0 引言

页岩作为典型的细粒沉积岩，其组分的成层富集并由此形成颜色、组成与上下邻近的基质存在明显差异的条带称为纹层，页岩主要由基质和毫米-厘米级纹层构成：基质为碎屑颗粒（石英、长石等）、黏土矿物（伊利石、伊/蒙混层）及有机质等组分的无序混积；纹层则为长英质、凝灰质（以长英质、伊利石、黄铁矿为主）或有机质等单一组分的有序成层聚集^[1-2]。基质与纹层的组分差异导致其岩石力学性质与抗风化能力显著不同，当此类岩性组合出露地表时，因差异风化作用而形成书页状的‌页理结构‌。纹层为原生沉积结构，可存在于地层及地表条件；页理为次生构造，仅发育于地表条件^[1-2]。

页理缝作为沿页岩层理面发育的天然裂缝类型，是层理缝在页岩的表现形式，其概念演变经历了多个发展阶段。早期研究将层理缝界定为白云岩储层重要储集空间^[3]，随后砂岩储层中顺层理面发育的裂缝特征被提出^[4]，标志着层理缝概念的正式确立。随着研究深入，页岩中普遍发育层理缝的现象被首次记录^[5]，但此时尚未形成完整的概念体系。20世纪90年代，页理缝的成因机制获得突破性解释，认为其本质是构造应力或溶蚀作用对沉积成因页理的改造产物^[6]，这一认识确立了页理缝在页岩研究中的独立地位。

近年来通过地表岩心观察，页理缝在储集空间优化和压裂改造中的工程价值被广泛论证，使其成为当前页岩油气勘探领域的主流认知^[6-8]。然而，针对地层条件下页理缝的存在性，学术界仍存在不同观点^[1-2]，相关争议持续推动着该领域的研究深化，争议核心体现为学科视角的割裂：沉积地质学关注碎屑颗粒接触的‌静态特征‌，而岩石力学强调现今应力场的‌动态调控。‌本文通过应力场演化与碎屑颗粒接触机制分析，探讨地层条件下页理缝的存在性。

1 页理缝工程判识标准

地层条件下裂缝的发育状态，本质上是碎屑颗粒接触关系的反映。若地层条件下存在页理缝，表明在地层条件下垂向相邻的碎屑颗粒脱离接触，且该现象在横向上有一定延伸。碎屑颗粒接触关系受控于颗粒间的应力作用。取至地表的岩心，其碎屑颗粒经历了沉积-埋藏-生烃演化阶段，经历了地表至地层再至地表的过程，与此相对应碎屑颗粒所受的应力经历逐渐增大再减小的动态变化。分析页理缝的存在性需追溯碎屑颗粒接触状态的演化过程，结合多阶段应力场演化特征综合判断。

2.1 应力加载阶段（埋藏过程）

该阶段应力场与碎屑颗粒接触的耦合关系可划分为四个子阶段：‌沉积‌、‌埋藏‌、‌成岩‌与‌生烃‌。

2.1.1 沉积阶段

地表条件下，在自身重力（G）作用下，碎屑颗粒间为点接触，碎屑颗粒无法克服重力脱离接触，垂向相邻碎屑颗粒不接触的情况难以存在^[1-2]，低角度页理缝难以形成。

2.1.2 埋藏阶段

垂向有效应力（σ'_v）由上覆岩层压力（σ_v）和孔隙流体压力（‌P_p‌）共同决定，水平有效应力（σ'_H，σ'_h）受构造活动和岩石泊松比（ν）的影响^[9]。该阶段碎屑颗粒尚未固结成岩，随着碎屑颗粒埋藏深度增大，垂向有效应力逐渐接近水平有效应力，作用在碎屑颗粒上的垂向有效应力增大，碎屑颗粒间接触关系由点接触转向点-线接触，无法形成具有韵律特征低角度页理缝^[1-2]。页岩具有低弹性模量（E）和强应力敏感性，随着净上覆垂向有效应力的增加，覆压孔隙度（ɸ）和渗透率（K）会呈幂指数降低，反映了随着埋藏深度的增加和应力的增大，粒间孔进一步减小，碎屑颗粒间进一步压实。该阶段低角度页理缝难以形成。

2.1.3 成岩阶段

随着地层埋藏深度增大，由于化学成岩的胶结作用，碎屑颗粒空间位置趋于固定，继承了埋藏阶段碎屑颗粒接触关系，低角度页理缝难以形成。

2.1.4 生烃阶段

随着埋藏深度增加，烃源岩进入生烃阶段，如果孔隙流体压力大于地层破裂压力（P_f‌），地层岩石产生张性破裂；裂缝扩展过程中，因延伸路径的岩性差异导致弹性模量与应变（ε）不同，引发差异变形，最终发生剪切破裂。

