工程地质学报  2017, Vol. 25 Issue (6): 1557-1565   (4670 KB)    
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  • 收稿日期:2016-11-11
  • 收到修改稿日期:2017-02-24
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    兰恒星
    伍宇明
    李全文
    陈俊辉
    赵晓霞
    龙马溪组页岩三维缝网重构及分形分析
    兰恒星①②, 伍宇明, 李全文①③, 陈俊辉①③, 赵晓霞①③    
    ① 中国科学院地理科学与资源研究所 北京 100101;
    ② 长安大学地质工程与测绘学院 长安 710054;
    ③ 中国科学院大学 北京 100049
    摘要:传统上研究含气页岩宏观缝网特征的方法多是基于小样品开展,通过观察小样品的裂缝展布特征来了解页岩的裂缝发育的宏观特性。但是这类方法因尺度过小,缺乏代表性,不能获取连续面上的裂缝特征,难以分析裂缝发育和地应力方向之间的关系。为获取更详细的大尺度含气页岩的宏观裂缝特征,本文从重庆市涪陵地区石柱县采样获取2m×3m×0.7m完整大尺度岩块,并采用有序标号切割来获取30cm3规格岩样,在此基础上提取小岩样的表面裂缝并按照大尺度岩样切割的相对顺序构建三维裂缝网络。分析观测大尺度的三维裂缝网络可以发现,含气页岩的裂缝分布具有明显的规律性:水平主应力方向上的裂缝发育度普遍高于最小水平主应力方向;垂直方向上的裂缝与最小水平主应力的夹角为-62°。分维研究表明所有不同面上的裂缝均符合分维特性,说明小尺度裂缝特征和大尺度裂缝特征具有相似的规律性。此外,研究还表明最大水平主应力上的裂缝密度和分形维数最大,缝网结构最为复杂,最小水平主应力方向缝网结构次之,垂直主应力方向的裂缝结构最为简单;水平应力方向上主要以层理裂缝为主,垂直方向上以剪切缝为主,且与最小水平主应力的夹角为-62°。在掌握宏观裂缝分布特征基础上,研究可为页岩显微观测实验提供相应的理论依据。
    关键词页岩    三维缝网    裂缝特征    涪陵地区    分形    
    RECONSTRUCTION AND FRACTAL ANALYSIS FOR THREE DIMENSIONAL FRACTURE NETWORK OF LONGMAXI SHALE
    LAN Hengxing①②, WU Yuming, LI Quanwen①③, CHEN Junhui①③, ZHAO Xiaoxia①③    
    ① Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101;
    ② School of Geological Engineering and Geomatics, Chang'an University, Chang'an 710054;
    ③ University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049
    Abstract: Recent studies were based on the small samples which were as big as core samples to get the fracture propagation features. However, the small samples had many limitations. For example, continuous fracture propagation characteristics were difficult to get, which means it was a tough work to analyze the relationship between in-situ stress and fracture distribution. Hence, fracture propagation characteristics were gathered from a 2m×3m×0.7m samples from Shizhu County, Chongqin. The sample was cut into several cubic samples whose lengths of the sides were 30cm. At the same time, every surface of the cubic sample is numbered. Then the fracture distribution characteristics on each surface of the samples is obtained. The 3D fracture network is rebuilt according to the surface number. The fracture network shows the obvious rules that there are more fractures on the surface in the principle stress direction in contrast to other directions. The fractures on the surface perpendicular to the principle stress are 62°to the principle stress direction. Research on the fractal dimension proves that fractures on the different surfaces conform to the fractal dimension feature, which indicates that fractures' structure in small scale and big scale have similar regularity. In addition, fracture density and fractal dimension number in the maximum principle stress direction are bigger than other directions, which means fracture network structure is more complex. And fracture network structure in the surface perpendicular to the principle stress is less complex than that in the minimum horizontal stress direction. There are more bedding fractures in the horizontal stress direction while more shear fractures in the vertical direction, which are-62°to the minimum horizontal principle stress direction.
    Key words: Shale    3D fracture network    Fracture feature    Fulin area    Fractal    

    0 引言

    页岩气勘探和开发在美国取得重大突破,重庆涪陵地区被认为与美国Fort worth盆地Barnett页岩在有效页岩厚度、有机质丰度等方面较为相似(张金川等,2003刘树根等,2013),也是中国页岩气开发最有可能取得突破的地方(Liang et al., 2012; 马文辛等,2012)。由于我国贫油的特点,页岩气的开采能够缓解能源对外依赖程度强的状况(殷安庆,2015)。

