黔東南地區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖裂縫發(fā)育特征與主控因素

王濡岳， 王興華， 龔大建， 尹 帥， 付福全， 陳 恩

( 1. 中國(guó)石油化工股份有限公司 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083； 2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083； 3. 中國(guó)國(guó)儲(chǔ)能源化工集團(tuán)股份公司，北京 100107； 4. 西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065 )

0 引言

頁(yè)巖氣生成并儲(chǔ)集于富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層系，具有源、儲(chǔ)一體的特征[1]。涪陵頁(yè)巖氣田的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)重大突破[2-3]，在非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)與能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面具有引領(lǐng)示范作用。下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖物質(zhì)基礎(chǔ)好、分布面積廣[4-8]，具備頁(yè)巖氣資源開(kāi)發(fā)潛力。同時(shí)，頁(yè)巖成熟度較高，構(gòu)造—成巖改造強(qiáng)度大、保存條件復(fù)雜，有機(jī)孔發(fā)育程度低[9-13]。天然裂縫的發(fā)育能夠改善頁(yè)巖儲(chǔ)、滲能力，對(duì)頁(yè)巖氣的富集、保存與開(kāi)采效益具有重要影響[14-19]。Bowker K A等[14]指出，福特沃斯盆地Barnett頁(yè)巖在靠近斷層與構(gòu)造變形區(qū)(背斜與向斜)頁(yè)巖氣產(chǎn)量較低，區(qū)域裂縫非常發(fā)育，但不利于頁(yè)巖氣的生產(chǎn)；開(kāi)啟裂縫較為罕見(jiàn)且與頁(yè)巖氣產(chǎn)量關(guān)系不大。Gale J F W等[15]研究認(rèn)為，高角度天然裂縫在Barnett頁(yè)巖中較為常見(jiàn)，常呈雁列式排列，裂縫開(kāi)度較小，通常小于0.05 mm，且絕大部分被充填，裂縫總數(shù)遵從冪律分布，可能存在部分大型開(kāi)啟裂縫聚集帶；大型天然開(kāi)啟裂縫帶能夠提高頁(yè)巖孔滲能力，但阻礙人工誘導(dǎo)縫的延伸；規(guī)模較小的充填縫與最大主應(yīng)力方向近乎垂直，且在壓裂改造下易再度開(kāi)啟與活化，有利于頁(yè)巖氣的增產(chǎn)。Gale J F W等[16]分析北美18個(gè)頁(yè)巖氣區(qū)塊的頁(yè)巖裂縫類型、充填、方位、規(guī)模等，指出天然裂縫具有局部高豐度、尺度(高度、長(zhǎng)度和開(kāi)度)變化大、弱力學(xué)強(qiáng)度礦物充填或發(fā)育殘余孔隙等特征，能夠增強(qiáng)或降低頁(yè)巖氣產(chǎn)率，影響地下流體流動(dòng)及巖石強(qiáng)度。

