页岩储层天然裂缝发育特征概述

陈 叶，高向东，韩文龙，李媛媛，周晓得

（中国矿业大学地球科学与测绘工程学院，北京100083）

页岩储层天然裂缝发育特征概述

陈 叶*，高向东，韩文龙，李媛媛，周晓得

（中国矿业大学地球科学与测绘工程学院，北京100083）

页岩储层中的裂缝既可以为页岩气提供聚集空间，也可以为页岩气的生产提供运移通道。页岩中存在的裂缝主要可以分为5类：构造缝（张裂缝和剪裂缝）、层间页理缝、低角度滑脱缝、成岩收缩微裂缝和有机质演化异常压力缝，可根据裂缝形成原因划分为原生裂缝和后生裂缝。裂缝的成因类型和分布规律各不相同，裂缝的发育与页岩气储藏密切相关。对页岩储层中裂缝的成因类型、识别特征、识别方法、基本参数（宽度、长度、密度、间距、产状、充填情况、溶蚀改造情况）、分布规律等进行了分析研究，为页岩气的资源评价和勘探开发提供储层裂缝地质信息。

裂缝；分类；基本参数；识别方法

1 概述

页岩气是一种新型的非常规油气资源，由于资源潜力巨大，受到广泛关注。页岩储层裂缝特征是储层基本特征之一，也是储层特征研究的重点内容，直接影响泥页岩储层物性和页岩气开采条件。泥页岩储层属于超致密油气储层。国内外研究表明，页岩储层孔裂隙已达纳米量级[1-2]。国内对泥页岩储层的孔隙特征研究主要集中于四川盆地及其周缘地区[3-4]。在美国、前苏联、加拿大以及我国发现的大量泥岩裂缝油气藏中,作为油气储集空间的泥岩非构造裂缝扮演了非常重要的角色,甚至个别区域达100%。但是到目前为止,有关泥岩非构造裂缝的研究多停留在野外地质剖面与室内岩芯的定性描述上,缺少深入细致的分析。

我们通过研究页岩孔裂隙类型、发育规模、孔隙结构等特征，探讨影响孔裂隙发育的因素,最终为页岩气资源评价和地质选区提供储层孔裂隙地质信息。

2 页岩储层天然裂缝的分类

通过对野外地表露头和岩芯的宏观描述及其薄片、扫描电镜的微观分析认为,我们可以将泥页岩中的裂缝分为以下主要的几种，构造缝(张性缝和剪性缝)、低角度滑脱裂缝、层间页理缝、成岩收缩微裂缝和有机质演化异常压力缝,这5种裂缝的地质成因、识别特征和分布规律都不尽相同。

构造缝是指岩石在构造应力作用下产生破裂而形成的裂缝，是裂缝中最主要的类型。其最大的特点是裂缝成组出现，沿一定方向有规律的分布，分布具不均匀性，裂缝边缘比较平直，延伸较远。构造具多期次性，可以加以分期。构造缝是泥页岩中最常见也是最主要的裂缝类型。根据2种裂缝不同的力学性质,又可分为张性缝、剪性缝2种[5]。野外地表露头和岩芯上观察到的宏观张性裂缝一般倾角、张开度和长度变化较大,破裂面具有不平整的特性,多数已被完全充填或部分充填。在薄片中和扫描电镜下见到的微观张裂缝,裂缝与层面交角不等,最常见的为近垂直于层面的张裂缝,常切穿顺层缝,起到连通顺层裂缝的作用剪性缝较张裂缝少,其产状变化也较大,有近垂直层面的菱形共轭剪节理,也有高角度的剪切裂缝，较平直,破裂面光滑,局部有充填物。薄片中和扫描电镜下的微观剪裂缝很少见,多与层面低角度斜交,平直,一般未被充填。构造裂缝主要发育在褶皱构造转折端和断裂附近[6]。

低角度滑脱裂缝常常发育在与层面大致平行的低渗透储层的泥岩中，一般倾角小于30°，它们主要分布在泥页岩层的顶部和底部，尤其是在靠近储集层的部分发育，这类裂缝具有倾角较小，倾向变化较大，明显的擦痕和阶步等特征，是在岩石的伸展和挤压的作用下，由于顺层的剪切应力作用而产生的。低角度滑脱裂缝一般存在大量平整、光滑或具有划痕、阶步的面,且在地下不易闭合。

