不同地質(zhì)條件下裂縫的形成機(jī)制及特征★

石寶存 李 成 孫 茜 陳 瑋 榮飛亞 彭振康 陳洵安 魏 凱

(南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

0 引言

油氣在未開采前儲(chǔ)存于巖石裂縫內(nèi)，即油氣勘測主要以勘測巖石裂縫為主。裂縫貫穿各形式的儲(chǔ)存孔隙，油氣在裂縫中的運(yùn)移構(gòu)成了一個(gè)天然油氣儲(chǔ)存空間。隨著勘探技術(shù)提升，大量巖石裂縫油氣藏被發(fā)現(xiàn)，這也解決了社會(huì)中油氣匱乏這一問題。本文根據(jù)前人對巖石結(jié)構(gòu)與裂縫形成關(guān)系做出的研究，選取泥頁巖，沉積巖以及火山巖等巖石條件，對巖石裂縫的形成機(jī)制以及特征做出研究。

1 裂縫的分類

國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)研究目的差異對巖石裂縫劃分了相應(yīng)的分類，其中巖石裂縫的形成過程描述分類如下。

1.1 按地質(zhì)成因分類

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者研究成果[1]分析，按照裂縫地質(zhì)成因可以將裂縫分為原生裂縫，次生裂縫以及人為誘導(dǎo)裂縫。

1)原生裂縫。

原生裂縫是在巖漿成巖過程中巖漿噴發(fā)產(chǎn)生大量的供力，隨著巖漿的爆發(fā)形成的氣液爆炸導(dǎo)致凝結(jié)或者未凝結(jié)狀態(tài)的上部巖漿受到?jīng)_擊，當(dāng)達(dá)到極限載荷之后產(chǎn)生的裂縫;或者是在巖漿因失水收縮而形成的裂縫。

2)次生裂縫。

次生裂縫是指在巖石形成以后,由溶解、重結(jié)晶、白云石化以及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等作用下形成的裂縫。根據(jù)前人的研究可知次生裂縫分為構(gòu)造裂縫以及非構(gòu)造裂縫兩大類。

3)人為誘導(dǎo)裂縫。

人為誘導(dǎo)裂縫是由于人們在進(jìn)行鉆井，開采，施加過強(qiáng)載荷等因素下，巖石造成橫向，縱向或者反射形狀的裂縫。

1.2 按形成原因分類

在工程上面，裂縫的形成主要是受到溫差，收縮，不均勻沉降以及載荷的影響所致。根據(jù)這些影響因素可以將裂縫分成塑性收縮裂縫，沉降收縮裂縫以及溫度裂縫[2]。

1.2.1塑性收縮裂縫

塑性裂縫大多出現(xiàn)在暴露于空氣中新澆筑的混凝土構(gòu)件的表面，塑性收縮是指在混凝土凝結(jié)之前，水分快速流失形成的表面收縮。造成塑性裂縫的主要原因是：混凝土在終凝之前，表面失水過快→毛細(xì)管內(nèi)負(fù)壓增大→混凝土體積急劇收縮，當(dāng)發(fā)生這一過程時(shí)，混凝土所受強(qiáng)度達(dá)到極限強(qiáng)度而發(fā)生的裂縫。塑性收縮裂縫一般發(fā)生在干熱或有風(fēng)的天氣，裂縫隨機(jī)分布且不一致。短裂紋一般長20 mm～30 mm，長裂紋長達(dá)2 m～3 m。

1.2.2沉降收縮裂縫

沉降收縮是指澆筑后混凝土由于構(gòu)件密度不同，導(dǎo)致水漂浮到表面，致密顆粒下沉，使得硬化混凝土體積減少。如果試件放在不均勻凍土上，更是加劇沉降收縮，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開裂。

1.2.3溫度裂縫

混凝土澆筑后，水泥的水化硬化過程會(huì)產(chǎn)生大量的水化熱積聚在混凝土內(nèi)部不易消散，導(dǎo)致混凝土內(nèi)外的熱脹冷縮程度不同，在混凝土表面受到拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，混凝土就會(huì)出現(xiàn)溫度裂縫。這種裂縫形式往往發(fā)生在大體積混凝土或者溫度變化大的地區(qū)的混凝土施工后期階段[3]。

2 不同巖性的裂縫形成機(jī)制

2.1 沉積巖

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者研究成果可知，影響沉積巖裂縫的形成因素主要有碎屑顆粒、膠結(jié)物、孔隙率以及巖石結(jié)構(gòu)的非均勻質(zhì)性[4]。

