滇東威信地區(qū)龍?zhí)督M致密砂巖礦物組成特征及其油氣地質(zhì)意義

邢慧通，張曉麗，何金先，曹文杰，楊甜甜，王 健，師 帥

(1.中國礦業(yè)大學 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116)

近年來，常規(guī)油氣資源已不能滿足我國發(fā)展的需求，據(jù)統(tǒng)計，非常規(guī)油氣資源量遠大于常規(guī)油氣資源量，國家對非常規(guī)油氣資源研究日益重視[1]。煤系氣是指煤系中煤層、炭質(zhì)泥頁巖及暗色泥頁巖等生成的天然氣，包括煤層氣、頁巖氣及致密砂巖氣等，儲存狀態(tài)多樣，既可以吸附在煤層之中，又可以游離在致密砂巖儲層中[2-4]。據(jù)統(tǒng)計，我國煤系氣資源占全國非常規(guī)油氣資源60%以上[4]，黔西滇東煤系氣資源量約占全國10%。目前共有300 余口煤層氣開發(fā)井[3]，前景非常可觀，對于該區(qū)頁巖氣的勘探也正在進行，但是國內(nèi)對于煤系氣的研究主要集中在鄂爾多斯盆地、沁水盆地等地[5]，而位于滇東北部威信地區(qū)致密砂巖氣鮮有研究。

目前黔西滇東地區(qū)致密砂巖氣的勘探開發(fā)還處于萌芽階段，前人未曾對研究區(qū)的致密砂巖儲層特征進行重點分析與含氣性評價工作，未見大型致密砂巖氣藏，但已知研究區(qū)二疊系龍?zhí)督M是重要含煤地層，且龍?zhí)督M砂巖常與泥頁巖和煤層疊置出現(xiàn)[6]，有充足的烴源巖可以持續(xù)供氣，在致密砂巖氣勘探評價過程中發(fā)現(xiàn)眾多的噴氣井及氣苗[7]，推測該區(qū)致密砂巖氣前景廣闊[8]。近年來劉曾勤等[9-10]通過對黔西地區(qū)龍?zhí)督M致密砂巖儲層的礦物進行分析，從宏觀和微觀方面分析儲層礦物對油氣的影響，指出該地區(qū)致密砂巖氣與煤層氣和頁巖氣合采可行，此方法對本次研究具有借鑒作用。致密砂巖氣的儲層特征與巖石脆性、黏土礦物組合特征等因素有關(guān)。筆者通過X 射線衍射方法對研究區(qū)的致密砂巖儲層礦物進行定性和定量分析，并根據(jù)礦物組合特征與鏡下觀察，判斷龍?zhí)督M時期的沉積環(huán)境及成巖階段，為后期致密砂巖氣的勘探和開發(fā)提供一定的理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于云南省東部、鎮(zhèn)雄縣北、滇黔桂三省接壤地帶，屬于昭通市威信縣(圖1a)，構(gòu)造區(qū)域上處于揚子準地臺的西部、揚子板塊中部的滇東臺褶帶之滇東北臺褶束上(圖1b)。區(qū)內(nèi)褶皺發(fā)育，在一級構(gòu)造單元黔北坳陷帶內(nèi)的二級構(gòu)造單元威信凹陷帶中，北鄰威信背斜帶，南接芒部背斜帶，東西部受鹽源背斜帶和黑尼背斜帶加持，總體形成“四向夾一背”的構(gòu)造。研究區(qū)發(fā)生多期次的構(gòu)造沉降運動，尤其在早二疊世末至晚二疊世初，構(gòu)造運動頻繁，受東吳運動影響，地殼抬升，海水大幅度向東退去[7]，研究區(qū)西側(cè)與康滇古陸之間的小江古斷裂活動加劇，巖漿大范圍噴溢，冷卻之后形成自西向東逐漸減薄的玄武巖基底，為晚二疊世的煤層提供場所。龍?zhí)督M早期接受一套海陸過渡相沉積地層，研究區(qū)地殼均勻緩慢下沉，海侵發(fā)生，以潮坪-潟湖相沉積為主，個別地區(qū)出現(xiàn)泥炭沼澤；龍?zhí)督M中期，地殼回升，海退發(fā)生，研究區(qū)開始以三角洲沉積為主；在龍?zhí)督M晚期，地殼又一次下沉，持續(xù)到三疊紀，總體呈現(xiàn)潮坪-潟湖-淺海的沉積環(huán)境[9-10]。區(qū)內(nèi)地層屬于揚子地層區(qū)上揚子地層分區(qū)的昭通地層小區(qū)，地層發(fā)育較齊全，從寒武系到第四系僅有新近系未出露[11]，加之研究區(qū)獨特的構(gòu)造與沉積環(huán)境特征，造成研究區(qū)在晚二疊世龍?zhí)督M有利于聚煤的特點，區(qū)內(nèi)砂巖與煤層互層頻繁。

