页岩储层构造裂缝活动期次及开启性研究进展与展望

Tectonic fracturing and fracture initiation in shale reservoirs—research progress and outlooks

摘要

随着我国在非常规油气领域的研究不断深入和技术手段不断提高,页岩油气勘探开发工作取得了显著进展。大量生产实践结果表明:页岩储层裂缝是影响油气富集、高产和稳产的关键因素,页岩储层中裂缝的存在不仅可以改善储层的物性,还有利于后期的压裂改造。特别是储层中发育的构造裂缝,其活动期次与开启性的研究对于揭示页岩油气富集规律、保存条件等具有重要意义。早期对于页岩储层裂缝的研究集中在裂缝分类、识别与表征、裂缝发育主控因素分析与分布预测及建模等方面,而对于裂缝的形成时间与活动期次厘定、裂缝开启性的主控因素、裂缝开启与闭合机理、裂缝开启程度定量表征研究相对薄弱,制约了我国盆内页岩油气的高效勘探开发。为此本文在充分调研了国内外页岩储层构造裂缝研究成果的基础上,围绕页岩储层构造裂缝活动期次及开启性这一主题,重点梳理了页岩裂缝期次划分、充填脉体定年、开启性主控因素分析及开启程度定量表征方面的研究进展。裂缝活动期次的划分方法可分为两类:地质定性分析和裂缝充填物地球化学示踪分析。在实际应用中,上述方法只能得到裂缝活动期次相对的先后顺序,且会受到埋藏史、热史等基础地质资料精度的影响,其应用存在一定局限性。裂缝中脉体多为碳酸盐岩矿物和石英,高精度微区原位U-Pb定年技术的出现,使得厘定不同组系裂缝脉体形成的绝对年龄成为可能,避免了由于热史、埋藏史认识差异带来的流体活动时间的多解问题。影响构造裂缝开启性的主控因素较多,不仅受到岩石本身特性的影响,还受到现今地应力、地层流体压力等因素的控制。裂缝中广泛分布的纤维状充填物岩石学特征记录了晶体的生长过程,此类特殊的晶体形态是裂缝曾经存在多期活动的证据,揭示了裂缝多次开启-闭合的演化过程。目前主要应用开度这一参数来表征裂缝的开启程度,或是通过计算及实验获取裂缝开启压力间接表征其开启性。在总结并分析上述研究成果后指出了页岩储层构造裂缝活动期次及开启性研究中存在的关键问题及发展趋势,旨在丰富和完善页岩油气储层研究的理论和方法体系,为我国页岩油气的构造保存条件和富集机理研究提供重要的科学依据。

关键词

页岩储层 / 构造裂缝 / 活动期次 / 裂缝开启性 / 裂缝脉体 / 定量表征

Key words

shale reservoir / tectonic fracture / activity period / fracture openness / fracture vein / quantitative characterization

0 引言

从国内外页岩气勘探开发实践来看,北美和我国南方地区下古生界五峰-龙马溪组海相页岩气已成功实现了商业性开采,证实了页岩储层中天然裂缝是影响页岩气藏品质及勘探潜力的关键因素^{[1⇓⇓⇓-5]}。裂缝的密度及其走向的分散性通常被视为影响页岩气产量的关键因素。通常认为在一定范围内,裂缝的发育程度与页岩油气的产量呈正相关性。此外裂缝的产状、形态和开度亦是决定页岩气可采储量的主要因素^{[6⇓⇓⇓-10]}。因此,在具备良好盖层条件的基础上,寻找裂缝发育段一直是页岩油气甜点评价工作中的重要内容。

我国南方下古生界的下寒武统牛蹄塘组或筇竹寺组、上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩广泛分布,具有“经历多期构造运动、构造变形强烈、应力各向异性和储层非均质性强”等特点^{[11⇓⇓-14]}。特别是湘鄂-滇黔桂地区下古生界海相富有机质页岩在沉积后遭受多期构造运动、褶皱-断裂和抬升剥蚀等地质作用的强烈改造,致使不同尺度的裂缝大量发育,其中以构造裂缝为主。裂缝的存在可以显著地改善页岩储层物性条件,使其成为基质孔隙-裂缝型页岩气藏,渗透率可以提高2~4个数量级,渗透率改善的贡献率一般高达90%以上^[15⇓-17]。尽管普遍认为较高的裂缝发育程度有利于页岩气富集^{[3⇓⇓⇓-7]},也有学者提出盖层中裂缝发育程度超出一定规模可能会导致盖层破坏,造成游离气散失,从而导致页岩气总含气量减少^[18⇓-20]。因此,裂缝对于页岩气保存条件的评价也一直是研究的热点。

