田興旺，胡國藝，蘇桂萍，孫奕婷，洪海濤，山述嬌

（1.中國石油 西南油氣田分公司 勘探開發(fā)研究院，成都 610041；2.中國石油 勘探開發(fā)研究院，北京 100083；3.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，成都 610000）

近年來，深層和非常規(guī)天然氣（頁巖氣）成為中國天然氣勘探開發(fā)的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。頁巖氣比較特殊，形成頁巖氣氣藏的泥頁巖本身既是烴源巖，又充當(dāng)了儲集層和蓋層的角色，具有典型的自生自儲、近源聚集成藏的特點(diǎn)。頁巖氣包括吸附氣和游離氣，其中吸附氣主要吸附于干酪根和黏土礦物表面，游離氣則存在于孔隙和天然裂縫中。頁巖作為儲集體，具有特低孔滲、強(qiáng)非均質(zhì)性等特點(diǎn)，頁巖氣富集的主控因素之一就是其儲集條件，巖石礦物成分分析則是進(jìn)一步研究頁巖儲集條件的基礎(chǔ)。頁巖儲集層的形成，不僅需要高的有機(jī)碳含量，而且一定含量的石英、長石、方解石等脆性礦物同樣必不可少[1-9]。因此，頁巖氣勘探主要是尋找黏土礦物含量較低（通常低于50%[2]）、有機(jī)質(zhì)和硅質(zhì)含量高、裂縫發(fā)育且后期易于壓裂的脆性優(yōu)質(zhì)烴源巖層系。

四川盆地古生界發(fā)育大套海相泥頁巖，是中國頁巖氣主要遠(yuǎn)景區(qū)之一，其中以下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組兩套泥頁巖最發(fā)育，其不僅是優(yōu)質(zhì)的烴源巖，而且是該區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)的重要層位[4-8]。以往學(xué)者對四川盆地古生界泥頁巖的研究，多集中于有機(jī)碳含量、干酪根類型、成熟度等烴源巖有機(jī)地球化學(xué)參數(shù)上[9-11]，而對巖石礦物組成方面尚缺乏系統(tǒng)認(rèn)識，對脆性礦物的研究也不夠深入。結(jié)合國內(nèi)外研究成果，筆者系統(tǒng)采集川南威遠(yuǎn)地區(qū)W201井古生界泥頁巖巖心樣品，運(yùn)用X射線衍射分析技術(shù)，系統(tǒng)分析了下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁巖樣品的礦物組成和含量特征，以期為該區(qū)古生界海相頁巖氣的勘探開發(fā)提供依據(jù)。

1 樣品基本特征及實(shí)驗方法

本文研究樣品取自川南威遠(yuǎn)地區(qū)W201井，共93個，其中55個筇竹寺組頁巖樣品，38個龍馬溪組頁巖樣品。下寒武統(tǒng)筇竹寺組巖性主要為黑灰色—灰黑色頁巖、砂質(zhì)頁巖，巖石致密，頁理較發(fā)育，有機(jī)碳含量為0.5%～2.8%，平均為1.4%，干酪根類型屬于海相Ⅰ型，等效鏡質(zhì)體反射率為1.9%～2.6%，處于過成熟階段，頁巖儲集層孔隙度為1.8%～2.5%，平均為2.2%，滲透率為11.6×10-5～95.5×10-5mD，平均為38.9×10-5mD.下志留統(tǒng)龍馬溪組巖性主要為灰黑色—黑色頁巖，頁理欠發(fā)育，有機(jī)碳含量為0.3%～4.7%，平均為2.4%，干酪根類型屬于海相Ⅰ型，等效鏡質(zhì)體反射率為1.6%～2.0%，成熟度偏高，頁巖儲集層孔隙度為3.9%～6.7%，平均為5.3%，滲透率為2.9×10-5～7.3×10-5mD，平均為4.64×10-5mD.與已獲得成熟頁巖氣勘探開發(fā)的國內(nèi)外其他盆地相比[5,12-13]，四川盆地海相頁巖具有相似的基本地質(zhì)地球化學(xué)指標(biāo)（表1），頁巖氣勘探潛力巨大。