基于Terzaghi破裂准则计算，水平裂缝与垂向裂缝的理论临界深度为652 m^[9]。当地层埋藏深度小于临界深度，水平有效应力主要由板块运动或构造活动产生的非静岩应力，水平有效应力大于垂向有效应力；如果此时地层发生破裂，将形成水平裂缝^[9]。通常情况下，埋藏深度较浅时，孔隙流体压力不足以大于地层破裂压力，无法形成裂缝。假设此阶段孔隙流体压力大于地层破裂压力，地层首先沿破裂压力最低的薄弱部位破裂并延伸，由此导致孔隙流体压力无法升高到邻近地层其它方位破裂压力相对高的部位发生破裂并延伸。生烃增压即使能产生水平缝，受限于压力释放机制，通常为孤立单缝，不会形成具有韵律特征的低角度页理缝。当埋藏深度大于临界深度，构造应力影响微弱，水平有效应力为垂向有效应力通过泊松效应产生的水平有效应力分量，水平有效应力小于垂向有效应力；如果此时地层发生破裂，产生的裂缝是垂直最小主应力方向的高角度裂缝而非低角度页理缝^[9]。

综上，从沉积阶段到生烃阶段，从埋藏阶段（地表至地层）到抬升阶段（地层至地表），由于碎屑颗粒及由其构成的岩石处于原位应力场，垂向上相邻的碎屑颗粒脱离接触条件不存在，无法形成具有韵律特征的低角度页理缝^[1-2]。

2.2 应力卸载阶段（抬升过程）

矿物的组构决定了其硬度、密度和结晶结构等性质，进而决定了弹性模量、剪切模量、泊松比等力学性能；碎屑岩由多种矿物组成，其岩石力学参数取决于矿物组成、成岩作用强度和组构。地层条件下原位应力场作用下的碎屑岩，处于压缩状态，类似于被压缩的弹簧（F=kx，F为弹力，k为倔强系数，x为弹性形变）。地层抬升过程中的应力-应变响应（卸荷作用）受控于围压解除程度与岩性差异，该阶段应力场-碎屑颗粒接触耦合关系分析可分为未出露地表与出露地表两阶段。

2.2.1未出露地表阶段（围压部分解除） 

受控于岩石弹性模量差异与Byerlee摩擦滑动准则^[11]，垂向有效应力卸载，可以形成高角度张剪性裂缝。

a 垂向有效应力卸载与差异回弹

上覆岩石剥离导致垂向有效应力卸载，在侧向围限条件下，垂向产生弹性回弹（ε_v =Δσ'_v/E），受弹性模量控制，硬岩回弹量弱，软岩回弹显著，横向的岩性变化导致层间产生垂向应变差（Δε_v = Δσ'_v/（1/E₁-1/E₂）），岩性界面产生剪应力（τ=GΔε_v，G=E /[2(1+ν)]，G为剪切模量），当剪应力超过界面抗剪强度时，形成高角度（60°-85°）张剪性裂缝。

b. 水平有效应力重分布与破裂分异

垂向差异回弹导致岩性界面剪应力累积的同时，水平有效应力差的重分布进一步影响破裂模式。水平有效应力差（σ'_H-σ'_h）受构造应力场松弛与泊松效应联合控制。当满足库伦破裂准则（σ'_H-σ'_h≥4C·cosφ/（1-sinφ），c为内聚力，φ为内摩擦角）^[11]，共轭剪裂缝以θ=±（45°-φ/2）发育。

有效应力卸载可以改变垂向有效应力，由于岩性不同，弹性模量不同，弹性回弹不同，垂向会产生差异变形，从而发生剪切破裂并产生高角度裂缝。受围岩约束，地层抬升不改变侧向应力，岩石在近水平方向不发生变形，不发生剪切破裂，近水平方向不产生低角度裂缝。

2.2.2 出露地表阶段（围压完全解除）

受控于泊松效应与Griffith张性破裂准则^[12]，垂向与水平有效应力协同卸载，沿层理面拉张或破裂。

a 垂向回弹主导的应变分异

垂向有效应力因上覆岩石剥离发生卸载，触发各岩石垂向回弹应变，低弹性模量岩石回弹量显著高于高弹性模量岩石。

b 水平回弹与层理面破裂

围压解除，垂向应变通过泊松效应转化为水平回弹应变（ε_h =-vε_v），水平回弹应变呈现明显分异：高弹性模量岩石回弹量小，低弹性模量岩石回弹显著，岩性界面处累积拉张应变能或剪切应变能。当拉张应变能超过岩石抗拉强度^[12]，或剪切应变能超过岩石内聚力时，沿层理面形成水平裂缝（拉张或剪切主导），即‌“假性页理缝”‌。

岩心应力卸载过程，取心至地表，失去围岩约束，所受的应力被卸载，类似于失去弹力的弹簧，岩心会在应力卸载的方向发生变形。由于原位应力场不同方向应力不同，岩心会在不同方向上产生差异变形，并可能因差异变形产生微裂缝。

