鄂东通山地区下寒武统牛蹄塘组富有机质页岩矿物组成及意义

吴 松， 胡忠贵*， 邱小松， 李世临， 李胡蝶， 刘淑芬

(1.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室， 武汉 430100； 2.长江大学地球科学学院， 武汉 430100； 3.中国石油勘探开发研究院， 北京 100029； 4.中石油西南油气田公司重庆气矿， 重庆 400021)

中国南方海相富有机质页岩具有分布面积广、沉积厚度大、有机质丰度高、有机质含量高、成熟度适中的特点，有利于页岩气藏的形成，资源潜力巨大[1-2]。前人对四川盆地周缘页岩气的勘探开发做了大量的研究工作，已在涪陵焦石坝、长宁-威远、云南昭通等区块取得重要突破。近年来，中下扬子地区作为页岩气勘探开发的重要接替区越来越引起学术界和工业界的重视[3-6]，取得了重要进展，但不同地区、不同层系认识程度不一。目前在四川盆地东南侧外围的鄂西地区鄂宜页1井、鄂阳页1井在牛蹄塘组获得高产工业气流，增强了对新区新层系的勘查信心。能源消费结构的逐渐转型对天然气的需求急剧增长，页岩气的勘探开发对缓解油气对外依存度具有重要作用，鄂东通山地区地处中扬子东南缘，长江中下游，但对页岩气的勘查研究程度低，加强对鄂东地区页岩气的认识，对推动长江经济带的发展也具有一定现实意义。

岩石矿物的组成受沉积时期物源供给、沉积环境以及成岩作用等多种因素的影响[7]，对页岩岩矿特征的分析研究有利于了解页岩沉积过程及沉积环境的变化[8]，富有机质泥页岩中的矿物组构情况是控制页岩空隙及微构造发育和吸附特征的重要因素[9],对页岩的含气性和储集物性具有重要作用[10]，对页岩岩石矿物组分的分析是进一步研究页岩储集条件的基础。现基于野外剖面勘察并采集新鲜野外露头样品，对鄂东通山地区下寒武统牛蹄塘组富有机质页岩沉积背景及发育特征了解的基础上，结合页岩样品进行X射线衍射分析，开展其矿物组构特征的分析与讨论，为该区页岩气的进一步勘查研究与评价分析提供参考。

1 地质背景

鄂东通山地区位于湖北省东南部咸宁市，大地构造位置处在江南古陆与中下扬子东南侧陆缘区接壤处，于崇阳-通山逆冲推覆构造带内，北依秦岭大别造山带与大冶对冲带相邻，南与江南基底拆离推覆逆冲隆升带相接，西连洪湖逆冲带(图1[11])。自震旦纪以来，研究区所处原型盆地受多期构造运动影响，后期还经历了一定规模的自南向北的重力滑动[12]，发生了强烈的构造变形和剥蚀改造。由于紧邻造山带，受强烈的南北挤压对冲以及北东向压扭作用，研究区发育叠瓦状单冲构造及紧闭倒转褶皱为特征，主体以南倾北倒的紧闭线状褶皱，北东向和北北西向及派生的次级断裂构成[11]，局部构造不发育。

图1 区域构造及位置图[11]Fig.1 Regional structure and location[11]

下寒武统岩石地层名称复杂多变，据文献[13]记载，杨守仁1963年将咸宁一带早寒武世早期的地层在咸宁高桥创名为“东坑组”，但高桥位于扬子沉积区，在湖北省内该地层1957年张文堂从李四光1924年所创立的石牌页岩分出创立出“水井沱页岩，后将水井沱页岩底部地层称为“水井沱组”，与在贵州遵义市由刘之远1942年命名的“牛蹄塘组“对应，现以牛蹄塘组来叙述。

