节理的野外研究及裂隙对煤层气页岩气开发的影响

1、节理的野外研究及裂隙对煤层气页岩气开发的影响地质构造是指地壳或岩石圈的岩层和岩体（包括沉积岩层、岩浆岩体和变质岩系），在内、外地质作用下发生构造变形，从而形成的诸如褶皱、节理、断层、劈理，以及其他各种面状和线状等构造。节理是指岩石中的裂隙，是无明显位移的断裂，常成群成组发育。节理构造在自然界广泛发育，对节理的研究在地质中具有极其重要的意义，在地质构造分析方面，节理与褶皱、断层和区域地质构造有密切的成因联系，并且可以用来分析、恢复古构造应力场；在油、气、水等的研究方面，节理是这些流体的运移通道、储集的场所；在矿脉的研究方面，节理为矿液上升、分散、渗透提供了构造条件；在工程地质方面，节理是岩体中的

2、结构面，影响岩体的强度。1节理的野外观察和研究野外观察研究节理首先要选取合适的节理观测点，节理观测点一般要求有：岩层露头良好；构造特征清楚，岩层产状稳定；节理比较发育（至少有几十条），有代表性；要求既有平面又有剖面露头；尽量位于构造的重要部位。节理点的整体布置根据目的不同，应该采取不同的布置方法。为了了解区域地质构造，可以均匀布点；了解褶皱特点，可以在其核部、翼部和倾伏端等部位布点；了解断层特点，可以在断层两侧布点；了解水文地质特征，可以在含水层及其顶、底板中布点；了解煤层气、页岩气储层裂隙特征，在煤层、暗色泥页岩层及顶底板布点。节理观测的内容：1）、首先应了解观测点的地质背景：岩层的产状、岩

3、性、厚度和层理特征，褶皱与断层的特点，以及观测点所在的构造部位；2）、区分构造节理和非构造节理，以及构造节理中为张节理还是剪节理；3）、分析节理的发育程度与岩层的岩性、厚度及构造应力的关系；4）、划分节理期、节理组和节理系，根据节理的交切关系进行初步的划分；5）、节理的延伸情况，在同一层内的延伸情况以及在层间的延伸情况；6）、节理面的观察：平直程度、擦痕、微剪切羽列等；7）、节理的组合、交切关系，主节理和派生节理之间的组合形式及力学成因等关系；8）、节理的含矿性及充填性。野外节理观测点的记录1）、首先记录节理观测点的经纬度，并在地图上标注；2）、确定观测地层岩性及所在组、段，分析观测点所在的构

4、造部位，测量地层产状并记录；3）、测量节理产状并记录；4）、测量节理的密度并记录，节理密度分为线密度与面密度；5）、对有代表性的节理进行拍照，可以用罗盘作为参照物，瞄准器指北；6）、如需采样，按照要求在岩层中采样并标记。2野外共轭剪节理的发育特点野外中由于漫长的地质历史，多次的构造运动作用，岩石露头上经常发育许多组节理。同一套共轭剪节理通常具有以下特点：共轭的两组剪节理以近于90°的角度（通常为60°120°之间）相交切，具有近似的节理间距，近似的延伸长度和裂隙张开程度，都没有充填物或有相同的充填物（矿物成分和粒度大小相似）。共轭的两组剪节理几乎是同时形成的，常相

5、互切断。共轭剪节理一定有微量的位错，表现为一组右行，一组左行，剪节理的位错关系，可以用彼此间或被切断的其它标志物（砾石、岩层或岩性界限）的相对错动方向来确定，可以用羽列来判断也可以用节理面上的擦痕来判断。马宗晋等（1965）认为一个地区从平面上来看，区域性破裂（断层或节理）一般总是出现4组或少于4组。岩石在破裂后没有充填物来愈合的话，共轭见断裂（断层与节理）一般只能出现两套（4组），也就是说只有头两期构造应力场的作用可能不受干扰地产生两套共轭剪节理。如果这四组共轭剪节理没有愈合，后期的构造应力作用将不再产生新的节理，而是沿着方向相近的早期节理发生重新活动。Donath（1961）对各向异性岩石

