综述：由烃类生成引发的天然水力压裂：综述

《Earth-Science Reviews》：Natural hydraulic fracturing induced by hydrocarbon generation: A comprehensive review

基于烃类生成超压的岩石力学演化研究，揭示了低渗透岩石（如页岩）中由烃类生成诱导裂缝（HGIFs）的完整生命周期，提出动态演化模型包含四个阶段：I（Ro<0.5%）脆性增强与机械分层；II（0.5%3.5%）裂缝衰减。该模型为全球盆地天然裂缝评估及甜点区预测提供理论支撑。

　　

刘大东|徐明亮|田辉|宋燕|姜振学|曹倩|范晴晴

中国石油大学石油资源与工程国家重点实验室，北京102249，中国

摘要

由烃类生成引起的超压作用所诱发的自然裂缝是岩石破坏的典型模式，尤其是在像页岩这样的低渗透性岩石中。通过综合岩石力学、地球化学和石油地质学的已发表数据，我们描述了烃类生成诱导裂缝（HGIFs）的完整生命周期，并提出了一个动态演化模型，该模型包括四个连续且相互关联的演化阶段：（I）脆化与机械分层阶段，（II）平行于层理的裂缝形成阶段，（III）垂直于层理的裂缝形成阶段，以及（IV）衰减阶段。第一阶段与早期成岩作用和埋藏过程中粘土矿物的转化及自生胶结作用有关（镜质体反射率R_o < 0.5%）。这些过程从根本上改变了源岩的力学性质，将泥质沉积物转变为具有明显机械分层的脆性岩石体。第二阶段与正常油生成驱动的流体体积膨胀和超压作用相关（0.5% < R_o < 1.0%）。早期的机械分层导致裂缝优先沿着层理面扩展。第三阶段的特点是由于轻质油的生成和油向气的转化而持续产生超压（1.0% < R_o < 3.5%）。流体压力的增加最终超过了垂直围压，使裂缝能够跨越层理面扩展，并与现有的平行于层理的裂缝形成连通网络。第四阶段的特点是在超高热成熟度下裂缝发育减缓（R_o > 3.5%）。烃类生成能力的下降以及页岩的石墨化共同抑制了进一步的裂缝形成。因此，HGIFs的形成受到成岩作用和烃类生成演化相互作用的控制。本研究提出的四阶段演化模型为全球盆地中的自然裂缝评估提供了关键见解，并对甜点预测和水力压裂设计提供了重要支持。

引言

源岩中的烃类生成是一个多阶段过程，会导致大量液态或气态流体的体积膨胀和释放（Spencer, 1987; Jarvie et al., 2007; Mastalerz et al., 2013; Laubach et al., 2019; Gale et al., 2022）。在低渗透性岩石中，包括页岩和泥岩，生成的流体无法有效排出，从而导致内部压力增加（即流体超压；Osborne and Swarbrick, 1997; English and Laubach, 2017; Guo et al., 2019; Wang et al., 2020）。一旦孔隙流体压力超过最小主应力（σ₃），地层就会发生水力压裂（Secor, 1965; Engelder, 1985）。这种裂缝被称为烃类生成诱导裂缝（HGIFs；Vernik, 1994; Gale et al., 2014; Fall et al., 2015; Liu et al., 2024）。先前的研究对HGIFs进行了广泛研究；特别是，平行于层理的纤维状脉和“锥中锥”结构被认为是HGIFs的典型指标（Cobbold et al., 2013），并且已在世界各地的许多页岩地层中得到报道（图1），包括北美洲阿巴拉契亚盆地的马塞勒斯页岩（Engelder et al., 2009; Hooker et al., 2017）、英国韦塞克斯盆地的金梅里奇富粘土页岩（Zanella et al., 2015; Meng et al., 2017）、阿根廷内乌肯盆地的瓦卡穆埃塔地层（Rodrigues et al., 2009; Cruset et al., 2021b; Spacapan et al., 2022）、中国四川盆地的龙马西页岩地层（Gao et al., 2020; Wang et al., 2022; Liu et al., 2024; Zhang et al., 2025）以及中国渤海湾盆地的沙河街地层（Luan et al., 2019; Wang et al., 2020, Wang et al., 2023）。

随着新方法和技术（包括数值模拟、原位热模拟、裂缝脉的同位素测年、流体包裹体微测温以及原位微量地球化学分析）的应用，人们对这些裂缝的形成机制和演化过程有了显著的理解进展（例如，Hooker et al., 2017, Hooker et al., 2019, Hooker et al., 2022; Laubach et al., 2019; Wang et al., 2020, Wang et al., 2024d; Cruset et al., 2021b, Cruset et al., 2023; Gale et al., 2022; Zhang et al., 2022, Zhang et al., 2025; Fan et al., 2024, Fan et al., 2025; Liu et al., 2024; Shao et al., 2025; He et al., 2026）。传统模型认为HGIFs通常平行于层理，因为层理面是力学上的薄弱面，有机物通常沿这些面分布。在烃类生成压力的影响下，裂缝优先沿着这些薄弱层理面开始扩展（Cobbold and Rodrigues, 2007; Cobbold et al., 2013）。然而，最近的热模拟研究表明，随着热成熟度的增加，流体超压和压实不平衡会导致裂缝从沿着层理面扩展转变为穿越层理面扩展（Shao et al., 2025）。因此，许多跨层裂缝实际上也是由烃类生成超压引起的。同时，经典理论认为页岩的力学性质相对稳定；然而，最近的研究表明，页岩的力学性质从低成熟度的生物气阶段到高成熟度甚至过成熟阶段发生了显著变化（Wang et al., 2024b）。此外，早期研究认为流体压力必须接近岩石静水压力才能驱动裂缝开启；然而，最新研究表明，裂缝也可能通过溶解-沉淀过程在破裂压力以下逐渐形成（Wang et al., 2020, Wang et al., 2024d）。因此，HGIFs的形成是一个与烃类生成和源岩成岩演化高度相关的动态演化过程。

