周 雁，袁玉松，邱登峰

(中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 構(gòu)造與沉積儲(chǔ)層實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

泥頁(yè)巖構(gòu)造裂縫形成演化模式
——以四川盆地東部泥頁(yè)巖為例

周 雁，袁玉松，邱登峰

(中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 構(gòu)造與沉積儲(chǔ)層實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

以四川盆地東部泥頁(yè)巖為例，在野外地質(zhì)研究基礎(chǔ)上，運(yùn)用巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)、光彈物理模擬和有限元數(shù)學(xué)模擬等手段，結(jié)合水力壓裂開(kāi)發(fā)統(tǒng)計(jì)資料，開(kāi)展了泥頁(yè)巖構(gòu)造裂縫形成演化研究。研究認(rèn)為，泥頁(yè)巖沉積韻律發(fā)育，先存薄弱面密集，不均質(zhì)性強(qiáng)烈。泥頁(yè)巖層面是裂縫優(yōu)先發(fā)育的結(jié)構(gòu)面，控制了裂縫的形成和發(fā)育演化特點(diǎn)。在構(gòu)造變形過(guò)程中，當(dāng)遇到泥頁(yè)巖層面時(shí)，應(yīng)力方向發(fā)生調(diào)整，壓應(yīng)力趨向平行薄弱面，張應(yīng)力趨向垂直薄弱面，從而引起薄弱面開(kāi)啟，優(yōu)先發(fā)育順層縫。當(dāng)順層縫不足以調(diào)節(jié)構(gòu)造變形時(shí)，發(fā)育切層縫。不同構(gòu)造變形部位泥頁(yè)巖裂縫分布特征差異性明顯，可以劃分為背斜頂部高角度縫發(fā)育區(qū)、切層縫向順層縫擴(kuò)展區(qū)、滑移轉(zhuǎn)換區(qū)、切層縫向順層縫爬移區(qū)和向斜底部高角度縫發(fā)育區(qū)5個(gè)區(qū)。同時(shí)提出在針對(duì)構(gòu)造高點(diǎn)勘探時(shí)，多套蓋層的疊置是有利條件。在針對(duì)儲(chǔ)層甜點(diǎn)勘探時(shí)，裂縫發(fā)育和擴(kuò)展是關(guān)鍵要素。

構(gòu)造變形;蓋層;裂縫；泥頁(yè)巖；四川盆地

世界范圍內(nèi)泥頁(yè)巖約占全部沉積巖的60%[1-2]，全球大中型油氣田(藏)蓋層為泥頁(yè)巖的占80%以上。泥頁(yè)巖裂縫既是油氣的儲(chǔ)集空間，也是滲流通道。不僅影響烴源巖排烴效率，更是決定油氣能否成藏保存的關(guān)鍵條件。近年來(lái)，泥頁(yè)巖油氣勘探方興未艾，泥頁(yè)巖構(gòu)造裂縫的研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)，相關(guān)研究也取得了重要進(jìn)展。主要包括泥頁(yè)巖裂縫類型及成因、裂縫的定性到定量識(shí)別方法、裂縫發(fā)育特征和裂縫儲(chǔ)集性能參數(shù)及裂縫儲(chǔ)層的分布預(yù)測(cè)4個(gè)方面[3-9]。

但是，國(guó)內(nèi)外勘探效果差異顯著，泥頁(yè)巖構(gòu)造裂縫研究發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題也越來(lái)越多。特別是國(guó)內(nèi)重慶涪陵、四川石柱和湖北利川3個(gè)地區(qū)經(jīng)歷的構(gòu)造變形過(guò)程類似，但成藏效果各異。同樣是奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組頁(yè)巖，重慶涪陵地區(qū)礁石壩油氣高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)，而四川石柱建南構(gòu)造建深1井難以開(kāi)發(fā)，湖北利川利1井勘探落空[10]。由此面對(duì)的科學(xué)問(wèn)題是：雖然認(rèn)識(shí)到泥頁(yè)巖裂縫是成藏的關(guān)鍵要素，但是對(duì)于泥頁(yè)巖構(gòu)造裂縫的形成演化，構(gòu)造變形過(guò)程中泥頁(yè)巖構(gòu)造裂縫的形成和分布尚不清楚。

