川东北营山-平昌地区凉高山组页岩天然裂缝发育特征及其形成演化模式研究

Nature fractures in shales of the Lianggaoshan Formation in northern Sichuan Basin: Fracture development characteristics and fracture formation and evolution model

摘要

川东北营山-平昌地区侏罗系凉高山组页岩油气显示活跃且多口井获得工业油气流,其油气资源勘探潜力巨大,而侏罗系页岩油气的富集程度及开发效果受控天然裂缝特征明显。本文综合利用野外、成像、岩心、薄片和CT扫描等多尺度裂缝表征手段,并结合脉体包裹体、碳氧同位素、岩石声发射和脉体U-Pb定年实验测试,重点揭示了研究区不同尺度天然裂缝的发育特征,明确了不同成因天然裂缝的形成期次并构建了其演化力学模式。结果表明:凉高山组页岩主要发育剪切缝、层面滑移缝、层理缝和流体超压缝等力学成因裂缝;构造变形区以发育NW和NE向高角度剖面剪切缝和网状张剪复合缝为主,裂缝密度高,纵向穿层规模大;平稳稳定区主要发育层理缝和流体超压缝及少量近EW和NNE向平面剪切缝,密度低,多充填。侏罗系主要经历了4个天然裂缝形成期:燕山早—中期(170~140 Ma)侏罗系快速埋藏形成以近SN和NE向垂直或水平的水力超压裂缝为主,纤维状方解石全充填;燕山晚期(100~80 Ma)发育NNE与近EW共轭平面剪切裂缝、NE向扩张缝和生烃超压缝;喜马拉雅早—中期(67~32 Ma)持续发育平面剪切缝、NW向剖面剪切缝和张性缝,以及层理缝;喜马拉雅晚期(15~6 Ma)表现为先存裂缝的活化和新生成少量近NNE向张性缝。受喜马拉雅晚期应力调整,早期形成近EW和NW向剪切缝开启有效,新生成的NNE向张性缝未充填较有效。该研究对于侏罗系多期构造复合下有效裂缝的定量预测和页岩油气富集有利区优选提供了重要支撑。

关键词

页岩储层 / 天然裂缝 / 形成演化 / 有效性 / 凉高山组 / 营山-平昌地区

Key words

shale reservoir / natural fractures / formation and evolution / effectiveness / Lianggaoshan Formation / Yingshan-Pingchang area

0 引言

中国陆相页岩油气资源潜力巨大,目前陆相页岩油气先后在鄂尔多斯、渤海湾和四川等盆地获得工业突破^[1⇓-3]。其中,四川盆地营山-平昌地区侏罗系凉高山组陆相页岩具有分布稳定、厚度大,页岩油气资源丰富的特征。2020年中国石油在仪陇-平昌地区钻探的平安1井在侏罗系凉高山组获日产油112.8 m³、日产气11.45×10⁴ m³,实现了侏罗系凉高山组陆相页岩油气开发的商业突破。2021年中国石化在复兴地区钻探泰页1井,水平井测试获得日产油9.8 m³、日产气7.5×10⁴ m³,取得了该地区侏罗系凉高山组陆相页岩油气的勘探突破^[4]。2023年中石化在川北巴中地区凉高山组钻探的巴中1HF,水平井测试获得日产油126 m³、日产气5.77×10⁴ m³,巴中1HF井凉高山组油气勘探的突破进一步揭示了四川盆地侏罗系油气勘探的巨大潜力^[5]。川东北侏罗系页岩油气具有较大的勘探前景,而目前已有勘探实践证实了川东北侏罗系页岩油气的富集程度很大程度上受控于裂缝的发育特征与分布规律^[6],规模性发育的裂缝体系不仅能够大大提高低渗透致密储层的渗透率,改善储层的渗流性能,而且也决定了页岩储层的有效产能,以及后期工程改造设计^[7]。但川东北侏罗系页岩油气储层整体天然裂缝研究程度较低,面临着天然裂缝系统复杂呈网状、成因期次不明确、控产裂缝特征不清晰等突出问题,严重制约了川东北侏罗系页岩油气的高效勘探开发,亟须开展侏罗系页岩储层天然裂缝发育特征及形成期次的研究。

