页岩油作为非常规油气资源的重要组成部分,其高效开发对全球能源结构调整及低碳转型具有重要意义,同时也是保障国家能源安全、推动实现碳中和的重要一环
[1]。页岩油赋存于富有机质、以纳米级孔径为主的页岩地层中,具有“源储一体、滞留聚集,富有机质、成熟度较高,发育纳米级孔缝系统,高脆性指数、高压力、油质轻”等特点
[2-3]。天然裂缝不仅是页岩储层中油气运移的关键通道
[4],保存了油气生成和运移的重要信息
[5],更是后期储层压裂改造设计的核心地质力学基础
[6-7]。
近年来,随着页岩油勘探开发的深入,陆相页岩强烈的沉积非均质性对裂缝发育规律的控制机制已成为研究难点与热点
[8]。纹层作为页岩沉积过程中形成的毫米级薄层结构,其矿物组成、力学性质及几何特征的差异显著影响裂缝的扩展行为与空间分布
[9-11]。然而,现有研究仍缺乏对陆相纹层状页岩天然裂缝发育特征的系统性认识,部分研究仅聚焦单一裂缝类型的成因分析
[5],未能建立多期次裂缝的演化序列,在很大程度上制约了此类储层压裂方案的优化设计与开发效率
[12]。丁文龙等
[13]指出,与构造裂缝相比,目前对页岩非构造裂缝的研究较为薄弱。何建华等
[14]针对川东北凉高山组页岩建立了裂缝演化模式,为认识页岩裂缝网络发育规律提供了重要参考,裂缝演化过程中纹层结构与超压耦合作用仍有待进一步探讨。
渤海湾盆地东营凹陷古近系沙河街组页岩具有典型的纹层结构,内部发育的多种类型和期次的天然裂缝
[15-16],为揭示纹层状页岩天然裂缝发育机制与演化提供了理想的研究对象。现有研究主要集中在东营凹陷构造裂缝、层理缝的演化研究
[6,17-18],缺乏天然裂缝网络系统的发育演化研究。针对这一问题,以沙三段下-沙四上亚段纹层状页岩为研究对象,通过研究陆相页岩天然裂缝的成因机制及形成时序,揭示超压驱动下裂缝网络的形成和演化特征,以期为页岩储层甜点预测及水力压裂靶向改造提供地质参考。
1 区域地质背景
东营凹陷是渤海湾盆地内典型的新生代断陷-坳陷复合型箕状凹陷,具有“北断南超、西陡东缓”的构造格架,北、西、南及东北方向分别以陈家庄凸起、林樊家低凸起、鲁西隆起和青坨子凸起为界[
图1,据文献[
19-
20]修改],总面积约5 700 km
2[21]。凹陷内部可进一步划分为北部陡坡区、深洼稳定区和断块缓坡区等多个次级构造单元[
图1(a)、
图1(b)]。
该凹陷的构造演化主要经历了古近纪多幕式断陷和新近纪以来的整体坳陷两大阶段
[22],如
图1(c)所示。断陷期受郯庐断裂带走滑活动及太平洋板块俯冲的远程效应控制,区域应力场发生过从NW-SE到近N-S向的转变,导致北东、北西向断裂发育,并控制了沉积充填
[23]。沙河街组沉积时期,尤其是沙三下亚段沉积阶段,湖盆处于快速扩张期,沉积速率高达520 m/Ma,为烃源岩发育奠定了重要基础
[24]。
凹陷内地层沉积以古近系为主,其中沙河街组是页岩油富集的核心层系。沙四上亚段为咸水半深湖沉积,发育膏盐岩与灰质泥岩互层;沙三下亚段属深湖相沉积,以厚层深灰色泥岩、油页岩为主,是区域上的优质烃源岩层
[2,25],如
图1(c)所示。二者共同构成了东营凹陷页岩油勘探的重要目的层。
2 样品与方法
系统观察并统计樊42井、牛页1井、丰页1HF井等11口井的岩心天然裂缝发育特征,并综合运用岩相学观察、流体包裹体分析以及研究区埋藏史与热史等资料。
