重庆南川地区页岩节理剪裂角发育特征及控制因素分析

邹 艳, 刘 刚

( 1.中煤航测遥感集团有限公司,陕西 西安 710199;2. 陕西能源职业技术学院,陕西 咸阳 712000 )

0 引言

岩石裂缝一直以来都是油气开发研究的重要课题,它关系着油气的储集及运移等方面,是决定油气藏开发效果的关键因素[1-2]。目前,学者们就岩石的裂缝的分类、研究方法及与油气开发效果方面开展了大量的研究工作,也取得了一定的认识[3-5],但整体而言,裂缝研究多集中在定性研究上面,定量化研究仍有所欠缺。鉴于此,论文选取可量化表征裂缝形态特征的剪裂角作为切入点,以南川地区龙马溪组页岩为研究目标,量化分析了研究区节理剪裂角的发育规律,并开展相关控制因素分析工作,为丰富裂缝研究及指导油气开发提供了新的思路与认识。

1 研究区地质背景

研究区位于重庆东南,地层自寒武纪沉积以来,除缺失泥盆系外,至侏罗系均具有一定程度的发育,其中志留系龙马溪组页岩是本次研究的目标地层,该地层厚约280 m,全区分布稳定。

研究区经历了多期的构造演化,导致研究区构造分布特征具有一定的差异性,根据研究区构造特征及沉积史将研究区分为三个构造层:加里东期构造层、华力西—印支期构造层、燕山—喜马拉雅期构造层;区内构造主要以褶曲构造及断层构造发育为主,各构造延伸方向虽有一定的多变性,但整体以NE向展布为主,区内东北部及南部构造相对复杂,褶曲及断层构造相对发育(图1)。

图1 研究区构造纲要图

2 节理剪裂角表征裂缝特征的分析基础

理论上,在力的作用下岩石内部会产生一对共轭最大剪应力面,岩石会沿这两个最大剪应力面破裂,产生两条共轭裂缝,两者的夹角称为共轭剪裂角β(剪裂角为共轭剪裂角的一半,即β/2),受岩石内摩擦角θ的影响,不同岩石节理节理剪裂角存在着一定的差异(图2)。

图2 剪裂角示意图(据文献[6]修编)

节理剪裂角是反应共轭节理裂缝形态特征的参数,是体现共轭节理裂缝夹角大小(图1中∠AOB)及优势延伸方向(图1中OC向)的重要表征,是可量化研究共轭节理裂缝发育规律的有效手段。加之研究区基岩出露条件较好,共轭节理裂缝较为发育,为本次研究提供了充足的基础数据,所以基于节理剪裂角形态特征,以节理剪裂角的大小及方向为抓手,开展研究区共轭节理裂缝发育特征研究,可以为页岩裂缝的量化研究提供新的思路。

3 研究区节理剪裂角发育特征

为了探究研究区节理剪裂角发育特征,对南川地区龙马溪组页岩开展了系统的野外节理测量工作,共完成野外工作点116个,测量节理2 713条,并绘制研究区节理走向玫瑰花图(图3),结果表明,研究区节理走向主要发育有4个优势方向,分别为NE、NEE、NWW和NNW,最优方向为NE向。

图3 研究区节理走向玫瑰花图

进一步统计研究区共轭节理裂缝及对应剪裂角参数发现,研究区节理剪裂角大小分布主要介于20°～44.5°之间,平均为34.17°,其中主要以大于30°的剪裂角发育为主,节理剪裂角发育的优势方向为NWW、NW和NE向,其中又以NE向和NW向为最优方向,与整体节理走向优势发育方向具有一定的相关性。

4 节理剪裂角的影响因素分析

节理剪裂角作为共轭节理裂缝发育特征的重要表征,其发育情况与页岩共轭节理裂缝形态息息相关。构造、岩性、矿物成分及岩石力学性质等条件是影响岩石裂缝的重要因素[5],也将直接影响节理剪裂角的发育情况。因此,在综合研究区野外地质资料的基础上,利用实验测试手段,重点探究了研究区构造、岩石力学性质及岩石成分等各项因素对研究区页岩节理剪裂角的影响。

4.1 构造作用对节理剪裂角的影响

构造作用是影响共轭裂缝发育的重要因素,进而间接影响剪裂角的发育情况。自震旦纪以来,研究区及其周缘地区经历了多期的构造作用[7],其中燕山早—中期、燕山晚期及喜山期三期构造运动对研究区的影响尤为明显。经研究区构造应力场恢复发现(图4),燕山早—中期,研究区主要经受NW—SE向的挤压应力,产生NW或NNW向的断裂;燕山晚期,研究区主要经受NWW—SEE向的挤压应力,使得研究区主要形成以NWW、SEE、NW及SE向的节理;在喜山期,研究区经受了应力由NW—SE向NE—SW扭变之后,形成了一系列NE及NNE向的断裂。

