引用本文
董大忠, 施振生, 孙莎莎, 郭长敏, 张晨晨, 郭雯, 管全中, 张梦琪, 蒋珊, 张磊夫, 马超, 武瑾, 李宁, 昌燕. 黑色页岩微裂缝发育控制因素——以长宁双河剖面五峰组—龙马溪组为例[J]. 石油勘探与开发, 2018,45(5): 763-774.
DONG Dazhong, SHI Zhensheng, SUN Shasha, GUO Changmin, ZHANG Chenchen, GUO Wen, GUAN Quanzhong, ZHANG Mengqi, JIANG Shan, ZHANG Leifu, MA Chao, WU Jin, LI Ning, CHANG Yan. Factors controlling microfractures in black shale: A case study of Ordovician Wufeng Formation-Silurian Longmaxi Formation in Shuanghe Profile, Changning area, Sichuan Basin, SW China[J]. Petroleum Exploration & Development, 2018,45(5): 763-774.  
Doi: 10.11698/PED.2018.05.02
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黑色页岩微裂缝发育控制因素——以长宁双河剖面五峰组—龙马溪组为例
董大忠1,2,3, 施振生1,2,3, 孙莎莎1,2,3, 郭长敏1, 张晨晨4, 郭雯1,2,3, 管全中5, 张梦琪6, 蒋珊1, 张磊夫1,2,3, 马超1,2,3, 武瑾1,2,3, 李宁1,2,3, 昌燕1,2,3
1. 中国石油勘探开发研究院,北京 100083
2. 国家能源页岩气研发（实验）中心,河北廊坊 065007
3. 中国石油天然气集团有限公司非常规油气重点实验室,河北廊坊 065007
4. 中国石化石油勘探开发研究院,北京 100083
5. 中国石油大学（北京）,北京 102249
6. 北京大学地球与空间学院,北京 100871

联系作者简介：施振生（1976-）,男,安徽枞阳人,博士,中国石油勘探开发研究院高级工程师和院一级工程师,主要从事细粒沉积学地质理论技术研究及勘探生产实践等工作。地址：河北省廊坊市万庄镇44号信箱,邮政编码：065007。E-mail：shizs69@petrochina.com.cn

第一作者简介：董大忠（1962-）,男,四川广元人,博士,中国石油勘探开发研究院教授级高级工程师,主要从事油气资源与发展战略、页岩气地质理论技术及勘探生产实践等方面研究工作。地址：河北省廊坊市万庄镇44号信箱,邮政编码：065007;北京市海淀区学院路20号910信箱,邮政编码：100083。E-mail：ddz@petrochina.com.cn

收稿日期: 2018-03-05
基金项目: 国家自然科学基金项目“晚三叠世四川盆地不同类型三角洲内部构型及成因模式”（41572079）; 国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”（2017ZX05035-001）
摘要

以长宁双河剖面奥陶系五峰组—志留系龙马溪组为例,重点讨论黑色页岩微裂缝发育控制因素及页岩气储集层“甜点段”微裂缝成因。针对目标层段,开展了203块大薄片、203块小薄片、110块 TOC样品、110块X-衍射全岩和103块主微量样品测定与分析。结果表明,黑色页岩微裂缝分为顺层缝和非顺层缝,顺层缝多为层面滑移缝、页理缝和构造雁列缝,非顺层缝主要为剪切缝和拉张缝。纵向上,龙马溪组SLM1段微裂缝密度最高,SLM2段至SLM5段微裂缝密度逐渐降低,五峰组微裂缝密度最低。微裂缝密度与黑色页岩硅质含量正相关、与碳酸盐矿物含量负相关,黑色页岩颗粒越细微裂缝密度越大。微裂缝密度受控于生物成因硅含量,生物成因硅含量越高微裂缝密度越大,在应力作用下,微裂缝优先在细粒页岩的纹层界面处形成。区域性构造活动是龙马溪组页岩气储集层“甜点段”微裂缝形成的关键因素,成岩收缩是页理缝形成的重要动力,生烃增压是微裂缝大量发育主要原因。图14参37

