近年来页岩气勘探成果表明, 页岩气是一种资源量巨大的非常规天然气, 由于其致密、 低渗的特性, 勘探开发难度较大。天然裂缝在页岩储层中比较发育, 天然裂缝的存在一方面增加了页岩储层储集空间, 另一方面提高了页岩气渗流能力, 同时对储层压裂改造有重要的影响(张金川等, 2004, 2008; 李新景等, 2007; 曾联波等, 2007; 陈更生等, 2009; 张利萍等, 2009; 董大忠等, 2010; 蒋裕强等, 2010; 王志刚, 2014)。渝东南地区是我国主要的页岩气成藏区之一, 主要发育上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组和下寒武统牛蹄塘组两套下古生界富有机质页岩层系, 勘探前景较好, 开展页岩裂缝研究对渝东南地区页岩气勘探开发具有重要作用。

岳锋等(2015)和焦伟伟等(2015)的研究表明: 中国南方海相页岩储层裂缝以构造裂缝为主, 页岩构造裂缝以高角度裂缝为主, 同时还发育有少量低角度构造裂缝。前人研究了泥岩及低渗透砂岩储层泥岩层中发育的主要裂缝类型并对其从成因上进行了分类(Nelson, 1985; Curtis, 2002; Gale et al., 2007; Bowker, 2007; 李新景等, 2007; Engelder et al., 2009; 刘树根等, 2011; 吴礼明等, 2011; 杨迪等, 2013), 丁文龙等(2011, 2012)和龙鹏宇等(2011, 2012)基于以上研究成果探讨了页岩裂缝成因分类方案, 提出了页岩裂缝的研究方法, 分析了页岩裂缝的形成机理、 控制因素及其对页岩气勘探开发的影响。但是前人对于页岩中构造裂缝类型、 形成机理及分布控制因素缺乏深入的分析和探讨, 尤其是对页岩中滑脱裂缝的类型和形成机理、 滑脱裂缝与低渗透砂岩储层泥岩层中低角度滑脱裂缝的区别缺乏深入分析和探讨, 这些问题对于正确认识和评价页岩构造裂缝具有重要理论意义和实践价值。

本文基于国内外页岩裂缝研究成果, 对比渝东南地区下古生界两套页岩露头、 钻井岩心和薄片裂缝观察、 分析结果, 深入探讨了页岩中构造裂缝的类型和特征, 在此基础上分析了页岩构造裂缝形成机理及其分布控制因素, 为页岩储层裂缝研究及页岩储层评价提供帮助。

1 页岩构造裂缝类型及特征

国内外学者(Nelson, 1985; Curtis, 2002; Gale et al., 2007; Bowker, 2007; 丁文龙等, 2011, 2012; 龙鹏宇等, 2011, 2012)对页岩中发育的裂缝类型进行了总结, 需要指出的是, 已有研究成果认为沿页理发育的裂缝均为由页岩失水收缩形成的页理缝, 属沉积成因, 非构造成因。但是页岩岩心的观察结果表明, 有一部分沿页理发育的裂缝将整个岩心切成两段, 部分裂缝切断并错开先存裂缝, 裂缝面有擦痕和阶步, 说明这种裂缝沿页理面发生了明显的剪切位移(图 1a、 图 1b、 图 1c)。因此, 这种裂缝实际上是一种剪裂缝性质的构造裂缝, 本文将这种沿页理面方向发生剪切滑动的裂缝定义为水平滑脱裂缝。

此外, 页岩中还发育有另外一种滑脱裂缝, 这种滑脱裂缝切穿页理面, 裂缝面上具有擦痕和阶步等典型滑脱特征。裂缝多与页理面低角度相交, 但也有不少与页理面高角度相交的情况出现, 本文将这两种滑脱裂缝统一定义为倾斜滑脱裂缝(图 1d、 图 1e、 图 1f)。 低渗透砂岩储层中低角度滑脱裂缝常与岩层面低角度相交, 且被限制在泥岩层内(Nelson, 1985; Curtis, 2002; Gale et al., 2007; Bowker, 2007; 丁文龙等, 2011, 2012; 龙鹏宇等, 2011, 2012), 这与页岩中倾斜滑脱裂缝有较大的不同, 表明两者的形成条件有较大差别, 不能划等号, 需区别对待。

