淮南矿区新集矿1001井煤系泥岩脆性矿物及其沉积控制_余坤.pdf
第 45 卷 第 6 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.6 2017 年 12 月 COAL GEOLOGY 2. Key Laboratory of Coalbed Methane Resourcesand Reservoir ation Process of the Ministry of Education, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China Abstract Based on drilling core samples, X-ray diffraction, organic carbon, vitrinite reflectance and other tests were used to explore the characteristics of the composition, brittleness and depositional control of mudstone in coal measures well 1001 in Huainan mining area. The results show the TOC content of the mud shale is low, ranging between 0.66.05, with an average of 2.44. Kerogen is mainly of type , a few of kerogen is of type IIb, kerogen is in oil generaⅢtion window and range of moisture generation, has suitable conditions for gas generation. The mineral composition of shale is dominated by quartz and clay minerals, brittleness index ranged from 20 to 60, with the average of 45. The shale is hard, showing good fracture resistance, it has the potential transation. Hypoxic environment is conducive to the development of brittle minerals, playing a positive role to the brittleness of shale. When marine environment changed into terrestrial environment, during the transition, clay mineral content increased, brittle mineral content decreased, which plays a negative role to the brittleness of shale. Reductive depositional environment is conducive to the well, shale brittleness increased, obviously the results may be subject to burial diagenesis largely, which need to be further explored. Keywords Huainan mining area; coal measure series; mudstone; mineral; brittleness uation; depositional control 我国页岩气资源十分丰富,开发页岩气资源有 助于减轻对常规能源的依赖程度,增强国家能源安 全[1]。页岩储层的可改造性是页岩气资源开采的关 键,而页岩的脆性则是评价页岩储层裂隙系统发育 ChaoXing 第 6 期 余坤等 淮南矿区新集矿 1001 井煤系泥岩脆性矿物及其沉积控制 15 程度和可改造性的重要指标。 淮南矿区石炭–二叠纪 含煤地层时间跨度大,泥岩发育,具有海陆过渡相 煤系泥页岩气藏的前景。淮南矿区海陆交互相煤系 包括太原组、山西组、下石盒子组和上石盒子组, 其中山西组是泥页岩主要发育层位[2-3]。目前对该区 煤系泥岩的研究主要集中于有机地球化学特征和矿 物组成特征,对泥页岩储层脆性及其沉积控制的认 识有待进一步深入。为此,笔者以淮南矿区新集矿 1001 井为例,通过煤系样品的系统采集和测试,对泥 岩矿物组成及脆性开展研究,并探讨煤系泥岩脆性沉 积控因,深化了对淮南矿区页岩气地质条件的认识。 