粘土矿物的转化及对页岩储层的影响

仙永凯

粘土矿物的转化及对页岩储层的影响

仙永凯

（成都理工大学能源学院，成都，610059）

在页岩储层中粘土矿物是其重要的矿物成分，所以对粘土矿物的研究也是页岩储层研究的重要组成部分。本文通过对五峰组-龙马溪组页岩全岩X衍射、粘土X衍射对泥页岩中的矿物组分定量分析有清楚的认识，通过氮气吸附实验确定了页岩的比表面积大小，通过普通扫描电镜和氩离子抛光扫描电镜可以观察到粘土矿物转化形成的孔隙。在前人对粘土矿物转化研究的基础上，本文重点探讨总结了页岩储层中高岭石、长石、蒙脱石向伊利石以及绿泥石转化的过程。在粘土转化的基础上，又重点突出在粘土矿物对页岩中吸附能力的大小的研究，以及粘土矿物对孔隙度的影响。通过扫描电镜的观察粘土矿物转化后形成的微孔和纳米孔可以分为四种，即：中间层，间粒，粘土和与有机物接触的裂缝，微裂纹。再者虽然粘土矿物对于孔隙度的改善作用非常有限，但是粘土矿物能够提供较多的比表面积。

储层；粘土矿物；页岩；比表面积

表1 两组样品矿物成分及其特征对比表

目前页岩气在美国和中国都得到成功开发, 2009年美国页岩气产量接近1 000×108m3, 超过我国常规天然气的年产量[1]。2013年，美国页岩气产量达3 100×108m3，致使美国能源消费结构和能源政策发生重大的变化[2]。在五峰组-龙马溪组目前开采的优质页岩储层中，粘土矿物的含量多达35%~55%。粘土矿物是沉积盆地中广泛存在的颗粒直径小于0.01mm，含水铝硅酸盐矿物的总称[3]。粘土矿物转化是泥页岩中重要的成岩作用类型，是粘土矿物本身性质和成岩环境共同作用的结果。彭水地区优质页岩储层中粘土矿物以伊利石、伊/蒙混层和绿泥石为主。通过对文献的调研可知，在泥页岩成岩的过程中，粘土矿物会发生相互的转化，主要以粘土矿物向伊利石转化和绿泥石转化为主。目前国内主要通过矿物组成、有机化学特征、物性特征和储集空间类型等方面直接评价泥页岩储层[4]，但较少将粘土矿物单独考虑,实际上粘土矿物的转化对储层改造有很大的影响。在粘土矿物转化的过程中，产物包括是石英，进一步增加了页岩储层的脆性。

1 粘土矿物转化作用

1.1 粘土矿物组成

根据研究分析，泥页岩的粘土矿物在刚开始成岩的时候是以蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石为主的。据南海渐新世以来的沉积矿物组成平均含量，蒙脱石55%，伊利石20%，高岭石13%，绿泥石12%[5]。通过对彭水地区两口井的钻井取芯，进行全岩X衍射、粘土X衍射可以得到其矿物成分见表1。

1.2 粘土矿物转化作用

1）伊利石的生成，伊利石常常以碎片状或鳞片状覆盖颗粒表面，或以卷片状集合体充填于粒间孔隙中。但是在页岩中黏土颗粒一般都遭受到严重的压实作用，在场发射环境扫描电镜下，不容易辨别。泥页岩中伊利石的来源主要有两种[6]：①来自陆源风化较弱的深成岩或者变质岩，风化剥蚀之后产生的伊利石；②在一定的埋藏深度其他矿物的转化（蒙皂石或者高岭石和长石的转化）。随着成岩阶段的演化，高岭石、蒙脱石逐渐向伊利石和伊/蒙混层转化，到成岩晚期时，高岭石、蒙脱石几乎消失或仅少量残留。所以在成岩演化的过程中，高岭石和蒙脱石会不断地向伊利石转化而导致含量减小，生成的伊利石含量逐渐增加。

通过上面对于粘土矿物含量的分析可知，存在的矿物转化主要是高岭石、长石向伊利石的转化和蒙脱石向伊利石转化，其转化过程为：

Al2Si2O5(OH)4(高岭石) +KAlSi3O8(钾长石) =KAl3Si3O10(OH)2(伊利石)+2SiO2+ H2O[7]

蒙脱石+4.5K++8Al3+→伊利石+Na++2Ca2++2.5Fe3++2Mg2++3Si4+[8]

