吳 松， 胡忠貴*， 邱小松， 李世臨， 李胡蝶， 劉淑芬

(1.長江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430100； 2.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 武漢 430100； 3.中國石油勘探開發(fā)研究院， 北京 100029； 4.中石油西南油氣田公司重慶氣礦， 重慶 400021)

中國南方海相富有機(jī)質(zhì)頁巖具有分布面積廣、沉積厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度高、有機(jī)質(zhì)含量高、成熟度適中的特點(diǎn)，有利于頁巖氣藏的形成，資源潛力巨大[1-2]。前人對四川盆地周緣頁巖氣的勘探開發(fā)做了大量的研究工作，已在涪陵焦石壩、長寧-威遠(yuǎn)、云南昭通等區(qū)塊取得重要突破。近年來，中下?lián)P子地區(qū)作為頁巖氣勘探開發(fā)的重要接替區(qū)越來越引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視[3-6]，取得了重要進(jìn)展，但不同地區(qū)、不同層系認(rèn)識程度不一。目前在四川盆地東南側(cè)外圍的鄂西地區(qū)鄂宜頁1井、鄂陽頁1井在牛蹄塘組獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流，增強(qiáng)了對新區(qū)新層系的勘查信心。能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的逐漸轉(zhuǎn)型對天然氣的需求急劇增長，頁巖氣的勘探開發(fā)對緩解油氣對外依存度具有重要作用，鄂東通山地區(qū)地處中揚(yáng)子?xùn)|南緣，長江中下游，但對頁巖氣的勘查研究程度低，加強(qiáng)對鄂東地區(qū)頁巖氣的認(rèn)識，對推動長江經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展也具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

巖石礦物的組成受沉積時期物源供給、沉積環(huán)境以及成巖作用等多種因素的影響[7]，對頁巖巖礦特征的分析研究有利于了解頁巖沉積過程及沉積環(huán)境的變化[8]，富有機(jī)質(zhì)泥頁巖中的礦物組構(gòu)情況是控制頁巖空隙及微構(gòu)造發(fā)育和吸附特征的重要因素[9],對頁巖的含氣性和儲集物性具有重要作用[10]，對頁巖巖石礦物組分的分析是進(jìn)一步研究頁巖儲集條件的基礎(chǔ)?，F(xiàn)基于野外剖面勘察并采集新鮮野外露頭樣品，對鄂東通山地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積背景及發(fā)育特征了解的基礎(chǔ)上，結(jié)合頁巖樣品進(jìn)行X射線衍射分析，開展其礦物組構(gòu)特征的分析與討論，為該區(qū)頁巖氣的進(jìn)一步勘查研究與評價分析提供參考。

1 地質(zhì)背景

鄂東通山地區(qū)位于湖北省東南部咸寧市，大地構(gòu)造位置處在江南古陸與中下?lián)P子?xùn)|南側(cè)陸緣區(qū)接壤處，于崇陽-通山逆沖推覆構(gòu)造帶內(nèi)，北依秦嶺大別造山帶與大冶對沖帶相鄰，南與江南基底拆離推覆逆沖隆升帶相接，西連洪湖逆沖帶(圖1[11])。自震旦紀(jì)以來，研究區(qū)所處原型盆地受多期構(gòu)造運(yùn)動影響，后期還經(jīng)歷了一定規(guī)模的自南向北的重力滑動[12]，發(fā)生了強(qiáng)烈的構(gòu)造變形和剝蝕改造。由于緊鄰造山帶，受強(qiáng)烈的南北擠壓對沖以及北東向壓扭作用，研究區(qū)發(fā)育疊瓦狀單沖構(gòu)造及緊閉倒轉(zhuǎn)褶皺為特征，主體以南傾北倒的緊閉線狀褶皺，北東向和北北西向及派生的次級斷裂構(gòu)成[11]，局部構(gòu)造不發(fā)育。

圖1 區(qū)域構(gòu)造及位置圖[11]Fig.1 Regional structure and location[11]

下寒武統(tǒng)巖石地層名稱復(fù)雜多變，據(jù)文獻(xiàn)[13]記載，楊守仁1963年將咸寧一帶早寒武世早期的地層在咸寧高橋創(chuàng)名為“東坑組”，但高橋位于揚(yáng)子沉積區(qū)，在湖北省內(nèi)該地層1957年張文堂從李四光1924年所創(chuàng)立的石牌頁巖分出創(chuàng)立出“水井沱頁巖，后將水井沱頁巖底部地層稱為“水井沱組”，與在貴州遵義市由劉之遠(yuǎn)1942年命名的“牛蹄塘組“對應(yīng)，現(xiàn)以牛蹄塘組來敘述。

