渝西地區(qū)龍馬溪組深層頁巖礦物特征及其儲(chǔ)層地質(zhì)意義

潘 妮，趙迪斐，魏 源，焦偉偉，魏 華

(1. 中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 2. 中國礦業(yè)大學(xué) 人工智能研究院，江蘇 徐州 221116； 3. 煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008；4. 重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，重慶 401120；5. 中國礦業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代分析測(cè)試中心，江蘇 徐州 221000)

0 引言

四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)不斷向深層頁巖儲(chǔ)層開拓，在實(shí)現(xiàn)焦石壩和長寧—威遠(yuǎn)區(qū)塊的3 500 m以淺儲(chǔ)層商業(yè)化開發(fā)后，目前正在向渝西地區(qū)的深層頁巖氣勘探潛力區(qū)拓展[1-2]。2018年開始的渝西區(qū)塊勘探開發(fā)實(shí)踐證明，深層頁巖儲(chǔ)層具有當(dāng)前技術(shù)條件下的商業(yè)化價(jià)值，試氣獲得了高產(chǎn)，深層頁巖評(píng)價(jià)井展示出了良好的開發(fā)前景，預(yù)示深層頁巖儲(chǔ)層巨大的開發(fā)潛力[3]。

中國深層頁巖氣資源豐富，是未來天然氣產(chǎn)量增長的現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)其規(guī)模效益開發(fā)對(duì)于保障國家能源安全具有重要的戰(zhàn)略意義，但在較高開發(fā)成本限制下，深層頁巖儲(chǔ)層開發(fā)對(duì)精準(zhǔn)勘探和工程效果要求較高[4]。深層頁巖儲(chǔ)層地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)特殊性，儲(chǔ)層地質(zhì)演化過程與中淺層頁巖具有差異性[5-6]。頁巖礦物組分是影響頁巖力學(xué)性質(zhì)以及工程壓裂效果的重要因素，研究區(qū)深層頁巖礦物組分復(fù)雜，龍馬溪組深層頁巖儲(chǔ)層由黏土礦物、石英、斜長石、方解石、白云石、方沸石和黃鐵礦等多成因礦物組成，深入研究礦物組分發(fā)育特征及其儲(chǔ)層地質(zhì)意義可以有效指導(dǎo)頁巖精準(zhǔn)選層以及工程措施的選定實(shí)施[7-8]。該文以渝西地區(qū)代表性鉆孔為例，通過顯微薄片觀察、X射線衍射(XRD)等手段對(duì)龍馬溪組深層頁巖儲(chǔ)層礦物組分進(jìn)行定性-定量研究，探究深層頁巖礦物特征及其儲(chǔ)層地質(zhì)意義，為研究區(qū)龍馬溪組深層頁巖勘探開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

渝西地區(qū)處于重慶西部，在大地構(gòu)造位置上處于四川盆地川中隆起低緩構(gòu)造區(qū)、川南低陡褶皺帶交界地區(qū)，如圖 1所示。研究區(qū)內(nèi)，五峰組—龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層廣泛分布，五峰組上覆于臨湘組泥質(zhì)灰?guī)r，主要巖性為碳質(zhì)頁巖、碳質(zhì)-硅質(zhì)頁巖以及粉砂質(zhì)頁巖，頂部發(fā)育觀音橋段，觀音橋段主要巖性為泥質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖，見赫南特貝化石群(Hirnantia fauna)代表性化石；龍馬溪組頁巖上覆于五峰組頂部的觀音橋段，主要發(fā)育碳質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖，頂部下伏于小河壩組。

圖1 Z-2井研究區(qū)域及鉆井位置Fig.1 Research area and drilling location of well Z-2

渝西地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層研究程度相較渝中涪陵地區(qū)、渝東南、渝東北等仍然較少。四川盆地內(nèi), 目前已先后在涪陵地區(qū)、川南長寧—威遠(yuǎn)等地區(qū)實(shí)現(xiàn)了五峰組—龍馬溪組頁巖氣的商業(yè)化開采。近幾年來, 隨著對(duì)深層頁巖認(rèn)識(shí)和勘探開發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步, 瀘州、榮昌和渝西等區(qū)域深層頁巖勘探開發(fā)也取得了一定的進(jìn)展, 渝西大足區(qū)Z202-H1井等對(duì)深層頁巖的壓裂開發(fā), 取得了高產(chǎn)工業(yè)性氣流, 昭示了深層頁巖勘探開發(fā)的巨大潛力[3]。但是, 深層頁巖勘探開發(fā)成本顯著增高, 容錯(cuò)率低, 對(duì)精準(zhǔn)勘探和地質(zhì)特征的深入認(rèn)識(shí)提出了更高的要求。