近年来在页岩油气勘探过程中发现富有机质页岩储层普遍发育构造裂缝,且常被多种矿物充填(如方解石、白云石和石英等),以裂缝脉体的形式单独或作为组合出现。此现象表明页岩储层裂缝在形成发育过程中曾涉及多期、多种不同性质的成岩流体,而充填物特征的差异则可以作为裂缝多期活动的有力证据。裂缝的充填程度和开度不仅会影响页岩裂缝的开启性,而且会对页岩的储集性能、页岩气源内运移聚集和保存、局部甜点区的形成与分布规律等产生影响。由此可见,只有当裂缝处于活动的时期时,开启程度高、连通性好的微裂缝才是决定页岩气富集、分布和单井产能的核心因素。由于储层中的裂缝往往是多期构造活动作用下的产物,而不同期次的裂缝在页岩气成藏与甜点区形成过程中发挥的作用不同,因此储层构造裂缝活动的期次研究是页岩油气领域的重要内容。从生产实践来看,我国南方下古生界海相页岩气勘探开发地区普遍经历多期次构造运动和抬升剥蚀作用,储层中普遍发育构造裂缝。因此,在页岩气勘探开发的过程中,页岩储层构造裂缝的活动期次及裂缝开启性相关研究将是必然面对的难题。迄今为止,学者们对于页岩储层构造裂缝活动期次及开启性方面的研究取得了一些进展,主要集中在裂缝活动期次划分、裂缝形成时间的精确厘定、影响页岩储层裂缝开启性的主控因素分析及其量化表征等方面。为了更加有效地为我国页岩油气勘探开发工作提供理论支撑,对页岩储层构造裂缝活动期次及其开启性研究的系统性回顾显得尤为重要。

在勘探初期,人们对页岩储层裂缝认识的局限性导致相关研究程度不够深入。页岩储层裂缝的研究主要依据野外露头剖面、钻井岩心、录井、测井(含特殊测井)数据、二维和三维地震、生产动态等基础资料,通过图像分析、流体注入实验、测井和地震等技术方法,开展页岩储层天然裂缝的分类、识别与表征、形成机制、发育主控因素、裂缝发育程度与主控因素之间定量关系、页岩储层裂缝的定性与定量分布预测、天然裂缝系统对于页岩储层压裂改造影响等方面的研究,并且有效指导页岩油气的生产实践^{[21⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-46]}。尽管如此,关于页岩储层构造裂缝的活动期次及开启性等方面研究仍显不足。特别是关于页岩油气储层构造裂缝活动期次的流体地球化学证据、多期裂缝脉体形成时间、裂缝开启性的主控因素及其定量表征等方面的研究尚未构建完整的体系,严重制约了页岩储层裂缝有效性评价及页岩层段甜点优选工作。

笔者调研了国内外关于页岩储层构造裂缝期次和开启性研究中成果与进展,并系统总结了构造裂缝发育期次划分、裂缝脉体定年、裂缝开启性主控因素分析和裂缝开启性定量表征等方面的进展。在此基础上分析并指出相关研究中存在的关键问题及发展趋势,旨在丰富和完善我国页岩油气储层研究理论,并形成技术方法体系,为我国页岩油气保存条件和富集机理提供重要科学依据。

1 页岩储层裂缝发育期次与裂缝脉体定年研究现状

1.1 裂缝发育期次研究

裂缝的活动期次划分一直是裂缝研究中的难题,其研究手段可以分为两类:一是基于地质方面的定性分析,主要是利用地质基础资料(野外观察、测井、录井和地震等)对页岩储层构造裂缝特征进行观察、图像分析和数据处理,从而明确不同期次裂缝的特征;另一种为裂缝充填物地球化学示踪法,富有机质页岩储层中普遍发育构造裂缝,其裂缝往往被多种矿物充填,不同期次的裂缝充填物流体性质差异性明显,因此通过对裂缝脉体进行地球化学分析可以厘清不同期次裂缝流体性质,从而对裂缝发育期次进行划分。

1.1.1 地质定性分析法

地质定性分析法是通过野外页岩露头剖面或钻井岩心观察、构造演化分析、地层倾角测井、地层微电阻率成像测井(FMI)、常规薄片、扫描电镜和充填物特征等手段进行宏观裂缝和微观裂缝期次的划分^{[47⇓⇓⇓⇓-52]}。构造裂缝是构造应力作用下的产物,其走向与地应力最大水平主应力方向关系密切^[53],不同时期应力性质与特征差异明显。因此可对构造裂缝产状进行统计,产状的差异通常代表其为不同时期构造变形的产物(图1)。

