蒙脫石與相關(guān)黏土礦物的演變規(guī)律及其對(duì)頁巖氣開發(fā)的影響

靳平平,歐成華,2,馬中高,李 丹,任玉金,趙永富

(1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院,四川成都610500;2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610500;3.中國(guó)石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103;4.大港油田公司第三采油廠,天津300380)

頁巖氣勘探開發(fā)是當(dāng)前我國(guó)天然氣領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1-2]。黏土礦物是頁巖的重要組成部分,蒙脫石、伊-蒙混層、綠-蒙混層等易水化的黏土礦物對(duì)頁巖水平井鉆井和大規(guī)模多段壓裂施工效果會(huì)造成嚴(yán)重影響[3-4],有必要進(jìn)行蒙脫石與相關(guān)黏土礦物分布特征、演變規(guī)律及其對(duì)頁巖氣開發(fā)影響方面的研究。

蒙脫石與相關(guān)黏土礦物的沉積、成巖演化是一個(gè)極為復(fù)雜的過程[5-6]。1967年,POWERS[7]研究給出了蒙脫石的脫水規(guī)律。1969年,BURST[8]進(jìn)一步完善了蒙脫石的脫水規(guī)律曲線,PERRY等[9]在此基礎(chǔ)上將蒙脫石的脫水曲線分為高地溫梯度和低地溫梯度兩種情況,其觀點(diǎn)更符合地層黏土礦物中蒙脫石的實(shí)際脫水情況。1980年,王行信等[10]對(duì)松遼盆地白堊系黏土礦物進(jìn)行了成巖階段劃分,并指出成巖作用與有機(jī)質(zhì)的演化過程具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。1990年,趙杏媛[11]指出蒙脫石向伊利石的轉(zhuǎn)化能夠促進(jìn)油氣初次運(yùn)移。2002—2006年,王行信等[12-13]研究指出,黏土礦物的組成、含量和它們?cè)诳紫吨械姆植继卣髦饕艹蓭r作用和沉積環(huán)境控制,直接影響儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)和產(chǎn)能大小,黏土礦物在成巖作用過程中析出的無機(jī)和有機(jī)組分伴隨流體進(jìn)入孔隙,使儲(chǔ)層中的不穩(wěn)定組分溶解產(chǎn)生次生孔隙,并進(jìn)一步研究了黏土礦物對(duì)有機(jī)質(zhì)生烴的催化作用。蒙脫石與相關(guān)黏土礦物不僅沉積、成巖演化過程復(fù)雜,而且對(duì)油氣藏開發(fā)具有很大影響[14]。2004年,李莉等[15]研究發(fā)現(xiàn),黏土礦物含量和組成特征對(duì)儲(chǔ)層的壓裂效果具有明顯影響,比如儲(chǔ)層壓裂過程中黏土礦物微粒的遷移是影響壓裂增產(chǎn)效果的重要因素。2009—2012年,趙杏媛等[16-17]研究表明,黏土礦物的吸附作用影響有機(jī)質(zhì)的富集,且黏土礦物的種類及含量影響吸附態(tài)頁巖氣的分布。

研究蒙脫石與相關(guān)黏土礦物對(duì)頁巖氣開發(fā)具有重要意義。前人雖然已經(jīng)取得了豐富的相關(guān)研究成果,但并未系統(tǒng)地研究黏土礦物的分布特征、演變規(guī)律及其對(duì)頁巖氣開發(fā)的影響。本文通過系統(tǒng)歸納我國(guó)海相、陸相及海陸過度相環(huán)境、不同深度范圍蒙脫石與相關(guān)黏土礦物的分布特征,分析其隨深度、溫度變化的演變過程及規(guī)律,據(jù)此總結(jié)了蒙脫石與相關(guān)黏土礦物對(duì)優(yōu)質(zhì)頁巖預(yù)測(cè)、頁巖氣鉆井過程、壓裂過程的影響及其處理措施,最后形成對(duì)頁巖氣開發(fā)的有益認(rèn)識(shí)。

