页岩的特征:物理特性和化学特性

1 物理特性

黏土矿物为页岩的主要组成部分,具有黏土岩的一般特性,包括低渗透性、吸附性、吸水膨胀性等(姜在兴,2003)。页岩硬度一般在1.5~3,结构较为致密的页岩硬度可以达到4~5,但普遍硬度较低。表面光泽暗淡,含有机质的呈灰黑、黑色,含铁呈褐红色、棕红色、黄色或绿色。

(1)低渗透性页岩由于颗粒细小,颗粒之间仅能形成微小的毛细管孔隙,其直径<0.2μm。在这种孔隙中,因流体与介质分子之间的巨大引力,在常温、常压条件下,液体在其中难以流动。在地下水分布地区,页岩往往能够作为隔水层出现。

(2)吸附性吸附性是指黏土矿物具有从周围介质中吸附各种离子、放射性元素及有机色素的能力。由于黏土矿物分子间力相互作用而产生的吸附被称为物理吸附,与黏土的分散性有关;由黏土颗粒与介质的离子交换而产生的吸附被称为离子交换吸附,与黏土矿物的晶体结构有关。由于不同黏土矿物对有机色剂的吸收能力不同,因此,黏土矿物的染色鉴定法就是借助有机色剂来鉴定黏土矿物。

在石油钻井液的配置中,利用黏土在钻井液中的高分散性和物理吸附及离子交换吸附等特性来改善钻井液的性能,如降低和改变钻井液的黏度和失水,以配制出钻井工艺所要求的各种性能的钻井液。

(3)吸水膨胀性吸水膨胀性是指页岩吸水后体积增大,黏土矿物具有极强的吸水能力,它是黏土矿物水化作用的表现。黏土矿物的水化作用可以分为两个阶段。第一阶段是黏土吸附的交换性阳离子的水化,第二阶段是黏土矿物晶体层面的水化。页岩中的蒙皂石吸水膨胀性能最强。

(4)脆性页岩由于其矿物组成一般由石英、长石、黄铁矿、碳酸盐岩类矿物等组成,在受到外力作用时,一般会在较短时间内发生破裂,或很少通过塑性变形而发生破裂,具有一定的脆性。其脆性程度一般由脆性矿物组成的比例、岩石的力学性质等因素决定。

(5)其他特性页岩抗风化能力较弱,在地形上往往易受侵蚀形成洼地。

2 化学特性

页岩的化学特征包括有机地球化学特征和无机地球化学特征两大类。有机地球化学特征包括页岩的有机碳含量、有机质类型及页岩的成熟度,无机地球化学特征是指页岩无机化学成分,包括SiO 、Al 、H O。一般情况下,页岩的SiO 含量为45%~80%,Al 含量为12%~25%,Fe 含量为2%~10%,CaO含量为0.2%~12%,MgO含量为0.1%~5%。页岩的平均化学成分与岩浆岩的平均化学成分相似,而一些单成分的黏土质页岩则彼此相差较大,如高岭石页岩中Al 含量较高,MgO在海泡石中最为富集,伊利石含量较高的页岩中K O含量较高,因此黏土矿物的成分对页岩的化学成分影响很大(刘宝 珺,1980)。

(1)敏感性

由于页岩特殊的物理性质和矿物组成,储层具有一定的敏感性。一般页岩因流体流动速度变化,会引起页岩储层中微粒迁移而堵塞喉道,导致储层岩石渗透率发生变化。页岩一般会因矿化水的注入而引起储层黏土膨胀、分散、迁移,会使得渗透通道发生变化,导致储层岩石渗透率发生变化。由于含有一定含量的碳酸盐岩成分和黏土成分,页岩与酸液或碱液接触,会发生沉淀或者分散现象,也会导致储层渗透率发生变化。一般,由于构造或者应力作用,页岩会发生应力形变,孔喉通道、裂缝形态等也会发生张开或闭合变化,引起储层渗透性发生变化。

(2)含油气性

页岩中一般含有不同含量的有机质,同时也因有机质含量的不同和物性条件的差异而呈现一定的油气显示。在陆相、海相和海陆过渡相不同沉积环境形成的页岩,有机质的类型和含量一般有所不同。同时,地质年代和热演化过程对页岩有机质的演化和生烃有较大影响。由于含有机质页岩具有一定的生烃能力,同时页岩本身也具有一定的储集性能,一般在页岩中会有烃类残留、显示含油气性。

(3)环境指示性

页岩中的矿物成分及含量对沉积环境、风化和气候环境有指示意义。一般,黏土矿物等易风化矿物含量较高,指示离物源较远;石英等难风化矿物含量较高,指示离物源较近。同时由矿物的颗粒形态、排列方式、胶结程度及特殊矿物的含量等也能判断其沉积环境。

页岩中轻矿物、重矿物、物理风化和化学风化的残余物等都可以判断物源区的岩石类型,以及物源方向、源区位置、搬运距离等。如页岩中的石英,可以根据其形态区分母岩类型。在早古生代深水环境中,岩石TOC含量与石英含量正相关,一般认为这类石英为有机成因。而中新生代沉积的页岩中,石英和TOC之间相关性较差或负相关,形态磨圆度较高,一般认为与碎屑的成因有关。

自生矿物中,同生矿物的种类和含量不同,能指示沉积时期水体介质的物理和化学条件不同。如海绿石为富铁、富钾的含水层状铝硅酸盐岩矿物,现代海绿石形成于陆棚环境,在pH=7~8,Eh=0,水温为10~15℃,水深大于125m的正常海水中才能形成,而在寒冷地区,水深30m就能形成。

另如黏土矿物中的高岭石,一般形成于酸性介质中,通常为大陆环境;而水云母、蒙皂石形成于中性或者碱性介质中,多为海洋环境。此外,页岩的颜色也可以指示环境。红色一般为大陆环境,是含铁矿物在温暖、潮湿的气候条件下风化后被氧化形成赤铁矿而显红色。海相红色页岩可由红色化石或干旱气候带下化学风化而成。

化学风化指数(CIA)是指示母源区风化作用的一种常用指标(Fedo等,1995),计算方法为CIA=[Al /(Al +Na O+K O+CaO*)]×100%。其中,氧化物的含量均以物质的量的形式表示,CaO*换算成硅酸盐中的CaO含量,即全岩中的CaO减去化学沉积的CaO的摩尔分数。对于CaO*的计算和校正,McLennan(1993)提出,CaO*=CaO—(10/3)×P ,如果校正过的CaO的物质的量小于Na2O的物质的量,采用校正后的CaO的物质的量作为CaO*,反之则采用Na2O的物质的量作为CaO*。CIA指数越高,则表明化学风化程度越强,古气候越湿润;而CIA指数越低,则表明古气候越干燥寒冷,化学风化程度越弱。

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