六盤水龍?zhí)督M頁巖裂隙發(fā)育特征＊

張玉玲，張 鵬，周鈺昌，劉 影，周雅茹

（六盤水師范學(xué)院礦業(yè)與土木工程學(xué)院，貴州 六盤水553000）

自美國德克薩斯州巴奈特頁巖區(qū)塊被開發(fā)并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開采以來，頁巖氣就引起了全世界的廣泛關(guān)注。頁巖氣是指以吸附態(tài)和游離態(tài)為主要賦存狀態(tài)，富集于頁巖層系中的非常規(guī)天然氣資源[1]。頁巖氣作為一種非常規(guī)能源，已成為全球能源格局的重要組成部分，據(jù)估計(jì)，到2040年，全球頁巖氣產(chǎn)量可能達(dá)到1.1×1012m3[2-3]。頁巖的孔隙特征對頁巖氣儲(chǔ)層的評價(jià)和開發(fā)具有重要影響[2]，尤帕克（國際純化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)）的孔徑分類被許多研究者作為標(biāo)準(zhǔn)，頁巖孔徑一般被分為3類，即微孔（直徑小于等于2 nm）、中孔（孔徑介于2～50 nm之間）和大孔（孔徑大于50 nm）。傳統(tǒng)研究孔隙結(jié)構(gòu)的方法主要包括含汞注入法和鑄造薄截面法。

通過調(diào)查資料并進(jìn)行分析對比，系統(tǒng)地研究了頁巖的研究現(xiàn)狀以及其裂隙發(fā)育特征，并聯(lián)系六盤水龍?zhí)督M頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)分析了其裂隙特征，為頁巖氣資源勘探開發(fā)提供依據(jù)。

1 研究現(xiàn)狀

國外對頁巖氣的開發(fā)和研究較早，最早的是北美，成為北美地區(qū)天然氣開發(fā)研究領(lǐng)域的關(guān)注重點(diǎn)，在北美天然氣總開發(fā)量中占比約為12%，頁巖氣的發(fā)現(xiàn)史要比石油早將近40年。頁巖氣研究主要分為以下3個(gè)時(shí)期，即早期研究和發(fā)展階段（1821—1975年）、勘探拓?fù)鋽U(kuò)張階段（1870—1900年）、技術(shù)攻堅(jiān)階段（1975—1989年）。北美地區(qū)頁巖氣資源勘探開發(fā)使得美國實(shí)現(xiàn)了自天然氣進(jìn)口國向出口國的轉(zhuǎn)型，這一重大成功引起了全球各國對頁巖氣資源勘探開發(fā)研究的重視。

中國對頁巖氣資源的研究起步較晚，目前主要在四川盆地及其周緣地區(qū)內(nèi)的龍馬溪組頁巖實(shí)現(xiàn)了商業(yè)開發(fā)。但從中國的地層分布特征來看，海相地層主要發(fā)育于古生代，埋藏深度深，有機(jī)質(zhì)大多已經(jīng)達(dá)到高過熟階段，而在中國大規(guī)模分布的海陸過渡相、陸相頁巖層系有機(jī)質(zhì)豐度高、成熟度適中、埋深適中，但巖性復(fù)雜，相變頻繁，僅在鄂爾多斯盆地延長組地層實(shí)現(xiàn)了一定產(chǎn)量，其他區(qū)域至今沒有取得大規(guī)模突破[4]。

2020年，中國頁巖氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量和年總產(chǎn)氣量分別突破了2.0×1012m3和2.0×1010m3[4]，是保障中國能源安全和實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要天然氣資源突破點(diǎn)。貴州地區(qū)位于四川盆地外緣，自中國頁巖氣資源研究起步以來長期作為中國南方的重點(diǎn)勘探區(qū)域之一，黔西、黔西北地區(qū)分布的海陸過渡相含煤頁巖層系龍?zhí)督M已經(jīng)被揭示具有重要資源潛力。目前，已經(jīng)基本明確龍?zhí)督M頁巖的分布特點(diǎn)及地質(zhì)條件，對其儲(chǔ)層性質(zhì)的研究已經(jīng)展開[5-6]，并成為該套潛質(zhì)頁巖層系最終實(shí)現(xiàn)勘探突破的重要研究領(lǐng)域之一。