黔東南地區(qū)下寒武統(tǒng)發(fā)育牛蹄塘組與變馬沖組兩套黑色頁(yè)巖，其中牛蹄塘組為被動(dòng)大陸邊緣深水陸棚沉積[20]，巖性以黑色硅質(zhì)頁(yè)巖為主；變馬沖組為一套以陸棚與前三角洲相為主的海相—過(guò)渡相沉積層系[21]，砂泥巖互層的巖性組合與陸相、過(guò)渡相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖具有一定相似性。目前，商業(yè)性開(kāi)發(fā)的頁(yè)巖氣多產(chǎn)于海相地層，但中國(guó)陸相與過(guò)渡相頁(yè)巖發(fā)育廣泛，是未來(lái)頁(yè)巖油氣勘探開(kāi)發(fā)的重要接替領(lǐng)域，分析研究區(qū)牛蹄塘組與變馬沖組二段頁(yè)巖裂縫發(fā)育特征與主控因素，對(duì)中國(guó)國(guó)海相與陸相頁(yè)巖裂縫研究具有參考借鑒意義。以黔東南岑鞏地區(qū)牛蹄塘組和變馬沖組二段(變二段)為例，筆者利用巖心、薄片觀察及樣品分析測(cè)試資料，分析下寒武統(tǒng)頁(yè)巖裂縫發(fā)育特征、主控因素及其差異性，為頁(yè)巖氣下一步勘探開(kāi)發(fā)提供參考。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)地處貴州省黔東南苗族侗族自治州東北部、銅仁市西南部(見(jiàn)圖1)，位于上揚(yáng)子地塊東南緣湘鄂西隔槽式褶皺帶[11]，早寒武世為被動(dòng)大陸邊緣深水陸棚沉積[20-21]，發(fā)育牛蹄塘組與變馬沖組兩套富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖。牛蹄塘組與變二段在研究區(qū)內(nèi)發(fā)育穩(wěn)定、厚度大，頁(yè)巖氣物質(zhì)基礎(chǔ)條件較好。牛蹄塘組地層厚度為59.0～70.0 m，巖性底部為黑色硅質(zhì)巖及磷塊巖夾黑色高碳質(zhì)頁(yè)巖；下部為灰黑色硅質(zhì)頁(yè)巖、灰黑色泥巖與灰黑色頁(yè)巖呈不等厚互層，見(jiàn)星點(diǎn)狀黃鐵礦分布；上部為深灰色、灰色中厚層狀泥巖、粉砂巖。變二段地層厚度為162.0～172.0 m，巖性以深灰至灰黑色頁(yè)巖、頁(yè)巖與細(xì)砂—粉砂巖不等厚互層為主，共含4段單層厚度大于15.0 m的純頁(yè)巖段，單層最大厚度為35.5 m。牛蹄塘組和變二段TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.40%～10.50%和0.70%～1.70%，平均分別為4.60%和1.30%，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型為主。兩套頁(yè)巖的礦物組分以硅質(zhì)及黏土礦物為主，其中變二段頁(yè)巖石英平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35.00%，黏土礦物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44.70%；牛蹄塘組石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，平均為47.40%，黏土礦物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.30%。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置Fig.1 Structural location of the study area

2 裂縫發(fā)育特征

2.1 類型

根據(jù)裂縫成因，可將研究區(qū)裂縫劃分為構(gòu)造縫與非構(gòu)造縫，構(gòu)造縫主要包括高角度剪性縫、張/壓扭性裂縫和低角度滑脫縫。牛蹄塘組與變二段巖心構(gòu)造縫主要發(fā)育高角度剪性縫和低角度滑脫縫；非構(gòu)造縫主要為層理縫與層間縫(見(jiàn)圖2)。受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，裂縫具有多期充填與改造的特點(diǎn)。高角度剪性縫延伸較長(zhǎng)，常呈一定的組系和方向性，為區(qū)域或局部構(gòu)造應(yīng)力下頁(yè)巖發(fā)生脆性剪切破裂形成的(見(jiàn)圖2(a-b))。低角度滑脫縫面常見(jiàn)擦痕、階步和光滑鏡面(見(jiàn)圖2(c-d))。層理縫開(kāi)度較小，與成巖及沉積過(guò)程中沉積物成分、結(jié)構(gòu)差異有關(guān)，層理面一般對(duì)應(yīng)力學(xué)轉(zhuǎn)換面；在沉積與成巖演化過(guò)程中，層理面裂開(kāi)形成層理縫，具有低電阻率特征(見(jiàn)圖2(e-f))。層間縫主要由負(fù)荷減小引起的應(yīng)力釋放造成，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖生排烴形成的異常高壓利于順層纖維狀脈體發(fā)育(見(jiàn)圖2(g-h))，為油氣高壓排烴和運(yùn)移的標(biāo)志[22]。此外，在變二段砂巖及砂泥互層的不同巖性中裂縫發(fā)育存在差異(見(jiàn)圖2(i))，裂縫在砂巖中開(kāi)度較大，延伸終止于泥頁(yè)巖段，且開(kāi)度逐漸減小。

圖2 研究區(qū)頁(yè)巖巖心裂縫特征Fig.2 Characteristics of core fractures in the study area

2.2 發(fā)育特征

研究區(qū)牛蹄塘組與變馬沖組頁(yè)巖巖心裂縫參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見(jiàn)圖3)表明，牛蹄塘組與變二段砂泥互層段裂縫以構(gòu)造縫為主，傾角以高角度(75°～90°)為主，占比大于60%；其次是低角度(0°～15°)層間縫、層理縫及滑脫縫；斜交縫(傾角為15°～45°)占比極低。

