰組-龍馬溪組含氣頁巖裂縫密度與硅質含量成正相關關系，硅質含量越高，微裂縫密度越大。然而，深層至超深層地區(qū)含氣頁巖TOC與硅質含量相關性變弱，但TOC與裂縫密度仍呈正相關關系。原因如下：①川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁巖有機質和硅質均來源于放射蟲和硅質海綿等生物［22-23］，現(xiàn)今的淺層—中深層地區(qū)，晚奧陶世—早志留世古水深也相對較淺［24］，有機質沉降過程中受到氧化分解的時間短，因此，TOC與硅質含量呈正相關。②現(xiàn)今的深層—超深層地區(qū)，晚奧陶世—早志留世古水深也相對較大［9，24］，有機質沉降過程中受到氧化時間長，因此，TOC與硅質含量相關性變差。同時，深層—超深層地區(qū)不同井TOC差異大，硅質含量差異較小，TOC直接決定著微裂縫密度，TOC越高，成巖過程中生烴增壓越大，微裂縫密度越大。

TOC影響頁巖的力學性質、生烴增壓強度、超微孔隙和溶蝕孔隙發(fā)育程度，從而影響頁巖裂縫密度。前人研究認為，水體中有機質主要以團塊狀或分散狀沉積［25］。團塊狀有機質在成巖壓實過程中多轉變成順層排列的條帶狀有機質（圖4c，d），其與圍巖接觸面為力學性質薄弱面，成巖過程中易形成順層縫，分散狀有機質會造成頁巖力學性質變弱。郭旭升等發(fā)現(xiàn)［4］，焦石壩地區(qū)高TOC頁巖的破裂壓力平均僅有62.57 MPa，而低TOC頁巖的破裂壓力可達75 MPa以上，在相同的受力情況下，裂縫更加發(fā)育，并形成網(wǎng)狀裂縫網(wǎng)絡。高TOC頁巖成巖演化過程中生烴壓力大，當壓力值超過巖石破裂強度時，會形成大量生烴增壓縫和水平微裂縫。同時，有機質成巖演化過程中，產(chǎn)生大量有機酸、CO2、H2S和其他酸性流體，這些流體不僅能產(chǎn)生大量孔隙，還能降低巖石強度，從而有利于裂縫形成。前人實驗分析表明，頁巖TOC增加，超微孔隙增加，越易形成微裂縫。TOC為7.0%的頁巖在生烴演化過程中，可消耗35%的有機碳，頁巖孔隙度可增加4.9%［26］。

4.2 層理類型

川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁巖主要發(fā)育生物擾動型塊狀層理、均質型塊狀層理、遞變型水平層理、條帶狀粉砂型水平層理、砂-泥遞變型水平層理和砂-泥薄互層型水平層理［27］。不同筆石帶層理類型存在差異，其中，五峰組WF1-WF2段主要發(fā)育生物擾動型塊狀層理（圖10a），WF3段發(fā)育遞變型水平層理（圖10c），WF4段（觀音橋層）發(fā)育均質型塊狀層理（圖10b），LM1段發(fā)育條帶狀粉砂型水平層理（圖10d），LM2-LM3段主要發(fā)育砂-泥遞變型水平層理（圖10e），LM4-LM9段主要發(fā)育砂-泥互層型水平層理（圖10f）［28］。

圖10 川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖層理類型及特征大薄片偏光顯微鏡照片F(xiàn)ig.10 Microscopic photos showing bedding types and characteristics of the Wufeng?Longmaxi shale in southern Sichuan Basin

層理類型不僅影響含氣頁巖儲層孔隙度和TOC［27-28］，更影響裂縫的發(fā)育程度。陽101H3-8井系統(tǒng)的巖心觀察和MAPS成像裂縫統(tǒng)計結果表明，條帶狀粉砂型水平層理頁巖裂縫密度最高，宏觀裂縫密度平均值9條/m（圖11），微裂縫密度平均值10條/片；砂泥遞變型水平層理頁巖裂縫密度次之，宏觀裂縫密度平均值6條/m，微裂縫密度平均值6條/片；均質型塊狀層理頁巖裂縫密度最低，宏觀裂縫密度平均值僅1.5條/m，微裂縫密度平均值僅2.5條/片。

