埋藏過程中泥頁巖非構(gòu)造裂縫的形成演化模式

袁玉松，周 雁，邱登峰，王茜茜

[1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 100083]

埋藏過程中泥頁巖非構(gòu)造裂縫的形成演化模式

袁玉松1，周 雁1，邱登峰1，王茜茜2

[1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 100083]

通過歸納總結(jié)前人研究成果，同時考慮到泥頁巖普遍具有層理發(fā)育、非均質(zhì)性、力學(xué)性質(zhì)各向異性、欠壓實作用和烴類生成等本身固有的特殊性質(zhì)，劃分了泥頁巖非構(gòu)造裂縫的主要類型，分析了泥頁巖非構(gòu)造裂縫分布的深度區(qū)間。依據(jù)覆壓條件下的孔隙度、滲透率測試數(shù)據(jù)，獲得了泥頁巖裂縫覆壓閉合的臨界圍壓和對應(yīng)的深度范圍。綜合分析認(rèn)為：泥頁巖非構(gòu)造裂縫主要有干裂裂縫、水下收縮裂縫、成巖層理裂縫、超壓裂縫(欠壓實超壓裂縫和生烴超壓裂縫)和現(xiàn)代表生裂縫5種類型。泥頁巖覆壓滲透率測試數(shù)據(jù)揭示,當(dāng)上覆巖層的垂直有效壓力達(dá)到15 MPa時，常壓泥頁巖的天然縫裂縫(水平方向)將發(fā)生閉合。裂縫覆壓閉合門限深度為870～1 138 m，平均為1 000 m。超壓泥頁巖底界深度與泥頁巖裂縫(水平方向)覆壓閉合深度一致，超壓帶底界之下的泥頁巖裂縫通常不再保持開啟狀態(tài)。埋藏過程中泥頁巖非構(gòu)造裂縫形成演化具有時序性/階段性，即從沉積開始到最大埋藏深度的不同階段，泥質(zhì)沉積物或泥頁巖形成不同類型的非構(gòu)造裂縫，由淺至深依次形成表層干裂裂縫—淺層水下收縮裂縫—中深層欠壓實超壓裂縫—深層生烴超壓裂縫—超深層閉合裂縫。

裂縫閉合；非構(gòu)造裂縫；超壓裂縫；泥頁巖

非構(gòu)造裂縫是泥頁巖中常見的裂縫類型，對頁巖氣成藏與保存評價具有重要意義。目前，國內(nèi)外學(xué)者對泥頁巖非構(gòu)造裂縫的研究還很少。在Elsevier,GSW,SpringerLink以及Wiley等國外主要文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫，幾乎檢索不到以“non-tectonic”為標(biāo)題的文獻(xiàn)?？梢姡L期以來泥頁巖非構(gòu)造裂縫的研究未曾受到重視。國內(nèi)僅在非構(gòu)造裂縫與構(gòu)造裂縫的區(qū)別、發(fā)育特征、成因機(jī)制和分類等方面有少量研究成果[1-3]。國外在干裂裂縫的幾何特征[4]、形成與演化機(jī)制[5]以及水下收縮裂縫的形成機(jī)制[6]等方面有少量報道。如今，頁巖氣勘探已取得巨大成功[7]，泥頁巖非構(gòu)造裂縫的研究也必將受到關(guān)注。關(guān)于泥頁巖非構(gòu)造裂縫的分類，由于研究的出發(fā)點不同，目前還存在一定的分歧。郭璇等將非構(gòu)造裂縫又分為表生裂縫、收縮裂縫、溶蝕裂縫、縫合線、差異壓實裂縫、壓裂縫、冰凍裂縫及與重力滑塌有關(guān)的裂縫等8種類型[1]。丁文龍等將非構(gòu)造裂縫分為成巖收縮裂縫、成巖壓溶縫合線、超壓裂縫、熱收縮裂縫、溶蝕裂縫和風(fēng)化裂縫6種亞類[8]。本文在歸納總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，充分考慮到泥頁巖具有層理發(fā)育、非均質(zhì)性[9]、力學(xué)性質(zhì)各向異性[10]、欠壓實作用和烴類生成等本身固有的特殊性質(zhì)，從油氣勘探的角度出發(fā)，初步劃分了泥頁巖非構(gòu)造裂縫的主要類型。并從泥頁巖超壓、超壓裂縫分布的深度區(qū)間、覆壓條件下泥頁巖裂縫的閉合圍壓和深度范圍，對埋藏階段泥頁巖非構(gòu)造裂縫的形成演化模式做了初步探討，意在對頁巖氣的成藏與保存研究提供關(guān)于泥頁巖非構(gòu)造裂縫方面的基礎(chǔ)參數(shù)和指標(biāo)。

