黔东南地区下寒武统页岩裂缝发育特征与主控因素

王濡岳， 王兴华， 龚大建， 尹 帅， 付福全， 陈 恩

( 1. 中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院，北京 100083； 2. 中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083； 3. 中国国储能源化工集团股份公司，北京 100107； 4. 西安石油大学 地球科学与工程学院，陕西 西安 710065 )

0 引言

页岩气生成并储集于富有机质泥页岩层系，具有源、储一体的特征[1]。涪陵页岩气田的发现标志中国页岩气勘探开发实现重大突破[2-3]，在非常规油气开发与能源结构优化方面具有引领示范作用。下寒武统富有机质页岩物质基础好、分布面积广[4-8]，具备页岩气资源开发潜力。同时，页岩成熟度较高，构造—成岩改造强度大、保存条件复杂，有机孔发育程度低[9-13]。天然裂缝的发育能够改善页岩储、渗能力，对页岩气的富集、保存与开采效益具有重要影响[14-19]。Bowker K A等[14]指出，福特沃斯盆地Barnett页岩在靠近断层与构造变形区(背斜与向斜)页岩气产量较低，区域裂缝非常发育，但不利于页岩气的生产；开启裂缝较为罕见且与页岩气产量关系不大。Gale J F W等[15]研究认为，高角度天然裂缝在Barnett页岩中较为常见，常呈雁列式排列，裂缝开度较小，通常小于0.05 mm，且绝大部分被充填，裂缝总数遵从幂律分布，可能存在部分大型开启裂缝聚集带；大型天然开启裂缝带能够提高页岩孔渗能力，但阻碍人工诱导缝的延伸；规模较小的充填缝与最大主应力方向近乎垂直，且在压裂改造下易再度开启与活化，有利于页岩气的增产。Gale J F W等[16]分析北美18个页岩气区块的页岩裂缝类型、充填、方位、规模等，指出天然裂缝具有局部高丰度、尺度(高度、长度和开度)变化大、弱力学强度矿物充填或发育残余孔隙等特征，能够增强或降低页岩气产率，影响地下流体流动及岩石强度。

黔东南地区下寒武统发育牛蹄塘组与变马冲组两套黑色页岩，其中牛蹄塘组为被动大陆边缘深水陆棚沉积[20]，岩性以黑色硅质页岩为主；变马冲组为一套以陆棚与前三角洲相为主的海相—过渡相沉积层系[21]，砂泥岩互层的岩性组合与陆相、过渡相富有机质页岩具有一定相似性。目前，商业性开发的页岩气多产于海相地层，但中国陆相与过渡相页岩发育广泛，是未来页岩油气勘探开发的重要接替领域，分析研究区牛蹄塘组与变马冲组二段页岩裂缝发育特征与主控因素，对中国国海相与陆相页岩裂缝研究具有参考借鉴意义。以黔东南岑巩地区牛蹄塘组和变马冲组二段(变二段)为例，笔者利用岩心、薄片观察及样品分析测试资料，分析下寒武统页岩裂缝发育特征、主控因素及其差异性，为页岩气下一步勘探开发提供参考。

1 地质背景

研究区地处贵州省黔东南苗族侗族自治州东北部、铜仁市西南部(见图1)，位于上扬子地块东南缘湘鄂西隔槽式褶皱带[11]，早寒武世为被动大陆边缘深水陆棚沉积[20-21]，发育牛蹄塘组与变马冲组两套富有机质页岩。牛蹄塘组与变二段在研究区内发育稳定、厚度大，页岩气物质基础条件较好。牛蹄塘组地层厚度为59.0～70.0 m，岩性底部为黑色硅质岩及磷块岩夹黑色高碳质页岩；下部为灰黑色硅质页岩、灰黑色泥岩与灰黑色页岩呈不等厚互层，见星点状黄铁矿分布；上部为深灰色、灰色中厚层状泥岩、粉砂岩。变二段地层厚度为162.0～172.0 m，岩性以深灰至灰黑色页岩、页岩与细砂—粉砂岩不等厚互层为主，共含4段单层厚度大于15.0 m的纯页岩段，单层最大厚度为35.5 m。牛蹄塘组和变二段TOC质量分数分别为0.40%～10.50%和0.70%～1.70%，平均分别为4.60%和1.30%，有机质类型以Ⅰ型为主。两套页岩的矿物组分以硅质及黏土矿物为主，其中变二段页岩石英平均质量分数为35.00%，黏土矿物平均质量分数为44.70%；牛蹄塘组石英质量分数较高，平均为47.40%，黏土矿物平均质量分数为23.30%。

