中國南方海相與陸相頁巖裂縫發(fā)育特征及主控因素對比
——以黔北岑鞏地區(qū)下寒武統(tǒng)為例

王濡岳，胡宗全，劉敬壽，王興華，龔大建，楊 滔

[1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100083；3.中國地質(zhì)大學(北京) 能源學院，北京 100083； 4.中國國儲能源化工集團股份公司，北京 100107；5.中國石油大學(北京) 地球科學學院，北京 102249]

頁巖氣是生成并儲集于富有機質(zhì)泥頁巖層系內(nèi)，以吸附及游離態(tài)為主要賦存方式，一種源、儲一體的天然氣成藏系統(tǒng)[1]。雖然目前商業(yè)性開發(fā)的頁巖氣多產(chǎn)于海相地層，但我國陸相與過渡相頁巖發(fā)育廣泛，是未來頁巖油氣勘探開發(fā)的重要接替領(lǐng)域，目前已在四川盆地元壩、涪陵、建南、新場和鄂爾多斯盆地延長探區(qū)獲得了陸相頁巖氣突破[2-3]。天然裂縫能夠改善頁巖的儲、滲能力，影響頁巖氣藏的保存條件與開采效益[4-10]。川、黔、湘交界下寒武統(tǒng)變馬沖組為一套以陸棚與前三角洲相為主的海相-過渡相沉積層系[11]，對應明心寺組，砂泥巖互層的巖性組合與我國陸相與過渡相富有機質(zhì)頁巖具有一定相似性，其頁巖裂縫發(fā)育特征亦有重要參考借鑒意義。本文以黔東南地區(qū)變馬沖組二段(變二段)為例，深入分析了變二段裂縫發(fā)育特征、主控因素及海相陸相頁巖裂縫發(fā)育的差異性，以期對我國頁巖油氣勘探開發(fā)提供參考。

1 地質(zhì)特征

圖1 黔北岑鞏地區(qū)位置與地層發(fā)育特征Fig.1 Location and stratigraphic characteristics of Cengong area,northern Guizhou Province

研究區(qū)地處貴州黔東南州東北部，銅仁市西南部(圖1)，位于上揚子地塊東南緣湘鄂西隔槽式褶皺帶。在南華紀裂陷盆地基礎上，震旦紀至早寒武世由于沉積環(huán)境的不同，黔北地區(qū)大致沿龍里—黃平浪洞—石阡本莊—沿河甘溪一線出現(xiàn)沉積相的差異，分為東、西兩個相區(qū)。研究區(qū)位于東部相區(qū)，下寒武統(tǒng)除牛蹄塘組外，還發(fā)育變馬沖組黑色頁巖層系(圖1)。變馬沖組在區(qū)內(nèi)發(fā)育穩(wěn)定，變二段厚度介于162～172 m，以陸棚-前三角洲相為主，巖性以深灰至灰黑色頁巖及頁巖與細砂-粉砂巖不等厚互層為主。變二段共有4段單層厚度大于15 m頁巖段，頁巖單層最大厚度35.5 m。變二段TOC介于0.73%～1.72%，平均值為1.33%，有機質(zhì)類型以Ⅰ型為主；礦物組分以石英和粘土礦物為主，其次為斜長石黃鐵礦和碳酸鹽巖，石英含量為20.1%～50.8%，平均值為35.0%，粘土含量為21.3%～55.8%，平均值為44.7%，斜長石、黃鐵礦和碳酸鹽巖均值分別為9.0%、5.6%和5.2%；孔隙度介于1.7%～3.8%，平均值為3.3%；頁巖含氣量介于0.3～1.3 m3/t，均值1.0 m3/t?？傮w而言，變二段在TOC、物性、脆性與含氣性方面與川東北地區(qū)下侏羅統(tǒng)陸相頁巖具有一定相似性[12-13]。

