中国页岩分布广泛，页岩气资源量丰富，勘探开发潜力大(邹才能等，2010；董大忠等，2011；贾承造等，2012)。页岩气储集层矿物组成可影响页岩地化特征和孔隙发育，控制页岩可压裂性和吸附能力(Aringhieri，2004；Gale et al., 2007；Rowker，2007；Ross and Bustin, 2009)。随着海相页岩气研究取得工业性突破，页岩气储集层理论研究也备受关注(蒋裕强等，2010；邹才能等，2010；董大忠等，2011；贾承造等，2012；郭彤楼和张汉荣，2014；张吉振等，2015a)。页岩储集层矿物研究是页岩储集层评价的基础工作之一，石英、长石、方解石等脆性矿物控制页岩可压裂性，控制孔裂隙发育，影响页岩气开采(Aringhieri，2004；Gale et al., 2007；Jarvie et al., 2007；李钜源，2013)，黏土矿物组成及含量不仅在石油地质研究中具有重要意义，而且会影响页岩气的吸附及赋存(王行信和韩守华，2002；吉利明等，2014；赵杏媛和何东博等，2012)。目前页岩气储集层矿物研究多针对海相、陆相页岩，而海陆过渡相煤系页岩作为页岩气研究重要类型之一，有关储集层矿物特征及矿物组成对页岩气赋存、富集作用机理研究程度相对薄弱。四川盆地作为页岩气研究的重点地区，晚二叠世龙潭期广泛沉积了一套厚度稳定的海陆过渡相煤系地层，具高热演化程度和良好的含气性，具有页岩气成藏的地质条件(翟光明，1989；郭正吾等，1996；陈宗清，2011；张吉振等, 2014, 2015a)，而对该地区海陆过渡相龙潭组页岩的相关研究相对较少，储集层矿物特征研究鲜见报道。本文选取四川盆地南部上二叠统龙潭组岩心样品，采用X射线衍射(XRD)分析、有机碳、Rock-eval热解、镜质体反射率R_o测定、He-Hg法测定孔隙度等实验方法，系统研究龙潭组页岩储集层矿物组成、脆性特征，探讨海陆过渡相页岩储集层矿物对煤系页岩气生成、赋存的影响作用，以期为四川盆地上二叠统页岩气储集层条件分析和海陆过渡相页岩气储集层特征研究、评价提供理论依据。

1 样品与实验

四川盆地南部研究区主体位于华蓥山断褶带西南向复合式帚状低背斜群尾部(图 1a)，受大娄山断褶带影响，属于川南低陡褶皱带“川黔右坳陷”范围(翟光明，1989；郭正吾等，1996)。受加里东运动作用，区内晚二叠世龙潭期广泛沉积了一套碳质页岩、暗色泥页岩为主的海陆过渡相含煤岩系，厚20~60 m，与上覆大隆组为整合接触，与下二叠统茅口组下伏地层呈不整合接触，属于滨海沼泽相沉积，富含有机质，热演化程度高，具有页岩气成藏条件(郭正吾等，1996；陈宗清，2011；张吉振等, 2014, 2015a)。川南地区龙潭组(P₂l)页岩样品采自四川盆地南缘宜宾-兴文地区7口钻井，分布于袁家洞、川堰、铜锣坝、仙峰、新华、周家沟等地(图 1b)，均为井下岩心样品，共计53件，岩性以黑色页岩、碳质页岩为主，取样深度为460~1080 m。

龙潭组页岩样品全岩矿物含量由日本理学Dmax/2000-PC-X射线衍射仪测定。测试条件：Cu靶(单色)，管压40 kV，管流100 mA，旋转角度2.5°~60°，步长0.02°，旋转速度4(°)/min。首先需将样品研磨至约200目，放入70℃烘箱中干燥24 h；然后，定性分析采用连续扫描，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；最后，定量分析采用步进扫描，扫描速度0.25(°)/min，采样间隔0.01°，按照国家标准(GB5225-86)的K值法完成。

