巢湖地區二疊系孤峰—大隆組頁巖脆性特征

李路順，張 新

（中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116）

隨著我國頁巖氣研究的不斷深入，在頁巖氣的勘探選區、技術開發等方面也已經日漸成熟，頁巖儲層因其具有孔隙度低和滲透性低的特性，需要通過人工壓裂增加裂縫來降低開采難度。脆性是影響儲層壓裂的重要參數，很大程度上決定壓裂的難易程度，頁巖的脆性越高，越有利于壓裂造縫，以提高頁巖氣的產量（張晨晨等，2017；錢勁等，2018；鐘城等，2018）。

巢湖地區二疊系頁巖分布較廣且埋藏較淺，是頁巖氣開發的潛力地區（陳平等，2013；潘磊，2016），以往對巢湖地區二疊系頁巖的研究多側重于有機碳含量、孔隙度等有機地球化學參數及儲層物性特征，而缺乏礦物組成及脆性特征的系統研究。

本文選取巢湖西南部清水嶺剖面二疊系孤峰組-大隆組頁巖作為研究對象，進行野外實地剖面測量、樣品采集及針對樣品的XRD實驗測試，對比所分析樣品與國內外典型頁巖礦物特征，在此基礎上應用“石英、白云石、黃鐵礦”三種礦物作為研究區二疊系孤峰組-大隆組脆性評價指標，為該區后期頁巖氣勘探開發提供有利的指導作用[1-4]。

1 地質背景

巢湖位于中國南方揚子陸塊的東北部，因記錄有青苔山逆沖推覆斷層、平頂山向斜、鳳凰山背斜等構造現象，震旦系-三疊系地層出露完整且有豐富的化石資源，一直是地質旅游及教學的極佳地區。該區二疊系地層出露良好，在馬家山、俞府大村及清水嶺一帶皆有連續剖面出露（圖1）。

巢湖西南部散兵鎮清水嶺地區(N31°32＇,E117°46＇)出露有良好的二疊系孤峰組-大隆組地層，地層走向主要為NE-SW向，傾角較大，近45°～60°，實測出露地層約122米，共劃分剖面15層（如圖2）。

2 頁巖礦物組成特征

選取6塊典型巖樣進行X 射線衍射實驗分析。將所選樣品粉碎研磨至300目，送至中國礦業大學現代測試中心進行測試，衍射儀型號D8 ADVANCE，電壓40kV，電流30mA，測角儀半徑250mm。分析結果可知，研究層位的礦物成分復雜，頁巖樣品中含有石英、白云石、黃鐵礦、長石、方解石等碎屑礦物和粘土礦物（圖3）。泥頁巖中的礦物組分以石英和粘土礦物為主，其中石英礦物的含量最高，最高可以達到53.80%，最低為33.50%，平均40.13%；粘土礦物其次，含量最高可達48.10%，最低16.80%，平均34.42%；其余礦物組分較少，長石含量7.70%～ 14.80%,平均10.37%；方解石含量1.70% ～ 28.00%，平均9.85%；黃鐵礦含量1.5% ～ 6.8%，平均4.75%；白云石含量1.0% ～3.5%，平均1.78%；少量其他礦物，平均2.28%。

圖3 巢湖孤峰組、龍潭組、大隆組頁巖礦物組成

3 頁巖脆性特征

3.1 脆性礦物優選

目前最常見的頁巖脆性研究方法為礦物組成法（表1），是根據脆性礦物的含量來評價脆性的方法，通過XRD實驗便可實現，較簡單實用。

關于脆性礦物的界定并沒有一個統一的定義，北美經驗中最早選擇石英為脆性礦物（Jarvie et al,2007； Rickman et al,2008）；而單一的礦物成分不能很好地反映出頁巖的脆性特征，Wang（2009）在石英的基礎上加入白云石為脆性礦物；Xiaochun Jin（2014）則認為脆性礦物應該由硅酸鹽礦物(石英、長石、云母)和碳酸鹽礦物(方解石和白云石)共同構成；陳吉(2013)在研究南方上二疊統頁巖中提出以石英、長石、碳酸鹽礦物為脆性礦物；汪磊(2016)與張晨晨(2017)在中國南方海相頁巖的研究中，通過對比各礦物組分的彈性參數，發現長石和方解石相較其他脆性礦物泊松比較高，對頁巖脆性貢獻較小，甚至對脆性造成負影響，因此優選“石英、白云石、黃鐵礦”三類礦物作為脆性礦物。

圖1 安徽巢湖地區孤峰組-大隆組地層出露剖面位置示意圖

表1 國內外基于礦物組成常見脆性計算公式

3.2 研究區頁巖脆性評價

脆性既是頁巖儲層評價的“六性”指標之一，也是頁巖儲層壓裂的重要參考因素。據北美頁巖氣開發經驗，脆性指數＞0.4的頁巖有較好的可壓裂性，可作商業開發（王強等，2016）。

根據前人對頁巖脆性礦物的選擇與界定，結合巢湖地區二疊系孤峰組-大隆組頁巖石英含量高，白云石、黃鐵礦發育的礦物組成特征，采用“石英、白云石和黃鐵礦”作為脆性礦物進行計算（公式1）。

脆性計算結果表明，孤峰組-大隆組樣品的脆性指數在0.39-0.64之間，平均為0.46（＞0.4），皆屬于壓裂的有利層位，具有很好的商業開發價值。其中孤峰組礦物脆性指數最高，在0.48-0.64之間，在壓裂中的預計效果最好；龍潭組、大隆組礦物脆性指數略低，在 0.39-0.44 之間，但仍具有較好的可壓性，適合后期壓裂開發。

4 結論

（1）巢湖地區孤峰組、龍潭組、大隆組頁巖的礦物組成中以硅質礦物含量占比最高，黏土礦物其次，碳酸鹽礦物最低。在脆性礦物組成中，石英是主要脆性礦物成分，平均占比40%。孤峰—大隆組脆性礦物含量均較高，而高比例的脆性礦物是影響高脆性指標的關鍵[5,6]。

（2）根據研究區樣品礦物組成，采用基于石英、白云石和黃鐵礦3種礦物的脆性計算方法。計算結果表明，孤峰組-大隆組頁巖的脆性指數均大于0.4，具備較好的商業開發條件。而脆性指數中以孤峰組最高，平均可達0.56；龍潭組和大隆組其次，平均為0.41。