泥页岩裂缝类型、成因与识别预测方法2013

1、内部资料注意保密 2013年34期（总第564期） 11月26日 泥页岩裂缝类型、成因与识别预测方法泥页岩裂缝类型、成因与识别预测方法袁玉松 周雁 邱登峰摘要 随着非常规天然气勘探开发的快速发展，泥页岩裂缝成为目前的研究热点。由于泥页岩本身固有的特性：细粒、韵律性、高含有机碳与生烃作用、异常高压以及脆-韧性转化等，决定了泥页岩在油气成藏中具有多重功能，既可作为烃源岩、又可作为储层，还是最主要的盖层类型之一。泥页岩中的裂缝既是油气的储集空间，又是油气运移的通道。针对油气勘探领域中裂缝研究所关注的主要问题，在前人对岩石裂缝研究成果的基础上，对泥页岩裂缝的基本参数、分类方案、识别技术、预测方法以及形

2、成演化的控制因素等方面进行了系统梳理和概括总结，指出了目前存在的主要问题和今后的研究方向。关键词 泥页岩，裂缝预测，页岩气，裂缝分类，裂缝参数本文所指的泥页岩是泥岩类和页岩类沉积岩的总称，主要由粒径小于0.0039mm的细粒碎屑、粘土和有机质组成。其中粘土矿物主要有蒙脱石、伊利石、绿泥石、高岭石、伊蒙混层、绿蒙混层等，非粘土矿物主要有石英、长石、方解石和白云石等。世界范围内泥页岩约占全部沉积岩的60%。在油气地质学中，泥页岩具有多重身份，既可作为烃源岩，又可充当储层，还是主要的盖层类型之一。泥页岩是陆相盆地最主要的烃源岩类型，海相层系油气藏的烃源岩同样也是以泥页岩为主，其次为泥灰岩，碳酸盐岩较

3、少(金之钧等, 2007)。裂缝有多种定义，有的是纯描述性的，有的则是从力学机制定义的，广义上，裂缝一词其实是一个集合名词，指岩石中的任何不连续性特征，如节理、断层、裂隙、岩层界面等。狭义的裂缝定义为：岩石发生破裂，且破裂面两侧岩块之间没有明显位移的不连续面。泥页岩裂缝既是油气的储集空间，也是流体渗流的通道。泥页岩盖层分布最广，全球大中型油气田(藏)盖层为泥质盖层的占80以上(金之钧等, 2007)。由于天然气分子小，保存条件比石油更为苛刻，因此，随着天然气勘探开发的发展，盖层封闭性研究越来越受到关注。在以往的盖层封闭性研究中，主要从岩性、厚度等宏观参数和排替压力、孔隙度、渗透率等微观参数评价

4、盖层的封闭性(曹成润等, 1998; 付广等, 2003)。然而，裂缝对盖层的封闭性具有重要控制作用。当岩石存在裂缝时，流体在岩石中的流速显著增大(Nygard et al., 2006)。泥岩在抬升卸压过程中发生脆性破裂，导致盖层封闭性失效(袁玉松等, 2010)。可见，裂缝在盖层封闭性评价中具有重要意义。由于泥页岩本身所固有的特性，如矿物颗粒细小、韵律性、层理/页理发育，常富含有机质等，决定了其裂缝形成演化具有独特的特征和油气地质意义。因此，对泥页岩裂缝的研究一直是油气勘探开发研究中的重要内容(斯麦霍夫等, 1985)，尤其是近年来页岩气勘探的快速发展，北美地区Ohio、Antrim、Ne

5、w Albany、Woodford、Barnett、Caney 和Lewis等页岩中工业性页岩气的相继发现，泥页岩裂缝研究更加备受关注。本文在系统阐述泥页岩裂缝研究成果的基础上，指出了泥页岩裂缝研究中目前存在的问题和今后的发展方向。1 泥页岩裂缝描述的5个基本参数 裂缝的宽度(张开度) 、长度、间距、密度、产状、充填、裂缝孔隙度、裂缝渗透率是裂缝描述的8个常用参数。对于泥页岩裂缝，宽度和长度无论是野外观测还是显微镜下测量，都很困难，间距与密度是相互关联的参数。龙鹏宇等（2011）认为密度、产状和充填情况是十分重要的参数，同时也是裂缝描述中不可缺少的内容(龙鹏宇等, 2011)。在油气勘探评价中