2 裂縫發(fā)育特征

2.1 巖心裂縫特征

裂縫根據(jù)其成因可劃分為構(gòu)造縫與非構(gòu)造縫，構(gòu)造縫可進一步劃分為剪性裂縫與滑脫性裂縫；非構(gòu)造縫可進一步劃分為成巖裂縫(層理縫、收縮縫和溶蝕縫等)和異常壓力縫等裂縫類型[8,14-17]。變二段巖心構(gòu)造縫主要發(fā)育高角度構(gòu)造縫和低角度滑脫縫；非構(gòu)造縫主要為層理縫與層間縫(圖2)。砂巖與砂泥互層中裂縫以垂直或高角度構(gòu)造縫為主，其次為低角度及水平縫，頁巖以近水平層間縫和層理縫為主，其次為高角度構(gòu)造縫和低角度滑脫縫。受多期構(gòu)造運動影響，裂縫具有多期充填與改造的特點(圖2a,c—e)。此外，在砂巖及砂泥互層中可見裂縫在不同巖性中的差異發(fā)育、微型褶皺、斷層及其伴生縫(圖2i—k)。川東南涪陵地區(qū)下侏羅統(tǒng)自流井組大安寨段陸相頁巖與變二段裂縫特征具有一定相似性，即頁巖段裂縫主要為層理縫、層間縫及部分水平滑脫縫(圖2d,h,l)。受控于齊岳山斷裂兩側(cè)不同構(gòu)造改造強度，變二段巖心揉皺變形強度與構(gòu)造裂縫發(fā)育程度均大于涪陵地區(qū)大安寨段(圖2)。

圖2 黔北與川東地區(qū)頁巖巖心裂縫特征Fig.2 Characteristics of fractures in the cores in northern Guizhou Province and eastern Sichuan Provincea.高角度剪切縫，兩期方解石充填，變二段，CY1井，埋深1 183 m；b.低角度滑脫縫，礦物碎裂-糜棱化，變二段，TX1井，埋深1 569.8 m；c.水平滑脫縫，發(fā)育于早期方解石充填縫，變二段，TX1井，埋深1 528.3 m；d.水平滑脫縫，大安寨二亞段，F(xiàn)Y1井，埋深2 585.3 m；e.高角度構(gòu)造縫，疊加發(fā)育于早期方解石充填縫，見擦痕，TX1井，埋深1 520.1 m；f.層間方解石充填縫，TX1井，埋深1 512.3 m；g.層理縫，TX1井，埋深1 485.8 m；h.層理縫，大安寨二亞段，F(xiàn)Y1井，埋深2 602.3 m；i.裂縫在砂巖內(nèi)開度大、延伸長，終止于泥頁巖，TX1井，埋深1 490.7 m；j.微型逆斷層及其伴生縫，變二段，TX1井，埋深1 492.7 m；k.微型褶皺及其伴生縫，變二段，TX1井，埋深1 486.1 m；l.擠壓揉皺現(xiàn)象及層間方解石充填縫，大安寨二亞段，F(xiàn)Y1井，埋 深2 597.5 m

巖心裂縫統(tǒng)計顯示(圖3)，變二段頁巖裂縫以水平縫(0°～15°)為主，砂泥巖地層以高角度與垂直縫為主；裂縫開度普遍小于1 mm，主體介于0.2～1 mm，砂泥巖地層裂縫開度分布更為集中；裂縫長度主體介于0～10 cm，砂泥互層地層裂縫長度較低；充填程度方面，巖心裂縫大部分被充填，充填物以方解石為主，頁巖中未充填縫比例較高，主要為層理縫及低角度滑脫縫。此外，變二段頁巖裂縫參數(shù)特征與涪陵下侏羅統(tǒng)大安寨二亞段陸相頁巖裂縫發(fā)育特征也具有一定相似性。

圖3 黔北與川東地區(qū)巖心裂縫參數(shù)統(tǒng)計Fig.3 Statistics of fracture parameters in cores in northern Guizhou Province and eastern Sichuan Province