基于以上分析结果, 结合页岩露头、 钻井岩心、 薄片及扫描电镜上裂缝的形态特征、 力学性质和形成条件分析, 将页岩中发育的构造裂缝分为张裂缝和剪裂缝两大类, 张裂缝包括拉张裂缝和扩张裂缝两种, 剪裂缝包括高角度剪切裂缝、 倾斜滑脱裂缝和水平滑脱裂缝3种。页岩中构造裂缝与常规储层中构造裂缝相比有相同点, 也有不同点, 其发育特征如下。

1.1 张裂缝

露头观察结果表明, 页岩中拉张裂缝主要分布在挤压构造区地层曲率较大的部位(如褶皱轴部), 由岩层弯曲派生的横向拉张应力形成(图 2a)。页岩中拉张裂缝规模小、 延伸短, 裂缝开度较大, 开度沿裂缝变化较大, 常被石英、 方解石等矿物充填。拉张裂缝面与岩层面近垂直, 产状随岩层弯曲程度变化。

页岩中扩张裂缝主要是沿最小主应力方向扩张形成的横张裂缝, 扩张裂缝多呈两头尖中间宽的透镜状, 裂缝开度及其变化较大, 裂缝延伸较短。扩张裂缝缝面不光滑, 常被石英、 方解石等矿物充填(图 2b)。此外, 还有一种与共轭剪裂缝共生的追踪张裂缝, 它是岩石发生宏观破裂以后形成的扩张裂缝。追踪张裂缝被限制在同组两条平行的剪切裂缝之间, 追踪张裂缝延伸较短, 常与被追踪的同组剪裂缝高角度相交, 其规模受被追踪剪裂缝之间间距的控制(图 2c)。

1.2 剪裂缝

(1)高角度剪切裂缝

页岩中剪切裂缝比较发育, 以高角度裂缝为主。高角度剪切裂缝面平直, 常被石英、 方解石、 黄铁矿等矿物充填, 在露头和岩心上常表现为多组裂缝相互切割(图 2d、 图 2e和图 2f)。

根据渝东南下寒武统牛蹄塘组页岩中高角度剪切裂缝统计结果, 页岩中高角度剪切裂缝的开度通常小于350 μm(图 3), 裂缝高度主要分布在20～50 cm之间(图 4)。与其它岩性储层中剪裂缝相比, 页岩中高角度剪切裂缝规模较小(胡明毅等, 2014)。但露头和岩心观察结果表明, 页岩中高角度剪切裂缝发育密度要明显高于其它岩性储层中的剪切裂缝密度, 其发育程度较高。

(2)滑脱裂缝

根据岩心观察结果, 页岩中发育倾斜滑脱裂缝和水平滑脱裂缝两种。倾斜滑脱裂缝与页理面(或岩层面)呈一定交角向上延伸, 倾斜滑脱裂缝常切穿页理面, 裂缝位移明显, 裂缝面上常有擦痕和阶步出现, 并常被石英、 方解石及黄铁矿等矿物充填。

水平滑脱裂缝沿页理面(或岩层面)延伸, 裂缝面充填程度不一。水平滑脱裂缝沿页理面具有明显的位移特征, 裂缝面上常见擦痕和阶步, 有时会切断并错开早期先存裂缝。水平滑脱裂缝产状随岩层产状变化, 在构造平缓地区, 水平滑脱裂缝面近水平, 在地层陡倾的地方, 水平滑脱裂缝倾角变大。

2 页岩滑脱裂缝形成及其发育特征

前人已对砂岩等其它岩性储层中张裂缝和高角度剪切裂缝形成地质条件做过详尽分析, 也对低渗透砂岩储层泥岩层中低角度滑脱裂缝的形成条件作过探讨(Nelson, 1985; Curtis, 2002; Gale et al., 2007; Bowker, 2007; 丁文龙等, 2011, 2012; 龙鹏宇等, 2011, 2012)。但是, 已有页岩构造裂缝研究尚未注意到页岩中滑脱裂缝与低渗透砂岩储层中低角度滑脱裂缝的不同, 也未对页岩中倾斜滑脱裂缝和水平滑脱裂缝形成地质条件做过详细分析。本文通过对页岩露头、 钻井岩心和薄片上裂缝观察及裂缝形成应力机制分析, 结合前人研究成果, 重点对页岩中滑脱裂缝的形成机理进行了深入探讨(见 表 1)。