    页岩气的开采效益与天然裂缝有着密切的联系,裂缝的发育,特别是自然状态下的张开缝,不仅直接影响着页岩气的品质,而且还决定着页岩气压裂中裂缝的走向(Gale et al., 2007)。因此,原生裂缝分布研究有着重要的意义(丁文龙等,2012; 王艿川等,2015)。页岩是各向异性的,天然页岩裂缝的形态与层理的角度和应力大小有关(Rijken et al., 2001),裂缝的形成可能受到成岩作用和构造作用的双重影响,且不同地质作用形成的裂缝具有不同的特质。一些研究认为天然裂缝系统和沉积层理的发育程度是形成压裂缝网的关键因素(郭天魁等,2013)。为了探索大范围岩石的水压致裂过程,部分研究采用30cm×30cm×30cm的页岩立方体对其进行实验(陈勉等,2000; 侯冰等,2014),结果表明水力裂缝遇到天然裂缝时,裂缝方向可发生转向或者穿透裂缝继续扩展(Zhang et al., 2007),这表明天然裂缝对水压致裂过程起到了至关重要的作用。虽然页岩裂缝方面已经开展过大量研究,并且对实际生产有着重要的指导意义,但是这些方法多是基于小样品开展,通过观察小样品的裂缝展布特征,从而了解页岩的裂缝发育的宏观特性(李庆辉等,2012; 魏元龙等,2015)。但是这类方法的尺度过小,缺乏代表性,不能获取连续面上的裂缝特征,难以分析裂缝的发育和地应力方向之间的关系。此外,小样品的裂缝特征是否能够描述整个岩层的裂缝仍需要进一步研究。而岩块尺度的裂缝研究能够更清晰地看到原始裂缝的分布情况,探索在自然地应力条件下,页岩缝网的扩展特征和页岩的三维网络形态,为分析原生页岩缝隙的分布和地应力方向之间的关系以及页岩气的开采提供相关的理论依据。但是,由于大尺度页岩缝网研究的人工成本大、岩石开采不易等问题,研究大尺度上裂缝的分布一直以来都是非常困难的。

    因此,本研究将针对岩块尺度的样本展开实验研究,以龙马溪组露头页岩为样本,对岩块尺度的缝网进行分析,利用分形理论探索其和不同尺度之间的关系,并分析不同地应力方向下缝网形成的特点。

    1 地质背景

    四川盆地四面环山,北边被米仓山和大巴山隔绝,南接大相岭山,西邻龙门山,东部与大巴山接壤,包含龙门山—峨眉山—大凉山一线以东整个四川东部地区和重庆地区,全区盆地面积约19×104km2(Chen et al., 2014)。盆地具明显菱形边框,西北和东南两条边界稍长,呈北东向延伸;西南和东北边界略有弯曲(图 1)。该盆地在构造上属(上)扬子板块的一部分,印支期时该盆地已有雏形,后经喜马拉雅运动褶皱成现今的面貌,是一个在前震旦系变质岩基底上沉积了巨厚的震旦纪-中三叠世海相碳酸盐岩和晚三叠世-始新世陆相碎屑岩的大型含油气盆地区。

    图 1 四川盆地区域图(修改自Chen et al., 2014; Dai et al., 2014Chen et al., 2016) Fig. 1 Geographic map of Sichuan Basin(modified from Chen et al., 2014; Dai et al., 2014; Chen et al., 2016)

    四川盆地龙马溪组地层可分为两段,上段为一套灰黑色灰质粉砂质或灰质页岩夹泥灰岩、粉砂岩,产笔石、三叶虫等化石。下段为一套灰黑色、黑色笔石页岩夹少量砂质泥岩,含黄铁矿条带、结核,笔石化石丰富(张小龙等,2013)。龙马溪组下段页岩TOC大于2.0%,处于过成熟阶段,是页岩气勘探开发的有利层位(陈文玲,2013Chen et al., 2014)。

    2 实验方法

    本次实验样品采集自重庆石柱县打风坳剖面龙马溪组露头,该露头点位于石柱县漆—辽剖面,坐标为N29°52′47.8″、E108°17′06.6″(侯振坤等,2016),样品可见黄铁矿条带与大量笔石化石,为龙马溪组下段优质页岩段,与深井龙马溪组底部优质页岩相同时期沉积而成,能够反映龙马溪组底部岩石特征。

    图 2所示。采样区域已经往山体内部开挖有几十米进深。现场测量看,露头区域的岩石为深黑色,岩层面非常平整,层理性强,节理发育,岩石层面产状:NW330∠35°。图中虚线方框即为采样的岩块。为了分析大规模岩样的缝网特征,研究将对2m×3m×0.7m的岩样进行缝网研究。

