1. 引言
在北美页岩气革命取得重大突破之后，我国页岩气勘探在借鉴其成功经验后也进入了快速发展阶段，页岩气是我国清洁能源发展最重要的接替领域。目前四川盆地南部中浅层页岩气已实现勘探开发突破并建成页岩气商业开发区，页岩气勘探开发工作正向川南地区中部泸州、渝西等深层页岩气区推进，四川盆地南部渝西地区五峰组–龙马溪组富有机质泥页岩较为发育[1]-[3]，页岩储层资源丰富且具有良好的开发潜力。五峰组–龙马溪组埋藏普遍较深，断层和裂缝系统复杂多样，发育差异明显，这对页岩气的富集和保存条件具有重要的影响，天然裂缝的存在不仅可以作为页岩气富集过程中的重要载体，同时对后续水力压裂的开展均起着重要的作用[4]-[6]。
目前已有众多学者对天然裂缝的发育特征和主控因素开展了相应的研究[7]-[10]，例如通过岩心观察与成像测井对天然裂缝的类型进行划分，或者通过岩心观察统计天然裂缝发育的程度，但由于资料获取的限制，对于天然裂缝发育的主控因素认识尚存在不足。四川盆地南缘渝西地区作为上扬子地台关键构造单元，发育完整的五峰组–龙马溪组海相页岩层系。该套地层具有“三高”特征：高有机质丰度(TOC 2.5%~6.8%)、高热演化程度(Ro 2.3%~3.5%)、高脆性矿物含量(40%~65%)，为页岩气生成和储集提供了理想的地质载体，然而深层地质条件的复杂性显著增加，具体表现为：构造埋深差异导致地应力场呈现垂向分异，导致本地区的天然裂缝主控因素尚不明确，因此本文以四川盆地渝西地区五峰组–龙马溪组为例，通过岩心观察与成像测井对天然裂缝发育特征进行定量统计，并结合沉积与构造作用分析结果，系统分析本地区天然裂缝的主控因素。
2. 地质背景
四川盆地经历了多期构造运动，属于叠合类型盆地，该盆地的构造分区以及构造分带现象较为明显，可以分为川中低缓褶皱区、川西低陡褶皱区、川南低陡褶皱带和川东高陡褶皱区，渝西区块处于川南低陡褶皱带的东北部区域，渝西区块在构造上呈现出由北向南发育雁行排列的梳状背斜构造，整体表现为“堑垒相间”的构造特征，发育高陡背斜和狭窄向斜。
渝西区块断层呈北东走向，其中大规模3条，中等规模断层9条，大规模断层主要位于西山构造的西部位置以及沥鼻峡构造–西温泉构造的两侧位置处，中等规模断层主要处于西山构造的东部位置以及西温泉构造的西部位置处。五峰组上覆于临湘组泥质灰岩，主要岩性为介壳页岩、含钙页岩及钙质页岩；龙马溪组上覆于五峰组，主要发育钙质页岩、含粉砂页岩、粉砂质页岩，自下而上粉砂质含量逐渐增多。页岩气储层在地应力的作用下，在储层内形成多种类型的天然裂缝，这些天然裂缝也属于页岩气资源的重要储集空间(图1)。
Figure 1. Geological map of the study area
图1. 研究区域的地质图
3. 天然裂缝发育特征
3.1. 天然裂缝类型
五峰组–龙马溪组天然裂缝类型多样，岩心观察结果显示，本地区天然裂缝主要可以分为层理缝与构造缝两种类型，其中构造缝主要为高角度型裂缝，且裂缝面较为平整，延伸长度较大，裂缝长度一般在0.5~1.5 m左右，缝宽较小，多在1~1.5 m左右，裂缝内部常见方解石和黄铁矿充填(图2)。
3.2. 天然裂缝发育特征
龙马溪组自下至上可以分为1亚段与2亚段，其中1亚段内部自下至上进一步细分为1~4小层，岩心观察显示，研究区五峰组–龙马溪组天然裂缝垂向发育规律存在差异，整体上龙马溪组一亚段1小层
Figure 2. Types of natural fractures at core scale. (a) High-angle seam (b) High-angle joints, filled with calcite; (c) High-angle joint, filled with calcite; (d) Bedding joint, filled with calcite; (e) Bedding joints, filled with pyrite and calcite; (f) Develop multi-stage fractures, filled with calcite; (g) Develop multi-stage fractures, filled with calcite