陆相页岩储层相比海相页岩储层天然裂缝,其类型相对更加丰富,主要包括构造裂缝、层理缝、穿层水力超压缝和收缩缝,其中构造裂缝包括穿层剪切缝、顺层剪切缝和层内张开缝,收缩缝包括黏土矿物收缩缝和有机质收缩缝^[6,8]。层理缝是页岩中最为发育的天然裂缝,层理缝和收缩缝是页岩油气的储集空间,也是运移通道,改善了页岩的储集性能,利于页岩油气的富集^[6]。通常,野外露头、岩心和薄片的裂缝切割关系是划分裂缝期次的直观有效方法,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,其捕获的流体包裹体记录了古温压信息,但测温过程中部分流体包裹体相变难以观察;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的影响,还受矿物结晶沉淀时的温度和热液流体中溶解碳种类的控制^[9-10]。因此,目前流体包裹体、同位素、声发射、低温年代学等多种测试手段常被用来综合判断裂缝形成阶段,该方法已成为国内外学者研究构造裂缝形成期次时广泛采用的方法。但对于不同时期形成的天然裂缝与其所处的地质力学背景之间匹配关系的分析还缺乏深入研究,且未形成针对页岩非构造缝形成期次的系统判定方法,而非构造缝是页岩较为发育的一种裂缝类型,且对页岩油气富集和高产具有明显的控制作用^{[11⇓⇓-14]}。因此,还需要系统认识陆相页岩储层天然裂缝的发育特征、形成期次和演化模式,以期为页岩油气勘探和开发提供更加科学的指导。

本文以营山-平昌地区侏罗系凉高山组页岩为例,通过野外露头精细解剖、成像测井、岩心裂缝观察和薄片鉴定,并结合裂缝分期配套、包裹体测温、碳氧同位素分析、声发射测试和脉体定年测试分析等,揭示营山-平昌地区侏罗系凉高山组天然裂缝发育特征,明确不同成因天然裂缝的形成期次,并构建其演化力学模式。该研究有利于深化川东北侏罗系页岩储层天然裂缝演化规律的认识,为页岩油富集高产分析和有利区优选提供借鉴。

1 地质背景

川东北地区在中—新生代经历了米仓山和大巴山盆地方向的逆冲与推覆,继而发生了多方向构造应力的多次叠加和改造,造就了川东北地区复杂的构造变形特征。川东北地区主体构造走向主要有北东向、北西向和近东西向等。米仓山与大巴山交汇区先后经历了印支期、燕山期和喜马拉雅期3期大规模构造运动,其中燕山期和喜马拉雅期的构造运动对该地区形成了最为明显的构造变形影响^[15-16]。川东北地区侏罗系发育挤压性和压扭性逆断层,构造格局呈现出“两隆、一凹、一缓坡”的特征。川东北地区侏罗系是以碎屑岩为主夹灰岩的典型陆相沉积组合,广泛分布于盆地内,厚度为1 500~4 000 m,整体呈现出“北厚南薄,西厚东薄”的特征。侏罗系自下而上依次发育下侏罗统自流井组和凉高山组,中侏罗统沙溪庙组,上侏罗统遂宁组和蓬莱镇组(图1a)。凉高山组沉积环境主要为半深湖和滨浅湖亚相,厚度为100~260 m,岩性整体为泥页岩夹粉砂岩。纵向上可划分为凉上段和凉下段,凉上段进一步划分为凉1、凉2和凉3共3个亚段。(图1b)^{[17⇓⇓-20]}。营山构造在构造区上隶属于川北古中坳陷低缓带仪陇构造群,与川中古隆中斜平缓构造带相邻。其东邻华蓥山构造带,西部为公山庙构造,北接龙岗构造,南与广安构造相望。平昌地区位于川东北地区的仪陇—平昌构造带,其北部为北东向构造带,东北部为北西向构造带,东南部为川东褶皱带,西南部为川中隆起(图1a)。平昌地区的构造演化受到刚性基底的强烈控制,由于该地区远离北部的米仓山隆起和东北部的大巴山冲断带,其周围活动带的改造对该地区影响较小。整体而言,该地区构造应力作用较为微弱,构造形态发育较为平缓^[21],发育层内NW向逆冲断层,较少断层切穿凉上段顶部,页岩油保存条件较好。

