泥頁巖非構造裂縫形成機制及特征

袁玉松，周　雁，邱登峰，王茜茜

(1.中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院， 北京　100083；2.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京　100083)

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泥頁巖非構造裂縫形成機制及特征

袁玉松1，周雁1，邱登峰1，王茜茜2

(1.中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院， 北京100083；2.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京100083)

泥頁巖非構造裂縫是泥頁巖中常見的裂縫類型。非構造裂縫對頁巖氣成藏與保存評價具有重要意義。在前人研究成果基礎上，考慮泥頁巖本身固有的特性，初步提出泥頁巖裂縫的分類方案,劃分了非構造裂縫的類型，并總結各類非構造裂縫的形成機制。依據(jù)野外露頭和巖心觀察，描述了泥頁巖非構造裂縫的特征。初步分析認為，在泥頁巖非構造裂縫中，成巖層理裂縫、欠壓實超壓裂縫和生烴超壓裂縫與頁巖氣成藏和保存關系密切。

泥頁巖；非構造裂縫；超壓裂縫；欠壓實

0　引　言

隨著泥巖裂縫油氣藏的不斷發(fā)現(xiàn)、北美地區(qū)頁巖氣勘探獲得的巨大成功和我國頁巖氣勘探開發(fā)的快速發(fā)展，泥頁巖裂縫研究在當今油氣勘探中備受關注。我國學者在泥質巖非構造裂縫成因機制、發(fā)育期次、主控因素、開裂模式及影響因素等方面的研究取得了許多有意義的研究成果[1-3]。在油氣勘探領域，重點關注了儲層裂縫模擬與預測[4-6]。此外，在裂縫與應力場的關系[7]方面也開展了一定的工作。其中，在巖石裂縫分類方面，提出了很多方案[1, 8-10]，郭璇等按成因將裂縫分為構造裂縫和非構造裂縫兩大類，并將非構造裂縫又分為表生裂縫、收縮裂縫、溶蝕裂縫、縫合線、差異壓實裂縫、壓裂縫、冰凍裂縫及與重力滑塌有關的裂縫等8 種類型[1]。丁文龍等同樣將泥頁巖裂縫劃分為構造裂縫和非構造裂縫兩大類，而將非構造裂縫分為成巖收縮裂縫、成巖壓溶縫合線、超壓裂縫、熱收縮裂縫、溶蝕裂縫和風化裂縫6種亞類[10]?？梢?，泥頁巖裂縫按成因分為構造裂縫和非構造裂縫兩大類，基本取得一致認可，但亞類的劃分還是存在一定的分歧。本文意在就此問題進行進一步分析，主要從泥頁巖本身的特征出發(fā)，并充分考慮頁巖氣勘探評價的需要，提出了一套簡單實用的分類方案并總結了每類非構造裂縫的形成機制。依據(jù)野外露頭和巖心觀察結果，簡單闡述泥頁巖各類非構造裂縫的特征。

1　泥頁巖裂縫分類

本文所指的泥頁巖是泥巖類和頁巖類沉積巖的總稱，主要由粒徑小于0.003 9 mm的細粒碎屑、粘土和有機質組成[11]。其中粘土礦物主要有蒙脫石、伊利石、綠泥石、高嶺石、伊蒙混層、綠蒙混層等，非粘土礦物主要有石英、長石、方解石和白云石等。世界范圍內(nèi)泥頁巖約占全部沉積巖的60%。在油氣地質學中，泥頁巖具有多重身份，既可做烴源巖，又可充當儲層，還是主要的蓋層類型之一[12]。