图1 研究区构造位置Fig.1 Structural location of the study area

2 裂缝发育特征

2.1 类型

根据裂缝成因，可将研究区裂缝划分为构造缝与非构造缝，构造缝主要包括高角度剪性缝、张/压扭性裂缝和低角度滑脱缝。牛蹄塘组与变二段岩心构造缝主要发育高角度剪性缝和低角度滑脱缝；非构造缝主要为层理缝与层间缝(见图2)。受多期构造运动影响，裂缝具有多期充填与改造的特点。高角度剪性缝延伸较长，常呈一定的组系和方向性，为区域或局部构造应力下页岩发生脆性剪切破裂形成的(见图2(a-b))。低角度滑脱缝面常见擦痕、阶步和光滑镜面(见图2(c-d))。层理缝开度较小，与成岩及沉积过程中沉积物成分、结构差异有关，层理面一般对应力学转换面；在沉积与成岩演化过程中，层理面裂开形成层理缝，具有低电阻率特征(见图2(e-f))。层间缝主要由负荷减小引起的应力释放造成，富有机质页岩生排烃形成的异常高压利于顺层纤维状脉体发育(见图2(g-h))，为油气高压排烃和运移的标志[22]。此外，在变二段砂岩及砂泥互层的不同岩性中裂缝发育存在差异(见图2(i))，裂缝在砂岩中开度较大，延伸终止于泥页岩段，且开度逐渐减小。

图2 研究区页岩岩心裂缝特征Fig.2 Characteristics of core fractures in the study area

2.2 发育特征

研究区牛蹄塘组与变马冲组页岩岩心裂缝参数统计结果(见图3)表明，牛蹄塘组与变二段砂泥互层段裂缝以构造缝为主，倾角以高角度(75°～90°)为主，占比大于60%；其次是低角度(0°～15°)层间缝、层理缝及滑脱缝；斜交缝(倾角为15°～45°)占比极低。

变二段页岩裂缝以低角度层理缝、层间缝和滑脱缝为主，占比大于70%，高角度构造缝占比小于25%，斜交缝占比小于5%(见图3(a))。裂缝开度为0.2～1.0 mm，砂泥互层段裂缝开度略大于纯页岩段的，与岩心观察结果一致(见图2(i)、图3(b))。

图3 研究区岩心裂缝参数统计Fig.3 Statistics of core fracture parameters in the study area

裂缝长度总体为0～10 cm，变二段页岩与砂泥互层段裂缝长度略大于牛蹄塘组页岩的(见图3(c))。裂缝充填程度总体较高，其中牛蹄塘组最高，变二段砂泥互层段次之；变二段页岩半充填与未充填裂缝比例相对较高(见图3(d))。

裂缝微观特征(见图4)表明，方解石充填缝中解理与次级孔、缝发育，裂缝中方解石充填物与生物骨架内部见溶解与交代产生的次生孔缝，对页岩储层孔、渗具有一定程度贡献(见图4(a-c))。微米—纳米尺度下，页岩裂缝以非构造层间、粒间与粒内缝为主，开度达微米级；层间方解石、石英和黄铁矿等刚性矿物有利于粒间孔缝的发育与保存，面孔率较高，胶结薄弱，其顺层分布促进层理缝与滑脱缝的形成(见图4(d-e))。挤压与滑动作用使滑脱缝面矿物具有碎裂化结构，颗粒磨圆与破碎度高，粒间孔、缝发育(见图4(f))。微米—纳米级微裂缝与宏观裂缝互相沟通，构成裂缝网络，有效增加页岩储集空间，增强渗透能力。