2 样品来源与实验测试

本文的页岩样品采集自川东北地区YS5井、YS6井、YS8井、YY1H井、PY1井、PA1井和DY1井的凉高山组。其中岩石薄片鉴定分析样品数量36块,采用偏光显微镜Leica DM2500P进行测试,岩石样品场发射扫描电镜分析样品数量25块,使用FEI-QUANTAN 250 FEG扫描电子显微镜和OXFORD-INCA X-MAX 20 X射线能谱仪进行测试,微米CT分析样品数量3块,采用MicroXCT-400型微米三维立体成像仪进行测试,碳氧同位素分析样品数量37块,测定在GasBench Ⅱ-MAT 253 IRMS联用一(Thermo Fisher)上完成,包裹体鉴定测温分析样品数量10块,使用LINKAM THMS600型冷热台进行测试,声发射实验测试分析样品数量40块,使用RTR1000三轴伺服测试系统和SAEU2S声发射检测系统进行分析,以上实验均由油气藏地质及开发工程全国重点实验室(成都理工大学)完成。碳酸盐矿物U-Pb测年在四川创源微谱科技有限公司源微实验中心利用LA-ICP-MS完成,整个测试过程包括样品前处理、上机测试和数据处理3个部分。样品前处理:将岩石切成合适的尺寸制靶或者磨制厚度大于50 μm的薄片,完成制靶和制片后,将样品放入模具中,用去离子水在超声波清洗仪中清洗约4 h。清洗完成后,50~60 ℃烘干6~8 h。烘干完成后,放入样品盘中备用。上机测试:激光剥蚀系统(LA)为RESOlution LR-S155高能量激光,最大光斑可达380 μm,出口能量高达240 mJ,同时搭配Thermo Fisher iCAP-TQ(ICPMS),测试碳酸盐岩矿物U-Pb同位素。扫描样品盘平面,便于快速定位目标区域。把样品盘放入样品池中,抽真空10~15 min,以清洗样品池,随后保压5 min,确保样品仓及管路不漏气。用NIST 612进行仪器灵敏度的调谐,参数设置为50 μm、3 J/cm²、10 Hz,速度为3 μm/s,要求²³⁸U的计数大于90万,氧化物产率(ThO/Th)小于1.5%。调谐结束后,针对样品粗测,选择U含量较高,同时²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb值较低的区域进行测试。标样有NIST614^[22]、AHX-1d、LD-5和PTKD-2,每4~6个未知样品插一组标样。数据处理:用NIST 614校正标样和未知样品的²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb值,用主标AHX-1d(238.2 Ma)校正副标LD-5(72.5 Ma)、PTKD-2(153.7 Ma)以及未知样品的²³⁸U/²⁰⁶Pb值,原始数据处理用iolite 3完成。

3 多尺度天然裂缝发育特征

3.1 天然裂缝的力学类型

依据天然裂缝的力学性质,凉高山组页岩裂缝主要包括5类,即构造成因裂缝可分为剪切缝、张性缝和层面滑移缝,非构造成因裂缝可分为层理缝和流体超压缝,其中流体超压缝又分为水力超压缝和生烃超压缝^[23⇓-25](表1)。