本文對泥頁巖裂縫分類，除了借鑒以往關于巖石裂縫和泥頁巖裂縫的分類方案外，還重點關注了泥頁巖本身固有的與其他類別巖石不同的獨特性，即：(1)韻律性、層理、頁理發(fā)育；(2)厚層泥頁巖在快速埋藏階段常常形成異?？紫读黧w壓力，導致欠壓實超壓裂縫的發(fā)育；(3)含有豐富有機質的泥頁巖在一定溫壓條件下具有生烴作用，產(chǎn)生超壓，超壓增加到一定程度則發(fā)生超壓破裂，形成生烴超壓裂縫。綜合考慮巖石裂縫以往的分類方案和泥頁巖的特殊性，本文建議按成因將泥頁巖裂縫分為構造裂縫和非構造裂縫兩大類，其中構造裂縫從5個不同的角度進一步劃分出若干亞類，非構造裂縫則進一步劃分出干裂裂縫、水下收縮裂縫、成巖層理裂縫、超壓裂縫和現(xiàn)代表生裂縫5個亞類(表1)。

構造裂縫在構造應力作用下巖層發(fā)生構造形變、位變和序變，應力超過巖石的強度極限發(fā)生破裂而形成。非構造裂縫則主要在氣候變化、成巖演化、流體超壓、重力失穩(wěn)等非構造因素作用下巖石產(chǎn)生破裂而形成。壓溶裂縫和溶蝕裂縫主要發(fā)育于砂巖和碳酸鹽巖中，在泥頁巖中不常見，因此，可以不必納入泥頁巖裂縫的分類方案之中。超壓形成的機制很多，如欠壓實、水熱增壓、粘土礦物轉化、構造擠壓、烴類的生成等。無論何種機制形成的超壓只要足夠大，都可能導致泥頁巖發(fā)生超壓破裂，形成超壓裂縫。但是，壓實不均衡和生烴，特別是生氣作用是可獨立產(chǎn)生大規(guī)模超壓的主要機制[13]。因此，泥頁巖超壓裂縫本文也主要考慮欠壓實和生烴超壓裂縫。

2　泥頁巖非構造裂縫形成機制及特征

2.1干裂裂縫

地表未成巖的泥質沉積層或被抬升至地表附近的泥頁巖，由于暴露遭受干燥作用而失水，體積收縮，形成干裂，即干裂裂縫。通常認為未成巖的泥質沉積層干裂的擴展過程是由上至下逐漸裂開，上部裂開寬，向下裂開逐漸變窄，因而，剖面上常呈“V”字型[14]。根據(jù)這種形成演化機制，那么，干裂裂縫通常應該開裂到不同的深度。在野外觀察中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)干裂裂縫終止于同一平面，故有人認為干裂是在同一平面形成并向上生長而成的，向下變細的干裂裂縫與體積隨深度的變化有關，而與裂縫傳播方向無關[15]。依據(jù)裂縫發(fā)育具有巖性選擇性推斷，干裂裂縫終止于同一平面，并不能說明干裂是從下往上開裂的。更可能的原因是因為干裂終止面是一個巖性突變界面。通常是下部為砂質沉積物，上部為泥質沉積物，干裂僅在泥質沉積物中發(fā)育。這與野外經(jīng)常觀察到的同一地層剖面中構造裂縫常常在砂巖或灰?guī)r中發(fā)育而在泥巖中不發(fā)育的現(xiàn)象類似，屬于裂縫發(fā)育的巖性選擇性特征。干裂裂縫為未成巖的沉積物干燥失水收縮形成，位于上部的泥質沉積物比砂質沉積物更易于干燥失水發(fā)生體積收縮，因此，優(yōu)先選擇泥質沉積物中發(fā)育而終止于下部的砂質沉積物。平面上，未成巖的泥質沉積層干裂裂縫通常呈多邊形，常見干裂三聯(lián)點。剖面上，未成巖的泥質沉積層干裂裂縫的形狀主要有兩種形式，即“U”和“V”字型。干裂裂縫通常在一定深度處終止，長期的干燥環(huán)境可使裂縫達15 m 深[16]，地下潛水面控制著干裂裂縫發(fā)育的極限深度。干裂裂縫常見于現(xiàn)代沉積物中，已經(jīng)成巖的泥頁巖中很少觀察到干裂裂縫，因為干裂裂縫在成巖過程中因壓實、膠結作用而發(fā)生閉合，難以保存。因此，未成巖的泥質沉積層干裂裂縫對頁巖氣成藏與保存幾乎沒有影響，但對頁巖氣開發(fā)可能有一定意義。因為干裂裂縫即使在成巖演化中閉合，但也是先存薄弱面，水力壓力時可能更容易破裂，構成網(wǎng)狀裂縫，有利于頁巖氣的滲流。

