谷 陽, 徐 晟, 張 煒, 姜重昕, 趙相寬

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局地學(xué)文獻(xiàn)中心， 北京 100083； 2.中國地質(zhì)圖書館， 北京 100083)

近年來，全球大部分國家的煤炭、石油等常規(guī)化石能源開采進(jìn)入瓶頸期，一些大型油田的產(chǎn)量較巔峰時期下降明顯，隨著能源需求的與日俱增，常規(guī)油氣的開采已經(jīng)不能滿足人類的生活需要，能源危機(jī)已成為世界各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的嚴(yán)重阻礙。隨著美國頁巖氣革命的成功，促使美國從一個天然氣進(jìn)口國一躍成為世界天然氣出口大國，頁巖氣所占美國干氣的比例不斷上升。美國“頁巖氣革命”的成功及焦石壩頁巖氣高產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一是富有機(jī)質(zhì)頁巖內(nèi)部發(fā)育有大量的微裂縫[1-5]。在水力壓裂時，天然裂縫的發(fā)育將會促進(jìn)網(wǎng)狀裂縫的形成，有利于頁巖氣的產(chǎn)出，此時新生成的壓裂縫不再順著最大主應(yīng)力方向延伸[6-8]。與北美相比，中國南方上揚(yáng)子地區(qū)下古生界海相富有機(jī)質(zhì)頁巖層系具有豐富的頁巖氣資源，由于受多期構(gòu)造活動的影響，造成中國南方上揚(yáng)子地區(qū)褶皺變形強(qiáng)烈，斷裂系統(tǒng)發(fā)育、巖石力學(xué)各向異性明顯、地應(yīng)力和天然裂縫分布不清等問題，導(dǎo)致南方復(fù)雜構(gòu)造區(qū)下古生界海相頁巖氣開采效果不佳。其中，下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖具有較大的沉積厚度和廣泛的分布面積，過高的熱演化程度使其有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度較低，天然裂縫的發(fā)育，在采用有效的壓裂增產(chǎn)改造措施后，易形成具有導(dǎo)流能力的復(fù)雜網(wǎng)狀縫，實現(xiàn)頁巖氣經(jīng)濟(jì)有效的開發(fā)[9-11]。目前，對頁巖儲層天然裂縫形成機(jī)制和發(fā)育模式的研究并不深入，導(dǎo)致對南方復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁巖氣“甜點”的預(yù)測缺乏有效指導(dǎo)[12-14]。因此，對中國南方復(fù)雜構(gòu)造區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖儲層裂縫特征的研究十分必要。

現(xiàn)以黔北鳳岡區(qū)塊為例，通過對研究區(qū)YX-1井巖心裂縫觀測與統(tǒng)計，結(jié)合鏡下觀察和巖心測試資料等，對牛蹄塘組頁巖儲層裂縫發(fā)育特征進(jìn)行詳細(xì)闡述；同時，通過礦物含量分析、有機(jī)碳豐度、巖石力學(xué)性質(zhì)等分析了頁巖裂縫發(fā)育的主控因素。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

從大地構(gòu)造上，鳳岡區(qū)塊所處的黔北地區(qū)位于上揚(yáng)子地臺區(qū)(圖1)。研究區(qū)構(gòu)造演化受揚(yáng)子地臺形成演化影響，二者具有較好的一致性。揚(yáng)子地臺屬于中國南方前寒武紀(jì)克拉通，揚(yáng)子地臺的北部為秦嶺-大別山造山帶，南部為埡都-紫云斷裂、師宗-彌勒斷裂、漵浦-四堡斷裂，西部為金沙江-哀牢山斷裂。地層自前震旦系到第四系均有沉積，絕大部分屬于海相沉積，分布厚度較大。其中前震旦系以白云巖和碎屑巖為主，在研究區(qū)內(nèi)未出露。研究區(qū)內(nèi)主要出露的地層主要有寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系，缺失白堊系、侏羅系、石炭系、泥盆系地層，第三系及第四系地層零星分布。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