鉴于HGIFs在自然裂缝网络和后续水库刺激中的关键作用，对其进行系统评估是必要的。在这里，基于来自全球各盆地的已发表的岩石学、地球化学、流体包裹体、物理和数值模拟数据的汇编，我们全面回顾了HGIFs的形成和演化过程，详细介绍了它们在烃类生成生命周期中的四个关键阶段（图2），即脆化与机械分层阶段（R_o < 0.5%）、平行于层理的裂缝形成阶段（0.5% < R_o < 1.0%）、垂直于层理的裂缝形成阶段（1.0% < R_o < 3.5%）以及衰减阶段（R_o > 3.5%）。我们回顾了与HGIFs相关的成因机制、诊断特征、地质意义和未来研究方向，以加深我们对源岩中超压驱动裂缝的理解。

节选

早期成岩作用和生物气生成阶段的脆化与机械分层

在早期成岩阶段（R_o < 0.5%）（Horsfield and Rullk?tter, 1994），像页岩这样的源岩不会直接形成大规模的HGIFs。然而，粘土矿物转化和自生胶结等过程显著改变了源岩的力学性质（Boles and Franks, 1979）。这种改变增加了岩石的硬度和脆性，并建立了垂直的机械分层（Laubach et al., 2009; Sone and Zoback, 2013），为后续的裂缝形成创造了条件

平行于层理的裂缝形成阶段

随着埋藏深度的增加，源岩（页岩和泥岩）进入油窗（0.5% < R_o < 1.0%），在此期间，干酪根的裂解会产生液态烃类，并伴随少量气体（Jarvie et al., 2007）。这些超低渗透性岩石中的体积膨胀和相变会导致孔隙压力增加，甚至可能达到异常压力水平（Spencer, 1987; Pepper and Corvi, 1995; Cobbold et al., 2013; Guo et al., 2019; Hooker et al., 2020）。这种超压作用

垂直于层理的裂缝形成阶段

随着继续埋藏进入轻质油和气体生成阶段（R_o: 1.0%–3.5%），由烃类生成引起的流体体积膨胀明显大于早期油窗阶段的膨胀。早期研究表明，与油裂解为气相关的体积膨胀是初次油生成时的2到10倍（图9; Barker, 1990; Pepper and Corvi, 1995; Lewan and Ruble, 2002; Tian et al., 2008; Tang et al., 2024）。这导致

压力降低和裂缝衰减

随着热演化进入高度过成熟阶段（R_o > 3.5%），油裂解产生的气体生成能力显著降低，从而减少了新产生流体超压的能力，不利于HGIFs的发展（Bernard et al., 2012; Curtis et al., 2012; Hackley and Cardott, 2016; Tang et al., 2016; Ma et al., 2017b; Lei et al., 2025）。同时，干酪根逐渐发生结构有序化并开始转化为

由烃类生成引起的裂缝的耦合机制和控制因素

总体而言，HGIFs的形成是一个复杂的多方面过程，涉及岩石学、地球化学和力学成分。HGIFs的形成反映了有机物热力学演化与岩石力学行为之间的相互作用。粘土和有机物的各向异性微观结构使岩石能够通过层平行滑移和体积膨胀过程中的孔隙压力积累来缓冲部分应力，而液体和气体

地质意义

HGIFs在烃类积累中的关键作用主要体现在两个方面：（1）作为油和气的主要迁移路径；（2）提高水库的孔隙度和渗透性并改变岩石的润湿性（Vernik, 1994; Vernik and Landis, 1996; Sun et al., 2022; Ji et al., 2024）。在没有断层或连通砂体的情况下，近源水平微裂缝是烃类从源岩中排出的唯一通道。实验模型已经

压力演化和跨盆地地质年代学的定量分析

尽管在HGIFs的研究方面取得了显著进展，但仍有一些知识空白需要进一步研究。这些包括对孔隙压力如何克服源岩强度以及这些岩石能够达到的最大压力的理解有限。一个显著的例子来自Wang et al.（2022）的研究，他们记录了龙马西页岩中流体包裹体中的孔隙压力高达约230 MPa，远远超过了该区域的岩石静水压力

结论

基于来自全球各盆地的已发表的岩石学、地球化学、流体包裹体、物理和数值模拟数据的汇编，我们系统地回顾了烃类生成诱导裂缝（HGIFs）的成因和演化过程，得出以下结论。

(1)

HGIFs经历四个阶段：第一阶段（R_o < 0.5%），其特征是矿物学控制的脆化和机械分层；第二阶段（0.5% < R_o < 1.0%），以平行于层理的裂缝形成为标志

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

作者声明在写作过程中没有使用生成式AI和AI辅助技术。

未引用的参考文献

Roberts et al., 2020

利益冲突声明

作者声明与本研究无关的任何利益冲突。

致谢

我们衷心感谢编辑David Cruset博士以及两位匿名审稿人的宝贵反馈和建设性建议，这些意见极大地增强了本文的质量。本工作得到了中国自然科学基金（项目编号：42472185, 42330811）、贵州省科技创新人才团队（Qian Ke He Platform Talent-CXTD，项目编号：[2023]013以及贵州省地质调查局（项目编号：）的财政支持