1 泥頁巖非構(gòu)造裂縫的主要類型

考慮泥頁巖本身固有的與其他類別巖石不同的獨特性，即：①韻律性、層理、頁理發(fā)育；②厚層泥頁巖在快速埋藏階段常常形成異?？紫读黧w壓力，導(dǎo)致欠壓實超壓裂縫的發(fā)育；③含有豐富有機(jī)質(zhì)的泥頁巖在一定溫壓條件下具有生烴作用，階段性排烴而發(fā)育生烴超壓裂縫，將泥頁巖非構(gòu)造裂縫分為干裂裂縫、水下收縮裂縫、成巖層理裂縫、超壓裂縫(欠壓實超壓裂縫和生烴超壓裂縫)和現(xiàn)代表生裂縫5種類型。干裂裂縫由暴露干燥失水，體積收縮形成。干裂裂縫即可發(fā)育于地表未成巖的泥質(zhì)沉積層中，也可見于被抬升至地表附近的已經(jīng)成巖的泥頁巖中。水下收縮裂縫是泥質(zhì)層在水下脫水收縮或者含鹽度增大而形成的沉積變形構(gòu)造，常見于潮下淺水、潟湖和湖泊沉積物中[11]。成巖層理裂縫形成于成巖演化的各個階段，主要在成巖收縮作用下順著層理面/頁理面等先存薄弱面發(fā)育的裂縫。超壓裂縫主要包括欠壓實超壓裂縫和生烴超壓裂縫兩種?，F(xiàn)代表生裂縫由于泥頁巖被抬升至地表附近，由重力失穩(wěn)、風(fēng)化失水作用形成。現(xiàn)代表生裂縫和已經(jīng)成巖的泥頁巖中的干裂裂縫主要在抬升過程中形成。