对野外露头剖面或钻井岩心还可以通过观察多组裂缝之间存在交叉、错位和互相切割等特征来划分期次,一般认为被切割的裂缝为早期裂缝。据此确定多组系裂缝之间形成的先后次序,证实裂缝具有多期次性。在野外露头或岩心尺度上观察到的宏观页岩构造裂缝往往错开距离不大,多在厘米级别。在微观尺度下页岩构造裂缝会有错动、扭动、切割和截断等现象发生(图2)。有的微裂缝被完全错断,可见明显位移;有的微裂缝仅发生扭动,并未完全错断,错开距离基本处于毫米级别^[36]。

裂缝充填物特征观察:页岩储层裂缝往往被多种充填物填充,常见的有泥质、方解石、白云石、石英和重晶石等矿物。在假设地层流体携带矿物类型相对稳定的情况下,页岩储层裂缝开裂后仅沉淀一种矿物。若裂缝同时被多种成岩矿物所充填,则可认为充填物是多期流体沉淀的产物,裂缝的发育具有多期次性特征(图2)。此外,页岩裂缝充填物多由碳酸盐岩矿物组成,可以通过对裂缝脉体进行阴极发光测试来确定裂缝形成期次^[54-55]。不同时间沉淀的碳酸盐岩矿物会由于微量元素的差异呈现出不同发光特征,阴极发光是目前最直观区分裂缝充填物形成期次的手段(图3)。

1.1.2 地球化学实验分析示踪法

随着页岩气勘探开发程度的不断深入,传统的地质定性分析只能粗略划分裂缝发育期次,难以满足当前对页岩气保存与富集理论深入研究的迫切需求。为此学者们开始采用同位素地球化学分析和流体包裹体测试来研究裂缝脉体,通过对比页岩储层裂缝中充填物的地球化学特征差异来示踪裂缝活动期次。

同位素地球化学分析的核心思想是认为裂缝中充填多期脉体是盆地多期次流体活动信息的直接记录,即裂缝脉体的形成与盆地流体活动之间存在着良好的响应关系,因此通过脉体或成岩矿物的地球化学特征可以区分不同期次的成脉流体,在此基础上还可以判断流体的来源与环境。目前,较为广泛应用的测试手段包括脉体碳、氧、锶同位素和微量元素的系统分析^{[52,56⇓⇓⇓⇓-61]},通过捕捉关键的地球化学信息来揭示和构建裂缝脉体的成岩过程和水岩相互作用,明确流体活动及演化过程,从而厘清裂缝的活动期次。

流体包裹体测试分析广泛应用于揭示裂缝活动的期次。页岩储层中的裂缝是盆地流体活动与含气流体运移的重要通道,矿物在生长的过程中所捕获的流体记录了古温压、环境和来源等信息^{[59⇓⇓⇓⇓⇓⇓-66]},因此包裹体特征(类型、均一温度、密度、盐度和气体组分等)的差异代表其来源于不同期次的流体活动(图4)。按照包裹体被捕获的时间先后可以将其划分为原生包裹体与次生包裹体。原生包裹体被捕获时间一般认为与矿物沉淀时间一致,其流体特征反映了主晶矿物形成时的流体环境及物理化学条件。而次生包裹体则代表晚期地层活动的流体,一般与晚期主晶矿物改造事件有关,指示后期改造事件发生时的环境、物理化学信息^{[59⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-74]}。显微测温在包裹体研究领域中的应用最为广泛,主要是获取包裹体的均一温度(T_h)和冰点温度(T_m)。均一温度被认为是包裹体被捕获时的温度^{[59⇓⇓⇓⇓⇓-65,68]},反映了矿物沉淀时环境的温度。流体包裹体作为研究古压力的优质载体,通过计算冰点温度可以得到流体的盐度(w(NaCl))。获取捕获压力最为常见且有效的办法是通过显微镜下观察,判断矿物是否捕获了不混溶的两类包裹体,再通过两种流体的等容线相交的办法来得到捕获压力^[69-70];此外当地层埋深较大或热演化程度较高时,一般利用矿物捕获的高密度甲烷包裹体及含甲烷盐水包裹体来计算压力。在对含甲烷包裹体研究中,通过激光拉曼实验测得拉曼位移值便可精确计算出捕获压力^{[69⇓⇓⇓⇓-74]}。