變二段巖心裂縫的發(fā)育特征在縱向上變化明顯，高角度構(gòu)造縫主要發(fā)育在上、下砂巖層段及中部砂泥互層段；水平層理與層間縫主要發(fā)育在中部頁巖段(圖4)。層理縫發(fā)育程度與氣測值具有一定對應關(guān)系，但在部分層段具有明顯幅度差，對應層段頁巖非層理縫發(fā)育程度較高(圖4陰影層段)，表明不同類型裂縫的疊加共同控制了頁巖的孔滲與含氣性。

圖4 黔北岑鞏地區(qū)TX1井變二段裂縫特征綜合柱狀圖Fig.4 Composite columnar section showing fracture characteristics of the 1b2 in Well TX1,Cengong area,northern Guizhou Province

2.2 裂縫微觀特征

變二段頁巖裂縫微觀特征顯示，方解石充填縫中解理與次級孔、縫發(fā)育，生物骨架內(nèi)見溶解與交代產(chǎn)生的次生孔縫，對頁巖儲層孔、滲具有一定程度貢獻(圖5a—c)。微米-納米尺度下，頁巖裂縫以非構(gòu)造層間、粒間與粒內(nèi)縫為主，開度達微米級，層間方解石、石英和黃鐵礦等剛性礦物有利于粒間孔縫的發(fā)育與保存，面孔率較高，膠結(jié)薄弱，其順層分布促進了層理縫與滑脫縫的形成(圖5d,e)。擠壓與滑動作用使滑脫縫面礦物具有碎裂化結(jié)構(gòu)，顆粒磨圓與破碎度高，粒間孔、縫發(fā)育(圖5f)。微米-納米級微裂縫與宏觀裂縫互相溝通，構(gòu)成裂縫網(wǎng)絡，能夠有效增加頁巖儲集空間與滲透能力。

圖5 黔北岑鞏地區(qū)變二段頁巖裂縫微觀特征Fig.5 Microscopic characteristics of fractures in the 1b2 shale in Cengong area,northern Guizhou Provincea.高角度方解石充填縫微，方解石內(nèi)次級裂縫與節(jié)理發(fā)育特征明顯，正交偏光，TX1井，埋深1 527.6 m；b.硅質(zhì)海綿骨針大量發(fā)育，見方解石與黃鐵礦交代，TX1井，埋深1 527.6 m；c.硅質(zhì)海綿骨針內(nèi)部粒間與粒內(nèi)溶孔發(fā)育，CY1井，埋深1 182.7 m；d.粘土礦物層間縫及黏土、方解石(Ca)與莓狀黃鐵礦(Py)粒間孔縫，方解石內(nèi)部見溶蝕孔，TX1井，埋深1 466.6 m；e.石英、黃鐵礦與黏土礦物粒間孔縫，TX1井，埋深1 581.1 m；f.滑脫縫面，碎 裂-碎粉化礦物粒間孔縫發(fā)育，TX1井，埋深1 544.8 m

3 裂縫發(fā)育主控因素

3.1 構(gòu)造作用與構(gòu)造部位

構(gòu)造因素是影響頁巖裂縫發(fā)育的控制因素之一，裂縫的發(fā)育程度受構(gòu)造應力與構(gòu)造部位控制明顯，在相同巖相條件下，距斷層與褶皺核部越近，高角度裂縫與低角度滑脫縫密度越大[7,16]。對于南方海相頁巖氣，保存條件至關(guān)重要，而高角度裂縫的發(fā)育規(guī)模通常能夠反映頁巖氣的保存條件[8,10]。川東南焦石壩、丁山地區(qū)及黔東南岑鞏地區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定部位高角度裂縫規(guī)模較小，多被方解石充填或半充填，基本未見開啟裂縫；而靠近斷裂帶區(qū)域，由于構(gòu)造作用強烈，高角度裂縫不僅更加發(fā)育，且規(guī)模變大，開啟程度高，保存條件較差[6,8,10]。因此，適度的構(gòu)造作用能夠產(chǎn)生大量小尺度裂縫并避免穿層裂縫與斷裂的形成，這種“斷而不穿，裂而不破”的狀態(tài)最為理想[18]。

