准噶尔盆地东部双井子地区平地泉组陆相页岩天然裂缝发育模式

Development Model of Natural Fractures in Continental Shale of the Pingdiquan Formation in the Shuangjingzi Area, Eastern Junggar Basin

摘要

准噶尔盆地东部二叠系平地泉组页岩油资源量丰富，天然裂缝作为烃类重要的储集空间和流体运移通道，直接影响页岩油的勘探开发效果.基于对双井子地区野外露头的精细刻画，分析了平地泉组天然裂缝的发育特征和控制因素，并在此基础上讨论了裂缝的分布模式.结果表明，准噶尔盆地双井子地区平地泉组天然裂缝包括层内裂缝、穿层裂缝和顺层裂缝3种类型，其中层内裂缝发育程度最高，分布最为广泛.天然裂缝发育受岩性、岩石力学层和构造影响，主要表现为：（1）不同岩性裂缝发育程度不同，粉砂岩和凝灰质粉砂岩中的裂缝最为发育；（2）岩石力学层控制了层内裂缝的发育，力学层厚度越小，裂缝发育程度越高；（3）断层附近存在裂缝发育带，距离断层面越近、断层上盘以及端部的裂缝越发育.不同岩层和构造部位的裂缝类型和分布特征差异较大，层内裂缝多发育在脆性较大的岩石力学层中，穿层裂缝可以切穿多套岩层，顺层裂缝则主要发育在泥质含量较高的岩层内.裂缝的形成和分布与砂岩和泥岩夹层之间的岩石力学性质差异以及泥岩夹层的厚度密切相关.

关键词

天然裂缝 / 控制因素 / 分布模式 / 陆相页岩 / 平地泉组 / 准噶尔盆地 / 石油地质.

Key words

natural fractures / controlling factors / distribution pattern / continental shale / Pingdiquan Formation / Junggar basin / petroleum geology

0 引言

近年来，随着北美页岩勘探实践的巨大成功，页岩油资源已成为全球能源的重要组成部分，极大地改变了世界能源格局（Jarvie， 2012； 邹才能等，2013； Ghosh et al.， 2018； 金之钧等，2021）.富有机质页岩层系，包括渤海湾盆地古近系、松辽盆地白垩系、四川盆地侏罗系、鄂尔多斯盆地三叠系、准噶尔盆地二叠系，蕴含丰富的页岩油资源（He et al.， 2016； 金之钧等，2021； 杜晓宇等，2023）.《页岩油地质评价方法》（GB/T 38718-2020）将页岩油定义为：赋存于富有机质页岩层系中的石油资源，包括烃源岩系内的致密碳酸盐岩或碎屑岩夹层，单层厚度不大于5 m，累计厚度占页岩层系总厚度比例小于30%，在自然状态下不具有工业产能，其开发需采用体积压裂的工艺措施才能实现.前人研究表明，陆相页岩具有极低的孔隙度和渗透率，天然裂缝可以有效增强储层物性，尤其是能够使渗透率提高1~3个数量级，为油气提供了重要的储存空间和渗流通道（Ding et al.， 2012； Gale et al.， 2014； Zeng et al.， 2016； Liu et al.， 2020a， 2020b）.在页岩油开发过程中，天然裂缝不仅可以作为油气从基质运移到井筒的通道，还会影响水力裂缝的扩展行为，最终决定页岩油的产能（Gale et al.， 2007； 金之钧等，2021； Liu et al.， 2022； Zhang et al.， 2022； Du et al.， 2023）.因此，天然裂缝对陆相页岩油储层中油气的运移和富集、水力压裂的效果、以及开发方案的制定具有重要影响，决定了页岩油的勘探开发效果.

