东营凹陷泥页岩矿物组成及脆度分析

李钜源

(胜利油田地质科学研究院 山东东营 257000)

传统观点认为:泥岩结构致密、储集物性差，属于非储层。近年来，页岩气在北美地区得到迅猛发展，如美国2006年页岩气产量仅占天然气总产量1%［1］，2011年已达34%(产量为1 800 ×108m3)，预计2035年将超过60%，这充分表明泥页岩能够成为良好储层，其储集性研究也逐渐引起人们的高度重视。裂缝不仅是泥页岩储层的重要储集空间，而且对页岩气开发具有重要意义［2，3］。但目前，泥岩裂缝研究主要侧重于外因(如构造应力等)，而对内因(如矿物成分以及脆性)重视不够。

本文对东营凹陷沙河街组沙四上(Es4s)和沙三下(Es3x)亚段两套泥页岩矿物组成进行了系统分析，研究了其脆性与矿物组成关系，并与北美地区典型页岩气储层进行了对比。希望能对陆相盆地泥页岩储层的矿物组成特征、物源成因和力学性质等方面的研究有所帮助。

1 泥页岩矿物组成特征

东营凹陷位于济阳坳陷东南部，是中国油气最为富集的地区之一。始新世—渐新世早期，凹陷沉积了沙四上亚段(Es4s)、沙三下亚段(Es3x)和沙三中亚段(Es3z)三套烃源层。其中，Es4s、Es3x泥岩属于半深湖—深湖相沉积，岩性主要为纹层状构造泥岩、页岩、油页岩与具块状层理泥岩形成的不等厚互层，纹层泥岩和页岩有机碳含量较高，一般在3.0%～5.0%之间，部分在10.0%以上;块状泥岩有机质的丰度相对较低，一般在1.5%～3.0%之间;Es3z属于前三角洲相沉积，以块状泥岩为主，有机碳含量较Es4s低，大多＜2.5%。总体上，Es4s、Es3x两套泥页岩厚度大、有机质丰富、成熟度较高，是东营凹陷的主力烃源岩。也是东营凹陷页岩油气勘探的最有利层段。

共采集东营凹陷不同地区、不同深度的215个泥岩样品，通过“X”衍射全岩分析，确定了 Es3x，Es4s泥页岩矿物成分。研究区泥页岩主要由陆源碎屑矿物、黏土矿物和自生非黏土矿物三部分组成，各矿物特征如下。

1.1 黏土矿物

东营凹陷泥页岩中的黏土矿物含量平均不到三分之一(表1)，主频在10%～40%之间。其中Es3x的78个样品中黏土矿物含量超过50%的仅一块(为54%)，最低为8%，平均为25.9%;Es4s的137个泥页岩样品中黏土矿物含量超过50%的也只有一块(为73%)，最低6%，平均为24%，主频为10%～20%(图1)。这两套泥页岩中的黏土矿物含量很接近，Es4s略低于 Es3x。

综上所述，东营凹陷Es4s和Es3x泥页岩中的黏土矿物含量普遍较低，远低于一般的海相泥岩和传统的观点(50%以上)，且变化很大。分析认为，这主要是因为陆相盆地面积较小、距物源区较近，以至于泥页岩中含有较多的陆源碎屑，而黏土矿物含量较低。另外，王新洲等［4］对松辽和三水盆地泥岩进行了分析，其中松辽盆地泥岩中黏土矿物平均为34%，三水盆地泥岩中黏土矿物平均只有30%，其烃源岩黏土矿物含量与东营凹陷很相似。

表1 东营凹陷Es4s和Es3x泥页岩全岩矿物组成Table 1 Mineral composition of the Es4sand Es3x shale in Dongying Sag

图1 东营凹陷Es4s和Es3x泥页岩全岩矿物频率分布Fig.1 Frequency distribution of the mineral composition of the Es4sand Es3xshale in Dongying Sag

