上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣儲層礦物成分特征

上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組 （∈1n）廣泛分布富有機(jī)質(zhì)頁巖，具有巨大的頁巖氣勘探潛力［1，2］。未運(yùn)移頁巖的頁巖氣，表現(xiàn)為 “連續(xù)成藏”的聚集模式［3］。諸如美國頁巖氣工業(yè)開采層位均來自于頁巖發(fā)育層 （Fort Worth盆地Barnett組頁巖和Michigan盆地Antrim組頁巖）［4］，國內(nèi)關(guān)于下古生界頁巖氣的成藏條件和成藏機(jī)理的研究處于探索階段，比如，頁巖氣聚集機(jī)理［2］，聚集條件及主控因素［5］，頁巖氣儲層裂縫研究［6］，諸多都是從外因評價儲層，然而決定頁巖氣儲層優(yōu)劣的內(nèi)因是頁巖儲層礦物成分，因此需要進(jìn)一步對頁巖的儲層礦物成分特性開展深入研究。

頁巖氣一般或游離于基質(zhì)孔隙和天然裂縫中，或吸附于有機(jī)質(zhì)和黏土礦物表面，分析儲層的礦物成分是分析頁巖儲層吸附能力和基質(zhì)孔隙的關(guān)鍵［7］。鑒于對上揚(yáng)子地區(qū)∈1n的巖心樣品巖礦測試和野外露頭采樣分析，采用常規(guī)薄片、X射線衍射和掃描電鏡等技術(shù)，探討∈1n頁巖儲層礦物成分特征及其對儲層的影響。

圖1 上揚(yáng)子地區(qū)構(gòu)造圖及∈1n厚度分布特征

1 區(qū)域地質(zhì)概況

上揚(yáng)子地區(qū)是指南秦嶺南緣斷裂以南、埡都－紫云－羅甸斷裂以北、龍門山斷裂系以東、雪峰山以西的廣大地區(qū)，面積約3．5×105km2（圖1）。上揚(yáng)子地臺是從震旦紀(jì)至中三疊世接受地臺型沉積區(qū)。經(jīng)歷了克拉通和前陸盆地2個構(gòu)造演化階段，在早古生代接受了一套巨厚的海相沉積。

在早寒武世早期，海平面快速上升并形成早古生代最大的海侵作用。以陸源碎屑沉積為主，物源來自西部的康滇古陸和滬定古陸［8］，上揚(yáng)子地區(qū)處于淺水陸棚～深水陸棚環(huán)境，局部為半深海沉積環(huán)境?！?n發(fā)育了一套深灰色～黑色碳質(zhì)泥巖、頁巖以及石煤，甚至在∈1n底部沉積了薄層的硅質(zhì)頁巖，厚度一般在56～400m，底界埋深一般在2．5～6．5km。

2 泥頁巖儲層巖石學(xué)特征

礦物組成影響頁巖儲層的基質(zhì)孔隙以及頁巖氣藏的品質(zhì)，能對成熟度進(jìn)行分析，同時也能為鉆井、完井和壓裂提供分析資料［6］。上揚(yáng)子地區(qū)∈1n富有機(jī)質(zhì)頁巖分布廣泛，普遍含有粉砂質(zhì)，微含鈣質(zhì)，黃鐵礦豐富，多呈分散狀分布。據(jù)甕安永和、松林、白果坪露頭觀察和采樣，礦物成分定量分析結(jié)果表明（圖2），脆性礦物體積分?jǐn)?shù)介于46．89%～88．54%，平 均 為 68．82%；脆性礦物中，石英體積分?jǐn)?shù)一般在9．67%～83．64%，平均為55．07%；長石體積分?jǐn)?shù)一般在1．43%～25．65%，平均為9．71%；黏土礦物體積分?jǐn)?shù)介于11．61%～47．37%；平均為26．26%。黏土礦物中，伊利石含量最高，高嶺石含量極少，不含蒙脫石。碳酸鹽巖體積分?jǐn)?shù)介于0．65%～19．8%，平均為4．56%；黃鐵礦體積分?jǐn)?shù)介于0．41%～3．11%。

相對于美國Ohio、Woodford／Barnett頁巖開發(fā)層的礦物成分 （石英、長石和黃鐵礦體積分?jǐn)?shù)介于20%～80%之間的區(qū)域內(nèi)，碳酸鹽巖體積分?jǐn)?shù)低于25%，黏土體積分?jǐn)?shù)介于15%～65%之間）［9］，上揚(yáng)子地區(qū)∈1n頁巖氣儲層中碳酸鹽礦物含量明顯要低一些，但也具有良好的頁巖氣開發(fā)的條件。

