上扬子地区下寒武统牛蹄塘组页岩气储层矿物成分特征

上扬子地区下寒武统牛蹄塘组 （∈1n）广泛分布富有机质页岩，具有巨大的页岩气勘探潜力［1，2］。未运移页岩的页岩气，表现为 “连续成藏”的聚集模式［3］。诸如美国页岩气工业开采层位均来自于页岩发育层 （Fort Worth盆地Barnett组页岩和Michigan盆地Antrim组页岩）［4］，国内关于下古生界页岩气的成藏条件和成藏机理的研究处于探索阶段，比如，页岩气聚集机理［2］，聚集条件及主控因素［5］，页岩气储层裂缝研究［6］，诸多都是从外因评价储层，然而决定页岩气储层优劣的内因是页岩储层矿物成分，因此需要进一步对页岩的储层矿物成分特性开展深入研究。

页岩气一般或游离于基质孔隙和天然裂缝中，或吸附于有机质和黏土矿物表面，分析储层的矿物成分是分析页岩储层吸附能力和基质孔隙的关键［7］。鉴于对上扬子地区∈1n的岩心样品岩矿测试和野外露头采样分析，采用常规薄片、X射线衍射和扫描电镜等技术，探讨∈1n页岩储层矿物成分特征及其对储层的影响。

图1 上扬子地区构造图及∈1n厚度分布特征

1 区域地质概况

上扬子地区是指南秦岭南缘断裂以南、垭都－紫云－罗甸断裂以北、龙门山断裂系以东、雪峰山以西的广大地区，面积约3．5×105km2（图1）。上扬子地台是从震旦纪至中三叠世接受地台型沉积区。经历了克拉通和前陆盆地2个构造演化阶段，在早古生代接受了一套巨厚的海相沉积。

在早寒武世早期，海平面快速上升并形成早古生代最大的海侵作用。以陆源碎屑沉积为主，物源来自西部的康滇古陆和沪定古陆［8］，上扬子地区处于浅水陆棚～深水陆棚环境，局部为半深海沉积环境。∈1n发育了一套深灰色～黑色碳质泥岩、页岩以及石煤，甚至在∈1n底部沉积了薄层的硅质页岩，厚度一般在56～400m，底界埋深一般在2．5～6．5km。

2 泥页岩储层岩石学特征

矿物组成影响页岩储层的基质孔隙以及页岩气藏的品质，能对成熟度进行分析，同时也能为钻井、完井和压裂提供分析资料［6］。上扬子地区∈1n富有机质页岩分布广泛，普遍含有粉砂质，微含钙质，黄铁矿丰富，多呈分散状分布。据瓮安永和、松林、白果坪露头观察和采样，矿物成分定量分析结果表明（图2），脆性矿物体积分数介于46．89%～88．54%，平 均 为 68．82%；脆性矿物中，石英体积分数一般在9．67%～83．64%，平均为55．07%；长石体积分数一般在1．43%～25．65%，平均为9．71%；黏土矿物体积分数介于11．61%～47．37%；平均为26．26%。黏土矿物中，伊利石含量最高，高岭石含量极少，不含蒙脱石。碳酸盐岩体积分数介于0．65%～19．8%，平均为4．56%；黄铁矿体积分数介于0．41%～3．11%。

相对于美国Ohio、Woodford／Barnett页岩开发层的矿物成分 （石英、长石和黄铁矿体积分数介于20%～80%之间的区域内，碳酸盐岩体积分数低于25%，黏土体积分数介于15%～65%之间）［9］，上扬子地区∈1n页岩气储层中碳酸盐矿物含量明显要低一些，但也具有良好的页岩气开发的条件。

图2 上扬子地区∈1n与北美Barnett页岩矿物组成对比三角图 （剖面位置见图1）

3 黏土矿物特征

黏土矿物的研究已在地层划分与对比，成岩阶段划分，测井解释等诸多方面成为不可缺少的重要内容。Barnett页岩层中黏土矿物主要为微含蒙皂石的伊利石［10］。上扬子地区∈1n页岩气储层黏土矿物分析结果表明：主要是伊利石，其次为绿泥石、伊－蒙间层，I／S混层比相对含量介于12%～50%，平均为26．52%，不含高岭石 （图3）。

图3 上扬子地区∈1n页岩黏土矿物组成

3．1 黏土矿物成分反映的页岩气成熟度信息

虽然利用黏土矿物转化划分成岩阶段的应用存在很大的局限性［11］，但针对黏土矿物的组成、含量和成岩变化特征分析，有助于分析其所经的古环境和成岩作用阶段［12］。刘伟新等［13］研究表明，不同的黏土矿物演化及组合可以反映不同成岩作用阶段及其成熟度，黏土矿物中含有伊利石可以反映晚成岩作用阶段。比如，渝南丁山1井的∈1n泥岩伊利石结晶度为0．28～0．330（△2θ），依据石油标准（SY／T 5477－2003），有机质热演化处于过成熟中晚期阶段。

