0 前言

目前我国页岩气的勘探开发主要集中在四川、重庆、贵州、湖南等上扬子海相地层中。2011年在鄂尔多斯盆地的延长组湖相页岩中，获得了工业气流，表明我国陆相页岩气资源同样具有勘探开发价值。我国东部中、新生代湖相泥页岩分布较广，厚度也较大^[1]。但近年来在东部湖相泥页岩中钻探了十几口页岩气井(如渤页平1、梁页1、牛页1、利页1、樊页1等)，却一直还未获得明显突破，关键之一是我国在泥页岩岩石力学(主要是可压裂性)和钻井开发工艺方面还有很多不甚明了的地方。

我国暗色泥页岩的发育层位从长城系一直到新近系，包括了深海-半深海、浅海、海湾-泻湖、沼泽、半深湖—深湖等沉积环境；页岩类型复杂，在成分、结构、构造、成岩作用等方面都存在较大的差异，这种差异势必对泥页岩的可压裂性构成严重影响。

1 我国泥页岩的岩性差异明显

我国各层系泥页岩的岩性差异非常明显，尤其是在湖相泥页岩中(图 1)，具体表现在成分、结构、构造和成岩作用等几个方面。

1.1 泥页岩的成分、结构差异性明显

根据我们的研究和前人一些成果，我国泥页岩中的常见的矿物成分包括各类黏土，有机质、长英质颗粒、方解石、白云石、文石、黄铁矿、石膏等。这些成分在不同的泥页岩中含量变化很大，体现出强烈的非均质性。

仅以济阳坳陷为例，古近系常见的湖相页岩就包括了钙片黑页岩、黑页岩、富有机质纹层页岩、钙质纹层页岩、灰色钙质页岩、普通泥质页岩等，甚至还发育已不属于页岩范围的纹层状泥质白云岩和纹层状泥灰岩。这些页岩在垂向上和横向上变化都比较复杂(图 1)。

显微镜下观察表明，济阳坳陷古近系的湖相泥页岩和纹层状碳酸盐岩很多是由3种基本纹层(富有机质纹层、隐晶碳酸盐纹层和(含粉砂)黏土纹层)构成的，不同类型页岩的纹层组合、比例和稳定性具有明显的差异(图 2)。页岩纹层的结构形态、组合方式、比例和稳定性等特征不一样，所构成的页岩类型也不同。对此王冠民曾尝试应用三角分类图来对页岩进行结构-成因分类^[2]，该分类可以很清楚地揭示页岩类型随着纹层组合变化而变化的情况。如果发育更多种类纹层的话(细粉砂纹层、黄铁矿纹层)，页岩的类型就更为复杂。

泥页岩中所含的石英、长石等细粉砂颗粒，以及方解石、白云石、黄铁矿、石膏等晶粒的粒径大小和排列方式，是泥页岩结构差异性的重要方面。比如长英质颗粒可以呈星散状分布于泥页岩中(图 2a，b，d)，也可以呈现厚度不等的纹层状单独出现(图 2c)。当长英质颗粒从连续纹层状过渡到断续纹层状，甚至纹层逐渐消失时(图 2d)，长英质颗粒也就与黏土及有机质逐渐完全混合，由页岩变化到了泥岩。

泥页岩成分、结构差异性产生的原因主要与沉积水体的物理化学条件变化密切相关。王冠民等^[3-4]曾总结了造成页岩纹层差异的沉积机理，其中沉积期分层的水体(尤其是盐度分层)最有利于页岩纹层的形成。当湖水分层明显时，湖水表面物理化学条件的周期性变化以沉积物的方式记录下来，就表现为纹层。这种变化可以是浮游生物的季节性勃发或更替，也可以是表层湖水的化学作用或生物化学作用变化，还可以是季节性洪水沿湖泊表层平流或层间流对长英质粉砂的周期性输入，甚至还可以是干旱季节大风天气携带过来的粉砂降落^[5]。图 2a和图 2b中星散状的粉砂应该源于风成沉积。

当湖泊水体变浅、循环性增强，使得湖水分层性逐渐变弱时，沉积物的混合作用逐渐明显，纹层开始消失(图 2d)，由页岩逐渐转变成泥岩。

1.2 泥页岩沉积构造的差异性明显

泥页岩沉积构造的差异在宏观上表现得也比较明显：泥页岩的纹层发育程度常有很大不同(图 1)，有的页岩页理相当发育，纹层清晰明显；有的页岩页理则比较稀疏，纹层模糊，甚至模糊到只发育水平层理，直接表现为泥岩。

