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黔東南地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖裂縫發(fā)育特征與主控因素

2018-07-03 11:28:22王濡岳王興華龔大建付福全
東北石油大學(xué)學(xué)報 2018年3期
關(guān)鍵詞:牛蹄寒武層間

王濡岳, 王興華, 龔大建, 尹 帥, 付福全, 陳 恩

( 1. 中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083; 2. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院,北京 100083; 3. 中國國儲能源化工集團股份公司,北京 100107; 4. 西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710065 )

0 引言

頁巖氣生成并儲集于富有機質(zhì)泥頁巖層系,具有源、儲一體的特征[1]。涪陵頁巖氣田的發(fā)現(xiàn)標志中國頁巖氣勘探開發(fā)實現(xiàn)重大突破[2-3],在非常規(guī)油氣開發(fā)與能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面具有引領(lǐng)示范作用。下寒武統(tǒng)富有機質(zhì)頁巖物質(zhì)基礎(chǔ)好、分布面積廣[4-8],具備頁巖氣資源開發(fā)潛力。同時,頁巖成熟度較高,構(gòu)造—成巖改造強度大、保存條件復(fù)雜,有機孔發(fā)育程度低[9-13]。天然裂縫的發(fā)育能夠改善頁巖儲、滲能力,對頁巖氣的富集、保存與開采效益具有重要影響[14-19]。Bowker K A等[14]指出,福特沃斯盆地Barnett頁巖在靠近斷層與構(gòu)造變形區(qū)(背斜與向斜)頁巖氣產(chǎn)量較低,區(qū)域裂縫非常發(fā)育,但不利于頁巖氣的生產(chǎn);開啟裂縫較為罕見且與頁巖氣產(chǎn)量關(guān)系不大。Gale J F W等[15]研究認為,高角度天然裂縫在Barnett頁巖中較為常見,常呈雁列式排列,裂縫開度較小,通常小于0.05 mm,且絕大部分被充填,裂縫總數(shù)遵從冪律分布,可能存在部分大型開啟裂縫聚集帶;大型天然開啟裂縫帶能夠提高頁巖孔滲能力,但阻礙人工誘導(dǎo)縫的延伸;規(guī)模較小的充填縫與最大主應(yīng)力方向近乎垂直,且在壓裂改造下易再度開啟與活化,有利于頁巖氣的增產(chǎn)。Gale J F W等[16]分析北美18個頁巖氣區(qū)塊的頁巖裂縫類型、充填、方位、規(guī)模等,指出天然裂縫具有局部高豐度、尺度(高度、長度和開度)變化大、弱力學(xué)強度礦物充填或發(fā)育殘余孔隙等特征,能夠增強或降低頁巖氣產(chǎn)率,影響地下流體流動及巖石強度。

