川東南龍馬溪組頁巖的礦物組成與微觀儲集特征研究

劉友祥，俞凌杰，張慶珍，鮑 芳，盧龍飛

(中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214151)

川東南龍馬溪組頁巖的礦物組成與微觀儲集特征研究

劉友祥，俞凌杰，張慶珍，鮑 芳，盧龍飛

(中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214151)

通過巖石學特征、礦物組成、微觀孔隙和力學性質(zhì)等分析，對川東南地區(qū)龍馬溪組頁巖的礦物組成與微觀儲集特征進行了綜合研究。研究結(jié)果表明，龍馬溪組頁巖主要由石英和黏土礦物組成，平均含量分別為36.07%和41.55%，碳酸鹽巖含量較低，平均9.92%，底部石英含量最高，向上含量降低，黏土含量增加；頁巖中硅質(zhì)含有豐富的生物碎屑，表明主要為生物成因。頁巖主要發(fā)育有機質(zhì)孔隙和無機礦物孔隙，后者的粒緣微裂縫較發(fā)育，而粒內(nèi)和粒間孔隙相對較少。頁巖中石英含量與頁巖孔容呈正相關關系，表明生物來源硅質(zhì)的孔隙對頁巖總孔隙有重要貢獻，生物來源硅質(zhì)的存在也提高了頁巖脆性，有利于儲層的后期壓裂改造。

微觀孔隙；礦物組成；頁巖；龍馬溪組；川東南

頁巖氣主要以吸附或游離態(tài)賦存于泥頁巖中，還有少量以溶解態(tài)形式存在于液態(tài)烴或地層水中。近年來，國內(nèi)外眾多學者從頁巖氣賦存狀態(tài)、成藏特征、資源評價等方面進行研究，同時針對頁巖微觀孔隙特征這一研究熱點運用了一系列先進手段進行表征，比如納米-CT射線成像、透射電子顯微鏡(TEM)、原子力顯微鏡、氬離子拋光+掃描電鏡(ESEM)、聚焦離子束掃描電鏡(FIB)及三維重構(gòu)分析等，取得了許多創(chuàng)新性成果和認識[1-8]。

儲集性能是影響氣藏產(chǎn)量的重要因素，但由于頁巖組成及結(jié)構(gòu)復雜，具有多尺度孔徑、超低滲透率、各向異性顯著等特點，詳細刻畫頁巖孔隙特征并非易事[9-10]。目前關于川東南地區(qū)龍馬溪組頁巖高含氣量的原因并不是很清楚，其中微觀儲集特征研究仍有待于進一步深化。本文借助X射線衍射、(氬離子拋光)掃描電鏡、壓汞—吸附聯(lián)合測定技術等對川東南志留系龍馬溪組頁巖開展綜合分析，進行礦物組成與微觀儲集特征研究，探討海相頁巖的儲集條件。

1 樣品與分析方法

1.1 樣品來源

頁巖樣品采自四川東南部焦石壩—彭水、南川地區(qū)龍馬溪組鉆井巖心樣品。

1.2 分析方法

X 衍射分析測試采用德國布魯克公司D8 ADVANCE型X 射線衍射儀，在溫度25 ℃、相對濕度50%的條件下，依據(jù)SY/T 5163-2010標準進行測試完成。測試條件：Cu 靶，X 射線管電壓40 kV、電流100 mA，掃描速度4°(2θ)/min，掃描步寬0.02°(2θ)。

掃描電鏡研究采用Quanta 200型環(huán)境掃描電子顯微鏡，其放大倍數(shù)最大可達300 000倍，最小為數(shù)nm，可以對頁巖的微觀形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征進行觀察。在進行研究時，首先選取樣品的新鮮斷面，為了避免機械拋光對巖樣表面的破壞，利用氬離子拋光技術對樣品表面進行刻蝕，從而使得高速離子束轟擊樣品表面時，產(chǎn)生常規(guī)機械拋光所達不到的鏡面效果，保留樣品表面真實的孔隙形態(tài)，并進行表面噴金處理。

