畢業(yè)論文——頁(yè)巖礦物組成和微裂隙特征

1、<p>　　分類號(hào) 密級(jí)</p><p>　　中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）</p><p>　　本 科 畢 業(yè) 論 文</p><p>　　題 目 四川盆地焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖 </p><p>　　礦物組成和微裂隙特征

2、 </p><p>　　英文題目 Characteristics of mineralogy and cracks in </p><p>　　Shale of Longmaxi Formation in Jiaoshiba </p><p>　　in Sichuang Basin </p><p

3、>　　學(xué)生姓名 院（系）地球科學(xué)與資源學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)地質(zhì)學(xué)（基地班） 學(xué) 號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職 稱 </p><p><b>　　年 月</

4、b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文選取來(lái)自四川盆地焦石壩地區(qū)龍馬溪組的頁(yè)巖樣品，通過(guò)氬離子拋光掃描電鏡技術(shù)、X射線粉晶衍射技術(shù)（XRD）和偏光顯微鏡的幫助，對(duì)其礦物學(xué)特征和微裂隙特征進(jìn)行觀察。研究發(fā)現(xiàn)，龍馬溪組頁(yè)巖石英含量較高，其脆性指數(shù)與美國(guó)Barnett和Bakken頁(yè)巖相近，具有較好的壓裂潛力；頁(yè)巖中黃鐵礦含量較高

5、，在開發(fā)過(guò)程中有可能產(chǎn)生酸性巖石廢水（acid mine drainage）。頁(yè)巖中觀察到的孔隙主要是有機(jī)質(zhì)孔和草莓狀黃鐵礦的粒間孔。除此之外，頁(yè)巖中含有未充填裂縫和受充填裂縫，前者寬度普遍比后者小，后者較前者更平直，并巖層理展布。頁(yè)巖中微裂隙主要分布在有機(jī)質(zhì)與粘土礦物的接觸帶，沿有機(jī)質(zhì)延伸方向展布，縫寬主要分布在40nm以內(nèi)，也有部分較大的微裂隙，但未發(fā)現(xiàn)寬度超過(guò)100nm的微裂隙。另外，可觀察到一定數(shù)量的沿白云石、方解石顆粒邊緣展布

6、的溶蝕縫，縫寬不均。</p><p>　　關(guān)鍵詞：頁(yè)巖； 礦物特征； 微裂隙</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The shale samples in this article are from Jiaoshiba in the Sichuan Basin. With the help of micro

7、scope , Ar-ion-milling technology and FESEM and XRD, the characteristics of menology and cracks are observed. According to the research, the percentage of quartz is high and the brittleness index of shale of Longmaxi For

8、mation is similar to that of Barnett shale and Bakken shale, which implies a potential of fracture. The amount of pyrite in the shale is so rich that it might generate acid mine drain</p><p>　　Key words: sha

9、le; mineralogy; cracks</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 選題背景與意義1</p><p>　　1.2 研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.1

10、美國(guó)對(duì)含氣頁(yè)巖的研究進(jìn)展1</p><p>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)對(duì)含氣頁(yè)巖的研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 研究?jī)?nèi)容2</p><p>　　1.3.1 資料調(diào)研2</p><p>　　1.3.2 礦物學(xué)特征研究2</p><p>　　1.3.3 儲(chǔ)集特征研究2</p><

11、;p>　　1.4 技術(shù)路線及主要工作量3</p><p>　　1.4.1 技術(shù)路線3</p><p>　　1.4.2 主要工作量3</p><p>　　2 四川盆地區(qū)域構(gòu)造背景4</p><p>　　2.1 地層及沉積特征概述4</p><p>　　2.2 早古生代地層區(qū)域構(gòu)造特征5<

12、;/p><p>　　2.3 焦石壩地區(qū)背景概述6</p><p><b>　　3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試7</b></p><p>　　3.1 樣品來(lái)源7</p><p>　　3.2 實(shí)驗(yàn)方法7</p><p>　　3.3 X射線粉晶衍射（XRD）7</p><p>　　

13、3.3.1 原理7</p><p>　　3.3.2 設(shè)備7</p><p>　　3.4 氬離子拋光技術(shù)7</p><p>　　3.5 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡7</p><p>　　3.5.1 原理7</p><p>　　3.5.2 設(shè)備8</p><p><b>

14、　　4 礦物特征9</b></p><p>　　4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果9</p><p>　　4.2 數(shù)據(jù)對(duì)比9</p><p>　　4.3 脆性礦物特征10</p><p>　　4.4 粘土礦物特征11</p><p>　　4.5 黃鐵礦特征12</p><p>

15、　　5 微裂隙特征14</p><p>　　5.1 分類方案14</p><p>　　5.2 孔裂隙生長(zhǎng)模型14</p><p>　　5.3 討論15</p><p>　　5.3.1 光學(xué)顯微鏡觀察15</p><p>　　5.3.2 孔裂隙微觀特征16</p><p>

16、<b>　　結(jié) 論21</b></p><p><b>　　致 謝22</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)23</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 選題背景與意義</p>

17、<p>　　中國(guó)作為領(lǐng)土大國(guó)，卻是能源小國(guó)。無(wú)可否認(rèn)，我國(guó)的石油與天然氣資源對(duì)外需求量很大，根據(jù)由中國(guó)石油集團(tuán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院編撰的《2013年國(guó)內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報(bào)告》，2013年我國(guó)石油和天然氣對(duì)外依存度分別達(dá)到58.1%和38.6%。值得一提的是，根據(jù)世界能源研究所在2014年9月的一項(xiàng)最新研究表明，中國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)量高達(dá)30萬(wàn)億立方米以上，居世界第一，幾乎是美國(guó)的兩倍。同樣的，根據(jù)美國(guó)能源信息署2013年6月的數(shù)據(jù)顯示，全球共

18、有7299tcf以上可采頁(yè)巖氣資源，中國(guó)占1115tcf，位列前茅。有關(guān)資料顯示[1]，美國(guó)近年來(lái)在頁(yè)巖氣上所獲得的成功使得美國(guó)本土商業(yè)用氣和工業(yè)用氣自2006年開始呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)，這和國(guó)際石油和天然氣價(jià)格大幅上漲形成鮮明對(duì)比。如果作為頁(yè)巖氣資源保有量如此之多的中國(guó)能夠合理開發(fā)利用這部分頁(yè)巖氣資源，中國(guó)的能源格局將迎來(lái)重大變革，中國(guó)將大大減輕對(duì)世界能源的依賴度，結(jié)合煤層氣和常規(guī)油氣資源的開發(fā)利用，中國(guó)有可能在能源上實(shí)現(xiàn)自給自足。&l

19、t;/p><p>　　根據(jù)國(guó)務(wù)院辦公廳最先發(fā)布的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》，未來(lái)幾年我國(guó)將重點(diǎn)突破煤層氣和頁(yè)巖氣開發(fā)，力爭(zhēng)2020年產(chǎn)氣量超過(guò)300億立方米。頁(yè)巖氣是指儲(chǔ)存在富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖中，以吸附氣和游離氣為主要存在方式的一種非常規(guī)能源。頁(yè)巖既是烴源層，也是儲(chǔ)層，對(duì)頁(yè)巖的研究是頁(yè)巖氣開發(fā)的理論基礎(chǔ)。礦物組成是巖石的最基本特征，對(duì)于礦物組成的研究將有助于了解巖石的基本特性，幫助了解頁(yè)巖的沉積環(huán)境

20、，有助于了解頁(yè)巖的生烴潛力和儲(chǔ)層特性。微裂隙既是頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集空間，也是頁(yè)巖氣的運(yùn)移通道，對(duì)于微裂隙的研究將有助于了解頁(yè)巖的儲(chǔ)集能力，為評(píng)估頁(yè)巖氣儲(chǔ)量提供理論基礎(chǔ)。更為重要的是，對(duì)于頁(yè)巖裂隙的研究將影響到后續(xù)開發(fā)工作，裂隙性質(zhì)、分布的不同將會(huì)影響到壓裂液的成分上的差異和壓裂方式的不同，目前，壓裂液的配方由研發(fā)公司掌握，且都高度保密。對(duì)于頁(yè)巖的礦物組成和微裂隙的研究工作是我國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)的理論依據(jù)，通過(guò)對(duì)其的研究，有助于劃分頁(yè)巖氣資源有利區(qū)，

21、為進(jìn)一步指導(dǎo)大規(guī)模開發(fā)頁(yè)巖氣有重要意義。</p><p><b>　　1.2 研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　由于“頁(yè)巖氣革命”的推動(dòng)，世界各地對(duì)頁(yè)巖氣相關(guān)工作展開了大量研究。每年有大量關(guān)于頁(yè)巖基礎(chǔ)物性的文章發(fā)表。各國(guó)學(xué)者從各個(gè)方面對(duì)頁(yè)巖展開研究，有研究地表樣品，也有研究深鉆樣品；有研究礦物學(xué)方面的，也有以地球物理學(xué)的方法技術(shù)來(lái)對(duì)頁(yè)巖展開研究。</p&g