层间页理缝主要为具剥离线理的平行层理纹层面间的孔缝,为沉积作用所形成。一般为强水动力条件的产物,由一系列薄层页岩组成,页岩间页理为力学性质薄弱的界面,极易剥离,这种界面即为层间页理缝,层间页理缝是泥页岩中最基本的裂缝类型。页岩的页理面上多含砂质，这种裂缝在岩芯和薄片及扫描电镜下都可见到。层间页理缝张开度一般较小,多数被完全充填，与高角度张性缝连通。层间页理缝在页理发育的泥页岩中极为常见。

成岩收缩微裂缝指成岩过程中由于岩石收缩体积减小而形成的与层面近于平行的裂缝，泥页岩在成岩作用过程中,由于上覆地层压力导致沉积物脱水收缩,因而在同一岩层内,容易形成延伸长度较小的纵向裂缝以及不规则的多向裂缝。形成这些裂缝的主要原因是干缩作用、脱水作用、矿物相变作用或热力收缩作用,与构造作用无关[7]。成岩收缩裂缝包括脱水收缩缝和矿物相变缝。成岩收缩缝在泥岩层和水平层理泥灰岩的泥质夹层的扫描电镜下常见,连通性较好,开度变化较大,部分被充填。一般在沉积时硅质含量较高的页岩,在成岩过程中由于化学变化而发生收缩作用,从而形成广泛分布的成岩收缩微裂缝。

机质演化异常压力缝指有机质在演化过程中产生局部异常压力使岩石破裂而形成的裂缝,有机质演化异常压力缝在有机碳含量较高的炭质泥页岩中普遍发育。这种裂缝一般缝面不规则,不成组系,多充填有机质,地下泥质岩超压微裂缝带在垂向上一般集中分布在一定的深度区间,在横向上呈区域性分布[8]。页岩发育特征综合分析（见表1）[9]

表1 页岩发育特征综合分析

3 天然裂缝的基本参数

页岩裂缝的基本参数一般包括宽度/张开度、长度、间距、密度、产状、充填情况、溶蚀改造情况等。

裂缝的宽度/张开度，裂缝壁之间的距离，长度有从几微米到几毫米不等，但一般小于100mm，渗透性响应较好，泥页岩裂缝张开度的计算：

高角度裂缝张开度：

式中：CLLD、CLLS——深、浅侧向电阻率；

Cmf——泥浆滤液的电阻率，S/m；

Ds、Dd——浅、深侧向测井仪的探测直径，cm；

r——井眼半径，cm；

d——裂缝张开度，表示一条或几条裂缝张开度的总和。

低角度裂缝张开度：在这种情况下，双侧向测井的电导率（C）与基岩电导率（Cb）、泥浆滤液电导率（Cmf）、主电流层的厚度（h）以及裂缝张开度（d）近似表达式为：

Sclumberger公司采用如下公式：

国内的松辽盆地古龙凹陷、辽河凹陷、济阳坳陷沾化凹陷、柴达木盆地芒崖坳陷及西部凹陷等相继发现和开采裂缝性页岩气藏，表2为主要几大盆地的裂缝宽度。

裂缝的长度，裂缝的长度及其与岩层的关系，分为一级裂缝，可以切穿若干岩层，渗透性响应较好；二级裂缝，局限于单层内，渗透性响应好。

裂缝的间距，两条裂缝之间的距离，间距变化较大，由几毫米到几十米，渗透性响应好—较好。

裂缝的密度，裂缝的密度可分为3类：

线性裂缝密度：nf/LB,1/m；Г=

面积裂缝密度：L/SB,1/m,P=

体积裂缝密度：S/VB,1/m。T=

式中：T——某一地点上裂缝介质的体积密度;

ΔV——某个单位体积;

ΔS——单位体积内全部裂缝面的面积。

P——裂缝面密度值；

Δl——遍布单位体积上裂缝印痕长度的总和;

Δs——单位面积;

Γ——裂缝密度值;

ΔN——裂缝面法线上切割法线的裂缝数;

