張建坤，張金功，張明升，費聿鵬

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點實驗室，陜西西安710069)

目前，泥巖裂縫油氣藏已成為一個重要的油氣勘探新領(lǐng)域，受到石油工業(yè)界的關(guān)注。美國、前蘇聯(lián)、加拿大和阿根廷等國家均在泥巖中發(fā)現(xiàn)大量油氣藏，其中美國東部阿巴拉契亞泥盆系頁巖分布區(qū)、前蘇聯(lián)西西伯利亞侏羅系巴熱諾夫組泥巖分布區(qū)已成為重要的產(chǎn)油氣區(qū)。中國也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些小型泥巖油氣藏或重要的油氣顯示，如松遼盆地古龍凹陷白堊系青山口組、渤海灣盆地沾化凹陷古近系沙三段下亞段和四川盆地孝泉侏羅系沙溪組及柴達木盆地、江漢盆地等均發(fā)現(xiàn)了具有工業(yè)價值的泥巖裂縫油氣藏。由于泥巖裂縫油氣藏普遍存在，并且隨著開發(fā)技術(shù)的提高將越來越受到關(guān)注。對泥質(zhì)巖裂縫油氣藏而言，其成藏作用特征具有特殊性。裂縫既可為頁巖油氣提供聚集空間，也可為頁巖氣的生產(chǎn)提供運移通道。本文以泥質(zhì)巖的構(gòu)造樣式為切入點，剖析制約泥巖裂縫發(fā)育的主要因素，從而對泥質(zhì)巖的含油氣性進行研究。

表1 巖石構(gòu)造樣式常見類型

1 泥質(zhì)巖構(gòu)造樣式

構(gòu)造樣式是指同一期構(gòu)造運動、在同一應(yīng)力環(huán)境下所產(chǎn)生的構(gòu)造變形組合。它們應(yīng)具有相似或相同的構(gòu)造特征和變形機理。在國內(nèi)，劉和甫(1993)以地球動力學(xué)背景為基礎(chǔ)，強調(diào)構(gòu)造樣式與形成盆地的動力學(xué)具有一致性，劃分出伸展構(gòu)造樣式、壓縮構(gòu)造樣式和走滑構(gòu)造樣式三大系統(tǒng)，如拉張環(huán)境形成的正斷層及其組合－地壘和地塹，擠壓環(huán)境形成的逆斷層及其組合－背沖斷塊(斷背斜、背沖隆起)、對沖斷塊、沖斷帶及其組合－前陸褶皺－沖斷帶等。

傳統(tǒng)的構(gòu)造樣式分類是 T.P.Harding和 J.D.Lowell(1979)根據(jù)其幾何學(xué)分為基底卷入型和蓋層滑脫型兩種又根據(jù)變形的力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力傳遞方式進一步細分為八種基本類型。前者包括扭動斷裂構(gòu)造組合、擠壓斷塊和基底沖斷層、拉張斷塊及翹曲等?；撔蜆?gòu)造樣式包括滑脫褶皺－沖斷構(gòu)造組合、滑脫正斷層(生長正斷層)、鹽構(gòu)造等。

2 泥質(zhì)巖裂縫

2.1 裂縫類型研究

根據(jù)成因?qū)⒘芽p分為構(gòu)造裂縫和非構(gòu)造裂縫兩大類。構(gòu)造成因裂縫可分為與局部構(gòu)造有關(guān)的裂縫和與區(qū)域構(gòu)造有關(guān)的裂縫兩大類;非構(gòu)造成因裂縫可分為與溶蝕有關(guān)的裂縫、與巖石體積收縮有關(guān)的裂縫、和與重力有關(guān)的裂縫等類型。

2.1.1 構(gòu)造裂縫

構(gòu)造成因的裂縫是沉積盆地低滲透儲集層的主要裂縫類型，對低滲透油氣儲層的勘探與開發(fā)起著重要的作用(曾大乾等，2003;曾聯(lián)波，2004)。

