1、 分类号 密级 中国地质大学（北京） 本 科 毕 业 论 文 题 目 四川盆地焦石坝地区龙马溪组页岩 矿物组成和微裂隙特征 英文题目 Characteristics of mineralogy and cracks in Shale of Longmaxi Formation in Jiaoshiba in Sichuang Basin 学生姓名 院 （系） 地球科学与资源学院 专 业 地质学（基地班） 学 号 指导教师 职 称 年 月 摘 要 本文选取来自四川盆地焦石坝地区龙马溪组的页岩样品，通过氩离子抛光扫描电镜技术、X 射线粉晶衍射技术（ XRD）和偏光显微镜的帮助，对其矿物学特征和微裂
2、隙特征进行观察。研究发现，龙马溪组页岩石英含量较高，其脆性指数与美国 Barnett 和 Bakken 页岩相近，具有较好的压裂潜力；页岩中黄铁矿含量较高，在开发过程中有可能产生酸性岩石废水（ acid mine drainage）。 页岩中观察到的孔隙主要是有机质孔和草莓状黄铁矿的粒间 孔。除此之外，页岩中含有未充填裂缝和受充填裂缝，前者宽度普遍比后者小，后者较前者更平直，并岩层理展布。页岩中微裂隙主要分布在有机质与 粘土矿物的接触带，沿有机质延伸 方向展布，缝宽主要分布在 40nm 以内，也有部分较大的微裂隙，但未发现宽度超过 100nm 的微裂隙。另外，可观察到一定数量的沿白云石、方解石
3、颗粒边缘展布的溶蚀缝，缝宽不均。 关键词 ： 页岩； 矿物特征； 微裂隙 ABSTRACT The shale samples in this article are from Jiaoshiba in the Sichuan Basin. With the help of microscope , Ar-ion-milling technology and FESEM and XRD, the characteristics of menology and cracks are observed. According to the research, the percentage of qu
4、artz is high and the brittleness index of shale of Longmaxi Formation 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 drainage during exploitation. There are intraparticle pores
5、 of pyrite framboids and organopores in the shale. The width of micro-fracture that isnt filled is smaller than that of the filled micro-fracture in the shale, while the latter is more straight and spread along the stratification. The cracks are mainly distributed in the contact zone of organic matt
6、er and clay mineral, along the extension direction of distribution, organic matter seam are mainly distributed within 40 nm wide, there are also part of the larger microcracks, but havent found more than 100 nm width of that. In addition, some cracks developing along the edge of dolomite and calcite
