湖南漣源凹陷下石炭統(tǒng)測水組泥頁巖礦物組分與脆性特征研究

王　強，白云山，苗鳳彬

（中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢430205）

湖南漣源凹陷下石炭統(tǒng)測水組泥頁巖礦物組分與脆性特征研究

王強，白云山，苗鳳彬

（中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢430205）

應(yīng)用X射線衍射（XRD）分析技術(shù)對湖南漣源凹陷石炭系測水組泥頁巖進行礦物組成與脆性特征研究。結(jié)果表明，漣源凹陷石炭系測水組泥頁巖中礦物成分復(fù)雜，石英含量最高，平均72.61%，粘土礦物含量次之，平均19.46%，含有少量的長石、白云石、黃鐵礦和方解石，平均質(zhì)量分數(shù)分別為4.02%，4.75%，2.01%和1.66%。總體來說，該地區(qū)石炭系測水組頁巖的礦物組成特征與北美woodforth頁巖比較相似。漣源凹陷測水組頁巖中脆性礦物豐富、含量高，脆性指數(shù)平均0.8。研究表明漣源凹陷測水組泥頁巖整體上具有良好的脆性特征，有利于該區(qū)頁巖氣的壓裂改造。

漣源凹陷；測水組；礦物組成；脆性特征；頁巖氣

Wang Q，Bai Y S，Miao F B.

Geology and Mineral Resources of South China，2016，32（2）：166-171.

近年來，隨著能源需求的增加和天然氣勘探理論、技術(shù)的發(fā)展，頁巖氣作為新興的非常規(guī)能源日益受到國內(nèi)外眾多專家學(xué)者的關(guān)注。國土資源部最新公布的全國頁巖氣資源潛力調(diào)查評價結(jié)果顯示，中國頁巖氣可采儲量約為25.08×1012m3［1］。2012年中石化在涪陵焦石壩構(gòu)造位置部署的焦頁1井成功鉆探，發(fā)現(xiàn)了中國首個大型頁巖氣田，目前已經(jīng)形成產(chǎn)能［2］。

頁巖氣與常規(guī)油氣系統(tǒng)不同，為典型的自生自儲、原地成藏模式，主要以游離態(tài)和吸附態(tài)方式賦存于富有機質(zhì)泥頁巖中［3-5］。泥頁巖既是烴源巖，又是儲集層，頁巖中的礦物直接控制頁巖孔隙和微構(gòu)造的發(fā)育，對頁巖含氣性和儲集物性具有重要影響［6］。泥頁巖礦物組分對有機質(zhì)烴源巖的生烴模式和排烴效率有著重要影響［7］，脆性礦物的分布直接控制頁巖孔隙和微構(gòu)造的發(fā)育，決定著頁巖氣的儲集空間和滲流通道［8-9］。

泥頁巖中礦物組分的研究對頁巖氣成藏機理、資源評價以及工業(yè)開采均有重要意義。漣源凹陷測水組發(fā)育良好的富有機質(zhì)泥頁巖，具有廣闊的頁巖氣資源評價前景，通過對測水組泥頁巖樣品開展X射線衍射實驗（XRD），對測水組泥頁巖的礦物組分開展系統(tǒng)分析，為該地區(qū)的頁巖氣資源評價和勘探開發(fā)提供理論依據(jù)。

1　區(qū)域地質(zhì)概況

漣源凹陷位于雪峰構(gòu)造帶東緣，是一個在前泥盆系淺變質(zhì)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一個繼承性的沉積盆地，發(fā)育中泥盆統(tǒng)至下三疊統(tǒng)碳酸鹽巖夾碎屑巖海相建造，局部殘存下侏羅統(tǒng)和上白堊統(tǒng)陸相地層，面積約為6770m2［10］。從上古生界蓋層沉積后，其構(gòu)造變形主要經(jīng)歷了海西運動、印支運動、燕山運動、喜山運動以及新構(gòu)造運動等大的構(gòu)造階段。凹陷四周均為隆起，其中西部為雪峰隆起、北部為溈山凸起、東部和衡陽盆地西肩隆起相鄰、南部為龍山—白馬山凸起，凹陷內(nèi)按構(gòu)造樣式可分成西部疊瓦逆掩沖斷帶、中部褶斷帶和東部滑覆疊瓦沖斷帶三個構(gòu)造單元［11］（圖1）。

漣源凹陷下石炭統(tǒng)測水組巖性特征比較穩(wěn)定，為一套海陸過渡相的陸源碎屑含煤層系，是中國南方早石炭世重要的含煤建造，主要發(fā)育濱岸瀉湖或沼澤相，泥頁巖累計厚度可達100多米［12］。根據(jù)巖性巖相特征及含煤特征，測水組可分為上下兩段，下段由灰色、灰白色石英砂巖、灰黑色粉砂巖和泥巖組成，夾多個煤層，含有較多的菱鐵礦層和菱鐵礦結(jié)核；上段由灰白色石英砂巖、砂質(zhì)礫巖、灰色粉砂巖、頁巖和石灰?guī)r等組成［13］。