牛蹄塘組海相黑色頁巖在區(qū)內(nèi)分布廣泛，發(fā)育穩(wěn)定，地層厚度在60～150 m(圖2)，底部為一套黑色硅質(zhì)、碳質(zhì)頁巖，向上逐漸過渡為深灰色硅質(zhì)和粉砂質(zhì)泥頁巖，整體上呈現(xiàn)出一個由深水到淺水相變化的特征；總有機(jī)碳(total organic carbon，TOC)介于0.29%～9.36%，平均值為3.12%；等效鏡質(zhì)體反射率Ro分布在1.14%～4.97%，平均值為2.85%；礦物組分主要以石英為主(圖3)，含量占20.3%～54.5%，平均值為37.2%；黏土礦物含量平均值為31.5%，以伊蒙混層和伊利石為主，占到了87.0%。

圖2 研究區(qū)牛蹄塘組頁巖厚度分布圖Fig.2 Shale thickness distribution map of Niutitang Formation in the study area

圖3 研究區(qū)牛蹄塘組頁巖礦物組分Fig.3 Shale mineral composition of Niutitang Formation in the study area

2 牛蹄塘組頁巖儲層裂縫特征

2.1 頁巖巖心裂縫特征

對研究區(qū)內(nèi)YX-1井牛蹄塘組頁巖巖心裂縫特征進(jìn)行觀察統(tǒng)計表明，研究區(qū)牛蹄塘組巖心裂縫以構(gòu)造裂縫為主，主要包括高角度剪性裂縫、高角度張性裂縫、低角度滑脫縫等構(gòu)造裂縫，也發(fā)育部分非構(gòu)造縫，主要為層間縫。其中高角度剪切裂縫，具有延伸較遠(yuǎn)、縫面平直的特點，且呈多組系出現(xiàn)，大部分被方解石充填[圖4(a)]，亦可見左行雁列式菱形排列的剪裂縫[圖4(b)]；高角度張性裂縫在拉張伸展背景下形成的構(gòu)造縫，縫面參差不齊，常成組系出現(xiàn)，并在周圍存在多組伴生裂縫，多被礦物充填[圖4(c)]；低角度滑脫裂縫，一般傾角較小，多呈低角度或水平狀態(tài)，縫面常見明顯擦痕、光滑鏡面等特征[圖4(d)、圖4(e)]。層間縫，是在不同巖性交界處軟弱帶處由負(fù)荷減小引起的應(yīng)力釋放、礦物結(jié)晶等作用形成的裂縫，縫面多為水平，具有一定的張性裂縫性質(zhì)，多被黃鐵礦和方解石等礦物充填[圖4(f)、圖4(g)]，是烴源巖中油氣生排烴和運(yùn)移的標(biāo)志。并且受多期構(gòu)造活動影響，常見不同成因和期次的裂縫相互疊加改造，形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)[圖4(h)]。

圖4 牛蹄塘組頁巖巖心裂縫發(fā)育特征Fig.4 Fracture development characteristics of shale core in Niutitang Formation

對研究區(qū)YX-1井牛蹄塘組頁巖巖心觀測與統(tǒng)計表明：牛蹄塘組頁巖巖心裂縫主要以構(gòu)造裂縫為主，占裂縫總量的87.3%，非構(gòu)造裂縫發(fā)育相對較少，占裂縫總量的13.7%；裂縫傾角多為高角度或垂直為主，占裂縫總量的78.2%，其次為低角度滑脫縫和近水平裂縫(0°～15°)；裂縫長度以1～5 cm 和5～10 cm 為主；開度以0.2～0.5 cm 為主，占裂縫總量的38.5%。從充填情況來看，裂縫大部分被充填，充填比例達(dá)到96.1%，主要還是以方解石充填為主，占到裂縫總量的71.3%；未充填縫占裂縫總量的3.9%，主要為層理縫和一些低角度滑脫縫(圖5)。

圖5 牛蹄塘組頁巖巖心裂縫參數(shù)統(tǒng)計Fig.5 Statistics of fracture parameters of shale core in Niutitang Formation

2.2 微觀裂縫特征

對于基質(zhì)孔隙度極低的頁巖儲層來說，微裂縫的發(fā)育不但有助于游離態(tài)天然氣聚集和吸附態(tài)天然氣解吸，而且也為天然氣運(yùn)移、滲流提供了重要通道。在頁巖儲集層改造過程中，微裂縫能降低起裂壓力，形成人造裂縫網(wǎng)絡(luò)，增大裂縫總體積，從而提高單井產(chǎn)量和最終采收率[15-16]。