页岩样品有机碳含量测定在美国产LECO CS230碳硫分析仪上完成，检测依据GB/T19145-2003，测试条件：载气0.27 MPa，氧气纯度99.5%，燃烧气体流速2L/min，分析气体流速0.5L/min。热解分析在岩石热解分析仪(CHM-02)完成，实验测试条件：温度90℃恒温2 min，300℃恒温3 min，300~600℃升温25℃/min的条件下测定，检测依据采用GB/T18602-2001进行。镜质体反射率R_o测定实验使用LEICA DM 4500P显微镜光度计，在油浸50倍物镜，总放大倍数为800倍下对形态有机质进行测试，检测依据采用SY/T 5124-1995进行。He-Hg法孔隙度测定应用GRI法在QKY-ZN智能型孔隙度分析仪上完成，测试标准为SY/T5336-2006。

2 实验结果

川南地区海陆过渡相龙潭组页岩富含有机质(图 2)，样品TOC含量为0.85%~35.7%，均值为7.51%，整体大于2.0，占89%，于各井位不同深度段分布不一；样品热演化程度较高，达高-过成熟阶段，镜质体反射率R_o值为1.96%~2.40%，均值为2.22%，随埋深增加有递增趋势，其中高达95.5%页岩样品R_o值超过2.0，利于干气大量生成。He-Hg法测定龙潭组页岩样品孔隙度为3.14%~9.95%，均值为6.27%，一定程度上利于页岩气储存富集。

2.1 矿物组成特征 2.1.1 全岩矿物分析

页岩矿物成分以黏土矿物、石英、方解石为主，矿物组成的变化不仅影响岩石力学性质，控制页岩可压裂性，同时影响页岩孔隙结构和对气体的吸附能力(王行信和韩守华，2002；Aringhieri，2004；Gale et al., 2007；Jarvie et al., 2007；赵杏媛和何东博，2012；吉利明等，2014；李钜源，2013)。川南地区龙潭组页岩矿物成分复杂多样(图 3)，样品普遍发育高岭石、绿泥石、伊利石和伊-蒙混层等黏土矿物，以及石英、长石等碎屑矿物和自生矿物，方解石、白云石、菱铁矿等碳酸盐矿物，还有黄铁矿、石膏、硬石膏以及少量非晶矿物。

川南地区龙潭组页岩38块岩心样品X衍射测试结果显示(表 1)，不同井位不同样品矿物含量各有差异。总体而言，龙潭组页岩黏土矿物含量最高，为20.3%~92.3%，均值为61.9%；其次是石英、方解石等脆性矿物，为6.3%~65.7%，均值为28.7%；其中石英含量为4.2%~46.2%，均值为20.1%；方解石含量为0~40.3%，均值为4.7%；长石含量较低，为0~6.8%，均值为1.9%；碳酸盐矿物中白云石含量变化大，为0~13.6%，均值为1.2%(图 4)，另外还含有一定量的黄铁矿，为0~15.5%，均值为2.4%，石膏、硬石膏、菱铁矿等其他矿物含量均值为9.91%。

川南地区龙潭组页岩与北美地区页岩在矿物(Jarvie et al., 2007；李钜源，2013)种类上相近，但含量有差异(图 5a)。总体上北美地区页岩石英含量较高(大于30%)，黏土矿物中伊利石(6%~21%)和伊蒙混层(12%~25%)较为发育；而龙潭组页岩黏土矿物较为发育，高于北美地区页岩(小于50%)，石英和脆性矿物含量较北美地区页岩含量低，碳酸盐矿物含量与之相当，多为10%~30%(图 5b)。

