不同地質條件下裂縫的形成機制及特征★

石寶存 李 成 孫 茜 陳 瑋 榮飛亞 彭振康 陳洵安 魏 凱

(南京工程學院建筑工程學院，江蘇 南京 211167)

0 引言

油氣在未開采前儲存于巖石裂縫內，即油氣勘測主要以勘測巖石裂縫為主。裂縫貫穿各形式的儲存孔隙，油氣在裂縫中的運移構成了一個天然油氣儲存空間。隨著勘探技術提升，大量巖石裂縫油氣藏被發現，這也解決了社會中油氣匱乏這一問題。本文根據前人對巖石結構與裂縫形成關系做出的研究，選取泥頁巖，沉積巖以及火山巖等巖石條件，對巖石裂縫的形成機制以及特征做出研究。

1 裂縫的分類

國內外學者根據研究目的差異對巖石裂縫劃分了相應的分類，其中巖石裂縫的形成過程描述分類如下。

1.1 按地質成因分類

根據國內外學者研究成果[1]分析，按照裂縫地質成因可以將裂縫分為原生裂縫，次生裂縫以及人為誘導裂縫。

1)原生裂縫。

原生裂縫是在巖漿成巖過程中巖漿噴發產生大量的供力，隨著巖漿的爆發形成的氣液爆炸導致凝結或者未凝結狀態的上部巖漿受到沖擊，當達到極限載荷之后產生的裂縫;或者是在巖漿因失水收縮而形成的裂縫。

2)次生裂縫。

次生裂縫是指在巖石形成以后,由溶解、重結晶、白云石化以及構造運動等作用下形成的裂縫。根據前人的研究可知次生裂縫分為構造裂縫以及非構造裂縫兩大類。

3)人為誘導裂縫。

人為誘導裂縫是由于人們在進行鉆井，開采，施加過強載荷等因素下，巖石造成橫向，縱向或者反射形狀的裂縫。

1.2 按形成原因分類

在工程上面，裂縫的形成主要是受到溫差，收縮，不均勻沉降以及載荷的影響所致。根據這些影響因素可以將裂縫分成塑性收縮裂縫，沉降收縮裂縫以及溫度裂縫[2]。

1.2.1塑性收縮裂縫

塑性裂縫大多出現在暴露于空氣中新澆筑的混凝土構件的表面，塑性收縮是指在混凝土凝結之前，水分快速流失形成的表面收縮。造成塑性裂縫的主要原因是：混凝土在終凝之前，表面失水過快→毛細管內負壓增大→混凝土體積急劇收縮，當發生這一過程時，混凝土所受強度達到極限強度而發生的裂縫。塑性收縮裂縫一般發生在干熱或有風的天氣，裂縫隨機分布且不一致。短裂紋一般長20 mm～30 mm，長裂紋長達2 m～3 m。

1.2.2沉降收縮裂縫

沉降收縮是指澆筑后混凝土由于構件密度不同，導致水漂浮到表面，致密顆粒下沉，使得硬化混凝土體積減少。如果試件放在不均勻凍土上，更是加劇沉降收縮，導致混凝土結構開裂。

1.2.3溫度裂縫

混凝土澆筑后，水泥的水化硬化過程會產生大量的水化熱積聚在混凝土內部不易消散，導致混凝土內外的熱脹冷縮程度不同，在混凝土表面受到拉應力，當拉應力超過其抗拉強度極限時，混凝土就會出現溫度裂縫。這種裂縫形式往往發生在大體積混凝土或者溫度變化大的地區的混凝土施工后期階段[3]。

2 不同巖性的裂縫形成機制

2.1 沉積巖

根據國內外學者研究成果可知，影響沉積巖裂縫的形成因素主要有碎屑顆粒、膠結物、孔隙率以及巖石結構的非均勻質性[4]。

2.1.1碎屑顆粒

沉積巖的基本特征是由碎屑顆粒表現、碎屑顆粒直徑、排列方式、顆粒間的連接以及成分等都會影響沉積巖裂縫的形成。沉積巖石脆性較強將會導致巖石強度不足，容易開裂。大面積的脆性巖石也就具有了較高的裂縫密度。

2.1.2膠結物

膠結物將松散的沉淀物凝結，膠結物的物質來源是沉降掩埋過程中從沉積巖孔隙溶液里沉淀成的自生礦物。它的作用是增強沉積巖內部的作用力[5]，提高沉積巖的強度。最常見的膠結物有SiO2，H2CO3,H2SO4，FeS2,沸石等[6]。

1)膠結物種類對裂縫的影響。

沉積巖的膠結類型之間的差異將會帶來裂縫不同的特征，根據它的作用點不同可分為插入式，相切式，孔隙式以及底座式膠結這四種。其中膠結的巖石強度從強到弱為下部基礎式膠結，孔隙式膠結，相切式膠結。

2)膠結強度對裂縫的分析。

一般來說，膠結強度受膠結程度影響，膠結程度越高，巖石強度越強，裂縫就越少，在一定程度上，多分泌膠結物對裂縫具有一定抑制作用。根據巖石力學實驗利用不同膠結程度的砂巖實驗可得出砂巖隨著膠結程度增強，砂巖強度將隨之增強，大致的變化處于120 MPa～20 MPa之間。

2.1.3孔隙率

孔隙率對沉積巖裂縫的形成具有重要影響。1990年，E. M.謝爾蓋耶夫[7]提出巖石的空隙性常反映它的密實程度，空隙率愈大，巖石的強度愈低。巖石強度隨其密度減小而降低的現象，就是空隙性影響巖石強度的具體體現。