本文以四川盆地東部泥頁(yè)巖裂縫研究為實(shí)例，在野外地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，分析了不同尺度泥頁(yè)巖特點(diǎn)，實(shí)測(cè)了泥頁(yè)巖不同方位巖石力學(xué)參數(shù)，開(kāi)展了系統(tǒng)的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)泥頁(yè)巖特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了不均質(zhì)體光彈物理模擬。以物理模擬作為邊界條件，開(kāi)展了有限元對(duì)比模擬。綜合巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和前人水力壓裂開(kāi)發(fā)統(tǒng)計(jì)資料等，總結(jié)了泥頁(yè)巖裂縫分布特點(diǎn)，探討建立了泥頁(yè)巖構(gòu)造裂縫形成演化模式。

1 四川盆地東部泥頁(yè)巖裂縫分布特征

四川盆地東部也稱鄂西-渝東地區(qū)，泥頁(yè)巖廣泛分布，發(fā)育層位包括了下寒武統(tǒng)、奧陶系五峰組-志留系、三疊系-侏羅系，局部還有上震旦統(tǒng)陡山沱組、石炭系-泥盆系、上二疊統(tǒng)與白堊系等。

研究區(qū)背斜與向斜構(gòu)造發(fā)育(圖1)，泥頁(yè)巖裂縫在不同構(gòu)造部位發(fā)育特征差異性明顯。恩施屯堡鎮(zhèn)鴨松溪村，是茶山背斜出露區(qū)。核部觀測(cè)點(diǎn)(X：19 343 530.89，Y：3 361 672.44，Z：260.60 m)出露下志留統(tǒng)深灰色泥巖，地層產(chǎn)狀352°∠6°，發(fā)育X型共軛剪切裂縫(一組縫260°∠74°，240°∠71°，269°∠

圖1 四川盆地東部背向斜格局示意圖及觀測(cè)點(diǎn)分布

71°；另一組縫51°∠77°，38°∠34°)；核部地層下部水平微裂縫發(fā)育，風(fēng)化表面較為明顯，但新鮮面少見(jiàn)。背斜東翼曹家田鄉(xiāng)觀測(cè)點(diǎn)(X：19 344 744.34，Y：3 363 535.79，Z：501.60 m)是下志留統(tǒng)灰色粉砂質(zhì)泥巖，細(xì)砂巖，地層產(chǎn)狀143°∠15°，發(fā)育一對(duì)共軛節(jié)理裂縫(一組259°∠59°，261°∠56°;另一組356°∠68°，335°∠64°)，未充填。背斜西翼觀測(cè)點(diǎn)(X：19 343 180.86，Y：3 361 473.78，Z：220.10 m)為下志留統(tǒng)灰色砂質(zhì)泥巖，地層產(chǎn)狀295°∠16°，發(fā)育共軛節(jié)理裂縫(一組272°∠82°，280°∠80°，285°∠70°；另一組79°∠69°，100°∠62°，113°∠77°)，均未充填，與層面高角度相交的裂縫發(fā)育，擴(kuò)展表現(xiàn)為順層特點(diǎn)。

在石柱—馬武路線上，打風(fēng)坳觀測(cè)點(diǎn)(X：19 238 002.80，Y：3 310 179.99，Z：1 242.9 m)出露下志留統(tǒng)龍馬溪組(S1ln)黑色頁(yè)巖，見(jiàn)筆石化石，地層產(chǎn)狀323°∠35°。該觀測(cè)點(diǎn)位于馬武背斜西北翼部，從下向上表現(xiàn)為：奧陶系臨湘組泥灰?guī)r穩(wěn)定分布—奧陶系五峰組硅質(zhì)巖強(qiáng)烈揉皺—龍馬溪組碳質(zhì)泥巖密集發(fā)育順層縫—龍馬溪組黑灰色泥巖發(fā)育近垂直層面的X型剪切縫(圖2)。在順層縫密集段，順層充填方解石和黃鐵礦，方解石層在下，黃鐵礦層在上。普遍存在明顯的順層滑動(dòng)現(xiàn)象，層面見(jiàn)階步擦痕，充填后的黃鐵礦層揉皺(圖3)。揭示了背斜翼部底層或向斜翼部上層的滑移轉(zhuǎn)換。

