陳 葉，高向東，韓文龍，李媛媛，周曉得

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083）

頁(yè)巖儲(chǔ)層天然裂縫發(fā)育特征概述

陳 葉*，高向東，韓文龍，李媛媛，周曉得

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083）

頁(yè)巖儲(chǔ)層中的裂縫既可以為頁(yè)巖氣提供聚集空間，也可以為頁(yè)巖氣的生產(chǎn)提供運(yùn)移通道。頁(yè)巖中存在的裂縫主要可以分為5類：構(gòu)造縫（張裂縫和剪裂縫）、層間頁(yè)理縫、低角度滑脫縫、成巖收縮微裂縫和有機(jī)質(zhì)演化異常壓力縫，可根據(jù)裂縫形成原因劃分為原生裂縫和后生裂縫。裂縫的成因類型和分布規(guī)律各不相同，裂縫的發(fā)育與頁(yè)巖氣儲(chǔ)藏密切相關(guān)。對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層中裂縫的成因類型、識(shí)別特征、識(shí)別方法、基本參數(shù)（寬度、長(zhǎng)度、密度、間距、產(chǎn)狀、充填情況、溶蝕改造情況）、分布規(guī)律等進(jìn)行了分析研究，為頁(yè)巖氣的資源評(píng)價(jià)和勘探開發(fā)提供儲(chǔ)層裂縫地質(zhì)信息。

裂縫；分類；基本參數(shù)；識(shí)別方法

1 概述

頁(yè)巖氣是一種新型的非常規(guī)油氣資源，由于資源潛力巨大，受到廣泛關(guān)注。頁(yè)巖儲(chǔ)層裂縫特征是儲(chǔ)層基本特征之一，也是儲(chǔ)層特征研究的重點(diǎn)內(nèi)容，直接影響泥頁(yè)巖儲(chǔ)層物性和頁(yè)巖氣開采條件。泥頁(yè)巖儲(chǔ)層屬于超致密油氣儲(chǔ)層。國(guó)內(nèi)外研究表明，頁(yè)巖儲(chǔ)層孔裂隙已達(dá)納米量級(jí)[1-2]。國(guó)內(nèi)對(duì)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的孔隙特征研究主要集中于四川盆地及其周緣地區(qū)[3-4]。在美國(guó)、前蘇聯(lián)、加拿大以及我國(guó)發(fā)現(xiàn)的大量泥巖裂縫油氣藏中,作為油氣儲(chǔ)集空間的泥巖非構(gòu)造裂縫扮演了非常重要的角色,甚至個(gè)別區(qū)域達(dá)100%。但是到目前為止,有關(guān)泥巖非構(gòu)造裂縫的研究多停留在野外地質(zhì)剖面與室內(nèi)巖芯的定性描述上,缺少深入細(xì)致的分析。

我們通過(guò)研究頁(yè)巖孔裂隙類型、發(fā)育規(guī)模、孔隙結(jié)構(gòu)等特征，探討影響孔裂隙發(fā)育的因素,最終為頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)和地質(zhì)選區(qū)提供儲(chǔ)層孔裂隙地質(zhì)信息。

2 頁(yè)巖儲(chǔ)層天然裂縫的分類

通過(guò)對(duì)野外地表露頭和巖芯的宏觀描述及其薄片、掃描電鏡的微觀分析認(rèn)為,我們可以將泥頁(yè)巖中的裂縫分為以下主要的幾種，構(gòu)造縫(張性縫和剪性縫)、低角度滑脫裂縫、層間頁(yè)理縫、成巖收縮微裂縫和有機(jī)質(zhì)演化異常壓力縫,這5種裂縫的地質(zhì)成因、識(shí)別特征和分布規(guī)律都不盡相同。

