丁山-东溪地区页岩裂缝发育特征及主控因素_谢佳彤.pdf

第30卷第3期Development characteristics of shale fracture and main controlling factorsin Dingshan-Dongxi areaXIE Jiatong1，2(1.SINOPEC Exploration Company,Chengdu 610041,China;2.School of Geoscience and Technology,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)Abstract:Based on the observation and statistics of the fracture characteristics of the surface outcrops and cores of LongmaxiFormation shale in Dingshan-Dongxi area,southeast Sichuan,and referring to the experimental test data of various samples,thefractures development characteristics and main controlling factors are studied and analyzed,and the impact of fractures on gasbearing property is discussed.The results show that the shale fractures of Longmaxi Formation in the study area are mainly highangle fractures,mainly shear fractures and formed in three stages.Fractures of the first stage are affected by the SE direction stress,forming the NE direction fractures.The second and third stages of the fractures are affected by the NE direction stress,forming theNW direction fractures.Fracture development is affected by many factors such as tectonism,rock thickness,mineral compositionand organic carbon content,among which tectonism is mainly affected by folds and fault locations.Among non structural factors,thehigher the content of brittle minerals in mineral components,the easier the rock formation is broken,and the more developed thefractures are.At the same time,the high content of organic carbon also promotes the development of fractures.The development offractures in Longmaxi Formation in study area plays an important role in shale gas storage and migration,and plays a crucial role inimproving shale gas production and gas bearing capacity.Key words:fracture development characteristics;main controlling factor;shale;Longmaxi Formation;Dingshan-Dongxi area丁山-东溪地区页岩裂缝发育特征及主控因素谢佳彤1，2（1.中国石化勘探分公司，四川 成都610041；2.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都610500）基金项目：国家科技重大专项专题“四川盆地重点地区地应力与裂缝发育规律及评价方法研究”（2017ZX05036-003-003）收稿日期：2022-09-09；改回日期：2023-01-06。