四川盆地南缘上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩矿物组成与脆性特征

伍 岳，樊太亮，蒋 恕，李一凡，张俊鹏，丁怀宇

（1.中国地质大学（北京）海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京100083；2.中国地质大学（北京）能源学院，北京100083；3.美国犹他大学能源与地学研究院，犹他州盐湖城84108；4.中国石油辽河油田分公司，辽宁盘锦124010）

四川盆地南缘上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩矿物组成与脆性特征

伍 岳1，2，3，樊太亮1，2，蒋 恕3，李一凡1，2，张俊鹏1，2，丁怀宇4

（1.中国地质大学（北京）海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京100083；2.中国地质大学（北京）能源学院，北京100083；3.美国犹他大学能源与地学研究院，犹他州盐湖城84108；4.中国石油辽河油田分公司，辽宁盘锦124010）

通过X射线全岩衍射、光学薄片鉴定及扫描电镜等技术手段，对四川盆地南缘上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩野外露头及新钻井岩心样品进行测试分析。结果表明，五峰组—龙马溪组页岩矿物组分以石英和粘土矿物为主，其次为方解石和白云石，还有少量的钾长石、斜长石和黄铁矿。其中石英以陆源碎屑来源为主，部分为生物成因；伊利石与绿泥石组合是粘土矿物的特征组合类型；方解石和白云石多以亮晶胶结物和裂缝填充物的形式存在。以矿物组分为依据，将五峰组—龙马溪组页岩划分为富石英页岩、富粘土页岩及富碳酸盐页岩3类端元岩相，每类岩相在矿物组成、结构、构造及沉积背景等方面均表现出不同特征。经计算该页岩脆性指数为0.36～0.74，平均为0.51，表明该套页岩具备良好的脆性与可压裂性，有利于页岩气的开采。其中，底部页岩石英含量高，脆性指数大且富含有机质，有利于页岩气富集与储层压裂改造，是研究区页岩气勘探开发的重点层位。

页岩 矿物组成 岩相脆性指数 上奥陶统五峰组 下志留统龙马溪组 四川盆地南缘

近年来，页岩气成为全球非常规油气勘探开发的热点，中国具有巨大的页岩气资源潜力［1-3］。页岩气以吸附态赋存于有机质与粘土矿物表面，或以游离态储存在孔隙与天然裂缝中。页岩内的粘土矿物具有大的比表面，能够吸附大量的页岩气，有助于页岩气的保存；石英等脆性矿物在外部应力下易产生裂缝，成为页岩气的重要渗流通道［4］。因此，页岩气的富集与储存与页岩矿物组分具有密切关系，矿物成分分析是进行页岩气勘探开发的基础。

众多学者对四川盆地南缘上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩在生烃潜力、储集物性及含气性等方面进行过详细研究［5-10］，而对页岩岩石学性质的系统研究较少，且研究程度不够深入。为此，笔者采集了研究区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩野外露头及新钻井岩心样品，通过X射线全岩衍射、光学薄片鉴定及扫描电镜等技术手段，探讨了其页岩岩矿特征及其可压裂性，以期对该区页岩气勘探开发起到一定指导作用。

1 区域地质概况

震旦纪以来，四川盆地经历了多期构造运动，形成了现今四面环山的构造格局［11］。研究区位于四川盆地南缘，主要包括长宁、兴文及习水等地区（图1）。晚奥陶世至早志留世，盆地边坡处于高度挤压状态，造山运动强烈，川中隆起与黔中隆起、雪峰隆起相连形成了规模庞大的隆起带，使得四川盆地及其周缘沉积环境从具有广海特征的海域变为被隆起围限的局限海域，形成了大面积的低能、欠补偿、缺氧的沉积环境。奥陶纪末和志留纪初，发生了2次全球性海侵，研究区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩正是这2次海侵的相应沉积产物［12-16］。