圖2 馬武背斜西北翼部泥頁(yè)巖裂縫分布

圖3 馬武背斜順層充填和滑動(dòng)

圖4 利川復(fù)向斜翼部泥頁(yè)巖裂縫分布

涼霧鄉(xiāng)觀測(cè)點(diǎn)位于涼霧山，屬于利川復(fù)向斜西北翼，總體上下部地層中三疊統(tǒng)巴東組(T2b)泥頁(yè)巖中發(fā)育X型高角度剪切縫，向上至侏羅系桐竹園組(J1t)順層縫較為密集(圖4)。觀測(cè)點(diǎn)P1105(X：19 290 282.72,Y：3 449 175.50,Z：1 063.2 m)為T2b(巴東組)灰色泥質(zhì)粉砂巖，產(chǎn)狀168°∠6，發(fā)育3組節(jié)理，X型剪切裂縫發(fā)育(357°∠79°，218°∠59°，110°∠54°)，未充填；還發(fā)育一組密集的近直立的高角度縫，產(chǎn)狀308°∠84°；各組裂縫相互切割。觀測(cè)點(diǎn)P1108(X：19 291 252.55,Y：3 346 003.01,Z：1 109.0 m)為桐竹園組深灰色碳質(zhì)泥巖夾4 cm厚煤線，上部為黃色泥巖，地層產(chǎn)狀178°∠16°，巖層發(fā)育X型剪切節(jié)理裂縫(263°∠76°，8°∠63°)和層間縫，均未充填。觀測(cè)點(diǎn)P1109(X：19 290 290.67,Y：3 342 919.71,Z：1 021.9 m)位于利川復(fù)向斜核部J1t泥巖中，地層產(chǎn)狀135°∠6°，發(fā)育高角度節(jié)理裂縫(332°∠79°,280°∠73°)，未充填；向斜底部裂縫發(fā)育，密度大，向上逐漸減少，至頂部斷裂縫消失，密度6條/m。

沿原318國(guó)道，從利川去萬(wàn)州，在利川營(yíng)上村西北發(fā)育向斜構(gòu)造(X：19 288 143.43，Y：3 366 566.43，Z：1 121.4 m)。該向斜由巴東組紫紅色泥巖夾薄層灰綠色泥質(zhì)粉砂巖組成，東翼產(chǎn)狀285°∠30°，西翼產(chǎn)狀變?yōu)?60°∠14°。底部近垂直層面裂縫發(fā)育，向上見(jiàn)順層裂縫。底部發(fā)育的兩組X型裂縫(44°∠80°，320°∠ 89°)平面上呈菱形，無(wú)充填。小型的縱張裂縫中見(jiàn)石英(方解石)充填或半充填，在大約1m的范圍內(nèi)，發(fā)育5條縱張裂縫，其中3條切穿整個(gè)巖層，2條僅切穿紫紅色的泥巖層段，但未切穿灰綠色的泥質(zhì)粉砂巖段。

2 泥頁(yè)巖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

研究表明，四川盆地東部泥頁(yè)巖是一套沉積層面發(fā)育、韻律性極強(qiáng)的沉積巖。例如，重慶馬武奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組(O3w-S1l)泥頁(yè)巖，野外特征看，具有密集的層面，沉積層極薄。巖心特征看，顏色與構(gòu)造等差異明顯，顯示為密集的韻律層。鏡下特征看，物質(zhì)成分與顆粒大小等明顯不同，表現(xiàn)出密集的紋層構(gòu)造(表1)。

