川南威远地区W201井古生界海相页岩矿物特征

田兴旺，胡国艺，苏桂萍，孙奕婷，洪海涛，山述娇

（1.中国石油 西南油气田分公司 勘探开发研究院，成都 610041；2.中国石油 勘探开发研究院，北京 100083；3.成都理工大学 地球科学学院，成都 610000）

近年来，深层和非常规天然气（页岩气）成为中国天然气勘探开发的热点和重点。页岩气比较特殊，形成页岩气气藏的泥页岩本身既是烃源岩，又充当了储集层和盖层的角色，具有典型的自生自储、近源聚集成藏的特点。页岩气包括吸附气和游离气，其中吸附气主要吸附于干酪根和黏土矿物表面，游离气则存在于孔隙和天然裂缝中。页岩作为储集体，具有特低孔渗、强非均质性等特点，页岩气富集的主控因素之一就是其储集条件，岩石矿物成分分析则是进一步研究页岩储集条件的基础。页岩储集层的形成，不仅需要高的有机碳含量，而且一定含量的石英、长石、方解石等脆性矿物同样必不可少[1-9]。因此，页岩气勘探主要是寻找黏土矿物含量较低（通常低于50%[2]）、有机质和硅质含量高、裂缝发育且后期易于压裂的脆性优质烃源岩层系。

四川盆地古生界发育大套海相泥页岩，是中国页岩气主要远景区之一，其中以下寒武统筇竹寺组和下志留统龙马溪组两套泥页岩最发育，其不仅是优质的烃源岩，而且是该区页岩气勘探开发的重要层位[4-8]。以往学者对四川盆地古生界泥页岩的研究，多集中于有机碳含量、干酪根类型、成熟度等烃源岩有机地球化学参数上[9-11]，而对岩石矿物组成方面尚缺乏系统认识，对脆性矿物的研究也不够深入。结合国内外研究成果，笔者系统采集川南威远地区W201井古生界泥页岩岩心样品，运用X射线衍射分析技术，系统分析了下寒武统筇竹寺组和下志留统龙马溪组海相页岩样品的矿物组成和含量特征，以期为该区古生界海相页岩气的勘探开发提供依据。

1 样品基本特征及实验方法

本文研究样品取自川南威远地区W201井，共93个，其中55个筇竹寺组页岩样品，38个龙马溪组页岩样品。下寒武统筇竹寺组岩性主要为黑灰色—灰黑色页岩、砂质页岩，岩石致密，页理较发育，有机碳含量为0.5%～2.8%，平均为1.4%，干酪根类型属于海相Ⅰ型，等效镜质体反射率为1.9%～2.6%，处于过成熟阶段，页岩储集层孔隙度为1.8%～2.5%，平均为2.2%，渗透率为11.6×10-5～95.5×10-5mD，平均为38.9×10-5mD.下志留统龙马溪组岩性主要为灰黑色—黑色页岩，页理欠发育，有机碳含量为0.3%～4.7%，平均为2.4%，干酪根类型属于海相Ⅰ型，等效镜质体反射率为1.6%～2.0%，成熟度偏高，页岩储集层孔隙度为3.9%～6.7%，平均为5.3%，渗透率为2.9×10-5～7.3×10-5mD，平均为4.64×10-5mD.与已获得成熟页岩气勘探开发的国内外其他盆地相比[5,12-13]，四川盆地海相页岩具有相似的基本地质地球化学指标（表1），页岩气勘探潜力巨大。

X射线衍射技术是鉴定、分析和测量固态物质物相的一种基本方法，在地质学及国内外含油气盆地分析中得到了广泛应用[14]。实验取页岩样品50～100 g，粉碎，取约5 g样品放入研磨钵中，研磨至约0.75 mm；将研磨好的样品分为两份，一份用于X射线衍射实验分析（0.5～1.0 g），一份备用。X射线衍射实验分析仪器为Rigaku公司生产的D/Max 2500 PC型粉末X射线衍射仪。实验测试条件：Cu靶，Kα射线，X射线管功率40 kV，管电流150 mA，采用连续扫描，扫描速度4°/min，步长0.02°，起始角3°，终角70°，发射狭缝与散射狭缝均为1°，接受狭缝为0.3 mm.利用粉末衍射联合会国际数据中心（JCPDS-ICDD）提供的标准粉末衍射分析资料，确定样品的物质组成与含量。

表1 四川盆地古生界页岩地质地化参数与国内外其他地区对比

2 实验结果

（1）筇竹寺组 筇竹寺组海相页岩主要矿物成分为石英、黏土矿物和斜长石（图1a），其中石英含量最高，为20.4%～46.7%，平均为38.7%；其次为黏土矿物，为13.8%～48.3%，平均为26.1%；还含有长石（钾长石+斜长石），相比较而言，只有部分样品含有钾长石，斜长石常见，且含量较高，为16.6%～37.9%，平均为25.9%；碳酸盐矿物（方解石、白云石）含量为2.0%～12.4%，其中白云石零星分布，方解石易见；此外样品中普遍含有少量的黄铁矿，含量为1.3%～5.6%，平均为3.4%；石膏、菱铁矿等其他矿物含量相对较少，平均不到5.0%.