7、 can be observed, whose width is uneven. Key words: shale; mineralogy; cracks 目 录 1 绪论 . 1 1.1 选题背景与意义 . 1 1.2 研究现状 . 1 1.2.1 美国对含气页岩的研究进展 . 1 1.2.2 国内对含气页岩的研究现状 . 2 1.3 研究内容 . 2 1.3.1 资料调研 . 2 1.3.2 矿物学特征研究 . 2 1.3.3 储集特征研究 . 2 1.4 技术路线及主要工作量 . 3 1.4.1 技术路线 . 3 1.4.2 主要工作量 . 3 2 四川盆地区域构造背景 . 4 2.1
8、地层及沉积特征概述 . 4 2.2 早古生代地层区域构造特征 . 5 2.3 焦石坝地区背景概述 . 6 3 实验测试 . 7 3.1 样品来源 . 7 3.2 实验方法 . 7 3.3 X 射线粉晶衍射（ XRD） . 7 3.3.1 原理 . 7 3.3.2 设备 . 7 3.4 氩离子抛光技术 . 7 3.5 场发射扫描电子显微镜 . 7 3.5.1 原理 . 7 3.5.2 设备 . 8 4 矿物特征 . 9 4.1 实验结果 . 9 4.2 数据对比 . 9 4.3 脆性矿物特征 . 10 4.4 粘土矿物特征 . 11 4.5 黄铁矿特征 . 12 5 微裂隙特征 . 14 5.1
9、 分类方案 . 14 5.2 孔裂隙生长模型 . 14 5.3 讨论 . 15 5.3.1 光学显微镜观察 . 15 5.3.2 孔裂隙微观特征 . 16 结 论 . 21 致 谢 . 22 参考文献 . 23 中国地质大学（北京）本科毕业论文 1 1 绪论 1.1 选题背景与意义 中国作为领土大国，却是能源小国。无可否认，我国的石油与天然气资源对外需求量很大，根据由中国石油集团经济技术研究院编撰的 2013 年国内外油气行业发展报告， 2013年我国石油和天然气对外依存度分别达到 58.1%和 38.6%。值得一提的是，根据 世界能源研究所 在 2014 年 9 月的一项最新研究表明，中国页
10、岩气储量高达 30 万亿立方米以上，居世界第一，几乎是美国的两倍。同样的，根据美国能源信息署 2013 年 6 月的数据显示，全球共有 7299tcf 以上可采页岩气资源，中国占 1115tcf，位列前茅。有关资料显示 1，美国近 年来在页岩气上所获得的成功使得美国本土商业用气和工业用气自 2006 年开始呈现逐年下降的趋势，这和国际石油和天然气价格大幅上涨形成鲜明对比。如果作为页岩气资源保有量如此之多的中国能够合理开发利用这部分页岩气资源，中国的能源格局将迎来重大变革，中国将大大减轻对世界能源的依赖度，结合煤层气和常规油气资源的开发利用，中国有可能在能源上实现自给自足。 根据国务院办公厅最先
11、发布的能源发展战略行动计划（ 2014-2020 年），未来几年我国将重点突破煤层气和页岩气开发，力争 2020 年产气量超过 300 亿立方米。页岩气是指 储存在富有机质泥页岩中，以吸附气和游离气为主要存在方式的一种非常规能源。页岩既是烃源层，也是储层，对页岩的研究是页岩气开发的理论基础。矿物组成是岩石的最基本特征，对于矿物组成的研究将有助于了解岩石的基本特性，帮助了解页岩的沉积环境，有助于了解页岩的生烃潜力和储层特性。微裂隙既是页岩气的储集空间，也是页岩气的运移通道，对于微裂隙的研究将有助于了解页岩的储集能力，为评估页岩气储量提供理论基础。更为重要的是，对于页岩裂隙的研究将影响到后续开发工
