海相页岩裂缝孔隙发育机制及地质意义

天然裂缝形成机制研究是开展页岩气富集机理研究和“甜点区”优选的基础性工作。以国内外6个大型页岩气田为主要研究对象,通过开展黑色页岩天然裂缝发育特征及其形成机制研究发现,海相页岩天然裂缝的形成至少存在前陆盆地冲断褶皱与页岩层滑脱变形、晚期构造反转与页岩层滑脱变形、走滑断层周期性活动等3种机制。前陆盆地冲断褶皱与页岩层滑脱变形是北美地台Appalachian-Ouachita褶皱带的诸多前陆盆地普遍存在的页岩地层造缝机制,一般具有水平剪切作用时间长、页岩层发生水平位移距离较远、在页岩层中产生的共轭裂缝和微裂隙十分发育等特点。晚期构造反转与页岩层滑脱变形是裂谷盆地和叠合盆地中重要的造缝机制,页岩地层天然裂缝发育程度主要与晚期构造反转的强度和规模有关。走滑断层周期性活动主要存在于少数盆地的局部构造带,造缝区域相对局限。通过开展海相页岩裂缝孔隙形成机制探讨,认为有2点地质意义值得关注：一是基于富有机质页岩层滑脱作用形成的裂缝型气层是页岩气开发的重要“甜点”;二是中国南方海相页岩分布区具有形成裂缝型页岩气藏的有利构造条件,其中四川盆地龙马溪组发育裂缝型页岩气“甜点”,勘探前景值得期待。     

湘鄂西地区奥陶系—志留系滑脱层古流体对页岩气保存的意义

目前,对于中—上扬子地区奥陶系—志留系滑脱层古流体的研究热点集中在高密度甲烷包裹体的成因、地层压力演化过程等,而有关古流体对页岩气保存的意义则较少涉及。为此,通过观测湘鄂西地区奥陶系—志留系露头和钻探岩心的裂缝脉体地质特征,分析裂隙形成与滑脱层的关系,应用裂缝脉体包裹体组分、均一温度测试资料研究古流体的形成环境和滑脱层对页岩气保存的意义,并建立了滑脱层页岩气聚散模式。研究结果表明:(1)滑脱层岩性主要为奥陶系—志留系之交的硅质岩夹页岩,地层岩石破碎,发育小型揉皱,滑脱层上下硅质岩层共轭垂直节理较发育;(2)滑脱层脉体发育多期次、多类型包裹体,纯水溶液包裹体尤为发育;(3)研究区古大气水沿着滑脱层最大下渗深度超过4 000 m,滑脱带早期捕获了超压条件下的高密度甲烷包裹体,后期捕获常压环境的甲烷和氮气包裹体;(4)记录晚期流体活动的包裹体离子组分具有钠氯系数高、脱硫系数大、变质系数低的特点,表明滑脱层页岩封闭性变差;(5)研究区滑脱层页岩气聚散可分为向斜、宽缓背斜、紧闭背斜等3种模式。结论认为,研究区滑脱层为渗透层,滑脱构造发育的向斜、紧闭背斜不利于页岩气的富集,而宽缓背斜则相对有利于页岩气的聚集。     

四川盆地焦石坝页岩气田形成与富集高产模式

以四川盆地东南缘焦石坝构造龙马溪组页岩气田及邻区为例,探讨复杂构造区、高演化程度页岩层系成藏富集的关键控制因素。焦石坝构造为经历多期构造运动改造的断背斜;龙马溪组页岩热演化程度高,Ro值大于2.2%,下部发育厚35~45 m、TOC值大于2%的优质页岩层系;产层超压,地层压力系数为1.55,页岩气产量、压力稳定。构造类型、构造演化及地球化学分析表明,龙马溪组存在多期生烃和天然气运聚过程,两组断裂体系与龙马溪组底部滑脱层的共同作用控制网状裂缝形成和超压的保持,是页岩气富集高产的关键,龙马溪组封闭的箱状体系保证了气藏的动态平衡。焦石坝页岩气藏的高产富集模式为"阶梯运移、背斜汇聚、断-滑控缝、箱状成藏";经历多期构造演化的复杂构造和高演化页岩层系发育区,要形成页岩气高产富集区,与常规气藏一样,需要有利的保存和构造条件。     