关键词: 微裂缝; 有机质含量; 纹层; 岩性; 黑色页岩; 志留系龙马溪组; 奥陶系五峰组; 四川盆地
中图分类号:TE122 文献标志码:A 文章编号:1000-0747(2018)05-0763-12
Factors controlling microfractures in black shale: A case study of Ordovician Wufeng Formation-Silurian Longmaxi Formation in Shuanghe Profile, Changning area, Sichuan Basin, SW China
DONG Dazhong1,2,3, SHI Zhensheng1,2,3, SUN Shasha1,2,3, GUO Changmin1, ZHANG Chenchen4, GUO Wen1,2,3, GUAN Quanzhong5, ZHANG Mengqi6, JIANG Shan1, ZHANG Leifu1,2,3, MA Chao1,2,3, WU Jin1,2,3, LI Ning1,2,3, CHANG Yan1,2,3
1. Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina, Beijing 100083, China
2. National Energy Shale Gas R&D (Experiment) Center, Langfang 065007, China;
3. CNPC Key Laboratory of Unconventional Oil & Gas Resources, Langfang 065007, China;
4. Sinopec Exploration & Production Research Institute, Beijing 100083, China;
5. China University of Petroleum, Beijing 102200, China
6. School of Earth and Space Science, Peking University, Beijing 100871, China
Abstract

The dominant factors controlling development of microfractures in the black shale and the origin of microfractures in the sweet spot intervals were discussed of the Ordovician Wufeng Formation-Silurian Longmaxi Formation in Shuanghe outcrop profile, Changning, Sichuan Basin. For the target interval, holographic photograph statistics of microscopic composition of 203 big thin sections and 203 small thin sections, TOC content of 110 samples, 110 whole rocks X-ray composition, and main trace elements of 103 samples were tested and analyzed. The results show that the microfractures include bedding microfractures and non-bedding microfractures. The bedding microfractures are mostly plane slip microfractures, lamellation microfractures and echelon microfractures. The non-bedding microfractures are largely shear microfractures and tension microfractures. Vertically, the density of microfractures is the highest in SLM1 Member of Longmaxi Formation, decreases from SLM2 Member to SLM5 Member gradually, and drops to the lowest in Wufeng Formation. The microfracture density is positively correlated with siliceous content and negatively correlated with the carbonate content. The finer the grain size of the black shale, the higher the density of the microfractures is. The microfracture density is controlled by biogenic silicon: the higher the content of biogenic silicon, the higher the micro-fracture density is. Under the effect of ground stress, microfractures appear first in the lamellar interfaces. Regional tectonic movements are the key factor causing the formation of microfractures in the sweet spot interval, diagenetic contraction is the main driving force for lamellation fractures, and pressurization due to hydrocarbon generation is the major reason for the large-scale development of microcracks.

Keyword: microfracture; TOC content; lamina; lithology; black shale; Silurian Longmaxi Formation; Ordovician Wufeng Formation; Sichuan Basin
0 前言

黑色页岩微裂缝不仅有助于游离态天然气聚集和吸附态天然气解吸[1], 而且是天然气运移、渗流的重要通道[2]。在储集层改造过程中, 微裂缝能降低起裂压力[2], 形成人造裂缝网络, 增大裂缝总体积, 从而提高单井产量和最终采收率[3]。中国南方奥陶系五峰组— 志留系龙马溪组（以下简称五峰组— 龙马溪组）页岩气资源丰富, “ 甜点区” 微裂缝控制“ 人造气藏” 的效果及单井产量高低[4, 5]。页岩微裂缝形成受控于区域构造作用[6]、页岩岩石组分[7]、页岩物性[8]、沉积成岩作用等[9]。在相同区域应力背景下, 有机质、石英、长石和碳酸盐等矿物含量是影响裂缝发育的重要因素[10, 11]。目前, 中国南方五峰组— 龙马溪组页岩微裂缝研究主要集中于水力裂缝扩展规律[12]、裂缝应力敏感性[13]、微裂缝扩展规律[14]、页岩微裂缝分布[15]等方面, 对微裂缝类型、纵向分布规律、形成主控因素及成因机制尚无系统认识。本文以长宁县双河（以下简称长宁双河）剖面五峰组— 龙马溪组黑色页岩为例, 分析微裂缝类型和纵向分布规律, 探讨其形成主控因素与成因机制, 以对海相页岩气富集机理研究和页岩气“ 甜点区” 优选提供理论基础和实践依据。

