袁玉松，方志雄，何希鵬，李雙建，彭勇民，龍勝祥

（1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；2.中國石化華東油氣分公司，南京210000）

志留系龍馬溪組頁巖氣藏在四川盆地內(nèi)部常常存在超壓（壓力系數(shù)＞1.2）現(xiàn)象，而在彭水地區(qū)則為常壓（壓力系數(shù)0.8 ～1.2）[1]。龍馬溪組頁巖氣初始測試產(chǎn)量與地層壓力系數(shù)呈明顯正相關(guān)關(guān)系[2]，可見，常壓形成機(jī)制研究對(duì)頁巖氣勘探評(píng)價(jià)具有重要意義。龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖早期埋藏深度大，經(jīng)歷了強(qiáng)烈的壓實(shí)和成巖演化，有機(jī)質(zhì)熱演化程度高，干酪根生烴和液態(tài)烴裂解生氣作用下都有可能產(chǎn)生超壓。關(guān)于常壓頁巖氣的形成機(jī)制，前人開展了少量研究。聶海寬[3]認(rèn)為，常壓頁巖氣藏可分為優(yōu)質(zhì)頁巖缺失/減薄型、早期逸散型、斷裂破壞型和殘留向斜型4 種主要類型，其分布與富集主要受構(gòu)造作用控制。李雙建[4]等認(rèn)為晚期構(gòu)造抬升的早晚、多期應(yīng)力場的疊加改造和高角度裂縫的發(fā)育程度是影響頁巖氣超壓后期保持的控制因素。彭水及鄰區(qū)龍馬溪組頁巖氣現(xiàn)今為常壓是晚期遭受構(gòu)造改造的結(jié)果[1，5]，構(gòu)造作用是控制頁巖氣保存和常壓形成的關(guān)鍵。然而，構(gòu)造作用究竟如何控制頁巖氣的保存條件，具體怎么評(píng)價(jià)構(gòu)造作用對(duì)頁巖氣保存的影響，超壓是如何轉(zhuǎn)變?yōu)槌旱?，這些問題尚未解答。該文將從泥頁巖抬升超壓破裂、泥頁巖超固結(jié)比（Overconsolidation Ratio,縮寫為OCR）以及泥頁巖裂縫的覆壓閉合特征等方面闡述構(gòu)造作用如何控制彭水及鄰區(qū)志留系龍馬溪組頁巖氣常壓的形成機(jī)制。

1 泥頁巖抬升超壓破裂

抬升剝蝕作用對(duì)頁巖氣壓力的影響主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：一方面，抬升剝蝕引起上覆地層壓力減小，圍壓降低，孔隙回彈，泥頁巖超固結(jié)比增大，脆性增大，容易發(fā)生脆性破壞，形成裂縫[6-7]，導(dǎo)致頁巖氣散失；另一方面，抬升剝蝕作用使得地層溫度降低，一定程度上導(dǎo)致地層壓力降低，但是由于靜水壓力降低，地層壓力系數(shù)反而增大，產(chǎn)生超壓或者在原有超壓基礎(chǔ)上超壓程度進(jìn)一步增強(qiáng)，甚至超過泥頁巖水力壓裂的流體壓力門限值，發(fā)生超壓破裂，產(chǎn)生超壓裂縫，導(dǎo)致頁巖氣散失，超壓釋放。

在志留系頁巖氣藏中，由于氣體主要富集在有機(jī)孔之中，而有機(jī)孔內(nèi)地層水含量低，因此，抬升過程中溫度降低造成的地層水收縮對(duì)頁巖氣儲(chǔ)集空間的影響可以忽略。由于抬升過程中，壓力降低會(huì)使氣體體積膨脹，同時(shí)上覆載荷的卸載也會(huì)使氣藏壓力系數(shù)相對(duì)增加，因此，頁巖氣藏抬升過程中流體壓力和壓力系數(shù)的變化取決于孔隙回彈、溫度降低和上覆地層卸載三者耦合作用的總體影響。

