滇东威信地区龙潭组致密砂岩矿物组成特征及其油气地质意义

邢慧通，张晓丽，何金先，曹文杰，杨甜甜，王 健，师 帅

(1.中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

近年来，常规油气资源已不能满足我国发展的需求，据统计，非常规油气资源量远大于常规油气资源量，国家对非常规油气资源研究日益重视[1]。煤系气是指煤系中煤层、炭质泥页岩及暗色泥页岩等生成的天然气，包括煤层气、页岩气及致密砂岩气等，储存状态多样，既可以吸附在煤层之中，又可以游离在致密砂岩储层中[2-4]。据统计，我国煤系气资源占全国非常规油气资源60%以上[4]，黔西滇东煤系气资源量约占全国10%。目前共有300 余口煤层气开发井[3]，前景非常可观，对于该区页岩气的勘探也正在进行，但是国内对于煤系气的研究主要集中在鄂尔多斯盆地、沁水盆地等地[5]，而位于滇东北部威信地区致密砂岩气鲜有研究。

目前黔西滇东地区致密砂岩气的勘探开发还处于萌芽阶段，前人未曾对研究区的致密砂岩储层特征进行重点分析与含气性评价工作，未见大型致密砂岩气藏，但已知研究区二叠系龙潭组是重要含煤地层，且龙潭组砂岩常与泥页岩和煤层叠置出现[6]，有充足的烃源岩可以持续供气，在致密砂岩气勘探评价过程中发现众多的喷气井及气苗[7]，推测该区致密砂岩气前景广阔[8]。近年来刘曾勤等[9-10]通过对黔西地区龙潭组致密砂岩储层的矿物进行分析，从宏观和微观方面分析储层矿物对油气的影响，指出该地区致密砂岩气与煤层气和页岩气合采可行，此方法对本次研究具有借鉴作用。致密砂岩气的储层特征与岩石脆性、黏土矿物组合特征等因素有关。笔者通过X 射线衍射方法对研究区的致密砂岩储层矿物进行定性和定量分析，并根据矿物组合特征与镜下观察，判断龙潭组时期的沉积环境及成岩阶段，为后期致密砂岩气的勘探和开发提供一定的理论依据。

1 区域地质背景

研究区位于云南省东部、镇雄县北、滇黔桂三省接壤地带，属于昭通市威信县(图1a)，构造区域上处于扬子准地台的西部、扬子板块中部的滇东台褶带之滇东北台褶束上(图1b)。区内褶皱发育，在一级构造单元黔北坳陷带内的二级构造单元威信凹陷带中，北邻威信背斜带，南接芒部背斜带，东西部受盐源背斜带和黑尼背斜带加持，总体形成“四向夹一背”的构造。研究区发生多期次的构造沉降运动，尤其在早二叠世末至晚二叠世初，构造运动频繁，受东吴运动影响，地壳抬升，海水大幅度向东退去[7]，研究区西侧与康滇古陆之间的小江古断裂活动加剧，岩浆大范围喷溢，冷却之后形成自西向东逐渐减薄的玄武岩基底，为晚二叠世的煤层提供场所。龙潭组早期接受一套海陆过渡相沉积地层，研究区地壳均匀缓慢下沉，海侵发生，以潮坪-潟湖相沉积为主，个别地区出现泥炭沼泽；龙潭组中期，地壳回升，海退发生，研究区开始以三角洲沉积为主；在龙潭组晚期，地壳又一次下沉，持续到三叠纪，总体呈现潮坪-潟湖-浅海的沉积环境[9-10]。区内地层属于扬子地层区上扬子地层分区的昭通地层小区，地层发育较齐全，从寒武系到第四系仅有新近系未出露[11]，加之研究区独特的构造与沉积环境特征，造成研究区在晚二叠世龙潭组有利于聚煤的特点，区内砂岩与煤层互层频繁。

图1 滇东威信地区地理位置与构造位置Fig.1 Brief map of the geographical location and regional geology of Weixin area in eastern Yunnan

2 样品与实验

实验样品来源于滇东北部威信地区石坎向斜剖面，样品信息见表1，样品为龙潭组下段和上段，岩性主要为粉砂岩、细砂岩及泥质粉砂岩。

表1 样品来源及分析方法Table 1 Sample source and analysis methods

对采集的样品，按照SY/T 5163-2018《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》要求进行粉碎并进行X 射线衍射分析。在中国煤炭地质总局检测中心，利用D8 DISCOVER 型X 型衍射仪完成，实验温度为24 ℃、相对湿度35%。对实验结果进行矿物成分的定性与定量分析。并采用德国蔡司公司生产的ZEISS Sigma 500 FE-SEM 场发射扫描电子显微镜进行观察。