表1　泥頁巖裂縫成因分類及形成機制

以上闡述的是未成巖泥質沉積物中的干裂裂縫。干裂裂縫還有另外一種形成機制：已經(jīng)成巖的泥頁巖中含有地層水，當被抬升至地表附近時，由于干燥失水，體積收縮，也可以形成干裂裂縫。這種類型的干裂裂縫在平面上通常呈矩形網(wǎng)狀。矩形網(wǎng)狀裂縫的形成主要是由于泥頁巖的層理或頁理對裂縫擴展的控制作用造成的。層理或頁理發(fā)育的泥頁巖，順著層理面和頁理面的干裂裂縫優(yōu)先發(fā)育，切層的裂縫發(fā)育受到順層裂縫的限制，從而形成矩形。圖1為鄂西渝東石柱地區(qū)抬升至地表的龍馬溪組泥頁巖被雨水淋濕之后，清晰顯現(xiàn)出的矩形網(wǎng)狀干裂裂縫。

圖1　石柱地區(qū)志留系龍馬溪組泥頁巖中的干裂裂縫Fig.1　Graphs showing desiccation cracks in Silurian shales in Shizhu area

2.2水下收縮裂縫

水下收縮裂縫是泥質層在水下脫水收縮或者含鹽度增大而形成的沉積變形構造，常見于潮下淺水、氵舄湖和湖泊沉積物中[17]。 水下收縮裂縫整體形成過程分4個階段：泥水混合物初始混濁階段、沉積物壓實穩(wěn)定階段、裂縫形成階段以及裂縫充填階段[18]。

JENKINS等給出了泥巖水下收縮裂縫存在的證據(jù)：在南澳大利亞Flinders Ranges的晚前寒武紀Brachina Subgroup層序中，重荷構造和泥巖收縮裂縫印模同時出現(xiàn)在砂巖或粉砂巖的底面，下伏泥巖中這種情況下收縮裂縫不可能比重荷構造出現(xiàn)得早，從而排除了干燥暴露成因，而是由于上覆砂巖載荷導致泥巖脫水收縮而形成[19]。在鄂西渝東的石柱地區(qū)，中侏羅統(tǒng)沙溪廟組(J2s)紫紅色泥巖與灰色砂巖互層中，泥巖發(fā)育與層面垂直的灰綠色粉砂巖條帶，也是水下收縮裂縫存在的證據(jù)。泥巖層中的這種灰綠色粉砂巖，巖性上與上覆的灰綠色粉砂巖一致。下部泥巖中的粉砂巖條帶是沉積時由于上部松散的沉積物脫落進入泥巖裂縫中形成的。泥巖中的灰綠色粉砂巖可解釋為水下收縮縫充填成因。

水下收縮裂縫前端通常有規(guī)律地延伸，當達到一定長度后，最終以分叉、彎曲或斷續(xù)的形式結束，平面上交織成矩形或網(wǎng)狀，縱向上近乎垂直層面，切穿深度較淺，常呈V字型。干燥裂縫與水下收縮裂縫有相似的平面生長特征，但與干裂的V字型成因有著本質的區(qū)別。水下收縮裂縫在有其它巖性充填時，才能得以保存和識別，否則，與干裂裂縫一樣，將在壓實和膠結成巖作用中消失而不能保存和識別。其油氣地質意義也主要在于頁巖氣開發(fā)中對水力壓力裂縫形成與擴展的影響。

2.3現(xiàn)代表生裂縫

被抬升至地表附近的泥頁巖，由于重力失穩(wěn)、風化作用等因素造成的裂縫，為泥頁巖現(xiàn)代表生裂縫。泥頁巖中的現(xiàn)代表生裂縫在發(fā)育、擴展過程中，受泥頁巖層理面的控制。層理面對裂縫的走向具有調節(jié)作用，使之呈Z字型擴展，且沿著擴展方向，裂縫寬度愈來愈窄(圖2)，反映泥頁巖層理面對應力能量的吸收作用。