图2. 岩心尺度天然裂缝类型。(a) 高角度缝；(b) 高角度缝，方解石充填；(c) 高角度缝，方解石充填；(d) 层理缝，方解石充填；(e) 层理缝，黄铁矿与方解石充填；(f) 发育多期裂缝，方解石充填；(g) 发育多期裂缝，方解石充填
天然裂缝发育程度弱于五峰组，其中龙马溪组1亚段1小层天然裂缝数量为78条，密度为2.75条/m，五峰组天然裂缝数量为196条，密度为3.9条/m，平面上各井天然裂缝发育程度非均质较强，Z5井五峰组天然裂缝发育密度可达到12条/m，Z3井五峰组天然裂缝发育密度仅为2.1条/m (图3，图4)。
Figure 3. Shows the histogram of the number of natural fractures observed in the cores of each well
图3. 各井岩心观察天然裂缝条数直方图
Figure 4. Shows the histogram of natural fracture density observed in the cores of each well
图4. 各井岩心观察天然裂缝密度直方图
成像测井技术是一种用于获取井壁图像的测井技术，相较于岩心宏观裂缝描述和统计，成像测井的优势在于能直观显示裂缝的走向及倾向方位，精确计算裂缝倾角的大小。根据成像测井对本地区天然裂缝参数特征进行统计，成像测井结果表明，研究区普遍发育层理缝与构造缝，其中构造缝可以进一步细分为高导缝与高阻缝(图5)，不同类型的天然裂缝在成像测井上具有不同的显示特征，层理缝张开度一般较小，在图像上显示为低角度暗色或亮色正弦线条特征，高导缝在成像测井图上呈黑色高电导异常，特征主要表现为类似正弦曲线的暗色，高阻缝由于被硅质、钙质、云质等高阻物质填充，在图像上呈高角度亮色正弦线。
Figure 5. Natural fracture imaging logging identification
图5. 天然裂缝成像测井识别
基于成像测井的天然裂缝识别结果，对研究区五峰组–龙马溪组天然裂缝的类型与发育特征进行统计，统计结果表明，由五峰组向龙马溪组自下至上天然裂缝密度逐渐减小，其中五峰组成像测井识别天然裂缝密度平均为2.31条/m，龙一段2亚段天然裂缝密度平均为1.12条/m，在五峰组内部，天然裂缝密度自下至上呈现逐渐增大的特征，其中五峰组上部天然裂缝密度平均为2.51条/m，而龙一段1亚段内部，自下至上天然裂缝密度逐渐减小，其中1小层天然裂缝密度平均为2.24条/m，主体开发层段中，五峰组上部裂缝最为发育。研究区普遍发育层理缝与构造缝，其中层理缝最为发育，占比约88%，在裂缝倾角方面，研究区由于以层理缝为主，因此裂缝倾角范围主要集中在0˚~10˚，占比约52%，而裂缝倾角大于40˚的占比不足5% (图6)。
4. 天然裂缝发育控制因素分析
针对研究范围内不同位置的七口井的岩心观察与成像测井所识别的天然裂缝发育特征进行统计分析，开展天然裂缝发育的主控因素分析。
Figure 6. Development characteristics of natural fractures in imaging logging. (a) Histogram of fracture density in the Longyi sub-segment-Wufeng Group; (b) Histogram of natural fracture density in each small layer of the Long-1 subsection and the Wufeng Group; (c) Histogram of natural fracture angles
图6. 成像测井天然裂缝发育特征。(a) 龙一亚段–五峰组裂缝密度直方图；(b) 龙一1亚段各小层与五峰组天然裂缝密度直方图；(c) 天然裂缝角度直方图