3.2 宏观裂缝发育特征

从岩心和薄片角度考虑,主要以中大尺度裂缝为主体,主要包括剪切缝、张性缝、层面滑移缝、层理缝和部分水力超压缝^[26](图2)。不同成因裂缝宏观特征差异明显,剪切缝一般具有共轭组系、缝面平直和剖面型擦痕特征,常切割石英等碎屑颗粒,且纵向穿层性强,而张性缝常表现出垂直平行组系、缝面粗糙、绕生物碎屑颗粒、纵向终止等特征。

剪切缝一般以中高角度为主,在NW向断裂变形影响区主要发育NWW和NW向裂缝组系(图3),高角度裂缝为主体,裂缝发育密度大,纵向规模较大,而在非构造变形区主要以NE与近EW向组系为主,充填少,有效性高,纵向上裂缝主要发育于凉上段2亚段(图4)。张性缝组系主要以NE向为主,少量NW和EW向组系,多以方解石充填为主,有效性较小。水力超压缝早期以垂直缝为主,泥质或方解石全充填,晚期以水平缝为主,多被纤维状方解石全充填,具有近水平和垂向两组优势组系特征,以SN向为主,少量NE向。

3.3 微观裂缝发育特征

页岩中的微观裂缝与宏观裂缝在尺度、成因和分布上具有十分显著的差异^[27]。页岩中的构造裂缝在微纳米尺度下较为少见,微裂缝一般为成岩和沉积相关等非构造成因,主要是对矿物或有机质等成分具有选择性分布的层间微裂缝、粒缘(间)缝和粒内缝^[27-28]。此外,在微纳米尺度下,微裂缝与微孔隙之间的界线与宏观尺度下的孔、缝相比较难区分,页岩微观储集空间通常以裂缝-孔隙复合网络的形式存在,狭长的部位具有裂缝特征,而膨大部位则具有孔隙特征。宏观裂缝和微观裂缝的共生形成了有利的天然复杂缝网系统^[27,29]。

在扫描电镜下,裂缝以粒内裂纹、层理缝和生烃超压缝为主,部分裂缝充填油迹,裂缝整体发育较好(图5)。生烃超压缝主要发育于富有机质页岩中,尺度较小,以微纳米级为主,裂缝网络连通性较好,定向性较好,主要是由大规模生烃增压而形成的微破裂,少量沥青充填^[30-31]。而层理缝一般发育在纹层状粉砂质页岩或有机质纹层状黏土质页岩,此类裂缝微纳米级尺度下含油饱和程度较高,且轻质组分异常富集,流动性较高,对于页岩油气的高效渗流具有至关重要的意义。

4 天然裂缝形成期次测定及分析

4.1 野外和岩心薄片裂缝分期配套

4.1.1 野外露头尺度构造裂缝分析

裂缝彼此接触、切割关系和几何形态可以用于确定彼此先后形成期次^[32]。根据野外露头观测点的裂缝切割、限制关系推测研究区至少存在3期裂缝(图6),同时野外露头存在X型共轭剪切缝也有助于更好地了解古应力场方向。对野外测得的350多组构造裂缝产状进行统计,结果显示野外露头岩层平面上优势裂缝走向分别为:(1)NWW和NNW向;(2)NEE和NNE向;(3)NW向。其中(1)和(2)的两组裂缝均为高角度缝且与岩层面垂直,为X型共轭剪切缝。此外,野外露头裂缝结果也显示NW向裂缝切割其他组系的裂缝,显示出明显的晚期形成特征。根据裂缝的分期结果和X型共轭剪切裂缝的锐角平分线反映最大水平主应力的特征,初步分析认为研究区构造裂缝的形成过程是:首先分别在两期构造应力下形成两组共轭剪切缝,最后再形成NW向剪切缝并切割先期形成的裂缝。

通过对岩心裂缝进行分期配套分析,认为侏罗系沉积期以来主要经历了3期应力:燕山早—中期最大主应力方位为近SN向,影响较弱;燕山晚期和喜马拉雅早—中期为两期继承性构造期,方向为SW向,形成研究区主要NW向构造行迹;喜马拉雅晚期最大主应力方位为近EW向,并与SW向应力联合(图7)。

