0 引言

页岩气作为一种非常规天然气资源，是常规的油气能源重要的战略接替^[1]。近年来，由于美国页岩气勘探开发取得了重要突破，我国也加入页岩气勘探开发的行列^[2]。上扬子五峰—龙马溪组黑色页岩厚度大、分布稳定、有机质含量高，因此被视为优质的海相富有机质页岩，尽管其热演化程度较高，后期构造作用较强，但近年来在上扬子地区海相页岩气勘探方面，仍然取得了一系列重大突破^[3-7]。

然而，有关五峰—龙马溪组黑色页岩的矿物学组成特征及其沉积学方面的研究还有待深入。事实上，中国南方五峰—龙马溪组黑色页岩的矿物学组成特征是不一样的，它们的矿物组成成份变化极大，而且它们与页岩气富集区关系十分密切。例如，川东南地区黏土矿物含量为41.6%，石英含量为36.1%，方解石和白云石含量为9.9%^[8]；川南地区黏土矿物含量为29.9%，长石和石英含量为53.7%，碳酸盐矿物含量为16.4%^[9-10]；鄂西渝东地区黏土矿物含量为30.6%，长石和石英含量为67.8%，碳酸盐矿物含量为1.6%^[11]；而在长宁地区黏土矿物含量为48.5%，石英含量为31.3%，方解石含量为20.2%^[12]。此外，五峰—龙马溪组页岩矿物成分在纵向方面也存在差异，五峰—龙马溪组从底到顶石英的质量分数逐渐降低，由五峰组下段的44.3%降至龙马溪组上段的27%；黏土矿物逐渐增加，五峰组下段为35%，龙马溪组下段黑色页岩段为40.1%，龙马溪组上段非黑色页岩段为53%^[13]。通过这些特征对比研究及其与页岩含气性相关关系研究，可为页岩气“甜点”的确定、有利区块和有利层段预测等提供有效依据。

以渝东北田坝地区五峰—龙马溪组富有机质页岩的矿物组成特征及其沉积学特征为主线，探讨页岩气储层矿物成分特征所揭示的沉积埋藏演化信息，如成岩阶段、热成熟度、沉积环境等^[14]，并且在对页岩气成藏机理分析、资源评价及开发工艺设计等均要用到矿物成分的研究成果^[15]。以渝东北地区出露最完整的田坝剖面为解剖重点，开展详细观察测量和系统采样，结合区域上其他观测剖面，开展沉积学分析研究，通过实验室X射线衍射资料形成了田坝地区五峰—龙马溪组野外露头矿物成分剖面，从而对沉积成岩、环境、成熟度及储层物性影响因素开展深入的研究与分析。

1 地质背景

渝东北田坝剖面位于巫溪县田坝乡。区域构造上，研究区位于扬子准台地与秦岭造山系过渡地区，扬子板块的北缘沙市隐伏断裂以北的区域，包括了大巴山台地边缘坳陷与大巴山褶皱区部分地区(图 1)。地质构造极为复杂，在平面上城口—房县断裂将其分为北、南大巴山冲断褶皱带，北大巴山被认为是南秦岭造山带和扬子地块之间的拼合带，南大巴山代表了典型的前陆冲断褶皱带的特点^[16-19]。根据渝东北地区所处的大地构造位置及不同时期构造变形性质与特征等，将工区构造地质单元划分为2个一级构造单元、2个二级构造单元、1个三级构造单元和1个四级构造单元。

五峰—龙马溪组是该区一套主要富有机质泥页岩层段^[20]，主要为深水还原沉积环境下的产物，总体厚度为39~140 m，岩性组合特征：下部为黑色薄层状硅质岩与碳质、粉砂质页岩互层，中部灰黑色碳质粉砂质页岩，黑色碳质笔石页岩；上部黑色页岩夹泥质白云岩透镜体及钙质粉砂岩。

2 实验研究 2.1 实验设备与条件

矿物成份X射线衍射技术的应用范围非常广泛，现已渗透到地质学和含油气盆地分析中，成为一种重要的分析方法^[21]。实验室测试工作在国土资源部重庆矿产资源监督检测中心完成。黏土矿物和全岩分析使用仪器ZJ207型X射线衍射仪，测试温度为24℃，检测依据SY/T5163—2010，检测条件如下：靶型：Cu，辐射：Kα，滤光片：Ni，起始角：3°(2θ)，终止角：45°(2θ)，步速：2 deg/min，步长：0.02°，工作电流：40 Ma，工作电压：40 kv，狭缝：发散，散射狭缝均为1°；岩石物性测试温度为27℃，湿度50%，依据SY/Y 5336—2006标准，使用ZJ206覆压孔渗测定仪采用非稳态压力脉冲衰减法完成。