6、进行了压缩试验，发现当各项异性面（劈理、层面等各种软弱面）与挤压轴呈30°60°交角时，破裂沿原有的软弱面产生，不再发生新方位的破裂面。这说明在已经破裂的岩石中，破裂面能在一定的范围内影响应力的作用，即以本身再活动的方式来释放应力，而不再发生新的破裂面。如果早期节理面已经愈合，将不受此限制。在三维空间中，岩石破裂的极限尚无定论，有待研究。3与褶皱构造有关的配套节理纵弯褶皱是在区域水平挤压应力作用下产生的，在区域水平挤压应力方位不变的情况下，随着纵弯褶皱的发生和发展，在不同的发展阶段和褶皱构造的不同部位，局部的应力状态是不断变化的，因而会产生不同的配套节理。（1）、平面共轭剪

7、节理系平面共轭剪节理系分为早期平面共轭剪节理系和晚期平面共轭剪节理系。1）、早期平面共轭剪节理系：自区域水平压应力开始作用于水平岩层至纵弯褶皱即将形成而尚未形成之前，往往会先产生一对早期平面共轭剪节理系。两组剪节理面的交线呈直立状态，指向中间主应力2的方位，两组剪节理面所夹的锐角平分线指示最大主应力的方位，钝夹角平分线指示最小主应力的方位。在有些部位，这套节理系往往会被后来产生的节理所利用或改造，不能完整的保存下来。2）、晚期平面共轭剪节理系：随着纵弯褶皱的形成和发展，在背、向斜中和层以上往往会各自产生一对共轭剪节理系。如果背斜是水平的，在背斜核部中和层以上部位，平面共轭剪节理系锐夹角平分线方

8、向指示的局部最大主应力方位，与轴迹方位平行，与区域构造应力场最小主应力方位平行，局部构造应力场最小方位与区域构造应力场最大方向平行。如果向斜是水平的，在中和层以上部位，共轭剪节理系指示的局部构造应力场方位与区域构造应力场方位一致。（2）、剖面共轭剪节理系1）、早期剖面共轭剪节理系：当早期平面共轭剪节理系形成之后及纵弯褶皱雏形形成之初，最小和中间应力方位互换了位置，最小主应力方位成为直立，中间主应力方位则成为水平。因而，在与最大主应力平行的剖面上，往往会产生一对早期剖面共轭剪节理系，两组剪节理所夹锐角的平分线，指向区域挤压应力的方位。2）、晚期剖面共轭剪节理系：纵弯褶皱形成后，水平背斜中和面以上

9、，由于局部构造应力场改变，最大主应力方形可能成直立，最小主应力与背斜轴迹垂直，中间主应力与轴迹平行，在背斜横剖面上可能发现晚期剖面共轭剪节理系，两组剪节理钝夹角方向指示区域最大主应力方位。（3）、横张节理，由于最大主应力方向的挤压或者最小主应力方向的拉张，常形成平行与最大主应力方向的横张节理，横张节理常常追踪早期形成的平面共轭剪节理系而呈锯齿状。当背斜发生倾伏时,在倾伏端中和层以上部位常会形成与枢纽平行的张应力，因而产生一组晚期横张节理，呈楔形张口（不呈锯齿状），节理面与枢纽垂直。（4）、纵张节理，在纵弯褶皱形成之后，在背斜中和层以上部位，常形成局部横向张应力，产生纵向张节理，常与背斜轴迹平行

10、，呈楔形开口，在横剖面上呈扇状排列，有时也会追踪晚期平面共轭剪节理系，呈锯齿状延伸。横弯褶皱中如穹窿构造会形成环状或放射状张节理，由于岩层成弯状上拱，使岩层普遍受到放射状和环状的张应力作用，形成环状和放射状张节理。4节理产状复平沉积岩的原始产状一般都呈水平状态，由于褶皱和断层运动等构造作用的影响，岩层发生倾斜和旋转等构造变形，从而使岩层产状发生了变化。在褶皱和断层形成的早期，岩层在区域构造应力场的作用下会形成两组平面共辆剪节理（例如高家场背斜西翼的缓倾角岩层中发育的两组早期平面共辆剪节理）。对于倾角较大的其它岩层，在它们的节理组构图中有时可以明显的分辨出两个沿层面分布的极密圈，这些节理垂直于层

