四川盆地东南部习水地区上奥陶统－下志留统泥页岩裂缝发育特征

杨 迪，刘树根，单钰铭，孙 玮，冉 波，罗 超，王世玉

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都610059；2.陕西延长石油（集团）有限责任公司 研究院，西安710075）

天然裂缝发育程度是页岩气形成的主要条件之一［1－9］。具有低泊松比、高弹性模量、富含有机质的脆性泥页岩层段易于产生裂缝，有助于页岩层中游离态天然气的增加和吸附态天然气的解吸［2，3］。但实际上，裂缝对页岩气（藏）具有双重作用：一方面裂缝系统既是气体的主要储存空间，也是渗流的主要通道，有助于页岩气总含气量的增加。由于页岩具有非常低的原始渗透率［2］，天然裂缝发育不够充分的地区需要进行压裂来产生更多的有效裂缝与井筒相连，为页岩气解吸提供更大的压降和面积。因此，页岩水力压裂应该尽量选择天然裂缝发育程度高的层位。水力压裂是改善储层裂缝系统、增加渗流通道的最有效方法。另一方面，如果压裂规模过大，可能导致天然气散失。所以，裂缝的研究对于页岩气的勘探与开发具有重要意义与影响［4］。

关于裂缝的研究，已有100多年的历史［4－9］。裂缝包括裂隙、节理和断层［5］。裂缝具有一定的延伸长度和宽度，裂缝之间有一定的间隔距离。裂缝可以是敞开的，也可能是闭合的。裂缝中可充满流体，也可能被其他矿物充填。裂缝是天然形成的，也可以是人工形成的。裂隙的生成，往往与地层孔隙压力、各向异性的水平应力、断层作用、褶皱作用等密切相关。由于泥页岩裂缝储集层各向异性很强，可采储量最终取决于泥页岩储集层内的裂缝产状、密度、组合特征和张开程度［4，6］。

川东南地区构造复杂，是一个多种类型的构造复合叠加和联合作用的地区，经历了印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动多期构造活动。在不同的地史发展阶段，还形成了多期断裂、褶皱和不整合，这种复杂变形不仅表现在几何学和运动学特征上，还表现在构造变形样式的叠加改造以及构造变形的不同动力学机制上［10］。本文以四川盆地东南部的习水骑龙村地区出露的下志留统龙马溪组泥岩为主要研究对象，结合地表露头裂缝观察，试图为天然裂缝发育状况、恢复地下埋藏条件下的岩石力学性质、压裂施工中破裂压力以及人工裂缝分布方式研究等提供参数。

1 区域地质背景

本文重点研究的露头为贵州习水骑龙村上奥陶统五峰组－下志留统龙马溪组剖面，剖面位于黔中隆起北部边缘（图1），在构造区划上北至华蓥山断裂，西北边为加里东期乐山－龙女寺古隆起，南达齐岳山隐伏断裂，西到兴文古蔺隐伏大断裂所限的川南低陡褶皱带，东至南川遵义大断裂［11－13］，是贵州－重庆地区五峰组和龙马溪组出露最完整的连续剖面之一［14］。习水骑龙村剖面以泥岩、页岩、粉砂岩以及灰岩条带为主（图2）。五峰组黑色碳质泥页岩，厚约3.3m，含大量黄铁矿和笔石（笔石种类丰富）［14］，水体为安静的还原环境，属于深水陆棚相。0.4m厚的观音桥段生物介壳灰岩作为分界线将五峰组和龙马溪组分隔，为浅水陆棚相。龙马溪组分为上、下两段：下段主体以页岩和泥岩为主，厚度为45.7m（图2），底部则为富含有机质的黑色页岩，黄铁矿纹层发育，为深水陆棚相；上段钙质页岩和泥岩与灰岩互层，厚度为166.4m（图2），其泥岩与灰岩的比例向上逐渐增加，为浅水陆棚相［15］。

受黔中隆起的构造作用影响，该地区的断裂主要有近东西向断裂、北北西－南南东向断裂和北东－南西向断裂，局部地区还发育一些近南北向断裂（图1）。

2 宏观裂缝发育体系特征

习水骑龙村剖面页岩中的天然裂缝绝大多数都是近似于垂直层理（图3），主要发育在龙马溪组（图2），局部富集。该层系中大型裂缝常穿层延伸，延伸长度可达几米至十余米，并常形成小断层（图3－C）。所有的天然裂缝后期均被泥质和方解石充填，常形成多组近似于垂直层面的节理（图3）。