構(gòu)造縫是指巖石在構(gòu)造應(yīng)力作用下產(chǎn)生破裂而形成的裂縫，是裂縫中最主要的類型。其最大的特點(diǎn)是裂縫成組出現(xiàn)，沿一定方向有規(guī)律的分布，分布具不均勻性，裂縫邊緣比較平直，延伸較遠(yuǎn)。構(gòu)造具多期次性，可以加以分期。構(gòu)造縫是泥頁(yè)巖中最常見也是最主要的裂縫類型。根據(jù)2種裂縫不同的力學(xué)性質(zhì),又可分為張性縫、剪性縫2種[5]。野外地表露頭和巖芯上觀察到的宏觀張性裂縫一般傾角、張開度和長(zhǎng)度變化較大,破裂面具有不平整的特性,多數(shù)已被完全充填或部分充填。在薄片中和掃描電鏡下見到的微觀張裂縫,裂縫與層面交角不等,最常見的為近垂直于層面的張裂縫,常切穿順層縫,起到連通順層裂縫的作用剪性縫較張裂縫少,其產(chǎn)狀變化也較大,有近垂直層面的菱形共軛剪節(jié)理,也有高角度的剪切裂縫，較平直,破裂面光滑,局部有充填物。薄片中和掃描電鏡下的微觀剪裂縫很少見,多與層面低角度斜交,平直,一般未被充填。構(gòu)造裂縫主要發(fā)育在褶皺構(gòu)造轉(zhuǎn)折端和斷裂附近[6]。

低角度滑脫裂縫常常發(fā)育在與層面大致平行的低滲透儲(chǔ)層的泥巖中，一般傾角小于30°，它們主要分布在泥頁(yè)巖層的頂部和底部，尤其是在靠近儲(chǔ)集層的部分發(fā)育，這類裂縫具有傾角較小，傾向變化較大，明顯的擦痕和階步等特征，是在巖石的伸展和擠壓的作用下，由于順層的剪切應(yīng)力作用而產(chǎn)生的。低角度滑脫裂縫一般存在大量平整、光滑或具有劃痕、階步的面,且在地下不易閉合。

層間頁(yè)理縫主要為具剝離線理的平行層理紋層面間的孔縫,為沉積作用所形成。一般為強(qiáng)水動(dòng)力條件的產(chǎn)物,由一系列薄層頁(yè)巖組成,頁(yè)巖間頁(yè)理為力學(xué)性質(zhì)薄弱的界面,極易剝離,這種界面即為層間頁(yè)理縫,層間頁(yè)理縫是泥頁(yè)巖中最基本的裂縫類型。頁(yè)巖的頁(yè)理面上多含砂質(zhì)，這種裂縫在巖芯和薄片及掃描電鏡下都可見到。層間頁(yè)理縫張開度一般較小,多數(shù)被完全充填，與高角度張性縫連通。層間頁(yè)理縫在頁(yè)理發(fā)育的泥頁(yè)巖中極為常見。

成巖收縮微裂縫指成巖過(guò)程中由于巖石收縮體積減小而形成的與層面近于平行的裂縫，泥頁(yè)巖在成巖作用過(guò)程中,由于上覆地層壓力導(dǎo)致沉積物脫水收縮,因而在同一巖層內(nèi),容易形成延伸長(zhǎng)度較小的縱向裂縫以及不規(guī)則的多向裂縫。形成這些裂縫的主要原因是干縮作用、脫水作用、礦物相變作用或熱力收縮作用,與構(gòu)造作用無(wú)關(guān)[7]。成巖收縮裂縫包括脫水收縮縫和礦物相變縫。成巖收縮縫在泥巖層和水平層理泥灰?guī)r的泥質(zhì)夾層的掃描電鏡下常見,連通性較好,開度變化較大,部分被充填。一般在沉積時(shí)硅質(zhì)含量較高的頁(yè)巖,在成巖過(guò)程中由于化學(xué)變化而發(fā)生收縮作用,從而形成廣泛分布的成巖收縮微裂縫。

