0 引言
阳春沟构造带位于中国石化华东油气分公司南川区块西部，通过龙济桥断层与东胜构造带分割，目前研究区内已实施二维地震、三维地震和探井，邻区平桥—东胜构造带已提交五峰组—龙马溪组一段探明地质储量近2 000×108 m3，正在进行产能建设。综合评价认为，阳春沟构造带五峰组—龙马溪组龙一段页岩气基本地质条件与平桥—东胜构造带相似，具有地球化学指标优越（总有机碳含量为1.00%~8.02%，平均为2.22%）、储层物性好（孔隙度为1.96%~5.97%，平均为3.20%）、可压性好（硅质矿物含量为17.50%~74.90%，平均为41.12%、脆性指数为33.85%~79.84%，平均为58.51%）、含气性良好［总含气量为0.99~8.49 g/m3，平均为2.31 g/m3、探井测试获得（7.00~17.00）×104 m3/d的工业气流］和资源潜力大（初步估算页岩气地质资源量约为1 000×108 m3）等特征，展现出了良好的勘探前景，是下步增储上产的重点区域［7，27］。
但该构造带构造相对复杂、页岩裂缝发育程度高、构造裂缝特征及形成期次研究相对较少，因此，通过研究区探井岩心观察五峰组—龙马溪组一段页岩构造裂缝宏观特征及分布，利用成像测井解释成果分析构造裂缝产状、利用扫描电镜研究构造裂缝微观表征，结合裂缝充填物、包裹体分析、邻区磷灰石裂变径迹、埋藏史分析等成果对裂缝形成期次进行解析，并对构造裂缝形成与页岩气成藏过程的匹配关系探讨，以期为后续勘探开发部署提供科学依据。
1 区域构造背景
图2 南川地区五峰组底面构造图Fig.2 Structure map of the bottom of Wufeng Formation in Nanchuan area |
2 构造裂缝发育特征
2.1 岩心观察
SY3钻井岩心显示，阳春沟地区构造裂缝主要为滑脱缝和剪切缝（图4）。
图4 五峰组—龙马溪组页岩井下裂缝特征照片（a）2 982.5~2 982.7 m，单一方向层间滑脱缝；（b）2 968.3~2 968.5 m，单一方向剪切缝；（c）2 977.5~2 977.8 m，2个方向剪切缝；（d）2 694.8~2 695.2 m，2个方向剪切缝，形成较复杂缝网；（e）2 979.2~2 979.5 m，3个方向剪切缝；（f）2 976.5~2 976.7 m，复杂缝网 Fig.4 Fracture features of the shale core of the Wufeng Formation-Longmaxi Formation |
滑脱缝多呈现为单一方向裂缝，缝宽0.1~10 mm，白色方解石充填，裂缝产状与地层产状基本一致，表现为高角度缝或近似垂直缝［图4（a）］。常发育在五峰组和龙马溪组底部斑脱岩与页岩接触面，裂缝面相对平直，可见擦痕，阶步等现象。五峰组底部揉皱强烈段裂缝面呈光亮的镜面状，有炭化现象，污手。
剪切缝形态多样，岩心上能分辨出不同方向和形态的裂缝，反映页岩遭受了不同方向和不同期次构造作用［图4（c）—图4（e）］ 。单一方向剪切缝形态与滑脱缝相似，但裂缝宽度更大，可达2~5 cm，裂缝产状多与页岩层里面斜交［图4（b）］。2个方向剪切裂缝的切割关系反映出它们形成于不同的期次，近似水平方向裂缝被倾角为30°方向裂缝切割，说明前者早于后者形成［图4（c）］。当后期再次受到构造作用时裂缝面将会弯曲或者错断，形成不规则复杂缝网［图4（d）］，说明该地区页岩至少遭受过3期构造改造作用。3个方向剪切裂缝倾角为近似水平、30°和60°方向［图4（e）］。从交切关系上看，近似水平方向裂缝形成时间最早，然后是倾角30°的裂缝，倾角60°的裂缝形成时间最晚，并发生轻微揉皱，使得裂缝面变形。五峰组多段页岩在多期构造作用下发生揉皱，形成复杂的不规则缝网，裂缝方向及形成期次无法辨识［图4（f）］。