22、t;<p>　　1.2.1 美國(guó)對(duì)含氣頁(yè)巖的研究進(jìn)展</p><p>　　美國(guó)是世界上頁(yè)巖氣開發(fā)最成功的一個(gè)國(guó)家。其學(xué)者立足本國(guó)五大盆地的頁(yè)巖，對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的研究工作。其中，Robert G. Loucks、 Robert M. Reed、 Stephen C. Ruppel;和Daniel M. Jarvie等人是該領(lǐng)域的佼佼者。他們對(duì)Fort Worth盆地的Barnett頁(yè)巖展開了詳盡的工

23、作。Richard M. Pollastro和Daniel M. Jarvie從構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和盆地演化的角度對(duì)Barnett頁(yè)巖進(jìn)行了詳盡的研究[2]。Robert G. Loucks在重要期刊AAPG中連發(fā)三篇文章，對(duì)頁(yè)巖的孔隙進(jìn)行了細(xì)致的研究，提出了目前主流的孔隙分類方案，分析研究了孔隙的展布對(duì)后期壓裂成縫的影響，并從層序地層學(xué)角度對(duì)Barnett的演化進(jìn)行了詳盡的研究。John A. Chermak和 Madeline E. Sch

24、reiber從微量元素和礦物中的黃鐵礦對(duì)五大盆地頁(yè)巖進(jìn)行了對(duì)比，提出了開發(fā)中可能產(chǎn)生酸性廢水的新思路。</p><p>　　Daniel M. Jarvie對(duì)頁(yè)巖礦物進(jìn)行了較詳細(xì)的研究，提出了從脆性礦物含量來(lái)粗略計(jì)算巖石的脆性指數(shù)，該計(jì)算方式之后成為了北美地區(qū)脆性指數(shù)計(jì)算的統(tǒng)一公式。Roderick Perez Altamar之后在Daniel M. Jarvie的理論上進(jìn)行了更新，提出了新的脆性指數(shù)的計(jì)算方法，

25、其將TOC也納入計(jì)算公式中，但目前，該觀點(diǎn)未被全面接受。在Fort Worth盆地的頁(yè)巖氣開采進(jìn)行到一定地步后，Kent A. Bowker對(duì)研究開發(fā)過(guò)程中一些問題進(jìn)行了綜合解答，提出了受充填裂縫和未充填裂縫在壓裂后不同的響應(yīng)特征，受充填的裂縫更易產(chǎn)生多方向的裂隙，而未受充填的裂縫壓裂后更傾向于產(chǎn)生單方向的裂隙，改變了受充填裂隙壓裂后不容易產(chǎn)生裂縫的陳舊觀念。</p><p>　　這些美國(guó)學(xué)者在研究頁(yè)巖過(guò)程中，主

26、要是從有機(jī)地化的角度，結(jié)合礦物學(xué)和孔隙特征，對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行研究。但是，雖然很多學(xué)者都關(guān)注到孔隙，但卻沒有學(xué)者對(duì)裂隙進(jìn)行詳細(xì)的研究，頁(yè)巖氣開發(fā)過(guò)程中會(huì)用到的壓裂技術(shù)能使隔絕的孔裂隙聯(lián)通起來(lái)，但如果知道納米級(jí)別的裂隙的分布特征，以及和礦物直接的關(guān)系，這將對(duì)壓裂作業(yè)提供重要的指導(dǎo)，為頁(yè)巖氣開發(fā)提供重要的理論基礎(chǔ)。</p><p>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)對(duì)含氣頁(yè)巖的研究現(xiàn)狀</p><p>　　我國(guó)幅

27、員遼闊，領(lǐng)土面積位居世界第三，有4個(gè)主要盆地：四川盆地、塔里木盆地、柴達(dá)木盆地和準(zhǔn)格爾盆地。目前，我國(guó)頁(yè)巖氣相關(guān)工作以四川盆地為中心，正如火如荼的開展。有關(guān)四川盆地頁(yè)巖的文章也數(shù)不勝數(shù)。</p><p>　　四川盆地中以寒武系牛蹄塘組和下志留系龍馬溪組的海相頁(yè)巖為重點(diǎn)層位，對(duì)其的研究井已有數(shù)口。文獻(xiàn)資料方面十分充足。與美國(guó)學(xué)者所發(fā)表的文章不同，國(guó)內(nèi)學(xué)者發(fā)表的文章很多是集中在礦物學(xué)方面的研究。陳文玲[28]等人對(duì)長(zhǎng)

28、芯1井的龍馬溪組頁(yè)巖進(jìn)行了非常詳細(xì)的礦物成分分析，陳尚斌[3]等人對(duì)龍馬溪組地表頁(yè)巖樣品進(jìn)行了礦物成分分析，李娟[35]等人則是重點(diǎn)關(guān)注粘土礦物對(duì)頁(yè)巖的影響，提出綠泥石含量與孔隙度呈現(xiàn)微弱的正相關(guān)關(guān)系，而與滲透率呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系。</p><p>　　在孔裂隙方面，我國(guó)學(xué)者立足于Robert G. Loucks等人的理論，將理論與中國(guó)國(guó)內(nèi)的頁(yè)巖實(shí)際相結(jié)合，探索國(guó)內(nèi)頁(yè)巖微觀孔隙的形態(tài)和特征分布情況。整體上，微觀

29、尺度上兩國(guó)的頁(yè)巖孔隙沒有太大的差別。除了微觀裂隙外，我國(guó)學(xué)者還對(duì)該地層的宏觀裂隙進(jìn)行了充分的研究。王世澤[35]對(duì)裂縫進(jìn)行了觀察并測(cè)量裂縫產(chǎn)狀，分析長(zhǎng)寧地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖的裂縫優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀，并探索與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和礦物之間的關(guān)系。亦有很多學(xué)者在探討龍馬溪組有機(jī)質(zhì)富集原因和沉積環(huán)境進(jìn)行探討。張小龍[36]等人結(jié)合龍馬溪頁(yè)巖熱解分析、同位素分析、巖石學(xué)和化石特征,認(rèn)為控制龍馬溪組烴源巖有機(jī)質(zhì)富集的主要原因是海平面升高、氣候變暖和深水還原環(huán)境,導(dǎo)致有機(jī)

30、質(zhì)產(chǎn)率高且保存好。而張春明[37-38]等人認(rèn)為龍馬溪組底部缺氧的滯留環(huán)境和緩慢的沉積速率是龍馬溪組優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的主要因素，其優(yōu)質(zhì)烴源巖主要發(fā)育在龍馬溪初期的缺氧還原環(huán)境，龍馬溪后期缺氧環(huán)境遭受破壞，有機(jī)質(zhì)保存條件變差，印證了龍馬溪早期為深水陸棚和晚期為淺水陸棚的沉積環(huán)境。</p><p><b>　　1.3 研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　本次的研究立足于

31、對(duì)頁(yè)巖礦物學(xué)特征和微裂隙特征，收集并整理國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，結(jié)合文獻(xiàn)資料和地面樣品分析，通過(guò)四川盆地龍馬溪組頁(yè)巖與美國(guó)Fort Worth盆地的Barnett頁(yè)巖對(duì)比，分析研究區(qū)內(nèi)的構(gòu)造背景、沉積序列以及頁(yè)巖的礦物學(xué)特征和微裂隙特征。主要開展以下3 個(gè)方面的研究工作：</p><p>　　1.3.1 資料調(diào)研</p><p>　　通過(guò)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，調(diào)研四川盆地和美國(guó)Fort Worth盆地的區(qū)域地

32、質(zhì)特征，對(duì)兩地的構(gòu)造背景和沉積序列進(jìn)行充分的了解。 </p><p>　　1.3.2 礦物學(xué)特征研究</p><p>　　對(duì)四川盆地泥頁(yè)巖樣品進(jìn)行礦物學(xué)特征分析，包括巖石薄片鑒定和XRD全巖及粘土礦物分析，探索礦物組成對(duì)頁(yè)巖氣開發(fā)過(guò)程可能造成的問題。</p><p>　　1.3.3 儲(chǔ)集特征研究</p><p>　　對(duì)四川盆地泥頁(yè)巖樣品進(jìn)

33、行儲(chǔ)集特征分析，包括薄片觀察和掃描電鏡觀察，在宏觀尺度和微觀下觀察樣品中的微裂隙特征，包括寬度、長(zhǎng)度、分析力學(xué)性質(zhì)等。</p><p>　　1.4 技術(shù)路線及主要工作量</p><p>　　1.4.1 技術(shù)路線</p><p>　　研究所采取的技術(shù)路線如圖1-1所示。</p><p>　　1.4.2 主要工作量</p>&