2.2 实验取样

渝东北巫溪县田坝乡的田坝剖面地层沿省道102出露，出露率达90%以上，层间接触关系清楚，并在走向上有一定延伸。地层倾角从底部30°向上变化到50°。五峰组的岩性主要为黑色薄—中层状硅质岩与碳质、粉砂质页岩互层，分为3个小层，龙马溪组共分为10个小层，主要岩性为黑色碳质粉砂质页岩、黑色碳质页岩和黑色页岩夹泥质白云岩透镜体及钙质粉砂岩。五峰—龙马溪组视厚度为112.4 m，真厚度为81.42 m。在五峰组底部以及龙马溪组底部到中上部均顺层分布一些个体大小不一的笔石。龙马溪组水平层理发育，中下部可见黄铁矿晶粒顺层面均匀分布。田坝剖面可以清晰地观察到临湘组—新滩组各组的分界面(图 2)。

在详测剖面时进行了系统采样，共采集了4个五峰组的页岩样品，19个龙马溪组泥岩样品。结合岩性特征和各样品在剖面上的位置，最终选定了17个样品进行全岩分析，10个样品进行黏土矿物分析，8个样品进行岩石物性的实验。

2.3 X射线衍射测试结果

田坝剖面样品黏土矿物及全岩X衍射分析测试结果表明(表 1)，17个样品矿物成分含量有差异。样品总体来看石英含量最高，为42.6%~88.2%，平均为61.6%；其次为黏土矿物，为12.9%~47.3%，平均为27.8%；再次为长石，平均含量8.29%；还含有少量的矿物如黄铁矿、石膏等，平均含量不足5%。

田坝剖面五峰—龙马溪组泥岩/页岩的矿物成分较多，样品中均含有黏土矿物、石英和长石，黏土矿物中均含有伊利石、伊蒙混层，其中五峰—龙马溪组泥岩/页岩的主要组成矿物是石英和黏土矿物。大部分样品中含有长石等碎屑矿物，部分样品还含有绿泥石、黄铁矿等黏土矿物和自生矿物。

2.4 岩石物性测试结果

田坝剖面泥岩/页岩样品的物性分析结果显示(表 2)，样品孔隙度在0.33%~14.42%之间，平均为5.96%；渗透率在(0.001 1~0.010 8)×10^-3 μm²之间，平均为0.004 1×10^-3 μm²。

3 页岩气储层条件分析研究 3.1 沉积环境与脆性矿物特征 3.1.1 沉积环境

矿物成分、含量及其结构特征(成分成熟度与结构成熟度)对于缺少沉积构造的深水沉积环境分析是非常关键的依据之一，此外，沉积地球化学也是重要的判别依据。

上扬子地区五峰—龙马溪组为一套深水还原环境沉积的地层，分布广泛^[22]。X射线衍射结果表明，泥岩/页岩中的碎屑矿物石英含量平均为61.6%，长石含量平均为8.29%，黏土矿物含量平均为27.8%，还含有黄铁矿、硬石膏等含硫矿物；并在显微镜下观察到草莓状黄铁矿的存在，且该地区发现的黑色泥页岩也间接证明了沉积环境为还原缺氧环境。这些均能间接表明五峰—龙马溪为深水还原环境^[23-25]。这种还原环境有利于有机质富集和保存，可以更好地形成页岩气^[15]。结果中还显示田坝剖面五峰—龙马溪组中含极少碳酸盐矿物，究其原因有几点：其一田坝地区离物源区较近，陆源碎屑充足；其二从水体来说渝东北地区水体较深，形成水体超过CCD界面，形成的碳酸盐溶解。这两方面原因都能造成沉积水体不利于碳酸盐的形成。

熊小辉等在田坝剖面所做的地球化学测试得到样品的δU值在1.03~1.78之间，平均为1.32，Ni/Co比值在5.6~117.5间，平均35.4，并且微量元素w(V)/w(V+Ni)比值在0.6~0.9之间，平均为0.81，也指示一种厌氧、偶有强烈水体分层的沉积环境，以上测试数据均证实了田坝地区沉积环境为缺氧还原环境^[26]。