2 實(shí)驗(yàn)樣品與研究方法

實(shí)驗(yàn)樣品選自四川盆地渝西地區(qū)大足區(qū)塊Z-2鉆井(如圖1所示)。Z-2鉆井鉆至奧陶系寶塔組，完整揭露五峰組—龍馬溪組地層, 五峰組底部深度約為3 899 m, 是典型的深層頁巖儲(chǔ)層。鉆孔揭露五峰組厚度約8.42 m, 巖性主要為硅質(zhì)-碳質(zhì)頁巖、碳質(zhì)頁巖和粉砂質(zhì)頁巖, 上覆于臨湘組泥質(zhì)灰?guī)r, 頂部為觀音橋段, 龍馬溪組底部巖性主要為硅質(zhì)-碳質(zhì)頁巖, 向上粉砂質(zhì)含量及相關(guān)沉積構(gòu)造發(fā)育比例增高, 頂部出現(xiàn)顯著的粉砂質(zhì)-砂質(zhì)沉積構(gòu)造。

通過巖心編錄與手標(biāo)本研究, 基于宏觀巖石學(xué)特征對(duì)龍馬溪組進(jìn)行了初步分層, 在Z-2井龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層中由底部向上逐層選取20個(gè)有代表性的樣品開展針對(duì)性研究(取樣深度3 833.33～3 897.60 m), 通過高分辨率顯微鏡進(jìn)行顯微薄片觀察, 拍攝并分析儲(chǔ)層沉積構(gòu)造以及礦物的空間分布特征, 對(duì)比分析各層段礦物組分及分布的差異、非均質(zhì)性, 并通過X射線衍射(XRD)測(cè)試定量代表性樣品的礦物組分比例, 結(jié)合定性觀察, 綜合討論深層頁巖礦物組分的特殊性及其地質(zhì)意義。X射線衍射(XRD)測(cè)試依據(jù)了石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5163—2010《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線分析辦法》。該標(biāo)準(zhǔn)由中國石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院分析實(shí)驗(yàn)中心等單位起草。測(cè)試前將樣品粉碎并研磨為粉末, 烘干后使用X射線衍射儀測(cè)試其X射線衍射圖譜，通過礦物含量與衍射特征峰強(qiáng)度間的相關(guān)性關(guān)系確定礦物組分含量的比例(K值法)[9]。

3 結(jié)果分析

3.1 礦物組分類型

鏡下觀察表明，Z-2井龍馬溪組主要是由黏土礦物和石英礦物組分構(gòu)成, 此外可以觀察到一定量的方解石、長石等其他礦物以及自形晶狀或裂縫充填狀的黃鐵礦組分。垂向上看, 除龍馬溪組底部樣品鏡下特征顯示強(qiáng)烈細(xì)粒特征，龍馬溪組中下部—上部均有一定的微觀沉積構(gòu)造發(fā)育, 主要是粉砂質(zhì)的紋層, 龍馬溪組垂向小尺度巖石學(xué)特征差異如表1所示。X射線衍射圖譜顯示礦物組分類型復(fù)雜，從衍射圖譜中識(shí)別出了伊利石、伊蒙混層、綠泥石、石英、方解石、白云石、長石及黃鐵礦等礦物組分，整體看礦物組分類型較為穩(wěn)定，但不同層段的礦物含量以及賦存特征存在差異[10]。

表1 龍馬溪組垂向小尺度巖石學(xué)特征差異Table 1 Differences of vertical small-scale characteristics of Longmaxi Formation

3.2 礦物賦存特征

由顯微薄片觀察可知，Z-2井龍馬溪組頁巖由底部的碳質(zhì)-硅質(zhì)頁巖向中上部的粉砂質(zhì)頁巖過渡，在不同層段，礦物賦存特征存在差異。礦物組分在含量比例以及賦存狀態(tài)的層段性差異是構(gòu)成頁巖儲(chǔ)層小尺度非均質(zhì)性的重要內(nèi)容[11-12]。龍馬溪組底部頁巖儲(chǔ)層粒度極為細(xì)小，可以觀察到顯著的水平層理，微細(xì)層理縫充填方解石、黃鐵礦晶體，如圖2a所示；龍馬溪組下部頁巖儲(chǔ)層粒度相對(duì)增大，但粉砂質(zhì)沉積構(gòu)造發(fā)育程度還相對(duì)較低，礦物物質(zhì)組分分異度相對(duì)較低，如圖2b所示；至龍馬溪組中部層段，已經(jīng)可見粉砂質(zhì)沉積構(gòu)造顯著發(fā)育，礦物物質(zhì)組分分異程度顯著增高，高靜度的沉積環(huán)境被破壞，如圖2c和圖2d所示；龍馬溪組上部層段出現(xiàn)了更強(qiáng)水動(dòng)力條件下的小尺度沉積構(gòu)造，如波狀層理、分異界面，顯示水體顯著變淺，水動(dòng)力條件顯著增強(qiáng)，如圖2e和圖2f所示。