變二段頁(yè)巖裂縫以低角度層理縫、層間縫和滑脫縫為主，占比大于70%，高角度構(gòu)造縫占比小于25%，斜交縫占比小于5%(見(jiàn)圖3(a))。裂縫開(kāi)度為0.2～1.0 mm，砂泥互層段裂縫開(kāi)度略大于純頁(yè)巖段的，與巖心觀察結(jié)果一致(見(jiàn)圖2(i)、圖3(b))。

圖3 研究區(qū)巖心裂縫參數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistics of core fracture parameters in the study area

裂縫長(zhǎng)度總體為0～10 cm，變二段頁(yè)巖與砂泥互層段裂縫長(zhǎng)度略大于牛蹄塘組頁(yè)巖的(見(jiàn)圖3(c))。裂縫充填程度總體較高，其中牛蹄塘組最高，變二段砂泥互層段次之；變二段頁(yè)巖半充填與未充填裂縫比例相對(duì)較高(見(jiàn)圖3(d))。

裂縫微觀特征(見(jiàn)圖4)表明，方解石充填縫中解理與次級(jí)孔、縫發(fā)育，裂縫中方解石充填物與生物骨架內(nèi)部見(jiàn)溶解與交代產(chǎn)生的次生孔縫，對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層孔、滲具有一定程度貢獻(xiàn)(見(jiàn)圖4(a-c))。微米—納米尺度下，頁(yè)巖裂縫以非構(gòu)造層間、粒間與粒內(nèi)縫為主，開(kāi)度達(dá)微米級(jí)；層間方解石、石英和黃鐵礦等剛性礦物有利于粒間孔縫的發(fā)育與保存，面孔率較高，膠結(jié)薄弱，其順層分布促進(jìn)層理縫與滑脫縫的形成(見(jiàn)圖4(d-e))。擠壓與滑動(dòng)作用使滑脫縫面礦物具有碎裂化結(jié)構(gòu)，顆粒磨圓與破碎度高，粒間孔、縫發(fā)育(見(jiàn)圖4(f))。微米—納米級(jí)微裂縫與宏觀裂縫互相溝通，構(gòu)成裂縫網(wǎng)絡(luò)，有效增加頁(yè)巖儲(chǔ)集空間，增強(qiáng)滲透能力。

3 裂縫發(fā)育主控因素

3.1 構(gòu)造因素

構(gòu)造因素是裂縫發(fā)育控制因素之一。下寒武統(tǒng)地層時(shí)代較老，經(jīng)歷早古生代加里東、晚古生代海西、中生代印支和燕山、新生代喜馬拉雅5期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在方向、大小、范圍及深度方面不一致，重置疊加形成研究區(qū)復(fù)雜的構(gòu)造背景。基于陰極發(fā)光和流體包裹體等分析方法，楊平等[23]研究黔北震旦系燈影組流體活動(dòng)與油氣成藏期次，認(rèn)為黔北地區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖共經(jīng)歷三期油氣成藏與一期氣藏破壞。此外，多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一系列褶皺和斷裂，斷層褶皺相關(guān)裂縫發(fā)育[17,24]。頁(yè)巖塑性較強(qiáng)，易發(fā)生滑脫與變形，形成順層滑脫裂縫與層間微型褶皺。在褶皺和斷裂附近，裂縫規(guī)模通常較大，隨與褶皺斷裂距離的增大和變形程度的降低，裂縫規(guī)模逐漸變小。

研究區(qū)CY1井距斷裂距離較TX1井的更近，CY1井的裂縫發(fā)育程度大于TX1井的[10,17]，對(duì)應(yīng)的頁(yè)巖含氣量明顯降低。多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加改造使裂縫受到不同程度的活化與改善(見(jiàn)圖2、圖4)，有利于增強(qiáng)裂縫的有效性。當(dāng)構(gòu)造作用過(guò)于強(qiáng)烈時(shí)，高角度穿層裂縫規(guī)模過(guò)大，導(dǎo)致頁(yè)巖氣過(guò)早散失。因此，適度構(gòu)造作用下，小尺度裂縫大量發(fā)育，即“斷而不穿，裂而不破”的狀態(tài)最為理想[3,11]。

