閆建平，言　語(yǔ)，司馬立強(qiáng)，溫丹妮，溫新房，耿　斌

（1.西南石油大學(xué)天然氣地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610500；2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都610500；3.江蘇油田勘探局地質(zhì)測(cè)井處，江蘇揚(yáng)州225002；4.中國(guó)石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東東營(yíng)257015）

泥頁(yè)巖儲(chǔ)層裂縫特征及其與“五性”之間的關(guān)系

閆建平1，2，言語(yǔ)2，司馬立強(qiáng)2，溫丹妮2，溫新房3，耿斌4

（1.西南石油大學(xué)天然氣地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610500；2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都610500；3.江蘇油田勘探局地質(zhì)測(cè)井處，江蘇揚(yáng)州225002；4.中國(guó)石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東東營(yíng)257015）

泥頁(yè)巖地層通常具有低孔、低滲特征，存在裂縫及裂縫發(fā)育程度均是其能夠成為儲(chǔ)層的決定性條件。以蘇北盆地阜寧組泥頁(yè)巖地層為研究對(duì)象，研究裂縫特征及其與巖性、物性、含油性、電性及可壓裂性（“五性”）之間的關(guān)系。結(jié)果表明：裂縫普遍含油，發(fā)育裂隙的樣品滲透率明顯較高，一般都大于10 mD，裂縫對(duì)改善泥頁(yè)巖地層的滲透性及儲(chǔ)集性起到了重要作用；含裂隙樣品通常脆性礦物（方解石）含量較高，對(duì)應(yīng)的巖性一般為灰質(zhì)泥巖、含灰頁(yè)巖及含灰泥巖；天然裂隙發(fā)育的層段楊氏模量較高、泊松比較低、脆性系數(shù)較高，頁(yè)巖的脆性較強(qiáng)，通常易于壓裂改造。利用測(cè)井響應(yīng)特征可明顯區(qū)分方解石充填裂縫和有油跡顯示的無(wú)充填裂縫，可為識(shí)別有效泥頁(yè)巖儲(chǔ)層提供依據(jù)。

泥頁(yè)巖儲(chǔ)層；裂縫（裂隙）；滲透性；脆性礦物；可壓裂性；測(cè)井響應(yīng)特征；蘇北盆地

0　引言

隨著非常規(guī)油氣勘探的逐步深入，頁(yè)巖（泥頁(yè)巖）油氣儲(chǔ)層已成為備受關(guān)注的勘探目標(biāo)。蘇北盆地發(fā)育古生界下寒武統(tǒng)幕府山組、上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)高家邊組［1-2］、上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M［3］，中生界泰二段及新生界阜二段和阜四段［4］等多套優(yōu)質(zhì)生烴泥頁(yè)巖層系，分布區(qū)域廣泛，具有形成頁(yè)巖油氣的良好成烴、成藏條件和資源潛力，其中，在鹽城凹陷的阜二段頁(yè)巖中見(jiàn)到良好的油氣顯示［4］。相對(duì)于常規(guī)油氣藏，頁(yè)巖油氣的成因類(lèi)型、富集機(jī)理及生產(chǎn)機(jī)制等都具有一定的特殊性，頁(yè)巖氣產(chǎn)量高低直接與泥頁(yè)巖內(nèi)部天然微裂縫發(fā)育程度有關(guān)［5］。這是由于微裂縫的存在從某種程度上提高了水力壓裂效應(yīng)的有效性，從而大大改善了泥頁(yè)巖的滲流能力，為頁(yè)巖氣從基巖孔隙進(jìn)入井孔提供了必要的運(yùn)移通道［6-8］。國(guó)內(nèi)外大量泥頁(yè)巖裂縫型油氣藏的不斷發(fā)現(xiàn)和近年來(lái)北美地區(qū)頁(yè)巖氣勘探獲得的巨大成功均表明，泥頁(yè)巖裂縫的研究尤為重要［9］。目前，國(guó)外學(xué)者在泥頁(yè)巖裂縫識(shí)別方法及表征、成因類(lèi)型及分布規(guī)律、基本參數(shù)和物性參數(shù)以及儲(chǔ)集性能評(píng)價(jià)等方面的研究均取得了重要成果［10］。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)泥頁(yè)巖裂縫的研究則主要集中在裂縫型油氣藏方面，而對(duì)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖裂縫型儲(chǔ)層的研究，特別是對(duì)泥頁(yè)巖中微小孔隙（含納米級(jí)微孔隙）儲(chǔ)集性能參數(shù)與孔滲性特征方面的研究較少［11］。筆者以蘇北盆地阜寧組泥頁(yè)巖地層為研究對(duì)象，研究裂縫特征及其與巖性、物性、含油性、電性及可壓裂性（“五性”）之間的關(guān)系，進(jìn)而利用測(cè)井響應(yīng)特征建立裂縫測(cè)井識(shí)別的定性方法，以期為有效泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的識(shí)別提供依據(jù)。

