黔北地区牛蹄塘组页岩储层裂缝特征

谷 阳, 徐 晟, 张 炜, 姜重昕, 赵相宽

(1.中国地质调查局地学文献中心， 北京 100083； 2.中国地质图书馆， 北京 100083)

近年来，全球大部分国家的煤炭、石油等常规化石能源开采进入瓶颈期，一些大型油田的产量较巅峰时期下降明显，随着能源需求的与日俱增，常规油气的开采已经不能满足人类的生活需要，能源危机已成为世界各国经济发展中的严重阻碍。随着美国页岩气革命的成功，促使美国从一个天然气进口国一跃成为世界天然气出口大国，页岩气所占美国干气的比例不断上升。美国“页岩气革命”的成功及焦石坝页岩气高产的关键因素之一是富有机质页岩内部发育有大量的微裂缝[1-5]。在水力压裂时，天然裂缝的发育将会促进网状裂缝的形成，有利于页岩气的产出，此时新生成的压裂缝不再顺着最大主应力方向延伸[6-8]。与北美相比，中国南方上扬子地区下古生界海相富有机质页岩层系具有丰富的页岩气资源，由于受多期构造活动的影响，造成中国南方上扬子地区褶皱变形强烈，断裂系统发育、岩石力学各向异性明显、地应力和天然裂缝分布不清等问题，导致南方复杂构造区下古生界海相页岩气开采效果不佳。其中，下寒武统牛蹄塘组页岩具有较大的沉积厚度和广泛的分布面积，过高的热演化程度使其有机质孔隙发育程度较低，天然裂缝的发育，在采用有效的压裂增产改造措施后，易形成具有导流能力的复杂网状缝，实现页岩气经济有效的开发[9-11]。目前，对页岩储层天然裂缝形成机制和发育模式的研究并不深入，导致对南方复杂构造区页岩气“甜点”的预测缺乏有效指导[12-14]。因此，对中国南方复杂构造区下寒武统牛蹄塘组页岩储层裂缝特征的研究十分必要。

现以黔北凤冈区块为例，通过对研究区YX-1井岩心裂缝观测与统计，结合镜下观察和岩心测试资料等，对牛蹄塘组页岩储层裂缝发育特征进行详细阐述；同时，通过矿物含量分析、有机碳丰度、岩石力学性质等分析了页岩裂缝发育的主控因素。

1 区域地质特征

从大地构造上，凤冈区块所处的黔北地区位于上扬子地台区(图1)。研究区构造演化受扬子地台形成演化影响，二者具有较好的一致性。扬子地台属于中国南方前寒武纪克拉通，扬子地台的北部为秦岭-大别山造山带，南部为垭都-紫云断裂、师宗-弥勒断裂、漵浦-四堡断裂，西部为金沙江-哀牢山断裂。地层自前震旦系到第四系均有沉积，绝大部分属于海相沉积，分布厚度较大。其中前震旦系以白云岩和碎屑岩为主，在研究区内未出露。研究区内主要出露的地层主要有寒武系、奥陶系、志留系、二叠系、三叠系，缺失白垩系、侏罗系、石炭系、泥盆系地层，第三系及第四系地层零星分布。

图1 研究区位置Fig.1 Location of study area

牛蹄塘组海相黑色页岩在区内分布广泛，发育稳定，地层厚度在60～150 m(图2)，底部为一套黑色硅质、碳质页岩，向上逐渐过渡为深灰色硅质和粉砂质泥页岩，整体上呈现出一个由深水到浅水相变化的特征；总有机碳(total organic carbon，TOC)介于0.29%～9.36%，平均值为3.12%；等效镜质体反射率Ro分布在1.14%～4.97%，平均值为2.85%；矿物组分主要以石英为主(图3)，含量占20.3%～54.5%，平均值为37.2%；黏土矿物含量平均值为31.5%，以伊蒙混层和伊利石为主，占到了87.0%。

图2 研究区牛蹄塘组页岩厚度分布图Fig.2 Shale thickness distribution map of Niutitang Formation in the study area

图3 研究区牛蹄塘组页岩矿物组分Fig.3 Shale mineral composition of Niutitang Formation in the study area