碳酸盐岩矿物和石英是页岩裂缝中最为普遍和常见的充填物,两者都可用于流体包裹体测试。其中碳酸盐岩样品由于对环境变化反应敏感且广泛分布,常被选作研究流体活动的重要介质^[75⇓-77],目前广泛用于前文中提及的碳、氧、锶同位素及流体包裹体测试^{[78⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-92]}。随着团簇同位素技术的兴起,为精确厘定流体古温度提供了新的途径^{[93⇓⇓⇓⇓-98]}。其原理是内部同位素的键合主要受控于温度,不受碳酸盐岩形成时流体同位素组成的影响^[99⇓-101]。在进行碳酸盐岩脉体团簇同位素定温实验时,温度区间存在显著差异,则被视为不同期次流体活动的标志。

楚雄盆地北部上三叠统侏罗系地层裂缝广泛发育,充填物以方解石为主。在野外露头观察、裂缝充填物稳定同位素测试、包裹体测温、石英自旋共振测年和声发射实验的基础上,结合裂缝特征及地质构造历史确定了裂缝分别形成于燕山期和喜山期^[102]。涪陵地区五峰-龙马溪组页岩裂缝普遍被石英和方解石复合脉体充填,其流体包裹体测试结果表明页岩裂缝多为燕山期构造运动下的产物^[103]。准噶尔盆地哈山地区构造活动强烈且频繁,致使石炭系、二叠系地层构造裂缝大量发育。裂缝中方解石充填物的碳氧稳定同位素、锶同位素和流体包裹体特征表明方解石脉流体来源有3种:二叠纪的火山热液、晚二叠世以来的油源流体和燕山期—喜山期的大气淡水^[104]。鄂尔多斯盆地麻黄山西区块延长组及延安组构造裂缝广泛发育,在岩石声发射实验和稳定同位素等测试的基础上,结合区域构造演化认识确定三叠系目的层发育的两期裂缝分别形成于晚侏罗世—早白垩世和晚白垩世^[48]。谢佳彤^[105]通过地球化学测试和古定温技术手段,结合区域埋藏史、热演化史成功厘定川东南东溪-松坎地区发育3期构造裂缝,并建立了研究区构造形成演化模式。

基于上述研究成果,在页岩储层构造裂缝期次研究中,更多的是将地质定性分析与地球化学测试相结合,通过观察裂缝的宏观特征与地化特征差异来划分裂缝形成期次。然而在实际应用中可能存在一定局限性。例如上述方法和技术手段更多是对页岩储层构造裂缝不同期次裂缝的表征,无法区分特征相似但并非同期形成的构造裂缝,也难以确定无明显交切关系裂缝发育的先后顺序;声发射实验和包裹体的应用需要在已有一定区域构造背景及热史、埋藏史认识的约束下才能合理应用,且其结果可能存在多解性;碳酸盐岩团簇同位素在实验过程中可能会受到固态重排的影响,不同的校正模型会导致定温结果误差较大;通过裂缝交切关系等特征仅能准确获得各组系裂缝形成的相对次序,并不能够准确厘定裂缝活动期次的绝对年龄;在裂缝流体活动期次的研究中一般会与区域构造演化史(埋藏史、热史)匹配,但该方法由于受盆地模拟动力学模型精度的影响,脉体形成时间的厘定普遍存在较大误差。

1.2 裂缝脉体定年研究

沉积盆地流体年代学研究一直是盆地流体研究领域中的前沿方向,然而由于受限于测试技术,对流体年代学的研究关注较少,因此页岩构造裂缝活动时间的厘定一直是期次研究中的难点,脉体形成时间的相关研究亦鲜有报道。如前文所述,目前应用较为广泛的定年方法有3种:一是根据页岩裂缝脉体成岩矿物结构(晶体大小、形态和生长方式等)之间的相互关系,确定成岩矿物的充填序列(先后顺序),但它并不能提供成岩事件(矿物形成)的绝对年龄和持续时间;二是由流体包裹体实验分析测量出页岩裂缝脉体中成岩矿物形成时的均一温度,之后结合单井埋藏史和热史曲线,间接地确定出页岩裂缝脉体成岩矿物形成的年龄(成岩时间)^{[96⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-109]};三是通过放射性同位素定年直接获取成岩事件的绝对年龄^{[110⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-131]},该技术通过获取矿物中记录的成岩流体活动信息,从而反映脉体的成岩过程。然而,放射性同位素定年对超净实验室的环境要求高,需要基于高精度的同位素质谱建立可信的等时线年龄,测试成功率并不高,很难获得公认的可信数据。因此,由于受页岩裂缝成脉作用的多期性、流体性质和充填矿物成分的复杂性及实验技术条件等多方面的限制,页岩气储层中裂缝脉体形成年代(时间或年龄)的测定成为长期制约裂缝期次研究中的技术瓶颈。