機(jī)質(zhì)演化異常壓力縫指有機(jī)質(zhì)在演化過(guò)程中產(chǎn)生局部異常壓力使巖石破裂而形成的裂縫,有機(jī)質(zhì)演化異常壓力縫在有機(jī)碳含量較高的炭質(zhì)泥頁(yè)巖中普遍發(fā)育。這種裂縫一般縫面不規(guī)則,不成組系,多充填有機(jī)質(zhì),地下泥質(zhì)巖超壓微裂縫帶在垂向上一般集中分布在一定的深度區(qū)間,在橫向上呈區(qū)域性分布[8]。頁(yè)巖發(fā)育特征綜合分析（見表1）[9]

表1 頁(yè)巖發(fā)育特征綜合分析

3 天然裂縫的基本參數(shù)

頁(yè)巖裂縫的基本參數(shù)一般包括寬度/張開度、長(zhǎng)度、間距、密度、產(chǎn)狀、充填情況、溶蝕改造情況等。

裂縫的寬度/張開度，裂縫壁之間的距離，長(zhǎng)度有從幾微米到幾毫米不等，但一般小于100mm，滲透性響應(yīng)較好，泥頁(yè)巖裂縫張開度的計(jì)算：

高角度裂縫張開度：

式中：CLLD、CLLS——深、淺側(cè)向電阻率；

Cmf——泥漿濾液的電阻率，S/m；

Ds、Dd——淺、深側(cè)向測(cè)井儀的探測(cè)直徑，cm；

r——井眼半徑，cm；

d——裂縫張開度，表示一條或幾條裂縫張開度的總和。

低角度裂縫張開度：在這種情況下，雙側(cè)向測(cè)井的電導(dǎo)率（C）與基巖電導(dǎo)率（Cb）、泥漿濾液電導(dǎo)率（Cmf）、主電流層的厚度（h）以及裂縫張開度（d）近似表達(dá)式為：

Sclumberger公司采用如下公式：

國(guó)內(nèi)的松遼盆地古龍凹陷、遼河凹陷、濟(jì)陽(yáng)坳陷沾化凹陷、柴達(dá)木盆地芒崖坳陷及西部凹陷等相繼發(fā)現(xiàn)和開采裂縫性頁(yè)巖氣藏，表2為主要幾大盆地的裂縫寬度。

裂縫的長(zhǎng)度，裂縫的長(zhǎng)度及其與巖層的關(guān)系，分為一級(jí)裂縫，可以切穿若干巖層，滲透性響應(yīng)較好；二級(jí)裂縫，局限于單層內(nèi)，滲透性響應(yīng)好。

裂縫的間距，兩條裂縫之間的距離，間距變化較大，由幾毫米到幾十米，滲透性響應(yīng)好—較好。

裂縫的密度，裂縫的密度可分為3類：

線性裂縫密度：nf/LB,1/m；Г=

面積裂縫密度：L/SB,1/m,P=

體積裂縫密度：S/VB,1/m。T=

式中：T——某一地點(diǎn)上裂縫介質(zhì)的體積密度;

ΔV——某個(gè)單位體積;

ΔS——單位體積內(nèi)全部裂縫面的面積。

P——裂縫面密度值；

Δl——遍布單位體積上裂縫印痕長(zhǎng)度的總和;

Δs——單位面積;

Γ——裂縫密度值;

ΔN——裂縫面法線上切割法線的裂縫數(shù);

ΔL——法線長(zhǎng)度。

表2 頁(yè)巖裂縫寬度發(fā)育情況統(tǒng)計(jì)

裂縫的產(chǎn)狀包括裂縫的走向、傾向和傾角。其分類如表3所示。

表3 裂縫類型與滲透率描述

裂縫的充填情況，裂縫被雜基、膠結(jié)物充填程度?？煞譃閺堥_縫，基本無(wú)充填物；閉合縫，基本無(wú)充填物；半充填縫，有部分充填物；完全充填縫，裂縫被完全充填。也可據(jù)填隙物類型把頁(yè)巖孔裂隙充填作用分為鈣質(zhì)充填、硅質(zhì)充填、粘土礦物充填、鐵質(zhì)充填等類型，螢石、天青石、鉀鹽、重晶石等也可以充填物的形式出現(xiàn)在孔裂隙之間。