2 泥頁巖非構(gòu)造裂縫形成的深度區(qū)間

地下潛水面控制著未成巖泥質(zhì)沉積層干裂裂縫發(fā)育的極限深度，長期干燥環(huán)境下，泥質(zhì)沉積層干裂裂縫發(fā)育深度可達(dá)15 m[12]。水下收縮裂縫發(fā)育于沉積物固結(jié)之前，因此，發(fā)育深度也僅限于淺層數(shù)十米范圍之內(nèi)。超壓裂縫形成的深度與超壓發(fā)育深度以及生烴門限深度等有關(guān)。泥頁巖超壓裂縫發(fā)育的深度區(qū)間受沉積速率和地溫梯度的影響。沉積速率決定了泥頁巖的欠壓實率，進(jìn)而影響超壓發(fā)育的頂界埋深；地溫梯度影響生烴與排烴門限深度，從而控制超壓的底界埋深。地層超壓可分布于前寒武紀(jì)—更新世地層[13]，可存在于碎屑巖、厚層蒸發(fā)巖和碳酸鹽巖地層中，最普遍的超壓現(xiàn)象主要存在于泥頁巖中，泥頁巖超壓具有一定的深度分布區(qū)間。不同盆地泥頁巖超壓分布的深度區(qū)間有一定差異。蘇北盆地欠壓實分布的深度范圍一般在1 500～2 500 m,最大可達(dá)3 000 m，其產(chǎn)生的層位大多數(shù)在古新統(tǒng)阜寧組的厚層泥巖中[14]。東營凹陷異常壓力主要發(fā)育在古近系沙三段和沙四段，從深度上看，不同井開始出現(xiàn)異常壓力的深度存在一定差異，有少量井在2 200 m左右就開始出現(xiàn)異常壓力，但主要分布在2 700～3 500 m[15]。松遼盆地古龍凹陷青山口組一段泥巖欠壓實深度主要分布于1 800～2 200 m[16]。遼河西部凹陷古近系泥巖異常超壓帶主要發(fā)育在1 200～3 400 m，如西部凹陷在埋深1 200～3 400 m的范圍內(nèi)泥巖的壓力系數(shù)一般為1.40～1.80，高者可達(dá)1.90[17]。砂層中的超壓大部分已消失，泥巖中的超壓多保持在厚層泥巖中。川西新場地區(qū)須家河組欠壓實帶頂界深度在3 000 m左右,欠壓實帶延續(xù)深度可達(dá)2 000 m，底界深度5 000 m左右。泥巖欠壓實導(dǎo)致地層壓力上升,該地區(qū)須家河組普遍超壓,其中須五、須四段壓力系數(shù)可達(dá)1.6～2.03,須三段、須二段壓力系數(shù)可達(dá)1.60～1.95[18]。

泥頁巖超壓裂縫在垂向上集中發(fā)育在一定區(qū)間，而且區(qū)域上可以進(jìn)行對比，與超壓帶的分布深度區(qū)間不完全一致，裂縫帶通常發(fā)育于超壓帶的底部。松遼盆地古龍凹陷青山口組青一段泥頁巖裂縫主要發(fā)育于2 000～2 200 m。哈14井青一段2 057.0～2 061.18 m、英15井青一段中下部井深2 216.76～2 220.3 m、哈18井取心井段2 001.34～2 065.69 m為泥巖裂縫發(fā)育段[19]。遼河西部凹陷歐39井也在沙三中段3 470 m泥巖中見到較發(fā)育的裂縫，且含輕質(zhì)油。青西凹陷的窟窿山、柳溝莊油藏的縱向分布以下白堊統(tǒng)下溝組(K1g)為主要產(chǎn)層，泥巖裂縫油氣藏埋深4 100～4 700 m[20]。超壓釋放的深度即泥頁巖超壓裂縫的分布區(qū)間，與聲波時差曲線的下滑段相對應(yīng)。東濮凹陷前梨園洼陷古近系泥質(zhì)巖異常超壓帶主要發(fā)育在2 500～2 700 m以下，而裂縫帶大致開始于3 200 m，于3 700～4 100 m之下消失(圖1)。滄東-南皮凹陷古近系泥質(zhì)巖異常超壓帶發(fā)育在1 900～2 200 m之下，裂縫普遍發(fā)育于2 500～3 200 m，于3 200 m之下消失(圖2)。

圖1 東濮前梨園洼陷超壓泥巖裂縫發(fā)育帶分布特征[21]

圖2 滄東-南皮凹陷超壓泥巖裂縫發(fā)育帶分布特征

3 泥頁巖裂縫的覆壓閉合

當(dāng)泥頁巖發(fā)生超壓破裂、產(chǎn)生超壓裂縫之后，地層卸壓，超壓消失，此時，裂縫在上覆地層的覆壓作用下將發(fā)生閉合，那么，需要多大埋藏深度，即多大厚度的上覆地層的覆壓作用，裂縫才能閉合？關(guān)于這個問題，本文對天然泥頁巖露頭樣品進(jìn)行覆壓滲透率測試分析，獲得了泥頁巖的覆壓閉合臨界深度。