1 蒙脫石與相關(guān)黏土礦物的微觀結(jié)構(gòu)及分布特征

蒙脫石及相關(guān)黏土礦物復(fù)雜多變的分布特征是由其本身所具有的不同化學(xué)結(jié)構(gòu)決定的。黏土礦物一般由硅氧(Si-O)四面體片和鋁氧(Al-O)八面體片以不同的方式組合而成,由于排列方式、層間作用力以及層間陽離子種類、含量的不同,黏土礦物中各礦物的性質(zhì)存在一定差異[18-19](表1)。蒙脫石容易發(fā)生水化膨脹,晶層間含有大量的吸附水和層間水,具有很強(qiáng)的陽離子交換能力[20]。伊利石晶體性質(zhì)相對(duì)比較穩(wěn)定[21]。綠泥石適合在堿性環(huán)境下保存,其酸敏性對(duì)儲(chǔ)層會(huì)造成很大的危害。高嶺石具有一定的吸水性,潮濕后有可塑性,但不發(fā)生膨脹,容易發(fā)生速敏,油層中高嶺石顆粒大而附著力弱,常因運(yùn)移堵塞孔喉而降低儲(chǔ)層滲透率[22]。

表1 蒙脫石、伊利石、高嶺石、綠泥石的化學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征

蒙脫石及相關(guān)黏土礦物的分布復(fù)雜多變[23]。分析珠江、長(zhǎng)江、黃河流域以及鄂爾多斯盆地、四川盆地等黏土礦物數(shù)據(jù)(表2)發(fā)現(xiàn),各地區(qū)粘土礦物在沉積、成巖演化過程中主要受到物源、沉積環(huán)境及成巖作用的控制[24-25]。從整體上來看,近地表黏土礦物以伊利石、高嶺石、綠泥石為主,蒙脫石的含量相對(duì)較少,幾乎不出現(xiàn)伊-蒙混層。珠江流域的珠江河流、伶仃洋、南海北部屬于海陸過渡相沉積,黏土礦物中含量最高的是高嶺石(33%～46%),其次為伊利石和綠泥石,分別占26%,25%～28%,蒙脫石所占比例較小,為3%～16%,不含伊-蒙混層。江漢、長(zhǎng)江、黃河、臺(tái)灣海峽等區(qū)域的黏土礦物含量與珠江流域有很大差異[26],以伊利石(61.7%～69.9%)為主,高嶺石(2.3%～24.5%)和綠泥石(13.0%～27.7%)含量次之,蒙脫石含量為0～13.2%,也不含伊-蒙混層[27-29]。鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長(zhǎng)6油層組黏土礦物主要為綠泥石(59%～88%),伊利石和伊-蒙混層含量相對(duì)較少,不含蒙脫石和高嶺石[30]。這是因?yàn)樵?900～2100m范圍內(nèi)富含F(xiàn)e2+、Mg2+的堿性環(huán)境中,蒙脫石主要轉(zhuǎn)化為綠泥石。由于堿性環(huán)境不利于高嶺石的生成和保存,所以不含高嶺石。鄂爾多斯盆地東部和渤南洼陷古近系埋深在2000～4000m,主要成分有伊利石、綠泥石、高嶺石、伊-蒙混層,不含蒙脫石。出現(xiàn)高嶺石是由于有機(jī)質(zhì)在熱演化過程中產(chǎn)生了有機(jī)酸和CO2,在酸性環(huán)境下有利于高嶺石的生成。因此高嶺石的異常高值也可作為油氣富集的一個(gè)重要標(biāo)志[31-32]。

