川东南永川地区龙马溪组页岩储层构造裂缝特征及期次演化研究

Study on tectonic fracture characteristics and stage evolution of Longmaxi shale reservoir in Yongchuan, southeastern Sichuan Basin

摘要

天然裂缝发育特征和形成期次对川东南复杂构造区页岩气成藏具有重要意义,且对页岩储层压裂改造效果及高产的控制作用明显。目前对川东南远离盆缘的深层页岩气区块内不同力学成因天然裂缝的特征及形成演化尚缺乏系统研究,制约了盆内深层页岩气的高效勘探开发。基于野外露头、钻井岩心、薄片、地球化学测试及磷灰石定年等资料对永川地区龙马溪组页岩储层构造裂缝特征及形成期次开展了研究。结果表明,龙马溪组页岩主要发育构造成因的中高角度剪切缝,低角度顺层滑脱裂缝和垂直张性缝,此外岩心上可见有非构造成因的层理缝、生烃超压缝以及位于主干断裂部位的热液溶蚀缝。纵向上受矿物组成影响裂缝发育程度由深至浅逐渐降低,平面上受构造影响,在背斜核部或翼部陡坡区裂缝密集发育高角度、组系优势明显且纵向贯穿程度大的裂缝,而平缓区发育低角度、小尺度且组系杂乱的裂缝。研究区裂缝先后经历了燕山晚期—喜马拉雅早期(86~47 Ma)、喜马拉雅中期(47~24 Ma)、喜马拉雅晚期至现今(24 Ma至现今)3期构造运动而形成,不同演化阶段的裂缝发育和充填特征差异明显。第一期,构造裂缝主要为NWW-NNW向共轭剪切裂缝,裂缝多被纤维状方解石和少量石英脉体充填,均一温度介于220~250 ℃;第二期构造裂缝为NW-NNW向共轭剪切裂缝,同时背斜区形成NE向垂直张性裂缝与高角度剖面剪切缝,裂缝被拉长块状方解石或石英脉体充填,均一温度介于180~210 ℃;第三期构造裂缝为单独的NE-NEE向压扭性裂缝,同时改造前期形成的裂缝主要被块状方解石、石英脉体充填,均一温度介于140~180 ℃,这一时期地层抬升导致温度下降明显,裂缝充填性变弱,形成的裂缝不利于页岩气保存。与裂缝形成的地质力学环境进行匹配,构建了永川地区页岩储层3期构造裂缝发育演化模式。该研究有利于深化川东南地区龙马溪组深层页岩储层裂缝演化规律的认识,为页岩气富集和保存条件研究提供借鉴。

关键词

裂缝特征 / 期次演化 / 五峰组—龙马溪组页岩 / 永川地区 / 川东南

Key words

fractures characteristics / evolution stages / Wufeng-Longmaxi shale / Yongchuan area / southeastern Sichuan Basin

0 引言

川东南地区是四川盆地龙马溪组海相页岩气富集的有利地带,占据了深层页岩气资源的70%以上,且主要分布在永川、泸州、宜宾等地区,勘探开发潜力大^[1]。而深层页岩储层常低孔低渗,裂缝则成了页岩气有效的储集空间和渗流的重要通道,它对页岩气的富集和高产具有十分重要的意义^[2⇓-4]。天然裂缝的发育不仅改善了页岩储层的储集条件,而且为开发阶段水力压裂过程中形成大规模的体积缝网提供了有利条件^[5]。但天然裂缝的发育对于页岩气富集也具有“双面性”。川东南下古生界海相页岩经历了多期构造变形影响,平面上多组系断裂相互切割,纵向上不同轴向褶皱相互复合,裂缝与大规模断裂沟通致使部分游离气散失,吸附气被置换,对页岩气的保存极为不利^[6]。渝东南盆缘转换带五峰组—龙马溪组页岩自西向东,随着构造改造作用的增强,优质页岩段高角度构造缝的发育程度和规模逐渐增大,对应着页岩气井的地层压力系数与测试产量也逐渐降低^[7]。天然裂缝的特征、控制因素、形成阶段、分布预测以及演化规律是页岩储层勘探开发的根本问题^[8-9]。构造裂缝受区域构造应力或局部应力的控制^[10],因此其形成阶段反映了地质力学环境的变化。确定构造裂缝形成期次不仅能反映页岩气保存条件的演化阶段,而且有助于页岩气的富集与逸散的耦合作用研究,同时也能指示褶皱、断层等构造的形成阶段。

