丁 海 王博文 徐宏杰 姚素平

(1.安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院，安徽 合肥 230088；2.安徽理工大學地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001；3.南京大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210023)

0 引言

頁巖氣是目前全球非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)的新領域［1］。近年來，中國對頁巖氣進行了一系列區(qū)域性基礎研究，并在繼煤層氣、致密砂巖氣之后逐步進入商業(yè)化開發(fā)階段。淮南煤田主要發(fā)育自生自儲式的頁巖氣藏，泥頁巖不僅是烴源巖，還是頁巖氣的主要儲集層。淮南煤田的泥頁巖多形成于三角洲和濱岸環(huán)境，有機質(zhì)含量高。然而優(yōu)質(zhì)烴源巖并非一定能形成優(yōu)質(zhì)頁巖氣藏，頁巖氣的賦存狀態(tài)主要包括兩種，一種游離于孔隙和天然裂縫中，另一種是吸附于有機質(zhì)和黏土礦物表面。這兩種賦存狀態(tài)也是影響頁巖氣儲層的兩個因素，前者屬于外因，主要與地質(zhì)構造形成的裂隙和儲集層的原始孔隙有關，后者屬于內(nèi)因，主要與儲層的礦物組成成分相關。目前頁巖氣研究主要集中于頁巖氣聚集機理和條件、頁巖氣儲層裂隙研究、富集地質(zhì)條件與選區(qū)選層等外因，因此需要對頁巖氣儲層的礦物成分特征開展進一步探索研究。

1 煤田地質(zhì)背景

淮南煤田潘集外圍地區(qū)處于淮南復向斜東段（圖1），石炭-二疊系煤層發(fā)育。二疊系整合于石炭系太原組地層之上，以太原組一灰頂作為底界，厚度為1 102～1 191 m，平均厚度1 150 m，自下而上劃分為山西組、下石盒子組、上石盒子組、孫家溝組。上石盒子組地層總厚510.84～545.10 m，其內(nèi)發(fā)育多層泥頁巖沉積，泥頁巖厚度處于100～480 m。下石盒子組對應第二含煤段，底界為鋁質(zhì)泥巖下駱駝缽砂巖之底，頂界至9煤上砂巖之底，地層厚度105～165 m，平均厚度132 m。一般含煤10層（4-1-9煤），其中4-1、4-2、5-1、5-2、6-1、7-1、7-2、8煤等8層為可采煤層，可采總厚平均13.13 m。沉積相特征為淺水三角洲及下三角平原沉積環(huán)境，主要巖性為砂巖、泥巖、頁巖、煤等，下石盒子組沉積厚度呈現(xiàn)由北向南增厚的趨勢。下部以灰白色中粗砂巖或含礫砂巖（駱駝缽砂巖）為底界，上為鋁質(zhì)泥巖及花斑狀泥巖，中上部以砂巖為主夾泥巖。山西組的沉積厚度處于52.72～105.28 m，發(fā)育砂巖、泥巖、頁巖、煤等多類巖性，本組砂巖含量較高，占該層段的40%左右；泥頁巖累計厚度在30～60 m，發(fā)育煤層2層，位于中部。

圖1 研究區(qū)構造綱要圖

2 樣品采集與實驗方法

本次研究樣品主要采自淮南潘集17-1、20-4、10-2和潘集外圍20-2等煤田鉆孔，共有泥頁巖樣品60組，其中山西組樣品10組，上石盒子組樣品27組，下石盒子組樣品23組。通過X射線衍射實驗完成60組樣品的測試。實驗儀器為D/max-2500，其最大輸出為18 kW，管電壓為20～60 kV，管電流為10～300 mA；掃描方式為2θ/θ連動，2θ角測量范圍為-10°～154°，掃描步進為0.002°～90°（2θ/θ掃描）和0.001°～90°（2θ掃描），掃描速度為0.002～100°/min（2θ/θ掃描）和0.001°～100°/min（2θ掃描）。按《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》（SY/T 5163—2018）進行實驗［2］。