孔隙回彈對(duì)儲(chǔ)集層壓力影響的定量分析可由式（1）計(jì)算[8]：

式中：ΔP為儲(chǔ)集層壓力變化，Pa；μ為巖石泊松比，取0.25；Cr為巖石壓縮系數(shù)，取1×10-3MPa-1；Cw為水的壓縮系數(shù)，取3×10-4MPa-1；ρr為遭受剝蝕的地層平均密度，取（2.5 ～2.6）×103kg/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2；Δh為構(gòu)造抬升過程中地層的剝蝕厚度，m。

溫度的降低對(duì)單位體積內(nèi)巖石和流體的體積變化的影響由式（2）進(jìn)行計(jì)算[9]：

式中：ΔV為體積變化量，m3；ΔT為溫度變化量（ΔT=Δt+273.15），K；αw為地層鹵水的膨脹系數(shù)，400×10-6K-1；αr為巖石的膨脹系數(shù)，9×10-6K-1；φ為孔隙度。

PVTsim 模擬邊界條件：①龍馬溪組氣藏的氣體全部為CH4；②在超壓破裂之前龍馬溪組泥頁巖為封閉體系；③不考慮抬升過程中游離氣和吸附氣的相互轉(zhuǎn)化，也不考慮頁巖氣擴(kuò)散作用的影響；④抬升前的初始?jí)毫τ闪黧w包裹體古壓力恢復(fù)獲得。依據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程PV=nRT模擬抬升過程中地層壓力隨流體體積和溫度變化而動(dòng)態(tài)演化的過程。式中，P為壓力，Pa；V為摩爾體積，m3；T為絕對(duì)溫度，K；n為氣體的摩爾數(shù)，mol；R為氣體常數(shù)，R≈8.314 J/（mol·K）。抬升過程中主要考慮溫度、卸載以及孔隙回彈對(duì)流體壓力的影響，利用PVTSIM2.0軟件[10-11]模擬彭水及鄰區(qū)代表性頁巖氣探井龍馬溪組抬升過程中地層流體壓力的演化特征。模擬結(jié)果揭示，抬升過程中雖然龍馬溪組的地層壓力有所降低，但壓力系數(shù)卻顯著增大。依據(jù)流體包裹體古壓力恢復(fù)彭水地區(qū)PY1井抬升前龍馬溪組壓力系數(shù)為1.5 ～1.7，在不考慮超壓破裂的情況下，抬升過程中龍馬溪組壓力系數(shù)可達(dá)2.6（圖1）。依據(jù)PY1HF分段壓裂數(shù)據(jù)計(jì)算獲得龍馬溪組最小水平主應(yīng)力方向的附加構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)為0.564，那么，超壓破裂系數(shù)為2.48，即當(dāng)?shù)貙恿黧w壓力系數(shù)達(dá)到2.48 時(shí)，PY1 井龍馬溪組泥頁巖將發(fā)生超壓破裂。流體包裹體古壓力恢復(fù)涪陵地區(qū)JY1 井抬升前龍馬溪組壓力系數(shù)為1.92，在不考慮超壓破裂的情況下，抬升過程中龍馬溪組壓力系數(shù)可達(dá)到2.8（圖2）。依據(jù)JY1HF分段壓裂數(shù)據(jù)計(jì)算獲得龍馬溪組的最小水平主應(yīng)力方向附加構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)為0.639，那么，超壓破裂系數(shù)為2.78，即當(dāng)?shù)貙恿黧w壓力系數(shù)達(dá)到2.78時(shí)，JY1井龍馬溪組泥頁巖將發(fā)生超壓破裂。

可見，無論是JY1 井還是PY1 井，龍馬溪組泥頁巖在抬升過程中都將發(fā)生超壓破裂，導(dǎo)致天然氣散失、壓力釋放，地層流體壓力系數(shù)降低。但是JY1 井龍馬溪組現(xiàn)今壓力系數(shù)為1.3 ～1.5，仍然維持一定程度的超壓，而PY1 井龍馬溪組現(xiàn)今壓力系數(shù)僅為0.98，已經(jīng)變?yōu)槌?。同樣是抬升超壓破裂，現(xiàn)今的壓力系數(shù)卻不同，這可能主要與受泥頁巖超固結(jié)比影響的裂縫覆壓閉合程度有關(guān)。

圖1 不考慮泥頁巖超壓破裂條件下PY1井龍馬溪組流體壓力演化史Fig.1 Fluid pressure evolution history of Longmaxi Formation in well-PY1 without considering overpressure fracture of shale

