楊 迪，劉樹根，單鈺銘，孫 瑋，冉 波，羅 超，王世玉

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學(xué)），成都610059；2.陜西延長石油（集團）有限責(zé)任公司 研究院，西安710075）

天然裂縫發(fā)育程度是頁巖氣形成的主要條件之一［1－9］。具有低泊松比、高彈性模量、富含有機質(zhì)的脆性泥頁巖層段易于產(chǎn)生裂縫，有助于頁巖層中游離態(tài)天然氣的增加和吸附態(tài)天然氣的解吸［2，3］。但實際上，裂縫對頁巖氣（藏）具有雙重作用：一方面裂縫系統(tǒng)既是氣體的主要儲存空間，也是滲流的主要通道，有助于頁巖氣總含氣量的增加。由于頁巖具有非常低的原始滲透率［2］，天然裂縫發(fā)育不夠充分的地區(qū)需要進行壓裂來產(chǎn)生更多的有效裂縫與井筒相連，為頁巖氣解吸提供更大的壓降和面積。因此，頁巖水力壓裂應(yīng)該盡量選擇天然裂縫發(fā)育程度高的層位。水力壓裂是改善儲層裂縫系統(tǒng)、增加滲流通道的最有效方法。另一方面，如果壓裂規(guī)模過大，可能導(dǎo)致天然氣散失。所以，裂縫的研究對于頁巖氣的勘探與開發(fā)具有重要意義與影響［4］。

關(guān)于裂縫的研究，已有100多年的歷史［4－9］。裂縫包括裂隙、節(jié)理和斷層［5］。裂縫具有一定的延伸長度和寬度，裂縫之間有一定的間隔距離。裂縫可以是敞開的，也可能是閉合的。裂縫中可充滿流體，也可能被其他礦物充填。裂縫是天然形成的，也可以是人工形成的。裂隙的生成，往往與地層孔隙壓力、各向異性的水平應(yīng)力、斷層作用、褶皺作用等密切相關(guān)。由于泥頁巖裂縫儲集層各向異性很強，可采儲量最終取決于泥頁巖儲集層內(nèi)的裂縫產(chǎn)狀、密度、組合特征和張開程度［4，6］。

川東南地區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，是一個多種類型的構(gòu)造復(fù)合疊加和聯(lián)合作用的地區(qū)，經(jīng)歷了印支運動、燕山運動和喜馬拉雅運動多期構(gòu)造活動。在不同的地史發(fā)展階段，還形成了多期斷裂、褶皺和不整合，這種復(fù)雜變形不僅表現(xiàn)在幾何學(xué)和運動學(xué)特征上，還表現(xiàn)在構(gòu)造變形樣式的疊加改造以及構(gòu)造變形的不同動力學(xué)機制上［10］。本文以四川盆地東南部的習(xí)水騎龍村地區(qū)出露的下志留統(tǒng)龍馬溪組泥巖為主要研究對象，結(jié)合地表露頭裂縫觀察，試圖為天然裂縫發(fā)育狀況、恢復(fù)地下埋藏條件下的巖石力學(xué)性質(zhì)、壓裂施工中破裂壓力以及人工裂縫分布方式研究等提供參數(shù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

本文重點研究的露頭為貴州習(xí)水騎龍村上奧陶統(tǒng)五峰組－下志留統(tǒng)龍馬溪組剖面，剖面位于黔中隆起北部邊緣（圖1），在構(gòu)造區(qū)劃上北至華鎣山斷裂，西北邊為加里東期樂山－龍女寺古隆起，南達齊岳山隱伏斷裂，西到興文古藺隱伏大斷裂所限的川南低陡褶皺帶，東至南川遵義大斷裂［11－13］，是貴州－重慶地區(qū)五峰組和龍馬溪組出露最完整的連續(xù)剖面之一［14］。習(xí)水騎龍村剖面以泥巖、頁巖、粉砂巖以及灰?guī)r條帶為主（圖2）。五峰組黑色碳質(zhì)泥頁巖，厚約3.3m，含大量黃鐵礦和筆石（筆石種類豐富）［14］，水體為安靜的還原環(huán)境，屬于深水陸棚相。0.4m厚的觀音橋段生物介殼灰?guī)r作為分界線將五峰組和龍馬溪組分隔，為淺水陸棚相。龍馬溪組分為上、下兩段：下段主體以頁巖和泥巖為主，厚度為45.7m（圖2），底部則為富含有機質(zhì)的黑色頁巖，黃鐵礦紋層發(fā)育，為深水陸棚相；上段鈣質(zhì)頁巖和泥巖與灰?guī)r互層，厚度為166.4m（圖2），其泥巖與灰?guī)r的比例向上逐漸增加，為淺水陸棚相［15］。