图1 四川盆地南缘区域位置Fig.1 Locationmap of the southern Sichuan Basin

野外露头及钻井岩心观察显示，四川盆地南缘上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩下段为深水陆棚相沉积，富含笔石和黄铁矿，局部夹方解石条带；龙马溪组页岩上段内常见薄层粉砂质条带、火山灰条带、灰质条带及钙质结核，具有明显浅水沉积特征。从下往上，岩性特征总体表现为粉砂质和钙质含量增加、颗粒变粗、颜色变浅，表明当时的沉积水体逐渐变浅。

2 矿物组成特征

习页1井18块页岩样品X射线全岩衍射分析结果表明，四川盆地南缘上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩矿物组分以石英和粘土矿物为主，含少量斜长石、钾长石、方解石、白云石和黄铁矿等。石英含量为31.9%～69.9%，平均为44.7%，从下往上呈减少趋势；粘土矿物含量为15.4%～53.2%，平均为32.6%，与石英含量呈此消彼长的关系；碳酸盐矿物含量较少，为5.4%～19.2%，平均为10.5%（表1）。粘土矿物以伊利石为主，其次为绿泥石，部分样品中含少量伊/蒙混层与高岭石，其中，伊利石/绿泥石组合是研究区五峰组—龙马溪组页岩的主要粘土矿物组合类型［9］，表明该套页岩成岩作用已达晚成岩作用—早变质作用阶段，有机质进入高成熟—过成熟演化阶段。

石英 一般来说，页岩内石英来源于陆源碎屑供给、生物蛋白石的重结晶以及粘土成岩过程［17］。研究区五峰组—龙马溪组页岩石英主要源于陆源碎屑。陆源石英颗粒磨圆度中等，呈棱角—次棱角状，粒度为10～50μm，经过长距离的搬运磨蚀及长时期的地下压实，内部大多有裂纹，大部分石英颗粒边缘被碳酸盐矿物交代或被酸性流体溶解成不规则多边形（图2a）。此外，还有部分生物成因的石英，呈隐晶或微晶结构。长宁地区的双河剖面（图1）在五峰组—龙马溪组底部富有机质页岩中发现大量硅质生物化石，包括放射虫（图2b）、海绵骨针、有孔虫等，呈星点状散布于页岩中，这为硅质来源与生物有关提供了证据［10］。蒙脱石向伊利石化过程中硅质析离形成自生微晶石英，受层状硅酸盐薄层的限制，晶面不发育，镜下难以观察到自形晶体，多以巢状集合体形式分布于粘土矿物微孔隙中。

表1 习页1井上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩矿物含量Table1 Mineral composition of the shale in the upper Ordovician Wufeng Formation and the lower Silurian Longmaxi Formation from WellXiye1 %

粘土矿物 研究区五峰组—龙马溪组页岩内粘土矿物以伊利石为主，其次为绿泥石，含少量伊/蒙混层和高岭石。粘土矿物的结晶度一般较高，单偏显微镜下呈褐黑色团块状充填于碎屑矿物颗粒之间，与隐晶石英、有机质等混合，难以鉴别。扫描电镜下可见粘土矿物包裹于碳酸钙颗粒表面或填充在粒间孔隙内（图2c），伊利石呈定向排列，示纹层构造（图2d），反映了低能的水动力环境。

碳酸盐矿物 碳酸盐矿物主要为方解石和白云石，多为生物化学成因，也有部分为内碎屑。亮晶白云石自形程度较高，晶形完整，网状解理，粒度为30～50μm，呈斑块状分布，次生溶蚀孔隙发育（图2e）。少量泥晶方解石呈团块状分布，以杂基形式存在。镜下可见部分碳酸盐颗粒有次生加大现象，部分与石英生长在一起，或交代石英颗粒边缘。

黄铁矿 黄铁矿晶体晶粒极细，呈自形或半自形，多以草莓状集合体形式存在（图2f），其中由粒径为1～8μm（平均5μm）的晶粒形成的集合体指示闭塞的缺氧环境，由粒径为1～50μm（平均10μm）的晶粒形成的集合体指示开阔的富氧环境［18］。此外，草莓状黄铁矿集合体内晶间孔隙是致密页岩储集空间的重要组成部分。

