禹州煤田煤系泥页岩矿物组成与脆性分析

万小强，彭　超，潘结南，王小玉，董永智

（1.河南省煤田地质局一队，郑州451150；2.河南理工大学资源环境学院，河南焦作454000）

禹州煤田煤系泥页岩矿物组成与脆性分析

万小强1，彭超2，潘结南2，王小玉1，董永智1

（1.河南省煤田地质局一队，郑州451150；2.河南理工大学资源环境学院，河南焦作454000）

为了研究禹州煤田煤系泥页岩的矿物组成和页岩气储集层物性，对采自该区石炭二叠系的泥页岩样品进行了X射线衍射分析和有机地球化学实验。结果表明，禹州煤田煤系泥页岩有机碳含量高，有机质类型为Ⅱ型，热演化程度处于成熟—高成熟阶段（平均值为1.62%）；泥页岩矿物组成以石英、黏土矿物为主，平均含量分别为31.9%、63.2%，部分样品中含有少量的长石、菱铁矿、黄铁矿。通过与海相页岩对比，海陆过渡相煤系泥页岩黏土矿物含量为40%～80%，其中高岭石含量高是煤系泥页岩储层的重要特征，平均含量达到29.6%左右。此外，煤系泥页岩的石英脆度和总脆度均比海相页岩要低，其中禹州煤田煤系泥页岩石英脆度为32%，总脆度为36%，与国内其他地区煤系泥页岩脆度相当。表明禹州煤田煤系泥页岩具备较好的页岩气储集层可压裂性。

煤系地层；泥页岩；矿物组成；脆性；禹州煤田

0　引言

有机质页岩不仅发育在海相沉积环境，而且也发育在陆相、海陆过渡相沉积环境。中国海陆过渡相煤系页岩分布广、累计厚度大，且多与煤层、致密砂岩互层，蕴藏可观的天然气资源。我国海陆过渡相有机质页岩和超过一半的陆相有机质页岩发育在煤系中，据估计，蕴藏在煤系页岩中的页岩气可采资源达到12.9×1012m3。然而我国页岩气取得的较大进展主要集中在海、陆相页岩，却对海陆过渡相煤系页岩气研究较少，仅仅在我国淮南淮北煤田煤系泥页岩［1-2］、鄂尔多斯盆地煤系泥页岩［3］、四川盆地南部龙潭组煤系泥页岩［4］、木里煤田煤系泥页岩［5］有研究。除此之外，煤系中还含有煤层气、致密气等资源，今后在煤系页岩气勘探开发方面取得突破是重要的，为煤系中煤层气、页岩气、致密气联合开发提供基础地质资料。然而，矿物成分的分析是进一步研究页岩储层吸附能力和基质孔隙度的基础［6］。全岩矿物中脆性矿物在外部应力作用下易产生裂缝，影响着页岩气的储集空间和渗流通道；黏土矿物颗粒具有晶层，这些晶层之间可形成大量微孔隙［7］，为页岩气的储存提供了有效的储集空间。鉴于禹州煤田煤系泥页岩矿物成分和脆性特征系统资料缺乏的现状，本文通过采集岩心样品，运用X射线衍射（XRD）分析技术对禹州煤田煤系泥页岩样品矿物组成与脆性特征进行研究，为页岩气开采提供现实意义。

1　地质背景

禹州煤田位于华北板块南部，属嵩箕构造区，主要发育地层为震旦系上统马鞍山组、寒武系、石炭系上统、二叠系、新近系和第四系，其中石炭—二叠系为主要含煤地层，二叠系下统山西组的二1煤层为本区主要可采煤层。整个煤田主体构造形态呈宽缓的北西走向的背、向斜，背向斜被不同期次、不同方向的断裂构造叠加破坏。发育断层有NWW、NW和NE向三组，其中以NWW向为主，多组成阶梯状形态，为区域主干断裂，对含煤地层的赋存起区域的控制作用，NW和NE向断层多集中分布于背、向斜轴部和主干断层转折部位（图1）。

图1　研究区构造位置和采样位置图Figure1　Study area regional tectonic setting and sampling sites

2　样品与实验

2.1样品

本次试验所用的样品采自禹州煤田9个钻孔的岩样（图1），选择有机质含量相对较高的黑色泥页岩或炭质泥页岩，主要来自古生界二叠系下石盒子组、山西组和石炭系上统太原组。

2.2试验

对所采集的禹州煤田泥页岩样品按国家标准进行粉碎，并进行缩分，至少分成2份，其中1份用于有机地球化学实验，主要包括有机碳、镜质体反射率（R0）测定等，另1份用于X射线衍射（XRD）实验。XRD实验分析仪器为Rigaku公司生产的Ultima IV型X射线衍射仪，采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分析资料，进行矿物成分的定性与定量分析，得到该页岩样品的矿物组成与含量数据。有机地球化学实验分析，包括有机碳、R0测定等，均是严格按照国家标准、行业推荐标准和实验规范完成的。相关的主要实验分析测试结果见表1。