目前页岩储层裂缝充填物以碳酸盐岩矿物和石英为主,常用的测年方法有方解石的同位素稀释法U-Pb定年^{[110⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-123]}、Sm-Nd定年^{[124⇓⇓⇓-128]}和石英脉Rb-Sr定年^[129⇓-131]。其中,同位素稀释法U-Pb体系放射性同位素定年是目前唯一适用于碳酸盐岩的绝对定年方法,最早由Moorbath等^[110]将该方法应用到灰岩的精确年代学厘定中,随后U-Pb定年法被广泛运用到碳酸盐岩矿物的年代学研究中。碳酸盐岩矿物因U、Pb含量很低(一般为1×10^-6~1×10^-3 mg/g),无法像锆石等富铀(U)、贫铅(Pb)矿物那样通过高灵敏度离子探针(SHRIMP)或激光剥蚀(LA)后直接测年,常采用同位素稀释法在热电离质谱仪(TIMS)或低铀矿物的激光剥蚀-电感耦合等离子质谱仪(MC-ICP-MS)上测得Pb同位素和U/Pb值,再使用同时代、同成因但U/Pb值不同的一组碳酸盐岩样品拟合出等时线年龄,从而获取裂缝方解石脉体形成时间^{[110-111,114⇓⇓⇓⇓⇓-120]}。此外,传统碳酸盐岩U-Pb定年的样品规格一般为粉末样,先将其溶解于酸后再对其进行稀释,随后通过TIMS进行年龄测定。上述方法一般认为可以获取较为准确的矿物年龄,但其精度仍受到许多因素的影响。例如在利用微钻钻取碳酸盐岩胶结物粉末时,很容易钻到其他期次的胶结物,甚至混入基质造成样品污染,造成定年结果出现偏差。此外,混合的全岩粉末会在一定程度上平衡U和Pb同位素含量,致使获取的U/Pb值分布较为集中,从而无法获得准确的定年结果^[121]。

激光剥蚀-电感耦合等离子质谱仪(LA-ICP-MS)的出现,使得实现高精度的碳酸盐岩矿物定年成为了可能。相较于传统碳酸盐岩U-Pb定年技术,该技术的优点是可以直接获取靶点数据(测点直径80~230 μm),避免了母岩及其他成岩矿物的影响,并且能够获取多组U-Pb值以提高实验结果的准确性。方解石在生长形成过程中,U和Pb的分布具有很强的非均质性,毫米尺度上U/Pb值差异明显,其最大值与最小值之间可以相差高达3个数量级^[122]。因此不同点位U/Pb值差异很大,在多组点位定年数据的约束下可以获得高分辨率、高精度的定年数据。Li等^[123]首次应用LA-ICP-MS对方解石薄片样品进行了微区原位定年,成功实现了对方解石胶结物年龄的准确厘定。作为一种前沿的碳酸盐岩定年技术,会面临缺少校准实验所需标样的情况,因此在实际应用中常用TIMS定年的标样来对LA-ICP-MS进行辅助标定。迄今为止,一些国外同位素地球化学实验室正在开发低铀矿物MC-ICP-MS激光原位U-Pb测年技术。该技术与同位素稀释法U-Pb定年相比,样品处理过程简单,不需要经过离子交换柱即可分离出纯净的U和Pb元素,在保证数据精度的基础上缩短了实验周期。在对页岩裂缝碳酸盐岩矿物充填物定年过程中,基于其U-Pb含量分布非均质性较大,因此在进行碳酸盐岩脉体U-Pb定年时不仅需要保证样品数量充足,还应考虑同时采用其他定年技术共同约束脉体形成时间,以保证结果的准确性。

在页岩构造裂缝活动期次及年代学研究中,将地质分析、地化测试和定年技术等多种手段结合形成技术体系,并根据区域构造演化史等信息共同厘定裂缝活动期次及流体活动时间将是未来发展的重点方向。此外,由于不同期次的构造裂缝在油气成藏过程中会起到不同作用,在确定裂缝活动时间的基础上,还需要考虑裂缝活动对于页岩气含气量和保存条件的影响。

