威遠地區龍馬溪組天然裂縫特征、分布規律及形成期次

郝越翔 劉佳杰 吳磊 周昕 李潔辛 江雨濛

（1.中國石油川慶鉆探工程有限公司頁巖氣勘探開發項目經理部，四川 成都 610051；2.成都理工大學地球物理學院，四川 成都 610059）

0 引言

四川盆地是中國西南部典型的大型沉積盆地之一，也是主要的天然氣產區，其中長寧—威遠地區下志留統龍馬溪組具有優質的頁巖氣資源［1］。2012年3 月，長寧—威遠地區被列為國家級頁巖氣示范區，多口鉆井的產氣量顯示出良好的勘探和開發前景，前期研究證明該地區的頁巖氣產量已經達到數億立方米［2-3］。威遠龍馬溪組地層屬于深水陸棚優質頁巖，構造改造較弱，是目前川內頁巖氣開發的主力區域。其中，埋深超3 500 m 的區域資源潛力巨大，深層頁巖氣地質資源量可達25.62×1012m3［4］。

威遠地區龍馬溪組優質頁巖富含筆石，有機質含量高。前人對該套地層的沉積條件、構造條件、生烴條件、巖石化學特征、礦物學特征、孔隙結構特征和分布特征進行了大量的研究［5-7］。此外，前人研究形成了關于五峰組—龍馬溪組的海相頁巖氣富集高產理論，包括“二元”富集理論、“三控”富集高產理論、基于筆石分層的“源—蓋控烴”理論以及深層頁巖氣基于構造差異性抬升影響的富集、逸散理論［8-9］。目前針對威遠地區龍馬溪組天然裂縫的類型及基本特征等進行了初步研究和認識，然而，由于缺乏對該層位天然裂縫基本特征和形成時期的研究，因而嚴重制約了對該地區天然裂縫和優質儲層的認識和預測。其研究認識深度和精細程度還不能滿足下一步氣藏開發方案的編制、工程工藝的設計與實施需求。

野外裂縫調查和巖心研究是了解天然裂縫形成時期最直接和有效的方法。然而，這些方法只能初步確定裂縫形成的先后順序，無法準確識別天然裂縫的具體形成時間。其制約了該區儲層分布預測及甜點區優選等，因此急需在天然裂縫特征、形成期次、成因機制、分布規律等方面開展攻關研究。筆者基于研究區鉆井巖心、測井錄井及地震資料，利用構造解析和地質力學分析的方法，并結合碳氧同位素、流體包裹體等實驗測試方法，查明威遠龍馬溪組天然裂縫的基本特征，明確裂縫的形成期次及分布規律，為威遠龍馬溪組儲層評價、有利區優選、優質儲層甜點區評價及勘探開發提供技術支撐。

1 區域地質背景

威遠地區位于四川盆地西南部，地理位置覆蓋內江市威遠縣、資中縣、自貢市榮縣，構造位置隸屬于川中隆起區的川西南低陡褶帶。威遠龍馬溪組與上覆地層下二疊統梁山組呈假整合接觸，與下伏上奧陶統五峰組呈整合接觸［10-11］。按照旋回特征自下而上可分為龍一段、龍二段，其中龍一段自下而上可分為龍一1亞段和龍一2亞段［12］。龍一1亞段黑色頁巖是研究重點，厚度分布在81.8～250.9 m，以富有機質粉砂質泥棚微相和富有機質硅質泥棚微相為主，具有良好的生烴能力［13-15］，從下至上可進一步細分為龍一11—龍一14小層。

威遠地區位于樂山—龍女寺隆起的東南翼，經歷了多期運動疊加。威遠背斜在印支期碰撞造山、燕山早期板塊匯聚運動及燕山晚期—喜馬拉雅期構造擠壓等多期運動疊合作用下，在NW-SE 向區域擠壓應力控制下，地層持續抬升剝蝕，形成了復雜的斷裂樣式［16-18］。

2 天然裂縫的力學成因類型

基于大量的巖心觀察及薄片分析將威遠龍馬溪組天然裂縫劃分為構造裂縫和非構造裂縫兩大類（表1）。由于威遠地區龍馬溪組經歷多期構造運動，所以構造裂縫較為發育［17-19］。根據裂縫產狀與力學類型，可將龍馬溪組構造裂縫進一步劃分為剪切縫及張性縫兩類。在巖心、薄片及成像測井上剪切縫及張性縫呈現出不同的特征。在巖心上，剪切裂縫相互交切，呈共軛組系，縫面光滑平整，延伸長、多條裂縫相互交錯，發育階步；在薄片上，剪切縫縫面較為平直，可切割巖石顆粒，近直立為主；在成像測井上，剪切縫表現為幅度較大的正弦波形黑色暗條（圖1）。在巖心上，張性裂縫縫面粗糙、凹凸不平、呈彎曲狀，多組平行組系；在薄片上，裂縫不光滑，縫寬多變化，有效性較好，見方解石或泥質充填；在成像測井上圖像形態特征主要為較大幅度的暗色正弦曲線（圖2）。