11、面，可能也是早期平面共辄剪节理。但由于岩层的倾斜和旋转，原先在岩层水平状态下形成的节理的产状也会跟着变化，将岩层恢复到原始水平状态能够更直观的认识早期共辆剪节理的发育特征。岩层从原始水平状态演变成现今的状态，中间经历了一个复杂的变形过程。为了将岩层恢复水平，只能将这个变形过程做一些理想化的假设，假设岩层发生褶皱变形的过程中始终以褶轴为轴发生弯曲，褶轴的走向一直保持不变。因此，将岩层恢复水平的工作主要分两步完成，第一步是将褶皱恢复成褶轴水平的状态，第二步是再将岩层以裙轴为轴旋转到水平状态（如图1）。图1：岩层恢复水平过程示意图：1，褶皱倾伏；2，褶皱恢复水平；3，两翼岩层恢复水平这个恢复过程如果

12、是用手工绘图的方法完成，是一项非常繁琐的工作，尤其是当岩层面中的节理非常多的时候，对每一条节理逐一进行手工恢复几乎是不可能的。如今，我们可以借助一些应用软件，例如前文所说的DIPS软件来完成这项工作，具体分以下几步骤（图2）。图2节理复平步骤谢耀权（2013）在川西高家场背斜和盐井溪逆断层地区研究逆冲断裂带节理组构及变形特征时，曾对高家场背斜的节理进行复平，具体方法结合上述步骤如下：第一步：求褶轴的产状在赤平投影中分别画出招皱两翼岩层面的投影，它们的交线的产状即为褶轴的产状。高家场背斜西翼的30号点（产状319°31°）和32号点（产状300°36°）的

13、岩层平均产状为310°34°，东翼的35号点（产状125°49°）、34号点（产状144°80°）和33号点（产状142°78°）的岩层平均产状为137°69°，求得两翼岩层面的交线即高家场背斜褶轴的产状为225°4°。第二步：将褶轴恢复为水平这项操作是以垂直于褶轴的水平线为轴，将整个褶皱旋转一个角度（大小等于褶轴的倾角），使褶轴恢复为水平状态。具体到高家场背斜的数据处理工作，是在DIPS软件中选择“旋转数据”操作，将“旋转轴心”设定为“倾覆向315°、倾覆角0&#

14、176;”、“旋转角度（绕轴顺时针旋转）”设定为“4°”。经过旋转操作后得到的数据即为褶轴恢复水平后的岩层面及节理产状。第三步：求解褶轴恢复水平后的岩层产状野外测量的每一条节理或层面数据在记录表中都有对应的编号，在用DIPS软件进行处理时也有对应的序号。将褶轴恢复水平时首先要记下层面的编号，然后当褶轴恢复水平后对应这个编号査找层面的新产状。第四步：将岩层恢复为水平这项操作是以恢复水平后的岩层面走向为轴，将岩层面旋转一个角度（大小等于岩层的倾角），使岩层面恢复为水平状态。在DIPS软件中的具体操作方法与将褶轴恢复为水平的操作方法相同。由于每个测点的岩层面产状都不相同，操作中需要将每个测

15、点的岩层面分别进行旋转，经过旋转操作后得到的数据即为该测点的岩层面及节理在岩层恢复水平后的产状。根据岩层恢复水平后的节理产状，用DIPS软件绘制了各个测点在岩层恢复水平后的节理极密图（如图3）。图3 各测点节理极密图5节理的构造应力场恢复朱勇等（2014）研究安徽巢北地区构造时，研究区内节理发育特征，通过研究区内15个观测点的千余组节理数据来恢复古构造应力场。测量点主要分布在平顶山向斜、凤凰山背斜和俞府大村向斜的两翼，测量点地层倾角较大，多为30°至近直立。观测的节理多成群出现，构成平行排列或雁行排列或由2组节理相互剪切形成的X型共轭节理。将每个测点的节理玫瑰花图分别标绘在研究区的构

16、造纲要图上，定性分析古构造应力场的状态（谢仁海等，2007）（图4），可以看出最大主应力方向为NW向和NE向。一个地区的节理一般是长期多次构造的产物，为了探讨研究区构造应力场，需对节理进行分期与配套。观测点可见多组节理共存的现象，它们之间相互切断错开、限制中止并且有的可见擦痕、羽裂和派生节等。通过节理测量，绘制节理走向玫瑰花图，结合节理之间的切割限制关系，确定出2组共轭剪节理(表1)。图4巢北地区各测点节理玫瑰花图表1共轭剪节理产状统计表根据上述节理分期配套的结果，能够确定研究区至少经历了2期主要构造运动。通过作各点的节理等密图，找出代表性节理产状，对共轭节理分析配套之后求出共轭节理产状，然后

