黔西北地區(qū)龍馬溪組頁巖有機質(zhì)和脆性礦物的控縫機制

袁余洋,劉永林,王 瑛

(1. 遵義師范學(xué)院， 貴州 遵義 563006； 2. 重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院， 重慶 401331)

21世紀(jì)，頁巖氣的勘探與開發(fā)正逐步改變著國際能源日益嚴(yán)峻的緊張局勢，許多國家包括美國、加拿大、中國、印度、波蘭、南非、澳大利亞、烏克蘭等都在努力嘗試從滲透率在納達西范圍內(nèi)的致密頁巖里提取天然氣，以應(yīng)對不斷增長的能源需求，試圖擺脫長期以來依賴國外進口化石燃料的局面(Wangetal., 2014; Bazilianetal., 2014)。水平井鉆井、水力壓裂和超臨界CO2非水力壓裂等相關(guān)技術(shù)的推廣和普及，使得獲取這些新領(lǐng)域的非常規(guī)清潔能源并實現(xiàn)商業(yè)產(chǎn)能成為可能(Kargboetal., 2010; Yuanetal., 2015; Middletonetal., 2015)。

壓裂過程實質(zhì)上是通過人工高壓注入壓裂液，刺激目的層段誘發(fā)裂縫以俘獲巖石內(nèi)在的納米級-微米級孔隙，使在孔隙內(nèi)部的吸附氣和游離氣得以解吸和釋放，并通過裂縫最終流入井筒以獲取開采。由此看來，裂縫是壓裂液、烴類流體主要的滲流通道(Galeetal., 2007; Chengetal., 2015)，然而，判別壓裂是否有所成效關(guān)鍵在于裂縫發(fā)育的復(fù)雜程度(Houetal., 2014; Lee and Lee, 2015)。裂縫的發(fā)育程度深受有機質(zhì)、脆性礦物、巖石力學(xué)性質(zhì)、埋深、層理、成巖作用、構(gòu)造位置等諸多地質(zhì)因素的控制(范存輝等， 2018； Wangetal., 2017; Maetal., 2019; Zhangetal., 2019)，特別是針對頁巖的“甜點”層段(有利的壓裂目標(biāo)層段)而言，有機質(zhì)(含量大于3%)和脆性礦物(含量大于50%)為裂縫的發(fā)育提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。遺憾的是，目前關(guān)于有機質(zhì)和脆性礦物控制裂縫發(fā)育和演化的機理性研究成果報道較少，相關(guān)的控縫機制仍存在著廣泛的爭議： 一方面，有機質(zhì)與粘土礦物共同作為頁巖內(nèi)部的力學(xué)薄弱成分，其分布和含量控制著頁巖整體的應(yīng)力-應(yīng)變特征和破裂模式(Ougieretal., 2016; Maetal., 2019)，同時，有機質(zhì)在不同成熟度時期具有不同有機成分、密度、硬度、彈性模量等(Eliyahuetal., 2015; Ougieretal., 2016; Zargarietal., 2016)，內(nèi)部發(fā)育著極為分散不均勻的孔隙結(jié)構(gòu)(Millikenetal., 2013)，外力作用下容易產(chǎn)生變形(Wang, 2020)；另一方面，相關(guān)力學(xué)實驗和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，裂縫趨向在沿著脆性礦物含量較高的頁巖內(nèi)部傳播，這是由于脆性礦物本身具有較高的脆性因子，裂縫的傳播路徑容易受脆性礦物力學(xué)性質(zhì)的影響而普遍產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)或者分叉(Gholamietal., 2016; Lietal., 2018)，然而目前關(guān)于識別脆性礦物的標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，不同地區(qū)對脆性礦物種類的界定有所不同(張羽等， 2018)。這些不穩(wěn)定性因素一定程度上加劇了裂縫發(fā)育和演化規(guī)律的不確定性，極大增加了研究工作的復(fù)雜程度和難度。

為此，本文以黔北地區(qū)的龍馬溪組頁巖為例，通過地球化學(xué)、巖石力學(xué)以及數(shù)值模擬等相關(guān)實驗，探究和剖析頁巖“甜點”層段中有機質(zhì)和脆性礦物有關(guān)的控縫機制，進一步明確和深化頁巖裂縫發(fā)育相關(guān)理論和機理的認(rèn)識，旨在為后期頁巖脆性的精細(xì)評價、現(xiàn)場水力壓裂方案及施工參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化、頁巖氣的增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)措施提供借鑒和參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