2 蒙脫石與相關(guān)黏土礦物的沉積環(huán)境及演變規(guī)律

2.1 沉積環(huán)境

沉積環(huán)境對(duì)黏土礦物的生成和演變具有一定的控制作用[23]。在世界范圍內(nèi),大約70%的黏土礦物來源于環(huán)太平洋。黏土礦物的形成有一定規(guī)律,如我國(guó)發(fā)現(xiàn)的黏土礦物主要分布在沿海地區(qū)[33]。沉積環(huán)境按照地理位置一般可分為陸地、海洋以及海陸過渡區(qū),內(nèi)陸沉積主要包括河流、沼澤、湖泊等,河流是流水由陸地進(jìn)入海洋和湖泊的主要通道,也是將黏土礦物由陸地搬運(yùn)到海洋和湖泊的主要水動(dòng)力[34]。黏土礦物在河流沖擊、搬運(yùn)的同時(shí)也伴隨著一定的沉積作用。由于大多數(shù)河流沉積環(huán)境是中性或弱酸性的弱氧化環(huán)境,因此河流沉積中黏土礦物以高嶺石較多,綠泥石較少[35]。但由于物源的影響,部分河流黏土礦物中綠泥石的含量較高(表2)。

湖泊中黏土礦物沉積主要受氣候條件和物源的影響,尤其是氣候條件對(duì)湖泊沉積起著控制作用[35]。深湖和半深湖水體一般是堿性還原或弱還原環(huán)境,適于蒙脫石、伊利石及綠泥石的生成和保存。如我國(guó)的松遼盆地、渤海灣盆地和蘇北盆地生油巖系分別是白堊系和下第三系半深湖的暗色泥巖[36]。

三角洲包括陸上和水下兩部分沉積,一般位于海陸過渡區(qū)域,因此接近河流的水體性質(zhì),為中性或弱酸性的弱氧化沉積環(huán)境,以高嶺石為主,不利于綠泥石的生成和保存。如澳大利亞北部的巴布亞洲三角洲,我國(guó)的珠江、遼河三角洲,越南的湄公河等[37]。

海洋中水力作用、鄰近大陸物源及氣候是黏土礦物沉積和分布的決定性因素。其中海浪是黏土礦物重新搬運(yùn)、沉積的主要水動(dòng)力[38]。淺海陸棚是海洋沉積中最活躍的區(qū)域,也是大陸與深海盆地間的過渡區(qū),陽光充足,氧氣充分,不利于蒙脫石、綠泥石的保存;半深海及深海區(qū)陽光和氧氣不足,在堿性(pH值7～8)、弱還原、鹽度正常的海水環(huán)境中有利于綠泥石的形成[39]。

2.2 沉積演化的影響因素

含油氣盆地中的黏土礦物一般存在于古代沉積巖中,黏土礦物沉積演化的主要控制因素有:水介質(zhì)、古氣候環(huán)境、物源以及成巖作用[23]。不同的沉積階段,蒙脫石及相關(guān)黏土礦物演變的主要控制因素也不同。古氣候環(huán)境直接影響著古水環(huán)境的性質(zhì),而古水介質(zhì)的鹽度、酸堿度及離子種類等都對(duì)黏土礦物的形成、演變有很大影響[7]。趙杏媛等[24]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在相同溫度壓力下,地層水中K+,Mg2+,Fe2+濃度將直接影響蒙脫石向伊利石、綠泥石的轉(zhuǎn)化程度。物源是沉積演變的物質(zhì)基礎(chǔ),成巖作用是在沉積環(huán)境的影響下對(duì)黏土礦物進(jìn)行不同程度的改造[7]。在成巖過程中,蒙脫石演化不僅與地層溫度和埋藏時(shí)間相關(guān),而且與沉積壓實(shí)引起的骨架和孔隙流體變化相關(guān)。黏土礦物在地表的轉(zhuǎn)化主要受風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)等作用的影響。隨著深度的增加,地層溫度成為黏土礦物轉(zhuǎn)化的主要控制因素[40]。有機(jī)質(zhì)的成熟過程對(duì)礦物演化也有很大影響,在有機(jī)質(zhì)成熟階段,烴類位侵阻礙了孔隙內(nèi)流體的流動(dòng),對(duì)蒙-伊化進(jìn)程具有一定的延緩作用[24-25,41]。