准噶尔盆地二叠系发育一套陆相咸化湖盆多源混合细粒沉积，是盆地内最重要的烃源层系，近些年人们在此不断取得页岩油勘探突破，同时也是我国页岩油增储上产的重要区域（支东明等，2019；唐勇等，2023）.吉木萨尔芦草沟组的页岩油勘探较早，经过10多年的勘探目前已实现规模开发，并且建成了我国第一个国家级陆相页岩油示范区（宋永等，2022；唐勇等，2023）.平地泉组与芦草沟组属于同一沉积期，主要分布于准噶尔盆地东部地区，截至目前虽然发现了一定的页岩油藏，但总体勘探开发程度较低（樊妍等，2022；唐勇等，2022）.准噶尔盆地经历了印支运动、燕山运动等多期构造运动，野外剖面显示平地泉组天然裂缝广泛发育，但针对研究区天然裂缝的相关研究较少，严重制约了该区页岩油的勘探进程.本文以准噶尔盆地东部双井子地区的平地泉组为研究对象，首先描述了裂缝发育特征，在此基础上分析了裂缝发育的控制因素，并讨论了裂缝的分布模式，以期为准噶尔盆地下一步页岩油的勘探提供一定的指导.

1 地质背景

准噶尔盆地是中国西北地区的大型多旋回叠合含油气盆地，面积约1.3×10⁵ km²，油气资源潜力巨大（支东明等，2019；匡立春等，2021）.大地构造位置上，准噶尔盆地位于中亚造山带南部，处于西伯利亚板块、哈萨克斯坦板块和塔里木板块的结合部位，呈现出东西长、南北窄的三角展布形态（匡立春等，2021；宋永等，2022；唐勇等，2022；王小军等，2022）.根据基底构造形态，盆地可划分为西部隆起、中央坳陷、乌伦古坳陷、陆梁隆起、东部隆起和北天山山前冲断带6个一级构造单元（匡立春等，2021）.盆地四周被扎伊尔山、哈拉阿拉特山、克拉美丽山、伊林黑比尔根山、博格达山等山脉围限（图1）.研究区位于准噶尔盆地东部隆起北部，克拉美丽山前地区，行政位置属于新疆昌吉回族自治州奇台县双井子地区，为大型水渠挖掘出露的剖面，起点坐标为 44°48′37″N、90°15′14″E，终点坐标为44°48′36″N、90°13′47″E（图1）.克拉美丽山是海西运动晚期准噶尔板块与西伯利亚板块陆陆碰撞的产物，在印支运动和燕山运动的叠加作用下，研究区不仅发育大型断层，天然裂缝也广泛发育（关键等，2011；郑孟林等，2018；支东明等，2019）.

研究区在石炭系褶皱基底之上沉积了一套较为完整的地层，包括二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系.其中二叠系自下而上发育下二叠统金沟组（P₁ j），中二叠统将军庙组（P₂ j）、平地泉组（P₂ p），以及上二叠统梧桐沟组（P₃ w）（图2）（郑孟林等，2018；王越等，2021）.平地泉组以湖相沉积为主，同时发育少量扇三角洲和火山碎屑沉积，自下而上可划分为：平一段（P₂ p ₁）、平二段（P₂ p ₂）、平三段（P₂ p ₃），从平一段到平三段的粒度逐渐变细，反映湖平面逐渐上升、沉积水体变深的演化过程（李红等，2017；张志杰等，2021）.平一段发育深灰色泥岩，夹深灰色、灰绿色砂岩，层状泥灰岩、灰黑色油页岩以及少量白云岩；平二段主要为灰色泥岩与块状砂岩互层；平三段主要发育深灰色、灰绿色泥岩，夹少量铁质砂岩、煤线和炭质泥岩薄层（支东明等，2019；唐勇等，2022）.平地泉组在克拉美丽山前地区分布范围较广，沉积厚度最大可达 1 300 m，而且有机质丰度较高（平均值为5.8%）、成熟度适中（0.6%~1.2%），生烃潜力巨大，是研究区重要的烃源层系和含油层系（张丽霞等，2018；张志杰等，2021；Bai et al.， 2022）.

