渝西地区龙马溪组深层页岩矿物特征及其储层地质意义

潘 妮，赵迪斐，魏 源，焦伟伟，魏 华

(1. 中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116； 2. 中国矿业大学 人工智能研究院，江苏 徐州 221116； 3. 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008；4. 重庆工业职业技术学院 建筑工程学院，重庆 401120；5. 中国矿业大学 现代分析测试中心，江苏 徐州 221000)

0 引言

四川盆地页岩气勘探开发不断向深层页岩储层开拓，在实现焦石坝和长宁—威远区块的3 500 m以浅储层商业化开发后，目前正在向渝西地区的深层页岩气勘探潜力区拓展[1-2]。2018年开始的渝西区块勘探开发实践证明，深层页岩储层具有当前技术条件下的商业化价值，试气获得了高产，深层页岩评价井展示出了良好的开发前景，预示深层页岩储层巨大的开发潜力[3]。

中国深层页岩气资源丰富，是未来天然气产量增长的现实领域，实现其规模效益开发对于保障国家能源安全具有重要的战略意义，但在较高开发成本限制下，深层页岩储层开发对精准勘探和工程效果要求较高[4]。深层页岩储层地质环境复杂，力学性质呈现特殊性，储层地质演化过程与中浅层页岩具有差异性[5-6]。页岩矿物组分是影响页岩力学性质以及工程压裂效果的重要因素，研究区深层页岩矿物组分复杂，龙马溪组深层页岩储层由黏土矿物、石英、斜长石、方解石、白云石、方沸石和黄铁矿等多成因矿物组成，深入研究矿物组分发育特征及其储层地质意义可以有效指导页岩精准选层以及工程措施的选定实施[7-8]。该文以渝西地区代表性钻孔为例，通过显微薄片观察、X射线衍射(XRD)等手段对龙马溪组深层页岩储层矿物组分进行定性-定量研究，探究深层页岩矿物特征及其储层地质意义，为研究区龙马溪组深层页岩勘探开发提供科学依据。

1 地质背景

渝西地区处于重庆西部，在大地构造位置上处于四川盆地川中隆起低缓构造区、川南低陡褶皱带交界地区，如图 1所示。研究区内，五峰组—龙马溪组页岩储层广泛分布，五峰组上覆于临湘组泥质灰岩，主要岩性为碳质页岩、碳质-硅质页岩以及粉砂质页岩，顶部发育观音桥段，观音桥段主要岩性为泥质灰岩、灰质泥岩，见赫南特贝化石群(Hirnantia fauna)代表性化石；龙马溪组页岩上覆于五峰组顶部的观音桥段，主要发育碳质页岩、粉砂质页岩，顶部下伏于小河坝组。

图1 Z-2井研究区域及钻井位置Fig.1 Research area and drilling location of well Z-2

渝西地区五峰组—龙马溪组页岩储层研究程度相较渝中涪陵地区、渝东南、渝东北等仍然较少。四川盆地内, 目前已先后在涪陵地区、川南长宁—威远等地区实现了五峰组—龙马溪组页岩气的商业化开采。近几年来, 随着对深层页岩认识和勘探开发技术的不断进步, 泸州、荣昌和渝西等区域深层页岩勘探开发也取得了一定的进展, 渝西大足区Z202-H1井等对深层页岩的压裂开发, 取得了高产工业性气流, 昭示了深层页岩勘探开发的巨大潜力[3]。但是, 深层页岩勘探开发成本显著增高, 容错率低, 对精准勘探和地质特征的深入认识提出了更高的要求。

2 实验样品与研究方法

实验样品选自四川盆地渝西地区大足区块Z-2钻井(如图1所示)。Z-2钻井钻至奥陶系宝塔组，完整揭露五峰组—龙马溪组地层, 五峰组底部深度约为3 899 m, 是典型的深层页岩储层。钻孔揭露五峰组厚度约8.42 m, 岩性主要为硅质-碳质页岩、碳质页岩和粉砂质页岩, 上覆于临湘组泥质灰岩, 顶部为观音桥段, 龙马溪组底部岩性主要为硅质-碳质页岩, 向上粉砂质含量及相关沉积构造发育比例增高, 顶部出现显著的粉砂质-砂质沉积构造。

通过岩心编录与手标本研究, 基于宏观岩石学特征对龙马溪组进行了初步分层, 在Z-2井龙马溪组页岩储层中由底部向上逐层选取20个有代表性的样品开展针对性研究(取样深度3 833.33～3 897.60 m), 通过高分辨率显微镜进行显微薄片观察, 拍摄并分析储层沉积构造以及矿物的空间分布特征, 对比分析各层段矿物组分及分布的差异、非均质性, 并通过X射线衍射(XRD)测试定量代表性样品的矿物组分比例, 结合定性观察, 综合讨论深层页岩矿物组分的特殊性及其地质意义。X射线衍射(XRD)测试依据了石油天然气行业标准SY/T 5163—2010《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线分析办法》。该标准由中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院分析实验中心等单位起草。测试前将样品粉碎并研磨为粉末, 烘干后使用X射线衍射仪测试其X射线衍射图谱，通过矿物含量与衍射特征峰强度间的相关性关系确定矿物组分含量的比例(K值法)[9]。