2.3 沉積演變過程及規(guī)律

前人研究表明,蒙脫石及黏土礦物在地表的轉(zhuǎn)化與其在地層內(nèi)部的演變有很大差異。地表轉(zhuǎn)化主要受氣候、水動(dòng)力作用類型、風(fēng)化程度的影響;在地層內(nèi)部的演變主要受地層水介質(zhì)、溫度、壓力等因素的控制。由于地表轉(zhuǎn)化與地層內(nèi)部演變的環(huán)境和控制因素不同,因此蒙脫石及相關(guān)黏土礦物的轉(zhuǎn)化過程存在很大差異。

2.3.1 地表的轉(zhuǎn)化特征

蒙脫石及相關(guān)黏土礦物之間在地表的轉(zhuǎn)化也是非常復(fù)雜的過程。GRIFFIN等[34]研究表明:伊利石一般是海洋沉積中黏土礦物成分最高的礦物;近地表蒙脫石主要是由火山巖、變質(zhì)巖在堿性還原環(huán)境下轉(zhuǎn)化形成的;長(zhǎng)石、云母等礦物在堿性環(huán)境下逐漸形成伊利石,在富含F(xiàn)e2+,Mg2+的堿性環(huán)境下轉(zhuǎn)化為綠泥石,長(zhǎng)石、輝石和云母在酸性流體的溶蝕作用下轉(zhuǎn)化為高嶺石[34-35]。河流、近海湖泊等沉積區(qū)多為中性或弱酸性氧化環(huán)境,不利于蒙脫石、綠泥石的保存,伊利石也會(huì)因K+的淋失逐漸轉(zhuǎn)化為高嶺石;綠泥石結(jié)構(gòu)會(huì)因晶層中二價(jià)陽離子被氧化遭到破壞。在風(fēng)化作用較弱的地方,多為堿性的弱還原環(huán)境,如沼澤、深湖和半深湖區(qū),適于蒙脫石、伊利石和綠泥石的保存,不利于高嶺石的形成[22]。

除了原生礦物轉(zhuǎn)化形成次生礦物外,地表的次生礦物即蒙脫石、伊利石、綠泥石、高嶺石以及伊-蒙混層之間在適宜的環(huán)境條件下也會(huì)相互轉(zhuǎn)化,形成適合在該環(huán)境下保存的礦物。蒙脫石在富含K+的堿性環(huán)境中轉(zhuǎn)化為伊利石,在溫暖濕潤(rùn)的酸性環(huán)境中形成高嶺石,在富含F(xiàn)e2+和Mg2+的堿性條件下轉(zhuǎn)化為綠泥石。受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,地層內(nèi)部的黏土礦物被抬升到地表,在富含F(xiàn)e2+,Mg2+,Na+等水體活動(dòng)的影響下重新沉積,在此過程中,部分伊利石轉(zhuǎn)化為蒙脫石,或由有序伊-蒙混層轉(zhuǎn)化為無序伊-蒙混層,綠泥石、高嶺石也會(huì)向蒙脫石轉(zhuǎn)化。這種現(xiàn)象稱為退化或反向轉(zhuǎn)化[10,42]。

2.3.2 地層內(nèi)部的演變規(guī)律

國(guó)外學(xué)者對(duì)蒙脫石及相關(guān)黏土礦物在地層中的沉積演變規(guī)律做了大量研究。如早在1957年,BURST[43]研究指出,蒙脫石在地層壓力作用下的脫水過程有益于有機(jī)質(zhì)的成熟和運(yùn)移,礦物轉(zhuǎn)化過程中所釋放的Mg2+和Fe2+有利于綠泥石的生成。在此基礎(chǔ)上,POWERS[7]給出了蒙脫石的脫水規(guī)律曲線(圖1a),并得到了其它學(xué)者的認(rèn)可[7]。BURST[8]進(jìn)一步完善了蒙脫石的脫水規(guī)律曲線(圖1b)。PERRY等[9]將蒙脫石脫水曲線分為高地溫梯度和低地溫梯度兩種情況(圖1c),其觀點(diǎn)更符合地層黏土礦物中蒙脫石的實(shí)際脫水情況。1981年,HOWER[44]研究指出,蒙脫石二次脫水后將由蒙脫石層逐漸形成伊-蒙混層,并指出隨著地層埋藏深度的增加,伊-蒙混層中伊利石的含量增大。