研究區(qū)牛蹄塘組地層與下伏燈影組呈平行不整合接觸，和上覆石牌組地層整合接觸。震旦紀(jì)末—早寒武世初期發(fā)生大規(guī)模海侵，導(dǎo)致研究區(qū)與揚(yáng)子板塊的湘鄂西地區(qū)形成臺緣坳陷。大規(guī)模海侵體系域——饑餓段沉積形成一個以快速加深為特征的淹沒不整合面[14]。以南繼承晚震旦世向南傾斜的古地貌特征，并逐步形成斜坡帶。早寒武世晚期，海平面達(dá)到高位，繼續(xù)保持盆地邊緣較深水沉積環(huán)境，底部發(fā)育深灰色鈣質(zhì)碳質(zhì)頁巖。整體主要沉積一套碎屑巖陸棚-混積深水陸棚-盆地沉積相，沉積厚度大，由于早期海侵迅速、規(guī)模大，長時間的缺氧環(huán)境，有利于富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的發(fā)育。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

珍珠口和界水嶺兩個剖面(剖面位置如圖1所示)地層出露良好，界線清楚，巖性以一套鈣質(zhì)碳質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)泥頁巖、泥灰?guī)r、鈣泥灰?guī)r、碳質(zhì)頁巖為主。從剖面觀察來看可見巖石類型多樣，富含三葉蟲化石。在對剖面詳細(xì)考察時進(jìn)行了系統(tǒng)采樣，結(jié)合巖性特征及采樣位置，最終選取了9個樣品進(jìn)行了全巖礦物分析，18個樣品進(jìn)行了黏土礦物分析，樣品的測試工作在長江大學(xué)教育部油氣資源與勘查技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。檢測儀器設(shè)備為XD-2型X射線衍射儀，檢測依據(jù)參照《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法》(SY/T 6210—1996)。

礦物成分X射線衍射分析結(jié)果(表1)表明，鄂東通山地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組礦物類型多樣，成分較為復(fù)雜。含有石英、鉀長石、斜長石等碎屑礦物，方解石、白云石、菱鐵礦等多種碳酸鹽礦物，以及石膏、黃鐵礦、重晶石等非晶礦物。黏土礦物有伊利石、高嶺石、綠泥石、伊蒙混層。各個樣品礦物含量不同，從樣品分析結(jié)果來看總體以石英、長石及黏土礦物為主。石英含量最高，含量為31.9%～47.2%，平均42.1%；其次是黏土礦物，含量為18.3%～21.9%，平均20.6%。黏土礦物主要成分為伊利石，平均含量達(dá)63.9%，其次為綠泥石和伊/蒙混層，高嶺石含量較少；碳酸鹽礦物中以方解石含量變化最大，含量為1.3%～27.5%，平均值為15.1%；長石平均含量為12.0%，主要成分為斜長石，含量為7.2%～16.5%，平均10.2%；微晶礦物石膏在樣品中普遍存在，含量最高可達(dá)12.3%。

表1 通山地區(qū)牛蹄塘組X射線衍射分析結(jié)果Table 1 XRD results of mineral composition of Niutitang Formation shale in Tongshan area

3 分析與討論

3.1 礦物組成與沉積環(huán)境

泥頁巖的發(fā)育受到沉積環(huán)境的控制，不同礦物在不同環(huán)境下富集狀態(tài)有所不同，不同環(huán)境下頁巖氣富集條件存在差異[15]，黏土礦物對環(huán)境的變化尤為敏感[16]，礦物組成對了解頁巖的沉積環(huán)境具有指示性作用。早寒武世早期大規(guī)模的海侵使得海平面迅速上升直到早寒武世晚期才達(dá)到高位，研究區(qū)在牛蹄塘期保持較深水還原沉積環(huán)境。礦物組分含量分布(圖2)也表明，富有機(jī)質(zhì)泥頁巖中含大量石英、長石及黏土礦物，此外黃鐵礦、石膏的普遍存在，表明該套地層沉積環(huán)境為靜水、缺氧的還原環(huán)境[16]。

圖2 通山地區(qū)牛蹄塘組頁巖樣品礦物組成及含量分布Fig.2 Mineral composition and content distribution of the Niutitang Formation shale samples in Tongshan area

