王濡岳，胡宗全，刘敬寿，王兴华，龚大建，杨 滔

[1.中国石化 石油勘探开发研究院，北京 100083； 2.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京 100083；3.中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083； 4.中国国储能源化工集团股份公司，北京 100107；5.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249]

页岩气是生成并储集于富有机质泥页岩层系内，以吸附及游离态为主要赋存方式，一种源、储一体的天然气成藏系统[1]。虽然目前商业性开发的页岩气多产于海相地层，但我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，目前已在四川盆地元坝、涪陵、建南、新场和鄂尔多斯盆地延长探区获得了陆相页岩气突破[2-3]。天然裂缝能够改善页岩的储、渗能力，影响页岩气藏的保存条件与开采效益[4-10]。川、黔、湘交界下寒武统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[11]，对应明心寺组，砂泥岩互层的岩性组合与我国陆相与过渡相富有机质页岩具有一定相似性，其页岩裂缝发育特征亦有重要参考借鉴意义。本文以黔东南地区变马冲组二段(变二段)为例，深入分析了变二段裂缝发育特征、主控因素及海相陆相页岩裂缝发育的差异性，以期对我国页岩油气勘探开发提供参考。

1 地质特征

图1 黔北岑巩地区位置与地层发育特征Fig.1 Location and stratigraphic characteristics of Cengong area,northern Guizhou Province

研究区地处贵州黔东南州东北部，铜仁市西南部(图1)，位于上扬子地块东南缘湘鄂西隔槽式褶皱带。在南华纪裂陷盆地基础上，震旦纪至早寒武世由于沉积环境的不同，黔北地区大致沿龙里—黄平浪洞—石阡本庄—沿河甘溪一线出现沉积相的差异，分为东、西两个相区。研究区位于东部相区，下寒武统除牛蹄塘组外，还发育变马冲组黑色页岩层系(图1)。变马冲组在区内发育稳定，变二段厚度介于162～172 m，以陆棚-前三角洲相为主，岩性以深灰至灰黑色页岩及页岩与细砂-粉砂岩不等厚互层为主。变二段共有4段单层厚度大于15 m页岩段，页岩单层最大厚度35.5 m。变二段TOC介于0.73%～1.72%，平均值为1.33%，有机质类型以Ⅰ型为主；矿物组分以石英和粘土矿物为主，其次为斜长石黄铁矿和碳酸盐岩，石英含量为20.1%～50.8%，平均值为35.0%，粘土含量为21.3%～55.8%，平均值为44.7%，斜长石、黄铁矿和碳酸盐岩均值分别为9.0%、5.6%和5.2%；孔隙度介于1.7%～3.8%，平均值为3.3%；页岩含气量介于0.3～1.3 m3/t，均值1.0 m3/t。总体而言，变二段在TOC、物性、脆性与含气性方面与川东北地区下侏罗统陆相页岩具有一定相似性[12-13]。

2 裂缝发育特征

2.1 岩心裂缝特征

裂缝根据其成因可划分为构造缝与非构造缝，构造缝可进一步划分为剪性裂缝与滑脱性裂缝；非构造缝可进一步划分为成岩裂缝(层理缝、收缩缝和溶蚀缝等)和异常压力缝等裂缝类型[8,14-17]。变二段岩心构造缝主要发育高角度构造缝和低角度滑脱缝；非构造缝主要为层理缝与层间缝(图2)。砂岩与砂泥互层中裂缝以垂直或高角度构造缝为主，其次为低角度及水平缝，页岩以近水平层间缝和层理缝为主，其次为高角度构造缝和低角度滑脱缝。受多期构造运动影响，裂缝具有多期充填与改造的特点(图2a,c—e)。此外，在砂岩及砂泥互层中可见裂缝在不同岩性中的差异发育、微型褶皱、断层及其伴生缝(图2i—k)。川东南涪陵地区下侏罗统自流井组大安寨段陆相页岩与变二段裂缝特征具有一定相似性，即页岩段裂缝主要为层理缝、层间缝及部分水平滑脱缝(图2d,h,l)。受控于齐岳山断裂两侧不同构造改造强度，变二段岩心揉皱变形强度与构造裂缝发育程度均大于涪陵地区大安寨段(图2)。

