粘土礦物轉化對頁巖孔隙的影響

董 杰

(成都理工大學 地球科學學院，四川 成都 610059)

粘土礦物轉化對頁巖孔隙的影響

董 杰

(成都理工大學地球科學學院，四川成都610059)

以鄂爾多斯盆地延長組頁巖儲層為研究對象，綜合利用X衍射、場發射掃描電鏡、等溫吸附以及巖石熱解實驗，研究粘土礦物轉化對鄂爾多斯延長頁巖儲層微孔的影響，結果表明：粘土礦物轉化、膠結作用、溶蝕作用對鄂爾多斯延長組頁巖儲層孔隙均有影響，膠結作用使得巖石更加致密，溶蝕作用產生溶蝕孔增加孔隙體積；粘土礦物的轉化主要為蒙脫石發生脫水作用轉為伊利石，這一過程會增加巖石孔隙度。

鄂爾多斯盆地；長組頁巖；頁巖儲層；微孔演化

目前，頁巖氣在全球內的勘探開發多針對海相頁巖層系，國內頁巖氣研究的一直局限在在四川盆地、鄂西地區以及上揚子區的古生界海相頁巖層系[1]。直到近年，隨著技術條件的進步以及勘探認識的加深，鄂爾多斯盆地延長石油探區對陸相頁巖氣勘探才取得了一定意義上的突破，通過對該區中生界三疊系延長組陸相頁巖氣進行大量實驗和相關數據分析，取得了大量與陸相頁巖氣相關的理論知識和實踐經驗，證實該區具有頁巖氣成藏潛力[2]。粘土礦物以一種硅鋁酸鹽礦物廣泛存在于鄂爾多斯盆地的頁巖中。其形成和轉化受限于頁巖成分及形成環境，同時它又反作用于頁巖的組成和構建。通過對粘土礦物的研究，可以在很大程度上認識頁巖儲層。對后期油氣勘探工作有積極的指示作用。

頁巖孔隙的演化受多種地質因素的影響，如礦物成分、TOC、有機質類型、化學成分、成巖演化以及熱成熟度，或是因為測試技術和實驗條件的不同也會影響孔隙的演化(Valenza等，2013)。

針對以上問題，筆者采集了鄂爾多斯盆地多個地區的大量巖心樣品及野外露頭巖石樣品，通過掃描電鏡圖像分析、氣體吸附、X射線衍射、巖石熱解等數據，建立了鄂爾多斯盆地延長組頁巖蒙伊演化序列，研究了粘土礦物的成巖演化對頁巖孔隙的影響，分析不同演化階段下，頁巖孔隙的演化特征，為預測具有良好儲集空間的優質頁巖儲層提供參考。

1 頁巖成巖演化及其微孔的影響作用

頁巖主要由粘土礦物、陸源碎屑礦物(主要為石英和長石)和自生非粘土礦物(主要為碳酸鹽和黃鐵礦)三部分組成，隨著地層溫度和壓力的增大，不同的部分也隨之進行對應的成巖作用。化學壓實作用使黏土礦物發生成巖演化；黃鐵礦受熱分解產生鑄模孔；長石和石英等不穩定礦物則容易與有機質生烴作用伴生的有機酸發生溶蝕。

伴隨著埋深的加大，成巖溫度和壓力的增高以及粘土礦物層間水和層間陽離子的排出，粘土礦物之間將發生轉化作用。Hower等[3]提出，當地層溫度達到70～100℃時，地層中的蒙脫石或伊蒙混層將向伊利石或混層比更低的伊蒙混層礦物轉化。

根據X衍射的實驗結果，可以發現，鄂爾多斯延長頁巖的蒙脫石礦物的含量大多為0，表明將鄂爾多斯延長頁巖蒙伊轉化至少已過初始階段。因此，為了觀察鄂爾多斯延長頁巖的蒙伊礦物的轉化序列，將伊利石與伊蒙混層含量的相比，比值越大，表明演化程度越高，蒙伊轉化越徹底。根據實驗結果，將其分為3個階段，第一階段為伊蒙混層向伊利石轉化的初期，伊利石與伊蒙混層含量的比值為0～1，比值為1時蒙脫石剛好轉化完全，占樣品數量的35%(表1)；第二階段為伊蒙混層向伊利石轉化的中期，伊利石與伊蒙混層含量的比值為1～3，占樣品數量的37%(表2)；第三階段為伊蒙混層向伊利石轉化的后期至末期，伊利石與伊蒙混層含量的比值為大于3，此時蒙伊的轉化也進入最后階段，轉化較為徹底，占樣品數量的28%(表3)。