圖2 Z-2井龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層顯微薄片特征Fig.2 Micro slice characteristics of shale reservoir in Longmaxi Formation of well Z-2

3.3 礦物含量比例

實(shí)驗(yàn)用樣品的主要礦物成分為黏土礦物、石英、斜長石、方解石、白云石和黃鐵礦，如表2所示。黏土礦物和石英的平均含量均超過30%，主要脆性礦物石英、長石、白云石等的總量超過60%，其中石英平均含量在45%以上，占據(jù)主導(dǎo)地位，黏土的平均含量在37%左右，主要以伊利石、綠泥石和伊/蒙混層為主。

表2 Z-2井主要礦物組分相對(duì)含量特征

垂向上，Z-2井礦物組分比例中黏土礦物含量占比整體下降而石英含量增加，如圖3所示。黏土礦物在Z-2井由淺至深含量由較為平緩變?yōu)榫徛陆?，平緩階段含量在40%～50%，在井深約3 860 m處含量開始下降，趨近于10%；石英礦物在Z-2井龍馬溪組儲(chǔ)層中含量主要集中在30%～60%，在五峰組—龍馬溪組底部升高至接近80%。長石、方解石和白云石在Z-2井整體含量相對(duì)較低，黃鐵礦含量為0.4%～5.8%。

圖3 Z-2井礦物組分含量比例垂向分布特征Fig.3 Vertical distribution characteristics of mineral components in well Z-2

4 深層頁巖儲(chǔ)層礦物非均質(zhì)性及其地質(zhì)意義

不同礦物相對(duì)組分含量在不同深度呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的非均質(zhì)性[11]。礦物組分及其分布特征是影響頁巖儲(chǔ)層力學(xué)脆性的主要因素, 同礦物組分的層段性差異可以作為預(yù)測(cè)、判斷力學(xué)脆性的重要依據(jù)之一[13]。在Z-2井龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層中，石英、黏土礦物含量出現(xiàn)了整體的規(guī)律性變化，如圖4所示，反映了沉積環(huán)境變遷對(duì)陸源碎屑以及水體環(huán)境的影響。龍馬溪組底部頁巖儲(chǔ)層沉積于奧陶—志留之交的重要環(huán)境變化結(jié)點(diǎn)之后，處于全球冰期結(jié)束、水體快速上升的沉積背景中，具有很好的慢速、靜水沉積條件以及水體底部良好的有機(jī)質(zhì)保存條件[14]，同時(shí)，在該時(shí)期沉積的石英礦物以生物碎屑成因硅質(zhì)為主，石英含量比例高，形成了良好的力學(xué)脆性骨架[6]。白云石、方解石在底部、下部出現(xiàn)的頻次及其含量明顯高于中上部儲(chǔ)層；斜長石在3 880～3 886 m出現(xiàn)了一個(gè)含量峰值，而在底部、中上部含量相對(duì)較低；黃鐵礦含量由底部至下部呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，在約3 878 m的頁巖樣品中黃鐵礦含量達(dá)到了10.3%。整體來看，石英、黏土礦物呈現(xiàn)整體上“此消彼長”的協(xié)同規(guī)律，這是受到沉積環(huán)境變化規(guī)律控制的結(jié)果。黃鐵礦、斜長石的變化規(guī)律具有相似性，都出現(xiàn)了由底部向上先增加后降低的趨勢(shì)；方解石、白云石礦物含量在小范圍內(nèi)波動(dòng)較大，表現(xiàn)出的非均質(zhì)性較為明顯，在中部存在顯著的低值區(qū)間。X射線衍射的測(cè)試結(jié)果反映，黏土礦物中綠泥石和伊利石含量占比波動(dòng)大，伊/蒙混層、高嶺石的出現(xiàn)較為分散，在不同深度的頁巖儲(chǔ)層中，表現(xiàn)出了含量與比例上極強(qiáng)的非均質(zhì)性。

圖4 Z-2井龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層礦物分布特征Fig.4 Mineral distribution characteristics of the Longmaxi Formation shale reservoir in well Z-2