1 地质背景 淮南矿区位于华北板块东南部秦岭–大别山造山 带的前陆位置, 东以郯庐断裂为界, 西接阜阳深断裂, 北临蚌埠隆起,南抵大别山造山带,主体构造形态为 NWW 向展布复式向斜。1001 井所在的新集煤矿位于 淮南矿区东部, 自北向南发育褶皱构造, 北部以朱集、 唐集背斜、尚塘耿村集向斜、陈桥背斜为代表,南部 以谢桥古沟向斜为主图 1。 沿矿区南北边缘发育一系 列叠瓦式走向逆冲断层,南缘主要有舜耕山断层和阜 凤断层,北缘主要有大兴集断层等,矿区周围南北走 向断层极发育,其中以陈桥断层为代表[4]。 图 1 研究区构造简图[4] Fig.1 Sketch map of structures in the study area 研究区地层岩性特征如图 2 所示。太原组厚 106.42 m, 其中灰岩累计厚度为 74.15 m, 约占总厚的 70, 泥岩累计厚 32.27 m,以黑色泥岩为主。太原组依据 岩性自下而上可划分为 11 组岩性序列, 每组序列主 要由泥晶灰岩或泥晶生屑灰岩和黑色泥岩或铝质 泥岩、粉砂岩组成;太原组下部各组序列石灰岩之 上多为黑色泥岩,而太原组上部石灰岩之上多为铝 质泥岩,夹杂砂岩和粉砂岩。山西组厚 75.95 m,主 要由泥岩、泥质砂岩、砂岩和煤层组成。根据岩性 自下而上可分为 4 组岩性序列,第一序列岩性为黑 色泥岩–粉砂质泥岩–细粒砂岩–煤层,呈逆粒序,其 他序列碎屑岩粒度自下而上逐渐变细, 从中粒砂岩– 细粒砂岩–粉砂质泥岩–泥岩,整体大致呈正粒序。 下石盒子组厚 129.18 m,主要由中–细粒砂岩、粉砂 岩、砂泥互层、泥岩和煤层组成,根据岩性自下而 上可分为 8 组岩性序列,下段由 6 组序列组成,每 组序列下部为中–细粒砂岩, 上部为泥岩或粉砂质泥 岩,呈正粒序;上段为两组序列,粒度自下而上逐 渐变细,由细粒砂岩过渡到泥岩,顶部为煤层[5]。 淮南矿区煤系总体上形成于海陆过渡环境,太 原组经历浅海陆棚沉积,海水进退频繁。碳酸盐潮 坪相与障壁砂坝–潟湖相交替沉积,发育 10 套灰泥 旋回组合[2]。结束太原组陆表海沉积后,山西组呈 海退趋势,海水作用明显减弱,河流作用加强,为 三角洲前缘沉积,至下石盒子组,海水作用基本消 失,逐步演化为河控三角洲平原沉积。 2 样品与测试方法 本文 18 件泥岩样品采自淮南矿区新集勘探区 1001 井钻孔岩心图 1,图 2。其中,太原组 5 件,山 西组 6 件,下石盒子组 7 件。对样品进行镜质体反射 率、有机碳含量、X 射线衍射全岩及黏土矿物分析。 镜质体反射率测试采用德国 Axio Imager Mlm 显微镜光度计, 在中国矿业大学分析测试中心完成, 有机碳含量测定依据国标 GB/T4762008煤中碳 和氢的测定方法 ,在江苏煤炭地质勘探研究所完 成,沉积岩有机质类型判别执行石油行业标准 SY/T51252014透射光–荧光干酪根显微组分鉴 定及类型 。取新鲜样品约 100 g,粉碎缩分,研磨 至 300 目,进行 X 射线衍射XRD检测矿物成分, 并采用浮选方法富集黏土矿物。XRD 测试条件为 Cu单色,工作电压为 40 kV,工作电流 30 mA,狭 缝宽 1 mm; 以 4/min 的速率在 3852θ范围内扫 描,根据 Rietveld 提出的半定量原理进行矿物成分 定量。相关测试结果见表 1 和表 2。 测试结果表明 1001 井煤系泥岩 TOC 质量分 数为 0.66.05,平均 2.44,总体偏低,整体 变化趋势不明显;干酪根类型以Ⅲ型为主,见少 量bⅡ型;镜质体反射率Rran为 0.581.34, 平值 0.95, 处于Ⅲ型有机质的生油窗和湿气生成 范围。 3 结果与讨论 3.1 泥岩样品矿物组成 全岩 XRD 测试结果表 2显示,泥岩样品含伊 利石、高岭石、伊蒙混层、绿泥石等黏土矿物,以 及石英、长石、菱铁矿和黄铁矿,部分样品含有方 解石、白云石等矿物及少量难以定性矿物图 3。从 ChaoXing 16 煤田地质与勘探 第 45 卷 图 2 1001 井含煤地层沉积相图及采样位置 Fig.2 Sedimentary facies and sampling position of coal-bearing series in well 1001 图中可以看出,泥岩矿物主要为石英和黏土矿物。石英 质量分数为21.649,平均36.3;黏土矿物质量分 数为 42.477.4,平均 55.8;白云石、长石、黄铁 矿、方解石等含量较少,质量分数平均小于 3。太原 组泥岩样品中石英等脆性矿物比例高于山西组和下石 盒子组,黄铁矿含量最高,黏土矿物平均含量最低;下 石盒子组样品黏土矿物含量最高。黏土矿物、石英等在 钻孔柱状上呈波状分布,黄铁矿呈递减分布趋势。这些 差异,在不同程度上反映了沉积环境供给物的差异。 