页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离状态存在的非常规天然气(张小龙等，2013； 仰云峰等，2014； 黄俨然等，2015)。目前中国页岩气商业开发尚处于初期阶段，四川盆地下志留统龙马溪组是中国页岩气近期研究的热点(罗健等，2012； 徐勇等，2015； 杨巍等，2015)。自2012年11月在焦页1井龙马溪组获得高产工业气流以来，在重庆涪陵焦石坝地区发现了商业性页岩气田，使得中国成为了世界上第3个(继美国、加拿大之后)成功实现页岩气商业开发的国家。在过去常规油气藏的研究中，泥页岩通常被视为烃源岩或盖层，而在页岩气藏中，泥页岩既是烃源岩，又是储集层，因此需要从储集层的角度出发重新认识泥页岩并对其展开研究。优质烃源岩不一定都能形成具有经济价值的页岩气藏(Bowker，2007)，这与烃源岩的矿物成分密切相关。如页岩气中有一部分以吸附态赋存于有机质和黏土矿物表面，脆性矿物是控制页岩大孔和微裂缝发育的主要内在因素(Bowker，2007； Ross and Bustin，2009)，直接影响游离气的含量，同时也对后期压裂有着重要影响。因此，页岩气储集层的矿物成分特征研究对页岩气的赋存机理、资源评价和后期开发均具有重要意义。

目前国外对页岩储集层的矿物成分已经展开了大量研究，如Ross和Bustin(2009)在研究页岩矿物组分与气体储集能力的关系时指出，黏土矿物对CH₄吸附能力具有重要影响； Gasparik等(2012)在研究来自荷兰的黑色页岩样品的CH₄吸附能力时也指出矿物的重要性。国内对页岩矿物成分的研究主要集中在四川盆地海相(陈尚斌等，2011； 胡明毅等，2013； 赵佩等，2014)，但在陆相页岩领域则相对比较缺乏。基于此，本文通过系统采集川西坳陷上三叠统须五段井下岩心泥页岩样品，运用X射线衍射(XRD)分析技术，对陆相泥页岩矿物成分特征进行详细研究，以期为四川盆地陆相页岩气的资源评价与勘探开发提供地质依据。

川西坳陷位于四川盆地西部(图 1)，北起米仓山山前，南抵峨眉—瓦山断块，西临龙门山推覆构造带，东接川中隆起，介于龙泉山隐伏深断裂与龙门山区马角坝深断裂之间，为北东—南西向的长条形地带，总面积约为5×10⁴ km²(陈冬霞等，2010)。坳陷内地层有上三叠统、侏罗系、白垩系、古近系、新近系、第四系，这些沉积地层的厚度巨大，最厚达6000 m以上。其中上三叠统须家河组自下而上表现为一个完整的由海相—海陆过渡相—陆相的正常退覆层序。须一段(马鞍塘—小塘子组)、须三段和须五段为主要的气源岩层位，发育早期的浅海陆棚相的暗色泥页岩及中晚期的三角洲、湖沼相的灰色炭质泥页岩夹砂岩、煤层。由于印支晚幕运动的影响，须五段时基准面不断上升、湖水位上涨至最大湖泛期，川西坳陷西北部主要发育辫状河三角洲沉积体系，向东南逐渐过渡为前三角洲—滨浅湖沉积环境。沉积中心位于彭州附近，须五段厚度可达700 m以上。川西坳陷中部成都—什邡—德阳—中江地区须五段主要为滨浅湖相沉积，沉积了一套黑色泥页岩夹薄层砂岩以及沼泽薄煤层岩石类型，具有较好的生气潜力。须五段地层在坳陷内分布稳定，特别是中、下部地层。在沉积中心彭州—德阳一带暗色泥岩厚度达350 m，从2个沉积中心泥页岩厚度往东、西、南、北逐渐减薄，汉旺、都江堰以西缺失，成都、中江一带厚250～300 m。须五段黑色泥页岩具有较高的有机质丰度，其总有机碳含量(TOC)基本上都在1.5%以上； 有机质热演化处于未成熟晚期到成熟早期阶段，镜质体反射率(R_o)大都在1.2%以上； 有机质类型以Ⅲ型为主。

图 1

图 1 川西坳陷构造区域位置 Figure 1 Tectonic location of the Western Sichuan Depression

样品采自川西坳陷中部上三叠统须家河组五段陆相泥页岩，采集地点如 图 1所示。7个样品均为取自井下不同深度的新鲜泥页岩。样品的矿物成分分析测试在中石化华东分公司实验研究中心完成，仪器为Ultima IV 全自动粉末X射线衍射分析仪。首先将待测试的泥页岩样品进行粉碎，然后取大约5 g样品放入研磨钵中，研磨至约300目(0.75 mm)。将研磨好的样品分为2份，1份用于X射线衍射分析实验，另1份留着备用。实验过程中，定性分析利用粉末衍射联合会国际数据中心(JCPDS-ICDD)提供的标准粉末衍射资料，确定样品的物质组成； 定量分析按照中国标准(GB5225-86)的K值法进行，从而得到该泥页岩样品的矿物组成与含量数据。

