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。

川东北营山-平昌地区侏罗系凉高山组页岩油气显示活跃且多口井获得工业油气流,其油气资源勘探潜力巨大,而侏罗系页岩油气的富集程度及开发效果受控天然裂缝特征明显。本文综合利用野外、成像、岩心、薄片和CT扫描等多尺度裂缝表征手段,并结合脉体包裹体、碳氧同位素、岩石声发射和脉体U-Pb定年实验测试,重点揭示了研究区不同尺度天然裂缝的发育特征,明确了不同成因天然裂缝的形成期次并构建了其演化力学模式。结果表明:凉高山组页岩主要发育剪切缝、层面滑移缝、层理缝和流体超压缝等力学成因裂缝;构造变形区以发育NW和NE向高角度剖面剪切缝和网状张剪复合缝为主,裂缝密度高,纵向穿层规模大;平稳稳定区主要发育层理缝和流体超压缝及少量近EW和NNE向平面剪切缝,密度低,多充填。侏罗系主要经历了4个天然裂缝形成期:燕山早—中期(170~140 Ma)侏罗系快速埋藏形成以近SN和NE向垂直或水平的水力超压裂缝为主,纤维状方解石全充填;燕山晚期(100~80 Ma)发育NNE与近EW共轭平面剪切裂缝、NE向扩张缝和生烃超压缝;喜马拉雅早—中期(67~32 Ma)持续发育平面剪切缝、NW向剖面剪切缝和张性缝,以及层理缝;喜马拉雅晚期(15~6 Ma)表现为先存裂缝的活化和新生成少量近NNE向张性缝。受喜马拉雅晚期应力调整,早期形成近EW和NW向剪切缝开启有效,新生成的NNE向张性缝未充填较有效。该研究对于侏罗系多期构造复合下有效裂缝的定量预测和页岩油气富集有利区优选提供了重要支撑。

苏北盆地溱潼凹陷阜二段是页岩油勘探开发的有利层段,页岩天然裂缝发育,是页岩油的重要储集空间和渗流通道,对页岩油的开采与增产有重要影响。综合利用岩心观察、成像测井、薄片观察和实验分析测试等资料,应用先进环境扫描电镜、激光扫描共聚焦显微镜等仪器,对溱潼凹陷阜二段页岩天然裂缝的成因类型、发育特征、形成机制、赋存状态和对油气赋存的影响开展了研究。溱潼凹陷阜二段天然裂缝以构造裂缝和沉积成岩裂缝为主,沉积成岩裂缝主要以层理缝为主,发育少量缝合线;构造裂缝包括穿层剪切裂缝、顺层剪切裂缝和层内张裂缝。在纵向上阜二段各小层裂缝发育特征差异较大,从Ⅰ亚段到Ⅴ亚段,裂缝发育类型逐渐单一,裂缝密度逐渐减小,裂缝的延伸长度逐渐增大,并且裂缝的填充性逐渐减弱。阜二段页岩天然裂缝受沉积成岩、构造和异常高压等多种因素作用形成复杂的缝网,沟通储层基质孔隙形成了立体的孔-缝系统,为页岩油的储集提供了良好的空间,也极大地提升了储层的渗流能力。环境扫描电镜和激光扫描共聚焦显微图像显示阜二段页岩油主要以游离态和吸附态两种赋存形式存在,游离油主要以液态油滴形式赋存于孔隙和微裂缝中,吸附油以油膜形式包裹于矿物颗粒表面。裂缝中原油主要以轻质组分为主,孔隙中既有轻质组分又包含重质组分。天然裂缝发育,明显提高了页岩的储集物性,有利于后期压裂改造,是溱潼凹陷阜二段页岩油得以富集并实现高产的重要保障。