流体包裹体岩相学观察在配备双通道荧光、反射光-透射光的NIKON-LV100 显微镜下完成。荧光光谱测试检测光谱范围覆盖200~1 100 nm,通过配套软件获取最大主峰波长(λmax)和红绿商(Q650/500=I650/I500,其中I650为650 nm处荧光强度,I500为500 nm处荧光强度)等参数。显微测温实验采用 Linkam-THMSG600 冷热台完成,升/降温速率精确控制在0.1~10.0 ℃/min,均一温度测试误差为±1 ℃。所有实验均在中国石油大学(华东)深层油气全国重点实验室完成,以确保数据的一致性与可靠性。
3 裂缝类型及特征
如
表1所示,基于本次研究观察和前人研究
[14,26-27]成果,按照地质成因,可将研究区天然裂缝划分为构造裂缝与非构造裂缝两大类。构造裂缝按力学性质可以分为剪切缝和张性缝;而非构造缝可分为层理缝和流体超压缝,其中流体超压缝又可细分为水平缝和穿层缝。研究区沙三段-沙四段天然裂缝以剪切缝、层理缝、水平缝和穿层缝为主。
3.1 剪切缝
剪切缝多以中-高角度产出,宏观上表现为具微小断距的正断层特征。裂缝面平直而光滑,无充填为主,但部分被方解石和沥青等充填,规模变化较大[
图2(a)~
图2(c)、
图3(a)、
图3(b)]。微观下可见剪切缝两侧纹层发生明显错位,部分裂缝面呈曲折状并构成共轭剪切组合[
图3(a)],或被后期沥青等矿物质充填[
图3(b)],指示其形成后可能经历了再活化开启和烃类流体活动。
3.2 张性缝
张性缝形成于拉张应力环境,通常组成垂直的平行裂缝组系。其缝面粗糙、形态不规则,开度变化大[
图2(d)]。研究区此类裂缝相对不发育,且大多被方解石全充填。
3.3 层理缝
层理缝严格沿页岩纹层界面发育,缝面相对平直,开度多小于20 μm,局部可见弯曲、分叉与合并现象,整体具有密度大、规模小、延伸短和横向连通性差等特点[
图2(e)、
图3(c)]。层理缝虽近似平行于页理,但并非等同于页理,通常仅断续分布于页理的部分区段。其形成主要受沉积作用与后期成岩改造导致的岩性差异控制
[18]。
3.4 收缩缝
收缩缝形成于沉积物埋藏后、固结成岩的早期阶段,因黏土矿物脱水、干酪根热解生烃等物理化学变化导致体积收缩而产生。研究区泥页岩中收缩缝较为发育[
图3(d)],有效连通了黏土矿物晶间孔及其他孔隙,成为微观尺度下油气运移的重要通道
[18]。
3.5 流体超压缝
流体超压缝是研究区重点研究对象,按产状与纹层的关系,可划分为水平缝和穿层缝两类,二者在形成机制、形成时间及交切关系上存在显著差异。
3.5.1 水平缝
沙三下-沙四上亚段的富有机质层段密集发育(近)平行层理的水平缝,均被方解石充填,多呈条带状或透镜状产出[
图2(b)、
图2(f)、
图2(g)],其周缘常见有机质团块[
图2(g)、
图3(h)]。此类裂缝往往由一条中间带和两侧的纤维状方解石晶体组成[
图3(e)~
图3(g)],由于这种矿脉形似牛肉纤维,因此也称为“牛肉脉”(beef vein)
[28]。镜下观察发现,中间带往往是由颗粒状方解石、围岩碎片等物质组成,其中的粒状方解石在透射光下比较浑浊,在阴极发光下呈现暗橙色[
图3(g)]。中间带两侧的纤维状方解石颗粒干净,光学连续好,表明其是在相对稳定的环境下连续生长的
[29]。此外,部分中间带中还有沥青质残留。纤维状方解石纤维方向与围岩界面接近垂直,整体上方解石颗粒大小相对均一,表明其在生长过程中由于空间有限而没有明显的生长竞争