研究区牛蹄塘组地层与下伏灯影组呈平行不整合接触，和上覆石牌组地层整合接触。震旦纪末—早寒武世初期发生大规模海侵，导致研究区与扬子板块的湘鄂西地区形成台缘坳陷。大规模海侵体系域——饥饿段沉积形成一个以快速加深为特征的淹没不整合面[14]。以南继承晚震旦世向南倾斜的古地貌特征，并逐步形成斜坡带。早寒武世晚期，海平面达到高位，继续保持盆地边缘较深水沉积环境，底部发育深灰色钙质碳质页岩。整体主要沉积一套碎屑岩陆棚-混积深水陆棚-盆地沉积相，沉积厚度大，由于早期海侵迅速、规模大，长时间的缺氧环境，有利于富有机质泥页岩的发育。

2 实验与结果

珍珠口和界水岭两个剖面(剖面位置如图1所示)地层出露良好，界线清楚，岩性以一套钙质碳质页岩、钙质泥页岩、泥灰岩、钙泥灰岩、碳质页岩为主。从剖面观察来看可见岩石类型多样，富含三叶虫化石。在对剖面详细考察时进行了系统采样，结合岩性特征及采样位置，最终选取了9个样品进行了全岩矿物分析，18个样品进行了黏土矿物分析，样品的测试工作在长江大学教育部油气资源与勘查技术重点实验室完成。检测仪器设备为XD-2型X射线衍射仪，检测依据参照《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》(SY/T 6210—1996)。

矿物成分X射线衍射分析结果(表1)表明，鄂东通山地区下寒武统牛蹄塘组矿物类型多样，成分较为复杂。含有石英、钾长石、斜长石等碎屑矿物，方解石、白云石、菱铁矿等多种碳酸盐矿物，以及石膏、黄铁矿、重晶石等非晶矿物。黏土矿物有伊利石、高岭石、绿泥石、伊蒙混层。各个样品矿物含量不同，从样品分析结果来看总体以石英、长石及黏土矿物为主。石英含量最高，含量为31.9%～47.2%，平均42.1%；其次是黏土矿物，含量为18.3%～21.9%，平均20.6%。黏土矿物主要成分为伊利石，平均含量达63.9%，其次为绿泥石和伊/蒙混层，高岭石含量较少；碳酸盐矿物中以方解石含量变化最大，含量为1.3%～27.5%，平均值为15.1%；长石平均含量为12.0%，主要成分为斜长石，含量为7.2%～16.5%，平均10.2%；微晶矿物石膏在样品中普遍存在，含量最高可达12.3%。

表1 通山地区牛蹄塘组X射线衍射分析结果Table 1 XRD results of mineral composition of Niutitang Formation shale in Tongshan area

3 分析与讨论

3.1 矿物组成与沉积环境

泥页岩的发育受到沉积环境的控制，不同矿物在不同环境下富集状态有所不同，不同环境下页岩气富集条件存在差异[15]，黏土矿物对环境的变化尤为敏感[16]，矿物组成对了解页岩的沉积环境具有指示性作用。早寒武世早期大规模的海侵使得海平面迅速上升直到早寒武世晚期才达到高位，研究区在牛蹄塘期保持较深水还原沉积环境。矿物组分含量分布(图2)也表明，富有机质泥页岩中含大量石英、长石及黏土矿物，此外黄铁矿、石膏的普遍存在，表明该套地层沉积环境为静水、缺氧的还原环境[16]。

图2 通山地区牛蹄塘组页岩样品矿物组成及含量分布Fig.2 Mineral composition and content distribution of the Niutitang Formation shale samples in Tongshan area

