蒙脱石与相关黏土矿物的演变规律及其对页岩气开发的影响

靳平平,欧成华,2,马中高,李 丹,任玉金,赵永富

(1.西南石油大学石油与天然气工程学院,四川成都610500;2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都610500;3.中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院,江苏南京211103;4.大港油田公司第三采油厂,天津300380)

页岩气勘探开发是当前我国天然气领域的研究热点之一[1-2]。黏土矿物是页岩的重要组成部分,蒙脱石、伊-蒙混层、绿-蒙混层等易水化的黏土矿物对页岩水平井钻井和大规模多段压裂施工效果会造成严重影响[3-4],有必要进行蒙脱石与相关黏土矿物分布特征、演变规律及其对页岩气开发影响方面的研究。

蒙脱石与相关黏土矿物的沉积、成岩演化是一个极为复杂的过程[5-6]。1967年,POWERS[7]研究给出了蒙脱石的脱水规律。1969年,BURST[8]进一步完善了蒙脱石的脱水规律曲线,PERRY等[9]在此基础上将蒙脱石的脱水曲线分为高地温梯度和低地温梯度两种情况,其观点更符合地层黏土矿物中蒙脱石的实际脱水情况。1980年,王行信等[10]对松辽盆地白垩系黏土矿物进行了成岩阶段划分,并指出成岩作用与有机质的演化过程具有一定的对应关系。1990年,赵杏媛[11]指出蒙脱石向伊利石的转化能够促进油气初次运移。2002—2006年,王行信等[12-13]研究指出,黏土矿物的组成、含量和它们在孔隙中的分布特征主要受成岩作用和沉积环境控制,直接影响储层的孔隙结构和产能大小,黏土矿物在成岩作用过程中析出的无机和有机组分伴随流体进入孔隙,使储层中的不稳定组分溶解产生次生孔隙,并进一步研究了黏土矿物对有机质生烃的催化作用。蒙脱石与相关黏土矿物不仅沉积、成岩演化过程复杂,而且对油气藏开发具有很大影响[14]。2004年,李莉等[15]研究发现,黏土矿物含量和组成特征对储层的压裂效果具有明显影响,比如储层压裂过程中黏土矿物微粒的迁移是影响压裂增产效果的重要因素。2009—2012年,赵杏媛等[16-17]研究表明,黏土矿物的吸附作用影响有机质的富集,且黏土矿物的种类及含量影响吸附态页岩气的分布。

研究蒙脱石与相关黏土矿物对页岩气开发具有重要意义。前人虽然已经取得了丰富的相关研究成果,但并未系统地研究黏土矿物的分布特征、演变规律及其对页岩气开发的影响。本文通过系统归纳我国海相、陆相及海陆过度相环境、不同深度范围蒙脱石与相关黏土矿物的分布特征,分析其随深度、温度变化的演变过程及规律,据此总结了蒙脱石与相关黏土矿物对优质页岩预测、页岩气钻井过程、压裂过程的影响及其处理措施,最后形成对页岩气开发的有益认识。

1 蒙脱石与相关黏土矿物的微观结构及分布特征

蒙脱石及相关黏土矿物复杂多变的分布特征是由其本身所具有的不同化学结构决定的。黏土矿物一般由硅氧(Si-O)四面体片和铝氧(Al-O)八面体片以不同的方式组合而成,由于排列方式、层间作用力以及层间阳离子种类、含量的不同,黏土矿物中各矿物的性质存在一定差异[18-19](表1)。蒙脱石容易发生水化膨胀,晶层间含有大量的吸附水和层间水,具有很强的阳离子交换能力[20]。伊利石晶体性质相对比较稳定[21]。绿泥石适合在碱性环境下保存,其酸敏性对储层会造成很大的危害。高岭石具有一定的吸水性,潮湿后有可塑性,但不发生膨胀,容易发生速敏,油层中高岭石颗粒大而附着力弱,常因运移堵塞孔喉而降低储层渗透率[22]。