圖1 滇東威信地區(qū)地理位置與構(gòu)造位置Fig.1 Brief map of the geographical location and regional geology of Weixin area in eastern Yunnan

2 樣品與實驗

實驗樣品來源于滇東北部威信地區(qū)石坎向斜剖面，樣品信息見表1，樣品為龍?zhí)督M下段和上段，巖性主要為粉砂巖、細砂巖及泥質(zhì)粉砂巖。

表1 樣品來源及分析方法Table 1 Sample source and analysis methods

對采集的樣品，按照SY/T 5163-2018《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物 X 射線衍射分析方法》要求進行粉碎并進行X 射線衍射分析。在中國煤炭地質(zhì)總局檢測中心，利用D8 DISCOVER 型X 型衍射儀完成，實驗溫度為24 ℃、相對濕度35%。對實驗結(jié)果進行礦物成分的定性與定量分析。并采用德國蔡司公司生產(chǎn)的ZEISS Sigma 500 FE-SEM 場發(fā)射掃描電子顯微鏡進行觀察。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 龍?zhí)督M致密砂巖全巖礦物分析

龍?zhí)督M致密砂巖儲層樣品的X 射線衍射分析結(jié)果顯示，其礦物成分比較復雜(表2)。依據(jù)礦物成分編制了石坎向斜龍?zhí)督M礦物成分含量剖面圖(圖2)。以黏土礦物、石英、斜長石為主，其中，黏土礦物質(zhì)量分數(shù)最高，在27.1%～63.7%，平均42.5%。石英礦物質(zhì)量分數(shù)為9.5%～54.8%，平均為30.1%。斜長石礦物質(zhì)量分數(shù)3.9%～27.3%，平均為14.7%。

致密砂巖礦物中其余礦物組分較少，方解石質(zhì)量分數(shù)為0.6%～18.3%，平均9.05%。銳鈦礦僅在少量樣品中有檢出，質(zhì)量分數(shù)為11.5%～16.6%，平均為14.4%。

3.2 龍?zhí)督M致密砂巖黏土礦物成分

黏土礦物是砂巖中最重要的填隙物，其含量多少及分布特征以及礦物組成特征對砂巖儲層的孔隙結(jié)構(gòu)、儲集性能有重要的影響[12]。在對研究區(qū)致密砂巖進行X 射線衍射全巖礦物實驗分析的基礎(chǔ)上，對樣品黏土礦物成分相對含量也進行了實驗測試。結(jié)果表明，黏土礦物主要是高嶺石、綠泥石、伊利石、伊蒙混層和綠蒙混層，未檢出蒙皂石。樣品的黏土礦物中綠泥石質(zhì)量分數(shù)最高，占21%～85%，平均53.4%；其次為伊蒙間層(混層)，占1%～62%，平均25.1%；高嶺石占11%～32%，平均16.4%；綠蒙間層(混層)占5%～10%，平均8.4%；伊利石占比較低，為1%～2%，平均只有1.3%。伊蒙間層比和綠蒙間層比分別為30%和46%(表2，圖2)。

圖2 石坎向斜龍?zhí)督M礦物成分含量剖面Fig.2 Mineral composition profile of Longtan Formation of Shikan syncline

表2 滇東威信地區(qū)龍?zhí)督M致密砂巖X-射線衍射分析報告Table 2 X-ray diffraction analysis report of tight sandstone of Longtan Formation in Weixin area of eastern Yunnan