第一作者：谢佳彤，女，1992年生，副研究员，博士，主要从事页岩气地质综合研究工作。E-mail：。摘要基于对川东南丁山-东溪地区龙马溪组页岩地表露头及岩心的裂缝特征的观察与统计，同时参考各样品实验测试数据，对裂缝发育特征与主控因素进行了研究与分析，并探讨了裂缝对含气性的影响。结果表明：研究区龙马溪组页岩裂缝以高角度裂缝为主，主要为剪切缝，为3期形成，第1期裂缝受到SE向的应力作用形成NE向的断裂，第2期及第3期受到NE向的应力作用形成NW向的裂缝。裂缝发育受构造作用、岩层厚度、矿物组分以及有机碳质量分数等多种因素影响，其中构造作用主要受到褶皱和断层位置的影响，在非构造因素中，矿物组分中脆性矿物含量越高，岩层越容易发生破碎，裂缝越发育，同时，有机碳质量分数高也对裂缝发育起着促进作用。研究区龙马溪组裂缝的发育对页岩气的储存以及运移都有着不可忽视的重要作用，对提高页岩气产量及含气性有着至关重要的作用。关键词裂缝发育特征；主控因素；页岩；龙马溪组；丁山-东溪地区中图分类号：TE132.2文献标志码：A引用格式：谢佳彤.丁山-东溪地区页岩裂缝发育特征及主控因素J.断块油气田，2023，30（3）：389-395.XIE Jiatong.Development characteristics of shale fracture and main controlling factors in Dingshan-Dongxi areaJ.Fault-Block Oil&GasField，2023，30（3）：389-395.0引言页岩气作为全球能源的重要行业，在全球分布比较广泛。美国是最先发现页岩气的国家，在发现页岩气后便很快实现了商业的开发和使用，是页岩气开发的先导者，对页岩气的开发及研究进展起着重要作用，全球也在最新的页岩气开发基础上开始了进一步的研究历程1-4。川东南地区作为海相深层页岩气复杂构造区断块油气田FAULT-BLOCK OIL GAS FIELDdoi:10.6056/dkyqt2023030052023年5月断块油气田2023年5月块的代表，在焦石坝突破后，丁山-东溪地区再一次取得了重大突破，证实具有较强的勘探开发潜力。越来越多的学者和专家认为，在复杂地质构造背景下要寻找页岩气开发的有利目标区，页岩气的裂缝特征及主控因素是前期开发的关键。在页岩气天然裂缝的研究中，前人对裂缝发育及裂缝形成期次做了很多深入研究，部分学者在前期研究中认为，天然裂缝主要多为剪切缝，其中海相页岩裂缝多以高角度裂缝为主，充填物多为方解石和黄铁矿；川东南深层页岩气地层主要受到齐岳山的挤压作用，形成NE和SW向的构造样式，从而形成相同方向的天然裂缝系统5-7。结合前人对天然裂缝研究成果，本文认为天然裂缝的形成主要受区域构造应力场影响，裂缝的多期次表现为多阶段构造运动联合作用的结果。裂缝的多期次系统对深层海相页岩气的富集和保存都有着很大的影响。在裂缝期次的基础上剖析其主要控制因素，除构造作用外其他地质因素的影响也至关重要，如构造部位、岩石力学性质、岩性等方面的影响因素，其中目前公认的已知研究成果是靠近断裂、脆性矿物含量高的页岩裂缝发育程度普遍较高8-11。笔者以川东南丁山-东溪地区为例，通过野外露头及岩心观测对裂缝进行统计分析并结合实验测试等资料，对龙马溪组页岩裂缝发育及影响因素进行研究，明确裂缝与页岩含气性的关系，为下一步川东南深层页岩气的勘探开发提供参考。1研究背景丁山-东溪地区位于四川盆地东南部，研究区主要为丁山-东溪构造，分布在川东南盆内及盆缘坳褶区，面积约533 km2。四川盆地主体是受到大断裂的挤压形成的一个大构造单元，四面均受到逆冲断裂和走滑断裂的挤压，北部以米仓山-大巴山断褶带为界，西部龙门山大断裂，东部齐岳山断裂带，南部主要为黔中隆起的北部边缘带（见图1）。研究区目的层位为龙马溪组页岩，志留系龙马溪组从上到下可分为2种岩性段，龙马溪组上段岩性为深灰色泥岩夹粉砂质、灰质泥页岩，龙马溪组下段岩性为黑色页岩富含笔石化石，是构成页岩气的主力产气层段。截至2020年，丁山-东溪地区页岩气测试产量已突破300104m3/d，具有非常大的页岩气潜力12-13。图1四川盆地地理位置Fig.1Geographical location of Sichuan Basin2裂缝特征2.1野外裂缝研究区野外露头裂缝以构造裂缝为主，通过对野外裂缝进行观察，研究区变形程度大，裂缝较发育，以剪切缝为主，少量张性缝和区域性直立缝。剪切缝主要特征表现为多成组出现，可见穿层现象，裂缝面比较平直，一般与层面呈高角度相交，且在褶皱形成之前，因此具有分布广且稳定的特点。2.2岩心裂缝研究区志留系龙马溪组页岩井位中主要发育的构造裂缝有剪性缝、张性缝、复合缝、层间缝和滑脱缝等（见图2）。岩心多见缝体平直、延伸距离长、贯穿岩心等特征的剪切缝（见图2a，2b，2d，2f）；张性缝在井下比较少见，具有缝面不规则的特征，较易发生充填（见图2h）；岩心的层理面可见顺层滑脱缝、擦痕以及裂缝被方解石充填等特征（见图2g）。