湖北恩施恩地1井上二疊統(tǒng)大隆組裂縫發(fā)育規(guī)律及其對(duì)含氣性的影響

謝 通， 王 億， 潘詩洋， 許露露， 余江浩， 陳 威

(1.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430034； 2.湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心，湖北 武漢 430034)

中國南方海相頁巖層系普遍經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加改造，構(gòu)造保存條件是南方海相頁巖氣富集規(guī)律重點(diǎn)研究方向，其中裂縫對(duì)頁巖氣藏構(gòu)造保存條件影響尤為重要[1-6]。鄂西地區(qū)發(fā)現(xiàn)多套具有較好勘探潛力的頁巖層系，近年來隨著對(duì)二疊系頁巖層系調(diào)查評(píng)價(jià)工作的推進(jìn)，先后在鶴峰—建始—恩施一帶實(shí)施了多個(gè)地質(zhì)調(diào)查井并獲得較好的頁巖氣發(fā)現(xiàn)[7]。2019年8月，湖北恩施地區(qū)恩地1井在上二疊統(tǒng)大隆組(P3d)獲得較好的頁巖氣顯示，最大含氣量為2.7 m3/t，平均含氣量為1.5 m3/t。探討大隆組頁巖裂縫發(fā)育規(guī)律及其對(duì)含氣性的影響，對(duì)頁巖氣的高效勘探和開發(fā)有著重要意義，可為后續(xù)尋找二疊系頁巖氣有利目標(biāo)區(qū)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

恩地1井位于湖北省恩施市崔壩鎮(zhèn)，處于中上揚(yáng)子板塊湘鄂西褶皺帶花果坪復(fù)向斜的次級(jí)褶皺——茅田坪向斜東翼近核部(圖1)。鉆井周邊主要出露下三疊統(tǒng)大冶組(T1d)，地層產(chǎn)狀平緩，傾角一般<10°，局部出現(xiàn)輕微擠壓變形。

圖1 恩地1井構(gòu)造位置圖Fig.1 Tectonic location of Well Endi 11.嘉陵江組二段；2.嘉陵江組一段；3.大冶組四段；4.大冶組三段；5.大冶組二段；6.大冶組一段；7.大隆組—下窯組；8.龍?zhí)督M；9.孤峰組；10.茅口組；11.灰?guī)r；12.泥質(zhì)灰?guī)r；13.白云巖；14.含炭硅質(zhì)頁巖；15.粉砂巖。

恩地1井鉆探目的層為上二疊統(tǒng)大隆組，完鉆井深582 m，大隆組鉆厚58.5 m，主要巖性為含炭泥質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r、含炭硅質(zhì)巖、含炭硅質(zhì)頁巖，為一套臺(tái)盆相沉積巖組合，其中含氣泥頁巖層段厚約41 m，含氣層段頁巖TOC平均為6.7%，孔隙度平均為5.2%，平均含氣量為1.5 m3/t。

2 裂縫發(fā)育特征

對(duì)恩地1井大隆組巖芯裂縫進(jìn)行觀察，根據(jù)裂縫產(chǎn)狀特征，可分為低角度縫和高角度縫兩類。低角度縫以層理縫和層間滑動(dòng)縫為主，傾角為0°～25°。高角度縫可分為剪切縫和張性剪切縫，傾角為75°～90°。

(1) 層理縫。在恩地1井大隆組巖芯上極為常見，主要為具剝離線理的水平層理紋層面間的孔縫，為沉積作用所形成。頁巖間頁理為力學(xué)性質(zhì)薄弱的界面，極易剝離，層間層理縫為頁巖中最基本的裂縫類型[8]。恩地1井大隆組層理縫發(fā)育開度大小不一，開度小者普遍<1 mm，無充填或不完全充填方解石(圖2-a)；開度大者普遍介于1～3 mm，基本被方解石完全充填(圖2-b)。恩地1井大隆組中下部含炭硅質(zhì)巖、含炭硅質(zhì)泥巖段層理縫發(fā)育密度最大。

圖2 恩地1井大隆組巖芯裂縫特征Fig.2 Characteristics of fracture in the cores of the Dalong Formation in Well Endi 1a.層理縫被方解石不完全充填;b.層理縫被方解石完全充填;c.水平滑脫縫的層面;d.高角度剪切縫被方解石充填;e.高角度張性剪切縫被方解石充填;f.垂直層面的共軛剪切縫，一條被方解石充填，一條未充填。