3.2 巖性與礦物組分

巖性與礦物組分對裂縫發(fā)育的影響主要體現(xiàn)在巖石力學性質(zhì)上，相同應力條件下，低泊松比、高楊氏模量頁巖脆性大，利于構(gòu)造與誘導裂縫發(fā)育[7]。此外，受砂泥巖巖石力學性質(zhì)差異影響，巖性變化界面附近頁巖裂縫密度明顯增加(圖4)。頁巖抗剪強度較低，在相同區(qū)域水平應力作用下更易沿層理面剪切滑動，形成低角度滑脫縫[7,14]。變二段上、下部發(fā)育細砂與粉砂巖夾薄層頁巖，中部發(fā)育黑色頁巖夾少量薄層粉砂巖。與頁巖相比，砂巖具有高楊氏模量、低泊松比和低抗拉強度的特點，易形成構(gòu)造裂縫。陣列聲波測井能夠通過測量縱、橫波在巖石中的傳播速度計算連續(xù)深度原地條件下巖石的動態(tài)力學參數(shù)并用以評價頁巖的巖石力學性質(zhì)與脆性特征[19-20]。陣列聲波測井解釋結(jié)果顯示變二段脆性縱向分布表現(xiàn)為上部與下部砂巖段脆性較高，中部黑色頁巖段脆性明顯降低，上下部砂巖段裂縫發(fā)育程度明顯強于中部頁巖段(圖4)。

石英作為最主要脆性礦物，其含量高低直接影響巖石力學性質(zhì)，變二段頁巖、砂巖及砂泥互層地層動態(tài)楊氏模量均隨石英含量增加而增大，泊松比隨石英含量增加而減小(圖6a)。對單礦物含量與裂縫密度間關(guān)系統(tǒng)計結(jié)果顯示，變二段頁巖裂縫密度與石英含量具有較好正相關(guān)關(guān)系，粘土礦物含量與巖心裂縫發(fā)育程度則具有一定負相關(guān)關(guān)系(圖6b)。

3.3 地層厚度

圖6 黔北岑鞏地區(qū)TX1井變二段礦物含量與脆性(a)及裂縫發(fā)育程度(b)關(guān)系Fig.6 Mineral content vs.brittleness (a) and fracture density (b) of the 1b2 in Well TX1,Cengong area,northern Guizhou Province

天然裂縫的形成與分布除受構(gòu)造應力控制外，主要受巖石力學層控制。巖石力學層指巖石力學行為相近或巖石力學性質(zhì)相一致的巖層，厚度大地層均質(zhì)性和能干性要強于厚度小的地層，在一定的厚度范圍內(nèi)，隨著層厚增大，裂縫密度降低，裂縫尺度增加；而層厚越小，裂縫密度越大，但裂縫尺度會隨之減小[21]。變二段地層厚度與裂縫參數(shù)統(tǒng)計分析顯示，隨地層厚度的增加，裂縫密度逐漸降低(圖7)。砂泥互層段地層厚度較薄，裂縫密度高于純頁巖段，且受控于地層厚度，裂縫尺度較小，對保存條件影響較小(圖2i—k, 圖4)。因此，對于砂泥互層含氣頁巖層系，頂?shù)撞苛己梅馍w層條件下，頁巖中部砂泥互層的巖性組合利于裂縫的適度發(fā)育、游離氣的富集與儲層改造。