川西坳陷上三叠统须五段陆相泥页岩的矿物成分比较复杂(表 1)，7个样品中均含有伊利石、伊/蒙混层、绿泥石、高岭石等黏土矿物，以及石英、长石和文石等碎屑矿物和自生矿物。其中黏土矿物和石英为研究区须五段陆相泥页岩的主要组成矿物，部分样品中还含有方解石、白云石等碳酸盐矿物，以及一些其他矿物。

表 1

表 1 川西坳陷上三叠统须五段陆相泥页岩矿物成分X射线衍射分析结果 Table 1 Results of mineral contents of continental shale in the fifth member of the Upper Triassic Xujiahe Formation in the Western Sichuan Depression by XRD analysis (%) 样品编号 黏土矿物含量 其他矿物含量 伊利石 伊/蒙混层 绿泥石 高岭石 石英 长石 方解石 白云石 文石 其他 X-1 13.4 30.1 6.4 3.8 31.3 5.6 0.0 0.0 1.7 7.7 X-2 8.1 22.5 4.3 3.9 38.2 4.4 0.0 10.5 1.7 6.4 X-3 13.6 29.3 5.7 3.7 36.3 3.2 0.0 0.0 2.5 5.7 X-4 9.5 22.9 3.6 3.5 38.0 3.2 6.7 5.0 1.6 6.0 X-5 12.5 16.7 3.6 2.8 51.5 3.0 0.0 0.0 2.1 7.8 X-6 14.3 17.5 3.9 3.1 33.6 4.6 7.7 9.6 1.7 4.0 X-7 13.6 21.1 5.3 4.0 41.4 3.0 2.1 2.9 1.1 5.5

表 1 川西坳陷上三叠统须五段陆相泥页岩矿物成分X射线衍射分析结果 Table 1 Results of mineral contents of continental shale in the fifth member of the Upper Triassic Xujiahe Formation in the Western Sichuan Depression by XRD analysis

矿物成分定量分析结果表明(表 1)，7个泥页岩样品黏土矿物含量最高，为35.6％～53.7%，平均为43.2%，其次为石英，含量为31.3％～51.5%，平均为38.6%。此外，还含有少量的长石和文石，平均含量分别为3.9%和1.8%； 其余如方解石、白云石等矿物只在部分样品中出现，且含量较少。

伊/蒙混层和伊利石是研究区须五段陆相泥页岩最为发育且含量较多的黏土矿物(图 2)。其中伊/蒙混层含量最高，为16.7％～30.1%，平均为22.9%，其次为伊利石，含量为8.1％～14.3%，平均为12.1%。同时泥页岩样品中还含有少量的绿泥石和高岭石，含量分别为3.6％～6.4%和2.8％～4.0，平均为4.7%和3.5%。在所研究的7个泥页岩样品中均未检测到蒙脱石，可能大都转化为伊/蒙混层和伊利石。

图 2

图 2 川西坳陷上三叠统须五段泥页岩样品黏土矿物相对含量 Figure 2 Relative contents of clay minerals of shale samples in the fifth member of the Upper Triassic Xujiahe Formation in the Western Sichuan Depression

表 2为川西坳陷须五段陆相泥页岩与四川盆地南缘海相泥页岩的岩矿测试数据。与四川盆地南缘长宁地区龙马溪组对比表明，研究区须五段石英和伊/蒙混层含量明显高于长宁地区龙马溪组，伊利石、蒙脱石、绿泥石和高岭石含量则明显低于长宁地区，而长石、方解石、白云石等矿物含量较为接近。与四川盆地南缘兴文地区龙马溪组对比表明，两者石英、长石、方解石等矿物含量较为接近，研究区伊/蒙混层含量明显高于兴文地区龙马溪组，而伊利石、蒙脱石、绿泥石和高岭石含量则明显低于兴文地区。与四川盆地南缘筇竹寺组对比表明，两者石英、方解石、白云石等矿物含量较为接近，长石含量偏低。

