董 杰

(成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059)

粘土礦物轉(zhuǎn)化對(duì)頁巖孔隙的影響

董 杰

(成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川成都610059)

以鄂爾多斯盆地延長組頁巖儲(chǔ)層為研究對(duì)象，綜合利用X衍射、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、等溫吸附以及巖石熱解實(shí)驗(yàn)，研究粘土礦物轉(zhuǎn)化對(duì)鄂爾多斯延長頁巖儲(chǔ)層微孔的影響，結(jié)果表明：粘土礦物轉(zhuǎn)化、膠結(jié)作用、溶蝕作用對(duì)鄂爾多斯延長組頁巖儲(chǔ)層孔隙均有影響，膠結(jié)作用使得巖石更加致密，溶蝕作用產(chǎn)生溶蝕孔增加孔隙體積；粘土礦物的轉(zhuǎn)化主要為蒙脫石發(fā)生脫水作用轉(zhuǎn)為伊利石，這一過程會(huì)增加巖石孔隙度。

鄂爾多斯盆地；長組頁巖；頁巖儲(chǔ)層；微孔演化

目前，頁巖氣在全球內(nèi)的勘探開發(fā)多針對(duì)海相頁巖層系，國內(nèi)頁巖氣研究的一直局限在在四川盆地、鄂西地區(qū)以及上揚(yáng)子區(qū)的古生界海相頁巖層系[1]。直到近年，隨著技術(shù)條件的進(jìn)步以及勘探認(rèn)識(shí)的加深，鄂爾多斯盆地延長石油探區(qū)對(duì)陸相頁巖氣勘探才取得了一定意義上的突破，通過對(duì)該區(qū)中生界三疊系延長組陸相頁巖氣進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)和相關(guān)數(shù)據(jù)分析，取得了大量與陸相頁巖氣相關(guān)的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，證實(shí)該區(qū)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(zhuǎn)化受限于頁巖成分及形成環(huán)境，同時(shí)它又反作用于頁巖的組成和構(gòu)建。通過對(duì)粘土礦物的研究，可以在很大程度上認(rèn)識(shí)頁巖儲(chǔ)層。對(duì)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(zhì)因素的影響，如礦物成分、TOC、有機(jī)質(zhì)類型、化學(xué)成分、成巖演化以及熱成熟度，或是因?yàn)闇y(cè)試技術(shù)和實(shí)驗(yàn)條件的不同也會(huì)影響孔隙的演化(Valenza等，2013)。

針對(duì)以上問題，筆者采集了鄂爾多斯盆地多個(gè)地區(qū)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(shù)據(jù)，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(duì)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(yù)測(cè)具有良好儲(chǔ)集空間的優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)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(jìn)行對(duì)應(yīng)的成巖作用?；瘜W(xué)壓實(shí)作用使黏土礦物發(fā)生成巖演化；黃鐵礦受熱分解產(chǎn)生鑄?？?；長石和石英等不穩(wěn)定礦物則容易與有機(jī)質(zhì)生烴作用伴生的有機(jī)酸發(fā)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(fā)生轉(zhuǎn)化作用。Hower等[3]提出，當(dāng)?shù)貙訙囟冗_(dá)到70～100℃時(shí)，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(zhuǎn)化。

根據(jù)X衍射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化越徹底。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將其分為3個(gè)階段，第一階段為伊蒙混層向伊利石轉(zhuǎn)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(shí)蒙脫石剛好轉(zhuǎn)化完全，占樣品數(shù)量的35%(表1)；第二階段為伊蒙混層向伊利石轉(zhuǎn)化的中期，伊利石與伊蒙混層含量的比值為1～3，占樣品數(shù)量的37%(表2)；第三階段為伊蒙混層向伊利石轉(zhuǎn)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(shí)蒙伊的轉(zhuǎn)化也進(jìn)入最后階段，轉(zhuǎn)化較為徹底，占樣品數(shù)量的28%(表3)。

表1 伊蒙混層向伊利石轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化的過程，隨著樣品的成熟度變高，伊蒙混層形態(tài)變化明顯。轉(zhuǎn)化趨勢(shì)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(jìn)行呈增大趨勢(shì)。

圖1 不同演化階段的伊蒙混層

隨著成巖作用的進(jìn)行，地層的溫度和壓力的增加，部分黃鐵礦會(huì)受熱分解，在原來的地方形成一個(gè)鑄?？?；膠結(jié)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(guān)系

蒙伊轉(zhuǎn)化過程中有很多因素會(huì)影響頁巖孔隙的變化。例如,蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化時(shí)，蒙脫石層間的水分子逐漸排出，礦物體積的變化主要表現(xiàn)為結(jié)晶格架單層厚度的減薄，由蒙脫石的15埃變?yōu)橐晾?0埃，這一過程會(huì)引起孔隙度的增加；層間水變?yōu)樽杂伤w積增加，進(jìn)入頁巖本來的孔隙空間，使其在壓實(shí)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(zhuǎn)化對(duì)頁巖微孔的影響是復(fù)雜且不確定的。

根據(jù)上文利用伊利石與伊蒙混層的比值所劃分的演化階段，結(jié)合等溫吸附實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的孔隙直徑可以發(fā)現(xiàn)(圖2)，盡管樣品的平均孔隙直徑增大的幅度不大，這是因?yàn)橛绊懣紫栋l(fā)育的因素有很多，粘土礦物演化并不是唯一影響孔隙發(fā)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(shì)。這說明，蒙伊轉(zhuǎn)化對(duì)頁巖孔隙的影響不能忽略，并且隨著演化的向后期推進(jìn)，頁巖的平均孔隙直徑呈增大的趨勢(shì)。同理，用伊利石的含量與平均孔隙直徑作關(guān)系圖(圖3)，可以觀察到同樣的現(xiàn)象。

圖2 伊利石與伊蒙混層的比值與孔隙直徑關(guān)系圖

圖3 伊利石含量與孔隙直徑關(guān)系圖

本次研究在彬長地區(qū)、紅河油田和富縣地區(qū)的延長組分別選取10～20個(gè)樣品進(jìn)行了X衍射實(shí)驗(yàn)和物性測(cè)試，并在掃描電鏡下觀察孔隙的結(jié)構(gòu)。利用伊蒙混層與伊利石的比值代表蒙伊轉(zhuǎn)化的程度，觀察在不同蒙伊轉(zhuǎn)化階段下，頁巖孔隙的變化。X衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，富縣地區(qū)伊蒙混層含量與伊利石的比值高于紅河油田和彬長地區(qū)，紅河油田最低。因此，可以判斷出紅河油田的蒙伊轉(zhuǎn)化程度最高，其次為彬長地區(qū)，最低為富縣地區(qū)。在掃描電鏡下，富縣地區(qū)伊蒙混層多呈片狀發(fā)育，孔隙多發(fā)育為小于直徑2nm的微孔；彬長地區(qū)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(fā)育為大于50nm的粒內(nèi)孔和粒間孔。

3 結(jié)論

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

(2)粘土礦物轉(zhuǎn)化參與了鄂爾多斯延長組頁巖儲(chǔ)層孔隙形成過程。主要為蒙脫石的發(fā)生脫水作用轉(zhuǎn)化為伊利石，這一過程會(huì)增加巖石孔隙度，對(duì)該區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層建設(shè)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(diǎn)[J].天然氣工業(yè),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(zhì)特征[J].石油勘探與開發(fā),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(xiàn)格式：董杰.粘土礦物轉(zhuǎn)化對(duì)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。