4 討 論

4.1 巖石脆性特征

脆性礦物含量是影響儲層孔隙和微裂隙發(fā)育程度、含氣性及壓裂改造方式等重要因素[13]，富含脆性礦物的儲層在外部應力作用下容易產(chǎn)生裂縫，成為重要氣流體通道[14]。一般認為，石英、長石、碳酸鹽巖等成分為脆性礦物，其占比越高，巖石所表現(xiàn)出的脆性特征越明顯，在壓裂改造過程中巖石脆性影響壓裂裂縫的數(shù)量和形態(tài)，一般用脆性指數(shù)來表征[15-17]?；赬RD 所測得的致密砂巖礦物組分含量，采用礦物成分法計算龍?zhí)督M致密砂巖的脆性指數(shù)。

式中：Br為巖石脆性指數(shù)；Wq為石英和長石的質(zhì)量分數(shù)，%；Wc為碳酸鹽巖類礦物質(zhì)量分數(shù)，%；Wt為巖石總礦物成分質(zhì)量分數(shù)，%。

樣品中的脆性礦物主要包括石英、斜長石和方解石，經(jīng)計算得到巖石脆性指數(shù)為0.363～0.729，平均0.575(圖3)，通過與已知致密砂巖開發(fā)區(qū)的巖石脆性對比(表3)和顯微鏡下薄片及掃描電鏡觀察(圖4)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)巖石脆性較好，具備形成復雜縫網(wǎng)的能力[18]，證明滇東威信石坎向斜龍?zhí)督M致密砂巖具有良好的可壓裂性，對致密砂巖氣的開發(fā)有積極作用。

圖3 石坎向斜致密砂巖樣品脆性礦物含量折線Fig.3 Broken line diagram of brittle mineral content in tight sandstone samples of Shikan syncline

表3 研究區(qū)與典型致密砂巖儲層脆性指數(shù)對比Table 3 Comparison of brittleness index between the study area and typical tight sandstone reservoirs

圖4 石坎向斜龍?zhí)督M致密砂巖樣Y-4 微裂隙Fig.4 Y-4 microfractures of tight sandstone sample of Longtan Formation of Shikan syncline

4.2 碳酸鹽礦物特征及其油氣地質(zhì)意義

碳酸鹽巖礦物對砂巖儲層物性存在雙重影響：一方面作為膠結(jié)物在粒間孔隙中充填；另一方面，早期形成的碳酸鹽膠結(jié)物可使砂巖具有較強的抗壓實作用，也是后期溶蝕作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，易形成次生孔隙[19]。

龍?zhí)督M致密砂巖樣品中碳酸鹽巖礦物質(zhì)量分數(shù)為0.60%～18.30%，平均9.05%，主要為方解石(圖5)，未檢出白云石。檢測結(jié)果顯示，在垂向分布上特征明顯，下部未檢測出方解石，向上方解石含量增加。碳酸鹽礦物的溶解度隨黏土礦物含量的增加而減小，并限制次生溶孔的進一步發(fā)育[20]，龍?zhí)督M上段碳酸鹽巖礦物含量總體較高，黏土礦物含量較下段偏低，指示該段砂巖儲層物性較好。方解石的存在加大次生裂隙發(fā)育，為油氣提供有利儲集空間，從而提高油氣產(chǎn)量。

圖5 長石溶蝕后被方解石充填Fig.5 Feldspar filled with calcite after dissolution

4.3 黏土礦物特征及其油氣地質(zhì)意義

砂巖中黏土礦物組成特征能夠綜合反應地層在沉積和成巖過程中的地質(zhì)作用，是進行砂巖沉積與成巖史研究的重要線索[21]。按照P.B.Basan[22]評價標準，當儲層黏土礦物質(zhì)量分數(shù)大于15%時，屬于高黏土礦物儲層[23]。研究區(qū)黏土礦物含量平均達42.5%，與黔西龍?zhí)督M致密砂巖儲層黏土礦物含量相近[9-10]，屬于高黏土礦物儲層。黏土礦物往往會降低粒間孔的大小并阻塞孔喉，當黏土礦物質(zhì)量分數(shù)大于10%時會顯著降低物性，儲集性能較差[24-28]，結(jié)合龍?zhí)督M上段野外露頭致密砂巖所測的孔隙度(平均為8.45%)和滲透率(平均0.32×10-3μm2)，證明了研究區(qū)龍?zhí)督M致密砂巖低孔低滲特征。因此，龍?zhí)督M砂巖中黏土含量高，既減少了油氣運移的空間又限制了油氣的儲量，意味著儲層質(zhì)量差[9-10]。