6、，裂缝孔隙度和裂缝渗透率是最为重要的参数，它们直接影响泥页岩裂缝对油气成藏作用的评价。因此，在油气勘探评价中，泥页岩裂缝的基本参数为密度、产状、充填、裂缝孔隙度和裂缝渗透率。裂缝孔隙度，即裂缝孔隙体积与岩石体积之比。裂缝孔隙度（f）与裂缝体积密度（Dvf）和裂缝开度（b）的关系为：f =b Dvf 。Murray提出了构造裂缝孔隙度计算方法(Murray, 1968)：x=H2x , x为裂缝孔隙度，x为曲率半径，H为裂缝岩层厚度。双侧向测井(李善军等, 1996)、三孔隙度测井和微电阻率成像测井资料可以用于计算裂缝孔隙度(吴春等, 2005)。泥页岩基质渗透率一般较低，而裂缝渗透率很高，甚至

7、比基质渗透率要高数百倍至数千倍以上。可以通过岩心描述获得的裂缝宽度、裂缝组系与流体流动方向的夹角资料直接计算求得裂缝渗透率(潘东亮, 2007)。2 泥页岩裂缝分类的5种方案自然界岩石裂缝产状各异、形态复杂、尺度悬殊、成因多样。由于研究对出发点不同，裂缝分类方法也多种多样。按尺度分类：巨裂缝（宽度100mm）、大裂缝（1005mm）、中裂缝（51mm）、小裂缝（10.1mm）和微裂缝（0.1mm）(李琦等, 2004)。按形态分类：开启裂缝、充填裂缝、闭合裂缝、网状裂缝、树枝状裂缝。按产状分类：垂直裂缝、水平裂缝、高角度裂缝、低角度裂缝。按力学性质分类：张裂缝、剪裂缝、张剪裂缝、压剪裂缝(刘建

8、中, 2008)。张裂缝是裂缝两盘间仅存在沿裂缝面法向方向拉张变形的裂缝；张剪裂缝是裂缝两盘沿裂缝面法向方向存在拉张变形，且沿裂缝面切向方向存在滑动变形的裂缝；剪裂缝是裂缝两盘仅存在沿裂缝面切向方向存在滑动变形的裂缝；压剪裂缝是裂缝两盘沿裂缝面法向方向存在压缩变形，且沿裂缝面切向方向存在滑动变形的裂缝。按成地质因分类：构造裂缝、非构造裂缝。其中构造裂缝又可分为：剪切裂缝、张剪性裂缝、滑脱裂缝、构造压溶缝、垂向载荷裂缝、垂向差异载荷裂缝。非构造裂缝又可分为：成岩收缩裂缝、成岩压溶缝合线、超压裂缝、热收缩裂缝、溶蚀裂缝、风化裂缝(丁文龙等, 2011)。岩石裂缝以上分类方案，各有千秋，泥页岩裂缝分

9、类中可以借鉴。尤其是地质成因分类，考虑了裂缝形成的地质因素和力学机制，可直观反映裂缝形成的地质环境和力学环境，从而被广泛接受和采纳。泥页岩裂缝分类除了借鉴以上分类方案外，还应该注意到泥页岩的特殊性质，即：（1）韵律性、层理、页理发育；（2）含有丰富有机质的泥页岩在一定条件下具有生烃作用，阶段性发育生烃高压裂缝；（3）厚层泥页岩在快速埋藏阶段常常形成异常孔隙流体压力，导致异常高压裂缝的发育。泥页岩的特殊性质决定其裂缝也必然具有独自的特征。综合考虑岩石裂缝的常用分类方案和泥页岩的特殊性，在油气勘探中，建议按成因分为两大类，即构造裂缝和非构造裂缝，然后再从不同角度进一步划分若干亚类（见表1）。构造裂

