四川盆地南緣上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖礦物組成與脆性特征

伍 岳，樊太亮，蔣 恕，李一凡，張俊鵬，丁懷宇

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京100083；3.美國(guó)猶他大學(xué)能源與地學(xué)研究院，猶他州鹽湖城84108；4.中國(guó)石油遼河油田分公司，遼寧盤錦124010）

四川盆地南緣上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖礦物組成與脆性特征

伍 岳1，2，3，樊太亮1，2，蔣 恕3，李一凡1，2，張俊鵬1，2，丁懷宇4

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京100083；3.美國(guó)猶他大學(xué)能源與地學(xué)研究院，猶他州鹽湖城84108；4.中國(guó)石油遼河油田分公司，遼寧盤錦124010）

通過X射線全巖衍射、光學(xué)薄片鑒定及掃描電鏡等技術(shù)手段，對(duì)四川盆地南緣上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖野外露頭及新鉆井巖心樣品進(jìn)行測(cè)試分析。結(jié)果表明，五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖礦物組分以石英和粘土礦物為主，其次為方解石和白云石，還有少量的鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石和黃鐵礦。其中石英以陸源碎屑來源為主，部分為生物成因；伊利石與綠泥石組合是粘土礦物的特征組合類型；方解石和白云石多以亮晶膠結(jié)物和裂縫填充物的形式存在。以礦物組分為依據(jù)，將五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖劃分為富石英頁(yè)巖、富粘土頁(yè)巖及富碳酸鹽頁(yè)巖3類端元巖相，每類巖相在礦物組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及沉積背景等方面均表現(xiàn)出不同特征。經(jīng)計(jì)算該頁(yè)巖脆性指數(shù)為0.36～0.74，平均為0.51，表明該套頁(yè)巖具備良好的脆性與可壓裂性，有利于頁(yè)巖氣的開采。其中，底部頁(yè)巖石英含量高，脆性指數(shù)大且富含有機(jī)質(zhì)，有利于頁(yè)巖氣富集與儲(chǔ)層壓裂改造，是研究區(qū)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)層位。

頁(yè)巖 礦物組成 巖相脆性指數(shù) 上奧陶統(tǒng)五峰組 下志留統(tǒng)龍馬溪組 四川盆地南緣

近年來，頁(yè)巖氣成為全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的熱點(diǎn)，中國(guó)具有巨大的頁(yè)巖氣資源潛力［1-3］。頁(yè)巖氣以吸附態(tài)賦存于有機(jī)質(zhì)與粘土礦物表面，或以游離態(tài)儲(chǔ)存在孔隙與天然裂縫中。頁(yè)巖內(nèi)的粘土礦物具有大的比表面，能夠吸附大量的頁(yè)巖氣，有助于頁(yè)巖氣的保存；石英等脆性礦物在外部應(yīng)力下易產(chǎn)生裂縫，成為頁(yè)巖氣的重要滲流通道［4］。因此，頁(yè)巖氣的富集與儲(chǔ)存與頁(yè)巖礦物組分具有密切關(guān)系，礦物成分分析是進(jìn)行頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的基礎(chǔ)。

眾多學(xué)者對(duì)四川盆地南緣上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖在生烴潛力、儲(chǔ)集物性及含氣性等方面進(jìn)行過詳細(xì)研究［5-10］，而對(duì)頁(yè)巖巖石學(xué)性質(zhì)的系統(tǒng)研究較少，且研究程度不夠深入。為此，筆者采集了研究區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖野外露頭及新鉆井巖心樣品，通過X射線全巖衍射、光學(xué)薄片鑒定及掃描電鏡等技術(shù)手段，探討了其頁(yè)巖巖礦特征及其可壓裂性，以期對(duì)該區(qū)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)起到一定指導(dǎo)作用。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

震旦紀(jì)以來，四川盆地經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了現(xiàn)今四面環(huán)山的構(gòu)造格局［11］。研究區(qū)位于四川盆地南緣，主要包括長(zhǎng)寧、興文及習(xí)水等地區(qū)（圖1）。晚奧陶世至早志留世，盆地邊坡處于高度擠壓狀態(tài)，造山運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，川中隆起與黔中隆起、雪峰隆起相連形成了規(guī)模龐大的隆起帶，使得四川盆地及其周緣沉積環(huán)境從具有廣海特征的海域變?yōu)楸宦∑饑薜木窒藓Ｓ?，形成了大面積的低能、欠補(bǔ)償、缺氧的沉積環(huán)境。奧陶紀(jì)末和志留紀(jì)初，發(fā)生了2次全球性海侵，研究區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖正是這2次海侵的相應(yīng)沉積產(chǎn)物［12-16］。