黔西北地區(qū)大體位于滇黔北凹陷區(qū)內(nèi)向北傾斜的斜坡區(qū)，東接武陵坳陷，南鄰黔中坳陷，大地構(gòu)造格局隸屬于上揚子克拉通，介于川東南高陡褶皺帶與黔中隆起之間的過渡帶，面積約26 000 km2(圖1a小圖)。該地區(qū)經(jīng)歷了中元古代晚期-志留紀(jì)的由大陸邊緣洋殼轉(zhuǎn)變?yōu)榇箨懙貧?、泥盆紀(jì)-晚三疊世大陸擴張以及中新生代以來的大洋俯沖和板塊碰撞等地質(zhì)歷史和相關(guān)地質(zhì)事件(Liuetal., 2018)。

晚奧陶世—早志留世期間，揚子板塊和華夏板塊發(fā)生碰撞擠壓拼貼并持續(xù)向北俯沖，揚子板塊發(fā)生板內(nèi)變形，板塊內(nèi)部由南東向北西依次發(fā)生向下?lián)锨?王玉滿等， 2017)，期間的都勻構(gòu)造運動導(dǎo)致黔南和黔中整體隆升為古陸，由南向北依次發(fā)生海退，從被動大陸邊緣的碳酸鹽巖臺地演化成前陸盆地(Wuetal., 2014)，自南向北依次發(fā)育古陸-濱岸-淺水陸棚-深水陸棚沉積相帶(張鵬等， 2016)，而龍馬溪組受構(gòu)造格局和沉積相帶變遷的控制，頁巖層系整體呈東西向展布，地層厚度最大者位于習(xí)水縣東部以及桐梓縣北部地區(qū)，并由南向北逐漸減薄(薛冰等， 2015)，在遵義-仁懷-金沙-畢節(jié)等地尖滅(圖1a大圖)。其中習(xí)水縣地區(qū)的XY1井鉆遇厚度達200多米的龍馬溪組頁巖，優(yōu)質(zhì)頁巖有效厚度超過50 m，頁巖層系底部為黑色碳質(zhì)頁巖，中部為灰黑色-灰色的粉砂質(zhì)灰質(zhì)頁巖，上部為淺灰色灰質(zhì)頁巖，沉積相由深水陸棚轉(zhuǎn)變?yōu)闇\水陸棚(圖1b)。

圖1 黔西北區(qū)域地質(zhì)背景圖(a)及XY1井龍馬溪組地層綜合柱狀圖(b)[據(jù)張鵬等(2015)、史淼等(2016)修改]Fig. 1 Regional geological setting of northwest Guizhou(a) and lithological column of the Longmaxi Formation from well XY1(b) (modified after Zhang Peng et al., 2015; Shi Miao et al., 2016)

2 龍馬溪組頁巖主要的地質(zhì)特征

研究區(qū)龍馬溪組頁巖有利區(qū)主要分布在習(xí)水縣東部和桐梓縣北部，研究區(qū)XY1和TY1井鉆遇的龍馬溪組中優(yōu)質(zhì)頁巖的地球化學(xué)測試結(jié)果(表1)顯示：

表1 XY1井和TY1井龍馬溪組“甜點”層段基本地質(zhì)特征Table 1 Basic geological characteristics of the “sweet spot” section of Longmaxi Formation form XY1 well and TY1 well

(1) 有機質(zhì)類型主要以Ⅰ型為主，少量Ⅱ1型，TOC大于2%，局部高達7.64%，同時反映熱演化程度的Ro值普遍大于2.0%，均處于高-過成熟度階段，表明研究區(qū)龍馬溪組頁巖整體具備較高的生烴潛力和生烴強度。

(2) 頁巖的孔隙度普遍在8%以下，滲透率數(shù)量級普遍低至毫達西-納達西級，頁巖特低的孔隙度和滲透率主要由納米級-微米級的不同形狀的有機質(zhì)孔、無機質(zhì)孔和微裂縫所提供，這些孔隙和吼道在空間上的分布極為不均，連通性較差。

(3) “甜點”層段中石英(平均含量約45.6%)和粘土礦物(平均含量約34.2%)為主要的礦物組分，其次為長石和碳酸鹽巖礦物，局部出現(xiàn)黃鐵礦富集，脆性礦物含量平均大于50%，且埋深較淺，頁巖普遍處于脆性狀態(tài)，可壓性較好。

