淮南煤田潘集外围地区下二叠统泥页岩储层矿物特征研究

丁 海 王博文 徐宏杰 姚素平

(1.安徽省煤田地质局勘查研究院，安徽 合肥 230088；2.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001；3.南京大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210023)

0 引言

页岩气是目前全球非常规油气资源勘探开发的新领域［1］。近年来，中国对页岩气进行了一系列区域性基础研究，并在继煤层气、致密砂岩气之后逐步进入商业化开发阶段。淮南煤田主要发育自生自储式的页岩气藏，泥页岩不仅是烃源岩，还是页岩气的主要储集层。淮南煤田的泥页岩多形成于三角洲和滨岸环境，有机质含量高。然而优质烃源岩并非一定能形成优质页岩气藏，页岩气的赋存状态主要包括两种，一种游离于孔隙和天然裂缝中，另一种是吸附于有机质和黏土矿物表面。这两种赋存状态也是影响页岩气储层的两个因素，前者属于外因，主要与地质构造形成的裂隙和储集层的原始孔隙有关，后者属于内因，主要与储层的矿物组成成分相关。目前页岩气研究主要集中于页岩气聚集机理和条件、页岩气储层裂隙研究、富集地质条件与选区选层等外因，因此需要对页岩气储层的矿物成分特征开展进一步探索研究。

1 煤田地质背景

淮南煤田潘集外围地区处于淮南复向斜东段（图1），石炭-二叠系煤层发育。二叠系整合于石炭系太原组地层之上，以太原组一灰顶作为底界，厚度为1 102～1 191 m，平均厚度1 150 m，自下而上划分为山西组、下石盒子组、上石盒子组、孙家沟组。上石盒子组地层总厚510.84～545.10 m，其内发育多层泥页岩沉积，泥页岩厚度处于100～480 m。下石盒子组对应第二含煤段，底界为铝质泥岩下骆驼钵砂岩之底，顶界至9煤上砂岩之底，地层厚度105～165 m，平均厚度132 m。一般含煤10层（4-1-9煤），其中4-1、4-2、5-1、5-2、6-1、7-1、7-2、8煤等8层为可采煤层，可采总厚平均13.13 m。沉积相特征为浅水三角洲及下三角平原沉积环境，主要岩性为砂岩、泥岩、页岩、煤等，下石盒子组沉积厚度呈现由北向南增厚的趋势。下部以灰白色中粗砂岩或含砾砂岩（骆驼钵砂岩）为底界，上为铝质泥岩及花斑状泥岩，中上部以砂岩为主夹泥岩。山西组的沉积厚度处于52.72～105.28 m，发育砂岩、泥岩、页岩、煤等多类岩性，本组砂岩含量较高，占该层段的40%左右；泥页岩累计厚度在30～60 m，发育煤层2层，位于中部。

图1 研究区构造纲要图

2 样品采集与实验方法

本次研究样品主要采自淮南潘集17-1、20-4、10-2和潘集外围20-2等煤田钻孔，共有泥页岩样品60组，其中山西组样品10组，上石盒子组样品27组，下石盒子组样品23组。通过X射线衍射实验完成60组样品的测试。实验仪器为D/max-2500，其最大输出为18 kW，管电压为20～60 kV，管电流为10～300 mA；扫描方式为2θ/θ连动，2θ角测量范围为-10°～154°，扫描步进为0.002°～90°（2θ/θ扫描）和0.001°～90°（2θ扫描），扫描速度为0.002～100°/min（2θ/θ扫描）和0.001°～100°/min（2θ扫描）。按《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X-射线衍射分析方法》（SY/T 5163—2018）进行实验［2］。

3 结果与讨论

3.1 有机质特征

总有机碳质量分数大于0.5%的泥页岩为具备形成页岩气藏潜力的烃源岩［3］。依据《页岩气资源/储量计算与评价技术规范》（DZ/T 0254—2014）［4］，将烃源岩有机碳质量分数分为4级，0.5%～1%为低；1%～2%为中；2%～4%为高；大于等于4%为特高。研究表明［5］，淮南潘集地区石炭-二叠系山西组泥页岩有机碳质量分数变化范围为0.11%～8.87%，平均为2.58%，下石盒子组泥页岩有机碳质量分数变化范围为0.11%～2.74%，平均为1.07%，上石盒子组泥页岩页有机碳质量分数变化范围为0.13%～1.16%，平均为0.57%。由此可以看出，研究区山西组泥页岩可达高级，下石盒子组达到中等级别，上石盒子组为低级。根据泥页岩干酪根显微组分及有机质干酪根碳同位素结果表明，淮南地区石炭-二叠系泥页岩有机质类型以Ⅱ2为主，部分为Ⅱ1型和Ⅲ型有机质。

3.2 矿物组成特征

3.2.1 碎屑矿物。全岩X射线衍射测试结果显示（图2～图4），在上石盒子组的岩样中，脆性矿物含量处于20%～78%，平均含量为40.7%；下石盒子组脆性矿物含量介于18.6%～52.4%，平均含量为34.21%；山西组脆性矿物含量在30.3%～46.3%，平均含量为35.21%。研究区脆性矿物中石英高达90%以上，其次含少量钠长石和钾长石。将采样深度与碎屑矿物含量进行相关分析，未发现矿物含量与深度之间的明显变化关系，说明泥页岩储层矿物多来源于母岩碎屑沉积，自生型矿物含量低。