（2）龙马溪组 龙马溪组海相页岩主要矿物成分为黏土矿物、石英和碳酸盐矿物（图1b），其中黏土矿物含量最高，为22.4%～75.9%，平均为37.3%；其次为石英，为7.6%～44.0%，平均为31.8%；碳酸盐矿物（方解石、白云石）含量较高，为3.4%～47.6%，平均为19.6%，白云石和方解石都明显较多，方解石含量为2.9%～30.6%，平均为11.9%，白云石含量为2.3%～17.5%，平均为7.7%；长石（钾长石+斜长石）含量为2.7%～17.7%，平均为7.8%，斜长石常见，只有部分样品含有钾长石，但含量明显低于下寒武统筇竹寺组页岩；此外样品中普遍含有少量黄铁矿，为1.3%～6.7%，平均为3.7%；石膏、菱铁矿等其他矿物含量相对较少，平均不到3.0%.

图1 W201井下寒武统筇竹寺组和下志留统龙马溪组页岩样品的矿物组成

3 讨论

3.1 与国外海相泥/页岩矿物成分对比

根据矿物平均含量，龙马溪组黏土矿物含量高于筇竹寺组页岩，石英含量相对较低，长石含量则明显低于筇竹寺组页岩；碳酸盐矿物中，方解石和白云石含量明显高于筇竹寺组页岩。龙马溪组和筇竹寺组页岩样品中都含有少量的黄铁矿，且十分常见，其他矿物含量则都少于5.0%.研究区龙马溪组页岩石英含量略低于长宁—兴文地区露头页岩，方解石、白云石和长石含量则明显高于长宁—兴文地区的露头页岩（图2a）。而长宁—兴文地区龙马溪组露头页岩黏土矿物含量明显高于威远地区龙马溪组。

美国泥盆系—石炭系海相页岩气已获得大范围的开发，但其岩石矿物组成之间存在略微差异（图2b，图3a），Bossier页岩中黏土矿物含量低于50.0%，石英、长石和黄铁矿含量低于40.0%，碳酸盐矿物含量大于25.0%；Barnett，Ohio，Woodford页岩黏土矿物与石英、长石和黄铁矿含量分布范围广，为20.0%～80.0%，碳酸盐矿物含量则低于25.0%.西加拿大盆地Besa River（Lower black泥岩，Upper black页岩）、Muskwa及Fort Simpson页岩中黏土矿物和石英含量异常的高，除含少量碳酸盐矿物外，其他矿物含量都很低[14-17]（图2c，图3b）。

综上所述，研究区筇竹寺组和龙马溪组及长宁—兴文地区龙马溪组页岩矿物组成与北美Bossier，Bar⁃nett页岩具有类似的分布区域，与西加拿大盆地及北美Ohio，Woodford页岩存在较大差异（图3a，图3c，图3d）。

3.2 页岩矿物组成反映沉积环境特征

岩石矿物组成主要受物源、沉积环境和成岩作用等多种因素控制，其差异反映出大量地球化学与地质信息。川南威远地区下寒武统筇竹寺组和下志留统龙马溪组海相页岩主要为黑灰色—灰黑色页岩、砂质页岩、碳质页岩，莓状黄铁矿较发育，含有大量笔石化石[2]。X射线衍射测试结果表明，筇竹寺组和龙马溪组页岩中碎屑状石英平均含量分别为38.7%和31.8%，含有黄铁矿、硫铁矿等多种金属硫化物，还含有白云石和方解石等自生碳酸盐矿物；显微镜下同样可观察到极细莓状黄铁矿及笔石大量存在（图4），这些均表明川南威远地区筇竹寺组和龙马溪组属于海相强还原沉积环境。结合前人成果，研究区筇竹寺组和龙马溪组页岩应为浅海陆棚沉积环境，这种沉积环境有利于海相水生有机质的富集和保存，为页岩气藏的形成提供了良好的条件[8，10-12，16]。

3.3 脆性矿物的页岩气勘探开发意义

脆性矿物含量与页岩裂缝的发育程度呈正相关关系，当页岩中膨胀性黏土矿物含量较少，石英、长石和碳酸盐等脆性矿物含量较多时，岩石本身裂缝发育程度较大，脆性较强，后期造缝能力强，容易产生裂缝[17-24]。也就是说，在后期人工压裂中，脆性矿物含量较高的页岩比富含黏土矿物的页岩可以产生更多的裂缝系统。页岩气勘探的重点目标主要是寻找黏土矿物含量较低（通常低于50.0%）的页岩[2]，川南地区下寒武统筇竹寺组海相页岩样品矿物成分中黏土矿物为13.8%～48.3%，平均为26.1%，下志留统龙马溪组海相页岩样品矿物成分中黏土矿物含量最高，为22.4%～75.9%，平均为37.3%.两者都低于50.0%，后期易于压裂改造。