3 裂缝发育主控因素

3.1 构造因素

构造因素是裂缝发育控制因素之一。下寒武统地层时代较老，经历早古生代加里东、晚古生代海西、中生代印支和燕山、新生代喜马拉雅5期构造运动，多期构造运动在方向、大小、范围及深度方面不一致，重置叠加形成研究区复杂的构造背景。基于阴极发光和流体包裹体等分析方法，杨平等[23]研究黔北震旦系灯影组流体活动与油气成藏期次，认为黔北地区牛蹄塘组页岩共经历三期油气成藏与一期气藏破坏。此外，多期构造运动产生一系列褶皱和断裂，断层褶皱相关裂缝发育[17,24]。页岩塑性较强，易发生滑脱与变形，形成顺层滑脱裂缝与层间微型褶皱。在褶皱和断裂附近，裂缝规模通常较大，随与褶皱断裂距离的增大和变形程度的降低，裂缝规模逐渐变小。

研究区CY1井距断裂距离较TX1井的更近，CY1井的裂缝发育程度大于TX1井的[10,17]，对应的页岩含气量明显降低。多期构造运动的叠加改造使裂缝受到不同程度的活化与改善(见图2、图4)，有利于增强裂缝的有效性。当构造作用过于强烈时，高角度穿层裂缝规模过大，导致页岩气过早散失。因此，适度构造作用下，小尺度裂缝大量发育，即“断而不穿，裂而不破”的状态最为理想[3,11]。

图4 研究区页岩裂缝微观特征Fig.4 Microscopic features of fractures in the study area

3.2 岩性与矿物组分

岩性与矿物组分对岩石力学性质具有重要影响。根据研究区TX1井资料(见图5)，牛蹄塘组页岩动态杨氏模量高于变二段页岩的，而泊松比低于变二段页岩的，表明牛蹄塘组页岩脆性更强。受砂泥岩岩石力学性质差异影响，岩性变化界面附近页岩裂缝密度明显增加。页岩抗剪强度较低，在相同区域水平应力作用下更易沿层理面剪切滑动，形成低角度滑脱缝。石英作为最主要脆性矿物，质量分数直接影响岩石力学性质，变二段页岩、砂岩及砂泥互层地层的动态杨氏模量与石英质量分数呈正相关关系，泊松比与石英质量分数呈负相关关系(见图5(a))；变二段页岩裂缝密度与石英质量分数具有较好正相关关系(见图5(b))，且脆性较大的砂岩与砂泥互层段的高角度构造裂缝发育程度明显强于纯页岩段的(见图2(i)、图3)。牛蹄塘组石英质量分数与动态杨氏模量、泊松比之间具有分段式关系[25]，当TOC和石英质量分数过高时，动态杨氏模量开始降低[25](见图5(c))，同时石英质量分数与裂缝密度之间也具有相似关系(见图5(d))。

图5 研究区TX1井页岩石英质量分数与岩石力学参数、裂缝发育程度关系Fig.5 Correlations between quartz content, rock mechanical parameters and fracture density of the shales in well TX1 of the study area

3.3 TOC质量分数

TOC质量分数是影响黑色页岩裂缝发育程度的重要因素之一。牛蹄塘组与变二段页岩藻类与海绵骨针大量发育，使石英与TOC质量分数呈正相关关系[11]，而石英质量分数与裂缝密度的正相关关系使TOC、石英质量分数和裂缝密度三者具有协同变化规律。富有机质页岩生排烃阶段往往形成异常高压，并伴随发育水平方解石充填生排烃裂缝。研究区下寒武统页岩层间方解石充填缝较为发育，部分方解石充填物呈纤维状结构，且TOC质量分数与层间方解石充填缝密度呈良好正相关关系(见图6)，与东营凹陷沙三下亚段陆相页岩层间方解石充填缝与TOC质量分数关系相似[26]，表明TOC质量分数对层间超压缝等非构造缝的发育具有重要影响。

图6 研究区页岩TOC质量分数与层间方解石充填缝密度关系

3.4 地层厚度

图7 研究区地层厚度与裂缝密度关系Fig.7 Correlation between strata thickness and fracture density in the study area