图2 黔北与川东地区页岩岩心裂缝特征Fig.2 Characteristics of fractures in the cores in northern Guizhou Province and eastern Sichuan Provincea.高角度剪切缝，两期方解石充填，变二段，CY1井，埋深1 183 m；b.低角度滑脱缝，矿物碎裂-糜棱化，变二段，TX1井，埋深1 569.8 m；c.水平滑脱缝，发育于早期方解石充填缝，变二段，TX1井，埋深1 528.3 m；d.水平滑脱缝，大安寨二亚段，FY1井，埋深2 585.3 m；e.高角度构造缝，叠加发育于早期方解石充填缝，见擦痕，TX1井，埋深1 520.1 m；f.层间方解石充填缝，TX1井，埋深1 512.3 m；g.层理缝，TX1井，埋深1 485.8 m；h.层理缝，大安寨二亚段，FY1井，埋深2 602.3 m；i.裂缝在砂岩内开度大、延伸长，终止于泥页岩，TX1井，埋深1 490.7 m；j.微型逆断层及其伴生缝，变二段，TX1井，埋深1 492.7 m；k.微型褶皱及其伴生缝，变二段，TX1井，埋深1 486.1 m；l.挤压揉皱现象及层间方解石充填缝，大安寨二亚段，FY1井，埋 深2 597.5 m

岩心裂缝统计显示(图3)，变二段页岩裂缝以水平缝(0°～15°)为主，砂泥岩地层以高角度与垂直缝为主；裂缝开度普遍小于1 mm，主体介于0.2～1 mm，砂泥岩地层裂缝开度分布更为集中；裂缝长度主体介于0～10 cm，砂泥互层地层裂缝长度较低；充填程度方面，岩心裂缝大部分被充填，充填物以方解石为主，页岩中未充填缝比例较高，主要为层理缝及低角度滑脱缝。此外，变二段页岩裂缝参数特征与涪陵下侏罗统大安寨二亚段陆相页岩裂缝发育特征也具有一定相似性。

图3 黔北与川东地区岩心裂缝参数统计Fig.3 Statistics of fracture parameters in cores in northern Guizhou Province and eastern Sichuan Province

变二段岩心裂缝的发育特征在纵向上变化明显，高角度构造缝主要发育在上、下砂岩层段及中部砂泥互层段；水平层理与层间缝主要发育在中部页岩段(图4)。层理缝发育程度与气测值具有一定对应关系，但在部分层段具有明显幅度差，对应层段页岩非层理缝发育程度较高(图4阴影层段)，表明不同类型裂缝的叠加共同控制了页岩的孔渗与含气性。

图4 黔北岑巩地区TX1井变二段裂缝特征综合柱状图Fig.4 Composite columnar section showing fracture characteristics of the 1b2 in Well TX1,Cengong area,northern Guizhou Province

2.2 裂缝微观特征

变二段页岩裂缝微观特征显示，方解石充填缝中解理与次级孔、缝发育，生物骨架内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(图5a—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，其顺层分布促进了层理缝与滑脱缝的形成(图5d,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(图5f)。微米-纳米级微裂缝与宏观裂缝互相沟通，构成裂缝网络，能够有效增加页岩储集空间与渗透能力。

图5 黔北岑巩地区变二段页岩裂缝微观特征Fig.5 Microscopic characteristics of fractures in the 1b2 shale in Cengong area,northern Guizhou Provincea.高角度方解石充填缝微，方解石内次级裂缝与节理发育特征明显，正交偏光，TX1井，埋深1 527.6 m；b.硅质海绵骨针大量发育，见方解石与黄铁矿交代，TX1井，埋深1 527.6 m；c.硅质海绵骨针内部粒间与粒内溶孔发育，CY1井，埋深1 182.7 m；d.粘土矿物层间缝及黏土、方解石(Ca)与莓状黄铁矿(Py)粒间孔缝，方解石内部见溶蚀孔，TX1井，埋深1 466.6 m；e.石英、黄铁矿与黏土矿物粒间孔缝，TX1井，埋深1 581.1 m；f.滑脱缝面，碎 裂-碎粉化矿物粒间孔缝发育，TX1井，埋深1 544.8 m

3 裂缝发育主控因素

3.1 构造作用与构造部位

构造因素是影响页岩裂缝发育的控制因素之一，裂缝的发育程度受构造应力与构造部位控制明显，在相同岩相条件下，距断层与褶皱核部越近，高角度裂缝与低角度滑脱缝密度越大[7,16]。对于南方海相页岩气，保存条件至关重要，而高角度裂缝的发育规模通常能够反映页岩气的保存条件[8,10]。川东南焦石坝、丁山地区及黔东南岑巩地区构造稳定部位高角度裂缝规模较小，多被方解石充填或半充填，基本未见开启裂缝；而靠近断裂带区域，由于构造作用强烈，高角度裂缝不仅更加发育，且规模变大，开启程度高，保存条件较差[6,8,10]。因此，适度的构造作用能够产生大量小尺度裂缝并避免穿层裂缝与断裂的形成，这种“断而不穿，裂而不破”的状态最为理想[18]。