17、借助赤平投影求出各应力轴的产状，投放到地质纲要图上，绘出主应力轴轨迹线图。以下对该研究区各期古构造应力场的特征和构造形迹进行分析。（1）第一期古构造应力场通过应力轴产状，对各测点节理数据进行吴氏网投影，编制本区第一期构造节理应力状态，依据各点应力方向绘制该研究区第一期构造应力轴轨迹线图（5）。由第一期构造应力轴轨迹线图能直观地分析出最小主应力3轴迹线与褶曲轴迹线方向一致，最大主应力1方向为287°355°，平均为319°。从构造变形特征可以判断出这种应力状态是受到NW-SE方向的挤压应力作用下形成的，结合区域地质资料分析，三叠纪末期华北板块与扬子板块的拼接，扬子板

18、块向NE俯冲产生不断增加的侧压力而形成研究区西侧的郯庐断裂带。研究区该期次的构造格局动力来源于郯庐断裂左旋平移在本区派生出的NW-SE向挤压构造应力场。图5 第一期构造应力场图（1:25000）（2）第二期古构造应力场通过吴氏网投影编制本区第二期构造节理应力状态，并绘制该研究区第二期构造应力轴轨迹线图（图6）。由图6分析，第二期构造应力场最大主应力轴迹线在研究区北部略呈NNE向偏转，南部略呈SSW向偏转，整体微向南东向凸出的弧形弯曲。中间主应力轴2倾角变化较大，说明本期构造运动除了形成新的节理之外，还可能利用了先期构造形迹。最大主应力1方向为23°68°，平均为44

19、6;，受到NE-SW方向的挤压并导致一期构造应力场的转变。结合区域地质资料及观测到的地质现象分析，研究区在上侏罗统与中侏罗统之间，白垩系与上侏罗统之间以及新生界与白垩系之间均为角度不整合接触，不整合面上下岩层产状变化较小，燕山运动存在多个弱的褶皱幕，晚期表现为近SN向挤压，是该期次构造格局的动力来源。图6第二期构造应力场图（1:25000）6节理发育特征对煤层气开发的影响煤层裂隙是煤层气运移、产出的通道，控制着煤储层的渗透率，决定着煤层气的可开发性（Ammosov. I.等，1963； 2001；李金海等，2008）。其方向取决于煤质、含煤岩系岩体结构、构造应力场等因素。同一期构造运动形成的煤

20、层裂隙产状与上下围岩中的节理产状基本一致，但因其力学性质不同会有一定偏差。在对沁水盆地的研究中，王生维等（2005）对该区山西组3号煤储层中的裂隙系统进行了研究，发现煤储层中的大裂隙系统具有明显的方向性，表现为NESW和NWSE两个优势方向，且以NESW向更为发育，这与岩石节理走向的优势方向基本一致，煤层主裂隙的方向与现在应力场最大主应力方向也基本一致。这一裂隙与应力场的耦合关系，造成了在煤层气井不断排采、流体压力不断降低过程中，裂隙张开度逐渐增加，进而导致煤层渗透率随最大主应力差的增加而增加，这是沁水盆地研究区煤层气井稳定高产的主控因素之一。在羽状分支水平井的布置方面（鲜保安等，2006；郭

21、丙政等，2006；张冬丽等，2005），李金海等（2008）依据煤层的主应力方向与现在的应力场的NESW向一致，建议沿NESW向布置主水平井，以大致垂直的方向来布置分支井。这样就能最大限度地沟通煤层的主裂隙，并且随着后期的排采，流体从裂隙中流出，在最大主压应力场作用下，裂隙张开度将有所增加，不至于出现因流体压力降低而闭合的现象，进而提高渗透率。但要充分考虑煤体结构，在确保成孔的前提下采用此方向布井。如果煤体完整性差，以保证主水平井成孔为前提，建议采用NW向，即垂直于最大主应力场方向布置主水平井。7煤储层裂隙发育规律预测与评价在野外大量节理实测资料和有限的煤层节理实测数据、统计分析的基础上，可以

22、研究煤、岩层裂隙发育的内在联系，建立关系模型，从而为隐伏区煤层裂隙预测与评价提供依据。如果在研究区域内有较好的煤层露头，可以为研究提供良好条件，如果野外没有煤层露头，可以通过井下煤层节理的测量来实现（姜波等，2015）。煤层与岩层优势节理方向具有相关性。大宁吉县野外相同构造部位的煤、岩节理统计结果表明，煤层与岩层节理发育具有较好的一致性，节理走向基本相同，且倾角较大。同一观测点煤、岩层节理特征对比研究排除了不同构造部位或空间对节理发育非均质性的影响，煤层节理与相应岩层节理的走向玫瑰花图形态相似，表明煤、岩层发育相近的节理系统，煤层的优势节理方向为40°45°，其次为130&