2.1.4巖石結構的非均勻性

沉積巖內部存在著不完全結合，不整合斷層等各種地質界面統稱為結構面。沉積巖裂縫大致出現在結構面上。

研究發現[8]，沉積巖開裂在均質度高的巖石試件中擴展比較緩慢，開裂面非常光滑規則，并且裂縫擴展偏離原來開裂的方向。最終和最大應力方向趨于一致，在裂縫拐彎擴展的位置，應力集中:在均質度比較低的巖石中，裂縫擴展很不規則，而且斷斷續續,應力集中也不是很明顯，擴展的方向雖然也是趨向于最大主應力方向，但是受非均勻性的影響很大。在均質度較高的巖石中，巖石強度相對高且裂紋擴展表現出很強的脆性。

2.2 火山巖

火山巖又稱噴出巖，屬于巖漿巖(火成巖)的一類，是巖漿經火山口噴出到地表后冷凝而成的噴出巖?；鹕綆r裂縫由于不同的裂縫類型，在成型時都會有很大的差異。就原生裂縫和次生裂縫相比較原生裂縫是在火山活動初期階段，巖漿噴發產生大量的供力，隨著巖漿的爆發產生的氣液爆炸導致凝結或者未凝結狀態的上部巖漿受到沖擊或者在巖漿因失水收縮而形成的裂縫。而次生裂縫是在巖漿冷凝固結成巖后才形成的，由溶解、重結晶、白云石化以及構造運動等作用下形成的裂縫。

2.3 泥頁巖

本文所指的泥頁巖主要是泥巖類和頁巖類沉積巖，其組成主要為粒徑小于0.003 9 mm的細粒碎屑、粘土和有機質[9]。由于泥頁巖本身的特點，例如細小的礦物顆粒、韻律性、層理發育，富含有機質等，決定了裂縫演化的獨特性和油氣的地質意義。因此，泥頁巖裂縫研究已成為油氣勘探開發研究的重要組成部分。總的來說，根據成因將泥頁巖裂縫分為兩大類：構造裂縫和非構造裂縫。

構造裂縫的主要成因是構造變形、位置和順序的變化、應力超過巖石強度極限和水平應力作用下的巖石斷裂。非構造裂縫主要是由氣候變化、成巖演化、流體超壓和重力失穩作用下巖石崩塌引起的。2016年，混凝土裂縫有了新的分類，其中非結構裂縫可分為五種類型：干裂裂縫、水下收縮裂縫、成巖層理裂縫、超壓裂縫和現代臺面裂縫。

1)干裂裂縫。

干裂裂縫是指表面的泥質沉積物層或已被提升到頁巖表面，由于暴露于干燥和脫水、體積收縮而形成的裂縫。它通常從上到下逐漸縮小開裂。干裂裂縫為未成巖的沉積物失水收縮而成，干裂現象只發生在泥質沉積物中，上部的泥質沉積物比砂質沉積物更容易發生體積收縮。從剖面上，有兩種主要形式的干裂紋，即“U”形和“V”形。干裂裂縫通常在一定的深度結束，而長期干燥的條件會使裂縫產生15 m深的裂縫。

2)水下收縮裂縫。

水下收縮裂縫是淺水、易湖、湖泊沉積物中泥層脫水或鹽度增加而形成的沉積變形構造。泥質地層中的灰綠色粉砂巖與上覆石灰—綠粉砂巖是一致的。下部泥巖中的粉砂巖帶是在沉積過程中形成的，是由于上部沉積物松散成泥巖裂縫而形成的。水下收縮裂縫的前端通常是有規律的擴展，當它達到一定長度時，以分叉、彎曲或斷續的形式結束，平面被編織成矩形或網狀的形狀，幾乎垂直于平面，穿透深度較淺，通常為V形。干裂縫和水下收縮裂縫具有相似的平面擴展特性，但其原因基本不相同[10]。

3)成巖層理裂縫。

泥頁巖中的水平層理處于相對穩定的水動力條件下(如河岸帶、被遮擋的海灣、深海流域和湖泊的深水帶，由懸浮或溶液緩慢沉積而成)，由一系列與平面平行的精細層組成。

4)超壓裂縫。

泥頁巖超壓裂縫在地層孔隙流體超壓作用下形成。超壓裂縫主要分為欠壓實超壓裂縫和生烴超壓裂縫兩種。在形態上兩種裂縫相似，但形狀不規則，裂紋表面不平整主要表現為中間寬，兩端窄，沒穿透層。

5)現代表生裂縫。

由于重力不穩定、風化等因素引起的裂縫，使頁巖上升到地表，即頁巖代表裂縫。裂紋呈Z形擴展，沿擴展方向變窄。

3 結語

通過對不同巖性的巖石裂縫對比，我們可以了解到其對于裂縫的劃分方法一般是不同的。進一步地對裂縫性油氣藏的研究，對不同巖性的裂縫進行對比分析，這樣才能最大限度的利用資源，具有極大的經濟價值和社會效益。

1)影響沉積巖裂縫的形成因素主要有巖石碎屑顆粒，膠凝物，顆粒與膠凝物組合，空隙率，巖石結構的非均質性。

2)火山巖裂縫主要分為原生裂縫和次生裂縫。其中，原生裂縫又可以分為冷凝收縮裂縫和炸裂縫。次生裂縫可分為構造裂縫、溶蝕裂縫以及風化裂縫。

3)根據成因劃分，頁巖裂縫可分為構造裂縫和非構造裂縫兩類。非結構裂縫又可分為5類，即裂縫、水下收縮裂縫、成巖層理裂縫、超壓裂縫和現代臺面裂縫。