1　裂縫對(duì)于泥頁(yè)巖的重要性

裂縫是指巖石受力發(fā)生破裂作用而形成的不連續(xù)面，往往在特低滲儲(chǔ)層中發(fā)育［12］。在同一時(shí)期由相同應(yīng)力作用產(chǎn)生的方向大體一致的多條裂縫稱(chēng)為1個(gè)裂縫組，2個(gè)或2個(gè)以上的裂縫組則稱(chēng)為1個(gè)裂縫系，多套裂縫系連通在一起稱(chēng)為裂縫網(wǎng)絡(luò)。塑性相對(duì)較大的泥頁(yè)巖儲(chǔ)層與常規(guī)儲(chǔ)層相比，在裂縫的類(lèi)型與成因、識(shí)別方法、參數(shù)估算及分布預(yù)測(cè)等方面既有共性也有其特殊性［9］。泥頁(yè)巖地層儲(chǔ)集空間通常由孔隙和裂縫共同構(gòu)成（圖1）［13］，該類(lèi)地層具有低孔、低滲的特征，一般是良好的烴源巖和蓋層，裂縫的存在對(duì)其儲(chǔ)集性和滲透性均具有改善作用。

圖1　泥頁(yè)巖儲(chǔ)集空間［13］Fig.1　Reservoir space in shale

裂縫既是運(yùn)移通道又是儲(chǔ)集空間，是泥頁(yè)巖儲(chǔ)層產(chǎn)能的主控因素之一。在儲(chǔ)層壓裂的過(guò)程中，壓裂液沿著天然裂縫更易進(jìn)入儲(chǔ)層，因此存在天然裂縫時(shí)有利于儲(chǔ)層壓裂并產(chǎn)生誘導(dǎo)縫，而誘導(dǎo)縫的存在又會(huì)增強(qiáng)儲(chǔ)層滲透能力，進(jìn)而形成復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫，并提高儲(chǔ)層的滲流能力。因此，泥頁(yè)巖的裂縫識(shí)別對(duì)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)至關(guān)重要。北美頁(yè)巖氣的成功勘探與開(kāi)發(fā)表明，裂縫往往存在于含脆性礦物的泥頁(yè)巖地層中，而脆性礦物含量高的泥頁(yè)巖地層也往往更容易被水力壓裂所改造并產(chǎn)生有利的壓裂裂縫。

2　裂縫類(lèi)型及其特征

通過(guò)對(duì)蘇北盆地H井阜寧組的巖心觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，裂縫類(lèi)型較多，存在以下幾種類(lèi)型：①高角度裂縫。巖性均一的塊狀淺灰色灰質(zhì)泥巖（圖版Ⅰ-1）中，裂縫呈高角度發(fā)育，并被方解石充填后形成方解石脈，此類(lèi)裂縫在巖心段中少見(jiàn)。②微裂縫。巖心破碎的深灰色灰質(zhì)泥巖（圖版Ⅰ-2～Ⅰ-3）中，有延伸較短且相互交錯(cuò)的小型微裂縫發(fā)育。③網(wǎng)狀裂縫。裂縫發(fā)育在層狀深灰色灰質(zhì)泥巖（圖版Ⅰ-4）中，寬0.5～2.0 mm，裂縫較平直，呈網(wǎng)狀相互交錯(cuò)連通，被方解石充填。④層間裂縫。深灰色灰質(zhì)頁(yè)巖夾灰色泥灰?guī)r條帶（寬1 cm左右）（圖版Ⅰ-5），灰質(zhì)頁(yè)巖中水平層理明顯，裂縫多順層發(fā)育，縫內(nèi)充填泥質(zhì)，在巖心段中較少見(jiàn)。⑤單組系傾斜裂縫。塊狀深灰色灰質(zhì)泥巖（圖版Ⅰ-6）中存在縫寬為1～5 mm的多條單組系裂縫，裂縫彎曲延伸較長(zhǎng)，有方解石充填，但未充填完全。