图4 研究区燕山早—中期、燕山晚期及喜山期构造应力场图

通过对比分析研究区不同时期应力方向与节理剪裂角优势方位的关系可以看出,由于不同期次构造应力方向的变化,对研究区节理剪裂角优势发育方位具有一定的控制作用:

燕山早—中期,研究区主要经受NW—SE向的挤压应力,产生NW或NNW向的断裂,这与研究区发育的NWW、NW向的节理剪裂角发育特征相吻合;燕山晚期,研究区主要经受NWW—SEE向的挤压应力,使得研究区多发育NWW、NW向的节理剪裂角;在喜山期,研究区经受了应力由NW—SE向NE—SW扭变之后,形成了一系列NE及NNE向的断裂,这使得研究区发育了一系列NE向的节理剪裂角。

整体而言,研究区节理剪裂角发育方向主要受燕山早—中期、燕山晚期及喜山期的构造应力场控制,不同方向的节理剪裂角分布特征与不同期次的构造应力场方向吻合,最终使得研究区节理剪裂角主要呈NWW、NW和NE向展布。

研究区经历了多期的构造演化,使得区块范围内不同区域构造发育特征有所差异,为了探究区块尺度的构造差异对节理剪裂角发育的影响,对研究区不同构造位置进行了钻孔样品采集(图5),并开展了相关实验测试工作。

图5 研究区I—I’地质剖面不同构造部位钻孔分布示意图

从样品宏观裂缝发育特征来看,位于褶曲核部的ZK1样品宏观节理剪裂角最为发育(图6),这与研究区野外节理剪裂角观测结果相似,其中构造条件较为复杂小河坝及元村地区的节理剪裂角发育情况明显优于构造相对简单的三泉镇及鱼泉地区,这主要是因为小河坝及元村地区除了规模较大的褶曲构造外,还发育了不同规模次级断裂构造,说明该区域遭受了较为强烈的构造应力,使得研究区地层发生了明显的变形及破裂,尤其在褶曲核部位置,由于应力相对集中,对核部地层的改造作用强烈,节理及节理剪裂角相对发育。

图6 ZK1宏观节理剪裂角发育情况

另外,根据钻孔样品并结合前期所采的野外定向样,利用单个光片可视面积为统计单位(光片样品规格一致),对不同构造部位显微节理剪裂角的发育情况进行了统计,并对比分析了节理剪裂角数量与构造核部距离的关系(图7)。从两者的关系图上可以看出,虽然多数样品显微节理剪裂角不甚发育,但整体上还是表现出随着距离褶曲核部距离的增加,节理剪裂角数量具有降低的趋势。

图7 X型剪节理数量与褶曲核部距离的关系

综上所述,通过对比分析研究区节理剪裂角发育情况与研究区构造特征的关系表明,构造演化影响着区域构造格局形成的同时,控制着节理剪裂角的发育方向。区域构造特征是影响节理剪裂角发育情况的重要因素,单从构造角度来讲,不同的构造部位应力状态具有一定能的差异,构造条件越复杂,岩层受力改造程度越强,节理剪裂角越发育,且随着距离褶曲核部距离的增加,节理剪裂角发育数量有随之增大的趋势。

4.2 岩石成分对节理剪裂角的影响

岩石的矿物成分及有机碳含量等非构造因素也是影响页岩裂缝发育的重要方面[8-10],影响剪裂角发育情况,对此,通过测定研究区不同页岩样品的岩石成分特征,对比分析了其对节理剪裂角发育的影响。

4.2.1 页岩成分特征

页岩岩性及矿物成分是控制裂缝发育的主要内在因素[5],对此利用X射线衍射实验获得了研究区页岩中的矿物成分及其含量数据,样品来自研究区龙马溪组页岩,共计8个,实验测试结果见表1。

表1 研究区泥页岩矿物成分

4.2.2 页岩成分对节理剪裂角的影响

岩石力学性质是影响页岩节理构造(节理剪裂角)发育的重要因素,控制着节理构造发育密度的同时,也影响着节理剪裂角的大小特征。从上文可以看出,研究区页岩由于矿物含量的不同,导致其力学性质的差异,进而也会影响节理构造(节理剪裂角)的发育。为了探究页岩成分对节理构造的影响,对以上全岩测试样品同时进行了配套的裂缝观察工作(同一样品分组测试),从而掌握各岩石成分与裂缝发育情况的关系。