2 牛蹄塘组页岩储层裂缝特征

2.1 页岩岩心裂缝特征

对研究区内YX-1井牛蹄塘组页岩岩心裂缝特征进行观察统计表明，研究区牛蹄塘组岩心裂缝以构造裂缝为主，主要包括高角度剪性裂缝、高角度张性裂缝、低角度滑脱缝等构造裂缝，也发育部分非构造缝，主要为层间缝。其中高角度剪切裂缝，具有延伸较远、缝面平直的特点，且呈多组系出现，大部分被方解石充填[图4(a)]，亦可见左行雁列式菱形排列的剪裂缝[图4(b)]；高角度张性裂缝在拉张伸展背景下形成的构造缝，缝面参差不齐，常成组系出现，并在周围存在多组伴生裂缝，多被矿物充填[图4(c)]；低角度滑脱裂缝，一般倾角较小，多呈低角度或水平状态，缝面常见明显擦痕、光滑镜面等特征[图4(d)、图4(e)]。层间缝，是在不同岩性交界处软弱带处由负荷减小引起的应力释放、矿物结晶等作用形成的裂缝，缝面多为水平，具有一定的张性裂缝性质，多被黄铁矿和方解石等矿物充填[图4(f)、图4(g)]，是烃源岩中油气生排烃和运移的标志。并且受多期构造活动影响，常见不同成因和期次的裂缝相互叠加改造，形成复杂的裂缝网络[图4(h)]。

图4 牛蹄塘组页岩岩心裂缝发育特征Fig.4 Fracture development characteristics of shale core in Niutitang Formation

对研究区YX-1井牛蹄塘组页岩岩心观测与统计表明：牛蹄塘组页岩岩心裂缝主要以构造裂缝为主，占裂缝总量的87.3%，非构造裂缝发育相对较少，占裂缝总量的13.7%；裂缝倾角多为高角度或垂直为主，占裂缝总量的78.2%，其次为低角度滑脱缝和近水平裂缝(0°～15°)；裂缝长度以1～5 cm 和5～10 cm 为主；开度以0.2～0.5 cm 为主，占裂缝总量的38.5%。从充填情况来看，裂缝大部分被充填，充填比例达到96.1%，主要还是以方解石充填为主，占到裂缝总量的71.3%；未充填缝占裂缝总量的3.9%，主要为层理缝和一些低角度滑脱缝(图5)。

图5 牛蹄塘组页岩岩心裂缝参数统计Fig.5 Statistics of fracture parameters of shale core in Niutitang Formation

2.2 微观裂缝特征

对于基质孔隙度极低的页岩储层来说，微裂缝的发育不但有助于游离态天然气聚集和吸附态天然气解吸，而且也为天然气运移、渗流提供了重要通道。在页岩储集层改造过程中，微裂缝能降低起裂压力，形成人造裂缝网络，增大裂缝总体积，从而提高单井产量和最终采收率[15-16]。

通常情况下，对页岩储层中微观裂缝的观察需要借助光学显微镜和扫描电镜等实验手段完成，其中光学显微镜可以观察到毫米级裂缝，而利用常规扫描电镜、氩离子抛光、核磁共振图像等测试技术可进一步观察页岩储层中纳米级孔隙和裂缝的发育特征。

研究区牛蹄塘组页岩镜下薄片中以构造裂缝为主，裂缝充填程度较高，充填物主要以方解石、硅质和黏土等[图6(a)～图6(d)]。根据裂缝内充填矿物的自形程度和空间关系判断，碳酸盐矿物的形成时间晚于硅质矿物[图6(e)]。同时也可见网状裂缝，不同方向的裂缝相互交切，并可见早期形成的裂缝对后期裂缝的限制作用[图6(f)]，促使微裂缝之间能够有效连通，为页岩气的储存及运移提供了重要场所和空间，增强了页岩储层的渗流能力。虽然被充填的微裂缝对页岩储层渗透率的贡献较小，但这些充填缝在后期水力压裂时容易重新张开且相互沟通，形成缝网系统。然而，研究区牛蹄塘组页岩处于成岩作用晚期，热演化程度较高，成岩裂缝等非构造裂缝发育程度较低，数量较少[17]。

图6 牛蹄塘组页岩裂缝镜下特征Fig.6 Microscopic characteristics of shale fractures in Niutitang Formation

本次研究利用场发射扫描电镜对牛蹄塘组页岩内部微米-纳米级孔缝进行了观察。观察结果显示研究区牛蹄塘组页岩内部微裂缝十分发育，裂缝开度在0.02～8 μm，主要为非构造缝，包括层间缝、粒内缝和粒间缝(图7)。其中黏土矿物定向排列形成的层间缝及黏土矿物转化过程中形成的伊利石、伊蒙混层粒间缝[图7(a)～图7(d)]，常与粒间孔组成孔缝网络，具有较好的连通性，可为页岩气提供运移通道，提高页岩的渗流能力。此外，黄铁矿和碳酸盐矿物等矿物粒间缝具有较大的孔径和面孔率[图7(e)、图7(f)、图7(h)]，为页岩气的储存及运移提供了重要场所和空间，增强了页岩储层的渗流能力。

