富有机质页岩中的黏土矿物转化作用

1.高岭石的形成与转化

高岭石的产状有的分布于长石颗粒表面，有的分布于裂缝及颗粒孔隙中以及在碳酸盐岩的溶孔、溶洞中。其成因与酸性水介质（有机酸和二氧化碳或与表生淋滤作用）有关。在埋藏过程中形成的高岭石晶形较好，呈书页状（图5—19）或蠕虫状，其结晶度较好。在表生作用下高岭石结晶相对较细，晶体较分散（图5—20），结晶度也较差。

高岭石的转化：① 高岭石在120～150℃变得不稳定，在有钾条件下将向伊利石转变，其反应式为：3Al2Si2O5（OH）4＋2K＋＝2KAl3Si3O10（OH）2＋2H＋＋2H2O（Hower等，1976）；② 在富铁、镁环境下向绿泥石转化；③ 在酸性水介质且在较高温度下向地开石转化。

在早成岩A期少见，在早成岩B期较常见，在中成岩A1、A2期普遍呈书页状、蛭石状，到中成岩B期以及晚成岩期逐渐少见或消失。

图5—19　书页状高岭石（应凤祥，2004）

东河1井5 519.3 m，J×1 500，灰绿色泥质粉砂岩，粒间高岭石

图5—20　分散状高岭石（应凤祥，2004）

（a）东河1井5 824.0 m，J×3 400，长条状/分散的高岭石
（b）东河1井5 777.80 m，J×2 500，绿色含油细砂岩高岭石

对中国渝东南地区页岩气资源战略调查研究显示，渝东南地区下寒武统牛蹄塘组页岩和下志留统龙马溪组页岩中几乎不含高岭石，高的成岩演化程度使得高岭石充分转化。对黔西北地区页岩气资源调查评价显示，黔西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩和下志留统龙马溪组页岩中也几乎不含高岭石，同样具有较高的成岩演化程度。在黔西北地区上二叠统龙潭组页岩中含有一定量的高岭石，在黔西北地区黏土矿物从北向南主要为高岭石—绿泥石—伊利石—伊蒙混层，显示了空间上成岩的变化特点（图5—21）。

图5—21　黔西北龙潭组页岩从北向南黏土矿物变化

I/S—伊/蒙混层；I—伊利石；K—高岭石；C—绿泥石

2.蒙皂石的转化

随着埋深和温度的增加，泥页岩中的蒙皂石将逐渐向伊利石/蒙皂石（I/S）或绿泥石/蒙皂石（C/S）混层转变，在这过程中伴随着泥岩中孔隙水和层间水的脱出，前人已证实了蒙皂石存在两种演化途径，即在富钾的水介质条件下向I/S混层转变，或在富镁的条件下向C/S转变。在早成岩A期常见分散状蒙皂石，到早成岩B期开始明显向无序混层转化。在中成岩A1期混层属于部分有序，到中成岩A2期为有序混层，在中成岩B期为卡尔克博格式有序，到晚成岩混层逐渐消失转变为片状伊利石或片状绿泥石（表5—2）。

在富钾的水介质条件下蒙皂石向I/S混层转变，应凤祥（2004）将I/S混层根据蒙皂石层含量随井深的变化划分了5个转化带（以砂岩分析资料为主），即蒙皂石带、渐变带、第一迅速转化带、第二迅速转化带和第三转化带（图5—22）。

表5—2　I/S混层类型及转化带划分表（应凤祥，2004）

图5—22　廊固凹陷曹5井、柳赞—高尚堡伊/蒙混层转化带分布（应凤祥，2004）

（1）蒙皂石带包括分散状蒙皂石及蒙皂石层占70%以上的I/S混层黏土矿物，在这一带脱出的主要是孔隙水和过量的层间水，有机地球化学分析资料表明有机质尚未成熟，镜质体反射率Ro＜0.35%，从成岩阶段划分来说，它属早成岩A期，岩石疏松，物性很好。(www.xing528.com)

（2）渐变带中蒙皂石已开始明显向无序混层转化，蒙皂石层占50%～70%，处于该带的有机质属于半成熟有机质，镜质体反射率Ro为0.35%～0.5%，按成岩阶段划分来说，它处于早成岩的B期，这一阶段多为含铁方解石胶结，有原生孔隙，并可有部分次生孔隙的出现，在砂岩中可见自生高岭石，石英次生加大也开始见到。