2 页岩裂缝开启性主控因素与开启程度定量表征研究现状

目前,国内外学者对断层(有明显位移的岩层破裂)的开启性与封闭性开展了一定研究,重点聚焦在断层封闭机理与封闭模式、断层封闭能力、封闭性评价方法、断层封闭能力在时间和空间上的差异性、断层周期性活动与封闭性演化关系、断层开启-闭合演化及其控油气作用等方面,并有效地指导了油气勘探开发生产实践^{[132⇓⇓⇓⇓⇓-138]}。然而,页岩储层天然构造裂缝常与断层和褶皱伴生出现,其开启性与封闭性影响因素及其开启程度定量表征等方面的研究较为薄弱。尤其是对裂缝多期次活动过程中的开启-闭合机理、影响裂缝启闭性主控因素、裂缝开启轨迹及岩石变形的示踪(证据)、单因素的地质参数量化表征裂缝开启程度和多因素综合参数定量表征裂缝开启程度等方面的研究少有提及。

2.1 裂缝开启性主控因素与裂缝开启-闭合机理研究

2.1.1 页岩裂缝开启性主控因素

目前对于页岩裂缝开启性主控因素分析手段较为单一,一般通过地质分析或在模拟实验中不断调整参数来确定影响裂缝开启性因素^[139-140]。裂缝活动具有期次性,反映了一个复杂的构造演化过程,其主控因素具有多层次、多因素和多参数的特点。其主控因素可以分为内因和外因:内在因素主要指岩石本身特性,如岩石力学参数等;外在因素较多,主要包含构造应力性质、孔隙流体压力、埋藏深度和产状等。

孙松领等^[139]利用3DMove裂缝预测技术对低渗透砂岩储层构造裂缝分布进行了预测,并分析了不同方向裂缝开启程度的差异性。在未考虑裂缝后期的矿物充填情况下,裂缝开启性是指在应力条件下裂缝的开启程度,其受现今构造应力场条件的影响尤为显著。因此在开展裂缝开启性评价研究时,分析现今构造应力场中最大主应力方向是最广泛应用的手段。现今应力场最大主应力σ₁方向通常认为代表裂缝后期扩张或延伸方向,裂缝方向与现今应力场中的最大主应力夹角越小,裂缝开启性越好。由此认为现今水平最大主应力σ₁方向是影响裂缝开启性的关键因素。此外,通过对断裂(裂缝)面的开启及闭合压力实验研究证实了影响裂缝开启性的主控因素不仅受岩石本身特性(岩石力学参数)影响,还受到构造应力性质、裂缝的倾向和走向,以及地层孔隙流体压力等方面的影响^[140]。鄂尔多斯盆地安塞油田王窑地区长6油层构造裂缝广泛发育,通过岩心和测井资料获取了不同产状天然裂缝开启压力,并分析了影响裂缝开启性主控因素。综合分析并指出裂缝开启性的主要控制因素包括裂缝的产状特征、埋藏深度、孔隙流体压力和现今地应力等^[141]。

2.1.2 裂缝开启-闭合机理研究

裂缝开启-闭合机理与脉体形成机制及流体活动联系紧密,可以通过其晶体特征和生长过程来恢复裂缝多期开启-闭合的演化过程^{[142⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-153]}。该观点起初由Ramsay^[144]提出,并应用于泥页岩裂缝中充填物的研究中。然而此观点并不完全成熟,若是依循此理论,在裂缝经历多次开启-闭合的过程中,从成脉流体中沉淀的矿物都会呈现纤维状的结晶特征^{[146,149,151,153]},其普遍性仍有待进一步验证与探讨,并且缺少流体性质对于脉体沉淀影响的讨论。此外,该理念缺少成脉流体在裂缝中运移方式的讨论,也没有提及裂缝在多期活动的条件下脉体形成的条件。更多强调的是,将纤维状脉体的发育归结于裂缝反复破裂-开启和流体多次沉淀(图5)^{[146-147,153]}。

泥质岩裂缝中纤维状形态的裂缝充填物广泛发育,通过裂缝开启-闭合的机制可以解释裂缝中许多与母岩(围岩)平行分布的矿物,揭示了晶体拉伸结构和延长块状结构脉体的形成过程。在岩石形变的过程中,泥质岩中的裂缝未被激活导致晶体的生长受到了限制,使得背生式纤维状脉体晶体由中间面向两侧依次生长,这也表明裂缝脉体最终的形态与生长界面形态和晶体生长习性关系密切。由此可见,泥质岩中纤维状脉体特征研究是揭示裂缝开启-闭合过程(活动)和岩石形变的关键。一般情况下脉体的排列方向并不是完全垂直于围岩,而是常呈现出一定程度的弯曲,其矿物晶格并未受到影响。这表明裂缝中的脉体在生长过程中,晶体的长轴方向与裂缝方向始终保持一致,其呈现出的弯曲特征很可能是在沉淀过程中生长界面发生变化的结果(图5)。由此认为脉体的结晶形态不仅能够反映裂缝的多期次活动,还可以帮助获取裂缝开启轨迹,从而将其应用到岩石形变研究及区域应力场的分析中^[143]。