通常依靠野外露头、岩心、薄片辨别的裂缝切割关系是划分裂缝期次的有效方法^[11-12]。但川东南地区经历的多期构造运动无疑增加了这种方式的分析难度且缺乏说服力,特别是对于野外露头破碎区。构造活动与裂缝发育以及古流体活动存在一定的内在联系,页岩裂缝中的脉体记录了古流体活动和裂缝活动的重要信息^[13]。捕获的流体包裹体记录了古温压信息^[14],但测温过程中部分流体包裹体相变难以观察,且高压的含水包裹体需要施加外部压力,否则将导致均一温度被高估或不可用^[15-16];充填物的碳氧同位素可以判断裂缝形成期次,但受热液流体的初始同位素组成影响,以及受矿物结晶沉淀时的温度、热液流体中溶解碳种类的控制^[15]。因此,目前利用流体包裹体、同位素、声发射、低温年代学等多种测试手段来综合判断裂缝形成阶段^[9,17-18]。随着川东南古生界海相龙马溪组页岩气勘探开发的逐步推进,前人对龙马溪组储层天然裂缝形成期次做了较多研究。川东南丁山地区分别受SE、NE、EW三期应力挤压,并在燕山中—晚期、燕山末期—喜马拉雅中期、喜马拉雅晚期至现今形成三期构造裂缝^[19-20]。川东南泸州地区分别受近SN、SE、EW向挤压并在燕山中—晚期、燕山晚—喜马拉雅早期、喜马拉雅中—晚期形成三期构造裂缝^[21]。不同地区裂缝形成期次和挤压方向的差异反映了川东南地区复杂的力学环境。同时,川东南局部地区可能在同一时期受到不同方向的挤压,并且该时期构造裂缝的形成受其构造应力联合作用所影响。此外,不同页岩气区块的裂缝形成存在着差异性,这导致已有研究并不能完全适用于永川地区页岩气的勘探开发。

本文以川东南永川地区龙马溪组页岩储层为例,通过研究区野外露头剖析、岩心裂缝观察及薄片鉴定,并结合裂缝分期配套、包裹体测温、碳氧同位素分析及声发射期次分析,对永川地区龙马溪组构造裂缝特征及期次演化进行了系统研究。该成果可以进一步深化川东南裂缝期次演化规律的认识,并为深层页岩气的勘探开发提供理论指导;同时对页岩气的保存条件研究也具有一定的参考和借鉴意义。

1 区域地质背景

川东南地区位于特提斯—喜马拉雅构造域和环太平洋构造域的过渡带,自古生代以来经历了多期构造运动,且早白垩世以来的构造变形奠定了现今的构造特征,具有晚中生代—新生代多期构造运动叠加的特征^[22]。多期构造运动使得川东南地区构造复杂多样,包括盆缘的山前带构造、盆内的隔挡式褶皱和华蓥山以西的宽缓褶皱等^[23]。川东南主体位于川南低陡构造带上,包括泸州—赤水构造叠加带、华蓥山南断褶带以及永川帚状构造带三个次级构造单元(图1)。晚白垩世随着构造向盆内递进扩展,永川区块的新店子背斜开始发育,形成NE向逆冲断层及相关褶皱。新生代印度—欧亚板块碰撞的远程效应引起川东南区块近EW向的区域挤压应力场。永川区块在此背景下,形成了NNE向走滑断层、SN向逆冲断层及相关褶皱(图1)。

永川位于川渝交界处,隶属重庆市荣昌县。区块位于华蓥山断裂东侧、齐岳山西侧,呈帚状撒开的川南低陡褶皱带,发育背斜紧闭、向斜宽缓隔挡式褶皱。背斜核部出露三叠系,两翼出露侏罗系。中部一条带状山梁呈北东向贯穿整个研究区,为新店子背斜构造在地面形成的隆起山脉。其北部为NNE向长轴宽缓向斜,构造较为简单,断层欠发育,地层较为平缓;中部为背斜及断块,包括背斜主体及翼部与向斜过渡带被断层分隔的断块区,其构造复杂,且各级次断层发育,这也使得背斜形态进一步复杂化,地层倾角变化较大;南部也为一向斜,整个工区具有“两凹夹一隆”的独特构造特征(图1),其又可以进一步细分为北部向斜区、断凹夹持区、抬升区、背斜区及南部向斜区^[24-25]。区内识别出不同级次断层40余条,断层主要为近北东走向;规模较大的断层主要集中在新店子背斜轴部及两侧;层间断层主要分布在南部方家沟向斜内;北部石盘铺向斜内断层不发育。其中YY1井、YY2井、YY3井、YY6井、YY7井、YY9井、YY36-6井及YY54-1井,均匀地分布于研究区各个构造部位(图1),位于背斜翼部的YY1井和YY7井地层压力系分别为1.77和1.55,属于超压气藏。