4.1.2 岩心及薄片尺度裂缝分析

根据岩心和薄片上不同裂缝的相互切割关系亦可推测相应裂缝的形成期次^[33]。研究区岩心上发育至少3期相互切割的裂缝,早期形成的裂缝均被晚期错断(图8a)。在岩心上可见到沿同一方向的层面滑移缝(图8b)。对比野外露头反映的天然裂缝组系相对较少,但优势组系具有一致性,且岩心的天然裂缝组系至少反映了3期。此外,凉高山组页岩微裂缝发育,裂缝以剪切缝为主,存在至少两期裂缝切割交错现象(图8c,d)。因此,综合岩心和薄片裂缝分期配套分析,认为营山-平昌地区凉高山组页岩应至少发育了3期构造裂缝。

4.2 裂缝充填物流体包裹体和碳氧同位素测试

4.2.1 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时期^[34-35]。本次研究所磨制的包裹体薄片充填矿物来自裂缝充填的方解石和石英脉体。10块样品中都能见到丰富的包裹体,其类型主要为烃类包裹体和气液两相盐水包裹体。其中烃类包裹体在样品中均有大量发育,约占包裹体总量的70%。单相液态烃包裹体大小为4~26 μm;形态呈方形、椭圆形、长条形、三角形和不规则状等;主要沿矿物愈合裂隙呈线状或带状分布,或在矿物内部均匀、成群分布。气液两相盐水包裹体由气态烃和盐水溶液组成,整体发育较少,约占包裹体总量的30%。包裹体大小为3~12 μm;形态呈方形、椭圆形、长条形、三角形和不规则状等,与烃类包裹体共同产出。液相在透射光下多呈褐色-深褐色、透明无色;荧光(UV)下显示蓝色;气相在透射光下呈黑色、褐色;无荧光显示(图9)。通过对研究区10块样品中裂缝脉体的方解石和石英矿物中气液两相盐水包裹体进行显微测温,结果显示构造裂缝充填物包裹体均一温度具有3个分布区间,分别为50~70、75~100和105~140 ℃(图10a),指示存在3期流体活动,表明构造裂缝形成于3个阶段;非构造裂缝(层理缝和水力超压缝)充填物包裹体均一温度具有两个分布区间,分别为45~65和85~125 ℃(图10b),指示存在两期流体活动,表明非构造裂缝形成于两个阶段。

4.2.2 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进行测定,可判断裂缝的形成期次^[36]。结合凉高山组中不同井段的裂缝充填物碳氧同位素数据,对研究区裂缝期次进行分析。对裂缝充填物的37个样品进行碳氧同位素测定,结果显示(图11)构造裂缝δ¹⁸O_PDB值介于-19.2‰~-6.97‰,δ¹³C_PDB的值介于-2.7‰~6.65‰;非构造裂缝δ¹⁸O_PDB值介于-19.6‰~-10.71‰,δ¹³C_PDB值介于-2.77‰~3.6‰。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和Smith^[37]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

(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,营山-平昌地区为湖相沉积体系,属于淡水环境,其水介质氧同位素一般为-10‰。通过考虑地表温度和地温梯度,估算裂缝形成的古埋深,与盆地的地层埋藏史相结合,进一步限定各期裂缝的形成时间。按研究区常年平均地面温度20 ℃,地温梯度为2.2 ℃/100 m计算裂缝形成时的埋藏深度。构造裂缝充填物碳氧稳定同位素分布中存在3个期次:第一期的δ¹⁸O值介于-19.2‰~-15.61‰,折算埋深为3 515~4 816 m,平均为4 166 m;第二期的δ¹⁸O值介于-13.84‰~-10‰,折算埋深为2 752~3 421 m,平均为3 087 m;第三期的δ¹⁸O值介于-9.96‰~-6.97‰,折算埋深为1 985~2 865 m,平均为2 425 m。非构造裂缝(层理缝和水力超压缝)充填物碳氧稳定同位素分布中存在两个期次:第一期的δ¹⁸O值介于-19.6‰~-17.33‰,折算埋深为1 432~2 356 m,平均为1 894 m;第二期的δ¹⁸O值介于-12.16‰~-10.71‰,折算埋深为2 486~3 582 m,平均为3 034 m。