黔東南地區(qū)下寒武統(tǒng)發(fā)育牛蹄塘組與變馬沖組兩套黑色頁巖,其中牛蹄塘組為被動大陸邊緣深水陸棚沉積[20],巖性以黑色硅質(zhì)頁巖為主;變馬沖組為一套以陸棚與前三角洲相為主的海相—過渡相沉積層系[21],砂泥巖互層的巖性組合與陸相、過渡相富有機質(zhì)頁巖具有一定相似性。目前,商業(yè)性開發(fā)的頁巖氣多產(chǎn)于海相地層,但中國陸相與過渡相頁巖發(fā)育廣泛,是未來頁巖油氣勘探開發(fā)的重要接替領(lǐng)域,分析研究區(qū)牛蹄塘組與變馬沖組二段頁巖裂縫發(fā)育特征與主控因素,對中國國海相與陸相頁巖裂縫研究具有參考借鑒意義。以黔東南岑鞏地區(qū)牛蹄塘組和變馬沖組二段(變二段)為例,筆者利用巖心、薄片觀察及樣品分析測試資料,分析下寒武統(tǒng)頁巖裂縫發(fā)育特征、主控因素及其差異性,為頁巖氣下一步勘探開發(fā)提供參考。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)地處貴州省黔東南苗族侗族自治州東北部、銅仁市西南部(見圖1),位于上揚子地塊東南緣湘鄂西隔槽式褶皺帶[11],早寒武世為被動大陸邊緣深水陸棚沉積[20-21],發(fā)育牛蹄塘組與變馬沖組兩套富有機質(zhì)頁巖。牛蹄塘組與變二段在研究區(qū)內(nèi)發(fā)育穩(wěn)定、厚度大,頁巖氣物質(zhì)基礎(chǔ)條件較好。牛蹄塘組地層厚度為59.0~70.0 m,巖性底部為黑色硅質(zhì)巖及磷塊巖夾黑色高碳質(zhì)頁巖;下部為灰黑色硅質(zhì)頁巖、灰黑色泥巖與灰黑色頁巖呈不等厚互層,見星點狀黃鐵礦分布;上部為深灰色、灰色中厚層狀泥巖、粉砂巖。變二段地層厚度為162.0~172.0 m,巖性以深灰至灰黑色頁巖、頁巖與細砂—粉砂巖不等厚互層為主,共含4段單層厚度大于15.0 m的純頁巖段,單層最大厚度為35.5 m。牛蹄塘組和變二段TOC質(zhì)量分數(shù)分別為0.40%~10.50%和0.70%~1.70%,平均分別為4.60%和1.30%,有機質(zhì)類型以Ⅰ型為主。兩套頁巖的礦物組分以硅質(zhì)及黏土礦物為主,其中變二段頁巖石英平均質(zhì)量分數(shù)為35.00%,黏土礦物平均質(zhì)量分數(shù)為44.70%;牛蹄塘組石英質(zhì)量分數(shù)較高,平均為47.40%,黏土礦物平均質(zhì)量分數(shù)為23.30%。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置Fig.1 Structural location of the study area

2 裂縫發(fā)育特征

2.1 類型

根據(jù)裂縫成因,可將研究區(qū)裂縫劃分為構(gòu)造縫與非構(gòu)造縫,構(gòu)造縫主要包括高角度剪性縫、張/壓扭性裂縫和低角度滑脫縫。牛蹄塘組與變二段巖心構(gòu)造縫主要發(fā)育高角度剪性縫和低角度滑脫縫;非構(gòu)造縫主要為層理縫與層間縫(見圖2)。受多期構(gòu)造運動影響,裂縫具有多期充填與改造的特點。高角度剪性縫延伸較長,常呈一定的組系和方向性,為區(qū)域或局部構(gòu)造應(yīng)力下頁巖發(fā)生脆性剪切破裂形成的(見圖2(a-b))。低角度滑脫縫面常見擦痕、階步和光滑鏡面(見圖2(c-d))。層理縫開度較小,與成巖及沉積過程中沉積物成分、結(jié)構(gòu)差異有關(guān),層理面一般對應(yīng)力學(xué)轉(zhuǎn)換面;在沉積與成巖演化過程中,層理面裂開形成層理縫,具有低電阻率特征(見圖2(e-f))。層間縫主要由負荷減小引起的應(yīng)力釋放造成,富有機質(zhì)頁巖生排烴形成的異常高壓利于順層纖維狀脈體發(fā)育(見圖2(g-h)),為油氣高壓排烴和運移的標志[22]。此外,在變二段砂巖及砂泥互層的不同巖性中裂縫發(fā)育存在差異(見圖2(i)),裂縫在砂巖中開度較大,延伸終止于泥頁巖段,且開度逐漸減小。

圖2 研究區(qū)頁巖巖心裂縫特征Fig.2 Characteristics of core fractures in the study area

2.2 發(fā)育特征

研究區(qū)牛蹄塘組與變馬沖組頁巖巖心裂縫參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果(見圖3)表明,牛蹄塘組與變二段砂泥互層段裂縫以構(gòu)造縫為主,傾角以高角度(75°~90°)為主,占比大于60%;其次是低角度(0°~15°)層間縫、層理縫及滑脫縫;斜交縫(傾角為15°~45°)占比極低。

變二段頁巖裂縫以低角度層理縫、層間縫和滑脫縫為主,占比大于70%,高角度構(gòu)造縫占比小于25%,斜交縫占比小于5%(見圖3(a))。裂縫開度為0.2~1.0 mm,砂泥互層段裂縫開度略大于純頁巖段的,與巖心觀察結(jié)果一致(見圖2(i)、圖3(b))。