由图8可见,不同页岩样品的裂缝发育程度有所差异,对此利用面缝率(裂缝总面积与薄片面积之比)与各矿物含量的关系来定量表征页岩成分参数对节理裂缝的影响。其中脆性矿物(石英和长石)是影响页岩脆度的重要因素,与岩石中裂缝发育情况之间的关系最为密切[11],统计分析发现,页岩中脆性矿物含量与页岩裂缝的发育程度之间有着密切的关系(图9),其中石英与长石含量与裂缝发育的面缝率之间呈正相关关系,整体表现出随着石英及长石等脆性矿物含量的增加,面缝率有随之增大的趋势,即可说明岩石成分是影响裂缝发育的重要因素,脆性矿物含量越多,岩石脆性越强,在同等应力条件作用下,裂缝相对越发育。

图8 页岩裂缝发育情况

图9 脆性矿物(石英、长石)含量与薄片面缝率的关系

页岩成分中矿物含量的差异,导致岩石脆性参数不同,影响节理裂缝的发育密度,而岩石的硬脆性特征又是岩石力学与强度特征的体现,通常硬脆性岩石,具有较小的泊松比和较大的内摩擦角,软塑性岩石具有较大的泊松比和较小的内摩擦角[12],内摩擦角的大小是影响节理剪裂角大小的重要因素,所以岩石的脆性参数影响着节理裂缝的发育密度,同时又通过影响岩石内摩擦角大小控制着研究区页岩节理剪裂角大小的分布特征。

因此页岩的脆度系数也可看作是页岩节理剪裂角的间接表征。Jarvie(2007)[13]在研究泥页岩的岩石脆度时,曾用石英在石英+碳酸盐岩+黏土矿物含量之和中的占比来代表;而李政(2011)[14]在研究东营凹陷页岩气将此比例定名为石英脆度,并将石英+碳酸盐岩在石英+碳酸盐岩+黏土矿物含量之和中的占比定名为总脆度。由X射线衍射实验可知,研究区页岩样品黏土矿物含量较低,且整体主要以石英和碳酸盐岩矿物分布为主,由此计算出的总脆度差异不大,因此本次研究基于研究区实际情况,将石英脆度代替总脆度,即页岩脆性系数计算公式:

BI=WQ/(WQ+WC+WCl)×100%

BI表示为脆性系数;WQ为石英含量;WC为碳酸盐岩含量;WCl为页岩中黏土矿物含量[13,15],计算发现研究区页岩脆性系数介于28.88%～82.38%之间,平均50.67%。

岩石脆度影响着页岩节理剪裂角的大小,由于不同页岩样品岩石成分的差异,导致其节理剪裂角大小分布特征具有一定的差异,其中统计的8个页岩样品中平均节理剪裂角介于11.4°～34.95°之间,平均23.97°,通过对比不同样品页岩脆性系数与平均剪裂角大小的关系发现(图10),两者之间具有一定的相关性,虽然个别样品节理剪裂角的发育程度较差,导致节理剪裂角大小统计数据相对较少,可能对两者的分布关系具有一定的影响。但整体来看,页岩的脆性系数是影响剪裂角大小的重要因素,随着页岩脆性系数的增加,节理剪裂角有随之减小的趋势。

图10 页岩脆性系数与节理剪裂角大小的关系

综上所述,岩石成分特征是影响页岩节理及节理剪裂角发育的重要因素。其中裂缝发育密度随着石英等矿物含量的增加而增加,而页岩节理剪裂角的大小主要受岩石脆性系数的影响,两者之间呈负相关关系,页岩脆性系数增大,节理剪裂角有随之减小的趋势。

4.3 力学性质对节理剪裂角的影响

通过以上研究发现,不管是构造因素还是岩性因素对节理剪裂角发育的控制,往往都与岩石本身的力学性质有关,岩石的应力敏感性是制约不同应力条件下页岩破裂的形式和规模,是影响节理剪裂角发育的内在因素。

为了探究力学性质对节理剪裂角的影响,利用重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室的RLW-2000M微机控制煤岩流变仪,开展了三轴应力实验测试工作,并配套观测了不同应力条件下页岩样品显微裂缝的发育情况,目的是探究不同性质的页岩在不同应力作用下节理剪裂角的发育特征。实验样品参数见表2。

表2 页岩样品参数

4.3.1 莫尔应力圆分析

莫尔应力圆是分析岩石力学参数的有效方式,也是定性评价岩石内摩擦角的重要手段。根据三轴应力实验得到的页岩应力应变参数,利用莫尔-库伦准则,根据轴向应力σ1与侧向应力σ3的关系可以看出,两者线性关系良好(图11),因此在σ1-σ3最佳关系曲线上,选取若干组对应值,在剪应力τ与正应力σ坐标图上,分别以(σ1+σ3)/2为圆心,以(σ1-σ3)/2为半径完成了莫尔应力圆的绘制(图12)。

