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2013年34期（总第564期） 11月26日
泥页岩裂缝类型、成因与识别预测方法
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泥页岩裂缝类型、成因与识别预测方法
袁玉松 周雁 邱登峰
摘要 随着非常规天然气勘探开发的快速发展，泥页岩裂缝成为目前的研究热点。由于泥页岩本身固有的特性：细粒、韵律性、高含有机碳与生烃作用、异常高压以及脆-韧性转化等，决定了泥页岩在油气成藏中具有多重功能，既可作为烃源岩、又可作为储层，还是最主要的盖层类型之一。泥页岩中的裂缝既是油气的储集空间，又是油气运移的通道。针对油气勘探领域中裂缝研究所关注的主要问题，在前人对岩石裂缝研究成果的基础上，对泥页岩裂缝的基本参数、分类方案、识别技术、预测方法以及形成演化的控制因素等方面进行了系统梳理和概括总结，指出了目前存在的主要问题和今后的研究方向。
关键词 泥页岩，裂缝预测，页岩气，裂缝分类，裂缝参数
本文所指的泥页岩是泥岩类和页岩类沉积岩的总称，主要由粒径小于0.0039mm的细粒碎屑、粘土和有机质组成。其中粘土矿物主要有蒙脱石、伊利石、绿泥石、高岭石、伊蒙混层、绿蒙混层等，非粘土矿物主要有石英、长石、方解石和白云石等。世界范围内泥页岩约占全部沉积岩的60%。在油气地质学中，泥页岩具有多重身份，既可作为烃源岩，又可充当储层，还是主要的盖层类型之一。泥页岩是陆相盆地最主要的烃源岩类型，海相层系油气藏的烃源岩同样也是以泥页岩为主，其次为泥灰岩，碳酸盐岩较少(金之钧等, 2007)。
裂缝有多种定义，有的是纯描述性的，有的则是从力学机制定义的，广义上，裂缝一词其实是一个集合名词，指岩石中的任何不连续性特征，如节理、断层、裂隙、岩层界面等。狭义的裂缝定义为：岩石发生破裂，且破裂面两侧岩块之间没有明显位移的不连续面。泥页岩裂缝既是油气的储集空间，也是流体渗流的通道。泥页岩盖层分布最广，全球大中型油气田(藏)盖层为泥质盖层的占80％以上(金之钧等, 2007)。由于天然气分子小，保存条件比石油更为苛刻，因此，随着天然气勘探开发的发展，盖层封闭性研究越来越受到关注。在以往的盖层封闭性研究中，主要从岩性、厚度等宏观参数和排替压力、孔隙度、渗透率等微观参数评价盖层的封闭性(曹成润等, 1998; 付广等, 2003)。然而，裂缝对盖层的封闭性具有重要控制作用。当岩石存在裂缝时，
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流体在岩石中的流速显著增大(Nygard et al., 2006)。泥岩在抬升卸压过程中发生脆性破裂，导致盖层封闭性失效(袁玉松等, 2010)。可见，裂缝在盖层封闭性评价中具有重要意义。
由于泥页岩本身所固有的特性，如矿物颗粒细小、韵律性、层理/页理发育，常富含有机质等，决定了其裂缝形成演化具有独特的特征和油气地质意义。因此，对泥页岩裂缝的研究一直是油气勘探开发研究中的重要内容(斯麦霍夫等, 1985)，尤其是近年来页岩气勘探的快速发展，北美地区Ohio、Antrim、New Albany、Woodford、Barnett、Caney 和Lewis等页岩中工业性页岩气的相继发现，泥页岩裂缝研究更加备受关注。本文在系统阐述泥页岩裂缝研究成果的基础上，指出了泥页岩裂缝研究中目前存在的问题和今后的发展方向。
1 泥页岩裂缝描述的5个基本参数
裂缝的宽度(张开度) 、长度、间距、密度、产状、充填、裂缝孔隙度、裂缝渗透率是裂缝描述的8个常用参数。对于泥页岩裂缝，宽度和长度无论是野外观测还是显微镜下测量，都很困难，间距与密度是相互关联的参数。龙鹏宇等（2011）认为密度、产状和充填情况是十分重要的参数，同时也是裂缝描述中不可缺少的内容(龙鹏宇等, 2011)。在油气勘探评价中，裂缝孔隙度和裂缝渗透率是最为重要的参数，它们直接影响泥页岩裂缝对油气成藏作用的评价。因此，在油气勘探评价中，泥页岩裂缝的基本参数为密度、产状、充填、裂缝孔隙度和裂缝渗透率。