表1 蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石的化学性质及结构特征

蒙脱石及相关黏土矿物的分布复杂多变[23]。分析珠江、长江、黄河流域以及鄂尔多斯盆地、四川盆地等黏土矿物数据(表2)发现,各地区粘土矿物在沉积、成岩演化过程中主要受到物源、沉积环境及成岩作用的控制[24-25]。从整体上来看,近地表黏土矿物以伊利石、高岭石、绿泥石为主,蒙脱石的含量相对较少,几乎不出现伊-蒙混层。珠江流域的珠江河流、伶仃洋、南海北部属于海陆过渡相沉积,黏土矿物中含量最高的是高岭石(33%～46%),其次为伊利石和绿泥石,分别占26%,25%～28%,蒙脱石所占比例较小,为3%～16%,不含伊-蒙混层。江汉、长江、黄河、台湾海峡等区域的黏土矿物含量与珠江流域有很大差异[26],以伊利石(61.7%～69.9%)为主,高岭石(2.3%～24.5%)和绿泥石(13.0%～27.7%)含量次之,蒙脱石含量为0～13.2%,也不含伊-蒙混层[27-29]。鄂尔多斯盆地华庆地区长6油层组黏土矿物主要为绿泥石(59%～88%),伊利石和伊-蒙混层含量相对较少,不含蒙脱石和高岭石[30]。这是因为在1900～2100m范围内富含Fe2+、Mg2+的碱性环境中,蒙脱石主要转化为绿泥石。由于碱性环境不利于高岭石的生成和保存,所以不含高岭石。鄂尔多斯盆地东部和渤南洼陷古近系埋深在2000～4000m,主要成分有伊利石、绿泥石、高岭石、伊-蒙混层,不含蒙脱石。出现高岭石是由于有机质在热演化过程中产生了有机酸和CO2,在酸性环境下有利于高岭石的生成。因此高岭石的异常高值也可作为油气富集的一个重要标志[31-32]。

2 蒙脱石与相关黏土矿物的沉积环境及演变规律

2.1 沉积环境

沉积环境对黏土矿物的生成和演变具有一定的控制作用[23]。在世界范围内,大约70%的黏土矿物来源于环太平洋。黏土矿物的形成有一定规律,如我国发现的黏土矿物主要分布在沿海地区[33]。沉积环境按照地理位置一般可分为陆地、海洋以及海陆过渡区,内陆沉积主要包括河流、沼泽、湖泊等,河流是流水由陆地进入海洋和湖泊的主要通道,也是将黏土矿物由陆地搬运到海洋和湖泊的主要水动力[34]。黏土矿物在河流冲击、搬运的同时也伴随着一定的沉积作用。由于大多数河流沉积环境是中性或弱酸性的弱氧化环境,因此河流沉积中黏土矿物以高岭石较多,绿泥石较少[35]。但由于物源的影响,部分河流黏土矿物中绿泥石的含量较高(表2)。

湖泊中黏土矿物沉积主要受气候条件和物源的影响,尤其是气候条件对湖泊沉积起着控制作用[35]。深湖和半深湖水体一般是碱性还原或弱还原环境,适于蒙脱石、伊利石及绿泥石的生成和保存。如我国的松辽盆地、渤海湾盆地和苏北盆地生油岩系分别是白垩系和下第三系半深湖的暗色泥岩[36]。

三角洲包括陆上和水下两部分沉积,一般位于海陆过渡区域,因此接近河流的水体性质,为中性或弱酸性的弱氧化沉积环境,以高岭石为主,不利于绿泥石的生成和保存。如澳大利亚北部的巴布亚洲三角洲,我国的珠江、辽河三角洲,越南的湄公河等[37]。

海洋中水力作用、邻近大陆物源及气候是黏土矿物沉积和分布的决定性因素。其中海浪是黏土矿物重新搬运、沉积的主要水动力[38]。浅海陆棚是海洋沉积中最活跃的区域,也是大陆与深海盆地间的过渡区,阳光充足,氧气充分,不利于蒙脱石、绿泥石的保存;半深海及深海区阳光和氧气不足,在碱性(pH值7～8)、弱还原、盐度正常的海水环境中有利于绿泥石的形成[39]。