表1 伊蒙混層向伊利石轉化初期各樣品粘土礦物百分比含量

表2 伊蒙混層向伊利石轉化中期各樣品粘土礦物百分比含量

表3 伊蒙混層向伊利石轉化后期各樣品粘土礦物百分比含量

選取不同成熟度的樣品，在掃描電鏡下觀察樣品的成巖過程。樣品中最主要的粘土礦物成分是伊蒙混層和伊利石，因此可以從伊蒙混層的變化觀察蒙伊轉化的過程，隨著樣品的成熟度變高，伊蒙混層形態變化明顯。轉化趨勢為：片狀-片狀+絮狀-絮狀(圖1)，從圖中也可以看出，孔隙直徑也隨著演化的進行呈增大趨勢。

圖1 不同演化階段的伊蒙混層

隨著成巖作用的進行，地層的溫度和壓力的增加，部分黃鐵礦會受熱分解，在原來的地方形成一個鑄模孔；膠結作用也是鄂爾多斯長7泥頁巖中常見的成巖作用類型之一，它使得巖石更加致密。

2 粘土礦物演化與微孔形成演化的關系

蒙伊轉化過程中有很多因素會影響頁巖孔隙的變化。例如,蒙脫石向伊利石轉化時，蒙脫石層間的水分子逐漸排出，礦物體積的變化主要表現為結晶格架單層厚度的減薄，由蒙脫石的15埃變為伊利石的10埃，這一過程會引起孔隙度的增加；層間水變為自由水體積增加，進入頁巖本來的孔隙空間，使其在壓實作用下能夠更好地保存下來；伊利石相較于蒙脫石，更加雜亂，易堵塞孔隙等等。因此，蒙伊轉化對頁巖微孔的影響是復雜且不確定的。

根據上文利用伊利石與伊蒙混層的比值所劃分的演化階段，結合等溫吸附實驗所測得的孔隙直徑可以發現(圖2)，盡管樣品的平均孔隙直徑增大的幅度不大，這是因為影響孔隙發育的因素有很多，粘土礦物演化并不是唯一影響孔隙發育的因素。但總體上，伊利石與伊蒙混層的比值增大，平均孔徑在呈增大的趨勢。這說明，蒙伊轉化對頁巖孔隙的影響不能忽略，并且隨著演化的向后期推進，頁巖的平均孔隙直徑呈增大的趨勢。同理，用伊利石的含量與平均孔隙直徑作關系圖(圖3)，可以觀察到同樣的現象。

圖2 伊利石與伊蒙混層的比值與孔隙直徑關系圖

圖3 伊利石含量與孔隙直徑關系圖

本次研究在彬長地區、紅河油田和富縣地區的延長組分別選取10～20個樣品進行了X衍射實驗和物性測試，并在掃描電鏡下觀察孔隙的結構。利用伊蒙混層與伊利石的比值代表蒙伊轉化的程度，觀察在不同蒙伊轉化階段下，頁巖孔隙的變化。X衍射實驗結果顯示，富縣地區伊蒙混層含量與伊利石的比值高于紅河油田和彬長地區，紅河油田最低。因此，可以判斷出紅河油田的蒙伊轉化程度最高，其次為彬長地區，最低為富縣地區。在掃描電鏡下，富縣地區伊蒙混層多呈片狀發育，孔隙多發育為小于直徑2nm的微孔；彬長地區伊蒙混層含量減少，中孔含量開始增加；紅河油田伊蒙混層含量明顯降低，孔隙多發育為大于50nm的粒內孔和粒間孔。

3 結論

(1)大量的微裂縫和微孔隙在粘土礦物轉化過程中被生成或者改造。粘土礦物通過對頁巖儲層孔隙度的影響直接影響到頁巖儲層的油氣資源潛力。

(2)粘土礦物轉化參與了鄂爾多斯延長組頁巖儲層孔隙形成過程。主要為蒙脫石的發生脫水作用轉化為伊利石，這一過程會增加巖石孔隙度，對該區頁巖氣儲層建設具有積極作用。

[1] 張金川,姜生玲,唐 ，等.我國頁巖氣富集類型及資源特點[J].天然氣工業,2009,29(12):109-114.

[2] 王香增,高勝利,高 潮，等.鄂爾多斯盆地南部中生界陸相頁巖氣地質特征[J].石油勘探與開發,2014(3):294-304.

[3] HOWER J, ESLINGER E V, HOWER M E, et al .Mechanism of burial metamorphism of argillaceous sediment: Mineralogical and chemical evidence[J].Geological Society America Bulletin,1976(87): 725- 737.

(本文文獻格式：董杰.粘土礦物轉化對頁巖孔隙的影響[J].山東化工，2017，46(16)：125-127.)

P618.13

：A

：1008-021X(2017)16-0125-03

2017-06-15

董 杰(1991—)，四川攀枝花人，在讀研究生，主要從事沉積巖方面研究。