表1 不同尺度下的泥頁(yè)巖沉積特征(重慶馬武，O3w-S)

表2 泥頁(yè)巖不同方位巖石力學(xué)測(cè)試參數(shù)(重慶馬武，O3w-S)

巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)所的MTS815.03巖石三軸試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)揭示，泥頁(yè)巖層面是巖石力學(xué)概念上的薄弱面或結(jié)構(gòu)面(表2)。

表2是石柱復(fù)向斜馬武奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組泥頁(yè)巖樣品分析測(cè)試結(jié)果。根據(jù)與巖石層面夾角，共選取了0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°等7組樣品測(cè)試。巖石力學(xué)破壞的峰值強(qiáng)度變化范圍是65.2～144.7 MPa，最大值在0°和90°附近處取得，最小值在30°附近取得。彈性模量變化范圍是21.3～29.0 GPa，且隨著取心角度的增大而逐漸減小。泊松比變化范圍是0.23～0.34，變化規(guī)律不明顯?？梢钥闯?，不同方向的抗壓強(qiáng)度可以相差兩倍以上，具有強(qiáng)烈的不均質(zhì)性。

3 泥頁(yè)巖構(gòu)造裂縫形成與擴(kuò)展

3.1 光彈模擬

上述分析表明，四川盆地東部泥頁(yè)巖沉積韻律發(fā)育，先存薄弱面密集，不均質(zhì)性強(qiáng)烈。根據(jù)該區(qū)泥頁(yè)巖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開(kāi)展了針對(duì)性的光彈模擬研究。實(shí)驗(yàn)運(yùn)用了PH-400型非球面大光場(chǎng)光彈儀，采用線加載方式，在中國(guó)石化構(gòu)造與沉積儲(chǔ)層實(shí)驗(yàn)室完成。

在模型設(shè)置上，用材料刻縫表示先存的薄弱面，并且采用局部刻縫方式，從而形成一個(gè)高度的不均質(zhì)體。

在這些模型中，區(qū)域應(yīng)力方向與先存薄弱面間的夾角范圍是0°～90°，每隔15°變化一次，共7個(gè)模型。對(duì)這一系列模型在3種不同載荷條件下(1 000 N，2 000 N，3 000 N)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)所有模型進(jìn)行了油浴處理，去除了初應(yīng)力。利用圓盤(pán)模型及中心理論解，求取了可反映模型物理性質(zhì)的材料條紋值，獲取了不同模型在不同載荷條件下白光和單色光的等差線條紋圖，并讀取了邊界處等差線條紋級(jí)數(shù)，計(jì)算了邊界應(yīng)力，獲取了不同模型不同角度下的等傾線條紋圖。

圖5展示了垂直應(yīng)力作用下不同產(chǎn)狀下的6種應(yīng)力分布樣式(根據(jù)地質(zhì)實(shí)際，沒(méi)有展示90°的)?？梢钥闯觯瑹o(wú)論是壓應(yīng)力還是張應(yīng)力，在任意地層產(chǎn)狀下，當(dāng)遇到薄弱面時(shí)，應(yīng)力方向都要發(fā)生調(diào)整，壓應(yīng)力趨向平行薄弱面，張應(yīng)力趨向垂直薄弱面，從而引起薄弱面開(kāi)啟，進(jìn)而產(chǎn)生順層縫；同時(shí)，抬升和張扭條件下，薄弱面附近應(yīng)力擾動(dòng)更為明顯，張應(yīng)力更為集中，更容易產(chǎn)生密度較大的順層縫；順層擠壓或壓扭條件下，薄弱面附近應(yīng)力作用均勻，擾動(dòng)現(xiàn)象較弱，預(yù)示可能發(fā)育延伸較長(zhǎng)的順層縫。