页岩中裂缝脉体地球化学指标对页岩气保存条件的指示——以下扬子二叠系乐平组富有机质页岩为例

近年来二叠系海陆过渡相页岩逐渐成为未来非常规页岩气资源的重要勘探目的层,但不同构造应力产生的页岩裂缝对于页岩气的富集或调整改造的作用机制尚未被深入研究。通过对低角度顺层滑脱裂缝脉体以及高角度剪切裂缝脉体中成岩流体和烃类流体的地球化学指标进行分析研究,阐明不同成因类型裂缝对于页岩气的影响机制。基于裂缝脉体中流体包裹体岩相学观察,显微拉曼光谱定量分析和碳酸盐岩U-Pb同位素年代学及成脉流体环境分析,认为低角度顺层滑脱裂缝脉体主要在地层埋藏—生烃阶段形成,其中主要捕获高温高压的CH₄—C₂H₆流体包裹体,脉体来源于热液或者成岩流体成因,以封闭还原环境为主。高角度剪切裂缝方解石脉体未发育大量烃类气包裹体,方解石脉体成因是大气淡水来源,以开放氧化环境为主,碳酸盐岩U-Pb定年结果显示喜马拉雅期构造运动的地层抬升导致高角度剪切裂缝形成。低角度顺层滑脱裂缝脉体对于页岩气的富集具有建设意义,而多数高角度剪切裂缝脉体对页岩气起到破坏和调整作用。     

页岩气井套管剪切-挤压-弯曲组合变形反演分析

水力压裂是页岩气井增产的重要手段,也是导致套管失效的主要原因,严重制约了页岩气的高效开发。为了准确预测页岩气井水力压裂过程中地层运移导致的套管变形形态和程度,采用有限元分析方法,建立了剪切、挤压和弯曲多重载荷下页岩气井筒三维有限元模型,分析地层运移作用下套管的应力、变形。采用多臂井径测井曲线,反演分析页岩运移和套管变形的形态和程度,并验证有限元模型。研究结果表明,套管在地层剪切、挤压和弯曲载荷作用下的变形形态分别呈现S形、椭圆形和拱形。当地层发生剪切运移17 mm时,套管变形为13.62 mm;发生单侧运移16 mm时,套管变形为12.67 mm;当地层发生挤压运移每侧23.5 mm时,套管两侧各向内缩径3.328 mm。套管应力集中区域出现在剪切运移地层、单侧运移地层间的缝隙处以及垂直于挤压运移方向的侧面。套管变形量沿轴线方向的数值模拟结果与测井曲线实测结果最大误差为5.73%,平均相对误差为1.89%。研究获得的组合变形预测模型可以准确分析页岩气井套管变形形态和程度,为页岩气井套管变形的预防和防治提供理论依据。     

页岩气藏网状裂缝系统的岩石断裂动力学

基于岩石断裂动力学理论,研究页岩气藏压裂网状裂缝的形成机理及天然闭合裂缝的激活机理。研究发现,水力裂缝在沟通天然裂缝后,需要在左右两端同时满足裂缝转向条件,才能形成复杂的网状裂缝,存在形成网状裂缝的最小排量(临界排量);临界排量随倾角增加而增加,倾角等于90°时,临界排量达最大值且为常数;倾角小于90°时,临界排量随裂缝与井筒夹角增加先减小后增加,垂直井筒方向的裂缝临界排量最小;天然裂缝长度越大、地层弹性模量越低需要的临界排量越高。天然裂缝面不吻合且缝面粗糙,水力裂缝开启天然裂缝后天然裂缝面上剪切应力释放使得缝面滑移,从而提高导流能力。裂缝倾角很大或很小时,对裂缝激活不利;30°～60°倾角裂缝激活效果最佳;弹性模量增加对裂缝滑移起抑制作用,泊松比变化对滑移量影响很小。     