表 2

表 2 研究区须五段与四川盆地南缘(龙马溪组+筇竹寺组)样品主要矿物含量 Table 2 Comparison between average contents of main minerals of shale in the fifth member of the Xujiahe Formation in the study area and those of the Lower Paleozoic strata(Longmaxi Formation and Qiongzhusi Formation) in the southern marging of the Sichuan Basin 层位 井号(地区) 全岩矿物含量/% 黏土矿物含量/% 石英 长石 方解石 白云石 黄铁矿 其他 伊利石 伊/蒙混层 蒙脱石 绿泥石 高岭石 须五 研究区 38.6 3.9 2.4 4.0 微量 6.2 12.1 22.9 微量 4.7 3.5 龙马溪组 长宁* 18.5 4.8 7.8 3.5 1.5 2.0 27.3 3.4 1.7 14.5 14.8 兴文* 35.1 4.6 3.7 0.9 1.4 5.3 22.9 4.2 3.4 9.1 9.1 Y106# 33.9 25.1 3.7 7.0 4.2 微量 5.6 8.4 微量 4.6 8.5 筇竹寺组 YZ-4# 31.7 22.5 1.4 微量 15.9 微量 4.1 14.0 微量 3.3 5.1 YM9# 28.8 10.7 5.3 14.9 7.2 微量 12.8 16.3 微量 微量 微量 YA1# 41.4 13.8 4.3 7.0 5.8 微量 12.3 17.6 微量 微量 微量 注： 表中数据为平均值； “微量”表示含量小于0.1%； *数据陈尚斌等(2011)；#数据赵佩等(2014)。

表 2 研究区须五段与四川盆地南缘(龙马溪组+筇竹寺组)样品主要矿物含量 Table 2 Comparison between average contents of main minerals of shale in the fifth member of the Xujiahe Formation in the study area and those of the Lower Paleozoic strata(Longmaxi Formation and Qiongzhusi Formation) in the southern marging of the Sichuan Basin

川西坳陷须家河组五段属于典型的陆相水生有机质富集层，是晚三叠世的一套河流—湖沼相沉积，沉积了一套黑色泥页岩夹薄层砂岩以及沼泽薄煤层岩石，是重要的烃源岩层系(陈磊等，2014)。X射线衍射分析结果也表明，泥页岩中碎屑状石英含量约为39%，还含有白云石和方解石等自生矿物，显微镜下也观察到重晶石大量存在。这些均表明研究区须五段为滨浅湖相沉积环境。须五段这种还原沉积环境对有机质的富集和保存有利，为页岩气藏的形成提供了良好的沉积条件。

泥页岩中黏土矿物的形成、转变、消失及其所反映出的分布规律受古环境、成岩作用及物源母质等多种因素控制，但不同地区、不同层位黏土矿物的控制因素往往不同，导致其黏土矿物的分布类型也不相同(赵杏媛等，1994)。分析黏土矿物的分布类型有助于分析其所经历的古环境和成岩作用。页岩气成藏与成熟度关系密切，某些标志性的黏土矿物演化及组合可以作为表征成岩作用阶段及其成熟度的指标。X射线衍射分析表明，所有样品均不含蒙脱石，而含有伊利石、伊/蒙混层、绿泥石和高岭石。研究认为(刘伟新等，2007)，伊利石、伊/蒙混层、绿泥石和高岭石组合是中成岩阶段的特征组合，须五段具有这种黏土矿物组合，表明其至少已经进入中成岩作用阶段； 伊利石主要在晚成岩作用阶段和极低变质作用阶段出现，须五段伊利石含量占黏土矿物含量的21％～37%，平均为28.4%，高而稳定的伊利石含量表明川西坳陷须五段成岩作用已经历晚成岩作用阶段； 伊/蒙混层含量占黏土矿物含量的45％～58%，平均52.6%，根据王行信和韩守华(2002)的研究，川西坳陷须五段进入了晚成岩作用阶段，对应有机质演化阶段为成熟阶段，低于四川盆地海相页岩成熟度(陈尚斌等，2011)。且由于研究区须五段陆相页岩有机质类型基本上均为Ⅲ型，说明须五段矿物成分所反映的有机质成熟度都已进入生气窗内，对页岩气成藏十分有利。

页岩中岩石的力学性质、孔隙结构对气体的吸附能力受方解石、石英和黏土矿物含量相对变化的制约(Ross and Bustin，2008)。在沉积环境下黏土矿物和脆性矿物对页岩孔隙的发育有一定的控制作用。黏土矿物存在于页岩的孔隙和喉道中，占据了大量的孔隙空间，使页岩的孔隙率和渗透性降低，这不利于油气的储集和渗滤。然而，从大量的页岩样品可以观察到，页岩的孔隙和喉道并没有被黏土矿物充填满，留下的孔隙空间及渗流通道对油气仍然有储存和渗流作用，充填在页岩孔隙和喉道中的黏土矿物的存在方式、数量、成分等对储存和渗流作用的强弱程度有一定的影响(张天刚，1983)。