黏土矿物作为环境演变的重要载体，能够反映沉积过程中的环境变化，对黏土矿物组合及含量变化的分析是研究沉积环境的重要手段，黏土矿物的分异主要表现在阳离子交换和吸附能力[17]。在酸性水介质中，高岭石较为稳定，在碱性水介质中，伊利石较为稳定富集，在不同的环境中从而形成不同的黏土矿物组合。研究区下寒武统牛蹄塘组黏土矿物组成(图3)具有以伊利石含量最高，绿泥石和伊/蒙混层矿物含量较高，只有或者极少含量的高岭石，不含蒙脱石的特点，黏土矿物组分以“I(伊利石)+I/S(伊/蒙间层)+C(绿泥石)+K(高岭石)极少”型为主，其次为“I+C”型。伊利石为富含K+的水介质，绿泥石为富含Fe2+和Mg2+的水介质，表明沉积时期及埋藏成岩过程中水介质具有盐度较高，偏碱性，沉积时总体处于干冷的气候环境[18]，有利于富有机质泥页岩的富集和保存，为页岩气藏的形成提供了良好的条件。

图3 通山地区牛蹄塘组页岩样品黏土矿物相对含量分布Fig.3 Relative clay distribution of the Niutitang Formation shale samples in Tongshan area

3.2 黏土特征与成岩阶段

黏土矿物类型及含量对页岩成岩作用具有很好的相关性，黏土矿物在沉积成岩过程中可以发生转化[19]，可以从伊/蒙混层矿物的类型及其含量来判断成岩作用阶段。刘伟新等[20]根据黏土矿物组合类型及特征等指标综合对成岩作用划分为成岩早期、成岩中期、成岩晚期及极低级变质作用。通山地区下寒武统页岩黏土矿物分析表明，黏土矿物成分依次为伊利石、高岭石、绿泥石、伊/蒙层，不含蒙脱石。伊利石含量平均为70%，存在一个样品有绿蒙混层。表明成岩作用已经经历成岩作用中期，进入了成岩作用晚期[21]。

王行信等[22]依据矿物组合类型结合地质特征将砂泥岩成岩阶段分为早成岩A、B及晚成岩A、B、C共5种不同的成岩阶段。研究区黏土组成主要为伊利石，其次为绿泥石及高岭石和伊/蒙混层，伊利石含量大于70%，高岭石、绿泥石的平均含量小于15%，表明研究区已达晚成岩阶段A期[23]。

热成熟度的增大不仅会引起有机质孔隙微观结构的变化，还会对黏土矿物层间孔隙的发育起着很大作用，引起黏土矿物之间的转化[24]。研究区黏土矿物中不含蒙脱石，可能存在蒙脱石在页岩地层埋藏成岩演化过程中经伊-蒙混层向伊利石转化所致[25]。蒙脱石在地层内部的转化复杂，但通常与有机质热演化阶段有很好的对应关系，在有烃类侵位、成岩作用和异常高压情况下，混合黏土逐渐呈现蒙脱石和高岭石的含量，演变分散为伊利石，处于成岩晚期。同时蒙脱石在转化过程中伊-蒙混层过渡态极具催化活性，可以为生烃反应富氢作用创造良好条件[26]。

3.3 脆性分析及地质意义

页岩气储层孔渗性很差，对页岩气藏的开发往往需要实施压裂技术，天然裂缝对页岩气产能和水力压裂效果具有重要作用[27]，矿物成分是天然裂缝的发育的主要内在因素[28]，脆性矿物含量对页岩气的聚集和开发具有重要的影响。通常认为，在矿物组成复杂的地区页岩的脆性矿物包括石英、长石、黄铁矿及碳酸盐矿物，脆性矿物含量越高，页岩裂缝越发育，页岩气储集层的脆性和可压裂性越强[29]，压裂和开采效果越好。

北美已成功开发的Bossier页岩矿物成分较为简单，主要为石英、长石和黄铁矿，含量低于50%；Ohio、Woodford/Barnett页岩石英、长石和黄铁矿含量为25%～80%的区域内，其中Barnett硅质页岩石英等脆性矿物含量超过40%[30]。通山地区下寒武统牛蹄塘组页岩石英含量为31.9%～47.2%，其次还有较高含量的长石和黄铁矿，脆性矿物含量为62.3%～76.3%，平均69.73%，脆性矿物含量大于40%。