X射線衍射技術(shù)是鑒定、分析和測量固態(tài)物質(zhì)物相的一種基本方法，在地質(zhì)學(xué)及國內(nèi)外含油氣盆地分析中得到了廣泛應(yīng)用[14]。實(shí)驗取頁巖樣品50～100 g，粉碎，取約5 g樣品放入研磨缽中，研磨至約0.75 mm；將研磨好的樣品分為兩份，一份用于X射線衍射實(shí)驗分析（0.5～1.0 g），一份備用。X射線衍射實(shí)驗分析儀器為Rigaku公司生產(chǎn)的D/Max 2500 PC型粉末X射線衍射儀。實(shí)驗測試條件：Cu靶，Kα射線，X射線管功率40 kV，管電流150 mA，采用連續(xù)掃描，掃描速度4°/min，步長0.02°，起始角3°，終角70°，發(fā)射狹縫與散射狹縫均為1°，接受狹縫為0.3 mm.利用粉末衍射聯(lián)合會國際數(shù)據(jù)中心（JCPDS-ICDD）提供的標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射分析資料，確定樣品的物質(zhì)組成與含量。

表1 四川盆地古生界頁巖地質(zhì)地化參數(shù)與國內(nèi)外其他地區(qū)對比

2 實(shí)驗結(jié)果

（1）筇竹寺組 筇竹寺組海相頁巖主要礦物成分為石英、黏土礦物和斜長石（圖1a），其中石英含量最高，為20.4%～46.7%，平均為38.7%；其次為黏土礦物，為13.8%～48.3%，平均為26.1%；還含有長石（鉀長石+斜長石），相比較而言，只有部分樣品含有鉀長石，斜長石常見，且含量較高，為16.6%～37.9%，平均為25.9%；碳酸鹽礦物（方解石、白云石）含量為2.0%～12.4%，其中白云石零星分布，方解石易見；此外樣品中普遍含有少量的黃鐵礦，含量為1.3%～5.6%，平均為3.4%；石膏、菱鐵礦等其他礦物含量相對較少，平均不到5.0%.

（2）龍馬溪組 龍馬溪組海相頁巖主要礦物成分為黏土礦物、石英和碳酸鹽礦物（圖1b），其中黏土礦物含量最高，為22.4%～75.9%，平均為37.3%；其次為石英，為7.6%～44.0%，平均為31.8%；碳酸鹽礦物（方解石、白云石）含量較高，為3.4%～47.6%，平均為19.6%，白云石和方解石都明顯較多，方解石含量為2.9%～30.6%，平均為11.9%，白云石含量為2.3%～17.5%，平均為7.7%；長石（鉀長石+斜長石）含量為2.7%～17.7%，平均為7.8%，斜長石常見，只有部分樣品含有鉀長石，但含量明顯低于下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖；此外樣品中普遍含有少量黃鐵礦，為1.3%～6.7%，平均為3.7%；石膏、菱鐵礦等其他礦物含量相對較少，平均不到3.0%.

圖1 W201井下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖樣品的礦物組成

3 討論

3.1 與國外海相泥/頁巖礦物成分對比

根據(jù)礦物平均含量，龍馬溪組黏土礦物含量高于筇竹寺組頁巖，石英含量相對較低，長石含量則明顯低于筇竹寺組頁巖；碳酸鹽礦物中，方解石和白云石含量明顯高于筇竹寺組頁巖。龍馬溪組和筇竹寺組頁巖樣品中都含有少量的黃鐵礦，且十分常見，其他礦物含量則都少于5.0%.研究區(qū)龍馬溪組頁巖石英含量略低于長寧—興文地區(qū)露頭頁巖，方解石、白云石和長石含量則明顯高于長寧—興文地區(qū)的露頭頁巖（圖2a）。而長寧—興文地區(qū)龍馬溪組露頭頁巖黏土礦物含量明顯高于威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組。

美國泥盆系—石炭系海相頁巖氣已獲得大范圍的開發(fā)，但其巖石礦物組成之間存在略微差異（圖2b，圖3a），Bossier頁巖中黏土礦物含量低于50.0%，石英、長石和黃鐵礦含量低于40.0%，碳酸鹽礦物含量大于25.0%；Barnett，Ohio，Woodford頁巖黏土礦物與石英、長石和黃鐵礦含量分布范圍廣，為20.0%～80.0%，碳酸鹽礦物含量則低于25.0%.西加拿大盆地Besa River（Lower black泥巖，Upper black頁巖）、Muskwa及Fort Simpson頁巖中黏土礦物和石英含量異常的高，除含少量碳酸鹽礦物外，其他礦物含量都很低[14-17]（圖2c，圖3b）。