12、作，裂隙性质、分布的不同将会影响到压裂液的成分上的差异和压裂方式的不同 ，目前，压裂液的配方由研发公司掌握，且都高度保密。对于页岩的矿物组成和微裂隙的研究工作是我国页岩气开发的理论依据，通过对其的研究，有助于划分页岩气资源有利区，为进一步指导大规模开发页岩气有重要意义。 1.2 研究现状 由于“页岩气革命”的推动，世界各地对页岩气相关工作展开了大量研究。每年有大量关于页岩基础物性的文章发表。各国学者从各个方面对页岩展开研究，有研究地表样品，也有研究深钻样品；有研究矿物学方面的，也有以地球物理学的方法技术来对页岩展开研究。 1.2.1 美国 对 含气 页岩的研究进展 美国是世界上页岩气开发最成功
13、的一个国家。其学者立足本国五大盆地的页岩，对其进行了详细的研究工作。其中， Robert G. Loucks、 Robert M. Reed、 Stephen C. Ruppel;和 Daniel M. Jarvie 等人是该领域的佼佼者。他们对 Fort Worth 盆地的 Barnett 页岩展开了详尽的工作。Richard M. Pollastro 和 Daniel M. Jarvie 从构造地质学和盆地演化的角度对 Barnett 页岩进行了详尽的研究 2。 Robert G. Loucks 在重 要期刊 AAPG 中连发三篇文章，对页岩的孔隙进行了细致的研究，提出了目前主流的孔隙分类
14、方案 ， 分析研究了孔隙的展布对后期压裂成缝的影响， 并从层序地层学角度对 Barnett 的演化进行了详尽的研究。 John A. Chermak 和 Madeline E. Schreiber 从微量元素和矿物中的黄铁矿对五大盆地页岩进行了对比，提出了开发中可能产生酸性废水的新思路。 Daniel M. Jarvie 对页岩矿物进行了较详细的研究，提出了从脆性矿物含量来粗略计算岩石的脆性指数，该计算方式之后成为了北美地区脆性指数计算的统一 公式。 Roderick Perez Altamar 之后在 Daniel M. Jarvie 的理论上进行了更新，提出了新的脆性指数的计中国地质大学（
15、北京）本科毕业论文 2 算方法，其将 TOC 也纳入计算公式中，但目前，该观点未被全面接受。 在 Fort Worth 盆地的页岩气开采进行到一定地步后， Kent A. Bowker 对研究开发过程中一些问题进行了综合解答，提出了受充填裂缝和未充填裂缝在压裂后不同的响应特征，受充填的裂缝更易产生多方向的裂隙，而未受充填的 裂缝压裂后更倾向于产生单方向的裂隙，改变了受充填裂隙压裂后不容易产生裂缝的陈旧观念。 这些美国学者在研究页岩过程中，主要是从有机地化的角度，结合矿物学和孔隙 特征，对储层进行研究。但是，虽然很多学者都关注到孔隙，但却没有学者对裂隙进行详细的研究，页岩气开发过程中会用到的压裂
16、技术能使隔绝 的孔裂隙联通起来，但如果 知道纳米级别的裂隙的分布特征，以及和矿物直接的关系，这将对压裂作业提供重要的指导，为页岩气开发提供重要的理论基础。 1.2.2 国内 对含气 页岩 的 研究现状 我国幅员辽阔，领土面积位居世界第三，有 4 个主要盆地：四川盆地、塔里木盆地、柴达木盆地和准格尔盆地。目前，我国页岩气相关工作以四川盆地为 中心，正如火如荼的开展。有关四川盆地页岩的文章也数不胜数。 四川盆地中以 寒武系牛蹄塘组 和下志留系龙马溪组的海相页岩为重点层位， 对其的研究井已有 数口。文献资料方面十分充足。与美国学者所发表的文章不同，国内学者发表的文章很多是集中在矿物学方面的研究。 陈
