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user: 4. 砂泥岩裂缝发育特征 根据库车坳陷野外考察及钻井岩心观察，以岩层界面为基准，按照裂缝产状与岩层界面的空间关系，将白垩系和古近系砂泥岩岩性界面附近的裂缝类型划分为：界面滑移缝、界面终止缝、界面贯穿缝和界面转换缝。界面滑移缝与层面缝相区别，层面缝是指裂缝面没有明显滑动或错动痕迹的裂缝，往往发育在水平层理、平行层理或低角度斜层理砂岩中，由于成岩过程中的差异成岩作用或岩心取出到地面过程中应力的释放作用所致，界面滑移缝则指有明显滑移痕迹的裂缝，或者有很光滑的缝面，在岩心中表现为裂缝特征，故称为界面滑移缝。 4.1. 岩心界面缝特征 界面滑移缝表现为明显的“顺层滑移”特征，裂缝面具有典型的摩擦镜面，往往出现在砂泥互层、泥岩夹砂岩组合类型中，实际上与低角度缝(0， 40˚)很难区分。通常情况下，低角度斜向缝的缝面倾角会与平行层面裂缝共生，也具有明显的滑移痕迹，但后两者形成的机理有差异。如库车坳陷K地区D101井、D204井、D302井中水下分流河道间微相中的红褐色泥岩常常夹杂少量薄层粉砂岩，形成薄弱层理面，受力极易发生顺层滑移现象，形成界面滑移缝，缝面上富集大量的云母碎片，缝面比较光滑，有滑移的痕迹，其中越靠近砂岩内开始发育低角度斜向缝，缝面也比较光滑(图2)。 界面滑移缝是碎屑岩受水平力作用沿层理面或岩性界面发生滑脱的一种岩石破裂类型，在埋深大的条件下常处于闭合状态，在应力卸载或岩心取出地表后发生突然崩落所致，对于储层压裂改造以及水平钻井都有一定风险。界面终止缝、界面贯穿缝和界面转换缝与界面滑移缝有所不同，不再沿着层面这一薄弱面进行滑移，而是呈低角度与泥岩界面斜交或靠近泥质夹层消失或发生应力性质转换，岩性组合主要为泥岩 + 砂岩、粉砂质泥岩 + 砂岩、泥质粉砂岩 + 泥岩。以上裂缝类型尤其在D104-1井内大量发育，主要表现为砂岩内裂缝有的直接切穿泥岩，有的切至泥岩处消失，有的呈弧形斜切入泥岩后消失，有的则斜切入泥岩内转为顺层滑脱缝，而这些情况下，泥岩内往往不发育任何裂缝。当砂泥岩突变接触或呈冲刷面形式出现时，则裂缝不转向，直接停止，当砂泥呈过渡形式出现时，则裂缝弧形转向。泥岩一般表现为薄夹层、泥砾、泥质条带的形式，泥质层厚度分布在4~20 cm不等(图3)。可见泥岩夹层在地下高围压高温条件下表现出很强的塑形特征，在岩石整体受力的情况下，充当了力学隔层作用。一般来说，较强的挤压应力环境产生剪切缝，较弱的拉张环境足以产生张性缝，因此，剪切缝的切穿隔层能力要远远大于张性缝。张性缝切穿深度一般小于20 cm或30 cm，多数在4~12 cm之间，未切穿岩层或终止于层面上，且大部分已被石膏等充填；剪切缝的切穿深度变化大，从10 cm至2 m均有。岩心上所见的长裂 图2. 库车坳陷D区、K区岩性界面滑移缝岩心特征及裂缝发育模式 缝中无一例外地属于剪切缝，这种裂缝一般不受层理的严格控制，也不一定终止于岩性分界处，主要与岩石的力学性质和剪应力值有关。 从裂缝倾角区间看，库车坳陷内致密砂岩的裂缝类型主要有两种：一种为近直立缝，主要发育在层面不发育、结构比较致密或均一的厚层砂岩中，一种为平行层面缝，有的平行层面的裂缝有滑移痕迹，主要发育在薄层砂岩或砂泥岩界面附近，而红色泥岩的裂缝以平行层面缝和低角度斜向缝为主，因此，在砂、泥岩组合中形成了“工”型裂缝组合(图2)。