1 研究区概况和研究资料
1.1 研究区概况

长宁双河五峰组— 龙马溪组剖面位于四川盆地南部（见图1左）, 五峰组— 龙马溪组出露较为完整, 顶、底界限清楚, 五峰组与下伏宝塔组平行不整合接触（见图1右）, 龙马溪组与下伏五峰组整合接触, 五峰组— 龙马溪组岩性为大套富含笔石化石和有机质的黑色炭质页岩、黑色页岩及深灰色粉砂质页岩, 由五峰组底部至龙马溪组顶部笔石化石逐渐减少、有机质含量逐渐降低。通过系统综合的露头层序地层学和笔石化石地层学研究, 发现长宁双河剖面五峰组WF1— WF4共4个笔石化石带发育完整, 龙马溪组下部LM1和LM2共2个笔石化石带发育完整, 各笔石带发育1个至多个准层序组。

图1 长宁双河剖面位置及其地层综合柱状图

五峰组— 龙马溪组形成时期, 四川盆地受到来自南部的构造挤压。该时期扬子克拉通古板块进入前陆盆地构造演化阶段, 为半闭塞滞流海盆沉积环境, 盆地基底东南高、西北低, 海域自东南向西北逐渐变深[5]。

1.2 研究样品及分析方法

本次研究样品来自长宁双河剖面, 分析项目有连续岩石大样14 m、203块岩石大薄片、203块岩石小薄片、110块次有机碳含量（TOC）测定、110块次全岩X-衍射测定和103块次主微量元素测试（见图2）, 取样层段为五峰组SWF4段至SWF8段及龙马溪组SLM1段至SLM5段。SWF1段至SWF2段岩层露头过于破碎, 仅顶部取样, 龙马溪组上部SLM5及以上地层有机质含量低、为非页岩气产层, 未作为研究层段取样。取样中, 先用岩石切割机由下至上（SWF4— SLM5）连续切取2份宽度约10 cm、厚度约5~10 cm的露头岩石样品14 m, 并按钻井取心方式标注位置（顺序）、方向和长度; 然后, 将其中一份按7 cm（宽）× 5 cm（厚）标准制成抛光大样直接观察。另一份采用等间距、一一对应方式分割取样, 制作5 cm× 7 cm标准岩石大薄片203块、1 cm× 1 cm标准岩石小薄片203块。大薄片用德国Leica4500P高精度显微镜观察, 小薄片采用普通光学显微镜观察。采集110块TOC样品、110块全岩X-衍射样品和103块主微量元素样品, 其中TOC样品质量大于100 g, 全岩X-衍射样品质量大于20 g, 主微量元素样品质量大于200 g。TOC值测量采用总有机碳分析仪、全岩X-衍射测试采用X射线衍射仪、主微量元素测定采用元素检测仪, 所有实验均在国家能源页岩气研发（实验）中心完成。

图2 长宁双河剖面五峰组— 龙马溪组取样位置

微裂缝研究分为岩石大样精细测量研究和大薄片数据采集与分析2个阶段。岩石大样精细测量研究首先垂直层理面将露头采集的样品切割成7 cm（宽）× 5 cm（厚）长方体, 然后依次用120号、320号和400号金刚砂将岩石大样表面打磨至粒径0.080 mm、0.050 mm和0.032 mm, 再次用粒径为7 μ m和3 μ m的金刚砂微粉将岩石大样表面进一步打磨至粒径0.031 mm和0.030 mm, 最后再用抛光剂在抛光机上对岩石大样表面抛光。这些工作完成之后, 采用Itrax岩心XRF扫描仪对岩石大样连续扫描, 应用Adobe Photoshop CS5及以上版本图形处理软件对扫描照片拼接和处理, 要求亮度和对比度合适。最后, 以拼接处理后的照片为基础, 对目标层段由下至上统计微裂缝类型及数量。

