基于富有機(jī)質(zhì)頁巖的礦物組分分析

楊玲　李鵬飛

摘要：我國頁巖氣資源豐富，主要分布在我國南方的志留系馬溪組、寒武系筇竹寺組以及奧陶系五峰組的富有機(jī)質(zhì)頁巖中。富有機(jī)質(zhì)頁巖是頁巖氣的主要富集儲(chǔ)層，因此明確富有機(jī)質(zhì)頁巖的組分對于頁巖氣的形成機(jī)理以及勘探頁巖氣都具有一定的指導(dǎo)意義。文章對此進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：頁巖氣；有機(jī)質(zhì)；礦物組分；壓裂技術(shù)；形成機(jī)理；地質(zhì)勘探 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號：P631 文章編號：1009-2374（2015）03-0146-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0262

到目前為止美國開采的非常天然氣產(chǎn)量約占天然氣總量的一半左右，據(jù)專家估測，這一數(shù)目預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)到54%～55%，而到2030年更將達(dá)到65%，可見隨著人們對能源需求的不斷攀升，非常規(guī)天然氣在美國天然氣總量中占據(jù)的位置已經(jīng)不再是冰山一角，這其中非常規(guī)天然氣主要依賴于頁巖氣，致密砂巖氣以及煤層氣，從全球范圍來看，目前全球非常規(guī)天然氣產(chǎn)量大約為3242億m3/年，大概為常規(guī)天然氣資源量的4.56倍。這其中，頁巖氣資源量大約占據(jù)456萬億m3，致密砂巖氣資源量大約為209.72萬億m3，煤層氣資源量大約為256.3萬億m3。從這一數(shù)據(jù)我們也可以看出，不久的將來，頁巖氣或許會(huì)替代石油以及其他常規(guī)能源而登上舞臺(tái)，進(jìn)而也許影響著全球經(jīng)濟(jì)，政治甚至軍事格局。

根據(jù)頁巖氣聚集機(jī)理和中美頁巖氣地質(zhì)條件相似性對比，中國頁巖氣富集地質(zhì)條件優(yōu)越，具有與美國大致相同的頁巖氣資源前景及開發(fā)潛力。據(jù)相關(guān)學(xué)者估計(jì)我國頁巖氣資源總量約為26×1012m3，其中南方、北方、西北及青藏地區(qū)各自占頁巖氣可采資源總量的46.8%、8.9%、43%和1.3%，其中南方地區(qū)以志留系龍馬溪組、寒武系筇竹寺組以及奧陶系五峰組最為發(fā)育。然而泥頁巖作為頁巖氣的有利儲(chǔ)存區(qū)，對其進(jìn)行巖石礦物組分分析是我們進(jìn)行頁巖氣地球物理勘探和評價(jià)之前的首要任務(wù)。

1 X射線衍射定量分析原理

X射線衍射分析（X-Ray Diffraction，簡稱XRD），是利用晶體形成的X射線衍射，對物質(zhì)進(jìn)行內(nèi)部原子在空間分布狀況的結(jié)構(gòu)分析方法。X射線衍射方法具有不損傷樣品、無污染、快捷、測量精度高、能得到有關(guān)晶體完整性的大量信息等優(yōu)點(diǎn)。X射線衍射定量分析技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于材料科學(xué)與工程的研究中。X射線衍射物相定量分析有外標(biāo)法、內(nèi)標(biāo)法、絕熱法、K值法等常規(guī)分析方法。其目的是在物相鑒定基礎(chǔ)上，測定物質(zhì)中各相含量。根據(jù)衍射強(qiáng)度與該物質(zhì)參與衍射的體積或重量的增加而增加關(guān)系（非線性），表示為n相混合物中，j相某衍射線的強(qiáng)度與參與衍射的該相的體積Vj或重量分?jǐn)?shù)Wj的關(guān)系式：

為定量分析普適公式（Alexander定量分析公式），其中：

常數(shù)

強(qiáng)度因子

結(jié)構(gòu)因子（i為晶胞中原子）

注意：公式中，因各相μm不同，每相Vj或Wj的變化引起μm總體變化，導(dǎo)致Ij-Vj或Wj的非線性。由處理Kj與總體μm的不同引伸出多種定量分析方法，以滿足實(shí)際需求。