頁巖三軸力學實驗采用巖石力學實驗機和壓力實驗機，依據(jù)GBT23561.9-2009標準測試完成。

低溫氮氣吸附儀為北京精微高博公司生產(chǎn)的比表面積孔隙率儀(JW-BK22型)。該儀器孔徑測量范圍為0.36～50 nm。實驗前，樣品需在150 ℃ 高溫下進行3 h的抽真空預處理，以消除樣品中殘留的束縛水和毛細管水分。然后以高純氮氣為吸附質(zhì)，在77.35 K 溫度下測定不同相對壓力下的氮氣吸附量。再利用相對壓力和單位樣品質(zhì)量的吸附量進行氮氣吸附—解吸等溫線的繪制。根據(jù)國標GB/T 19587-2004氣體吸附BET法測定固態(tài)物質(zhì)比表面積的規(guī)定，利用頁巖樣品比表面積計算BET方程，在相對壓力介于0.05～0.35范圍內(nèi)作BET直線圖，求得樣品的BET 比表面積，孔容特征采用BJH法進行計算得到。

壓汞儀為美國麥克儀器公司AutoPoreIV9520型孔隙結(jié)構(gòu)分析儀，孔徑測量范圍為3 nm～0.36 mm。測定前取小塊頁巖樣品(約1 cm)，在105 ℃烘箱中烘干24 h以充分脫除自由水。

2 結(jié)果與討論

2.1 礦物形貌特征

2.1.1 石英

鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，龍馬溪組底部石英顆粒較多，石英多具定向壓扁的拉長特征，呈長條、細條狀或橢圓狀，形狀不規(guī)則，單個石英個體具有一定的生物結(jié)構(gòu)，四周充填碳質(zhì)，總體應為生物碎屑和蝕變殘體的堆積和重結(jié)晶集合體。向上石英的壓扁程度逐漸減弱，以透鏡狀、圓球狀及不規(guī)則形狀出現(xiàn)，表明壓實作用有所減弱。同時，還開始出現(xiàn)顆粒極小的自生石英，晶型完好。再向上開始出現(xiàn)具磨圓的或略帶棱角的石英，邊緣有溶蝕，為陸源碎屑石英，顯示陸源輸入物質(zhì)向上增多，沉積水體逐漸變淺(圖1a)。

2.1.2 黏土礦物

龍馬溪組底部粒狀礦物數(shù)量較高，而黏土顆粒數(shù)量較少，向上逐漸增多，在整個垂向上和石英的數(shù)量呈此消彼長的關系。黏土礦物多呈條狀、片狀產(chǎn)出，主要沿顆粒邊緣及孔隙分布，或包裹黃鐵礦及其他礦物顆粒或包裹有機質(zhì)碎屑，隨著含量的增多，明顯成為礦物的主要基質(zhì)(圖1b-d)。

2.1.3 碳酸鹽巖

碳酸鹽顆?？傮w較少，方解石多呈粒狀，自形程度較高，晶形完整，呈斑塊狀散布于黏土礦物基質(zhì)中，也可觀察到保存完整的鈣質(zhì)有孔蟲的殼體(圖1e)。

2.1.4 黃鐵礦

黃鐵礦主要以顆粒狀和莓球狀形式出現(xiàn)，前者結(jié)晶形態(tài)完整，呈立方體狀，多以集合體形式產(chǎn)出，后者則形態(tài)較好，多孤立地包裹于黏土礦物基質(zhì)層之中。龍馬溪組最底部未見出現(xiàn)，在底部的中上段才逐漸出現(xiàn)(圖1f)。

2.2 礦物組成特征

該區(qū)龍馬溪組礦物組分的分析結(jié)果顯示，以黏土礦物和石英為主，碳酸鹽巖和長石等其他礦物含量較低。其中石英含量為12%～73%，平均36.07%，黏土礦物為16%～70%，平均41.55%，碳酸鹽巖礦物含量為2%～36%，平均9.92%。在礦物的三元圖解中，樣品主要落于泥巖和硅質(zhì)巖之間的過渡區(qū)域(圖2)，與北美頁巖氣的礦物組成特征非常相似[11-13]。

研究區(qū)龍馬溪組底部石英含量極高，高達73%，黏土礦物含量則僅為16%，從底部向上石英含量呈波動式降低而黏土礦物含量則有所增加，前者降至17%，后者增至56%。龍馬溪組底部是頁巖氣的主要富集層段[14]，該層段的硅質(zhì)含有豐富的放射蟲和海綿骨針等生物碎屑及蝕變殘體，硅鋁比在3∶1以上，明顯高于海相頁巖陸源碎屑的硅鋁比值，表明石英等硅質(zhì)主要為生物成因，顯示出生物成因硅質(zhì)與頁巖氣的富集有密切聯(lián)系。北美巴奈特頁巖的研究也顯示存在高含量的生物成因硅[15]，與本文研究結(jié)果一致。