由D区古近系库姆格列木群连井裂缝分布来看，泥岩隔夹层是影响其分布差异性的主要因素，裂缝能否能穿透这些隔夹层，对于气藏的稳定性和有效性具有关键作用。研究区在古近系库一段(EII1)和库二段(EII3)存在两套稳定的隔层，前者厚度最大(13.2~41.5 m)，偶夹薄砂层，由西向东减薄后者为底部泥岩，厚度较均一(11 m左右)，西部连续性好，东部偶有薄砂层，虽然隔层内裂缝密度明显变小，裂缝仅零星发育，但在隔层内的单砂体内裂缝发育，而且在隔层与两端较厚砂体接触的位置裂缝也十分发育，密度呈现台阶型突变(图4(a))。由于夹层厚度明显小于隔层，常分布在厚层叠置砂体内部或与薄层砂体相互穿插，当夹层厚度与砂岩厚度比达到一定数值范围时，裂缝尤其发育(图4)。根据库车坳陷实际资料统计显示，EII1隔层和EII3隔层之间的泥质夹层厚度主要分布在0.5~3 m之间，孔隙度一般小于6%，渗透率一般小于0.05 × 10 −3 μm 2 ，单砂层厚度主要分布在0.5~10 m之间，整体上裂缝发育密度薄层要大于厚层，即厚度与裂缝密度座椅式负相关，当层厚位于1~4 m时，裂缝密度降低较快，当层厚位于4~8 m时，裂缝密度几无变化，当层厚位于8~12 m时，裂缝密度又急速降低(图4(b))。对多个砂泥岩互层段的砂泥岩厚度比值和裂缝密度相关性进行统计后发现，两者不存在必然的线性关系，但在比值达到6.7左右时，裂缝密度最大，小于或大于此值时裂缝密度均逐渐减小(图4(c))。对于这种现象的解释，很可能是由于砂泥岩厚度比达到一定值时，地层的非均质性达到最强，砂岩中应力迅速集中并产生大量裂缝，然后逐渐扩展到泥岩内或切穿泥岩。根据各井的地层倾角和裂缝密度的对比分析，两者似乎不存在必然联系，但在一定倾角范围内多数构造裂缝密度与地层倾角存在较好的正相关性，这说明裂缝是在强烈褶皱期形成的，地层变形越厉害，发育的裂缝越密集，地层越平缓，发育的裂缝稀疏。当倾角低于10º时裂缝密度反呈高值，如背斜倾没端的D2-16、D2-14、D2-27、D2-28井，这与背斜的形成过程密切相关，4口井正位于褶皱的倾没部位，共轭裂缝分析得到的夹角平分线指示近SN 图3. 库车坳陷D区、K区裂缝连井发育特征 图4. 天山南缘索罕村白垩系–古近系野外剖面裂缝发育模式 向的挤压，说明裂缝主要形成于区域挤压环境下，而不是褶皱时形成的。 4.2. 野外露头界面缝特征 以上观察结果表明裂缝具有一定的尺度特征，基于范·高尔夫–拉特(1989)的砂岩裂缝分类方案，主要按裂缝长度分级，同时参考裂缝的开度、产状和穿层性等 [ 29 ] ，将其划分为四种尺度类型：大尺度缝、中尺度缝、小尺度缝和微裂缝。其中大尺度缝延伸距离一般介于几十米至几百米，开度为厘米级，与断距较小的微断层相当，类似断层级的裂缝，纵向上常断穿几套单砂体和夹层，野外露头可见(图4(a))，FMI偶见；中尺度缝开始受夹层的明显影响，长度多为几米至十几米，开度为几十微米至毫米级，包括大多数FMI、岩心可见的高角度缝、网状缝、斜交缝等，常受控于次级应力场(图4(b)~图4(d))；小尺度缝是指层间缝或层内缝，长度近于几十厘米至几米，开度为几微米至几十微米级，包括部分岩心、微米CT可见的小裂缝和铸体薄片可见的贯穿颗粒缝(图4(e)~图4(g))；微裂缝长度仅为毫米级、微米级，开度为纳米级至几微米级，主要为粒缘缝和粒内隙，纳米CT、激光共聚焦、场发射扫描电镜下可见。