3 頁巖有機質(zhì)和脆性礦物的控縫機制

龍馬溪組特殊的沉積背景控制著有機質(zhì)和脆性礦物于頁巖底部出現(xiàn)同步富集，即有機質(zhì)和脆性礦物含量存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，意味著有機質(zhì)或者脆性礦物在頁巖“甜點”層段內(nèi)應(yīng)存在較為關(guān)鍵的控縫機制。

3.1 有機質(zhì)的控縫機制

3.1.1 不同有機質(zhì)含量與巖石的破裂程度

通過研究區(qū)龍馬溪組頁巖有機質(zhì)含量的相關(guān)測試獲悉，有機質(zhì)含量自上而下呈現(xiàn)升高趨勢，意味著那些深受有機質(zhì)控制的裂縫的發(fā)育程度也應(yīng)呈現(xiàn)出縱向上的差異(鐘城等， 2018)。為近一步揭示由于有機質(zhì)含量不同所導(dǎo)致的巖石裂縫發(fā)育的差異這一特征和現(xiàn)象，筆者對此進行了相關(guān)的巖石力學(xué)實驗。

在實驗前期的樣品選取過程中，考慮到龍馬溪組頁巖沉積過程中有機質(zhì)和脆性礦物同步富集的因素，為控制相關(guān)變量，筆者在挑選巖石試樣過程中，結(jié)合了測井資料和全巖礦物測試結(jié)果，將具有相似礦物組成(脆性礦物含量控制在50%左右)和不同有機質(zhì)含量的巖心段作為鉆取巖石樣品的目標(biāo)層段，實驗測試的巖石樣品主要來自XY1井的龍一段，通過沿巖心頁巖層理方向(避免各向異性的影響)鉆取了多個不同深度段的頁巖樣品(圖1)，將這些鉆取的巖石樣品進行切割并打磨約至25 mm×50 mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試樣，此過程中盡量確保巖石樣品完整且表面無肉眼可觀察到的人工微裂紋，最終將不同有機質(zhì)含量的巖石試樣置于常溫常壓下進行多組單軸壓縮實驗，觀察其不同有機質(zhì)含量下頁巖的破裂程度。

測試結(jié)果(圖2)顯示,不同有機質(zhì)含量的巖石樣品破壞后呈現(xiàn)出差異明顯的破裂特征，其中有機質(zhì)含量較低的巖樣(編號YY-1，脆性礦物含量為56.3%，TOC為1.56%)的破裂模式呈現(xiàn)為單一的剪切破壞，主斷裂傳播路徑平滑且延伸距離較遠，普遍貫穿巖樣，主斷裂附近衍生或者伴生的微裂縫較少或者不發(fā)育，此外，破裂面可觀察到斑點狀的筆石化石碎片。隨著有機質(zhì)含量的增加，巖樣破裂程度變得越為復(fù)雜，由單一型剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槊芗团咽狡茐?，其中有機質(zhì)含量較高的巖樣(編號YY-4，脆性礦物含量為58.1%，TOC=5.89%)主大斷裂不明顯，微裂紋密集叢生但延伸距離短且曲折，巖石基本能夠保持其整體的完整性。

巖石破壞過程中，裂縫趨向于沿著這些有機質(zhì)為代表的薄弱面發(fā)生連接、拓展和延伸(Andersetal., 2014)，有機質(zhì)表面或者本體可以作為裂縫的延伸有利途徑，如本文實驗的巖石中，裂縫趨向于沿著內(nèi)部的筆石結(jié)構(gòu)面發(fā)生拓展和延伸(圖2)，有機質(zhì)含量越高，內(nèi)部薄弱的結(jié)構(gòu)面越密集，裂縫不再局限于單個路徑進行延伸和傳播，換言之，裂縫的傳播路徑隨著有機質(zhì)含量的增加而變得多向和復(fù)雜。與此同時，巖石受到前期載荷的加載，內(nèi)部能量逐漸積累，巖石失效過程中能量沿著裂縫的延伸得以釋放。有機質(zhì)含量較少者，能量主要沿著單一裂縫釋放。此類裂縫規(guī)模較大；而有機質(zhì)含量較高者，能量分散于多個裂縫聯(lián)結(jié)的薄弱面釋放，此類裂縫規(guī)模較小，但分布范圍較廣。