2 裂缝发育特征

2.1　裂缝类型

野外露头观测结果表明，准噶尔盆地双井子地区二叠系平地泉组天然裂缝发育程度较高，按照裂缝的产状以及与岩石力学层的关系，可分为层内裂缝、穿层裂缝和顺层裂缝3种类型，其中层内裂缝发育程度最高，分布最广泛.层内裂缝主要发育在脆性矿物较丰富的岩层中，并与岩层界面高角度相交（马诗杰等，2023；曾联波等，2023）.因为受到地层厚度的限制，这类裂缝规模较小，垂向上延伸高度较短，通常分布在米级范围内（图3a、3b）.野外观测到的部分层内裂缝会被方解石或者石英矿物充填（图3b）.此外，分布在同一套岩层内的层内裂缝多呈等间距平行分布，多套岩层内的裂缝相互沟通，可以形成良好的裂缝网络系统，对页岩油的富集具有重要意义.穿层裂缝在垂向上可切穿多套岩石力学性质差异较小的岩层（曾联波等，2023）.与层内裂缝的明显区别是，这类裂缝不受单一岩层的限制，因此规模通常较大，垂向延伸高度可达数米，横向上也会延伸很长的距离.穿层裂缝通常具有平直的缝面，倾角较高，与岩层界面垂直或斜交，并且可见明显的组系，呈雁列状排列（图3c、3d）.顺层裂缝主要发育在泥质含量较高的岩层或者煤系内（图3e、3f），通常表现为弯曲、分叉的特征，侧向连续性和连通性较差.露头中可见被纤维状方解石脉体充填的顺层裂缝（图3e、3f），前人研究表明这可能与有机质生烃过程中产生的异常高压有关（Wang et al.， 2020），因此，它也是烃类侧向运移的良好通道.

2.2　裂缝特征

裂缝统计结果表明，研究区不同部位的裂缝走向具有轻微差异，主要发育NNW-SSE向、NE-SW向、NW-SE向和近E-W向裂缝4组裂缝，其中NW-SE向和NE-SW向裂缝是优势裂缝组系，而NNW-SSE向和近E-W向裂缝相对较少（图4）.裂缝倾角以中高角度（45°~90°）为主，占比超过84%，这些裂缝主要是层内裂缝和穿层裂缝.中低角度的裂缝相对较少，倾角在0°和45°之间的裂缝占比15%，其中近水平（0°~15°）的裂缝发育程度相对较高，占比7%，主要为顺层裂缝（图5a）.由于平地泉组陆相页岩油储层的岩性复杂，导致控制层内裂缝发育的岩层厚度较小，因此，天然裂缝的规模普遍较小，裂缝高度多分布在120 cm以下，总占比94%，这部分裂缝主要为层内裂缝和顺层裂缝.高度大于 120 cm的裂缝多为穿层裂缝，占比6%（图5b）.

3 裂缝控制因素

天然裂缝的发育受到多种因素控制，前人已经开展了大量相关研究，认为主要包括非构造因素和构造因素两种类型（Ding et al.， 2012； Zeng et al.， 2016； 王濡岳等，2016，2018；马诗杰等，2023）.非构造因素是影响裂缝发育的内在因素，主要包括岩性、有机质含量和层厚等；构造是影响裂缝形成和分布的外部因素，主要表现为构造运动和不同构造位置对裂缝发育的影响.本文从岩性、岩石力学层和构造3方面分析了影响平地泉组天然裂缝发育的控制因素.

3.1　岩性

岩性是控制裂缝形成与分布的最基本因素，不同岩性的结构、构造、矿物组分、颗粒大小不同，进而会引起岩石力学性质的变化，因此在相同的构造应力场作用下裂缝的发育程度会有差异（王濡岳等，2016；毛哲等，2020；曾联波等，2023）.研究区主要发育泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩、凝灰质粉砂岩、细砂岩和中砂岩6种岩性，统计结果表明，不同岩性天然裂缝的发育程度具有显著的差异.粉砂岩和凝灰质粉砂岩的裂缝发育程度最高，平均裂缝密度都达到了5 条/m以上，分别为7.56 条/m和5.57 条/m；细砂岩的裂缝发育程度也相对较高，平均裂缝密度为4.64 条/m；相对来说，泥岩、粉砂质泥岩和中砂岩的裂缝发育程度明显较低，平均裂缝密度仅在2 条/m左右（图6）.分析表明：粉砂岩和凝灰质粉砂岩中石英和长石等脆性矿物含量高，岩石脆性大，在受到相同的构造应力时，发生较小应变就会产生破裂形成裂缝（曾联波等，2023）.同时，由于粉砂岩和凝灰质粉砂岩中矿物颗粒小，岩石孔隙度和渗透率低，岩石也更加致密，有利于产生裂缝.而对于细砂岩和粗砂岩来说，由于是近物源沉积的产物，其分选和磨圆较差，岩屑和杂基的含量高（支东明等，2019）.因此，粒度较大、孔隙度较高的细砂岩和粗砂岩对应的破坏应变增加，并最终降低脆性（Heidari et al.， 2014），在构造挤压时反而不易产生裂缝.泥岩和粉砂质泥岩中泥质含量较高，岩石塑性强，颗粒发生相当位移时仍然可以保持结构稳定，也不易产生裂缝（毛哲等，2020）.此外，砂岩中主要发育中高角度裂缝，而在泥岩和粉砂质泥岩中，低角度裂缝的数量会显著增加.