34、lt;p>　　經(jīng)過(guò)近一年的研究工作，完成了論文設(shè)計(jì)的全部工作量（表1-1）。</p><p>　　2 四川盆地區(qū)域構(gòu)造背景</p><p>　　四川盆地北以秦嶺-米倉(cāng)山-大巴山推覆造山帶為界與華北板塊接壤；東南方依武陵山-雪峰山推覆造山帶為界與江南古隆起區(qū)相鄰；西部則是龍門山-攀西推覆造山帶緊鄰青藏高原，是龍門山-峨眉山-大涼山一線以東整個(gè)四川東部地區(qū)和重慶地區(qū)[5]。盆地具明顯菱

35、形邊框，西北和東南兩條邊界稍長(zhǎng)，呈北東向延伸；西南和東北邊界略有彎曲[4]。該盆地在構(gòu)造上屬（上）揚(yáng)子板塊的一部分，印支期時(shí)該盆地已有雛形，后經(jīng)喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)褶皺成現(xiàn)今的面貌。全區(qū)盆地面積約19*104km2，是一個(gè)在前震旦系變質(zhì)巖基底上沉積了巨厚的震旦紀(jì)～中三疊世海相碳酸鹽巖和晚三疊世～始新世陸相碎屑巖的大型含油氣盆地區(qū)。</p><p>　　2.1 地層及沉積特征概述</p><p>

36、　　組成四川盆地的沉積蓋層大致由兩個(gè)階段完成。第一階段為震旦紀(jì)至中三疊世的海相碳酸鹽巖臺(tái)地發(fā)展階段，該階段可大致分為三個(gè)主要的沉積時(shí)期：臺(tái)地沉積早期（Z-S）、中期（D-C）和晚期（P-T2）；第二階段為晚三疊世到始新世的陸相碎屑巖沉積盆地發(fā)展階段。</p><p>　　四川盆地晚震旦世晚期是一次廣泛的自東向西海侵沉積期，主要發(fā)育濱淺海相砂巖、泥巖夾磷塊巖和臺(tái)地相白云巖夾硅質(zhì)頁(yè)巖，其中在長(zhǎng)寧等局限臺(tái)地相中夾膏巖。

37、早寒武世，四川盆地是淺海臺(tái)地相含磷白云巖和硅質(zhì)巖沉積，是之前碳酸鹽臺(tái)地相沉積的延續(xù)。此后，發(fā)生區(qū)域地殼上升活動(dòng)，由萬(wàn)源巖華鎣山、瀘州、水城一線以西為濱淺海碎屑巖夾碳酸鹽巖，底棲型三葉蟲大量發(fā)育；以東則為滯流淺海相黑色泥頁(yè)巖、含磷灰?guī)r逐漸過(guò)渡為臺(tái)地相碳酸鹽巖。早寒武世晚期為局限臺(tái)地相云質(zhì)灰?guī)r，反映一次海退和海水咸化過(guò)程。中晚寒武世繼承了早寒武沉積格局，但逐漸海退，臺(tái)地水體變淺，以潮坪相和局限臺(tái)地相泥頁(yè)巖、白云巖為主[6]。奧陶系下部發(fā)育粉

38、砂巖、生物灰?guī)r和白云巖；中晚奧陶世海侵規(guī)模擴(kuò)大，發(fā)育塊狀灰?guī)r，西部發(fā)育泥質(zhì)灰?guī)r和白云巖；奧陶紀(jì)晚期海侵達(dá)到高潮，五峰組發(fā)育黑色碳質(zhì)頁(yè)巖和硅質(zhì)層。奧陶紀(jì)末期，四川盆地發(fā)生海退，上揚(yáng)子地臺(tái)逐漸的水下隆起露出海面，陸地?cái)U(kuò)大。早志留紀(jì)早期，海域?yàn)榘敕忾]的滯流海盆[6]，盆地東部龍馬溪組下部發(fā)育富含筆石的黑色頁(yè)巖，屬?gòu)V海陸棚相，西部區(qū)域發(fā)育開闊海臺(tái)地相的粉細(xì)砂巖、頁(yè)巖和灰?guī)r；中志留統(tǒng)發(fā)育灰、黃色頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、紫紅色頁(yè)巖等</p>

39、<p>　　石炭系僅在盆地東部保留了黃龍組，為生物碎屑灰?guī)r、角礫狀白云巖，部分地區(qū)底部夾有薄層石膏。早二疊海侵初期，普遍沉積了河湖沼澤和濱海沼澤相砂、泥巖、泥灰?guī)r，中期為淺海臺(tái)地相灰?guī)r，早二疊晚期，發(fā)育塊狀灰?guī)r、白云巖，局部夾黑色頁(yè)巖；上二疊統(tǒng)沉積相帶由陸到海呈東西向分布，南北延伸，東北部地區(qū)發(fā)育開闊海臺(tái)地相沉積，西南部地區(qū)發(fā)育海陸過(guò)渡相和陸相沉積，同時(shí)北西向的開江－梁平海槽開始裂開，在槽內(nèi)發(fā)育深水沉積。早三疊世繼承了晚二疊世

40、的構(gòu)造沉積環(huán)境，東部地區(qū)發(fā)育粉晶灰?guī)r、鮞?；?guī)r、白云巖、石膏，西部為海陸過(guò)渡相沉積和平原河流相沉積；中三疊世海盆面貌發(fā)生深刻變化，海盆環(huán)境西深東淺，東部為海陸過(guò)渡相，發(fā)育紫紅、灰色泥巖、砂泥巖、泥灰?guī)r，中西部為局限海臺(tái)地相，發(fā)育灰?guī)r、白云巖夾石膏和巖鹽；晚三疊世早期川西地區(qū)接受了濱海－淺海相沉積，發(fā)育暗色泥巖夾粉細(xì)砂巖和煤層，東側(cè)地勢(shì)較高，未接受沉積；隨著西側(cè)海水退去，一個(gè)大型的內(nèi)陸湖盆逐漸形成，沉積了厚層砂巖、泥頁(yè)巖、粉砂巖夾煤層組成

41、的須家河組沉積。中下侏羅統(tǒng)紫紅色泥巖、灰色泥頁(yè)巖夾薄煤層，在東南部廣泛出露。白堊系主要分布在川西、川北和川南地區(qū)，為碎屑巖沉積。第三系盆地內(nèi)絕</p><p>　　總體來(lái)看，四川盆地在寒武紀(jì)經(jīng)歷了一個(gè)海進(jìn)海退序列，在奧陶紀(jì)再次海侵，末期達(dá)到高潮，志留紀(jì)開始海退，泥盆紀(jì)進(jìn)入剝蝕階段，未有沉積。二疊紀(jì)開始，海水從東北逐步擴(kuò)大到西南地區(qū)，到了中三疊世以后，格局發(fā)生變化，西深東淺，東部由海轉(zhuǎn)陸，西部海水逐漸退去。晚三疊之

42、后，全區(qū)轉(zhuǎn)為內(nèi)陸湖盆沉積。</p><p>　　2.2 早古生代地層區(qū)域構(gòu)造特征</p><p>　　早古生代時(shí)期，四川盆地總體處于相對(duì)較穩(wěn)定的、以隆升和坳陷作用為主的構(gòu)造背景中，隆起可分為邊緣隆起和板內(nèi)隆起，前者如龍門山邊緣隆起和江南-大巴山邊緣隆起，后者包括樂山-龍女寺隆起、黔中隆起。邊緣隆起走向與板塊邊界走向平行，板內(nèi)隆起主要為北北東向（圖2-1）。兩種類型的隆起在形成、演化和后期

43、改造上有著明顯差異，該差異導(dǎo)致了含油氣性差異[7]。</p><p>　　加里東旋回一般是指寒武紀(jì)到志留紀(jì)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。主要運(yùn)動(dòng)有三期：第一期在震旦紀(jì)末（桐灣運(yùn)動(dòng)），表現(xiàn)為大規(guī)模抬升，燈影組上部廣遭剝蝕，與寒武系間為假整合接觸；第二期在中晚奧陶世之間，但在四川盆地表現(xiàn)不明顯；第三期在志留紀(jì)末（晚加里東運(yùn)動(dòng)），是一次涉及范圍廣而且影響深遠(yuǎn)的地殼運(yùn)動(dòng)。這次運(yùn)動(dòng)使江南古陸東南的華南地槽區(qū)全面回返，下古生界褶皺變形。在揚(yáng)子

