頁巖儲層天然裂縫發(fā)育特征概述

陳 葉，高向東，韓文龍，李媛媛，周曉得

（中國礦業(yè)大學地球科學與測繪工程學院，北京100083）

頁巖儲層天然裂縫發(fā)育特征概述

陳 葉*，高向東，韓文龍，李媛媛，周曉得

（中國礦業(yè)大學地球科學與測繪工程學院，北京100083）

頁巖儲層中的裂縫既可以為頁巖氣提供聚集空間，也可以為頁巖氣的生產提供運移通道。頁巖中存在的裂縫主要可以分為5類：構造縫（張裂縫和剪裂縫）、層間頁理縫、低角度滑脫縫、成巖收縮微裂縫和有機質演化異常壓力縫，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)育與頁巖氣儲藏密切相關。對頁巖儲層中裂縫的成因類型、識別特征、識別方法、基本參數(shù)（寬度、長度、密度、間距、產狀、充填情況、溶蝕改造情況）、分布規(guī)律等進行了分析研究，為頁巖氣的資源評價和勘探開發(fā)提供儲層裂縫地質信息。

裂縫；分類；基本參數(shù)；識別方法

1 概述

頁巖氣是一種新型的非常規(guī)油氣資源，由于資源潛力巨大，受到廣泛關注。頁巖儲層裂縫特征是儲層基本特征之一，也是儲層特征研究的重點內容，直接影響泥頁巖儲層物性和頁巖氣開采條件。泥頁巖儲層屬于超致密油氣儲層。國內外研究表明，頁巖儲層孔裂隙已達納米量級[1-2]。國內對泥頁巖儲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、前蘇聯(lián)、加拿大以及我國發(fā)現(xiàn)的大量泥巖裂縫油氣藏中,作為油氣儲集空間的泥巖非構造裂縫扮演了非常重要的角色,甚至個別區(qū)域達100%。但是到目前為止,有關泥巖非構造裂縫的研究多停留在野外地質剖面與室內巖芯的定性描述上,缺少深入細致的分析。

我們通過研究頁巖孔裂隙類型、發(fā)育規(guī)模、孔隙結構等特征，探討影響孔裂隙發(fā)育的因素,最終為頁巖氣資源評價和地質選區(qū)提供儲層孔裂隙地質信息。

2 頁巖儲層天然裂縫的分類

通過對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為,我們可以將泥頁巖中的裂縫分為以下主要的幾種，構造縫(張性縫和剪性縫)、低角度滑脫裂縫、層間頁理縫、成巖收縮微裂縫和有機質演化異常壓力縫,這5種裂縫的地質成因、識別特征和分布規(guī)律都不盡相同。

構造縫是指巖石在構造應力作用下產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。構造具多期次性，可以加以分期。構造縫是泥頁巖中最常見也是最主要的裂縫類型。根據(jù)2種裂縫不同的力學性質,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。構造裂縫主要發(fā)育在褶皺構造轉折端和斷裂附近[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層的泥巖中，一般傾角小于30°，它們主要分布在泥頁巖層的頂部和底部，尤其是在靠近儲集層的部分發(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，由于順層的剪切應力作用而產生的。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。一般為強水動力條件的產物,由一系列薄層頁巖組成,頁巖間頁理為力學性質薄弱的界面,極易剝離,這種界面即為層間頁理縫,層間頁理縫是泥頁巖中最基本的裂縫類型。頁巖的頁理面上多含砂質，這種裂縫在巖芯和薄片及掃描電鏡下都可見到。層間頁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。層間頁理縫在頁理發(fā)育的泥頁巖中極為常見。

成巖收縮微裂縫指成巖過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，泥頁巖在成巖作用過程中,由于上覆地層壓力導致沉積物脫水收縮,因而在同一巖層內,容易形成延伸長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,與構造作用無關[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。一般在沉積時硅質含量較高的頁巖,在成巖過程中由于化學變化而發(fā)生收縮作用,從而形成廣泛分布的成巖收縮微裂縫。

機質演化異常壓力縫指有機質在演化過程中產生局部異常壓力使巖石破裂而形成的裂縫,有機質演化異常壓力縫在有機碳含量較高的炭質泥頁巖中普遍發(fā)育。這種裂縫一般縫面不規(guī)則,不成組系,多充填有機質,地下泥質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]。頁巖發(fā)育特征綜合分析（見表1）[9]