薄片及掃描電鏡圖像均顯示（圖版Ⅱ-1～Ⅱ-2），裂縫主要有2種類(lèi)型：①微裂縫和解理縫，較常見(jiàn)；②彎曲狀的溶蝕縫。微裂縫存在于黏土礦物層間，寬度約為2 μm，邊緣較為平直；溶蝕縫在局部發(fā)育連續(xù)，邊界彎曲。

3　裂縫與巖性、物性及含油性的關(guān)系

蘇北盆地高郵凹陷阜四段和阜二段巖性類(lèi)型均復(fù)雜且多樣，泥巖主要為灰質(zhì)泥巖，頁(yè)巖主要為灰質(zhì)頁(yè)巖，灰?guī)r主要為泥灰?guī)r，粉砂巖和白云巖含量均極低。從H井的巖心物性分析及巖性描述資料來(lái)看，含裂隙樣品對(duì)應(yīng)的巖性一般為灰質(zhì)泥巖、含灰頁(yè)巖及含灰泥巖，其共同特點(diǎn)是通常含有脆性礦物——方解石（圖2）。

物性樣品分析資料表明，含裂隙的樣品滲透率明顯較高，一般都大于10 mD，而不含裂隙的樣品滲透率較低，一般低于10 mD。從巖心孔滲關(guān)系（圖3）可以看出，泥頁(yè)巖地層具有雙重孔隙介質(zhì)特征，即基巖表現(xiàn)為低孔、低滲特征，而裂隙樣品滲透率明顯偏高。此外，巖心觀(guān)察顯示（圖版Ⅰ、圖版Ⅱ-3～Ⅱ-4），多數(shù)裂縫較發(fā)育的層段或裂縫面上往往顯示含油和油跡。

圖2　蘇北盆地H井阜四段裂縫-巖性關(guān)系Fig.2　Relationship between fracture and lithology of the fourth member of Funing Formation in H well in Subei Basin

圖3　蘇北盆地高郵凹陷阜四段裂縫與物性關(guān)系Fig.3　Relationship between fracture and physical properties of the fourth member of Funing Formation in Gaoyou Sag of Subei Basin

4　裂縫與測(cè)井響應(yīng)的關(guān)系

由于泥頁(yè)巖層段含有大量有機(jī)質(zhì)，其測(cè)井響應(yīng)特征明顯不同于其他層段［14］。前人將泥頁(yè)巖作為烴源巖加以研究，并對(duì)其復(fù)雜的測(cè)井響應(yīng)特征有了一定的認(rèn)識(shí)［15］。泥頁(yè)巖中發(fā)育裂縫時(shí)會(huì)使其測(cè)井響應(yīng)變得更為復(fù)雜。通過(guò)將巖性分析資料與測(cè)井曲線(xiàn)特征相結(jié)合，可綜合分析裂縫發(fā)育層段的測(cè)井響應(yīng)特征。

裂縫對(duì)應(yīng)的測(cè)井響應(yīng)特征有：①無(wú)充填的裂縫（圖4）。密度（DEN）和電阻率（Rd）值均減小，聲波時(shí)差（AC）和中子孔隙度（CNL）值均增大，自然伽馬（GR）值高。②方解石充填的裂縫（圖5）。密度和電阻率值均增大，聲波時(shí)差和中子孔隙度值均減小，自然伽馬值低。③有油跡顯示的裂縫（圖6）。密度和電阻率值均減小，聲波時(shí)差和中子孔隙度值均增大，自然伽馬值高。

圖4　蘇北盆地H井無(wú)充填裂縫特征Fig.4　Characteristics of no filling fractures in H well in Subei Basin

圖5　蘇北盆地H井方解石充填裂縫特征Fig.5　Characteristic of calcite filling fractures in H well in Subei Basin

圖6　蘇北盆地H井有油氣顯示裂縫特征Fig.6　Fracture characteristics with oil-gas shows in H well in Subei Basin

圖4中，所標(biāo)出的H井的層段深度為3 321.55～3 322.55 m，巖性主要為灰—深灰色灰質(zhì)泥巖。從巖心照片上可見(jiàn)，在3 322.5 m處以層狀發(fā)育為主，底部可見(jiàn)一小裂隙，長(zhǎng)3.5cm，傾角約20°，縫寬0.5mm，同時(shí)，縫內(nèi)無(wú)充填。其測(cè)井曲線(xiàn)特征為：密度和電阻率值均減小，聲波時(shí)差、自然伽馬和中子孔隙度值均增大。

