六盘水龙潭组页岩裂隙发育特征＊

张玉玲，张 鹏，周钰昌，刘 影，周雅茹

（六盘水师范学院矿业与土木工程学院，贵州 六盘水553000）

自美国德克萨斯州巴奈特页岩区块被开发并实现商业化开采以来，页岩气就引起了全世界的广泛关注。页岩气是指以吸附态和游离态为主要赋存状态，富集于页岩层系中的非常规天然气资源[1]。页岩气作为一种非常规能源，已成为全球能源格局的重要组成部分，据估计，到2040年，全球页岩气产量可能达到1.1×1012m3[2-3]。页岩的孔隙特征对页岩气储层的评价和开发具有重要影响[2]，尤帕克（国际纯化学和应用化学联合会）的孔径分类被许多研究者作为标准，页岩孔径一般被分为3类，即微孔（直径小于等于2 nm）、中孔（孔径介于2～50 nm之间）和大孔（孔径大于50 nm）。传统研究孔隙结构的方法主要包括含汞注入法和铸造薄截面法。

通过调查资料并进行分析对比，系统地研究了页岩的研究现状以及其裂隙发育特征，并联系六盘水龙潭组页岩的孔隙结构分析了其裂隙特征，为页岩气资源勘探开发提供依据。

1 研究现状

国外对页岩气的开发和研究较早，最早的是北美，成为北美地区天然气开发研究领域的关注重点，在北美天然气总开发量中占比约为12%，页岩气的发现史要比石油早将近40年。页岩气研究主要分为以下3个时期，即早期研究和发展阶段（1821—1975年）、勘探拓扑扩张阶段（1870—1900年）、技术攻坚阶段（1975—1989年）。北美地区页岩气资源勘探开发使得美国实现了自天然气进口国向出口国的转型，这一重大成功引起了全球各国对页岩气资源勘探开发研究的重视。

中国对页岩气资源的研究起步较晚，目前主要在四川盆地及其周缘地区内的龙马溪组页岩实现了商业开发。但从中国的地层分布特征来看，海相地层主要发育于古生代，埋藏深度深，有机质大多已经达到高过熟阶段，而在中国大规模分布的海陆过渡相、陆相页岩层系有机质丰度高、成熟度适中、埋深适中，但岩性复杂，相变频繁，仅在鄂尔多斯盆地延长组地层实现了一定产量，其他区域至今没有取得大规模突破[4]。

2020年，中国页岩气探明地质储量和年总产气量分别突破了2.0×1012m3和2.0×1010m3[4]，是保障中国能源安全和实现碳中和目标的重要天然气资源突破点。贵州地区位于四川盆地外缘，自中国页岩气资源研究起步以来长期作为中国南方的重点勘探区域之一，黔西、黔西北地区分布的海陆过渡相含煤页岩层系龙潭组已经被揭示具有重要资源潜力。目前，已经基本明确龙潭组页岩的分布特点及地质条件，对其储层性质的研究已经展开[5-6]，并成为该套潜质页岩层系最终实现勘探突破的重要研究领域之一。

2 六盘水地区龙潭组页岩岩性特征

六盘水位于中国大西南乌蒙深处，在构造地质上位于杨子地台的西南部，构造以北向东断裂和背斜为主，构造带附近的岩体中可见节理发育。研究区出露的地层主要有泥盆系、二叠系、三叠系等，以二叠系、三叠系广泛分布；六盘水煤田晚二叠系地层包括峨眉山玄武岩组、龙潭组和汪家寨组，其中龙潭组为海陆过渡相煤系沉积，以安顺-晴隆地区发育较好，是本文研究区主要的页岩气资源潜质层系[5]。由于海陆交互相沉积环境，龙潭组页岩层系在垂向和平面上岩性变化频繁，隔夹层较多，夹少量石灰岩及硅质岩，岩性特征较为复杂。区内龙潭组页岩的累计厚度为350 m左右，底部主要为泥页岩、砂岩，中部底部主要为页岩和黏土岩，中部为含煤地层，主要岩性为黄褐色黏土岩和褐色、黑色页岩。