圖2　湘鄂西地區(qū)志留系泥頁巖現(xiàn)代表生裂縫Fig.2　Graphs showing surface cracks in the Silurian shales in western areas of Hunan and Hubei

2.4超壓裂縫

泥頁巖超壓裂縫在地層孔隙流體超壓作用下發(fā)生破裂而形成。超壓的形成機制主要有4種：欠壓實作用(壓實不均衡)[20]、生烴作用[21]、水熱增壓以及粘土礦物轉化[22]。其中，欠壓實和生烴作用是可獨立產(chǎn)生大規(guī)模超壓的2種主要機制[23]。隨著埋深的增加，地溫不斷升高，地下流體的體積受熱膨脹，可引起一定程度的超壓，但單純的埋藏增溫水熱膨脹作用很難造成大規(guī)模的超壓，因為地層水受熱其體積膨脹有限，只有在巖漿侵入、熱流體上拱的特殊地質環(huán)境中才可能存在較為明顯的水熱增壓產(chǎn)生的超壓作用[24]。因此，超壓裂縫主要為欠壓實超壓裂縫和生烴超壓裂縫兩種。

2.4.1欠壓實超壓裂縫

當沉積速度較小時，埋藏過程中泥巖中的孔隙水排出順暢時，壓實與排水作用易于保持平衡，泥巖得以正常壓實。在正常壓實情況下，巖石骨架支撐上覆負荷, 孔隙流體不承受上覆負荷，孔隙壓力由流體自身重力構成，即孔隙中靜水柱所施的力(靜水壓力)，地層處于正常壓力系統(tǒng)。但是，在快速沉積埋藏過程中，厚層泥巖外層排水速度較快，滲透率快速降低，導致泥巖中部的流體排出受阻，出現(xiàn)壓實和排水不平衡。由于孔隙水未能及時排出而阻止泥巖進一步壓實，形成欠壓實。欠壓實泥巖常常表現(xiàn)高孔隙度、低密度、低聲波傳播速度(高聲波時差)、低電阻率、低機械強度(鉆速加快)和異常高的孔隙流體壓力(超壓)。在欠壓實情況下，由于部分上覆負荷由地層流體承擔，因而孔隙流體壓力增加，形成局部高壓。隨著埋深的增加，上覆負荷增加，孔隙流體壓力亦不斷增大。但這種異常孔隙流體壓力不可能無限增大，增大到一定程度時，欠壓實泥頁巖將破裂，形成欠壓實超壓裂縫。但當欠壓實超壓裂縫形成之后，超壓釋放，在上覆巖層的重力作用下，泥頁巖將進一步壓實，裂縫閉合。因此，在埋藏較深時代較老的地層中，除非被礦物質或其它物質充填時，欠壓實超壓裂縫才能得以保存和識別。

圖3　下?lián)P子地區(qū)志留系高家邊組泥頁巖欠壓實超壓裂縫Fig.3　Shale fractures induced by undercompaction overpressure in Silurian shales in Lower Yangzi area

在巖心上觀察到的欠壓實超壓裂縫形狀不規(guī)則，分布位置具有隨機性，且被泥質或其它礦物質充填(圖3)。欠壓實超壓裂縫形成時，通常也是順著層理優(yōu)先發(fā)育。如果超壓快速產(chǎn)生，層理裂縫不能即時泄壓時，才形成切層的、形狀不規(guī)則而隨機分布的欠壓實超壓裂縫。欠壓實超壓的形成與沉積速率關系密切，沉積速率越大，越容易形成欠壓實超壓。欠壓實泥頁巖超壓裂縫的油氣地質意義主要在于對天然氣保存的影響。由于存在欠壓實超壓的泥頁巖沉積速率大，通常有機質含量低，生烴條件較差。因此，欠壓實超壓裂縫與生烴超壓裂縫一般不共生。當泥頁巖中存在欠壓實超壓，必然要求厚層泥頁巖的頂、底段具有很好的物性封閉能力。當超壓超過泥頁巖層段的最小主應力和抗拉強度之和時，才發(fā)生超壓破裂，形成裂縫。在這種超壓裂縫未閉合之前，泥頁巖蓋層的封蓋能力將顯著降低。