[30]。在阴极发光下,两侧的纤维状方解石呈现橙黄色。部分水平脉中还发育叠锥状方解石结构(cone-in-cone structures),如
图3(e)所示。
岩心扫描资料的统计表明,研究区水平缝的开度介于0.32~13.79 mm,主要集中在0.5~3.5 mm[
图4(a)]。统计结果显示,不同区带中水平缝的开度亦表现出明显差异。深洼稳定区裂缝开度较大(多在1~4 mm),北部陡坡带次之(多在0.5~2 mm),断块缓坡区最小(普遍在0.5~1.5 mm)。裂缝线密度统计分析显示[
图4(b)],水平缝的发育具有显著的分段集中分布特征,如牛55斜4井线密度集中于50~250 条/m,而史斜150井则集中分布在30~40 条/m。
3.5.2 穿层缝
穿层缝是研究区重要的垂向跨纹层排烃通道,整体呈高倾角,中部开度大而向两端逐渐减小或尖灭[
图2(h)]。其延伸规模多受限,形态常呈锯齿状,被方解石或方解石-沥青混合物充填[
图2(h)~
图2(k)]。裂缝扩展路径在穿越碳酸盐岩-泥质岩性界面时普遍发生方向偏转折射,部分被沥青质充填的裂缝两端还有较为轻微的剪切错动[
图2(h)~
图2(k)、
图3(a)、
图3(i)~
图3(l)]。
根据充填特征,穿层缝主要有两种模式:①沥青质沿缝壁分布,形成黑色浸染边,裂缝开度小,缝面蜿蜒曲折,在纹层界面多出现平移、剪切等现象[
图2(j)、
图2(k)、
图3(j)];②多期流体活动形成的复合充填结构,表现为已胶结的亮晶方解石再次张开,并被沥青充填或形成裂缝孔隙[
图2(h)、
图3(a)、
图3(i)、
图3(k)、
图3(l)],指示了裂缝在持续超压作用下的再活化过程。
3.6 裂缝属性
岩心裂缝观察统计表明,水平缝、剪切缝和穿层缝是主要裂缝类型[
图5(a)]。充填程度方面,剪切缝以无充填为主,张性缝以全充填和半充填为主,水平缝几乎全部为全充填,穿层缝则以全充填和半充填为主[
图5(b)]。方解石是各类裂缝中最主要的充填矿物,穿层缝中常见沥青或方解石-沥青混合充填[
图5(c)]。倾角统计显示,剪切缝、张性缝和穿层缝均以高倾角(>70°)为主[
图5(d)],而水平缝倾角近0°。延伸长度上,剪切缝、张性缝和穿层缝普遍较短(多<200 mm),受构造控制的剪切缝可延伸超过400 mm[
图5(e)];水平缝多呈透镜状,受岩心尺度限制,其真实延伸长度难以准确统计。综上所述,研究区裂缝系统在充填程度、矿物组合、产状及规模上差异显著,揭示了其多期次、多成因的复杂形成演化历史。
4 裂缝形成期次
4.1 岩相学关系
根据岩心和薄片上不同组裂缝的相互切割关系可以厘定其形成先后顺序
[31-32]。研究区可见明显的三期裂缝相互切割,即剪切缝、水平缝和穿层缝。剪切缝被后期方解石充填的穿层缝切割错断[
图3(a)],部分被方解石或沥青全充填/半充填,表明其形成后经历了多期流体充注与再活化[
图2(a)]。当水平缝与穿层缝共生时,穿层缝总是切穿水平缝[
图3(a)、
图3(j)]。阴极发光分析显示,水平缝中方解石发橙黄色光,而穿层缝中方解石发亮橙色光,表明两者成脉流体性质存在显著差异
[33][
图3(g)、
图3(k)]。综合岩心与薄片分析认为,研究区至少存在三期裂缝活动。
4.2 流体包裹体分析
裂缝胶结物中的流体包裹体记录了裂缝形成时的古流体性质与热力学条件,是反演裂缝形成期次的有效手段