圖2 上揚(yáng)子地區(qū)∈1n與北美Barnett頁巖礦物組成對比三角圖 （剖面位置見圖1）

3 黏土礦物特征

黏土礦物的研究已在地層劃分與對比，成巖階段劃分，測井解釋等諸多方面成為不可缺少的重要內(nèi)容。Barnett頁巖層中黏土礦物主要為微含蒙皂石的伊利石［10］。上揚(yáng)子地區(qū)∈1n頁巖氣儲層黏土礦物分析結(jié)果表明：主要是伊利石，其次為綠泥石、伊－蒙間層，I／S混層比相對含量介于12%～50%，平均為26．52%，不含高嶺石 （圖3）。

圖3 上揚(yáng)子地區(qū)∈1n頁巖黏土礦物組成

3．1 黏土礦物成分反映的頁巖氣成熟度信息

雖然利用黏土礦物轉(zhuǎn)化劃分成巖階段的應(yīng)用存在很大的局限性［11］，但針對黏土礦物的組成、含量和成巖變化特征分析，有助于分析其所經(jīng)的古環(huán)境和成巖作用階段［12］。劉偉新等［13］研究表明，不同的黏土礦物演化及組合可以反映不同成巖作用階段及其成熟度，黏土礦物中含有伊利石可以反映晚成巖作用階段。比如，渝南丁山1井的∈1n泥巖伊利石結(jié)晶度為0．28～0．330（△2θ），依據(jù)石油標(biāo)準(zhǔn)（SY／T 5477－2003），有機(jī)質(zhì)熱演化處于過成熟中晚期階段。

表1 上揚(yáng)子地區(qū)∈1n礦物成分X射線衍射分析結(jié)果 （剖面位置見圖1）

上揚(yáng)子地區(qū)甕安永和 （YH）、松林 （SL）、王村 （WC）、大坪 （DP）野外露頭和李1井 （Li1）巖心等樣品黏土礦物X射線衍射 （表1）結(jié)果表明：相對伊利石體積分?jǐn)?shù)占黏土礦物體積分?jǐn)?shù)介于38．0%～81．0%，平均達(dá)到了54．3% ，伊利石體積分?jǐn)?shù)高而穩(wěn)定，伊－蒙間層體積分?jǐn)?shù)介于1．78%～21．75%，平均為6．89%，不含高嶺石，依據(jù)王行信等［14］研究，上揚(yáng)子地區(qū)∈1n頁巖黏土礦物組合反映進(jìn)入了晚成巖階段B期，對應(yīng)有機(jī)質(zhì)演化階段為高－過成熟階段，鏡質(zhì)體反射率Ro大于2．0%。實(shí)際測定瀝青反射率為2．01%～3．77%。綜上所述，上揚(yáng)子地區(qū)∈1n礦物成分所反映的成熟度，都已進(jìn)入生氣窗內(nèi)，對頁巖氣成藏十分有利。

3．2 黏土礦物對孔隙度、滲透率的影響

頁巖氣儲層中黏土礦物對于孔隙的演化和保存具有重要作用。其中自生高嶺石與孔隙度、滲透率呈正相關(guān)關(guān)系，他生高嶺石與孔隙度、滲透率的正相關(guān)關(guān)系不明顯。因?yàn)楦邘X石一般呈書頁狀、蠕蟲狀，晶片之間結(jié)合力很弱，在受力作用下容易脫落，成為碎片，堵住孔隙喉道［15］。上揚(yáng)子地區(qū)∈1n中高嶺石含量很少，因此在開采時不易產(chǎn)生儲層的速敏性損害。

圖4 上揚(yáng)子地區(qū)∈1n頁巖礦物成分特征

自生綠泥石的形態(tài)一般為葉片狀、針葉狀 （圖4（a））。黏土礦物中單礦物綠泥石和綠蒙混層組合形成的包膜，或綠泥石在孔隙保護(hù)和演化中起著顯著作用［16］。綠泥石生長發(fā)育的形態(tài)愈典型，與孔隙度、滲透率呈正相關(guān)的相關(guān)系數(shù)越大 （圖5）。

