粘土矿物转化对页岩孔隙的影响

董 杰

(成都理工大学 地球科学学院，四川 成都 610059)

粘土矿物转化对页岩孔隙的影响

董 杰

(成都理工大学地球科学学院，四川成都610059)

以鄂尔多斯盆地延长组页岩储层为研究对象，综合利用X衍射、场发射扫描电镜、等温吸附以及岩石热解实验，研究粘土矿物转化对鄂尔多斯延长页岩储层微孔的影响，结果表明：粘土矿物转化、胶结作用、溶蚀作用对鄂尔多斯延长组页岩储层孔隙均有影响，胶结作用使得岩石更加致密，溶蚀作用产生溶蚀孔增加孔隙体积；粘土矿物的转化主要为蒙脱石发生脱水作用转为伊利石，这一过程会增加岩石孔隙度。

鄂尔多斯盆地；长组页岩；页岩储层；微孔演化

目前，页岩气在全球内的勘探开发多针对海相页岩层系，国内页岩气研究的一直局限在在四川盆地、鄂西地区以及上扬子区的古生界海相页岩层系[1]。直到近年，随着技术条件的进步以及勘探认识的加深，鄂尔多斯盆地延长石油探区对陆相页岩气勘探才取得了一定意义上的突破，通过对该区中生界三叠系延长组陆相页岩气进行大量实验和相关数据分析，取得了大量与陆相页岩气相关的理论知识和实践经验，证实该区具有页岩气成藏潜力[2]。粘土矿物以一种硅铝酸盐矿物广泛存在于鄂尔多斯盆地的页岩中。其形成和转化受限于页岩成分及形成环境，同时它又反作用于页岩的组成和构建。通过对粘土矿物的研究，可以在很大程度上认识页岩储层。对后期油气勘探工作有积极的指示作用。

页岩孔隙的演化受多种地质因素的影响，如矿物成分、TOC、有机质类型、化学成分、成岩演化以及热成熟度，或是因为测试技术和实验条件的不同也会影响孔隙的演化(Valenza等，2013)。

针对以上问题，笔者采集了鄂尔多斯盆地多个地区的大量岩心样品及野外露头岩石样品，通过扫描电镜图像分析、气体吸附、X射线衍射、岩石热解等数据，建立了鄂尔多斯盆地延长组页岩蒙伊演化序列，研究了粘土矿物的成岩演化对页岩孔隙的影响，分析不同演化阶段下，页岩孔隙的演化特征，为预测具有良好储集空间的优质页岩储层提供参考。

1 页岩成岩演化及其微孔的影响作用

页岩主要由粘土矿物、陆源碎屑矿物(主要为石英和长石)和自生非粘土矿物(主要为碳酸盐和黄铁矿)三部分组成，随着地层温度和压力的增大，不同的部分也随之进行对应的成岩作用。化学压实作用使黏土矿物发生成岩演化；黄铁矿受热分解产生铸模孔；长石和石英等不稳定矿物则容易与有机质生烃作用伴生的有机酸发生溶蚀。

伴随着埋深的加大，成岩温度和压力的增高以及粘土矿物层间水和层间阳离子的排出，粘土矿物之间将发生转化作用。Hower等[3]提出，当地层温度达到70～100℃时，地层中的蒙脱石或伊蒙混层将向伊利石或混层比更低的伊蒙混层矿物转化。

根据X衍射的实验结果，可以发现，鄂尔多斯延长页岩的蒙脱石矿物的含量大多为0，表明将鄂尔多斯延长页岩蒙伊转化至少已过初始阶段。因此，为了观察鄂尔多斯延长页岩的蒙伊矿物的转化序列，将伊利石与伊蒙混层含量的相比，比值越大，表明演化程度越高，蒙伊转化越彻底。根据实验结果，将其分为3个阶段，第一阶段为伊蒙混层向伊利石转化的初期，伊利石与伊蒙混层含量的比值为0～1，比值为1时蒙脱石刚好转化完全，占样品数量的35%(表1)；第二阶段为伊蒙混层向伊利石转化的中期，伊利石与伊蒙混层含量的比值为1～3，占样品数量的37%(表2)；第三阶段为伊蒙混层向伊利石转化的后期至末期，伊利石与伊蒙混层含量的比值为大于3，此时蒙伊的转化也进入最后阶段，转化较为彻底，占样品数量的28%(表3)。