受黔中隆起的構(gòu)造作用影響，該地區(qū)的斷裂主要有近東西向斷裂、北北西－南南東向斷裂和北東－南西向斷裂，局部地區(qū)還發(fā)育一些近南北向斷裂（圖1）。

2 宏觀裂縫發(fā)育體系特征

習(xí)水騎龍村剖面頁巖中的天然裂縫絕大多數(shù)都是近似于垂直層理（圖3），主要發(fā)育在龍馬溪組（圖2），局部富集。該層系中大型裂縫常穿層延伸，延伸長度可達幾米至十余米，并常形成小斷層（圖3－C）。所有的天然裂縫后期均被泥質(zhì)和方解石充填，常形成多組近似于垂直層面的節(jié)理（圖3）。

圖1 研究區(qū)位置及斷裂發(fā)育示意圖Fig.1 Sketch map of the location of study area and the faults

本文對整個剖面的節(jié)理產(chǎn)狀進行了實測，可以看出其主導(dǎo)走向主要為2組，即近北北東－南南西方向和北西西－南東東方向；還有2組為近南北方向和近東西方向（圖4），與區(qū)域斷裂近似一致（圖1）。對于每個裂縫而言，其上部和下部常出現(xiàn)逐漸萎縮現(xiàn)象，在層理處、在結(jié)核處終結(jié)。在層理處突然終結(jié)的裂縫常與碳酸鹽含量的變化有關(guān)，但碳酸鹽巖層又不總是裂縫的障礙。此外，小型宏觀裂縫具有與大型裂縫相同的性質(zhì)（圖5）。?？梢姸嘟M與層理面垂直的節(jié)理，通常在巖性界面處終止。黑色頁巖的節(jié)理發(fā)育程度通常比其附近灰色頁巖高（圖5－A，B，C，E），裂縫常被方解石充填（圖5－D，E），并可見方解石包裹的裂縫面（圖5－F）。被碳酸鹽膠結(jié)（特別是方解石）的天然裂隙是力學(xué)上的薄弱環(huán)節(jié)，極易在水力壓裂后起到改善滲透率的作用。

脆性礦物含量的高低也是影響裂縫發(fā)育的重要因素［1］。本文將有機碳含量、石英含量和主元素中SiO2含量投點到柱狀圖中進行直觀對比（圖2），可以看出，五峰組下段黑色頁巖段與龍馬溪組下段黑色頁巖段屬深水陸棚相，TOC值比較高，同時石英含量和SiO2含量也相對較高，富含石英的黑色頁巖段脆性較高，裂縫的發(fā)育程度高于富含方解石且塑性較強的灰色頁巖；龍馬溪組上段非黑色頁巖段，屬淺水陸棚沉積，TOC值比較低，同時石英含量和SiO2含量也相對較低?？傮w來看，從底到頂，巖石脆性礦物含量隨TOC值的減小而減小。

圖2 騎龍村上奧陶統(tǒng)－下志留統(tǒng)實測沉積剖面節(jié)理發(fā)育程度及脆性礦物含量分析對比圖Fig.2 The analysis and contrast of joint development degree and brittle mineral content of the measured deposition profile of Upper Ordovician－Lower Silurian in Qilong Village（據(jù)文獻［15］修改）

Nelson認為，脆性礦物組分中除石英外，長石和白云石在黑色頁巖段中對裂縫的開啟也起到一定的積極作用［16］。通過顯微鏡下觀察，小型宏觀裂縫中存在極小的微米級裂縫（圖6），出現(xiàn)的裂縫多被方解石和硅質(zhì)充填（圖6－A，B，C），常呈雁列式排列（圖6－B）或出現(xiàn)兩期脈體相交叉（圖6－C）。此外，還可見局部硅質(zhì)、陸源石英富集。后期力學(xué)性質(zhì)分析表明，巖石受到壓裂后，常在脈體發(fā)育或脆性礦物含量高的部位發(fā)生破裂，形成新的開啟型微裂縫。

圖3 騎龍村地區(qū)宏觀節(jié)理發(fā)育特征Fig.3 Development features of the macro－joints in Qilong Village of Xishui County

圖4 騎龍村地區(qū)節(jié)理走向玫瑰圖Fig.4 Rose diagram of joint strike in Qilong Village

3 巖石力學(xué)性質(zhì)