    图 2 涪陵露头页岩取样位置 Fig. 2 Sampling location in Fulin

    岩样样品制备是先将原始页岩按照取样时的原始方位记录,切割掉边缘的不规则边角,得到规整的大尺寸岩样,再制作30cm3试样。制样中同时记录了每一块岩样在原始位置的倾向、主应力方向和大尺度岩块中的相对位置等信息,确保能够准确地还原原始模型和三维缝网;切割时,尽量减少因切割导致的材料损失(图 3)。虽然在切割操作中可能会产生一定的偏差,部分相邻岩块会出现原生缝网未完全吻合的情况,可通过对岩样表面的整体裂缝平移解决(图 3)。缝网提取采用水浸法,并使用高透PET涤纶薄膜进行现场描绘(图 3):首先将绘制裂缝的PET膜按照33cm×33cm规格切割成正方形,然后润湿岩石表面,由于裂缝使得水汽渗入,故在裂缝区域的水分最后蒸发,在肉眼下可明显观察到裂缝展布情况,利用这一方法可识别出大量肉眼难以辨别的裂缝。在观察到裂缝后将PET透明膜敷在岩石表面,边角固定后,描绘原生裂缝,重复以上步骤直至所有润湿后裂缝全部被描绘,从而还原整个岩石的表面缝网特征。显微观察结果显示,该方法能将大于0.009mm宽度的原生裂缝描绘在PET膜上。观察发现,单块岩样上的裂缝开度很小,基本在1mm以内,宏观上裂缝复杂度不高,基本属于较平直的裂缝,裂缝延展性较好,基本贯通岩块(图 4)。

    图 3 缝网三维重构流程 Fig. 3 Fracture network reconstruction procedure

    图 4 单块岩样上裂缝展布情况 Fig. 4 Fracture distribution on a small rock sample, plane 0、plane 1、plane 2 from left to right a. 0面;b. 1面;c. 2面

    得到描绘结果后,使用数码相机数字化PET描绘的岩样原生裂缝。在进行数字化前,对数码相机进行校准和用钢尺进行定标,减少投影偏差,确保三维缝网能正确拼接。得到数字化岩样表面图像后,编写图像处理程序进行矢量转换,得到平面矢量缝网,接着将得到的矢量缝网在AutoCAD中进行三维拼接。由于每一块岩样都记录原始信息,因而得到比较精确的缝网。原始大尺寸岩块的三维缝网重构结果如图 5a图 5b所示,图 5a是岩块的表面模型,图 5b是三维缝网结构。

    图 5 大尺度岩样三维缝网重构 Fig. 5 Three-dimensional fractures network reconstrution

    3 缝网特征

    三维缝网重构显示页岩的原生裂缝层理性强,裂缝普遍发育。层理与层理间的裂缝主要是以垂直角度彼此贯通,呈现砖墙状分布(图 5)。图 5显示顶面和底面的裂缝以剪切缝为主,侧面则以拉张缝和构造缝为主。为了进一步分析裂缝的分布特征,本研究随机选取了14块岩样对裂缝的长度、间隔、角度和缝网复杂度进行评估,探索页岩在不同应力下,裂缝的发育情况,岩块编号为111、112、113、114、123、211、212、214、225、313、314、325、412、415,岩块的相对位置关系(图 6)。为了便于分析,研究将岩样的6个面标号为0~5(图 7),其中,根据赵从俊等(1989)分析,石柱地区主应力方向为西北—东南向,结合本次所采集的样品,即为:0面和5面是垂直地应力的面,1面和3面是垂直最小水平主应力的面,2面和4面是垂直最大水平主应力的面。

    图 6 小岩块位置信息图 Fig. 6 Small rock cubic position

    图 7 岩块裂缝 Fig. 7 Fractures in a cubic sample

    裂缝密度和裂缝间隔是衡量裂缝发育程度的重要指标,裂缝密度又可分为线密度、面密度和体密度。为了刻画大样本的分布特征,研究采用面密度刻画裂缝的发育程度。裂缝的面密度公式为:

    $\rho = L/S$ (1)

    其中,ρ代表裂缝的面密度;L代表面上裂缝的总长度;S代表岩石表面面积。

    三维缝网统计结果(表 1)显示:最大水平地应力方向上(2面和4面),裂缝密度最大,裂缝面密度分别为59.6m ·m-2和52.4m ·m-2;最小水平地应力方向上(1面和3面),裂缝密度较小,平均裂缝面密度分别为37.2m ·m-2和41.0m ·m-2;最大垂直地应力方向上(0面和5面),裂缝密度最小,平均裂缝面密度分别为22.1m ·m-2和18.5m ·m-2。沉积层面上,每个切割面的裂缝间隔都接近2cm。顶面和底面的裂缝间距最大,顶面(倾向面上)的裂缝间隔约4cm,底面(倾向面的对面)的裂缝间隔约6cm。顶面和底面都在同一应力方向上,两者出现较大的间距差别,说明页岩内部裂缝走向发生了变化。为了描述裂缝的角度分布,研究选用在0面和5面裂缝以最小水平主应力方向为正方向,1面、2面、3面和4面以竖直向上为正方向。图 8显示裂缝在0面和5面上的裂缝和最小水平地应力的夹角为-62°。而1面、2面、3面、4面上的裂缝以水平层理裂缝为主,2面和4面贯穿裂缝面的竖直裂缝也出现了明显增加。裂缝基本信息说明页岩原始的沉积层理对原生裂缝的发育具有显著的主导作用。