在层位上,由底部到顶部黏土矿物有逐渐增加 的趋势,石英的含量有由底部到顶部逐渐减少,菱 铁矿、黄铁矿、方解石、白云石有明显减少直至消 失的趋势,钾长石和斜长石含量变化不明显。其中, 石英等脆性矿物含量和黏土矿物含量对泥页岩储层 改造及资源开采有不同程度的影响。 黏土矿物以伊/蒙混层和高岭石为主。伊/蒙混层矿 物质量分数为880, 平均46; 高岭石为7 77, 平均 38;伊利石和绿泥石质量分数均5。煤层中原生成因黄铁矿指示 还原环境,菱铁矿指示弱还原–弱氧化环境[18-19]。 在 1001 井太原组和山西组中,黄铁矿含量与泥岩 脆性指数呈正相关, 整体拟合特征也呈正相关趋势 图 7a。菱铁矿与脆性指数之间在太原组有较好的 正相关趋势,在山西组趋于负相关,在下石盒子组 无明显的拟合关系图 7b。这一关系指示从太原 图 7 泥页岩中黄铁矿和菱铁矿含量与脆性指数关系 Fig.7 Relationship between brittleness index and pyrite and siderite content in shale samples 组、山西组到下石盒子组,泥页岩沉积环境的还原性 减弱,脆性矿物或石英的含量降低,指示水动力条件 逐渐强化的沉积条件下脆性矿物含量反而减少。显然, 这一因果关系无法用脆性矿物的碎屑成因加以解释。 黏土矿物多是母岩物质风化和搬运沉积的直接 或间接产物。在潮湿气候酸性介质中,母岩经过强烈 淋滤易形成高岭石[18]。绿泥石一般在碱性条件下形 成,淋滤作用不强,一般只能在化学风化作用受抑制 的环境中保存下来[19-21]。伊利石是在温度较低、弱碱 性条件下,由长石、云母等铝硅酸盐矿物在风化脱钾 的情况下形成,常形成于海相沉积环境。如果气候湿 热,化学风化作用强烈,碱金属离子主要是 K、Na 易丢失,伊利石将向高岭石方向转化[22-24],即气候干 冷,淋滤作用不显著,有利于伊利石的形成和保存。 在 1001 井煤系泥页岩中, 伊利石含量与脆性指 数呈正相关趋势,高岭石含量与脆性指数趋于负相 关图 8。同时,由太原组、山西组到下石盒子组, 随着海洋影响的逐渐减弱,煤系泥页岩中高岭石含 量逐渐增高,伊利石含量逐渐减少。这一规律指示, 受海洋影响较强的泥页岩其脆性指数相对较高,反 之,脆性指数相对较低。这一认识,与黄铁矿–脆性 指数所指示的泥页岩脆性–沉积影响关系一致。 图 8 泥页岩中高岭石和伊利石含量与脆性指数关系 Fig.8 Relationship between brittleness index and kaolinite and illinite content of shale samples ChaoXing 20 煤田地质与勘探 第 45 卷 进一步来看, 1001 井煤系泥页岩中伊/蒙混层I/S 和绿泥石含量分别与脆性指数总体呈正相关趋势和 负相关趋势, 使得岩石脆性的地质影响因素更加复杂 化图 9。实际上,泥页岩中无论是黏土矿物还是脆 性矿物,他们的种类和含量都在相当程度上受到埋 藏成岩作用的影响[25]。这可能是前述泥页岩脆性特 征与沉积因素不尽一致的重要原因。 图 9 泥页岩中伊/蒙混层和绿泥石含量与脆性 指数拟合关系 Fig.9 Relationship between brittleness index and I/S mineral and chlorite content of shale samples 4 结 论 a. 研究区 1001 井煤系泥页岩 TOC 质量分数为 0.6 6.05,平均 2.44,含量偏低,整体变化趋 势不明显;干酪根类型以Ⅲ型为主,见少量Ⅱb 型; 成熟度处于生油窗或热降解气范围。 b. 泥页岩样品矿物成分以石英和黏土矿物为 主,少量菱铁矿、钾长石、斜长石等,黄铁矿主 要分布于太原组,白云石、方解石只见于太原组 底部;黏土矿物以伊/蒙混层和高岭石为主,伊利 石和绿泥石质量分数均小于 10,随岩性和层位 有所变化。 c. 泥页岩的脆性指数为 20~60, 平均 45。 石英含量由下石盒子组到太原组呈递增趋势,黏土 矿物呈递减趋势,脆性指数均大于 30且呈递增趋 势。各层位泥页岩有较好的可压裂改造潜力,山西 组、太原组尤为突出。与北美产气页岩各项指标相 比较,1001 井煤系泥页岩有机质丰度较低,成熟度 相当,脆性指数略低。 d. 受海洋影响较强的还原性沉积环境有利于 煤系泥页岩脆性矿物的发育,这一认识显然无法用 沉积环境水动力条件与碎屑矿物含量之间的常规关 系加以解释,可能在较大程度上受到埋藏成岩作用 的影响,有待进一步深入探讨。 致谢感谢中国矿业大学资源与地球科学学院 秦勇教授在论文创作中给予极大的帮助与指导。 参考文献 [1] 曹代勇, 姚征, 李靖. 煤系非常规天然气评价研究现状与发展 趋势[J]. 煤炭科学技术,2014,42189–92. 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