图11 LM-3样品σ1-σ3最佳关系曲线

图12 LM-3样品莫尔应力圆

根据莫尔-库伦准则,所有三轴应力破坏下的应力圆都近似和某一直线相切,切点位置正应力σ和剪应力τ近似满足关系:

T=C+σtanφ

式中:C为内聚力;φ为内摩擦角。

从图12上可以看出,正应力σ和剪应力τ之间存在以下关系:

τ=0.5753σ+14.0576

据此便可以确定LM-3样品的内摩擦角参数为29.9°,同理分别计算了其他几个样品的内摩擦角值。整体而言,不同样品具有不同的莫尔应力圆分布特征,内摩擦角值介于29.3°～32.9°之间,平均30.6°。

4.3.2 不同应力条件下节理剪裂角发育特征

从上述实验可以看出,不同岩石样品由于具有不同的莫尔应力圆分布特征,导致其在受力变形特征方面具有一定的差异,从配套的光片观测结果来看,首先裂缝密度与受力大小有关,表现出应力越大裂缝越发育的特征;另外,外力作用下不同页岩节理剪裂角的大小随着页岩力学性质的不同,也具有明显的规律性分布特征,整体表现出岩石力学性质对节理剪裂角大小的制约性,统计发现,LM-2样品节理剪裂角大小分布最大,LM-1样品节理剪裂角大小分布最小。

4.3.3 岩石力学性质对节理剪裂角控制的机理分析

岩石的力学性质是决定外力作用下破裂效果的重要因素,以上实验表明当测试围压一定的情况下,应力作用越大,岩石破碎程度增加,裂缝及节理剪裂角越发育。整体而言,岩石本身的力学性质对节理剪裂角的控制主要体现在对节理剪裂角大小的影响方面,根据三轴应力实验及显微观测结果统计表明,页岩样品的节理剪裂角大小与内摩擦角大小呈负相关关系,即岩石内摩擦角越大,节理剪裂角越小。

这主要是因为岩石内摩擦角是反映岩石的力学与强度特性,揭示岩石变形破坏行为的重要参数[12],是岩石力学性质的重要体现。前文也提到,根据库伦-摩尔强度理论,当岩石所受应力达到或超过其固有的抗剪强度时,岩石就会被剪裂,但此时岩石内部会产生阻挠破裂的内摩擦力,影响岩石破裂效果,导致岩石裂缝夹角(剪裂角)发生改变,该现象可用内摩擦角来表征。由于不同岩石力学性质不同,所产生的内摩擦力和内摩擦角不同,使得岩石破裂的节理剪裂角也不尽相同,因此岩石力学性质通过制约内摩擦角来影响节理剪裂角的大小分布特征。

5 结论

(1)研究区经历了多期的构造演化,节理构造发育,节理剪裂角主要以大于30°的发育为主,优势方向为NWW、NW和NE向,与整体节理走向优势发育方向具有一定的相关性。

(2)构造条件是页岩裂缝形成的关键。构造演化影响着区域构造格局形成的同时,控制着节理剪裂角的发育方向。区域构造特征是影响节理剪裂角发育情况的重要因素,单从构造角度来讲,不同的构造部位应力状态具有一定能的差异,构造条件越复杂,岩层受力改造程度越强,节理剪裂角越发育,且随着距离褶曲核部距离的增加,节理剪裂角发育数量有随之增大的趋势。

(3)岩石成分特征是影响页岩节理剪裂角发育的重要方面。研究区页岩矿物成分主要以石英、方解石和白云石组成,其中石英含量介于28.43%～78.33%之间,平均48.78%;方解石含量介于4.69%～22.31%之间,平均14.75;白云石含量介于6.18%～36.02%之间,平均22.53。其中黏土矿物含量相对较低,仅介于5.88%～13.21%之间,平均10.68%。

页岩成分的差异往往导致其具有不同的岩石力学性质,影响节理剪裂角的发育,整体而言,岩石的裂缝发育密度随着石英等矿物含量的增加而增加,而页岩节理剪裂角的大小主要受岩石脆性系数的影响,两者之间呈负相关关系,页岩脆性系数增大,节理剪裂角有随之减小的趋势。

(4)岩石力学性质是影响节理剪裂角发育的内在因素。页岩力学性质控制着节理剪裂角大小的分布特征。通过对比分析不同力学性质的页岩样品节理剪裂角发育特征,确定了页岩节理剪裂角大小与内摩擦角之间的关系,整体而言,两者呈负相关关系,即岩石内摩擦角越大,节理剪裂角越小。