渝西地區龍馬溪組深層頁巖礦物特征及其儲層地質意義

潘 妮，趙迪斐，魏 源，焦偉偉，魏 華

(1. 中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116； 2. 中國礦業大學 人工智能研究院，江蘇 徐州 221116； 3. 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008；4. 重慶工業職業技術學院 建筑工程學院，重慶 401120；5. 中國礦業大學 現代分析測試中心，江蘇 徐州 221000)

0 引言

四川盆地頁巖氣勘探開發不斷向深層頁巖儲層開拓，在實現焦石壩和長寧—威遠區塊的3 500 m以淺儲層商業化開發后，目前正在向渝西地區的深層頁巖氣勘探潛力區拓展[1-2]。2018年開始的渝西區塊勘探開發實踐證明，深層頁巖儲層具有當前技術條件下的商業化價值，試氣獲得了高產，深層頁巖評價井展示出了良好的開發前景，預示深層頁巖儲層巨大的開發潛力[3]。

中國深層頁巖氣資源豐富，是未來天然氣產量增長的現實領域，實現其規模效益開發對于保障國家能源安全具有重要的戰略意義，但在較高開發成本限制下，深層頁巖儲層開發對精準勘探和工程效果要求較高[4]。深層頁巖儲層地質環境復雜，力學性質呈現特殊性，儲層地質演化過程與中淺層頁巖具有差異性[5-6]。頁巖礦物組分是影響頁巖力學性質以及工程壓裂效果的重要因素，研究區深層頁巖礦物組分復雜，龍馬溪組深層頁巖儲層由黏土礦物、石英、斜長石、方解石、白云石、方沸石和黃鐵礦等多成因礦物組成，深入研究礦物組分發育特征及其儲層地質意義可以有效指導頁巖精準選層以及工程措施的選定實施[7-8]。該文以渝西地區代表性鉆孔為例，通過顯微薄片觀察、X射線衍射(XRD)等手段對龍馬溪組深層頁巖儲層礦物組分進行定性-定量研究，探究深層頁巖礦物特征及其儲層地質意義，為研究區龍馬溪組深層頁巖勘探開發提供科學依據。

1 地質背景

渝西地區處于重慶西部，在大地構造位置上處于四川盆地川中隆起低緩構造區、川南低陡褶皺帶交界地區，如圖 1所示。研究區內，五峰組—龍馬溪組頁巖儲層廣泛分布，五峰組上覆于臨湘組泥質灰巖，主要巖性為碳質頁巖、碳質-硅質頁巖以及粉砂質頁巖，頂部發育觀音橋段，觀音橋段主要巖性為泥質灰巖、灰質泥巖，見赫南特貝化石群(Hirnantia fauna)代表性化石；龍馬溪組頁巖上覆于五峰組頂部的觀音橋段，主要發育碳質頁巖、粉砂質頁巖，頂部下伏于小河壩組。

圖1 Z-2井研究區域及鉆井位置Fig.1 Research area and drilling location of well Z-2

渝西地區五峰組—龍馬溪組頁巖儲層研究程度相較渝中涪陵地區、渝東南、渝東北等仍然較少。四川盆地內, 目前已先后在涪陵地區、川南長寧—威遠等地區實現了五峰組—龍馬溪組頁巖氣的商業化開采。近幾年來, 隨著對深層頁巖認識和勘探開發技術的不斷進步, 瀘州、榮昌和渝西等區域深層頁巖勘探開發也取得了一定的進展, 渝西大足區Z202-H1井等對深層頁巖的壓裂開發, 取得了高產工業性氣流, 昭示了深層頁巖勘探開發的巨大潛力[3]。但是, 深層頁巖勘探開發成本顯著增高, 容錯率低, 對精準勘探和地質特征的深入認識提出了更高的要求。

2 實驗樣品與研究方法

實驗樣品選自四川盆地渝西地區大足區塊Z-2鉆井(如圖1所示)。Z-2鉆井鉆至奧陶系寶塔組，完整揭露五峰組—龍馬溪組地層, 五峰組底部深度約為3 899 m, 是典型的深層頁巖儲層。鉆孔揭露五峰組厚度約8.42 m, 巖性主要為硅質-碳質頁巖、碳質頁巖和粉砂質頁巖, 上覆于臨湘組泥質灰巖, 頂部為觀音橋段, 龍馬溪組底部巖性主要為硅質-碳質頁巖, 向上粉砂質含量及相關沉積構造發育比例增高, 頂部出現顯著的粉砂質-砂質沉積構造。