4.3 岩石声发射测试

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^[38]。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。通过声发射曲线上Kaiser点的个数可以判断岩石经历的构造运动次数和裂缝发育阶段^[39]。对凉高山组页岩岩心样品进行岩石声发射实验,分析岩石的破裂期次。为了使样品的声发射所产生的Kaiser效应点能够代表古构造应力的期次,需要从两个方面进行约束:首先,在样品选取过程中为了避免非构造应力因素对实验结果的影响,主要只选取非裂缝段和非页理发育段的岩心样品;其次,考虑不同样品所处的地质环境和埋深条件差异,在声发射实验过程中需要加载围压,围压的取值为垂向应力减去孔隙压力,即岩样所受的有效围压。针对PY1井凉高山组页岩样品,在实验过程中加载了25 MPa围压,而YY1H井凉高山组页岩样品在实验过程中加载了15 MPa,保证样品的声发射实验结果更能够反映实际地质环境。选取非裂缝段和非页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,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12)。声发射曲线及计算测试结果表显示样品有4个明显的Kaiser效应点,剔除现今应力影响,表明研究区凉高山组自沉积以来经历了3次主要的构造运动(图12)。因此,营山-平昌地区凉高山组页岩构造裂缝形成主要经历了3个阶段。

4.4 裂缝脉体定年测试分析

方解石U-Pb定年技术在确定地质时间年龄和油气成藏期次方面具有广阔的应用前景^[40]。该方法解决了微米级尺度原位微区年代学问题,不仅能克服不同期次成岩矿物混合的影响,而且还能得到更分散的U/Pb值,从而获取更高精度的地质年龄,可有效解决各类构造活动、异常热流体及盆地流体活动等地质事件的厘定问题。本次在方解石微区原位微量元素测试的基础上,挑选出²³⁸U/²⁰⁶Pb值大且²⁰⁶Pb含量低的点,在其附近密集打点,每块方解石表面的测试点数为50~100个^[41]。其中YS8井水平水力超压裂缝充填的纤维状方解石的U含量为(0.003 71~1.512)×10^-6,Pb含量为(0.071 2~0.650)×10^-6,²³⁸U/²⁰⁶Pb值为0.26~7.86,具有相对较高的U含量和极低的Pb含量,测试年龄为(169.1±10.5) Ma,即为燕山早—中期;另一个样品采自PY1井断层附近高角度剪切裂缝中充填的块状方解石脉体,U含量为(0.392~6.680)×10^-6,Pb含量为(0.082 8~2.921)×10^-6,²³⁸U/²⁰⁶Pb值为1.41~21.82(图13),较低的Pb含量和高的²³⁸U/²⁰⁶Pb值是研究区裂缝脉体定年成功的关键,该测试年龄为(45±18.9) Ma,即为喜马拉雅早—中期。两个不同类型的天然裂缝脉体定年结果确定了主要构造缝和非构造裂缝形成的关键时期。

5 裂缝形成期次综合判定与裂缝有效性形成演化

结合前人对川东北地区磷灰石裂变径迹的热模拟^[42-43]和PA1井地化测试结果,利用BasinMod软件,恢复了营山-平昌地区PA1井的单井埋藏史,表明研究区先后经历了早期快速埋藏—中期缓慢抬升—晚期快速抬升,在此埋藏-抬升构造格局控制之下,凉高山组页岩依次发育了水力超压缝、生烃超压缝、构造缝和层理缝(图14)。并通过岩心及薄片裂缝分期配套、包裹体充填物均一温度、碳氧同位素测试分析、方解石U-Pb定年和声发射实验测试手段,并与埋藏抬升地质力学环境演化进行匹配,构建了研究区凉高山组4~5期天然裂缝形成演化的力学模式,各形成阶段的应力机制根据前人恢复的古应力大小^[44⇓-46]、声发射应力大小和各阶段形成断层的力学性质与产状综合确定(图15)。