圖1 四川盆地南緣區(qū)域位置Fig.1 Locationmap of the southern Sichuan Basin

野外露頭及鉆井巖心觀察顯示，四川盆地南緣上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖下段為深水陸棚相沉積，富含筆石和黃鐵礦，局部夾方解石條帶；龍馬溪組頁(yè)巖上段內(nèi)常見薄層粉砂質(zhì)條帶、火山灰條帶、灰質(zhì)條帶及鈣質(zhì)結(jié)核，具有明顯淺水沉積特征。從下往上，巖性特征總體表現(xiàn)為粉砂質(zhì)和鈣質(zhì)含量增加、顆粒變粗、顏色變淺，表明當(dāng)時(shí)的沉積水體逐漸變淺。

2 礦物組成特征

習(xí)頁(yè)1井18塊頁(yè)巖樣品X射線全巖衍射分析結(jié)果表明，四川盆地南緣上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖礦物組分以石英和粘土礦物為主，含少量斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、方解石、白云石和黃鐵礦等。石英含量為31.9%～69.9%，平均為44.7%，從下往上呈減少趨勢(shì)；粘土礦物含量為15.4%～53.2%，平均為32.6%，與石英含量呈此消彼長(zhǎng)的關(guān)系；碳酸鹽礦物含量較少，為5.4%～19.2%，平均為10.5%（表1）。粘土礦物以伊利石為主，其次為綠泥石，部分樣品中含少量伊/蒙混層與高嶺石，其中，伊利石/綠泥石組合是研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖的主要粘土礦物組合類型［9］，表明該套頁(yè)巖成巖作用已達(dá)晚成巖作用—早變質(zhì)作用階段，有機(jī)質(zhì)進(jìn)入高成熟—過成熟演化階段。

石英 一般來說，頁(yè)巖內(nèi)石英來源于陸源碎屑供給、生物蛋白石的重結(jié)晶以及粘土成巖過程［17］。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖石英主要源于陸源碎屑。陸源石英顆粒磨圓度中等，呈棱角—次棱角狀，粒度為10～50μm，經(jīng)過長(zhǎng)距離的搬運(yùn)磨蝕及長(zhǎng)時(shí)期的地下壓實(shí)，內(nèi)部大多有裂紋，大部分石英顆粒邊緣被碳酸鹽礦物交代或被酸性流體溶解成不規(guī)則多邊形（圖2a）。此外，還有部分生物成因的石英，呈隱晶或微晶結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)寧地區(qū)的雙河剖面（圖1）在五峰組—龍馬溪組底部富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中發(fā)現(xiàn)大量硅質(zhì)生物化石，包括放射蟲（圖2b）、海綿骨針、有孔蟲等，呈星點(diǎn)狀散布于頁(yè)巖中，這為硅質(zhì)來源與生物有關(guān)提供了證據(jù)［10］。蒙脫石向伊利石化過程中硅質(zhì)析離形成自生微晶石英，受層狀硅酸鹽薄層的限制，晶面不發(fā)育，鏡下難以觀察到自形晶體，多以巢狀集合體形式分布于粘土礦物微孔隙中。

表1 習(xí)頁(yè)1井上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖礦物含量Table1 Mineral composition of the shale in the upper Ordovician Wufeng Formation and the lower Silurian Longmaxi Formation from WellXiye1 %

粘土礦物 研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖內(nèi)粘土礦物以伊利石為主，其次為綠泥石，含少量伊/蒙混層和高嶺石。粘土礦物的結(jié)晶度一般較高，單偏顯微鏡下呈褐黑色團(tuán)塊狀充填于碎屑礦物顆粒之間，與隱晶石英、有機(jī)質(zhì)等混合，難以鑒別。掃描電鏡下可見粘土礦物包裹于碳酸鈣顆粒表面或填充在粒間孔隙內(nèi)（圖2c），伊利石呈定向排列，示紋層構(gòu)造（圖2d），反映了低能的水動(dòng)力環(huán)境。

碳酸鹽礦物 碳酸鹽礦物主要為方解石和白云石，多為生物化學(xué)成因，也有部分為內(nèi)碎屑。亮晶白云石自形程度較高，晶形完整，網(wǎng)狀解理，粒度為30～50μm，呈斑塊狀分布，次生溶蝕孔隙發(fā)育（圖2e）。少量泥晶方解石呈團(tuán)塊狀分布，以雜基形式存在。鏡下可見部分碳酸鹽顆粒有次生加大現(xiàn)象，部分與石英生長(zhǎng)在一起，或交代石英顆粒邊緣。

黃鐵礦 黃鐵礦晶體晶粒極細(xì)，呈自形或半自形，多以草莓狀集合體形式存在（圖2f），其中由粒徑為1～8μm（平均5μm）的晶粒形成的集合體指示閉塞的缺氧環(huán)境，由粒徑為1～50μm（平均10μm）的晶粒形成的集合體指示開闊的富氧環(huán)境［18］。此外，草莓狀黃鐵礦集合體內(nèi)晶間孔隙是致密頁(yè)巖儲(chǔ)集空間的重要組成部分。