黏土礦物作為環(huán)境演變的重要載體，能夠反映沉積過程中的環(huán)境變化，對黏土礦物組合及含量變化的分析是研究沉積環(huán)境的重要手段，黏土礦物的分異主要表現(xiàn)在陽離子交換和吸附能力[17]。在酸性水介質(zhì)中，高嶺石較為穩(wěn)定，在堿性水介質(zhì)中，伊利石較為穩(wěn)定富集，在不同的環(huán)境中從而形成不同的黏土礦物組合。研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黏土礦物組成(圖3)具有以伊利石含量最高，綠泥石和伊/蒙混層礦物含量較高，只有或者極少含量的高嶺石，不含蒙脫石的特點(diǎn)，黏土礦物組分以“I(伊利石)+I/S(伊/蒙間層)+C(綠泥石)+K(高嶺石)極少”型為主，其次為“I+C”型。伊利石為富含K+的水介質(zhì)，綠泥石為富含F(xiàn)e2+和Mg2+的水介質(zhì)，表明沉積時期及埋藏成巖過程中水介質(zhì)具有鹽度較高，偏堿性，沉積時總體處于干冷的氣候環(huán)境[18]，有利于富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的富集和保存，為頁巖氣藏的形成提供了良好的條件。

圖3 通山地區(qū)牛蹄塘組頁巖樣品黏土礦物相對含量分布Fig.3 Relative clay distribution of the Niutitang Formation shale samples in Tongshan area

3.2 黏土特征與成巖階段

黏土礦物類型及含量對頁巖成巖作用具有很好的相關(guān)性，黏土礦物在沉積成巖過程中可以發(fā)生轉(zhuǎn)化[19]，可以從伊/蒙混層礦物的類型及其含量來判斷成巖作用階段。劉偉新等[20]根據(jù)黏土礦物組合類型及特征等指標(biāo)綜合對成巖作用劃分為成巖早期、成巖中期、成巖晚期及極低級變質(zhì)作用。通山地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖黏土礦物分析表明，黏土礦物成分依次為伊利石、高嶺石、綠泥石、伊/蒙層，不含蒙脫石。伊利石含量平均為70%，存在一個樣品有綠蒙混層。表明成巖作用已經(jīng)經(jīng)歷成巖作用中期，進(jìn)入了成巖作用晚期[21]。

王行信等[22]依據(jù)礦物組合類型結(jié)合地質(zhì)特征將砂泥巖成巖階段分為早成巖A、B及晚成巖A、B、C共5種不同的成巖階段。研究區(qū)黏土組成主要為伊利石，其次為綠泥石及高嶺石和伊/蒙混層，伊利石含量大于70%，高嶺石、綠泥石的平均含量小于15%，表明研究區(qū)已達(dá)晚成巖階段A期[23]。

熱成熟度的增大不僅會引起有機(jī)質(zhì)孔隙微觀結(jié)構(gòu)的變化，還會對黏土礦物層間孔隙的發(fā)育起著很大作用，引起黏土礦物之間的轉(zhuǎn)化[24]。研究區(qū)黏土礦物中不含蒙脫石，可能存在蒙脫石在頁巖地層埋藏成巖演化過程中經(jīng)伊-蒙混層向伊利石轉(zhuǎn)化所致[25]。蒙脫石在地層內(nèi)部的轉(zhuǎn)化復(fù)雜，但通常與有機(jī)質(zhì)熱演化階段有很好的對應(yīng)關(guān)系，在有烴類侵位、成巖作用和異常高壓情況下，混合黏土逐漸呈現(xiàn)蒙脫石和高嶺石的含量，演變分散為伊利石，處于成巖晚期。同時蒙脫石在轉(zhuǎn)化過程中伊-蒙混層過渡態(tài)極具催化活性，可以為生烴反應(yīng)富氫作用創(chuàng)造良好條件[26]。

3.3 脆性分析及地質(zhì)意義

頁巖氣儲層孔滲性很差，對頁巖氣藏的開發(fā)往往需要實(shí)施壓裂技術(shù)，天然裂縫對頁巖氣產(chǎn)能和水力壓裂效果具有重要作用[27]，礦物成分是天然裂縫的發(fā)育的主要內(nèi)在因素[28]，脆性礦物含量對頁巖氣的聚集和開發(fā)具有重要的影響。通常認(rèn)為，在礦物組成復(fù)雜的地區(qū)頁巖的脆性礦物包括石英、長石、黃鐵礦及碳酸鹽礦物，脆性礦物含量越高，頁巖裂縫越發(fā)育，頁巖氣儲集層的脆性和可壓裂性越強(qiáng)[29]，壓裂和開采效果越好。

北美已成功開發(fā)的Bossier頁巖礦物成分較為簡單，主要為石英、長石和黃鐵礦，含量低于50%；Ohio、Woodford/Barnett頁巖石英、長石和黃鐵礦含量為25%～80%的區(qū)域內(nèi)，其中Barnett硅質(zhì)頁巖石英等脆性礦物含量超過40%[30]。通山地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖石英含量為31.9%～47.2%，其次還有較高含量的長石和黃鐵礦，脆性礦物含量為62.3%～76.3%，平均69.73%，脆性礦物含量大于40%。