(1)區(qū)域構(gòu)造裂縫。區(qū)域構(gòu)造裂縫是指在一定區(qū)域范圍內(nèi)分布(特別是走向)具有一定規(guī)律性的裂縫，主要特征如下:裂縫平直、穿層深、延伸長，垂直于層面或與巖層面呈大角度相交。同一層面上的區(qū)域裂縫一般同時發(fā)育兩組，它們切割巖層在層面上呈棋盤格子狀，當(dāng)巖層直立或傾角較高時，在剖面上呈階梯狀。不同方位的區(qū)域裂縫的規(guī)模、密度等有所不同，同一組裂縫其發(fā)育程度基本相似，常呈等間距分布。秦啟榮(2006)等人通過研究表明:不同地方的區(qū)域裂縫在巖層水平時其延伸方位有驚人的一致性，單個裂縫的走向方位與平均值方位最大誤差值不超過10°，一般小于5°。

(2)局部構(gòu)造裂縫。裂縫在不同的地區(qū)、不同構(gòu)造以及不同的構(gòu)造部位所表現(xiàn)出的產(chǎn)狀、性質(zhì)和規(guī)模大小等方面各不相同，沒有區(qū)域上分布的規(guī)律性，但與局部構(gòu)造有關(guān)，故稱局部構(gòu)造裂縫。秦啟榮(2006)等人將局部構(gòu)造裂縫分為伴生裂縫和派生裂縫兩種類型，常常與斷層和褶皺相伴生。

2.1.2 非構(gòu)造裂縫

非構(gòu)造裂縫(納爾遜 R A，1991;王洪輝等，1998;張子樞等1995)是在非構(gòu)造因素作用下，由巖石體積力、重力或是成巖作用等因素誘發(fā)形成的一種與構(gòu)造應(yīng)力無關(guān)或間接有關(guān)的構(gòu)造類型。根據(jù)成因的不同，可分為成巖裂縫、異常超壓裂縫、變質(zhì)收縮裂縫、垂向載荷裂縫、垂向差異載荷裂縫等類型。根據(jù)形成的主控因素不同，非構(gòu)造裂縫可分為表生裂縫、收縮裂縫、溶蝕裂縫、縫合線及諸如差異壓實、水力壓裂、重力等因素形成的裂縫和孔洞。

表2 泥頁巖裂縫類型及成因

2.2 裂縫主控因素的研究

2.2.1 構(gòu)造

構(gòu)造應(yīng)力對裂縫的形成起重要的控制作用。區(qū)域應(yīng)力場方向的變化對于不同方向裂縫的開啟與閉合具有決定作用。雖然裂縫與斷層和褶皺關(guān)系密切，但并不是有斷層和褶皺的地方裂縫一定發(fā)育，二者之間的關(guān)系非常復(fù)雜(寧方興，2008)。巖相條件相同下時，斷層活動性越強，越容易產(chǎn)生裂縫。裂縫的發(fā)育不僅與構(gòu)造應(yīng)力有關(guān)外還與構(gòu)造的部位有關(guān)，背斜的頂部和陡翼、洼陷的斜坡與平緩底部的過渡帶、鼻狀構(gòu)造的傾伏端等地層產(chǎn)狀急劇變化的部位，巖石變形比較強烈，通常也是裂縫發(fā)育帶。斷層外凸區(qū)、轉(zhuǎn)換帶、斷層的交匯處應(yīng)力集中，也是裂縫發(fā)育的有利部位。

2.2.2 巖性及相帶

巖性是影響儲層裂縫發(fā)育的內(nèi)部因素，巖石中脆性成份高，顆粒細，孔隙度低，在相同應(yīng)力作用下，其裂縫更發(fā)育(Nelson，1985;Narr，1991;Narr and Suppe，1991;曾聯(lián)波等，1997)。值得注意的是，在一些低滲透砂巖儲層的泥巖夾層中，由于含鈣質(zhì)、白云質(zhì)等脆性成份，極大地提高了泥巖的脆性程度，使泥巖中裂縫較發(fā)育。泥巖中不同組系的高角度構(gòu)造裂縫和近水平成巖裂縫相互連通，組成裂縫網(wǎng)絡(luò)，使泥巖層的滲透性增大，分隔性變差。因此，這類低滲透砂巖儲層的泥巖夾層通常不能起真正的隔層作用，應(yīng)劃分為準(zhǔn)儲層，其裂縫發(fā)育部位甚至可獲得較高的產(chǎn)量。

