储层地质学裂缝

第五章储层裂缝裂缝是油气储层特别是裂缝性储层的重要储集空间，更是良好的渗流通道。

世界上许多大型、特大型油气田的储集层即为裂缝性储层。

作为一种特殊的孔隙类型，裂缝的分布及其孔渗特征具有其独有的复杂性，它不象正常孔隙那样通过沉积相、成岩作用及岩心分析能够较为容易地预测和评价。

由于裂缝的存在对油气储层的勘探和开发会导致很大的影响，因而对油气储层中裂缝的研究就显得十分重要。

本章主要介绍裂缝系统的成因、裂缝的基本参数、孔渗性以及裂缝的探测和预测方法。

第一节裂缝的成因类型及分布规律所谓裂缝，是指岩石发生破裂作用而形成的不连续面。

显然，裂缝是岩石受力而发生破裂作用的结果。

本节分别从力学和地质方面简要介绍裂缝的成因分类及分布规律。

一、裂缝的力学成因类型在地质条件下，岩石处于上覆地层压力、构造应力、围岩压力及流体(孔隙)压力等作用力构成的复杂应力状态中。

在三维空间中，应力状态可用三个相互正交的法向变量(即主应力)来表示，以分量σ1、σ2、和σ3别代表最大主应力、中间主应力和最小主应力(图5-1)。

在实验室破裂试验中，可以观察到与三个主应力方向密切相关的三种裂缝类型，即剪裂缝、张裂缝(包括扩张裂缝和拉张裂缝)及张剪缝。

岩石中所有裂缝必然与这些基本类型中的一类相符合。

图5-1 实验室破裂实验中三个主应力方向及潜在破裂面的示意图图中A示扩张裂缝，B、C表示剪裂缝1.剪裂缝剪裂缝是由剪切应力作用形成的。

剪裂缝方向与最大主应力(σ1)方向以某一锐角相交(一般为30°)，而与最小主应力方向(σ3)以某一钝角相交。

在任何的实验室破裂实验中，都可以发育两个方向的剪切应力(两者一般相交60°)，它们分别位于最大主应力两侧并以锐角相交(图5-1)。

当剪切应力超过某一临界值时，便产生了剪切破裂，形成剪裂缝。

根据库伦破裂准则，临界剪应力与材料本身的粘结强度(τo)及作用于该剪切平面的正应力(σn)和材料的内摩擦系数(μ)有关，即，τ临界＝τo＋μσn剪裂缝的破裂面与σ1－σ2面呈锐角相交，裂缝两侧岩层的位移方向与破裂面平行，而且裂缝面上具有“擦痕”等特征。

在理想情况下，可以形成两个方向的共轭裂缝(即图5-1中的B、C)。

共轭裂缝中两组剪裂缝之间的夹角称为共轭角。

但实际岩层中的剪裂缝并不都是以共轭型式出现的，有的只是一组发育而另一组不发育。

剪裂缝的发育型式与岩层均质程度、围岩压力等因素有关。

当岩层较均匀、围岩压力较大时，可形成共轭的剪裂缝；而当岩层均质程度较差、围岩压力较小时，趋向于形成不规则的剪裂缝。

2.张裂缝张裂缝是由张应力形成的。

当张应力超过岩石的扩张强度时，便形成的张裂缝。

张应力方向(岩层裂开方向)与最大主应力(σ1)垂直，而与最小主应力(σ3)平行，破裂面与σ1－σ2平行，裂缝两侧岩层位移方向(裂开方向)与破裂面垂直。

张裂缝一般具有一定的开度，有的被后期矿物充填或半充填。

根据张应力的类型，可将张裂缝分为二种，即扩张裂缝和拉张裂缝。

(1)扩张裂缝扩张裂缝是在三个主应力均为压应力的状态下诱导的扩张应力所形成图5-2 扩张裂缝的形成和应力单元的裂缝。

当扩张应力超过岩石的抗张强度时，便形成扩张裂缝。

裂缝面与σ1和σ2平行，而与σ3垂直；裂缝张开方向与裂缝面垂直(图5-1，A；5-2)。

扩张裂缝经常与剪裂缝共生。

(2)拉张裂缝拉张裂缝是由拉张应力形成的张裂缝，亦具有裂开方向与破裂面垂直的特征。

从裂缝形态来看，拉张裂缝与扩张裂缝相同，但扩张裂缝是在三个主应力都是挤压时(应力值为正)形成的，而拉张裂缝形成时，至少有一个主应力(σ3)是拉张的(即应力值为负)。