石英含量在一定程度上间接反映了孔隙含量的多少(张琴等，2013)。在沉积储藏过程中，碎屑石英含量对岩石的压实程度有一定的影响，在压实过程中石英硬度越高，原生孔隙保存越有利，岩石整体上的孔隙度随着碎屑石英含量的增加而变高。研究区须五段中碎屑石英含量较高，为31.3％～51.5%，平均为38.6%，说明须五段可能具有较高的孔隙度。

孔隙的演化、保存与黏土矿物有着非常重要的关系，孔隙演化趋势与伊利石和绿泥石相对含量的变化相反(程晓玲，2006)，研究区须五段伊利石含量为8.1％～14.3%，绿泥石含量为3.6％～6.4%，伊利石和绿泥石含量相对较少，说明须五段孔隙率可能较高，为页岩气富集提供了一个良好的储存空间。

页岩矿物组成与含量往往会影响页岩气压裂和开采效果。具备商业开发条件的页岩，石英等脆性矿物含量一般高于40%，黏土矿物含量低于30%(Jarvie et al.，2007； 邹才能等，2010)。好的页岩气藏往往是脆性高且天然裂缝较少的页岩层。页岩中最重要的脆性矿物为石英、长石和方解石，它们的含量往往决定了页岩气储集层的脆性和可压裂性。

川西坳陷上三叠统须五段陆相页岩中脆性矿物较为丰富、含量较高。如 图 3和表 3所示，脆性矿物含量为36.9％～55.5%，平均为48.8%。

图 3

图 3 川西坳陷上三叠统须五段页岩样品的脆性矿物含量 Figure 3 Brittle mineral contents of shale samples in the fifth member of the Upper Triassic Xujiahe Formation in the Western Sichuan Depression

表 3

表 3 川西坳陷上三叠统须五段陆相泥页岩脆性矿物含量与脆性指数 Table 3 Brittle mineral contents and brittleness indexes of continental shales in the fifth member of the Upper Triassic Xujiahe Formation in the Western Sichuan Depression 样品编号 脆性矿物含量/% 脆性指数 X-1 36.9 0.41 X-2 53.1 0.58 X-3 39.5 0.43 X-4 52.9 0.57 X-5 54.5 0.60 X-6 55.5 0.59 X-7 49.4 0.53

表 3 川西坳陷上三叠统须五段陆相泥页岩脆性矿物含量与脆性指数 Table 3 Brittle mineral contents and brittleness indexes of continental shales in the fifth member of the Upper Triassic Xujiahe Formation in the Western Sichuan Depression

页岩脆性指数是页岩气储集层评价的一个重要参数。根据三叠系陆相页岩的矿物组成特征，中国学者往往把石英、长石、方解石、白云石作为脆性矿物，因此页岩的脆性指数通常按如下公式计算：

脆性指数=(石英+长石+方解石+白云石)/(石英+长石+方解石+白云石+黏土矿物)

计算结果表明(表 3)，川西坳陷上三叠统陆相页岩的脆性指数均较高，分布在0.41～0.60之间，平均0.53，说明川西坳陷上三叠统须五段陆相页岩具有较高的脆性指数(平均大于0.5)。因此，川西坳陷上三叠统须五段页岩整体上具有良好的脆性和可压性，有利于陆相页岩气的压裂改造。

(1) 川西坳陷上三叠统须五段的矿物组成种类较多，其中黏土矿物含量最高，为35.6％～53.7%，平均达43.2%； 其次为石英，为31.3％～51.5%，平均为38.6%； 矿物中还含有少量的长石和文石，平均含量分别为3.9%和1.8%； 其余如方解石、白云石等矿物只在部分样品中出现，且含量较少。

(2) 矿物成分组合反映出须五段为滨浅湖相沉积环境，对有机质的富集和保存有利，为页岩气藏的形成提供了良好的沉积条件； 黏土矿物组合特征反映须五段进入晚成岩阶段，对应有机质演化的成熟阶段，且有机质属于Ⅲ型，具有良好的页岩气形成条件。

(3) 脆性矿物和黏土矿物是影响孔隙度的重要内在因素，较高的石英含量和较低的伊利石、绿泥石含量暗示须五段可能具有较高的孔隙率，为页岩气富集给予了一个良好的储存空间。

(4) 川西坳陷上三叠统须五段陆相页岩中脆性矿物丰富，其含量为36.9％～55.5%，平均值为48.8%，该套陆相页岩的脆性指数较高(平均大于0.5)，整体上具有良好的脆性和可压性，有利于陆相页岩气的压裂改造。