[34-35]。其中,烃类包裹体的最大主峰波长(
λmax)和红绿商(
Q650/500)是定量评价油成熟度的关键参数,其值随成熟度增加而降低
[36]。在水平缝与穿层缝的方解石充填物中发现了丰富的烃类包裹体,主要包括单一相烃包裹体、两相烃包裹体(
图6),而两相盐水包裹体则极为少见且个体微小,难以进行有效分析测试。
4.2.1 水平缝中的包裹体特征
水平缝中的流体包裹体以串珠状和团簇状分布为主[
图6(a)、
图6(b)],个体大小多为 2~15 μm,以气液两相烃包裹体为主。串珠状包裹体多沿纤维状方解石颗粒边界分布,团簇状包裹体则多位于颗粒内部,其长轴方向与纤维生长方向一致,这些产状特征表明其为原生成因,可靠的记录了水平缝形成时的流体信息[
图6(a)、
图6(b)]。与烃包裹体伴生的盐水包裹体基本不发育,所观察到的个体过小,普遍在1~3 μm,有可动气泡。
荧光下,水平缝中烃包裹体多呈橙黄色与黄绿色[
图6(a)、
图6(b)]。橙黄色多呈串珠状分布,在凹陷各井中均有发现;黄绿色则常以团簇或孤立状出现,仅在牛55斜4井中发现。定量光谱分析表明,橙黄色和黄绿色烃包裹体的
λmax分别集中在560~610 nm和515~540 nm,均值分别为584 nm和527 nm;
Q650/500分别集中在0.8~1.6和0.4~0.7,均值分别为1.25和0.52。水平缝中的烃包裹体
λmax分布宽泛,且具有原生成因产状,认为其形成于有机质早期成熟时期
[37-38]。
4.2.2 穿层缝中的包裹体特征
穿层缝中的包裹体以团簇状和串珠状为主,个体较大(10~25 μm),多为气液两相烃包裹体[
图6(c)、
图6(d)]。观察中并未发现伴生盐水包裹体。其荧光颜色以蓝绿色为主[
图6(c)、
图6(d)]。统计结果表明,
λmax集中于510~520 nm,均值为517 nm;
Q650/500主要分布在0.3~0.5,均值为0.39;QF-535分布集中在3.5~5.5,均值为4.41。荧光颜色和定量荧光参数都表明,穿层缝是在成熟度较高的富烃流体环境下形成的[
图6(f)[38]]。穿层缝中烃包裹体荧光特征具有很好的集中性,且不同深度的样品没有明显差异,这表明其是在较高成熟度下同期生成的。结合穿层缝主动切割水平缝的切割关系,认为穿层缝的形成时间晚于水平缝,是有机质进入成熟阶段后油气初次运移排烃的结果
[18,38]。
4.2.3 流体包裹体均一温度
均一温度(homogenization temperature,Th)是指常温下呈两相或多相的包裹体经人工加热后恢复为均匀单相流体时的瞬时温度,近似代表包裹体被捕获时的温度
[39]。利用均一法对水平缝和穿层缝中较大且边界清晰的气液两相包裹体升温均一至液相进行显微测温[
图6(a)~
图6(d)]。
水平缝中包裹体个体细小,仅获得有限的均一温度数据。其中,橙黄色和黄绿色包裹体均一温度分别介于74.5~90.1 ℃和72~78.9 ℃(
图7)。穿层缝中的蓝绿色包裹体均一温度范围为85.4~113.2 ℃,主要集中在90~110 ℃(
图7)。两者在均一温度上的差异进一步支持了它们形成于不同热演化阶段的观点。
周振柱