圖1 威遠地區龍馬溪組巖心、薄片、成像測井的剪切縫特征圖

圖2 威遠地區龍馬溪組巖心、薄片、成像測井中的張性縫特征圖

表1 基于力學成因類型威遠龍馬溪組天然裂縫的分類特征表

威遠龍馬溪組地層非構造裂縫主要由層理縫和生烴超壓縫構成。層理縫為龍馬溪組地層中最主要的非構造裂縫，呈水平發育。薄層狀頁巖是受機械壓實及風化作用影響，沿著頁巖力學薄弱的層理面發生破裂而形成的一種非構造裂縫，為頁巖儲層流體的主要滲流通道及儲集空間。龍馬溪組大量發育的層理縫，部分被方解石充填（圖3）。生烴超壓縫多為微觀裂縫，掃描電鏡上生烴超壓縫發育在礦物顆粒邊緣或者有機質內部，裂縫形態無規則，多數為有效裂縫［20］。生烴超壓縫發育于龍馬溪組富有機質頁巖層段，呈現納微米小尺度、連通有效、定向性好等特征，為生烴超壓大規模排烴所導致［21］（圖4）。

圖3 威遠地區龍馬溪組巖心層理縫特征圖

圖4 威遠地區龍馬溪組頁巖生烴超壓縫特征圖

3 天然裂縫基本特征

3.1 裂縫基本參數特征

威遠龍馬溪組主要發育近水平和中低角度層理縫，中高角度構造裂縫的發育程度較低。其中，高角度縫和垂直裂縫占比17%，低角度縫和水平裂縫占比83%（圖5a）。構造裂縫和層理縫開度集中分布在50 μm以下、10～30 μm之間（圖5b～5c）。與四川其他地區相比，威遠地區天然裂縫具有縫極細、層理縫占比高的特點。此外，研究進一步統計了不同井龍一1亞段的裂縫密度，發現龍一1亞段平均裂縫密度分布在2.2～4.8 條／m 范圍內（圖5d）。約有68.9%的天然裂縫被方解石、石英、白云石等脆性礦物充填，其中主要充填礦物以石英為主；31.1%為未充填的裂縫，該類裂縫對頁巖氣富集十分有利（圖5e）。

圖5 威遠龍馬溪組天然裂縫的基本參數特征、充填物占比圖

3.2 天然裂縫分布特征

平面上，威遠地區的天然裂縫主要受控于斷層分布及構造運動兩個因素。構造裂縫主要是由構造運動形成，其發育位置與構造應力分布相關，且主要受控于構造擠壓和構造抬升剝蝕作用。威遠地區經歷多期構造運動，形成了東西長、南北短的不對稱橢圓形背斜，研究區靠近威遠背斜核部構造裂縫較為發育，靠近斷層中高角度裂縫斷層共派生裂縫較發育。縱向上，裂縫密度由龍一14小層到龍一11小層逐漸增加，其中龍一11小層裂縫密度最大。通過X射線衍射沉積巖全巖定量分析發現，石英含量與裂縫密度成正比，即石英含量越高、裂縫密度越大。

4 天然裂縫形成期次

根據研究區構造演化、巖心裂縫的切割環繞關系以及前人對該區構造演化期次的研究，結合裂縫充填物碳氧同位素及包裹體分析結果，分析研究區龍馬溪組天然裂縫形成期次。

4.1 裂縫分期配套分析

巖心上不同裂縫的充填次序及相互切割關系可作為地質依據，從而推測天然裂縫形成期次［22-23］。威遠地區巖心裂縫相互切割關系與分期配套如圖6所示，從圖6a 中可見兩條不同時期形成的裂縫，一條為熱液填充的剪切縫，一條為方解石填充的剪切縫，填充物間接地證明了裂縫的形成期次；從圖6b巖心中可見一條晚期形成的高角度穿層剪切縫切割早期的剪切縫；圖6c 為早期形成的張性縫被晚期形成的層理縫錯開。通過對研究區多口井巖心進行觀察描述，從切割關系來看，裂縫是多期形成的，至少可見2期。此外，通過薄片觀察發現威遠地區龍馬溪組微裂縫發育，并且存在明顯多期裂縫切割錯斷現象。圖6d 為早期形成的剪切縫被晚期的張性縫切割，呈現明顯的兩期特征，反映出兩期裂縫充填物存在差異。圖6e 薄片樣品存在明顯的三期相互切割關系，綜合巖心、成像測井及薄片觀察可見威遠地區龍馬溪組發育2～3 期裂縫。威遠地區成像測井解釋裂縫結果顯示，研究區龍馬溪組主要發育NW-SE向、NNW-SSE 向兩組構造裂縫，其中NW-SE 向最為發育，其次為NNW-SSE向，與前人發現的野外露頭所反映的優勢組系具有較高的一致性（圖6f）。

