黔北地區(qū)牛蹄塘組頁巖儲層裂縫特征

谷 陽, 徐 晟, 張 煒, 姜重昕, 趙相寬

(1.中國地質調查局地學文獻中心， 北京 100083； 2.中國地質圖書館， 北京 100083)

近年來，全球大部分國家的煤炭、石油等常規(guī)化石能源開采進入瓶頸期，一些大型油田的產量較巔峰時期下降明顯，隨著能源需求的與日俱增，常規(guī)油氣的開采已經不能滿足人類的生活需要，能源危機已成為世界各國經濟發(fā)展中的嚴重阻礙。隨著美國頁巖氣革命的成功，促使美國從一個天然氣進口國一躍成為世界天然氣出口大國，頁巖氣所占美國干氣的比例不斷上升。美國“頁巖氣革命”的成功及焦石壩頁巖氣高產的關鍵因素之一是富有機質頁巖內部發(fā)育有大量的微裂縫[1-5]。在水力壓裂時，天然裂縫的發(fā)育將會促進網狀裂縫的形成，有利于頁巖氣的產出，此時新生成的壓裂縫不再順著最大主應力方向延伸[6-8]。與北美相比，中國南方上揚子地區(qū)下古生界海相富有機質頁巖層系具有豐富的頁巖氣資源，由于受多期構造活動的影響，造成中國南方上揚子地區(qū)褶皺變形強烈，斷裂系統(tǒng)發(fā)育、巖石力學各向異性明顯、地應力和天然裂縫分布不清等問題，導致南方復雜構造區(qū)下古生界海相頁巖氣開采效果不佳。其中，下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖具有較大的沉積厚度和廣泛的分布面積，過高的熱演化程度使其有機質孔隙發(fā)育程度較低，天然裂縫的發(fā)育，在采用有效的壓裂增產改造措施后，易形成具有導流能力的復雜網狀縫，實現(xiàn)頁巖氣經濟有效的開發(fā)[9-11]。目前，對頁巖儲層天然裂縫形成機制和發(fā)育模式的研究并不深入，導致對南方復雜構造區(qū)頁巖氣“甜點”的預測缺乏有效指導[12-14]。因此，對中國南方復雜構造區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖儲層裂縫特征的研究十分必要。

現(xiàn)以黔北鳳岡區(qū)塊為例，通過對研究區(qū)YX-1井巖心裂縫觀測與統(tǒng)計，結合鏡下觀察和巖心測試資料等，對牛蹄塘組頁巖儲層裂縫發(fā)育特征進行詳細闡述；同時，通過礦物含量分析、有機碳豐度、巖石力學性質等分析了頁巖裂縫發(fā)育的主控因素。

1 區(qū)域地質特征

從大地構造上，鳳岡區(qū)塊所處的黔北地區(qū)位于上揚子地臺區(qū)(圖1)。研究區(qū)構造演化受揚子地臺形成演化影響，二者具有較好的一致性。揚子地臺屬于中國南方前寒武紀克拉通，揚子地臺的北部為秦嶺-大別山造山帶，南部為埡都-紫云斷裂、師宗-彌勒斷裂、漵浦-四堡斷裂，西部為金沙江-哀牢山斷裂。地層自前震旦系到第四系均有沉積，絕大部分屬于海相沉積，分布厚度較大。其中前震旦系以白云巖和碎屑巖為主，在研究區(qū)內未出露。研究區(qū)內主要出露的地層主要有寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系，缺失白堊系、侏羅系、石炭系、泥盆系地層，第三系及第四系地層零星分布。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

牛蹄塘組海相黑色頁巖在區(qū)內分布廣泛，發(fā)育穩(wěn)定，地層厚度在60～150 m(圖2)，底部為一套黑色硅質、碳質頁巖，向上逐漸過渡為深灰色硅質和粉砂質泥頁巖，整體上呈現(xiàn)出一個由深水到淺水相變化的特征；總有機碳(total organic carbon，TOC)介于0.29%～9.36%，平均值為3.12%；等效鏡質體反射率Ro分布在1.14%～4.97%，平均值為2.85%；礦物組分主要以石英為主(圖3)，含量占20.3%～54.5%，平均值為37.2%；黏土礦物含量平均值為31.5%，以伊蒙混層和伊利石為主，占到了87.0%。

圖2 研究區(qū)牛蹄塘組頁巖厚度分布圖Fig.2 Shale thickness distribution map of Niutitang Formation in the study area

圖3 研究區(qū)牛蹄塘組頁巖礦物組分Fig.3 Shale mineral composition of Niutitang Formation in the study area