為確定泥頁巖裂縫覆壓閉合的深度，依據(jù)SY/T 6385—1999，利用QK-98孔隙率儀(C013)和WD-97滲透率儀(C006)測試了來自四川盆地不同時代、不同類型的泥頁巖樣品覆壓下的孔隙度和滲透率(表1；圖3)。

表1 泥頁巖圍壓下的孔隙度與滲透率測試結(jié)果

從表1和圖3可以看出，泥頁巖孔隙度隨圍壓變化較小，對圍壓不敏感。當(dāng)圍壓從1.5 MPa增加到60 MPa時，泥頁巖孔隙度的變化量只有0.6%～2.7%。而且，孔隙度的變化發(fā)生在圍壓為1.5～15 MPa，當(dāng)圍壓大于15 MP之后，孔隙度基本保持不變。但是，泥頁巖滲透率隨圍壓變化較大，對圍壓非常敏感(圖4)。當(dāng)圍壓從1.5 MPa增加到60 MPa時，泥頁巖滲透率的變化量可以達(dá)到2～3個數(shù)量級。同樣，當(dāng)圍壓從1.5 MPa增加到15 MPa時，滲透率快速降低，大于15 MP之后，滲透率變化很小。泥頁巖滲透率之所以對圍壓變化非常敏感，是因為泥頁巖樣品中存在天然微裂縫，在覆壓作用下，微裂縫發(fā)生閉合，導(dǎo)致滲透率顯著降低，而泥頁巖的孔隙回彈小，所以，孔隙度對圍壓變化不敏感。從圖3和圖4可以看出，圍壓15 MPa是泥頁巖孔隙度和滲透率隨圍壓變化曲線的拐點。因此，圍壓15 MP可以作為泥頁巖天然裂縫覆壓閉合的門限值，即當(dāng)上覆巖層的垂直有效壓力達(dá)到15 MPa時，泥頁巖裂縫將發(fā)生閉合。

(1)

即可計算出泥頁巖天然裂縫覆壓閉合的門限深度為870～1 138 m，平均為1 000 m左右。

值得注意的是，試驗測試時，所施加的圍壓，方向與裂縫面垂直，因此，這里所指的裂縫閉合臨界圍壓，是垂直于裂縫面的壓力。因此，在實際地質(zhì)情況下，對

圖3 泥頁巖孔隙度隨圍壓變化關(guān)系

于天然裂縫的覆壓閉合，可以視為水平裂縫的閉合，而不涉及垂直或斜交裂縫的閉合。當(dāng)巖層產(chǎn)狀近于水平時，則主要包括泥頁巖裂縫中的順層裂縫的閉合。也就是說，在欠壓實超壓、生烴超壓或構(gòu)造應(yīng)力作用下，泥頁巖中產(chǎn)生的順層裂縫，當(dāng)造縫應(yīng)力消失之后，只要泥頁巖的埋深超過大約1 000 m，裂縫將在覆壓作用下閉合。即埋深超過1 000 m的泥頁巖如果存在天然水平(順層)裂縫，則應(yīng)該同時存在超壓現(xiàn)象，否則，水平裂縫難以保持開啟狀態(tài)。

在前節(jié)中已經(jīng)闡述，沉積盆地中泥頁巖超壓和超壓裂縫都有一定的深度分布區(qū)間，本節(jié)的試驗結(jié)果又表明裂縫在覆壓作用下可以發(fā)生閉合作用，兩者聯(lián)系一起，可以認(rèn)為，超壓盆地中超壓的底界深度即泥頁巖裂縫的覆壓閉合深度。超壓帶發(fā)育的深度一般小于5 000 m，因此，5 000 m之下的泥頁巖裂縫，通常不再為開啟狀態(tài)，而是閉合狀態(tài)。