脆性指数是评价页岩储层的一个重要参数，在页岩矿物成分复杂的地区，通常采用脆性指数Ⅱ进行页岩气脆性指数的计算[31]，计算公式为

脆性指数=

(1)

脆性指数计算结果显示(图4)，通山地区下寒武统牛蹄塘组页岩脆性指数为0.74～0.81，平均0.77，具有较高的脆性，与脆性矿物含量表现出很好的对应性，研究区下寒武统牛蹄塘组具有很好的压裂改造条件。

图4 通山地区牛蹄塘组页岩样品脆性矿物含量与脆性指数Fig.4 Brittle mineral contents and brittleness indexes of the Niutitang Formation shale samples in Tongshan area

4 区域对比分析

将通山地区牛蹄塘组页岩与周边及北美已成功开发的页岩和商业性突破的威远、涪陵页岩气田进行对比(表2)，通山地区石英含量与相对较高，与北美Barnett、Woodford、Marcellu页岩及威远筇竹寺组页岩相当，且范围较为稳定，分布在31.9%～47.2%。黏土矿物含量与北美Marcellu页岩、湘西北牛蹄塘组、威远筇竹寺组页岩相当，与湘西北牛蹄塘组的分布都较稳定。从矿物组成上看，研究区与威远筇竹寺组、湘西北牛蹄塘及宜昌水井沱组相似，石英、黏土矿物为主，长石类型含量以斜长石含量为主，其次黄铁矿在样品中普遍存在，且含量较高。脆性矿物含量都接近70%，对比来看，研究区脆性矿物含量较高，平均69.7%，分布范围为62.3%～76.3%，黏土矿物含量小于30%。参考北美及焦页1井储层优选条件[32]，认为研究区下寒武统牛蹄塘组具备页岩气藏形成和保存的基础地质条件，有着很好的可压裂性，具备一定的开采潜力。

表2 鄂东通山地区牛蹄塘组页岩矿物组成与周边及北美页岩矿物对比Table 2 Mineral contents of the Niutitang Formation shale in Tongshan and surrounding area and North American shales

5 结论

(1)鄂东通山地区下寒武统牛蹄塘组矿物类型多样，成分较为复杂。总体以石英、长石以及黏土矿物为主，石英含量最高，含量为31.9%～47.2%，平均42.1%，其次是黏土矿物，含量为18.3%～21.9%，平均20.6%，黏土矿物主要成分为伊利石，相对平均含量为63.9%。碳酸盐岩矿物中以方解石含量变化最大，含量为1.3%～27.5%，平均15.1%。

(2)页岩样品中含大量石英、长石及黏土矿物，黄铁矿、石膏在样品中普遍存在。黏土矿物有着高伊利石含量，绿泥石和伊/蒙混层矿物含量较高，只有或者极少含量的高岭石，不含蒙脱石的特点。沉积在缺氧的还原环境，沉积埋藏在具有盐度较高，偏碱性的水介质中。

(3)黏土矿物组成及含量特征表明研究区下寒武统牛蹄塘组成岩作用已进入晚成岩阶段。黏土矿物中不含蒙脱石，在黏土矿物转化为伊利石的过程中，可以为生烃反应富氢作用创造良好条件。

(4)研究区牛蹄塘组页岩样品脆性矿物含量为62.3%～76.3%，平均69.73%。脆性指数为0.74～0.81，平均0.77，脆性矿物含量高，脆性指数大。

(5)研究区牛蹄塘组页岩矿物组成及脆性矿物含量与周边及北美、威远、涪陵页岩气田有着很好的对比性。参考北美及焦页1井储层优选条件,认为研究区下寒武统牛蹄塘组具备页岩气藏的形成和保存的基础地质条件，有着很好的可压裂性，具备一定的开采潜力。