3.2　岩石力学层

岩石力学层是指岩石力学性质相近的一套地层，天然裂缝的形成和分布受岩石力学层的控制，裂缝通常发育在力学层内部，终止于力学层内部或界面处，所以岩石力学层也被称为裂缝层（Laubach et al.， 2009； 曾联波等，2020；Liu et al.， 2023）.通常情况下，脆性矿物含量较高并且岩性相同的地层属于同一套岩石力学层，而具有一定厚度的塑性地层则被认为是非岩石力学层（曾联波等，2020）.天然裂缝可以终止在单一岩性界面，或者是具有一定厚度的泥岩夹层或煤层.野外剖面笔者观察到裂缝多发育在不同岩层内部，不同岩石力学层内裂缝发育程度具有明显差异（图3a、3b和图7）.例如，图3a顶部层A中发育少量的裂缝，中间层B几乎不发育裂缝，底部层C裂缝极其发育，裂缝密度达到了40 条/m以上.这是因为层C为一套砂岩层，脆性矿物含量较高，有利于裂缝的发育.而层B为一套泥岩，属于非岩石力学层，因此，天然裂缝主要发育在砂岩内部，终止在砂泥岩界面处.同样，图3b中的裂缝也发育在中间的厚层砂岩层B中，裂缝多终止在岩性界面位置.

同一套岩石力学层内的裂缝是在相同的构造应力场下形成的，具有近似平行、与层面垂直或高角度相交以及良好的等间距性等特征（图3a、3b和图7）.统计结果表明，层内裂缝密度与层厚之间具有良好的负相关关系，这表明岩石力学层厚度越小越有利于天然裂缝的发育（图8）.前人研究表明，在构造挤压作用下，岩层内部积累到足够的弹性应变能才会破裂，这些弹性能会转变为新产生裂缝的表面能，与薄层岩石相比，厚层岩石需要积累更多的弹性能去产生裂缝，因此岩层厚度越小，裂缝发育程度越高（商琳等，2015）.穿层裂缝不受岩石力学层的控制，可以穿过多套力学层界面，其规模远大于层内裂缝，此外，穿层剪切裂缝的密度与层厚不具有相关性.

3.3　构造

构造是影响裂缝发育的重要因素，不同时期的古构造应力场决定了裂缝的形成时间、方位和组系（Zeng et al.， 2013）.前人研究表明，自二叠系沉积以来，平地泉组经历了印支运动、燕山运动、喜马拉雅运动等多期构造运动（关键等，2011；郑孟林等，2018；张志杰等，2021）.印支运动到燕山运动期间，在博格达山快速隆升导致的逆冲推覆作用和克拉美丽山前深大断裂的走滑作用下，平地泉组经历了多期构造挤压，对研究区裂缝的形成起到了决定性作用（关键等，2011；张志杰等，2021）.野外露头中发育多个走向裂缝，不同组系裂缝具有明显的切割和限制关系，正是多期古构造应力场作用下形成的多组裂缝相互叠加改造的结果.

研究区位于克拉美丽山前的强构造变形区，发育大型断裂带和相关伴生断裂，不同走向和级别的断裂也会影响裂缝的发育程度和分布规律.野外露头显示研究区发育多条断层，断层附近裂缝发育程度会明显增加.图9a中发育一条小型正断层，通过统计同一套岩石力学层内发育的裂缝，可以发现随着与断层面距离的增加，天然裂缝密度会明显降低（图9b）.这是因为断层活动在周边产生局部构造应力场，导致断层核两侧形成裂缝发育带，距离断层近的区域应力更加集中，断层的规模和断距则会进一步影响裂缝的发育程度（曾联波等，2023）.断层上盘和下盘裂缝的发育程度也存在差异，统计结果显示，断层上盘的裂缝密度普遍大于断层下盘.当与断层面的距离为0.2 m时，断层上盘和下盘的裂缝密度分别为80 条/m和52 条/m，上盘的裂缝密度约为下盘密度的1.5倍.此外，断层两端岩层中裂缝发育程度也相对较高，因为断层端部也是应力集中区和裂缝的发育区.