圖1　漣源凹陷構(gòu)造格局與鄰區(qū)位置簡圖Fig.1 Tectonic framework and adjacent area location ofLianyuan depression

2　泥頁巖礦物成分

2.1測水組泥頁巖全巖礦物成分

漣源凹陷下石炭統(tǒng)測水組為一套碎屑巖為主的濱岸瀉湖和沼澤沉積，主要巖性以粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖為主。從湘中漣源凹陷測水組泥頁巖樣品的X射線衍射分析結(jié)果來看，下石炭統(tǒng)測水組泥頁巖的礦物成分復(fù)雜。泥頁巖樣品中含有石英、長石、白云石、黃鐵礦、方解石等脆性碎屑礦物，還含有粘土礦物。

根據(jù)漣源凹陷測水組礦物成分X射線衍射實驗分析結(jié)果來看（表1），泥頁巖中的礦物組分以石英和粘土礦物為主。其中石英礦物的含量最高，最高可以達到87.72%，最低的也有51.80%，平均72.61%。粘土礦物含量最低3.42%，最高43.50%，平均達到19.46%。

泥頁巖中其余礦物組分較少，長石含量1.23% ～9.27%，平均4.02%；方解石含量0.95%～3.3%，平均1.66%；黃鐵礦含量0.85%～6.11%，平均2.01%；白云石含量0.91%～9.66%，平均4.75%；另外其余礦物如菱鐵礦等含量更少，平均不到4%。

將漣源凹陷測水組泥頁巖樣品的礦物組成含量與北美阿卡馬盆地Woodford頁巖、福特沃斯盆地Barnett頁巖進行了對比［4，14］（圖2），漣源凹陷測水組泥頁巖礦物石英含量相對較高，分布區(qū)域與福特沃斯Barnett頁巖有所區(qū)別，整體來看，與阿卡馬盆地的Woodforth頁巖較為相似。

2.2測水組泥頁巖粘土礦物成分

粘土礦物對頁巖氣的形成主要有兩個作用：一是吸附有機質(zhì)，對烴源巖中有機質(zhì)的富集程度起重要作用；二是在有機質(zhì)向烴類物質(zhì)轉(zhuǎn)過過程中起催化作用［15］。在對泥頁巖進行X射線衍射全巖礦物實驗分析基礎(chǔ)上，對樣品的粘土礦物成分相對含量也進行了實驗測試。表1、圖3粘土礦物成分定量分析結(jié)果表明，漣源凹陷下石炭統(tǒng)測水組泥頁巖樣品的粘土礦物主要是伊利石、伊蒙混層、高嶺石和綠泥石，個別樣品含有少量蒙皂石。樣品的粘土礦物含量中伊利石含量最高，分布范圍28%～60%，平均為37.44%，其次為伊蒙間層（混層），含量分布范圍13%～59%，平均30.11%，高嶺石的含量為6% ～50%，平均23.44%，綠泥石含量較低，2%～16%，平均只有7.11%。

3　泥頁巖脆性特征分析

圖2　漣源凹陷測水組頁巖礦物組成Fig.2 Mineral composition ofthe Ceshui Formation shale in Lianyuan depression

泥頁巖脆性礦物含量是影響頁巖基質(zhì)孔隙和微裂縫發(fā)育程度、含氣性及壓裂改造方式等的重要因素［16］。富含石英、方解石等脆性礦物的泥頁巖在外部應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂縫，成為重要頁巖氣流體通道［17］，具備商業(yè)開發(fā)條件的頁巖脆性礦物含量一般高于40%，粘土礦物含量小于30%［3-4］。當石英含量在20%以上時，頁巖就具有良好的壓裂性，巖石脆性越高，壓裂效果越好［18］。

漣源凹陷測水組泥頁巖樣品中脆性礦物主要包括石英、長石、方解石和白云石，如圖4所示脆性礦物含量分布在53.03%～94.12%，平均75.32%，具備高含量的脆性礦物特征（平均大于50%）。頁巖脆性指數(shù)作為評價頁巖脆性特征的主要參數(shù)，對頁巖氣資源評價具有重要意義。北美頁巖的脆性礦物種類單一，通常采用脆性指數(shù)Ⅰ，對于礦物成分較復(fù)雜的泥頁巖，通常采用脆性指數(shù)Ⅱ評價。

脆性指數(shù)Ⅰ=石英/（石英+方解石+粘土礦物）；

脆性指數(shù)Ⅱ=（石英+長石+方解石+白云石）/（石英+長石+方解石+白云石+粘土礦物）。

根據(jù)X射線衍射實驗結(jié)果，分別計算漣源凹陷測水組泥頁巖脆性指數(shù)Ⅰ、Ⅱ。由圖5可以看出，兩類指數(shù)之間具有一定的相關(guān)性，與國內(nèi)學(xué)者對兩類脆性指數(shù)關(guān)系的研究大致相符［6］。