表1 伊蒙混层向伊利石转化初期各样品粘土矿物百分比含量

表2 伊蒙混层向伊利石转化中期各样品粘土矿物百分比含量

表3 伊蒙混层向伊利石转化后期各样品粘土矿物百分比含量

选取不同成熟度的样品，在扫描电镜下观察样品的成岩过程。样品中最主要的粘土矿物成分是伊蒙混层和伊利石，因此可以从伊蒙混层的变化观察蒙伊转化的过程，随着样品的成熟度变高，伊蒙混层形态变化明显。转化趋势为：片状-片状+絮状-絮状(图1)，从图中也可以看出，孔隙直径也随着演化的进行呈增大趋势。

图1 不同演化阶段的伊蒙混层

随着成岩作用的进行，地层的温度和压力的增加，部分黄铁矿会受热分解，在原来的地方形成一个铸模孔；胶结作用也是鄂尔多斯长7泥页岩中常见的成岩作用类型之一，它使得岩石更加致密。

2 粘土矿物演化与微孔形成演化的关系

蒙伊转化过程中有很多因素会影响页岩孔隙的变化。例如,蒙脱石向伊利石转化时，蒙脱石层间的水分子逐渐排出，矿物体积的变化主要表现为结晶格架单层厚度的减薄，由蒙脱石的15埃变为伊利石的10埃，这一过程会引起孔隙度的增加；层间水变为自由水体积增加，进入页岩本来的孔隙空间，使其在压实作用下能够更好地保存下来；伊利石相较于蒙脱石，更加杂乱，易堵塞孔隙等等。因此，蒙伊转化对页岩微孔的影响是复杂且不确定的。

根据上文利用伊利石与伊蒙混层的比值所划分的演化阶段，结合等温吸附实验所测得的孔隙直径可以发现(图2)，尽管样品的平均孔隙直径增大的幅度不大，这是因为影响孔隙发育的因素有很多，粘土矿物演化并不是唯一影响孔隙发育的因素。但总体上，伊利石与伊蒙混层的比值增大，平均孔径在呈增大的趋势。这说明，蒙伊转化对页岩孔隙的影响不能忽略，并且随着演化的向后期推进，页岩的平均孔隙直径呈增大的趋势。同理，用伊利石的含量与平均孔隙直径作关系图(图3)，可以观察到同样的现象。

图2 伊利石与伊蒙混层的比值与孔隙直径关系图

图3 伊利石含量与孔隙直径关系图

本次研究在彬长地区、红河油田和富县地区的延长组分别选取10～20个样品进行了X衍射实验和物性测试，并在扫描电镜下观察孔隙的结构。利用伊蒙混层与伊利石的比值代表蒙伊转化的程度，观察在不同蒙伊转化阶段下，页岩孔隙的变化。X衍射实验结果显示，富县地区伊蒙混层含量与伊利石的比值高于红河油田和彬长地区，红河油田最低。因此，可以判断出红河油田的蒙伊转化程度最高，其次为彬长地区，最低为富县地区。在扫描电镜下，富县地区伊蒙混层多呈片状发育，孔隙多发育为小于直径2nm的微孔；彬长地区伊蒙混层含量减少，中孔含量开始增加；红河油田伊蒙混层含量明显降低，孔隙多发育为大于50nm的粒内孔和粒间孔。

3 结论

(1)大量的微裂缝和微孔隙在粘土矿物转化过程中被生成或者改造。粘土矿物通过对页岩储层孔隙度的影响直接影响到页岩储层的油气资源潜力。

(2)粘土矿物转化参与了鄂尔多斯延长组页岩储层孔隙形成过程。主要为蒙脱石的发生脱水作用转化为伊利石，这一过程会增加岩石孔隙度，对该区页岩气储层建设具有积极作用。

[1] 张金川,姜生玲,唐 ，等.我国页岩气富集类型及资源特点[J].天然气工业,2009,29(12):109-114.

[2] 王香增,高胜利,高 潮，等.鄂尔多斯盆地南部中生界陆相页岩气地质特征[J].石油勘探与开发,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.

(本文文献格式：董杰.粘土矿物转化对页岩孔隙的影响[J].山东化工，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，在读研究生，主要从事沉积岩方面研究。