圖1 脫水規(guī)律曲線比較a POWERS(1967)[7]; b BURST(1969)[8]; c PERRY等(1972)[9]

在國(guó)內(nèi),也有很多學(xué)者做了大量與黏土礦物沉積演變相關(guān)的研究。1980年,王行信等[10]針對(duì)松遼盆地白堊系的黏土礦物進(jìn)行了成巖階段劃分,并指出成巖作用與有機(jī)質(zhì)的演化過程具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。1988年,王行信[23]指出,在正常沉積盆地中蒙脫石和高嶺石隨埋藏深度的增加分別向伊利石、綠泥石轉(zhuǎn)化。1995年,趙杏媛等[24]針對(duì)我國(guó)20多個(gè)盆地的黏土礦物研究指出,不同含油氣盆地的蒙脫石及相關(guān)黏土礦物沉積演化規(guī)律存在差異,并發(fā)現(xiàn)我國(guó)渤海灣盆地、蘇北盆地和北部灣盆地的部分層系與美國(guó)灣岸第三系中新統(tǒng)至漸新統(tǒng)黏土礦物的演變規(guī)律基本一致,屬于正常沉積盆地。

蒙脫石與相關(guān)黏土礦物在地層內(nèi)部的演變情況比較復(fù)雜。圖2給出了前人研究的蒙脫石與相關(guān)黏土礦物的演變規(guī)律[12]。一般將蒙脫石與相關(guān)黏土礦物的成巖作用分為三個(gè)主要階段,分別為早成巖階段、中成巖階段(包括中成巖早期和中成巖晚期)以及晚成巖階段。其基本對(duì)應(yīng)蒙脫石及相關(guān)黏土礦物的三個(gè)發(fā)育帶,即伊-蒙混層發(fā)育帶、高嶺石異常高值帶和伊利石、綠泥石發(fā)育帶。

在早成巖階段,隨著埋藏深度的增加,地層溫度逐漸升高,壓力增大,蒙脫石在壓實(shí)作用下開始脫水(主要脫去吸附水和層間水),但晶體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生太大變化[24]。在1200～1600m范圍內(nèi),大部分蒙脫石在富含K+的堿性環(huán)境中開始轉(zhuǎn)化形成較為發(fā)育的無序伊-蒙混層(圖2)。蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化有兩個(gè)階段速度很快,縱向上在短短幾m甚至1m內(nèi)完成(圖3)[10,24]。不同地區(qū)由于沉積速度不同,導(dǎo)致相同的時(shí)間沉積厚度不同,因此轉(zhuǎn)化階段在縱向上的深度有一定的差異,通常對(duì)應(yīng)有機(jī)質(zhì)熱演化階段,有少量的生物甲烷氣和低溫化學(xué)氣生成。