圖6 威遠地區巖心裂縫相互切割關系與分期配套圖

4.2 裂縫充填期次測定

根據天然裂縫充填物包裹體的均一溫度可以進一步判斷裂縫形成時間。研究區天然裂縫中脈體的流體包裹體均一溫度介于40～150 ℃，可以分為3個區間，分別是40～60 ℃，90～120 ℃，140～150 ℃（圖7a），結合構造埋藏演化史，分別對應了3 個時期。此外，通過對裂縫充填物的穩定碳氧同位素進行測定，分析整理實驗數據并建立δ13C值與δ18O值交匯圖，可實現對裂縫不同充填期次的劃分，進而推測裂縫的形成期次［24］。利用研究區裂縫充填物穩定同位素數據對研究區裂縫形成期次進行分析，結果顯示δ18O 值介于-11.8‰～-3.5‰，δ13C 的值介于-16.1‰～-3.0‰，充填礦物中δ18O和δ13C值存在較大差異，顯示出多期充填的特征（圖7b）。利用Fritz等提出的氧同位素測溫方程，推算裂縫形成時的古溫度［25］：

圖7 威遠龍馬溪組天然裂縫形成期次實驗測試成果圖

通過δ18O—δ13C圖解法分析發現數據較為明顯地分布在3 個區域，并按研究區常年平均地面溫度20 ℃、地溫梯度2.65 ℃／100 m 計算裂縫形成時的埋藏深度。綜合分析得出，裂縫至少分為三期形成，第一期裂縫充填物δ18O值介于-6.15‰～-2.13‰、δ13C 值介于-15.8‰～-14.3‰；第二期裂縫充填物δ18O 值介于-9.02‰～-4.12‰、δ13C 值介于-13.9‰～-9.8‰；第三期裂縫充填物δ18O 值介于-12.17‰～-8.18‰、δ13C值介于-6.8‰～-2.5‰（圖7）。

5 裂縫形成演化模式

利用Basinmod 盆地模擬軟件恢復威遠地區w3 井的埋藏史。結合巖心及薄片切割關系、包裹體充填礦物均一溫度分布情況、碳氧同位素充填分析等結果，并與埋藏演化史匹配進而確定研究區構造裂縫形成時期（圖8）。

圖8 威遠地區單井構造埋藏演化史及裂縫形成期次模式圖

巖心、成像測井及薄片上觀察到威遠龍馬溪組至少存在2～3 期天然裂縫，裂縫充填物碳氧同位素及包裹體實驗測試顯示均存在3期天然裂縫。將實驗計算的溫度疊合到構造埋藏演化史發現：威遠龍馬溪組天然裂縫大規模形成于距今200～250 Ma（印支期）、 距今160～180 Ma（燕山期）及距今10～20 Ma（喜馬拉雅晚期）3個時期。其中，印支期龍馬溪組地層受到伸展及短暫的弱擠壓抬升作用，最大的古構造應力范圍為39.3～59.9 MPa，發育少量的NW 剪切縫及砂泥互層層理縫。燕山期最大的古構造應力范圍為63.6～80.0 MPa，龍馬溪組地層受到燕山期應力作用在斷層附近、背斜高部位發育NW剪切縫和生烴超壓縫。喜馬拉雅晚期近北西向快速強烈擠壓作用，最大的古構造應力范圍為80.9～100.0 MPa，在斷層附近、背斜高部位發育近NW和NWW組系剪切縫，背斜核部發育近S-N組系張性縫。

6 結論

1）依據力學成因，將威遠龍馬溪組天然裂縫劃分為構造裂縫、生烴超壓縫及層理縫3種類型；天然裂縫具有寬度細、水平層理縫占比高、偶見高角度構造縫、有效性低的特征；巖心統計和有效裂縫測井識別結果均顯示龍一1亞段裂縫最為發育，隨著龍馬組地層埋深的增加，裂縫發育密度逐漸增大。

2）結合研究區構造演化史、巖心裂縫切割環繞關系、裂縫充填物碳氧同位素及包裹體實驗結果認為，威遠龍馬溪組發育三期天然裂縫，分別形成于距今200～250 Ma（印支期）、距今160～180 Ma（燕山期）和距今10～20 Ma（喜馬拉雅晚期）的3個時期，其中燕山期及喜馬拉雅晚期是天然裂縫大規模形成的時期。

3）根據威遠龍馬溪組天然裂縫全區時間演化序列，研究區印支期發育少量的NW剪切縫及砂泥互層層理縫；燕山期在斷層附近、背斜高部位發育NW剪切縫和生烴超壓縫；喜馬拉雅晚期在斷層附近、背斜高部位發育近NW和NWW組系剪切縫，背斜核部發育近S-N組系張性縫。