圖5中，所標(biāo)出的H井的層段深度為3 244.73～3 244.97 m，巖性主要為深灰—灰色灰質(zhì)泥巖。從巖心照片上可見(jiàn)，上部發(fā)育有長(zhǎng)度分別為4 cm和6 cm的2條垂直縫，縫寬0.5～1.0 mm，縫內(nèi)充填方解石；底部見(jiàn)一長(zhǎng)度為8 cm的裂縫，傾角約55°，縫寬0.5 mm，縫內(nèi)充填方解石。其測(cè)井曲線(xiàn)特征為：密度和電阻率值均增大，聲波時(shí)差和中子孔隙度值均減小，自然伽馬值低。

圖6中，所標(biāo)出的H井的層段深度為3 421.59～3 421.99 m，巖性主要為灰—深灰色灰質(zhì)泥巖。從巖心照片上可見(jiàn)，巖心以薄層狀為主，存在少量誘導(dǎo)縫，3 421.73 m處見(jiàn)一長(zhǎng)度大于15 cm、傾角約80°、縫寬0.5 mm的裂隙，縫內(nèi)基本無(wú)充填，斷開(kāi)的巖心面上有油。其測(cè)井曲線(xiàn)特征為：密度和電阻率值均減小，聲波時(shí)差、中子孔隙度和自然伽馬值均增大。

綜合圖4～6發(fā)現(xiàn)，無(wú)方解石充填的裂縫對(duì)應(yīng)的測(cè)井響應(yīng)特征為密度和電阻率值均減小，聲波時(shí)差和中子孔隙度值均增大，自然伽馬值高；有方解石充填的裂縫對(duì)應(yīng)的測(cè)井響應(yīng)特征為密度和電阻率值均增大，聲波時(shí)差和中子孔隙度值均減小，自然伽馬值低。

5　裂縫與可壓裂性的關(guān)系

在頁(yè)巖儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)中，通過(guò)儲(chǔ)層地球化學(xué)特征檢測(cè)并確定某區(qū)塊為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層之后，需要對(duì)其開(kāi)發(fā)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，即“可壓性評(píng)價(jià)”。頁(yè)巖水力壓裂應(yīng)該盡量選擇天然裂縫發(fā)育程度高的層位。

楊氏模量和泊松比均是表征頁(yè)巖脆性的主要巖石力學(xué)參數(shù)，前者反映了頁(yè)巖被壓裂后保持裂縫的能力，后者反映了頁(yè)巖在壓力下破裂的能力。頁(yè)巖楊氏模量越高，泊松比越低，脆性越強(qiáng)。

蘇北盆地H井3 160.5～3 163.0 m層段，氣測(cè)結(jié)論為發(fā)育泥巖裂縫，測(cè)井響應(yīng)特征為自然伽馬和聲波時(shí)差值均較低，密度值較高，而巖石力學(xué)參數(shù)靜楊氏模量（SYMOD）為高值（平均為23.5 GPa，轉(zhuǎn)化成動(dòng)楊氏模量為61.7 GPa），泊松比（POIS）為低值（平均為0.26）。可見(jiàn)，該段地層可壓裂性較好（圖7）。

頁(yè)巖脆性大小除了可間接用測(cè)井響應(yīng)特征和巖石力學(xué)參數(shù)定性判識(shí)外，還可利用巖石力學(xué)參數(shù)定量計(jì)算其脆性系數(shù)來(lái)確定［16］。脆性系數(shù)配合脆性礦物含量可較好地指示泥頁(yè)巖地層的可壓裂性［17］。通常脆性系數(shù)越大，脆性礦物含量越高，頁(yè)巖的脆性越強(qiáng)，可壓裂性就越好。

圖7　蘇北盆地H井巖石力學(xué)參數(shù)分析Fig.7　Rock mechanics parameter analysis in H well in Subei Basin

H井3 160.5～3 163.0 m層段脆性系數(shù)較高（平均為40.9%），與北美Barnett頁(yè)巖的脆性系數(shù)46.4%接近，并且灰質(zhì)含量較高（平均體積分?jǐn)?shù)為35.9%）（參見(jiàn)圖7）。依據(jù)脆性系數(shù)、裂縫發(fā)育程度及脆性礦物含量等參數(shù)，還可劃分泥頁(yè)巖可壓裂級(jí)別，并進(jìn)一步證明該段地層存在裂縫，可壓裂性較好。

6　結(jié)論

（1）蘇北盆地泥頁(yè)巖地層具有低孔、特低滲特征，存在裂縫是其能夠成為儲(chǔ)層的關(guān)鍵因素。裂縫與儲(chǔ)層巖性、物性、含油性、電性及可壓裂性（“五性”）之間存在密切的關(guān)系。裂縫中往往含油，它對(duì)泥頁(yè)巖地層滲透性及儲(chǔ)集性的改善均起到了重要作用。