1.2 陆源碎屑矿物

东营凹陷Es4s和Es3x泥页岩中的陆源碎屑矿物主要由石英和长石组成(表2)。

表2 东营凹陷Es4s和Es3x泥页岩碳酸盐及碎屑矿物组成Table 2 Compositions of carbonate and mineral clast of the Es4sand Es3xshale in Dongying Sag

与黏土矿物不同，陆源碎屑矿物在埋藏过程中常常被有机质溶蚀，形成新矿物。分析发现，研究区Es3x、Es4s泥页岩中的石英和长石含量变化很大。其中，Es3x泥岩中的石英含量最高达 50%，最低为6.0%，平均为29.1%，主频为20%～30%;长石含量最高为35%，主频为10%～20%，平均为4.2%。Es4s泥岩中石英含量最高达66%，最低为0%，平均为28.5%，主频为10%～50%;长石含量最高达42%，平均为6.2%，主频在0%～10%之间(表2，图2)。

由此可见，相对于一般的海相以石英为主的泥岩，东营凹陷Es4s和Es3x泥页岩中石英含量不高，而长石含量较高，表明陆相湖盆泥岩与海相泥岩在沉积物源和沉积特征上存在显著差异。

1.3 自生非黏土矿物

研究区泥页岩中的自生非黏土矿物包括碳酸盐岩和黄铁矿。

1.3.1 碳酸盐岩

图2 东营Es4s和Es3x泥页岩中陆源碎屑矿物含量频率分布图Fig.2 Frequency distribution of the terrigenous clast content of the Es4sand Es3xshale in Dongying Sag

分析表明:东营凹陷Es4s和Es3x泥页岩中普遍含有碳酸盐岩矿物，且含量较高、变化很大。其中，Es3x泥页岩中的碳酸盐含量最高为78%，最低1%，平均38.3%，主频在20%～60%之间;Es4s泥页岩中的碳酸盐含量最高达91%，最低3%，平均37%(表1)，分布很分散，20%～30%和40%～50%之间占多数。这些碳酸盐矿物以方解石为主。其中，Es3x的方解石含量最高，占碳酸盐岩78%，最低1%，平均34.1%，主频为20%～50%;Es4s的方解石含量最高89%，最低0%，平均28.9%，主频在0%～30%之间，明显低于Es3x。另外，Es4s中的白云石含量最高达87%，平均为7.8%，最低为0(表2);而Es3x仅一块样品中的白云石含量超过50%(为72%)，其余均低于20%，平均只有3.9%(表2)。较高的碳酸盐含量表明这些泥页岩主要发育于湖盆较大的深湖及半深湖相。

1.3.2 黄铁矿

研究区泥页岩中均含有一定量的黄铁矿，且变化较大。其中，Es3x泥页岩中黄铁矿含量最高可达13%，平均为2.5%;Es4s泥页岩中黄铁矿含量最高达14%，平均为2.3%(表1)。所以，这两套泥页岩中的黄铁矿含量差别不大。黄铁矿的存在表明这两套泥页岩沉积环境为具有较强还原性的深湖及半深湖相。

2 泥页岩脆度分析

裂缝是泥页岩储层重要的储集空间，它对页岩气成藏和开发均具有重要意义。裂缝的重要性在于:一是为页岩气提供了重要的聚集空间;二是为页岩气提供了运移通道;三是有助于吸附气的解析。因为泥页岩的原始渗透率非常低，如果裂缝不发育，就需要进行压裂来产生更多裂缝，为天然气解析提供更大的压降和面积。所以，裂缝是控制页岩气储量和产量的重要因素。研究发现，裂缝不仅决定了北美地区页岩气藏的品质，而且决定了其产量，已开发的页岩气藏多分布于裂缝带，尤其是高产区裂缝更为发育［2］。