203块岩石大薄片全部用于开展全薄片数据采集、拼接和裂缝研究。全薄片数据采集选用德国Leica4 500 P显微高精度数字平台, 用20× 10倍镜头, 将5 cm× 7 cm标准大薄片分割成645列× 460行, 在数字平台上利用正交光开展蛇形图像采集, 每张大薄片采集图像3 200张。图像采集过程中, 选取对角线（或者“ 十” 字, 或者“ 井” 字, 甚至网格）的视域进行对焦, 数字平台会自动记录焦距（Z值）, 在拍照未对焦的视域时会自动调整焦距, 采集过程无需人工调整Z轴焦距。最后, 利用Photoshop软件在高配置工作站上对采集的3 200张图像开展无缝拼接, 完成全薄片数据拼接。在所有大薄片的全薄片拼接工作完成之后, 观察每块薄片微裂缝类型和特征, 统计不同类型微裂缝数量, 并结合TOC值和X-衍射全岩数据来分析不同微裂缝形成主控因素及成因机理。

2 研究结果
2.1 微裂缝类型与分布

按照微裂缝与层理面的位置关系, 五峰组— 龙马溪组的微裂缝可分为顺层缝和非顺层缝。顺层缝与层理面平行或倾角小于15° , 呈直线状或雁列状分布, 硅质充填, 主要为层面滑移缝（见图3a）、页理缝（见图3b、3e）和构造雁列缝（见图3c）。层面滑移缝分布于细粒页岩中, 呈束状, 长度大于2 mm; 页理缝发育于纹层界面处, 多为平直断续状, 长度大于2 mm; 构造雁列缝多发育于细粒页岩中, 长度小于2 mm, 雁列状分布。非顺层缝与层理面相交（见图3d）或垂直于层理面（见图3b）, 硅质充填, 按其形态可进一步细分为剪切缝（见图3d）和拉张缝（见图3b、3f）。剪切缝长度大于2 mm, 倾角为15° ~45° , 拉张缝长度大于2 mm, 与层面近于垂直。五峰组顺层缝多以层面滑移缝和构造雁列缝为主, 龙马溪组顺层缝多以页理缝为主。五峰组— 龙马溪组非顺层缝多切穿顺层缝（见图3b、3f）或在顺层缝位置的倾角发生错动。

图3 长宁双河剖面五峰组— 龙马溪组典型微裂缝特征
（a）层面滑移缝; （b）页理缝和非顺层缝, 非顺层缝切穿页理缝并构成网状缝; （c）构造雁列缝; （d）非顺层缝, 与层理面相交; （e）页理缝, 与层面低角度相交; （f）高角度微裂缝切穿顺层缝

长宁双河剖面龙马溪组微裂缝密度较高, 五峰组相对较低（见图4）。纵向上, 龙马溪组顺层缝密度为0~20条/mm, 非顺层缝为0~43条/mm, 微裂缝密度总平均值为0~57条/mm。五峰组顺层缝密度为0~10条/mm, 非顺层缝为0~13条/mm, 微裂缝密度总平均值为0~15条/mm。龙马溪组内部, SLM1段微裂缝密度最高（见图4）, 顺层缝平均值为10条/mm, 非顺层缝平均值为14条/mm, 微裂缝总平均值为25条/mm。SLM2段顺层缝发育, 密度平均值达6.6条/mm, 非顺层缝密度相对降低, 平均值为2.6条/mm, 微裂缝总平均值为9条/mm。向上SLM3— SLM5段微裂缝密度逐渐较低, 顺层缝平均值为1.6条/mm, 非顺层缝平均值为4.2条/mm, 微裂缝总平均值为5.8条/mm。五峰组内部, SWF4段裂缝密度最大, SWF5— SWF6段次之, SWF7— SWF8段最小。其中SWF4段顺层缝密度平均值为2.7条/mm, 非顺层缝平均值为3.8条/mm, 裂缝总平均值为6.5条/mm。SWF5— SWF 6段顺层缝密度平均值为3.7条/mm, 非顺层缝平均值为2.2条/mm, 裂缝总平均值为6条/mm。

图4 长宁双河剖面微裂缝密度纵向分布

龙马溪组内部SLM1段至SLM5段微裂缝特征差异明显。SLM1段顺层缝和非顺层缝都十分发育, 在空间上构成微裂缝网络（见图5a）; SLM2段顺层缝发育, 非顺层缝明显减少（见图4、图5b）; SLM3— SLM5段顺层缝和非顺层缝数量都进一步减少（见图5c）, 裂缝总数也大幅度减少（见图4）。