3 实验结果分析

3.1 龙潭组致密砂岩全岩矿物分析

龙潭组致密砂岩储层样品的X 射线衍射分析结果显示，其矿物成分比较复杂(表2)。依据矿物成分编制了石坎向斜龙潭组矿物成分含量剖面图(图2)。以黏土矿物、石英、斜长石为主，其中，黏土矿物质量分数最高，在27.1%～63.7%，平均42.5%。石英矿物质量分数为9.5%～54.8%，平均为30.1%。斜长石矿物质量分数3.9%～27.3%，平均为14.7%。

致密砂岩矿物中其余矿物组分较少，方解石质量分数为0.6%～18.3%，平均9.05%。锐钛矿仅在少量样品中有检出，质量分数为11.5%～16.6%，平均为14.4%。

3.2 龙潭组致密砂岩黏土矿物成分

黏土矿物是砂岩中最重要的填隙物，其含量多少及分布特征以及矿物组成特征对砂岩储层的孔隙结构、储集性能有重要的影响[12]。在对研究区致密砂岩进行X 射线衍射全岩矿物实验分析的基础上，对样品黏土矿物成分相对含量也进行了实验测试。结果表明，黏土矿物主要是高岭石、绿泥石、伊利石、伊蒙混层和绿蒙混层，未检出蒙皂石。样品的黏土矿物中绿泥石质量分数最高，占21%～85%，平均53.4%；其次为伊蒙间层(混层)，占1%～62%，平均25.1%；高岭石占11%～32%，平均16.4%；绿蒙间层(混层)占5%～10%，平均8.4%；伊利石占比较低，为1%～2%，平均只有1.3%。伊蒙间层比和绿蒙间层比分别为30%和46%(表2，图2)。

图2 石坎向斜龙潭组矿物成分含量剖面Fig.2 Mineral composition profile of Longtan Formation of Shikan syncline

表2 滇东威信地区龙潭组致密砂岩X-射线衍射分析报告Table 2 X-ray diffraction analysis report of tight sandstone of Longtan Formation in Weixin area of eastern Yunnan

4 讨 论

4.1 岩石脆性特征

脆性矿物含量是影响储层孔隙和微裂隙发育程度、含气性及压裂改造方式等重要因素[13]，富含脆性矿物的储层在外部应力作用下容易产生裂缝，成为重要气流体通道[14]。一般认为，石英、长石、碳酸盐岩等成分为脆性矿物，其占比越高，岩石所表现出的脆性特征越明显，在压裂改造过程中岩石脆性影响压裂裂缝的数量和形态，一般用脆性指数来表征[15-17]。基于XRD 所测得的致密砂岩矿物组分含量，采用矿物成分法计算龙潭组致密砂岩的脆性指数。

式中：Br为岩石脆性指数；Wq为石英和长石的质量分数，%；Wc为碳酸盐岩类矿物质量分数，%；Wt为岩石总矿物成分质量分数，%。

样品中的脆性矿物主要包括石英、斜长石和方解石，经计算得到岩石脆性指数为0.363～0.729，平均0.575(图3)，通过与已知致密砂岩开发区的岩石脆性对比(表3)和显微镜下薄片及扫描电镜观察(图4)，发现研究区岩石脆性较好，具备形成复杂缝网的能力[18]，证明滇东威信石坎向斜龙潭组致密砂岩具有良好的可压裂性，对致密砂岩气的开发有积极作用。

图3 石坎向斜致密砂岩样品脆性矿物含量折线Fig.3 Broken line diagram of brittle mineral content in tight sandstone samples of Shikan syncline

表3 研究区与典型致密砂岩储层脆性指数对比Table 3 Comparison of brittleness index between the study area and typical tight sandstone reservoirs

图4 石坎向斜龙潭组致密砂岩样Y-4 微裂隙Fig.4 Y-4 microfractures of tight sandstone sample of Longtan Formation of Shikan syncline

4.2 碳酸盐矿物特征及其油气地质意义

碳酸盐岩矿物对砂岩储层物性存在双重影响：一方面作为胶结物在粒间孔隙中充填；另一方面，早期形成的碳酸盐胶结物可使砂岩具有较强的抗压实作用，也是后期溶蚀作用的物质基础，易形成次生孔隙[19]。

