湖南涟源凹陷下石炭统测水组泥页岩矿物组分与脆性特征研究

王　强，白云山，苗凤彬

（中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉430205）

湖南涟源凹陷下石炭统测水组泥页岩矿物组分与脆性特征研究

王强，白云山，苗凤彬

（中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉430205）

应用X射线衍射（XRD）分析技术对湖南涟源凹陷石炭系测水组泥页岩进行矿物组成与脆性特征研究。结果表明，涟源凹陷石炭系测水组泥页岩中矿物成分复杂，石英含量最高，平均72.61%，粘土矿物含量次之，平均19.46%，含有少量的长石、白云石、黄铁矿和方解石，平均质量分数分别为4.02%，4.75%，2.01%和1.66%。总体来说，该地区石炭系测水组页岩的矿物组成特征与北美woodforth页岩比较相似。涟源凹陷测水组页岩中脆性矿物丰富、含量高，脆性指数平均0.8。研究表明涟源凹陷测水组泥页岩整体上具有良好的脆性特征，有利于该区页岩气的压裂改造。

涟源凹陷；测水组；矿物组成；脆性特征；页岩气

Wang Q，Bai Y S，Miao F B.

Geology and Mineral Resources of South China，2016，32（2）：166-171.

近年来，随着能源需求的增加和天然气勘探理论、技术的发展，页岩气作为新兴的非常规能源日益受到国内外众多专家学者的关注。国土资源部最新公布的全国页岩气资源潜力调查评价结果显示，中国页岩气可采储量约为25.08×1012m3［1］。2012年中石化在涪陵焦石坝构造位置部署的焦页1井成功钻探，发现了中国首个大型页岩气田，目前已经形成产能［2］。

页岩气与常规油气系统不同，为典型的自生自储、原地成藏模式，主要以游离态和吸附态方式赋存于富有机质泥页岩中［3-5］。泥页岩既是烃源岩，又是储集层，页岩中的矿物直接控制页岩孔隙和微构造的发育，对页岩含气性和储集物性具有重要影响［6］。泥页岩矿物组分对有机质烃源岩的生烃模式和排烃效率有着重要影响［7］，脆性矿物的分布直接控制页岩孔隙和微构造的发育，决定着页岩气的储集空间和渗流通道［8-9］。

泥页岩中矿物组分的研究对页岩气成藏机理、资源评价以及工业开采均有重要意义。涟源凹陷测水组发育良好的富有机质泥页岩，具有广阔的页岩气资源评价前景，通过对测水组泥页岩样品开展X射线衍射实验（XRD），对测水组泥页岩的矿物组分开展系统分析，为该地区的页岩气资源评价和勘探开发提供理论依据。

1　区域地质概况

涟源凹陷位于雪峰构造带东缘，是一个在前泥盆系浅变质基础上发展起来的一个继承性的沉积盆地，发育中泥盆统至下三叠统碳酸盐岩夹碎屑岩海相建造，局部残存下侏罗统和上白垩统陆相地层，面积约为6770m2［10］。从上古生界盖层沉积后，其构造变形主要经历了海西运动、印支运动、燕山运动、喜山运动以及新构造运动等大的构造阶段。凹陷四周均为隆起，其中西部为雪峰隆起、北部为沩山凸起、东部和衡阳盆地西肩隆起相邻、南部为龙山—白马山凸起，凹陷内按构造样式可分成西部叠瓦逆掩冲断带、中部褶断带和东部滑覆叠瓦冲断带三个构造单元［11］（图1）。

涟源凹陷下石炭统测水组岩性特征比较稳定，为一套海陆过渡相的陆源碎屑含煤层系，是中国南方早石炭世重要的含煤建造，主要发育滨岸泻湖或沼泽相，泥页岩累计厚度可达100多米［12］。根据岩性岩相特征及含煤特征，测水组可分为上下两段，下段由灰色、灰白色石英砂岩、灰黑色粉砂岩和泥岩组成，夹多个煤层，含有较多的菱铁矿层和菱铁矿结核；上段由灰白色石英砂岩、砂质砾岩、灰色粉砂岩、页岩和石灰岩等组成［13］。

图1　涟源凹陷构造格局与邻区位置简图Fig.1 Tectonic framework and adjacent area location ofLianyuan depression