四川盆地膏盐岩层对页岩气保存及勘探前景的影响

通过调研分析前人研究结果与收集统计大量钻井及地球物理资料,探讨四川盆地膏盐岩层对页岩气保存的影响以及龙马溪组页岩气勘探潜力。结果表明:四川盆地下寒武统与三叠系膏盐岩滑脱层在构造变形中起重要的控制作用,是形成盆地内不同构造形态的主要因素,对四川盆地龙马溪组页岩气的保存有着重要作用。膏盐岩层有利于其下部地层异常压力的形成,对页岩气的成藏和保存有重要影响。膏盐岩层是影响四川盆地龙马溪组页岩气勘探前景的重要控住因素之一。综合考虑膏盐岩层分布、页岩埋藏深度、地层厚度与地球化学条件等因素,认为四川盆地龙马溪组页岩气勘探优选区域为自贡—宜宾区域、重庆—永川区域、涪陵区域。     

四川盆地东南缘页岩气富集模式 ——以丁山地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩为例

在川东南丁山地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩气基本地质条件认识的基础上,利用钻井、测井、压裂测试、分析化验及构造解释等资料,通过天然气在页岩气系统内的赋存形式、运移方式及运移强度的分析,探讨了适用于研究区的页岩气富集模式.页岩气系统中高角度裂缝延伸距离短,页岩储层顺层滑脱缝、页理缝等顺层缝延伸较远,顺层方向渗透...     

泥页岩构造裂缝形成演化模式——以四川盆地东部泥页岩为例

以四川盆地东部泥页岩为例,在野外地质研究基础上,运用岩石力学实验、光弹物理模拟和有限元数学模拟等手段,结合水力压裂开发统计资料,开展了泥页岩构造裂缝形成演化研究。研究认为,泥页岩沉积韵律发育,先存薄弱面密集,不均质性强烈。泥页岩层面是裂缝优先发育的结构面,控制了裂缝的形成和发育演化特点。在构造变形过程中,当遇到泥页岩层面时,应力方向发生调整,压应力趋向平行薄弱面,张应力趋向垂直薄弱面,从而引起薄弱面开启,优先发育顺层缝。当顺层缝不足以调节构造变形时,发育切层缝。不同构造变形部位泥页岩裂缝分布特征差异性明显,可以划分为背斜顶部高角度缝发育区、切层缝向顺层缝扩展区、滑移转换区、切层缝向顺层缝爬移区和向斜底部高角度缝发育区5个区。同时提出在针对构造高点勘探时,多套盖层的叠置是有利条件。在针对储层甜点勘探时,裂缝发育和扩展是关键要素。     

四川盆地南缘昭通页岩气示范区构造变形特征及页岩气保存条件

四川盆地南缘昭通国家级页岩气示范区地处我国南方海相构造复杂区,页岩变形改造强烈、甜点控制因素复杂,保存条件对页岩气富集具有重要的影响。为了支撑该区页岩气甜点区的优选评价工作、提高钻探成功率,通过对野外露头的地质调查,利用钻井、录井和物性测试资料,分析了该示范区构造变形样式及区域变形特征,研究了地层节理及裂缝发育特点、页岩围岩封盖能力、气藏展布特征,探讨了上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩气的保存条件。研究结果表明:①该区由南向北依次发育隔槽式、等幅式与隔档式等3种构造变形样式,依次分布黔中隆起剪切变形区、滇黔北坳陷压扭变形区与蜀南坳陷挤压变形区等3大区域;②五峰组—龙马溪组及其上覆地层发育与地层走向呈高角度、中—低角度及顺层相交关系的3类节理与裂缝,其产状特征与3大变形区基本一致;③五峰组—龙马溪组页岩北厚南薄,具备源储一体、自身封盖成藏的保存条件,外加上覆地层与顶底板的封盖能力,保存条件总体较好;④该区页岩气组分自北向南可划分为甲烷、甲烷+氮气混合、氮气等3个带,页岩气保存条件总体呈北好南差的格局。结论认为,该区中—北部(挤压变形区及其南缘)页岩厚度大、改造与变形弱、节理及裂缝顺层发育、封盖性能好、保存条件优越,为最有利区;中部滇黔北坳陷压扭变形区保存条件中等,为较有利区;南部黔中隆起剪切变形区保存条件差,为远景区。     

