沾化凹陷古近系-新近系沉積巖裂縫形成研究

門晶璇，宋 哲

（西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/地質(zhì)學(xué)系，陜西西安 710069）

前人研究認(rèn)為，影響裂縫形成的因素大致可歸納為兩類：即沉積巖的組成與結(jié)構(gòu)和應(yīng)力。康恩玉[1]研究認(rèn)為，砂質(zhì)沉積物中的碎屑顆粒含量越高，由其構(gòu)成砂巖的彈性模量和抗壓強(qiáng)度就越大。

孫廣忠[2]提出“巖體結(jié)構(gòu)控制論”；安歐[3，4]發(fā)現(xiàn)巖石抗壓、抗剪、抗拉強(qiáng)度存在差異的原因是結(jié)構(gòu)的不同；孟召平等[5]通過巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究了沉積巖碎屑顆粒的結(jié)構(gòu)、膠結(jié)物結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征等對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響。在拉張盆地中，當(dāng)巖石受到上覆垂向壓力的作用時(shí)，巖石發(fā)生形變的原因是內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的位移。巖石形變達(dá)到上限時(shí)，它就會(huì)發(fā)生破裂[6]。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討了裂縫形成的機(jī)制，以沾化凹陷古近系-新近系沉積巖為研究對(duì)象，結(jié)合三軸向巖石力學(xué)測(cè)試明確巖性與裂縫的關(guān)系，從而為更加精準(zhǔn)有效地進(jìn)行油氣勘探與開發(fā)提供相關(guān)資料。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

沾化凹陷位于渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷的東北部，是重要的富油氣凹陷，面積約2 800 km2，主要發(fā)育古近系、新近系及第四系地層，古近系自下而上為孔店組、沙河街組和東營組；新近系自下而上為館陶組和明化鎮(zhèn)組，以湖泊、河流相砂泥巖沉積為主[7，8]。沾化凹陷是由系列的基底斷塊構(gòu)成，平面上為近北東向的“北斷南超”復(fù)式半地塹構(gòu)造，主要受到北東、北東東向張性、張扭性大斷裂的控制[9]。

2 裂縫類型

為了對(duì)沾化凹陷古近系-新近系沉積巖裂縫進(jìn)行分類和描述，共收集整理了13 000余張巖心和薄片照片，以巖層層面為基準(zhǔn)面，將裂縫分為平行縫、垂向縫、斜向縫，同時(shí)對(duì)多種裂縫組合形成的“類香腸”型裂縫特征進(jìn)行了分析（圖1）。

圖1 裂縫分類方法示意

平行縫。裂縫面傾向與巖層層面伸展方向夾角小于15°的裂縫稱為平行縫。平行縫在沾化凹陷中較為常見，顆粒細(xì)小的如泥巖、泥灰?guī)r等巖石中的裂縫較為平滑，在巖心中常可以觀察到有明顯摩擦痕跡的滑移面；而在砂巖等顆粒較大的巖石中，裂縫一般呈不完全平行狀態(tài)。

垂向縫。裂縫面傾向與巖層層面伸展方向夾角超過75°的裂縫稱為垂向縫。巖心中可以觀察到長度可達(dá)數(shù)十厘米，寬度數(shù)厘米，鏡下觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)垂向縫有時(shí)存在于不同巖性的互層中，且裂縫被充填。

斜向縫。裂縫面傾向與巖層層面伸展方向夾角介于15°和75°之間的裂縫稱為斜向縫。巖心和薄片中觀察到的斜向縫與地層層面的夾角多超過45°，為高角度斜向縫。

除了以上三種單一的裂縫類型以外，還出現(xiàn)了多種裂縫組合，此現(xiàn)象大多表現(xiàn)為兩種裂縫類型的組合，常見有平行縫與斜向縫的組合、平行縫與垂向縫的組合。當(dāng)裂縫組合重復(fù)出現(xiàn)并且裂縫被充填時(shí)呈現(xiàn)出“香腸”的形態(tài)，本文將這種裂縫稱為“類香腸”裂縫。“類香腸”裂縫的一個(gè)典型特征是一種巖性發(fā)生斷裂，而另外一種巖性填充了這些斷裂處，這一現(xiàn)象出現(xiàn)在不同巖性的互層中，因此，本文提出了“巖性組合”的概念。

3 三軸向巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文選取較具代表性的砂巖、泥巖、灰?guī)r、白云巖垂向巖石樣品各一個(gè)，樣品號(hào)分別是 Y4SV-1、Y15MV-1、Y9MV-1、Y2LV-1（表 1），采用美國Terratek公司三軸向巖石力學(xué)測(cè)試，分析在受到垂向壓力時(shí)不同巖性之間的應(yīng)力應(yīng)變差異。測(cè)試過程中，在單軸方向、低圍壓條件下進(jìn)行加壓或卸壓循環(huán)，直至巖樣破裂，詳細(xì)記錄各巖性在各壓力點(diǎn)的力學(xué)參數(shù)及破裂強(qiáng)度。結(jié)果表明，巖性的不同導(dǎo)致了巖石在軸向和徑向應(yīng)變的差異，破裂點(diǎn)的壓力由大到小依次是碳酸鹽巖、泥巖、砂巖（表2），四個(gè)樣品的應(yīng)變曲線如圖2。

表1 三軸向巖石力學(xué)測(cè)試樣品信息

表2 樣品實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 四個(gè)樣品應(yīng)變曲線對(duì)比