圖11 川南地區(qū)陽101H3-8井五峰組-龍馬溪組含氣頁巖層理類型與裂縫密度關系Fig.11 Relationship between bedding types and fracture density of the Wufeng?Longmaxi shale in Well Yang 101H3?8，southern Sichuan Basin

不同類型層理頁巖具有不同的裂縫密度、裂縫形態(tài)及延伸情況［29-31］。層理面是力學性質薄弱面，在外力作用下，頁巖容易沿層理面裂開形成大量順層縫［4］。不同層理頁巖由于礦物組成、礦物排列方式、紋層厚度及TOC存在差異，從而具有相同的裂縫密度［1］。川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁巖中條帶狀粉砂型水平層理頁巖生物硅和有機質發(fā)育［22-23］，頁巖單層厚度薄，相同厚度單元內層面多，從而有利于順層縫和非順層縫的形成。砂-泥遞變型和砂-泥互層型水平層理頁巖生物成因硅和有機質含量減少［28］，相同厚度單元內層面數(shù)量減少，從而順層縫和非順層縫密度減小。遞變型水平層理頁巖不同紋層之間TOC、粒度、礦物組分差異小，層與層之間接觸緊密，從而順層縫密度較小。均質型塊狀層理和生物擾動型水平層理頁巖多呈塊狀，頁巖單層厚度大，相同厚度單元內層面少，巖性相對均質，故不利于順層縫的形成。

4.3 壓力系數(shù)

川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁巖裂縫密度與壓力系數(shù)正相關，在TOC相同的情況下，地層壓力系數(shù)越大，裂縫密度越大。如圖9所示，當TOC為3.9%時，陽105井區(qū)地層壓力系數(shù)1.2，頁巖裂縫密度0.14條/m；威202井區(qū)地層壓力系數(shù)1.4，頁巖裂縫密度1.1條/m；陽101H3-8井區(qū)地層壓力系數(shù)1.9，頁巖裂縫密度3.8條/m；瀘206井區(qū)地層壓力系數(shù)2.2，頁巖裂縫密度4.8條/m。隨著地層壓力系數(shù)增大，頁巖裂縫密度增大。

在地層封閉狀態(tài)下，由于粘土礦物脫水轉化、烴類生成、水熱增壓等綜合作用，形成異常高的孔隙流體壓力［20］。當孔隙流體壓力大于靜水柱壓力的數(shù)值（超壓值）等于基質壓力的1/3或1/2時（地層壓力系數(shù)為1.3～1.5），超壓裂縫便可形成［32］。當孔隙流體壓力小于裂縫中流體壓力時，裂縫閉合。通常情況下，異常高壓頁巖內裂縫的開啟與閉合是一個多次循環(huán)往復的過程，先期形成的較小裂縫不斷被后期的破裂作用擴展，從而形成宏觀裂縫和微裂縫。因此，隨著壓力系數(shù)增大，頁巖宏觀裂縫和微裂縫密度增大。

川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁巖壓力系數(shù)隨埋深增大而增大，壓力系數(shù)最高值分布于瀘206井區(qū)和陽101H3-8井區(qū)附近。在相同的TOC情況下，高異常壓力易于形成大量順層縫和生烴增壓縫［18］，因此深層頁巖裂縫密度遠高于非深層（圖7）。高異常壓力還有助于成巖收縮縫的保持和擴大，從而在富含粘土礦物層段形成大量成巖收縮縫密集段（圖12）。隨著埋深和地層壓力系數(shù)增加，深層地區(qū)層面接合力相對較強的砂-泥遞變型和砂-泥互層型水平層理頁巖也逐漸產(chǎn)生大量順層縫和非順層縫，從而造成裂縫密度增大。

圖12 川南地區(qū)陽101H3-8井五峰組-龍馬溪組頁巖裂縫縱向分布Fig.12 Vertical distribution of fractures in the Wufeng?Longmaxi shale in Well Yang 101H3?8，southern Sichuan Basin