圖2 不考慮泥頁巖超壓破裂條件下JY1井龍馬溪組流體壓力演化史Fig.2 Fluid pressure evolution history of Longmaxi Formation in well-JY1 without considering overpressure fracture of shale

2 泥頁巖超固結(jié)比與地層壓力系數(shù)

在頁巖氣勘探開發(fā)中，楊氏模量和泊松比以及脆性礦物含量經(jīng)常用于評(píng)價(jià)泥頁巖的脆性。泊松比越小，脆性越大；隨著楊氏模量的增加，脆性增加[12]。石英、長石和碳酸鹽礦物為泥頁巖中常見的脆性礦物組分，脆性礦物含量越高，脆性越大[13]。然而，脆性并非完全由泥頁巖本身決定，除了巖性、礦物組成、總有機(jī)碳含量、成巖作用、熱成熟度、孔隙度等因素之外，還受有效應(yīng)力、溫度和流體等多種因素的影響[14-16]。在沉積盆地油氣勘探領(lǐng)域之內(nèi)，溫度（＜200 ℃）對(duì)泥頁巖的巖石力學(xué)性質(zhì)雖然有一定影響，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圍壓的影響[17]。

正是考慮到圍壓對(duì)泥頁巖脆延性的顯著影響，該文引入了超固結(jié)比（OCR）這一參數(shù)評(píng)價(jià)泥頁巖的脆延性特征。泥頁巖超固結(jié)比，指泥頁巖在地質(zhì)歷史時(shí)期所經(jīng)受的最大垂直有效壓力（σ'vmax）與現(xiàn)今垂直有效壓力（σ'v）之比[18-19]。即：

式中：COCR為泥頁巖超固結(jié)比；ρ1為最大埋深時(shí)上覆地層平均密度，g/cm3；ρ2為現(xiàn)今上覆地層平均密度，g/cm3；Hmax為最大古埋深，m；Hpresent為現(xiàn)今埋深，m。

正常固結(jié)泥頁巖的OCR等于1，超固結(jié)泥頁巖OCR大于1。抬升剝蝕越大，OCR越大，泥頁巖脆性越大。通過埋藏史恢復(fù)，得到古埋深，由古埋深計(jì)算最大垂直有效壓力和抬升之后任一時(shí)間點(diǎn)的垂直有效壓力[20]。由于抬升前后地層密度基本保持不變，ρ1和ρ2可認(rèn)為近似相等，彭水地區(qū)龍馬溪組上覆平均密度為2.6 g/cm3。依據(jù)式（3）便可以計(jì)算得到OCR演化史，包括現(xiàn)今的OCR值。彭水及鄰區(qū)10 口探井龍馬溪組現(xiàn)今的OCR計(jì)算結(jié)果表明（表1），現(xiàn)今的OCR值（也是OCR的最大值）與地層流體壓力系數(shù)之間具有較好的相關(guān)性（圖3），表1 中志留系龍馬溪組壓力系數(shù)預(yù)測值由圖3 得到的擬合關(guān)系式計(jì)算得到，地層壓力系數(shù)計(jì)算值與實(shí)測值之間的誤差為0.12±0.08，可見OCR可以很好地反映頁巖氣的保存條件和現(xiàn)今地層壓力特征。

當(dāng)OCR達(dá)到某一門限值時(shí)，泥頁巖完全轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈訹6]。如，當(dāng)志留系龍馬溪組的OCR達(dá)到脆性破裂的門限值為2.6[7]，為脆性泥頁巖。當(dāng)然，同一深度處特定層系泥頁巖的脆性大小還受脆性礦物含量和泊松比以及楊氏模量等參數(shù)的影響。當(dāng)OCR達(dá)到脆性門限值（COCR門限值）時(shí)的埋深，即為脆性帶底界深度（Hb）：

由脆性帶底界和現(xiàn)今埋深即可評(píng)價(jià)泥頁巖現(xiàn)今脆性大小以及發(fā)生脆性破壞的可能性，從而評(píng)價(jià)頁巖氣的保存條件。以中國南方川東—鄂西地區(qū)一些代表性鉆井為例，由式（4）可計(jì)算得到龍馬溪組脆性帶底界介于1 940 ～2 763 m，平均值為2 353±260 m（表2）。將計(jì)算獲得的脆性帶底界深度與其現(xiàn)今埋深比較，即可確定泥頁巖現(xiàn)今所處的保存環(huán)境的好壞，如果處于脆性帶底界之上，則保存環(huán)境較差。