其中外標(biāo)法要純標(biāo)樣，它不加到待測樣中，該法實(shí)用于大批量試樣中某相定量測量。要在相同的實(shí)驗(yàn)條件，測選定的同一衍射線強(qiáng)度；內(nèi)標(biāo)法待測試樣為n相，μmj不同，加恒量Ws的標(biāo)樣到混合樣中的定量方法。標(biāo)樣可選α-Al2O3、ZnO、KCl、LiF、CaF2、MgO、SiO2、CaCO3、NaCl或NiO之一，優(yōu)選吸收系數(shù)與顆粒大小相近，衍射線不重疊的作標(biāo)樣；K值法是1974年由F.H.Chang創(chuàng)立，它是內(nèi)標(biāo)法的發(fā)展，K值與加入標(biāo)樣含量無關(guān)，無需作定標(biāo)曲線，且K值易求，稱K值法也稱基本沖洗法。其中K值法的優(yōu)點(diǎn)是：（1）與內(nèi)標(biāo)法相比無需求它標(biāo)曲線，K值易求；（2）只要內(nèi)標(biāo)物質(zhì)，待測相與實(shí)驗(yàn)條件相同K值恒定，故有普適性；（3）只作一次掃測即可得所有強(qiáng)度數(shù)據(jù)；（4）可以對感興趣的j相進(jìn)行測量，試樣中可有非晶。K值法的缺點(diǎn)是要加入S相稀釋樣品，只適用粉末試樣；絕熱法的原理是：在n相待測樣中，均為結(jié)晶相（不可有非晶相），各相的K值已知，可不加標(biāo)樣（由待測樣中j相充當(dāng)標(biāo)樣，只要實(shí)測各相的Ii，hkl，I=1.2…j…n，且對應(yīng)K值為已知）即可求所有結(jié)晶相含量。其中絕熱法的優(yōu)點(diǎn)是：（1）不加內(nèi)標(biāo)，不作定標(biāo)曲線，不稀釋基體，不增加額外譜線；（2）可用塊狀和粉末狀試樣；（3）用一個(gè)試樣可測全部物相含量。絕熱法的缺點(diǎn)是不能有非晶相和含未鑒定的相，各相K值均需已知。

2 頁巖礦物組分分析及其應(yīng)用

本次試驗(yàn)的富有機(jī)質(zhì)頁巖來源于我國南方地區(qū)志留系龍馬溪組，對20塊頁巖巖芯樣品進(jìn)行全巖X-射線衍射定量分析，結(jié)果顯示該類頁巖礦物組分中除常見的粘土礦物外，還含有方解石、石英、黃鐵礦、長石及少量硬石膏等礦物成分。

從分析中我們可以知道富有機(jī)質(zhì)頁巖的石英含量較高，這對于后期進(jìn)行壓裂具有促進(jìn)作用，因?yàn)閴毫逊椒ǖ倪x擇以及如何壓裂對于頁巖氣的采集起到至關(guān)重要的作用，這是因?yàn)閺默F(xiàn)實(shí)看來壓裂增產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步也顯著提高了頁巖氣的產(chǎn)量，含氣頁巖一般屬于低孔，特低滲，因此一般頁巖均需要人工壓裂改造之后才具有商業(yè)價(jià)值，美國在壓裂技術(shù)方面主要采用：（1）水力壓裂技術(shù)；（2）水平井分段壓裂技術(shù)；（3）重復(fù)壓裂；（4）同步分裂。其中水平鉆井與分段壓裂技術(shù)的綜合運(yùn)用，使頁巖氣開發(fā)在縱向和橫向領(lǐng)域得到延伸，這使單井產(chǎn)量上了一個(gè)新臺(tái)階，重復(fù)壓裂與同步壓裂可延長頁巖氣井的高產(chǎn)時(shí)期。

3 結(jié)語

從以上實(shí)驗(yàn)可以得知：富有機(jī)質(zhì)頁巖礦物組分復(fù)雜多樣，其中包括方解石、石英、黃鐵礦等多類礦物，其中石英含量是頁巖脆性的標(biāo)志性礦物，可以大概知道該區(qū)域頁巖的脆性程度，這對于后期頁巖氣壓裂開采具有很大幫助；黃鐵礦含量是頁巖復(fù)電阻率實(shí)驗(yàn)引起激發(fā)極化效應(yīng)的主導(dǎo)者，且黃鐵礦含量高，激發(fā)極化（IP）效應(yīng)越明顯，因此對頁巖進(jìn)行礦物組分分析對于頁巖氣的形成機(jī)理以及勘探頁巖氣都具有一定的指導(dǎo)

意義。

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作者簡介：楊玲（1976-），女，山西長治人，山西省煤炭地質(zhì)114勘查院助理工程師，研究方向：頁巖氣及其煤田資料處理。

（責(zé)任編輯：蔣建華）