通常情況下，對頁巖儲層中微觀裂縫的觀察需要借助光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡等實驗手段完成，其中光學(xué)顯微鏡可以觀察到毫米級裂縫，而利用常規(guī)掃描電鏡、氬離子拋光、核磁共振圖像等測試技術(shù)可進(jìn)一步觀察頁巖儲層中納米級孔隙和裂縫的發(fā)育特征。

研究區(qū)牛蹄塘組頁巖鏡下薄片中以構(gòu)造裂縫為主，裂縫充填程度較高，充填物主要以方解石、硅質(zhì)和黏土等[圖6(a)～圖6(d)]。根據(jù)裂縫內(nèi)充填礦物的自形程度和空間關(guān)系判斷，碳酸鹽礦物的形成時間晚于硅質(zhì)礦物[圖6(e)]。同時也可見網(wǎng)狀裂縫，不同方向的裂縫相互交切，并可見早期形成的裂縫對后期裂縫的限制作用[圖6(f)]，促使微裂縫之間能夠有效連通，為頁巖氣的儲存及運(yùn)移提供了重要場所和空間，增強(qiáng)了頁巖儲層的滲流能力。雖然被充填的微裂縫對頁巖儲層滲透率的貢獻(xiàn)較小，但這些充填縫在后期水力壓裂時容易重新張開且相互溝通，形成縫網(wǎng)系統(tǒng)。然而，研究區(qū)牛蹄塘組頁巖處于成巖作用晚期，熱演化程度較高，成巖裂縫等非構(gòu)造裂縫發(fā)育程度較低，數(shù)量較少[17]。

圖6 牛蹄塘組頁巖裂縫鏡下特征Fig.6 Microscopic characteristics of shale fractures in Niutitang Formation

本次研究利用場發(fā)射掃描電鏡對牛蹄塘組頁巖內(nèi)部微米-納米級孔縫進(jìn)行了觀察。觀察結(jié)果顯示研究區(qū)牛蹄塘組頁巖內(nèi)部微裂縫十分發(fā)育，裂縫開度在0.02～8 μm，主要為非構(gòu)造縫，包括層間縫、粒內(nèi)縫和粒間縫(圖7)。其中黏土礦物定向排列形成的層間縫及黏土礦物轉(zhuǎn)化過程中形成的伊利石、伊蒙混層粒間縫[圖7(a)～圖7(d)]，常與粒間孔組成孔縫網(wǎng)絡(luò)，具有較好的連通性，可為頁巖氣提供運(yùn)移通道，提高頁巖的滲流能力。此外，黃鐵礦和碳酸鹽礦物等礦物粒間縫具有較大的孔徑和面孔率[圖7(e)、圖7(f)、圖7(h)]，為頁巖氣的儲存及運(yùn)移提供了重要場所和空間，增強(qiáng)了頁巖儲層的滲流能力。

圖7 牛蹄塘組頁巖裂縫場發(fā)射掃描電鏡特征Fig.7 FE-SEM characteristics of shale fractures in Niutitang Formation

3 頁巖裂縫發(fā)育主控因素分析

3.1 構(gòu)造因素

研究區(qū)地處中國南方復(fù)雜構(gòu)造區(qū)，經(jīng)歷了多期大規(guī)模的構(gòu)造運(yùn)動，區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜斷裂發(fā)育，裂縫總體發(fā)育程度較高。經(jīng)統(tǒng)計，研究區(qū)牛蹄塘組頁巖巖心主要發(fā)育構(gòu)造裂縫，占裂縫總數(shù)的87.3%。燕山期是研究區(qū)斷裂形成最主要的時期，燕山期研究區(qū)主要以北西-南東向擠壓為主。喜山期構(gòu)造應(yīng)力場以近東西向擠壓為主，與先期構(gòu)造具有明顯的繼承改造關(guān)系，喜山運(yùn)動使燕山褶皺帶繼承性變形加強(qiáng)。此外，裂縫受多期構(gòu)造運(yùn)動影響也具有多期活動的特性，使其遭受了不同程度的改造與活化，促進(jìn)內(nèi)部次級孔縫系統(tǒng)發(fā)育，提升了充填裂縫的有效性[18]。