4 不同巖性應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比分析

在獲得單個(gè)沉積巖樣品的應(yīng)變曲線之后進(jìn)行兩兩對(duì)比，形成了三組巖性組合，即：砂巖-泥巖組合、砂巖-碳酸鹽巖組合、泥巖-碳酸鹽巖組合。分析不同類型沉積巖在垂向壓力的作用下徑向、軸向應(yīng)變的大小及破裂強(qiáng)度等特征的差異，并通過巖心、薄片照片來驗(yàn)證其與巖性組合的關(guān)系[10]。

4.1 砂巖-泥巖組合應(yīng)變分析

Y4SV-1和Y15MV-1兩個(gè)樣品的應(yīng)變曲線對(duì)比表明，兩條“凹”型曲線中夾角較大的是砂巖樣品，夾角較小的是泥巖樣品，相同壓力條件下，Y4SV-1的徑向應(yīng)變值小于 Y15MV-1；Y4SV-1的軸向應(yīng)變值大于 Y15MV-1。Y4SV-1的破裂強(qiáng)度也小于Y15MV-1。巖心、薄片照片觀察發(fā)現(xiàn)，裂縫常發(fā)育在砂巖、泥巖互層界面上，且大多為平行縫。由于砂巖比泥巖的破裂強(qiáng)度小，在受到足夠大的垂向壓力時(shí)泥巖會(huì)首先發(fā)生破裂，呈現(xiàn)相對(duì)剛性，砂巖則呈現(xiàn)相對(duì)彈塑性（圖3）。

圖3 單軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)Y4SV-1與Y15MV-1應(yīng)變對(duì)比

4.2 砂巖-碳酸鹽巖組合

Y4SV-1與 Y9MV-1、Y4SV-1與 Y2LV-1兩組樣品的應(yīng)變曲線顯示，每兩條“凹”型曲線中夾角較大的是砂巖樣品，夾角較小的是碳酸鹽巖樣品。對(duì)比結(jié)果表明，相同壓力條件下，Y4SV-1的徑向應(yīng)變值小于Y9MV-1和Y2LV-1；Y4SV-1的軸向應(yīng)變值大于 Y9MV-1和Y2LV-1。Y4SV-1的破裂強(qiáng)度也小于Y9MV-1和Y2LV-1。巖心、薄片觀察發(fā)現(xiàn)，裂縫常發(fā)育在砂巖、碳酸鹽巖互層界面上，且大多為近平行縫。由于砂巖比碳酸鹽巖的破裂強(qiáng)度小，在受到足夠大的垂向壓力時(shí)，碳酸鹽巖會(huì)首先發(fā)生破裂，呈現(xiàn)相對(duì)剛性，砂巖則呈現(xiàn)相對(duì)彈塑性（圖4，圖5）。

圖4 單軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)Y4SV-1與Y9MV-1應(yīng)變對(duì)比

4.3 泥巖-碳酸鹽巖組合應(yīng)變分析

Y15MV-1與Y9MV-1、Y15MV-1與Y2LV-1兩組樣品的應(yīng)變曲線顯示，兩條“凹”型曲線中夾角較大的是泥巖樣品，夾角較小的是碳酸鹽巖樣品。對(duì)比結(jié)果表明，相同壓力條件下，Y15MV-1的徑向應(yīng)變值小于Y9MV-1和Y2LV-1；Y15MV-1的軸向應(yīng)變值大于Y9MV-1和Y2LV-1。Y15MV-1的破裂強(qiáng)度也小于Y9MV-1和Y2LV-1。巖心、薄片觀察發(fā)現(xiàn)，裂縫常發(fā)育在泥巖、碳酸鹽巖互層界面上，且大多為平行縫。由于泥巖比碳酸鹽巖的破裂強(qiáng)度小，在受到足夠大的垂向壓力時(shí)，碳酸鹽巖會(huì)首先發(fā)生破裂，呈現(xiàn)相對(duì)剛性，泥巖則呈現(xiàn)相對(duì)彈塑性（圖6，圖7）。

圖5 單軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)Y4SV-1與Y2LV-1應(yīng)變對(duì)比

圖6 單軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)Y15MV-1與Y9MV-1應(yīng)變對(duì)比

圖7 單軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)Y15MV-1與Y2LV-1應(yīng)變對(duì)比

綜合研究表明，破裂強(qiáng)度由大到小依次是碳酸鹽巖、泥巖、砂巖，即在垂向壓力的作用下，破裂強(qiáng)度越大的巖石越容易產(chǎn)生裂縫，裂縫常常出現(xiàn)在不同巖性的互層界面上，且多發(fā)育平行縫或近平行縫?？蓪⒋爽F(xiàn)象歸納為：當(dāng)巖性組合地層同時(shí)受到垂向壓力的作用時(shí)，巖石會(huì)被擠壓，因而發(fā)生徑向伸展，當(dāng)壓力增大到一定程度時(shí)，在巖性互層界面上首先發(fā)生滑移，形成裂縫，呈相對(duì)剛性的巖石難以承受壓力先破裂產(chǎn)生裂縫，隨著壓力的持續(xù)增大，呈相對(duì)彈塑性的巖石再產(chǎn)生裂縫，最終隨著時(shí)間的推移會(huì)形成多種裂縫類型同時(shí)出現(xiàn)的情形。

5 結(jié)論

沾化凹陷古近系-新近系沉積巖裂縫多發(fā)育在不同巖性的互層界面上，主要發(fā)育有砂巖-泥巖組合、砂巖-碳酸鹽巖組合和泥巖-碳酸鹽巖組合。依據(jù)不同類型沉積巖的應(yīng)力應(yīng)變差異，證實(shí)了破裂強(qiáng)度由大到小依次為碳酸鹽巖、泥巖、砂巖。