4 裂缝分布模式

研究区整体的构造格局为走向近南北向、缓慢向西倾的单斜构造，区内发育多条断层，不同构造部位裂缝的发育程度具有明显差异.此外，平地泉组的岩性组合多样，纵向上多套岩层相互叠置，不同类型岩层的裂缝类型和发育程度也各不相同，多种因素导致双井子地区平地泉组形成了现今的天然裂缝展布格局.总体来说，研究区层内裂缝发育程度最高，是平地泉组的优势裂缝类型.层内裂缝主要发育在脆性矿物含量较高的岩层中，终止于单一岩石力学层内部，具有良好的等间距分布特征.由于受到岩石力学层厚度的限制，层内裂缝的规模普遍较小.层内裂缝的发育程度与不同类型岩层和岩石力学层厚度密切相关，粉砂岩和凝灰质粉砂岩中层内裂缝最为发育，而粉砂质泥岩、泥岩和煤层中层内裂缝发育程度很低，只在局部少量发育（图10）.随着岩石力学层厚度的增大，脆性地层中层内裂缝的发育程度也会逐渐降低.当厚层砂岩中夹有薄层泥岩或煤线时，会出现裂缝在两种岩性界面处轻微转折的现象.厚层泥岩则会成为层内裂缝的遮挡层，裂缝只能发育在砂岩层内，终止于砂泥岩界面位置（图3a）.

穿层裂缝发育程度相对较低，但其规模较大，在垂向上可以切穿多套岩石力学层（图10）.通常来说，穿层裂缝可以切穿薄层泥岩或煤线，只有当初始构造应力足够大时，才会切穿厚层泥岩.曾联波等（2020）的研究表明，在构造应力相同的情况下，砂岩和泥岩夹层之间的岩石力学性质差异越大，较小的泥岩夹层厚度就能限制裂缝的扩展；反之，二者的差异越小，限制裂缝扩展所需的泥岩夹层厚度就越大.此外，随着构造应力增加，裂缝的扩展可以克服更大的岩石力学性质差异或泥岩夹层厚度.研究区顺层裂缝的发育程度也相对较低，顺层裂缝与层面近似平行，主要发育在泥岩和粉砂质泥岩两种泥质含量较高的岩层中.此外，在断层两侧，由于受局部构造应力的影响，通常存在裂缝密集发育带，裂缝带的宽度取决于断层活动性的强弱.在裂缝发育带范围内，距离断层面越近，裂缝发育程度越高，断层上盘和两端等部位的裂缝也更加发育（图10）.

5 结论

（1）根据裂缝产状及其与岩石力学层的关系，研究区发育层内裂缝、穿层裂缝和顺层裂缝3类天然裂缝，其中层内裂缝发育程度最高，分布最广泛.区内主要发育NW-SE向和NE-SW向裂缝，裂缝倾角以中高角度（45°~90°）为主，中低角度（0°~45°）的裂缝数量相对较少.裂缝规模普遍较小，裂缝高度多分布在120 cm以下.

（2）研究区天然裂缝的发育受到岩性、岩石力学层和构造3种因素的影响.粉砂岩和凝灰质粉砂岩中裂缝发育程度最高，细砂岩次之，泥岩、粉砂质泥岩和中砂岩的裂缝发育程度相对较低.层内裂缝的发育受岩石力学层的控制，力学层厚度越小越有利于层内裂缝的发育.断层附近存在裂缝发育带，随着与断层面距离的增加，天然裂缝发育程度会明显降低.

（3）不同岩层和构造部位的裂缝类型和分布特征具有显著差异.层内裂缝在脆性较大的岩石力学层中更为发育，穿层裂缝垂向上可以跨越不同岩层，顺层裂缝则主要发育在泥质含量较高的岩层内.天然裂缝的分布与砂岩层和泥岩夹层之间的岩石力学性质差异以及泥岩夹层的厚度密切相关.

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基金资助

国家自然科学基金项目(42090025;42302148)

中国石油科技创新基金项目(2023DQ02-0103)