基于富有机质页岩的矿物组分分析

杨玲　李鹏飞

摘要：我国页岩气资源丰富，主要分布在我国南方的志留系马溪组、寒武系筇竹寺组以及奥陶系五峰组的富有机质页岩中。富有机质页岩是页岩气的主要富集储层，因此明确富有机质页岩的组分对于页岩气的形成机理以及勘探页岩气都具有一定的指导意义。文章对此进行了研究。

关键词：页岩气；有机质；矿物组分；压裂技术；形成机理；地质勘探 文献标识码：A

中图分类号：P631 文章编号：1009-2374（2015）03-0146-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0262

到目前为止美国开采的非常天然气产量约占天然气总量的一半左右，据专家估测，这一数目预计到2020年将达到54%～55%，而到2030年更将达到65%，可见随着人们对能源需求的不断攀升，非常规天然气在美国天然气总量中占据的位置已经不再是冰山一角，这其中非常规天然气主要依赖于页岩气，致密砂岩气以及煤层气，从全球范围来看，目前全球非常规天然气产量大约为3242亿m3/年，大概为常规天然气资源量的4.56倍。这其中，页岩气资源量大约占据456万亿m3，致密砂岩气资源量大约为209.72万亿m3，煤层气资源量大约为256.3万亿m3。从这一数据我们也可以看出，不久的将来，页岩气或许会替代石油以及其他常规能源而登上舞台，进而也许影响着全球经济，政治甚至军事格局。

根据页岩气聚集机理和中美页岩气地质条件相似性对比，中国页岩气富集地质条件优越，具有与美国大致相同的页岩气资源前景及开发潜力。据相关学者估计我国页岩气资源总量约为26×1012m3，其中南方、北方、西北及青藏地区各自占页岩气可采资源总量的46.8%、8.9%、43%和1.3%，其中南方地区以志留系龙马溪组、寒武系筇竹寺组以及奥陶系五峰组最为发育。然而泥页岩作为页岩气的有利储存区，对其进行岩石矿物组分分析是我们进行页岩气地球物理勘探和评价之前的首要任务。

1 X射线衍射定量分析原理

X射线衍射分析（X-Ray Diffraction，简称XRD），是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。X射线衍射定量分析技术已被广泛地应用于材料科学与工程的研究中。X射线衍射物相定量分析有外标法、内标法、绝热法、K值法等常规分析方法。其目的是在物相鉴定基础上，测定物质中各相含量。根据衍射强度与该物质参与衍射的体积或重量的增加而增加关系（非线性），表示为n相混合物中，j相某衍射线的强度与参与衍射的该相的体积Vj或重量分数Wj的关系式：

为定量分析普适公式（Alexander定量分析公式），其中：

常数

强度因子

结构因子（i为晶胞中原子）

注意：公式中，因各相μm不同，每相Vj或Wj的变化引起μm总体变化，导致Ij-Vj或Wj的非线性。由处理Kj与总体μm的不同引伸出多种定量分析方法，以满足实际需求。

其中外标法要纯标样，它不加到待测样中，该法实用于大批量试样中某相定量测量。要在相同的实验条件，测选定的同一衍射线强度；内标法待测试样为n相，μmj不同，加恒量Ws的标样到混合样中的定量方法。标样可选α-Al2O3、ZnO、KCl、LiF、CaF2、MgO、SiO2、CaCO3、NaCl或NiO之一，优选吸收系数与颗粒大小相近，衍射线不重叠的作标样；K值法是1974年由F.H.Chang创立，它是内标法的发展，K值与加入标样含量无关，无需作定标曲线，且K值易求，称K值法也称基本冲洗法。其中K值法的优点是：（1）与内标法相比无需求它标曲线，K值易求；（2）只要内标物质，待测相与实验条件相同K值恒定，故有普适性；（3）只作一次扫测即可得所有强度数据；（4）可以对感兴趣的j相进行测量，试样中可有非晶。K值法的缺点是要加入S相稀释样品，只适用粉末试样；绝热法的原理是：在n相待测样中，均为结晶相（不可有非晶相），各相的K值已知，可不加标样（由待测样中j相充当标样，只要实测各相的Ii，hkl，I=1.2…j…n，且对应K值为已知）即可求所有结晶相含量。其中绝热法的优点是：（1）不加内标，不作定标曲线，不稀释基体，不增加额外谱线；（2）可用块状和粉末状试样；（3）用一个试样可测全部物相含量。绝热法的缺点是不能有非晶相和含未鉴定的相，各相K值均需已知。

2 页岩矿物组分分析及其应用

本次试验的富有机质页岩来源于我国南方地区志留系龙马溪组，对20块页岩岩芯样品进行全岩X-射线衍射定量分析，结果显示该类页岩矿物组分中除常见的粘土矿物外，还含有方解石、石英、黄铁矿、长石及少量硬石膏等矿物成分。

从分析中我们可以知道富有机质页岩的石英含量较高，这对于后期进行压裂具有促进作用，因为压裂方法的选择以及如何压裂对于页岩气的采集起到至关重要的作用，这是因为从现实看来压裂增产技术的进步也显著提高了页岩气的产量，含气页岩一般属于低孔，特低渗，因此一般页岩均需要人工压裂改造之后才具有商业价值，美国在压裂技术方面主要采用：（1）水力压裂技术；（2）水平井分段压裂技术；（3）重复压裂；（4）同步分裂。其中水平钻井与分段压裂技术的综合运用，使页岩气开发在纵向和横向领域得到延伸，这使单井产量上了一个新台阶，重复压裂与同步压裂可延长页岩气井的高产时期。

3 结语

从以上实验可以得知：富有机质页岩矿物组分复杂多样，其中包括方解石、石英、黄铁矿等多类矿物，其中石英含量是页岩脆性的标志性矿物，可以大概知道该区域页岩的脆性程度，这对于后期页岩气压裂开采具有很大帮助；黄铁矿含量是页岩复电阻率实验引起激发极化效应的主导者，且黄铁矿含量高，激发极化（IP）效应越明显，因此对页岩进行矿物组分分析对于页岩气的形成机理以及勘探页岩气都具有一定的指导

意义。

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作者简介：杨玲（1976-），女，山西长治人，山西省煤炭地质114勘查院助理工程师，研究方向：页岩气及其煤田资料处理。

（责任编辑：蒋建华）