2 牛蹄塘組頁巖儲層裂縫特征

2.1 頁巖巖心裂縫特征

對研究區(qū)內YX-1井牛蹄塘組頁巖巖心裂縫特征進行觀察統(tǒng)計表明，研究區(qū)牛蹄塘組巖心裂縫以構造裂縫為主，主要包括高角度剪性裂縫、高角度張性裂縫、低角度滑脫縫等構造裂縫，也發(fā)育部分非構造縫，主要為層間縫。其中高角度剪切裂縫，具有延伸較遠、縫面平直的特點，且呈多組系出現(xiàn)，大部分被方解石充填[圖4(a)]，亦可見左行雁列式菱形排列的剪裂縫[圖4(b)]；高角度張性裂縫在拉張伸展背景下形成的構造縫，縫面參差不齊，常成組系出現(xiàn)，并在周圍存在多組伴生裂縫，多被礦物充填[圖4(c)]；低角度滑脫裂縫，一般傾角較小，多呈低角度或水平狀態(tài)，縫面常見明顯擦痕、光滑鏡面等特征[圖4(d)、圖4(e)]。層間縫，是在不同巖性交界處軟弱帶處由負荷減小引起的應力釋放、礦物結晶等作用形成的裂縫，縫面多為水平，具有一定的張性裂縫性質，多被黃鐵礦和方解石等礦物充填[圖4(f)、圖4(g)]，是烴源巖中油氣生排烴和運移的標志。并且受多期構造活動影響，常見不同成因和期次的裂縫相互疊加改造，形成復雜的裂縫網絡[圖4(h)]。

圖4 牛蹄塘組頁巖巖心裂縫發(fā)育特征Fig.4 Fracture development characteristics of shale core in Niutitang Formation

對研究區(qū)YX-1井牛蹄塘組頁巖巖心觀測與統(tǒng)計表明：牛蹄塘組頁巖巖心裂縫主要以構造裂縫為主，占裂縫總量的87.3%，非構造裂縫發(fā)育相對較少，占裂縫總量的13.7%；裂縫傾角多為高角度或垂直為主，占裂縫總量的78.2%，其次為低角度滑脫縫和近水平裂縫(0°～15°)；裂縫長度以1～5 cm 和5～10 cm 為主；開度以0.2～0.5 cm 為主，占裂縫總量的38.5%。從充填情況來看，裂縫大部分被充填，充填比例達到96.1%，主要還是以方解石充填為主，占到裂縫總量的71.3%；未充填縫占裂縫總量的3.9%，主要為層理縫和一些低角度滑脫縫(圖5)。

圖5 牛蹄塘組頁巖巖心裂縫參數統(tǒng)計Fig.5 Statistics of fracture parameters of shale core in Niutitang Formation

2.2 微觀裂縫特征

對于基質孔隙度極低的頁巖儲層來說，微裂縫的發(fā)育不但有助于游離態(tài)天然氣聚集和吸附態(tài)天然氣解吸，而且也為天然氣運移、滲流提供了重要通道。在頁巖儲集層改造過程中，微裂縫能降低起裂壓力，形成人造裂縫網絡，增大裂縫總體積，從而提高單井產量和最終采收率[15-16]。

通常情況下，對頁巖儲層中微觀裂縫的觀察需要借助光學顯微鏡和掃描電鏡等實驗手段完成，其中光學顯微鏡可以觀察到毫米級裂縫，而利用常規(guī)掃描電鏡、氬離子拋光、核磁共振圖像等測試技術可進一步觀察頁巖儲層中納米級孔隙和裂縫的發(fā)育特征。

研究區(qū)牛蹄塘組頁巖鏡下薄片中以構造裂縫為主，裂縫充填程度較高，充填物主要以方解石、硅質和黏土等[圖6(a)～圖6(d)]。根據裂縫內充填礦物的自形程度和空間關系判斷，碳酸鹽礦物的形成時間晚于硅質礦物[圖6(e)]。同時也可見網狀裂縫，不同方向的裂縫相互交切，并可見早期形成的裂縫對后期裂縫的限制作用[圖6(f)]，促使微裂縫之間能夠有效連通，為頁巖氣的儲存及運移提供了重要場所和空間，增強了頁巖儲層的滲流能力。雖然被充填的微裂縫對頁巖儲層滲透率的貢獻較小，但這些充填縫在后期水力壓裂時容易重新張開且相互溝通，形成縫網系統(tǒng)。然而，研究區(qū)牛蹄塘組頁巖處于成巖作用晚期，熱演化程度較高，成巖裂縫等非構造裂縫發(fā)育程度較低，數量較少[17]。

圖6 牛蹄塘組頁巖裂縫鏡下特征Fig.6 Microscopic characteristics of shale fractures in Niutitang Formation

本次研究利用場發(fā)射掃描電鏡對牛蹄塘組頁巖內部微米-納米級孔縫進行了觀察。觀察結果顯示研究區(qū)牛蹄塘組頁巖內部微裂縫十分發(fā)育，裂縫開度在0.02～8 μm，主要為非構造縫，包括層間縫、粒內縫和粒間縫(圖7)。其中黏土礦物定向排列形成的層間縫及黏土礦物轉化過程中形成的伊利石、伊蒙混層粒間縫[圖7(a)～圖7(d)]，常與粒間孔組成孔縫網絡，具有較好的連通性，可為頁巖氣提供運移通道，提高頁巖的滲流能力。此外，黃鐵礦和碳酸鹽礦物等礦物粒間縫具有較大的孔徑和面孔率[圖7(e)、圖7(f)、圖7(h)]，為頁巖氣的儲存及運移提供了重要場所和空間，增強了頁巖儲層的滲流能力。