研究区目的层为志留系龙马溪组下部的富有机质海相页岩层,为深水陆棚相沉积,地层厚度稳定,分布在80~100 m。根据沉积和岩性特征,龙马溪组可划分为三段,其中龙一段为含气页岩段,其岩性主要为黑色碳质笔石页岩,偶夹砂质泥岩或粉砂岩薄层,其层理发育,含较多黄铁矿星点、团块及结核,含丰富的笔石化石。且根据岩性、电性、笔石带分布规律、TOC含量变化及含气性等,可进一步将其划分为9个小层,其中1~3小层是主力开发层系,厚约为26.5~39.4 m,由于构造局部加厚,在背斜区较厚,向两翼逐渐减薄。五峰组—龙马溪组一段TOC含量介于0.07%~8.83%,平均为2.20%,以中—高含量为主;有机质成熟度在1.84%~2.35%,平均为2.04%,处于高成熟-过成熟阶段。岩心实测含气量显示为0.23~5.20 m³/t,平均为2.02 m³/t,其中2至3¹小层平均含气量达到4.59 m³/t,展现了丰富的页岩气资源潜力。

2 天然裂缝宏微观特征

2.1 天然裂缝基本特征

岩心和野外观察结果表明研究区以构造裂缝为主。当区域构造应力或局部构造应力超过岩石的破裂强度时,就会形成构造裂缝^[10]。根据裂缝的地质成因及力学性质,研究区构造裂缝主要包括剪切裂缝、张性裂缝和滑脱裂缝^[26]。剪切裂缝具有一定的方向性和规律性,其缝面平直、延伸较远,裂缝宽度变化较大。同时裂缝角度多与岩层面呈高角度相交或垂直层面,具有明显的穿层性(图2a)。地层中呈多组系并且呈共轭相交的剪切裂缝(图2a),其锐角平分线通常指示最大主应力方向^[27]。地层在应力的持续作用下弯曲形成褶皱,在褶皱的核部及与相邻的翼部,形成与层面相交的剪切裂缝(图2b、图3b)。而先前形成的共轭剪切裂缝随地层倾斜产状发生变化,一般需要对其进行地层产状复平。此外,页岩中还形成有低角度-近水平的顺层滑脱裂缝,它们是构造挤压过程中在剪切或滑动作用下形成的、平行于层面的裂缝^[28]。裂缝面见明显的擦痕、阶步等特征(图2e、图3f),充填弱或局部充填,常见于五峰组底部或龙马溪组的底部。另一类为褶皱的转折端,发育有裂缝面不平整、近乎垂直的,纵向延伸不远的张性裂缝(图2c、图3c)。在露头中较大规模的断层或盆内研究区三级以上断层附近可见与其共伴生的张性和剪切裂缝(图2d),其组系杂乱,与断面呈大角度或垂直相交,延伸不远,多被方解石或石英充填;岩心尺度内由于多期不同性质断层的影响,早期充填的裂缝被切割呈现雁列式排布,而晚期形成的裂缝有效性较好(图3d,e)。这些紧邻断层的裂缝在一定范围内直接受断层局部应力影响,与区域构造应力场无关^[29-30]。

川东南龙马溪组页岩非构造裂缝主要包括了层理缝和生烃超压缝,偶见热液溶蚀改造缝。层理缝是页岩非构造裂缝中最常见的类型,是地层受到各种地质作用而沿着弱的沉积结构面裂开的裂缝,通常呈现水平状态,常被纤维状方解石充填(图3g)。热液溶蚀改造缝仅在部分靠近主干断裂的钻井(如YY7井和YY6井)岩心上才能见到,多呈不规则的网状形态,裂缝内能见两期充填,早期方解石充填的裂缝,被后期沿着断裂输送的热液所溶蚀改造,中心充填热液成因巨型方解石、鞍状白云石或萤石,部分未充填的构成溶蚀孔隙(图3h,i)。生烃超压裂缝也是龙马溪组页岩中常见的一种非构造裂缝类型,该类裂缝通常呈现网状,以微裂缝形式存在,尺度较小,彼此之间的连通性较好,为页岩气高效渗滤的通道(图3i,j)。

