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文|雾归

编辑|雾归

(资料图片)

在石油工业中，粘土矿物与流体之间的相互作用研究引起了广泛的关注。这是因为在石油系统中的源岩、储层岩和封盖岩中，粘土矿物与流体之间的相互作用扮演着重要的角色。传统上，研究人员主要关注粘土矿物与流体之间与井筒完整性和细粒迁移相关的问题。

然而，随着石油工业中先进技术的引入，如增强油气采收、水力压裂和碳储存等，人们对注入地下的粘土和流体之间的相互作用存在的知识空白产生了重要的认识。

目前的研究工作主要集中在理解粘土矿物与地下流体的反应机制，并评估这些相互作用在地球化学和地质力学方面的影响，以便优化石油工业采用的各种技术。

为了实现这一目标，我们需要回顾过去关于粘土矿物与流体相互作用的研究轨迹，以便全面了解研究的发展趋势。这将有助于我们在石油工业中更好地理解和应对粘土矿物与流体之间的相互作用，从而提高石油系统的效率和可持续性！

粘土与流体相互作用的历史

多年来，关于地层粘土矿物与流体相互作用的研究趋势主要受石油工业的需求影响。这种需求是为了深入了解反应过程，以便尽可能接近原位条件来表征储层和封盖岩。

粘土与流体之间的相互作用是一个历史悠久的研究领域，在过去几十年里取得了显著的进展。早期的研究主要集中在土壤科学和岩石力学领域，关注土壤中水分与粘土矿物之间的相互作用以及岩石中流体的渗透性和渗流行为。

20世纪50年代，随着石油工业的快速发展，人们开始关注粘土矿物与石油系统中流体的相互作用。研究人员意识到粘土矿物可以作为储层岩和封盖岩的主要组成部分，并且它们对石油的储存和流动起着重要的控制作用。

随着研究的深入，人们开始意识到粘土矿物与流体之间的相互作用是一个复杂的系统，涉及到多种物理、化学和地质过程。研究人员开始探索粘土矿物与流体之间的吸附、离子交换、渗透性、黏土水化等现象，以及它们在石油开发和生产中的影响。

20世纪70年代以后，随着实验技术和分析方法的进步，研究人员能够更加准确地观察和量化粘土矿物与流体相互作用的过程。应用先进的仪器和技术，如扫描电子显微镜SEM、透射电子显微镜TEM、X射线衍射XRD、核磁共振NMR等，为粘土矿物与流体相互作用的研究提供了更深入的见解。

近年来，随着石油工业对高效开发和利用油气资源的需求不断增加，研究人员对粘土矿物与流体相互作用的研究越来越重视。他们致力于理解粘土矿物与流体之间的微观过程，并将这些知识应用于实际的石油工程中，以提高采收率、减少环境影响和优化油气储存和运输等方面。

石油的形成和迁移

在全球范围内进行石油勘探的20世纪40年代和50年代，研究人员的重点是调查石油的起源。对粘土与地下流体之间的反应进行了广泛研究。

当时主要关注的是评估有机原岩的质量和石油生成机制。在这方面，研究人员认识到，粘土岩的分析可以用于追踪源岩中石油的生成和迁移。

研究人员还指出，可膨胀的粘土能够将其孔隙水保留到更深的地层。因此，他推断可膨胀粘土中的水在更深的地层是将烃类物质运输到储层岩石中的原因。

这一推断是基于并得到了早期研究的支持，该研究在美国主要石油产区对超过20,000个样品进行了分析，显示了可膨胀粘土矿物与烃类生产之间的强烈统计相关性。

他们还研究了苏联的石油沉积，并报道称粘土矿物在沉积岩中的形成和沉积对石油资源的形成具有重要意义。基于上述提到的早期研究，其他研究人员还使用粘土岩分析来确定烃类嵌入和迁移的时间，并进行石油系统分析。以下是其中一些研究的总结。

使用定年法评估了伊利石的形成与烃类生成和迁移的时间关系。发现这两个事件之间存在显著的相关性。他报道称，在大多数情况下，烃类的排泄时间与自生伊利石的形成时间相同。

得出了结论，粘土-流体相互作用与石油的生成和迁移之间的联系得到了建立，因此自生伊利石的存在可以作为石油形成和迁移的指标。

通过利用裂缝中存在的矿化历史重建了烃类物质迁移到当前储层的历史，意外发现大多数石油迁移路径上存在大量伊利石和粘土矿物沉淀物。得出结论伊利石和其他粘土矿物沉淀物可以作为石油迁移路径的指示。

从石油和天然气的角度研究了粘土矿物，并在形成和运移烃类物质的过程中，针对各种类型的粘土及其结构和地球化学转化进行了广泛的对比。

粘土矿物的化学成分和晶体结构

粘土矿物是岩石风化的产物，形成于坚硬岩石，如花岗岩中长石矿物的分解过程中。它们通常被描述为粒径小于2微米的土壤颗粒，常被称为自然的纳米颗粒。

从化学组成上看，粘土属于一类被称为铝硅酸盐的矿物。铝硅酸盐由复杂排列的原子组成，形成各种不同的结构构型，其基本组分是硅、铝和氧。硅和铝原子与氧原子结合形成硅四面体层和铝八面体层。