44、準(zhǔn)地臺(tái)內(nèi)部雖沒有見到明顯的褶皺運(yùn)動(dòng)，但是，大型的隆起和坳陷以及斷塊的升降活動(dòng)還是比較突出的，如貴州黔中隆起和四川樂山－龍女寺隆起。四川樂山－龍女寺隆起是加里東運(yùn)動(dòng)在地臺(tái)內(nèi)部形成的、影響范圍最廣的一個(gè)大型隆起，自西而東從盆地西南向東北方向延伸，基本上代表了北東東向的一組構(gòu)造，它的形成可能和基底隆起有關(guān)。加里東期樂山－龍女寺古隆起不僅和盆地中部硬性基底隆起帶有相同的構(gòu)造走向，而且在平面位置上也與之大體符合，具有延伸范圍廣幅度大的特點(diǎn)。組成該

45、隆起核部的最老地層為震旦系及寒武系。外圍坳陷區(qū)為志留系現(xiàn)經(jīng)鉆探證實(shí)，川中地區(qū)龍女寺構(gòu)造的女基井缺失志留系。該井中保留的下古生界最新地層是奧陶系底部（殘留厚度39 米）。向西到龍泉山背斜油罐頂構(gòu)造的油1 井和大興構(gòu)造的大</p><p>　　康滇隆起及其東緣的坳陷帶是南北方向延伸的另一組巨型構(gòu)造?？档崧∑鹗冀K保持正向上升運(yùn)動(dòng)，而在其東緣因受安寧河、小江一甘洛斷裂活動(dòng)控制則為坳陷區(qū)，不僅沉積巨厚，而且由于升降差異，還

46、常常導(dǎo)致不同時(shí)期地層缺失、超覆和巖性發(fā)生劇烈變化。在后期剝蝕過(guò)程中，介于兩斷裂帶之間的地帶為負(fù)向區(qū)，被保留的地層較全，有中志留統(tǒng)上部存在。而在小江一甘洛斷裂東側(cè)則相對(duì)抬升較高，被保留的地層少，一般只殘留下志留統(tǒng)下部。這一斷裂活動(dòng)向北可能已伸入到樂山一龍女寺隆起帶的西南端，促使后者在雅安、樂山一帶局部呈南北走向。二者構(gòu)造線方向斜接復(fù)合[9]。</p><p>　　此外，龍門山一帶表現(xiàn)也很明顯，在這里除了龍門山深斷裂

47、對(duì)地臺(tái)和地槽區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造發(fā)展起著直接的控制作用以外，在其東側(cè)還有一條與之相伴而生的彭灌大斷裂。它在加里東運(yùn)動(dòng)中表現(xiàn)為強(qiáng)烈的上升活動(dòng)，志留系、奧陶系、甚至部分下寒武統(tǒng)全被剝掉，形成天井山加里東期線形隆起。其東側(cè)與樂山一龍女寺隆起帶間隔著一個(gè)狹長(zhǎng)坳陷，西側(cè)則呈斜坡向地槽區(qū)過(guò)渡[9]。</p><p>　　漢南-大巴山加里東期古隆起位于上揚(yáng)子板塊北部邊緣，北與秦嶺海槽相接，大巴山前緣古構(gòu)造研究表明，區(qū)內(nèi)自晚震旦世到中三

48、疊世末具有繼承性邊緣隆起特征。臺(tái)緣古隆起的繼承發(fā)展無(wú)疑對(duì)油氣的早期聚集有利。川東南古斜坡自晚震旦世至志留紀(jì)一直處于古隆起斜坡位置，地層厚度大，沉積相帶東西分異明顯。值得注意的是瀘州-長(zhǎng)寧地區(qū)為多期地層厚度加大區(qū)，尤燈影組、下寒武統(tǒng)以及志留系最為明顯，又可稱之為川南坳陷，是下古生界重要的生烴中心[7]。</p><p>　　2.3 焦石壩地區(qū)背景概述</p><p>　　焦石壩地區(qū)位于四川

49、盆地川東高陡褶皺帶包鸞一焦石壩背斜構(gòu)造區(qū)。西側(cè)以華鎣山深大斷裂為界與川中構(gòu)造區(qū)相接，東側(cè)以齊西深大斷裂為界與鄂西斷褶帶相鄰，北側(cè)與秦嶺褶皺帶相接。從南至北，構(gòu)造走向由NNW轉(zhuǎn)向NNE，再轉(zhuǎn)向NE，形成四川盆地最具特征的弧形褶皺帶。區(qū)域資料顯示，焦石壩地區(qū)發(fā)育晚震旦世至三疊紀(jì)地層，除中晚志留世到石炭紀(jì)外，各時(shí)代地層發(fā)育齊全，中寒武統(tǒng)平井組至三疊系嘉陵江組累積厚度約4000 m[10]。晚奧陶世時(shí)期，南部黔中隆起、西部川中隆起、東部雪峰古隆

50、起，使早中奧陶世從具有廣海特征的海域轉(zhuǎn)變?yōu)楸宦∑鹚鶉薜木窒藓Ｓ?。志留紀(jì)時(shí)期，該處發(fā)育了龍馬溪組頁(yè)巖。龍馬溪組下部為黑色頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖，發(fā)育豐富的筆石化石，常含黃鐵礦結(jié)核。上部為黃綠色頁(yè)巖及砂質(zhì)頁(yè)巖夾粉砂巖及泥灰?guī)r。龍馬溪組的油氣潛力主要集中在下部。</p><p><b>　　3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試</b></p><p><b>　　3.1 樣品來(lái)源</

51、b></p><p>　　樣品取自四川盆地重慶焦石壩地區(qū)的野外露頭，數(shù)量為5塊。</p><p><b>　　3.2 實(shí)驗(yàn)方法</b></p><p>　　本文對(duì)樣品進(jìn)行偏光顯微鏡下薄片觀察，XRD全巖及粘土定量分析，氬離子拋光及場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下觀察。偏光顯微鏡觀察是研究巖石的最基本手段，可以對(duì)巖性以及較大尺度的裂隙進(jìn)行觀察。</

52、p><p>　　3.3 X射線粉晶衍射（XRD）</p><p><b>　　3.3.1 原理</b></p><p>　　X射線是原子內(nèi)層電子在高速運(yùn)動(dòng)電子的轟擊下躍遷而產(chǎn)生的光輻射，主要有連續(xù)X射線和特征X射線兩種。晶體可被用作X光的光柵，這些很大數(shù)目的原子或離子/分子所產(chǎn)生的相干散射將會(huì)發(fā)生光的干涉作用，從而影響散射的X射線的強(qiáng)度增強(qiáng)或減

53、弱。由于大量原子散射波的疊加，互相干涉而產(chǎn)生最大強(qiáng)度的光束稱為X射線的衍射線。滿足衍射條件，可應(yīng)用布拉格公式：2dsinθ=nλ。應(yīng)用已知波長(zhǎng)的X射線來(lái)測(cè)量θ角，從而計(jì)算出晶面間距d，這是用于X射線結(jié)構(gòu)分析；另外，可應(yīng)用已知d的晶體來(lái)測(cè)量θ角，從而計(jì)算出特征X射線的波長(zhǎng)，進(jìn)而可在已有資料查出試樣中所含的元素。</p><p><b>　　3.3.2 設(shè)備</b></p>&l

54、t;p>　　本次實(shí)驗(yàn)在中石化石油勘探開發(fā)研究院中進(jìn)行，檢測(cè)儀器為X射線衍射儀，型號(hào)為日本理學(xué)的Rigaku D/Max 2500，檢測(cè)依據(jù)為《沉積巖中粘土礦物和常見非粘土礦物X射線衍射分析方法》SY/T5163=2010。</p><p>　　3.4 氬離子拋光技術(shù)</p><p>　　氬離子拋光是一種樣品前處理技術(shù)，其目的是利用離子束對(duì)樣品表面進(jìn)行削平拋光處理，以便利用掃描電鏡等

55、顯微觀察工具觀察樣品表面的微觀特征。泥頁(yè)巖結(jié)構(gòu)致密，孔隙微小，自然斷面樣品表面粗糙，使用普通的手動(dòng)機(jī)械拋光，由于樣品本身的酥松性，會(huì)形成新的孔裂隙 [11]，很難得到其真實(shí)的內(nèi)部孔隙分布，更談不上觀察納米級(jí)孔隙及孔隙的大小、形狀、分布特征等。利用氬離子拋光技術(shù)對(duì)預(yù)磨好的樣品表面進(jìn)行處理后，能夠獲得平滑的截面，并且不會(huì)對(duì)樣品造成機(jī)械損害[33]。</p><p>　　氬離子拋光儀具有兩支可調(diào)節(jié)的離子槍，且具備帶有低

56、溫加工技術(shù)的液氮冷臺(tái)，可以消除熱效應(yīng)對(duì)于樣品造成的影響和破壞。泥頁(yè)巖樣品通過(guò)氬離子拋光后，得到約長(zhǎng)寬1 mm 左右的觀察區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)可以觀察其孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙類型和分布特征，在后期結(jié)合數(shù)字處理軟件，還可以計(jì)算其面孔率[33]。</p><p>　　3.5 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡</p><p><b>　　3.5.1 原理</b></p><p