通過巖心編錄與手標本研究, 基于宏觀巖石學特征對龍馬溪組進行了初步分層, 在Z-2井龍馬溪組頁巖儲層中由底部向上逐層選取20個有代表性的樣品開展針對性研究(取樣深度3 833.33～3 897.60 m), 通過高分辨率顯微鏡進行顯微薄片觀察, 拍攝并分析儲層沉積構造以及礦物的空間分布特征, 對比分析各層段礦物組分及分布的差異、非均質性, 并通過X射線衍射(XRD)測試定量代表性樣品的礦物組分比例, 結合定性觀察, 綜合討論深層頁巖礦物組分的特殊性及其地質意義。X射線衍射(XRD)測試依據了石油天然氣行業標準SY/T 5163—2010《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線分析辦法》。該標準由中國石油西南油氣田分公司勘探開發研究院分析實驗中心等單位起草。測試前將樣品粉碎并研磨為粉末, 烘干后使用X射線衍射儀測試其X射線衍射圖譜，通過礦物含量與衍射特征峰強度間的相關性關系確定礦物組分含量的比例(K值法)[9]。

3 結果分析

3.1 礦物組分類型

鏡下觀察表明，Z-2井龍馬溪組主要是由黏土礦物和石英礦物組分構成, 此外可以觀察到一定量的方解石、長石等其他礦物以及自形晶狀或裂縫充填狀的黃鐵礦組分。垂向上看, 除龍馬溪組底部樣品鏡下特征顯示強烈細粒特征，龍馬溪組中下部—上部均有一定的微觀沉積構造發育, 主要是粉砂質的紋層, 龍馬溪組垂向小尺度巖石學特征差異如表1所示。X射線衍射圖譜顯示礦物組分類型復雜，從衍射圖譜中識別出了伊利石、伊蒙混層、綠泥石、石英、方解石、白云石、長石及黃鐵礦等礦物組分，整體看礦物組分類型較為穩定，但不同層段的礦物含量以及賦存特征存在差異[10]。

表1 龍馬溪組垂向小尺度巖石學特征差異Table 1 Differences of vertical small-scale characteristics of Longmaxi Formation

3.2 礦物賦存特征

由顯微薄片觀察可知，Z-2井龍馬溪組頁巖由底部的碳質-硅質頁巖向中上部的粉砂質頁巖過渡，在不同層段，礦物賦存特征存在差異。礦物組分在含量比例以及賦存狀態的層段性差異是構成頁巖儲層小尺度非均質性的重要內容[11-12]。龍馬溪組底部頁巖儲層粒度極為細小，可以觀察到顯著的水平層理，微細層理縫充填方解石、黃鐵礦晶體，如圖2a所示；龍馬溪組下部頁巖儲層粒度相對增大，但粉砂質沉積構造發育程度還相對較低，礦物物質組分分異度相對較低，如圖2b所示；至龍馬溪組中部層段，已經可見粉砂質沉積構造顯著發育，礦物物質組分分異程度顯著增高，高靜度的沉積環境被破壞，如圖2c和圖2d所示；龍馬溪組上部層段出現了更強水動力條件下的小尺度沉積構造，如波狀層理、分異界面，顯示水體顯著變淺，水動力條件顯著增強，如圖2e和圖2f所示。

圖2 Z-2井龍馬溪組頁巖儲層顯微薄片特征Fig.2 Micro slice characteristics of shale reservoir in Longmaxi Formation of well Z-2

3.3 礦物含量比例

實驗用樣品的主要礦物成分為黏土礦物、石英、斜長石、方解石、白云石和黃鐵礦，如表2所示。黏土礦物和石英的平均含量均超過30%，主要脆性礦物石英、長石、白云石等的總量超過60%，其中石英平均含量在45%以上，占據主導地位，黏土的平均含量在37%左右，主要以伊利石、綠泥石和伊/蒙混層為主。

表2 Z-2井主要礦物組分相對含量特征

垂向上，Z-2井礦物組分比例中黏土礦物含量占比整體下降而石英含量增加，如圖3所示。黏土礦物在Z-2井由淺至深含量由較為平緩變為緩慢下降，平緩階段含量在40%～50%，在井深約3 860 m處含量開始下降，趨近于10%；石英礦物在Z-2井龍馬溪組儲層中含量主要集中在30%～60%，在五峰組—龍馬溪組底部升高至接近80%。長石、方解石和白云石在Z-2井整體含量相對較低，黃鐵礦含量為0.4%～5.8%。

圖3 Z-2井礦物組分含量比例垂向分布特征Fig.3 Vertical distribution characteristics of mineral components in well Z-2