5 頁巖氣意義

5.1 裂縫影響單井測試產(chǎn)量

五峰組-龍馬溪組含氣頁巖微裂縫發(fā)育程度與單井測試產(chǎn)量正相關，微裂縫越發(fā)育，單井測試產(chǎn)量越高。以瀘州地區(qū)瀘203井為例，其五峰組-龍馬溪組含氣頁巖微裂縫發(fā)育，SEM照片上微裂縫與孔隙相互連通構成網(wǎng)狀，其單井測試產(chǎn)量達137.9×104m3/d。

五峰組-龍馬溪組含氣頁巖宏觀裂縫長度影響頁巖氣井單井測試產(chǎn)量。當裂縫長度較小時，裂縫密度越大，單井測試產(chǎn)量越高；當裂縫長度較大時，裂縫密度越大，單井測試產(chǎn)量越低。以瀘州地區(qū)為例，陽203-H1井裂縫高度大（單個裂縫長度一般大于0.5 m），單井測試產(chǎn)量低（0.5×104m3/d），而同一構造位置的陽201-H2井裂縫裂度長度小（單個裂縫長度一般小于0.5 m），單井測試產(chǎn)量高（43×104m3/d）。

五峰組-龍馬溪組含氣頁巖宏觀裂縫類型也影響頁巖氣井單井測試產(chǎn)量。一般情況下，發(fā)育多組多走向裂縫的直井產(chǎn)量較高，裂縫走向單一的井單井測試產(chǎn)量較低。以昭通地區(qū)YS137井為例，其主要發(fā)育兩組近垂直的天然裂縫，測試產(chǎn)量達4×104m3/d以上；陽102井裂縫走向略有分散，最高測試產(chǎn)量在1.2×104m3/d；YS117井裂縫走向單一，產(chǎn)量較低，不到1×104m3/d。網(wǎng)狀縫有利于提高單井測試產(chǎn)量，網(wǎng)狀縫越發(fā)育，頁巖氣井產(chǎn)能單井測試產(chǎn)量越高。

5.2 裂縫有利于優(yōu)質頁巖段發(fā)育

川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組優(yōu)質頁巖段具有高TOC（>2%）、高孔隙度（平均值5.22%）、高含氣量（平均值5.96 m3/t）［28］、高硅質含量［15］、頁理和裂縫發(fā)育等特征［16］，其形成與缺氧的深水陸棚環(huán)境密切相關［33］。前期勘探開發(fā)實踐證實，威遠、長寧、昭通［34］、焦石壩［35］等區(qū)塊均形成于深水陸棚環(huán)境［36］，優(yōu)質頁巖段TOC高、孔隙度高、含氣量大、硅質含量高、頁理和裂縫發(fā)育。以威遠區(qū)塊威202井為例，其優(yōu)質頁巖段形成于深水陸棚沉積環(huán)境，TOC平均值6.2%，孔隙度平均值9.5%，含氣量平均值9.4 m3/t，硅質含量達75.0%，發(fā)育條帶狀粉砂型水平層理，順層縫和非順層縫發(fā)育。長寧區(qū)塊寧212井優(yōu)質頁巖段也形成于深水陸棚沉積環(huán)境，TOC平均值9.8%，孔隙度平均值4.5%，含氣量平均值4.5 m3/t，硅質含量達60.1%，發(fā)育條帶狀粉砂層理，順層縫和非順層縫發(fā)育。