3.2 有限元模擬

作為對(duì)物理模擬的有效補(bǔ)充，作者還進(jìn)行了有限元分析。為增強(qiáng)結(jié)果的可對(duì)比性，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，模型的建立、材料參數(shù)的設(shè)置、邊界條件約束與物理模擬基本一致。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，應(yīng)力分布樣式與光彈模擬一致。以15°模型為例(圖6)，薄弱面附近出現(xiàn)張應(yīng)力菱形區(qū)，應(yīng)變樣式呈X型，與圖5光彈模擬結(jié)果是一致的。

圖5 不同應(yīng)力作用下薄弱面附近應(yīng)力分布樣式

圖6 15°模型在垂向1 000 N壓力載荷下的張應(yīng)力等值線

3.3 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)該區(qū)重慶馬武剖面志留系泥頁(yè)巖三軸壓縮試驗(yàn)(圖7)，取心角度為0°～15°時(shí)，表現(xiàn)為順層拉伸破壞，試件有多條順層破裂面；取心角度為30°～60°時(shí)，表現(xiàn)為剪切-拉伸破裂，試件首先沿層理面剪切破壞，端部擴(kuò)展為切層剪切破壞；取心角度75°～90°時(shí)，表現(xiàn)為剪切-拉伸破壞，順層縫、切層縫均發(fā)育，但順層縫明顯多于切層縫。顯然，從構(gòu)造變形序次看，順層縫優(yōu)先形成。

3.4 水力壓裂過(guò)程中泥頁(yè)巖裂縫擴(kuò)展

根據(jù)壓裂資料，水力裂縫在遇到天然裂縫時(shí)，可能存在穿過(guò)、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)向-穿過(guò)混合3種模式[11]。

從油氣成藏角度看，水力壓裂方向可以理解為地質(zhì)歷史時(shí)期的構(gòu)造應(yīng)力方向，水力壓裂大小可以理解為當(dāng)時(shí)的構(gòu)造應(yīng)力大小。對(duì)于泥頁(yè)巖來(lái)說(shuō)，層面對(duì)應(yīng)天然裂縫。3種模式中，穿過(guò)模式相當(dāng)于強(qiáng)烈變形產(chǎn)生了切層裂縫，轉(zhuǎn)向模式相當(dāng)于順層縫已經(jīng)難以調(diào)整構(gòu)造應(yīng)力變形，演化產(chǎn)生出了切層縫，混合模式相當(dāng)于順層縫與切層縫都有，形成了網(wǎng)狀縫。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，裂縫擴(kuò)展規(guī)律性明顯。一是角度越小，越趨向順層擴(kuò)展，然后切層擴(kuò)展，即轉(zhuǎn)向延伸，且在角度小于30°時(shí)最為明顯。二是同樣條件下，隨著差異應(yīng)力增大，首先以轉(zhuǎn)向延伸為主，然后演化為穿過(guò)延伸，即早期順層縫，晚期切層縫(圖8)。涪陵焦石壩地區(qū)頁(yè)巖氣水平井壓裂改造實(shí)踐證實(shí)，裂縫擴(kuò)展符合上述規(guī)律[12]。

4 泥頁(yè)巖構(gòu)造裂縫分布模式

根據(jù)四川盆地東部泥頁(yè)巖構(gòu)造裂縫野外地質(zhì)特點(diǎn)，綜合巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)、光彈實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模擬，總結(jié)了泥頁(yè)巖裂縫分布特征，認(rèn)為不同構(gòu)造變形部位泥頁(yè)巖裂縫差異性明顯(圖9)。

在構(gòu)造核部(圖9中的A區(qū)與E區(qū))，地層產(chǎn)狀平緩，主要發(fā)育切層縫、順層縫及兩者構(gòu)成的網(wǎng)狀縫，且外緣以切層縫和網(wǎng)狀縫為主，內(nèi)緣以順層縫為主，整體表現(xiàn)為外緣裂縫密度大于內(nèi)緣；應(yīng)力場(chǎng)類似于圖5a或圖5b，外緣(薄弱面附近位置)具有趨向切層的張應(yīng)力，從而發(fā)育切層張裂縫；破壞模式類似圖7c，屬于剪切-拉伸破壞；內(nèi)緣(薄弱面漸遠(yuǎn)位置)張應(yīng)力趨向順層，從而發(fā)育順層縫；破壞模式類似圖7b，屬于剪切-拉伸破壞。