17、文玲 28等人对长芯 1 井的龙马溪组页岩进行了非常详细的矿物成分分析，陈尚斌 3等人对龙马溪组地表页岩样品进行了矿物成分分析 ，李娟 35等人则是重点关注粘土矿物对页岩的影响， 提出 绿泥石含量与孔隙度呈现微弱的正相关关系，而与渗透率呈现较好的正相关关系 。 在孔裂隙方面，我国学者立足于 Robert G. Loucks等人的理论，将理论与中国国内的页岩实际相结合，探索 国内页岩微观孔隙的形态和特征分布情况。整体上，微观尺度上两国的页岩孔隙没有太大的差别。除了微观裂隙外，我国学者还对该地层的宏观裂隙进行了充分的研究。王世泽 35对裂缝进行了观察并测量裂缝产状，分析长宁地区龙马溪组页岩的裂缝优
18、势产状，并探索与构造应力场和矿物之间的关系。 亦有很多学者在探讨龙马溪组有机质富集原因和沉积环境进行探讨。张小龙 36等人结合龙马溪页岩热解分析、同位素分析、 岩石学和化石特征 ,认为控制龙马溪组烃源岩有机质富集的主要原因是海平面升高、气候变暖和深水还原环境 ,导致有机质产率高且保存好。 而张春明 37-38等人 认为龙马溪组底部缺氧的滞留环境和缓慢的沉积速率是龙马溪组优质烃源岩发育的主要因素 ，其 优质烃源岩主要发育在龙马溪初期的缺氧还原环境，龙马溪后期缺氧环境遭受破坏，有机质保存条件变差，印证了龙马溪早期为深水陆棚和晚期为浅水陆棚的沉积环境。 1.3 研究内容 本次的研究立足于对页岩矿物学
19、特征和微裂隙特征，收集并整理国内外文献，结合文献资料和地面样品分析，通过四川盆地龙马溪组页岩与美国 Fort Worth 盆地的 Barnett 页岩对比，分析研究区内的构造背景、沉积序列以及页岩的矿物学特征和微裂隙特征。主要开展以下 3 个方面的研究工作： 1.3.1 资料调研 通过国内外文献，调研四川盆地和美国 Fort Worth 盆地的区域地质特征，对两地的构造背景和沉积序列进行充分的了解。 1.3.2 矿物学特征研究 对四川盆地泥页岩样品进行矿物学特征分析，包括岩石薄片鉴定和 XRD 全岩及粘土矿物分析，探索矿物组成对页岩气开发过程可能造成的问题。 1.3.3 储集特征研究 中国地质
20、大学（北京）本科毕业论文 3 对四川盆地泥页岩样品进行储集 特征分析，包括薄片观察和扫描电镜观察，在宏观尺度和微观下观察样品中的微裂隙特征，包括宽度、长度、分析力学性质等。 1.4 技术路线及 主要工作量 1.4.1 技术路线 研究所采取的技术路线如图 1-1 所示。 图 1-1，技术路线图 1.4.2 主要工作量 经过近一年的研究工作，完成了论文设计的全部工作量（表 1-1）。 表 1-1， 工作量统计表 工作性质 工作内容 数量 资料收集 页岩气及非常规天然气资源的中文文献 20 余篇 页岩气及非常规天然气资源的外文文献 10 篇 页岩气及非常规天然气资源的中文书籍 6 本 翻译相关外文文
21、献 1 篇 实验测试 X 衍射 全岩 及粘土矿物 分析 5 块 氩离子抛光 5 个 场发射扫描电镜 5 小时 图件编制 剖面图 1 张 其他各类地质参数图 5 张 报告编写 毕业论文 1 篇 焦石坝地区下志留统龙马溪组区域地质背景 龙马溪组页岩矿物学特征 龙马溪组页岩微裂隙特征 中国地质大学（北京）本科毕业论文 4 2 四川盆地区域构造背景 四川盆地北以秦岭 -米仓山 -大巴山推覆造山带为界与华北板块接壤；东南方依武陵山 -雪峰山推覆造山带为界与江南古隆起区相邻；西部则是龙门山 -攀西推覆造山带紧邻青藏高原，是龙门山 -峨眉山 -大凉山一线以东整个四川东部地区和重庆地区 5。盆地具明显菱形边框
22、，西北和东南两条边界稍长，呈北东向延伸；西南和东北边界略有弯曲 4。该盆地在构造上属（上）扬子板块的一部分，印支期时该盆地已有雏形，后经喜马拉雅运动褶皱成现今的面貌。全区盆地面积约 19*104km2，是一个 在前震旦系变质岩基底上沉积了巨厚的震旦纪中三叠世海相碳酸盐岩和晚三叠世始新世陆相碎屑岩的 大型含油气盆地区。 2.1 地层及沉积特征概述 组成四川盆地的沉积盖层大致由两个阶段完成。第一阶段为震旦纪至中三叠世的海相碳酸盐岩台地发展阶段，该阶段可大致分为三个主要的沉积时期：台地沉积早期（ Z-S）、中期（ D-C）和晚期（ P-T2）；第二阶段为晚三叠世到始新世的陆相碎屑岩沉积盆地发展阶段。