2.2 成像测井解释
由于阳春沟构造带构造复杂、地层倾角大、五峰组—龙马溪组页岩岩心相对较破碎，难以进行岩心产状恢复，通过岩心观察无法确定裂缝倾向、走向等产状要素，但应用成像测井资料可以识别出构造裂缝及其产状（图5）。SY3井测井图像上共拾取到276条高阻缝、10条高导缝和17条微断层［7］（图5），其纵向分布特征与岩心观察结果对应性较好［图4（c）］，进一步说明该地区存在多期构造裂缝。测井解释高阻缝走向为北东—南西向，有3个优势方位，即北北东向（10°~30°）、北东东向（50°~70°）和南南东向（160°~170°）；倾向为南东向（70°~170°），优势方位为南东东向（100°~120°）；倾角变化较大，为5°~82°，相对集中分布于5°~30°之间和40°~60°之间。断层走向方位也以北东—南西向为主，优势方位为北北东向（0°~20°）、北东向（30°~60°）和北东东向（80°~90°）3个方向，与高阻缝相比缺少南南东向；倾向为南东东向，以100°~110°为主，与高阻缝倾向基本一致；倾角变化较大，为18°~78°，相对集中分布在60°左右［7］。
2.3 微观特征
通过AXIOSKOP40型显微镜和氩离子抛光扫描电镜（Zeiss Sigma场发射扫描电子显微镜），对阳春沟构造带五峰组—龙马溪组页岩样品进行观察，可以识别出构造微缝、层理缝、解理缝和收缩缝等不同类型的裂缝［7］（图6）。其中，构造剪切缝形状不规则，被方解石充填，一般斜交于纹层分布，裂缝宽度为0.01~0.17 mm，长度为2.8~27.5 mm，可以分辨出不同方向的裂缝［图6（a）］，说明页岩遭受过不同期次的构造作用。构造微裂缝通常发育在构造应力释放点附近，多数会切穿有机质、矿物或碎屑颗粒，有一定弯曲度，多呈不规则锯齿状，规模较大，长度、产状变化大［图6（b），图6（c）］。层理缝一般较规则，平行于纹层分布，方解石充填，缝宽和缝长相对偏小，裂宽仅为0.01~0.06 mm，缝长仅为0.75~14.3 mm［图6（d）］。解理缝主要发育于片状矿物（如云母）内部或边缘，一般是矿物在机械张力的影响下形成的，沿一定方向相互平行的等间距细缝，裂宽0.02~1 μm，缝宽和缝长较小，多数未被胶结物充填，缝面较平直，少量有轻微弯曲［图6（e）］。收缩缝主要是沿有机质、矿物或碎屑颗粒的界面处形成的裂缝［图6（f）］，多具有一定的弧度，缝面不规则，孤立存在，缝宽和缝长有限，缝宽0.01~0.5 μm。由于有机质在演化过程中体积收缩或生烃产生局部异常压力使矿物或颗粒破碎而形成的裂缝。
图6 五峰组—龙马溪组页岩构造裂缝微观特征（a）构造缝，2 710.51~2 710.69 m，见22条微裂缝，不同方向构造微交错分布；（b）构造缝，2 968.16~2 968.19 m，见到大量裂缝，裂缝总面积占60%以上，在裂缝内充填有方解石和硅质；（c）构造缝，2 994.87~2 995.00 m，构造缝产状不规则，未充填；（d）层理缝，2 651.63~2 651.66 m；（e）节理缝，2 863.73~2 863.93 m，云母节理缝；（f）收缩缝，2 661.71~2 662.01 m，有机质收缩缝 Fig.6 Microscopic characteristics of shale structural fractures in Wufeng Formation-Longmaxi Formation |