裂缝中纤维状脉体记录了裂缝曾经历了多期开启-闭合活动,但并不是所有裂缝中的纤状充填物都可以用来追溯裂缝开启的轨迹。Urai等^[146]刻画了裂缝在反复开启-闭合过程中脉体生长的演化模式,然而该模型具有一定局限性:(1)在裂缝反复开启-充填的过程中,只有当早期裂缝开启且被完全充填后,下一期裂缝才继续开启;(2)在不同流体介质中析出的脉体认为具有相同的沉淀速率;(3)此模型仅限于二维空间的讨论范畴。一旦裂缝开启,晶体倾向于沿垂直裂缝面的方向沉淀析出。当缝面形态不规则时,晶体的生长方向可能偏离裂缝的开启轨迹,致使晶体边界逐渐积聚在裂缝面脊部。当缝面脊部形态较为尖锐时,其附近晶体边缘将趋向于脊部突出部分延伸,该条件一般认为晶体的生长方向反映了裂缝开启轨迹;当裂缝面形态呈现平整时,晶体的形态特征无法作为判断裂缝开启轨迹的依据。

在上述模型建立的基础上,系统分析了影响背生式纤维状脉体形态特征和裂缝开启轨迹示踪能力的主控因素,并选取裂缝开启长度、裂缝波长、振幅、裂缝开启方向和裂缝面夹角等关键参数建立了裂缝开启轨迹的示踪能力标准(图6)。当满足x<<λ条件时,影响脉体示踪能力的主要参数为α和β;当不满足α>90°,x<<λ等条件时,则表明脉体无法示踪裂缝开启轨迹^[146]。因此,在研究裂缝开启-闭合和岩石形变过程时,首先要对纤维状脉体的岩相学开展相关研究,从而保证模型的适用性。

2.2 裂缝开启程度定量表征研究

随着我国在非常规领域中勘探开发程度的不断深入,人们对油气储层评价和甜点预测的精度要求也在不断提高。裂缝的相关研究一直是页岩储层研究的热点,其开启性是制约页岩油气能否高产、稳产的关键。基于此,如何量化表征页岩储层构造裂缝开启程度,是实现裂缝有效性定量评价、页岩油气源内运移渗流条件分析和深化油气富集理论的关键。目前裂缝开启性定量表征方面少有研究,以往主要是利用裂缝充填程度(开度)和成像测井识别有效构造缝来定性表征裂缝开启性,只有少数学者提出了利用评价天然裂缝开启或闭合程度的数学计算与实验方法确定裂缝面的开启压力或闭合压力的大小^{[141,154-155]}。

岩石变形及断裂面压力相关实验是确定裂缝面闭合压力和开启压力常用手段。泌阳凹陷地区古近系核桃园组样品测试结果表明砂岩裂缝面的临界闭合压力大于临界开启压力,且与断裂面的倾角呈对数负相关关系^[154]。在获取裂缝几何学特征参数和岩石力学参数的基础上,可通过应力状态数值模拟计算和优选关键参数来获取裂缝的开启压力和破裂压力^[141,155]。安塞油田王窑地区长6油层构造裂缝普遍发育,在确定了影响天然裂缝保存状态的关键因素的基础上,分析了单一主控因素对于裂缝开启性的影响及程度,并建立了天然裂缝开启压力计算公式^[141]

(1)p_i= \left(\frac{\mu }{1-\mu }\right)Hρ_sgsinθ+Hρ_sgcosθ-αHρ_wg×10^-6+H f_{{\sigma }_1}sinθsinβ+H f_{{\sigma }_3}sinθcosβ

式中:μ为岩石泊松比;H为裂缝埋藏深度,m;θ为裂缝倾角,(°);α为地层压力系数;ρ_s为岩石密度,kg/m³;ρ_w为水的密度,kg/m³;g为重力加速度,N/kg; f_{{\sigma }_1}、 f_{{\sigma }_3}分别为现今应力场的最大和最小主应力梯度,MPa/m;β为现今应力场的最大主应力方向与裂缝走向的夹角,(°)。

