泥岩是沉积盆地中分布最广泛的岩石，可作为油气的烃源岩、储层和盖层。泥岩在深埋成岩过程中发生极为复杂的物理-化学变化，不但决定了泥岩的孔隙结构和力学性质，也是含油气盆地异常高压的最主要形成原因。因此，泥岩压实作用与许多油气地质和工程应用问题密切相关，包括盆地沉降史恢复、页岩油气储层评价和盖层封闭性评价等，特别重要的是直接影响钻井安全相关的异常高压识别和钻前预测。
大量研究表明，对于浅层低温（温度<80~100 ℃）的泥岩，压实过程受控于有效应力，称为机械压实；而对于深层高温的泥岩，黏土矿物转化控制了泥岩的压实过程，称为化学压实作用。目前，传统的异常高压识别和预测主要基于浅层机械压实阶段的孔隙度-有效应力模型。然而，随着埋深的增加，黏土矿物转化改变了泥岩微观结构及压实趋势，机械压实理论和有效应力模型不再适用于深层发生化学压实的泥岩，造成超压识别和预测的准确性显著降低。
中国科学院地质与地球物理研究所油气资源研究院重点实验室李超博士后与合作导师罗晓容研究员、张立宽副研究员等，选择国内典型含油气盆地开展超压泥岩矿物组成、泥岩微观结构和岩石物性分析，探讨黏土矿物转化对深埋泥岩压实行为、正常压实趋势线（NCTs）及超压响应的影响，建立了适用于不同泥岩压实阶段的异常高压测井预测模型。
选择不同压实程度泥岩进行扫描电镜观察和孔隙结构测试，分析了埋藏过程中黏土颗粒定向性及孔隙结构演化规律，发现在黏土矿物转变窗口以下，自生黏土颗粒垂直于有效应力生长，导致明显定性排列的黏土组构（图1），证明泥岩的化学压实过程仍然受到有效应力的重要影响。
图1 泥岩黏土颗粒定向性指数（POI）与深度、黏土转化和有效应力的关系
根据压实过程中泥岩微观结构、孔隙度和黏土矿物组成演化，重新建立了“三阶段”泥岩压实模型（图2）：第一阶段为机械压实阶段，有效应力的增加导致孔隙度快速降低，形成弱定向黏土组构；第二阶段对应于黏土矿物转化窗口，有效应力和成岩作用导致强烈定向的黏土组构，孔隙度进一步降低；第三阶段对应于黏土矿物转化窗口以下，有效应力增大使得黏土颗粒定向性略有增大，孔隙度缓慢降低。由于孔隙度和黏土组构受黏土矿物转化和有效应力的共同控制，因此第二和第三阶段称为化学成岩强化的机械压实阶段。
图2 泥岩压实过程演化模型及泥岩压实阶段划分
研究发现，泥岩中黏土矿物转化导致的孔隙度降低和密度增加与传统超压测井响应不同，因此超压预测的关键是建立耦合机械压实和化学压实的NCTs。本研究提出了一种构建不同压实阶段的分段NCTs的新方法，并完善了综合压力预测思路（图3）：基于黏土矿物组分确定泥岩不同压实阶段，通过对泥岩机械压实阶段声波时差-深度关系进行对数拟合，获得机械压实阶段的NCTs。由实测压力数据校准的反演算法，构建泥岩化学压实阶段的NCTs。最后，综合确定过渡阶段NCTs。利用分段NCTs可以获得较为准确的超压预测结果，并且可以估计不同成因超压的相对贡献。
图3 适用于不同泥岩压实阶段的分段NCTs计算方法及压力预测结果
本研究在黏土矿物组分和实测压力约束下，建立了一种新的研究思路和方法，提高了泥岩NCTs的可信性。研究结果为深层泥岩压实和超压响应提供了新见解，同时也为超压成因识别和孔隙压力准确预测提供了有价值的方法借鉴。
研究成果分别发表国际学术期刊Engineering Geology和Marine and Petroleum Geology。研究受中国科学院A类战略性先导科技专项（XDA14010202）、国家自然科学基金（42102176）、中科院地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-201903）等共同资助。
1．李超，罗晓容*，张立宽*，范彩伟，徐长贵，刘爱群，李虎，李俊，雷裕红. New understanding of overpressure responses and pore pressure prediction: Insights from the effect of clay mineral transformations on mudstone compaction[J]. Engineering Geology, 2022, 297: 106493. DOI: 10.1016/j.enggeo.2021.106493.
2. 李超，张立宽*，罗晓容*，曾治平，修金磊，雷裕红，程明，胡才志，张萌，贺文君. Clay mineral transformations of Mesozoic mudstones in the central Junggar Basin, northwestern China: Implications for compaction properties and pore pressure responses [J]. Marine and Petroleum Geology, 2022, 144: 105847. DOI: 10.1016/j.marpetgeo.2022.105847.