图1 研究区位置及断裂发育示意图Fig.1 Sketch map of the location of study area and the faults

本文对整个剖面的节理产状进行了实测，可以看出其主导走向主要为2组，即近北北东－南南西方向和北西西－南东东方向；还有2组为近南北方向和近东西方向（图4），与区域断裂近似一致（图1）。对于每个裂缝而言，其上部和下部常出现逐渐萎缩现象，在层理处、在结核处终结。在层理处突然终结的裂缝常与碳酸盐含量的变化有关，但碳酸盐岩层又不总是裂缝的障碍。此外，小型宏观裂缝具有与大型裂缝相同的性质（图5）。常可见多组与层理面垂直的节理，通常在岩性界面处终止。黑色页岩的节理发育程度通常比其附近灰色页岩高（图5－A，B，C，E），裂缝常被方解石充填（图5－D，E），并可见方解石包裹的裂缝面（图5－F）。被碳酸盐胶结（特别是方解石）的天然裂隙是力学上的薄弱环节，极易在水力压裂后起到改善渗透率的作用。

脆性矿物含量的高低也是影响裂缝发育的重要因素［1］。本文将有机碳含量、石英含量和主元素中SiO2含量投点到柱状图中进行直观对比（图2），可以看出，五峰组下段黑色页岩段与龙马溪组下段黑色页岩段属深水陆棚相，TOC值比较高，同时石英含量和SiO2含量也相对较高，富含石英的黑色页岩段脆性较高，裂缝的发育程度高于富含方解石且塑性较强的灰色页岩；龙马溪组上段非黑色页岩段，属浅水陆棚沉积，TOC值比较低，同时石英含量和SiO2含量也相对较低。总体来看，从底到顶，岩石脆性矿物含量随TOC值的减小而减小。

图2 骑龙村上奥陶统－下志留统实测沉积剖面节理发育程度及脆性矿物含量分析对比图Fig.2 The analysis and contrast of joint development degree and brittle mineral content of the measured deposition profile of Upper Ordovician－Lower Silurian in Qilong Village（据文献［15］修改）

Nelson认为，脆性矿物组分中除石英外，长石和白云石在黑色页岩段中对裂缝的开启也起到一定的积极作用［16］。通过显微镜下观察，小型宏观裂缝中存在极小的微米级裂缝（图6），出现的裂缝多被方解石和硅质充填（图6－A，B，C），常呈雁列式排列（图6－B）或出现两期脉体相交叉（图6－C）。此外，还可见局部硅质、陆源石英富集。后期力学性质分析表明，岩石受到压裂后，常在脉体发育或脆性矿物含量高的部位发生破裂，形成新的开启型微裂缝。

图3 骑龙村地区宏观节理发育特征Fig.3 Development features of the macro－joints in Qilong Village of Xishui County

图4 骑龙村地区节理走向玫瑰图Fig.4 Rose diagram of joint strike in Qilong Village

3 岩石力学性质

通过上述的野外和室内观察可以看出，岩石脆性矿物组成和岩石力学性质是影响裂缝发育程度的关键因素。不同方向的岩石抗压强度控制水力压裂走向和区域地应力。

样品抗压实验的岩石力学参数分布特征如表1所示，采样位置如图1和图2所示，产状：346°∠36°。样品测试前处理和测试工作均在成都理工大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室，利用美国MTS研制的“MTS岩石物理参数测试系统”完成［17］。岩性为纹层状粉砂质含黄铁矿泥岩。岩石主要以弹性变形为主（图7）。对比垂直层理Z方向与平行层理X和Y方向样品的岩石力学参数可以看出（表1），在围压为0MPa的条件下，σc（Y）＜σc（Z）＜σc（X），E（Z）＜E（X）＜E（Y），μ（Z）最小，破坏前的轴向应变量也表现出Y＜Z＜X的特点。随着围压增加，不同方向的岩石极限抗压强度也都随之增加，但是泊松比、弹性模量和轴向应变只在垂直层理方向上表现出随之增大的趋势，在平行层理方向上看不出影响关系。在围压为40MPa的条件下，σc（Z）＜σc（X）≈σc（Y），Z方向极限抗压强度增加92.68%，X方向增加82.72%，Y 方向增加120.80%，Y方向主应力随着围压增加变化最大，弹性模量E（Y）最大（图7）。

图5 骑龙村地区野外露头局部节理和裂缝发育特征Fig.5 The development characteristics of the local joints and cracks of the outcrop in Qilong

表1 骑龙村地区龙马溪组岩石抗压强度分析测试结果Table 1 The tested compressive strength of the rocks in Longmaxi Formation of Qilong Village

图6 骑龙村地区微观裂缝发育特征Fig.6 The development characteristics of the microcracks of the rocks under the microscope in Qilong Village

图7 骑龙村龙马溪组不同方向不同围压条件下纹层状粉砂质含黄铁矿泥岩应力－应变曲线Fig.7 Stress－strain curve of lamellar silty mudstone with pyrite under the conditions of different directions and different confining pressures in Longmaxi Formation of Qilong Village

4 微观裂缝

微裂缝是页岩孔隙组成中很重要的部分。裂缝不仅可以为气体的储存提供空间，还可以为气体的流通充当一定的通道。本文利用Nova Nano SEM450型扫描电子显微镜，对样品进行观察。