2.1 倾斜滑脱裂缝

曾联波等(1999)通过对低渗透砂岩储层泥岩层中低角度滑脱裂缝的研究认为, 低角度滑脱裂缝是在伸展或挤压构造作用下, 由顺层滑动的剪切应力作用产生滑脱而形成的。它实际上是低渗透砂岩储层中强硬层(砂岩层)与软弱层(泥岩层)之间发生相对滑动时所派生剪切应力作用在泥岩层中形成, 其形成过程与断层派生剪切裂缝的形成过程有相似之处。在低角度滑脱裂缝的形成过程中, 泥岩层的滑动方向受砂岩层等强硬层控制, 滑脱裂缝剪切面方向主要受泥岩软弱层控制, 裂缝主要分布在泥岩层内。

但是, 页岩中不存在砂岩等与页岩岩石力学性质差异较大的强硬层, 页岩发生剪切滑动就不再受到强硬层的影响, 倾斜滑脱裂缝常沿与页理面成一定夹角的方向切穿页理面。本文根据裂缝形成的力学条件分析, 认为页岩中倾斜滑脱裂缝是在上覆岩层重力和水平构造应力共同作用下沿应力集中的软弱面发生剪切滑动而形成, 与低渗透砂岩储层泥岩层中低角度滑脱裂缝的形成有本质区别。

2.2 水平滑脱裂缝

页岩中水平滑脱裂缝是挤压构造作用下沿页岩页理面发生剪切滑动形成的, 其剪切面与页理面一致。因此, 水平滑脱裂缝与最大主压应力方向的夹角并不服从岩石剪切破裂准则中的剪裂角分布规律, 其形成主要与构造挤压背景条件下沿页理面方向的剪切应力作用或层间滑动作用所造成的剪切有关, 页理面是控制水平滑脱裂缝形成的关键地质因素。

3 构造裂缝形成和分布的控制因素

与砂岩等常规储层相比, 页岩储层具有不同的地质特征, 且发育不同类型的构造裂缝。这导致页岩构造裂缝与常规储层构造裂缝形成地质条件有较大差异, 控制页岩构造裂缝形成和分布的地质因素也有所不同。

3.1 岩石矿物组成

岩石矿物组成影响页岩的脆性, 是控制页岩构造裂缝形成和分布的主要内在因素(龙鹏宇等, 2011, 2012; 丁文龙等, 2012)。页岩岩石矿物组分主要包括石英、 粘土、 方解石、 长石、 黄铁矿等, 以石英和粘土矿物为主。页岩中石英和方解石等脆性矿物含量较高, 是导致页岩构造裂缝大量发育的重要因素。通常, 石英含量越高, 页岩脆性指数越高, 页岩脆性越强, 裂缝越发育, 两者具有明显的正相关关系。

以渝东南地区YC-X井为例, 在1433～1462 m深度段的黑色页岩层中, 页岩中高角度剪切裂缝发育程度、 全部构造裂缝发育程度与页岩中石英含量、 脆性矿物含量成正相关关系, 与粘土矿物含量、 粘土矿物及其它矿物总含量成负相关关系(图 5)。石英及其它脆性矿物含量越高, 粘土矿物及其它矿物含量越低, 构造裂缝越发育。

3.2 构造作用

构造裂缝是构造作用的直接产物, 构造作用是控制构造裂缝形成和分布的主要外部因素, 构造应力场的大小和方向控制了构造裂缝的发育程度和分布规律。构造作用形成的局部构造(如褶皱和断层)产生派生应力, 派生应力的大小和作用方式与局部构造的位置有关, 它对褶皱不同部位及断层附近构造裂缝的分布规律具有明显的控制作用。