圖3 研究區(qū)巖心裂縫參數(shù)統(tǒng)計Fig.3 Statistics of core fracture parameters in the study area

裂縫長度總體為0~10 cm,變二段頁巖與砂泥互層段裂縫長度略大于牛蹄塘組頁巖的(見圖3(c))。裂縫充填程度總體較高,其中牛蹄塘組最高,變二段砂泥互層段次之;變二段頁巖半充填與未充填裂縫比例相對較高(見圖3(d))。

裂縫微觀特征(見圖4)表明,方解石充填縫中解理與次級孔、縫發(fā)育,裂縫中方解石充填物與生物骨架內(nèi)部見溶解與交代產(chǎn)生的次生孔縫,對頁巖儲層孔、滲具有一定程度貢獻(見圖4(a-c))。微米—納米尺度下,頁巖裂縫以非構(gòu)造層間、粒間與粒內(nèi)縫為主,開度達微米級;層間方解石、石英和黃鐵礦等剛性礦物有利于粒間孔縫的發(fā)育與保存,面孔率較高,膠結(jié)薄弱,其順層分布促進層理縫與滑脫縫的形成(見圖4(d-e))。擠壓與滑動作用使滑脫縫面礦物具有碎裂化結(jié)構(gòu),顆粒磨圓與破碎度高,粒間孔、縫發(fā)育(見圖4(f))。微米—納米級微裂縫與宏觀裂縫互相溝通,構(gòu)成裂縫網(wǎng)絡(luò),有效增加頁巖儲集空間,增強滲透能力。

3 裂縫發(fā)育主控因素

3.1 構(gòu)造因素

構(gòu)造因素是裂縫發(fā)育控制因素之一。下寒武統(tǒng)地層時代較老,經(jīng)歷早古生代加里東、晚古生代海西、中生代印支和燕山、新生代喜馬拉雅5期構(gòu)造運動,多期構(gòu)造運動在方向、大小、范圍及深度方面不一致,重置疊加形成研究區(qū)復(fù)雜的構(gòu)造背景。基于陰極發(fā)光和流體包裹體等分析方法,楊平等[23]研究黔北震旦系燈影組流體活動與油氣成藏期次,認為黔北地區(qū)牛蹄塘組頁巖共經(jīng)歷三期油氣成藏與一期氣藏破壞。此外,多期構(gòu)造運動產(chǎn)生一系列褶皺和斷裂,斷層褶皺相關(guān)裂縫發(fā)育[17,24]。頁巖塑性較強,易發(fā)生滑脫與變形,形成順層滑脫裂縫與層間微型褶皺。在褶皺和斷裂附近,裂縫規(guī)模通常較大,隨與褶皺斷裂距離的增大和變形程度的降低,裂縫規(guī)模逐漸變小。

研究區(qū)CY1井距斷裂距離較TX1井的更近,CY1井的裂縫發(fā)育程度大于TX1井的[10,17],對應(yīng)的頁巖含氣量明顯降低。多期構(gòu)造運動的疊加改造使裂縫受到不同程度的活化與改善(見圖2、圖4),有利于增強裂縫的有效性。當(dāng)構(gòu)造作用過于強烈時,高角度穿層裂縫規(guī)模過大,導(dǎo)致頁巖氣過早散失。因此,適度構(gòu)造作用下,小尺度裂縫大量發(fā)育,即“斷而不穿,裂而不破”的狀態(tài)最為理想[3,11]。