3.1.2 脆性矿物特征

由于泥页岩原始孔渗率很低，如果要对页岩气藏进行开发仅依靠原始孔渗是不现实的，因此在开发过程中就需要压裂技术形成裂缝以利于渗流。在此就有必要研究页岩的脆性程度，脆性越高则更有利于形成裂缝。岩石脆性与其矿物的成分有关，目前认为对此起重要作用的是石英和方解石^[27]。这些矿物脆性较高，有利于形成裂缝，从而提高页岩气解析和渗流的能力，进一步为游离态页岩气增加储存空间^[28]。田坝剖面中石英含量最高，为42.6%~88.2%，平均为61.6%；还含有较多的长石，平均含量为8.29%，说明储层的脆性矿物含量较高。脆性指数是评价页岩储层的一个重要参数，岩石脆性指数的计算方法需运用到岩石矿物学，即脆性矿物与黏土矿物相对含量，本文利用以下公式来计算田坝剖面的页岩脆性指数：

通过以上公式计算得出田坝剖面五峰—龙马溪组的页岩脆性指数范围51%~89%，主值位于60%~90%(图 3)，平均值为71%。

图 4和表 3显示出北美页岩层的石英含量多在50%及以上，脆性指数较高，并且产气量较高；表 3中看出涪陵区块龙马溪组的石英含量大于40%，脆性指数也高，产气量为高产。此外，对比发现田坝剖面的石英、碳酸盐矿物及黏土矿物三元分布图与北美地区密西西比系的Barnett和Woodford含气页岩^[29]落在同一个区域，表明它们具有较好的可比性(图 4)。

田坝剖面的平均石英含量也较大，在60%左右，因此，根据工程类比和田坝剖面地质调查可以得到，五峰组全段和龙马溪组的中下段至少有厚72 m的泥页岩具有利用压裂技术改造储层的初始条件。

3.2 黏土矿物组合与有机质成熟度分析

泥岩/页岩黏土矿物的组合特征、含量等与沉积环境、古气候、成岩作用等有密切关系，且成岩作用阶段及成熟度可以通过一些标志性黏土矿物的组合及其含量反映出来，而成熟度是评价页岩气藏的一个重要指标。X射线衍射结果表明，田坝剖面黏土矿物组合主要是伊利石+伊蒙间层+绿泥石矿物，这种组合是晚期成岩阶段B亚期(或有机质高成熟阶段)组合特征^[34]。据赵杏媛对黏土矿物分布所总结出的6种分类模式来看^[35]，属于Ⅰ类，即正常转化型。从浅到深存在蒙脱石向伊利石以及高岭石向绿泥石两个转化序列，蒙脱石向伊利石转化序列为：蒙脱石→伊/蒙无序间层→伊/蒙有序间层→伊利石。从表 1可以看出，田坝剖面的黏土矿物主要为伊蒙混层，次为伊利石黏土矿物，而含少量绿泥石。初步分析可能是沉积时形成的高岭石不多，并且在成岩场向弱碱性转变过程中多向伊利石转化^[36]；而蒙脱石有一部分已经完全转化为伊利石，还有剩下的一部分属于过渡阶段，转化成为伊蒙间层矿物。绿泥石分布不规律且偶尔出现，可能不是成岩阶段形成的，而是从物源带来的。这种黏土矿物的组合形式反应了有机质高—过成熟阶段^[37]，并且对田坝剖面所做的测试也得到(R_o为2.03%~2.33%，见表 2、表 3)其有机质成熟度为高—过成熟阶段，接近于美国Marcellus页岩(R_o为1.5%~3.0%)和Woodford页岩(R_o为1.1%~3.0%)，而略低于邻区涪陵区块(R_o为2.2%~3.06%)^[38]。田坝剖面的矿物成分所反映的有机质成熟度说明其具有形成页岩气藏的成熟度条件。

3.3 矿物组成与储层物性的关系

大量研究表明^{[35, 39]}，矿物成分、含量、分布等特征直接影响储层孔隙的演化和保存。一般情况下，孔隙度和渗透率随着页岩中黏土总量的增加而降低，绿泥石相对含量的变化与孔隙演化趋势相反^[40]，而该区绿泥石含量显著较少，据此规律推论，龙马溪组必然具有较高的孔渗率，根据实验得到该区域平均孔隙度较高(平均为5.96%)，渗透率也较高(平均为0.004×10^-3 μm²)。田坝剖面中因为伊/蒙有序间层比为6%左右，所以将伊/蒙有序间层纳入伊利石一起考虑。页岩剖面中伊利石含量与孔隙度呈正相关关系，而与渗透率也呈弱的正相关关系(图 5)。造成这一现象的原因是随伊利石不断生成其体积变小而使得孔隙体积有所增加，进而渗透率也相应地有所改善，但是由于伊利石晶体细小，会影响孔隙，使得渗透率受到一定影响。