2.2 沉积演化的影响因素

含油气盆地中的黏土矿物一般存在于古代沉积岩中,黏土矿物沉积演化的主要控制因素有:水介质、古气候环境、物源以及成岩作用[23]。不同的沉积阶段,蒙脱石及相关黏土矿物演变的主要控制因素也不同。古气候环境直接影响着古水环境的性质,而古水介质的盐度、酸碱度及离子种类等都对黏土矿物的形成、演变有很大影响[7]。赵杏媛等[24]实验结果表明,在相同温度压力下,地层水中K+,Mg2+,Fe2+浓度将直接影响蒙脱石向伊利石、绿泥石的转化程度。物源是沉积演变的物质基础,成岩作用是在沉积环境的影响下对黏土矿物进行不同程度的改造[7]。在成岩过程中,蒙脱石演化不仅与地层温度和埋藏时间相关,而且与沉积压实引起的骨架和孔隙流体变化相关。黏土矿物在地表的转化主要受风化、剥蚀、搬运等作用的影响。随着深度的增加,地层温度成为黏土矿物转化的主要控制因素[40]。有机质的成熟过程对矿物演化也有很大影响,在有机质成熟阶段,烃类位侵阻碍了孔隙内流体的流动,对蒙-伊化进程具有一定的延缓作用[24-25,41]。

2.3 沉积演变过程及规律

前人研究表明,蒙脱石及黏土矿物在地表的转化与其在地层内部的演变有很大差异。地表转化主要受气候、水动力作用类型、风化程度的影响;在地层内部的演变主要受地层水介质、温度、压力等因素的控制。由于地表转化与地层内部演变的环境和控制因素不同,因此蒙脱石及相关黏土矿物的转化过程存在很大差异。

2.3.1 地表的转化特征

蒙脱石及相关黏土矿物之间在地表的转化也是非常复杂的过程。GRIFFIN等[34]研究表明:伊利石一般是海洋沉积中黏土矿物成分最高的矿物;近地表蒙脱石主要是由火山岩、变质岩在碱性还原环境下转化形成的;长石、云母等矿物在碱性环境下逐渐形成伊利石,在富含Fe2+,Mg2+的碱性环境下转化为绿泥石,长石、辉石和云母在酸性流体的溶蚀作用下转化为高岭石[34-35]。河流、近海湖泊等沉积区多为中性或弱酸性氧化环境,不利于蒙脱石、绿泥石的保存,伊利石也会因K+的淋失逐渐转化为高岭石;绿泥石结构会因晶层中二价阳离子被氧化遭到破坏。在风化作用较弱的地方,多为碱性的弱还原环境,如沼泽、深湖和半深湖区,适于蒙脱石、伊利石和绿泥石的保存,不利于高岭石的形成[22]。

除了原生矿物转化形成次生矿物外,地表的次生矿物即蒙脱石、伊利石、绿泥石、高岭石以及伊-蒙混层之间在适宜的环境条件下也会相互转化,形成适合在该环境下保存的矿物。蒙脱石在富含K+的碱性环境中转化为伊利石,在温暖湿润的酸性环境中形成高岭石,在富含Fe2+和Mg2+的碱性条件下转化为绿泥石。受构造运动的影响,地层内部的黏土矿物被抬升到地表,在富含Fe2+,Mg2+,Na+等水体活动的影响下重新沉积,在此过程中,部分伊利石转化为蒙脱石,或由有序伊-蒙混层转化为无序伊-蒙混层,绿泥石、高岭石也会向蒙脱石转化。这种现象称为退化或反向转化[10,42]。