23、 四川盆地晚震旦世晚期是一次广泛的自东向西海侵沉积期，主要发育滨浅海相砂岩、泥岩夹磷块岩和台地相白云岩夹硅质页岩，其中在长宁 等局限台地相中夹膏岩。早寒武世，四川盆地是浅海台地相含磷白云岩和硅质岩沉积，是之前碳酸盐台地相沉积的延续。此后，发生区域地壳上升活动，由万源岩华蓥山、泸州、水城一线以西为滨浅海碎屑岩夹碳酸盐岩，底栖型三叶虫大量发育；以东则为滞流浅海相黑色泥页岩、含磷灰岩逐渐过渡为台地相碳酸盐岩。早寒武世晚期为局限台地相云质灰岩，反映一次海退和海水咸化过程。中晚寒武世继承了早寒武沉积格局，但逐渐海退，台地水体变浅，以潮坪相和局限台地相泥页岩、白云岩为主 6。奥陶系下部发育粉砂岩、生物灰岩
24、和白云岩；中晚奥陶世海侵规模扩大，发 育块状灰岩，西部发育泥质灰岩和白云岩；奥陶纪晚期海侵达到高潮，五峰组发育黑色碳质页岩和硅质层。奥陶纪末期，四川盆地发生海退，上扬子地台逐渐的水下隆起露出海面，陆地扩大。早志留纪早期，海域为半封闭的滞流海盆 6，盆地东部龙马溪组下部发育富含笔石的黑色页岩，属广海陆棚相，西部区域发育开阔海台地相的粉细砂岩、页岩和灰岩；中志留统发育灰、黄色页岩、砂质页岩、紫红色页岩等，为海退沉积，直至最终全部出露水面，遭受大片剥蚀。泥盆纪时四川盆地上升为古陆，盆地内大部分沉积缺失 8。 石炭系仅在盆地东部保留了黄龙组，为生物 碎屑灰岩、角砾状白云岩，部分地区底部夹有薄层石膏。早
25、二叠海侵初期，普遍沉积了河湖沼泽和滨海沼泽相砂、泥岩、泥灰岩，中期为浅海台地相灰岩，早二叠晚期，发育块状灰岩、白云岩，局部夹黑色页岩；上二叠统沉积相带由陆到海呈东西向分布，南北延伸，东北部地区发育开阔海台地相沉积，西南部地区发育海陆过渡相和陆相沉积，同时北西向的开江梁平海槽开始裂开，在槽内发育深水沉积。早三叠世继承了晚二叠世的构造沉积环境，东部地区发育粉晶灰岩、鲕粒灰岩、白云岩、石膏，西部为海陆过渡相沉积和平原河流相沉积；中三叠世海盆面貌发生深刻变化，海 盆环境西深东浅，东部为海陆过渡相，发育紫红、灰色泥岩、砂泥岩、泥灰岩，中西部为局限海台地相，发育灰岩、白云岩夹石膏和岩盐；晚三叠世早期川西地
26、区接受了滨海浅海相沉积，发育暗色泥岩夹粉细砂岩和煤层，东侧地势较高，未接受沉积；随着西侧海水退去，一个大型的内陆湖盆逐渐形成，沉积了厚层砂岩、泥页岩、粉砂岩夹煤层组成的须家河组沉积。中下侏罗统紫红色泥岩、灰色泥页岩夹薄煤层，在东南部广泛出露。白垩系主要分布在川西、川北和川南地区，为碎屑岩沉积。第三系盆地内绝大部分遭受剥蚀 8。 总体来看，四川盆地在寒武纪经历了一个海 进海退序列，在奥陶纪再次海侵，末期达到高潮，志留纪开始海退，泥盆纪进入剥蚀阶段，未有沉积。二叠纪开始，海水从东北逐步扩大到西南地区，到了中三叠世以后，格局发生变化，西深东浅，东部由海转陆，西部海水逐中国地质大学（北京）本科毕业论文
27、 5 渐退去。晚三叠之后，全区转为内陆湖盆沉积。 2.2 早古生代地层区域构造特征 早古生代时期，四川盆地总体处于相对较稳定的、以隆升和坳陷作用为主的构造背景中，隆起可分为边缘隆起和板内隆起，前者如龙门山边缘隆起和江南 -大巴山边缘隆起，后者包括乐山 -龙女寺隆起、黔中隆起。边缘隆起走向与板块边界走向平行，板内隆起主要为 北北东向（图 2-1）。两种类型的隆起在形成、演化和后期改造上有着明显差异，该差异导致了含油气性差异 7。 加里东旋回一般是指寒武纪到志留纪的构造运动。主要运动有三期：第一期在震旦纪末（桐湾运动），表现为大规模抬升，灯影组上部广遭剥蚀，与寒武系间为假整合接触；第二期在中晚奥陶