2 六盤水地區(qū)龍?zhí)督M頁巖巖性特征

六盤水位于中國大西南烏蒙深處，在構(gòu)造地質(zhì)上位于楊子地臺的西南部，構(gòu)造以北向東斷裂和背斜為主，構(gòu)造帶附近的巖體中可見節(jié)理發(fā)育。研究區(qū)出露的地層主要有泥盆系、二疊系、三疊系等，以二疊系、三疊系廣泛分布；六盤水煤田晚二疊系地層包括峨眉山玄武巖組、龍?zhí)督M和汪家寨組，其中龍?zhí)督M為海陸過渡相煤系沉積，以安順-晴隆地區(qū)發(fā)育較好，是本文研究區(qū)主要的頁巖氣資源潛質(zhì)層系[5]。由于海陸交互相沉積環(huán)境，龍?zhí)督M頁巖層系在垂向和平面上巖性變化頻繁，隔夾層較多，夾少量石灰?guī)r及硅質(zhì)巖，巖性特征較為復(fù)雜。區(qū)內(nèi)龍?zhí)督M頁巖的累計(jì)厚度為350 m左右，底部主要為泥頁巖、砂巖，中部底部主要為頁巖和黏土巖，中部為含煤地層，主要巖性為黃褐色黏土巖和褐色、黑色頁巖。

3 六盤水龍?zhí)督M頁巖裂隙發(fā)育特征

隨著技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的積累，國內(nèi)外對頁巖氣資源的開發(fā)不斷加快，并獲得了很多成就。研究結(jié)果表明，在低孔、低滲富有機(jī)質(zhì)泥頁巖中，當(dāng)頁巖中存在足夠的天然裂隙或者存在于巖石內(nèi)部的微裂隙和納米級孔縫、裂隙，在經(jīng)過上覆巖層壓裂并遭受改造后能產(chǎn)生大量的裂隙系統(tǒng)，而泥頁巖層就成為了有效的油氣儲(chǔ)藏層；頁巖氣的形成和生產(chǎn)過程與裂隙的特征之間緊密相關(guān)，國內(nèi)部分學(xué)者對泥頁巖裂隙的特征、成因及其類型、控制因素進(jìn)行了分析[3]。裂隙是由于巖石在構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生脆性變形而形成的，影響其發(fā)育程度的因素包括區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力及局部構(gòu)造；裂隙不僅是頁巖氣儲(chǔ)存和滲流的場所，還是頁巖氣轉(zhuǎn)移運(yùn)輸?shù)耐ǖ溃严妒欠从稠搸r氣儲(chǔ)層的一個(gè)重要參數(shù)。

從地質(zhì)層面來講，頁巖裂隙的主要形成原因?yàn)閮?nèi)力控制和外力控制2種[7]。其中，外力控制因素主要包括區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力、構(gòu)造部位、沉積成巖作用和生烴過程產(chǎn)生的底層內(nèi)部超高壓力，內(nèi)力控制因素則是巖石、巖相和巖石礦物等內(nèi)在組成特征?？刂埔蛩夭皇且怀刹蛔兊模瑫?huì)隨著地域的變化而改變，所以，裂隙發(fā)育特征的控制因素比較復(fù)雜。裂縫的孔隙度是確定游離氣體的含量和其他因素來評價(jià)存儲(chǔ)層滲透力的重要測量參數(shù)，在六盤水龍?zhí)督M中，微孔和小型裂縫是其孔隙結(jié)構(gòu)的主要成分，其間距略大，不同孔隙度的頁巖裂隙發(fā)育特征也不盡相同。