裂缝孔隙度，即裂缝孔隙体积与岩石体积之比。裂缝孔隙度（υf）与裂缝体积密度（Dvf）和裂缝开度（b）的关系为：υf =b Dvf 。Murray提出了构造裂缝孔隙度计算方法(Murray, 1968)：
,
为裂缝孔隙度，
为曲率半径，H为裂缝
岩层厚度。双侧向测井(李善军等, 1996)、三孔隙度测井和微电阻率成像测井资料可以用于计算裂缝孔隙度(吴春等, 2005)。泥页岩基质渗透率一般较低，而裂缝渗透率很高，甚至比基质渗透率要高数百倍至数千倍以上。可以通过岩心描述获得的裂缝宽度、裂缝组系与流体流动方向的夹角资料直接计算求得裂缝渗透率(潘东亮, 2007)。 2 泥页岩裂缝分类的5种方案
自然界岩石裂缝产状各异、形态复杂、尺度悬殊、成因多样。由于研究对出发点不同，裂缝分类方法也多种多样。
按尺度分类：巨裂缝（宽度＞100mm）、大裂缝（100~5mm）、中裂缝（5~1mm）、小裂缝（1~0.1mm）和微裂缝（＜0.1mm）(李琦等, 2004)。
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按形态分类：开启裂缝、充填裂缝、闭合裂缝、网状裂缝、树枝状裂缝。 按产状分类：垂直裂缝、水平裂缝、高角度裂缝、低角度裂缝。
按力学性质分类：张裂缝、剪裂缝、张剪裂缝、压剪裂缝(刘建中, 2008)。张裂缝是裂缝两盘间仅存在沿裂缝面法向方向拉张变形的裂缝；张剪裂缝是裂缝两盘沿裂缝面法向方向存在拉张变形，且沿裂缝面切向方向存在滑动变形的裂缝；剪裂缝是裂缝两盘仅存在沿裂缝面切向方向存在滑动变形的裂缝；压剪裂缝是裂缝两盘沿裂缝面法向方向存在压缩变形，且沿裂缝面切向方向存在滑动变形的裂缝。
按成地质因分类：构造裂缝、非构造裂缝。其中构造裂缝又可分为：剪切裂缝、张剪性裂缝、滑脱裂缝、构造压溶缝、垂向载荷裂缝、垂向差异载荷裂缝。非构造裂缝又可分为：成岩收缩裂缝、成岩压溶缝合线、超压裂缝、热收缩裂缝、溶蚀裂缝、风化裂缝(丁文龙等, 2011)。
岩石裂缝以上分类方案，各有千秋，泥页岩裂缝分类中可以借鉴。尤其是地质成因分类，考虑了裂缝形成的地质因素和力学机制，可直观反映裂缝形成的地质环境和力学环境，从而被广泛接受和采纳。泥页岩裂缝分类除了借鉴以上分类方案外，还应该注意到泥页岩的特殊性质，即：（1）韵律性、层理、页理发育；（2）含有丰富有机质的泥页岩在一定条件下具有生烃作用，阶段性发育生烃高压裂缝；（3）厚层泥页岩在快速埋藏阶段常常形成异常孔隙流体压力，导致异常高压裂缝的发育。泥页岩的特殊性质决定其裂缝也必然具有独自的特征。综合考虑岩石裂缝的常用分类方案和泥页岩的特殊性，在油气勘探中，建议按成因分为两大类，即构造裂缝和非构造裂缝，然后再从不同角度进一步划分若干亚类（见表1）。构造裂缝在水平应力作用或垂直隆升作用下形成，非构造成因的裂缝可分为干裂裂缝、水下收缩裂缝、生烃裂缝、超高压裂缝和现代表生裂缝。
岩石中存在很多显微裂纹，裂缝由显微裂纹扩展而成(Griffith, 1924)。在大多数岩石中，微裂纹是不连通的(Pollard et al., 1988)。裂缝倾向于从大的微裂纹处开始形成，并扰动应力场，导致应力集中并促进裂缝形成(Lawn, 1993)。这种局部集中应力可以用应力强度因子（KI）定量描述(Rossmanith, 1983)。应力强度因子（KI）与驱动力和微裂纹的尺寸有关。
a, 裂缝半长度；
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，有效驱动力