黏土礦物對致密砂巖儲層而言是一把雙刃劍，一方面因其具有較高的比表面積，可以為致密氣提供吸附空間，提高含氣量；另一方面，部分黏土礦物在溶解或吸水膨脹時，易堵塞氣體滲流通道，不利于儲層壓裂改造[29-31]。研究區(qū)黏土礦物平均含量42.5%，表明區(qū)域內(nèi)有較為穩(wěn)定的風化剝蝕區(qū)供給充沛的物質(zhì)來源。再結(jié)合該時期的地質(zhì)背景，華南板塊處于低緯度赤道附近，康滇古陸為區(qū)域內(nèi)唯一的物質(zhì)供給區(qū)[32]。常年高溫多雨，地表徑流大，植被繁茂，導致康滇古陸玄武巖發(fā)生強烈風化剝蝕作用，為東部沉積凹陷地區(qū)提供充沛的物質(zhì)來源，龍?zhí)督M中致密砂巖的黏土礦物便在此背景下富集。

4.3.1 綠泥石

研究區(qū)綠泥石質(zhì)量分數(shù)為21.0%～85.0%，平均53.4%。綠泥石是一種硅酸鹽礦物，常見于較深地層中[27]，一般為變質(zhì)巖的造巖礦物，經(jīng)過中、低溫熱液作用，淺變質(zhì)作用和沉積作用的產(chǎn)物。在二疊世早期，由于東吳運動，構(gòu)造活動強烈，小江斷裂巖漿噴溢并流經(jīng)研究區(qū)[10]，推測綠泥石的形成與巖漿熱液有關(guān)。巖漿熱液為綠泥石的形成提供了物質(zhì)來源[33]，同時，研究區(qū)此時正在接受海陸過渡相沉積[10]，水體有一定的深度，為綠泥石的中低溫熱液形成提供條件。前人經(jīng)過試驗等手段測出細粒砂巖中綠泥石對孔隙率沒有實質(zhì)性影響，但是能夠極大地降低巖層滲透率[12]，這也是造成龍?zhí)督M致密砂巖低滲透率的原因之一(圖6)。一方面，綠泥石在顆粒表面形成包膜，起到了保護孔隙的作用，有利于油氣的儲集；另一方面，其占據(jù)碎屑巖中的孔隙，降低儲層孔隙率，不利于油氣的運移。總體而言，綠泥石的存在對于儲層起消極意義。

圖6 綠泥石存在位置和形式Fig.6 Location and form of chlorite

4.3.2 高嶺石與伊利石

除了綠泥石以外，黏土礦物中高嶺石(圖7)占比也不低，約為16.4%。高嶺石主要是長石和其他硅鋁酸鹽礦物在近地表條件下由大氣淡水溶蝕形成，龍?zhí)督M煤系早期泥炭化作用和煤化作用產(chǎn)生了大量的CO2氣體，使得孔隙水呈酸性，為長石溶蝕提供了酸源。據(jù)前人研究[12]，煤系巖石學觀察發(fā)現(xiàn)含煤地層酸性條件有利于長石溶解生成高嶺石，研究區(qū)龍?zhí)督M與這一條件吻合，可以推測其是高嶺石的來源之一。

圖7 高嶺石賦存形式Fig.7 Occurrence form of kaolinite

研究區(qū)的伊利石含量極低，鉀長石未檢測出，同時高嶺石與伊利石共存，根據(jù)馮立文關(guān)于鄂爾多斯盆地太原組砂巖的研究結(jié)論[12]，可以推測研究區(qū)伊利石的來源之一是高嶺石伊利石化，過程中伴隨大量的鉀長石溶解，有利于儲層次生孔隙的發(fā)育。

高嶺石在酸性條件下較為穩(wěn)定，在堿性條件下會轉(zhuǎn)化為伊利石，從縱向上看龍?zhí)督M整體基本處于酸性環(huán)境。

一般可以根據(jù)砂巖中黏土礦物的演化程度來推斷油氣進入儲層的時間，研究區(qū)砂巖可以與英國北海盆地侏羅系Brent 砂巖演化程度對比，判斷出研究區(qū)只含高嶺石很少含伊利石這一結(jié)果，意味著儲層中砂巖在油水界面之上[27]。

