130 / 2023-07-14 09:32:26

西湖凹陷泥岩化学压实及其成因机制

压实是沉积盆地中一种普遍而重要的自然现象，在埋藏过程中能够引起沉积物物理性质的变化，物理性质（如孔隙度、密度和速度）随深度变化趋势是机械压实和化学压实过程的复杂函数，该趋势一般称为“压实曲线”或“压实趋势”（Bjørlykke, 1998; Dutta, 2016）。泥岩压实趋势广泛用于沉积物负荷引起的地层沉降估算（Marcussen et al., 2009）、盆地建模分析（Luo et al., 2020）和超压成因评估（Zhao et al., 2017; Li et al., 2021）。随深度变化的压实趋势也可扩展到剥蚀量估算、地质力学建模、储层表征和封闭性评价（eg. Issler, 1992; Kalani et al., 2015; Fu et al., 2015; Fan and Wang, 2021; Cao et al., 2022）。

近年来，国外学者多数认为浅层以机械压实为主，随着埋藏深度和温度的增加，化学成岩作用开始进行并制约泥岩压实过程，深层表现以矿物学和热力学为主要因素驱动的化学压实（eg. Bjørlykke and Høeg, 1997; Bjørkum, 1998; Lahann, 2002; Dutta, 2002, 2016; Goulty et al., 2016）。然而，泥岩化学压实这个问题尚未在国内引起足够重视，国内不少学者仍然认为泥岩压实以垂直有效应力、沉积物结构变形能力和颗粒强度控制的机械压实为主（Chen and Wang, 1992; He et al., 2010; Fan and Wang, 2021; Wang et al., 2021）。泥岩化学压实本质上是不稳定矿物的溶解和热力学稳定矿物的沉淀。黏土矿物体积和含量在机械压实过程中具增强作用，黏土矿物转化和蚀变增强了成岩溶解动力学，在化学压实中发挥催化作用（eg. Bjørlykke, 1998; Lahann, 2002; Kalani et al., 2015; Dutta, 2002, 2016; Ogebule et al., 2020）。

与泥岩有关的西湖凹陷地质研究近些年引起了诸多地质工作者的广泛兴趣（eg. Xu et al., 2020; Pu et al., 2021; Li et al., 2021; Fan and Wang, 2021）。其中Fan and Wang（2021）依据测井数据和黏土矿物含量的变化，将西湖凹陷泥岩压实分为机械压实、化学强化的机械压实和稳定压实。该模型可以说明（1）独立校准的单井泥岩测井曲线能够反映泥岩压实过程。（2）西湖凹陷泥岩层段发生了黏土矿物转化（Duan et al., 2016）。遗憾的是，诸多学者就西湖凹陷泥岩是否发生化学压实尚未给出明确结论，因此总结的压实模型不能完全揭示出泥岩压实过程。

因此，本文基于独立校准的泥岩综合测井曲线，结合泥岩压实背景和地温梯度、黏土矿物分析和扫描电镜等分析化验测试。研究认为东海陆架盆地西湖凹陷A井与D井泥岩经历的化学压实深度界限不一致，A井埋深在2200m，D井是1750m。泥岩孔隙度呈现正常降低→急剧降低→开始增大趋势的埋深有所差异，A井埋深在4400m，D井是3300m。D井泥岩孔隙相较A井表现为随着埋深加大，降低趋势变“陡”，压实程度更高。造成泥岩差异压实成因主要由黏土矿物转化和温度分布控制。进入65-105^oC后，D井中石英和黄铁矿的局部发生溶蚀，斜长石发生沉淀；A井中石英、黄铁矿和斜长石含量变化不明显，主体发生钾长石溶蚀和伊蒙混层的伊利石化。125-135^oC以后，成岩作用发生反转，伊蒙混层发生较低幅度增加，绿泥石和高岭石增加，白云石+铁白云石的溶解和方解石的间歇性溶蚀使得泥岩孔隙在A井4460m和D井3300m处出现孔隙度局部增大。高地温梯度提升了D井区较A井区进入化学压实的深度界限，加速了伊利石化的进程和石英的胶结速率，成为D井泥岩孔隙度减小趋势变陡的主要成因。建立了东海陆架盆地西湖凹陷泥岩压实模型，分别为强机械压实阶段，化学压实和机械压实并存阶段以及强化学压实阶段（图1）。在强化学压实阶段中，泥岩化学成岩压实局部表现为积极增孔效应，额外的异常增大孔隙成为包括烃类在内的地下流体重要的储集空间，也是页岩油/气勘探和有利目标区综合评价找寻的甜点区域。