泥页岩储层裂缝特征及其与“五性”之间的关系

闫建平，言　语，司马立强，温丹妮，温新房，耿　斌

（1.西南石油大学天然气地质四川省重点实验室，成都610500；2.西南石油大学地球科学与技术学院，成都610500；3.江苏油田勘探局地质测井处，江苏扬州225002；4.中国石化胜利油田分公司地质科学研究院，山东东营257015）

泥页岩储层裂缝特征及其与“五性”之间的关系

闫建平1，2，言语2，司马立强2，温丹妮2，温新房3，耿斌4

（1.西南石油大学天然气地质四川省重点实验室，成都610500；2.西南石油大学地球科学与技术学院，成都610500；3.江苏油田勘探局地质测井处，江苏扬州225002；4.中国石化胜利油田分公司地质科学研究院，山东东营257015）

泥页岩地层通常具有低孔、低渗特征，存在裂缝及裂缝发育程度均是其能够成为储层的决定性条件。以苏北盆地阜宁组泥页岩地层为研究对象，研究裂缝特征及其与岩性、物性、含油性、电性及可压裂性（“五性”）之间的关系。结果表明：裂缝普遍含油，发育裂隙的样品渗透率明显较高，一般都大于10 mD，裂缝对改善泥页岩地层的渗透性及储集性起到了重要作用；含裂隙样品通常脆性矿物（方解石）含量较高，对应的岩性一般为灰质泥岩、含灰页岩及含灰泥岩；天然裂隙发育的层段杨氏模量较高、泊松比较低、脆性系数较高，页岩的脆性较强，通常易于压裂改造。利用测井响应特征可明显区分方解石充填裂缝和有油迹显示的无充填裂缝，可为识别有效泥页岩储层提供依据。

泥页岩储层；裂缝（裂隙）；渗透性；脆性矿物；可压裂性；测井响应特征；苏北盆地

0　引言

随着非常规油气勘探的逐步深入，页岩（泥页岩）油气储层已成为备受关注的勘探目标。苏北盆地发育古生界下寒武统幕府山组、上奥陶统五峰组—下志留统高家边组［1-2］、上二叠统龙潭组［3］，中生界泰二段及新生界阜二段和阜四段［4］等多套优质生烃泥页岩层系，分布区域广泛，具有形成页岩油气的良好成烃、成藏条件和资源潜力，其中，在盐城凹陷的阜二段页岩中见到良好的油气显示［4］。相对于常规油气藏，页岩油气的成因类型、富集机理及生产机制等都具有一定的特殊性，页岩气产量高低直接与泥页岩内部天然微裂缝发育程度有关［5］。这是由于微裂缝的存在从某种程度上提高了水力压裂效应的有效性，从而大大改善了泥页岩的渗流能力，为页岩气从基岩孔隙进入井孔提供了必要的运移通道［6-8］。国内外大量泥页岩裂缝型油气藏的不断发现和近年来北美地区页岩气勘探获得的巨大成功均表明，泥页岩裂缝的研究尤为重要［9］。目前，国外学者在泥页岩裂缝识别方法及表征、成因类型及分布规律、基本参数和物性参数以及储集性能评价等方面的研究均取得了重要成果［10］。国内学者对泥页岩裂缝的研究则主要集中在裂缝型油气藏方面，而对富有机质泥页岩裂缝型储层的研究，特别是对泥页岩中微小孔隙（含纳米级微孔隙）储集性能参数与孔渗性特征方面的研究较少［11］。笔者以苏北盆地阜宁组泥页岩地层为研究对象，研究裂缝特征及其与岩性、物性、含油性、电性及可压裂性（“五性”）之间的关系，进而利用测井响应特征建立裂缝测井识别的定性方法，以期为有效泥页岩储层的识别提供依据。

1　裂缝对于泥页岩的重要性

裂缝是指岩石受力发生破裂作用而形成的不连续面，往往在特低渗储层中发育［12］。在同一时期由相同应力作用产生的方向大体一致的多条裂缝称为1个裂缝组，2个或2个以上的裂缝组则称为1个裂缝系，多套裂缝系连通在一起称为裂缝网络。塑性相对较大的泥页岩储层与常规储层相比，在裂缝的类型与成因、识别方法、参数估算及分布预测等方面既有共性也有其特殊性［9］。泥页岩地层储集空间通常由孔隙和裂缝共同构成（图1）［13］，该类地层具有低孔、低渗的特征，一般是良好的烃源岩和盖层，裂缝的存在对其储集性和渗透性均具有改善作用。