圖4　東濮地區(qū)泥巖超壓分布與有機質熱演化的關系[29]Fig.4　Graphs showing the relationship between the vitrinite reflectance and overpressure in shales in Dongpu area

2.4.2生烴超壓裂縫

富有機質泥頁巖(烴源巖)隨著埋藏深度的增加，溫度升高而生烴。烴源巖生烴時相對密度較大的干酪根轉化為密度較小的石油和天然氣，或者原油裂解生氣而使孔隙流體體積膨脹。Ⅱ型干酪根在Ro達到2%時，生氣引起的體積膨脹可達50%～100%[25-26]。在標準溫度、壓力條件下，單位體積的標準原油可裂解產(chǎn)生534.3體積的氣體[27]。因此，干酪根裂解生氣或者原油裂解成氣都可以造成孔隙流體壓力的急劇增加，導致泥頁巖破裂，形成生烴超壓裂縫[28]。由生烴作用引起的超壓泥巖，可能已達到壓實極限，因此密度高、孔隙度低，而與欠壓實超壓泥巖相區(qū)別。

泥頁巖生烴超壓與大量生烴時烴源巖熱演化深度十分吻合[29]，生烴超壓裂縫的形成階段與生烴高峰期(Ro=0.7%～1.3%)相對應。比如，東濮地區(qū)常壓向超壓轉換的深度在3 000 m左右，此深度處，烴源巖有機質熱演化程度普遍進入成熟生烴階段，Ro為0.7%。超壓分布的深度與Ro為0.7%～1.3%對應的深度一致(圖4)。

圖5　黑色頁巖垂直層面方向P波速度(a)和P波各向異性指數(shù)(b)與圍壓的關系[30]Fig.5　Graphs showing the relationship of bedding normal P wave velocity (a), anisotropy index (b) and confined pressure[30]

圖6　黑色頁巖平行層面方向S波速度(a)和S波各向異性指數(shù)(b)與圍壓的關系[30]Fig.6　Graphs showing the relationship of bedding parallel S wave velocity (a)，anisotropy index (b) and confined pressure[30]

除了以上實驗結果證明成熟烴源巖存在平行層面的生烴超壓裂縫之外，野外還可以見到與層面垂直或斜交的生烴超壓裂縫。這種生烴超壓裂縫在形態(tài)上與欠壓實超壓裂縫相似，形狀不規(guī)則，裂縫面不平整，常常中間寬、向兩端變細，不穿層(圖7)。與層面斜交的生烴超壓裂縫通常僅見于單層厚度較大的且有機質含量較高的泥頁巖中。頁理很發(fā)育的薄層泥頁巖中，由于生烴超壓通過泥頁巖的頁理面優(yōu)先釋放，僅產(chǎn)生順層的超壓裂縫。

圖7　石柱地區(qū)志留系龍馬溪組泥頁巖生烴超壓裂縫Fig.7　Picture showing fractures induced by hydrocarbon generation overpressure in Silurian shales in Shizhu area

2.5成巖層理裂縫

泥頁巖中的水平層理/頁理是在比較穩(wěn)定的水動力條件下(如河流的堤岸帶、閉塞海灣、海洋的深水陸棚帶和湖泊的深水帶)，從懸浮或溶液中緩慢沉積而成，由平直且與層面平行的一系列細層組成。成巖層理/頁理裂縫是在壓實作用、膠結作用、粘土礦物轉化等成巖過程中形成的、沿著層理/頁理面發(fā)育分布的非構造裂縫。當巖層面近于水平時，如果埋藏深度較大時，且又不存在超壓，則泥頁巖的層理/頁理裂縫將發(fā)生覆壓閉合，而非張開狀態(tài)。從巖石滲透率的壓力敏感性實驗結果[31]可以推測，埋深大于1 000 m，即大致相當于垂直有效壓力為15 MPa，泥頁巖的層理/頁理裂縫會發(fā)生覆壓閉合。成巖層理/頁理裂縫在地下大于1 000 m深度保持開啟時，或者存在較為強烈的區(qū)域水平構造應力作用，且最大主應力的方向與層理/頁理面平行，或者存在超壓。