3.4 TOC含量

在相同構(gòu)造應力背景下，有機質(zhì)豐度是影響黑色頁巖裂縫發(fā)育程度的重要因素之一。變二段頁巖藻類與海綿骨針大量發(fā)育，使石英與TOC具有正相關(guān)關(guān)系(圖8)，而石英與裂縫密度的正相關(guān)性使TOC、石英和裂縫密度三者具有協(xié)同變化規(guī)律。富有機質(zhì)頁巖生排烴階段往往形成異常高壓，并伴隨發(fā)育水平順層纖維狀脈體(beef)等生排烴裂縫，其充填物主要為方解石、石英和黃鐵礦[22]。研究區(qū)變二段頁巖層間方解石充填縫較為發(fā)育，部分方解石充填物呈纖維狀結(jié)構(gòu)，且TOC與層間方解石充填縫密度具有良好正相關(guān)性(圖8)，與東營凹陷沙三下亞段陸相頁巖層間方解石充填縫與TOC關(guān)系相似[23]，表明TOC對層間超壓縫等非構(gòu)造縫的發(fā)育具有重要影響。同時，值得注意的是，水平超壓方解石充填縫力學性質(zhì)薄弱，易成為滑脫縫發(fā)育所利用的薄弱面(圖2c，d)，因此其發(fā)育程度對低角度滑脫縫的發(fā)育亦具有促進作用。

圖7 黔北岑鞏地區(qū)變二段地層厚度與裂縫密度關(guān)系Fig.7 Relationship between stratum thickness and fracture density in the 1b2 in Cengong area,northern Guizhou Province

圖8 黔北岑鞏地區(qū)變二段TOC與石英及層間方解石充填縫關(guān)系Fig.8 Relationship of TOC with quartz contents and calcite-filled interlayer fracture density in the 1b2 in Cengong area,northern Guizhou Province

3.5 儲層非均質(zhì)性

受巖石力學性質(zhì)差異影響，地層巖性變化處往往是裂縫發(fā)育帶，相同巖性中，礦物組分非均質(zhì)性越強、離散程度越高，越易產(chǎn)生裂縫。雖然儲層橫向非均質(zhì)性對致密砂巖裂縫的發(fā)育具有一定影響[24]，但頁巖儲層橫向特征總體較為穩(wěn)定，縱向非均質(zhì)性較強，裂縫發(fā)育主要受縱向非均質(zhì)性控制。石英含量與頁巖巖石結(jié)構(gòu)和巖石力學性質(zhì)密切相關(guān)，其縱向變化規(guī)律對頁巖儲層非均質(zhì)性與裂縫發(fā)育程度均具有重要影響。變二段頁巖層理縫密度與石英離散程度具有較好正相關(guān)性(圖9)，表明儲層非均質(zhì)性對薄弱層理面的發(fā)育具有重要控制作用，縱向上礦物組分(尤其是石英含量)變化速率越快，層理縫越發(fā)育。

離散度：

圖9 黔北岑鞏地區(qū)變二段頁巖層理縫密度與儲層非均質(zhì)性關(guān)系Fig.9 Relationship between bedding-parallel fracture density and reservoir heterogeneity in the 1b2 shale,Cengong area,northern Guizhou Province

(1)

式中:Cn-1,Cn,Cn+1為相鄰連續(xù)數(shù)據(jù)。

4 海相和陸相頁巖裂縫發(fā)育特征差異性探討

我國南方經(jīng)歷多期構(gòu)造運動，頁巖中構(gòu)造裂縫不同程度發(fā)育，其形成主要受控于構(gòu)造應力與巖石力學性質(zhì)[7]。海相頁巖如五峰組—龍馬溪組和牛蹄塘組，TOC與石英含量通常具有正相關(guān)關(guān)系，隨TOC與石英含量的增加，頁巖脆性與層間裂縫發(fā)育程度增加，使頁巖TOC、有機孔、石英含量(脆性)、裂縫四者具有良好耦合關(guān)系，加之良好的保存條件與地層壓力系數(shù)，使焦石壩五峰組—龍馬溪組具有“五性一體”頁巖氣富集特征[25]。但對于海相頁巖，較高的石英含量與脆性及較大的單層厚度在強構(gòu)造作用下易發(fā)育大尺度穿層裂縫，不利于頁巖氣的保存，從而造成四川盆地外大量受構(gòu)造保存影響的頁巖氣失利井(圖10)。