泥页岩宏观构造差异性的本质是微观纹层层偶发育程度的差异。当页理非常发育的时候，页岩内部往往由2～3种以上的物质成分构成界线清晰的层偶(图 2a，b，c)，组成各类典型页岩；当页理逐渐模糊稀疏的时候，微观上不同成分的纹层逐渐趋向于混合(图 2d)；当宏观上只发育水平层理的时候，不同成分在显微镜下混合得非常均一，页岩就逐渐过渡到泥岩。

1.3 泥页岩成岩作用强度差异大

有关泥页岩成岩作用的研究成果浩如烟海。泥页岩沉积物从沉积到埋藏、从早成岩阶段到晚成岩阶段都会有不同的成岩作用强度。

成岩作用强度的本质表现是泥页岩成分、结构的变化。从成岩作用的类型上看，影响成岩作用强度的主要因素是压实、矿物的多形转变与重结晶。

压实作用主要使泥质沉积物大量脱水，逐步固结成岩。一般在1 000 m之上的浅埋藏条件下，脱去孔隙水和少量层间水；1 000 m以下的中埋藏条件下, 黏土矿物以脱残留层间水为主; 埋深大于2 700 m，脱最后残留层间水^[6]。结果使得沉积物密度逐步加大，固结程度逐渐加强。伴随压实作用进行，因孔隙水化学条件的改变，黏土矿物类型逐步向以伊利石、绿泥石为主转变。

埋深加大，环境的温度与压力也逐渐增大，矿物还可以进一步发生微弱重结晶^[7]。这种重结晶可以表现为粗碎屑岩中的原杂基转变为正杂基，也可以是泥页岩中的黏土矿物在显微镜下从浑浊的暗褐色(全消光)转变为较浑浊的透明状(略定向的一级白-黄干涉色)，黏土矿物甚至可以从隐晶质过渡为显晶质。当这种重结晶进行到一定程度，泥页岩就逐渐转变成硬而脆的板岩。除了黏土矿物以外，隐晶碳酸盐矿物也会发生一定程度的重结晶^[8]。

泥页岩成岩作用强度的差异，直接表现在泥页岩固结程度上。在压实和重结晶过程中，黏土矿物之间、黏土矿物与颗粒之间的黏结性逐渐增强，泥页岩可以从疏松状态一直变化到坚硬状态。

2 泥页岩岩性差异对可压裂性的影响分析

页岩气勘探开发的关键因素是可压裂性、可生产性和可持续性^[9]，在资源潜力比较明确的前提下，可压裂性就成了页岩气目标评价的关键指标(可生产性和可持续性主要受控于压裂工艺和压裂效果)。可压裂性是泥页岩在水力压裂中具有能够被有效压裂的性质，其最关键的衡量指标是泥页岩的脆性和断裂韧性^[10]。脆性指数越大、断裂韧性越弱，泥页岩形成网状裂缝的能力就越强，对页岩油气的开发就越有利^[11]。在不考虑埋藏深度、地应力、构造裂缝、压裂工艺等外部条件下，泥页岩的脆性指数和断裂韧性属于岩石自身固有的力学性质，与岩石成分、结构等岩性因素密不可分。

在目前常见的评价方法中，脆性指数一般与杨氏模量、单轴抗压强度、抗剪强度、内摩擦角等参数成正比，与泊松比、抗拉强度成反比^[12-14]。断裂韧性一般则与单轴抗拉强度、黏弹塑性成正相关^[15-20]。

2.1 矿物成分及含量对泥页岩可压裂性的影响

泥页岩中，石英、长石、碳酸盐等脆性矿物的含量越高，岩石的脆性越强，可压裂性越好，在构造运动或水力压裂过程中容易形成天然裂缝或诱导裂缝，有利于页岩气的开采^[21-22]。

石英是泥页岩储层的主要脆性矿物。从岩石破裂机理来看，单矿物石英具有较高的脆性，在外力破碎后容易产生裂缝，形成天然气运移和产出的通道。研究表明，富含石英的黑色泥页岩脆性较强，裂缝发育程度比塑性较强的富方解石的灰色泥页岩更高^[23-24]，石英含量是影响泥页岩储层改造的重要因素^[24-25]。Jarvie等^[25]于2007年将石英含量定义为确定页岩脆性指数的主要因素。Wang^[26]在2008年筛选了含气页岩系统的几个关键参数，认为页岩储层石英体积分数最小为25%，最优值为35%。北美典型页岩中的石英体积分数多超过50%，有些甚至高达75%^[26]。Nelson认为除石英之外，长石和白云石也是页岩储层中的易脆组分^[27]。国内很多学者^[28-30]通过研究也都认为：当泥页岩的泥质含量增加时，会降低岩石脆性，减弱裂缝的发育；而硅质和钙质矿物含量增加时，会增加岩石脆性，容易在外力作用下产生天然裂隙和诱导裂隙。