这些层通过共享共同的氧原子相互连接，尽管两层边缘的氧原子是未配对的。这些层边缘的未配对氧原子使粘土矿物表面带有负电荷，使其对水敏感并对阳离子高度反应性。

粘土矿物表面带有高负电荷的另一个因素是层间硅酸盐和八面体层内的同质离子置换，这导致粘土矿物表面存在过剩的负电荷。上述机制导致粘土对水基工程流体具有更高的敏感性。

粘土矿物的分类

这一分类是在X射线衍射XRD技术商业化几年后进行的，而此前石油公司一直使用XRD技术来研究粘土矿物。粘土矿物分为：高岭石、膨润土、伊利石和绿泥石等四个组，还指出其他类别，主要是这四个组中混合层状的粘土矿物。

高岭石由一个硅酸盐四面体和一个铝八面体组成，因此属于1：1比例的粘土矿物。由于其表面积和吸附能力较低，高岭石相对稳定。

膨润土由两个硅酸盐四面体与一个铝八面体相连，因此属于2：1比例的粘土矿物。膨润土具有非常高的膨胀和/或收缩速率，是钻井和生产中最具问题的粘土矿物，尤其是在使用水基工程流体时。

这种行为归因于膨润土的大表面积和高阳离子交换能力，导致其具有很高的吸附能力。

伊利石由硅酸盐四面体和八面体板片按2：1的方式排列组成。它们的吸附能力低于膨润土但高于高岭石。

绿泥石由蛇纹石层和三层石层交替排列而成。虽然绿泥石可以以宏观或微观晶体形式存在，但通常以与其他矿物的微观状态混合形式存在。

这些分类和描述对于石油工业中的粘土矿物研究起到了重要的指导作用，并为进一步理解和应用这些矿物提供了基础。

阳离子交换容量CEC

阳离子交换容量CEC被定义为单位干燥岩石重量中发生的正离子置换量，以meq/100 g每百克干燥岩石的毫当量的形式表示，矿物中的离子置换是界面电化学相互作用的产物。

一些常见的离子置换包括钙离子Ca2+、镁离子Mg2+、钾离子K+、钠离子Na+和铵离子NH4+。CEC控制着粘土矿物和粘土结合水对岩石的电导率贡献，以及在粘土与流体相互作用过程中粘土矿物的润湿特性。

多年来，研究人员开发了各种测量CEC的方法，目前仍在开发更准确的方法。一些早期的方法在文献中已经详细讨论过。目前常用的CEC测定方法包括：湿化学方法、多种盐浓度方法和膜电位方法。然而，这些方法也都存在一定的局限性。

研究人员提出了一种基于湿化学方法的方法，其中研究了几个样品并生成了最佳拟合曲线。他们方法的主要挑战是，尽管某些矿物质在潮湿环境中能够吸附水，但它们并没有离子交换容量CEC。将他们的方法作为湿化学方法的补充方法，而不是替代方法。

研究人员还提出了一种新的理论模型来测量离子交换容量CEC，该模型基于化学势和电势能之间的能量平衡。这涉及到从XRD（X射线衍射）、NMR（核磁共振）和氮吸附-脱附等温线测量所收集的数据的综合分析。

直接评估了基于乙酸铵法的离子交换容量，并使用电感耦合等离子体质谱法ICP-MS测量结果进行交叉验证。然而，他们指出他们的方法尚未发展到适用于复杂岩石组成的阶段。

最近关于页岩岩石对水渗透的实验研究表明，被渗透的水保留在孔隙网络中，从而降低了储层对气体的渗透性。模拟和历史匹配也被证实，来自压裂流体的水对粘土矿物表面的侵入和润湿导致了气体产量的下降。

水封效应导致气体流动减少的情况也报告过，他们观察到当裂缝中的水浓度超过40-50%时，气体产量急剧下降。对水封现象的详细研究表明，这种现象可能对某些页岩形成永久性的损伤，而对其他页岩类型来说则是暂时性的，目前仍在研究确定损伤是暂时性还是永久性的机制和变量的细节。

水封效应

无机粘土基质通常被认为是亲水的，因此提供了有利条件，使压裂流体中的水渗入裂缝中。在这个过程中，入侵的水将气体从粘土基质表面驱散，导致在裂缝表面形成多相流环境

这种现象的发展可以创建一种不利的饱和条件，使得气体通过裂缝的流动受到阻碍，从而降低井的产量。这种现象被称为水封效应，研究人员将其描述为超低渗透性储层中最严重的损伤之一。

最近关于页岩岩石对水渗透的实验研究表明，被渗透的水保留在孔隙网络中，从而降低了储层对气体的渗透性。模拟和历史匹配也证实，来自压裂流体的水对粘土矿物表面的侵入和润湿导致了气体产量的下降。

水封效应导致气体流动减少的情况也告过，他们观察到当裂缝中的水浓度超过40-50%时，气体产量急剧下降。对水封现象的详细研究表明，这种现象可能对某些页岩形成永久性的损伤，而对其他页岩类型来说则是暂时性的。

目前仍在研究确定损伤是暂时性还是永久性的机制和变量的细节。

了解粘土与流体相互作用的地球化学和地质力学影响对于优化水力压裂过程、预测储层行为和最大化油气产量至关重要。

这需要进一步的实验研究、模拟模型开发和现场数据验证，以深入理解和应对与粘土-流体相互作用相关的挑战和机遇！

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