钾长石与有效孔隙度和渗透率均呈负相关关系(图 6)。通常情况下，长石的溶蚀作用有利于储层次生孔隙的形成^[41]。但研究区的钾长石溶解作用发生在埋藏成岩阶段，该阶段页岩的流体活动为半封闭状态，钾长石的溶解作用与高岭石转化为伊利石相伴生，高岭石向伊利石转化消耗了流体体系中的K⁺，从而促进了钾长石的溶解，钾长石足够多以使高岭石全部转化为伊利石^[42-43]。

因此，钾长石的溶解对储层物性的影响就可以近似的看为伊利石含量与孔渗的关系，通过对比伊利石相对含量与孔渗的关系可以得出伊利石的相对含量越高，即钾长石溶蚀使高岭石转化为伊利石的比重越高，孔渗相对就越高。所以钾长石与孔渗有一定的负相关关系。根据分析可以得到该区域具有较高的孔隙度及渗透性，能为页岩气储存提供较好的场所。

3.4 区域对比研究

涪陵地区是目前我国页岩气勘探开发成果颇丰的地区，且与本研究区相邻。因此，对相关重要参数进行对比研究，有利于渝东北地区页岩气潜力评价与靶区预测。

涪陵地区五峰—龙马溪组页岩的黏土矿物含量为16.6%~62.8%，平均为40.0%。黏土矿物以伊蒙混层为主，其次为伊利石，分别占黏土总量的54.0%和40.0%；脆性矿物含量为34.0%~80.0%，平均56.0%，其中以石英为主，其次是长石和方解石，含量分别为38.0%、9.0%、3.8%^[36]。渝东北地区与涪陵地区的五峰—龙马溪组页岩的页岩成熟度、总有机碳含量基本一致(表 3)。但渝东北地区的脆性矿物含量远大于涪陵地区，以石英为主，几乎不发育碳酸盐矿物。两地区黏土矿物组成基本一致，但渝东北黏土矿物含量小于涪陵地区。因此，在岩石孔渗物性方面，渝东北地区田坝剖面五峰—龙马溪组页岩的孔隙度大于涪陵地区(4.51%)，而渗透率远小于涪陵地区(0.12×10^-3 μm²)^[31]。

造成这些差异的原因主要是沉积背景与构造两个方面的因素：沉积环境两者都属于深水沉积，但是涪陵地区外陆棚沉积环境较渝东北地区内陆棚沉积环境其水体更深，渝东北地区相对涪陵地区更靠近古陆隆起；而田坝剖面所在的渝东北地区紧邻褶皱带，构造更强烈，涪陵页岩气田主要在焦石坝背斜上，相对渝东北地区构造相对简单。其次是，涪陵地区埋深更深(2 330~2 415 m^[31])，而田坝剖面所在的渝东北地区地层受构造影响大部分抬升强烈。虽然渝东北与涪陵地区存在一定差异，但是各项参数都是有可比性的，特别是脆性指数更高，对于后期压裂开采更有利。

4 结论

通过对渝东北地区五峰—龙马溪组页岩矿物学特征研究我们可以得到以下几点认识：

(1) 研究区矿物组分在区域上及剖面上均变化较大，其中，石英含量为42.6%~88.2%，平均为61.6%；其次为黏土矿物，为12.9%~47.3%，平均为28.0%；再次为长石，平均含量8.29%；还含有少量的矿物如黄铁矿、石膏等，平均含量不足5%。这些研究成果为后续沉积环境分析、成岩作用分析及页岩气储集特征等研究提供了基础数据条件。

(2) 矿物成分含量、组合特征以及形态均能反映五峰—龙马溪为深水还原沉积环境。这种还原环境有利于有机质富集和保存，可以更好地形成页岩气。黏土矿物组合反映，五峰—龙马溪组已进入了晚期成岩作用阶段，该阶段所对应的有机质成熟度为高成熟—过成熟，表明其成熟度条件有利于形成页岩气藏。

(3) 研究区页岩脆性指数较高，因此具有运用压裂技术的先决条件。并且利用三元图对比北美高产气量页岩发现，研究区页岩和北美页岩矿物组成可比性高，并且与相邻涪陵地区对比发现两者有一定差异，但是也有一定的相似之处，且研究区的脆性指数比涪陵地区还要高一些，因此可以得到，研究区页岩具备形成页岩气的初期条件。

(4) 根据矿物组成与储层物性分析发现，伊利石含量与孔隙度呈正相关关系，而与渗透率呈弱的正相关关系；样品钾长石含量较低而页岩有效孔隙度则较大，样品钾长石含量较高而页岩有效孔隙度较低。该现象印证了钾长石与有效孔隙度存在负相关关系。并且该区域矿物有效孔隙度和渗透率均较高，能为页岩气储存提供较好的场所。