图2 四川盆地南缘上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩矿物扫描电镜照片Fig.2 SEM images of shale in the upper Ordovician Wufeng Formation and the lower Silurian Longmaxi Formation in southern Sichuan Basin

3 页岩岩相精细划分

页岩岩相上的沉积差异主要是由原始矿物组成、沉积环境、成岩环境以及事件性沉积的再作用所致［19-21］。页岩矿物组分按其成因机制可简单分为沉积阶段的原生矿物和成岩阶段的次生矿物2部分。通过野外露头、岩心观察及显微镜下分析，以页岩内主要无机矿物石英、碳酸盐矿物及粘土矿物的相对含量为依据，将五峰组—龙马溪组页岩精细划分为3类端元岩相：富石英页岩岩相、富粘土页岩岩相及富碳酸盐页岩岩相。每类岩相在矿物组成、结构、构造及沉积背景等方面均存在较大差异。

3.1 富石英页岩岩相

根据石英来源和结构差异，富石英页岩岩相又分为陆源石英页岩岩相和生物石英页岩岩相。前者石英呈颗粒单晶结构，含量为20%～40%，主要发育在浅水陆棚环境，镜下显示纹层状构造，亮纹层由石英、长石等碎屑矿物形成，暗纹层由粘土矿物，微晶灰泥以及有机质混合形成（图3a）。后者石英呈隐晶或微晶结构，SiO2含量可高达85%，平均为60%，几乎不含碳酸盐矿物（图3b），主要发育在半深海和深海环境，镜下可见海绵、硅藻、放射虫等硅质生物化石。

图3 四川盆地南缘上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩岩相微观特征Fig.3 Microscopic features of the lithofacies of shale in the upper Ordovician Wufeng Formation and the lower Silurian Longmaxi Formation in southern Sichuan Basin

3.2 富粘土页岩岩相

粘土矿物是主要矿物组分，在质纯的页岩中其含量可达90%。呈泥质结构，泥质成分为粘土矿物与有机质混合物，少量的石英、长石和黑云母呈漂浮状，矿物分布较均匀，不显纹层（图3c，图3d）。该岩相页岩矿物组分比较单一，粘土矿物以悬浮方式沉积，其它陆源碎屑较少，表明当时为安静的深水沉积环境，有利于有机质的富集和保存。

3.3 富碳酸盐页岩岩相

碳酸钙含量较高，达25%～50%，主要发育在浅水陆棚环境。泥质结构主要由粘土矿物与粉泥晶次生方解石或白云石组成（图3e），可见斑块状黄铁矿及生物化石碎片，天然裂缝被方解石填充（图3f）。

4 脆性特征

脆性是影响页岩可压裂性与诱导裂缝形态的重要因素，脆性越高，可压裂性越好，产气率越高［22］。页岩中最重要的脆性矿物为石英、长石与方解石，其含量往往决定了页岩的脆性。Curtis和Jarvie通过比较Barnett页岩与其他含气页岩的地质特征，认为Barnett页岩高产的主要原因在于其脆性矿物含量高，易于通过压裂造缝获得高产［23-24］。北美学者在页岩储层研究中用脆性指数来表示页岩脆度，其为石英含量与石英含量、碳酸盐岩含量和粘土矿物含量三者之和的比值。该脆性指数适用于评价矿物组分单一、石英含量较高，其他脆性矿物含量较少的页岩［23-25］。根据研究区五峰组—龙马溪组页岩岩矿特征，可用该脆性指数评价其脆度。以习页1井为例，经计算得到五峰组—龙马溪组页岩脆性指数为0.36～0.74，平均为0.51。根据美国页岩气开发经验，当脆性矿物含量大于40%，即脆性指数大于0.4，页岩具备良好的可压裂性［24］。因此，研究区五峰组—龙马溪组页岩脆性和可压裂性较好，有利于页岩气的开采。