2.2 天然裂缝发育规模

岩心裂缝统计结果显示永川地区内龙马溪组构造裂缝在纵横向上发育差异性明显。以YY7井为例,纵向上各小层裂缝发育密度不均。龙一段裂缝发育程度由深至浅逐渐降低(图4a),其主要与纵向上岩石矿物组成有关,页岩中硅质矿物含量越高,岩石脆性越高,越容易发育裂缝,石英含量大体上与裂缝线密度呈现正相关关系。研究区1²小层、1³小层、3¹小层和2小层的裂缝发育密度最高,分别为26.16 条/m、15.3 条/m、13.85 条/m和12.81 条/m(图4b)。平面上,裂缝的发育程度受构造变形影响明显,褶皱变形和断块发育区裂缝的发育密度较高,表现为多而密的特征,且褶皱变形区组系相对单一(图1),距褶皱核部与断裂越近的裂缝发育程度越高,表现为裂缝条数较多,是平缓地区的3倍以上,多以中高角度裂缝为主(图4c)。平缓向斜区和深凹区(如YY3-1井和YY2井),裂缝发育程度较低,多以低角度的顺层滑脱缝为主,尺度较小,纵横向上延伸有限,组系较杂乱。裂缝延伸长度主要分布在5~12.5 cm,少量的裂缝长度在25 cm左右(图4d),裂缝的角度总体以中低角度为主,降低了裂缝的穿层性,有利于页岩气的保存,这可能是现今研究区维持超压的重要原因。裂缝中约有92.1%被方解石、石英、黄铁矿充填,其中方解石为主要充填物(图4e),脆性矿物全充填的裂缝有利于页岩气的保存,同时在后续压裂改造过程中,裂缝中充填的脆性矿物增加了页岩的脆性,使得裂缝容易再次激活-破裂,从而提升了压裂效果^[31]。另外,约有7.2%的裂缝未被充填,推测这些未充填的裂缝可能形成于晚期。

3 天然裂缝形成期次判定与分析

3.1 裂缝分期配套分析

3.1.1 野外露头尺度裂缝分析

节理(裂缝)彼此之间的接触、切割关系和几何形态可以用于确定彼此先后形成期次^[11]。根据野外露头观测点的裂缝切割和限制关系,推测研究区至少存在3期裂缝。对野外测得的350多组构造裂缝产状进行了统计,并将其中的共轭剪切裂缝产状进行了校正。野外露头岩层平面上裂缝走向分别为:(1)NWW和NNW向;(2)NW和NNW向;(3)NE向;(4)NEE向。共轭剪切裂缝在多个野外露头中均有观测,为高角度裂缝,延伸较远。晚白垩世,受雪峰山北西向扩展变形活动影响^[32-33],研究区受SE-NW向的构造挤压。古新世末期伴随雪峰山北西向构造活动持续减弱,同时受黔中隆起向北挤压^[22,34],研究区受双重应力影响,主应力方向为SE-NW向,具有左旋趋势。研究区断层呈NNE和NE向,应是两期不同SE-NW挤压的结果(图5)。在渐新世晚期川东南受印度-欧亚板块碰撞作用的影响,形成近EW向挤压效应,这期挤压表现为右旋走滑构造运动的叠加。因此,结合区域构造演化情况,同时根据共轭剪切缝匹配结果,推测第一期为燕山晚期—喜马拉雅早期,主要受江南雪峰隆起的控制;根据郭卫星等^[35]对永川地区平衡剖面恢复结果,此时研究区地层形成背斜雏形,因此主要发育NWW向、NNW向的共轭剪切裂缝。第二期为喜马拉雅中—晚期,受黔中隆起和雪峰山联合挤压作用,研究区新店子背斜形成。如位于新店子翼部烂泥沟剖面自流井组(J₁z)的AFT年龄为(41±5) Ma,反映了喜马拉雅早—中期的构造幕次,背斜核部的大坝子剖面须家河组(T₃x)的AFT年龄为(27±2) Ma,对应于喜马拉雅中晚期幕次。NW向和NNW向共轭剪切裂缝以及NE向张性裂缝主要形成于这一时期。第三期为喜马拉雅晚期-现今,发育单独的NE-NNE向压扭性裂缝,并对前期形成的裂缝进行切割改造。