表1 彭水及鄰區(qū)代表性探井龍馬溪組泥頁巖OCR值及地層壓力系數(shù)Table 1 OCR and formation pressure values for Longmaxi shale of representative exploration wells in Pengshui and its adjacent areas

圖3 志留系龍馬溪組OCR與地層流體壓力系數(shù)關(guān)系Fig.3 Relation between OCR and fluid pressure coefficient in Silurian Longmaxi Formation

表2 彭水及鄰區(qū)志留系泥頁巖脆性帶底界埋深數(shù)據(jù)Table 2 Buried depth of bottom boundary of brittle zone of Silurian shale in Pengshui and its adjacent areas

3 泥頁巖裂縫的覆壓閉合特征

無論是褶皺作用、斷裂作用還是抬升剝蝕作用對(duì)頁巖氣保存的控制，都是因?yàn)槟囗搸r的完整性破壞，產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致頁巖氣散失。當(dāng)引起產(chǎn)生裂縫的構(gòu)造作用消失之后，深埋地下的泥頁巖裂縫在上覆地層重力作用和水平方向的應(yīng)力作用下可發(fā)生覆壓閉合。

在四川盆地川南地區(qū)長寧縣雙河鎮(zhèn)志留系龍馬溪組剖面同一巖塊上鉆取4 件泥巖小圓柱樣品（泥巖-1，泥巖-2，泥巖-3，泥巖-4），鉆取樣品的巖塊由大型挖掘機(jī)挖出，雖然是露頭樣品，但相對(duì)新鮮，受風(fēng)化作用影響相對(duì)較小。該剖面龍馬溪組總有機(jī)碳含量（TOC）平均值為1.45%，鏡質(zhì)體反射率平均值為3.0%，石英含量35%，方解石5%，黏土55%，其他占5%。黏土礦物中伊利石含量占48%，伊蒙混層占39%，綠泥石占13%。對(duì)以上4件樣品預(yù)造裂縫，開展應(yīng)力敏感性分析[21]，人造裂縫的應(yīng)力敏感性試驗(yàn)步驟如下：

1）先選取巖心樣品，氣測巖心原始滲透率；再劈開巖心，氣測巖心裂縫滲透率。

2）根據(jù)巖心裂縫滲透率情況選擇適當(dāng)?shù)某跏紘鷫?，使圍壓值至少大于巖心進(jìn)口壓力1.5 MPa。

3）選定適當(dāng)?shù)獨(dú)饬魉俚倪M(jìn)口壓力，保持進(jìn)口壓力值不變，緩慢增加圍壓，圍壓方向與裂縫面垂直，使凈圍壓依次為5 MPa，7 MPa，10 MPa，15 MPa，20 MPa，30 MPa，40 MPa，50 MPa，60 MPa，具體圍壓大小可以視巖心的強(qiáng)度而定。

4）每一個(gè)壓力點(diǎn)持續(xù)30 min后，按規(guī)定間隔測量壓力、流量、時(shí)間及溫度，待流動(dòng)狀態(tài)趨于穩(wěn)定后，記錄檢測數(shù)據(jù)，計(jì)算滲透率。

5）緩慢減小圍壓，按步驟3中的壓力依次減小，每一壓力點(diǎn)持續(xù)1小時(shí)后測定各項(xiàng)數(shù)據(jù)，計(jì)算滲透率。

試驗(yàn)結(jié)果見表3和表4。

分析測試結(jié)果表明，當(dāng)上覆垂直有效應(yīng)力從0 MPa增加到15 MPa左右時(shí)，泥-1和泥-3樣品的滲透率快速降低，圍壓從15 MPa 增加到60 MPa，樣品的滲透率基本保持不變。從圖4 看，泥-2 樣品的滲透率隨圍壓變化曲線拐點(diǎn)也大致在15 MPa左右。只有泥-4樣品的數(shù)據(jù)有所偏差，但從圖4的曲線上看，泥-4曲線拐點(diǎn)大致在20 ～25 MPa。如果考慮測試分析誤差和樣品的非均質(zhì)性等因素的影響，可以認(rèn)為志留系龍馬溪組泥頁巖大致在15 ～25 MPa，產(chǎn)狀水平的順層裂縫在15 ～25 MPa 發(fā)生覆壓閉合，轉(zhuǎn)換成深度大致為1 000 ～1 600 m。那么如果地層傾斜，則需要作用于層理面的正應(yīng)力達(dá)到15 ～25 MPa，也就是垂直有效應(yīng)力在裂縫面上的分量達(dá)到15 ～25 MPa。即：