通過上述的野外和室內(nèi)觀察可以看出，巖石脆性礦物組成和巖石力學(xué)性質(zhì)是影響裂縫發(fā)育程度的關(guān)鍵因素。不同方向的巖石抗壓強度控制水力壓裂走向和區(qū)域地應(yīng)力。

樣品抗壓實驗的巖石力學(xué)參數(shù)分布特征如表1所示，采樣位置如圖1和圖2所示，產(chǎn)狀：346°∠36°。樣品測試前處理和測試工作均在成都理工大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室，利用美國MTS研制的“MTS巖石物理參數(shù)測試系統(tǒng)”完成［17］。巖性為紋層狀粉砂質(zhì)含黃鐵礦泥巖。巖石主要以彈性變形為主（圖7）。對比垂直層理Z方向與平行層理X和Y方向樣品的巖石力學(xué)參數(shù)可以看出（表1），在圍壓為0MPa的條件下，σc（Y）＜σc（Z）＜σc（X），E（Z）＜E（X）＜E（Y），μ（Z）最小，破壞前的軸向應(yīng)變量也表現(xiàn)出Y＜Z＜X的特點。隨著圍壓增加，不同方向的巖石極限抗壓強度也都隨之增加，但是泊松比、彈性模量和軸向應(yīng)變只在垂直層理方向上表現(xiàn)出隨之增大的趨勢，在平行層理方向上看不出影響關(guān)系。在圍壓為40MPa的條件下，σc（Z）＜σc（X）≈σc（Y），Z方向極限抗壓強度增加92.68%，X方向增加82.72%，Y 方向增加120.80%，Y方向主應(yīng)力隨著圍壓增加變化最大，彈性模量E（Y）最大（圖7）。

圖5 騎龍村地區(qū)野外露頭局部節(jié)理和裂縫發(fā)育特征Fig.5 The development characteristics of the local joints and cracks of the outcrop in Qilong

表1 騎龍村地區(qū)龍馬溪組巖石抗壓強度分析測試結(jié)果Table 1 The tested compressive strength of the rocks in Longmaxi Formation of Qilong Village

圖6 騎龍村地區(qū)微觀裂縫發(fā)育特征Fig.6 The development characteristics of the microcracks of the rocks under the microscope in Qilong Village

圖7 騎龍村龍馬溪組不同方向不同圍壓條件下紋層狀粉砂質(zhì)含黃鐵礦泥巖應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.7 Stress－strain curve of lamellar silty mudstone with pyrite under the conditions of different directions and different confining pressures in Longmaxi Formation of Qilong Village

4 微觀裂縫

微裂縫是頁巖孔隙組成中很重要的部分。裂縫不僅可以為氣體的儲存提供空間，還可以為氣體的流通充當(dāng)一定的通道。本文利用Nova Nano SEM450型掃描電子顯微鏡，對樣品進行觀察。

4.1 納米級微裂縫

全景掃描視域下部分樣品可以看到長而直的裂縫，裂縫長度在視域內(nèi)可以達到0.5～2mm，寬度僅有幾微米（圖8）。

裂縫的形成主要與黏土礦物和石英相關(guān)，在其他礦物當(dāng)中極為少見。黏土礦物中的裂縫主要在成巖作用過程中由黏土礦物的脫水作用形成（圖9－A，B，D），與石英相關(guān)的裂縫主要是由于石英與周圍礦物硬度的差異在受力的過程中形成（圖9－C）。裂縫的長度一般都是＜50μm。

圖8 騎龍村地區(qū)巖石微裂縫發(fā)育特征Fig.8 The complete picture of the developed characteristics of microcracks of the rocks from Qilong Village

圖9 騎龍村地區(qū)巖石微裂縫發(fā)育特征Fig.9 The developed characteristics of microcracks of the rocks from Qilong Village

4.2 壓裂后微觀裂縫

宏觀裂縫一般不利于熱成因頁巖氣的保存［18］。本文將經(jīng)過抗壓實驗壓裂后的X方向巖石樣品利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡來觀察微米－納米級裂縫和孔喉結(jié)構(gòu)特征。受單軸垂向應(yīng)力（0 MPa）壓裂后的泥巖樣品（圖10－A，B），在全視域下微裂縫呈近平直狀，延伸長度較大，可達幾百微米～1mm。當(dāng)圍巖增至40MPa壓裂后的泥巖樣品（圖10－C），微裂縫多呈彎曲狀，發(fā)育多個不連續(xù)的微裂縫和孔隙。隨著放大倍數(shù)的增加（圖10－D），可以看到微裂縫周圍破壞嚴重，形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)格架。因此可以推斷，隨著壓裂強度的增加，巖石微觀納米孔隙裂縫也隨之被嚴重破壞，并逐漸形成大規(guī)模復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)體系，為頁巖氣提供了滲透通道。