裂縫的溶蝕情況，縫面被地下水溶蝕改造程度。變化較大，由幾毫米變化到幾米[8]。

4 天然裂縫的識(shí)別方法

泥頁(yè)巖裂縫的識(shí)別方法與碳酸鹽巖、砂巖和火山巖及變質(zhì)巖裂縫的識(shí)別方法沒有太多的差別。但由于富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖裂縫的形成機(jī)制和發(fā)育的地質(zhì)條件的特殊性,決定了其還存在有不同于其他巖石類型的裂縫識(shí)別方法,主要有以下幾種方法：

地質(zhì)法及巖石學(xué)法；它是利用泥頁(yè)巖野外露頭、鉆井巖芯和巖石樣品薄片識(shí)別裂縫的重要方法[10],可以為泥頁(yè)巖裂縫的研究提供第一手資料。但是,該方法不可能直接獲得泥頁(yè)巖裂縫儲(chǔ)集性能定量資料。而只能獲得巖石物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、裂縫組系體積密度及其方位等與裂縫有關(guān)的參數(shù)資料。據(jù)此可以計(jì)算出裂縫滲透率、裂隙率和裂縫密度。

異?？紫读黧w壓力法:異常高的孔隙流體壓力是形成裂縫的內(nèi)在動(dòng)力,厚層泥頁(yè)巖地層中異常壓力越大,產(chǎn)生裂縫的可能性就越大。因此,可以根據(jù)泥頁(yè)巖地層中異常壓力的分布情況來(lái)推測(cè)裂縫的可能發(fā)育區(qū)。如果孔隙流體壓力大于靜水壓力時(shí),表明泥頁(yè)巖系是欠壓實(shí)地層,具有高的孔隙流體壓力,為可能的裂縫發(fā)育帶,且超壓越大,潛在的裂縫發(fā)育程度就越高。

鉆井、錄井法：在鉆井和錄井時(shí),發(fā)生井涌、井漏和鉆井液向井口外溢等現(xiàn)象時(shí),鉆速加快、氣測(cè)異常、泥漿槽面顯示活躍,井徑曲線表現(xiàn)出明顯的擴(kuò)徑現(xiàn)象。根據(jù)這些特征,可對(duì)全井的裂縫發(fā)育段進(jìn)行大致的判斷[11-13]。D指數(shù)也稱地層可鉆性指數(shù)(無(wú)量綱)[14],是對(duì)地層可鉆性的反映,當(dāng)鉆遇異常高壓(泥巖)層時(shí),由于地層欠壓實(shí),孔隙度增大,機(jī)械轉(zhuǎn)速也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。

地震法：利用地震資料進(jìn)行裂縫檢測(cè)的方法研究,先后經(jīng)歷了橫波勘探、多波多分量勘探和縱波裂縫檢測(cè)等幾個(gè)階段。在此過(guò)程中提出了許多新穎實(shí)用的理論方法。近幾年來(lái),在用縱波地震資料進(jìn)行裂縫勘探方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[15],并開始由以前的定性描述向利用縱波資料定量計(jì)算裂縫發(fā)育的方位和密度方向發(fā)展[16]。

井間壓力干擾試井法：?jiǎn)尉嚲c多井干擾試井相結(jié)合,通過(guò)單井試井可以了解井筒附近地層的情況,如井筒存儲(chǔ)、表皮效應(yīng)及地層滲透率等。通過(guò)多井干擾試井可以了解井間地層的情況,如地層的連通情況、裂縫分布等。壓裂前測(cè)試與壓裂后測(cè)試相結(jié)合,壓裂前測(cè)試可以確定壓裂前地層滲透率及油井產(chǎn)能,以便選擇出合適的壓裂規(guī)模。壓裂后測(cè)試用于評(píng)價(jià)壓裂效果,如確定壓裂后的地層滲透率、裂縫長(zhǎng)度、裂縫導(dǎo)流能力等。