57、>　　掃描電子顯微鏡的制造依據(jù)是電子與物質(zhì)的相互作用，從原理上講就是利用聚焦得非常細(xì)的高能電子束在試樣上掃描，激發(fā)出各種物理信息。通過(guò)對(duì)這些信息的接受、放大和顯示成像，獲得測(cè)試試樣表面形貌的觀察。當(dāng)在真空中的金屬表面受到108V/cm大小的電子加速電場(chǎng)時(shí)，會(huì)有可觀數(shù)量的電子發(fā)射出來(lái)，此過(guò)程叫做場(chǎng)發(fā)射，其原理是高電場(chǎng)使電子的電位障礙產(chǎn)生Schottky效應(yīng)，亦即使能障寬度變窄，高度變低，因此電子可直接"穿隧"通過(guò)

58、此狹窄能障并離開陰極。場(chǎng)發(fā)射電子是從很尖銳的陰極尖端所發(fā)射出來(lái)，因此可得極細(xì)而又具高電流密度的電子束，其亮度可達(dá)熱游離電子槍的數(shù)百倍，甚至千倍。</p><p>　　場(chǎng)發(fā)射電子槍所選用的陰極材料必需是高強(qiáng)度材料，以能承受高電場(chǎng)所加諸在陰極尖端的高機(jī)械應(yīng)力，鎢即因高強(qiáng)度而成為較佳的陰極材料。場(chǎng)發(fā)射槍通常以上下一組陽(yáng)極來(lái)產(chǎn)生吸取電子、聚焦、及加速電子等功能。利用陽(yáng)極的特殊外形所產(chǎn)生的靜電場(chǎng)，能對(duì)電子產(chǎn)生聚焦效果，所以

59、不再需要威氏罩或柵極。要從極細(xì)的鎢針尖場(chǎng)發(fā)射電子，金屬表面必需完全干凈，無(wú)任何外來(lái)材料的原子或分子在其表面，即使只有一個(gè)外來(lái)原子落在表面亦會(huì)降低電子的場(chǎng)發(fā)射，所以場(chǎng)發(fā)射電子槍必需保持超高真空度，來(lái)防止鎢陰極表面累積原子。</p><p>　　冷場(chǎng)發(fā)射式最大的優(yōu)點(diǎn)為電子束直徑最小，亮度最高，因此影像解析度最優(yōu)。能量散布最小，故能改善在低電壓操作的效果。為避免針尖被外來(lái)氣體吸附，而降低場(chǎng)發(fā)射電流，并使發(fā)射電流不穩(wěn)定，

60、冷場(chǎng)發(fā)射式電子槍必需在10-10 torr的真空度下操作，雖然如此，還是需要定時(shí)短暫加熱針尖至2500K(此過(guò)程叫做flashing)，以去除所吸附的氣體原子。它的另一缺點(diǎn)是發(fā)射的總電流最小。</p><p><b>　　3.5.2 設(shè)備</b></p><p>　　本次實(shí)驗(yàn)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡采用北京大學(xué)電鏡實(shí)驗(yàn)室的FEI Nano SEM 430，設(shè)備參數(shù)：電子槍：加

61、速電壓：200V-30kV，連續(xù)可調(diào)。分辨率：高真空模式：1.0nm @ 15 kV, 1.6nm @ 1 kV；低真空模式：1.5nm @ 10kV; 1.8nm @ 3kV；真空模式：1.8nm @ 3 kV (Helix探頭)；背散射電子(BSE)：2.5nm @ 30kV。</p><p><b>　　4 礦物特征</b></p><p><b>

62、　　4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果</b></p><p>　　頁(yè)巖主要由石英、長(zhǎng)石、方解石和粘土礦物組成。根據(jù)X射線粉晶衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本次樣品中，石英含量最高為42.7%，最低為31.8%，平均含量37.7%；長(zhǎng)石含量最高14.2%，最低為9.4%，平均含量為10.8%；方解石含量最高為7.9%，最低為4.0%，平均含量6.1%；白云石含量最高為4.2%，最低為1.8%，平均含量2.8%；黃鐵礦含量最高為5.6

63、%，最低為4.3%，平均含量5.1%；粘土礦物最高為41.9%。最低為31.8%，平均含量為37.5%。粘土礦物中主要成分為伊利石（平均含量98%），并含極其少量的高嶺石（平均含量1%）和綠泥石（平均含量1%）。</p><p><b>　　4.2 數(shù)據(jù)對(duì)比</b></p><p>　　將本次樣品的數(shù)據(jù)投到到碳酸鹽-粘土-長(zhǎng)石+石英的三角圖中（圖4-1），并和龍馬溪

64、組巖芯樣進(jìn)行對(duì)比，巖芯樣為渝Y1井和長(zhǎng)芯1井龍馬溪組的樣品。同時(shí)，引入美國(guó)幾個(gè)盆地的頁(yè)巖數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)全部源于已發(fā)表的文獻(xiàn)中（表4-1），其中Marcellus頁(yè)巖數(shù)據(jù)包含露頭樣品和巖芯樣品的數(shù)據(jù)。</p><p>　　從圖4-1中可以看出，雖然來(lái)自不同的盆地不同時(shí)期，但頁(yè)巖的礦物組成上各個(gè)盆地差異并不大，主要集中在圖中的下方，以含量較高的石英、長(zhǎng)石和粘土礦物以及較少的碳酸鹽為特征，長(zhǎng)石和石英含量不少于40%，粘土礦

65、物含量不高于50%，而碳酸鹽含量不高于20%。再看圖4-2的石英-長(zhǎng)石-粘土礦物三角圖，可以看出，各個(gè)盆地的頁(yè)巖長(zhǎng)石含量基本都在20%以內(nèi)，比較引人注目的是，Marcellus頁(yè)巖粘土成分比較高，多在60%以上，而龍馬溪組、Bakken、Barnett頁(yè)巖則是石英含量比較高，多在40%以上。富石英的頁(yè)巖通常情況下被認(rèn)為脆性比富粘土的頁(yè)巖好，利于壓裂生縫。</p><p>　　將來(lái)自龍馬溪組的露頭樣（樣品）和巖芯樣

66、數(shù)據(jù)（渝Y1井和長(zhǎng)芯1井）進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)加入Marcellus頁(yè)巖的露頭數(shù)據(jù)和巖芯樣數(shù)據(jù)，得到圖4-3。從該圖中可以看出兩點(diǎn)，一是露頭樣和巖芯樣在礦物組成上并無(wú)太大區(qū)別。雖然成巖后由于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下，一部分地層上升出露地表，一部分還埋藏在地下，但此后并未對(duì)礦物組成造成很大的影響。長(zhǎng)芯1井和渝Y1井在圖中的分布不完全混合，這可能是和實(shí)驗(yàn)樣品的選取有關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)記載，長(zhǎng)芯1井是對(duì)所有樣品進(jìn)行了檢測(cè)，本文從長(zhǎng)芯1井底部數(shù)據(jù)往上，每10m取

67、數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；而渝Y1井的是挑選含氣量較高的儲(chǔ)層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，本文采用了該文所有數(shù)據(jù)。二是Marcellus頁(yè)巖的粘土礦物組成中，除了含有伊利石外，還含有較多的綠泥石，龍馬溪組則是富含伊利石，綠泥石和高嶺石含量都非常少，造成這種現(xiàn)象的原因還是沉積環(huán)境的巨大差異造成的。Marcellus形成于溫暖、高鹽、缺氧環(huán)境[29]。而龍馬溪組主要是形成于缺氧泥質(zhì)深水陸棚沉積環(huán)境[31]。</p><p>　　4.3 脆性礦物特

68、征</p><p>　　頁(yè)巖中除了以上礦物外，還有一定量的脆性礦物。脆性是用以衡量材料破裂后伴隨的塑性流動(dòng)的多少[23]，是材料的一種基本物理性質(zhì)。精確的脆性指數(shù)需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，但考慮到脆性與礦物成分密切相關(guān)，本文通過(guò)脆性礦物含量近似衡量巖石脆性。Jarvie等（2007）采用等式1來(lái)衡量巖石脆性[23]，這是北美地區(qū)脆性指數(shù)的主要計(jì)算方法。但考慮到長(zhǎng)石、白云石等也是脆性礦物[25]，本文將會(huì)分別采用兩個(gè)等式

69、來(lái)計(jì)算脆性指數(shù)。</p><p><b>　　公式4-1</b></p><p><b>　　公式4-2</b></p><p>　　BI：脆性指數(shù)；Qz：石英含量；Ca：方解石含量；Cly：粘土礦物含量；</p><p>　　Dol：白云石含量；Fsp：長(zhǎng)石含量</p><p&