表1　禹州煤田煤系泥页岩样品的X射线衍射与有机地球化学实验分析结果Table1　Results of X-ray diffraction analysis and organic geochemical test for argillutite samples from Yuzhou coalfield coal measures

3　结果与讨论

3.1泥页岩有机质特征

对研究区煤系泥页岩样品进行有机地化特征测定，如表1所示，禹州煤田煤系泥页岩样品有机碳（TOC）含量为0.40%～3.29%，平均为1.45%，大多数页岩样品TOC均超过1%，与同为海陆交互相的Lewis页岩（TOC值0.45～2.5）相当，具有一定的可比性，都具备良好的有机质丰度［8］；与国内的海陆交互相鄂尔多斯盆地地区泥页岩的有机碳含量在一定程度上也有相似性［9，3］。

研究区煤系泥页岩有机质热演化程度普遍高，由R0实测结果显示，该区泥页岩样品的R0值为0.74%～1.88%，平均值为1.62%，几乎所有都分布在1.5%以上，最高可达2.09%，达到成熟—高成熟阶段，成岩演化处于中成岩阶段，烃类演化至湿气阶段，少数地区或层段达到干气阶段。表明该区泥页岩具备较好的生烃基础。

3.2矿物组成特征

3.2.1碎屑矿物

通过对禹州煤田煤系9个泥页岩样品进行全岩X射线衍射定量分析（图2）。数据表明，脆性矿物总体含量占7.5%～45.0%，其中石英石主要贡献者，其含量为7.5%～41.9%，平均含量为31.9%，而长石含量较少，仅在04井和12井取得样品中检测到长石。研究区碎屑矿物含量与深度之间不存在相关性，反映碎屑矿物主要源于沉积母源，成岩自生矿物的贡献不大。

3.2.2黏土矿物

图2　禹州煤田煤系泥页岩样品的矿物组成含量Figure2　Mineral composition contents distribution of coal measures argillutite in Yuzhou coalfield

图3　禹州煤田煤系泥页岩样品的黏土矿物相对含量Figure3　Yuzhou coalfield coal measures argillutite clay minerals relative content distribution

研究区样品中黏土矿物含量为49.0%～87.7%，平均含量达到63.2%（图3），普遍要高于脆性矿物的含量。其中高岭石含量最高，为41%～ 90%，平均为62.4%，其次为伊/蒙混层，相对含量在10%～48%，平均为30.2%；伊利石含量较少，平均相对含量为13.2%，其中有四个样品中未检测出伊利石；蒙皂石和绿蒙混层在样品中均不发育。

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［6］。从X-射线衍射分析结果来看，研究区泥页岩黏土矿物仅含有高岭石、伊蒙混层、伊利石三种黏土矿物，伊/蒙混层混层比为10%～30%，平均21.1%，属于成岩作用中期阶段的组合特征，表明研究区成岩演化至少已经进入中成岩阶段。对应的成熟度在0.5%～2%，与所测的镜质体反射率R0（0.74%～1.88%）基本吻合，表明烃源岩成熟度进入成熟阶段，有助于页岩气藏的形成。

3.2.3碳酸盐矿物

禹州煤田煤系泥页岩中碳酸盐矿物含量较低，主要由菱铁矿组成，其含量主要为1.4%～13.2%（表1）；未测出方解石和白云石的存在。这与地层水介质呈酸性有关，酸性的水介质不利于碳酸盐矿物的沉淀［10-11］。

3.2.4其他矿物

研究区泥页岩样品中只在一个样品中检测到黄铁矿的存在，菱铁矿含量变化较大，最高可达13.2%，平均含量为6.5%，只有个别钻孔的个别层段未检测出菱铁矿，反映该区泥页岩的沉积环境具有较强的还原性，这样的沉积环境对有机质的富集和保存是有利的，为页岩气藏的形成提供了良好的沉积条件。

3.3煤系泥页岩与海相泥页岩矿物组分对比

图4　煤系泥页岩［2-3］与海相页岩［14］矿物组成三角图Figure4　Coal measures argillutite［2-3］and marine facies shale［14］mineral composition ternary plot

图5　海陆过渡相煤系泥页岩与海相页岩的黏土矿物相对含量对比Figure5　Comparison of clay mineral relative contents in transitional facies coal measures argillutite and marine facies shale

从统计的数据来看［2-5，12-13］（图4），国内海陆过渡相煤系泥页岩在矿物组分上具有很高的相似性，即黏土矿物含量高为40%～80%，平均含量为58.3%；其次是石英等脆性矿物为10%～60%，平均含量为35.7%；碳酸盐矿物含量很少，小于10%。同海相页岩相比（图4，图5），发现二者具有较大的差异性：海陆过渡相煤系泥页岩黏土矿物含量要比海相页岩高；一般高于的海相页岩传统的观点（50%以上）；海相页岩伊利石、伊蒙混层是发育最为普遍的黏土矿物，高岭石含量较少。相反，黏土矿物中高岭石含量高却是煤系泥页岩储层的重要特征（图5）平均含量达到29.6%，其次是伊蒙混层，而伊利石含量较低。