5 结论

四川盆地南缘上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩矿物组分以石英和粘土矿物为主，平均含量分别为44.7%和32.6%，石英主要源于陆源碎屑，部分为生物成因，粘土矿物主要为伊利石与绿泥石组合，其次为方解石和白云石，平均含量为10.5%，主要以亮晶胶结物和裂缝填充物形式存在。该套页岩内脆性矿物含量较高，脆性指数大，平均为0.51，具备良好的脆性与可压裂性。以矿物组分为依据，研究区五峰组—龙马溪组页岩划分为3类端元岩相：富石英页岩岩相、富粘土页岩岩相及富碳酸盐页岩岩相。富石英页岩岩相根据石英来源及结构差异又分为陆源石英页岩岩相及生物石英页岩岩相，前者中石英呈单晶结构，含量为20%～40%，主要发育在浅水陆棚环境，后者中石英呈隐晶或微晶结构，平均含量可达60%，主要发育在半深海和深海环境；富粘土页岩岩相呈泥质结构，粘土矿物含量可达90%，主要发育在安静的深水沉积环境；富碳酸盐页岩相岩相中碳酸钙含量为25%～50%，主要发育在浅水陆棚环境。

致谢：感谢美国犹他大学能源与地学研究院（EGI）Bryony博士在本文矿物薄片与扫描电镜观察中的指导，特别感谢国家留学基金委（CSC）的资助与支持。

［1］ 刘成林，范柏江，葛岩，等.中国非常规天然气资源前景［J］.油气地质与采收率，2009，16（5）：26-29. Liu Chenglin，Fan Bojiang，Ge Yan，et al.Unconventional natural gas resources prospect in China［J］.Petroleum Geology and Recovery Efficiency，2009，16（5）：26-29.

［2］ 葛忠伟，樊莉.页岩气研究中应注意的问题［J］.油气地质与采收率，2013，20（6）：19-22. Ge Zhongwei，Fan Li.Some notable problems about shale gas in the scientific research［J］.Petroleum Geology and Recovery Efficiency，2013，20（6）：19-22.

［3］ 许长春.国内页岩气地质理论研究进展［J］.特种油气藏，2012，19（1）：9-16. Xu Changchun.Progress in research on shale gas geological theory in China［J］.Special Oil&Gas Reservoirs，2012，19（1）：9-16.

［4］ Ross D JK，Bustin RM.The importance of shale composition and pore structure upon gas storage potential of shale gas resources ［J］.Marineand Petroleum Geology，2009，26（6）：916-927.

［5］ 郭彤楼.四川盆地奥陶系储层发育特征与勘探潜力［J］.石油与天然气地质，2014，35（3）：372-378. Guo Tonglou.Characteristics and exploration potential of Ordovician reservoirs in Sichuan Basin［J］.Oil&Gas Geology，2014，35 （3）：372-378.

［6］ 郭少斌，黄磊.页岩气储层含气性影响因素及储层评价——以上扬子古生界页岩气储层为例［J］.石油实验地质，2013，35 （6）：601-606. Guo Shaobin，Huang Lei.Gas-bearing influential factors and evaluation of shale gas reservoir：A case study of Paleozoic shale gas reservoir in upper Yangtze region［J］.Petroleum Geology&Experiment，2013，35（6）：601-606.

［7］ 聂海宽，张金川.页岩气储层类型和特征研究——以四川盆地及其周坡下古生界为例［J］.石油实验地质，2011，33（3）：219-225. Nie Haikuan，Zhang Jinchuan.Types and characteristics of shale gas reservoir：A case study of Lower Paleozoic in and around Sichuan Basin［J］.Petroleum Geology&Experiment，2011，33（3）：219-225.

［8］ Wu Y，Fan T L，Jiang S，et al.Characterization of the upper Ordovician and lower Silurian marine shale in northwestern Guizhou province of the upper Yangtze Block，South China：Implication for shale gas potentia［lJ］.Energy&Fuels，2014，28（6）：3 679-3 687.

［9］ 李海，白云山，王保忠，等.湘鄂西地区下古生界页岩气保存条件［J］.油气地质与采收率，2014，21（6）：22-25. Li Hai，Bai Yunshan，Wang Baozhong，et al.Preservation conditions research on shale gas in the lower Paleozoic of western Hunan and Hubeiarea［J］.Petroleum Geology and Recovery Efficiency，2014，21（6）：22-25.