3 结果分析

3.1 矿物组分类型

镜下观察表明，Z-2井龙马溪组主要是由黏土矿物和石英矿物组分构成, 此外可以观察到一定量的方解石、长石等其他矿物以及自形晶状或裂缝充填状的黄铁矿组分。垂向上看, 除龙马溪组底部样品镜下特征显示强烈细粒特征，龙马溪组中下部—上部均有一定的微观沉积构造发育, 主要是粉砂质的纹层, 龙马溪组垂向小尺度岩石学特征差异如表1所示。X射线衍射图谱显示矿物组分类型复杂，从衍射图谱中识别出了伊利石、伊蒙混层、绿泥石、石英、方解石、白云石、长石及黄铁矿等矿物组分，整体看矿物组分类型较为稳定，但不同层段的矿物含量以及赋存特征存在差异[10]。

表1 龙马溪组垂向小尺度岩石学特征差异Table 1 Differences of vertical small-scale characteristics of Longmaxi Formation

3.2 矿物赋存特征

由显微薄片观察可知，Z-2井龙马溪组页岩由底部的碳质-硅质页岩向中上部的粉砂质页岩过渡，在不同层段，矿物赋存特征存在差异。矿物组分在含量比例以及赋存状态的层段性差异是构成页岩储层小尺度非均质性的重要内容[11-12]。龙马溪组底部页岩储层粒度极为细小，可以观察到显著的水平层理，微细层理缝充填方解石、黄铁矿晶体，如图2a所示；龙马溪组下部页岩储层粒度相对增大，但粉砂质沉积构造发育程度还相对较低，矿物物质组分分异度相对较低，如图2b所示；至龙马溪组中部层段，已经可见粉砂质沉积构造显著发育，矿物物质组分分异程度显著增高，高静度的沉积环境被破坏，如图2c和图2d所示；龙马溪组上部层段出现了更强水动力条件下的小尺度沉积构造，如波状层理、分异界面，显示水体显著变浅，水动力条件显著增强，如图2e和图2f所示。

图2 Z-2井龙马溪组页岩储层显微薄片特征Fig.2 Micro slice characteristics of shale reservoir in Longmaxi Formation of well Z-2

3.3 矿物含量比例

实验用样品的主要矿物成分为黏土矿物、石英、斜长石、方解石、白云石和黄铁矿，如表2所示。黏土矿物和石英的平均含量均超过30%，主要脆性矿物石英、长石、白云石等的总量超过60%，其中石英平均含量在45%以上，占据主导地位，黏土的平均含量在37%左右，主要以伊利石、绿泥石和伊/蒙混层为主。

表2 Z-2井主要矿物组分相对含量特征

垂向上，Z-2井矿物组分比例中黏土矿物含量占比整体下降而石英含量增加，如图3所示。黏土矿物在Z-2井由浅至深含量由较为平缓变为缓慢下降，平缓阶段含量在40%～50%，在井深约3 860 m处含量开始下降，趋近于10%；石英矿物在Z-2井龙马溪组储层中含量主要集中在30%～60%，在五峰组—龙马溪组底部升高至接近80%。长石、方解石和白云石在Z-2井整体含量相对较低，黄铁矿含量为0.4%～5.8%。

图3 Z-2井矿物组分含量比例垂向分布特征Fig.3 Vertical distribution characteristics of mineral components in well Z-2