裂隙不是巖石中的具有明顯位置的斷裂，它既被認(rèn)為是一個(gè)油氣存放和儲(chǔ)集的空間，也被認(rèn)為是滲流的通道，因此，對于裂隙的研究一直都是中國油氣勘探工程開發(fā)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。裂隙既是天然氣儲(chǔ)集的空間，又是氣體滲流的通道，當(dāng)頁巖中的天然裂隙足夠多或者巖石內(nèi)部存在有較多的微裂隙和納米級孔縫、裂隙時(shí)，這些裂隙在經(jīng)過壓裂和改造后就能形成大量的頁巖裂隙系統(tǒng)。

六盤水龍?zhí)督M頁巖裂隙的寬度分布如圖1所示。六盤水地區(qū)龍?zhí)督M頁巖層中的整體孔隙孔徑較小，以小于0.1μm的納米級孔隙最多，約占50%；裂隙的寬度多小于100 m，其中0～50 m的裂隙居多，大于100 m的裂隙發(fā)育不多。

圖1 六盤水龍?zhí)督M頁巖裂隙的寬度分布圖

根據(jù)節(jié)理的產(chǎn)狀的劃分標(biāo)準(zhǔn)可知，0～5°為水平裂隙，5°～45°為低角度斜交裂隙，45°～85°為高角度斜交裂隙，85°～90°為垂直裂隙。通過野外地質(zhì)調(diào)查，龍?zhí)督M頁巖裂隙傾角結(jié)果如圖2所示，該地區(qū)的頁巖發(fā)育范圍為40°～90°，研究區(qū)巖層主要發(fā)育高角度斜交裂隙和垂直裂隙，幾乎不發(fā)育水平裂隙和低角度斜交裂隙。

圖2 龍?zhí)督M頁巖裂隙傾角分布

巖層內(nèi)裂縫一般可分為非構(gòu)造裂縫和以構(gòu)造為主的裂縫，這種構(gòu)造縫的產(chǎn)生多與地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的作用有關(guān)。以構(gòu)造為主裂縫可劃分為由張性應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫和由剪切應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫及滑脫裂縫等；非構(gòu)造形成的裂縫可劃分為巖石的解理縫、層理縫、收縮縫等，其中的收縮縫多形成于顆粒邊緣，與沉積巖的形成有關(guān)。巖層內(nèi)裂縫的發(fā)育對提升孔隙連通性、提高儲(chǔ)層滲流性具有重要意義。

通過對采集樣品進(jìn)行掃描電鏡觀察，六盤水龍?zhí)督M頁巖的裂隙主要以構(gòu)造縫發(fā)育為主，如圖3所示，剪切裂縫的特點(diǎn)為延伸長、縫面平直光滑，在研究區(qū)內(nèi)的頁巖裂隙中多以剪切縫為主，剪切縫多為低角度縫和水平縫，并且裂縫填充度較高，有的剪切縫已被大量的方解石填滿，少數(shù)裂縫中混有黃鐵礦；有的裂縫發(fā)生了彎曲，這可能是由于裂縫形成之后又受到構(gòu)造應(yīng)力的擠壓作用從而發(fā)生變形。龍?zhí)督M頁巖掃描電鏡照片如圖4所示。

圖3 龍?zhí)督M頁巖巖芯照片

圖4 龍?zhí)督M頁巖掃描電鏡照片

4 結(jié)論

六盤水地區(qū)二疊系龍?zhí)督M是一套海陸過渡相含煤頁巖層系，為貴州西北部地區(qū)重要的潛質(zhì)頁巖層系，主要巖性為黃褐色黏土巖，褐色、黑色頁巖，煤巖及粉砂巖等。區(qū)內(nèi)龍?zhí)督M頁巖中發(fā)育裂隙寬度多為0～50 m，以垂直和高角度斜交裂隙為主，構(gòu)造裂縫較為發(fā)育，在剪切縫中發(fā)現(xiàn)有大量的方解石填充，非構(gòu)造性裂隙相對較少。