當(dāng)?shù)貙由疃仍?600～2000m及以下時(shí),伊-蒙混層中蒙脫石所占比例一般在40%～50%及以上。當(dāng)深度大于1600m時(shí),逐漸進(jìn)入了中成巖階段(圖2)。在富含F(xiàn)e2+,Mg2+的堿性環(huán)境下,泥巖中會(huì)出現(xiàn)大量的綠-蒙混層,從圖2可知,綠-蒙混層比伊-蒙混層埋藏深。中成巖階段對(duì)應(yīng)著有機(jī)質(zhì)的成熟期和構(gòu)造活動(dòng)期,在有機(jī)質(zhì)成熟過程中會(huì)產(chǎn)生大量的CO2和酸性物質(zhì),該酸性環(huán)境下有利于高嶺石的生成。在構(gòu)造活動(dòng)期,烴類在孔隙中聚集抑制了地層水的流動(dòng),由于烴類侵位的流體前鋒是溶蝕長(zhǎng)石產(chǎn)生高嶺石的酸性流體,因而隨后的烴類侵位明顯阻礙了高嶺石向其它黏土礦物的轉(zhuǎn)化。烴類侵位使得油層內(nèi)的高嶺石得到有效保護(hù),因此在這個(gè)時(shí)期通常會(huì)出現(xiàn)高嶺石的異常高值帶。油層外的黏土礦物受堿性成巖環(huán)境的影響,高嶺石在富含F(xiàn)e2+,Mg2+的堿性環(huán)境中轉(zhuǎn)化為綠泥石。若地層處于異常高壓,伊-蒙混層的轉(zhuǎn)化也會(huì)受到抑制,所以可能出現(xiàn)蒙-伊混層比異常高值[10]。

圖2 蒙脫石與相關(guān)黏土礦物的演化序列

圖3 松遼盆地蒙-伊轉(zhuǎn)化過程中蒙脫石在縱向上的百分含量變化[24]a 徐11井; b 古12井

當(dāng)?shù)貙勇裆钤?500～3000m及以上、溫度大于170℃時(shí)進(jìn)入晚成巖階段,對(duì)應(yīng)油氣成藏期,蒙脫石及相關(guān)粘土礦物的演化仍然很復(fù)雜,影響因素主要有烴類侵位、成巖作用和異常高壓。蒙脫石和高嶺石的含量逐漸減少,混合黏土礦物進(jìn)一步演變?yōu)榉稚⒁晾途G泥石[24-25]。

3 蒙脫石與相關(guān)黏土礦物對(duì)頁巖氣開發(fā)的影響及處理措施

大規(guī)模水平鉆井及多段重復(fù)水力壓裂是成功開發(fā)頁巖氣的技術(shù)關(guān)鍵。從以上論述中不難看出,蒙脫石與相關(guān)黏土礦物的存在將極大地影響頁巖氣藏水平鉆井和水力壓裂的順利實(shí)施,從而對(duì)頁巖氣開發(fā)產(chǎn)生重要影響。

3.1 對(duì)頁巖氣鉆井過程的影響及處理措施

蒙脫石與相關(guān)黏土礦物的存在導(dǎo)致現(xiàn)行鉆井過程中水和鉆井液濾液滲入頁巖地層發(fā)生水化膨脹,使長(zhǎng)水平井井壁失穩(wěn),發(fā)生周期性坍塌,給頁巖氣水平井鉆井帶來更大的困難。因此,新型鉆井液和鉆井工藝技術(shù)的研究也成為解決當(dāng)前面臨的頁巖儲(chǔ)層水化膨脹、井壁失穩(wěn)、井壁坍塌等難題的迫切需要。

在水平井鉆井過程中,水或?yàn)V液滲入頁巖地層遇黏土礦物水化膨脹使地層孔隙壓力發(fā)生變化是導(dǎo)致頁巖井壁失穩(wěn)、坍塌的主要原因[45]。提高鉆井液體系的性能是延緩孔隙壓力擴(kuò)散、維持井壁穩(wěn)定,從而達(dá)到水平井安全高效鉆井的關(guān)鍵[46]。國(guó)外針對(duì)頁巖長(zhǎng)水平井鉆井率先利用油基鉆井液基本解決了黏土礦物水化、井壁失穩(wěn)、高摩阻、卡鉆等難題[47]。進(jìn)入21世紀(jì)后,隨著美國(guó)頁巖氣商業(yè)化開發(fā)的深入,油基鉆井液技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)非常成熟。但由于油基鉆井液成本高、污染環(huán)境等缺點(diǎn),現(xiàn)場(chǎng)更期待低成本且環(huán)保的高性能水基鉆井液和防漏防堵的新型納米鉆井液等代替當(dāng)前的油基鉆井液。