拉张应力可以是区域性的，也可以是局部性的，如在岩层受到主压应力作用而形成褶皱时，在褶皱顶部可派生出平行褶皱短轴方向的拉张应力，从而形成平行褶皱长轴的纵向裂缝，这种纵向裂缝即为一种拉张裂缝(图5-3)。

图5-3 与褶皱有关的三种裂缝型式(σ1与褶皱短轴方向一致)共轭裂缝－为剪裂缝；横向裂缝－为扩张裂缝；纵向裂缝－为拉张裂缝在图5-3中，褶皱是在较大压应力作用状态下形成的。

最大主应力σ1平行于褶皱短轴。

在主压应力作用下，最先形成横向裂缝即扩张裂缝，然后形成共轭剪裂缝。

在褶皱发展过程中，在褶皱横截面上的局部应力状态可能发生变化，即褶皱上部发生拉张，褶皱下部压缩，其间有一个中性面(即岩层受力前后长度不变的面)。

在褶皱上部发生拉张的岩层内，即可形成拉张裂缝，裂缝延伸方向平行褶皱长轴，故称为纵向裂缝或纵张裂缝。

在向斜底部亦可能形成这种拉张裂缝。

值得注意的是，并非所有的纵向裂缝都是拉张裂缝，如果最大主应力平行于褶皱长轴，则可能形成属于扩张裂缝性质的纵向裂缝。

一般地，将那些σ3是挤压或符号未知且裂缝面平行于σ1－σ2面而垂直于σ3的裂缝称为扩张裂缝，而只有当有证据表明σ3为拉张(即符号为负)时才能称为拉张裂缝。

3.张剪缝除上述剪裂缝和张裂缝外，还存在一种过渡类型，即张剪缝。

它是剪应力和张应力的综合作用形成的，一般是两种应力先后作用，或先剪后张，或先张后剪。

张剪缝的破裂面上可见擦痕，但裂缝具有一定的开度。

在很多情况下，孔隙流体压力在裂缝的形成过程中起着一定的作用。

孔隙压力(pρ)的作用在于它抵消了围压的作用。

这时对外形起作用的是有效应力σ’：σ’＝σ- pρ因此，当在岩石中存在异常孔隙压力时，就产生了类似降低围压的效果，使岩石易于破裂。

莫尔圆图解可以很好地说明孔隙压力对岩石破坏的促进(图5-4)。

图中横坐标表示有效正应力(正应力与孔隙压力之差)。

圆Ⅰ代表孔隙压力为零时的应力状态，这时岩石是稳定的。

随着孔隙压力的逐渐增大，虽然外加的总应力不变，但有效正应力逐渐减小，使应力圆向左移动。

一般应力圆移到圆Ⅱ处，与摩尔包络线相切，岩石就要遭受破坏。

因此异常压力的作用可使岩石发生破裂。

图5—4 孔隙压力的效应圆I位于莫尔包络线下，岩石处于稳定状态。

随着孔隙压力Pρ的增加，应力圆向左移动。

当与莫尔包络线相切时，形成剪裂(A)或张裂(B)而破坏。

在正常情况下，地壳内任一深度的流体静压力相当于这一深度到地表水柱的压力，约为静岩压力的40%。

由于某些原因，如快速沉积或构造运动使沉积物快速压实而孔隙水不能及时排出时，可使孔隙压力异常增大。

在油田中曾测得，孔隙压力与围压之比可达80%，甚至也存在接近的可能性(如“封存箱”中)。

在这种情况下，岩石发生破裂形成裂缝的可能性大大地增加了。

二、裂缝的地质成因类型及分布规律从地质角度来讲，裂缝的形成受到各种地质作用的控制，如局部构造作用、区域应力作用、收缩作用、卸载作用、风化作用等，在不同的地区可能有不同的控制裂缝形成的因素。

上述地质作用是控制裂缝形成的主要地质因素，并可分别形成构造裂缝、区域裂缝、收缩裂缝、卸载裂缝和风化裂缝。

1.构造裂缝构造裂缝指由局部构造作用所形成或与局部构造作用相伴生的裂缝，主要是与断层和褶被有关的裂缝。

裂缝的方向、分布和形成均与局部构造的形成和发展相关。

(1)与断层有关的裂缝断层实际上是裂缝的宏观表现。

断层的两盘岩层沿断裂面发生了明显相对位移。

裂缝是断层形成的雏形。

一般地，在业已存在的断层附近，总有裂缝与其伴生，两者发育的应力场是一致的。

对于正断层而言，最大主应力σ1为垂直方向，中间主应力σ2和最小主应力σ3为水平方向(如图5-5)。

断裂面实际上为剪切面，与正断层伴生的主要裂缝有：①张裂缝：平面上平行于断层方向，而在剖面上则为垂直方向，即破裂面与σ1方向平行(亦即平行于σ1－σ2面，而与σ3垂直)。