图5 长宁双河剖面龙马溪组SLM1— SLM5段微裂缝类型及特征

2.2 有机质含量与分布

110块页岩样品TOC值测试结果（见图6）表明, 长宁双河剖面五峰组— 龙马溪组TOC值为1.7%~12.0%, 平均值为5.6%。龙马溪组TOC值高, 为3.9%~12.0%, 平均值为7.9%, 五峰组TOC值低, 为1.7%~8.3%, 平均值为4.9%。龙马溪组内部, SLM1段TOC值最高, 为5.6%~12.0%, 平均值为9.6%, SLM2段至SLM5段TOC值逐渐降低, 为3.9%~7.6%, 平均值为5.2%。五峰组内部, 由SWF4段至SWF6段, TOC值由1.7%增大至8.3%, SWF6段TOC值达到最大。SWF7段之后, TOC值逐渐降低, 在五峰组顶部降至2.0%。

图6 长宁双河剖面五峰组— 龙马溪组TOC值纵向分布

龙马溪组TOC值与裂缝密度正相关, 五峰组裂缝密度与TOC值负相关（见图7）。龙马溪组TOC值小于2%时, 裂缝密度极低, 当TOC值大于2%时, TOC值越高, 裂缝密度越大, 当TOC值达到9%时, 裂缝密度最高达到60条/mm。五峰组TOC值为2%~8%, 裂缝密度为小于12条/mm, 随着TOC值增大, 裂缝密度明显降低。

图7 长宁双河剖面五峰组— 龙马溪组裂缝密度与TOC关系图

2.3 层特征与分布

203块页岩样品大薄片鉴定及全息照相结果（见图8）显示, 长宁双河剖面五峰组— 龙马溪组黑色页岩层按清晰性可划分出不清晰、欠清晰、较清晰和清晰4种层类型[16]。块状不清晰层（见图8a）发育在五峰组顶部, 由中粒页岩和粗粒页岩组成, 内部呈块状。欠清晰层（见图8b）分布于五峰组中部和下部, 由中粒页岩组成, 内部纹层界面较模糊, 多呈板状、连续、平行状分布, 多个纹层纵向上可构成正递变粒序、反递变粒序和均质状粒序[17]。较清晰层（见图8c）分布于龙马溪组下部, 由细粒页岩组成, 内部可见暗纹层与亮纹层互层, 纹层界面较清晰, 断续、板状、平行状分布, 暗纹层相对较厚, 可构成正递变粒序、反递变粒序或均质状粒序; 亮纹层相对较薄, 与暗纹层构成互层。清晰层（见图8d）分布于龙马溪组中、上部, 内部为暗纹层和亮纹层互层, 亮纹层厚度相对于较清晰层明显增大, 界面清晰, 呈板状或波状、连续、平行状分布, 界面多突变接触。

图8 长宁双河剖面五峰组— 龙马溪组层类型及特征
（a）不清晰层; （b）欠清晰层; （c）较清晰层; （d）清晰层

不同类型层的微裂缝密度存在差异（见图9）。较清晰层的微裂缝密度最高, 平均值达到12.4条/mm, 清晰层的次之, 裂缝密度为8.6条/mm。块状不清晰层的微裂缝密度进一步减小, 仅5.2条/mm。欠清晰层的微裂缝密度最低, 仅4.6条/mm。由于层状介质间力学性能差异, 导致层界面处易产生剪切应变, 致使裂缝扩展转向, 界面处产生的剪切变形越大, 微裂缝偏转的角度越大[18]。

图9 长宁双河剖面五峰组— 龙马溪组层类型（a）及页岩粒度类型（b）与微裂缝密度关系图

2.4 矿物含量与分布

110块页岩样品全岩X-衍射测试结果（见表1）表明, 长宁双河剖面五峰组— 龙马溪组页岩硅质含量14%~75%, 平均值为42.5%; 碳酸盐矿物（方解石和白云石）含量5.4%~72.5%, 平均值为37.0%; 黏土矿物含量7%~32%, 平均值为20.5%; 长石含量为1%~9%, 平均值2.95%。龙马溪组页岩硅质含量为32%~75%, 平均值为57%; 碳酸盐矿物含量5%~49%, 平均值为22%; 黏土矿物含量13%~31%, 平均值为21%。五峰组页岩硅质含量14%~71%, 平均值为37.5%; 碳酸盐矿物含量14%~73%, 平均值为42.6%; 黏土矿物含量7%~32%, 平均值为19.9%。五峰组与龙马溪组相比, 后者页岩硅质含量高, 碳酸盐矿物含量低, 黏土矿物含量相近。