笔者近期在研究济阳坳陷渤南地区沙一段泥页岩时，也发现碳酸盐矿物含量与泥页岩的脆性呈正相关，黏土矿物含量与泥页岩的脆性呈反相关(图 3，图 4)。

故而，长英质与碳酸盐等脆性矿物含量是衡量泥页岩可压裂性的重要指标。此外，硅质、铁质也会明显增强泥页岩的脆性^[31-32]。

2.2 结构对泥页岩可压裂性的影响

泥页岩的结构是指泥岩在微观条件下，颗粒或颗粒集合体的大小、形状、排列组合方式等综合特征^[33]。

2.2.1 颗粒大小

泥页岩长英质颗粒和晶粒的粒径差异对岩石可压裂性也具有明显的控制作用。大颗粒不仅能够阻止裂纹扩展，还具有增加岩石抗压强度的作用，增强的幅度随颗粒半径增加呈单增趋势^[34]。孟召平等^[35]认为碎屑岩的颗粒处于砂级范围时，随着粒径的减小，单晶石英含量增大，单轴抗压强度和弹性模量逐渐增大。粒径减小至细砂级别时，单轴抗压强度和弹性模量达到最大。当碎屑颗粒由细砂向粉砂、泥过渡时，随黏土矿物和云母含量增多，单轴抗压强度和弹性模量逐渐降低，表现为“粒径软化”特性。与之类似，罗诚^[36]认为随颗粒减小、颗粒表面积增大，不同围压下的抗压强度、弹性模量以及抗张强度均有减小的趋势。卫振海^[37]在研究岩土材料结构性问题时，认为颗粒较大，颗粒间作用力以摩擦力为主，可以形成三颗粒结构体的稳定结构。而对于黏土类材料，以环状结构的絮状体为主，稳定性较弱，黏土类材料的抗压强度一般要比砂土类的抗压强度弱。

2.2.2 颗粒形态

一些学者^[38-39]很早就认识到颗粒材料中颗粒形状对其力学特性的影响，并开展了相应的研究。Shinohara等^[40]通过三轴试验认为内摩擦角随颗粒棱角的增加而增大。刘清秉等^[41]也认为颗粒整体轮廓系数、球形度、棱角度与主要力学指标都有良好的相关性，即岩石强度随着整体轮廓系数、颗粒球形度的增加而减小，随棱角度值增加而增大。Kock等^[42]通过数值剪切试验证明颗粒的粗糙度增加，岩石强度增大，脆性增强，更容易发育大范围的网状裂缝带，而颗粒球度增加会导致裂缝带局部化。史旦达等^[43]研究了二维非圆颗粒的砂土剪切力学特性，也认为颗粒的粗糙度增大时，岩土内部裂缝的范围将扩大。刘广等^[44]明确了颗粒球度增大，岩石的泊松比增大，但弹性模量、岩石抗压强度、损伤强度和峰值强度均降低，内摩擦角和黏聚力下降。张小利等^[45]研究骨料特征与混凝土强度的关系时，认为碎石表面的粗糙程度大，在相同条件下，采用碎石作为骨料的混凝土比采用卵石作为骨料的混凝土强度高。

综合上述研究，可以确定颗粒形态对岩石可压裂性的影响主要体现在颗粒之间的摩擦系数上，颗粒形态越复杂，其间的摩擦系数越大，岩石脆性越强。

2.2.3 颗粒分布密度

颗粒分布密度是在一定范围内颗粒含量的多少。颗粒分布密度不同，泥页岩的可压裂性存在很大的差异。孟召平等^[35]在研究煤层顶底板岩石成分和结构与力学性质关系时，发现碎屑颗粒含量较少，颗粒之间由杂基支撑时，力学变形表现为黏性、塑性和黏弹塑性，岩石的强度和刚度小。随着碎屑颗粒含量的增加，岩石单轴抗压强度、弹性模量缓慢增大；当碎屑颗粒体积分数大于50%时，随碎屑颗粒含量的增加，杂基含量相对减少，颗粒之间逐渐向点接触、线接触和凸凹接触等刚性接触过渡，颗粒间承受接触力并在其内部相互传递的能力也增强，岩石力学强度和刚度变大，碎屑岩单轴抗压强度和弹性模量迅速增加；当碎屑颗粒含量大于80%时，随着碎屑颗粒含量的继续增加，单轴抗压强度和弹性模量包络线上值增长减缓，甚至稳定不变。张小利等^[45]研究粗石子与混凝土强度关系时，也有类似的观点，即当粗石子占石子总量的70%左右时，堆积密度达到最大，混凝土强度也可以达到最大；当骨料颗粒级配比不好，混凝土中含有较多的砂浆时，混凝土整体强度降低。

此外，很多学者^{[33, 46]}通过利用粒度分维分析方法来研究岩石颗粒的分布密度，认为颗粒的分维值越大，其分布越分散，黏聚力越小，岩石的抗压强度、抗拉强度以及抗剪强度也就越小。