(2) 層間滑動(dòng)縫。恩地1井大隆組泥頁巖由于受順層剪切應(yīng)力影響導(dǎo)致沿頁理層間滑脫形成低角度的滑脫裂縫。層面結(jié)構(gòu)是頁巖最基本的巖石結(jié)構(gòu)，層面也是最薄弱的力學(xué)結(jié)構(gòu)面[9]。無論是在拉張盆地還是在擠壓盆地中，層面滑移縫是頁巖中最基本的裂縫類型之一。該裂縫面一般存在大量平整光滑或具有滑痕與階步等特征(圖2-c)。恩地1井層間滑動(dòng)縫發(fā)育較少，裂縫開度一般以0.5～1 mm居多，多被富有機(jī)質(zhì)粘土充填，少量被方解石充填。

(3) 剪切縫。恩地1井大隆組高角度剪切縫主要受構(gòu)造作用影響，傾角一般為70°～80°，縫面較平直，具有一定的方向性并常成組出現(xiàn)，裂縫寬度為1～5 mm，多被方解石充填(圖2-d、圖2-f)。鄂恩地1井大隆組高角度剪切縫發(fā)育規(guī)模較小，延伸長度不超過50 cm。

(4) 張性剪切縫。縫面傾角和裂縫寬度在縱向上會(huì)有一定變化，具有一定的方向性并常成組出現(xiàn)，裂縫多被方解石充填(圖2-e)。

3 裂縫發(fā)育的主控因素

3.1 構(gòu)造因素

花果坪復(fù)向斜帶內(nèi)發(fā)育的褶皺和斷裂主要是印支期和燕山期以來構(gòu)造變形作用的產(chǎn)物。恩地1井位于茅田坪向斜南東翼近核部，該向斜為對(duì)稱平緩線狀褶皺，兩翼由大冶組二段(T1d2)和三段(T1d3)地層組成，北西翼地層產(chǎn)狀為130°∠6°～14°，南東翼地層產(chǎn)狀為325°∠8°～15°。該區(qū)遠(yuǎn)離區(qū)域性大斷裂，受構(gòu)造改造變形程度相對(duì)較小，地層產(chǎn)狀較平緩，故恩地1井巖芯裂縫發(fā)育規(guī)模較小，延伸長度均<50 cm，多數(shù)被方解石充填，基本未見開啟的裂縫。

3.2 脆性礦物含量

通過統(tǒng)計(jì)恩地1井大隆組巖芯裂縫發(fā)育數(shù)量(表1)，發(fā)現(xiàn)其裂縫分布在縱向上具有差異性(圖3)。

圖3 恩地1井大隆組裂縫特征綜合柱狀圖Fig.3 Composite columnar section showing fracture characteristics ofthe Dalong Formation in Well Endi 11.含炭硅質(zhì)頁巖；2.含炭硅質(zhì)巖；3.泥質(zhì)硅質(zhì)巖；4含鈣硅質(zhì)巖；5泥質(zhì)灰?guī)r；6.含炭泥質(zhì)灰?guī)r；7.白云質(zhì)灰?guī)r。

表1 恩地1井大隆組巖芯裂縫統(tǒng)計(jì)表Table 1 Fracture statistics of Dalong Formation in Well Endi 1

巖石成分和結(jié)構(gòu)決定了地層巖石力學(xué)性質(zhì)特有的塑性和脆性，在相同應(yīng)力條件下，低泊松比、高楊氏模量的頁巖脆性大，利于天然裂縫的發(fā)育。通常情況下，當(dāng)頁巖中脆性礦物的含量越高，膨脹性粘土礦物含量越少，頁巖造縫能力越強(qiáng)，更容易產(chǎn)生裂縫[10-13]。根據(jù)X衍射全巖礦物分析結(jié)果，大隆組巖芯脆性礦物主要為石英、碳酸鹽礦物和少量長石，其中石英占脆性礦物含量的比例>70%。利用SciAps公司生產(chǎn)的X-300型手持式XRF礦石分析儀掃描巖芯，得到巖石中CaO、MgO、Al2O3、SiO2、Fe2O3等化合物含量，結(jié)合已有的X衍射全巖礦物分析結(jié)果，認(rèn)為大隆組巖芯中Al2O3的含量可以近似反映粘土礦物含量，并計(jì)算得到脆性礦物含量。據(jù)此計(jì)算，脆性礦物平均含量為64.2%，其中大隆組中上部含硅鈣質(zhì)泥巖段和下含炭硅質(zhì)泥巖—含炭硅質(zhì)巖段脆性礦物含量較高，平均含量可達(dá)87.3%；大隆組裂縫發(fā)育密度與脆性礦物含量明顯呈正相關(guān)關(guān)系(圖4-a)，而且相比于高角度縫，低角度縫發(fā)育密度與脆性礦物含量的正相關(guān)性更為顯著(圖4-b、圖4-c)。所以恩地1井大隆組高脆性礦物含量有利于巖芯裂縫的發(fā)育。