圖4 泥頁巖滲透率隨圍壓變化關(guān)系

4 泥頁巖非構(gòu)造裂縫形成演化模式

從以上關(guān)于泥頁巖非構(gòu)造裂縫形成演化特征和深度分布區(qū)間以及覆壓閉合特征綜合分析，可以看出，埋藏過程中泥頁巖裂縫形成演化具有時序性/階段性(圖5)。從沉積開始到最大埋藏深度的不同階段，泥質(zhì)沉積物或泥頁巖形成不同類型的非構(gòu)造裂縫,由淺至深依次形成表層干燥收縮裂縫—淺層水下收縮裂縫—中深層欠壓實超壓裂裂縫—深層生烴超壓裂縫—超深層閉合裂縫。

圖5 埋藏階段泥頁巖非構(gòu)造裂縫形成演化模式

5 結(jié)論

1) 埋藏階段泥頁巖非構(gòu)造裂縫主要有未成巖沉積層干裂裂縫、水下收縮裂縫、欠壓實超壓裂縫和生烴超壓裂縫。

2) 泥頁巖超壓裂縫在垂向上集中發(fā)育在一定區(qū)間，而且區(qū)域上可以對比，與超壓帶的分布深度區(qū)間不完全一致，裂縫帶通常發(fā)育于超壓帶的底部。

3) 當(dāng)上覆巖層的垂直有效壓力達(dá)到15 MPa時，常壓泥頁巖的天然縫裂縫(水平方向)將發(fā)生閉合。覆壓閉合門限深度為870～1 138 m，平均為1 000 m。超壓泥頁巖底界深度即泥頁巖裂縫(水平方向)覆壓閉合深度，超壓帶底界之下的泥頁巖裂縫，通常不再保持開啟狀態(tài)。

4) 埋藏過程中泥頁巖非構(gòu)造裂縫形成演化具有時序性/階段性，從沉積開始到最大埋藏深度的不同階段，由淺至深依次形成表層干裂裂縫—淺層水下收縮裂縫—中深層欠壓實超壓裂裂縫——深層生烴超壓裂縫—超深層閉合裂縫。

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(編輯 董 立)

Evolutionary patterns of non-tectonic fractures in shale during burial

Yuan Yusong1,Zhou Yan1,Qiu Dengfeng1,Wang Qianqian2

[1.PetroleumExplorationandProductionResearchInstitute,SINOPEC,Beijing100083；China2.DepartmentofEarthSciences,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083,China]

The main types of non-tectonic fractures and their depth distribution range are discussed based on the previous research and considering the inherent special properties of shale such as bedding,heterogeneity,anisotropy in mechanical properties,under-compaction and hydrocarbon generation.The critical confining pressure of shale fracture closing and its corresponding depth range are calculated by making use of porosity and permeability data measured under overburden pressure.A comprehensive analysis reveals that the non-tectonic fractures of shale can be categorized into five types,including suncrack,underwater shrinkage crack,bedding crack,overpressure fracture and modern hypergenetic fracture.The permeability data measured under confining pressure reveals that shale fracture should be closed under a vertical effective stress of about 15 MPa.The depth threshold of shale fracture closing is in the range of 870-1 138 m,averaging at 1 000 m.The depth of bottom boundary of overdressed shale is consistent with the depth of fracture(in horizontal direction)closing under overlying pressure and the fractures in shale under the bottom boundary of overpressure zone are no longer open.The formation and evolution of non-tectonic fractures of shale in burial history feature in time sequence/episode,i.e.different types of non-tectonic fractures develop in different stages from the deposition to maximum buried depth.Surface weather-shack,shallow subaqueous shrinkage cracks,mid-deep under-compaction overpressure fractures,deep hydrocarbon-generating overpressure cracks and super-deep closed fracture occur successively from shallow to deep.

non-tectonic fracture,overpressure fracture,closed fracture,shale

2014-12-03;

2015-07-30。

袁玉松(1967—),男,博士、高級工程師，沉積盆地構(gòu)造演化與蓋層封閉性。ysyuan@126.com。

國家基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2012CB214806)；國家科技重大專項(2011ZX05005)。

0253-9985(2015)05-0822-06

10.11743/ogg20150514

TE122.1

A