[40]指出,东营凹陷油包裹体的均一温度通常比其伴生盐水包裹体低约15 ℃,而实际捕获温度则较盐水包裹体的均一温度高约15 ℃。由于研究样品中未见可供测温的伴生盐水包裹体,因此将所测油包裹体的均一温度统一增加30 ℃,以估算其捕获温度,并将结果投影于埋藏史图中进行裂缝形成时限分析。水平缝中橙黄色与黄绿色油包裹体的均一温度显示其属于低熟油特征,结合其分布与荧光特征,表明它们为同期形成,应属于
Ro较低的早期成藏阶段(
图8)。王淼
[21]的研究也支持这一认识,指出该区水平缝中原生含沥青质包裹体的平均等效
Ro仅为0.59%。相比之下,穿层缝中的包裹体荧光颜色较为单一、分布集中,均一温度范围较窄,且未检出沥青质等低熟组分,表明其形成于较高成熟阶段。结合文献[
38]对本区包裹体的定量研究结果,可以认为穿层缝形成于有机质进入成熟阶段之后[
图6(f)、
图8],即对应于第二次生排烃期间。
5 裂缝形成机制与演化
纤维状方解石充填的水平缝(“beef”)广泛的被认为是生烃超压作用的产物,其生长受流体超压与结晶力共同控制
[28]。赵文
[41]的研究认为东营凹陷的超压成因主要为生烃引起的流体膨胀。穿层缝中广泛存在的沥青质也指示其与生烃过程密切相关[
图2(j)、
图2(k)、
图3(i)~
图3(l)]。综合裂缝切割关系、充填特征及流体包裹体分析,认为穿层缝形成晚于水平缝,其动力同样来源于生烃造成的流体超压
[18]。
5.1 水平缝的形成机制
古近系泥岩中的纤维状方解石脉与全球多个含油气盆地富有机质泥岩中水平纤维状方解石脉的发育特征极为类似
[28],均包含中间带及其上下两侧的方解石纤维区,其发育过程可划分为两个阶段。
(1)超压水力破裂阶段。即中间带的形成阶段。当烃源岩进入生烃门限后,生烃作用导致流体体积膨胀和局部超压,当流体压力值超过纹层界面的抗张强度和上覆荷载之和时,即诱发顺层水力破裂,形成初始裂缝
[42-43]。同时,生烃产生的酸性流体溶解地层中原生碳酸盐矿物,形成富含烃类的碳酸盐饱和流体
[44]。该流体注入裂缝后,随着裂缝侧向扩展和压力下降,碳酸盐因为过饱和析出结晶,与围岩碎片、沥青等杂质共同构成浑浊的中间带。
(2)矿物纤维连续生长阶段。即两侧纤维状方解石生长加宽阶段。中间带形成后,在持续的生烃超压与方解石结晶产生的结晶力共同作用下
[29-30],驱动围岩中的碳酸盐矿物溶解,并通过扩散作用向脉体与围岩界面运移
[29],以中间带为结晶核向两侧生长形成纤维状方解石。在这一阶段,裂缝开启程度通常小于10 μm,从而限制方解石颗粒间的竞争式生长形成纤维状
[45]。在此过程中,若超压周期性超过静岩压力,可能导致裂缝多次小幅度开启,从而形成复杂的固体包裹体,如正弦状、U形等
[46]。
5.2 穿层缝的形成机制
穿层缝的形成是超压驱动下裂缝穿层扩展的结果。研究表明,东营凹陷3 200 m以下区域,最大水平应力成为最大主应力,应力条件表现为水平最大主应力(
SH) >垂向应力(
SV) >水平最小主应力(
Sh),该应力状态有利于近垂直裂缝的形成
[15]。穿层缝的形成过程可以归纳为4个阶段:首先,在超压的驱动下,微裂缝在脆性的方解石纹层中优先形成,且多以近垂直的高角度为主;而在泥质层或有机质层中以塑性变形或顺层缝为主。在超压的持续性作用下,方解石纹层中的微裂缝进一步发育并达到阈值,部分裂缝能够突破并进入紧邻的泥质层
[10]。随后,当裂缝持续发育,相邻方解石纹层内的裂缝端部在泥质层内剪切连通
[47],富碳酸盐流体进入裂缝中并结晶;两个相邻方解石纹层内的裂缝通过这种“搭桥式”扩展方式实现连接