圖1 川東南龍馬溪組頁巖顯微鏡下微觀特征

圖2 川東南龍馬溪組頁巖礦物組成特征與剖面變化特征

2.3 微觀孔隙特征

頁巖中往往發(fā)育多種微觀孔隙[16]。目前，研究人員對泥頁巖孔隙類型的劃分提出了多種方法。Robert[17]將泥頁巖孔隙分為礦物基質(zhì)孔隙、有機質(zhì)孔隙及裂隙(不受單顆粒影響)三大類。朱如凱[18]則將泥頁巖孔隙類型主要劃分為原生孔和次生孔兩大類，其中有機質(zhì)內(nèi)孔屬于次生孔。相比較，前一種分類方法在目前非常規(guī)油氣研究中使用更為廣泛，并突出了有機質(zhì)內(nèi)孔的地位。本研究對鏡下孔隙類型的劃分主要參照前一種方法。

利用掃描電鏡對焦石壩地區(qū)頁巖樣品進行氬離子拋光后觀察，發(fā)現(xiàn)其孔隙主要來自于有機質(zhì)內(nèi)孔，礦物基質(zhì)孔隙主要為黃鐵礦晶間孔、粒緣微縫隙及礦物溶蝕孔隙，但這部分孔隙相對較少。

2.3.1 有機質(zhì)孔隙

有機質(zhì)在龍馬溪組頁巖內(nèi)主要呈分散狀分布，局部呈條帶狀，其內(nèi)部普遍發(fā)育大量蜂窩狀微孔隙，掃描電鏡分辨率可以觀察到的有機質(zhì)內(nèi)孔的直徑約在10 ～ 500 nm不等。不同深度的頁巖樣品中均觀察到了發(fā)育的有機質(zhì)內(nèi)孔，同時在鏡下可以看到絕大部分的有機質(zhì)內(nèi)部均有發(fā)育的孔隙(圖3)。

圖3 川東南龍馬溪組頁巖巖心發(fā)育的有機質(zhì)內(nèi)孔

2.3.2 無機礦物基質(zhì)孔隙

龍馬溪組頁巖中主要的礦物基質(zhì)孔隙為莓狀黃鐵礦晶間孔，一般發(fā)育較好，其次為長石、碳酸鹽礦物及磷酸鹽礦物中的粒內(nèi)溶蝕孔隙，黏土礦物晶間孔隙相對較少，此外粒緣微裂隙較發(fā)育(圖4)。

長石、碳酸鹽及磷酸鹽類等碎屑礦物顆粒易發(fā)生溶蝕，形成粒內(nèi)及粒緣溶蝕孔隙。粒緣微縫隙是頁巖地層中重要的一種儲集空間類型，也是優(yōu)勢滲流通道，其形成主要與巖石脆性、有機質(zhì)生烴、地層孔隙壓力、差異水平壓力等眾多因素相關。其中，石英、長石、碳酸鹽等脆性礦物含量高并具較高脆度，是頁巖裂縫形成的內(nèi)因。通過鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，龍馬溪組頁巖樣品中礦物微縫隙主要位于顆粒邊緣，而粒緣微裂隙發(fā)育的樣品往往TOC含量不高。

2.4 礦物與孔隙發(fā)育的關系

為研究頁巖主要組成礦物與頁巖孔容的關系，將礦物含量與頁巖的孔容做相關性分析，可以發(fā)現(xiàn)頁巖的孔容與石英成正比關系，而與黏土礦物的相關性較弱(圖5)，顯示硅質(zhì)礦物對頁巖孔容的貢獻較大。龍馬溪組石英等硅質(zhì)礦物主要為硅質(zhì)生物成因，硅質(zhì)生物一方面容易遭受溶蝕形成孔隙，同時溶蝕后沿縫隙填充形成網(wǎng)狀連通體系，另一方面硅質(zhì)生物體本身具有中空的腔體，在成巖、埋藏條件下也能保持部分開啟甚至完全開啟的狀態(tài)[19]。