3.2 岩性与矿物组分

岩性与矿物组分对裂缝发育的影响主要体现在岩石力学性质上，相同应力条件下，低泊松比、高杨氏模量页岩脆性大，利于构造与诱导裂缝发育[7]。此外，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(图4)。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[7,14]。变二段上、下部发育细砂与粉砂岩夹薄层页岩，中部发育黑色页岩夹少量薄层粉砂岩。与页岩相比，砂岩具有高杨氏模量、低泊松比和低抗拉强度的特点，易形成构造裂缝。阵列声波测井能够通过测量纵、横波在岩石中的传播速度计算连续深度原地条件下岩石的动态力学参数并用以评价页岩的岩石力学性质与脆性特征[19-20]。阵列声波测井解释结果显示变二段脆性纵向分布表现为上部与下部砂岩段脆性较高，中部黑色页岩段脆性明显降低，上下部砂岩段裂缝发育程度明显强于中部页岩段(图4)。

石英作为最主要脆性矿物，其含量高低直接影响岩石力学性质，变二段页岩、砂岩及砂泥互层地层动态杨氏模量均随石英含量增加而增大，泊松比随石英含量增加而减小(图6a)。对单矿物含量与裂缝密度间关系统计结果显示，变二段页岩裂缝密度与石英含量具有较好正相关关系，粘土矿物含量与岩心裂缝发育程度则具有一定负相关关系(图6b)。

3.3 地层厚度

图6 黔北岑巩地区TX1井变二段矿物含量与脆性(a)及裂缝发育程度(b)关系Fig.6 Mineral content vs.brittleness (a) and fracture density (b) of the 1b2 in Well TX1,Cengong area,northern Guizhou Province

天然裂缝的形成与分布除受构造应力控制外，主要受岩石力学层控制。岩石力学层指岩石力学行为相近或岩石力学性质相一致的岩层，厚度大地层均质性和能干性要强于厚度小的地层，在一定的厚度范围内，随着层厚增大，裂缝密度降低，裂缝尺度增加；而层厚越小，裂缝密度越大，但裂缝尺度会随之减小[21]。变二段地层厚度与裂缝参数统计分析显示，随地层厚度的增加，裂缝密度逐渐降低(图7)。砂泥互层段地层厚度较薄，裂缝密度高于纯页岩段，且受控于地层厚度，裂缝尺度较小，对保存条件影响较小(图2i—k, 图4)。因此，对于砂泥互层含气页岩层系，顶底部良好封盖层条件下，页岩中部砂泥互层的岩性组合利于裂缝的适度发育、游离气的富集与储层改造。

3.4 TOC含量

在相同构造应力背景下，有机质丰度是影响黑色页岩裂缝发育程度的重要因素之一。变二段页岩藻类与海绵骨针大量发育，使石英与TOC具有正相关关系(图8)，而石英与裂缝密度的正相关性使TOC、石英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，并伴随发育水平顺层纤维状脉体(beef)等生排烃裂缝，其充填物主要为方解石、石英和黄铁矿[22]。研究区变二段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与层间方解石充填缝密度具有良好正相关性(图8)，与东营凹陷沙三下亚段陆相页岩层间方解石充填缝与TOC关系相似[23]，表明TOC对层间超压缝等非构造缝的发育具有重要影响。同时，值得注意的是，水平超压方解石充填缝力学性质薄弱，易成为滑脱缝发育所利用的薄弱面(图2c，d)，因此其发育程度对低角度滑脱缝的发育亦具有促进作用。

图7 黔北岑巩地区变二段地层厚度与裂缝密度关系Fig.7 Relationship between stratum thickness and fracture density in the 1b2 in Cengong area,northern Guizhou Province

图8 黔北岑巩地区变二段TOC与石英及层间方解石充填缝关系Fig.8 Relationship of TOC with quartz contents and calcite-filled interlayer fracture density in the 1b2 in Cengong area,northern Guizhou Province