[48],最终形成贯穿纹层的连通裂缝体系。最后,随着贯穿裂缝开度的持续增大,较大裂缝逐渐合并附近小尺度裂缝,进一步演化形成优势主干裂缝
[49-50]。需要指出的是,部分已经胶结的穿层裂缝在超压的作用下可发生再次开启并充填,表现出多期充填特征[
图3(i)、
图3(l)]。
5.3 裂缝形成时间与演化
许多学者基于流体包裹体压力恢复、油气藏饱和压力等手段研究认为,东营凹陷生排烃过程主要存在两个时期,即32~24.6 Ma和8~0 Ma
[21]。结合文献[
21]和本文分析,建立了研究区三期裂缝耦合演化序列(
图8)。
第一期裂缝主要是剪切缝。主要特征是上下端部明显,镜下剪切缝外的纹层没有明显变化,被后来的方解石/沥青充填;研究区在沙三段经历了快速埋藏
[51],这一时期构造运动活跃,主要断裂开始逐渐形成
[52]。综合认为剪切缝形成时间最早,大致在埋藏后至第一次生烃前。
第二期裂缝主要是水平缝。主要特征是产状平行层理,常与有机质团块伴生,被纤维状方解石充填,存在明显的中间带。这一期裂缝原生烃包裹体的低熟油特征及其发育的次生蓝白色包裹,结合其原生包裹体温度,认为其形成于研究区第一次生烃期间
[19,53]。
第三期裂缝是穿层缝。主要特征是多被方解石和/或沥青充填,与纹层呈高角度相交,切穿剪切缝和水平缝,综合认为其形成于生烃期间,但晚于水平缝形成时间。再结合其包裹体荧光特征和均一温度,认为其形成于第二次生烃期间。在第二期生烃时,研究区埋深较深,具有较高的水平地应力和流体压力
[54],其应力状态主要是
SH>
SV>
Sh,在压力-应力耦合条件下形成高角度的穿层缝,为油气的跨纹层运移提供高效通道。
天然裂缝作为储层中既存的薄弱面,对压裂过程中人工裂缝的起裂与扩展路径具有控制性作用
[5,55]。所建立的“构造剪切缝-早期生烃超压水平缝-晚期生烃超压穿层缝”裂缝网络能够直接影响应力集中效应。在压裂过程中,高压流体易在先存裂缝端部诱发应力集中,促使微裂缝优先激活并扩展,成为人工裂缝延伸的初始路径
[56-57]。天然穿层缝所形成的“能干层(如方解石纹层)-非能干层(如泥质层)”连通路径,可作为人工裂缝穿层扩展的优势通道,显著降低层间突破阻力;其形成过程中所反映的应力响应差异,也为预测人工裂缝在不同岩性中的扩展行为提供了地质依据。
6 结论
(1)东营凹陷沙三下-沙四上亚段为发育 4 类主要裂缝,剪切缝以中高角度、半充填为主,水平缝呈条带状/透镜状纤维方解石脉,穿层缝为高倾角垂向通道,且裂缝充填程度、倾角、延伸长度存在显著差异,反映多期次、多类型成因特征。
(2)基于裂缝切割关系与流体包裹体定量分析,确定研究区三期裂缝形成序列:剪切缝形成最早(埋藏后-第一次生烃前),水平缝形成于第一次生烃时期,穿层缝形成于第二次生烃时期。
(3)天然裂缝的形成和充填经历渐进式过程。水平缝表现为“水力裂缝开启形成中间带-矿物纤维连续生长”两阶段发育,穿层缝呈现“方解石纹层成核-突破泥质层-搭桥式连通-优势裂缝形成”发育模式,两者均受生烃超压驱动,裂缝充填物保存了原油初次运移的证据。
(4)本次研究展示的东营凹陷古近系纹层状页岩的天然裂缝网络发育特征及机制,可增进对页岩油初次运移、裂缝网络的形成和演化的理解,也可为页岩油储层压裂方案优化与高效开发提供参考。
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