龙潭组致密砂岩样品中碳酸盐岩矿物质量分数为0.60%～18.30%，平均9.05%，主要为方解石(图5)，未检出白云石。检测结果显示，在垂向分布上特征明显，下部未检测出方解石，向上方解石含量增加。碳酸盐矿物的溶解度随黏土矿物含量的增加而减小，并限制次生溶孔的进一步发育[20]，龙潭组上段碳酸盐岩矿物含量总体较高，黏土矿物含量较下段偏低，指示该段砂岩储层物性较好。方解石的存在加大次生裂隙发育，为油气提供有利储集空间，从而提高油气产量。

图5 长石溶蚀后被方解石充填Fig.5 Feldspar filled with calcite after dissolution

4.3 黏土矿物特征及其油气地质意义

砂岩中黏土矿物组成特征能够综合反应地层在沉积和成岩过程中的地质作用，是进行砂岩沉积与成岩史研究的重要线索[21]。按照P.B.Basan[22]评价标准，当储层黏土矿物质量分数大于15%时，属于高黏土矿物储层[23]。研究区黏土矿物含量平均达42.5%，与黔西龙潭组致密砂岩储层黏土矿物含量相近[9-10]，属于高黏土矿物储层。黏土矿物往往会降低粒间孔的大小并阻塞孔喉，当黏土矿物质量分数大于10%时会显著降低物性，储集性能较差[24-28]，结合龙潭组上段野外露头致密砂岩所测的孔隙度(平均为8.45%)和渗透率(平均0.32×10-3μm2)，证明了研究区龙潭组致密砂岩低孔低渗特征。因此，龙潭组砂岩中黏土含量高，既减少了油气运移的空间又限制了油气的储量，意味着储层质量差[9-10]。

黏土矿物对致密砂岩储层而言是一把双刃剑，一方面因其具有较高的比表面积，可以为致密气提供吸附空间，提高含气量；另一方面，部分黏土矿物在溶解或吸水膨胀时，易堵塞气体渗流通道，不利于储层压裂改造[29-31]。研究区黏土矿物平均含量42.5%，表明区域内有较为稳定的风化剥蚀区供给充沛的物质来源。再结合该时期的地质背景，华南板块处于低纬度赤道附近，康滇古陆为区域内唯一的物质供给区[32]。常年高温多雨，地表径流大，植被繁茂，导致康滇古陆玄武岩发生强烈风化剥蚀作用，为东部沉积凹陷地区提供充沛的物质来源，龙潭组中致密砂岩的黏土矿物便在此背景下富集。

4.3.1 绿泥石

研究区绿泥石质量分数为21.0%～85.0%，平均53.4%。绿泥石是一种硅酸盐矿物，常见于较深地层中[27]，一般为变质岩的造岩矿物，经过中、低温热液作用，浅变质作用和沉积作用的产物。在二叠世早期，由于东吴运动，构造活动强烈，小江断裂岩浆喷溢并流经研究区[10]，推测绿泥石的形成与岩浆热液有关。岩浆热液为绿泥石的形成提供了物质来源[33]，同时，研究区此时正在接受海陆过渡相沉积[10]，水体有一定的深度，为绿泥石的中低温热液形成提供条件。前人经过试验等手段测出细粒砂岩中绿泥石对孔隙率没有实质性影响，但是能够极大地降低岩层渗透率[12]，这也是造成龙潭组致密砂岩低渗透率的原因之一(图6)。一方面，绿泥石在颗粒表面形成包膜，起到了保护孔隙的作用，有利于油气的储集；另一方面，其占据碎屑岩中的孔隙，降低储层孔隙率，不利于油气的运移。总体而言，绿泥石的存在对于储层起消极意义。

图6 绿泥石存在位置和形式Fig.6 Location and form of chlorite

4.3.2 高岭石与伊利石

除了绿泥石以外，黏土矿物中高岭石(图7)占比也不低，约为16.4%。高岭石主要是长石和其他硅铝酸盐矿物在近地表条件下由大气淡水溶蚀形成，龙潭组煤系早期泥炭化作用和煤化作用产生了大量的CO2气体，使得孔隙水呈酸性，为长石溶蚀提供了酸源。据前人研究[12]，煤系岩石学观察发现含煤地层酸性条件有利于长石溶解生成高岭石，研究区龙潭组与这一条件吻合，可以推测其是高岭石的来源之一。