70、gt;　　脆性礦物含量的高低對(duì)頁(yè)巖氣的開發(fā)有重要意義，美國(guó)Fort Worth盆地的Barnett頁(yè)巖之所以能如此高產(chǎn)天然氣，除了本身具有很大的儲(chǔ)量外，其脆性及對(duì)壓裂增產(chǎn)措施的響應(yīng)是關(guān)鍵[24]。如果單個(gè)小儲(chǔ)集空間無(wú)法通過(guò)壓裂增產(chǎn)措施打通，那么即使有機(jī)質(zhì)能產(chǎn)生并儲(chǔ)存大量烴類，也不能形成高產(chǎn)的氣田。頁(yè)巖脆性越好，則越容易產(chǎn)生天然裂縫和人工誘導(dǎo)縫，有利于開發(fā)。</p><p>　　從表4-2中可以看出，由于算法的不同

71、，兩種脆性指數(shù)數(shù)值上BI(2)明顯大于BI(1)，但這種簡(jiǎn)易算法得出的脆性指數(shù)肯定是無(wú)法與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)相提并論的，兩種脆性指數(shù)的結(jié)果只能在各自的算法內(nèi)相互比較。由于Haynesville和Woodford的數(shù)據(jù)過(guò)少，此處不應(yīng)該納入考慮。從渝Y1井、長(zhǎng)芯1井和實(shí)驗(yàn)樣品的數(shù)據(jù)中可以看出，無(wú)論是哪種算法，實(shí)驗(yàn)樣品的數(shù)據(jù)和鉆孔的數(shù)據(jù)基本保持一致，未顯現(xiàn)特別大的偏差。這說(shuō)明某種程度上來(lái)說(shuō)，通過(guò)研究風(fēng)化情況很弱的露頭樣品可以用來(lái)反映同組深部巖石的情況

72、。Marcellus的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也證明了這一點(diǎn)。</p><p>　　對(duì)比龍馬溪組（渝Y1井、長(zhǎng)芯1井和實(shí)驗(yàn)樣品）和Barnett和Bakken的脆性指數(shù)數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)，脆性指數(shù)的平均值基本相同，說(shuō)明龍馬溪組和美國(guó)的頁(yè)巖脆性相當(dāng)，脆性指數(shù)的類似表明龍馬溪組頁(yè)巖也具有較好的壓裂潛力。再看渝Y1井的數(shù)據(jù)和長(zhǎng)芯1井的數(shù)據(jù)，無(wú)論哪種算法，渝Y1井的數(shù)據(jù)在最大值、最小值和平均值上都大于長(zhǎng)芯1井的數(shù)據(jù)，考慮到渝Y1井取的樣品為

73、含氣量較高的儲(chǔ)層，說(shuō)明含氣量較高的儲(chǔ)層對(duì)應(yīng)的脆性也相對(duì)比其他儲(chǔ)層好。這對(duì)于勘探開發(fā)是絕對(duì)的利好信息。</p><p>　　4.4 粘土礦物特征</p><p>　　頁(yè)巖中還含有一定量的粘土礦物，粘土礦物主要有伊利石、蒙皂石、伊蒙混層和綠泥石等。本次實(shí)驗(yàn)樣品中伊利石占95%以上，還有剩下的為綠泥石和高嶺石，未發(fā)現(xiàn)混層礦物和蒙皂石。在粘土礦物轉(zhuǎn)化中，蒙皂石會(huì)逐步轉(zhuǎn)化為伊蒙混層，最終轉(zhuǎn)化為伊利

74、石，據(jù)此認(rèn)為龍馬溪組頁(yè)巖已經(jīng)進(jìn)入晚成巖階段。對(duì)應(yīng)有機(jī)質(zhì)應(yīng)該進(jìn)入高成熟甚至是過(guò)成熟階段[13]。與長(zhǎng)芯1井的數(shù)據(jù)[28]對(duì)比，長(zhǎng)芯1井中除了含有10%蒙皂石外，伊蒙混層數(shù)量也比較大，該文章也認(rèn)為龍馬溪組進(jìn)入了晚成巖階段。另一方面，渝Y1井的資料[26]顯示，有機(jī)質(zhì)含量較高的樣品中未發(fā)現(xiàn)伊蒙混層和蒙皂石，伊利石含量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，與本文結(jié)果類似。</p><p>　　4.5 黃鐵礦特征</p><p

75、>　　在頁(yè)巖的礦物組成中，本文認(rèn)為，雖然黃鐵礦的含量很少，甚至沒有，但其地位相對(duì)來(lái)說(shuō)比較重要，尤其是對(duì)油氣的勘探開發(fā)具有重要意義。黃鐵礦是硫在自然界最普遍的存在形式。海相泥頁(yè)巖中的黃鐵礦是由早期海洋沉積環(huán)境下形成的。其發(fā)展階段大致可分為4個(gè)階段[12]。有機(jī)質(zhì)、體系封閉性和細(xì)菌種類和數(shù)量是重要影響因素。首先，在運(yùn)移到沉積區(qū)之前，有機(jī)質(zhì)與Ca、Fe、Al等元素相互結(jié)合，使得有機(jī)質(zhì)得以保存下來(lái)[13]，之后，海水界面下的有機(jī)質(zhì)氧化形成

76、可溶性硫，細(xì)菌使得水體中的SO42-離子還原形成低價(jià)硫，之后其產(chǎn)物快速與水體中的活性鐵與單質(zhì)硫形成黃鐵礦。一開始，有機(jī)質(zhì)氧化速度大于黃鐵礦形成速度，體系中SO42-逐漸增加，在某個(gè)深度會(huì)達(dá)到峰值。之后硫還原菌還原SO42-速率降低，所以SO42-含量會(huì)開始降低，此時(shí)δ34S達(dá)到最小值。在這前兩個(gè)階段中，黃鐵礦的主要形態(tài)為草莓狀。之后，δ34S含量會(huì)逐步上升，這時(shí)候黃鐵礦的形態(tài)為銀灰色板條狀或者是晶形較大的麻粒狀。簡(jiǎn)而言之，黃鐵礦的形態(tài)對(duì)

77、沉積環(huán)境具有指示意義，有學(xué)者指出[21]，1-18μm的黃鐵礦草莓狀結(jié)核與閉塞缺氧環(huán)境密切相關(guān)。</p><p>　　顯而易見，黃鐵礦與有機(jī)質(zhì)的關(guān)系十分密切，同時(shí)，黃鐵礦與孔隙關(guān)系密切。美國(guó)Fort Worth盆地的Barnett頁(yè)巖中主要為兩種，一種是和有機(jī)質(zhì)有關(guān)的孔隙，另一種就是黃鐵礦的粒內(nèi)孔[11]。這些孔隙的存在為油氣資源提供了儲(chǔ)存空間，是油氣勘探開發(fā)的基礎(chǔ)。但由于天然孔裂隙的相互隔離，在頁(yè)巖氣的開發(fā)過(guò)程

78、中要改善天然孔裂隙，人為注入水力壓裂液使得孔裂隙擴(kuò)大、聯(lián)通，使得氣體得以產(chǎn)出。然而，黃鐵礦能和水力壓裂液中或者是地表水中的氧氣反應(yīng)形成酸溶液，對(duì)開采設(shè)備造成腐蝕，影響頁(yè)巖氣開采。如果不妥善處理，這部分酸性廢水（acid mine drainage）將會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問題[22]。</p><p>　　頁(yè)巖中除了少量的黃鐵礦外，還存在少量的碳酸鹽巖，它們或以方解石的形式或以白云石的形式存在于頁(yè)巖中，含量較黃鐵礦富集

79、一些。黃鐵礦氧化作用形成的氫離子能夠被方解石或者白云石等堿性礦物中和，這是個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)。反應(yīng)1是黃鐵礦與氧氣接觸反應(yīng)生成酸的化學(xué)式。反應(yīng)2是黃鐵礦氧化產(chǎn)生的酸能被方解石中和的反應(yīng)方程式。</p><p>　　FeS2 + 7/2O2 + H2O → Fe2+ +2SO42? +2H+ 公式4-3</p><p>　　CaCO3+H+→Ca2++HCO3?

