淺析成巖作用對頁巖儲層的影響

周林乾

摘要：粘土礦物由于抗壓實能較弱具有非常強的可塑性，在壓實作用下會發生彎曲變形，從而降低頁巖的脆性，其中一些類型的粘土礦物還具有水敏性而增加的壓裂難度。另外，粘土礦物尤其是蒙脫石的比表面積非常大，其吸附能力非常強，可以使頁巖儲層中吸附更多的頁巖氣。

關鍵詞：硅質膠結;頁巖儲層;有機質孔

1 硅質膠結對頁巖儲層的影響

目前大量的研究表明有機質熱演化程度與內部有機質孔的發育有著非常緊密的關系。在生油窗內，干酪根熱解形成瀝青并將其向相鄰的孔隙中排出，干酪根內部這一過程中大量發育有機質孔，但是這些孔隙由于干酪根內部充滿石油而很難被發現。在早成巖階段，由于機械壓實作用，頁巖隨著埋深的增大孔隙逐漸減小。硅質膠結主要呈微晶及微晶聚集體的形式分布在顆粒周緣、充填顆粒間孔隙，使得頁巖孔隙減少，但是這種結構在一定程度上抑制了后期的壓實，碎屑顆粒呈點接觸的關系，壓實程度中等，對頁巖孔隙的保存起到了建設性的作用;而龍馬溪組上部硅質膠結程度發育弱，碎屑顆粒呈線接觸，壓實程度強烈。盡管這種微晶聚集體形式的石英充填了粒間孔隙，但是在其內部仍保留了相當一部分孔隙，這部分孔隙在早成巖一中成巖早期得以保留，在有機質熱解生烴階段油氣的充注提供了有利的空間。隨著熱演化程度的增加，在生氣窗內，經歷二次裂解轉化成富含孔隙的固體瀝青或焦瀝青。在掃描電鏡下可以看到微晶石英聚集體內部存在大量的遷移有機質，其內部發育的有機質孔可以形成相互連通的有效的孔隙網絡。研究區龍馬溪組頁巖自上而下壓實程度逐漸減弱，石英含量尤其是生物成因自生石英的含量逐漸增加，網絡狀遷移有機質逐漸增多。

礦物孔隙如果在油氣生成之前就被壓實和膠結作用全部破壞的話，干酪根內部發育的有機質孔就只會在干酪根內部形成孔隙網絡，有機質以孤立形式存在，相互之間缺乏連通，很難形成有效的孔隙網絡。遷移有機質以無定型形式存在與礦物顆粒之間，這些礦物孔隙在三維空間上是相互連通的，因此遷移有機質內部形成的有機質孔也可以形成三維連通性非常好的孔隙網絡。龍馬溪組硅質頁巖發育大量自生石英，內部的有機質通常形成網絡，頁巖孔隙構成以有機質孔為主，所占比例一般為50%以上，而粘土質頁巖內部幾乎不發育自生石英，有機質常呈孤立狀，頁巖孔隙構成以粘土礦物孔為主，有機孔所占比例介于10%-30%，粉砂質頁巖有機孔所占比例介于二者之間。不同巖性內部孔隙構成的差異，除了受有機質含量的影響外，自生石英的含量對有機質賦存狀態的影響也是一個不可忽略的重要因素。

2 有機質生烴演化對頁巖儲層的影響

2.1 有機質生烴演化產生有機質孔

有機質的熱演化作用對頁巖儲層有著重要的影響。一方面有機質在熱成熟過程中大量生烴，是頁巖氣的物質來源，頁巖只有達到了一定的熱成熟要求才能生氣成為頁巖氣儲層;另一方面，有機質熱成熟過程中生烴過程中，內部發育有機質孔，增加頁巖的孔隙度和吸附能力，對頁巖氣的富集有著重要的影響。頁巖氣儲層具有自身自儲的特點，因此與常規儲層相比，有機質熱演化過程不僅是可以生成油氣，也對頁巖儲層物性具有重要的影響。有機質孔是頁巖中獨有的也是頁巖孔隙的主要組分，Barnet盆地中頁巖TOC含量高達70%，假設在有機質熱演化生烴過程中，消耗3.5%的有機質就是增加4.9%的孔隙度。有機質孔隙隨有機質成熟生烴作用增強而增加，從干酪根到石油和從石油裂解成氣的熱轉化過程中，會形成高含碳的殘留碳及有機孔，對頁巖的儲集能力造成一定的影響。干酪根內部和遷移到外部的瀝青在生氣窗內經歷二次裂解致使有機質孔的大量發育，對New Albany頁巖的研究證實，頁巖內部瀝青中發育的有機質孔是在二次裂解時期形成的。計點法統計結果表明，龍馬溪組頁巖自上而下有機質含量逐漸增加，熱成熟度逐漸增高，孔隙度逐漸增加，主要孔隙類型由粒內孔轉化為有機質孔，TOC含量、熱成熟度以及生物成因石英含量是有機質孔發育的主要控制因素。Milliken等研究發現有機質熱成熟度和壓實作用共同影響有機質孔的發育、賦存和破壞，由于有機質孔隙網絡具有非常好的連通性，孔隙中天然氣的排除之后，孔隙由于受到上覆地層的壓實作用，部分發生塌陷和破壞，致使總孔隙度減少，這也是海相頁巖在達到一定埋深后，有機質孔數量并不會再隨著熱成熟度增加而增高，而是隨著埋深的增加而減少的原因。

2.2 有機質生烴增壓控制有機質孔的保存

超壓主要有側向構造應力、超壓傳遞、流體膨脹、不均衡壓實這4類成巖機制，粘土礦物轉化脫水、水熱增壓、瀝青裂解生氣以及干酪根生烴是流體膨脹的主要原因，其中粘土礦物轉化過程中的脫水作用和水熱增壓引起的壓力增幅程度太小，可以忽略不計。

3 粘土礦物轉化對頁巖儲層的影響

頁巖氣主要是以吸附氣、游離氣和溶解氣的形式賦存與頁巖孔隙中的，吸附氣主要賦存于顆粒或孔隙表面上，游離氣主要賦存在孔隙和裂縫中，溶解氣則是溶解在殘留水、液態原油、瀝青和干酪根之中。因此礦物的比表面積和孔體積控制著頁巖氣的賦存程度。頁巖中存在著大量的粘土礦物，研究區龍馬溪組頁巖中粘土礦物組合為伊利石+伊/蒙混層+綠泥石，粘土礦物的轉化主要是蒙脫石伊利石化，而蒙脫石和伊利石的比表面積和孔體積具有非常大的差異，因此粘土礦物中二者的含量對頁巖儲層具有重要的影響。

參考文獻：

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