2　泥页岩矿物成分

2.1测水组泥页岩全岩矿物成分

涟源凹陷下石炭统测水组为一套碎屑岩为主的滨岸泻湖和沼泽沉积，主要岩性以粉砂岩、砂质泥岩、炭质泥岩为主。从湘中涟源凹陷测水组泥页岩样品的X射线衍射分析结果来看，下石炭统测水组泥页岩的矿物成分复杂。泥页岩样品中含有石英、长石、白云石、黄铁矿、方解石等脆性碎屑矿物，还含有粘土矿物。

根据涟源凹陷测水组矿物成分X射线衍射实验分析结果来看（表1），泥页岩中的矿物组分以石英和粘土矿物为主。其中石英矿物的含量最高，最高可以达到87.72%，最低的也有51.80%，平均72.61%。粘土矿物含量最低3.42%，最高43.50%，平均达到19.46%。

泥页岩中其余矿物组分较少，长石含量1.23% ～9.27%，平均4.02%；方解石含量0.95%～3.3%，平均1.66%；黄铁矿含量0.85%～6.11%，平均2.01%；白云石含量0.91%～9.66%，平均4.75%；另外其余矿物如菱铁矿等含量更少，平均不到4%。

将涟源凹陷测水组泥页岩样品的矿物组成含量与北美阿卡马盆地Woodford页岩、福特沃斯盆地Barnett页岩进行了对比［4，14］（图2），涟源凹陷测水组泥页岩矿物石英含量相对较高，分布区域与福特沃斯Barnett页岩有所区别，整体来看，与阿卡马盆地的Woodforth页岩较为相似。

2.2测水组泥页岩粘土矿物成分

粘土矿物对页岩气的形成主要有两个作用：一是吸附有机质，对烃源岩中有机质的富集程度起重要作用；二是在有机质向烃类物质转过过程中起催化作用［15］。在对泥页岩进行X射线衍射全岩矿物实验分析基础上，对样品的粘土矿物成分相对含量也进行了实验测试。表1、图3粘土矿物成分定量分析结果表明，涟源凹陷下石炭统测水组泥页岩样品的粘土矿物主要是伊利石、伊蒙混层、高岭石和绿泥石，个别样品含有少量蒙皂石。样品的粘土矿物含量中伊利石含量最高，分布范围28%～60%，平均为37.44%，其次为伊蒙间层（混层），含量分布范围13%～59%，平均30.11%，高岭石的含量为6% ～50%，平均23.44%，绿泥石含量较低，2%～16%，平均只有7.11%。

3　泥页岩脆性特征分析

图2　涟源凹陷测水组页岩矿物组成Fig.2 Mineral composition ofthe Ceshui Formation shale in Lianyuan depression

泥页岩脆性矿物含量是影响页岩基质孔隙和微裂缝发育程度、含气性及压裂改造方式等的重要因素［16］。富含石英、方解石等脆性矿物的泥页岩在外部应力作用下产生裂缝，成为重要页岩气流体通道［17］，具备商业开发条件的页岩脆性矿物含量一般高于40%，粘土矿物含量小于30%［3-4］。当石英含量在20%以上时，页岩就具有良好的压裂性，岩石脆性越高，压裂效果越好［18］。

涟源凹陷测水组泥页岩样品中脆性矿物主要包括石英、长石、方解石和白云石，如图4所示脆性矿物含量分布在53.03%～94.12%，平均75.32%，具备高含量的脆性矿物特征（平均大于50%）。页岩脆性指数作为评价页岩脆性特征的主要参数，对页岩气资源评价具有重要意义。北美页岩的脆性矿物种类单一，通常采用脆性指数Ⅰ，对于矿物成分较复杂的泥页岩，通常采用脆性指数Ⅱ评价。

脆性指数Ⅰ=石英/（石英+方解石+粘土矿物）；

脆性指数Ⅱ=（石英+长石+方解石+白云石）/（石英+长石+方解石+白云石+粘土矿物）。

根据X射线衍射实验结果，分别计算涟源凹陷测水组泥页岩脆性指数Ⅰ、Ⅱ。由图5可以看出，两类指数之间具有一定的相关性，与国内学者对两类脆性指数关系的研究大致相符［6］。