圖4 研究區(qū)頁(yè)巖裂縫微觀特征Fig.4 Microscopic features of fractures in the study area

3.2 巖性與礦物組分

巖性與礦物組分對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)具有重要影響。根據(jù)研究區(qū)TX1井資料(見(jiàn)圖5)，牛蹄塘組頁(yè)巖動(dòng)態(tài)楊氏模量高于變二段頁(yè)巖的，而泊松比低于變二段頁(yè)巖的，表明牛蹄塘組頁(yè)巖脆性更強(qiáng)。受砂泥巖巖石力學(xué)性質(zhì)差異影響，巖性變化界面附近頁(yè)巖裂縫密度明顯增加。頁(yè)巖抗剪強(qiáng)度較低，在相同區(qū)域水平應(yīng)力作用下更易沿層理面剪切滑動(dòng)，形成低角度滑脫縫。石英作為最主要脆性礦物，質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接影響巖石力學(xué)性質(zhì)，變二段頁(yè)巖、砂巖及砂泥互層地層的動(dòng)態(tài)楊氏模量與石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系，泊松比與石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(見(jiàn)圖5(a))；變二段頁(yè)巖裂縫密度與石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有較好正相關(guān)關(guān)系(見(jiàn)圖5(b))，且脆性較大的砂巖與砂泥互層段的高角度構(gòu)造裂縫發(fā)育程度明顯強(qiáng)于純頁(yè)巖段的(見(jiàn)圖2(i)、圖3)。牛蹄塘組石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)與動(dòng)態(tài)楊氏模量、泊松比之間具有分段式關(guān)系[25]，當(dāng)TOC和石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)，動(dòng)態(tài)楊氏模量開(kāi)始降低[25](見(jiàn)圖5(c))，同時(shí)石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)與裂縫密度之間也具有相似關(guān)系(見(jiàn)圖5(d))。

圖5 研究區(qū)TX1井頁(yè)巖石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)與巖石力學(xué)參數(shù)、裂縫發(fā)育程度關(guān)系Fig.5 Correlations between quartz content, rock mechanical parameters and fracture density of the shales in well TX1 of the study area

3.3 TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)

TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響黑色頁(yè)巖裂縫發(fā)育程度的重要因素之一。牛蹄塘組與變二段頁(yè)巖藻類與海綿骨針大量發(fā)育，使石英與TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系[11]，而石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)與裂縫密度的正相關(guān)關(guān)系使TOC、石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)和裂縫密度三者具有協(xié)同變化規(guī)律。富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖生排烴階段往往形成異常高壓，并伴隨發(fā)育水平方解石充填生排烴裂縫。研究區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖層間方解石充填縫較為發(fā)育，部分方解石充填物呈纖維狀結(jié)構(gòu)，且TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)與層間方解石充填縫密度呈良好正相關(guān)關(guān)系(見(jiàn)圖6)，與東營(yíng)凹陷沙三下亞段陸相頁(yè)巖層間方解石充填縫與TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系相似[26]，表明TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)層間超壓縫等非構(gòu)造縫的發(fā)育具有重要影響。

圖6 研究區(qū)頁(yè)巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)與層間方解石充填縫密度關(guān)系

3.4 地層厚度

圖7 研究區(qū)地層厚度與裂縫密度關(guān)系Fig.7 Correlation between strata thickness and fracture density in the study area

天然裂縫的形成與分布除受構(gòu)造應(yīng)力控制外，還受巖石力學(xué)層控制，厚度大的地層均質(zhì)性和能干性要強(qiáng)于厚度小的地層的。在一定厚度范圍內(nèi)，隨地層厚度增大，裂縫密度降低，裂縫尺度增大；地層厚度越小，裂縫密度越大，裂縫尺度也隨之減小[27]。研究區(qū)地層厚度與裂縫參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析(見(jiàn)圖7)顯示，隨地層厚度的增加，裂縫密度逐漸降低。砂泥互層段地層厚度較薄，裂縫密度高于純頁(yè)巖段的，且受控于地層厚度，裂縫尺度較小，對(duì)保存條件影響也較小(見(jiàn)圖2(i))。對(duì)于富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)與層間方解石充填超壓裂縫的正相關(guān)關(guān)系，以及密集發(fā)育的層理縫將頁(yè)巖拆分為多個(gè)巖石力學(xué)層，使低角度裂縫對(duì)高角度裂縫的發(fā)育具有調(diào)節(jié)作用，能夠有效避免穿層裂縫的形成。