图7 牛蹄塘组页岩裂缝场发射扫描电镜特征Fig.7 FE-SEM characteristics of shale fractures in Niutitang Formation

3 页岩裂缝发育主控因素分析

3.1 构造因素

研究区地处中国南方复杂构造区，经历了多期大规模的构造运动，区内构造复杂断裂发育，裂缝总体发育程度较高。经统计，研究区牛蹄塘组页岩岩心主要发育构造裂缝，占裂缝总数的87.3%。燕山期是研究区断裂形成最主要的时期，燕山期研究区主要以北西-南东向挤压为主。喜山期构造应力场以近东西向挤压为主，与先期构造具有明显的继承改造关系，喜山运动使燕山褶皱带继承性变形加强。此外，裂缝受多期构造运动影响也具有多期活动的特性，使其遭受了不同程度的改造与活化，促进内部次级孔缝系统发育，提升了充填裂缝的有效性[18]。

3.2 非构造因素

在相同构造应力条件下，裂缝发育情况也往往存在差异性，主要受岩石矿物组分、岩性、有机碳含量、岩石力学各向异性、成岩作用等影响，这部分因素称之为非构造因素。

页岩中的矿物组分主要由石英、碳酸盐岩矿物、长石、黄铁矿及黏土矿物等组成。不同岩性的岩石，其矿物组分、结构、成岩程度也不尽相同。YX-1井岩心裂缝统计表明，TOC和裂缝发育程度呈现二段式分布，当TOC小于6%时，裂缝发育程度与TOC呈正相关关系；当TOC大于8%时，裂缝发育程度降低，与TOC呈负相关关系[图8(a)]。这是由于有机质生烃演化会增加页岩储层内孔隙和残余碳骨架的数量，从而降低了页岩内部结构的稳定性，加大了页岩的脆性，在外力作用下容易产生裂缝。此外，较高的有机质含量会产生大量的烃类气体，增大了页岩储层的内部压力，过高的压力会导致岩石破裂，形成异常压力缝。但是，当页岩内TOC较高时，残存的多孔碳质骨架不足以支撑上覆地层的压力，导致部分孔隙被充填或压实，页岩脆性降低，因此抑制了页岩裂缝的产生[19-20]。研究区牛蹄塘组页岩TOC与石英含量及含气量均具有较好的正相关关系，因此石英含量与裂缝线密度也表现出分段性，即石英含量在20%～50%时，随石英含量的增加，岩心裂缝发育程度呈降低趋势[图8(b)～图8(d)]。

图8 牛蹄塘页岩储层参数与裂缝发育程度关系Fig.8 Relationship between reservoir parameters of Niutitang shale and fracture development degree

在相同的应力条件下，具有高杨氏模量的页岩具有脆性大，抗张强度小的特点，在区域应力作用下更容易形成裂缝。研究区牛蹄塘组页岩中上段发育硅质页岩，下段发育碳质页岩。碳质页岩与硅质页岩相比，具有高杨氏模量、抗拉强度小的特点，受力时更易形成构造裂缝(表1)。B组样品碳质页岩的内摩擦角小于A组样品硅质页岩，反映出硅质页岩的抗剪强度比碳质页岩小，在相同的区域水平挤压或引张应力作用下，页岩更易沿层理面发生剪切破裂，形成低角度滑脱裂缝。

表1 牛蹄塘组不同岩性页岩岩石力学参数Table 1 Mechanical parameters of shale with different lithology in Niutitang Formation

4 结论

(1)研究区下寒武统牛蹄塘组页岩储层中裂缝发育程度较高。岩心裂缝主要以构造裂缝为主，包括高角度剪性裂缝、高角度张性裂缝、低角度滑脱缝，占裂缝总量的87.3%。微裂缝的发育对页岩气的吸附、解析和渗流影响显著，大量发育的微裂缝可成为游离态页岩气的主要储集空间。

(2)研究区牛蹄塘组页岩储层裂缝发育程度受构造因素影响显著，构造因素是裂缝发育的外因，受拉张、挤压和剪切等构造应力作用影响产生不同性质的构造裂缝。另外，非构造因素是裂缝发育的内因，受岩石力学性质、矿物组成、有机质含量等因素影响。