10、缝在水平应力作用或垂直隆升作用下形成，非构造成因的裂缝可分为干裂裂缝、水下收缩裂缝、生烃裂缝、超高压裂缝和现代表生裂缝。岩石中存在很多显微裂纹，裂缝由显微裂纹扩展而成(Griffith, 1924)。在大多数岩石中，微裂纹是不连通的(Pollard et al., 1988)。裂缝倾向于从大的微裂纹处开始形成，并扰动应力场，导致应力集中并促进裂缝形成(Lawn, 1993)。这种局部集中应力可以用应力强度因子（KI）定量描述(Rossmanith, 1983)。应力强度因子（KI）与驱动力和微裂纹的尺寸有关。KI=Iaa, 裂缝半长度；I ，有效驱动力表1 泥页岩裂缝成因分类及特征类型亚类裂缝

11、形成机制构造裂缝按裂缝与主构造关系分：纵向裂缝、横向裂缝、斜交裂缝按裂缝与岩层关系分：走向裂缝、倾向裂缝、斜向裂缝、顺层裂缝按裂缝倾角分：垂直裂缝（90o 75o）、高角度裂缝（75o 45 o）、低角度裂缝（45 o 15 o）、水平裂缝（15 o 0 o）按力学性质分：张裂缝、剪裂缝、张剪裂缝、压剪裂缝水平应力作用下，岩层发生构造形变、位变和序变，应力超过岩石的强度极限，岩石破裂抬升卸载裂缝抬升剥蚀、地层卸压、应力释放、岩层薄弱层面松弛非构造裂缝干裂裂缝干燥失水、体积缩小水下收缩裂缝成岩脱水收缩、粘土矿物相变生烃裂缝生烃增压超压裂缝欠压实与孔隙流体超压现代表生裂缝重力失稳、风化失水当应力强

12、度因子超过岩石材料破裂强度时，微裂纹扩展，形成裂缝(Anderson)。构造裂缝的发育状况与构造样式、构造位置和地层岩石力学性质密切相关(周新桂等, 2007)。与褶皱相关的裂缝受褶皱形态和构造部位控制，中和面之上承受拉张应力，张裂缝发育，中和面以下承受挤压应力，不能形成张裂缝。褶皱构造上岩石拉张变形强度从构造翼部向核部不断加强，核部常常为张裂缝强烈发育带。与断层相关的裂缝多为剪裂缝，在断层形成的同时发生平行于断层方向的剪破裂，导致剪裂缝发育。断层类型、岩性、断层面的位移、与断层面的距离、埋藏深度等是影响断层相关裂缝的主要因素。 野外观察到的构造裂缝大多为剪切裂缝，这些裂缝的形成与褶皱和断层有

13、特定的空间关系。断层旁边的平行于断层面的裂缝大多是剪切裂缝。泥页岩的各项异性常常阻止直角正交裂缝中某一支的发育，仅留下一组优势裂缝。泥质岩超压裂缝带在剖面上集中分布在一定的深度区间、有机碳含量较高的炭质泥页岩中，裂缝面不规则、不成组系、多被充填有机质。泥页岩的水下收缩裂缝和干裂裂缝在砂含量较低水平时（20%以下），裂缝壁平滑程度高，而砂含量较高时（30%以上）锯齿状裂缝发育，可以认为，裂缝平面的形态受砂含量的控制(成玮, 2010)。3泥页岩裂缝形成与演化的3大控制因素3.1岩性和物性是控制裂缝发育的基础。不同的岩石具有不同的成分、结构、以及成岩强度，导致力学性质存在较大的差异，抗剪、抗拉、抗

14、压能力也有一定的差异。在同样应力条件下，脆性成分高的岩石容易发生破裂。一般来讲, 碳酸盐矿物和硅质含量高的泥页岩因其脆性强易产生破裂。英国布里斯托尔海峡（Bristol Channel UK）页岩、灰岩中的裂缝就是一个典型例子。在那里，灰岩中裂缝大量发育，而泥岩中裂缝很少。物性对裂缝的形成也具有一定的控制作用。一般情况下，随着孔隙度的增加，岩石强度降低，容易破裂。孔隙度越小、越致密，抗压强度就越高，所需的破裂应力就越大，不容易形成裂缝。3.2构造应力是控制裂缝形成的关键应力作用是构造裂缝形成的根本原因。当应力超过岩石的强度极限时，岩石发生破裂，形成裂缝。构造应力高的地区，如背斜轴部、向斜轴部和