4.1. 构造作用对天然裂缝的影响
构造作用是影响天然裂缝的重要因素，本地区受多期构造运动叠加改造的影响，断裂发育位置一定程度上控制着天然裂缝的发育情况，结合各井岩成像测井天然裂缝统计结果与距离断裂带的距离进行相关性分析，结果表明天然裂缝发育程度与距离断层距离呈现良好的对数相关关系，距离断裂越近，天然裂缝发育密度越大(图7)，因此断层的发育部位一定程度上决定了天然裂缝的发育规模。
Figure 7. Correlation graph of natural fracture density and distance from faults
图7. 天然裂缝密度与距断层距离相关性图
4.2. 沉积作用对天然裂缝的影响
沉积作用影响着岩石的成分和结构，而不同的岩石结构会影响天然裂缝的形成，岩相是反映沉积环境岩性的重要特征，不同岩相在储层性质与天然气储集运移能力等方面存在较大差异，可以体现泥页岩中不同沉积结构特征、矿物组分和有机质含量[7] [8]。本次针对五峰组–龙马溪组页岩气储层岩相的划分以页岩的矿物组分以及TOC的含量大小为主要依据。通过TOC含量分析及X射线衍射全岩矿物检测对样品岩相从2个维度进行划分(表1)：通过有机碳含量TOC将页岩划分为中高有机质类(TOC ≥ 3.0%)、中有机质类(2.0% ≤ TOC < 3.0%)、贫有机质类(TOC < 2.0%)；通过矿物组分含量将页岩分为硅质页岩(黏土矿物含量小于50%，硅质矿物含量大于50%)、混合质页岩(黏土矿物含量小于50%，硅质矿物含量小于50%)与粘土质页岩(粘土矿物含量大于50%，硅质矿物含量小于50%)。
(a)
(b) (c)
Figure 8. Shows the lithofacies division map of the Wufeng Formation-Longmaxi Formation shale in the Sichuan Basin
图8. 四川盆地五峰组–龙马溪组页岩岩相划分图版
根据有机质含量与硅质、粘土、碳酸盐岩矿物的组合关系，可将研究区五峰组–龙马溪组主要岩相类型划分为以下6种：高含量硅质矿物与不同TOC含量组合的富有机质、中有机质、贫有机质硅质页岩，高含量粘土矿物与低含量TOC组合的贫有机质黏土质页岩，硅质、粘土、碳酸盐岩矿物与中低含量TOC混合的中有机质、贫有机质混合质页岩(图8)。
根据岩心统计的天然裂缝发育条数与矿物组分之间的相关性分析发现，本地区五峰–龙马溪组裂缝的发育程度与脆性矿物指数含量呈一定的正相关关系(图9(a))，脆性矿物含量越高，天然裂缝密度越大，与黏土矿物含量呈负相关的关系表明，黏土矿物含量越高，天然裂缝密度越小。在岩相类型上，在岩相类型中硅质页岩由于其脆性矿物含量较高，往往天然裂缝密度较大，因此天然裂缝密度较大的部位主要集中在中有机质与富有机质硅质页岩岩相类型中。
Figure 9. The influence of sedimentation on natural fractures. (a) The correlation between brittle mineral content and natural fracture density; (b) Correlation between clay mineral content and natural fracture density; (c) Comprehensive bar chart of Well A1
图9. 沉积作用对天然裂缝的影响。(a) 脆性矿物含量与天然裂缝密度的相关性；(b) 粘土矿物含量与天然裂缝密度的相关性；(c) A1井综合柱状图
5. 结论
1) 渝西地区五峰组–龙马溪组天然裂缝类型主要包括层理缝、高导缝、高阻缝。其中层理缝最为发育。裂缝倾角的最大范围主要集中于0˚~10˚。
2) 渝西地区天然裂缝发育程度主要受构造作用与沉积作用控制，距离断裂越近，天然裂缝发育密度越大，脆性矿物含量越高，天然裂缝密度越大，黏土矿物含量越高，天然裂缝密度越小。