鄂尔多斯盆地西北缘奥陶系乌拉力克组是华北板块页岩气勘探的新领域,其成藏条件和富集特征与中国南方海相页岩气田差异较大。本文以钻井岩心、测井和分析测试等地质资料为基础,重点开展乌拉力克组裂缝发育特征研究,探索西北缘海相页岩气聚集模式,并获得4点认识:(1)乌拉力克组受多种沉积微相控制,发育硅质页岩、钙质硅质混合页岩和黏土质硅质混合页岩,局部为碳酸盐岩(主要为角砾灰岩、泥灰岩)和钙质页岩,在不同区块岩相组合差异大,但下段整体富含硅质,脆性与龙马溪组下段相近,在前陆冲断席分布区有利于储层造缝;(2)乌拉力克组发育高角度充填缝和低角度顺层缝等两期裂缝,但以开启状顺层微-小裂缝为主,且南段较北段发育;(3)乌拉力克组下段总孔隙度一般为2.46%~7.08%,与四川盆地龙马溪组基本接近,其中基质孔隙度占比为34.0%~90.0%(平均61.1%),裂缝孔隙度占比为10.0%~66.0%(平均38.9%);(4)乌拉力克组天然气赋存以游离气为主(占比超过64%),在本层无机孔隙和顺层缝系统中存在初次运移和二次运移。综合分析认为,受裂缝发育程度影响,马家滩-上海庙探区主体为受构造控制的裂缝型页岩气聚集区,裂缝发育期与生气高峰期同步,有利于天然气在乌拉力克组内高效聚集成藏;铁克苏庙区块则为混合型页岩气聚集区。

苏北盆地高邮凹陷古近系阜宁组二段(阜二段)页岩油勘探获得重大突破,是下一步增储上产的重要领域。页岩层系中天然裂缝发育复杂,其对页岩油富集和保存的影响认识不清,制约了下一步勘探部署。综合来自HY1、H101、HY7、S85X等井的岩心、录井、测井和镜下薄片、扫描电镜、大视域扫描电镜拼接(Maps)、微区矿物扫描(Qemscan)、冷冻岩心有机地球化学分析等资料,结合HY1HF、HY3HF等井的生产动态资料,系统分析了阜二段页岩层系中天然裂缝发育特征,进一步揭示了不同类型天然裂缝对页岩油富集和保存的影响。结果表明,阜二段页岩层系主要发育穿层构造裂缝和层控构造裂缝,以及层理缝和收缩缝等非构造裂缝。其中,穿层构造裂缝发育程度与岩性及构造部位密切相关;层控构造裂缝主要发育在白云石条带、砂质/白云质混合条带和顺层方解石脉等脆性层;层理缝主要为异常高压成因,发育集中在阜二段中下部Ⅲ~Ⅴ亚段。层理缝与顺层方解石脉、白云石条带和砂质/白云质混合条带中发育的层控构造-溶蚀缝洞既是页岩油的有利储集空间,也是高效渗流通道,有利于页岩油富集;穿层构造裂缝有效性较好,相对于页岩的基质更为富集页岩油(S₁),但其纵横向连通性较好,因而也是页岩油逸散的高效通道,对阜二段Ⅴ亚段“Ⅴ下”甜点层保存条件不利,对Ⅳ亚段甜点层影响较小,平面上与断层距离越小,断层规模越大,构造裂缝越发育且越不利于页岩油保存。

天宫堂地区位于四川盆地南部,发育大规模沉积稳定性与连续性好的海相页岩,是页岩气勘探开发的热点地区。本研究以五峰组-龙马溪组纹层状富有机质页岩为对象,基于岩心尺度描述与大薄片观察,系统分析了页岩纹层的发育特征,并对纹层组合进行了分类与定量表征。通过有机地球化学、矿物学、岩石学、孔隙结构和场发射扫描电镜等分析,表征了页岩的孔隙结构,揭示了页岩的储集物性特征。结合纹层分析结果,揭示了不同类型纹层组合内部结构差异及其控制机理。研究表明,川西南缘天宫堂构造五峰-龙一1亚段页岩主要发育递变型、块状型和砂泥互层型3类纹层组合。递变型纹层组合页岩和互层型纹层组合页岩水平渗透率远高于块状型页岩,块状型页岩的垂直渗透率最高,整体递变型纹层组合页岩物性最好。且三者孔体积和微孔比表面积均呈现由递变型纹层组合页岩、块状型页岩到互层型纹层组合页岩递减的趋势。受沉积环境和成岩作用的共同控制,具有较高TOC和发育有机质-黏土纹层的递变型纹层组合页岩相较于具有较低TOC和发育厚粉砂纹层组和黏土纹层为主的泥纹层组的互层型纹层组合页岩,有效孔隙空间更大,孔隙连通率更高,表现为孔体积更大。而相对较高的有机质含量和无序的矿物孔粒组合排列共同导致块状型页岩有效储集空间优于砂泥互层型纹层组合页岩,而劣于递变型纹层组合页岩。

