東營凹陷泥頁巖礦物組成及脆度分析

李鉅源

(勝利油田地質科學研究院 山東東營 257000)

傳統觀點認為:泥巖結構致密、儲集物性差，屬于非儲層。近年來，頁巖氣在北美地區得到迅猛發展，如美國2006年頁巖氣產量僅占天然氣總產量1%［1］，2011年已達34%(產量為1 800 ×108m3)，預計2035年將超過60%，這充分表明泥頁巖能夠成為良好儲層，其儲集性研究也逐漸引起人們的高度重視。裂縫不僅是泥頁巖儲層的重要儲集空間，而且對頁巖氣開發具有重要意義［2，3］。但目前，泥巖裂縫研究主要側重于外因(如構造應力等)，而對內因(如礦物成分以及脆性)重視不夠。

本文對東營凹陷沙河街組沙四上(Es4s)和沙三下(Es3x)亞段兩套泥頁巖礦物組成進行了系統分析，研究了其脆性與礦物組成關系，并與北美地區典型頁巖氣儲層進行了對比。希望能對陸相盆地泥頁巖儲層的礦物組成特征、物源成因和力學性質等方面的研究有所幫助。

1 泥頁巖礦物組成特征

東營凹陷位于濟陽坳陷東南部，是中國油氣最為富集的地區之一。始新世—漸新世早期，凹陷沉積了沙四上亞段(Es4s)、沙三下亞段(Es3x)和沙三中亞段(Es3z)三套烴源層。其中，Es4s、Es3x泥巖屬于半深湖—深湖相沉積，巖性主要為紋層狀構造泥巖、頁巖、油頁巖與具塊狀層理泥巖形成的不等厚互層，紋層泥巖和頁巖有機碳含量較高，一般在3.0%～5.0%之間，部分在10.0%以上;塊狀泥巖有機質的豐度相對較低，一般在1.5%～3.0%之間;Es3z屬于前三角洲相沉積，以塊狀泥巖為主，有機碳含量較Es4s低，大多＜2.5%。總體上，Es4s、Es3x兩套泥頁巖厚度大、有機質豐富、成熟度較高，是東營凹陷的主力烴源巖。也是東營凹陷頁巖油氣勘探的最有利層段。

共采集東營凹陷不同地區、不同深度的215個泥巖樣品，通過“X”衍射全巖分析，確定了 Es3x，Es4s泥頁巖礦物成分。研究區泥頁巖主要由陸源碎屑礦物、黏土礦物和自生非黏土礦物三部分組成，各礦物特征如下。

1.1 黏土礦物

東營凹陷泥頁巖中的黏土礦物含量平均不到三分之一(表1)，主頻在10%～40%之間。其中Es3x的78個樣品中黏土礦物含量超過50%的僅一塊(為54%)，最低為8%，平均為25.9%;Es4s的137個泥頁巖樣品中黏土礦物含量超過50%的也只有一塊(為73%)，最低6%，平均為24%，主頻為10%～20%(圖1)。這兩套泥頁巖中的黏土礦物含量很接近，Es4s略低于 Es3x。

綜上所述，東營凹陷Es4s和Es3x泥頁巖中的黏土礦物含量普遍較低，遠低于一般的海相泥巖和傳統的觀點(50%以上)，且變化很大。分析認為，這主要是因為陸相盆地面積較小、距物源區較近，以至于泥頁巖中含有較多的陸源碎屑，而黏土礦物含量較低。另外，王新洲等［4］對松遼和三水盆地泥巖進行了分析，其中松遼盆地泥巖中黏土礦物平均為34%，三水盆地泥巖中黏土礦物平均只有30%，其烴源巖黏土礦物含量與東營凹陷很相似。

表1 東營凹陷Es4s和Es3x泥頁巖全巖礦物組成Table 1 Mineral composition of the Es4sand Es3x shale in Dongying Sag

圖1 東營凹陷Es4s和Es3x泥頁巖全巖礦物頻率分布Fig.1 Frequency distribution of the mineral composition of the Es4sand Es3xshale in Dongying Sag