15、地层倾没端，地层应力大且集中，裂缝相对较为发育。构造变形越强烈，地层曲率越大，裂缝越发育。泥页岩在地下所受到的力可分为三种：上覆岩石压力，侧向最大应力和侧向最小应力。垂直于岩层的上覆岩石压力是最大主应力，平行于岩层的侧向最小应力是最小主应力。根据岩石力学的分析，裂缝多是垂直于最小主应力的，因此泥页岩中的构造裂缝一般是与岩层成直角方向发育的。这与电测解释的结果是一致的，在取出的岩心中常常见到垂直于地层的裂缝分布，但很少观察到和岩层平行的裂缝，即使有，也大多是卸压之后形成的，因为平行于岩层的裂缝，在上覆岩层压力作用下容易闭合。3.3 环境因素对裂缝的形成和演化具有重要影响环境因素主要包括温度、压力

16、和流体，三者对泥页岩裂缝的形成、演化具有重要影响作用。随着温度的升高，泥页岩由脆性向延性转化，当温度大于 700时，延性系数迅速提高，可以认为泥岩的脆延性转变温度在 700 800(张连英, 2012)。在油气勘探的深度范围内，地层温度一般低于160，因此，温度的影响可以忽略。压力对泥页岩裂缝形成与演化具有重要控制作用。在无围压或低围压下，泥页岩往往表现为脆性，随着围压的增加，不尽强度极限增加，而且由脆性向塑性转变(Lawn, 1993; 陈劲人等, 1994; Urai, 1995; 许浚远等, 1995; Renshaw et al., 2001; Nygard et al., 2006)

17、。流体对岩石力学性质具有重要影响。比如，在干燥或含水量较低时，岩石在峰值强度后表现为脆性和剪切破坏，应力-应变曲线具有明显的应变软化特征。随着含水量的增加，岩石单轴抗压强度和弹性模量值均急剧降低，表现为塑性破坏(孟召平等, 2002)。灰质泥岩单轴抗压强度随着含水率的增加而线性降低，峰值应变随着含水率的增加而线性升高，弹性模量与含水率呈指数函数衰减（季明，2009）。泥页岩中的矿物在湿度影响下的膨胀系数各不相同，遇水后各种矿物颗粒的变形也不同。然而，岩石作为一个连续体，为了保持其变形的连续性，内部各矿物颗粒不可能相应地按各自固有的膨胀系数随湿度变化而自由变形，因此，矿物颗粒之间产生约束，变形大

18、的受压缩，变形小的受拉伸。由此在岩石中形成一种应力，称之为湿度结构应力，应力最大值往往发生在矿物颗粒交界处，如果此处的应力达到或超过岩石的强度极限(抗拉强度或抗压强度)，则沿此交界面矿物颗粒之间的联结断裂，发生开裂现象，产生微裂隙(徐小丽, 2008)。泥岩在含水状况下的软化程度与含水率成成线性关系，随着含水量的增加，岩石越来越软化（软化系数是指饱水岩样的单轴抗压强度与干燥岩样的抗压强度之比，它是材料耐水性能的一个表示参数）。4泥页岩裂缝识别的3类技术方法泥页岩裂缝识别目前没有专门的技术，但可以采用裂缝识别的一般方法。裂缝识别的主要内容包括：识别裂缝发育层段、发育地区、测量并统计裂缝参数、确定

19、裂缝的类型、分析裂缝的成因、影响因素和形成时期、建立裂缝参数与孔隙度、渗透率和含油饱和度的定量关系(戴俊生等, 2003)。裂缝识别技术按学科可分为地质方法、测井方法、计算机层析成像方法等。地质方法：主要包括野外露头观测、井下岩心观察和显微镜下薄片观测。野外露头观测主要是测量裂缝的产状、长度、宽度、间距和充填特征，并计算裂缝的密度。野外露头裂缝观测与描述具有得天独厚的优势，在裂缝发育与分布的宏观信息获取中不可替代。而且，还可以依据裂缝发育的构造部位、岩石性质、岩层厚度、地层时代、切割关系，对裂缝进行分期和配套。岩心裂缝观测的内容与地表露头观测基本一致，但对裂缝产状观测不如地表露头有利，其主要优