泥页岩中裂缝成因比较复杂，概括起来可分为内因和外因两个方面，其中内因主要取决于泥页岩的脆性(即脆性矿物含量)，而外因主要是地应力、温度和流体压力等［5，6］。

北美学者在页岩气储层研究中将石英/(石英+碳酸盐+黏土矿物)代表泥岩脆度，其原因是这些地区属于海相沉积，泥岩中的石英含量很高，而其它脆性矿物很少。相比之下，由于东营凹陷Es4s和Es3x泥岩中石英和碳酸盐含量较高，所以这些泥岩的脆性分析必须考虑石英和碳酸盐。本文将石英/(石英+碳酸盐+黏土矿物)定名为石英脆度，将碳酸盐/(石英+碳酸盐+黏土矿物)定名为碳酸盐脆度，将(石英+碳酸盐)/(石英+碳酸盐+黏土矿物)定名为总脆度。

根据全岩分析数据分别计算出Es4s和Es3x泥页岩的石英脆度、碳酸盐岩脆度与总脆度。结果发现，碳酸盐岩脆度与泥页岩总脆度正相关性很好，而石英脆度一般低于0.6，与总脆度的相关性较差(图3，图4)。这表明碳酸盐岩是影响Es4s和Es3x两套泥页岩总脆度的关键因素。

图3 东营凹陷Es4s和Es3x泥页岩的碳酸盐脆度与总脆度关系Fig.3 Relations between carbonate crispness and otal crispness of Es4sand Es3xshale in Dongying Sag

图4 东营凹陷Es4s和Es3x泥页岩的石英脆度与总脆度关系Fig.4 Relations between quartz crispness and total crispness of the Es4sand Es3xshale in Dongying Sag

另外，对比发现，研究区泥岩的石英—碳酸盐矿物—黏土矿物三角图与北美地区泥盆系的Macellus和New Albany、中生界的 Haynesville和 Eagleford含气页岩落在同一个区域，表明它们具有较好的可比性，而与密西西比系的Barnett和Woodford页岩有一定差异(图5)。

图5 东营凹陷Es4s和Es3x泥页岩的碳酸盐—石英—黏土矿物与北美页岩对比Fig.5 Contrast between the carbonate-quartz-clay minerals of the Es4sand Es3xshale in Dongying Sag and that of the North American Shale

根据“X”衍射全岩显微组分鉴定结果编制了研究区Es4s和Es3x泥页岩(Es3x13块和Es4s55块样品)矿物所占体积图(图6)。从中看出，矿物组成随泥页岩深度变化较大，石英与方解石之和主要在40%～70%之间(Es4s个别样品在90%以上)(图7)，与北美中生界的Haynesville和Eagleford含气页岩相近;与北美泥盆系和密西西比系泥页岩相比，研究区泥页岩中的石英含量较低而方解石含量较高(图8)。

综上所述，东营凹陷Es4s和Es3x泥页岩中碳酸盐岩含量高、脆性好，易于形成天然裂缝(如在背斜轴部或向斜核部等构造应力集中带)，有利于太裂和页岩油气开采。

3 结论

(1)东营凹陷Es4s和Es3x泥页岩形成于陆相湖盆、距物源区较近，以至于其中的黏土矿物含量较低，而陆源碎屑矿物和自生的碳酸盐岩矿物含量较高，矿物组成变化较大。

(2)碳酸盐矿物是影响东营凹陷Es4s和Es3x泥页岩脆度的主要因素。Es4s和Es3x泥页岩的脆度均较高，易于形成天然裂缝和被压裂，是页岩油气潜在的有利储层。

图6 东营凹陷Es4s和Es3x泥页岩全岩矿物组成分布图Fig.6 Distribution of the mineral composition of the Es4s and Es3xshale in Dongying Sag

图7 东营凹陷Es4s和Es3x泥页岩的石英+碳酸盐含量频率分布Fig.7 Frequency distribution of quartz and carbonate content of the Es4sand Es3xshale in Dongying Sag

图8 东营凹陷Es4s和Es3x泥页岩矿物组成与北美含气页岩对比Fig.8 Contrast between the mineral composition of the Es4s and Es3xshale in Dongying Sag and that of the gas-contained shale in North American

References)

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