圖2 四川盆地南緣上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖礦物掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2 SEM images of shale in the upper Ordovician Wufeng Formation and the lower Silurian Longmaxi Formation in southern Sichuan Basin

3 頁(yè)巖巖相精細(xì)劃分

頁(yè)巖巖相上的沉積差異主要是由原始礦物組成、沉積環(huán)境、成巖環(huán)境以及事件性沉積的再作用所致［19-21］。頁(yè)巖礦物組分按其成因機(jī)制可簡(jiǎn)單分為沉積階段的原生礦物和成巖階段的次生礦物2部分。通過野外露頭、巖心觀察及顯微鏡下分析，以頁(yè)巖內(nèi)主要無機(jī)礦物石英、碳酸鹽礦物及粘土礦物的相對(duì)含量為依據(jù)，將五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖精細(xì)劃分為3類端元巖相：富石英頁(yè)巖巖相、富粘土頁(yè)巖巖相及富碳酸鹽頁(yè)巖巖相。每類巖相在礦物組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及沉積背景等方面均存在較大差異。

3.1 富石英頁(yè)巖巖相

根據(jù)石英來源和結(jié)構(gòu)差異，富石英頁(yè)巖巖相又分為陸源石英頁(yè)巖巖相和生物石英頁(yè)巖巖相。前者石英呈顆粒單晶結(jié)構(gòu)，含量為20%～40%，主要發(fā)育在淺水陸棚環(huán)境，鏡下顯示紋層狀構(gòu)造，亮紋層由石英、長(zhǎng)石等碎屑礦物形成，暗紋層由粘土礦物，微晶灰泥以及有機(jī)質(zhì)混合形成（圖3a）。后者石英呈隱晶或微晶結(jié)構(gòu)，SiO2含量可高達(dá)85%，平均為60%，幾乎不含碳酸鹽礦物（圖3b），主要發(fā)育在半深海和深海環(huán)境，鏡下可見海綿、硅藻、放射蟲等硅質(zhì)生物化石。

圖3 四川盆地南緣上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖巖相微觀特征Fig.3 Microscopic features of the lithofacies of shale in the upper Ordovician Wufeng Formation and the lower Silurian Longmaxi Formation in southern Sichuan Basin

3.2 富粘土頁(yè)巖巖相

粘土礦物是主要礦物組分，在質(zhì)純的頁(yè)巖中其含量可達(dá)90%。呈泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)成分為粘土礦物與有機(jī)質(zhì)混合物，少量的石英、長(zhǎng)石和黑云母呈漂浮狀，礦物分布較均勻，不顯紋層（圖3c，圖3d）。該巖相頁(yè)巖礦物組分比較單一，粘土礦物以懸浮方式沉積，其它陸源碎屑較少，表明當(dāng)時(shí)為安靜的深水沉積環(huán)境，有利于有機(jī)質(zhì)的富集和保存。

3.3 富碳酸鹽頁(yè)巖巖相

碳酸鈣含量較高，達(dá)25%～50%，主要發(fā)育在淺水陸棚環(huán)境。泥質(zhì)結(jié)構(gòu)主要由粘土礦物與粉泥晶次生方解石或白云石組成（圖3e），可見斑塊狀黃鐵礦及生物化石碎片，天然裂縫被方解石填充（圖3f）。

4 脆性特征

脆性是影響頁(yè)巖可壓裂性與誘導(dǎo)裂縫形態(tài)的重要因素，脆性越高，可壓裂性越好，產(chǎn)氣率越高［22］。頁(yè)巖中最重要的脆性礦物為石英、長(zhǎng)石與方解石，其含量往往決定了頁(yè)巖的脆性。Curtis和Jarvie通過比較Barnett頁(yè)巖與其他含氣頁(yè)巖的地質(zhì)特征，認(rèn)為Barnett頁(yè)巖高產(chǎn)的主要原因在于其脆性礦物含量高，易于通過壓裂造縫獲得高產(chǎn)［23-24］。北美學(xué)者在頁(yè)巖儲(chǔ)層研究中用脆性指數(shù)來表示頁(yè)巖脆度，其為石英含量與石英含量、碳酸鹽巖含量和粘土礦物含量三者之和的比值。該脆性指數(shù)適用于評(píng)價(jià)礦物組分單一、石英含量較高，其他脆性礦物含量較少的頁(yè)巖［23-25］。根據(jù)研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖巖礦特征，可用該脆性指數(shù)評(píng)價(jià)其脆度。以習(xí)頁(yè)1井為例，經(jīng)計(jì)算得到五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖脆性指數(shù)為0.36～0.74，平均為0.51。根據(jù)美國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)脆性礦物含量大于40%，即脆性指數(shù)大于0.4，頁(yè)巖具備良好的可壓裂性［24］。因此，研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖脆性和可壓裂性較好，有利于頁(yè)巖氣的開采。