80、公式4-4</p><p>　　FeS2 +4 CaCO3+ 15/4O2 + 7/2H2O→4Ca2++4HCO3? +Fe(OH)3 +2SO42? 公式4-5</p><p>　　黃鐵礦氧化反應(yīng)（公式4-3）和方解石生成反應(yīng)（公式4-4）可以聯(lián)立得出第三個(gè)公式4-5. 此時(shí)亞鐵離子與氫氧根結(jié)合形成水中常見的水鐵礦（Fe(OH)3）。反應(yīng)3展示了全部的氧化還原反應(yīng)，這些反應(yīng)在表

81、層條件存在黃鐵礦和方解石時(shí)廣泛發(fā)生。從公式4-5中可以看出，頁(yè)巖中每摩爾的黃鐵礦（119.85g）需要消耗4摩爾的方解石（400g）。該式包含了亞鐵離子氧化為鐵離子和水鐵礦沉淀時(shí)產(chǎn)生的酸根。根據(jù)公式4-5，以方解石和黃鐵礦含量為橫縱坐標(biāo)作圖（圖4-4），在圖中標(biāo)出完全中和時(shí)的函數(shù)線，斜線斜率即為黃鐵礦和方解石的比率，將頁(yè)巖數(shù)據(jù)進(jìn)行投圖。從圖中可以明顯看出黃鐵礦過(guò)量區(qū)和方解石過(guò)量區(qū)。從圖中可以看出，龍馬溪組頁(yè)巖和其他本次涉及的頁(yè)巖一樣，數(shù)

82、據(jù)基本都落在了黃鐵礦過(guò)量區(qū)，方解石含量明顯不足。</p><p>　　除了方解石，碳酸鹽礦物中白云石也能消耗從黃鐵礦中產(chǎn)生的酸，但反應(yīng)速率不如方解石[14]。假設(shè)理想條件下，白云石完全與黃鐵礦反應(yīng)，列出公式4-6，從該式中可以看出，1mol黃鐵礦需要6mol的白云石完全反應(yīng)，以此反應(yīng)在圖中劃出完全反應(yīng)線（圖4-5左）。顯而易見，數(shù)據(jù)再次全部落入了黃鐵礦過(guò)量區(qū)。依據(jù)反應(yīng)3和反應(yīng)4，黃鐵礦和碳酸鹽礦物（方解石和白云石

83、）完全反應(yīng)的比例應(yīng)該是1:8，據(jù)此在圖4-5（右）中標(biāo)出完全反應(yīng)線，可以看出，數(shù)據(jù)依然是落在了黃鐵礦過(guò)量區(qū)，可見，龍馬溪組頁(yè)巖連同本次涉及的數(shù)個(gè)美國(guó)盆地的頁(yè)巖都是黃鐵礦過(guò)量的頁(yè)巖，其開發(fā)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意酸性的中和。</p><p>　　以上反應(yīng)為理想狀況下的結(jié)果，實(shí)際中，反應(yīng)速率和方向會(huì)受到溫度、壓力、酸堿度等的影響。但是，毫無(wú)疑問，黃鐵礦和方解石之間的反應(yīng)是黃鐵礦和碳酸鹽礦物間反應(yīng)的最主要的反應(yīng)。</p&g

84、t;<p><b>　　5 微裂隙特征</b></p><p><b>　　5.1 分類方案</b></p><p>　　頁(yè)巖中含有許多微小孔裂隙，很多是微米甚至是納米級(jí)別的，正是由于他們的存在，烴類才得以聚集存在。氣體先是從有機(jī)質(zhì)和粘土礦物表面中解吸出來(lái)形成游離氣，游離氣通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入基質(zhì)或者是裂隙中，待氣體大量生成，就在裂縫中

85、形成氣藏[15]。 </p><p>　　由于孔裂隙的分類方案一直都比較混亂，有學(xué)者將其分為殘余原生孔隙、有機(jī)質(zhì)微孔隙、粘土礦物層間微孔隙、不穩(wěn)定礦物溶蝕孔和自然裂縫[16]，也有學(xué)者將其分為裂隙、大孔、中孔、過(guò)渡孔和微孔[17]。本文先闡述本文中采用的孔裂隙分類方案。</p><p>　　首先，依據(jù)孔隙發(fā)育位置和與顆粒的位置關(guān)系，劃分為和基質(zhì)有關(guān)的孔隙和與基質(zhì)無(wú)關(guān)的裂縫?；|(zhì)孔隙繼續(xù)細(xì)分

86、，根據(jù)是在顆粒內(nèi)還是顆粒外劃分為粒內(nèi)孔和粒間孔。由于有機(jī)質(zhì)孔的特殊地位，將其從粒內(nèi)孔中單獨(dú)劃出，形成粒內(nèi)孔、粒間孔、有機(jī)質(zhì)孔和裂縫四個(gè)主要分類[18]。</p><p>　　接著，根據(jù)孔裂隙的寬度大小，將其再次劃分。由于國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)（IUPAC）的劃分標(biāo)準(zhǔn)更適合生物化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，未必適合泥頁(yè)巖的研究，本文采用Robert G. Loucks的分類標(biāo)準(zhǔn)[19]，對(duì)于寬度小于1nm的孔隙，稱之為微小孔（p

87、icopore），大于1nm小于1μm的為納米孔（nanopore），大于1μm小于62.5μm的為微孔（micropore），大于62.5μm小于4mm的為中孔（mesopore），大于4mm的為大孔（macropore）。</p><p>　　綜合以上兩種命名方式即是本文所采用的命名方式（表5-1），如粒間中孔、粒內(nèi)大孔和有機(jī)質(zhì)小孔等，不僅能反應(yīng)孔隙位置關(guān)系，還能反應(yīng)孔隙大致的大小。本文主要是研究裂縫的特征，

88、尤其是微裂隙的特征，包括微裂縫、納米裂縫、微小裂縫。</p><p>　　5.2 孔裂隙生長(zhǎng)模型</p><p>　　沉積物沉積初期孔隙度十分發(fā)育，進(jìn)入地下，由于機(jī)械壓實(shí)的作用，粒間孔和粒內(nèi)孔大量消失，孔隙度降低，此時(shí)，礦物轉(zhuǎn)化尚未開始。隨著埋深的增加，沉積物將會(huì)經(jīng)歷膠結(jié)作用階段，膠結(jié)物要么會(huì)在石英、長(zhǎng)石、方解石顆粒周圍次生加大，要么是充填于孔隙中，對(duì)孔隙度依然是抑制作用 [19]。&l

89、t;/p><p>　　粘土礦物的轉(zhuǎn)化是埋藏成巖中一個(gè)重要過(guò)程。一方面粘土礦物脫水會(huì)形成大量新的孔隙和成巖收縮縫，另一方面，蒙皂石隨著成巖作用會(huì)逐步轉(zhuǎn)化為伊蒙混層，并從無(wú)序伊蒙混層轉(zhuǎn)為有序伊蒙混層，最終完全轉(zhuǎn)化為伊利石。在生烴階段，有機(jī)質(zhì)進(jìn)入生氣窗后會(huì)形成有機(jī)質(zhì)孔，烴類的生成使得有機(jī)質(zhì)孔隙度增加，但熱成熟度的增加和有機(jī)質(zhì)孔的增加不存在線性關(guān)系[19]。伴隨著烴類的生成，生成的是有機(jī)酸。有機(jī)酸會(huì)溶解原有的長(zhǎng)石和碳酸鹽巖，

90、形成溶蝕縫。這些被溶解的碳酸鹽和長(zhǎng)石會(huì)重新沉淀，不利于孔隙度的增加（圖5-1）。</p><p>　　本次研究的樣品主要含有有機(jī)質(zhì)孔、黃體礦粒間孔和粒間裂縫，亦有觀察到粒內(nèi)的裂隙，但存在不多，粒內(nèi)孔較少見，觀察到一些溶蝕孔。</p><p><b>　　5.3 討論</b></p><p>　　5.3.1 光學(xué)顯微鏡觀察</p>

91、<p>　　通過(guò)簡(jiǎn)單的光學(xué)顯微鏡的觀察，在本次巖石薄片中共發(fā)現(xiàn)79條裂縫，其中大部分受到后期充填作用，少數(shù)為未充填的裂縫（圖5-4-2）。裂隙分析軟件采用JMicroVision 1.27，通過(guò)軟件的幫助，未受充填的裂縫共計(jì)觀察到25條，長(zhǎng)度最長(zhǎng)6.172mm，最短0.144mm，平均長(zhǎng)度1.172mm；寬度最寬0.109mm，最窄0.016mm。受充填裂縫共計(jì)觀察54條，長(zhǎng)度最長(zhǎng)5.814mm，最短0.128mm，平均長(zhǎng)

92、度1.389mm；寬度最長(zhǎng)0.182mm，最短0.014mm，平均0.062mm。</p><p>　　從圖5-3和圖5-4中可以看出，未充填的裂縫相較于受充填的裂縫，其長(zhǎng)度和寬度都比較小。受</p><p>　　充填的裂縫長(zhǎng)度主要集中在2mm以內(nèi)，并有一部分在2-3mm，寬度主要集中在0.08mm以內(nèi)，而未充填的裂縫長(zhǎng)度主要集中在2mm以內(nèi)，數(shù)據(jù)寬度主要集中在0.04mm以內(nèi)。使用統(tǒng)計(jì)軟