2.1.2 黏土矿物组成

黏土矿物的富集可以扩大矿物颗粒的比表面积，利于页岩气的吸附和赋存(王行信和韩守华，2002；赵杏媛和何东博，2012；吉利明等，2014)。川南地区龙潭组页岩样品中黏土矿物以伊-蒙混层含量最高(图 6a)，为14.5%~77.3%，均值为54.5%；其次为高岭石，含量为0~45.1%，均值为13.4%；绿泥石含量变化大，为0~77.5%，均值为11.2%，伊利石含量为0~36.4%，均值为8.91%，不含或微含蒙脱石，可能由于蒙脱石在页岩成岩演化过程中经伊-蒙混层向伊利石转化所致。黏土矿物中高岭石含量随埋深增加而递减，约900 m处变化明显，绿泥石呈现规律与其相反；伊-蒙混层含量随埋深增加先增后减，约750 m深为拐点，伊利石与其呈相反规律(图 6b)，一定程度上反映随地温梯度变化，黏土矿物含量与热演化程度具有密切的相关性。

2.1.3 脆性分析

页岩储集层矿物中的脆性矿物控制页岩可压裂性，影响页岩孔(裂)隙发育及页岩气赋存、运移(Jarvie et al., 2007；李钜源，2013)。川南地区龙潭组页岩样品中石英等脆性矿物含量多位于20%~50%(图 7a)，大致与北美(Aringhieri，2004；Rowker，2007；Gale et al., 2007；Jarvie et al., 2007；Ross and Bustin, 2009；李钜源，2013)实现商业开发的含气页岩相当(脆性矿物石英含量为28%~52%)。脆性指数是页岩气储集层评价中的一项重要参数(李钜源，2013)，研究结果表明，龙潭组页岩脆性指数Ⅰ为5.3%~52.3%，均值为24.2%，脆性指数Ⅱ为6.4%~76.4%，均值为32.32%，主频分别为10%~40%和20%~50%(图 7b)。据北美页岩气开发经验，脆性指数达20%以上，页岩压裂性达良好，脆性越高，压裂效果越好。川南地区龙潭组页岩脆性指数较北美页岩(脆性指数多大于40%)相对低，但达压裂改造下限，具备一定的可压裂性。

3 讨论 3.1 矿物组成与页岩有机质丰度关系

黏土矿物是泥页岩的主要成分，与页岩气有密切关系(赵杏媛和何东博，2012)。泥页岩中有机质常呈复合体、分散状和生物残体等分布于黏土矿物中，两者紧密共存，相互作用(王行信和韩守华，2002；吉利明等，2014)，页岩气储集层中黏土矿物吸附有机质的能力直接作用于有机质丰度(赵杏媛和何东博，2012)。从而可以根据泥页岩中黏土矿物含量情况，反映其有机碳含量高低。研究表明：川南地区龙潭组页岩中黏土矿物含量随页岩有机碳含量的增加而递增(图 8a)，黏土矿物含量在有机碳含量为0~10%区间范围变化较大，TOC值达15%，黏土矿物含量渐稳定达60%以上；黏土矿物含量随页岩有机碳含量的增加而减小(图 8b)，有机碳含量低于10%范围内，脆性矿物含量在10%~70%范围变化大，TOC值达10%，黏土矿物含量低至50%以下。

3.2 黏土矿物反映页岩成熟度信息

黏土矿物在页岩有机质生成、分解过程中因所产生吸附离子交换而起到催化作用(Huang and Schnitzer, 1986)。页岩气储集层中有机质生烃过程同步于蒙脱石向伊利石转化过程，且转化过程中伊-蒙混层过渡态极具催化活性，为生烃反应富氢作用创造良好条件(余和中等，2006)。正常状态下，泥页岩中黏土矿物纵向转化过程与有机质热演化生烃作用过程对应性较好(赵杏媛等，1995)。研究表明，川南地区龙潭组页岩达高-过成熟度(R_o为1.96%~2.40%)，处于中-晚成岩作用阶段。随着埋深增加，地热梯度加大，高岭石含量逐渐递减(图 9a)，逐渐向绿泥石转化使其含量渐增(图 9b)；蒙脱石渐近消失，经伊-蒙混层过渡层阶段后期，逐渐向伊利石转化，使得伊-蒙间层序列含量逐渐减小(图 9c)，伊利石含量逐渐递增(图 9d)。总体而言，川南地区龙潭组页岩黏土矿物处于伊-蒙有序间层阶段，蒙脱石大量排出层间水渐至消失，也是高-过成熟阶段，有机质大量排烃，速率渐缓，同时处于中-后成岩阶段，是页岩气成藏形成有利时期，游离态和吸附态共存富集。