图2 上石盒子组X射线衍射矿物成分

图4 山西组X射线衍射矿物成分

3.2.2 黏土矿物。研究区样品中黏土矿物含量普遍要高于脆性矿物含量，上石盒子组黏土矿物含量范围为13.3%～76.8%，平均含量为55.68%。下石盒子组黏土矿物含量介于34%～81.4%，平均含量是62.81%。山西组黏土矿物含量范围在50.6%～69.7%，平均含量为59.24%。下石盒子组黏土矿物中高岭石含量最高，最高可达81%，平均含量55.74%，其次为伊/蒙混层，含量范围在6%～82%，平均含量为31.35%，绿泥石含量较少，含量范围在2%～15%，平均含量为9.21%，伊利石含量最低，含量范围在1%～7%，平均含量为3.7%（图5）。山西组黏土含量中高岭石和伊/蒙混层含量最多，高岭石含量范围为23%～77%，平均含量为43.7%，伊/蒙混层含量为9%～66%，平均含量为40.9%，其次绿泥石含量介于6%～10%，平均含量为8%，最后为伊利石，含量范围在3%～11%，平均含量为7.4%（图6）。

图3 下石盒子组X射线衍射矿物成分

图5 山西组黏土矿物成分及含量

图6 下石盒子组黏土矿物成分及含量

黏土矿物的含量和类型对泥页岩中天然气的吸附性有直接影响［6］。不同的黏土矿物具有差异化的结构，由于比表面积和表面自由能的差异，蒙皂石对有机质和烃类的吸附性相对最强，伊利石、绿泥石和高岭石对有机质和烃类的吸附性依次减弱。基于研究区下石盒子组和山西组黏土矿物类型和含量分析结果，目的层的主要黏土矿物类型为伊/蒙混层，因此，研究区泥页岩具备较好的天然气吸附能力。

3.2.3 碳酸盐矿物。研究区煤系泥页岩中碳酸盐矿物含量较低，上石盒子组中仅在四个样品中检测出了少量的方解石和白云石；下石盒子组中仅在A-38号样品中检测出了0.4%方解石，未见白云石；山西组中三个样品中检测出了白云石，未见方解石。在多数样品中检测出了少量的黄铁矿、菱铁矿和极少数的赤铁矿。碳酸盐矿物含量特征与地层水介质呈酸性有关，酸性的水介质不利于碳酸盐矿物的沉淀［7-8］，同时也表明研究区泥页岩沉积可能具有一定的还原性，进而形成有机质富集和保存的环境基础，为页岩气成藏提供了良好的沉积条件。

3.2.4 矿物组分对比。将研究区泥页岩储层的矿物组分与国内多个典型泥页岩发育区进行对比分析。南方古生界发育3套区域性的泥页岩沉积［9］，研究区泥页岩储层中的石英含量较其上奥陶-下志留统偏高，较其下寒武统和上二叠统的石英含量偏低。沁水盆地发育稳定的三角洲相泥页岩储层［10］，研究区与其对比，泥页岩中石英含量偏低，黏土矿物含量相对高。四川盆地、鄂尔多斯盆地都发育广泛的陆相泥页岩沉积［11-12］，其黏土矿物含量较研究区泥页岩偏低。对比分析说明，研究区泥页岩储层矿物组分与国内各沉积环境形成的泥页岩储层有明显的差异。

3.3 脆性分析

脆性是泥页岩储层的关键评价参数［13］，脆性的高低对储层可压裂性有显著的控制作用。研究区泥页岩储层的脆性计算公式如式（1）、式（2）。

式中：B石英为石英脆度；C石英为石英含量；C碳酸盐为碳酸盐含量；C黏土为黏土矿物含量；B总为总脆度。

由式（1）和（2）分别计算出研究区脆性指数如表1所示，结果表明，研究区石英脆度为35.49%，总脆度为37.3%。将研究区泥页岩的脆度与其他海陆过渡相泥页岩、南方古生界泥页岩进行对比分析［14-20］，研究区泥页岩脆度较南方海相泥页岩偏低，与其他海陆过渡相泥页岩近似。从淮南煤田泥页岩储层脆度的垂向变化规律分析，下石盒子组页岩脆度偏低，上石盒子组的脆度相对高。因此，研究区泥页岩储层的脆度总体偏小，开采过程中应根据储层特性采取相匹配的压裂方式。

表1 研究区脆度综合表

4 结论

①X射线衍射结果显示，淮南煤田潘集外围煤系泥页岩矿物组成成分主要有黏土矿物和脆性矿物，上石盒子组平均含量高达55.68%和40.7%，下石盒子组平均含量分别为62.81%和34.21%，山西组平均含量为59.24%和35.21%，其中脆性矿物中石英含量高达90%以上，少量钾长石和钠长石，碳酸盐矿物主要包括菱铁矿、黄铁矿和钠长石等矿物。

②淮南煤田煤系泥页岩的黏土矿物含量高，伊/蒙混层为主要黏土矿物类型，其中下石盒子组伊/蒙混层和伊利石总含量为35.05%。山西组伊/蒙混层和伊利石总含量为48.3%，表明了研究区泥页岩吸附天然吸附能力较高。

③研究区石英等脆性矿物含量相对较低，开采过程中应根据储层特性采取相匹配的压裂方式。