［10］王淑芳，邹才能，董大忠，等.四川盆地富有机质页岩硅质生物成因及对页岩气开发的意义［J］.北京大学学报：自然科学版，2014，50（3）：476-486. Wang Shufang，Zou Caineng，Dong Dazhong，et al.Biogenic silica of organic-rich shale in Sichuan Basin and its significance for shale gas［J］.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis，2014，50（3）：476-486.

［11］刘树根，邓宾，李智武，等.盆山结构与油气分布——以四川盆地为例［J］.岩石学报，2011，27（3）：621-635. Liu Shugen，Deng Bin，Li Zhiwu，etal.The texture of sedimentary basin-orogenic belt system and its influence on oil/gas distribution：A case study from Sichuan basin［J］.Acta Petrologica Sinica，2011，27（3）：621-635.

［12］刘树根，马永生，王国芝，等.四川盆地震旦系—下古生界优质储层形成与保存机理［J］.油气地质与采收率，2008，15（1）：1-5. Liu Shugen，Ma Yongsheng，Wang Guozhi，et al.Formation and conservation mechanism of the high-quality reservoirs in Sinianlower Paleozoic in Sichuan Basin［J］.Petroleum Geology and Recovery Efficiency，2008，15（1）：1-5.

［13］梁钰，侯读杰，张金川，等.海底热液活动与富有机质烃源岩发育的关系——以黔西北地区下寒武统牛蹄塘组为例［J］.油气地质与采收率，2014，21（4）：28-32. Liang Yu，Hou Dujie，Zhang Jinchuan，et al.Hydrothermal activitieson the seafloor and evidence of organic-rich source rock from the lower Cambrian Niutitang formation，northwestern Guizhou ［J］.Petroleum Geology and Recovery Efficiency，2014，21（4）：28-32.

［14］梁狄刚，郭彤楼，边立曾，等.中国南方海相生烃成藏研究的若干新进展（三）南方四套区域性海相烃源岩的沉积相及发育的控制因素［J］.海相油气地质，2009，14（2）：1-19. Liang Digang，Guo Tonglou，Bian Lizeng，et al.Some progresses on studies of hydrocarbon generation and accumulation inmarine sedimentary regions，southern China（Part 3）：Controlling factors on the sedimentary facies and development of Paleozoic marine source rocks［J］.Marine Origin Petroleum Geology，2009，14（2）：1-19.

［15］李双建，肖开华，沃玉进.南方海相上奥陶统—下志留统优质烃源岩发育的控制因素［J］.沉积学报，2008，26（5）：872-880. Li Shuangjian，Xiao Kaihua，Wo Yujin.Developmental controlling factors of Upper Ordovician-Lower Silurian high quality source rocks in marine sequence，South China［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2008，26（5）：872-880.

［16］杨迪，刘树根，单钰铭，等.四川盆地东南部习水地区上奥陶统—下志留统泥页岩裂缝发育特征［J］.成都理工大大学学报：自然科学版，2013，40（5）：543-553. Yang Di，Liu Shugen，Shan Yuming，etal.Fracture characteristics of shale in Upper Ordovician-Lower Silurian in Xishui area，southeast of Sichuan Basin，China［J］.Journal of Chengdu University of Technology：Science&Technology Edition，2013，40（5）：543-553.

［17］Blall H.Oxygen isotopes and the origin of quartz［J］.Journal of Sedimentary Petrology，1987，（57）：373-377.

［18］Wilkin R T，Arthur M A，Dean W E.History of water-column anoxia in the black sea indicated by pyrite framboids size distributions［J］.Earth and Planetary Science Letters，1997，（148）：517-525.

［19］Hickey JJ，Henk B.Lithofacies summary of the Mississippian Barnett shale，Mitchell2 T P Sims well，Wise County，Texas［J］. AAPG Bulletin，2007，91（4）：437-443.