层间缝的存在具有一定的储集空间改造能力，由于页岩中的层间缝质地薄，在390第30卷第3期2.3裂缝期次2.3.1裂缝观测通过对野外以及井下岩心裂缝的观测，判断裂缝交切关系和走向，根据“两平夹一剖”的特点，判定应力方向为SE向（1355），剖面剪切缝可以推断晚期构造应力方向为NE向（455）（见图3a。1为裂缝方位）。岩心构造裂缝发育的方位有4组（见图3b），且方位与内地表平面剪切缝的产状几乎相似，虽在岩心上没有观察到剖面剪切缝，但根据其原理其分析配套也具有相对较高的一致性，说明地表裂缝与井下裂缝所受到的构造应力场相同，地表裂缝与井下裂缝在形成机理上是一致的，对裂缝的分期配套再次提供有力依据。a野外b井下岩心图3研究区裂缝走向玫瑰花图（经过产状复平）Fig.3Rose diagram of fracture strike in the study area(after occurrenceand flattening）2.3.2包裹体均一温度测试包裹体均一温度测试是通过对充填物进行原生包裹体测温，达到推断形成时期的目的14-17。本次主要选取野外岩石样品和井下岩心裂缝充填物分别测试其均一温度，根据测试结果分析不同样品包裹体温度的分布形态，在构造演化背景的基础上判断裂缝发育期次（见表1）。表1龙马溪组流体包裹体均一温度统计Table 1Statistics of uniform temperature of fluid inclusions in LongmaxiFormation结果表明，龙马溪组的野外岩石样品和井下样品均有流体充注，可以确定页岩气的存在且具有3期，井类别流体期次均一温度/包裹体产状宿主矿物井下1145.6195.2原生方解石2117.8149.6原生硅质胶结物或黄铁矿3079.1112.4原生方解石野外1148.6159.2原生方解石2108.5132.7原生方解石3074.2106.3原生方解石aDY1井，2 039.492 039.95 m；bDY1井，2 030.252 030.34 m；cDY2井，4 355.134 355.16 m；dDY3井，2 232.172 232.72 m；eDY4井，3 667.903 668.10 m；fDY1井，3 808.013 808.16 m；gDY3井，2 269.742 269.91 m；hDYS1井，4 225.654 225.8 m；iDY3井，2 178.922 179.07 m图2研究区岩心裂缝照片Fig.2Core fracture photograph of the study area受力作用下容易发生破碎，使得页岩的渗透率增加，对油气的运移具有开启性，从而也较易被黄铁矿、方解石等矿物充填（见图2c，2e）。复合缝的形成受多期次的应力影响，以较厚的方解石全充填为识别标志（见图2i）。谢佳彤.丁山-东溪地区页岩裂缝发育特征及主控因素391断块油气田2023年5月下样品中第1期构造缝中充填物为方解石，均一温度为145.6195.2 C，野外样品第1期充填物与井下样品相同均为方解石充填，均一温度为148.6159.2 C，与其他期次相比温度较高，可以与第1期构造隆升相对应；第2期均一温度为117.8149.6 C，野外样品主要充填方解石，均一温度为108.5132.7 C，充填物的不同导致井下包裹体温度偏高，镜下可见方解石被硅质矿物胶结，判定该期为第2期并对应第2次构造抬升，前2期温度范围有部分重合；第3期流体活动形成于构造持续隆升阶段，均一温度均小于前2期18。综合可见，野外样品与井下样品都具有3期流体期次。2.3.3碳氧同位素测试裂缝充填物碳氧同位素分析测试技术是近年来研究古环境和古温度的手段方法，可以追踪流体来源，主要通过对充填物碳氧同位素的温度测定，结合裂缝充填物包裹体均一温度综合判别裂缝期次。本次主要对岩心进行取样测试，根据实验结果做出碳氧同位素图版通过碳氧同位素含量分布位置的不同可以对裂缝期次进行一个判断，根据奥尼尔方程结合构造演化特征划分出该区构造裂缝的主要发育期次。通过测温结果可以发现，裂缝发生了3期构造活动，其形成期次为3期：第1期，碳同位素为-6-13；第2期，第1期方解石发生破碎，并被第2期流体沉淀的硅质胶结，氧同位素含量降低；第3期，均一温度降低，碳同位素降低氧同位素升高，与断裂组系的解释结果具有一致性（见表2）。表2裂缝期次判别Table 2Identification of fracture period2.3.4声发射实验确定裂缝期次声发射法是对岩石加载使岩石内部发生能量波动并对这种释放的弹性波进行捕获接收，当岩石受到比之前运动所受到的应力大时就会产生声发射即Kasier效应，而在Kasier效应中出现的计数转折点具有明显变化，这种转折点叫Kasier点，该点的多少可以反映地层岩体经历过多少次构造运动，该点的大小也反映经历构造运动时期所受到的最大主应力值的大小，两者之间具有对应关系。