本次研究主要针对野外常见的中、小尺度裂缝之间的关系，它们主要起着油气运移通道和疏导作用，而大尺度缝与低级序断层相当，可通过蚂蚁追踪的技术进行识别，微裂缝则主要起连通性吼道和储集的作用。 根据对天山南缘地面露头(索罕村剖面)古近系和白垩系7个采样点(178条裂缝)的统计结果显示(图5)：裂缝走向以NE、NEE为主，NW次之，以高角度、直立共轭剪切缝为主，张剪缝次之，靠近泥岩隔夹层部位裂缝尤其发育；厚层均质致密砂岩中共轭缝发育，且以中尺度缝、大尺度缝为主，发育规模大，连通性好，常连续穿透几个层位，但间距大，而小尺度缝发育规模小，规律性不明显，常受岩性界面和层面等的限制，成为层内缝，但间距小(图5(a)~图5(c))。由于研究区属于扇三角洲前缘相，泥质夹层出现频率高，裂缝发育规律与岩心观察结果基本一致，根据不同尺度裂缝的统计结果(图5(d)、图5(e))，中、小尺度缝主要为高角度缝和直立缝，低角度缝和水平缝(0˚~45˚)绝大部分属于小尺度缝，一方面由于喜山运动期间，埋藏深度大于4000 m，高围压条件促成了兼具走滑性质的高角度裂缝的大量发育，进一步控制了一部分低角度或顺层滑脱次级裂缝的发育，另一方面，这些陆相沉积的泥质夹层，在深层围压条件具有明显的塑性变形特征，其剪破裂角也明显大于砂岩，直接造成了部分裂缝延伸转向或终止，未能穿透泥岩。在统计的77条中尺度缝中，全贯穿缝(同时切穿两套以上砂岩和泥岩)占46.5%，半贯穿缝(仅切穿一套砂岩和泥岩)占12%，在统计的89条小尺度缝中，穿透缝仅 图5. 天山南缘索罕村白垩系–古近系裂缝参数分布特征 占15.5%，层内或层间缝则占38%，说明在夹层厚度一定时较大规模裂缝更容易穿透。 进一步将夹层厚度和被不同尺度缝切穿频率进行投点发现(图5(f)、图5(g))，长度较大的中尺度缝可以直接穿透厚度小于40 cm的泥岩夹层，可以部分穿透厚度在40~100 cm范围的夹层，对于超过1 m以上的厚夹层则只有在长度较大、开度较大的情况下才能局部穿透。比较来看，小尺度缝的穿透能力明显低于中尺度缝，可以直接穿透厚度小于5 cm的夹层，可以部分穿透厚5~40 cm的夹层，厚度再大的夹层只能切入后消失或转换为低角度滑移缝。结合实际野外剖面，选择典型裂缝发育位置进行统计以精确展示不同尺度裂缝的穿透能力及方式，图像显示超过30 cm厚度的泥质夹层即可挡住部分小尺度裂缝的延伸， 1m 以上厚度夹层可挡住部分中尺度裂缝的延伸，3 m以上厚层夹层或隔层可完全挡住大尺度裂缝的延伸，此时中、小尺度缝皆不能切穿。大尺度缝一般同时切穿几套夹层或薄隔层，中尺度缝也可同时切穿几套夹层，但两端常常消失在厚夹层内或边界处，而小尺度缝要么仅切穿一套薄夹层后终止，要么被限制在两套夹层中间且终止于界面处。综合野外、岩心及成像识别统计结果，可初步得到含夹层致密砂岩储层中裂缝的发育主控因因素为：应力强度、砂/泥岩厚度比及地层倾角，为了合理解释裂缝的这种特殊规律，需要从力学角度采用离散元或有限元数值模拟的方法进行深入剖析。