基于涟源凹陷测水组泥页岩矿物成分复杂，本文采用脆性指数Ⅱ进行页岩脆性评价。计算结果表明，湘中涟源凹陷测水组泥页岩样品的脆性指数较高，分布区间0.54～0.96之间，平均0.8。北美Barnett、Woodford页岩脆性指数平均值分别为0.45，0.71［14］，当页岩脆性指数大于0.4时，该页岩具有良好的可压裂性［4］。因此，湘中涟源凹陷测水组泥页岩整体上具有良好的脆性和可压性，有利于页岩气的压裂改造。

表1　涟源凹陷测水组矿物成分X射线衍射实验分析结果Table.1 Experimental results of mineral contents of the Ceshui Formation in Lianyuan depression by XRD Analysis

图3　涟源凹陷测水组泥页岩粘土矿物相对含量分布Fig.3 Relative contents ofclayminerals ofthe Ceshui Formation shale in Lianyuan depression

图4　涟源凹陷测水组泥页岩脆性矿物含量分布Fig.4 Brittle mineral content distribution ofthe Ceshui Formation shale in Lianyuan depression

图5　页岩脆性指数Ⅰ，Ⅱ相关性Fig.5 Relationship between shale brittleness indexⅠ，Ⅱ

4　结论

（1）X射线衍射定量分析结果表明，涟源凹陷测水组泥页岩的矿物以石英和粘土矿物为主。其中石英的含量最高，质量分数在51.8%～87.72%之间，平均为72.61%；其次为粘土矿物，质量分数在3.42%～43.50%，平均为19.46%。还含有一定的长石、白云石、黄铁矿和方解石，平均质量分数分别为4.02%，4.75%，2.01%和1.66%。其余矿物含量较少，平均质量分数＜1%。

（2）对比北美成功取得页岩气勘探开发的区块，涟源凹陷测水组泥页岩矿物石英含量相对较高，矿物组成特征与福特沃斯Barnett页岩有所区别，与阿卡马盆地的Woodforth页岩较为相似。

（3）涟源凹陷测水组泥页岩样品的粘土矿物主要是伊利石、伊蒙混层、高岭石和绿泥石，个别样品含有少量蒙皂石。样品的粘土矿物含量中伊利石含量最高，分布范围28%～60%，平均为37.44%，其次为伊蒙间层（混层），含量分布范围13%～59%，平均含量30.11%，高岭石的含量为6%～50%，平均含量23.44%，绿泥石含量较低，2%～16%，平均含量只有7.11%。

（4）涟源凹陷测水组泥页岩普遍发育石英、长石、白云石、方解石等脆性矿物，泥页岩样品的脆性指数较高，分布范围0.54～0.96之间，平均0.8，整体上具有良好的脆性和可压性，有利于页岩气的压裂改造。

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WANG Qiang，BAI Yun-Shan，MIAO Feng-Bin

（Wuhan Center of China Geological Survey，Wuhan430205，China）

Study on Mineral Composition and Brittleness Characteristics of the Ceshui Formation Shale in Lianyuan Depression.

The mineral composition and brittleness chatacteristics of the Ceshui formation in Lianyuan depression were studied byX-raydiffraction（XRD）in this paper.The results showed that the Ceshui Formation in Lianyuan depression has complexed mineral composition.The quartz content is most abundant，average of 72.61%，respectively the minor component is clay，average of 19.46%.In addition，there are other small amount of mineral components，including pyrite，feldspar，dolomite，with an average content of 4.02%，4.75%，2.01%and 1.66%.In general，the mineral composition characteristics of the Ceshui Formation in Lianyuan sag are similar to Woodforth shale in the North America.The Ceshui Formation shale in Lianyuan saghas high contents ofbrittle minerals.The average value of brithleness index is 8.It is suggested that the Ceshui Formation organtic-rich in Lianyuan sag has favourable brittleness characteristics，and is beneficial tofracturingofshale gas.

Lianyuan depression；Ceshui Formation；shale mineral compostion；brittleness characteristics；shale gas

中图分类法：P534.45，P618.13A

1007-3701（2016）02-166-06

10.3969/j.issn.1007-3701.2016.02.009

2016-3-24；

2016-4-22.

中国地调局地质矿产调查评价专项项目“湘中坳陷页岩气资源远景调查”（编号：12120114049701）.

王强（1981—），男，助理研究员，目前从事页岩气地质资源评价工作，E-mail：wanggeomath@sina.com.