    表 1 裂缝基本信息 Table 1 Fracture information

    图 8 裂缝的方向 Fig. 8 Fracture direction

    裂缝的缝网特征可能会在不同尺度下出现明显的相似特征(Martin,1997Fairhurst et al., 1999),正如《科学》期刊上写的英国的海岸线有多长的原理类似,即在不同尺度下测量,缝网特征可能会出现规律性变化(Mandelbrot,1967)。为了刻画裂缝的这种自相似性,研究采用分形的方法进行研究。分形研究最主要的是获取它的分形维数,分形维数能够反映分形体的复杂程度和粗糙程度,即分形维数越大,客体就越复杂、越粗糙,反之亦然。此外,如果研究个体满足分维特征,则说明大尺度裂缝扩展规律和小尺度裂缝扩展规律相似。目前,有很多方法可确定分形维数,如:面积周长法、盒维数法、指数频谱法、变差函数法等(郭天魁等,2013),其中,盒维数法为最主要的测定维数的方法,其公式为:

    $N\left( \delta \right) = A{\delta ^{ - D}}$ (1)

    式中,δ为盒子的边长;A为单位测度下的长度;D为裂缝的分形维数,取值范围为(1,2)。根据分形维数的定义,研究采用盒维数法进行测量。盒维数法测量步骤为采用1mm、2mm、5mm、6mm、10mm、20mm和30mm的边长大小覆盖岩石表面,统计相应的裂缝能够覆盖的盒子数。确定参数AD方法是在双对数坐标下采用最小二乘法对数据进行回归分析,并通过R2检验确定其合理性(图 9)。

    图 9 分形示意图 Fig. 9 Fractal sketch

    表 2 分形研究结果 Table 2 Fractal research result

    根据上述方法,研究对14块岩石共84个面进行了分类分形,根据R2检验,0面和5面的R2的范围为,1面和3面R2的范围为,2面和4面R2的范围为。3个不同应力面R2检验、分形维数D和参数A表明所有面上的原生裂缝都具有明显的分形特征(表 2图 10),且不同应力面上的裂缝特征是不同的:0面和5面的分形维数D为1.0236,说明缝网以直线为主,参数A的值为7.7,说明裂缝的长度较少;1面和3面的分形维数D为1.0907,说明该面的缝网的复杂程度较0面和5面高,参数A的值为8.2417,说明裂缝长度较0面和5面高;2面和4面的分形维数D为1.1798,说明缝网最为复杂,且A值为8.7275,说明裂缝总长最长。

    图 10 不同方向裂缝的分形参数 Fig. 10 Fractal parameter of fractures in different directions

    从分析结果可以看出,裂缝在不同面上都满足分维特征,能够说明大尺度观测裂缝和小尺度观测裂缝具有相似的统计规律。随着地应力的增加,分形维数越大,缝网构造将会变得更为复杂,其裂缝密度也将会呈现出增加的趋势。从这一方面说明页岩的沉积层理和应力对原生裂缝的发育有显著的影响。

    4 结论

    三维缝网重构包括3个方向的平面裂缝重构和三维体的裂缝重构。通过重构结果进行对比分析,得到以下结论:

    (1) 三维缝网重构显示页岩的原生裂缝层理性强,裂缝普遍发育。层理与层理间的裂缝主要是以垂直角度彼此贯通,呈现砖墙状分布。

    (2) 缝网在顶面和底面出现较大的间距差别,说明页岩内部裂缝走向发生了变化。

    (3) 原生裂缝在不同面上具有统计意义上的分形特征。说明小尺度裂缝特征和大尺度裂缝特征具有相似的规律。此外,裂缝结构分维能够定量地表征裂缝网络的复杂程度。

    (4) 裂缝密度在最大水平主应力方向上的裂缝密度最高,分形维数最大,缝网结构最为复杂;最小水平主应力方向上的裂缝密度和分形维数次之,缝网结构较最大水平主应力方向上的缝网结构简单;最大垂直主应力方向上的裂缝密度和分形维数最小,且缝网结构最为简单。

    (5) 三维缝网的构建有助于从多个视角观测分析页岩的缝网分布特征、分布形态和原始地应力方向的关系。在掌握宏观裂缝分布特征的基础上,研究可为页岩显微观测实验提供理论依据。

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