1.2 陸源碎屑礦物

東營凹陷Es4s和Es3x泥頁巖中的陸源碎屑礦物主要由石英和長石組成(表2)。

表2 東營凹陷Es4s和Es3x泥頁巖碳酸鹽及碎屑礦物組成Table 2 Compositions of carbonate and mineral clast of the Es4sand Es3xshale in Dongying Sag

與黏土礦物不同，陸源碎屑礦物在埋藏過程中常常被有機質溶蝕，形成新礦物。分析發現，研究區Es3x、Es4s泥頁巖中的石英和長石含量變化很大。其中，Es3x泥巖中的石英含量最高達 50%，最低為6.0%，平均為29.1%，主頻為20%～30%;長石含量最高為35%，主頻為10%～20%，平均為4.2%。Es4s泥巖中石英含量最高達66%，最低為0%，平均為28.5%，主頻為10%～50%;長石含量最高達42%，平均為6.2%，主頻在0%～10%之間(表2，圖2)。

由此可見，相對于一般的海相以石英為主的泥巖，東營凹陷Es4s和Es3x泥頁巖中石英含量不高，而長石含量較高，表明陸相湖盆泥巖與海相泥巖在沉積物源和沉積特征上存在顯著差異。

1.3 自生非黏土礦物

研究區泥頁巖中的自生非黏土礦物包括碳酸鹽巖和黃鐵礦。

1.3.1 碳酸鹽巖

圖2 東營Es4s和Es3x泥頁巖中陸源碎屑礦物含量頻率分布圖Fig.2 Frequency distribution of the terrigenous clast content of the Es4sand Es3xshale in Dongying Sag

分析表明:東營凹陷Es4s和Es3x泥頁巖中普遍含有碳酸鹽巖礦物，且含量較高、變化很大。其中，Es3x泥頁巖中的碳酸鹽含量最高為78%，最低1%，平均38.3%，主頻在20%～60%之間;Es4s泥頁巖中的碳酸鹽含量最高達91%，最低3%，平均37%(表1)，分布很分散，20%～30%和40%～50%之間占多數。這些碳酸鹽礦物以方解石為主。其中，Es3x的方解石含量最高，占碳酸鹽巖78%，最低1%，平均34.1%，主頻為20%～50%;Es4s的方解石含量最高89%，最低0%，平均28.9%，主頻在0%～30%之間，明顯低于Es3x。另外，Es4s中的白云石含量最高達87%，平均為7.8%，最低為0(表2);而Es3x僅一塊樣品中的白云石含量超過50%(為72%)，其余均低于20%，平均只有3.9%(表2)。較高的碳酸鹽含量表明這些泥頁巖主要發育于湖盆較大的深湖及半深湖相。

1.3.2 黃鐵礦

研究區泥頁巖中均含有一定量的黃鐵礦，且變化較大。其中，Es3x泥頁巖中黃鐵礦含量最高可達13%，平均為2.5%;Es4s泥頁巖中黃鐵礦含量最高達14%，平均為2.3%(表1)。所以，這兩套泥頁巖中的黃鐵礦含量差別不大。黃鐵礦的存在表明這兩套泥頁巖沉積環境為具有較強還原性的深湖及半深湖相。

2 泥頁巖脆度分析

裂縫是泥頁巖儲層重要的儲集空間，它對頁巖氣成藏和開發均具有重要意義。裂縫的重要性在于:一是為頁巖氣提供了重要的聚集空間;二是為頁巖氣提供了運移通道;三是有助于吸附氣的解析。因為泥頁巖的原始滲透率非常低，如果裂縫不發育，就需要進行壓裂來產生更多裂縫，為天然氣解析提供更大的壓降和面積。所以，裂縫是控制頁巖氣儲量和產量的重要因素。研究發現，裂縫不僅決定了北美地區頁巖氣藏的品質，而且決定了其產量，已開發的頁巖氣藏多分布于裂縫帶，尤其是高產區裂縫更為發育［2］。