圖2 不同有機質(zhì)含量的頁巖樣品的破裂模式及破裂面特征Fig. 2 Fracture modes and fracture surface characteristics of shale samples with different organic matter values

3.1.2 有機質(zhì)孔隙對裂縫的誘導(dǎo)機制

有機質(zhì)在成熟演化過程中產(chǎn)生大量的納米級-微米級的有機質(zhì)孔隙，與有機質(zhì)同作為巖石內(nèi)部相對薄弱的部分，深刻影響著巖石的力學(xué)性質(zhì)。前人研究發(fā)現(xiàn)，巖石的抗壓強度、彈性模量以及脆性均對孔隙結(jié)構(gòu)具有較強的敏感性(Heidarietal., 2014; Farrokhrouzetal., 2014)。脆性多孔的頁巖在壓縮過程中表現(xiàn)出來的力學(xué)行為異常復(fù)雜，本文基于裂縫的形成和演化的角度，對有機孔隙在應(yīng)力加載過程中所呈現(xiàn)的控縫機制進行了深入剖析。

筆者結(jié)合前人掃描電鏡下不同有機孔隙結(jié)構(gòu)的照片(圖3a-1和圖3b-1)，設(shè)計了簡單的材料模型(圖3a-2和圖3b-2)，進行裂縫發(fā)育和演化過程的相關(guān)數(shù)值模擬與分析。不同材料的力學(xué)參數(shù)參照表2。本文模擬實驗采用的是RFPA-2D(二維真實破壞過程分析)數(shù)值模擬軟件，通過數(shù)值分析來研究巖石材料在靜態(tài)和動態(tài)載荷下的拉伸和壓縮過程中的損傷力學(xué)性質(zhì)(Tang and Tang, 2011)，特別是對于非均質(zhì)性極強的頁巖而言，軟件內(nèi)部引入均質(zhì)度指數(shù)來進一步表征巖石材料內(nèi)部的非均質(zhì)性，使得模擬結(jié)果更接近于巖石內(nèi)部的真實破裂和裂縫的演化，對巖石損傷過程具有較好的分析計算能力(Xuetal., 2020)。

模擬的過程和結(jié)果顯示，巖石在應(yīng)力擠壓作用下，裂縫在有機質(zhì)內(nèi)的傳播和俘獲有機質(zhì)孔隙存在兩種情況： ① 當(dāng)有機質(zhì)和脆性礦物邊緣處發(fā)育邊緣縫時，應(yīng)力加載初期(加載步數(shù)為12)，邊緣縫優(yōu)先開裂(圖3a-3); 隨著應(yīng)力的不斷加載，由于有機質(zhì)質(zhì)地較弱，可承載一定程度的變形，當(dāng)巖體受到載荷作用達一定程度后(加載步數(shù)為26)，孔隙末端出現(xiàn)應(yīng)力集中，裂縫于孔隙末端成核并產(chǎn)生開裂，相鄰孔隙誘發(fā)的裂縫尖端出現(xiàn)應(yīng)力場疊加，相鄰裂縫之間產(chǎn)生連接和交匯，由此裂縫沿著孔隙不斷拓展和傳播(圖3a-4)； ② 當(dāng)有機質(zhì)和脆性礦物邊緣處不發(fā)育裂縫時，應(yīng)力加載初期(加載步數(shù)為9)僅在局部出現(xiàn)由孔隙末端應(yīng)力集中而誘發(fā)的微裂縫(圖3b-3)，而隨著應(yīng)力的不斷加載，早期形成的裂縫逐漸閉合，其他區(qū)域則大規(guī)模誘發(fā)裂縫(圖3b-4)。

圖3 有機質(zhì)孔隙對裂縫的形成和演化過程的控制作用Fig. 3 The effect of organic pores on the formation and evolution of fracturesa-1據(jù)魏紅霞等(2018)； b-1據(jù)張鵬等(2015)a-1 from Wei Hongxia et al., 2018; b-1 from Zhang Peng et al., 2015

綜上分析結(jié)果表明，頁巖內(nèi)部的有機孔隙對裂縫的形成和演化存在著一定的誘導(dǎo)機制，即在外力擠壓作用下有機質(zhì)孔隙容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，利于裂縫成核、開裂和傳播。

