六盤水龍潭組頁巖裂隙發育特征＊

張玉玲，張 鵬，周鈺昌，劉 影，周雅茹

（六盤水師范學院礦業與土木工程學院，貴州 六盤水553000）

自美國德克薩斯州巴奈特頁巖區塊被開發并實現商業化開采以來，頁巖氣就引起了全世界的廣泛關注。頁巖氣是指以吸附態和游離態為主要賦存狀態，富集于頁巖層系中的非常規天然氣資源[1]。頁巖氣作為一種非常規能源，已成為全球能源格局的重要組成部分，據估計，到2040年，全球頁巖氣產量可能達到1.1×1012m3[2-3]。頁巖的孔隙特征對頁巖氣儲層的評價和開發具有重要影響[2]，尤帕克（國際純化學和應用化學聯合會）的孔徑分類被許多研究者作為標準，頁巖孔徑一般被分為3類，即微孔（直徑小于等于2 nm）、中孔（孔徑介于2～50 nm之間）和大孔（孔徑大于50 nm）。傳統研究孔隙結構的方法主要包括含汞注入法和鑄造薄截面法。

通過調查資料并進行分析對比，系統地研究了頁巖的研究現狀以及其裂隙發育特征，并聯系六盤水龍潭組頁巖的孔隙結構分析了其裂隙特征，為頁巖氣資源勘探開發提供依據。

1 研究現狀

國外對頁巖氣的開發和研究較早，最早的是北美，成為北美地區天然氣開發研究領域的關注重點，在北美天然氣總開發量中占比約為12%，頁巖氣的發現史要比石油早將近40年。頁巖氣研究主要分為以下3個時期，即早期研究和發展階段（1821—1975年）、勘探拓撲擴張階段（1870—1900年）、技術攻堅階段（1975—1989年）。北美地區頁巖氣資源勘探開發使得美國實現了自天然氣進口國向出口國的轉型，這一重大成功引起了全球各國對頁巖氣資源勘探開發研究的重視。

中國對頁巖氣資源的研究起步較晚，目前主要在四川盆地及其周緣地區內的龍馬溪組頁巖實現了商業開發。但從中國的地層分布特征來看，海相地層主要發育于古生代，埋藏深度深，有機質大多已經達到高過熟階段，而在中國大規模分布的海陸過渡相、陸相頁巖層系有機質豐度高、成熟度適中、埋深適中，但巖性復雜，相變頻繁，僅在鄂爾多斯盆地延長組地層實現了一定產量，其他區域至今沒有取得大規模突破[4]。

2020年，中國頁巖氣探明地質儲量和年總產氣量分別突破了2.0×1012m3和2.0×1010m3[4]，是保障中國能源安全和實現碳中和目標的重要天然氣資源突破點。貴州地區位于四川盆地外緣，自中國頁巖氣資源研究起步以來長期作為中國南方的重點勘探區域之一，黔西、黔西北地區分布的海陸過渡相含煤頁巖層系龍潭組已經被揭示具有重要資源潛力。目前，已經基本明確龍潭組頁巖的分布特點及地質條件，對其儲層性質的研究已經展開[5-6]，并成為該套潛質頁巖層系最終實現勘探突破的重要研究領域之一。

2 六盤水地區龍潭組頁巖巖性特征

六盤水位于中國大西南烏蒙深處，在構造地質上位于楊子地臺的西南部，構造以北向東斷裂和背斜為主，構造帶附近的巖體中可見節理發育。研究區出露的地層主要有泥盆系、二疊系、三疊系等，以二疊系、三疊系廣泛分布；六盤水煤田晚二疊系地層包括峨眉山玄武巖組、龍潭組和汪家寨組，其中龍潭組為海陸過渡相煤系沉積，以安順-晴隆地區發育較好，是本文研究區主要的頁巖氣資源潛質層系[5]。由于海陸交互相沉積環境，龍潭組頁巖層系在垂向和平面上巖性變化頻繁，隔夾層較多，夾少量石灰巖及硅質巖，巖性特征較為復雜。區內龍潭組頁巖的累計厚度為350 m左右，底部主要為泥頁巖、砂巖，中部底部主要為頁巖和黏土巖，中部為含煤地層，主要巖性為黃褐色黏土巖和褐色、黑色頁巖。