3.3 矿物组成对孔隙发育的影响

页岩矿物组成及含量对孔隙发育起重要作用，页岩储集层中脆性矿物受外力作用可形成天然裂隙，黏土矿物在成岩演化中也可形成原生孔(裂)隙，其类型和含量对孔隙体积和比表面积产生直接影响(Aringhieri，2004；Rowker，2007；Gale et al., 2007；Jarvie et al., 2007；Ross and Bustin, 2009；张吉振等，2015b)。研究表明，川南地区龙潭组页岩孔隙度与黏土矿物含量呈正相关性(图 10a)，与脆性矿物含量呈负相关性(图 10b)，这可能是由于龙潭组页岩中富含的黏土矿物混合有机质经高热演化，各组分含量转化过程中产生大量原生、次生孔隙有关；另外，页岩孔隙以伊-蒙混层和伊利石之间孔隙为主要赋存孔隙，抑制了脆性矿物孔隙对孔隙的影响作用。

4 结论

(1)川南地区海陆过渡相龙潭组页岩富含有机质，其TOC含量为0.85%~35.7%，均值为7.51%，整体大于2.0；样品热演化程度较高，达高-过成熟阶段，利于干气大量生成，镜质体反射率R_o值为1.96%~2.40%，均值为2.22%，随埋深增加有递增趋势。龙潭组页岩样品He-Hg孔隙度为3.14%~9.95%，均值为6.27%，一定程度上利于页岩气储存富集。

(2)川南地区龙潭组页岩矿物成分复杂，组成多样，黏土矿物含量最高(为20.3%~92.3%，均值为61.9%)，其次是石英、方解石等脆性矿物(为6.3%~65.7%，均值为28.7%)，其中石英含量为4.2%~46.2%，均值为20.1%；方解石含量为0~40.3%，均值为4.7%；长石含量较低，(为0~6.8%，均值为1.9%)，碳酸盐矿物中白云石含量变化大(为0~13.6%之间，均值为1.2%)，另还含有少量黄铁矿、菱铁矿、石膏、硬石膏等矿物。

(3)龙潭组页岩样品中黏土矿物含量以伊-蒙混层为主(含量为14.5%~77.3%，均值为54.5%)，其次为高岭石(含量为0~45.1%，均值为13.4%)，绿泥石含量变化大(为0~77.5%，均值为11.2%)，伊利石(含量为0~36.4%，均值为8.91%)，不含或微含蒙脱石，可能由于蒙脱石在页岩成岩演化过程中经伊-蒙混层向伊利石转化所致。龙潭组页岩脆性指数Ⅰ为5.3%~52.3%，均值为24.2%；脆性指数Ⅱ为6.4%~76.4%，均值为32.32%；主频分别为10%~40%和20%~50%，比北美页岩脆性指数低，但达压裂改造下限，具备一定的可压裂性。

(4)龙潭组页岩黏土矿物利于页岩有机质发育，黏土矿物含量在有机碳含量为0~10%范围变化较大，水平临界值门限在15%~20%；龙潭组页岩黏土矿物处于伊-蒙有序间层阶段，与高-过成熟度有机质演化相对应，同时处于中-后成岩阶段，是页岩气成藏形成有利时期，游离态和吸附态共存富集；黏土矿物含量与页岩孔隙度发育有密切相关性，两者呈正相关关系，脆性矿物则相反，推测这源于黏土矿物混合有机质经高热演化，各组分转化过程中产生大量原生、次生孔隙并作为主要赋存孔隙抑制脆性矿物孔隙。