3.2 脆性礦物的控縫機制

3.2.1 巖石力學(xué)性質(zhì)及能量轉(zhuǎn)化

巖石整體的力學(xué)性質(zhì)不僅取決于脆性礦物的含量，而且與單一礦物組分的力學(xué)性質(zhì)存在密切的聯(lián)系。脆性礦物的力學(xué)性質(zhì)對于裂縫的發(fā)育和演化具有極為重要的控制作用，在同等條件下，那些富含脆性礦物的頁巖普遍具備較高的彈性模量和較低的泊松比，有助于復(fù)雜裂縫的形成(Rickmanetal., 2008)。相關(guān)實驗結(jié)果表明，頁巖組分諸如石英、長石、方解石、白云石、粘土礦物、黃鐵礦、干酪根等的力學(xué)性質(zhì)存在明顯的差異(表2)，其中，石英和黃鐵礦相對于其他礦物而言具有較高楊氏模量和較低的泊松比，對應(yīng)較高的脆性指數(shù)或者脆性系數(shù)，斜長石、方解石以及白云石脆性中等，而粘土礦物和干酪根脆性最弱。這表明，作為脆性礦物，石英和黃鐵礦含量越高，巖石脆性越強。研究區(qū)龍馬溪組由頂部至底部，沉積環(huán)境由淺水陸棚過渡至深水陸棚，頁巖的脆性礦物含量由平均的43.7%增加至69.4%，基于脆性礦物含量評價頁巖脆性的角度分析，龍馬溪組底部頁巖相對頂部而言具有較高的楊氏模量和較低的泊松比，由此具備較高的脆性，壓裂后可形成復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)。

表2 頁巖不同組分的力學(xué)性質(zhì)(據(jù)Huo et al., 2018)Table 2 Mechanical properties of different components of shale (modified after Huo et al., 2018)

為進一步揭示那些具有不同脆性礦物含量的頁巖的裂縫發(fā)育和演化機制，基于巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征和能量轉(zhuǎn)化關(guān)系筆者對其進行了深入解析。通過在縱向上鉆取不同脆性礦物含量的頁巖樣品(為控制變量，樣品均為順層鉆取且有機質(zhì)含量確保具有同等水平)，進行了多組單軸壓縮實驗并得出巖石對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，結(jié)果顯示，不同脆性礦物含量的頁巖樣品在應(yīng)力加載前期應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征相似，但峰值強度后階段則不盡相同，其中，脆性礦物含量相對較低的頁巖破壞后，峰值強度跌落速率和峰后模量普遍為負(fù)值(圖4a)，而脆性礦物含量較高的頁巖巖樣不僅對應(yīng)較低的應(yīng)變，而且?guī)r石破壞后伴隨著強度的突然降低，峰值強度跌落速率比低脆性礦物含量的頁巖要高，相應(yīng)的峰后模量多為正值或者接近0(圖4b)。

從能量轉(zhuǎn)化的角度分析發(fā)現(xiàn)，巖石前期積累的能量在到達峰值后普遍得以轉(zhuǎn)化和釋放，其中，脆性礦物含量較低的巖石破壞后，剪切破裂面的脆性礦物不足以依靠顆粒的旋轉(zhuǎn)承載巖石斷塊的滑移，巖石剪切破壞過程主要依靠非脆性礦物發(fā)生破碎后的斷塊之間的摩擦去調(diào)節(jié)，因此，巖石內(nèi)部的能量大部分轉(zhuǎn)化為非脆性礦物的破碎能和后期斷塊滑移的摩擦能(圖4a)，但此過程前期所積累的能量不足以完成巖石整個破壞的過程，需要后期應(yīng)力的不斷加載和能量的積累；而脆性礦物含量較高的巖石，巖石剪切破壞過程中斷塊的剪切滑移依靠大量的脆性礦物顆粒自身的“多米諾骨牌式”的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，內(nèi)摩擦能損耗較少，內(nèi)能主要轉(zhuǎn)化為顆粒的旋轉(zhuǎn)能，中間所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)作用力對于保持裂縫的拓展是相對有利的(圖4b)。由此表明，在同等條件下，脆性礦物含量高的頁巖裂縫發(fā)育能力要高于脆性礦物含量低的頁巖。

圖4 不同脆性礦物含量的頁巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征、能量轉(zhuǎn)化以及剪切破壞機理示意圖Fig. 4 Schematic diagram of stress-strain curve, energy conversion and shear failure mechanism of shale with different brittle mineral values

3.2.2 不同脆性礦物含量的頁巖裂縫發(fā)育模式及脆性響應(yīng)