4 深層頁巖儲層礦物非均質性及其地質意義

不同礦物相對組分含量在不同深度呈現出強烈的非均質性[11]。礦物組分及其分布特征是影響頁巖儲層力學脆性的主要因素, 同礦物組分的層段性差異可以作為預測、判斷力學脆性的重要依據之一[13]。在Z-2井龍馬溪組頁巖儲層中，石英、黏土礦物含量出現了整體的規律性變化，如圖4所示，反映了沉積環境變遷對陸源碎屑以及水體環境的影響。龍馬溪組底部頁巖儲層沉積于奧陶—志留之交的重要環境變化結點之后，處于全球冰期結束、水體快速上升的沉積背景中，具有很好的慢速、靜水沉積條件以及水體底部良好的有機質保存條件[14]，同時，在該時期沉積的石英礦物以生物碎屑成因硅質為主，石英含量比例高，形成了良好的力學脆性骨架[6]。白云石、方解石在底部、下部出現的頻次及其含量明顯高于中上部儲層；斜長石在3 880～3 886 m出現了一個含量峰值，而在底部、中上部含量相對較低；黃鐵礦含量由底部至下部呈現增加趨勢，在約3 878 m的頁巖樣品中黃鐵礦含量達到了10.3%。整體來看，石英、黏土礦物呈現整體上“此消彼長”的協同規律，這是受到沉積環境變化規律控制的結果。黃鐵礦、斜長石的變化規律具有相似性，都出現了由底部向上先增加后降低的趨勢；方解石、白云石礦物含量在小范圍內波動較大，表現出的非均質性較為明顯，在中部存在顯著的低值區間。X射線衍射的測試結果反映，黏土礦物中綠泥石和伊利石含量占比波動大，伊/蒙混層、高嶺石的出現較為分散，在不同深度的頁巖儲層中，表現出了含量與比例上極強的非均質性。

圖4 Z-2井龍馬溪組頁巖儲層礦物分布特征Fig.4 Mineral distribution characteristics of the Longmaxi Formation shale reservoir in well Z-2

深層頁巖儲層勘探開發中的一個重要問題是如何優化壓裂造縫效果[15-16]。由于深層頁巖勘探開發施工的成本顯著增加，精準選層對于實施壓裂工程至關重要[17]，明確深層頁巖儲層礦物非均質性可以為精準選層提供重要依據。除了不同類型脆性礦物組分在分布與含量及比例上的非均質性外，礦物組分的非均質性也同樣具有一定的地質意義。當黏土礦物等塑性礦物含量降低至一定比例時，儲層的力學結構將呈現顯著差異，微觀結構由骨架礦物-黏土礦物支撐變為骨架礦物間的直接支撐；同時，在方解石、黃鐵礦等礦物含量占比相對較高的層段，其微觀礦物顆粒間接觸力學關系有別于以石英礦物為主的膠結關系，進而造成宏觀力學性質的差異，影響壓裂效果。

礦物類型、微觀分布、組合、接觸關系與頁巖小尺度沉積構造的匹配是微觀礦物非均質性的另一個被忽視的重要內容。因礦物組分含量及分布的變化差異，不同層段小尺度構造控制下的微觀礦物與沉積構

造組合模式呈現差異，例如，在龍馬溪組底部頁巖儲層中，脆性礦物含量高，黏土礦物含量相對較低，有機質含量相對較高，在富筆石水平層理基質內部(如圖5a所示)，以石英為代表的脆性礦物彼此間大部分為直接接觸關系，在儲層成巖作用影響下形成脆性骨架，有機質等則賦存于這個脆性骨架網絡的內部(如圖5b所示)。而在以粉砂質紋層和夾層為主的龍馬溪組中上部層段(如圖5c所示)，在粉砂質紋層和夾層沉積構造的控制下，呈現脆性礦物-塑性礦物相間分布，且有機質含量較低的微觀物相特征(如圖5d所示)，受到應力作用時，容易在基質內部發育微表現以及礦物間的錯動，影響儲層在壓裂時形成網狀微裂縫及其擴展?？偟膩碚f，富筆石水平層理沉積構造的控制下，以石英等脆性礦物構成骨架，且骨架礦物間以直接接觸關系為主的層段往往有機質含量也相對較高[14]，共同構成以“脆性骨架網絡+高有機質含量”為特點的優質儲層[20]，是深層頁巖勘探精準選層的重要依據。

圖5 2種典型的礦物與沉積構造組合模式Fig.5 Two typical mineral and sedimentary structure combination patterns

5 結論

1)從整體上看，Z-2鉆井龍馬溪組礦物組分類型較為穩定，但不同層段的礦物含量存在差異。其主要礦物成分為黏土礦物和石英，斜長石、方解石、白云石和黃鐵礦在不同層段也有一定量的分布。黏土礦物在Z-2井由淺至深含量由較為平緩的40%～50%緩慢下降至10%，石英礦物在Z-2井龍馬溪組儲層中含量主要集中在30%～60%，在五峰組—龍馬溪組底部升高至約80%。長石、方解石和白云石在Z-2井整體含量相對較低，黃鐵礦含量為0.4%～5.8%。

2)Z-2鉆井龍馬溪組在不同層段，礦物賦存特征存在差異。頁巖由底部的碳質-硅質頁巖向中上部的粉砂質頁巖過渡，儲層粒度逐漸增大，分異度顯著增高。

3)不同礦物相對組分含量在不同深度呈現出強烈的非均質性。礦物類型、微觀分布、組合、接觸關系及其與頁巖小尺度沉積構造的匹配是深層頁巖儲層評價時需要考慮的重要因素，以富筆石水平層理沉積構造-石英等脆性礦物構成骨架，骨架礦物間以直接接觸關系為主的層段有機質含量相對較高，構成脆性骨架網絡+高有機質含量的優質儲層，是深層頁巖勘探精準選層的重要依據。