四川盆地涪陵页岩气田江东区块下古生界深层页岩气勘探开发实践与启示

目前埋深大于3 500 m的深层页岩气已逐渐成为中国页岩气勘探开发的重要接替领域,开发过程主要面临地层压力增大、储集物性变差、压裂改造形成复杂缝网困难等问题,开发选区及井位优化部署难度大。江东区块是四川盆地涪陵页岩气田二期产能建设的主要区块,埋深大于3 500 m的深层页岩气面积为57.8 km²,约占区块面积的1/2,目的层为上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组(1)—(5)小层优质页岩,是一套富碳、富硅、富页理和富黄铁矿的黑色页岩。采用深层页岩气开发评价选区指标体系及水平井井位优化评价技术研究结果表明,影响深层页岩气井开发效果的主要地质因素包括地层埋深、地应力、裂缝发育特征及页岩地层倾角。深层页岩气水平井与最小主应力夹角不超过40°,A与B靶点高差尽量小于300 m。通过江东区块深层页岩气勘探开发实践,单井获得较高的测试产量和可采储量,勘探开发效果较好,研究成果对四川盆地深层页岩气开发具有重要借鉴意义。     

四川盆地东南缘齐岳山断裂构造特征与页岩气保存条件

勘探现状表明,位于四川盆地东南缘的齐岳山断裂,导致了盆缘两侧页岩气成藏存在显著的差异性。文章基于最新的地震数据,结合区域地质资料,利用断层相关褶皱理论,系统解剖齐岳山断裂的构造变形特征,具体包括齐岳山断裂的几何特征,形成演化过程,以及对页岩气保存条件的影响。结果表明,齐岳山断裂在平面上呈S形分布,由多条不连续断层组成,且在北部呈右阶左行雁列式,在南部左阶右行排列;齐岳山断裂控制形成了西侧背斜和西侧斜坡两类转换带,并分别发育"基底冲断—断层相关褶皱—滑脱"和"基底逆冲—滑脱"两类构造变形模式,且断层断距从焦石坝到古蔺逐渐变小;齐岳山断裂在晚侏罗世主滑脱层抬升导致隔槽式褶皱带向隔档式转变过程中形成雏形,经历了晚白垩世黔中地块的改造作用和新近纪末期的差异隆升形成现今的形态;受齐岳山断裂控制,东侧强烈变形褶皱带保存条件差,仅宽缓向斜内残留常压页岩气藏,西侧前缘基底分支断层滑脱导致五峰组-龙马溪组抬升,形成的四个背斜构造埋深适中,为有利勘探目标,且自南向北其保存条件逐渐变好。     

中国南方海相页岩超低含水饱和度特征及超压核心区选择指标

中国南方古生界页岩成熟度高,大部分地区埋藏较深,经历了复杂的构造热演化历史,地层抬升对页岩的储集能力和含气饱和度有着重要的影响。为分析这一影响的程度和后果,选取南方海相下志留统龙马溪组页岩样品进行了含水饱和度实验、相对渗透率和流体包裹体分析,发现页岩含水性存在2种现象,即低含水饱和度和高含水饱和度现象,富气页岩含水饱和度一般较低,贫气页岩含水饱和度一般较高;最后一期的喜马拉雅构造抬升作用对龙马溪组页岩的含气性产生了重要影响,进而影响到页岩气富集成藏,导致部分页岩含水饱和度超高,页岩气藏遭到破坏。结论认为：中国与北美页岩气最大的差异在于成熟度的高低和构造运动强弱的差别,在中国南方海相页岩这种特殊的地质条件下,只有在超压地层条件下页岩气才能富集,而超低含水饱和度存在则是超压地层条件页岩气存在的基础。据此提出页岩地质评价选区新的标准,将页岩超压条件（超压系数、地层倾角）作为页岩气地质选区新的指标。     