3 形成期次解析
通过前文阳春沟构造带岩心观察与描述、成像测井资料并结合裂缝镜下微观特征综合分析认为，五峰组—龙马溪组页岩构造裂缝是在多期构造作用下形成的。应用区域构造运动分析、井下裂缝期次分析以及包裹体均一温度、磷灰石裂变径迹等测试结果分析手段，对阳春沟构造带构造裂缝形成期次进行解析。
3.1 区域构造运动分析
研究区所在的川东高陡构造带主要为印支期形成，燕山期发展，喜马拉雅期改造定型（图1，图7）。在晚奥陶世到早志留世（印支期）上扬子板块、华夏板块和扬子板块三者相互碰撞，研究区域整体开始抬升，沉积环境由海相的深水陆棚向局限台地转变后，再由深水陆棚向浅水陆棚沉积环境转变，沉积地层由黑色硅质页岩向深灰色泥岩转变，局部在上奥陶统顶部夹一套介壳灰岩，该时期区域主应力方向为近南北向，构造运动方式以垂直升降为主，构造形迹以南北为主［图7（a）］。侏罗世以来（燕山运动早期）扬子板块受江南雪峰造山运动推覆作用的影响，扬子板块整体的构造格局发生改变，由拉张环境转变为挤压环境，主应力方向逐渐转变为南东—北西 向，构造形迹也以南东—北西向为主。川东南褶皱带于该期开始产生微弱的构造挤压应力作用，齐岳山断裂开始发育，到燕山运动中晚期时，川东南褶皱带持续接受雪峰山隆起的影响，在紫玉—罗甸、大娄山等构造带的联合作用影响下，位于齐岳山隐伏断裂下盘的南川地区产生明显的断裂活动［图7（b），图7（c）］。研究区域内地层的地表构造特征表现为北北西向和近东西向的平面剪切缝大量发育，少量北西向剖面剪切缝发育。该时期形成的构造裂缝主要被方解石、黄铁矿等矿物全部充填，裂缝连通性较差。盆地构造格局在上新世喜马拉雅运动发生巨大改变，该期喜马拉雅运动在四川盆地区域被称之为四川运动，四川运动不同幕次对盆地构造格局的影响不同。喜马拉雅运动东南幕次，在印度板块与欧亚板块碰撞作用的影响下，青藏高原海相沉积历史随之结束，随着碰撞挤压开始进入快速隆升阶段，青藏高原东缘的隆升对四川盆地形成近东西向和北西—南东向的联合挤压作用，同时对川东南褶皱带产生应力挤压，出现近东西向构造单元和近南北向延伸的走滑断层，在构造裂缝特征上表现为北北西向和北西西向的平面剪切缝和北东向的剖面剪切缝发育［13-19］。该时期形成的裂缝被方解石等矿物部分充填，并对前2期构造运动产生的裂缝进行了加强和改造［图7（d）］。
3.2 野外露头裂缝期次分析
3.3 井下裂缝期次分析
在挤压背景下，天然裂缝走向与最大水平主应力方向一致。测井解释结果显示，阳春沟构造带现在最大水平主应力方向为北东东向（60°~70°）（图9），因此，走向为北东东向（50°~70°）的高阻缝和走向为北东东向（80°~90°）的断层是在北东东向（60°~70°）构造应力下形成的，为最新的一期裂缝，是在燕山构造运动末期—喜马拉雅构造运动期形成，是受川中古隆起和江南雪峰隆起叠合作用的结果。走向北北东向（10°~30°）的高阻缝和断层与现今地层产状一致（图9），它们是在燕山构造运动末期—喜马拉雅构造运动期形成，是一些顺层滑脱缝和逆断层。走向南南东向（150°~170°）的高阻缝和高导缝，是在更早的燕山运动中晚期形成，在江南雪峰隆起影响下由南东—北西向（170°左右）的构造主应力强烈推覆挤压下形成的。
3.4 测试结果分析
3.4.1 包裹体均一温度