圖7 泥頁(yè)巖三軸壓縮試驗(yàn)(重慶馬武，O3w-S)

圖8 不同應(yīng)力差和相交角組合下的裂縫擴(kuò)展模式試驗(yàn)

圖9 四川盆地東部泥頁(yè)巖裂縫發(fā)育模式

由于埋深的差異和曲率的反轉(zhuǎn)，背斜核部與向斜核部裂縫組合樣式明顯不同。背斜核部(A區(qū))裂縫密度上部大于下部，且上部是切層縫和網(wǎng)狀縫為主，下部以順層縫為主。恩施茶山背斜是典型代表；向斜核部(E區(qū))裂縫組合樣式正好相反，裂縫密度上部小于下部，且上部以順層縫為主，下部以切層縫和網(wǎng)狀縫為主。涼霧鄉(xiāng)觀測(cè)點(diǎn)核部是典型代表。

在構(gòu)造翼部(圖9B區(qū)和D區(qū))，地層產(chǎn)狀漸陡，與層面高角度相交的切層裂縫從層面向?qū)觾?nèi)擴(kuò)展，表現(xiàn)為切層縫逐漸轉(zhuǎn)換為順層縫特點(diǎn)；應(yīng)力場(chǎng)分布類似于圖5c或圖5d ，張應(yīng)力趨向順層，破壞模式類似圖7a或7b，屬于順層拉伸破壞或者剪切-拉伸破壞；在變形強(qiáng)度足夠大時(shí)，地層產(chǎn)狀高陡，也可能出現(xiàn)圖5e，甚至圖5f的應(yīng)力場(chǎng)，破壞模式為圖7a。

從背斜翼部向向斜翼部，埋深加大，應(yīng)力連續(xù)調(diào)整，但上下層面的裂縫分布不同。上層面是一個(gè)從切層縫連續(xù)演變?yōu)轫槍涌p的序列，表現(xiàn)為切層縫向?qū)觾?nèi)也即向下擴(kuò)展模式；而下層面是反序列，表現(xiàn)為切層縫向?qū)觾?nèi)也即向上爬移模式；二者交匯部位出現(xiàn)滑移轉(zhuǎn)換區(qū)(圖9中的C區(qū))。石柱馬武路線剖面代表了翼部連續(xù)變形和轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)(圖2，圖3)。

泥頁(yè)巖裂縫的上述分布模式產(chǎn)生了不同的油氣保存效果。例如，彭頁(yè)3井位于向斜核部，志留系泥頁(yè)巖埋深3 019 m，最高日產(chǎn)量3.5×104m3，自噴生產(chǎn)；彭頁(yè)1井距向斜核部約4 km，志留系泥頁(yè)巖埋深2 520 m，最高日產(chǎn)量2.5×104m3，電潛泵排液生產(chǎn)。再如寧201井接近核部，志留系泥頁(yè)巖埋深2 526 m，壓力系數(shù)2.03；日產(chǎn)量15×104m3；寧203井離開(kāi)核部約10 km，志留系泥頁(yè)巖埋深2 400 m，壓力系數(shù)1.35；直井日產(chǎn)量1.29×104m3。在其他盆地，也有類似特點(diǎn)[13-14]。例如，李貴中等發(fā)表的成果顯示，華北地區(qū)的韓城礦區(qū)泥頁(yè)巖甲烷含氣量在背斜軸部平均為7.31 m3/t，含氣量最低；斜坡帶9.62 m3/t，含氣量中等；向斜軸部12.65 m3/t，是背斜軸部的1.7倍，含氣量最高。顯然，在單層泥頁(yè)巖蓋層條件下，由于裂縫的發(fā)育，背斜軸部保存條件差，斜坡帶較好，向斜最好。在針對(duì)構(gòu)造高點(diǎn)勘探時(shí)，多套蓋層的疊置是有利條件；在針對(duì)儲(chǔ)層甜點(diǎn)勘探時(shí)，裂縫發(fā)育和擴(kuò)展是關(guān)鍵要素。