4.1 纳米级微裂缝

全景扫描视域下部分样品可以看到长而直的裂缝，裂缝长度在视域内可以达到0.5～2mm，宽度仅有几微米（图8）。

裂缝的形成主要与黏土矿物和石英相关，在其他矿物当中极为少见。黏土矿物中的裂缝主要在成岩作用过程中由黏土矿物的脱水作用形成（图9－A，B，D），与石英相关的裂缝主要是由于石英与周围矿物硬度的差异在受力的过程中形成（图9－C）。裂缝的长度一般都是＜50μm。

图8 骑龙村地区岩石微裂缝发育特征Fig.8 The complete picture of the developed characteristics of microcracks of the rocks from Qilong Village

图9 骑龙村地区岩石微裂缝发育特征Fig.9 The developed characteristics of microcracks of the rocks from Qilong Village

4.2 压裂后微观裂缝

宏观裂缝一般不利于热成因页岩气的保存［18］。本文将经过抗压实验压裂后的X方向岩石样品利用场发射扫描电子显微镜来观察微米－纳米级裂缝和孔喉结构特征。受单轴垂向应力（0 MPa）压裂后的泥岩样品（图10－A，B），在全视域下微裂缝呈近平直状，延伸长度较大，可达几百微米～1mm。当围岩增至40MPa压裂后的泥岩样品（图10－C），微裂缝多呈弯曲状，发育多个不连续的微裂缝和孔隙。随着放大倍数的增加（图10－D），可以看到微裂缝周围破坏严重，形成复杂的网络格架。因此可以推断，随着压裂强度的增加，岩石微观纳米孔隙裂缝也随之被严重破坏，并逐渐形成大规模复杂的裂缝网络体系，为页岩气提供了渗透通道。

在我们的实际观察中，还可以看到很多尚未连通的微裂缝和孔喉，尽管无法在同一样品上模拟不同压裂强度条件，但仍可以就此推断有很多潜在微裂缝的存在。微裂缝主要与石英、长石（图11－D）等脆性矿物和黄铁矿（图11－C）相伴生，多形成溶蚀坑（图11－A，B）、粒间孔（图11－C，D）等。如图11－A所示，在图像中可以看到4个尚未连接在一起的串珠状多边形溶蚀坑。将其中的一个溶蚀坑放大后（图11－B），可以看到内部发育五边形的裂缝，这些裂缝尚未被其他矿物所充填，因此可以判断这是受到压裂后新开启的裂缝。其中，左上方的裂缝向上面的溶蚀坑延伸，推测随着压裂强度的增加，这4个溶蚀坑的微裂缝必然会相连通，形成新的连通通道。

5 地应力与裂缝

要保证水力压裂处理措施设计达到最好的效果，就必须了解天然裂缝体系以及局部的最大水平应力［19］。将野外统计的节理走向玫瑰图与室内模拟的地层条件下的岩石力学参数相结合，可以看出，天然裂缝的发育沿近南－北方向和北西西－南东东方向，而压裂方向为南西西－北东东方向（平行走向方向X）和近南－北方向（平行倾向方向Y，图12）。一般来说，水力压裂要沿着垂直于最大水平应力方向进行，以扩大水力压裂的处理面积。因此，在本区的水力压裂方向应该主要为南西西－北东东方向。

图10 骑龙村地区岩石压裂后微裂缝发育特征Fig.10 The developed characteristics of the microcracks of the fractured rocks from Qilong Village

图11 骑龙村地区岩石压裂后潜在裂缝发育特征Fig.11 The developed characteristics of potential microcracks of the fractured rocks from Qilong Village

图12 天然裂缝与水力压裂实施方向发育示意图Fig.12 The schematic diagram of natural fractures and hydraulic fracturing implementation direction

6 结论

a.贵州习水骑龙村剖面中的天然裂缝（节理）产状与区域断裂近似一致，其走向主要有3组，即近东西方向、北西西－南东东方向和北北东－南南西方向，此外还有一组近南北方向次要节理发育。

b.五峰组下段黑色页岩段与龙马溪组下段黑色页岩段的有机碳含量、石英含量和主元素中SiO2含量相对较高，脆性较强，裂缝的发育程度明显高于富含方解石且塑性较强的灰色页岩。

c.利用三轴岩石力学性质分析，在平行层理方向上岩石力学性质主要受到地应力的控制。

d.小型宏观裂缝中存在极小的微米级裂缝，多被方解石和硅质充填，常呈雁列式排列或出现两期脉体相交叉。岩石受到压裂后，常在脉体发育或脆性矿物含量高的部位发生破裂，形成新的开启型微裂缝。纳米级微裂缝的形成主要与黏土矿和石英相关，黏土矿物中的裂缝主要是成岩作用过程中黏土矿物的脱水作用形成，与石英相关的裂缝主要是由于石英与周围矿物硬度的差异在受力的过程中形成。随着压裂强度的增加，岩石微观纳米级孔隙裂缝也随之被严重破坏，并逐渐形成大规模复杂的裂缝网络体系。

因此，泥页岩中节理和裂缝的发育对于页岩气勘探开发至关重要，一方面可以为渗流提供主要通道，另一方面裂缝系统也是气体的主要储存空间。

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