3KAlSi3O8(钾长石)+2H++H2O=KAl3Si3O10(OH)2(伊利石)+6SiO2(硅质)+2K++H2O

高岭石向伊利石的转化会消耗钾长石，使得钾长石溶解，含量减少，并生成硅质矿物，以石英次生加大或胶结物的形式存在，增加了储层的抗压实能力。

长石埋藏后，在成岩过程中的遭到有机酸的溶解，通常形成高岭石。随着埋藏深度的增加，地温升高反应速率变快，当钠长石和钙长石向伊利石转化的时候，需要孔隙流体提供K+。不同的长石类型稳定性不同，钙长石最不稳定，最先发生反应，其次是钠长石，钾长石最为稳定，但是前两者往往会受到K+的影响，最后溶蚀孔隙和钾长石的关系最为密切。钾长石稳定性较高的原因是其吉布斯自由能比较大。

泥页岩中原始蒙脱石含量较高，在K+和Al3+供应充足的情况下，蒙脱石便可经伊蒙混层向伊利石大量转化，从而使伊利石含量增加。在此过程中消耗了大量的K+，也进一步促使钾长石向伊利石的转化。有研究指出95%的蒙脱石都会在20°C到200°C的条件下转化为伊利石，蒙脱石向伊利石转化是一个低能耗的自发反应。有机质的成熟可以加速钾长石的溶解，增加蒙脱石伊利石化的反应速率，同时形成溶蚀孔隙。

2）绿泥石的生成，随着成岩强度和埋藏深度的加大,蒙脱石会通过绿/蒙混层逐渐向绿泥石转化,通常在早成岩B期消失。当富含镁离子和铁离子时,则向绿泥石转化[9]。随着低温的增加，蒙皂石结构不稳定，发生层间脱水反应，导致矿物晶格缺陷，之后在富含镁离子和铁离子的条件下，发生的晶格的重新排列，向绿/蒙混层转化，再逐步转化为绿泥石。这种由蒙皂石向绿泥石转化的往往会遗留下蜂巢状的特征。有学者在致密砂岩储层的研究中发现，带有绿泥石环边的致密砂岩的孔隙度和渗透率相对较高[10]。但是对于页岩来说，绿泥石的含量相对伊利石的含量低很多，对于页岩储层的影响不大。

2 粘土矿物对储层的影响

表2 粘土矿物比表面积(据李霞，2018)

粘土矿物对于储层的影响有两个方面：①粘土矿物能够极大的增加储层的比表面积，尤其是对于页岩这种以吸附气为主的储层；②粘土矿物转化在一定程度上改善了页岩储层的孔隙度（粘土矿物转化，体积变下）。粘土矿物由于颗粒细小，虽然遭受到严重的压实作用的影响，但是往往还会有较大比表面积的存在。赵杏媛等[11]统计过全国含油气盆地常见的粘土矿物比表面积平均值（表2）。粘土矿物形成的孔隙也是页岩孔隙的重要组成部分，由于粘土矿物具有较大的比表面积，并且在页岩中粘土矿物的含量较多，所以粘土矿物是仅次于有机物质的吸附载体。粘土矿物本生颗粒粒度较小，抗压实能力较弱，在成岩作用过程中，通过紧密的压实作用缩小为微米、纳米尺寸的孔隙，这些孔隙也是页岩储层孔隙的重要组成部分。通过扫描电镜的观察可以将这些微孔和纳米孔可以分为四种，即：中间层，间粒，孔隙和与有机物接触的裂缝，微裂纹（图1）。