在矿物晶体生长的过程中，由于外界流体、温度、压力等条件的影响，流体介质被捕获在矿物晶格缺陷中形成流体包裹体，在捕获时流体是处于均一状态的，随着温度和压力的变化出现相分离，流体与成岩矿物就会很好的区分开，并保留大量原始流体地球化学信息［20］。不同期次裂缝充填物中含有的流体包裹体存在明显不同的均一温度，因此可以通过测定与裂缝充填物同时形成的原生包裹体均一温度来区分裂缝形成期次和推断裂缝形成时期。
图10 五峰组—龙马溪组裂缝充填方解石脉中流体包裹体特征（a）样品DS-15-12-A，2 977.72 m，近水平；（b）样品DS-15-12-B，2 977.72 m，45°方向；（c）样品DS-15-12-C，2 977.72 m，近垂直 Fig.10 Characteristics of fluid inclusions in fractures filled calcite veins of Wufeng Formation-Longmaxi Formation |
结合区域构造运动分析，3次流体充注过程对应于该地区经历的3期构造运动：第一期为燕山中期，在江南雪峰推覆作用下，五峰组—龙马溪组页岩由最大埋深进入挤压抬升阶段，该时期页岩埋藏深度最大，对应方解石脉中流体包裹体均一温度也最高；第二期为燕山晚期，随着持续逆冲推覆抬升，五峰组—龙马溪组页岩埋深较第一期持续浅，流体包裹体均一温度相对较低；第三期为燕山末期—喜马拉雅期，随着碰撞挤压开始进入快速隆升阶段，五峰组—龙马溪组页岩埋藏进一步变浅，该期流体包裹体均一温度最低。
3.4.2 磷灰石裂变径迹
磷灰石是地质上研究盆地或造山带低温构造演化史的有效矿物，利用磷灰石退火原理进行裂变径迹分析，能很好地指示构造带隆升—剥蚀年代，进而区分构造裂缝形成期次［15，19］。针对川东南复杂构造区，不同构造单元内磷灰石裂变径迹分析，结果显示该地区北东向和北西向展布的褶皱形成时间并不相同［15，19］。在本文研究过程中，选取离研究区较近，由盆外到盆内的4块样品（图1）进行磷灰石裂变径迹分析，在磷灰石裂变时间—温度模拟图上出现2次明显的快速降温阶段，以及一次缓慢降温阶段，对应时间分别为120~80 Ma、80~30 Ma、30~0 Ma（图12），表明该地区经历过3期强烈的构造作用改造。第一阶段距今约120~80 Ma的快速隆升阶段，研究区受燕山中期江南雪峰造山作用影响，发生快速隆升剥蚀和强烈的构造变形；第二阶段距今约80~30 Ma的缓慢隆升阶段，在研究区形成2期构造裂缝；第三阶段距今30 Ma以来的快速隆升阶段，为四川盆地晚喜马拉雅期的整体隆升，但对研究区影响较小。
4 构造裂缝形成与页岩气成藏过程的匹配关系
根据研究区五峰组—龙马溪组富有机质页岩埋藏史和热演化史模拟分析表明，阳春沟地区五峰组—龙马溪组页岩在加里东—燕山中期为持续的沉降阶段，最大埋深在7 000 m左右，R O值约为2.58%，有机质热演化随着埋深的增大先后经历了未成熟、成熟、过成熟3个阶段，并生成大量天然气（图13）。在燕山中晚期—喜马拉雅期地层开始抬升，页岩气藏进入调整阶段，经历多期构造运动，形成大量构造裂缝（图13）。SY3井页岩裂缝内第一期方解石包裹体均一温度为190~210 ℃，结合埋藏史分析裂缝形成于最大埋深—开始抬升期，为生烃增压和构造抬升导致的破裂缝，有利于改成储层物性。第二期方解石包裹体均一温度为165~185 ℃，处于抬升初期，页岩气藏开始遭受破坏，天然气开始逸散。第三期方解石包裹体均一温度为135~155 ℃，该期裂缝形成于气藏调整阶段，为页岩气逸散过程及构造挤压形成的剪切缝，对页岩气藏有一定的破坏作用。