李超等-EG：泥岩化学压实作用的超压测井响应与孔隙压力预测
含油气盆地深层普遍发育超压现象，不仅改变了地下流体流动方向，也会导致意外的钻井或地质灾害。准确的孔隙压力对于油气成藏和资源评价非常重要，同时也是保障安全钻井的关键。泥岩压实作用是最普遍的超压成因机制之一，按照不同埋深或温度下的主导机制，泥岩压实分为机械和化学压实。最近关于孔隙压力预测的一些观察结果，可能会对用于判识超压成因机制和预测孔隙压力的传统方法产生重大影响。尤其是，泥岩化学压实作用（黏土矿物转化）导致深层泥岩有效应力与孔隙度的关系不同于机械压实阶段，进而改变了泥岩压实趋势和超压测井响应，影响了孔隙压力预测的可靠性。深层孔隙压力预测的关键问题是如何建立准确的泥岩正常压实趋势线（NCTs）。然而在目前的研究中，尚无关于化学压实阶段泥岩NCTs的相关研究。
针对深层超压成因识别及孔隙压力预测的难题，我室博士后李超与合作导师罗晓容研究员、张立宽副研究员等，选择莺歌海盆地岩具有完整的蒙脱石-伊利石转化序列的新近系泥岩为研究对象，详细评估黏土矿物转化对泥岩NCTs的影响，建立了一种构建不同压实阶段的分段NCTs的方法（图1）。基于黏土矿物成分或声波时差-密度交会图确定泥岩不同压实阶段对应的埋深，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，获得机械压实阶段正常压实趋势线。创新性提出通过实测压力数据标定的反演算法构建化学压实阶段正常压实趋势线。最后，综合计算过渡阶段正常压实趋势线，进而获得适用于不同压实阶段的分段NCTs。
图1适用于不同泥岩压实阶段的分段NCTs计算方法。（a）泥岩压实曲线；（b）孔隙压力预测结果；（c）孔隙压力预测结果误差分析
将测井响应-深度关系转化为测井响应-垂直有效应力关系，得到不同压实阶段对应的加载曲线。新的加载-卸载曲线包括机械加载曲线、化学加载曲线和卸载曲线，进而可以更为准确的判识超压成因（图2）。加载-卸载曲线分析结果表明，泥岩压实最大可导致的超压梯度可能小于1.8，而压力梯度大于1.8的压力数据落在卸载曲线上，表明砂岩压力受超压传递而导致的增大，而不是原位泥岩压力。在超压成因机制认识的基础上，利用不同方法开展综合孔隙压力预测，分段NCTs可以提供令人满意的乐东斜坡超压估计，并且可以粗略获得不同超压机制的相对贡献。
图 2 莺歌海盆地钻井综合孔隙压力预测结果。（a）泥岩压实曲线；（b）孔隙压力预测结果；（c）垂直有效应力-声波速度交会图
为了认识复杂成岩转变对泥岩压实趋势的影响，编制了天然泥岩及实验室黏土矿物的压实曲线，包括声波时差-深度曲线（图3a）和密度-深度曲线（图3b）。泥岩的声波时差和密度变化复杂多样，取决于泥岩的原始矿物组成及从机械压实到化学压实的变化。这些曲线与本文建立的NCTs之间存在明显的差异，本研究并不试图建立普适性的泥岩压实曲线，而是提供一种新的工作思路和方法，因而提高了泥岩NCTs的可信性。本研究为泥岩压实和超压测井响应提供了新的见解，同时也为深层多超压成因机制识别和孔隙压力准确预测提供了有意义的参考。
图3 研究建立的分段NCTs与已发布的泥岩正常压实曲线的对比。（a） 声波时差与深度关系曲线；（b）密度与深度关系曲线
研究成果发表于国际工程地质学权威期刊Engineering Geology(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 mud-stone compaction[J]. Engineering Geology, 2022, 297, 106493. DOI:10.1016/j.enggeo.2021.106493).
研究受中国科学院战略性先导专项（XDA14010202）、中科院地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-201903）及国家自然科学基金项目（42030808）联合资助（原文链接：https://www.sciencedirect.com/-science/article/pii/S0013795221005044）。
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