天然裂缝的形成与分布除受构造应力控制外，还受岩石力学层控制，厚度大的地层均质性和能干性要强于厚度小的地层的。在一定厚度范围内，随地层厚度增大，裂缝密度降低，裂缝尺度增大；地层厚度越小，裂缝密度越大，裂缝尺度也随之减小[27]。研究区地层厚度与裂缝参数统计分析(见图7)显示，随地层厚度的增加，裂缝密度逐渐降低。砂泥互层段地层厚度较薄，裂缝密度高于纯页岩段的，且受控于地层厚度，裂缝尺度较小，对保存条件影响也较小(见图2(i))。对于富有机质页岩，TOC质量分数与层间方解石充填超压裂缝的正相关关系，以及密集发育的层理缝将页岩拆分为多个岩石力学层，使低角度裂缝对高角度裂缝的发育具有调节作用，能够有效避免穿层裂缝的形成。

3.5 综合分析

中国南方经历多期强烈构造运动，页岩中构造裂缝大量发育，其形成主要受控于构造应力与岩石力学性质。下志留统龙马溪组页岩的TOC质量分数、石英质量分数、脆性及裂缝发育程度具有良好耦合关系，加之良好的保存条件与地层压力系数，使焦石坝五峰组—龙马溪组具有“五性一体”页岩气富集特征[2]。研究区变二段页岩TOC质量分数、石英质量分数、脆性及裂缝发育程度同样具有良好的耦合关系。对于牛蹄塘组，过高的TOC质量分数易降低页岩脆性，使岩心裂缝发育程度与TOC、石英质量分数之间产生先升后降的关系[17,25]。不同TOC质量分数条件下，页岩裂缝发育特征：

(1)当TOC质量分数小于6.00%时，TOC质量分数、石英质量分数和脆性三者之间存在正相关关系，即随TOC、石英质量分数增加，裂缝总量增加，岩心中高角度构造缝、层间缝与低角度滑脱缝较为发育，构成裂缝网络系统(见图8(a-c))。

图8 不同耦合条件下页岩裂缝发育特征Fig.8 Fracture characteristics of different coupling conditions in marine shales

(2)当TOC质量分数大于6.00%时，页岩脆性降低，构造裂缝数量下降，裂缝总量减少，但TOC质量分数与层间方解石充填缝的正相关关系促进层间缝的发育；同时，较高的TOC质量分数使页岩粘聚力和内摩擦角较低，更易发育具有擦痕、阶步及镜面特征的低角度滑脱缝与高角度张/压扭性裂缝(见图8(d-f))[17]。此外，受多期构造运动影响，早期不同类型与倾角的裂缝易重新开启与活化(见图8(e-f))，造成TOC质量分数过高的层段裂缝总量减少，低角度滑脱缝与高角度张/压扭性裂缝所占比例增加。裂缝通常未充填或为碎裂化矿物充填，裂缝有效性高(见图4(f))，对页岩比表面与孔渗具有重要贡献，即裂缝数量减少、质量提高。

4 结论

(1)黔东南地区下寒武统黑色页岩构造缝类型主要为高角度剪性缝、张/压扭性裂缝及低角度滑脱缝，非构造缝主要为层理缝和层间缝。牛蹄塘组裂缝发育程度高，高角度构造缝大量发育；变二段页岩裂缝以层理缝、层间缝和低角度滑脱缝为主。多期构造运动、成岩作用使构造缝与非构造缝之间常呈组合或叠加形态，并受到不同程度的活化与改善。

(2)研究区页岩裂缝主要受构造应力、岩性与矿物组分、地层厚度及TOC质量分数等因素影响。其中构造作用与脆性是构造缝发育的主控因素，TOC质量分数的增加有利于层理缝、层间缝、低角度滑脱缝及张/压扭性裂缝发育，同时调节高角度裂缝的发育，避免穿层裂缝的形成。

(3)研究区变二段和牛蹄塘组页岩TOC质量分数、石英质量分数、脆性及裂缝密度之间具有良好耦合关系。牛蹄塘组中部TOC质量分数(大于6.00%)过高的层段裂缝总量减少，但张/压扭性裂缝与低角度滑脱缝比例增大，裂缝有效性增强。

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