第一阶段为流体超压裂缝形成的主要时期,前人对水力超压裂缝的产生条件做了大量研究,丁文龙等^[47]认为当流体压力的超压值(大于静水柱压力的部分)等于基质压力的1/2或1/3时即可产生裂缝。国外学者Cobbold和Rodrigues^[48]也认为当孔隙流体压力大于最小水平主应力与岩石骨架抗张强度之和时,岩石将产生垂直水力超压裂缝,根据已有的凉高山组抗拉强度实验测试结果,凉高山组页岩的抗拉强度为1.04~7.69,平均值为3.58 MPa,且依据李智武等^[44]燕山早—中期垂向应力恢复结果,只要燕山早—中期的古流体压力在15 MPa以上,就可以产生垂直水力超压缝。在燕山早—中期(170~140 Ma),燕山早期侏罗系沉积初期受米仓山强烈冲断远程SN向挤压应力作用的影响,侏罗系整体快速埋藏,埋藏深度为1 000~4 000 m,埋藏速率达到175 m/Ma,且沉积速率加快(0.006 3~0.017 cm/a),造成泥页岩压实不均衡,在封闭的环境下,泥页岩大量孔隙水排出不充分造成水力超压。而杜凤钦^[49]认为营山-平昌流体过剩压力在31~38 MPa,远远超过了最小水平主应力与岩石抗张强度之和,在σ_v>σ_H>σ_h应力模式下可形成垂直于SN向的水力超压缝,此类裂缝基本为泥质或方解石全充填,其捕获包裹体均一温度为45~65 ℃。燕山中期以后,大巴山SW向冲断作用逐步增强,侏罗系进一步埋藏并达到低成熟阶段,低熟油和成岩流体也造成了流体超压,在σ_H≈σ_v>σ_h应力环境下形成了低角度-水平的NE向的流体超压裂缝,此类裂缝处于封闭环境,多被纤维状方解石全充填,其捕获的流体包裹体均一温度为80~120 ℃。方解石U-Pb定年结果分布在169~145 Ma,此阶段形成的裂缝全部充填;第二阶段为构造裂缝开始形成时期,即燕山晚期(100~80 Ma),在大巴山强烈冲断活动造成的SW向挤压应力作用下,由最大埋深转换为缓慢抬升,埋深6 500~7 500 m,在σ_H>σ_h>σ_v应力环境下形成了NNE和近EW向中高角度共轭平面剪切裂缝,以及少量的NE向扩张缝,此时裂缝也多被充填,捕获流体包裹体均一温度为145~175 ℃,且此时侏罗系已经达到成熟-高成熟阶段,进入了生烃高峰期,页岩内产生了大量生烃超压微裂缝(图5c-e),经过明显泄压,此类裂缝至今有效性仍然较好;第三阶段为喜马拉雅早—中期,为构造裂缝形成的主要时期,即(67~32 Ma),在大巴山SW向继承性挤压应力作用下,研究区表现为加速抬升,埋藏深度为4 500~6 000 m,且沿着下部三叠系滑脱层一系列叠瓦状逆冲断层开始形成,并伴生有褶皱形成,在σ_H>σ_h>σ_v应力环境下研究区持续发育NNE和近EW向中高角度共轭平面剪切裂缝,以及少量的NE向扩张缝,扩张缝持续被充填,而共轭剪切裂缝在SW向应力作用下保持高度闭合状态,并新生形成NW向剖面剪切缝、层面滑移缝、张性缝和层理缝,裂缝处于半封闭-半开放环境,表现为拉伸状或块状方解石充填,捕获流体包裹体均一温度为110~135 ℃,方解石定年为65~45 Ma;第四阶段为喜马拉雅晚期(15~6 Ma),受印-亚板块碰撞和青藏高原向东所造成的强EW向挤压应力作用,并联合早期大巴山SW向挤压应力的影响,研究区表现为加速抬升,埋深为2 000~3 000 m,在σ_H>σ_v>σ_h右旋压扭应力作用下,表现为先存半充填剪切裂缝发生剪切活化有效性变好,并新生成了NNE向张性缝,由于形成时间较晚,裂缝有效性也较好,较少被充填,捕获包裹体均一温度为110~135 ℃。另外,由于现今地应力方向调整为近EW向,早期闭合的近EW向剪切裂缝,因裂缝走向与现今地应力方向夹角变小,有效性变好。而早期NNE向剪切裂缝仍然表现为高度闭合状态,且地层快速抬升,上覆地层应力卸载,在岩层回弹作用下页岩层内发育了大量层理缝,此类裂缝充填也较少,有效性较高。