5 結(jié)論與討論

1) 泥頁(yè)巖沉積韻律發(fā)育，先存薄弱面密集，不均質(zhì)性強(qiáng)烈。泥頁(yè)巖層面是裂縫優(yōu)先發(fā)育的結(jié)構(gòu)面，控制了裂縫的形成和發(fā)育演化特點(diǎn)。

2) 構(gòu)造變形過(guò)程中，當(dāng)遇到泥頁(yè)巖層面時(shí)，應(yīng)力方向發(fā)生調(diào)整，壓應(yīng)力趨向平行薄弱面，張應(yīng)力趨向垂直薄弱面，從而引起薄弱面開(kāi)啟，優(yōu)先發(fā)育順層縫；當(dāng)順層縫不足以調(diào)節(jié)構(gòu)造變形時(shí)，發(fā)育切層縫。

3) 不同構(gòu)造變形部位泥頁(yè)巖裂縫分布特征差異性明顯，可以劃分為5個(gè)區(qū)。從背斜構(gòu)造到向斜構(gòu)造，分別是背斜頂部高角度縫發(fā)育區(qū)、切層縫向順層縫擴(kuò)展區(qū)、滑移轉(zhuǎn)換區(qū)、切層縫向順層縫爬移區(qū)和向斜底部高角度縫發(fā)育區(qū)。

應(yīng)該注意的是，本文的研究主要是基于單層泥頁(yè)巖裂縫形成演化特點(diǎn)。地質(zhì)條件下，泥頁(yè)巖組合方式多變，流體活動(dòng)等多種因素也可能改變裂縫發(fā)育規(guī)律。油氣勘探實(shí)踐過(guò)程中，作者提出的“高點(diǎn)、甜點(diǎn)差異化勘探”思路應(yīng)該具體分析。

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(編輯 董 立)

A discussion on formation and evolutionary pattern of shale structural fracture:A case study of shale in western Sichuan Basin

Zhou Yan,Yuan Yusong,Qiu Dengfeng

(LaboratoryofStructuralandSedimentologicalReservoirGeology,PetroleumExplorationandProductionResearchInstitute,SINOPEC,Beijing100083，China)

Taking the shale in the eastern Sichuan Basin as examples,we studied the formation and evolutionary patterns of structural fractures in shale through field observation,rock mechanics experiment,physical simulation of photo elastic and finite element simulation in combination with statistical data of development via hydraulic fracturing. It is revealed that the shale has rich deposit rhythm,pre-existing weak surfaces and strong heterogeneity. Shale bedding is the preferred structure surface for fracture development and controls the formation and evolutionary characteristics; Stress will adjust its direction when encountering shale bedding during structural deformation. The compressive stress tends to parallel weak surface,while the tension stress tends to be vertical to weak surface,which leads to weak plane opening and preferred development bedding-parallel fractures. Bedding-crossing fractures would develop when the bedding-parallel fractures are not enough to accommodate tectonic deformation. Characteristics of shale fracture distribution have sharp distinction in different locations of tectonic deformation which can be divided into five areas such as anticlinal top high angle fractures,extension of bedding-crossing fracture to bedding-parallel fracture,slip conversion,bedding-crossing fracture climbing to bedding-parallel fracture and synclinal bottom high angle fractures. It is proposed that areas with multiple sets of cap rocks overlapping is a favorable condition for exploration on structural highs,while the development and expansion of fractures is the key factor for exploration in sweet spots.

structure deformation,cap rock,fracture,shale rock,Sichuan Basin

2015-02-09;

2015-05-01。

周雁(1967—)，男，博士、教授級(jí)高級(jí)工程師，油氣保存與成藏。E-mail:zhouyan.syky@sinopec.com。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05005-002)；國(guó)家基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2012CB214806)。

0253-9985(2015)05-0828-07

10.11743/ogg20150515

TE122.1

A