图2 古生界海相页岩矿物组成对比

图3 川南地区海相页岩与北美地区Barnett页岩的矿物组成对比

图4 W201井筇竹寺组和龙马溪组页岩显微镜下特征

页岩脆性矿物主要包括石英、长石以及碳酸盐矿物[20-23]。研究区筇竹寺组的脆性矿物含量为49.4%～81.0%，平均为70.5%，石英和长石平均含量分别为38.7%和26.9%，碳酸盐矿物平均含量相对较低，为5.2%；龙马溪组脆性矿物含量为18.1%～73.1%，平均为58.7%，石英和长石平均含量分别为31.8%和7.8%，碳酸盐矿物平均含量为19.6%.两者均有较高的脆性矿物含量，相比较后者的脆性矿物平均含量略高（图5）。两者的脆性矿物含量也明显高于长宁—兴文地区龙马溪组露头样品（图6）。与国外相比，美国现已投入开采的页岩气田如Fort worth盆地密西西比系Barnett页岩中，石英含量为35.0%～50.0%，平均可达45.0%；Appalachian盆地泥盆系Ohio页岩石英含量为45.0%～60.0%（图3a）。西加拿大盆地Msuskwa和Fort Simp⁃son页岩石英含量同样很高，碳酸盐矿物和长石含量较低，主要分布在顶端区域。

图5 川南地区古生界泥页岩样品的脆性矿物含量分布

脆性指数是页岩气储集层评价中一个重要的参数。本文按照中国和美国学者采用的公式分别计算了筇竹寺组和龙马溪组两套海相页岩的脆性指数，根据中国学者采用的公式得出：筇竹寺组页岩脆性指数为50.6%～85.4%，平均为73.0%；龙马溪组页岩脆性指数为19.3%～76.5%，平均为61.1%，筇竹寺组的脆性指数略高。采用美国公式计算得出：筇竹寺组页岩脆性指数为25.2%～66.3%，平均为56.6%；龙马溪组页岩脆性指数为9.1%～56.7%，平均为39.5%，同样是筇竹寺组页岩的脆性指数略高。图7分别为筇竹寺组和龙马溪组美国页岩脆性指数与中国页岩脆性指数交会图，可以看出，筇竹寺组计算的脆性指数表现出了很好的相关性，而龙马溪组相关性相对较差，究其原因本文认为主要与龙马溪组碳酸盐矿物（方解石和白云石）含量较高有关。

图6 川南地区古生界泥页岩样品脆性矿物含量分布

川南威远地区筇竹寺组页岩样品的脆性矿物含量为49.4%～81.0%，平均为70.5%，脆性指数为50.6%～85.4%，平均为73.0%，龙马溪组页岩样品的脆性矿物含量为18.1%～73.1%，平均为58.7%，脆性指数为19.3%～76.5%，平均为61.1%.总体上，两者脆性矿物含量和脆性指数都较高，具有良好的可压性，有利于裂缝发育和后期的压裂改造。

4 结论

（1）川南威远地区下寒武统筇竹寺组和下志留统龙马溪组海相页岩的矿物组成与含量特征存在差异：下寒武统筇竹寺组页岩中石英含量最高，为20.4%～46.7%，平均为38.7%，黏土矿物次之，为13.8%～48.3%，平均为26.1%，含部分碳酸盐矿物，为2.0%～12.4%，平均为5.2%；下志留统龙马溪组页岩中黏土矿物含量略高，为22.4%～75.9%，平均为37.3%，其次则为石英，为7.6%～44.0%，平均为31.8%，碳酸盐矿物含量相对较低，为3.4%～47.6%，平均为19.9%，两者普遍含有少量的黄铁矿。

图7 美国页岩脆性指数与中国页岩脆性指数交会图

（2）筇竹寺组和龙马溪组页岩中碎屑状石英平均含量分别为38.7%和31.8%，含有黄铁矿、硫铁矿等多种金属硫化物，还含有白云石和方解石等自生碳酸盐矿物；显微镜下同样可观察到极细莓状黄铁矿及笔石大量存在。这些均表明川南威远地区筇竹寺组和龙马溪组属于海相强还原沉积环境，这种沉积环境有利于海相水生有机质的富集和保存，也为页岩气藏的形成提供了良好的沉积条件。

（3）川南威远地区筇竹寺组页岩样品的脆性矿物含量为49.4%～81.0%，平均为70.5%，脆性指数为73.0%，龙马溪组页岩样品的脆性矿物含量为18.1%～73.1%，平均为58.7%，脆性指数为61.1%.总体上两者脆性矿物含量和脆性指数都较高，具有良好的可压性，有利于裂缝发育和后期的压裂改造。