2.1.1碎屑顆粒

沉積巖的基本特征是由碎屑顆粒表現(xiàn)、碎屑顆粒直徑、排列方式、顆粒間的連接以及成分等都會(huì)影響沉積巖裂縫的形成。沉積巖石脆性較強(qiáng)將會(huì)導(dǎo)致巖石強(qiáng)度不足，容易開裂。大面積的脆性巖石也就具有了較高的裂縫密度。

2.1.2膠結(jié)物

膠結(jié)物將松散的沉淀物凝結(jié)，膠結(jié)物的物質(zhì)來源是沉降掩埋過程中從沉積巖孔隙溶液里沉淀成的自生礦物。它的作用是增強(qiáng)沉積巖內(nèi)部的作用力[5]，提高沉積巖的強(qiáng)度。最常見的膠結(jié)物有SiO2，H2CO3,H2SO4，F(xiàn)eS2,沸石等[6]。

1)膠結(jié)物種類對裂縫的影響。

沉積巖的膠結(jié)類型之間的差異將會(huì)帶來裂縫不同的特征，根據(jù)它的作用點(diǎn)不同可分為插入式，相切式，孔隙式以及底座式膠結(jié)這四種。其中膠結(jié)的巖石強(qiáng)度從強(qiáng)到弱為下部基礎(chǔ)式膠結(jié)，孔隙式膠結(jié)，相切式膠結(jié)。

2)膠結(jié)強(qiáng)度對裂縫的分析。

一般來說，膠結(jié)強(qiáng)度受膠結(jié)程度影響，膠結(jié)程度越高，巖石強(qiáng)度越強(qiáng)，裂縫就越少，在一定程度上，多分泌膠結(jié)物對裂縫具有一定抑制作用。根據(jù)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)利用不同膠結(jié)程度的砂巖實(shí)驗(yàn)可得出砂巖隨著膠結(jié)程度增強(qiáng)，砂巖強(qiáng)度將隨之增強(qiáng)，大致的變化處于120 MPa～20 MPa之間。

2.1.3孔隙率

孔隙率對沉積巖裂縫的形成具有重要影響。1990年，E. M.謝爾蓋耶夫[7]提出巖石的空隙性常反映它的密實(shí)程度，空隙率愈大，巖石的強(qiáng)度愈低。巖石強(qiáng)度隨其密度減小而降低的現(xiàn)象，就是空隙性影響巖石強(qiáng)度的具體體現(xiàn)。

2.1.4巖石結(jié)構(gòu)的非均勻性

沉積巖內(nèi)部存在著不完全結(jié)合，不整合斷層等各種地質(zhì)界面統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)面。沉積巖裂縫大致出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)面上。

研究發(fā)現(xiàn)[8]，沉積巖開裂在均質(zhì)度高的巖石試件中擴(kuò)展比較緩慢，開裂面非常光滑規(guī)則，并且裂縫擴(kuò)展偏離原來開裂的方向。最終和最大應(yīng)力方向趨于一致，在裂縫拐彎擴(kuò)展的位置，應(yīng)力集中:在均質(zhì)度比較低的巖石中，裂縫擴(kuò)展很不規(guī)則，而且斷斷續(xù)續(xù),應(yīng)力集中也不是很明顯，擴(kuò)展的方向雖然也是趨向于最大主應(yīng)力方向，但是受非均勻性的影響很大。在均質(zhì)度較高的巖石中，巖石強(qiáng)度相對高且裂紋擴(kuò)展表現(xiàn)出很強(qiáng)的脆性。

2.2 火山巖

火山巖又稱噴出巖，屬于巖漿巖(火成巖)的一類，是巖漿經(jīng)火山口噴出到地表后冷凝而成的噴出巖。火山巖裂縫由于不同的裂縫類型，在成型時(shí)都會(huì)有很大的差異。就原生裂縫和次生裂縫相比較原生裂縫是在火山活動(dòng)初期階段，巖漿噴發(fā)產(chǎn)生大量的供力，隨著巖漿的爆發(fā)產(chǎn)生的氣液爆炸導(dǎo)致凝結(jié)或者未凝結(jié)狀態(tài)的上部巖漿受到?jīng)_擊或者在巖漿因失水收縮而形成的裂縫。而次生裂縫是在巖漿冷凝固結(jié)成巖后才形成的，由溶解、重結(jié)晶、白云石化以及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等作用下形成的裂縫。