圖4 研究區(qū)頁巖裂縫微觀特征Fig.4 Microscopic features of fractures in the study area

3.2 巖性與礦物組分

巖性與礦物組分對巖石力學(xué)性質(zhì)具有重要影響。根據(jù)研究區(qū)TX1井資料(見圖5),牛蹄塘組頁巖動態(tài)楊氏模量高于變二段頁巖的,而泊松比低于變二段頁巖的,表明牛蹄塘組頁巖脆性更強。受砂泥巖巖石力學(xué)性質(zhì)差異影響,巖性變化界面附近頁巖裂縫密度明顯增加。頁巖抗剪強度較低,在相同區(qū)域水平應(yīng)力作用下更易沿層理面剪切滑動,形成低角度滑脫縫。石英作為最主要脆性礦物,質(zhì)量分數(shù)直接影響巖石力學(xué)性質(zhì),變二段頁巖、砂巖及砂泥互層地層的動態(tài)楊氏模量與石英質(zhì)量分數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系,泊松比與石英質(zhì)量分數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系(見圖5(a));變二段頁巖裂縫密度與石英質(zhì)量分數(shù)具有較好正相關(guān)關(guān)系(見圖5(b)),且脆性較大的砂巖與砂泥互層段的高角度構(gòu)造裂縫發(fā)育程度明顯強于純頁巖段的(見圖2(i)、圖3)。牛蹄塘組石英質(zhì)量分數(shù)與動態(tài)楊氏模量、泊松比之間具有分段式關(guān)系[25],當(dāng)TOC和石英質(zhì)量分數(shù)過高時,動態(tài)楊氏模量開始降低[25](見圖5(c)),同時石英質(zhì)量分數(shù)與裂縫密度之間也具有相似關(guān)系(見圖5(d))。

圖5 研究區(qū)TX1井頁巖石英質(zhì)量分數(shù)與巖石力學(xué)參數(shù)、裂縫發(fā)育程度關(guān)系Fig.5 Correlations between quartz content, rock mechanical parameters and fracture density of the shales in well TX1 of the study area

3.3 TOC質(zhì)量分數(shù)

TOC質(zhì)量分數(shù)是影響黑色頁巖裂縫發(fā)育程度的重要因素之一。牛蹄塘組與變二段頁巖藻類與海綿骨針大量發(fā)育,使石英與TOC質(zhì)量分數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系[11],而石英質(zhì)量分數(shù)與裂縫密度的正相關(guān)關(guān)系使TOC、石英質(zhì)量分數(shù)和裂縫密度三者具有協(xié)同變化規(guī)律。富有機質(zhì)頁巖生排烴階段往往形成異常高壓,并伴隨發(fā)育水平方解石充填生排烴裂縫。研究區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖層間方解石充填縫較為發(fā)育,部分方解石充填物呈纖維狀結(jié)構(gòu),且TOC質(zhì)量分數(shù)與層間方解石充填縫密度呈良好正相關(guān)關(guān)系(見圖6),與東營凹陷沙三下亞段陸相頁巖層間方解石充填縫與TOC質(zhì)量分數(shù)關(guān)系相似[26],表明TOC質(zhì)量分數(shù)對層間超壓縫等非構(gòu)造縫的發(fā)育具有重要影響。

圖6 研究區(qū)頁巖TOC質(zhì)量分數(shù)與層間方解石充填縫密度關(guān)系

3.4 地層厚度

圖7 研究區(qū)地層厚度與裂縫密度關(guān)系Fig.7 Correlation between strata thickness and fracture density in the study area

天然裂縫的形成與分布除受構(gòu)造應(yīng)力控制外,還受巖石力學(xué)層控制,厚度大的地層均質(zhì)性和能干性要強于厚度小的地層的。在一定厚度范圍內(nèi),隨地層厚度增大,裂縫密度降低,裂縫尺度增大;地層厚度越小,裂縫密度越大,裂縫尺度也隨之減小[27]。研究區(qū)地層厚度與裂縫參數(shù)統(tǒng)計分析(見圖7)顯示,隨地層厚度的增加,裂縫密度逐漸降低。砂泥互層段地層厚度較薄,裂縫密度高于純頁巖段的,且受控于地層厚度,裂縫尺度較小,對保存條件影響也較小(見圖2(i))。對于富有機質(zhì)頁巖,TOC質(zhì)量分數(shù)與層間方解石充填超壓裂縫的正相關(guān)關(guān)系,以及密集發(fā)育的層理縫將頁巖拆分為多個巖石力學(xué)層,使低角度裂縫對高角度裂縫的發(fā)育具有調(diào)節(jié)作用,能夠有效避免穿層裂縫的形成。