2.1 粘土矿物对比表面积的影响

为了进一步探讨粘土矿物对比表面积的影响，选取了下面两个样品进行对比。首先通过全岩X衍射实验，分析了1号和2号样品的矿物组成（表1），发现在1号样品中石英的含量为34%，长石含量为7%，碳酸盐岩类矿物和黄铁矿含量分别为4%和3%，粘土矿物含量为52%；而2号样品中石英含量为59%，长石含量为5%，碳酸盐岩类矿物和黄铁矿分别为5%和2%，粘土矿物含量为29%。通过对比我们发现这两个样品之前的区别主要是石英和粘土矿物的不同，粘土矿物的增加往往就是来自石英的减少。两者的TOC含量分别为3.62和3.38，相差也不大。两者的孔隙度分别为5.409%和3.597%；通过对比两者的氮气吸附解析曲线（图2）相对压力小于0.5时，此时充填的孔隙多为微孔和介孔，1号样品中孔隙体积的变化量为10%左右，而2号样品孔隙体积的变化量为4%左右。因为1样品的孔隙度大于2号样品，在吸附曲线上，当相对压力大于0.5时，1号样品的吸附量明显增加，这主要是由大孔所造成的。但是当相对压力小于0.5时，两者的差异主要是由微孔和介孔所导致的。因为这两个样品除了石英和粘土两者含量的差异，另外当相对压力小于0.5时，又排除了大孔对孔隙度的影响，所以两者吸附量的差别，主要是由粘土含量导致。所以1号样品吸附量较多是由粘土矿物的含量所引起的，进一步说明了粘土含量的增加导致了比表面积的增加，进而导致了吸附量的增加。

通过表格2可以看出最初沉积的粘土矿物蒙皂石在粘土矿物的转化过程中，比表面积是减小的。从表格中可以看出粘土矿物由最大比表面积的蒙皂石转化成较小比表面积的伊利石，但是黏土矿物相对于石英这一类的矿物来说，其比表面积还是大的多。因此粘土矿物转化会导致储层的比表面积减少，但是转化之后的比表面积还是相当的大，所以在对页岩储层的研究过程中，粘土矿物占有重要的地位。

图2 1号、2号样品吸附解析曲线

注：a为 W.R. Almon 统计的粘土矿物表面积；b为 H.VanOlphen统计的粘土矿物的内、外表面积

2 粘土矿物转化对孔隙度的影响

粘土矿物转化对于页岩储层孔隙度的影响不大，粘土矿物大多来自陆源成因，只有少部分来自非粘土矿物的长石转化而来，这类孔隙度增加量比较少；粘土矿物之间的转化，主要是比表面积逐渐减小的过程，因此粘土矿物转化对页岩孔隙的影响不大。

根据元素守恒定理，得到前面粘土矿物的转化公式。在这个反应公式的左边钾长石的摩尔体积108.87cm3/mol、高岭石的摩尔体积99.52cm3/mol，公式的右边伊利石的摩尔体积140.71cm3/mol、Si02的摩尔体积22.688cm3/mo1，则随着钾长石溶解，高岭石不断的向伊利石转化，按反应式计算，岩石会有22.304cm3/mol的固体相体积减少，该反应过程有约10.7%额外空间产生[7]，可以看出这个转化反应是一个体积减小的过程。虽然部分钾长石溶解形成的次生孔隙会因压实作用等其他成岩作用减少，但是伊利石胶结物和硅质胶结物的体积计算己经考虑在内，同时该成岩阶段的压实作用已十分有限，钾长石溶解所形成的次生孔隙也会较好地保存下来，造成储层空间的增加，但是增加的程度非常有限。当蒙脱石重新结晶成伊利石时，中间层减少，蒙脱石的结构内聚破裂而产生裂缝。粘土矿物在转化的过程中，会生成一定比例的Si02，这些Si02使得页岩储层的脆性增加，使得页岩储层的裂缝增加。在页岩的开采压裂过程中，这些脆性矿物也能使得页岩储层易于压裂。

3 结论

1）在页岩的成岩演化过程，粘土矿物主要是由蒙皂石、高岭石、长石向伊利石、绿泥石转化。

2）通过对照实验定量的分析了粘土矿物对页岩储层比表面积有较大的贡献。

3）粘土矿物在转化的过程会产生一些溶蚀孔隙，使得页岩的孔隙度得到非常有限的增加，同时生成的Si02也会增加页岩储层的脆性，更加有利于页岩气的开发。

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The Transformation of Clay Minerals and Its Impact on Shale Reservoirs

XIAN Yong-Kai

(College of Energy, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059)

This study focuses on the influence of transformation of clay minerals on the adsorption capacity of clay minerals and on porosity of shale reservoir based on full-rock X-ray diffraction and clay X-ray diffraction of the shale from the Wufeng Formation and the Longmaxi Formation.

clay mineral transformation; shale reservoir; influence; Wufeng Formation; Longmaxi Formation

2019-02-28

仙永凯（1992-），男，山东济宁人，硕士研究生，研究方向：油气田开发地质描述与评价

P618, 130

A

1006-0995（2019）02-0244-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.02.013