图1　泥页岩储集空间［13］Fig.1　Reservoir space in shale

裂缝既是运移通道又是储集空间，是泥页岩储层产能的主控因素之一。在储层压裂的过程中，压裂液沿着天然裂缝更易进入储层，因此存在天然裂缝时有利于储层压裂并产生诱导缝，而诱导缝的存在又会增强储层渗透能力，进而形成复杂的网状裂缝，并提高储层的渗流能力。因此，泥页岩的裂缝识别对泥页岩储层的评价至关重要。北美页岩气的成功勘探与开发表明，裂缝往往存在于含脆性矿物的泥页岩地层中，而脆性矿物含量高的泥页岩地层也往往更容易被水力压裂所改造并产生有利的压裂裂缝。

2　裂缝类型及其特征

通过对苏北盆地H井阜宁组的岩心观察发现，裂缝类型较多，存在以下几种类型：①高角度裂缝。岩性均一的块状浅灰色灰质泥岩（图版Ⅰ-1）中，裂缝呈高角度发育，并被方解石充填后形成方解石脉，此类裂缝在岩心段中少见。②微裂缝。岩心破碎的深灰色灰质泥岩（图版Ⅰ-2～Ⅰ-3）中，有延伸较短且相互交错的小型微裂缝发育。③网状裂缝。裂缝发育在层状深灰色灰质泥岩（图版Ⅰ-4）中，宽0.5～2.0 mm，裂缝较平直，呈网状相互交错连通，被方解石充填。④层间裂缝。深灰色灰质页岩夹灰色泥灰岩条带（宽1 cm左右）（图版Ⅰ-5），灰质页岩中水平层理明显，裂缝多顺层发育，缝内充填泥质，在岩心段中较少见。⑤单组系倾斜裂缝。块状深灰色灰质泥岩（图版Ⅰ-6）中存在缝宽为1～5 mm的多条单组系裂缝，裂缝弯曲延伸较长，有方解石充填，但未充填完全。

薄片及扫描电镜图像均显示（图版Ⅱ-1～Ⅱ-2），裂缝主要有2种类型：①微裂缝和解理缝，较常见；②弯曲状的溶蚀缝。微裂缝存在于黏土矿物层间，宽度约为2 μm，边缘较为平直；溶蚀缝在局部发育连续，边界弯曲。

3　裂缝与岩性、物性及含油性的关系

苏北盆地高邮凹陷阜四段和阜二段岩性类型均复杂且多样，泥岩主要为灰质泥岩，页岩主要为灰质页岩，灰岩主要为泥灰岩，粉砂岩和白云岩含量均极低。从H井的岩心物性分析及岩性描述资料来看，含裂隙样品对应的岩性一般为灰质泥岩、含灰页岩及含灰泥岩，其共同特点是通常含有脆性矿物——方解石（图2）。

物性样品分析资料表明，含裂隙的样品渗透率明显较高，一般都大于10 mD，而不含裂隙的样品渗透率较低，一般低于10 mD。从岩心孔渗关系（图3）可以看出，泥页岩地层具有双重孔隙介质特征，即基岩表现为低孔、低渗特征，而裂隙样品渗透率明显偏高。此外，岩心观察显示（图版Ⅰ、图版Ⅱ-3～Ⅱ-4），多数裂缝较发育的层段或裂缝面上往往显示含油和油迹。

图2　苏北盆地H井阜四段裂缝-岩性关系Fig.2　Relationship between fracture and lithology of the fourth member of Funing Formation in H well in Subei Basin

图3　苏北盆地高邮凹陷阜四段裂缝与物性关系Fig.3　Relationship between fracture and physical properties of the fourth member of Funing Formation in Gaoyou Sag of Subei Basin

4　裂缝与测井响应的关系

由于泥页岩层段含有大量有机质，其测井响应特征明显不同于其他层段［14］。前人将泥页岩作为烃源岩加以研究，并对其复杂的测井响应特征有了一定的认识［15］。泥页岩中发育裂缝时会使其测井响应变得更为复杂。通过将岩性分析资料与测井曲线特征相结合，可综合分析裂缝发育层段的测井响应特征。