脆性指數(shù)是評價頁巖儲層的一個重要參數(shù)，在頁巖礦物成分復(fù)雜的地區(qū)，通常采用脆性指數(shù)Ⅱ進(jìn)行頁巖氣脆性指數(shù)的計(jì)算[31]，計(jì)算公式為

脆性指數(shù)=

(1)

脆性指數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示(圖4)，通山地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖脆性指數(shù)為0.74～0.81，平均0.77，具有較高的脆性，與脆性礦物含量表現(xiàn)出很好的對應(yīng)性，研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組具有很好的壓裂改造條件。

圖4 通山地區(qū)牛蹄塘組頁巖樣品脆性礦物含量與脆性指數(shù)Fig.4 Brittle mineral contents and brittleness indexes of the Niutitang Formation shale samples in Tongshan area

4 區(qū)域?qū)Ρ确治?/h2>

將通山地區(qū)牛蹄塘組頁巖與周邊及北美已成功開發(fā)的頁巖和商業(yè)性突破的威遠(yuǎn)、涪陵頁巖氣田進(jìn)行對比(表2)，通山地區(qū)石英含量與相對較高，與北美Barnett、Woodford、Marcellu頁巖及威遠(yuǎn)筇竹寺組頁巖相當(dāng)，且范圍較為穩(wěn)定，分布在31.9%～47.2%。黏土礦物含量與北美Marcellu頁巖、湘西北牛蹄塘組、威遠(yuǎn)筇竹寺組頁巖相當(dāng)，與湘西北牛蹄塘組的分布都較穩(wěn)定。從礦物組成上看，研究區(qū)與威遠(yuǎn)筇竹寺組、湘西北牛蹄塘及宜昌水井沱組相似，石英、黏土礦物為主，長石類型含量以斜長石含量為主，其次黃鐵礦在樣品中普遍存在，且含量較高。脆性礦物含量都接近70%，對比來看，研究區(qū)脆性礦物含量較高，平均69.7%，分布范圍為62.3%～76.3%，黏土礦物含量小于30%。參考北美及焦頁1井儲層優(yōu)選條件[32]，認(rèn)為研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組具備頁巖氣藏形成和保存的基礎(chǔ)地質(zhì)條件，有著很好的可壓裂性，具備一定的開采潛力。

表2 鄂東通山地區(qū)牛蹄塘組頁巖礦物組成與周邊及北美頁巖礦物對比Table 2 Mineral contents of the Niutitang Formation shale in Tongshan and surrounding area and North American shales

5 結(jié)論

(1)鄂東通山地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組礦物類型多樣，成分較為復(fù)雜?？傮w以石英、長石以及黏土礦物為主，石英含量最高，含量為31.9%～47.2%，平均42.1%，其次是黏土礦物，含量為18.3%～21.9%，平均20.6%，黏土礦物主要成分為伊利石，相對平均含量為63.9%。碳酸鹽巖礦物中以方解石含量變化最大，含量為1.3%～27.5%，平均15.1%。

(2)頁巖樣品中含大量石英、長石及黏土礦物，黃鐵礦、石膏在樣品中普遍存在。黏土礦物有著高伊利石含量，綠泥石和伊/蒙混層礦物含量較高，只有或者極少含量的高嶺石，不含蒙脫石的特點(diǎn)。沉積在缺氧的還原環(huán)境，沉積埋藏在具有鹽度較高，偏堿性的水介質(zhì)中。

(3)黏土礦物組成及含量特征表明研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組成巖作用已進(jìn)入晚成巖階段。黏土礦物中不含蒙脫石，在黏土礦物轉(zhuǎn)化為伊利石的過程中，可以為生烴反應(yīng)富氫作用創(chuàng)造良好條件。

(4)研究區(qū)牛蹄塘組頁巖樣品脆性礦物含量為62.3%～76.3%，平均69.73%。脆性指數(shù)為0.74～0.81，平均0.77，脆性礦物含量高，脆性指數(shù)大。

(5)研究區(qū)牛蹄塘組頁巖礦物組成及脆性礦物含量與周邊及北美、威遠(yuǎn)、涪陵頁巖氣田有著很好的對比性。參考北美及焦頁1井儲層優(yōu)選條件,認(rèn)為研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組具備頁巖氣藏的形成和保存的基礎(chǔ)地質(zhì)條件，有著很好的可壓裂性，具備一定的開采潛力。