（3）第一迅速转化带是层间水的第一次迅速脱出带，这时的蒙皂石层仅占35%～＜50%，所以混层已明显由无序混层向部分有序混层转化，随着脱水排烃的进行，有少量重质油的生成，有机质属低成熟，Ro＞0.5%～0.7%，成岩阶段属中成岩的A1亚期，砂质岩中有铁白云石的出现和次生孔隙的分布，自生高岭石和石英次生的加大量较渐变带增加和普遍。本带中常有油层分布。

（4）第二迅速转化带时混层矿物已变为有序，蒙皂石层仅占20%左右，这一带代表层间水的第二次迅速脱出阶段，有机质已成熟，可有油气生成，Ro＞0.7%～1.3%。成岩阶段属中成岩的A2亚期，砂质岩中可有较多铁白云石的分布，次生孔隙发育，自生高岭石及石英次生加大也比较普遍，但储集层物性一般已明显变差。油层及部分气层常见于本带。

（5）第三转化带蒙皂石层含量小于15%，属超点阵（卡尔克博格式有序），成岩阶段属于中成岩B期，有机质处于高成熟阶段，Ro在1.3%～2%，岩石致密，物性变差并出现裂缝，有轻质油及气产出。

（6）当混层消失时，表示岩石已进入晚成岩期，黏土矿物较为单一，代表性矿物为片状伊利石。有机质已达过成熟阶段。

伊利石/蒙脱石（I/S）混层类型及转化带与成岩阶段及有机质成熟度的关系见表5—3所示。

在富镁的条件下蒙皂石向C/S混层转变，极少数盆地见到绿/蒙混层，一般分布也较局限。柴达木盆地旱2井发育有较为完整的蒙皂石向绿/蒙混层的演化过程（应凤祥，2004）。旱2井位于柴达木盆地一里坪凹陷，井深达6 108 m。钻遇的地层为第四系至上第三系中新统中部。岩性总的变化特点是自上而下变粗，由粉砂岩变为砂岩，至井底见到砾岩，颜色也往下变红，在4 204 m处首次见到紫红色薄层泥岩，往下逐渐增多，岩性特征综述如下。

表5—3　伊利石/蒙脱石（I/S）混层类型及转化带与成岩阶段及有机质成熟度的关系表（应凤祥，2004）

第四系：顶部有岩壳，以灰色淤泥为主。

上新统狮子沟组：以灰色、深灰色灰质泥岩、粉砂质泥岩为主。

上新统上油砂山组：灰色、深灰色灰质泥岩、粉砂质泥岩夹泥灰岩。

中新统下油砂山组：灰色、深灰色粉砂岩和粉砂质泥岩为主夹泥灰岩，下部变为暗紫色，并有较多砂质岩，其底部见砾岩。

从C/S混层比与深度关系图可以看出（图5—23），C/S混层中的蒙皂石层随井深增加而存在一个明显的演变过程，并可划分出几个演化阶段。因此，参照I/S混层黏土矿物所划分的几个转化带，可对旱2井C/S混层转化带作如下划分。

（1）蒙皂石带：井深80～1 830 m，混层中的蒙皂石层占70%～100%，层位为第四系至狮子沟组上部。

图5—23　柴达木盆地旱2井绿/蒙混层黏土矿物演化曲线（应凤祥，2004）

（2）渐变带：井深1 830～1 970 m，混层比蒙皂石层占50%～70%，属于无序混层，层位为狮子沟组下部。

（3）第一迅速转化带：井深1 970～2 450 m，蒙皂石层占35%～50%，相当于I/S混层的部分有序混层，层位为狮子沟组底部至上油砂山组顶部。

（4）第二迅速转化带：井深2 450～3 822 m，蒙皂石层占20%左右，层位为上油砂山组。

（5）第三转化带：井深在3 822 m以下，此时C/S混层的衍射峰与绿泥石的衍射峰严重重叠，所以不能计算出混层比。因此，混层究竟在多大井深处消失而完全转变为绿泥石的界线难以确定。

从上述主要成岩作用类型及成岩变化可以看出，泥页岩在成岩变化过程中不仅结构构造发生了变化，而且其物质组成的变化成为了泥页岩成岩变化的显著特征。这也为成岩阶段的识别奠定了良好的基础。