深層頁巖儲(chǔ)層勘探開發(fā)中的一個(gè)重要問題是如何優(yōu)化壓裂造縫效果[15-16]。由于深層頁巖勘探開發(fā)施工的成本顯著增加，精準(zhǔn)選層對(duì)于實(shí)施壓裂工程至關(guān)重要[17]，明確深層頁巖儲(chǔ)層礦物非均質(zhì)性可以為精準(zhǔn)選層提供重要依據(jù)。除了不同類型脆性礦物組分在分布與含量及比例上的非均質(zhì)性外，礦物組分的非均質(zhì)性也同樣具有一定的地質(zhì)意義。當(dāng)黏土礦物等塑性礦物含量降低至一定比例時(shí)，儲(chǔ)層的力學(xué)結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)顯著差異，微觀結(jié)構(gòu)由骨架礦物-黏土礦物支撐變?yōu)楣羌艿V物間的直接支撐；同時(shí)，在方解石、黃鐵礦等礦物含量占比相對(duì)較高的層段，其微觀礦物顆粒間接觸力學(xué)關(guān)系有別于以石英礦物為主的膠結(jié)關(guān)系，進(jìn)而造成宏觀力學(xué)性質(zhì)的差異，影響壓裂效果。

礦物類型、微觀分布、組合、接觸關(guān)系與頁巖小尺度沉積構(gòu)造的匹配是微觀礦物非均質(zhì)性的另一個(gè)被忽視的重要內(nèi)容。因礦物組分含量及分布的變化差異，不同層段小尺度構(gòu)造控制下的微觀礦物與沉積構(gòu)

造組合模式呈現(xiàn)差異，例如，在龍馬溪組底部頁巖儲(chǔ)層中，脆性礦物含量高，黏土礦物含量相對(duì)較低，有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高，在富筆石水平層理基質(zhì)內(nèi)部(如圖5a所示)，以石英為代表的脆性礦物彼此間大部分為直接接觸關(guān)系，在儲(chǔ)層成巖作用影響下形成脆性骨架，有機(jī)質(zhì)等則賦存于這個(gè)脆性骨架網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部(如圖5b所示)。而在以粉砂質(zhì)紋層和夾層為主的龍馬溪組中上部層段(如圖5c所示)，在粉砂質(zhì)紋層和夾層沉積構(gòu)造的控制下，呈現(xiàn)脆性礦物-塑性礦物相間分布，且有機(jī)質(zhì)含量較低的微觀物相特征(如圖5d所示)，受到應(yīng)力作用時(shí)，容易在基質(zhì)內(nèi)部發(fā)育微表現(xiàn)以及礦物間的錯(cuò)動(dòng)，影響儲(chǔ)層在壓裂時(shí)形成網(wǎng)狀微裂縫及其擴(kuò)展?？偟膩碚f，富筆石水平層理沉積構(gòu)造的控制下，以石英等脆性礦物構(gòu)成骨架，且骨架礦物間以直接接觸關(guān)系為主的層段往往有機(jī)質(zhì)含量也相對(duì)較高[14]，共同構(gòu)成以“脆性骨架網(wǎng)絡(luò)+高有機(jī)質(zhì)含量”為特點(diǎn)的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層[20]，是深層頁巖勘探精準(zhǔn)選層的重要依據(jù)。

圖5 2種典型的礦物與沉積構(gòu)造組合模式Fig.5 Two typical mineral and sedimentary structure combination patterns

5 結(jié)論

1)從整體上看，Z-2鉆井龍馬溪組礦物組分類型較為穩(wěn)定，但不同層段的礦物含量存在差異。其主要礦物成分為黏土礦物和石英，斜長石、方解石、白云石和黃鐵礦在不同層段也有一定量的分布。黏土礦物在Z-2井由淺至深含量由較為平緩的40%～50%緩慢下降至10%，石英礦物在Z-2井龍馬溪組儲(chǔ)層中含量主要集中在30%～60%，在五峰組—龍馬溪組底部升高至約80%。長石、方解石和白云石在Z-2井整體含量相對(duì)較低，黃鐵礦含量為0.4%～5.8%。

2)Z-2鉆井龍馬溪組在不同層段，礦物賦存特征存在差異。頁巖由底部的碳質(zhì)-硅質(zhì)頁巖向中上部的粉砂質(zhì)頁巖過渡，儲(chǔ)層粒度逐漸增大，分異度顯著增高。

3)不同礦物相對(duì)組分含量在不同深度呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的非均質(zhì)性。礦物類型、微觀分布、組合、接觸關(guān)系及其與頁巖小尺度沉積構(gòu)造的匹配是深層頁巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)時(shí)需要考慮的重要因素，以富筆石水平層理沉積構(gòu)造-石英等脆性礦物構(gòu)成骨架，骨架礦物間以直接接觸關(guān)系為主的層段有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高，構(gòu)成脆性骨架網(wǎng)絡(luò)+高有機(jī)質(zhì)含量的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，是深層頁巖勘探精準(zhǔn)選層的重要依據(jù)。