2.3.2 地层内部的演变规律

国外学者对蒙脱石及相关黏土矿物在地层中的沉积演变规律做了大量研究。如早在1957年,BURST[43]研究指出,蒙脱石在地层压力作用下的脱水过程有益于有机质的成熟和运移,矿物转化过程中所释放的Mg2+和Fe2+有利于绿泥石的生成。在此基础上,POWERS[7]给出了蒙脱石的脱水规律曲线(图1a),并得到了其它学者的认可[7]。BURST[8]进一步完善了蒙脱石的脱水规律曲线(图1b)。PERRY等[9]将蒙脱石脱水曲线分为高地温梯度和低地温梯度两种情况(图1c),其观点更符合地层黏土矿物中蒙脱石的实际脱水情况。1981年,HOWER[44]研究指出,蒙脱石二次脱水后将由蒙脱石层逐渐形成伊-蒙混层,并指出随着地层埋藏深度的增加,伊-蒙混层中伊利石的含量增大。

图1 脱水规律曲线比较a POWERS(1967)[7]; b BURST(1969)[8]; c PERRY等(1972)[9]

在国内,也有很多学者做了大量与黏土矿物沉积演变相关的研究。1980年,王行信等[10]针对松辽盆地白垩系的黏土矿物进行了成岩阶段划分,并指出成岩作用与有机质的演化过程具有一定的对应关系。1988年,王行信[23]指出,在正常沉积盆地中蒙脱石和高岭石随埋藏深度的增加分别向伊利石、绿泥石转化。1995年,赵杏媛等[24]针对我国20多个盆地的黏土矿物研究指出,不同含油气盆地的蒙脱石及相关黏土矿物沉积演化规律存在差异,并发现我国渤海湾盆地、苏北盆地和北部湾盆地的部分层系与美国湾岸第三系中新统至渐新统黏土矿物的演变规律基本一致,属于正常沉积盆地。

蒙脱石与相关黏土矿物在地层内部的演变情况比较复杂。图2给出了前人研究的蒙脱石与相关黏土矿物的演变规律[12]。一般将蒙脱石与相关黏土矿物的成岩作用分为三个主要阶段,分别为早成岩阶段、中成岩阶段(包括中成岩早期和中成岩晚期)以及晚成岩阶段。其基本对应蒙脱石及相关黏土矿物的三个发育带,即伊-蒙混层发育带、高岭石异常高值带和伊利石、绿泥石发育带。

在早成岩阶段,随着埋藏深度的增加,地层温度逐渐升高,压力增大,蒙脱石在压实作用下开始脱水(主要脱去吸附水和层间水),但晶体结构不会发生太大变化[24]。在1200～1600m范围内,大部分蒙脱石在富含K+的碱性环境中开始转化形成较为发育的无序伊-蒙混层(图2)。蒙脱石向伊利石转化有两个阶段速度很快,纵向上在短短几m甚至1m内完成(图3)[10,24]。不同地区由于沉积速度不同,导致相同的时间沉积厚度不同,因此转化阶段在纵向上的深度有一定的差异,通常对应有机质热演化阶段,有少量的生物甲烷气和低温化学气生成。

当地层深度在1600～2000m及以下时,伊-蒙混层中蒙脱石所占比例一般在40%～50%及以上。当深度大于1600m时,逐渐进入了中成岩阶段(图2)。在富含Fe2+,Mg2+的碱性环境下,泥岩中会出现大量的绿-蒙混层,从图2可知,绿-蒙混层比伊-蒙混层埋藏深。中成岩阶段对应着有机质的成熟期和构造活动期,在有机质成熟过程中会产生大量的CO2和酸性物质,该酸性环境下有利于高岭石的生成。在构造活动期,烃类在孔隙中聚集抑制了地层水的流动,由于烃类侵位的流体前锋是溶蚀长石产生高岭石的酸性流体,因而随后的烃类侵位明显阻碍了高岭石向其它黏土矿物的转化。烃类侵位使得油层内的高岭石得到有效保护,因此在这个时期通常会出现高岭石的异常高值带。油层外的黏土矿物受碱性成岩环境的影响,高岭石在富含Fe2+,Mg2+的碱性环境中转化为绿泥石。若地层处于异常高压,伊-蒙混层的转化也会受到抑制,所以可能出现蒙-伊混层比异常高值[10]。