20、势体现在样品直接来自地下，是对地下地层中裂缝进行直接描述(王时林等, 2009)，且岩心裂缝统计分析和参数计算的结果最为可靠。显微镜下薄片裂缝观测与岩心观测的内容大体相同，其主要优势体现在对微裂缝的观测与描述。地质学方法直观性强，是裂缝识别的重要方法，但在野外露头裂缝观测时，要注意出露地表之后形成的裂缝和地下原始裂缝的差别。测井方法：测井方法主要包括常规测井和成像测井方法。常规测井识别裂缝方法主要有双侧向电阻率、微侧向电阻率、声波时差、地层密度、中子孔隙度、井径。例如，双侧向电阻率在裂缝发育段出现深、浅侧向电阻率值的大小不同，裂缝越发育，双侧向的正差异一般也越大。高角度、垂直裂缝的双侧向为正异

21、常，斜交缝的双侧向异常不明显，低角度缝、水平缝的双侧向为低阻尖峰。微侧向电阻率在裂缝发育段出现低阻异常，表现为以深侧向为背景的针刺状低阻突跳现象。泥岩裂缝发育段的测井曲线一般表现为“一高、一低、一负”的特征：高电阻率值高、低声波时差、负自然电位。成像测井包括井壁电成像和声成像，即地层微电阻率扫描（FMS）和井下声波电视（BHTV）。与常规测井资料相比， 成像测井具有分辨率高和直观的特点。计算机层析成像（CT）方法：运用CT 技术测定岩石和流体特性，即线性衰减系数（），是对穿过研究对象的那部分X 射线的度量。经扫描后得到的CT扫描图像，含有裂缝的岩心一般均可以清楚地看到在基质较浅的区域内发育条状

22、或线状的深色区域，连续的低密度区，即裂缝。5 泥页岩裂缝预测的4套方法裂缝预测主要包括裂缝发育带的分布和裂缝参数的定量预测。目前，裂缝预测的主要方法主要有：构造曲率法、Fn指标法、有限元法和地球物理方法。5.1构造曲率法曲率是一条曲线的二维属性，它是曲线上某点正切园半径的倒数，大小可以反映一个弧形的弯曲程度，曲率越大越弯曲。对于脆性岩石，裂缝发育程度与弯曲程度成正比。在20 世纪60 年代，(Murray, 1968)从构造本身结构特征出发，探讨了构造形变主曲率与裂缝发育的关系，并提出裂缝性岩体的力学模型。构造曲率法可以分为主曲率法和极值曲率法，其原理是基于经典的薄板模型(Timoshenko

23、 et al., 1959)，将构造裂缝的分布规律与其力学成因联系起来，就其物理机制而言，只适合于垂直力成因的幅度较低的横弯褶皱。主曲率法只能计算一次构造运动形成的简单构造，对于经历多次构造运动的复合构造的裂缝分布规律，不能用此法简单的加以解决(曾锦光等, 1982)。曲率计算方法有：倾角变化率法、散点圆弧法、曲线拟合法、极值主曲率法、垂直二次微商法、二阶导数的曲率计算等(黄光玉等, 2003; 孙尚如, 2003; 苏强, 2010)。利用最小二乘法或其它逼近方法，拟合出二次曲面方程，从方程的系数可以推导出其它曲率度量，如最大曲率、最小曲率、平均曲率、主曲率、高斯曲率、倾角曲率等。在等距离的

24、网格节点中，当各节点的高程已知时，任意节点处的曲率可用差分法求出(郭科等, 1998)。5.2 Fn指标法Fn指标法预测岩石裂缝时主要考虑岩石的受力状态，同时也考虑岩石本身所具有的力学性质。在岩石强度系数和位错密度基础上，推出评价裂缝发育程度Fn 指标公式(邹乐君等, 2001)，即：Fn = K (n/ f )。 式中，n为岩石破裂面的剪应力；f为破裂面的抗剪强度；K为与岩石有关的参数。上式的物理意义在于：当Fn小于1 时，岩石仅部分形成隐裂缝，此时裂缝的形成处于量的积累过程，当F大于1 时，岩石发生破裂。根据摩尔-库仑破裂准则，进一步推出Fn指标公式:Fn=1-3cos/(2C+(1+3)