圖4 川東南龍馬溪組頁巖巖心發(fā)育的有機質(zhì)內(nèi)孔

圖5 川東南龍馬溪組頁巖樣品中石英、黏土礦物與頁巖孔容的相關性

2.5 礦物組成對巖石力學性質(zhì)的影響

頁巖可壓裂性是頁巖氣井評價的關鍵參數(shù)之一[20-21]。而脆性則是影響頁巖可壓裂性的重要因素，脆性越高，可壓裂性越好[22]。

楊氏模量和泊松比是表征頁巖脆性的主要巖石力學參數(shù)，楊氏模量反映了頁巖被壓裂后保持裂縫的能力即支撐能力，泊松比則反映了頁巖在壓力下破裂的能力[23]。頁巖楊氏模量越高，泊松比越低，頁巖脆性越強；楊氏模量越低，泊松比越高，頁巖韌性越強[22]。根據(jù)研究區(qū)龍馬溪組8件頁巖樣品的三軸力學實驗結(jié)果，巖石抗壓強度為29.54～212.92 MPa，三軸楊氏模量為18.19～36.63 GPa，泊松比為0.13～0.23(表1)。北美頁巖氣的研究結(jié)果顯示，楊氏模量大于24 GPa和泊松比小于0.25時巖石的脆性達到良好條件。從表1可以看出，所測頁巖樣品的泊松比均小于0.25，楊氏模量則大部分大于24 GPa，表明志留系龍馬溪組頁巖，特別是底部的頁巖可壓裂性較好。

表1 川東南地區(qū)龍馬溪組頁巖巖石物理參數(shù)對比

3 結(jié)論

(1) 龍馬溪組頁巖中的礦物主要由石英和黏土礦物組成，碳酸鹽巖含量較低。形貌特征顯示硅質(zhì)礦物有碎屑石英、重結(jié)晶形成的微晶石英、硅質(zhì)膠結(jié)物和硅質(zhì)生物碎屑。龍馬溪組頁巖底部石英等硅質(zhì)礦物含量最高，達到73%，可能與高豐度的硅質(zhì)生物碎屑的存在有關，向上含量逐漸降低，黏土含量則相對增加。

(2)頁巖主要發(fā)育大量的有機質(zhì)孔隙和無機礦物孔隙。頁巖中的有機質(zhì)主要呈分散狀分布，局部呈條帶狀，內(nèi)部普遍發(fā)育豐富的蜂窩狀微孔隙。無機礦物孔隙主要以粒內(nèi)溶蝕孔隙和顆粒邊緣的微裂隙為主，而粒內(nèi)和粒間孔隙相對較少。

(3)礦物與頁巖孔容的相關性研究顯示石英含量與頁巖孔容呈正相關關系，表明生物來源硅質(zhì)的孔隙對頁巖總孔隙有重要貢獻。生物來源硅質(zhì)的存在也使巖石力學參數(shù)達到良好評價標準，大大提高了頁巖的可壓裂性。

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(編輯 徐文明)

Mineral composition andmicroscopic reservoir features of Longmaxi shales in southeastern Sichuan Basin

Liu Youxiang, Yu Lingjie, Zhang Qingzhen, Bao Fang, Lu Longfei

(WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,SINOPEC,Wuxi,Jiangsu214151,China)

Mineral compositions and microscopic reservoir features of the Longmaxi shales in the southeastern Sichuan Basin were comprehensively studied using the analyses of petrological characteristics, mineral compositions, microscopic pore structures and rock mechanics.The results show that quartz and clay minerals are abundant in the Longmaxi shales with average contents of 36.07% and 41.55% respectively, while carbonate minerals are poor with an average content of 9.92%.Quartz is especially rich at the bottom of the Longmaxi shales. As burial depth decreases, the content of quartz is less while clay mineral content increases. Abundant bioclasts indicate that siliceous matter is mainly biogenetic. Many inorganic and organic pores are found in the Longmaxi shales. Granular margin micro-fractures develop well in inorganic pores,while intergranular and intragranular pores are less common. There is a positive correlation between quartz content and pore volume, which indicates that biogenic silica pores play an important role in the development of porosity.Biogenic silica contributes to a high content of brittle minerals, which is favorable for fracturing treatment.

micro-pores;mineral composition; shale;Longmaxi Formation;southeastern Sichuan Basin

1001-6112(2015)03-0328-06

10.11781/sysydz201503328

2015-02-10；

2015-03-27。

劉友祥(1986—)，男，碩士，助理工程師，從事巖石礦物分析和非常規(guī)油氣地質(zhì)研究。E-mail:lyx.syky@sinopec.com。

國家重點基礎研究計劃“973”項目(2014CB239102)和中國自然科學基金(41102074)資助。

TE122.2

A