脆性礦物因其較高的力學(xué)強度，能夠抵抗較大的外力作用而不發(fā)生破碎，但礦物顆粒之間可產(chǎn)生相對變位或位移，如沿脆性礦物顆粒的邊界處產(chǎn)生滑動或者在基質(zhì)中發(fā)生旋轉(zhuǎn)(Zhuetal., 2018)。盡管頁巖內(nèi)部礦物顆粒的形狀、大小均有所差異，但不難推測其受力后礦物產(chǎn)生相對變位初期容易在礦物顆粒末端出現(xiàn)應(yīng)力集中，裂縫由此成核至萌生或開裂。

為進一步揭示不同脆性礦物含量頁巖內(nèi)部的應(yīng)力場分布以及裂縫的形成和演化過程，筆者設(shè)計了兩種不同脆性礦物含量的簡易模型，脆性礦物含量分別為65.4%和30.8%，對此進行了相關(guān)的數(shù)值模擬實驗(圖5a-1和圖5b-1)。分析計算發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力加載初期容易在礦物顆粒尖端和邊緣處出現(xiàn)應(yīng)力集中，裂縫趨向于在這些部位的附近區(qū)域成核至開裂。隨著應(yīng)力的不斷加載，這些裂縫不斷得到延伸和拓展，相鄰裂縫末端應(yīng)力場疊加，由此發(fā)生交匯，最終形成較為密集的裂縫網(wǎng)絡(luò)。其中脆性礦物含量高者，頁巖內(nèi)部應(yīng)力集中的現(xiàn)象越普遍(圖5a-2)，裂縫開裂點越密集(圖5a-3)，而脆性礦物含量低者，頁巖內(nèi)部應(yīng)力集中點相對稀疏(圖5b-2)，裂縫開裂點相對有限(圖5b-3)。

圖5 不同脆性礦物含量下巖石破裂模式及裂縫發(fā)育機理示意圖Fig. 5 Schematic diagram of fracture mode and fracture development mechanism of rocks under the condition of different brittle mineral values

通過對不同脆性礦物含量的頁巖破壞后的巖樣破裂模式觀察發(fā)現(xiàn)，脆性礦物含量高者，裂縫發(fā)育程度較高，巖樣主要呈現(xiàn)密集型的“劈裂式”破壞模式，同時可見裂縫發(fā)生交匯的節(jié)點密集且傳播路徑曲折(圖5a-4)，表明裂縫延伸至脆性礦物顆粒附近時因其較高的力學(xué)強度而傳播路徑發(fā)生拐彎或者分叉，脆性礦物含量越高者，意味著此類現(xiàn)象越普遍。而脆性礦物含量較低者，裂縫發(fā)育程度相對較低，裂縫發(fā)生交匯的程度相對有限，主要表現(xiàn)為由單一主裂縫的延伸至貫穿巖樣，伴生的微裂縫發(fā)育程度相對較低(圖5b-4)。

4 頁巖“甜點”層中有機質(zhì)和脆性礦物聯(lián)合控縫過程

龍馬溪組頁巖“甜點”層段中有機質(zhì)和脆性礦物深刻控制著裂縫的發(fā)育和演化，在宏觀尺度上表現(xiàn)為裂縫發(fā)育程度的復(fù)雜性，在微觀尺度上則表現(xiàn)為異質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中導(dǎo)致的裂紋萌生與裂縫的延伸、分叉和交匯。對此，筆者針對上述現(xiàn)象，結(jié)合有機質(zhì)、有機質(zhì)孔隙以及脆性礦物相關(guān)的控縫機制，通過數(shù)值模擬方法再現(xiàn)一種“甜點”層段中裂縫的形成和演化過程。

實驗前期綜合考慮了掃描電鏡中脆性礦物和有機質(zhì)在頁巖中的賦存形式以及前人的研究成果(圖6)(Wang, 2020)，建立起一種簡單的微觀模型(圖7a)。模型中脆性礦物顆粒為不規(guī)則多邊形，分別嵌入于有機質(zhì)中，有機質(zhì)內(nèi)部發(fā)育大量孔徑不同的有機質(zhì)孔，根據(jù)有機質(zhì)孔隙的長軸方向以及有機孔隙前期受礦物顆粒擠壓下導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形特征，同時為突顯模型內(nèi)部的應(yīng)力場分布以及裂縫拓展方向與最大主應(yīng)力方向的關(guān)系，此次實驗采用單軸壓縮方式進行，相關(guān)的不同材料力學(xué)參數(shù)的賦值參照表2。

