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页岩成岩裂缝形成机理及其主控因素

苔丝(Taisiia Shepidchenko)  
【摘要】:前人对干燥裂纹(龟裂缝)的形成机理和扩展规律进行了大量的研究。然而,富有机质页岩中成岩微裂缝的形成机制尚不清楚。根据研究建议,对海相、过渡相和陆相页岩样品的微裂缝进行了扫描电镜研究。同时,对页岩中常见的泥质矿物(蒙脱石、伊利石、高岭石)进行了实验研究,以确定干燥裂缝发育的主要控制因素,并探讨这些因素对裂缝几何形态的影响。页岩中普遍发育的成岩收缩裂缝与干燥裂缝具有明显的相似性。为模拟干燥裂缝的扩展过程,阐明收缩裂缝的形成机理,论文采用了成岩裂缝模拟机和实验室烘箱等进行了模拟试验,结果表明,粘土含量、温度和粘土层厚度是控制裂缝发生和发展的主要因素。裂缝宽度随层厚增加而增大,随着蒙脱石含量的增加而增大,但随着高岭石和伊利石含量的增加,裂缝宽度减小。对于某些单一成分的实验样品来说,当温度达到100℃和230℃时,干燥裂缝的数量将会进一步增加。混合样品则不存在这种现象。进一步,92%的干燥裂缝均呈现为三臂型,臂间夹角为90-100度和170-180度。脱水过程中的含水量在裂缝形成过程中起着重要作用,可分为四个阶段。大部分的裂缝都形成于初始和发展阶段,此时主要形成初始的单一裂缝并开始分叉。在自然界中,页岩成岩作用包括在压实超压、胶结、重结晶、矿物转化、脱水、生烃等微裂缝形成过程中起重要作用的过程。此外,页岩的成因对裂缝的扩展有着重要的影响。因此,海相页岩是一种脆性矿物和有机质含量高、粘土含量低的岩石,为裂缝的发育创造了特殊的环境。海陆过渡相页岩中粘土和不稳定矿物含量高,胶结矿物普遍较低,水平(层理)裂缝和成岩(收缩)裂缝较发育,一般不形成有机孔隙和裂缝。陆相页岩粘土矿物含量高,脆性矿物含量相对较低,以无机孔隙为主,有机孔隙和微裂缝发育程度较低。扫描电镜(SEM)观察结果表明,富有机质页岩中裂缝数量从多到少发育的顺序依次是欠压/超压裂缝,然后是收缩、生烃、应力构造和矿物裂缝,本文研究不包括层理裂缝。成岩裂缝的主要控制因素是矿物组成、总有机碳含量、有机质成熟度和页岩沉积相。不同类型裂缝的产生受控于拉张应变平衡和临界应变能释放率。生烃缝形成于有机质成熟过程中所产生的高压背景,收缩缝形成于埋藏过程中的晶间脱水、渗透脱水和孔隙水流失。压实/超压裂缝的驱动力表现为页岩孔隙中的异常高压,主要发生在快速沉积和地层水排出不畅时。矿物裂缝主要发生在矿物内部矿物转变的化学反应过程中,也可发生在两种反应矿物之间的边界上。


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