图7 高岭石赋存形式Fig.7 Occurrence form of kaolinite

研究区的伊利石含量极低，钾长石未检测出，同时高岭石与伊利石共存，根据冯立文关于鄂尔多斯盆地太原组砂岩的研究结论[12]，可以推测研究区伊利石的来源之一是高岭石伊利石化，过程中伴随大量的钾长石溶解，有利于储层次生孔隙的发育。

高岭石在酸性条件下较为稳定，在碱性条件下会转化为伊利石，从纵向上看龙潭组整体基本处于酸性环境。

一般可以根据砂岩中黏土矿物的演化程度来推断油气进入储层的时间，研究区砂岩可以与英国北海盆地侏罗系Brent 砂岩演化程度对比，判断出研究区只含高岭石很少含伊利石这一结果，意味着储层中砂岩在油水界面之上[27]。

4.3.3 伊蒙混层及绿蒙混层

实验样品的黏土矿物中还出现了不少的伊蒙混层及绿蒙混层，分别是蒙脱石向伊利石和绿泥石转化的过渡产物[33]，均具有较高的膨胀性，以富含绿泥石为特征，与其共生的有伊利石和伊蒙混层，一般出现在深层砂岩胶结物中，特别是低渗透砂岩储集层中；而含有绿蒙混层和微量伊利石的黏土矿物组合，一般形成于富含镁铁的沉积环境[21]。研究区伊蒙混层质量分数超过30%，且伊蒙混层含量与孔隙率和渗透率具有明显的负相关关系[34]，表明黏土矿物高和伊蒙混层占比大是储层质量差的关键因素之一[9-10]。研究区黏土矿物符合上述特征，应为深层低渗透砂岩储集层。蒙皂石转化为伊利石的温度条件较低[35]，龙潭组中蒙皂石未检出，伊利石较少，而伊蒙混层较多，说明当时的沉积环境温度较低。

4.4 其他矿物特征及其油气地质意义

除了碎屑矿物、黏土矿物及碳酸盐岩矿物，龙潭组致密砂岩储层样品中还包含了锐钛矿，尽管有一部分样品中未检出，但其平均含量较高，达到14.4%，主要分布在龙潭组下段。锐钛矿一般为变质作用生成，与岩浆有关的矿物，属于低温热液的产物，与绿泥石的形成条件接近。在贵州西部峨眉山玄武岩的风化残坡积物中发现大量锐钛矿，由长期风化富集形成，属于微细粒型独立矿物[36-37]。同时，锐钛矿也是基性火山岩存在的标志[38]。锐钛矿出现在本次所采露头样中，结合区域古地理环境分析可知，锐钛矿极有可能是贵州西部峨眉山玄武岩的风化产物。

5 结 论

a.滇东威信地区龙潭组露头剖面致密砂岩的矿物组成种类较多。其中，黏土矿物质量分数最高，为27.1%～62.7%，平均42.5%；石英次之，为9.5%～54.8%，平均30.1%；矿物中还含有较多的斜长石和方解石，平均占比分别为14.7%和9.05%。其他如锐钛矿等矿物含量有5 个样品有检出，占比约14.4%。

b.基于X 射线衍射所得矿物组分含量，利用矿物组分法得到研究区龙潭组致密砂岩脆性指数平均为0.575，相对于几个典型的致密砂岩储层(淮中4 区块董2 井北侏罗系致密砂岩、鄂尔多斯盆地勘探X 新区长8-长10 致密砂岩、红河92 井区长812 单层致密砂岩)而言，脆性指数较好，有利于压裂。

c.康滇古陆是研究区龙潭组砂岩黏土矿物的主要物质来源，与岩浆热液有关的含量高的绿泥石是储层低渗透率的主要原因；研究区钾长石的溶解殆尽不仅提供了高岭石，其钾离子也是伊利石的主要沉淀物，该过程为储层形成提供了次生孔隙；锐钛矿可能是来自玄武岩的风化产物。

d.研究区龙潭组砂岩整体储集质量较差，属于深层低渗透高黏土矿物砂岩储层，其中龙潭组上段高碳酸盐类矿物含量对致密砂岩气藏的形成和开发有一定的促进作用，其储层物性较下段好。

致谢：感谢责任编辑及评审专家对本文提出的建设性意见！湖南科技大学赫桂萱在论文写作过程中有过多次有益讨论，中国矿业大学张晓丽老师、曹文杰硕士及福建地调院廖剑峰在论文返修过程中提供关键指导，这里一并表示感谢！