3.5 綜合分析

中國南方經(jīng)歷多期強烈構(gòu)造運動,頁巖中構(gòu)造裂縫大量發(fā)育,其形成主要受控于構(gòu)造應(yīng)力與巖石力學(xué)性質(zhì)。下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖的TOC質(zhì)量分數(shù)、石英質(zhì)量分數(shù)、脆性及裂縫發(fā)育程度具有良好耦合關(guān)系,加之良好的保存條件與地層壓力系數(shù),使焦石壩五峰組—龍馬溪組具有“五性一體”頁巖氣富集特征[2]。研究區(qū)變二段頁巖TOC質(zhì)量分數(shù)、石英質(zhì)量分數(shù)、脆性及裂縫發(fā)育程度同樣具有良好的耦合關(guān)系。對于牛蹄塘組,過高的TOC質(zhì)量分數(shù)易降低頁巖脆性,使巖心裂縫發(fā)育程度與TOC、石英質(zhì)量分數(shù)之間產(chǎn)生先升后降的關(guān)系[17,25]。不同TOC質(zhì)量分數(shù)條件下,頁巖裂縫發(fā)育特征:

(1)當(dāng)TOC質(zhì)量分數(shù)小于6.00%時,TOC質(zhì)量分數(shù)、石英質(zhì)量分數(shù)和脆性三者之間存在正相關(guān)關(guān)系,即隨TOC、石英質(zhì)量分數(shù)增加,裂縫總量增加,巖心中高角度構(gòu)造縫、層間縫與低角度滑脫縫較為發(fā)育,構(gòu)成裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(見圖8(a-c))。

圖8 不同耦合條件下頁巖裂縫發(fā)育特征Fig.8 Fracture characteristics of different coupling conditions in marine shales

(2)當(dāng)TOC質(zhì)量分數(shù)大于6.00%時,頁巖脆性降低,構(gòu)造裂縫數(shù)量下降,裂縫總量減少,但TOC質(zhì)量分數(shù)與層間方解石充填縫的正相關(guān)關(guān)系促進層間縫的發(fā)育;同時,較高的TOC質(zhì)量分數(shù)使頁巖粘聚力和內(nèi)摩擦角較低,更易發(fā)育具有擦痕、階步及鏡面特征的低角度滑脫縫與高角度張/壓扭性裂縫(見圖8(d-f))[17]。此外,受多期構(gòu)造運動影響,早期不同類型與傾角的裂縫易重新開啟與活化(見圖8(e-f)),造成TOC質(zhì)量分數(shù)過高的層段裂縫總量減少,低角度滑脫縫與高角度張/壓扭性裂縫所占比例增加。裂縫通常未充填或為碎裂化礦物充填,裂縫有效性高(見圖4(f)),對頁巖比表面與孔滲具有重要貢獻,即裂縫數(shù)量減少、質(zhì)量提高。

4 結(jié)論

(1)黔東南地區(qū)下寒武統(tǒng)黑色頁巖構(gòu)造縫類型主要為高角度剪性縫、張/壓扭性裂縫及低角度滑脫縫,非構(gòu)造縫主要為層理縫和層間縫。牛蹄塘組裂縫發(fā)育程度高,高角度構(gòu)造縫大量發(fā)育;變二段頁巖裂縫以層理縫、層間縫和低角度滑脫縫為主。多期構(gòu)造運動、成巖作用使構(gòu)造縫與非構(gòu)造縫之間常呈組合或疊加形態(tài),并受到不同程度的活化與改善。

(2)研究區(qū)頁巖裂縫主要受構(gòu)造應(yīng)力、巖性與礦物組分、地層厚度及TOC質(zhì)量分數(shù)等因素影響。其中構(gòu)造作用與脆性是構(gòu)造縫發(fā)育的主控因素,TOC質(zhì)量分數(shù)的增加有利于層理縫、層間縫、低角度滑脫縫及張/壓扭性裂縫發(fā)育,同時調(diào)節(jié)高角度裂縫的發(fā)育,避免穿層裂縫的形成。

(3)研究區(qū)變二段和牛蹄塘組頁巖TOC質(zhì)量分數(shù)、石英質(zhì)量分數(shù)、脆性及裂縫密度之間具有良好耦合關(guān)系。牛蹄塘組中部TOC質(zhì)量分數(shù)(大于6.00%)過高的層段裂縫總量減少,但張/壓扭性裂縫與低角度滑脫縫比例增大,裂縫有效性增強。

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