3 六盤水龍潭組頁巖裂隙發育特征

隨著技術和經驗的積累，國內外對頁巖氣資源的開發不斷加快，并獲得了很多成就。研究結果表明，在低孔、低滲富有機質泥頁巖中，當頁巖中存在足夠的天然裂隙或者存在于巖石內部的微裂隙和納米級孔縫、裂隙，在經過上覆巖層壓裂并遭受改造后能產生大量的裂隙系統，而泥頁巖層就成為了有效的油氣儲藏層；頁巖氣的形成和生產過程與裂隙的特征之間緊密相關，國內部分學者對泥頁巖裂隙的特征、成因及其類型、控制因素進行了分析[3]。裂隙是由于巖石在構造應力作用下發生脆性變形而形成的，影響其發育程度的因素包括區域構造應力及局部構造；裂隙不僅是頁巖氣儲存和滲流的場所，還是頁巖氣轉移運輸的通道，裂隙是反映頁巖氣儲層的一個重要參數。

從地質層面來講，頁巖裂隙的主要形成原因為內力控制和外力控制2種[7]。其中，外力控制因素主要包括區域構造應力、構造部位、沉積成巖作用和生烴過程產生的底層內部超高壓力，內力控制因素則是巖石、巖相和巖石礦物等內在組成特征。控制因素不是一成不變的，會隨著地域的變化而改變，所以，裂隙發育特征的控制因素比較復雜。裂縫的孔隙度是確定游離氣體的含量和其他因素來評價存儲層滲透力的重要測量參數，在六盤水龍潭組中，微孔和小型裂縫是其孔隙結構的主要成分，其間距略大，不同孔隙度的頁巖裂隙發育特征也不盡相同。

裂隙不是巖石中的具有明顯位置的斷裂，它既被認為是一個油氣存放和儲集的空間，也被認為是滲流的通道，因此，對于裂隙的研究一直都是中國油氣勘探工程開發的一項重要內容。裂隙既是天然氣儲集的空間，又是氣體滲流的通道，當頁巖中的天然裂隙足夠多或者巖石內部存在有較多的微裂隙和納米級孔縫、裂隙時，這些裂隙在經過壓裂和改造后就能形成大量的頁巖裂隙系統。

六盤水龍潭組頁巖裂隙的寬度分布如圖1所示。六盤水地區龍潭組頁巖層中的整體孔隙孔徑較小，以小于0.1μm的納米級孔隙最多，約占50%；裂隙的寬度多小于100 m，其中0～50 m的裂隙居多，大于100 m的裂隙發育不多。

圖1 六盤水龍潭組頁巖裂隙的寬度分布圖

根據節理的產狀的劃分標準可知，0～5°為水平裂隙，5°～45°為低角度斜交裂隙，45°～85°為高角度斜交裂隙，85°～90°為垂直裂隙。通過野外地質調查，龍潭組頁巖裂隙傾角結果如圖2所示，該地區的頁巖發育范圍為40°～90°，研究區巖層主要發育高角度斜交裂隙和垂直裂隙，幾乎不發育水平裂隙和低角度斜交裂隙。

圖2 龍潭組頁巖裂隙傾角分布

巖層內裂縫一般可分為非構造裂縫和以構造為主的裂縫，這種構造縫的產生多與地質構造應力的作用有關。以構造為主裂縫可劃分為由張性應力產生的裂縫和由剪切應力產生的裂縫及滑脫裂縫等；非構造形成的裂縫可劃分為巖石的解理縫、層理縫、收縮縫等，其中的收縮縫多形成于顆粒邊緣，與沉積巖的形成有關。巖層內裂縫的發育對提升孔隙連通性、提高儲層滲流性具有重要意義。

通過對采集樣品進行掃描電鏡觀察，六盤水龍潭組頁巖的裂隙主要以構造縫發育為主，如圖3所示，剪切裂縫的特點為延伸長、縫面平直光滑，在研究區內的頁巖裂隙中多以剪切縫為主，剪切縫多為低角度縫和水平縫，并且裂縫填充度較高，有的剪切縫已被大量的方解石填滿，少數裂縫中混有黃鐵礦；有的裂縫發生了彎曲，這可能是由于裂縫形成之后又受到構造應力的擠壓作用從而發生變形。龍潭組頁巖掃描電鏡照片如圖4所示。

圖3 龍潭組頁巖巖芯照片

圖4 龍潭組頁巖掃描電鏡照片

4 結論

六盤水地區二疊系龍潭組是一套海陸過渡相含煤頁巖層系，為貴州西北部地區重要的潛質頁巖層系，主要巖性為黃褐色黏土巖，褐色、黑色頁巖，煤巖及粉砂巖等。區內龍潭組頁巖中發育裂隙寬度多為0～50 m，以垂直和高角度斜交裂隙為主，構造裂縫較為發育，在剪切縫中發現有大量的方解石填充，非構造性裂隙相對較少。