陸相頁巖TOC通常與石英負相關(guān)，與粘土含量正相關(guān)[13]，從而造成頁巖TOC、有機孔、脆性和裂縫等參數(shù)間的復雜耦合關(guān)系。陸相頁巖較強的儲層非均質(zhì)性與高TOC利于低角度的層理縫、層間縫及滑脫縫的發(fā)育。較低的單層厚度、較強的塑性與儲層非均質(zhì)性雖然不利于儲層改造，但能夠有效避免大尺度高角度穿層裂縫的發(fā)育，頁巖塑性與自封閉性更強，利于頁巖氣的保存(圖10)，如建南地區(qū)下侏羅統(tǒng)自流井組東岳廟段[26]，1 000 m以淺埋深條件下仍具有工業(yè)頁巖氣聚集。

圖10 中國南方不同類型頁巖裂縫發(fā)育模式Fig.10 Developmental patterns of different types of fractures in shales in South China

變二段頁巖兼具部分海相與陸相頁巖特征，TOC與石英的正相關(guān)性具有海相頁巖特征，巖性組合、脆性礦物含量與巖石力學性質(zhì)與陸相頁巖相似。雖然地處齊岳山斷裂東側(cè)湘鄂西隔槽式褶皺帶，構(gòu)造變形較強，但在1 500 m埋深條件下平均含氣量可達1.0 m3/t，其裂縫發(fā)育特征與主控因素，如TOC與儲層非均質(zhì)性對低角度層理、層間及滑脫縫的控制作用和不同力學性質(zhì)巖性組合裂縫發(fā)育特征對南方海相與陸相頁巖氣保存條件、富集規(guī)律與儲層改造等方面均具有一定參考借鑒意義。

5 結(jié)論

1) 下寒武統(tǒng)變二段兼具海相與陸相頁巖部分特征，頁巖段裂縫以低角度層理縫、層間縫和滑脫縫為主，與陸相頁巖相似；砂泥互層與砂巖段裂縫發(fā)育程度大于頁巖段，以高角度構(gòu)造縫為主。不同類型裂縫的疊加發(fā)育形成現(xiàn)今裂縫組合形態(tài)并共同控制了頁巖的孔滲與含氣性。

2) 變二段頁巖裂縫主要受構(gòu)造應力、巖性與礦物組分、地層厚度、TOC和儲層非均質(zhì)性影響，主要體現(xiàn)為：巖性與巖石力學性質(zhì)控制構(gòu)造裂縫發(fā)育；地層厚度控制裂縫發(fā)育的密度與尺度；TOC控制層間超壓裂縫的發(fā)育；儲層縱向非均質(zhì)性對層理縫的發(fā)育具有重要控制作用。

3) 海相與陸相頁巖TOC、石英、巖石力學性質(zhì)和裂縫具有不同耦合特征，海相頁巖較大的脆性與單層厚度利于儲層改造，但在強構(gòu)造作用下易發(fā)育大尺度穿層裂縫，不利于保存。陸相頁巖較低的單層厚度、較強的塑性與非均質(zhì)性雖不利于儲層改造，但能有效避免大尺度穿層裂縫的發(fā)育，自封閉性更強，利于頁巖氣保存。變二段不同巖性組合及其裂縫發(fā)育特征與主控因素對海相與陸相頁巖氣保存條件、富集規(guī)律與儲層改造等方面具有一定參考價值。

致謝：本論文部分原始數(shù)據(jù)引用了中國石化江漢油田分公司、中國石化勘探分公司和銅仁中能天然氣有限公司的成果，在此表示衷心感謝！