93、件JMP 10對(duì)本文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，未充填裂隙中90%的裂隙長(zhǎng)度在4.9074mm以內(nèi)，75%的數(shù)據(jù)在1.972mm以內(nèi)，50%的數(shù)據(jù)在0.965mm以內(nèi)。寬度方面，90%的數(shù)據(jù)在0.0878mm以內(nèi)，75%的數(shù)據(jù)在0.0405mm以內(nèi)，一半的數(shù)據(jù)在0.029以內(nèi)。受充填的裂隙中，長(zhǎng)度數(shù)據(jù)90%在2.861mm以內(nèi)，75%在1.69775，50%的數(shù)據(jù)在1.2475mm以內(nèi)；寬度數(shù)據(jù)中90%落在0.1185mm以內(nèi)，75%在0.0745m

94、m以內(nèi)，一半在0.053mm以內(nèi)。</p><p>　　采用線性擬合對(duì)圖5-3和圖5-4的散點(diǎn)圖進(jìn)行擬合，未充填的裂縫中，寬度= 0.0130 *長(zhǎng)度+0.0177，R2=0.711。受充填的裂縫中，寬度=0.0264 * 長(zhǎng)度+0.0251，R2=0.711。從中可以看出，兩種類型的裂縫的長(zhǎng)寬比存在較大的不同，未充填的裂縫顯得更長(zhǎng)更細(xì)。</p><p>　　根據(jù)本文的孔裂隙劃分方案，大于

95、62.5μm（0.0625mm）的為中裂縫，小于62.5μm的劃分為微裂縫。未受充填的裂縫主要是微裂縫，占84%。而受充填的裂縫中中裂縫數(shù)達(dá)到20條，微裂縫34條，微裂縫數(shù)百分比為62.97%。</p><p>　　對(duì)比孔裂隙生長(zhǎng)模型，受充填的裂縫應(yīng)該是在成巖時(shí)期形成的，其展布多平行層理方向（圖5-2），為溶蝕縫，是被溶解的碳酸鹽在該處的重新沉淀。而未受充填的孔隙應(yīng)該是成巖結(jié)束后形成的，可能是后期受構(gòu)造應(yīng)力作用而

96、形成，裂隙多平直，但不具有沿層理分布的特性。</p><p>　　5.3.2 孔裂隙微觀特征</p><p>　　5.3.2.1 產(chǎn)生與分布</p><p>　　在高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下，可觀察到樣品的微裂隙、有機(jī)質(zhì)孔和粒內(nèi)孔。微裂隙主要分布在礦物顆粒邊緣以及和有機(jī)質(zhì)與礦物顆粒的接觸帶，少有分布在礦物顆粒內(nèi)的裂隙。有機(jī)質(zhì)孔是樣品孔隙的最主要表現(xiàn)形式，粒內(nèi)孔分布

97、較少，主要是一些礦物溶蝕孔和黃鐵礦粒內(nèi)孔（圖5-5）。</p><p>　　5.3.2.2形態(tài)學(xué)</p><p>　　從圖5-5中可以看出，樣品中孔隙的形態(tài)不規(guī)則。有近圓形的小孔隙，也有長(zhǎng)條形的不規(guī)則的大孔隙，絕大部分為不規(guī)則形的長(zhǎng)條狀孔隙。在有機(jī)質(zhì)中，有些孔隙是順著有機(jī)質(zhì)延伸方向分布（圖5-5d），而有些則是完全無(wú)規(guī)則分布（圖5-5a）。值得一提的是，在圖5-5中，可以看出，黃鐵礦的形態(tài)

98、也有很大的不同，c圖中黃鐵礦為草莓狀，而d圖中則是長(zhǎng)條狀分布的，而且在d圖的黃鐵礦中，顆粒大小差別大，與左下有極大的不同。前文已經(jīng)提到，草莓狀黃鐵礦可以指示還原的沉積環(huán)境，說(shuō)明龍馬溪組為還原環(huán)境的產(chǎn)物。</p><p>　　從圖5-6中可以看出，裂隙的形態(tài)主要是細(xì)長(zhǎng)線形。左上在礦物個(gè)別部位裂隙較寬，應(yīng)該是溶蝕造成的。裂隙主要形態(tài)為圖5-6中b、c、d圖像中所顯示，細(xì)長(zhǎng)，偶有間斷不連續(xù)，裂隙兩側(cè)較細(xì)，中間較寬。b圖

99、中兩條裂隙未重合，但距離較近，在外力作用下很容易聯(lián)通。c圖體現(xiàn)了礦物內(nèi)部的裂隙，較邊緣的裂隙更短，展布無(wú)明顯特征。</p><p>　　5.3.2.3孔裂隙大小</p><p>　　孔隙大小差別很大，有數(shù)十納米的孔隙，也有達(dá)到近10μm的孔隙（圖5-5a），本文研究重心為裂隙，故本文不過(guò)多闡述孔隙特征。</p><p>　　由于裂隙主要是沿礦物邊界展布，故討論裂隙的

100、長(zhǎng)度意義不大。本文重點(diǎn)關(guān)注裂隙的寬度大小。此次圖像分析軟件為JmicroVision 1.27。本次樣品中，未觀察到寬度大于100nm的裂隙。本次觀察到的裂隙寬度多為圖5-7中所示，對(duì)圖5-7c進(jìn)行詳細(xì)的分析，在該圖中取111個(gè)測(cè)量點(diǎn)，獲得111個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)，將獲得的寬度數(shù)據(jù)制成柱狀圖（圖5-8）。用統(tǒng)計(jì)軟件JMP 10對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，90%的數(shù)據(jù)落在40nm以內(nèi)，75%的數(shù)據(jù)在33nm以內(nèi)，均值28.6nm。據(jù)此推測(cè)該樣品中裂隙寬度多

101、在30nm左右。此外，在該樣品中還觀察到個(gè)別較寬的裂隙，觀測(cè)發(fā)現(xiàn)寬度在80nm-100nm之間?？偠灾?，該樣品裂隙寬度多在30nm左右，亦可發(fā)現(xiàn)100nm以內(nèi)的較大的裂隙，也就是本文分類方案中的納米裂縫，大于100nm的裂隙未發(fā)現(xiàn)。 </p><p>　　5.3.2.4 與礦物的聯(lián)系</p><p>　　借助EDS的分析，可以觀察裂隙與礦物的關(guān)系。EDS可以分辨出目標(biāo)的元素組成，根據(jù)X

102、RD的結(jié)果，本文樣品中的礦物可知，根據(jù)EDS的結(jié)果與已知礦物的組成元素進(jìn)行匹配，進(jìn)而獲知目標(biāo)的礦物名稱。</p><p>　　本文中所觀察到的裂隙主要分為兩種（圖5-9），一種是分布在有機(jī)質(zhì)周圍的裂隙，另一種則為礦物邊緣裂隙。根據(jù)EDS顯示，分布在有機(jī)質(zhì)周圍的裂隙，裂隙多夾在有機(jī)質(zhì)和伊利石之間，亦觀察到有機(jī)質(zhì)和斜長(zhǎng)石之間的裂隙，但絕大部分為前者。究其原因，推測(cè)是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)周圍主要是粘土礦物分布，而本文中粘土礦物主

103、要是伊利石。</p><p>　　根據(jù)前人研究成果[32]，有機(jī)質(zhì)和粘土礦物易形成有機(jī)粘土復(fù)合體，該復(fù)合體有利于有機(jī)質(zhì)的保存。狹義的有機(jī)粘土復(fù)合體是有機(jī)陽(yáng)離子及極性化合物進(jìn)入膨脹性粘土礦物的層間而形成的復(fù)合體，而廣義的有機(jī)粘土復(fù)合體是由有機(jī)質(zhì)與粘土礦物通過(guò)化學(xué)鍵鍵合或相互吸附而形成的復(fù)合體，它包括粘土礦物表面吸附和層間鍵入有機(jī)質(zhì)而形成的復(fù)合體。有機(jī)粘土復(fù)合體的概念解釋了粘土礦物和有機(jī)質(zhì)緊鄰的原因。</p&g

104、t;<p>　　根據(jù)文獻(xiàn)的記載[15]，頁(yè)巖氣形成分三個(gè)階段，首先是天然氣從粘土和有機(jī)質(zhì)表面中逐漸解吸從而形成游離氣，之后游離氣通過(guò)孔隙擴(kuò)散進(jìn)入儲(chǔ)層基質(zhì)或是裂隙中，最后隨著大量氣體的生成造成局部高壓，出現(xiàn)裂隙，天然氣以游離態(tài)進(jìn)入從而形成氣藏。掃描電鏡下觀察到的有機(jī)粘土復(fù)合體周圍的裂隙應(yīng)該就是最后一個(gè)階段中形成的裂隙，是由于天然氣不斷形成，從而形成局部高壓，致使有機(jī)質(zhì)接觸部形成了裂隙。</p><p>