5 結(jié)論

四川盆地南緣上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖礦物組分以石英和粘土礦物為主，平均含量分別為44.7%和32.6%，石英主要源于陸源碎屑，部分為生物成因，粘土礦物主要為伊利石與綠泥石組合，其次為方解石和白云石，平均含量為10.5%，主要以亮晶膠結(jié)物和裂縫填充物形式存在。該套頁(yè)巖內(nèi)脆性礦物含量較高，脆性指數(shù)大，平均為0.51，具備良好的脆性與可壓裂性。以礦物組分為依據(jù)，研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖劃分為3類端元巖相：富石英頁(yè)巖巖相、富粘土頁(yè)巖巖相及富碳酸鹽頁(yè)巖巖相。富石英頁(yè)巖巖相根據(jù)石英來源及結(jié)構(gòu)差異又分為陸源石英頁(yè)巖巖相及生物石英頁(yè)巖巖相，前者中石英呈單晶結(jié)構(gòu)，含量為20%～40%，主要發(fā)育在淺水陸棚環(huán)境，后者中石英呈隱晶或微晶結(jié)構(gòu)，平均含量可達(dá)60%，主要發(fā)育在半深海和深海環(huán)境；富粘土頁(yè)巖巖相呈泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，粘土礦物含量可達(dá)90%，主要發(fā)育在安靜的深水沉積環(huán)境；富碳酸鹽頁(yè)巖相巖相中碳酸鈣含量為25%～50%，主要發(fā)育在淺水陸棚環(huán)境。

致謝：感謝美國(guó)猶他大學(xué)能源與地學(xué)研究院（EGI）Bryony博士在本文礦物薄片與掃描電鏡觀察中的指導(dǎo)，特別感謝國(guó)家留學(xué)基金委（CSC）的資助與支持。

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編輯 單體珍

Mineralogy and brittleness features of the shale in the upper Ordovician Wufeng Formation and the lower Silurian Longmaxi Formation in southern Sichuan Basin

Wu Yue1，2，3，F(xiàn)an Tailiang1，2，Jiang Shu3，LiYifan1，2，Zhang Junpeng1，2，Ding Huaiyu4

（1.Key Laboratory of Marine Reservoir Evolution and Hydrocarbon Accumulation Mechanism，Ministry ofEducation，China University of Geosciences（Beijing），Beijing City，100083，China；2.School of Energy Resources，China University of Geosciences（Beijing），Beijing City，100083，China；3.Energy and Geoscience Institute，University of Utah，Salt Lake City，Utah，84108，USA；4.Liaohe Oilfield Company，Petro China，Panjin City，Liaoning Province，124010，China）

A detailed study about themineral composition of the upper Ordovician Wufeng shale and the lower Silurian Longmaxishale in southern Sichuan Basin was conducted by the measurements on core and outcrop samples including XRD （X-ray diffraction），thin slices observation，SEM（Scanning Electron Microscope）and QEMSCAN（Quantitatively Electron Microscope Scanning）.The results obtained show that quartz and clay minerals are the dominant minerals in this shale，followed by calcite and dolomite，with a small amount of potassium feldspar，plagioclase and pyrite.The quartz ismainly from terrigenous clastic sources while some of them is biogenous.The clayminerals are characterized by a combination of illite and chlorite；and the calcite and dolomite mainly actas cementand fracture filling in the shale.Based on mineral composition，the Wufeng-Longmaxishale is classified into three lithofacies：quartz-rich shale，clay-rich shale and carbonate-rich shale，which have significant differences in the mineral composition，texture，fabric and depositional background.The calculated brittle index of0.36-0.74（0.51 on average）for the Wufeng-Longmaxi shale indicates that this shale is favorable forhydraulic fracture to produce shale gas.The shale at the bottom has higher quartz content，larger brittleness index and richer in organic matter，which is favorable for shale gas enrichment and reservoir fracturing.

shale；mineral composition；lithofacies；brittle index；the upper Ordovician Wufeng Formation；the lower Silurian Longmaxi Formation；southern Sichuan Basin

TE112.23

A

1009-9603（2015）04-0059-05

2015-05-25。

伍岳（1989—），男，湖南常德人，在讀博士研究生，從事非常規(guī)油氣儲(chǔ)層地質(zhì)與評(píng)價(jià)方面的研究。聯(lián)系電話：17888835218，E-mail：wuyue0906@gmail.com。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“我國(guó)重點(diǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣資源潛力及有利區(qū)帶優(yōu)選”（2009GYXQ-15）。