开始抬升的时间越早，页岩气逸散和保存条件遭受破坏的时间就越长，含气量和测试产量就越低（表1）。阳春沟地区抬升时间介于武隆向斜和焦石坝地区之间，与南川地区平桥背斜相当，SY3井含气性良好，总含气量为4.23 g/m3、含气饱和度为52.04%、游离气占比为58.5%、测试获得7.00×104 m3/d的工业气流，说明该地区虽然遭受多期构造运动，但页岩气保存条件并未被完全破坏，整体上构造裂缝改善了页岩储层物性，页岩气勘探潜力仍较大。
图13 阳春沟地区五峰组—龙马溪组页岩生烃演化史模拟Fig.13 Simulation map of shale hydrocarbon generation and evolution in Wufeng Formation-Longmaxi Formation of Yangchungou area |
表1 渝东南地区典型井构造抬升时间与含气性参数Table 1 Uplift time and gas bearing parameters of typical wells in Southeast Chongqing area |
| 构造单元 | 代表井 | 抬升时间/Ma | 压力系数 | 含气量/（m3/t） | 游离气占比/% | 测试产量/（104 m3/d） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 桑柘坪向斜 | PY1 | 120 | 0.96 | 1.95 | 43.7 | 2.5 |
| 武隆向斜 | LY1 | 95 | 1.08 | 3.95 | 56.2 | 4.6 |
| 平桥背斜 | JY194-3 | 90 | 1.32 | 4.36 | 64.9 | 34.3 |
| 焦石坝背斜 | JY1 | 85 | 1.55 | 5.85 | 79.6 | 20.3 |
| 阳春沟构造带 | SY3 | 92 | 1.15 | 4.23 | 58.5 | 7.0 |
5 结论
（1） 阳春沟地区五峰组—龙马溪组页岩中的构造裂缝非常发育，被方解石充填，多处呈现不同期次裂缝交错切割形成复杂缝网，并可见揉皱、微断层等现象。
（2） 这些构造裂缝形成于3期构造运动：第一期为北北西向、北西西向和北东向裂缝，以方解石和黄铁矿全充填为主，形成于燕山运动中期，磷灰石裂变径迹测年为82~95 Ma，包裹体测温为190~210 ℃；第二期为北北东向、北东东向平面剪切缝和北西向剖面剪切缝，以方解石充填—半充填为主，形成于燕山运动晚期，磷灰石裂变径迹测年为68~78 Ma，包裹体测温为165~185 ℃；第三期为北北东向、北东东向平面剪切缝和北西向剖面剪切缝，并对前期裂缝进行改造，以方解石充填为主，形成于燕山末—喜马拉雅中期以来，磷灰石裂变径迹测年为30~62 Ma，包裹体测温为135~155 ℃。
（3） 根据构造演化史、埋藏史和生烃史模式分析构造裂缝形成与页岩气成藏过程的匹配关系，3期构造裂缝对应页岩气的形成有不同的影响。第一期构造裂缝形成于页岩气藏调整阶段，有利于改善页岩储层物性。第二期和第三期构造裂缝形成于页岩气藏调整中后期，这一时期的抬升运动将会增加页岩气的逸散量，破坏页岩气的保存条件。开始抬升的时间越早，页岩气逸散和保存条件遭受破坏的时间就越长，含气量和测试产量就越低。
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