表3 泥頁巖人造裂縫前后的滲透率對(duì)比Table 3 Comparison of permeability before and after artificial cracks in shale

表4 泥頁巖人造裂縫滲透率隨圍壓變化數(shù)據(jù)Table 4 Variation of artificial fracture permeability of shale with confining pressures

圖4 泥頁巖人造裂縫覆壓下滲透率變化Fig.4 Permeability changes of artificial cracks in Silurian shale under overburden stress

式中：ρ為上覆地層平均密度，g/cm3；g為重力加速度，m/s2；h為埋深，km；θ為地層傾角，（°）。

也就是說，地層傾角θ越大，裂縫閉合需要的埋深（h）越大。將式（5）中的傾角θ在0°～90°之間每隔10°取一個(gè)值，計(jì)算相應(yīng)的深度h的值，可得到傾斜地層順層裂縫覆壓閉合深度與地層傾角的關(guān)系（圖5）。由圖5可知，如果地層為傾角80°，則埋深需要大于5 000 m順層裂縫才能發(fā)生覆壓閉合。

盡管裂縫在覆壓作用下會(huì)發(fā)生閉合，但覆壓閉合程度與泥頁巖的脆延性有關(guān)。對(duì)于脆性泥頁巖（OCR大于脆性破裂門限值），在覆壓作用下不能完全閉合。人造裂縫覆壓閉合試驗(yàn)結(jié)果揭示，造縫前、后，泥頁巖滲透率相差可達(dá)4個(gè)數(shù)量級(jí)，即使覆壓60 MPa之后，泥頁巖的滲透率仍然比造縫前的滲透率高一個(gè)數(shù)量級(jí)（圖6）。因此，如果泥頁巖曾經(jīng)發(fā)生破裂形成了裂縫，那么，即使后期的埋深超過1 000 m，發(fā)生了覆壓閉合，但如果該泥頁巖還處于脆性帶時(shí)，其封閉能力仍然遠(yuǎn)不如其未發(fā)生過破裂時(shí)的封閉能力，初始超壓將遭受完全釋放，變?yōu)槌骸Ｈ绻幱诖嘌舆^渡帶或者延性帶，則裂縫閉合程度高，對(duì)頁巖氣保存有利，超壓可以免于遭受完全釋放，現(xiàn)今仍然維持一定程度的超壓（如JY1井）。

圖5 傾斜地層順層裂縫覆壓閉合深度—地層傾角關(guān)系Fig.5 Relation between closure depth of bedding fractures in inclined strata under overburden stress and dip angle of formation

圖6 泥頁巖造縫前后及覆壓前后滲透率變化Fig.6 Permeability changes before and after shale artificial fractured and axial stress loaded