如果σ3为拉张应力，则形成拉张裂缝；如果σ3为压应力，形成的张裂缝则为扩张裂缝。

②剪裂缝：可发育两组剪裂缝，一组平行于断层，另一组与断层共轭；这二组剪裂缝本身又呈共轭型式。

但在实际岩层中，这二组裂缝并非都能均等发育。

图5-5 与正断层伴生的裂缝分布示意图图 5-6 与逆断层伴生的裂缝分布示意图对于逆断层而言，最大主应力(σ1)为水平方向，最小主应力方向为垂直方向。

断层面亦为剪切面，岩层沿水平方向缩短(图5-6)，与逆断层相伴生的裂缝则主要为扩张裂缝和剪裂缝。

①扩张裂缝：在平面上与断层垂直，在剖面上则为水平方向，裂缝面与σ1－σ2面平行，与σ3垂直。

在这种理想情况下，扩张裂缝为水平缝。

②剪裂缝：一组剪裂缝与断裂面平行，另一组剪裂缝与断层面共轭；两组裂缝若均等发育可构成共轭裂缝。

以上分析了理想情况下的裂缝发育类型和发育方向与断层的关系。

实际上，断层与裂缝的关系是十分复杂的，这与断层发育的复杂性有关，特别是在考虑裂缝发育程度与断层的关系时，情况更为复杂。

与断层作用相关的裂缝发育程度与下列因素有关：距断层面的距离、断层的位移量、岩性、岩体的总应变、埋深及断层类型。

一般地，断层附近裂缝较发育，随着与断层面距离的增加，裂缝发育程度降低。

另外，根据力学实验可知，断层末端、断层交汇区及断层外凸区是应力集中区，因而也是裂缝相对发育带。

(2)与褶皱有关的裂缝系统岩层发生褶皱时，应力和应变历史十分复杂。

不同的褶皱所经受的应力状态不同，而对于同一褶皱来讲，在其形成过程中亦可能会经历不同的应力作用历史。

在不同的应力状态下，则可发育不同的裂缝型式。

下面简述几种主要的与褶皱有关的裂缝型式：①类型Ⅰ—横向扩张裂缝与平面X剪切缝在长轴背斜的弯曲变形过程中，应力状态一般为：最大主应力σ1平行于倾向和层面，最小主应力σ3平行于走向，中间主应力垂直层面(图5-7)。

岩层沿倾向方向压缩，此时，将形成沿倾向方向的扩张裂缝及共轭剪裂缝。

该类型中的扩张裂缝为横向裂缝。

图5-7 与褶皱有关的裂缝类型Ⅰ②类型Ⅱ—纵向扩张裂缝与平面X剪切缝最大主应力σ1作用于褶皱轴的方向(走向)，最小主应力平行于构造倾向和层理面，中间主应力仍垂直于层面(如图5-8)。

这时将导致背斜沿走向方向的缩短。

在这种情况下，将产生沿走向方向的扩张裂缝(此时扩张裂缝为纵向裂缝)和平面X剪切缝。

一般说来，类型Ⅰ先于类型Ⅱ。

在产生类型Ⅰ裂缝的过程中，岩层发生褶皱；而在产生类型Ⅱ裂缝的过程中，应力作用是对已形成的褶皱进行改造。

图5-8 与褶皱有关的裂缝类型Ⅱ③类型Ⅲ—褶皱轴部的拉张裂缝在岩层发生褶皱过程中，岩层发生弯曲变形，这时，随着弯曲过程的进行，在褶皱轴部会发生局部应力和应变的转化，即岩层上部发生拉张，岩层下部发生挤压，中间为中性面(岩层受力前后长度不变的面)。

当岩层上部拉张应力超过岩石拉张强度时，则形成拉张裂缝，而中性面以下不形成裂缝，只可能形成一些缝合线。

对于长轴背斜来讲，拉张裂缝沿背斜长轴延伸，为纵向裂缝；对于短轴背斜和穹窿而言，则可能形成二组相互正交的拉张裂缝，构成拉张裂缝网络；对于向斜来说，在其弯曲底部亦可形成拉张裂缝(图5-9)。

图5-9 与褶皱有关的裂缝类型Ⅲ④类型Ⅳ—平行层面的扩张裂缝及与其呈锐角相交的剖面X剪切缝当最大主应力σ1平行倾向和层面(σ1方向与类型Ⅰ情况相同)，最小主应力垂直于层面，中间主应力平行于层面走向时，将产生平行层面的扩张裂缝及与其呈锐角相交的剖面X剪切缝(图5—10)。