相帶間巖性和物性的差異造成了差異壓實，其過渡帶易形成應(yīng)力集中區(qū)，所以易產(chǎn)生裂縫。淺湖與半深湖過渡帶，三角洲前緣席狀砂、指狀沙壩與湖相泥質(zhì)巖過渡帶是裂縫發(fā)育的最有利部位，也是油氣生成和運移聚集的有利地區(qū)。

2.2.3 巖層厚度

較薄的地層比較厚的地層將產(chǎn)生密度更大的裂縫。通常認(rèn)為當(dāng)層厚少于10 cm時，裂縫密度隨層厚的增加急劇增大;當(dāng)層厚介于10～50 cm之間時，隨著層厚的增大，裂隙密度緩慢地減少;當(dāng)層厚大于50 cm時，地層厚度與裂縫密度已不存在關(guān)系(魏永佩等，1999)。就其他條件相同的情況下，巖層厚度越小，高角度張裂縫的密度越大;地層厚度發(fā)生變化的砂巖尖滅區(qū)，裂縫密度會有所增加。

2.2.4 埋深和異常高壓

隨著地層埋藏深度增大，巖石裂縫密度明顯增加。同時由于快速沉積造成的排液不暢、粘土礦物轉(zhuǎn)化、烴類生成以及石膏的脫水原因造成的超壓現(xiàn)象，有利于張裂縫和成巖收縮縫的發(fā)育。濟陽坳陷的生油窗在2 200～3 400 m，且泥質(zhì)巖處于異常壓力帶，因此該深度段應(yīng)是形成泥質(zhì)巖裂縫性油氣藏的有利層段。正因為如此，低滲透性的泥質(zhì)巖會成為張裂縫的有利賦存體。

3 泥質(zhì)巖裂縫的含油氣性

付廣(1999)等人提出，油氣在地下巖石中運移，無論其以何種相態(tài)，它們均是通過巖石孔隙或裂縫空間來實現(xiàn)的。按照巖石中孔隙發(fā)育的類型不同，可將油氣運移通道分為連通孔隙、裂縫及孔隙一裂縫組合等三種基本類。連通孔隙主要是由原始沉積作用及后期的改造作用形成的，分布于顆粒巖石中，它是由孔隙與喉道連通而形成的。油氣在其中的運移速度主要受喉道大小的制約，喉道半徑越大，油氣越易通過，反之則不易運移。裂縫可以是成巖作用形成的，也可以是后期構(gòu)造運動形成的。前者分布延伸距離較小，且不規(guī)則，油氣運移的距離短;后者分布延伸長，且分布規(guī)則，油氣運移距離長。對于構(gòu)造裂縫而言，還有張性和壓性之分。前者呈開啟狀態(tài)，有利于油氣運移，后者則呈封閉狀態(tài)，不利于油氣運移。油氣在裂縫中的運移受裂縫開啟程度的制約，裂縫開啟程度越高，油氣越易通過其運移;反之則不易通過其運移。相對孔隙而言，油氣更易沿裂縫進行長距離運移，且速度快。孔隙一裂縫組合構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分布復(fù)雜，二者相互補充，可以更加有利于油氣在地下運移，這種通道空間應(yīng)是油氣在地下進行運移非常重要的形式。

3.1 裂縫作為油氣的儲集空間－泥巖裂縫性油氣藏

裂縫帶之上的厚層致密非裂縫型泥巖通過排替壓力封閉和超壓封閉可以有效阻止油氣向上逸散，具有較好的封閉作用，成為有效的蓋層。

3.1.1 裂縫成因

根據(jù)產(chǎn)狀劃分一般有四種裂縫，即縱向裂縫、層間裂縫、剪切縫和微裂縫。這些裂縫的成因主要與成巖收縮作用、異常高壓和構(gòu)造作用有關(guān)，因此把泥巖裂縫分為異常壓力微裂縫、構(gòu)造裂縫和成巖裂縫三類。異常壓力裂縫主要是張裂縫，是油氣初次運移的主要通道。構(gòu)造裂縫主要是剪切裂縫和張裂縫，有時含烴類，說明與烴類同期形成或早于烴類的產(chǎn)生。