目前,鉆井液種類大體上可分為油基鉆井液和水基鉆井液兩種,主要有甲基葡萄糖苷(MEG)鉆井液、抗高溫油基鉆井液、防漏防堵納米鉆井液、油基鉆井液(NAF)、陽離子烷基糖苷(CAPG)高性能水基鉆井液、油基泡沫鉆井液及甲酸鹽鉆井液等[45-51]。這些鉆井液性能各有優(yōu)劣(表3),頁巖水化膨脹和井壁失穩(wěn)等是水基鉆井液體系當(dāng)前面臨的主要難題,今后需要研究出綜合性較強(qiáng)的鉆井液來解決頁巖水化膨脹、井壁失穩(wěn)、漏失、成本高和不環(huán)保等方面的問題。

表3 常用鉆井液種類、鉆井工藝及其特點(diǎn)[45-51]

3.2 對(duì)頁巖壓裂過程的影響及處理措施

頁巖中蒙脫石與相關(guān)黏土礦物的存在是導(dǎo)致壓裂過程中水化膨脹、井壁失穩(wěn)、破壞儲(chǔ)層的主要因素,也是當(dāng)前壓裂技術(shù)需要解決的主要問題。

早在20世紀(jì)70年代,美國(guó)就已經(jīng)開始對(duì)裸眼井使用高能炸藥來進(jìn)行儲(chǔ)層改造。但高能炸藥壓裂技術(shù)也有缺點(diǎn),用量不好控制,問題嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)井壁垮塌,造成近井地帶儲(chǔ)層滲透率下降[52-53]。20世紀(jì)80年代,氣體壓裂技術(shù)逐漸被應(yīng)用于儲(chǔ)層改造,主要包括CO2高能氣體和N2泡沫壓裂技術(shù)。氣體壓裂技術(shù)具有成本較低、不浪費(fèi)水資源并且環(huán)保的優(yōu)勢(shì)[54-55]。90年代后,常規(guī)的水力壓裂成為儲(chǔ)層改造的主要技術(shù)手段[56]。進(jìn)入21世紀(jì)后,水力壓裂技術(shù)得到了快速發(fā)展,但在頁巖氣開發(fā)過程中,由于頁巖中的蒙脫石及相關(guān)粘土礦物含量較高,蒙脫石水化膨脹在一定程度上阻礙了水力壓裂技術(shù)在頁巖儲(chǔ)層改造中的應(yīng)用。表4給出了各項(xiàng)壓裂措施的優(yōu)缺點(diǎn)。

泥頁巖中蒙脫石具有很強(qiáng)的吸附性,可根據(jù)蒙脫石對(duì)CO2的吸附性來利用CO2置換技術(shù)開采頁巖氣[57]。當(dāng)CO2氣體壓力大于7.38MPa,溫度高于31.1℃時(shí),超臨界CO2具有很多獨(dú)特的性質(zhì):遠(yuǎn)大于常態(tài)下CO2的密度,粘度減小,表面張力很小。利用超臨界CO2進(jìn)行儲(chǔ)層改造具有很大優(yōu)勢(shì):不會(huì)浪費(fèi)水資源,不污染環(huán)境,也不會(huì)損害儲(chǔ)層。超臨界CO2這些獨(dú)特的性質(zhì)恰好能彌補(bǔ)水力壓裂液性能的不足,很好地避免蒙脫石與相關(guān)黏土礦物的水化膨脹及水鎖問題,并有望解決水基壓裂液所存在的水資源耗費(fèi)大及污染環(huán)境等問題,對(duì)于頁巖氣開發(fā)有著非常重要的意義。

表4 頁巖儲(chǔ)層壓裂技術(shù)特點(diǎn)[53-58]