4 深层页岩储层矿物非均质性及其地质意义

不同矿物相对组分含量在不同深度呈现出强烈的非均质性[11]。矿物组分及其分布特征是影响页岩储层力学脆性的主要因素, 同矿物组分的层段性差异可以作为预测、判断力学脆性的重要依据之一[13]。在Z-2井龙马溪组页岩储层中，石英、黏土矿物含量出现了整体的规律性变化，如图4所示，反映了沉积环境变迁对陆源碎屑以及水体环境的影响。龙马溪组底部页岩储层沉积于奥陶—志留之交的重要环境变化结点之后，处于全球冰期结束、水体快速上升的沉积背景中，具有很好的慢速、静水沉积条件以及水体底部良好的有机质保存条件[14]，同时，在该时期沉积的石英矿物以生物碎屑成因硅质为主，石英含量比例高，形成了良好的力学脆性骨架[6]。白云石、方解石在底部、下部出现的频次及其含量明显高于中上部储层；斜长石在3 880～3 886 m出现了一个含量峰值，而在底部、中上部含量相对较低；黄铁矿含量由底部至下部呈现增加趋势，在约3 878 m的页岩样品中黄铁矿含量达到了10.3%。整体来看，石英、黏土矿物呈现整体上“此消彼长”的协同规律，这是受到沉积环境变化规律控制的结果。黄铁矿、斜长石的变化规律具有相似性，都出现了由底部向上先增加后降低的趋势；方解石、白云石矿物含量在小范围内波动较大，表现出的非均质性较为明显，在中部存在显著的低值区间。X射线衍射的测试结果反映，黏土矿物中绿泥石和伊利石含量占比波动大，伊/蒙混层、高岭石的出现较为分散，在不同深度的页岩储层中，表现出了含量与比例上极强的非均质性。

图4 Z-2井龙马溪组页岩储层矿物分布特征Fig.4 Mineral distribution characteristics of the Longmaxi Formation shale reservoir in well Z-2

深层页岩储层勘探开发中的一个重要问题是如何优化压裂造缝效果[15-16]。由于深层页岩勘探开发施工的成本显著增加，精准选层对于实施压裂工程至关重要[17]，明确深层页岩储层矿物非均质性可以为精准选层提供重要依据。除了不同类型脆性矿物组分在分布与含量及比例上的非均质性外，矿物组分的非均质性也同样具有一定的地质意义。当黏土矿物等塑性矿物含量降低至一定比例时，储层的力学结构将呈现显著差异，微观结构由骨架矿物-黏土矿物支撑变为骨架矿物间的直接支撑；同时，在方解石、黄铁矿等矿物含量占比相对较高的层段，其微观矿物颗粒间接触力学关系有别于以石英矿物为主的胶结关系，进而造成宏观力学性质的差异，影响压裂效果。

矿物类型、微观分布、组合、接触关系与页岩小尺度沉积构造的匹配是微观矿物非均质性的另一个被忽视的重要内容。因矿物组分含量及分布的变化差异，不同层段小尺度构造控制下的微观矿物与沉积构

造组合模式呈现差异，例如，在龙马溪组底部页岩储层中，脆性矿物含量高，黏土矿物含量相对较低，有机质含量相对较高，在富笔石水平层理基质内部(如图5a所示)，以石英为代表的脆性矿物彼此间大部分为直接接触关系，在储层成岩作用影响下形成脆性骨架，有机质等则赋存于这个脆性骨架网络的内部(如图5b所示)。而在以粉砂质纹层和夹层为主的龙马溪组中上部层段(如图5c所示)，在粉砂质纹层和夹层沉积构造的控制下，呈现脆性矿物-塑性矿物相间分布，且有机质含量较低的微观物相特征(如图5d所示)，受到应力作用时，容易在基质内部发育微表现以及矿物间的错动，影响储层在压裂时形成网状微裂缝及其扩展。总的来说，富笔石水平层理沉积构造的控制下，以石英等脆性矿物构成骨架，且骨架矿物间以直接接触关系为主的层段往往有机质含量也相对较高[14]，共同构成以“脆性骨架网络+高有机质含量”为特点的优质储层[20]，是深层页岩勘探精准选层的重要依据。

图5 2种典型的矿物与沉积构造组合模式Fig.5 Two typical mineral and sedimentary structure combination patterns

5 结论

1)从整体上看，Z-2钻井龙马溪组矿物组分类型较为稳定，但不同层段的矿物含量存在差异。其主要矿物成分为黏土矿物和石英，斜长石、方解石、白云石和黄铁矿在不同层段也有一定量的分布。黏土矿物在Z-2井由浅至深含量由较为平缓的40%～50%缓慢下降至10%，石英矿物在Z-2井龙马溪组储层中含量主要集中在30%～60%，在五峰组—龙马溪组底部升高至约80%。长石、方解石和白云石在Z-2井整体含量相对较低，黄铁矿含量为0.4%～5.8%。

2)Z-2钻井龙马溪组在不同层段，矿物赋存特征存在差异。页岩由底部的碳质-硅质页岩向中上部的粉砂质页岩过渡，储层粒度逐渐增大，分异度显著增高。

3)不同矿物相对组分含量在不同深度呈现出强烈的非均质性。矿物类型、微观分布、组合、接触关系及其与页岩小尺度沉积构造的匹配是深层页岩储层评价时需要考虑的重要因素，以富笔石水平层理沉积构造-石英等脆性矿物构成骨架，骨架矿物间以直接接触关系为主的层段有机质含量相对较高，构成脆性骨架网络+高有机质含量的优质储层，是深层页岩勘探精准选层的重要依据。