∈1n頁巖中伊利石相對體積分?jǐn)?shù)與孔隙度之間具有弱的正相關(guān)關(guān)系，與滲透率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系 （圖5）。這是由于伊利石成絲狀 （圖4（b）），容易使孔喉變小。伊－蒙間層相對體積分?jǐn)?shù)與孔隙度、滲透率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這是由于伊－蒙間層黏土礦物對油氣層的損害介于蒙皂石和伊利石之間，為水敏性和速敏性損害［16］。

上揚(yáng)子地區(qū)∈1n黏土礦物含有豐富的綠泥石，因此必然具有較高的孔隙度和滲透率?？偟膩碚f，研究區(qū)∈1n頁巖具有較好的儲集條件，能為頁巖氣提供良好的儲存場所。

4 脆性礦物特征

頁巖的脆性礦物含量影響基質(zhì)孔隙度和微裂縫發(fā)育程度［17］，頁巖中硅質(zhì)、石英、長石、碳酸鹽巖等脆性礦物越富集，越容易在外力作用下產(chǎn)生天然裂隙和誘導(dǎo)裂隙。

圖5 上揚(yáng)子地區(qū)∈1n頁巖黏土礦物相對體積分?jǐn)?shù)與孔隙度、滲透率關(guān)系圖

從北美主要頁巖氣產(chǎn)層來看［18］，除了含氣量很高外，脆性礦物體積分?jǐn)?shù)一般高于50%，石英體積分?jǐn)?shù)一般介于20%～60% （表2）。上揚(yáng)子地區(qū)∈1n頁巖厚度一般介于56～400m，從露頭和井下頁巖樣品觀察發(fā)現(xiàn)，頁巖容易產(chǎn)生球狀分化，泥頁巖中的微孔隙、微裂隙非常發(fā)育，微孔隙呈蜂窩狀。頁巖脆性礦物石英體積分?jǐn)?shù)最高，一般高于40%，其次長石、碳酸鹽巖。因此，上揚(yáng)子地區(qū)∈1n是理想的頁巖氣重點(diǎn)研究勘探開發(fā)層位。

表2 北美頁巖與上揚(yáng)子地區(qū)∈1n頁巖特征對比

孔隙度與吸附氣含量具有一定的正相關(guān)關(guān)系，脆性礦物中石英、碳酸鹽巖體積分?jǐn)?shù)與孔隙度也具有相關(guān)性。從野外露頭和井下巖心等多個樣品，對石英、碳酸鹽巖體積分?jǐn)?shù)與孔隙度的相關(guān)性分析，其中石英體積分?jǐn)?shù)與孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系 （圖6），這是由于石英抗壓實(shí)能力強(qiáng) （圖4（c）），在后期壓實(shí)過程中，石英體積分?jǐn)?shù)越高，相應(yīng)的孔隙度越大。碳酸鹽巖體積分?jǐn)?shù)和孔隙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系 （圖6）。主要因?yàn)樵诔蓭r過程中，方解石 （碳酸鹽礦物）充填在原生孔隙或裂縫中 （圖4（d）），導(dǎo)致孔隙度降低。但碳酸鹽礦物在頁巖氣開采壓裂過程中容易破裂，使儲層產(chǎn)生密集的裂縫網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而提高儲層滲透率。因此，上揚(yáng)子地區(qū)∈1n頁巖脆性礦物石英體積分?jǐn)?shù)較高，相應(yīng)的孔隙度較高，預(yù)測相應(yīng)的含氣量也較高，可以作為頁巖氣有利勘探區(qū)帶。

5 結(jié)論

圖6 上揚(yáng)子地區(qū)頁巖脆性礦物石英、碳酸鹽巖體積分?jǐn)?shù)與孔隙度的關(guān)系

1）上揚(yáng)子地區(qū)∈1n頁巖礦物組成種類較多，脆性礦物體積分?jǐn)?shù)較高，介于46．89%～88．54%，平均為68．82%；黏土礦物體積分?jǐn)?shù)介于11．61%～47．37%；平均含量為26．26%。脆性礦物中，石英含量最高，其次是長石、方解石，還含有少量的黃鐵礦，體積分?jǐn)?shù)介于為0．41%～3．11%；黏土礦物中，伊利石含量最高，其次綠泥石，伊－蒙間層，高嶺石含量極少，不含蒙脫石。