四川盆地焦石坝页岩气田五峰组— 龙马溪组页岩硅质含量为44.4%, 碳酸盐矿物含量为9.7%, 黏土矿物含量为34.6%[19]; 威远页岩气田五峰组— 龙马溪组黑色页岩硅质含量为49%, 碳酸盐矿物含量为2.5%, 黏土矿物含量为24%。北美Fort Worth盆地密西西比系Barnett页岩硅质含量为45%, 碳酸盐矿物含量为8%, 黏土矿物含量为27%[2]。长宁双河剖面五峰组— 龙马溪组页岩与焦石坝、威远及Barnett的页岩相比, 硅质含量总体相近, 碳酸盐矿物含量偏高, 黏土矿物含量偏低。

龙马溪组SLM1段黑色页岩硅质含量最高（见图10）, 平均值为63%, 碳酸盐矿物含量最低, 平均值为14%。SLM2至SLM5段硅质含量逐渐降低, 平均值只有47%, 碳酸盐矿物含量逐渐增加, 平均值为34%。五峰组SWF5段下部硅质含量最高, 最大值为71%, 向上和向下降低, 碳酸盐矿物含量最低, 最小值为14%, 向上和向下升高。依据Lazar等划分标准[20], 采用刻痕法对页岩粒度进行了初步判定, 长宁双河剖面五峰组SWF4段和龙马溪组SLM1段以细粒页岩为主, 其他层段为中粒页岩和粗粒页岩。

图10 长宁双河剖面五峰组— 龙马溪组矿物含量、层类型及微裂缝密度综合图

龙马溪组和五峰组黑色页岩微裂缝密度均与硅质含量正相关（见图11、图12）, 与碳酸盐矿物含量负相关。龙马溪组硅质含量低于30%时, 微裂缝密度为零, 当硅质含量高于30%, 硅质含量越高, 微裂缝密度越大, 当硅质含量达到70%时, 微裂缝密度达到60条/ mm。当碳酸盐矿物含量为10%时, 微裂缝密度为60条/mm, 而当碳酸盐矿物含量为50%时, 微裂缝密度几乎为零。五峰组硅质含量低于30%时, 微裂缝密度为零, 当硅质含量高于30%时, 微裂缝密度为1~13条/ mm; 碳酸盐矿物含量集中分布于30%~50%, 微裂缝密度为0~14条/mm。

图11 长宁双河剖面龙马溪组微裂缝密度与SiO2含量（a）、碳酸盐矿物含量（b）关系图

图12 长宁双河剖面五峰组裂缝密度与SiO2含量（a）、碳酸盐矿物含量（b）关系图

五峰组— 龙马溪组黑色页岩颗粒越细, 微裂缝密度越大（见图9）。细粒页岩微裂缝密度最高, 平均值为22.5条/mm, 中粒页岩微裂缝密度次之, 平均值为6.5条/mm, 粗粒页岩微裂缝密度最小, 为5.5条/mm。

3 讨论
3.1 微裂缝发育主控因素

四川盆地五峰组— 龙马溪组硅质矿物主要为生物来源, 少量为陆源碎屑成因。103块样品的主微量元素分析发现, 龙马溪组Zr含量与SiO2含量呈负相关关系（见图13）, 五峰组Zr含量与SiO2含量整体也呈负相关关系, 仅SWF7— SWF8段有少量样品呈正相关关系。硅酸盐沉积物中Zr主要来源于陆源造山带, 陆源成因沉积物中Zr含量多与SiO2含量呈正相关关系。鉴于五峰组— 龙马溪组Zr含量与SiO2含量呈负相关关系, 推测该时期硅质矿物多为生物成因。同时, 前人通过岩石薄片中石英赋存状态、微量元素统计及过量硅含量的研究也认为, 五峰组— 龙马溪组页岩中硅质矿物成分主要属于生物成因[21, 22], 沉积时期水体中生活的硅质海绵和放射虫等硅质生物大量死亡堆积[16], 形成高硅质含量和高TOC值黑色页岩。