3.5 綜合分析

中國(guó)南方經(jīng)歷多期強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，頁(yè)巖中構(gòu)造裂縫大量發(fā)育，其形成主要受控于構(gòu)造應(yīng)力與巖石力學(xué)性質(zhì)。下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)、石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)、脆性及裂縫發(fā)育程度具有良好耦合關(guān)系，加之良好的保存條件與地層壓力系數(shù)，使焦石壩五峰組—龍馬溪組具有“五性一體”頁(yè)巖氣富集特征[2]。研究區(qū)變二段頁(yè)巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)、石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)、脆性及裂縫發(fā)育程度同樣具有良好的耦合關(guān)系。對(duì)于牛蹄塘組，過(guò)高的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)易降低頁(yè)巖脆性，使巖心裂縫發(fā)育程度與TOC、石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間產(chǎn)生先升后降的關(guān)系[17,25]。不同TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，頁(yè)巖裂縫發(fā)育特征：

(1)當(dāng)TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于6.00%時(shí)，TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)、石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)和脆性三者之間存在正相關(guān)關(guān)系，即隨TOC、石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，裂縫總量增加，巖心中高角度構(gòu)造縫、層間縫與低角度滑脫縫較為發(fā)育，構(gòu)成裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(見(jiàn)圖8(a-c))。

圖8 不同耦合條件下頁(yè)巖裂縫發(fā)育特征Fig.8 Fracture characteristics of different coupling conditions in marine shales

(2)當(dāng)TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于6.00%時(shí)，頁(yè)巖脆性降低，構(gòu)造裂縫數(shù)量下降，裂縫總量減少，但TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)與層間方解石充填縫的正相關(guān)關(guān)系促進(jìn)層間縫的發(fā)育；同時(shí)，較高的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)使頁(yè)巖粘聚力和內(nèi)摩擦角較低，更易發(fā)育具有擦痕、階步及鏡面特征的低角度滑脫縫與高角度張/壓扭性裂縫(見(jiàn)圖8(d-f))[17]。此外，受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，早期不同類型與傾角的裂縫易重新開(kāi)啟與活化(見(jiàn)圖8(e-f))，造成TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高的層段裂縫總量減少，低角度滑脫縫與高角度張/壓扭性裂縫所占比例增加。裂縫通常未充填或?yàn)樗榱鸦V物充填，裂縫有效性高(見(jiàn)圖4(f))，對(duì)頁(yè)巖比表面與孔滲具有重要貢獻(xiàn)，即裂縫數(shù)量減少、質(zhì)量提高。

4 結(jié)論

(1)黔東南地區(qū)下寒武統(tǒng)黑色頁(yè)巖構(gòu)造縫類型主要為高角度剪性縫、張/壓扭性裂縫及低角度滑脫縫，非構(gòu)造縫主要為層理縫和層間縫。牛蹄塘組裂縫發(fā)育程度高，高角度構(gòu)造縫大量發(fā)育；變二段頁(yè)巖裂縫以層理縫、層間縫和低角度滑脫縫為主。多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、成巖作用使構(gòu)造縫與非構(gòu)造縫之間常呈組合或疊加形態(tài)，并受到不同程度的活化與改善。

(2)研究區(qū)頁(yè)巖裂縫主要受構(gòu)造應(yīng)力、巖性與礦物組分、地層厚度及TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素影響。其中構(gòu)造作用與脆性是構(gòu)造縫發(fā)育的主控因素，TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加有利于層理縫、層間縫、低角度滑脫縫及張/壓扭性裂縫發(fā)育，同時(shí)調(diào)節(jié)高角度裂縫的發(fā)育，避免穿層裂縫的形成。

(3)研究區(qū)變二段和牛蹄塘組頁(yè)巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)、石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)、脆性及裂縫密度之間具有良好耦合關(guān)系。牛蹄塘組中部TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)(大于6.00%)過(guò)高的層段裂縫總量減少，但張/壓扭性裂縫與低角度滑脫縫比例增大，裂縫有效性增強(qiáng)。

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