3.1.2 源巖中油氣賦存形式

油氣在泥巖中有兩種分布形式，以吸附狀態(tài)分布于巖石礦物顆粒的表面和以游離狀態(tài)分布于泥質(zhì)巖的孔隙通道中，油氣在烴源巖中的吸附可以看作是油氣聚集的一種特殊形式，相應(yīng)地脫附則是油氣運移的一種形式。以游離狀態(tài)的油氣運移聚集主要是指離散的油氣從烴源巖中排出，到泥巖裂縫帶中聚集成藏的過程，隨著裂縫的閉合，成幕式排烴。

3.1.3 油氣運移的動力

關(guān)于油氣運移的動力，前人已經(jīng)做了大量的研究，一般認(rèn)為生油層中烴類的排出正是在泥質(zhì)巖與相鄰儲層或輸導(dǎo)層間的過剩壓差超過對油氣的毛細管阻力及摩擦阻力時實現(xiàn)的，因此，異?？紫秹毫κ怯蜌膺\移聚集的主要動力因素。

3.1.4 成藏機理

烴源巖進入了生油門限后，在地應(yīng)力和異常超壓的作用下，裂縫擴張而成為有效的儲集空間，在應(yīng)力釋放的同時在超壓泥質(zhì)巖微裂縫帶內(nèi)產(chǎn)生順層壓差，在壓差(負(fù)壓)驅(qū)動下，來源于泥巖儲集體本身或緊鄰儲集體的部分泥巖油氣進入裂縫儲集空間，從而形成泥巖裂縫性油氣藏。

3.2 裂縫作為油氣運移的通道－砂巖透鏡體油氣藏

綜合考慮油氣運聚的動力與作用方式、輸導(dǎo)格架類型與流體流動樣式、成藏特征、運聚機理和成藏模式，杜春國(2006)等人將砂巖透鏡體動力學(xué)成因類型劃分為毛細管力－超壓聯(lián)控型和超壓單控型。

3.2.1 毛細管力－超壓聯(lián)控型

該種類型砂體完全被有效烴源巖包裹，當(dāng)圍巖與砂體之間二者孔喉半徑差產(chǎn)生的毛細管差異作用力大于油氣進入砂體時巖石毛管壁引起的摩擦阻力時，流體以緩慢的穩(wěn)態(tài)滲流進入砂體中。當(dāng)有機質(zhì)生烴和泥巖欠壓實等增壓作用造成源巖層壓力達到其破裂壓力時，源巖層產(chǎn)生微裂隙，砂體周圍源巖所排的流體在超壓的驅(qū)動下通過微裂隙以混相涌流的方式向砂體充注。3.2.2 超壓單控型

該種類型砂體被非/差烴源巖包裹，且非/差烴源巖下部緊鄰高質(zhì)量烴源巖。當(dāng)烴源巖進入排烴門限后，在有機質(zhì)生烴和泥巖欠壓實等增壓機制作用下，地層壓力不斷積，在無斷層等泄壓通道的情況下，源巖層內(nèi)的非連通孔隙通過其內(nèi)超壓產(chǎn)生的微裂隙彼此連通起來，隨著壓力的繼續(xù)上升，當(dāng)源巖層的地層壓力達到上覆非/差烴源巖層的破裂壓力時，源巖層發(fā)生水力破裂，其中的流體在強大壓差的驅(qū)趕下向常壓或相對低壓系統(tǒng)(輸導(dǎo)層)垂向排放。

4 結(jié)語

(1)前人多集中于從裂縫的類型(如層面滑移縫，斷層破碎帶等)及裂縫本身的性質(zhì)對泥質(zhì)巖構(gòu)造縫進行研究，而少有人從泥質(zhì)巖構(gòu)造樣式與裂縫的關(guān)系這一方面對其進行研究。

(2)前人對于泥質(zhì)巖非構(gòu)造縫則多集中于從泥巖本身的巖石性質(zhì)(如構(gòu)成泥質(zhì)巖的礦物類型，膠結(jié)物類型等)進行研究，少有人研究泥質(zhì)巖在不同深度的彈塑性及破裂性的變化。

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