綜上所述，研究區(qū)筇竹寺組和龍馬溪組及長寧—興文地區(qū)龍馬溪組頁巖礦物組成與北美Bossier，Bar?nett頁巖具有類似的分布區(qū)域，與西加拿大盆地及北美Ohio，Woodford頁巖存在較大差異（圖3a，圖3c，圖3d）。

3.2 頁巖礦物組成反映沉積環(huán)境特征

巖石礦物組成主要受物源、沉積環(huán)境和成巖作用等多種因素控制，其差異反映出大量地球化學(xué)與地質(zhì)信息。川南威遠(yuǎn)地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁巖主要為黑灰色—灰黑色頁巖、砂質(zhì)頁巖、碳質(zhì)頁巖，莓狀黃鐵礦較發(fā)育，含有大量筆石化石[2]。X射線衍射測試結(jié)果表明，筇竹寺組和龍馬溪組頁巖中碎屑狀石英平均含量分別為38.7%和31.8%，含有黃鐵礦、硫鐵礦等多種金屬硫化物，還含有白云石和方解石等自生碳酸鹽礦物；顯微鏡下同樣可觀察到極細(xì)莓狀黃鐵礦及筆石大量存在（圖4），這些均表明川南威遠(yuǎn)地區(qū)筇竹寺組和龍馬溪組屬于海相強(qiáng)還原沉積環(huán)境。結(jié)合前人成果，研究區(qū)筇竹寺組和龍馬溪組頁巖應(yīng)為淺海陸棚沉積環(huán)境，這種沉積環(huán)境有利于海相水生有機(jī)質(zhì)的富集和保存，為頁巖氣藏的形成提供了良好的條件[8，10-12，16]。

3.3 脆性礦物的頁巖氣勘探開發(fā)意義

脆性礦物含量與頁巖裂縫的發(fā)育程度呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)頁巖中膨脹性黏土礦物含量較少，石英、長石和碳酸鹽等脆性礦物含量較多時，巖石本身裂縫發(fā)育程度較大，脆性較強(qiáng)，后期造縫能力強(qiáng)，容易產(chǎn)生裂縫[17-24]。也就是說，在后期人工壓裂中，脆性礦物含量較高的頁巖比富含黏土礦物的頁巖可以產(chǎn)生更多的裂縫系統(tǒng)。頁巖氣勘探的重點(diǎn)目標(biāo)主要是尋找黏土礦物含量較低（通常低于50.0%）的頁巖[2]，川南地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組海相頁巖樣品礦物成分中黏土礦物為13.8%～48.3%，平均為26.1%，下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁巖樣品礦物成分中黏土礦物含量最高，為22.4%～75.9%，平均為37.3%.兩者都低于50.0%，后期易于壓裂改造。

圖2 古生界海相頁巖礦物組成對比

圖3 川南地區(qū)海相頁巖與北美地區(qū)Barnett頁巖的礦物組成對比

圖4 W201井筇竹寺組和龍馬溪組頁巖顯微鏡下特征

頁巖脆性礦物主要包括石英、長石以及碳酸鹽礦物[20-23]。研究區(qū)筇竹寺組的脆性礦物含量為49.4%～81.0%，平均為70.5%，石英和長石平均含量分別為38.7%和26.9%，碳酸鹽礦物平均含量相對較低，為5.2%；龍馬溪組脆性礦物含量為18.1%～73.1%，平均為58.7%，石英和長石平均含量分別為31.8%和7.8%，碳酸鹽礦物平均含量為19.6%.兩者均有較高的脆性礦物含量，相比較后者的脆性礦物平均含量略高（圖5）。兩者的脆性礦物含量也明顯高于長寧—興文地區(qū)龍馬溪組露頭樣品（圖6）。與國外相比，美國現(xiàn)已投入開采的頁巖氣田如Fort worth盆地密西西比系Barnett頁巖中，石英含量為35.0%～50.0%，平均可達(dá)45.0%；Appalachian盆地泥盆系Ohio頁巖石英含量為45.0%～60.0%（圖3a）。西加拿大盆地Msuskwa和Fort Simp?son頁巖石英含量同樣很高，碳酸鹽礦物和長石含量較低，主要分布在頂端區(qū)域。