裂缝对应的测井响应特征有：①无充填的裂缝（图4）。密度（DEN）和电阻率（Rd）值均减小，声波时差（AC）和中子孔隙度（CNL）值均增大，自然伽马（GR）值高。②方解石充填的裂缝（图5）。密度和电阻率值均增大，声波时差和中子孔隙度值均减小，自然伽马值低。③有油迹显示的裂缝（图6）。密度和电阻率值均减小，声波时差和中子孔隙度值均增大，自然伽马值高。

图4　苏北盆地H井无充填裂缝特征Fig.4　Characteristics of no filling fractures in H well in Subei Basin

图5　苏北盆地H井方解石充填裂缝特征Fig.5　Characteristic of calcite filling fractures in H well in Subei Basin

图6　苏北盆地H井有油气显示裂缝特征Fig.6　Fracture characteristics with oil-gas shows in H well in Subei Basin

图4中，所标出的H井的层段深度为3 321.55～3 322.55 m，岩性主要为灰—深灰色灰质泥岩。从岩心照片上可见，在3 322.5 m处以层状发育为主，底部可见一小裂隙，长3.5cm，倾角约20°，缝宽0.5mm，同时，缝内无充填。其测井曲线特征为：密度和电阻率值均减小，声波时差、自然伽马和中子孔隙度值均增大。

图5中，所标出的H井的层段深度为3 244.73～3 244.97 m，岩性主要为深灰—灰色灰质泥岩。从岩心照片上可见，上部发育有长度分别为4 cm和6 cm的2条垂直缝，缝宽0.5～1.0 mm，缝内充填方解石；底部见一长度为8 cm的裂缝，倾角约55°，缝宽0.5 mm，缝内充填方解石。其测井曲线特征为：密度和电阻率值均增大，声波时差和中子孔隙度值均减小，自然伽马值低。

图6中，所标出的H井的层段深度为3 421.59～3 421.99 m，岩性主要为灰—深灰色灰质泥岩。从岩心照片上可见，岩心以薄层状为主，存在少量诱导缝，3 421.73 m处见一长度大于15 cm、倾角约80°、缝宽0.5 mm的裂隙，缝内基本无充填，断开的岩心面上有油。其测井曲线特征为：密度和电阻率值均减小，声波时差、中子孔隙度和自然伽马值均增大。

综合图4～6发现，无方解石充填的裂缝对应的测井响应特征为密度和电阻率值均减小，声波时差和中子孔隙度值均增大，自然伽马值高；有方解石充填的裂缝对应的测井响应特征为密度和电阻率值均增大，声波时差和中子孔隙度值均减小，自然伽马值低。

5　裂缝与可压裂性的关系

在页岩储层开发中，通过储层地球化学特征检测并确定某区块为优质储层之后，需要对其开发效果进行评价，即“可压性评价”。页岩水力压裂应该尽量选择天然裂缝发育程度高的层位。

杨氏模量和泊松比均是表征页岩脆性的主要岩石力学参数，前者反映了页岩被压裂后保持裂缝的能力，后者反映了页岩在压力下破裂的能力。页岩杨氏模量越高，泊松比越低，脆性越强。

苏北盆地H井3 160.5～3 163.0 m层段，气测结论为发育泥岩裂缝，测井响应特征为自然伽马和声波时差值均较低，密度值较高，而岩石力学参数静杨氏模量（SYMOD）为高值（平均为23.5 GPa，转化成动杨氏模量为61.7 GPa），泊松比（POIS）为低值（平均为0.26）。可见，该段地层可压裂性较好（图7）。

页岩脆性大小除了可间接用测井响应特征和岩石力学参数定性判识外，还可利用岩石力学参数定量计算其脆性系数来确定［16］。脆性系数配合脆性矿物含量可较好地指示泥页岩地层的可压裂性［17］。通常脆性系数越大，脆性矿物含量越高，页岩的脆性越强，可压裂性就越好。

图7　苏北盆地H井岩石力学参数分析Fig.7　Rock mechanics parameter analysis in H well in Subei Basin