本次实验根据声发射能量-时间曲线的急增开始点作为声发射特征点，该试样采集层位为井下岩心的志留系龙马溪组，在能量-时间关系曲线上出现5个Kaiser效应点，剔除印支期和现今构造运动外，有3次比较明显的构造运动。3裂缝发育主控因素3.1构造因素3.1.1褶皱地层在形成褶皱过程中经过反复的隆升和沉降，应力应变史十分复杂，因此与褶皱有关的裂缝在研究区得到了很好的发育，距离褶皱核部距离越近，受到的张应力越强，裂缝就越容易形成，裂缝密度也会因此而升高。研究区桑木场背斜总体沿NESW向延伸，燕山中期开始受到SENW向的构造应力，在应力的不断挤压之下形成了褶皱脊部走向为NESW向的现今构造格局，是裂缝开始形成最重要的运动时期，褶皱方向的确定与形成控制了研究区整个裂缝的形成和分布，在褶皱形成后随着应力场的持续作用和叠加，褶皱核部开始形成裂缝。通过对野外背斜周围不同点的测量及其每个观测点裂缝密度的统计发现（见表3），野外观测点距断层部位核部位置的距离与其裂缝密度呈负相关关系，相关关系比较好，说明距构造部位核部位置越近，裂缝发育程度越高。表3距断层核部距离与裂缝密度的关系Table 3Relationship between distance from fault core and fracture density流体期次18O/13C/均一温度/包裹体产状宿主矿物1024-6-13135.6165.2原生方解石2-32-14-180 103.6150.7原生硅质胶结物30-1-4 0-2-14080.592.4原生方解石构造部位编号距断层核部距离/km裂缝密度/（条m-1）桑木场背斜10.112.020.410.531.006.842.205.852.307.062.408.073.205.584.206.094.206.0104.804.0酒店垭背斜111.509.3121.807.9133.502.8144.901.7155.402.5164.304.0392第30卷第3期3.1.2断层褶皱是裂缝发育因素的基础，断层是裂缝发育因素的继承，褶皱形成后的继续挤压会开始形成挤压性逆断层，在断层破裂的过程中就会在周围开始形成裂缝，所以页岩的断裂与裂缝发育程度也是密不可分的。断层对页岩储层裂缝的发育程度起到至关重要的作用，以野外露头观测点十八道湾断层剖面为例（产状为27270），根据对断层附近不同距离裂缝发育密度观察测量发现，随着距离断层越来越远，实测的裂缝密度有逐渐下降的趋势，通过制作两者的关系图可以发现，裂缝密度与距离断层距离呈负相关关系，相关系数超过0.7，说明相关关系很好（见表4）。表4断层观测点距断层核部距离与裂缝密度统计Table 4Statistics of the distance between fault observation point and faultcore and the fracture density3.2非构造因素3.2.1矿物组分和脆性矿物页岩岩石矿物组分以及脆性矿物含量是裂缝发育影响因素的最主要的非构造因素之一。相对来说，页岩的岩性及内部矿物的成分比较多样化，岩石内部的矿物组分以及岩石构造的差异，进而岩石力学性质表现不同，导致裂缝发育程度出现不一致的情况。通过对研究区龙马溪组页岩矿物含量的检测以及对裂缝密度的统计，可以得出龙马溪组黑色页岩脆性矿物硅质含量越高，脆性指数越大，裂缝密度越大，裂缝越发育。3.2.2总有机碳质量分数总有机碳质量分数（TOC）与裂缝发育程度呈正相关关系，TOC较高的页岩储层中，对应的裂缝发育程度明显有提高，裂缝密度较大，页岩气的含气量也有升高。研究区龙马溪组TOC范围为0.5%7.1%，平均值为3.8%。由TOC及裂缝密度制作相关关系图可见两者呈正相关关系，相关性好（见图4）。图4龙马溪组页岩总有机碳质量分数与裂缝发育程度的关系Fig.4Relationship between shale organic carbon content and fracturedevelopment degree in Longmaxi Formation4裂缝与含气性关系4.1距主干断裂距离主干断裂具有延伸长、断距大的特点，一般形成在构造边界处。由于主干断裂形成时期较早，且长期发生活动，因此，对油气的保存具有重大影响，同时主干断裂影响着构造边界的形成及断裂褶皱的构造演化等，是油气是否可以有效保存的关键因素。本次研究中主干断裂主要有齐岳山断裂或断层断距比较大的断层。研究区构造较复杂，断裂系统也比较发育，具有多组断裂体系，主要包括NE向和SW向2个主要方向的断裂。根据对研究区及周边地区重点井位距离主干断裂距离及其含气量的统计作出了相关关系图（见图5），由图可发现，探井距离主干断裂的距离与含气量成正比，也就是说距离主干断裂距离越远，含气量越高。