天然裂缝是页岩储层重要的储集空间和渗流通道,查明天然裂缝类型及其空间展布特征是页岩气勘探开发的重要基础之一。基于地震、露头、岩心观察、测井和微观测试分析等资料,重点考虑裂缝对页岩气富集高产的控制作用,将页岩储层天然裂缝分为大尺度、中小尺度和微尺度3类,明确了各尺度裂缝表征与建模方法和应用效果。(1)大尺度裂缝通过叠后地震属性表征,中小尺度裂缝以岩心、成像测井和地震属性预测相结合的方法表征,微尺度裂缝通过岩心描述、扫描电镜观测等方法表征,明确了各尺度裂缝发育密度、开度、产状和充填状况等特征。(2)大尺度裂缝通过输入叠后地震属性表征参数,采用确定性建模方法建立大尺度裂缝DFN模型;中小尺度裂缝以单井成像测井解释数据为先验信息,以多信息融合的裂缝概率体为空间约束建立裂缝密度体,采用随机模拟方法建立中小尺度裂缝DFN模型;微尺度裂缝建模以微观测试分析获取的微裂缝参数为基础,井资料与TOC等主控因素属性体结合建立微裂缝密度体,采用随机模拟方法建立微裂缝DFN模型。(3)以四川盆地平桥构造带页岩气为例,开展了页岩储层不同尺度裂缝表征与三维地质建模工作,明确了不同尺度裂缝的发育位置、规模和产状特征,刻画了不同尺度裂缝的空间位置、倾角、方位角、几何尺寸、发育密度等属性特征,形成了多尺度页岩储层天然裂缝表征与建模技术,为页岩气藏数值模拟提供了较可靠的模型依据。该方法建立的平桥构造带页岩储层三维地质模型及其模拟结果与地质认识、生产数据吻合较好,对页岩气田开发具有参考价值。

页岩油储层普遍发育多尺度天然裂缝,天然裂缝是页岩油储层主要的储集空间和渗流通道,多尺度天然裂缝分布规律制约着页岩油气储层高效开发。本文以鄂尔多斯盆地庆城油田长7页岩油储层为例,结合地表露头、岩心、薄片、测井和地震等资料,在划分多尺度裂缝的基础上,明确了多尺度裂缝的发育特征,形成了多尺度裂缝建模方法,建立了典型区块X井区长7₁储层多尺度裂缝三维离散网络模型。根据蚂蚁体叠后地震属性明确了大尺度裂缝分布特征,用确定性方法建立了大尺度裂缝地质模型;结合储层地质力学方法和常规测井裂缝解释结果,建立了中、小尺度裂缝发育强度约束体,然后以发育强度约束体为约束,协同中、小尺度裂缝参数,采用随机建模方法分别建立了中、小尺度裂缝地质模型。最终将大、中、小尺度裂缝网络模型融合形成多尺度裂缝网络模型,并建立裂缝等效属性模型。结果表明X井区长7₁大尺度裂缝发育于该区东北部,中尺度裂缝和小尺度裂缝多发育于该区西部、西南部和东北部大尺度裂缝发育位置。建立的多尺度裂缝模型与单井裂缝发育规律和实际生产动态数据吻合,可为庆城地区X井区页岩油气增储上产提供地质依据。

通过黔北地区牛蹄塘组页岩的岩心观察显示,方解石脉作为天然裂缝的充填物,并在很大程度上影响着页岩的破坏模式,研究含方解石脉页岩的破坏特性对水力压裂过程中裂缝的起裂、扩展行为的预测与工程设计有重要意义。为揭示方解石脉对页岩力学特性和破裂特征的影响,进行0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°7种倾角的单轴压缩和声发射试验,并结合CT扫描技术、有限元计算,构建了三维细观数值模型,讨论不同角度方解石脉对页岩的细观破坏过程和力学性能的影响,分析页岩微裂纹的时空演化规律。结果表明:(1)不同方解石脉角度页岩的声发射和应力-应变曲线形态变化基本相同,均经历压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和峰后破坏阶段等4个阶段,各阶段区分明显,特征强度的变化曲线整体呈“U”形,变化程度不断加快,θ为75°时为最低值;(2)方解石脉显著影响页岩的破坏模式,随着角度的提高,由劈裂破坏转变为劈裂型剪切破坏再到剪切滑移破坏,最终变为劈裂张拉破坏;(3)重构的三维模型和物理试验的表现较为一致,并且能够观察到页岩内部和表面裂纹扩展与贯通过程,声发射的空间分布反映了不同阶段下的压缩、张拉和剪切破坏的单元类型,从微观角度揭示了含方解石页岩的破裂机制;(4)页岩的宏观力学特征同时受方解石和基质的影响,体现了明显的各向异性特征,方解石角度越高,对滑移导向作用越强,试件的力学性能越弱。