沾化凹陷古近系-新近系沉積巖裂縫形成研究

門晶璇，宋 哲

（西北大學大陸動力學國家重點實驗室/地質學系，陜西西安 710069）

前人研究認為，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構和應力。康恩玉[1]研究認為，砂質沉積物中的碎屑顆粒含量越高，由其構成砂巖的彈性模量和抗壓強度就越大。

孫廣忠[2]提出“巖體結構控制論”；安歐[3，4]發現巖石抗壓、抗剪、抗拉強度存在差異的原因是結構的不同；孟召平等[5]通過巖石力學實驗研究了沉積巖碎屑顆粒的結構、膠結物結構以及結構面的發育特征等對其力學性質的影響。在拉張盆地中，當巖石受到上覆垂向壓力的作用時，巖石發生形變的原因是內部質點的位移。巖石形變達到上限時，它就會發生破裂[6]。

本文在前人研究的基礎上進一步探討了裂縫形成的機制，以沾化凹陷古近系-新近系沉積巖為研究對象，結合三軸向巖石力學測試明確巖性與裂縫的關系，從而為更加精準有效地進行油氣勘探與開發提供相關資料。

1 區域地質概況

沾化凹陷位于渤海灣盆地濟陽坳陷的東北部，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成，平面上為近北東向的“北斷南超”復式半地塹構造，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

為了對沾化凹陷古近系-新近系沉積巖裂縫進行分類和描述，共收集整理了13 000余張巖心和薄片照片，以巖層層面為基準面，將裂縫分為平行縫、垂向縫、斜向縫，同時對多種裂縫組合形成的“類香腸”型裂縫特征進行了分析（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，顆粒細小的如泥巖、泥灰巖等巖石中的裂縫較為平滑，在巖心中?？梢杂^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。

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數十厘米，寬度數厘米，鏡下觀察時發現垂向縫有時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，還出現了多種裂縫組合，此現象大多表現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。當裂縫組合重復出現并且裂縫被充填時呈現出“香腸”的形態，本文將這種裂縫稱為“類香腸”裂縫?！邦愊隳c”裂縫的一個典型特征是一種巖性發生斷裂，而另外一種巖性填充了這些斷裂處，這一現象出現在不同巖性的互層中，因此，本文提出了“巖性組合”的概念。

3 三軸向巖石力學實驗結果

本文選取較具代表性的砂巖、泥巖、灰巖、白云巖垂向巖石樣品各一個，樣品號分別是 Y4SV-1、Y15MV-1、Y9MV-1、Y2LV-1（表 1），采用美國Terratek公司三軸向巖石力學測試，分析在受到垂向壓力時不同巖性之間的應力應變差異。測試過程中，在單軸方向、低圍壓條件下進行加壓或卸壓循環，直至巖樣破裂，詳細記錄各巖性在各壓力點的力學參數及破裂強度。結果表明，巖性的不同導致了巖石在軸向和徑向應變的差異，破裂點的壓力由大到小依次是碳酸鹽巖、泥巖、砂巖（表2），四個樣品的應變曲線如圖2。

表1 三軸向巖石力學測試樣品信息

表2 樣品實驗數據

圖2 四個樣品應變曲線對比

4 不同巖性應力應變對比分析

在獲得單個沉積巖樣品的應變曲線之后進行兩兩對比，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、軸向應變的大小及破裂強度等特征的差異，并通過巖心、薄片照片來驗證其與巖性組合的關系[10]。

4.1 砂巖-泥巖組合應變分析

Y4SV-1和Y15MV-1兩個樣品的應變曲線對比表明，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的徑向應變值小于 Y15MV-1；Y4SV-1的軸向應變值大于 Y15MV-1。Y4SV-1的破裂強度也小于Y15MV-1。巖心、薄片照片觀察發現，裂縫常發育在砂巖、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度小，在受到足夠大的垂向壓力時泥巖會首先發生破裂，呈現相對剛性，砂巖則呈現相對彈塑性（圖3）。

圖3 單軸巖石力學實驗Y4SV-1與Y15MV-1應變對比

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。對比結果表明，相同壓力條件下，Y4SV-1的徑向應變值小于Y9MV-1和Y2LV-1；Y4SV-1的軸向應變值大于 Y9MV-1和Y2LV-1。Y4SV-1的破裂強度也小于Y9MV-1和Y2LV-1。巖心、薄片觀察發現，裂縫常發育在砂巖、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度小，在受到足夠大的垂向壓力時，碳酸鹽巖會首先發生破裂，呈現相對剛性，砂巖則呈現相對彈塑性（圖4，圖5）。

圖4 單軸巖石力學實驗Y4SV-1與Y9MV-1應變對比

4.3 泥巖-碳酸鹽巖組合應變分析

Y15MV-1與Y9MV-1、Y15MV-1與Y2LV-1兩組樣品的應變曲線顯示，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。對比結果表明，相同壓力條件下，Y15MV-1的徑向應變值小于Y9MV-1和Y2LV-1；Y15MV-1的軸向應變值大于Y9MV-1和Y2LV-1。Y15MV-1的破裂強度也小于Y9MV-1和Y2LV-1。巖心、薄片觀察發現，裂縫常發育在泥巖、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度小，在受到足夠大的垂向壓力時，碳酸鹽巖會首先發生破裂，呈現相對剛性，泥巖則呈現相對彈塑性（圖6，圖7）。

圖5 單軸巖石力學實驗Y4SV-1與Y2LV-1應變對比

圖6 單軸巖石力學實驗Y15MV-1與Y9MV-1應變對比

圖7 單軸巖石力學實驗Y15MV-1與Y2LV-1應變對比

綜合研究表明，破裂強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，破裂強度越大的巖石越容易產生裂縫，裂縫常常出現在不同巖性的互層界面上，且多發育平行縫或近平行縫。可將此現象歸納為：當巖性組合地層同時受到垂向壓力的作用時，巖石會被擠壓，因而發生徑向伸展，當壓力增大到一定程度時，在巖性互層界面上首先發生滑移，形成裂縫，呈相對剛性的巖石難以承受壓力先破裂產生裂縫，隨著壓力的持續增大，呈相對彈塑性的巖石再產生裂縫，最終隨著時間的推移會形成多種裂縫類型同時出現的情形。

5 結論

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