28、世之间，但在四川盆地表现不明显；第三期在志留纪末（晚加里东运动），是一次涉及范围广而且影响深远的地壳运动。这次运动使江南古陆东南的华南地槽区全面回返，下古生界褶皱变形。在扬子准地台内部虽没有见到明显的褶皱运动，但是，大型的隆起和坳陷以及断块的升降活动还是比较突出的，如贵州黔中隆起和四川乐山龙女寺隆起。四川乐山龙女寺隆起是加里东运动在地台内 部形成的、影响范围最广的一个大型隆起，自西而东从盆地西南向东北方向延伸，基本上代表了北东东向的一组构造，它的形成可能和基底隆起有关。加里东期乐山龙女寺古隆起不仅和盆地中部硬性基底隆起带有相同的构造走向，而且在平面位置上也与之大体符合，具有延伸范围广幅度大的特
29、点。组成该隆起核部的最老地层为震旦系及寒武系。外围坳陷区为志留系现经钻探证实，川中地区龙女寺构造的女基井缺失志留系。该井中保留的下古生界最新地层是奥陶系底部（残留厚度 39 米）。向西到龙泉山背斜油罐顶构造的油 1 井和大兴构造的大深 1 井剥蚀更剧，包括中 上寒武统在内的以上地层全被剥掉，下寒武统与二叠系直接接触。属于北东东向一组构造的还有介于乐山龙女寺隆起与黔中隆起之间的川黔坳陷 9。 康滇隆起及其东缘的坳陷带是南北方向延伸的另一组巨型构造。康滇隆起始终保持正向上升运动，而在其东缘因受安宁河、小江一甘洛断裂活动控制则为坳陷区，不仅沉积巨厚，而且由于升降差异，还常常导致不同时期地层缺失、超覆
30、和岩性发生剧烈变化。在后期剥蚀过程中，介于两断裂带之间的地带为负向区，被保留的地层较全，有中志留统上部存在。而在小江一甘洛断裂东侧则相对抬升较高，被保留的地层少，一般只 残留下志留统下部。这一断裂活动向北可能已伸入到乐山一龙女寺隆起带的西南端，促使后者在雅安、乐山一带局部呈南北走向。二者构造线方向斜接复合 9。 此外，龙门山一带表现也很明显，在这里除了龙门山深断裂对地台和地槽区的地质构造发展起着直接的控制作用以外，在其东侧还有一条与之相伴而生的彭灌大断裂。它在加里东运动中表现为强烈的上升活动，志留系、奥陶系、甚至部分下寒武统全被剥掉，形成天井山加里东期线形隆起。其东侧与乐山一龙女寺隆起带间隔着
31、一个狭长坳陷，西侧则呈斜坡向地槽区过渡 9。 汉南 -大巴山加里东期古隆起位于上 扬子板块北部边缘，北与秦岭海槽相接，大巴山前缘古构造研究表明，区内自晚震旦世到中三叠世末具有继承性边缘隆起特征。台缘古隆起的继承发展无疑对油气的早期聚集有利。川东南古斜坡自晚震旦世至志留纪一直处于古隆起斜坡位置，地层厚度大，沉积相带东西分异明显。值得注意的是泸州 -长宁地区为多期地层厚度加大区，尤灯影组、下寒武统以及志留系最为明显，又可称之为川南坳陷，是下古生界重要的生烃中心 7。 中国地质大学（北京）本科毕业论文 6 2.3 焦石坝地区背景概述 焦石坝地区位于四川盆地川东高陡褶皱带包鸾一焦石坝背斜构造区。西侧以
32、华蓥山深大断裂为界与 川 中构造区相接，东侧以齐西深大断裂为界与鄂西断褶带相邻，北侧与秦岭褶皱带相接。从南至北，构造走向由 NNW转向 NNE，再转向 NE，形成四川盆地最具特征的弧形褶皱带。区域资料显示，焦石坝地区发育晚震旦世至三叠纪地层，除中晚志留世到石炭纪外，各时代地层发育齐全，中寒武统平井组至三叠系嘉陵江组累积厚度约 4000 m10。 晚奥陶世时期，南部黔中隆起、西部川中隆起、东部雪峰古隆起，使早中奥陶世从具有广海特征的海域转变为被隆起所围限 的局限海域 。志留纪时期，该处发育了龙马溪组页岩。龙马溪组下部为黑色页岩、炭质页岩，发育丰富的笔石化石，常含黄铁矿结核。上部为黄绿色页岩及砂质页岩夹粉砂岩及泥灰岩。龙马溪组的油气潜力主要集中在下部。 图 2-1， 四川盆地早古生代构造单元划分图（据翟光明， 2002修改）