3.1.2 岩心及薄片尺度裂缝分析

通过观察岩心上不同裂缝的相互切割关系可推测其形成期次^[36-37]。研究区多口井岩心上发育至少两期相互切割的裂缝。YY6井和YY7井中可见2个方向顺层的滑动擦痕(图6a,b);YY7井中见2组高角度缝切割张裂缝(图6c),其形成时间较晚;YY7井和YY1井中见两组高角度张性缝切割低角度剪切缝(图6d,e)。依据永川地区成像测井解释裂缝的结果,研究区龙马溪组页岩裂缝主要发育4组,其中NNW和NE向裂缝最为发育,其次为NW、NNW和NNE向。对比野外露头反映的天然组系相对变少,但优势组系具有一致性,且岩心至少反映了3期的天然裂缝组系(图6f)。

研究区中龙马溪组龙一段页岩微裂缝发育,裂缝以剪切缝为主,多期裂缝切割交错现象明显。YY6井中可见早期石英胶结脉体,后期被纤维状方解石脉体所溶蚀改造(图7a)。形成了中心被亮黄色的纤维状方解石充填,两侧被晚期暗红色的纤维状方解石和不发光的石英充填,脉体晶体生长受到限制,形成纤维状晶体(图7b)。YY9井中由于裂缝发生多次张开-愈合,方解石的晶型和颜色表现出多期生长的特征(图7c)。早期边部部分晶体生长受限,形成拉长块状的晶体,呈淡黄色;晚期裂缝开度变大,晶体生长不受限制,形成了自形程度较高的块状方解石晶体和白云石晶体,呈暗黄色,反映出两期流体具有较大的差异(图7d)。YY6井底部可见方解石和石英复合脉体,相互切割关系较复杂(图8e和图8f),表现出早期的拉长状的方解石和石英脉体,被后期较粗的颗粒状方解石和石英脉体切割(图8g,h)。YY7井中可见明显的三期方解石脉体互相切割。不同期次形成的裂缝在充填性上也显示出差异性(图7i)。其中,微裂缝中的充填物类型多样,主要为方解石、黄铁矿和石英等矿物,通过单偏光和正交偏光的对比可清楚地看出裂缝中充填物的性质具有差异。从薄片观察中可以见到未充填裂缝和充填裂缝相互交错或不同矿物充填的裂缝相互切割(图7)。

综合岩心和薄片裂缝分期配套与充填矿物学特征分析,认为川东南龙马溪组页岩至少发育了3期裂缝:早期裂缝多以水平纤维状方解石或石英脉体充填,裂缝张开的速率比最小晶体生长速率小,代表裂缝扩张的力学环境较封闭,限制了晶体的生长,形成纤维状方解石;中期张剪裂缝被拉张块状方解石充填,裂缝张开的速率比最大晶体生长面的生长速率小,显示裂缝的扩张环境以半封闭-半开放的环境,部分晶体生长受限,形成拉张块状方解石;后期扩张缝以块状方解石和粒状石英充填为主,裂缝张开的速率比最大晶体生长面的生长速率大,表明裂缝的扩张环境相对开放,形成自形程度高的晶体。

3.2 裂缝脉体的实验测试分析

3.2.1 裂缝充填物包裹体分析

气-液两相盐水包裹体的均一温度值通常可代表包裹体的捕获温度,测定与裂缝充填物同时期形成包裹体的均一温度可推测裂缝形成的时期。本次研究所磨制的包裹体薄片充填矿物来自构造裂缝充填的石英和方解石脉体。15块样品中都能见到丰富的包裹体,其类型主要为气-液两相盐水包裹体和甲烷包裹体,其中前者在样品中均有大量发育,而后者的发育程度远不及气-液两相盐水包裹体(图8)。页岩裂缝石英脉体中的包裹体多以次圆、纺锤状、不规则的多边形为主,长轴为2~10 μm,而产自于方解石脉体中的包裹体多以较规则的四边形为主,大小为2~5 μm,呈群、呈带密集分布或孤立产状分布。相对于石英脉体,出自方解石脉体中的气-液两相盐水包裹体数量多,但尺寸较小。研究区实际样品显微测温结果显示,石英和方解石脉体测温具有3个温度分布区间(图9)。岩心及薄片分析显示:第一期裂缝为纤维状方解石脉体充填和少量石英充填,对应的包裹体均一温度为220~250 ℃,推测这一时期龙马溪组应处于最大埋深时期;第二期裂缝主要被拉长状的方解石晶体所充填,对应的包裹体温度为180~210 ℃;第三期构造裂缝为颗粒状的石英和方解石晶体共同充填,均一温度明显小于前两期,且这一时期的温度分布范围更广,为140~180 ℃。