5 結(jié)論

（1）泥頁(yè)巖中的裂縫主要分為以下5種：構(gòu)造縫（張裂縫和剪裂縫）、層間頁(yè)理縫、層面滑移縫、成巖收縮微裂縫和有機(jī)質(zhì)演化異常壓力縫。各種裂縫的地質(zhì)成因、識(shí)別特征和分布規(guī)律都不盡相同，還可根據(jù)裂縫的形成原因劃分為原生裂縫和后生裂縫。 （2）頁(yè)巖裂縫的基本參數(shù)一般包括寬度/張開度、長(zhǎng)度、間距、密度、產(chǎn)狀、充填情況、溶蝕改造情況等。這些參數(shù)與計(jì)算裂縫的孔滲性和滲透率直接相關(guān)。

（3）裂縫的識(shí)別特征和成因機(jī)制各不相同，可以通過(guò)地質(zhì)法及巖石學(xué)法、異?？紫读黧w壓力法、鉆井、錄井法、地震法、井間壓力干擾試井法等識(shí)別頁(yè)巖儲(chǔ)層中的裂縫。

[1] 鄒才能，李建忠,董大忠,等.中國(guó)首次頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層中發(fā)現(xiàn)豐富的納米級(jí)孔隙[J].石油勘探與開發(fā)，2010,37（5）:508-509.

[2] Javadpour F,Fisher D,Unsworth M.Nanoscale Gas Flow in Shale Gas Sediments[J].Journal ofCanadian Petroleum Technology，2007，46(10):55-61.

[3]汪吉林，劉桂建，王維忠，等.川東南龍馬溪組頁(yè)巖孔裂隙及滲透性特征[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013，38(5):772-777.

[4] 陳尚斌，朱炎銘，王紅巖，等.川南龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層納米孔隙結(jié)構(gòu)特征及其成藏意義[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012,37(3):438-444.

[5] 吳元燕，吳勝和，蔡正其.油礦地質(zhì)學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社,2005.

[6]張金功，黃傳卿，修艷敏，等.中國(guó)典型盆地頁(yè)巖層面滑移縫的特征、成因及其頁(yè)巖氣藏形成的關(guān)系[C]//第376次香山科學(xué)會(huì)議摘要，2010.

[7]張金功，袁政文.泥質(zhì)巖裂縫油氣藏的成藏條件及資源潛力[J].石油與天然氣地質(zhì)，2002,23(4):336-338.

[8]張金川，龍鵬宇，唐玄，等.泥頁(yè)巖裂縫發(fā)育特征及其對(duì)頁(yè)巖氣勘探和開發(fā)的影響[J].天然氣地球科學(xué)，2011,22(3).

[9]曾聯(lián)波，肖淑蓉.低滲透儲(chǔ)集層中的泥巖裂縫儲(chǔ)集體[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，1999,21(3).

[10]陳定宏，曾志瓊，吳麗蕓.裂縫性油氣儲(chǔ)集層勘探的基本理論與方法[M].北京:石油工業(yè)出版社,1985.

[11] 姜照勇,孟江,祁寒冰,等.泥巖裂縫油氣藏形成條件與預(yù)測(cè)研究[J].西部探礦工程,2006(8):94-96.

[12]黃龍威.東濮凹陷文留中央地壘帶泥巖裂縫性油氣藏研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào),2005,27(3):289-292.

[13] Ghosh K,Mitra S.Two-dimensional Simulation of Controls of Fracture Parameters on Fracture Connectivity[J].AAPG Bullettin,2009,93(11):1517-1533.

[14]李守田,汪玉泉,袁伯琰.D指數(shù)在泥巖裂縫儲(chǔ)層解釋中的應(yīng)用[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2001,20(5):15-16.

[15] 王延光,杜啟振.泥巖裂縫性儲(chǔ)層地震勘探方法初探[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2006,21(2):494-501.

[16] 王祥，劉玉華，張敏，等.頁(yè)巖氣形成條件及成藏影響因素研究[J].天然氣地球科學(xué),2010,21(21).

P618.13

A

1004-5716(2015)02-0073-04

2014-12-21

陳葉（1992-），女（漢族），四川瀘州人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）在讀碩士研究生，研究方向：非常規(guī)油氣。