中国非常规泥页岩油气藏特征及勘探前景展望

非常规油气资源正在成为中国油气勘探的重要对象之一,其中泥页岩油气藏是目前具现实意义的选择。为此,归纳了中国非常规泥页岩油气藏的特征：①暗色泥页岩主要包括海相、海陆交互相、陆相泥岩和页岩;②常见的类型包括泥质泥页岩、碳质泥页岩、硅质泥页岩、钙质泥页岩;③主要形成于缺氧的闭塞海湾、澙湖、湖泊深水区、欠补偿盆地及深水陆棚等沉积环境中;④暗色泥页岩有效性指标主要概括为：总有机碳含量超过0.5%、脆性矿物含量超过40%、埋藏深度浅于4 000 m、有效厚度大于30 m、有效面积大于50 km²。基于暗色泥页岩广泛分布和对其油气勘探已取得的突破,认为中国泥页岩气的资源量介于60×10¹²~80×10¹²m³,勘探开发潜力大,是今后油气勘探的重要领域之一。最后建议：中国泥页岩油气勘探开发应注意复杂地表、埋藏深度、后期保存、环境保护等特殊地质条件。     

页岩结构面特征及其对水力压裂的控制作用

页岩是沉积岩中的一种，具有十分明显的层理构造。探究页岩层理结构面对其水力压裂行为的影响，对页岩气的开采具有重要意义。通过对鄂尔多斯盆地南部延长组页岩不同尺度下（米级到十微米级）沉积结构特点的分析，结合不同层理倾角条件下的大尺寸页岩试样水力压裂试验，研究了页岩结构面（层理面）的特征及其对水力压裂过程和结果的控制作用。结果表明，米级、分米级、厘米级、毫米级和10微米级等不同研究尺度下的纹层平均厚度分别为2.26 m，2.09 dm，1.70 cm，1.48 mm和11.7μm，呈现出分形特征，且分形维数为1.06。页岩水力压裂行为受层理结构面影响显著，主要体现在压裂前后裂缝形态对比与破裂压力两个方面。层理倾角小于30°时，页岩试样压裂前后裂缝形态对比明显，新生裂缝较多，破裂压力较大，且随着层理倾角的增大急剧减小；大于45°时，压裂前后试样的裂缝形态几乎没有改变，破裂压力较小，且随着层理倾角的增大呈现小幅度的波动；整体上不同层理面角度下页岩的破裂压力呈斜“S”型变化。试验中的裂缝扩展，水压曲线以及破裂压力随层理倾角的不同均发生变化。     

四川盆地涪陵页岩气田构造变形特征及对含气性的影响

四川盆地东部涪陵页岩气田五峰组-龙马溪组页岩气藏目前已投入商业开发,从一期开发区的开发效果来看,单井产能具有较大的差异,页岩气藏的含气性平面上也具有差异性,而造成其差异的主控因素尚不明确。根据地质评价,该区的页岩厚度、矿物成分和有机碳含量等原始品质平面展布稳定,不是影响该区页岩气藏含气性变化的主要因素,含气性的差异可能与构造形变有重要关系。从区域构造变形特征入手,对该区的结构特征、构造格架、构造样式等开展了研究,认为研究区经历了多期构造运动,发育多层次滑脱构造,纵向上可划分为3个构造形变层、7种局部构造样式,平面上的构造变形强度具有明显差异性。初步尝试对构造变形程度进行定量化表征,认为断距、地层增厚比例、曲率、断裂密度为表征该区构造变形强度的关键参数。通过对构造变形的定量化表征,将研究区分为4个构造形变区,不同区的页岩含气性具有明显的差异,明确了构造变形强度是造成该区含气性差异的关键因素。     

