下寒武统牛蹄塘组页岩储层裂缝特征及分布预测研究——以贵州凤冈三区块为例

摘要

页岩气储量大、分布广，是一种清洁高效的非常规天然气，被认为是常规能源的理想替代者。贵州省页岩气含量丰富，其中地质资源量达到13.54万亿立方米，可采资源量约1.95万亿立方米，居全国第三位，页岩气资源丰富。贵州凤冈三区块是国土资源部第二轮页岩气探矿区出让进行招标的区块之一，具有良好的页岩气勘探开发前景。页岩气勘探开发中，保存条件好的裂缝发育区往往是页岩气甜点的区域。页岩储层中的裂缝控制着储层的含气性、渗透性，是页岩游离气的重要储集空间之一，对页岩气勘探和开发中井网布局、水平井的设计部署、水力压裂设计和优化注水方案等提供重要的依据，具有重要的理论意义和工程价值。　　本论文基于贵州凤冈三区块下寒武统页岩储层开展了储层矿物岩石学、储层孔隙结构、孔径分布、岩石力学等特征分析、裂缝特征描述、查明裂缝发育主控因素，结合地质力学、岩石力学、弹性力学和断裂力学理论建立了多期次构造应力场作用下页岩储层裂缝分布预测方法。研究成果对贵州黔北地区页岩气压裂开采具有重要指导作用。研究成果如下：　　通过X射线衍射全岩定量分析和粘土矿物分析，下寒武统页岩储层中，石英的含量在36%~92%，平均为78%；黄铁矿的含量在2%~25%，平均含量7.4%；斜长石含量在3%~23%，平均含量15%；粘土矿物含量在2%~30%，平均含量8%，粘土矿物以伊利石为主，平均为87%。该地区牛蹄塘组黑色页岩脆性矿物含量较高，容易在外力作用下形成裂缝。通过扫描电镜观察可知：下寒武统页岩中发育的孔隙包括粒间孔、粒内孔、溶蚀孔、有机质孔、特殊孔隙（草莓状黄铁矿孔隙）等，孔隙连通性普遍较差，导致渗透率很低。利用核磁共振测试分析，牛蹄塘组页岩中发育大量纳米级孔隙，页岩孔喉主要分布在0-0.1μm之间，属于纳米孔，也有少量的微米孔。页岩的孔径分布主要集在0.001μm-0.01μm和0.01-0.4μm之间，说明研究区页岩孔隙以纳米孔为主。通过全岩-应力-应变渗透性试验，测定了不同围压和不同渗透压下页岩的渗透率，结果显示页岩的渗透率与围压的关系是呈非线性相关关系，通过数值拟合，发现三次函数拟合程度最高，达到了0.99145，在较低围压下页岩渗透率随着围压增大近似呈三次函数关系。随着围压的增大页岩渗透率减小，页岩渗透率与渗透压差的关系近似呈线性正相关关系。在较低围压下，页岩渗透率与渗透压差的关系近似呈线性正相关关系，较低围压下渗透率随着渗透压差增大而大幅度增加；较高围压下的渗透率增加幅度减小。通过数值试验研究了方解石脉充填下，页岩在不同加载方向下的破裂模式，认为页岩单轴破坏后的最终破坏模式归纳为为四种：倒V形（α=0°、30°、45°）、倒Z形（α=15°）、直线形（α=75°）、V形（α=60°、90°）。观察数值试验中声发射分布情况，其分布特征与宏观破坏模式有相似性，基于分形几何理论，采用计算不同应力水平、不同方向加载条件下的页岩破裂分形维数 D，分形维数值D能很好地反映页岩的破裂模式。从破裂模式的变化趋势可知，倒Z形破坏试样D值最大为1.688016，直线形破坏试样D值最小为1.481904，倒V形和V形破坏试样D值介于两者之间。因此，D值越大，破坏模式越复杂，D值越小破坏模式越简单。从宏观到微观角度观察了页岩储层裂缝发育特征，研究区下寒武统页岩岩心裂缝发育，其中以构造裂缝为主，构造裂缝中张性裂缝所占比例大于剪性裂缝。从野外露头、岩心、显微镜和扫描电镜观测可知，牛蹄塘组页岩裂缝充填程度较高，通常微裂缝中最常见的填充物是方解石，其次还有少量石英和黄铁矿。　　构造应力场、岩性、岩石力学性质和有机碳含量是控制页岩储层裂缝的重要因素，其中构造应力场是裂缝形成最重要的因素。页岩中脆性矿物比如石英、方解石等含量越高，裂缝越发育，TOC含量也与裂缝发育程度呈正相关关系。研究区燕山期和喜山期叠加后的应力场模拟结果表明在断裂带附近，断裂端部和断裂交汇处，应力水平较高，应力低值区分布在断裂与断裂之间。裂缝发育区（Ic>1.11）主要分布在：　　1）何家坝断裂带、随阳山断裂带、党湾断裂带、桃坪断裂带和峰岩断裂带；　　2）断裂带转折处以及不同断裂带相交处。裂缝相对发育区（1

目录

第一章 绪论

1.1选题背景和项目依托

1.2国内外研究现状

1.3研究目标、研究内容和技术路线

1.4 主要成果认识及创新点

第二章 区域地质背景

2.1区域地层特征

2.2 沉积背景

2.3 区域构造演化及特征

2.4 FC-1井地质概况

第三章 下寒武统牛蹄塘组页岩储层特征

3.1 页岩储层矿物岩石学特征

3.2页岩储层储集物性特征

3.3页岩储层岩石力学特征

第四章 牛蹄塘组页岩裂缝发育特征及主控因素

4.1 宏观裂缝发育特征

4.2 微观裂缝发育特征

4.3页岩裂缝发育主控因素

第五章 研究区三维构造应力场数值模拟

5.1 构造应力场有限元数值模拟原理

5.2构造复合叠加在地质构造分析中的应用

5.3构造应力场三维有限元数值模拟计算

5.4 凤冈三区块构造应力场分布特征

第六章 页岩储层裂缝分布定量预测

6.1储层破裂的力学机制

6.2页岩破裂判别系数研究

6.3页岩储层裂缝发育程度定量预测

第七章 结论

致谢

参考文献

附录