層理/頁理裂縫與油氣勘探開發(fā)的關系主要體現(xiàn)在：(1)為頁巖油、頁巖氣提供儲集空間；(2)影響非常規(guī)油氣開發(fā)的水力壓裂效果。頁巖裂縫發(fā)育程度與總含氣量和游離氣量呈正相關關系，頁巖裂縫越發(fā)育，其含氣量越大，產(chǎn)氣量也越高[2]。此時，裂縫的作用是作為天然氣和地層水的有效儲集空間和快速運移通道，有利于頁巖層系中游離態(tài)天然氣體積的增加和吸附態(tài)天然氣的解吸。頁巖層理/頁理的弱膠結作用使其斷裂韌性較小，阻止裂紋失穩(wěn)擴展的能力較弱。相反，在垂直層理/頁理方向，斷裂韌性較大，阻止裂紋擴展的能力較強。當水力裂縫垂直層理擴展時，在弱層理面處會發(fā)生分叉、轉向，且在繼續(xù)延伸的過程中會進一步溝通天然裂縫或弱層理面而形成復雜的裂縫網(wǎng)絡，達到體積壓裂[32]。

3　結　論

(1)泥頁巖非構造裂縫主要可分為干裂裂縫、水下收縮裂縫、成巖層理裂縫、超壓裂縫和現(xiàn)代表生裂縫。

(2)未成巖泥質沉積層干裂裂縫形成于沉積的初期，在后期盆地沉降埋深、壓實成巖過程中閉合而消失，通常難以保存和識別。欠壓實超壓裂縫在老地層中一般僅在被礦物或其它物質充填時才能得以保存和識別。

(3)生烴超壓裂縫通常發(fā)育于厚層成熟泥巖烴源巖中，薄層頁巖中即使發(fā)育也難以識別。因為生烴超壓優(yōu)先順層釋放，形成順層超壓裂縫，難以與層理裂縫相區(qū)別。

(4)泥頁巖層理/頁理面對裂縫的形成與擴展具有明顯的控制作用。層理/頁理面為泥頁巖力學性質的薄弱面，順層裂縫優(yōu)先發(fā)育。

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Formation Mechanism and Characteristics of Non-tectonic Fractures in Shales

YUAN Yu-song1, ZHOU Yan1, QIU Deng-feng1, WANG Qian-qian2

(1.PetroleumExplorationandProductionResearchInstitute,SINOPEC,Beijing100083,China;2.SchoolofEarthSciencesandResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China)

Non-tectonic cracks are commonly observed in shale and some of them are greatly significant for the evaluation of shale gas accumulation and preservation. On the basis of the previous research and considering the inherent characteristics of shale, a category scheme of shale fractures has been put forward, and the forming mechanisms of the non-tectonic shale cracks has been summarized. According to the core and field observations, we briefly depicted the characteristics of the non-tectonic shale cracks. Among the non-tectonic cracks of shale, those bedding cracks formed in the diagenesis and those overpressure fractures induced by undercompaction or hydrocarbon generation have close relationship with shale gas accumulation and preservation.

shale; non-tectonic crack; overpressure fracture; undercompaction

2015-03-20；改回日期：2015-09-20；責任編輯：潘令枝。

國家“973”計劃項目(2012CB214806)；國家科技重大專項項目(2011ZX05005)。

袁玉松，男，博士，1967年出生，石油地質學專業(yè)，主要研究方向為沉積盆地構造熱演化和蓋層封閉性。

Email：ysyuan@126.com。

TE122.2

A

1000-8527(2016)01-0155-08