3 六盘水龙潭组页岩裂隙发育特征

随着技术和经验的积累，国内外对页岩气资源的开发不断加快，并获得了很多成就。研究结果表明，在低孔、低渗富有机质泥页岩中，当页岩中存在足够的天然裂隙或者存在于岩石内部的微裂隙和纳米级孔缝、裂隙，在经过上覆岩层压裂并遭受改造后能产生大量的裂隙系统，而泥页岩层就成为了有效的油气储藏层；页岩气的形成和生产过程与裂隙的特征之间紧密相关，国内部分学者对泥页岩裂隙的特征、成因及其类型、控制因素进行了分析[3]。裂隙是由于岩石在构造应力作用下发生脆性变形而形成的，影响其发育程度的因素包括区域构造应力及局部构造；裂隙不仅是页岩气储存和渗流的场所，还是页岩气转移运输的通道，裂隙是反映页岩气储层的一个重要参数。

从地质层面来讲，页岩裂隙的主要形成原因为内力控制和外力控制2种[7]。其中，外力控制因素主要包括区域构造应力、构造部位、沉积成岩作用和生烃过程产生的底层内部超高压力，内力控制因素则是岩石、岩相和岩石矿物等内在组成特征。控制因素不是一成不变的，会随着地域的变化而改变，所以，裂隙发育特征的控制因素比较复杂。裂缝的孔隙度是确定游离气体的含量和其他因素来评价存储层渗透力的重要测量参数，在六盘水龙潭组中，微孔和小型裂缝是其孔隙结构的主要成分，其间距略大，不同孔隙度的页岩裂隙发育特征也不尽相同。

裂隙不是岩石中的具有明显位置的断裂，它既被认为是一个油气存放和储集的空间，也被认为是渗流的通道，因此，对于裂隙的研究一直都是中国油气勘探工程开发的一项重要内容。裂隙既是天然气储集的空间，又是气体渗流的通道，当页岩中的天然裂隙足够多或者岩石内部存在有较多的微裂隙和纳米级孔缝、裂隙时，这些裂隙在经过压裂和改造后就能形成大量的页岩裂隙系统。

六盘水龙潭组页岩裂隙的宽度分布如图1所示。六盘水地区龙潭组页岩层中的整体孔隙孔径较小，以小于0.1μm的纳米级孔隙最多，约占50%；裂隙的宽度多小于100 m，其中0～50 m的裂隙居多，大于100 m的裂隙发育不多。

图1 六盘水龙潭组页岩裂隙的宽度分布图

根据节理的产状的划分标准可知，0～5°为水平裂隙，5°～45°为低角度斜交裂隙，45°～85°为高角度斜交裂隙，85°～90°为垂直裂隙。通过野外地质调查，龙潭组页岩裂隙倾角结果如图2所示，该地区的页岩发育范围为40°～90°，研究区岩层主要发育高角度斜交裂隙和垂直裂隙，几乎不发育水平裂隙和低角度斜交裂隙。

图2 龙潭组页岩裂隙倾角分布

岩层内裂缝一般可分为非构造裂缝和以构造为主的裂缝，这种构造缝的产生多与地质构造应力的作用有关。以构造为主裂缝可划分为由张性应力产生的裂缝和由剪切应力产生的裂缝及滑脱裂缝等；非构造形成的裂缝可划分为岩石的解理缝、层理缝、收缩缝等，其中的收缩缝多形成于颗粒边缘，与沉积岩的形成有关。岩层内裂缝的发育对提升孔隙连通性、提高储层渗流性具有重要意义。

通过对采集样品进行扫描电镜观察，六盘水龙潭组页岩的裂隙主要以构造缝发育为主，如图3所示，剪切裂缝的特点为延伸长、缝面平直光滑，在研究区内的页岩裂隙中多以剪切缝为主，剪切缝多为低角度缝和水平缝，并且裂缝填充度较高，有的剪切缝已被大量的方解石填满，少数裂缝中混有黄铁矿；有的裂缝发生了弯曲，这可能是由于裂缝形成之后又受到构造应力的挤压作用从而发生变形。龙潭组页岩扫描电镜照片如图4所示。

图3 龙潭组页岩岩芯照片

图4 龙潭组页岩扫描电镜照片

4 结论

六盘水地区二叠系龙潭组是一套海陆过渡相含煤页岩层系，为贵州西北部地区重要的潜质页岩层系，主要岩性为黄褐色黏土岩，褐色、黑色页岩，煤岩及粉砂岩等。区内龙潭组页岩中发育裂隙宽度多为0～50 m，以垂直和高角度斜交裂隙为主，构造裂缝较为发育，在剪切缝中发现有大量的方解石填充，非构造性裂隙相对较少。