ΔL——法线长度。

表2 页岩裂缝宽度发育情况统计

裂缝的产状包括裂缝的走向、倾向和倾角。其分类如表3所示。

表3 裂缝类型与渗透率描述

裂缝的充填情况，裂缝被杂基、胶结物充填程度。可分为张开缝，基本无充填物；闭合缝，基本无充填物；半充填缝，有部分充填物；完全充填缝，裂缝被完全充填。也可据填隙物类型把页岩孔裂隙充填作用分为钙质充填、硅质充填、粘土矿物充填、铁质充填等类型，萤石、天青石、钾盐、重晶石等也可以充填物的形式出现在孔裂隙之间。

裂缝的溶蚀情况，缝面被地下水溶蚀改造程度。变化较大，由几毫米变化到几米[8]。

4 天然裂缝的识别方法

泥页岩裂缝的识别方法与碳酸盐岩、砂岩和火山岩及变质岩裂缝的识别方法没有太多的差别。但由于富含有机质泥页岩裂缝的形成机制和发育的地质条件的特殊性,决定了其还存在有不同于其他岩石类型的裂缝识别方法,主要有以下几种方法：

地质法及岩石学法；它是利用泥页岩野外露头、钻井岩芯和岩石样品薄片识别裂缝的重要方法[10],可以为泥页岩裂缝的研究提供第一手资料。但是,该方法不可能直接获得泥页岩裂缝储集性能定量资料。而只能获得岩石物质成分、结构与构造、裂缝组系体积密度及其方位等与裂缝有关的参数资料。据此可以计算出裂缝渗透率、裂隙率和裂缝密度。

异常孔隙流体压力法:异常高的孔隙流体压力是形成裂缝的内在动力,厚层泥页岩地层中异常压力越大,产生裂缝的可能性就越大。因此,可以根据泥页岩地层中异常压力的分布情况来推测裂缝的可能发育区。如果孔隙流体压力大于静水压力时,表明泥页岩系是欠压实地层,具有高的孔隙流体压力,为可能的裂缝发育带,且超压越大,潜在的裂缝发育程度就越高。

钻井、录井法：在钻井和录井时,发生井涌、井漏和钻井液向井口外溢等现象时,钻速加快、气测异常、泥浆槽面显示活跃,井径曲线表现出明显的扩径现象。根据这些特征,可对全井的裂缝发育段进行大致的判断[11-13]。D指数也称地层可钻性指数(无量纲)[14],是对地层可钻性的反映,当钻遇异常高压(泥岩)层时,由于地层欠压实,孔隙度增大,机械转速也会相应发生变化。

地震法：利用地震资料进行裂缝检测的方法研究,先后经历了横波勘探、多波多分量勘探和纵波裂缝检测等几个阶段。在此过程中提出了许多新颖实用的理论方法。近几年来,在用纵波地震资料进行裂缝勘探方面取得了长足的进步[15],并开始由以前的定性描述向利用纵波资料定量计算裂缝发育的方位和密度方向发展[16]。

井间压力干扰试井法：单井试井与多井干扰试井相结合,通过单井试井可以了解井筒附近地层的情况,如井筒存储、表皮效应及地层渗透率等。通过多井干扰试井可以了解井间地层的情况,如地层的连通情况、裂缝分布等。压裂前测试与压裂后测试相结合,压裂前测试可以确定压裂前地层渗透率及油井产能,以便选择出合适的压裂规模。压裂后测试用于评价压裂效果,如确定压裂后的地层渗透率、裂缝长度、裂缝导流能力等。

5 结论

（1）泥页岩中的裂缝主要分为以下5种：构造缝（张裂缝和剪裂缝）、层间页理缝、层面滑移缝、成岩收缩微裂缝和有机质演化异常压力缝。各种裂缝的地质成因、识别特征和分布规律都不尽相同，还可根据裂缝的形成原因划分为原生裂缝和后生裂缝。 （2）页岩裂缝的基本参数一般包括宽度/张开度、长度、间距、密度、产状、充填情况、溶蚀改造情况等。这些参数与计算裂缝的孔渗性和渗透率直接相关。

（3）裂缝的识别特征和成因机制各不相同，可以通过地质法及岩石学法、异常孔隙流体压力法、钻井、录井法、地震法、井间压力干扰试井法等识别页岩储层中的裂缝。

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P618.13

A

1004-5716(2015)02-0073-04

2014-12-21

陈叶（1992-），女（汉族），四川泸州人，中国矿业大学（北京）在读硕士研究生，研究方向：非常规油气。