基于富有機質頁巖的礦物組分分析

2015-03-26 19:46:11楊玲李鵬飛

中國高新技術企業(yè) 2015年3期

楊玲　李鵬飛

摘要：我國頁巖氣資源豐富，主要分布在我國南方的志留系馬溪組、寒武系筇竹寺組以及奧陶系五峰組的富有機質頁巖中。富有機質頁巖是頁巖氣的主要富集儲層，因此明確富有機質頁巖的組分對于頁巖氣的形成機理以及勘探頁巖氣都具有一定的指導意義。文章對此進行了研究。

關鍵詞：頁巖氣；有機質；礦物組分；壓裂技術；形成機理；地質勘探文獻標識碼：A

中圖分類號：P631 文章編號：1009-2374（2015）03-0146-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0262

到目前為止美國開采的非常天然氣產(chǎn)量約占天然氣總量的一半左右，據(jù)專家估測，這一數(shù)目預計到2020年將達到54%～55%，而到2030年更將達到65%，可見隨著人們對能源需求的不斷攀升，非常規(guī)天然氣在美國天然氣總量中占據(jù)的位置已經(jīng)不再是冰山一角，這其中非常規(guī)天然氣主要依賴于頁巖氣，致密砂巖氣以及煤層氣，從全球范圍來看，目前全球非常規(guī)天然氣產(chǎn)量大約為3242億m3/年，大概為常規(guī)天然氣資源量的4.56倍。這其中，頁巖氣資源量大約占據(jù)456萬億m3，致密砂巖氣資源量大約為209.72萬億m3，煤層氣資源量大約為256.3萬億m3。從這一數(shù)據(jù)我們也可以看出，不久的將來，頁巖氣或許會替代石油以及其他常規(guī)能源而登上舞臺，進而也許影響著全球經(jīng)濟，政治甚至軍事格局。

根據(jù)頁巖氣聚集機理和中美頁巖氣地質條件相似性對比，中國頁巖氣富集地質條件優(yōu)越，具有與美國大致相同的頁巖氣資源前景及開發(fā)潛力。據(jù)相關學者估計我國頁巖氣資源總量約為26×1012m3，其中南方、北方、西北及青藏地區(qū)各自占頁巖氣可采資源總量的46.8%、8.9%、43%和1.3%，其中南方地區(qū)以志留系龍馬溪組、寒武系筇竹寺組以及奧陶系五峰組最為發(fā)育。然而泥頁巖作為頁巖氣的有利儲存區(qū)，對其進行巖石礦物組分分析是我們進行頁巖氣地球物理勘探和評價之前的首要任務。

1 X射線衍射定量分析原理

X射線衍射分析（X-Ray Diffraction，簡稱XRD），是利用晶體形成的X射線衍射，對物質進行內(nèi)部原子在空間分布狀況的結構分析方法。X射線衍射方法具有不損傷樣品、無污染、快捷、測量精度高、能得到有關晶體完整性的大量信息等優(yōu)點。X射線衍射定量分析技術已被廣泛地應用于材料科學與工程的研究中。X射線衍射物相定量分析有外標法、內(nèi)標法、絕熱法、K值法等常規(guī)分析方法。其目的是在物相鑒定基礎上，測定物質中各相含量。根據(jù)衍射強度與該物質參與衍射的體積或重量的增加而增加關系（非線性），表示為n相混合物中，j相某衍射線的強度與參與衍射的該相的體積Vj或重量分數(shù)Wj的關系式：

為定量分析普適公式（Alexander定量分析公式），其中：

常數(shù)

強度因子

結構因子（i為晶胞中原子）

注意：公式中，因各相μm不同，每相Vj或Wj的變化引起μm總體變化，導致Ij-Vj或Wj的非線性。由處理Kj與總體μm的不同引伸出多種定量分析方法，以滿足實際需求。

其中外標法要純標樣，它不加到待測樣中，該法實用于大批量試樣中某相定量測量。要在相同的實驗條件，測選定的同一衍射線強度；內(nèi)標法待測試樣為n相，μmj不同，加恒量Ws的標樣到混合樣中的定量方法。標樣可選α-Al2O3、ZnO、KCl、LiF、CaF2、MgO、SiO2、CaCO3、NaCl或NiO之一，優(yōu)選吸收系數(shù)與顆粒大小相近，衍射線不重疊的作標樣；K值法是1974年由F.H.Chang創(chuàng)立，它是內(nèi)標法的發(fā)展，K值與加入標樣含量無關，無需作定標曲線，且K值易求，稱K值法也稱基本沖洗法。其中K值法的優(yōu)點是：（1）與內(nèi)標法相比無需求它標曲線，K值易求；（2）只要內(nèi)標物質，待測相與實驗條件相同K值恒定，故有普適性；（3）只作一次掃測即可得所有強度數(shù)據(jù)；（4）可以對感興趣的j相進行測量，試樣中可有非晶。K值法的缺點是要加入S相稀釋樣品，只適用粉末試樣；絕熱法的原理是：在n相待測樣中，均為結晶相（不可有非晶相），各相的K值已知，可不加標樣（由待測樣中j相充當標樣，只要實測各相的Ii，hkl，I=1.2…j…n，且對應K值為已知）即可求所有結晶相含量。其中絕熱法的優(yōu)點是：（1）不加內(nèi)標，不作定標曲線，不稀釋基體，不增加額外譜線；（2）可用塊狀和粉末狀試樣；（3）用一個試樣可測全部物相含量。絕熱法的缺點是不能有非晶相和含未鑒定的相，各相K值均需已知。

2 頁巖礦物組分分析及其應用

本次試驗的富有機質頁巖來源于我國南方地區(qū)志留系龍馬溪組，對20塊頁巖巖芯樣品進行全巖X-射線衍射定量分析，結果顯示該類頁巖礦物組分中除常見的粘土礦物外，還含有方解石、石英、黃鐵礦、長石及少量硬石膏等礦物成分。

從分析中我們可以知道富有機質頁巖的石英含量較高，這對于后期進行壓裂具有促進作用，因為壓裂方法的選擇以及如何壓裂對于頁巖氣的采集起到至關重要的作用，這是因為從現(xiàn)實看來壓裂增產(chǎn)技術的進步也顯著提高了頁巖氣的產(chǎn)量，含氣頁巖一般屬于低孔，特低滲，因此一般頁巖均需要人工壓裂改造之后才具有商業(yè)價值，美國在壓裂技術方面主要采用：（1）水力壓裂技術；（2）水平井分段壓裂技術；（3）重復壓裂；（4）同步分裂。其中水平鉆井與分段壓裂技術的綜合運用，使頁巖氣開發(fā)在縱向和橫向領域得到延伸，這使單井產(chǎn)量上了一個新臺階，重復壓裂與同步壓裂可延長頁巖氣井的高產(chǎn)時期。

3 結語

從以上實驗可以得知：富有機質頁巖礦物組分復雜多樣，其中包括方解石、石英、黃鐵礦等多類礦物，其中石英含量是頁巖脆性的標志性礦物，可以大概知道該區(qū)域頁巖的脆性程度，這對于后期頁巖氣壓裂開采具有很大幫助；黃鐵礦含量是頁巖復電阻率實驗引起激發(fā)極化效應的主導者，且黃鐵礦含量高，激發(fā)極化（IP）效應越明顯，因此對頁巖進行礦物組分分析對于頁巖氣的形成機理以及勘探頁巖氣都具有一定的指導

意義。

參考文獻

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