3.2.2 裂缝充填物的碳氧同位素分析

碳氧同位素在不同的地下环境中存在明显差别,通过对裂缝充填物碳氧同位素的测定,可计算出裂缝的形成期次^[37⇓-39]。结合永川地区龙一段中不同井段的裂缝充填物稳定同位素数据,对研究区裂缝期次进行分析。此次实验选取了构造裂缝充填物的18个样品进行碳氧同位素测定,测定结果显示δ¹⁸O_PDB值介于-13.3‰~-6.65‰,δ¹³C_PDB的值介于-19‰~4.53‰,充填矿物中δ¹⁸O_PDB和δ¹³C_PDB值存在较大差异,显示出多期充填的特征。采用Fritz等提出的氧同位素测温方程,对各样品裂缝形成时的温度进行计算^[40]:

(1)

T=31.9-5.55(δ¹⁸O-δ¹⁸O_w)+0.7(δ¹⁸O-δ¹⁸O_w)²

式中:T为充填矿物形成时的温度,℃;δ¹⁸O为氧同位素值;δ¹⁸O_w为形成矿物时的水介质氧同位素值,取0.5‰。

按研究区常年平均地面温度20 ℃,地温梯度为2.65 ℃/100 m计算裂缝形成时埋藏深度,通过δ¹⁸O-δ¹³C图解法分析(图10),裂缝充填物碳氧稳定同位素分布图中明显存在3个分区,说明裂缝至少为三期:第一期裂缝充填物δ¹⁸O值介于-10.05‰~-13.3‰,折算埋深为4 858~7 458 m,研究区龙马溪组应处于最大埋深后的首次抬升阶段,这与包裹体均一温度推测结果相似,充填矿物以纤维状方解石脉体为主;第二期裂缝充填物δ¹⁸O值介于-8.54‰~-10.47‰,折算埋深为3 840~5 162 m,裂缝充填矿物以拉长块状的方解石为主;第三期裂缝充填物δ¹⁸O值介于-7.31‰~-9.41‰,折算埋深为3 117~4 412 m,地层埋深显著减少,充填矿物以块状方解石和粒状石英为主。

3.2.3 声发射期次分析

声发射的主要原理是岩石对地应力具有记忆,在某一地质时期,当加载应力超过岩石应力时会产生声发射效应。在声发射累计曲线处的拐点会突然增大成为Kaiser点,Kaiser点可反映岩石损伤变形情况,同时对应于古应力阶段^[41]。通过声发射曲线上Kaiser点个数可以判断岩石经历的构造运动次数和裂缝发育阶段^[42]。对永川地区龙马溪组YY1井和YY6井龙一段岩心样品进行岩石声发射实验,分析岩石的破裂期次,选取非裂缝段和非层理发育段实验样品可以避免非构造应力因素对结果的影响,参照国际岩石力学学会(ISRM)标准,采用MTS815程控伺服岩石刚性试验机。将试件放在刚性试验机上进行单轴压缩试验,加载速度为15 kN/min,同时利用SAEU2S声发射测试系统监测岩石在受压过程中产生的声发射信号。经过单轴应力加载,根据声发射检测系统接收到的声发射响铃次数、事件率和能量强度等特征参数,建立加载时间和声发射特征参数之间的关系(图11)。声发射曲线及计算测试结果表显示样品均有5个明显的Kaiser效应点,剔除现今应力影响,表明研究区龙马溪组自沉积以来经历了4次主要的构造运动(图11)。其中一期应对应于印支期,但川东南地区早期构造运动并不复杂,以整体抬升为主,结合前文分析研究区主体构造变形晚于早白垩世。因此,印支期运动导致龙马溪组页岩产生的Kaiser点可予以排除,永川地区龙马溪组页岩的裂缝形成主要经历了3个阶段,分别为燕山晚—喜马拉雅早期、喜马拉雅中期和喜马拉雅晚期至现今。