25、tan-1-3sintan)2式中， Fn为评价裂缝发育指标； C为岩石粘聚力(MPa)；为岩石内摩擦角(o) ； 1、3 为点上最大、最小主应力值(MPa)，压应力为正、张应力为负。岩石力学参数由实验室测定，主应力值由应力场数值模拟提供。一般认为， Fn 值越大，裂缝发育程度越高。5.3 有限元法在20 世纪70 年代末和80 年代初，我国以(王仁, 1979)、(曾锦光等, 1982)为代表从构造应力场入手，根据岩石破裂准则开展定量预测裂缝分布规律的数值模拟方法探讨。90 年代，该领域研究有了较大的进展，(丁中一等, 1998)、(文世鹏等, 1996)、(宋慧珍等, 2001)等将构造应

26、力场数值模拟和地质基础工作紧密结合，形成和发展了一套以有限元数值模拟为基础的，应用岩石破裂准则进行裂缝定量预测的研究方法。5.4 地球物理方法地球物理方法利用地震响应特征直接预测裂缝。首先利用岩心、常规测井和纵波资料对井点裂缝进行识别，在此基础之上，以地质规律为指导，通过测井裂缝信息，标定地震资料，挖掘和提取裂缝的地震信息，从而利用地震信息预测裂缝分布。目前常用的地震方法主要有：多波多分量探测方法、横波探测方法、三维纵波的裂缝检测方法。具体技术方法包括：地震速度分析、相干体和多属性相干体分析、波形聚类裂分析、地震属性体分析、属性差异体分析、分频属性分析、 AVO分析、多波多分量、分形技术等方法

27、(张昕等, 2005)。当岩石中存在裂缝，尤其饱含流体的裂缝时，岩石物理性质发生变化，形成物性界面，引起地震波反射特征的改变，从而在地震剖面上指示裂缝的存在。地震资料中虽然包含了裂缝的相关信息，但是裂缝的变化引起的地震响应远远小于其他地质因素 (如岩性和孔隙率等) 引起的响应，受分辨率的影响，再加上裂缝成因复杂，从地震资料上很难获得精确的裂缝参数，所以利用地震资料进行裂缝的预测，尤其是泥页岩微裂缝的预测，目前存在很大的困难。6 存在问题与展望1）内因与外因相结合是探索泥页岩裂缝形成机理基本思路。裂缝形成机理复杂，影响因素众多，内因与外因相结合是探索泥页岩裂缝形成机理新思路。内因主要包括泥页岩本

28、身的岩石力学性质以及影响岩石力学性质的因素，如：岩石矿物成分、粘土矿物含量、有机质类型及有机碳含量、成岩演化程度及热成熟度等。外因主要包括构造应力大小与期次、温度、压力、流体及其演化等。2）物理模拟与数值模拟相结合是泥页岩裂缝预测技术有效途径无论是构造曲率法、Fn指标法、有限元法还是地球物理方法，在预测泥页岩裂缝时都有其自身的局限性和适用条件，盆地沉积构造演化的复杂性、地震属性的敏感性是制约裂缝预测的瓶颈。从分析控制泥页岩裂缝形成与演化的3大影响因素出发，建立相互关联的数学模型，将物理模拟与数值模拟相结合，是寻求解决裂缝预测有效途径。3）裂缝动态演化与油气成藏的关系研究是裂缝评价的必然要求鉴于

29、泥页岩的特殊性质，如生烃、超压、脆性破裂特征等，其裂缝也具有多重功能，而且，在地质历史时期，其功能可以相互转化，或为油气成藏提供运移通道，或为油气聚集提供储集空间。为充分揭示泥页岩裂缝的作用，需要研究裂缝的动态演化特征，裂缝开启和愈合的时间及其与生排烃时间和油气充注成藏时间之间的匹配关系，裂缝对盖层封闭性的控制作用等等。参考文献Anderson T. L. Fracture mechanics: fundamentals and applications, 1995. CRC Boca Raton: 688p.Griffith A. A. 1924. The theory of rupture

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