3 結果與討論

3.1 有機質(zhì)特征

總有機碳質(zhì)量分數(shù)大于0.5%的泥頁巖為具備形成頁巖氣藏潛力的烴源巖［3］。依據(jù)《頁巖氣資源/儲量計算與評價技術規(guī)范》（DZ/T 0254—2014）［4］，將烴源巖有機碳質(zhì)量分數(shù)分為4級，0.5%～1%為低；1%～2%為中；2%～4%為高；大于等于4%為特高。研究表明［5］，淮南潘集地區(qū)石炭-二疊系山西組泥頁巖有機碳質(zhì)量分數(shù)變化范圍為0.11%～8.87%，平均為2.58%，下石盒子組泥頁巖有機碳質(zhì)量分數(shù)變化范圍為0.11%～2.74%，平均為1.07%，上石盒子組泥頁巖頁有機碳質(zhì)量分數(shù)變化范圍為0.13%～1.16%，平均為0.57%。由此可以看出，研究區(qū)山西組泥頁巖可達高級，下石盒子組達到中等級別，上石盒子組為低級。根據(jù)泥頁巖干酪根顯微組分及有機質(zhì)干酪根碳同位素結果表明，淮南地區(qū)石炭-二疊系泥頁巖有機質(zhì)類型以Ⅱ2為主，部分為Ⅱ1型和Ⅲ型有機質(zhì)。

3.2 礦物組成特征

3.2.1 碎屑礦物。全巖X射線衍射測試結果顯示（圖2～圖4），在上石盒子組的巖樣中，脆性礦物含量處于20%～78%，平均含量為40.7%；下石盒子組脆性礦物含量介于18.6%～52.4%，平均含量為34.21%；山西組脆性礦物含量在30.3%～46.3%，平均含量為35.21%。研究區(qū)脆性礦物中石英高達90%以上，其次含少量鈉長石和鉀長石。將采樣深度與碎屑礦物含量進行相關分析，未發(fā)現(xiàn)礦物含量與深度之間的明顯變化關系，說明泥頁巖儲層礦物多來源于母巖碎屑沉積，自生型礦物含量低。

圖2 上石盒子組X射線衍射礦物成分

圖4 山西組X射線衍射礦物成分

3.2.2 黏土礦物。研究區(qū)樣品中黏土礦物含量普遍要高于脆性礦物含量，上石盒子組黏土礦物含量范圍為13.3%～76.8%，平均含量為55.68%。下石盒子組黏土礦物含量介于34%～81.4%，平均含量是62.81%。山西組黏土礦物含量范圍在50.6%～69.7%，平均含量為59.24%。下石盒子組黏土礦物中高嶺石含量最高，最高可達81%，平均含量55.74%，其次為伊/蒙混層，含量范圍在6%～82%，平均含量為31.35%，綠泥石含量較少，含量范圍在2%～15%，平均含量為9.21%，伊利石含量最低，含量范圍在1%～7%，平均含量為3.7%（圖5）。山西組黏土含量中高嶺石和伊/蒙混層含量最多，高嶺石含量范圍為23%～77%，平均含量為43.7%，伊/蒙混層含量為9%～66%，平均含量為40.9%，其次綠泥石含量介于6%～10%，平均含量為8%，最后為伊利石，含量范圍在3%～11%，平均含量為7.4%（圖6）。

圖3 下石盒子組X射線衍射礦物成分

圖5 山西組黏土礦物成分及含量

圖6 下石盒子組黏土礦物成分及含量

黏土礦物的含量和類型對泥頁巖中天然氣的吸附性有直接影響［6］。不同的黏土礦物具有差異化的結構，由于比表面積和表面自由能的差異，蒙皂石對有機質(zhì)和烴類的吸附性相對最強，伊利石、綠泥石和高嶺石對有機質(zhì)和烴類的吸附性依次減弱。基于研究區(qū)下石盒子組和山西組黏土礦物類型和含量分析結果，目的層的主要黏土礦物類型為伊/蒙混層，因此，研究區(qū)泥頁巖具備較好的天然氣吸附能力。