表1 上扬子地区∈1n矿物成分X射线衍射分析结果 （剖面位置见图1）

上扬子地区瓮安永和 （YH）、松林 （SL）、王村 （WC）、大坪 （DP）野外露头和李1井 （Li1）岩心等样品黏土矿物X射线衍射 （表1）结果表明：相对伊利石体积分数占黏土矿物体积分数介于38．0%～81．0%，平均达到了54．3% ，伊利石体积分数高而稳定，伊－蒙间层体积分数介于1．78%～21．75%，平均为6．89%，不含高岭石，依据王行信等［14］研究，上扬子地区∈1n页岩黏土矿物组合反映进入了晚成岩阶段B期，对应有机质演化阶段为高－过成熟阶段，镜质体反射率Ro大于2．0%。实际测定沥青反射率为2．01%～3．77%。综上所述，上扬子地区∈1n矿物成分所反映的成熟度，都已进入生气窗内，对页岩气成藏十分有利。

3．2 黏土矿物对孔隙度、渗透率的影响

页岩气储层中黏土矿物对于孔隙的演化和保存具有重要作用。其中自生高岭石与孔隙度、渗透率呈正相关关系，他生高岭石与孔隙度、渗透率的正相关关系不明显。因为高岭石一般呈书页状、蠕虫状，晶片之间结合力很弱，在受力作用下容易脱落，成为碎片，堵住孔隙喉道［15］。上扬子地区∈1n中高岭石含量很少，因此在开采时不易产生储层的速敏性损害。

图4 上扬子地区∈1n页岩矿物成分特征

自生绿泥石的形态一般为叶片状、针叶状 （图4（a））。黏土矿物中单矿物绿泥石和绿蒙混层组合形成的包膜，或绿泥石在孔隙保护和演化中起着显著作用［16］。绿泥石生长发育的形态愈典型，与孔隙度、渗透率呈正相关的相关系数越大 （图5）。

∈1n页岩中伊利石相对体积分数与孔隙度之间具有弱的正相关关系，与渗透率呈负相关关系 （图5）。这是由于伊利石成丝状 （图4（b）），容易使孔喉变小。伊－蒙间层相对体积分数与孔隙度、渗透率呈负相关关系，这是由于伊－蒙间层黏土矿物对油气层的损害介于蒙皂石和伊利石之间，为水敏性和速敏性损害［16］。

上扬子地区∈1n黏土矿物含有丰富的绿泥石，因此必然具有较高的孔隙度和渗透率。总的来说，研究区∈1n页岩具有较好的储集条件，能为页岩气提供良好的储存场所。

4 脆性矿物特征

页岩的脆性矿物含量影响基质孔隙度和微裂缝发育程度［17］，页岩中硅质、石英、长石、碳酸盐岩等脆性矿物越富集，越容易在外力作用下产生天然裂隙和诱导裂隙。

图5 上扬子地区∈1n页岩黏土矿物相对体积分数与孔隙度、渗透率关系图

从北美主要页岩气产层来看［18］，除了含气量很高外，脆性矿物体积分数一般高于50%，石英体积分数一般介于20%～60% （表2）。上扬子地区∈1n页岩厚度一般介于56～400m，从露头和井下页岩样品观察发现，页岩容易产生球状分化，泥页岩中的微孔隙、微裂隙非常发育，微孔隙呈蜂窝状。页岩脆性矿物石英体积分数最高，一般高于40%，其次长石、碳酸盐岩。因此，上扬子地区∈1n是理想的页岩气重点研究勘探开发层位。

表2 北美页岩与上扬子地区∈1n页岩特征对比

孔隙度与吸附气含量具有一定的正相关关系，脆性矿物中石英、碳酸盐岩体积分数与孔隙度也具有相关性。从野外露头和井下岩心等多个样品，对石英、碳酸盐岩体积分数与孔隙度的相关性分析，其中石英体积分数与孔隙度呈正相关关系 （图6），这是由于石英抗压实能力强 （图4（c）），在后期压实过程中，石英体积分数越高，相应的孔隙度越大。碳酸盐岩体积分数和孔隙度呈负相关关系 （图6）。主要因为在成岩过程中，方解石 （碳酸盐矿物）充填在原生孔隙或裂缝中 （图4（d）），导致孔隙度降低。但碳酸盐矿物在页岩气开采压裂过程中容易破裂，使储层产生密集的裂缝网络，进而提高储层渗透率。因此，上扬子地区∈1n页岩脆性矿物石英体积分数较高，相应的孔隙度较高，预测相应的含气量也较高，可以作为页岩气有利勘探区带。

5 结论

图6 上扬子地区页岩脆性矿物石英、碳酸盐岩体积分数与孔隙度的关系

1）上扬子地区∈1n页岩矿物组成种类较多，脆性矿物体积分数较高，介于46．89%～88．54%，平均为68．82%；黏土矿物体积分数介于11．61%～47．37%；平均含量为26．26%。脆性矿物中，石英含量最高，其次是长石、方解石，还含有少量的黄铁矿，体积分数介于为0．41%～3．11%；黏土矿物中，伊利石含量最高，其次绿泥石，伊－蒙间层，高岭石含量极少，不含蒙脱石。

2）黏土矿物演化及组合可以反映成岩作用阶段及其成熟度，∈1n黏土矿物中富含伊利石、I／S有序混层和绿泥石，不含高岭石，表明成岩作用进入了晚成岩阶段B期，对应有机质演化阶段为高－过成熟阶段。

3）分析∈1n矿物成分与物性关系，表明黏土矿物中绿泥石相对体积分数与孔隙度、渗透率呈正相关关系；伊利石相对体积分数与孔隙度之间具有弱的正相关关系，与渗透率呈负相关关系；脆性矿物石英体积分数与孔隙度呈正相关关系，碳酸盐体积分数和孔隙度呈负相关关系。

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