图13 长宁双河剖面五峰组— 龙马溪组Zr-SiO2含量关系图

生物成因硅含量决定微裂缝密度, 生物成因硅含量越高微裂缝密度越大。五峰组— 龙马溪组黑色页岩微裂缝密度与硅质含量正相关, 硅质含量越高微裂缝密度越大。美国Fort Worth盆地密西西比系Barnett页岩及Arkama被动大陆边缘盆地泥盆系Woodford页岩硅质矿物均主要为生物来源[7], 其微裂缝网络发育; 而Appalachian盆地泥盆系Ohio组炭质页岩及Michigan克拉通盆地泥盆系Antrim组黑色页岩的硅质主要为陆源碎屑成因, 故仅发育高角度天然裂缝、微裂缝不发育。3种原因造成生物成因硅含量越高, 微裂缝越发育。第一种, 生物成因硅基质孔发育, 有机质含量高（见图14）, 有机质在成岩演化过程中会发生转化, 造成孔隙度增加[23], 从而使岩石的抗压和抗张强度降低, 有利于微裂缝发育[11, 24]。第二种, 生物成因硅中的大量有机质在成岩转化过程中生烃, 会造成孔隙压力增大, 当压力突破岩石的抗张强度时, 会形成大量微裂缝。第三种, 在相同应力条件下, 硅质页岩泊松比低、杨氏模量大、抗张强度小, 易形成微裂缝[25], 且富有机质页岩具有较低的粘聚力和内摩擦角, 在区域水平挤压或引张应力作用下, 更易沿层理面发生剪切破裂, 形成低角度滑脱裂缝[26]。同时, 富含硅质的黑色页岩比富含方解石的页岩脆性大[27], 在矿物总量一定的情况下, 方解石含量高, 硅质含量就低, 微裂缝密度将降低。

图14 长宁双河剖面龙马溪组TOC含量与SiO2含量（a）及碳酸盐矿物含量（b）关系图

细粒页岩中页理面是微裂缝发育的关键部位。黑色页岩粒度越细, 其黏土矿物含量越多, 石英、长石和碳酸盐等脆性矿物越少, 在区域水平挤压或引张应力作用下, 越容易沿页理面发生剪切破裂, 形成低角度滑脱裂缝。页岩地层可分为纹层、纹层组、层、层组、准层序、体系域和层序7个单元[28], 各地层单元界面上下由于岩性、结构、构造等性质存在差异, 从而构成力学性质上的薄弱面。在外力及成岩演化过程中, 地层单元界面上下会造成应力集中, 从而易剥离形成页理或产生顺层缝[24]。相对于纹层界面和纹层组界面, 层界面力学性质更弱, 更易成为微裂缝发育的关键界面。五峰组— 龙马溪组层间页理缝张开度一般较小, 多数被硅质完全充填。

3.2“ 甜点段” 微裂缝成因

勘探实践证实, 长宁地区龙马溪组SLM1段具有页理和纳米孔隙发育、TOC和脆性矿物含量高、含气性好、物性好、微裂缝网络发育等特点[4, 29], 是该地区页岩气勘探开发的“ 甜点段” 。

区域性构造活动是龙马溪组页岩储集层“ 甜点段” 微裂缝形成关键因素。前人研究表明, 长宁地区龙马溪组页岩先后经历了加里东期、海西期、印支期、燕山期和喜马拉雅期构造运动, 地层表现为多期次挤压、抬升、剥蚀和变形[30]。一方面在构造挤压期间, 构造应力在产生一系列大型垂直缝和斜交缝的同时, 还会形成大量顺层缝、非顺层缝、滑移缝和构造雁列缝等微裂缝, 从而形成相对发育的裂缝网络。另一方面在抬升、剥蚀期间, 由于页岩中孔隙流体渗流不畅, 部分原始压力得以保存。岩层在上升剥蚀卸压过程中, 岩石流体发生回弹, 造成压力变化, 这种变化与岩石、流体的力学性质有直接关系[31]。相对于砂岩, 泥页岩压缩系数更大, 特别是成岩阶段中后期泥页岩回弹能力较成岩阶段初期更弱。较大的压缩系数及较弱的回弹能力造成原始地层压力在抬升剥蚀后仍得以保存, 在空间上易形成异常压力, 从而有利于微裂缝形成。