3.2.3 碳酸鹽礦物。研究區(qū)煤系泥頁巖中碳酸鹽礦物含量較低，上石盒子組中僅在四個樣品中檢測出了少量的方解石和白云石；下石盒子組中僅在A-38號樣品中檢測出了0.4%方解石，未見白云石；山西組中三個樣品中檢測出了白云石，未見方解石。在多數(shù)樣品中檢測出了少量的黃鐵礦、菱鐵礦和極少數(shù)的赤鐵礦。碳酸鹽礦物含量特征與地層水介質(zhì)呈酸性有關，酸性的水介質(zhì)不利于碳酸鹽礦物的沉淀［7-8］，同時也表明研究區(qū)泥頁巖沉積可能具有一定的還原性，進而形成有機質(zhì)富集和保存的環(huán)境基礎，為頁巖氣成藏提供了良好的沉積條件。

3.2.4 礦物組分對比。將研究區(qū)泥頁巖儲層的礦物組分與國內(nèi)多個典型泥頁巖發(fā)育區(qū)進行對比分析。南方古生界發(fā)育3套區(qū)域性的泥頁巖沉積［9］，研究區(qū)泥頁巖儲層中的石英含量較其上奧陶-下志留統(tǒng)偏高，較其下寒武統(tǒng)和上二疊統(tǒng)的石英含量偏低。沁水盆地發(fā)育穩(wěn)定的三角洲相泥頁巖儲層［10］，研究區(qū)與其對比，泥頁巖中石英含量偏低，黏土礦物含量相對高。四川盆地、鄂爾多斯盆地都發(fā)育廣泛的陸相泥頁巖沉積［11-12］，其黏土礦物含量較研究區(qū)泥頁巖偏低。對比分析說明，研究區(qū)泥頁巖儲層礦物組分與國內(nèi)各沉積環(huán)境形成的泥頁巖儲層有明顯的差異。

3.3 脆性分析

脆性是泥頁巖儲層的關鍵評價參數(shù)［13］，脆性的高低對儲層可壓裂性有顯著的控制作用。研究區(qū)泥頁巖儲層的脆性計算公式如式（1）、式（2）。

式中：B石英為石英脆度；C石英為石英含量；C碳酸鹽為碳酸鹽含量；C黏土為黏土礦物含量；B總為總脆度。

由式（1）和（2）分別計算出研究區(qū)脆性指數(shù)如表1所示，結果表明，研究區(qū)石英脆度為35.49%，總脆度為37.3%。將研究區(qū)泥頁巖的脆度與其他海陸過渡相泥頁巖、南方古生界泥頁巖進行對比分析［14-20］，研究區(qū)泥頁巖脆度較南方海相泥頁巖偏低，與其他海陸過渡相泥頁巖近似。從淮南煤田泥頁巖儲層脆度的垂向變化規(guī)律分析，下石盒子組頁巖脆度偏低，上石盒子組的脆度相對高。因此，研究區(qū)泥頁巖儲層的脆度總體偏小，開采過程中應根據(jù)儲層特性采取相匹配的壓裂方式。

表1 研究區(qū)脆度綜合表

4 結論

①X射線衍射結果顯示，淮南煤田潘集外圍煤系泥頁巖礦物組成成分主要有黏土礦物和脆性礦物，上石盒子組平均含量高達55.68%和40.7%，下石盒子組平均含量分別為62.81%和34.21%，山西組平均含量為59.24%和35.21%，其中脆性礦物中石英含量高達90%以上，少量鉀長石和鈉長石，碳酸鹽礦物主要包括菱鐵礦、黃鐵礦和鈉長石等礦物。

②淮南煤田煤系泥頁巖的黏土礦物含量高，伊/蒙混層為主要黏土礦物類型，其中下石盒子組伊/蒙混層和伊利石總含量為35.05%。山西組伊/蒙混層和伊利石總含量為48.3%，表明了研究區(qū)泥頁巖吸附天然吸附能力較高。

③研究區(qū)石英等脆性礦物含量相對較低，開采過程中應根據(jù)儲層特性采取相匹配的壓裂方式。