4 頁巖氣常壓形成機(jī)制

埋藏階段，志留系龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖干酪根生烴和液態(tài)烴裂解生氣，超壓形成。沉積盆地超壓形成的主要機(jī)制有不均衡壓實(shí)（欠壓實(shí)）、黏土礦物脫水、烴類生成（包括液態(tài)烴裂解生氣）、水熱增壓作用和構(gòu)造作用等[22]。其中欠壓實(shí)和烴類生成是產(chǎn)生大規(guī)模超壓的2 種主要機(jī)制[23]。HARWOOD 計(jì)算了含1%有機(jī)碳的生油母巖因生成烴類和水，凈增的液體體積大約是44～50 m3/t，相當(dāng)于孔隙度為10%的頁巖總孔隙體積的4.5%～5.0%，因此，引起頁巖孔隙流體壓力大幅度的提高[24]。彭水地區(qū)五峰—龍馬溪組TOC含量＞2%，經(jīng)歷過200 ℃以上的高溫作用，熱演化程度高，鏡質(zhì)體反射率達(dá)到2.0%～2.8%，不僅經(jīng)歷過生油、生氣高峰，而且還經(jīng)歷了液態(tài)烴裂解生氣階段。因此，生烴增壓是彭水地區(qū)志留系龍馬溪組在埋藏階段最重要的增壓機(jī)制。流體包裹體古壓力恢復(fù)結(jié)果表明，彭水及鄰區(qū)志留系龍馬溪組泥頁巖在埋藏階段都存在過一定程度的超壓[25-26]。來自PY1 井2 080.04～2 080.06 m 龍馬溪組的亮晶方解石脈樣品流體包裹體均一溫度130±34℃，激光拉曼譜峰位置2 913.16 cm-1，計(jì)算得到古壓力為65～75 MPa。由盆地?zé)崃魇泛偷販厥坊謴?fù)結(jié)果可知，古地溫130 ℃對(duì)應(yīng)的古埋深為4 250 m，那么，古壓力系數(shù)為1.5～1.7。

構(gòu)造改造階段，斷裂活動(dòng)、褶皺變形、抬升卸載，超固結(jié)比增加以及超壓破裂，都可能導(dǎo)致頁巖氣散失，從而由超壓變?yōu)槌?。褶皺作用下地層發(fā)生變形，一方面地層產(chǎn)狀發(fā)生變化，導(dǎo)致最大主應(yīng)力與泥頁巖層理面之間的夾角發(fā)生變化，作用于層理面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力發(fā)生變化，從而控制泥頁巖裂縫的開啟與閉合。另一方面局部地應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生不同類型的裂縫（張裂縫或剪切裂縫），導(dǎo)致頁巖氣散失。褶皺作用導(dǎo)致背斜或者向斜的翼部地層產(chǎn)狀發(fā)生變化，傾斜地層在應(yīng)力作用下更容易發(fā)生順層剪切作用，產(chǎn)生順層剪切裂縫，導(dǎo)致頁巖氣順層散失。依據(jù)庫侖準(zhǔn)則（又稱最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則），當(dāng)巖石所受的最大剪應(yīng)力（τmax）達(dá)到抗純剪斷裂極限（τ0）時(shí)，將發(fā)生剪切破壞，產(chǎn)生剪切裂縫，其表達(dá)式為：

式中：τmax為最大剪應(yīng)力，MPa；σ1為最大主應(yīng)力，MPa；σ3為最小主應(yīng)力，MPa；τ0為抗純剪斷裂極限，MPa。剪切破裂通常沿著特定的剪裂角（剪裂面與最大主應(yīng)力的夾角）發(fā)生。通常，泥頁巖的剪裂角θ＝45°-（Φ/2），其中Φ為內(nèi)摩擦角。

內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角從理論上講代表每種類型巖樣的強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)，通常由三軸壓縮試驗(yàn)獲得。來自彭水地區(qū)志留系龍馬溪組的泥頁巖樣品三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。在表5 中，圍壓相當(dāng)于σ3，峰值強(qiáng)度相當(dāng)于σ1-σ3。以正應(yīng)力（垂直于剪切面上的應(yīng)力）為橫坐標(biāo)，剪應(yīng)力（τf）為縱坐標(biāo)，（σ1+σ3）/2 為圓心，（σ1-σ3）/2 為半徑，繪制不同圍壓下的應(yīng)力摩爾圓。由同一地層的多個(gè)巖樣在不同圍壓下的三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到一組摩爾圓，當(dāng)正應(yīng)力為0 時(shí)摩爾圓的包絡(luò)線在縱坐標(biāo)上的截距即為內(nèi)聚力C值（正應(yīng)力為0時(shí)的剪應(yīng)力值），與橫坐標(biāo)軸的夾角即為內(nèi)摩擦角Φ值（圖7）。

圖7 彭水地區(qū)志留系龍馬溪組泥頁巖應(yīng)力摩爾圓Fig.7 Shale stress molar circle of Silurian Longmaxi formation in Pengshui area