3.5 储层非均质性

受岩石力学性质差异影响，地层岩性变化处往往是裂缝发育带，相同岩性中，矿物组分非均质性越强、离散程度越高，越易产生裂缝。虽然储层横向非均质性对致密砂岩裂缝的发育具有一定影响[24]，但页岩储层横向特征总体较为稳定，纵向非均质性较强，裂缝发育主要受纵向非均质性控制。石英含量与页岩岩石结构和岩石力学性质密切相关，其纵向变化规律对页岩储层非均质性与裂缝发育程度均具有重要影响。变二段页岩层理缝密度与石英离散程度具有较好正相关性(图9)，表明储层非均质性对薄弱层理面的发育具有重要控制作用，纵向上矿物组分(尤其是石英含量)变化速率越快，层理缝越发育。

离散度：

图9 黔北岑巩地区变二段页岩层理缝密度与储层非均质性关系Fig.9 Relationship between bedding-parallel fracture density and reservoir heterogeneity in the 1b2 shale,Cengong area,northern Guizhou Province

(1)

式中:Cn-1,Cn,Cn+1为相邻连续数据。

4 海相和陆相页岩裂缝发育特征差异性探讨

我国南方经历多期构造运动，页岩中构造裂缝不同程度发育，其形成主要受控于构造应力与岩石力学性质[7]。海相页岩如五峰组—龙马溪组和牛蹄塘组，TOC与石英含量通常具有正相关关系，随TOC与石英含量的增加，页岩脆性与层间裂缝发育程度增加，使页岩TOC、有机孔、石英含量(脆性)、裂缝四者具有良好耦合关系，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[25]。但对于海相页岩，较高的石英含量与脆性及较大的单层厚度在强构造作用下易发育大尺度穿层裂缝，不利于页岩气的保存，从而造成四川盆地外大量受构造保存影响的页岩气失利井(图10)。

陆相页岩TOC通常与石英负相关，与粘土含量正相关[13]，从而造成页岩TOC、有机孔、脆性和裂缝等参数间的复杂耦合关系。陆相页岩较强的储层非均质性与高TOC利于低角度的层理缝、层间缝及滑脱缝的发育。较低的单层厚度、较强的塑性与储层非均质性虽然不利于储层改造，但能够有效避免大尺度高角度穿层裂缝的发育，页岩塑性与自封闭性更强，利于页岩气的保存(图10)，如建南地区下侏罗统自流井组东岳庙段[26]，1 000 m以浅埋深条件下仍具有工业页岩气聚集。

图10 中国南方不同类型页岩裂缝发育模式Fig.10 Developmental patterns of different types of fractures in shales in South China

变二段页岩兼具部分海相与陆相页岩特征，TOC与石英的正相关性具有海相页岩特征，岩性组合、脆性矿物含量与岩石力学性质与陆相页岩相似。虽然地处齐岳山断裂东侧湘鄂西隔槽式褶皱带，构造变形较强，但在1 500 m埋深条件下平均含气量可达1.0 m3/t，其裂缝发育特征与主控因素，如TOC与储层非均质性对低角度层理、层间及滑脱缝的控制作用和不同力学性质岩性组合裂缝发育特征对南方海相与陆相页岩气保存条件、富集规律与储层改造等方面均具有一定参考借鉴意义。

5 结论

1) 下寒武统变二段兼具海相与陆相页岩部分特征，页岩段裂缝以低角度层理缝、层间缝和滑脱缝为主，与陆相页岩相似；砂泥互层与砂岩段裂缝发育程度大于页岩段，以高角度构造缝为主。不同类型裂缝的叠加发育形成现今裂缝组合形态并共同控制了页岩的孔渗与含气性。

2) 变二段页岩裂缝主要受构造应力、岩性与矿物组分、地层厚度、TOC和储层非均质性影响，主要体现为：岩性与岩石力学性质控制构造裂缝发育；地层厚度控制裂缝发育的密度与尺度；TOC控制层间超压裂缝的发育；储层纵向非均质性对层理缝的发育具有重要控制作用。

3) 海相与陆相页岩TOC、石英、岩石力学性质和裂缝具有不同耦合特征，海相页岩较大的脆性与单层厚度利于储层改造，但在强构造作用下易发育大尺度穿层裂缝，不利于保存。陆相页岩较低的单层厚度、较强的塑性与非均质性虽不利于储层改造，但能有效避免大尺度穿层裂缝的发育，自封闭性更强，利于页岩气保存。变二段不同岩性组合及其裂缝发育特征与主控因素对海相与陆相页岩气保存条件、富集规律与储层改造等方面具有一定参考价值。

致谢：本论文部分原始数据引用了中国石化江汉油田分公司、中国石化勘探分公司和铜仁中能天然气有限公司的成果，在此表示衷心感谢！