3.3 對(duì)優(yōu)質(zhì)頁巖分布預(yù)測(cè)的影響

黏土礦物相互轉(zhuǎn)化及有機(jī)質(zhì)的成熟過程對(duì)頁巖儲(chǔ)層孔隙發(fā)育有一定的促進(jìn)作用[12]。前人研究表明,不同巖相的頁巖中黏土礦物含量不同,頁巖脆性指數(shù)與黏土礦物含量近似呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與孔隙度近似呈正相關(guān)關(guān)系。也就是說,蒙脫石及相關(guān)黏土礦物含量不僅影響頁巖的可壓性,同時(shí)與頁巖儲(chǔ)層孔隙度密切相關(guān)。因此,在黏土礦物含量較低的區(qū)域,石英、長(zhǎng)石和方解石含量相對(duì)較高,頁巖脆性指數(shù)較高,孔隙較為發(fā)育,物性較好[58-59]。

根據(jù)不同巖相將泥頁巖分為塊狀灰質(zhì)泥巖、塊狀泥質(zhì)灰?guī)r、層狀灰質(zhì)泥巖、層狀泥質(zhì)灰?guī)r以及層狀泥頁巖(表5)[60-63]。巖相類型與伽馬(GR)值關(guān)系密切,灰質(zhì)泥巖伽馬值較高,泥質(zhì)灰?guī)r伽馬值通常較低。隨著黏土礦物含量的降低、巖石脆性指數(shù)的增大,測(cè)井響應(yīng)特征為電阻率(RT)曲線呈逐漸增大趨勢(shì),自然電位(SP)曲線變化從無異?，F(xiàn)象逐漸到有明顯異常,聲波時(shí)差(AC)也隨之增大;隨著巖石密度的增大,地震響應(yīng)特征由中強(qiáng)振幅逐漸變?yōu)橹腥跽穹?。黏土礦物含量直接影響著巖石的脆性指數(shù),并且隨黏土礦物含量變化的地震和測(cè)井響應(yīng)特征比較明顯,是優(yōu)質(zhì)頁巖選取的重要依據(jù)。

表5 不同礦物組成的頁巖巖相測(cè)井、地震響應(yīng)特征[58-63]

注:1ft≈0.3048m。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

蒙脫石及相關(guān)黏土礦物復(fù)雜多變的分布特征蘊(yùn)含著一定的變化規(guī)律。蒙脫石在富含K+的堿性環(huán)境易于轉(zhuǎn)化為伊利石,在富含F(xiàn)e2+和Mg2+的堿性環(huán)境易于轉(zhuǎn)化為綠泥石,在酸性環(huán)境形成高嶺石;近地表受風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)及沉積環(huán)境等因素的影響,黏土礦物以伊利石、高嶺石、綠泥石為主,蒙脫石含量相對(duì)較少,幾乎不出現(xiàn)伊-蒙混層;隨著地層埋藏深度的增加,蒙脫石及相關(guān)黏土礦物演化受地層溫度、壓力的影響可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為伊-蒙混層發(fā)育帶、高嶺石異常高值帶及伊利石-綠泥石發(fā)育帶。黏土礦物演化的最后主要以較為穩(wěn)定的伊利石、綠泥石形式存在,若發(fā)生表生作用,伊利石、綠泥石也會(huì)向蒙脫石和高嶺石轉(zhuǎn)化,通常在早成巖階段和中成巖階段,即在2700m以淺地層中含有較多的伊-蒙混層、綠-蒙混層以及蒙脫石。

利用蒙脫石及相關(guān)黏土礦物的上述演變規(guī)律,結(jié)合其易于水化膨脹、造成頁巖氣產(chǎn)出困難的特性,形成了對(duì)優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層分布范圍預(yù)測(cè)、頁巖氣開發(fā)過程鉆井液及壓裂液配方研制的有益認(rèn)識(shí),從而有利于更好地識(shí)別和開發(fā)頁巖氣。

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