H井3 160.5～3 163.0 m层段脆性系数较高（平均为40.9%），与北美Barnett页岩的脆性系数46.4%接近，并且灰质含量较高（平均体积分数为35.9%）（参见图7）。依据脆性系数、裂缝发育程度及脆性矿物含量等参数，还可划分泥页岩可压裂级别，并进一步证明该段地层存在裂缝，可压裂性较好。

6　结论

（1）苏北盆地泥页岩地层具有低孔、特低渗特征，存在裂缝是其能够成为储层的关键因素。裂缝与储层岩性、物性、含油性、电性及可压裂性（“五性”）之间存在密切的关系。裂缝中往往含油，它对泥页岩地层渗透性及储集性的改善均起到了重要作用。

（2）天然裂隙发育的层段通常脆性矿物（方解石）含量较高，对应的岩性一般为灰质泥岩、含灰页岩及含灰泥岩，且岩石的杨氏模量较高，泊松比较低，脆性系数较高，页岩的脆性较强，通常易于压裂改造。

（3）利用测井响应特征可明显区分方解石充填裂缝和有油迹显示的无充填裂缝，可为识别有效泥页岩储层提供关键依据。

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图版Ⅰ

心较破碎，裂缝发育，缝内见晶粒较大的方解石，面上有油；3.岩心较破碎，发育较多微裂缝，且纵横交错，延伸不长；4.深灰色灰质泥页岩，以层状为主，裂缝十分发育，呈网状、树枝状，缝内充填方解石，缝宽0.5～2.0 mm，见溶孔（1～2 mm），内有油，在岩心段中较发育；5.深灰色灰质页岩，水平层理明显，薄层—纹层状，夹灰色泥灰岩条带（宽1 cm左右），缝内充填泥质，岩心段中较少见，3 559.00 m；6.深灰色灰质泥岩，见多条规模较大的缝，缝宽1～5 mm，方解石未完全充填，缝内有油

图版Ⅱ

（本文编辑：于惠宇）

Relationship between fracture characteristics and“five-property”of shale reservoir

YAN Jianping1，2，YAN Yu2，SIMA Liqiang2，WEN Danni2，WEN Xinfang3，GENG Bin4
（1.Sichuan Key Laboratory of Natural Gas Geology，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；2.School of Resources and Environment，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；3.Geological Logging Division，Jiangsu Petroleum Exploration Bureau，Yangzhou 225002，Jiangsu，China；4.Institute of Geoscience，Shengli Oilfield Company，Sinopec，Dongying 257015，Shandong，China）

Shale formations are typically characterized by low porosity and low permeability.While，the decisive condition of whether shale formations can be reservoirs is nothing but the existence and development of fracture. Taking shale formations of Funing Formation in Subei Basin as an example，this paper studied the relations of fracture characteristics with lithology，physical properties，oiliness，fracability and electric properties.During the research，petroliferous fractures are easy to found，and it is obvious that the permeability of fractured sample is higher than that of uncracked，which is greater than 10 mD in general.Fracture plays an important role in improving shale permeability and reservoir capabilities.Samples with fractures usually have higher content of calcite and the corresponding lithology is generally calcareous mudstone，limy shale and limy mudstone.The intervals which developed intrinsic fracture have high Young's modulus，low Poisson's ratio and high brittleness coefficient.The intervals'brittleness isstrong，and for this reason，these intervals are normally easy fracturing.Using logging response characteristics can easily distinguish fractures with calcite filled and no filling cracks accompany with oil trace.This result provides a basis for identifying effective shale reservoir.

shale；fracture；permeability；brittle mineral；fracability；loggingresponse characteristics；Subei Basin

TE122.2

A

1673-8926（2015）03-0087-07

2014-09-10；

2014-11-03

国家自然科学基金项目“页岩气储层微观结构及岩石物理响应数值模拟研究”（编号：41202110）、四川省应用基础研究计划项目“泥页岩地层周期及高分辨率沉积旋回测井识别研究”（编号：2015JY0200）及西南石油大学校级科技基金项目“页岩气储层微观结构及岩石物理响应模拟研究”（编号：2012XJZ004）联合资助

闫建平（1980-），男，博士，副教授，主要从事测井沉积学、岩石物理及非常规储层测井评价方面的教学与研究工作。地址：（610500）四川省成都市西南石油大学地球科学与技术学院。E-mail：yanjp_tj@163.com。