图2 蒙脱石与相关黏土矿物的演化序列

图3 松辽盆地蒙-伊转化过程中蒙脱石在纵向上的百分含量变化[24]a 徐11井; b 古12井

当地层埋深在2500～3000m及以上、温度大于170℃时进入晚成岩阶段,对应油气成藏期,蒙脱石及相关粘土矿物的演化仍然很复杂,影响因素主要有烃类侵位、成岩作用和异常高压。蒙脱石和高岭石的含量逐渐减少,混合黏土矿物进一步演变为分散伊利石和绿泥石[24-25]。

3 蒙脱石与相关黏土矿物对页岩气开发的影响及处理措施

大规模水平钻井及多段重复水力压裂是成功开发页岩气的技术关键。从以上论述中不难看出,蒙脱石与相关黏土矿物的存在将极大地影响页岩气藏水平钻井和水力压裂的顺利实施,从而对页岩气开发产生重要影响。

3.1 对页岩气钻井过程的影响及处理措施

蒙脱石与相关黏土矿物的存在导致现行钻井过程中水和钻井液滤液渗入页岩地层发生水化膨胀,使长水平井井壁失稳,发生周期性坍塌,给页岩气水平井钻井带来更大的困难。因此,新型钻井液和钻井工艺技术的研究也成为解决当前面临的页岩储层水化膨胀、井壁失稳、井壁坍塌等难题的迫切需要。

在水平井钻井过程中,水或滤液渗入页岩地层遇黏土矿物水化膨胀使地层孔隙压力发生变化是导致页岩井壁失稳、坍塌的主要原因[45]。提高钻井液体系的性能是延缓孔隙压力扩散、维持井壁稳定,从而达到水平井安全高效钻井的关键[46]。国外针对页岩长水平井钻井率先利用油基钻井液基本解决了黏土矿物水化、井壁失稳、高摩阻、卡钻等难题[47]。进入21世纪后,随着美国页岩气商业化开发的深入,油基钻井液技术的发展已经非常成熟。但由于油基钻井液成本高、污染环境等缺点,现场更期待低成本且环保的高性能水基钻井液和防漏防堵的新型纳米钻井液等代替当前的油基钻井液。

目前,钻井液种类大体上可分为油基钻井液和水基钻井液两种,主要有甲基葡萄糖苷(MEG)钻井液、抗高温油基钻井液、防漏防堵纳米钻井液、油基钻井液(NAF)、阳离子烷基糖苷(CAPG)高性能水基钻井液、油基泡沫钻井液及甲酸盐钻井液等[45-51]。这些钻井液性能各有优劣(表3),页岩水化膨胀和井壁失稳等是水基钻井液体系当前面临的主要难题,今后需要研究出综合性较强的钻井液来解决页岩水化膨胀、井壁失稳、漏失、成本高和不环保等方面的问题。

表3 常用钻井液种类、钻井工艺及其特点[45-51]

3.2 对页岩压裂过程的影响及处理措施

页岩中蒙脱石与相关黏土矿物的存在是导致压裂过程中水化膨胀、井壁失稳、破坏储层的主要因素,也是当前压裂技术需要解决的主要问题。

早在20世纪70年代,美国就已经开始对裸眼井使用高能炸药来进行储层改造。但高能炸药压裂技术也有缺点,用量不好控制,问题严重时可能会出现井壁垮塌,造成近井地带储层渗透率下降[52-53]。20世纪80年代,气体压裂技术逐渐被应用于储层改造,主要包括CO2高能气体和N2泡沫压裂技术。气体压裂技术具有成本较低、不浪费水资源并且环保的优势[54-55]。90年代后,常规的水力压裂成为储层改造的主要技术手段[56]。进入21世纪后,水力压裂技术得到了快速发展,但在页岩气开发过程中,由于页岩中的蒙脱石及相关粘土矿物含量较高,蒙脱石水化膨胀在一定程度上阻碍了水力压裂技术在页岩储层改造中的应用。表4给出了各项压裂措施的优缺点。