总体而言,川东北营山-平昌地区侏罗系凉高山组页岩共经历了3期构造缝形成时期和2期非构造缝形成期。构造裂缝的开启、闭合和充填等主要受多期构造应力场和成岩流体环境控制,构造裂缝形成至今仍然保持较好的有效性。其主要表现为早

期闭合的EW向区域构造剪切裂缝受地应力方向调整而变得有效,而NW向断层附近高角度剪切裂缝主要受现今地应力方向偏转或断裂带内应力释放而变得较有效,且喜马拉雅晚期形成的NNE向张性缝,由于形成时间较晚未充填而有效,此类裂缝可能对页岩油气的保存起不利的影响。早期形成的流体超压裂缝均被充填而无效,而晚期形成的生烃超压裂缝和层理缝,主要以小微尺度为主,对页岩油气的高效渗流和富集具有积极的作用(图5g-i)。

6 结论

(1)川东北侏罗系页岩构造缝主要以剪切缝和层面滑移缝为主,仅发育少量张性缝。在构造影响区发育高角度-垂直NW和NE向高角度剖面剪切缝和网状张剪复合缝,裂缝规模发育,密度高且切层深度大,以中大尺度为主,而在非构造区发育中高角度近EW和NNE向剪切缝,并发育相当量的流体超压裂缝和层理缝,以中小尺度,甚至微纳米尺度为主,纵向上凉高山组中凉上段2亚段中上部粉砂质页岩段裂缝相对更发育。

(2)侏罗系构造裂缝主要经历3个时期:燕山晚期发育区域性的构造裂缝,即NNE与近EW向共轭平面剪切裂缝;喜马拉雅早—中期为构造裂缝主要发育期,主要为与断裂和构造变形相关的NW向剖面剪切缝和张性缝;喜马拉雅晚期为裂缝改造期,表现为早期部分充填裂缝剪切活化和新生成少量裂缝。非构造裂缝主要包括燕山早—中期的水力超压裂缝和燕山晚期的生烃超压微裂缝,以及喜马拉雅晚期大量形成的层理缝。

(3)凉高山组天然裂缝经历多期构造运动,裂缝有效性演化主要受构造应力场调整影响,并与成岩流体环境相关,有效构造裂缝主要为与现今地应力方向呈小交角的近EW向裂缝和NW剪切裂缝,以及晚期形成的NNE向张性缝,而有效的非构造裂缝主要为生烃超压微裂缝和晚期形成的层理缝,此类裂缝对页岩油气的富集和高产具有一定的控制作用。

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基金资助

国家自然科学基金面上项目(42072182)

青年基金项目(42402148)

四川省科技厅重点苗子项目(2022JDRC0103)

四川省杰出青年科技人才项目“页岩气储层天然裂缝评价”(2020JDJQ0058)

页岩油气富集机理与高效开发全国重点实验室开放基金项目(P24181)