23、#176;140°，与岩层节理十分相近。煤层与岩层节理密度具有相关性。选择构造变形条件相同的地区，在综合分析岩性、层厚与节理密度关系的基础上，研究煤层与岩层节理发育的相关性。大底吉县地区东南部存在较好的煤层露头，且距河底台头断层1000m以上，受局部构造的影响较小。在相同的构造背景下，若层厚相同，则煤层与岩层节理发育的差异主要受岩性的影响，以广泛发育的砂岩层作为对比层，发现本区同一点厚度相等的煤层和砂层节理密度比值与其层厚有关，并随着层厚的增大而增加，分别拟合得到煤层、砂岩层节理密度与其层厚的关系式。煤储层节理发育预测方法如下：以广泛发育的砂岩层作为对比层，通过研究区东部煤、砂岩层露

24、头节理的系统测量和分析，分别拟合得到煤层、砂岩层节理密度与其层厚的关系（Wang Linlin等，2014）：（1）（2）式中:x1和x2分别为煤层和砂岩层的层厚；y1和y2分别为对应的节理密度。由式（1）、式（2）可知，煤层与砂岩层节理发育的密度存在较大差异，岩石（煤）的力学性质是主要的影响因素。若层厚x1=x2=x时，则平均岩性参数k为： （3）由式（3）可知，同一点厚度相等的煤层和砂岩层节理密度的比值与其层厚有关，并随着层厚的增加而增大，岩性参数是与层厚有关的函数，经研究，y2与x关系为y2=axk，且不因其他因素的影响而改变。但因不同部位构造变形强度不同，关系式中参数a和b变化范围较大

25、。基于野外上覆砂岩层节理密度观测数据，逐点拟合出砂岩节理密度与层厚的表达式，即确定各点的a、b值，再考虑k，即可得出对应砂岩观测点各点的节理密度预测模型：依据煤层等厚线图，读取与露头岩层节理观测点对应的煤层厚度值，带入预测模型，获得该点的煤层节理密度预测值。然后，采用线性插值法绘制出煤层节理密度等值线预测图（如图7）。5号煤层节理密度与构造密切相关，并与层厚为1030cm的砂岩层节理线密度分布规律具有较好的一致性，渗透率总体上随煤层节理密度的增加而增大，但渗透率变化较大。显示了煤储层裂隙发育对渗透率的影响，也反映了煤储层裂隙发育规律预测模型的可行性和实际应用价值（姜波，2015）。8泥页岩裂隙

26、发育特征对页岩气开发的影响裂缝既可以为页岩气提供聚集空间，也可以为页岩气的生产提供运移通道。泥页岩作为一种低孔低渗储层，页岩气生产机制非常复杂，涉及吸附气含量与游离气含量、天然微裂隙与压裂诱导缝系统之间的相互关系。泥页岩中主要存在5种裂缝，即构造缝（张性缝和剪性缝）、层间页理缝、层面滑移缝、成岩收缩微裂缝和有机质演化异常压力缝；控制裂缝形成的地质因素复杂，主要与区域构造应力场、构造部位、沉积成岩作用、岩石物性等（龙鹏宇等，2011）。图7 大宁吉县地区5号煤层裂隙评价及其与渗透率的关系泥页岩属于低孔低渗的沉积岩，基质孔隙极其不发育（总孔隙度一般小于10%，而含气的有效孔隙度一般只有1%5%），多为微毛细管孔隙，渗透率也远小于致密砂岩（一般小于0.1×10-3m2），随裂缝发育程度的不同而有较大的变化。裂缝的存在某种程度上极大改善了泥页岩的渗流能力和压裂处理措施的效率，同时也增加了深层产气页岩的储集空间。从野外地表露头、岩心的观察和物性实验分析表明，泥页岩非常致密，属于低孔低渗储层，但泥页岩中存在大量的天然裂缝体系，且至少存在2组或2组以上，具有高度的集群分布特征（图8）。其中大部分裂缝属于天然开启裂缝、闭合微裂缝和半充填裂缝，电子显微特征显示，泥页岩中还存在大量呈蜂窝状分布的小孔洞和