埋深小于3 500 m地區(qū)由于沉積時期古地形相對較高，深水陸棚相發(fā)育時間較短，故優(yōu)質頁巖段多發(fā)育于龍一1（1）小層。埋深大于3 500 m地區(qū)頁巖由于一直處于沉積中心區(qū)［9］，深水陸棚相發(fā)育時間長，故龍一1（1-3）小層均可構成優(yōu)質頁巖段。以威202井和陽101H3-8井為例，威202井五峰組底界埋深為2 582.0 m，優(yōu)質頁巖段集中分布于龍一1（1）小層，優(yōu)質頁巖僅厚5.2 m。陽101H3-8井五峰組底界埋深為3 792.5 m，由于一直處于深水陸棚沉積環(huán)境，龍一1（1-3）小層均為優(yōu)質頁巖段，厚度可達17.5 m。優(yōu)質頁巖段孔隙度平均值為7.2%，硅質含量大于60%，發(fā)育條帶狀粉砂型和砂-泥遞變型水平層理，裂縫密度大。近期勘探證實，川南地 區(qū) 深 層 瀘207井 龍 一1（1-3）小 層 測 試 產(chǎn) 量30.63×104m3/d，瀘208井 龍 一1（1-3）小 層 測 試 產(chǎn) 量26.59×104m3/d，瀘202井 龍 一1（1-3）小 層 測 試 產(chǎn) 量13.22×104m3/d，瀘203井 龍 一1（1-3）小 層 測 試 產(chǎn) 量137.9×104m3/d，瀘206井 龍 一1（1-3）小 層 測 試 產(chǎn) 量30.55×104m3/d，優(yōu)質頁巖段裂縫均十分發(fā)育。

5.3 成巖收縮縫發(fā)育的龍一2亞段可成為潛在靶體段

川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組深層地區(qū)由于封閉條件好，成巖演化過程中粘土礦物脫水轉化可產(chǎn)生大量成巖收縮縫。成巖演化過程中，以蒙脫石轉化脫水量最大。蒙脫石向混層粘土轉化，混層粘土再向伊利石、綠泥石轉化，最后形成伊利石和綠泥石［32］。由于基質的壓縮等過程是不可逆的，不會因為沒有儲存空間而停止進行，所以富含粘土礦物的層段會產(chǎn)生大量成巖收縮裂縫。隨著地層壓力系數(shù)增大，高流體壓力能助長收縮縫的保持和擴大，從而成巖收縮裂縫密度增大。

川南地區(qū)深層龍馬溪組龍一2亞段粘土礦物含量高，以伊利石為主，下部層段裂縫密度大。富裂縫發(fā)育段由于與下伏的優(yōu)質頁巖段相鄰，在裂縫的有效溝通下，可形成潛在靶體段。以陽101H3-8井為例，其龍一2亞段粘土礦物含量約44%，含氣量為4.10 m3/t，成巖收縮縫發(fā)育，裂縫密度達6.0條/m。陽101H2-7井龍一2亞段粘土礦物含量約43%，含氣量為1.85 m3/t，成巖收縮縫發(fā)育，裂縫密度達3.5條/m。近期勘探發(fā)現(xiàn)，該段測試產(chǎn)量達10.2×104m3/d，展示出良好的勘探潛力。

6 結論

1）川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁巖巖心發(fā)育宏觀裂縫和微裂縫，可劃分為順層縫和非順層縫，宏觀裂縫中，順層縫主要為頁理縫和層間滑移縫，非順層縫主要為斜交縫和垂直縫。微裂縫中，順層縫主要為頁理縫，非順層主要為生烴增壓縫、成巖收縮縫和溶蝕縫，含氣頁巖以順層縫為主，75%的宏觀裂縫和87%的微裂縫均為順層縫。

2）川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁巖巖心隨著埋深增大，宏觀裂縫和微裂縫的密度均增大，部分井中埋深大于3 500 m的含氣頁巖其宏觀裂縫密度是其他井中埋深小于3 500 m同層頁巖的10倍。

3）川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組含氣頁巖巖心TOC和層理類型影響裂縫密度，高TOC的條帶狀粉砂型和砂-泥遞變型水平層理頁巖裂縫密度最大。

4）裂縫發(fā)育有利于優(yōu)質頁巖段的形成，埋深小于3 500 m地區(qū)優(yōu)質頁巖段主要發(fā)育于龍一1（1）小層，埋深大于3 500 m地區(qū)優(yōu)質頁巖段發(fā)育于龍一1（1-3）小層，部分井龍一2亞段底部由于成巖收縮縫發(fā)育，也成為優(yōu)質頁巖段。

致謝：中國石油西南油氣田分公司巖心庫提供了觀察和描述巖心的機會，中國石油西南油氣田分公司頁巖氣研究所吳偉高級工程師提供了鉆井及分析化驗資料，東北石油大學黃賽鵬老師參與了巖心觀察和描述，在此表示感謝。