在断层形成过程中, 断层上盘比下盘受到的应力挠动大, 形成相对较大的派生应力。因此, 通常情况下, 断层上盘裂缝发育程度要高于下盘。此外, 断层形成时产生的派生应力在传播过程中逐渐消减, 离断层越近的地方派生应力相对越大, 由此形成的构造裂缝的发育程度越高。

在褶皱形成过程中, 地层变形程度与距离褶皱轴部的距离呈负相关关系, 褶皱轴部的岩层变形程度最为强烈。相对应的, 褶皱轴部构造裂缝发育程度通常较高, 离褶皱轴部越远, 裂缝越不发育(岳锋, 2015)。

3.3 岩层厚度

砂岩等储层中岩层厚度是影响裂缝发育的一个重要因素, 这里的岩层厚度指的是岩石力学层的厚度, 所谓岩石力学层, 是指一套岩石力学行为相近或者岩石力学性质相一致的岩层, 这和岩性层不同, 只有在岩性差异较大的地区, 岩石力学层才与岩性层一致(曾联波, 2008)。由于页岩在沉积过程中常缺乏明显的连续的沉积界面, 且岩性差异较小, 页岩岩石力学层的划分需根据野外露头特征、 裂缝分布特征、 页岩储层岩性、 矿物含量及岩石力学参数纵向变化特征及页岩沉积界面综合确定。

根据渝东南地区页岩露头上构造裂缝统计结果, 岩层厚度对构造裂缝发育和分布的影响体现在: 层间裂缝密度和岩层厚度呈负相关关系, 页岩层厚越大, 层间裂缝越不发育。反之, 则越发育(图 6); 而穿层裂缝密度与岩层厚度相关性较差, 两者没有明显的关系。这与砂岩等储层中岩层厚度对构造裂缝发育具有相同的影响。

3.4 页理发育程度

页理是页岩中重要的软弱结构面, 它的存在使页岩岩石力学性质具有强烈的各向异性。在构造应力作用下, 页岩更容易沿页理面形成裂缝, 即水平滑脱裂缝。页理是控制水平滑脱裂缝形成的关键因素, 页理面越发育、 沿页理面方向岩石力学性质越差、 构造运动越强烈的地区, 页岩中水平滑脱裂缝越发育。

3.5 岩层曲率

岩层曲率对页岩构造裂缝的影响主要体现在对页岩中张裂缝和水平滑脱裂缝的影响上。页岩中张裂缝主要由岩层弯曲派生拉张应力作用形成, 与岩层曲率直接相关, 岩层曲率越大, 张裂缝越发育, 这是曲率法预测张裂缝分布规律的理论基础(丁文龙, 2011)。

此外, 褶皱岩层弯曲程度越高, 岩层曲率越大, 上下岩层之间的伸展率或收缩率越大, 岩层越容易发生层间滑动, 页岩地层中水平滑脱裂缝越容易形成。岩层曲率和页理发育程度是控制水平滑脱裂缝发育的关键地质因素。

4 结论

(1)根据裂缝特征及力学成因, 将页岩构造裂缝分为张裂缝和剪裂缝。张裂缝包括拉张裂缝和扩张裂缝, 剪切裂缝包括高角度剪切裂缝、 水平滑脱裂缝和倾斜滑脱裂缝。

(2)探讨了页岩储层中滑脱裂缝与低渗透砂岩储层泥岩层中滑脱裂缝在发育特征及形成条件上的区别, 认为倾斜滑脱裂缝是在上覆岩层重力和水平构造应力共同作用下沿应力集中的软弱面发生剪切滑动而形成, 水平滑脱裂缝的形成主要与构造挤压背景条件下沿页理面方向的剪切应力作用或层间滑动作用所造成的剪切有关。

(3)岩石矿物组成、 构造作用及岩层厚度是控制页岩中张裂缝、 高角度剪切裂缝和倾斜滑脱裂缝形成和分布的主要地质因素, 页理发育程度及岩层曲率是控制水平滑脱裂缝形成的关键地质因素, 岩层曲率还对拉张裂缝的形成产生重要影响。

(4)页岩岩石力学层的划分不同于常规砂岩储层, 页岩岩石力学层的划分需要根据裂缝特征、 页岩岩性变化特征及沉积界面综合确定, 层间构造裂缝密度与岩层厚度呈负相关关系。