4.3.3 伊蒙混層及綠蒙混層

實驗樣品的黏土礦物中還出現(xiàn)了不少的伊蒙混層及綠蒙混層，分別是蒙脫石向伊利石和綠泥石轉(zhuǎn)化的過渡產(chǎn)物[33]，均具有較高的膨脹性，以富含綠泥石為特征，與其共生的有伊利石和伊蒙混層，一般出現(xiàn)在深層砂巖膠結(jié)物中，特別是低滲透砂巖儲集層中；而含有綠蒙混層和微量伊利石的黏土礦物組合，一般形成于富含鎂鐵的沉積環(huán)境[21]。研究區(qū)伊蒙混層質(zhì)量分數(shù)超過30%，且伊蒙混層含量與孔隙率和滲透率具有明顯的負相關(guān)關(guān)系[34]，表明黏土礦物高和伊蒙混層占比大是儲層質(zhì)量差的關(guān)鍵因素之一[9-10]。研究區(qū)黏土礦物符合上述特征，應為深層低滲透砂巖儲集層。蒙皂石轉(zhuǎn)化為伊利石的溫度條件較低[35]，龍?zhí)督M中蒙皂石未檢出，伊利石較少，而伊蒙混層較多，說明當時的沉積環(huán)境溫度較低。

4.4 其他礦物特征及其油氣地質(zhì)意義

除了碎屑礦物、黏土礦物及碳酸鹽巖礦物，龍?zhí)督M致密砂巖儲層樣品中還包含了銳鈦礦，盡管有一部分樣品中未檢出，但其平均含量較高，達到14.4%，主要分布在龍?zhí)督M下段。銳鈦礦一般為變質(zhì)作用生成，與巖漿有關(guān)的礦物，屬于低溫熱液的產(chǎn)物，與綠泥石的形成條件接近。在貴州西部峨眉山玄武巖的風化殘坡積物中發(fā)現(xiàn)大量銳鈦礦，由長期風化富集形成，屬于微細粒型獨立礦物[36-37]。同時，銳鈦礦也是基性火山巖存在的標志[38]。銳鈦礦出現(xiàn)在本次所采露頭樣中，結(jié)合區(qū)域古地理環(huán)境分析可知，銳鈦礦極有可能是貴州西部峨眉山玄武巖的風化產(chǎn)物。

5 結(jié) 論

a.滇東威信地區(qū)龍?zhí)督M露頭剖面致密砂巖的礦物組成種類較多。其中，黏土礦物質(zhì)量分數(shù)最高，為27.1%～62.7%，平均42.5%；石英次之，為9.5%～54.8%，平均30.1%；礦物中還含有較多的斜長石和方解石，平均占比分別為14.7%和9.05%。其他如銳鈦礦等礦物含量有5 個樣品有檢出，占比約14.4%。

b.基于X 射線衍射所得礦物組分含量，利用礦物組分法得到研究區(qū)龍?zhí)督M致密砂巖脆性指數(shù)平均為0.575，相對于幾個典型的致密砂巖儲層(淮中4 區(qū)塊董2 井北侏羅系致密砂巖、鄂爾多斯盆地勘探X 新區(qū)長8-長10 致密砂巖、紅河92 井區(qū)長812 單層致密砂巖)而言，脆性指數(shù)較好，有利于壓裂。

c.康滇古陸是研究區(qū)龍?zhí)督M砂巖黏土礦物的主要物質(zhì)來源，與巖漿熱液有關(guān)的含量高的綠泥石是儲層低滲透率的主要原因；研究區(qū)鉀長石的溶解殆盡不僅提供了高嶺石，其鉀離子也是伊利石的主要沉淀物，該過程為儲層形成提供了次生孔隙；銳鈦礦可能是來自玄武巖的風化產(chǎn)物。

d.研究區(qū)龍?zhí)督M砂巖整體儲集質(zhì)量較差，屬于深層低滲透高黏土礦物砂巖儲層，其中龍?zhí)督M上段高碳酸鹽類礦物含量對致密砂巖氣藏的形成和開發(fā)有一定的促進作用，其儲層物性較下段好。

致謝：感謝責任編輯及評審專家對本文提出的建設(shè)性意見！湖南科技大學赫桂萱在論文寫作過程中有過多次有益討論，中國礦業(yè)大學張曉麗老師、曹文杰碩士及福建地調(diào)院廖劍峰在論文返修過程中提供關(guān)鍵指導，這里一并表示感謝！