圖4 恩地1井大隆組巖芯裂縫與脆性礦物含量的關(guān)系Fig.4 Relationships between fracture and brittle mineral contents of the cores in the Well Endi 1 of Dalong Formation

4 裂縫發(fā)育程度對(duì)含氣性的影響

頁巖中的天然氣主要以兩種方式賦存，或吸附于有機(jī)質(zhì)和粘土礦物表面，或游離于基質(zhì)孔隙和天然裂縫中[14-15]。頁巖氣在裂縫和基質(zhì)中是從微小的基質(zhì)孔隙向大孔隙和裂縫作擴(kuò)散作用，遵循達(dá)西定律；而基質(zhì)孔隙表面的吸附氣不再是達(dá)西流，而是在一定壓力下發(fā)生解吸。裂縫的發(fā)育有助于頁巖層中游離態(tài)天然氣體積的增加和吸附態(tài)天然氣的解吸[10]。恩地1井大隆組裂縫主要集中發(fā)育于中下部含炭硅質(zhì)巖段，該段同時(shí)也是大隆組主要的含氣層段。解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，巖芯解吸含氣量與裂縫發(fā)育密度呈明顯正相關(guān)關(guān)系(圖5-a)，其中低角度縫密度與解吸含氣量正相關(guān)性更為明顯(圖5-b、圖5-c)。巖芯浸水實(shí)驗(yàn)可觀察到大量連續(xù)串珠狀氣泡從巖芯裂縫中涌出(圖6)，反映出裂縫為大隆組提供了較多的頁巖氣儲(chǔ)集空間。

圖6 恩地1井大隆組巖芯浸水試驗(yàn)效果圖Fig.6 Immersion experiment effect of cores inWell Endi 1 of Dalong Formation

高角度縫如果發(fā)育規(guī)模過大，會(huì)將頁巖與不利于頁巖氣保存的斷裂或高滲透地層溝通，從而對(duì)頁巖氣保存起破壞作用[12]。恩地1井大隆組高角度縫發(fā)育規(guī)模較小，且大隆組上部厚約20 m的含炭泥質(zhì)灰?guī)r段中高角度縫基本不發(fā)育，使得下部頁巖氣不易向上逸散，為大隆組中下部含氣頁巖段提供了較好的蓋層條件。相反的是，小規(guī)模的高角度縫可以溝通大隆組層內(nèi)不同含氣層段，提高頁巖層段縱向滲透率。因此該區(qū)適度的構(gòu)造作用產(chǎn)生的小規(guī)模裂縫，是頁巖氣保存的較理想條件。

5 結(jié)論

(1) 恩地1井宏觀裂縫主要有低角度縫和高角度縫，低角度縫以層理縫和層間滑動(dòng)縫為主，高角度縫主要為剪切縫和張性剪切縫；裂縫主要發(fā)育在大隆組中下部含炭硅質(zhì)巖段。

(2) 恩地1井所處構(gòu)造位置相對(duì)穩(wěn)定，受構(gòu)造改造程度較小；大隆組裂縫發(fā)育規(guī)模較小，巖芯裂縫縱向分布規(guī)律主要受脆性礦物含量控制，裂縫發(fā)育密度與脆性礦物含量呈正相關(guān)關(guān)系。

(3) 恩地1井低角度縫改善了大隆組頁巖儲(chǔ)集空間，小規(guī)模高角度縫可溝通大隆組不同含氣層段，改善滲透性，且未切穿導(dǎo)通大隆組含氣地層與其它高滲透性地層，是頁巖氣保存的較理想條件。