图5页岩气探井含气量与距主干断裂距离的关系Fig.5Relationship between gas content and distance from main fault ofshale gas exploration wells4.2断裂分期分级断裂分期分级对页岩气的保存也有很大影响，断裂等级不同，地质特征表现不同，对页岩气的作用效果也不同，一般按照延伸长度和断距等对断裂等级进行划分，不同级别、不同规模的断层在页岩储层编号距断层核部距离/m裂缝密度/（条m-1）76.255.987.045.897.893.2108.441.5119.051.710.4921.3432.1943.4654.49编号距断层核部距离/m11.19.68.39.68.1裂缝密度/（条m-1）65.407.7谢佳彤.丁山-东溪地区页岩裂缝发育特征及主控因素393断块油气田2023年5月发育中所起的作用不同。根据断裂活动期次、断层地震剖面断开的层位、断层的规模以及断层控储特征对断裂进行分级，具体将研究区断裂划分为4个级别（见图6）。图6研究区断裂分级Fig.6Fracture classification in the study area通过对断裂分级以及周边井位产气量统计可以发现，一般产气量较高的井都分布在三级或四级断裂周围，而距离一级、二级较近的井位则均由于气体散失导致产气量较低（见表5）。表5断裂分级与附近井位产气量关系Table 5Relationship between fracture classification and gas production innearby wells在裂缝分期中，按照构造演化史和应力方向可将断裂划分为2期，即早期燕山中晚期NE向断裂以及晚期燕山末喜马拉雅运动中期NW向断裂（见图7）。NE向构造是研究区主要的构造，形成时间较早，且具有延伸远、影响范围广的特点，其形成主要受到SE向的挤压应力，NE向断裂在构造形成后开始逐渐发育，形成时间早且受到的构造活动比较频繁，产状比较杂乱无章不规律，但主要方向基本为NE向，倾角较陡，多与岩层倾向一致，断层性质以压性或扭压性为主，多为高角度断层。NW向断层主要靠近研究区西北部，区域构造应力为SW向，导致产生了NW向构造，从而形成了NW向断裂体系，NW向断裂形成时间较晚。由于早期地层抬升时间长，幅度小，因此早期形成的断裂保存条件相对比晚期断裂好。图7研究区断裂分期Fig.7Fracture stages in the study area5结论1）川东南丁山-东溪构造主要发育2期裂缝，分别对应SE向和NE向2个方向的构造挤压作用，其中SE向构造挤压早于NE向构造挤压。裂缝类型主要发育构造剪切缝，少量张性缝和层间缝。裂缝倾角大多数为高角度缝，具有延伸长度中等、密度小、间距大的特点。裂缝延伸方位主要为NWW向、NE向，近SN向和NNW裂缝发育程度相对较差。2）研究区地表裂缝与井下裂缝具有很好的对应关系，且与埋藏史和热演化史、Kaiser实验和包裹体均一温度匹配较好，碳氧同位素、均一化温度以及Kaiser实验测试均表明存在3期的构造裂缝，并建立了研究区构造形成演化模式。3）研究区裂缝发育程度主要受到构造因素和非构造因素两大因素的影响，其中在构造因素影响下，距离褶皱核部和断层距离越远，裂缝发育程度越低；非构造断裂级别井号产气量/（104m3d-1）一级DY103.40DS1微气二级DY303.34三级DY420.00DYS131.18四级DY210.50DY516.33394第30卷第3期因素中，在相同的构造背景下，总有机碳质量分数与裂缝密度正相关，而岩层厚度与裂缝发育负相关，脆性矿物和有机碳质量分数越高，裂缝密度越大，裂缝越发育。4）距离主干断裂距离越近，页岩气越容易发生逸散，邻井含气性低，断裂分期中，晚期断裂对裂缝影响较大，含气性低，三四级断裂由于不贯通地层，起到页岩气运移作用，使得周围邻井含气量高，有效改善了页岩气的储集性能。参考文献1邹才能，杨智，张国生，等.常规-非常规油气“有序聚集”理论认识及实践意义J.石油勘探与开发，2014，41（1）：14-27.ZOU Caineng，YANG Zhi，ZHANG Guosheng，et al.Conventional andunconventionalpetroleum“orderlyaccumulation”：conceptandpracticalsignificanceJ.Petroleum Exploration and Development，2014，41（1）：14-27.2CURTIS J B.Fractured shale-gas systemsJ.AAPG Bulliten，2002，86（11）：1921-1938.3FENG W P，WANG F Y，GUAN J，et al.Geologic structure 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