4 裂缝形成演化模式

大坝子剖面须家河组(T₃x)、烂泥沟剖面自流井组(J₁z)样品热演化史模拟结果显示,研究区先后经历缓慢隆升-快速隆升-缓慢隆升。利用Basinmod,结合露头样品热演化史模拟和构造演化史,恢复永川地区YY1井的埋藏史。通过裂缝充填物将包裹体均一温度分布,岩心及薄片切割关系,碳氧同位素分析及声发射期次等结果与埋藏演化史匹配,确定研究区构造裂缝形成时期,并建立了永川地区龙马溪组裂缝演化模式(图12)。

第一阶段为燕山晚期—喜马拉雅早期(86~47 Ma),主要受到江南雪峰隆起SE向的挤压作用,研究区形成背斜雏形,由最大埋深转为抬升剥蚀,埋深介于4 858~7 458 m。在持续挤压下发育NWW向和NNW向共轭剪切裂缝。裂缝处于较为封闭的环境,矿物晶体生长受限形,多被水平纤维状方解石或少量石英矿物充填,脉体生长过程中捕获的流体包裹体均一温度为220~250 ℃。第二阶段为喜马拉雅中期(47~24 Ma),川东南受大娄山向北挤压,同时雪峰内陆造山带仍向北西扩展,这使得永川地区的挤压应力来自SE向并带有左旋性质,研究区背斜形成;该时期仍发育NW向和NNW向共轭剪切裂缝,同时在背斜核部或翼部陡坡区NE向张性裂缝形成。研究区发生快速抬升剥蚀,埋深介于3 840~5 162 m。这一期形成的裂缝多被方解石或石英充填,裂缝处于半封闭-半开放环境,脉体生长仍然受限,但存在部分脉体生长不受限制,因此,脉体呈现为拉长状并伴随有块状,脉体中形成的流体包裹体均一温度为180~210 ℃。第三阶段为喜马拉雅晚期至现今(24 Ma至现今),印度-欧亚板块碰撞和青藏高原向东扩展在永川地区造成近EW向挤压,形成NE向、NEE向压扭性裂缝,并对已形成的裂缝进行切割改造。这一时期研究区处于缓慢抬升剥蚀阶段,埋深介于3 117~4 412 m。抬升使得裂缝的扩张环境相对开放,这也使得前期形成的页岩气藏更易发生逸散,裂缝被自形程度较高的脉体充填,流体包裹体均一温度为140~180 ℃。

5 结论

(1)川东南龙马溪组主要发育构造缝,包括平面及剖面共轭剪切裂缝、张性缝以及由断层控制的剪切裂缝,此外还见有非构造成因的层理缝,由热液改造的溶蚀裂缝以及生烃超压缝。构造裂缝受构造变形强度和脆性矿物控制明显。在纵向上表现为裂缝密度随石英等脆性矿物含量的增加而变大,1²小层和3¹小层裂缝最发育。平面上紧邻背斜核部或断层地区的裂缝密度大,是平缓地区的3倍以上,且多以中高角度为主。裂缝主要被方解石、石英及黄铁矿充填,有利于后期的压裂。

(2)野外露头裂缝优势走向分别为NWW向、NNW向、NEE向、NE向和NW向,其中共轭剪切裂缝普遍发育。燕山晚期—喜马拉雅早期(86~47 Ma)研究区受SE向的挤压,形成NWW和NNW向共轭剪切裂缝。喜马拉雅中期(47~24 Ma)研究区仍受SE向的挤压且具有左旋性质,形成NW和NNW向共轭剪切裂缝,同时伴随NE向张性裂缝与剖面共轭剪切裂缝。喜马拉雅晚期至现今(24 Ma至现今)研究区受EW向挤压,形成NEE向和NE向压扭性剪切裂缝,并切割改造已形成的裂缝。

(3)研究区构造裂缝主要经历了3期演化:在燕山晚期—喜马拉雅早期由最大埋深开始首次缓慢抬升,形成背斜雏形,裂缝被水平纤维状方解石和少量石英矿物充填;喜马拉雅中期研究区快速抬升,形成的裂缝被拉长并伴随有块状的方解石脉体和石英充填;喜马拉雅晚期至现今研究区缓慢抬升剥蚀,这一时期包裹体均一温度分布范围更大,裂缝被自形程度较高的矿物充填。

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基金资助

国家自然科学基金面上项目(42072182)

四川省杰出青年人才项目(2020JDJQ0058)

四川省科技厅重点苗子项目(22MZGC0159)