成岩收缩是页理缝形成的重要动力。成岩演化早期, 矿物由于脱水、收缩及矿物相变, 造成岩石体积和结构变化, 从而形成成岩收缩缝。成岩收缩缝多沿纹层面发育, 被后期硅质充填或半充填。成岩演化后期, 区域构造拉张造成五峰组— 龙马溪组发育近垂直于层面的张裂缝, 非顺层缝切穿顺层缝, 并被后期硅质充填。

生烃增压和强成岩收缩是页岩储集层“ 甜点段” 微裂缝大量发育的主要原因。有4方面证据：①“ 甜点段” 黑色页岩TOC值高, 平均值为7.9%, Ro值为2.50%~3.98%[4], 有机质达到成熟— 过成熟演化阶段, 具备大量生烃的物质基础和条件; ②页岩储集层“ 甜点段” 黑色页岩页理发育, 垂向渗透率远低于侧向渗透率[32], 能对烃类物质赋存形成有效封盖; ③生烃高峰期页岩储集层“ 甜点段” 黑色页岩仍处于深埋期, 且邻区未出露地层明显表现出超压, 压力与TOC值和页岩含气性呈正相关关系[33]; ④微裂缝密度与TOC值、硅质含量均呈正相关关系, 且TOC值与硅质含量也具正相关性（见图14）、与碳酸盐矿物含量具负相关性, 由SLM1段到SLM5段, 随着TOC值、硅质含量的不断降低, 微裂缝密度也相应逐渐降低。

有机质在埋藏过程中, 随着埋深加大、地层温度升高, 有机质生烃造成地层压力增大[34]。同时, 由于上下地层物性较差[35], 油气不能运移出去或只能部分运移出去, 从而形成异常高孔隙流体压力。异常高孔隙流体压力一方面降低了泥岩颗粒之间摩擦系数, 使岩石强度降低, 另一方面改变了岩石发生破裂时的有效应力场, 促使破裂产生。前人研究表明, 当脆-弹性岩石孔隙充满流体时, 岩体承受着总应力场和有效应力场, 当孔隙流体压力增加到一定程度时, 有效应力场导致岩石剪切破裂或张性破裂, 在异常高孔隙流体压力层段主要产生张裂缝, 而静水压力带在构造应力作用下仅产生剪裂缝[36, 37]。“ 甜点段” TOC值高, 生烃过程产生的高异常压力导致黑色页岩张性破裂, 形成高密度裂缝网络体系。同时, 高硅质含量导致成岩过程中易发生收缩形成与层面平行裂缝[24]。由SLM1段到SLM5段, 随着TOC值和硅质含量降低, 生烃增压和成岩收缩微裂缝密度相应减少。

4 结论

长宁双河剖面五峰组— 龙马溪组发育顺层缝和非顺层缝两类微裂缝, 微裂缝多沿纹层界面分布。龙马溪组微裂缝密度高于五峰组, 龙马溪组内部, SLM1段微裂缝密度最高, SLM2段至SLM5段逐渐降低。细粒页岩微裂缝密度大, 中粒页岩和粗粒页岩微裂缝密度较小, 较清晰层微裂缝密度最高, 清晰层次之, 不清晰层和欠清晰层最小。微裂缝密度与硅质含量正相关, 与碳酸盐矿物含量负相关, 黑色页岩颗粒越细, 微裂缝密度越大。微裂缝密度受控于生物成因硅含量, 生物成因硅含量越高, 微裂缝密度越大, 在应力作用下, 微裂缝优先在细粒页岩中纹层界面处形成。区域性构造活动是龙马溪组页岩储集层“ 甜点段” 微裂缝形成关键因素, 成岩收缩是页理缝的形成重要动力, 生烃增压是微裂缝大量发育主要原因。

致谢：项目研究过程中, 中国石油勘探开发研究院的梁萍萍、邱振和卢斌在样品采集过程中给予很大的帮助, 在此一并感谢。

The authors have declared that no competing interests exist.

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