（2）天然裂隙發(fā)育的層段通常脆性礦物（方解石）含量較高，對(duì)應(yīng)的巖性一般為灰質(zhì)泥巖、含灰頁(yè)巖及含灰泥巖，且?guī)r石的楊氏模量較高，泊松比較低，脆性系數(shù)較高，頁(yè)巖的脆性較強(qiáng)，通常易于壓裂改造。

（3）利用測(cè)井響應(yīng)特征可明顯區(qū)分方解石充填裂縫和有油跡顯示的無(wú)充填裂縫，可為識(shí)別有效泥頁(yè)巖儲(chǔ)層提供關(guān)鍵依據(jù)。

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圖版Ⅰ

心較破碎，裂縫發(fā)育，縫內(nèi)見(jiàn)晶粒較大的方解石，面上有油；3.巖心較破碎，發(fā)育較多微裂縫，且縱橫交錯(cuò)，延伸不長(zhǎng)；4.深灰色灰質(zhì)泥頁(yè)巖，以層狀為主，裂縫十分發(fā)育，呈網(wǎng)狀、樹(shù)枝狀，縫內(nèi)充填方解石，縫寬0.5～2.0 mm，見(jiàn)溶孔（1～2 mm），內(nèi)有油，在巖心段中較發(fā)育；5.深灰色灰質(zhì)頁(yè)巖，水平層理明顯，薄層—紋層狀，夾灰色泥灰?guī)r條帶（寬1 cm左右），縫內(nèi)充填泥質(zhì)，巖心段中較少見(jiàn)，3 559.00 m；6.深灰色灰質(zhì)泥巖，見(jiàn)多條規(guī)模較大的縫，縫寬1～5 mm，方解石未完全充填，縫內(nèi)有油

圖版Ⅱ

（本文編輯：于惠宇）

Relationship between fracture characteristics and“five-property”of shale reservoir

YAN Jianping1，2，YAN Yu2，SIMA Liqiang2，WEN Danni2，WEN Xinfang3，GENG Bin4
（1.Sichuan Key Laboratory of Natural Gas Geology，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；2.School of Resources and Environment，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；3.Geological Logging Division，Jiangsu Petroleum Exploration Bureau，Yangzhou 225002，Jiangsu，China；4.Institute of Geoscience，Shengli Oilfield Company，Sinopec，Dongying 257015，Shandong，China）

Shale formations are typically characterized by low porosity and low permeability.While，the decisive condition of whether shale formations can be reservoirs is nothing but the existence and development of fracture. Taking shale formations of Funing Formation in Subei Basin as an example，this paper studied the relations of fracture characteristics with lithology，physical properties，oiliness，fracability and electric properties.During the research，petroliferous fractures are easy to found，and it is obvious that the permeability of fractured sample is higher than that of uncracked，which is greater than 10 mD in general.Fracture plays an important role in improving shale permeability and reservoir capabilities.Samples with fractures usually have higher content of calcite and the corresponding lithology is generally calcareous mudstone，limy shale and limy mudstone.The intervals which developed intrinsic fracture have high Young's modulus，low Poisson's ratio and high brittleness coefficient.The intervals'brittleness isstrong，and for this reason，these intervals are normally easy fracturing.Using logging response characteristics can easily distinguish fractures with calcite filled and no filling cracks accompany with oil trace.This result provides a basis for identifying effective shale reservoir.

shale；fracture；permeability；brittle mineral；fracability；loggingresponse characteristics；Subei Basin

TE122.2

A

1673-8926（2015）03-0087-07

2014-09-10；

2014-11-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“頁(yè)巖氣儲(chǔ)層微觀(guān)結(jié)構(gòu)及巖石物理響應(yīng)數(shù)值模擬研究”（編號(hào)：41202110）、四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目“泥頁(yè)巖地層周期及高分辨率沉積旋回測(cè)井識(shí)別研究”（編號(hào)：2015JY0200）及西南石油大學(xué)校級(jí)科技基金項(xiàng)目“頁(yè)巖氣儲(chǔ)層微觀(guān)結(jié)構(gòu)及巖石物理響應(yīng)模擬研究”（編號(hào)：2012XJZ004）聯(lián)合資助

閆建平（1980-），男，博士，副教授，主要從事測(cè)井沉積學(xué)、巖石物理及非常規(guī)儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)方面的教學(xué)與研究工作。地址：（610500）四川省成都市西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院。E-mail：yanjp_tj@163.com。