圖7 牛蹄塘組頁巖裂縫場發(fā)射掃描電鏡特征Fig.7 FE-SEM characteristics of shale fractures in Niutitang Formation

3 頁巖裂縫發(fā)育主控因素分析

3.1 構造因素

研究區(qū)地處中國南方復雜構造區(qū)，經歷了多期大規(guī)模的構造運動，區(qū)內構造復雜斷裂發(fā)育，裂縫總體發(fā)育程度較高。經統(tǒng)計，研究區(qū)牛蹄塘組頁巖巖心主要發(fā)育構造裂縫，占裂縫總數的87.3%。燕山期是研究區(qū)斷裂形成最主要的時期，燕山期研究區(qū)主要以北西-南東向擠壓為主。喜山期構造應力場以近東西向擠壓為主，與先期構造具有明顯的繼承改造關系，喜山運動使燕山褶皺帶繼承性變形加強。此外，裂縫受多期構造運動影響也具有多期活動的特性，使其遭受了不同程度的改造與活化，促進內部次級孔縫系統(tǒng)發(fā)育，提升了充填裂縫的有效性[18]。

3.2 非構造因素

在相同構造應力條件下，裂縫發(fā)育情況也往往存在差異性，主要受巖石礦物組分、巖性、有機碳含量、巖石力學各向異性、成巖作用等影響，這部分因素稱之為非構造因素。

頁巖中的礦物組分主要由石英、碳酸鹽巖礦物、長石、黃鐵礦及黏土礦物等組成。不同巖性的巖石，其礦物組分、結構、成巖程度也不盡相同。YX-1井巖心裂縫統(tǒng)計表明，TOC和裂縫發(fā)育程度呈現(xiàn)二段式分布，當TOC小于6%時，裂縫發(fā)育程度與TOC呈正相關關系；當TOC大于8%時，裂縫發(fā)育程度降低，與TOC呈負相關關系[圖8(a)]。這是由于有機質生烴演化會增加頁巖儲層內孔隙和殘余碳骨架的數量，從而降低了頁巖內部結構的穩(wěn)定性，加大了頁巖的脆性，在外力作用下容易產生裂縫。此外，較高的有機質含量會產生大量的烴類氣體，增大了頁巖儲層的內部壓力，過高的壓力會導致巖石破裂，形成異常壓力縫。但是，當頁巖內TOC較高時，殘存的多孔碳質骨架不足以支撐上覆地層的壓力，導致部分孔隙被充填或壓實，頁巖脆性降低，因此抑制了頁巖裂縫的產生[19-20]。研究區(qū)牛蹄塘組頁巖TOC與石英含量及含氣量均具有較好的正相關關系，因此石英含量與裂縫線密度也表現(xiàn)出分段性，即石英含量在20%～50%時，隨石英含量的增加，巖心裂縫發(fā)育程度呈降低趨勢[圖8(b)～圖8(d)]。

圖8 牛蹄塘頁巖儲層參數與裂縫發(fā)育程度關系Fig.8 Relationship between reservoir parameters of Niutitang shale and fracture development degree

在相同的應力條件下，具有高楊氏模量的頁巖具有脆性大，抗張強度小的特點，在區(qū)域應力作用下更容易形成裂縫。研究區(qū)牛蹄塘組頁巖中上段發(fā)育硅質頁巖，下段發(fā)育碳質頁巖。碳質頁巖與硅質頁巖相比，具有高楊氏模量、抗拉強度小的特點，受力時更易形成構造裂縫(表1)。B組樣品碳質頁巖的內摩擦角小于A組樣品硅質頁巖，反映出硅質頁巖的抗剪強度比碳質頁巖小，在相同的區(qū)域水平擠壓或引張應力作用下，頁巖更易沿層理面發(fā)生剪切破裂，形成低角度滑脫裂縫。

表1 牛蹄塘組不同巖性頁巖巖石力學參數Table 1 Mechanical parameters of shale with different lithology in Niutitang Formation

4 結論

(1)研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖儲層中裂縫發(fā)育程度較高。巖心裂縫主要以構造裂縫為主，包括高角度剪性裂縫、高角度張性裂縫、低角度滑脫縫，占裂縫總量的87.3%。微裂縫的發(fā)育對頁巖氣的吸附、解析和滲流影響顯著，大量發(fā)育的微裂縫可成為游離態(tài)頁巖氣的主要儲集空間。

(2)研究區(qū)牛蹄塘組頁巖儲層裂縫發(fā)育程度受構造因素影響顯著，構造因素是裂縫發(fā)育的外因，受拉張、擠壓和剪切等構造應力作用影響產生不同性質的構造裂縫。另外，非構造因素是裂縫發(fā)育的內因，受巖石力學性質、礦物組成、有機質含量等因素影響。