基于漣源凹陷測水組泥頁巖礦物成分復(fù)雜，本文采用脆性指數(shù)Ⅱ進行頁巖脆性評價。計算結(jié)果表明，湘中漣源凹陷測水組泥頁巖樣品的脆性指數(shù)較高，分布區(qū)間0.54～0.96之間，平均0.8。北美Barnett、Woodford頁巖脆性指數(shù)平均值分別為0.45，0.71［14］，當頁巖脆性指數(shù)大于0.4時，該頁巖具有良好的可壓裂性［4］。因此，湘中漣源凹陷測水組泥頁巖整體上具有良好的脆性和可壓性，有利于頁巖氣的壓裂改造。

表1　漣源凹陷測水組礦物成分X射線衍射實驗分析結(jié)果Table.1 Experimental results of mineral contents of the Ceshui Formation in Lianyuan depression by XRD Analysis

圖3　漣源凹陷測水組泥頁巖粘土礦物相對含量分布Fig.3 Relative contents ofclayminerals ofthe Ceshui Formation shale in Lianyuan depression

圖4　漣源凹陷測水組泥頁巖脆性礦物含量分布Fig.4 Brittle mineral content distribution ofthe Ceshui Formation shale in Lianyuan depression

圖5　頁巖脆性指數(shù)Ⅰ，Ⅱ相關(guān)性Fig.5 Relationship between shale brittleness indexⅠ，Ⅱ

4　結(jié)論

（1）X射線衍射定量分析結(jié)果表明，漣源凹陷測水組泥頁巖的礦物以石英和粘土礦物為主。其中石英的含量最高，質(zhì)量分數(shù)在51.8%～87.72%之間，平均為72.61%；其次為粘土礦物，質(zhì)量分數(shù)在3.42%～43.50%，平均為19.46%。還含有一定的長石、白云石、黃鐵礦和方解石，平均質(zhì)量分數(shù)分別為4.02%，4.75%，2.01%和1.66%。其余礦物含量較少，平均質(zhì)量分數(shù)＜1%。

（2）對比北美成功取得頁巖氣勘探開發(fā)的區(qū)塊，漣源凹陷測水組泥頁巖礦物石英含量相對較高，礦物組成特征與福特沃斯Barnett頁巖有所區(qū)別，與阿卡馬盆地的Woodforth頁巖較為相似。

（3）漣源凹陷測水組泥頁巖樣品的粘土礦物主要是伊利石、伊蒙混層、高嶺石和綠泥石，個別樣品含有少量蒙皂石。樣品的粘土礦物含量中伊利石含量最高，分布范圍28%～60%，平均為37.44%，其次為伊蒙間層（混層），含量分布范圍13%～59%，平均含量30.11%，高嶺石的含量為6%～50%，平均含量23.44%，綠泥石含量較低，2%～16%，平均含量只有7.11%。

（4）漣源凹陷測水組泥頁巖普遍發(fā)育石英、長石、白云石、方解石等脆性礦物，泥頁巖樣品的脆性指數(shù)較高，分布范圍0.54～0.96之間，平均0.8，整體上具有良好的脆性和可壓性，有利于頁巖氣的壓裂改造。

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WANG Qiang，BAI Yun-Shan，MIAO Feng-Bin

（Wuhan Center of China Geological Survey，Wuhan430205，China）

Study on Mineral Composition and Brittleness Characteristics of the Ceshui Formation Shale in Lianyuan Depression.

The mineral composition and brittleness chatacteristics of the Ceshui formation in Lianyuan depression were studied byX-raydiffraction（XRD）in this paper.The results showed that the Ceshui Formation in Lianyuan depression has complexed mineral composition.The quartz content is most abundant，average of 72.61%，respectively the minor component is clay，average of 19.46%.In addition，there are other small amount of mineral components，including pyrite，feldspar，dolomite，with an average content of 4.02%，4.75%，2.01%and 1.66%.In general，the mineral composition characteristics of the Ceshui Formation in Lianyuan sag are similar to Woodforth shale in the North America.The Ceshui Formation shale in Lianyuan saghas high contents ofbrittle minerals.The average value of brithleness index is 8.It is suggested that the Ceshui Formation organtic-rich in Lianyuan sag has favourable brittleness characteristics，and is beneficial tofracturingofshale gas.

Lianyuan depression；Ceshui Formation；shale mineral compostion；brittleness characteristics；shale gas

中圖分類法：P534.45，P618.13A

1007-3701（2016）02-166-06

10.3969/j.issn.1007-3701.2016.02.009

2016-3-24；

2016-4-22.

中國地調(diào)局地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評價專項項目“湘中坳陷頁巖氣資源遠景調(diào)查”（編號：12120114049701）.

王強（1981—），男，助理研究員，目前從事頁巖氣地質(zhì)資源評價工作，E-mail：wanggeomath@sina.com.