3 页岩储层构造裂缝活动期次及开启性研究中存在的关键问题及发展趋势

3.1 存在的关键问题

综上所述,现今在页岩储层构造裂缝活动期次和开启性研究方面,主要存在以下问题。

(1)高精度岩心定向技术手段方式较为单一。目前地质分析法在厘定页岩构造裂缝活动期次中得到了广泛应用,此方法是通过野外剖面观察和测井技术手段并结合岩石学特征获取构造裂缝的产状与各组系裂缝之间的接触关系,定性判断裂缝形成发育的先后次序。当缺少野外露头或未开展相应测井工作时,构造裂缝的产状只能通过观察岩心得到,而钻井取心过程中岩心的方向信息往往会被破坏。岩心古地磁定向技术是岩心定向最广泛应用的方法,其优势在于适用于各种地质环境及岩石类型,且精度满足大多数地质勘探和研究的需要。但其应用也存在一定局限性,如强磁性干扰地区或火山岩活动区内岩心的剩磁会受到干扰造成结果误差较大,测试样品需要保证完整性及具有代表性等。岩心定向的结果是保证裂缝期次分析准确性的前提,因此岩心的高精度定向技术是未来裂缝期次研究中亟待解决的关键问题。

(2)尚未形成基于同位素地球化学-流体地球化学-年代学约束下的页岩储层构造裂缝活动期次与油气成藏配置关系研究体系。现阶段针对页岩裂缝期次活动的研究较为薄弱,缺少同位素地球化学和流体地球化学方面的证据。目前广泛应用的碳、氧、锶同位素及微量元素分析多应用于古环境研究中,而流体包裹体、团簇同位素分析则是油气成藏研究领域的重要技术手段。碳酸盐岩高精度微区原位U-Pb定年、Sm-Nd定年和石英脉Rb-Sr定年等技术的兴起,使得通过分析裂缝脉体来厘定裂缝活动的期次(绝对年龄)成为可能。在同位素地球化学、流体地球化学和年代学共同约束下可以明确裂缝活动的时间及流体性质,从而揭示裂缝活动与油气成藏期次的配置关系。

(3)裂缝开启程度与主控因素半定量-定量研究较为薄弱,缺少裂缝开启程度的综合定量表征参数。前人对于构造裂缝开启性主控因素的研究更多关注对于裂缝开启性的定性分析,缺少裂缝开启性与各主控因素之间的定量研究。此外,裂缝开启程度定量表征方法过于简单,目前主要应用裂缝有效开启程度(开度)和充填程度(充填率)来反映裂缝开启程度,难以满足实际生产中页岩油气甜点优选的需求。

3.2 发展趋势

构造裂缝一般为多期构造活动下的产物,其形成与演化过程较为复杂。不同期次的裂缝由于形成时间、发育特征、空间分布和连通性(开启性)等方面存在差异,对油气运移、聚集和保存会起到不同的作用。因此,页岩储层构造裂缝的期次和开启性研究不仅可以帮助深入理解油气成藏过程,更能为油气勘探开发提供理论支撑和指导。其发展趋势主要表现在以下几个方面。

(1)构建基于岩石学、同位素地球化学、流体地球化学和年代学约束下的页岩储层构造裂缝活动期次与油气成藏史研究方法体系。

(2)页岩储层构造裂缝活动时间与页岩含气量、保存条件的关系研究将是未来研究的重点工作。

(3)由对页岩储层构造裂缝开启程度与主控因素的定性关系分析,逐渐向半定量-定量化发展。

(4)重视页岩储层构造裂缝的开启-闭合机理及演化过程的研究。

(5)尝试构建多参数耦合下综合定量表征页岩构造裂缝开启程度的参数。

4 结论

(1)页岩储层构造裂缝的活动期次与开启性研究对于揭示页岩油气富集、保存条件等具有重要意义。早期主要依据地质定性分析和裂缝充填物地球化学测试来确定裂缝活动期次,可以得到裂缝发育的先后顺序或间接获得流体活动时间。随着高精度定年技术的出现,准确厘定裂缝活动的绝对年龄成为可能。基于地球化学及年代学的共同约束,深入探究裂缝活动时间与油气成藏配置之间的内在联系,将成为页岩油气领域内的重点工作。

(2)影响页岩储层构造裂缝开启性主控因素较为复杂,可以归结为内因(岩石力学参数)和外因(构造应力性质、孔隙流体压力、埋深和产状等)两个方面。尽管关于构造裂缝开启性主控因素并没有形成统一认识,但现今应力场的特征在裂缝开启性评价中发挥着重要作用。

(3)目前缺乏对构造裂缝开启性主控因素与裂缝开启程度之间定量关系的深入研究,同时也缺乏能够有效定量表征裂缝开启程度的参数。因此,构建能够综合定量表征裂缝开启程度的参数,将成为未来裂缝活动期次及开启性研究的关键问题。

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基金资助

国家自然科学基金面上项目(42072173)

国家自然科学基金面上项目(42372171)