在我們的實際觀察中，還可以看到很多尚未連通的微裂縫和孔喉，盡管無法在同一樣品上模擬不同壓裂強度條件，但仍可以就此推斷有很多潛在微裂縫的存在。微裂縫主要與石英、長石（圖11－D）等脆性礦物和黃鐵礦（圖11－C）相伴生，多形成溶蝕坑（圖11－A，B）、粒間孔（圖11－C，D）等。如圖11－A所示，在圖像中可以看到4個尚未連接在一起的串珠狀多邊形溶蝕坑。將其中的一個溶蝕坑放大后（圖11－B），可以看到內(nèi)部發(fā)育五邊形的裂縫，這些裂縫尚未被其他礦物所充填，因此可以判斷這是受到壓裂后新開啟的裂縫。其中，左上方的裂縫向上面的溶蝕坑延伸，推測隨著壓裂強度的增加，這4個溶蝕坑的微裂縫必然會相連通，形成新的連通通道。

5 地應(yīng)力與裂縫

要保證水力壓裂處理措施設(shè)計達到最好的效果，就必須了解天然裂縫體系以及局部的最大水平應(yīng)力［19］。將野外統(tǒng)計的節(jié)理走向玫瑰圖與室內(nèi)模擬的地層條件下的巖石力學(xué)參數(shù)相結(jié)合，可以看出，天然裂縫的發(fā)育沿近南－北方向和北西西－南東東方向，而壓裂方向為南西西－北東東方向（平行走向方向X）和近南－北方向（平行傾向方向Y，圖12）。一般來說，水力壓裂要沿著垂直于最大水平應(yīng)力方向進行，以擴大水力壓裂的處理面積。因此，在本區(qū)的水力壓裂方向應(yīng)該主要為南西西－北東東方向。

圖10 騎龍村地區(qū)巖石壓裂后微裂縫發(fā)育特征Fig.10 The developed characteristics of the microcracks of the fractured rocks from Qilong Village

圖11 騎龍村地區(qū)巖石壓裂后潛在裂縫發(fā)育特征Fig.11 The developed characteristics of potential microcracks of the fractured rocks from Qilong Village

圖12 天然裂縫與水力壓裂實施方向發(fā)育示意圖Fig.12 The schematic diagram of natural fractures and hydraulic fracturing implementation direction

6 結(jié)論

a.貴州習(xí)水騎龍村剖面中的天然裂縫（節(jié)理）產(chǎn)狀與區(qū)域斷裂近似一致，其走向主要有3組，即近東西方向、北西西－南東東方向和北北東－南南西方向，此外還有一組近南北方向次要節(jié)理發(fā)育。

b.五峰組下段黑色頁巖段與龍馬溪組下段黑色頁巖段的有機碳含量、石英含量和主元素中SiO2含量相對較高，脆性較強，裂縫的發(fā)育程度明顯高于富含方解石且塑性較強的灰色頁巖。

c.利用三軸巖石力學(xué)性質(zhì)分析，在平行層理方向上巖石力學(xué)性質(zhì)主要受到地應(yīng)力的控制。

d.小型宏觀裂縫中存在極小的微米級裂縫，多被方解石和硅質(zhì)充填，常呈雁列式排列或出現(xiàn)兩期脈體相交叉。巖石受到壓裂后，常在脈體發(fā)育或脆性礦物含量高的部位發(fā)生破裂，形成新的開啟型微裂縫。納米級微裂縫的形成主要與黏土礦和石英相關(guān)，黏土礦物中的裂縫主要是成巖作用過程中黏土礦物的脫水作用形成，與石英相關(guān)的裂縫主要是由于石英與周圍礦物硬度的差異在受力的過程中形成。隨著壓裂強度的增加，巖石微觀納米級孔隙裂縫也隨之被嚴重破壞，并逐漸形成大規(guī)模復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)體系。

因此，泥頁巖中節(jié)理和裂縫的發(fā)育對于頁巖氣勘探開發(fā)至關(guān)重要，一方面可以為滲流提供主要通道，另一方面裂縫系統(tǒng)也是氣體的主要儲存空間。

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