2.3 泥頁巖

本文所指的泥頁巖主要是泥巖類和頁巖類沉積巖，其組成主要為粒徑小于0.003 9 mm的細(xì)粒碎屑、粘土和有機(jī)質(zhì)[9]。由于泥頁巖本身的特點(diǎn)，例如細(xì)小的礦物顆粒、韻律性、層理發(fā)育，富含有機(jī)質(zhì)等，決定了裂縫演化的獨(dú)特性和油氣的地質(zhì)意義。因此，泥頁巖裂縫研究已成為油氣勘探開發(fā)研究的重要組成部分。總的來說，根據(jù)成因?qū)⒛囗搸r裂縫分為兩大類：構(gòu)造裂縫和非構(gòu)造裂縫。

構(gòu)造裂縫的主要成因是構(gòu)造變形、位置和順序的變化、應(yīng)力超過巖石強(qiáng)度極限和水平應(yīng)力作用下的巖石斷裂。非構(gòu)造裂縫主要是由氣候變化、成巖演化、流體超壓和重力失穩(wěn)作用下巖石崩塌引起的。2016年，混凝土裂縫有了新的分類，其中非結(jié)構(gòu)裂縫可分為五種類型：干裂裂縫、水下收縮裂縫、成巖層理裂縫、超壓裂縫和現(xiàn)代臺(tái)面裂縫。

1)干裂裂縫。

干裂裂縫是指表面的泥質(zhì)沉積物層或已被提升到頁巖表面，由于暴露于干燥和脫水、體積收縮而形成的裂縫。它通常從上到下逐漸縮小開裂。干裂裂縫為未成巖的沉積物失水收縮而成，干裂現(xiàn)象只發(fā)生在泥質(zhì)沉積物中，上部的泥質(zhì)沉積物比砂質(zhì)沉積物更容易發(fā)生體積收縮。從剖面上，有兩種主要形式的干裂紋，即“U”形和“V”形。干裂裂縫通常在一定的深度結(jié)束，而長期干燥的條件會(huì)使裂縫產(chǎn)生15 m深的裂縫。

2)水下收縮裂縫。

水下收縮裂縫是淺水、易湖、湖泊沉積物中泥層脫水或鹽度增加而形成的沉積變形構(gòu)造。泥質(zhì)地層中的灰綠色粉砂巖與上覆石灰—綠粉砂巖是一致的。下部泥巖中的粉砂巖帶是在沉積過程中形成的，是由于上部沉積物松散成泥巖裂縫而形成的。水下收縮裂縫的前端通常是有規(guī)律的擴(kuò)展，當(dāng)它達(dá)到一定長度時(shí)，以分叉、彎曲或斷續(xù)的形式結(jié)束，平面被編織成矩形或網(wǎng)狀的形狀，幾乎垂直于平面，穿透深度較淺，通常為V形。干裂縫和水下收縮裂縫具有相似的平面擴(kuò)展特性，但其原因基本不相同[10]。

3)成巖層理裂縫。

泥頁巖中的水平層理處于相對穩(wěn)定的水動(dòng)力條件下(如河岸帶、被遮擋的海灣、深海流域和湖泊的深水帶，由懸浮或溶液緩慢沉積而成)，由一系列與平面平行的精細(xì)層組成。

4)超壓裂縫。

泥頁巖超壓裂縫在地層孔隙流體超壓作用下形成。超壓裂縫主要分為欠壓實(shí)超壓裂縫和生烴超壓裂縫兩種。在形態(tài)上兩種裂縫相似，但形狀不規(guī)則，裂紋表面不平整主要表現(xiàn)為中間寬，兩端窄，沒穿透層。

5)現(xiàn)代表生裂縫。

由于重力不穩(wěn)定、風(fēng)化等因素引起的裂縫，使頁巖上升到地表，即頁巖代表裂縫。裂紋呈Z形擴(kuò)展，沿?cái)U(kuò)展方向變窄。

3 結(jié)語

通過對不同巖性的巖石裂縫對比，我們可以了解到其對于裂縫的劃分方法一般是不同的。進(jìn)一步地對裂縫性油氣藏的研究，對不同巖性的裂縫進(jìn)行對比分析，這樣才能最大限度的利用資源，具有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。

1)影響沉積巖裂縫的形成因素主要有巖石碎屑顆粒，膠凝物，顆粒與膠凝物組合，空隙率，巖石結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性。

2)火山巖裂縫主要分為原生裂縫和次生裂縫。其中，原生裂縫又可以分為冷凝收縮裂縫和炸裂縫。次生裂縫可分為構(gòu)造裂縫、溶蝕裂縫以及風(fēng)化裂縫。

3)根據(jù)成因劃分，頁巖裂縫可分為構(gòu)造裂縫和非構(gòu)造裂縫兩類。非結(jié)構(gòu)裂縫又可分為5類，即裂縫、水下收縮裂縫、成巖層理裂縫、超壓裂縫和現(xiàn)代臺(tái)面裂縫。