常压页岩气形成机制、分布规律及勘探前景——以四川盆地及其周缘五峰组-龙马溪组为例

常压页岩气藏的压力系数和含气量较低,地层能量较弱,具有中-低丰度、中-低品位、资源总量大和储量规模大等特征。中国南方常压页岩气藏分布广泛,具有良好的地质背景与富集条件,但其类型、形成机制和富集规律不明。基于页岩气勘探开发实践和地质解剖,探讨了四川盆地及其周缘五峰组-龙马溪组常压页岩气藏的类型、形成机制、分布特征和富集规律,提出了常压页岩气藏勘探开发的前景与技术对策。研究认为,常压页岩气藏主要包括优质页岩缺失/减薄型、早期逸散型、断裂破坏型和残留向斜型4种类型。常压页岩气藏的分布与富集明显受构造作用控制。通过对常压页岩气藏的类型、特征和形成机制等综合分析,认为残留向斜型常压页岩气藏为目前最有利的勘探开发类型。地质评价中应聚焦在靠近盆地、抬升时间晚、残留向斜面积大、远离深-大断裂且裂缝封闭时间早的地区开展研究,优选靠近向斜核部、构造稳定、相对高压力系数和埋深适中的区域开展页岩气勘探开发。技术对策上,建议钻井上采用低泥浆密度钻井液,压裂上采取少段多簇、大排量、中等液量和高砂量,以此来实现经济有效的体积改造。该研究成果将为常压页岩气的地质评价和勘探实践提供参考。     

川西南缘天宫堂构造奥陶系五峰组—志留系龙马溪组页岩气富集主控因素

综合利用地震、钻井、测井及岩心分析化验资料,分析了四川盆地西南缘天宫堂构造奥陶系五峰组—志留系龙马溪组的构造、沉积、储层及可改造性等基本地质特征,探讨了页岩气富集主控因素及成藏模式。研究结果表明：(1)天宫堂构造优质页岩集中分布在五峰组—龙马溪组龙一₁亚段,Ⅰ类储层主要发育于龙一₁¹—龙一₁³小层,厚度为0.8～17.0 m,具典型的高TOC含量、含气性好、高脆性矿物的特征。(2)天宫堂构造经历了晚白垩世前快速沉降、深埋藏和大量排烃阶段,形成早期富集型超压页岩气藏;晚白垩世后经2期抬升改造,早期富集型超压页岩气藏逐步向高压—常压页岩气藏调整。(3)研究区保存条件受地层倾角与宫1号断层的影响,造成不同构造部位页岩气差异富集。(4)研究区为“早期深埋藏促富集,后期隆升调富集、保存条件控富集”的背斜构造型成藏模式,构造南西翼是下步页岩气勘探开发的潜在有利区。     

页岩力学特性的层理效应及脆性预测

为系统研究层理面对页岩力学性质的影响机理,以四川盆地焦石坝地区龙马溪组页岩为例,首先使用偏光显微镜及扫描电镜等对页岩岩样进行微观分析,可见页岩的层理、层间微裂缝及微孔隙等较发育,黏土矿物呈定向排列,层间胶结作用较弱;再通过岩石单轴压缩物理实验和RFPA （真实破裂过程分析）数值模拟,系统研究不同的层理角度、层理密度及层理面力学性能等对页岩单轴抗压强度、弹性模量、泊松比及脆性等参数的影响;最后,采用统计学方法提出一种基于层理密度、层理角度、单轴抗压强度及层理面力学性能等参数的页岩脆性预测新方法。结果表明：页岩的弹性模量随着层理角度的增加呈现先减小再增加之后再次减小再次增加的趋势。页岩的单轴抗压强度和脆性指数的特征曲线均近似为U型,随着层理角度的增加而先减小后增大,且在层理角度为45°左右时,两者均达到最小值,在层理角度为0°和90°附近时,两者的值均相对较大。随着层理角度的增加,页岩的泊松比整体上呈现先降低再增加而后再降低的趋势,并在30°左右出现最小值,在70°左右出现极大值。页岩的弹性模量、单轴抗压强度和脆性指数等参数总体随层理密度的增大而降低;泊松比随着层理密度的增大在不同的层理角度表现出不同的状态。不同层理角度岩石的破裂类型不同。强度参数、弹性参数、脆性及破裂模式等均表现出很强的各向异性特征。整体而言,针对页岩力学特性的层理效应研究及脆性预测,可为页岩气的合理开发及页岩气井的井壁稳定提供一定的理论参考。