以页岩为例，其微观上主要由基质和毫米-厘米级纹层构成；基质为长英质等碎屑颗粒，伊利石、伊/蒙混层等黏土矿物，以及有机质等组分的无序混积；纹层为长英质、凝灰质（以长英质、伊利石、黄铁矿为主）、有机质等某类组分的有序成层聚集。纹层的岩石力学性能因纹层的组分不同而存在差异。假设地层条件下处于原位应力场的页岩由有机质纹层（E₁为弹性模量、ν₁为泊松比）与长英质纹层（E₂为弹性模量、ν₂为泊松比）构成。当页岩取出至地表，失去围岩约束，纹层因应力卸载发生纵向变形（有机质ε_v1=Δσ'_v/E₁，长英质ε_v2=Δσ'_v/E₂）和横向变形（有机质ε_h1=-ν₁ε_v1，长英质ε_h2=-ν₂ε_v2）。在纵向，有机质纹层因弹性模量较低，垂向应变更大，导致其相对伸长量超过长英质纹层。在横向，回弹差异在岩性界面处累积拉张应变能或剪切应变能。‌若界面剪切应变能超过内聚力，沿纹层发生剪切滑移，形成微裂缝（剪切主导）；若界面拉张应变能超过长英质抗拉强度，则直接形成张性裂缝（拉张主导）。上述过程最终形成“假性页理缝”。纹层间岩石力学参数差异导致垂向和横向应变分异，界面处剪切应变能与拉张应变能累积是“假性页理缝”形成的核心机制。

页理缝认知困境源于学科割裂：沉积地质学聚焦碎屑颗粒接触关系的原生静态特征，忽视其在多阶段应力场中的动态响应；岩石力学强调现今应力场对碎屑颗粒接触关系的调控机制，忽视沉积-成岩历史进程多阶段应力场对碎屑颗粒接触关系的约束。学科割裂导致静态与动态、历史与现今的应力-组构关联失衡。

3 页理缝对油藏类型的控制效应

地层条件下低角度页理缝的存在性直接影响油藏类型判定，导致页岩型页岩油勘探开发面临理论颠覆与技术重构的双重挑战。

若地层条件下存在低角度页理缝，其与纳米-微米级基质孔隙共同构成“双孔隙系统”，通过连通孤立的基质孔隙显著提升有效储集能力和渗流能力，形成基质型油藏，显著提高技术可采储量和资源丰度估值^[8]。技术上的重点是页理缝发育程度的定量评价、体积压裂参数的优化等，技术复杂度和开发成本显著降低。

反之，若地层条件下不存在低角度页理缝，仅依赖单一基质孔隙及稀疏的构造成因高角度裂缝，储集能力受限，渗流高度依赖高角度裂缝密度与连通性，形成非均质性强的裂缝型油藏^[10]，技术可采储量显著降低，资源丰度估值趋于保守，现有试验井产能需重新评价。技术上的重点转向构造成因高角度裂缝的预测，技术复杂度和开发成本显著上升。

沉积地质学基于纹层接触关系否定页理缝存在，而岩石力学通过应力卸载解释地表假性页理缝，二者矛盾源于对“静态组构”与“动态应力”的侧重差异。

4 结论

（1）地层埋藏阶段（应力加载），岩石在高围压和垂向有效应力主导下可以形成高角度张剪性裂缝。地层抬升阶段（应力卸载），未出露地表的岩石因岩性横向变化引发垂向差异应变，沿岩性界面可以形成高角度张剪性裂缝；出露地表的岩石因垂向有效应力解除、水平有效应力释放，沿层理面破裂可形成低角度“假性页理缝”。裂缝产状受埋藏-抬升过程中应力状态动态演变的控制，地层条件下无法形成并存在低角度页理缝。

（2）地表岩心暴露的低角度“假性页理缝”是卸荷作用的次生产物，无法反映地层条件下真实裂缝系统。地层条件下裂缝产状由岩石抗拉强度与原位应力场共同控制，以高角度张剪性裂缝为主。地表卸荷破坏围压和应力各向异性，导致裂缝特征失真。 

（3）页理缝认知困境源于学科割裂：沉积地质学聚焦碎屑颗粒接触关系的静态岩性描述，忽视其在多阶段应力场中的动态响应；岩石力学强调现今应力场对碎屑颗粒接触关系的调控机制，忽视埋藏-抬升历史进程多阶段应力场对碎屑颗粒接触关系的约束。

（4）地层条件下无法形成并存在低角度页理缝，无法与纳米-微米级基质孔隙共同构成有效储集能力和渗流能力强的“双孔隙系统”。针对无规模砂体的页岩型页岩油，其勘探方向需从依赖基质孔隙系统的“基质型油藏”向依赖高角度张剪性裂缝的“裂缝型油藏”转变，技术上的重点需转向构造成因高角度裂缝的预测。

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