2.2.4 颗粒排列有序程度

颗粒排列的有序程度也与岩石强度存在着密切关系，岩石颗粒排列越整齐，其强度越大，可压裂性越好。王迎春等^[47]认为岩性由砂岩、粉砂岩过渡到泥岩，颗粒的排列无序化增强，岩石的抗剪强度减小。

颗粒概率熵(亦称为定向度)能够直观反映出颗粒排列的有序化程度，定向概率熵的值越大，说明颗粒的排列越混乱，定向角分布越随机^[48]。孙成才^[33]认为泥岩的岩石强度随着概率熵的增大而不断减小，即颗粒排列越杂乱，泥岩的抗压强度、抗拉强度以及抗剪强度变小。

2.3 层理发育程度对泥页岩可压裂性的影响

层理的发育程度、连续性以及厚度大小不同，岩石强度必然会存在很大的差异，可压裂性也会存在区别。张冲等^[49]在研究致密砂岩储层岩石结构面微观力学行为特征时，认为纹层结构面属于重要的力学薄弱面，它的发育会明显削弱岩层强度，岩石的破裂作用会优先选择发生在这些力学薄弱面上。吴涛^[50]在研究页岩脆性影响因素时，发现随着层理间距的增大或密度减小，纹层对岩石的弱化程度降低，泥页岩脆性指数增大。赵文韬等^[51]认为在岩性接近的前提下，一定厚度范围内，层厚与裂缝面密度呈负幂指数关系，即层厚越小，端应力越集中，越有利于裂缝的扩展。

总的来说，纹层越发育，连续性越好，厚度越薄的泥页岩，其岩石强度越弱，可压裂性也就越差。

2.4 成岩作用对泥页岩可压裂性的影响

处于低成岩阶段的泥页岩受黏土矿物类型、晶间结构以及黏土与颗粒之间黏结性的影响，其脆性相对较低。随着成岩作用的增强，蒙皂石、高岭石等偏塑性黏土矿物向伊利石、绿泥石等偏硬脆性黏土矿物转化^[52-53]，以及因基质重结晶、碳酸盐岩胶结和交代作用等使孔隙度下降^[54]，可加强黏土矿物与长英质颗粒之间的黏结性，泥页岩的脆性也就随之增强，可压裂性变好。当成岩作用增强到一定程度，泥页岩转变成硬而脆的板岩时，就是对这一过程最好的说明。

笔者近期在研究渤南洼陷沙一段泥页岩脆性指数影响因素时发现，一般所常用的长英质含量做为泥页岩脆性指标是有条件的，必须在成岩作用达到一定程度后，颗粒与黏土矿物紧密黏结在一起才能起作用。在成岩作用达到中成岩B期之前，泥页岩中的长英质矿物质量分数( < 50%)与脆性指数不相关(图 5，该图中长英质矿物质量分数小于50%时，随长英质矿物含量减小，脆性指数增大，主要是碳酸盐矿物含量增加(图 3)的原因)。推测我国中东部湖相泥页岩在中成岩B期是长英质矿物含量与脆性指数由不相关转为正相关的过渡阶段。

所以，成岩作用强度也是评价泥页岩可压裂性必须要考虑的基本条件。

3 结论

1)由于沉积水体分层状况和表层湖水物理化学条件的变化，使得泥页岩在成分、结构和构造上具有明显的差异。在埋藏和成岩作用过程中，不同的成岩作用强度也会造成泥页岩的固结程度不同。泥页岩岩性上的差异，势必会造成开发过程中可压裂性的差异。而这种差异性是页岩油气勘探开发过程中必须要重点考虑的。

2)石英、长石、方解石等脆性矿物的含量越高，泥页岩的脆性就越强，可压裂性也越好，但其中长英质矿物含量作为脆性指标应该建立在中强成岩作用基础上；长英质碎屑颗粒或自生矿物晶粒越大，形态越复杂，分布越密集，有序排列程度越高，岩石抗压强度越大，泥页岩可压裂性就越好；层理越发育，纹层连续性越强的泥页岩，其抗压强度越弱，可压裂性越差；成岩作用越强，伊利石、绿泥石等矿物含量增多，因脱水和重结晶作用使得矿物之间的粘结更紧密，岩石固结程度变好，泥页岩的可压裂性也会增强。

3)从影响泥页岩可压裂性的关键岩性因素入手，能够根据岩性特征预测泥页岩的脆性和断裂韧性发育程度。由于不同勘探层系泥页岩的岩性差异表现方式不同，工作中需要有针对性地选择上述不同的评价侧重点，才能进一步准确分析不同地区、不同层系页岩气的勘探潜力，优选有利勘探区带，提高页岩油气勘探开发的成功率。