泥頁巖中裂縫成因比較復雜，概括起來可分為內因和外因兩個方面，其中內因主要取決于泥頁巖的脆性(即脆性礦物含量)，而外因主要是地應力、溫度和流體壓力等［5，6］。

北美學者在頁巖氣儲層研究中將石英/(石英+碳酸鹽+黏土礦物)代表泥巖脆度，其原因是這些地區屬于海相沉積，泥巖中的石英含量很高，而其它脆性礦物很少。相比之下，由于東營凹陷Es4s和Es3x泥巖中石英和碳酸鹽含量較高，所以這些泥巖的脆性分析必須考慮石英和碳酸鹽。本文將石英/(石英+碳酸鹽+黏土礦物)定名為石英脆度，將碳酸鹽/(石英+碳酸鹽+黏土礦物)定名為碳酸鹽脆度，將(石英+碳酸鹽)/(石英+碳酸鹽+黏土礦物)定名為總脆度。

根據全巖分析數據分別計算出Es4s和Es3x泥頁巖的石英脆度、碳酸鹽巖脆度與總脆度。結果發現，碳酸鹽巖脆度與泥頁巖總脆度正相關性很好，而石英脆度一般低于0.6，與總脆度的相關性較差(圖3，圖4)。這表明碳酸鹽巖是影響Es4s和Es3x兩套泥頁巖總脆度的關鍵因素。

圖3 東營凹陷Es4s和Es3x泥頁巖的碳酸鹽脆度與總脆度關系Fig.3 Relations between carbonate crispness and otal crispness of Es4sand Es3xshale in Dongying Sag

圖4 東營凹陷Es4s和Es3x泥頁巖的石英脆度與總脆度關系Fig.4 Relations between quartz crispness and total crispness of the Es4sand Es3xshale in Dongying Sag

另外，對比發現，研究區泥巖的石英—碳酸鹽礦物—黏土礦物三角圖與北美地區泥盆系的Macellus和New Albany、中生界的 Haynesville和 Eagleford含氣頁巖落在同一個區域，表明它們具有較好的可比性，而與密西西比系的Barnett和Woodford頁巖有一定差異(圖5)。

圖5 東營凹陷Es4s和Es3x泥頁巖的碳酸鹽—石英—黏土礦物與北美頁巖對比Fig.5 Contrast between the carbonate-quartz-clay minerals of the Es4sand Es3xshale in Dongying Sag and that of the North American Shale

根據“X”衍射全巖顯微組分鑒定結果編制了研究區Es4s和Es3x泥頁巖(Es3x13塊和Es4s55塊樣品)礦物所占體積圖(圖6)。從中看出，礦物組成隨泥頁巖深度變化較大，石英與方解石之和主要在40%～70%之間(Es4s個別樣品在90%以上)(圖7)，與北美中生界的Haynesville和Eagleford含氣頁巖相近;與北美泥盆系和密西西比系泥頁巖相比，研究區泥頁巖中的石英含量較低而方解石含量較高(圖8)。

綜上所述，東營凹陷Es4s和Es3x泥頁巖中碳酸鹽巖含量高、脆性好，易于形成天然裂縫(如在背斜軸部或向斜核部等構造應力集中帶)，有利于太裂和頁巖油氣開采。

3 結論

(1)東營凹陷Es4s和Es3x泥頁巖形成于陸相湖盆、距物源區較近，以至于其中的黏土礦物含量較低，而陸源碎屑礦物和自生的碳酸鹽巖礦物含量較高，礦物組成變化較大。

(2)碳酸鹽礦物是影響東營凹陷Es4s和Es3x泥頁巖脆度的主要因素。Es4s和Es3x泥頁巖的脆度均較高，易于形成天然裂縫和被壓裂，是頁巖油氣潛在的有利儲層。

圖6 東營凹陷Es4s和Es3x泥頁巖全巖礦物組成分布圖Fig.6 Distribution of the mineral composition of the Es4s and Es3xshale in Dongying Sag

圖7 東營凹陷Es4s和Es3x泥頁巖的石英+碳酸鹽含量頻率分布Fig.7 Frequency distribution of quartz and carbonate content of the Es4sand Es3xshale in Dongying Sag

圖8 東營凹陷Es4s和Es3x泥頁巖礦物組成與北美含氣頁巖對比Fig.8 Contrast between the mineral composition of the Es4s and Es3xshale in Dongying Sag and that of the gas-contained shale in North American

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