表1 頁巖發(fā)育特征綜合分析

3 天然裂縫的基本參數(shù)

頁巖裂縫的基本參數(shù)一般包括寬度/張開度、長度、間距、密度、產狀、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，長度有從幾微米到幾毫米不等，但一般小于100mm，滲透性響應較好，泥頁巖裂縫張開度的計算：

高角度裂縫張開度：

式中：CLLD、CLLS——深、淺側向電阻率；

Cmf——泥漿濾液的電阻率，S/m；

Ds、Dd——淺、深側向測井儀的探測直徑，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，雙側向測井的電導率（C）與基巖電導率（Cb）、泥漿濾液電導率（Cmf）、主電流層的厚度（h）以及裂縫張開度（d）近似表達式為：

Sclumberger公司采用如下公式：

國內的松遼盆地古龍凹陷、遼河凹陷、濟陽坳陷沾化凹陷、柴達木盆地芒崖坳陷及西部凹陷等相繼發(fā)現(xiàn)和開采裂縫性頁巖氣藏，表2為主要幾大盆地的裂縫寬度。

裂縫的長度，裂縫的長度及其與巖層的關系，分為一級裂縫，可以切穿若干巖層，滲透性響應較好；二級裂縫，局限于單層內，滲透性響應好。

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——某一地點上裂縫介質的體積密度;

ΔV——某個單位體積;

ΔS——單位體積內全部裂縫面的面積。

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——法線長度。

表2 頁巖裂縫寬度發(fā)育情況統(tǒng)計

裂縫的產狀包括裂縫的走向、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、膠結物充填程度?？煞譃閺堥_縫，基本無充填物；閉合縫，基本無充填物；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)填隙物類型把頁巖孔裂隙充填作用分為鈣質充填、硅質充填、粘土礦物充填、鐵質充填等類型，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 天然裂縫的識別方法

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

地質法及巖石學法；它是利用泥頁巖野外露頭、鉆井巖芯和巖石樣品薄片識別裂縫的重要方法[10],可以為泥頁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巖裂縫儲集性能定量資料。而只能獲得巖石物質成分、結構與構造、裂縫組系體積密度及其方位等與裂縫有關的參數(shù)資料。據(jù)此可以計算出裂縫滲透率、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在動力,厚層泥頁巖地層中異常壓力越大,產生裂縫的可能性就越大。因此,可以根據(jù)泥頁巖地層中異常壓力的分布情況來推測裂縫的可能發(fā)育區(qū)。如果孔隙流體壓力大于靜水壓力時,表明泥頁巖系是欠壓實地層,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,發(fā)生井涌、井漏和鉆井液向井口外溢等現(xiàn)象時,鉆速加快、氣測異常、泥漿槽面顯示活躍,井徑曲線表現(xiàn)出明顯的擴徑現(xiàn)象。根據(jù)這些特征,可對全井的裂縫發(fā)育段進行大致的判斷[11-13]。D指數(shù)也稱地層可鉆性指數(shù)(無量綱)[14],是對地層可鉆性的反映,當鉆遇異常高壓(泥巖)層時,由于地層欠壓實,孔隙度增大,機械轉速也會相應發(fā)生變化。

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

井間壓力干擾試井法：單井試井與多井干擾試井相結合,通過單井試井可以了解井筒附近地層的情況,如井筒存儲、表皮效應及地層滲透率等。通過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。壓裂前測試與壓裂后測試相結合,壓裂前測試可以確定壓裂前地層滲透率及油井產能,以便選擇出合適的壓裂規(guī)模。壓裂后測試用于評價壓裂效果,如確定壓裂后的地層滲透率、裂縫長度、裂縫導流能力等。

5 結論

（1）泥頁巖中的裂縫主要分為以下5種：構造縫（張裂縫和剪裂縫）、層間頁理縫、層面滑移縫、成巖收縮微裂縫和有機質演化異常壓力縫。各種裂縫的地質成因、識別特征和分布規(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）頁巖裂縫的基本參數(shù)一般包括寬度/張開度、長度、間距、密度、產狀、充填情況、溶蝕改造情況等。這些參數(shù)與計算裂縫的孔滲性和滲透率直接相關。

（3）裂縫的識別特征和成因機制各不相同，可以通過地質法及巖石學法、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別頁巖儲層中的裂縫。

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P618.13

A

1004-5716(2015)02-0073-04

2014-12-21

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