泥页岩中蒙脱石具有很强的吸附性,可根据蒙脱石对CO2的吸附性来利用CO2置换技术开采页岩气[57]。当CO2气体压力大于7.38MPa,温度高于31.1℃时,超临界CO2具有很多独特的性质:远大于常态下CO2的密度,粘度减小,表面张力很小。利用超临界CO2进行储层改造具有很大优势:不会浪费水资源,不污染环境,也不会损害储层。超临界CO2这些独特的性质恰好能弥补水力压裂液性能的不足,很好地避免蒙脱石与相关黏土矿物的水化膨胀及水锁问题,并有望解决水基压裂液所存在的水资源耗费大及污染环境等问题,对于页岩气开发有着非常重要的意义。

表4 页岩储层压裂技术特点[53-58]

3.3 对优质页岩分布预测的影响

黏土矿物相互转化及有机质的成熟过程对页岩储层孔隙发育有一定的促进作用[12]。前人研究表明,不同岩相的页岩中黏土矿物含量不同,页岩脆性指数与黏土矿物含量近似呈负相关关系,与孔隙度近似呈正相关关系。也就是说,蒙脱石及相关黏土矿物含量不仅影响页岩的可压性,同时与页岩储层孔隙度密切相关。因此,在黏土矿物含量较低的区域,石英、长石和方解石含量相对较高,页岩脆性指数较高,孔隙较为发育,物性较好[58-59]。

根据不同岩相将泥页岩分为块状灰质泥岩、块状泥质灰岩、层状灰质泥岩、层状泥质灰岩以及层状泥页岩(表5)[60-63]。岩相类型与伽马(GR)值关系密切,灰质泥岩伽马值较高,泥质灰岩伽马值通常较低。随着黏土矿物含量的降低、岩石脆性指数的增大,测井响应特征为电阻率(RT)曲线呈逐渐增大趋势,自然电位(SP)曲线变化从无异常现象逐渐到有明显异常,声波时差(AC)也随之增大;随着岩石密度的增大,地震响应特征由中强振幅逐渐变为中弱振幅。黏土矿物含量直接影响着岩石的脆性指数,并且随黏土矿物含量变化的地震和测井响应特征比较明显,是优质页岩选取的重要依据。

表5 不同矿物组成的页岩岩相测井、地震响应特征[58-63]

注:1ft≈0.3048m。

4 结论及认识

蒙脱石及相关黏土矿物复杂多变的分布特征蕴含着一定的变化规律。蒙脱石在富含K+的碱性环境易于转化为伊利石,在富含Fe2+和Mg2+的碱性环境易于转化为绿泥石,在酸性环境形成高岭石;近地表受风化、剥蚀、搬运及沉积环境等因素的影响,黏土矿物以伊利石、高岭石、绿泥石为主,蒙脱石含量相对较少,几乎不出现伊-蒙混层;随着地层埋藏深度的增加,蒙脱石及相关黏土矿物演化受地层温度、压力的影响可以进一步转化为伊-蒙混层发育带、高岭石异常高值带及伊利石-绿泥石发育带。黏土矿物演化的最后主要以较为稳定的伊利石、绿泥石形式存在,若发生表生作用,伊利石、绿泥石也会向蒙脱石和高岭石转化,通常在早成岩阶段和中成岩阶段,即在2700m以浅地层中含有较多的伊-蒙混层、绿-蒙混层以及蒙脱石。

利用蒙脱石及相关黏土矿物的上述演变规律,结合其易于水化膨胀、造成页岩气产出困难的特性,形成了对优质页岩储层分布范围预测、页岩气开发过程钻井液及压裂液配方研制的有益认识,从而有利于更好地识别和开发页岩气。

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