研究认为高含量的黏土矿物可以增加甲烷吸附的场所［15-17］，煤系泥页岩高含量的黏土矿物将会对页岩气的赋存提供有利条件。尽管水敏性最强的蒙脱石和酸敏性最强的绿泥石会对储层开发造成一定的影响［18］，但煤系泥页岩中黏土矿物中蒙脱石和绿泥石含量很少（图5），可见两者对页岩气的采收影响较小。

3.4脆性分析

通常页岩所含矿物中的脆性矿物可直接影响页岩可压裂性，它的刚性性质控制着孔隙及裂隙的发育和页岩含气性［19，4］。页岩气储层评价中一个重要的参数就是脆性指数。鉴于李钜源［20］提出的脆度计算方法，即将石英/（石英+碳酸盐+黏土矿物）定名为石英脆度；（石英+碳酸盐）/（石英+碳酸盐+黏土矿物）定义为总脆度。本文计算了不同地区海相、海陆过渡相泥页岩的石英脆度和总脆度。

本文统计了5个不同地区海陆过渡相煤系泥页岩和3个不同地区海相页岩的石英脆度和总脆度。煤系泥页岩平均值分别为34%和38%，各地区脆度相近；海相页岩脆度要比煤系泥页岩高，平均值分别为45%和63%（图6）。其中，禹州煤田煤系泥页岩的石英脆度为32%，总脆度为36%，脆度总体要比国内南方海相页岩低，与国内其他地区煤系泥页岩脆度相当，表明禹州煤田煤系泥页岩具备较好的页岩气储集层可压裂性。

图6　海陆过渡相煤系泥页岩与海相页岩脆度对比Figure6　Brittleness comparisons between transitional facies coal measures argillutite and marine facies shale

4　结论

（1）禹州煤田煤系泥页岩有机碳含量（TOC）含量为0.40%～3.29%，平均为1.45%，大多数页岩样品TOC均超过1%，为该地区页岩气的生成奠定了物质基础。

（2）禹州煤田煤系泥页岩矿物主要是石英、黏土矿物，平均含量分别为平均含量为31.9%、63.2%；部分页岩样品中还含有少量的长石、菱铁矿、黄铁矿。

（3）与海相页岩相比，海陆过渡相煤系泥页岩：黏土矿物含量较高为40%～80%，平均含量为58.3%；其中黏土矿物中高含量的高岭石是煤系泥页岩储层的重要特征，平均含量达到29.6%左右；石英等脆性矿物为10%～60%，平均含量为35.7%；碳酸盐矿物含量较少，小于10%。

（4）煤系泥页岩的石英脆度和总脆度要比海相页岩低，石英脆度平均值分别为34%和45%，总脆度平均值分别为38%和63%。其中，禹州煤田煤系泥页岩的石英脆度为32%，总脆度为36%，与国内其他地区煤系泥页岩脆度相当。表明禹州煤田煤系泥页岩具备较好的页岩气储集层可压裂性。

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Coal Measures Argillutite Mineral Composition and Brittleness Analysis in Yuzhou Coalfield

Wan Xiaoqiang1，Peng Chao2，Pan Jienan2，Wang Xiaoyu1and Dong Yongzhi1
（1.The First Exploration Team，Henan Bureau of Coal Geological Exploration，Zhengzhou，Henan 451150；2.School of Resources and Environment，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan 454000）

To study Yuzhou coalfield coal measures argillutite mineral composition and physical property of shale gas reservoir carried out X-ray diffraction analysis and organic geochemical test for Permian argillutite samples from the coalfield.The result has shown that the argillutite has high organic carbon content，organic matter type II，on thermal evolution stages of mature—high maturity（average 1.62%）.Mineral composition is mainly quartz and clay minerals，average contents 31.9%and 63.2%respectively；in part of samples have little feldspar，siderite and pyrite.Comparing with marine facies shale，the transitional facies argillutite contains more clay miner⁃als with percentage 40%～80%，among them the high content of kaolinite is major feature of coal measures argillutite reservoir，average content about 29.6%.Besides，the total brittleness of quartz in coal measures argillutite is lower than that in marine facies shale.Quarts brittleness of coal measures argillutite in the Yuzhou coalfield is 32%，total brittleness 36%，roughly equivalent to coal measures argil⁃lutite quartz brittleness in other areas of the country.This shows the argillutite in Yuzhou coalfield coal measures has better shale gas reservoir hydraulic fracability.

coal measures strata；argillutite；mineral composition；brittleness；Yuzhou coalfield

P618.12

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.10.06

1674-1803（2016）10-0024-05

万小强（1976—），男，高级工程师，地质工程专业硕士研究生，从事地质勘查工作。

2016-05-03

责任编辑：宋博辇