由圖7可知，由應(yīng)力摩爾圓的最佳線性擬合包絡(luò)線可得到彭水地區(qū)龍馬溪組的C值為11 MPa，Φ值為30°。那么，龍馬溪組的剪裂角為45°-（30°/2）=30°。PY1 井和LY1 井志留系龍馬溪組地層傾角介于20°～30°，最大主應(yīng)力與泥頁巖層理面之間的夾角正好接近于龍馬溪組泥頁巖發(fā)生剪切破壞的剪裂角，有利于產(chǎn)生順層剪切裂縫，導(dǎo)致頁巖氣散失，對(duì)頁巖氣保存有一定影響。而JY1 井志留系龍馬溪組地層傾角只有5°～10°，產(chǎn)狀近于水平，泥頁巖的層理面與最大水平主應(yīng)力之間的夾角很小，不容易發(fā)生剪切破壞。相反，在一定程度上可以擴(kuò)大層理裂縫的儲(chǔ)集空間，有利于頁巖氣的保存。

斷層對(duì)天然氣包括頁巖氣的保存條件破壞通常都是非常嚴(yán)重的，但波及的范圍是局限的。一方面，斷層破壞了泥頁巖的完整性，導(dǎo)致頁巖氣滲流散失；另一方面，斷層附近總是伴隨大量裂縫發(fā)育，導(dǎo)致頁巖氣滲流散失。涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊靠近東南翼斷裂分布區(qū)，測試產(chǎn)量明顯低于焦石壩區(qū)塊內(nèi)部，壓力系數(shù)低（0.9～1.2）。彭水及鄰區(qū)的頁巖氣勘探實(shí)踐表明，與斷層的距離超過1 500 m 時(shí)，斷層對(duì)頁巖氣的破壞程度明顯降低[1]。

晚期抬升卸載過程中孔隙回彈、溫度降低，導(dǎo)致地層壓力降低，但由于靜水壓力同時(shí)顯著降低，壓力系數(shù)反而升高，發(fā)生超壓破裂，導(dǎo)致頁巖氣散失。超壓降低到一定程度時(shí)，裂縫發(fā)生覆壓閉合，泥頁巖超固結(jié)比（OCR）影響泥頁巖的破壞方式和裂縫閉合程度，從而控制頁巖氣的散失破壞程度和現(xiàn)今的地層壓力。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）彭水及鄰區(qū)志留系龍馬溪組在晚期抬升過程中雖然地層壓力有所降低，但壓力系數(shù)卻顯著增大而發(fā)生超壓破裂，導(dǎo)致頁巖氣散失，超壓釋放。

2）泥頁巖裂縫在覆壓作用下發(fā)生閉合，覆壓閉合深度受地層傾角影響，地層傾角越大，順層裂縫覆壓閉合深度越大。泥頁巖裂縫覆壓閉合程度受超固結(jié)比影響，超固結(jié)比越大，裂縫越難以完全閉合。泥頁巖超固結(jié)比與地層流體壓力系數(shù)之間具有顯著的相關(guān)性，超固結(jié)比越大，越趨于常壓。

表5 彭水地區(qū)志留系龍馬溪組泥頁巖三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 5 Triaxial compression test data of shale samples from Silurian Longmaxi formation in Pengshui area

3）彭水及鄰區(qū)龍馬溪組的傾角為30°時(shí)，最大水平主應(yīng)力與層理面的夾角正好接近于龍馬溪組泥頁巖的剪裂角，最容易發(fā)生順層剪切，產(chǎn)生順層剪切裂縫，導(dǎo)致頁巖氣散失，由超壓變?yōu)槌骸?/p>

4）彭水及鄰區(qū)志留系龍馬溪組頁巖氣常壓形成機(jī)制：干酪根生烴和分散液態(tài)烴裂解生氣產(chǎn)生的超壓頁巖氣在后期的構(gòu)造改造過程中通過構(gòu)造裂縫或超壓破裂滲流/滲漏散失，超壓釋放；裂縫在覆壓作用下發(fā)生閉合，裂縫閉合程度受泥頁巖超固結(jié)比（OCR）影響，處于脆性帶的泥頁巖裂縫閉合程度差，超壓完全釋放，由超壓變?yōu)槌海惶幱诖嘈詭е碌哪囗搸r裂縫閉合程度相對(duì)高，超壓可能未完全釋放，現(xiàn)今仍然維持一定程度的超壓，但如果存在斷層破壞或者地層傾角較大，也可能完全釋放，變?yōu)槌骸?/p>