圖5 川南地區(qū)古生界泥頁巖樣品的脆性礦物含量分布

脆性指數(shù)是頁巖氣儲集層評價中一個重要的參數(shù)。本文按照中國和美國學(xué)者采用的公式分別計算了筇竹寺組和龍馬溪組兩套海相頁巖的脆性指數(shù)，根據(jù)中國學(xué)者采用的公式得出：筇竹寺組頁巖脆性指數(shù)為50.6%～85.4%，平均為73.0%；龍馬溪組頁巖脆性指數(shù)為19.3%～76.5%，平均為61.1%，筇竹寺組的脆性指數(shù)略高。采用美國公式計算得出：筇竹寺組頁巖脆性指數(shù)為25.2%～66.3%，平均為56.6%；龍馬溪組頁巖脆性指數(shù)為9.1%～56.7%，平均為39.5%，同樣是筇竹寺組頁巖的脆性指數(shù)略高。圖7分別為筇竹寺組和龍馬溪組美國頁巖脆性指數(shù)與中國頁巖脆性指數(shù)交會圖，可以看出，筇竹寺組計算的脆性指數(shù)表現(xiàn)出了很好的相關(guān)性，而龍馬溪組相關(guān)性相對較差，究其原因本文認(rèn)為主要與龍馬溪組碳酸鹽礦物（方解石和白云石）含量較高有關(guān)。

圖6 川南地區(qū)古生界泥頁巖樣品脆性礦物含量分布

川南威遠(yuǎn)地區(qū)筇竹寺組頁巖樣品的脆性礦物含量為49.4%～81.0%，平均為70.5%，脆性指數(shù)為50.6%～85.4%，平均為73.0%，龍馬溪組頁巖樣品的脆性礦物含量為18.1%～73.1%，平均為58.7%，脆性指數(shù)為19.3%～76.5%，平均為61.1%.總體上，兩者脆性礦物含量和脆性指數(shù)都較高，具有良好的可壓性，有利于裂縫發(fā)育和后期的壓裂改造。

4 結(jié)論

（1）川南威遠(yuǎn)地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁巖的礦物組成與含量特征存在差異：下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖中石英含量最高，為20.4%～46.7%，平均為38.7%，黏土礦物次之，為13.8%～48.3%，平均為26.1%，含部分碳酸鹽礦物，為2.0%～12.4%，平均為5.2%；下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖中黏土礦物含量略高，為22.4%～75.9%，平均為37.3%，其次則為石英，為7.6%～44.0%，平均為31.8%，碳酸鹽礦物含量相對較低，為3.4%～47.6%，平均為19.9%，兩者普遍含有少量的黃鐵礦。

圖7 美國頁巖脆性指數(shù)與中國頁巖脆性指數(shù)交會圖

（2）筇竹寺組和龍馬溪組頁巖中碎屑狀石英平均含量分別為38.7%和31.8%，含有黃鐵礦、硫鐵礦等多種金屬硫化物，還含有白云石和方解石等自生碳酸鹽礦物；顯微鏡下同樣可觀察到極細(xì)莓狀黃鐵礦及筆石大量存在。這些均表明川南威遠(yuǎn)地區(qū)筇竹寺組和龍馬溪組屬于海相強(qiáng)還原沉積環(huán)境，這種沉積環(huán)境有利于海相水生有機(jī)質(zhì)的富集和保存，也為頁巖氣藏的形成提供了良好的沉積條件。

（3）川南威遠(yuǎn)地區(qū)筇竹寺組頁巖樣品的脆性礦物含量為49.4%～81.0%，平均為70.5%，脆性指數(shù)為73.0%，龍馬溪組頁巖樣品的脆性礦物含量為18.1%～73.1%，平均為58.7%，脆性指數(shù)為61.1%.總體上兩者脆性礦物含量和脆性指數(shù)都較高，具有良好的可壓性，有利于裂縫發(fā)育和后期的壓裂改造。