3.2 非構(gòu)造因素

在相同構(gòu)造應(yīng)力條件下，裂縫發(fā)育情況也往往存在差異性，主要受巖石礦物組分、巖性、有機(jī)碳含量、巖石力學(xué)各向異性、成巖作用等影響，這部分因素稱之為非構(gòu)造因素。

頁巖中的礦物組分主要由石英、碳酸鹽巖礦物、長石、黃鐵礦及黏土礦物等組成。不同巖性的巖石，其礦物組分、結(jié)構(gòu)、成巖程度也不盡相同。YX-1井巖心裂縫統(tǒng)計表明，TOC和裂縫發(fā)育程度呈現(xiàn)二段式分布，當(dāng)TOC小于6%時，裂縫發(fā)育程度與TOC呈正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)TOC大于8%時，裂縫發(fā)育程度降低，與TOC呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[圖8(a)]。這是由于有機(jī)質(zhì)生烴演化會增加頁巖儲層內(nèi)孔隙和殘余碳骨架的數(shù)量，從而降低了頁巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，加大了頁巖的脆性，在外力作用下容易產(chǎn)生裂縫。此外，較高的有機(jī)質(zhì)含量會產(chǎn)生大量的烴類氣體，增大了頁巖儲層的內(nèi)部壓力，過高的壓力會導(dǎo)致巖石破裂，形成異常壓力縫。但是，當(dāng)頁巖內(nèi)TOC較高時，殘存的多孔碳質(zhì)骨架不足以支撐上覆地層的壓力，導(dǎo)致部分孔隙被充填或壓實，頁巖脆性降低，因此抑制了頁巖裂縫的產(chǎn)生[19-20]。研究區(qū)牛蹄塘組頁巖TOC與石英含量及含氣量均具有較好的正相關(guān)關(guān)系，因此石英含量與裂縫線密度也表現(xiàn)出分段性，即石英含量在20%～50%時，隨石英含量的增加，巖心裂縫發(fā)育程度呈降低趨勢[圖8(b)～圖8(d)]。

圖8 牛蹄塘頁巖儲層參數(shù)與裂縫發(fā)育程度關(guān)系Fig.8 Relationship between reservoir parameters of Niutitang shale and fracture development degree

在相同的應(yīng)力條件下，具有高楊氏模量的頁巖具有脆性大，抗張強(qiáng)度小的特點，在區(qū)域應(yīng)力作用下更容易形成裂縫。研究區(qū)牛蹄塘組頁巖中上段發(fā)育硅質(zhì)頁巖，下段發(fā)育碳質(zhì)頁巖。碳質(zhì)頁巖與硅質(zhì)頁巖相比，具有高楊氏模量、抗拉強(qiáng)度小的特點，受力時更易形成構(gòu)造裂縫(表1)。B組樣品碳質(zhì)頁巖的內(nèi)摩擦角小于A組樣品硅質(zhì)頁巖，反映出硅質(zhì)頁巖的抗剪強(qiáng)度比碳質(zhì)頁巖小，在相同的區(qū)域水平擠壓或引張應(yīng)力作用下，頁巖更易沿層理面發(fā)生剪切破裂，形成低角度滑脫裂縫。

表1 牛蹄塘組不同巖性頁巖巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of shale with different lithology in Niutitang Formation

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖儲層中裂縫發(fā)育程度較高。巖心裂縫主要以構(gòu)造裂縫為主，包括高角度剪性裂縫、高角度張性裂縫、低角度滑脫縫，占裂縫總量的87.3%。微裂縫的發(fā)育對頁巖氣的吸附、解析和滲流影響顯著，大量發(fā)育的微裂縫可成為游離態(tài)頁巖氣的主要儲集空間。

(2)研究區(qū)牛蹄塘組頁巖儲層裂縫發(fā)育程度受構(gòu)造因素影響顯著，構(gòu)造因素是裂縫發(fā)育的外因，受拉張、擠壓和剪切等構(gòu)造應(yīng)力作用影響產(chǎn)生不同性質(zhì)的構(gòu)造裂縫。另外，非構(gòu)造因素是裂縫發(fā)育的內(nèi)因，受巖石力學(xué)性質(zhì)、礦物組成、有機(jī)質(zhì)含量等因素影響。