2）黏土礦物演化及組合可以反映成巖作用階段及其成熟度，∈1n黏土礦物中富含伊利石、I／S有序混層和綠泥石，不含高嶺石，表明成巖作用進(jìn)入了晚成巖階段B期，對應(yīng)有機(jī)質(zhì)演化階段為高－過成熟階段。

3）分析∈1n礦物成分與物性關(guān)系，表明黏土礦物中綠泥石相對體積分?jǐn)?shù)與孔隙度、滲透率呈正相關(guān)關(guān)系；伊利石相對體積分?jǐn)?shù)與孔隙度之間具有弱的正相關(guān)關(guān)系，與滲透率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；脆性礦物石英體積分?jǐn)?shù)與孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系，碳酸鹽體積分?jǐn)?shù)和孔隙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

［1］李建忠，董大忠，陳更生，等 ．中國頁巖氣資源前景與戰(zhàn)略地位 ［J］．天然氣工業(yè)，2009，29（5）：11～16．

［2］鄒才能，董大忠，王社教，等 ．中國頁巖氣形成機(jī)理、地質(zhì)特征及資源潛力 ［J］．石油勘探與開發(fā)，2010，37（6）：641～652．

［3］蔣裕強(qiáng)，董大忠，漆麟，等 ．頁巖氣儲層的基本特征及其評價 ［J］．天然氣工業(yè)，2010，30（10）：7～12．

［4］曾祥亮，劉樹根，黃文明，等 ．四川盆地志留系龍馬溪組頁巖與美國Fort Worth盆地石炭系Barnett組頁巖地質(zhì)特征對比 ［J］．地質(zhì)通報(bào)，2011，30 （2－3）：372～383．

［5］董大忠，程克明，王世謙，等 ．頁巖氣資源評價方法及其在四川盆地的應(yīng)用 ［J］．天然氣工業(yè)，2009，29（5）：33～39．

［6］聶海寬，張金川 ．頁巖氣聚集條件及含氣量計(jì)算——以四川盆地及其周緣下古生界為例 ［J］．地質(zhì)學(xué)報(bào)，2012，86（2）：1～11．

［7］郭嶺，姜在興，姜文利，等 ．頁巖氣儲層的形成條件與儲層的地質(zhì)研究內(nèi)容 ［J］．地質(zhì)通報(bào)，2011，30（2－3）：385～391．

［8］王鵬萬，陳子炓，賀訓(xùn)云，等 ．黔南坳陷下寒武統(tǒng)頁巖氣成藏條件與有利區(qū)帶評價 ［J］．天然氣地球科學(xué)，2011，22（3）：518～523．

［9］李新景，呂宗剛，董大忠，等 ．北美頁巖氣資源形成的地質(zhì)條件 ［J］．天然氣工業(yè)，2009，29（5）：27～32．

［10］劉樹根，馬文辛，黃文明，等 ．四川盆地東部地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖儲層特征 ［J］．巖石學(xué)報(bào)，2011，27（8）：2239～2252．

［11］趙杏媛，何東博 ．粘土礦物分析及其在石油地質(zhì)應(yīng)用中的幾個問題 ［J］．新疆石油地質(zhì)，2008，29（6）：756～784．

［12］陳尚斌，朱炎銘，王紅巖，等 ．四川盆地南緣下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣儲層礦物成分特征及意義 ［J］．石油學(xué)報(bào)，2011，32（5）：775～781．

［13］劉偉新，王延斌，秦建中 ．川北阿壩地區(qū)三疊系黏土礦物特征及地質(zhì)意義 ［J］．地質(zhì)科學(xué)，2007，42（3）：469～482．

［14］王行信，韓守華．中國含油氣盆地砂泥巖黏土礦物的組合類型 ［J］．石油勘探與開發(fā)，2002，29（4）：1～3．

［15］趙杏媛 ．粘土礦物與油氣 ［J］．新疆石油地質(zhì)，2009，30 （4）：533～536．

［16］朱平，黃思靜，李德敏，等 ．粘土礦物綠泥石對碎屑儲集巖孔隙的保護(hù) ［J］．成都理工大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2004，31（2）：153～156．

［17］李新景，胡素云，程克明 ．北美裂縫性頁巖氣勘探開發(fā)的啟示 ［J］．石油勘探與開發(fā)，2007，34（4）：392～400．

［18］Loucks R G，Ruppel S C．Mississippian barnett shale：Lithofacies and depositional setting of a deeprwater shalegas succession in the FortWorth Basin，Texas［J］．AAPG Bulletin，2007，91 （4）：579～601．