圖6 有機孔隙受到礦物顆粒的嵌入導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形特征(據(jù)Wang, 2020)Fig.6 The organic pores structurally deformed after being embedded by mineral particles(after Wang, 2020)

實驗的整個過程中，無論是脆性礦物的末端還是孔隙結(jié)構(gòu)的末端，普遍出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象(圖7b)。隨著應(yīng)力的不斷加載，孔隙優(yōu)先出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形，裂縫優(yōu)先在其末端開裂(圖7c)，并大致沿著最大主應(yīng)力方向繼續(xù)延伸(圖7d)，后期在脆性礦物顆粒末端開始萌生裂縫(圖7e)。隨著有機孔隙和脆性礦物萌生的兩類裂縫的不斷延伸和拓展，裂縫產(chǎn)生分支，隨著應(yīng)力的加載，分支裂縫發(fā)生交匯聯(lián)結(jié)，與此同時，裂縫的另一支分支可在有機質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)發(fā)育或者沿著礦物顆粒與有機質(zhì)的接觸面延伸(圖7f)。

圖7 一種頁巖內(nèi)部中裂縫形成、發(fā)育和演化模式Fig. 7 A mode of formation, development and evolution of fractures in shale

在上述的整個實驗過程中，裂縫的萌生均起源于有機質(zhì)孔隙末端和脆性礦物末端這種強相和弱相接觸部位，這種部位容易在應(yīng)力加載初期出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，但兩者所產(chǎn)生裂縫有先后次序之分，即有機質(zhì)孔隙末端優(yōu)先出現(xiàn)裂縫萌生，隨著模型內(nèi)部應(yīng)力的不斷積累，脆性礦物末端才開始出現(xiàn)裂縫萌生。不僅如此，在后期裂縫的拓展過程中有機孔隙本身可作為裂縫的延伸路徑，裂縫直接貫穿孔隙，而后者取向在脆性礦物與有機質(zhì)的接觸面或邊界進行拓展和傳播。

綜上數(shù)值模擬結(jié)果顯示，裂縫的發(fā)育和演化與強相(脆性礦物)壓入弱相(有機質(zhì)和孔隙)后導(dǎo)致的應(yīng)力集中存在極為密切的關(guān)聯(lián)，裂縫分別萌生于孔隙和脆性礦物顆粒的末端，并在有機質(zhì)內(nèi)部和邊緣發(fā)育，隨著后期應(yīng)力的不斷加載，裂縫不斷延伸和拓展，最終由于末端的應(yīng)力場疊置而發(fā)生兩兩聯(lián)結(jié)或交匯，由此表明，頁巖內(nèi)部如此錯綜復(fù)雜的微裂縫系統(tǒng)中，有機質(zhì)和脆性礦物對微裂縫的形成和演化具有極為關(guān)鍵的控制作用。

5 結(jié)論

(1) 研究區(qū)龍馬溪組頁巖“甜點”層段中有機質(zhì)和脆性礦物豐度較高，為裂縫的形成和演化提供了較為有利的物質(zhì)基礎(chǔ)。

(2) 裂縫趨向于沿著有機質(zhì)為代表的薄弱結(jié)構(gòu)面?zhèn)鞑?，有機質(zhì)豐度越高，裂縫傳播途徑越多；有機孔隙在應(yīng)力加載下于末端出現(xiàn)應(yīng)力集中，裂縫由此誘導(dǎo)成核至開裂。

(3) 在巖石剪切破壞過程中脆性礦物因其較高的脆性系數(shù)具有較為明顯的脆性響應(yīng)，脆性礦物的變形與變位承載著頁巖內(nèi)部能量的轉(zhuǎn)化和裂縫的發(fā)育，脆性礦物含量越高，裂縫發(fā)育能力越強。

(4) 有機孔隙和脆性礦物所誘導(dǎo)的裂縫萌生均起源于末端的應(yīng)力集中，裂縫優(yōu)先在有機孔隙末端萌生，其次在脆性礦物末端萌生，兩類裂縫延伸并在裂縫末端出現(xiàn)應(yīng)力場交匯，最終逐步演化成復(fù)雜的微裂縫系統(tǒng)。

致謝感謝大連理工大學(xué)唐春安教授團隊提供的RFPA2D數(shù)值模擬軟件以及軟件的使用指導(dǎo)。