［20］Loucks R G，Ruppel SC.Mississippian Barnett shale：Lithofacies and depositional setting of a deep-water shale-gas succession in the Fort Worth Basin，Texas［J］.AAPG Bulletin，2007，91（4）：579-601.

［21］蒲泊伶，董大忠，牛嘉玉，等.页岩气储层研究新进展［J］.地质科技情报，2014，33（2）：98-104. Pu Boling，Dong Dazhong，Niu Jiayu，etal.Principle progresse in shale gas reservoir research［J］.Geological Science and Technology Information，2014，33（2）：98-104.

［22］孙海成，汤达祯，蒋廷学，等.页岩气储层压裂改造技术［J］.油气地质与采收率，2011，18（4）：90-93，97. Sun Haicheng，Tang Dazhen，Jiang Tingxue，et al.Fracturing and stimulation techniques of shale gas reservoir［J］.Petroleum Geology and Recovery Efficiency，2011，18（4）：90-93，97.

［23］Curtis JB.Fractured shale-gas system［J］.AAPG Bulletin，2002，86（11）：1 921-1 938.

［24］Jarvie D M，Hill R J，Ruble T E，et al.Unconventional shale gas system：The Mississippian Barnett shale of north-central Texas as onemodel for thermogenic shale gas assessment［J］.AAPG Bulletin，2007，91（4）：475-499.

［25］Rickman R，Mullen M，Petre E，et al.A practical use of shale petrophysics for simulation design optimization：All shale plays are notclones of the Barnettshale［R］.SPE 115258，2008.

编辑 单体珍

Mineralogy and brittleness features of the shale in the upper Ordovician Wufeng Formation and the lower Silurian Longmaxi Formation in southern Sichuan Basin

Wu Yue1，2，3，Fan Tailiang1，2，Jiang Shu3，LiYifan1，2，Zhang Junpeng1，2，Ding Huaiyu4

（1.Key Laboratory of Marine Reservoir Evolution and Hydrocarbon Accumulation Mechanism，Ministry ofEducation，China University of Geosciences（Beijing），Beijing City，100083，China；2.School of Energy Resources，China University of Geosciences（Beijing），Beijing City，100083，China；3.Energy and Geoscience Institute，University of Utah，Salt Lake City，Utah，84108，USA；4.Liaohe Oilfield Company，Petro China，Panjin City，Liaoning Province，124010，China）

A detailed study about themineral composition of the upper Ordovician Wufeng shale and the lower Silurian Longmaxishale in southern Sichuan Basin was conducted by the measurements on core and outcrop samples including XRD （X-ray diffraction），thin slices observation，SEM（Scanning Electron Microscope）and QEMSCAN（Quantitatively Electron Microscope Scanning）.The results obtained show that quartz and clay minerals are the dominant minerals in this shale，followed by calcite and dolomite，with a small amount of potassium feldspar，plagioclase and pyrite.The quartz ismainly from terrigenous clastic sources while some of them is biogenous.The clayminerals are characterized by a combination of illite and chlorite；and the calcite and dolomite mainly actas cementand fracture filling in the shale.Based on mineral composition，the Wufeng-Longmaxishale is classified into three lithofacies：quartz-rich shale，clay-rich shale and carbonate-rich shale，which have significant differences in the mineral composition，texture，fabric and depositional background.The calculated brittle index of0.36-0.74（0.51 on average）for the Wufeng-Longmaxi shale indicates that this shale is favorable forhydraulic fracture to produce shale gas.The shale at the bottom has higher quartz content，larger brittleness index and richer in organic matter，which is favorable for shale gas enrichment and reservoir fracturing.

shale；mineral composition；lithofacies；brittle index；the upper Ordovician Wufeng Formation；the lower Silurian Longmaxi Formation；southern Sichuan Basin

TE112.23

A

1009-9603（2015）04-0059-05

2015-05-25。

伍岳（1989—），男，湖南常德人，在读博士研究生，从事非常规油气储层地质与评价方面的研究。联系电话：17888835218，E-mail：wuyue0906@gmail.com。

国家科技重大专项“我国重点地区页岩气资源潜力及有利区带优选”（2009GYXQ-15）。