文献综述--页岩矿物特征以及裂隙形成机理

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1、 本科毕业论文文献综述 院（系）院（系）： 地球科学与资源学院 专专 业：业： 地质学（基地班） 姓姓 名：名： 学学 号：号： 完成日期：完成日期： 页岩矿物特征以及裂隙形成机理 沉积物沉积初期孔隙度十分发育，进入地下，由于机械压实的作用，粒间孔和粒内孔大 量消失，孔隙度降低，此时，矿物转化尚未开始。随着埋深的增加，沉积物将会经历胶结作 用阶段，胶结物要么会在石英、长石、方解石颗粒周围次生加大，要么是充填于孔隙中，对 孔隙度依然是抑制作用 1。 粘土矿物的转化是埋藏成岩中一个重要过程。 一方面粘土矿物脱水会形成大量新的孔隙 和成岩收缩缝，另一方面，蒙脱石随着成岩作用会逐步转化为伊蒙混层，并从

2、无序伊蒙混层 转为有序伊蒙混层，最终完全转化为伊利石。在生烃阶段，有机质进入生气窗后会形成有机 质孔， 烃类的生成使得有机质孔隙度增加， 但热成熟度的增加和有机质孔的增加不存在线性 关系1。伴随着烃类的生成，生成的是有机酸。有机酸会溶解原有的长石和碳酸盐，形成溶 蚀缝。这些被溶解的碳酸盐和长石会重新沉淀，不利于孔隙度的增加。 综合国内外的研究成果， 可以看出烃源岩粘土矿物组合的转化与有机质生烃的阶段性是 相一致的，归纳为以下几个阶段：第一是蒙皂石阶段，对应于有机质未成熟阶段；第二是蒙 皂石-伊利石和蒙皂石-绿泥石阶段，对应于有机质主要生油期；第三是蒙皂石消失、伊利石 急剧增加阶段，对应于有机质

3、进入高成熟-过成熟阶段6。 黄铁矿是硫在自然界最普遍的存在形式。 海相泥页岩中的黄铁矿是由早期海洋沉积环境 下形成的。其发展阶段大致可分为 4 个阶段5。有机质、体系封闭性和细菌种类和数量是重 要影响因素。首先，在运移到沉积区之前，有机质与 Ca、Fe、Al 等元素相互结合，使得有 机质得以保存下来6，之后，海水界面下的有机质氧化形成可溶性硫，细菌使得水体中的 SO42-离子还原形成低价硫，之后其产物快速与水体中的活性铁与单质硫形成黄铁矿。一开 始， 有机质氧化速度大于黄铁矿形成速度， 体系中 SO42-逐渐增加， 在某个深度会达到峰值。 之后硫还原菌还原 SO42-速率降低，所以 SO42-

4、含量会开始降低，此时 34S 达到最小值。在 这前两个阶段中，黄铁矿的主要形态为草莓状。之后， 34S 含量会逐步上升，这时候黄铁 矿的形态为银灰色板条状或者是晶形较大的麻粒状。 简而言之， 黄铁矿的形态对沉积环境具 有指示意义，有学者指出7，1-18m 的黄铁矿草莓状结核与闭塞缺氧环境密切相关。 显而易见，黄铁矿与有机质的关系十分密切，同时，黄铁矿与孔隙关系密切。美国Fort Worth 盆地的 Barnett 页岩中主要为两种，一种是和有机质有关的孔隙，另一种就是黄铁矿 的粒内孔4。这些孔隙的存在为油气资源提供了储存空间，是油气勘探开发的基础。但由于 天然孔裂隙的相互隔离， 在页岩气的开发

5、过程中要改善天然孔裂隙， 人为注入水力压裂液使 得孔裂隙扩大、联通，使得气体得以产出。然而，黄铁矿能和水力压裂液中或者是地表水中 的氧气反应形成酸溶液，对开采设备造成腐蚀，影响页岩气开采。如果不妥善处理，这部分 酸性废水（acid mine drainage）将会造成严重的环境问题8。 页岩中除了以上矿物外， 还有一定量的脆性矿物。 脆性是用以衡量材料破裂后伴随的塑 性流动的多少13，是材料的一种基本物理性质。精确的脆性指数需要通过实验室测定，但 考虑到脆性与矿物成分密切相关， 本文通过脆性矿物含量近似衡量岩石脆性。 Jarvie等 （2007） 采用等式1来衡量岩石脆性13，这是北美地区脆性

6、指数的主要计算方法。但考虑到长石、白 云石等也是脆性矿物15，本文将会分别采用两个等式来计算脆性指数。 (1) Q z B I Q zC aC ly (2) Q zD olFspC a B I Q zD olFspC aC ly BI：脆性指数；Qz：石英含量；Ca：方解石含量；Cly：粘土矿物含量； Dol：白云石含量；Fsp：长石含量 脆性矿物含量的高低对页岩气的开发有重要意义，美国Fort Worth盆地的Barnett页岩之 所以能如此高产天然气， 除了本身具有很大的储量外， 其脆性及对压裂增产措施的响应是关 键14。如果单个小储集空间无法通过压裂增产措施打通，那么即使有机质能产生并储存大 量烃类，也不能形成高产的气田。页岩脆性越好，则越容易产生天然裂缝和人工诱导缝，有 利于开发。 页岩中含有许多微小孔裂隙，很多是微米甚至是纳米级