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。压实和成岩作用控制了泥岩的孔隙演化，从而影响几何变形、岩石物理性质和地下流体流动。泥岩压实研究与许多地质与工程问题密切相关，特别是，泥岩压实和相关的流体滞留可能会导致明显的超压，这会给石油钻井带来重大风险。超压成因判识及孔隙压力预测对于油气成藏和保障钻井安全至关重要，一直是石油地质学家和钻井工程师研究的热点。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。
泥岩压实受矿物成分、有效应力、地质时间和温度等机械和化学因素的影响。对于浅埋（深度2～4km）和低温（80～℃）地层，泥岩压实的主要控制因素是有效应力。对于埋深大于2～4km、温度大于80～℃的地层，泥岩压实过程主要受黏土矿物成岩作用控制（化学压实作用）。黏土矿物转化与泥岩微观结构、岩石物理性质和孔隙流体压力密切相关。泥岩化学压实作用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。
针对泥岩压实研究中黏土矿物转化引起的岩石物性及超压响应变化尚未解决的难题，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，选择国内典型含油气盆地开展超压泥岩矿物组成、泥岩微结构和岩石物性分析，探讨黏土矿物转化对成岩蚀变泥岩压实过程和超压响应的影响，详细评估黏土矿物转化对泥岩正常压实趋势线（NCTs）的影响，提出适用于不同泥岩压实阶段的超压测井预测模型。
黏土矿物的再结晶和生长继续随着应力的增加而增加，导致在微观尺度上观察到黏土颗粒的大量重新排列。黏土颗粒的优先排列和自生胶结物的沉淀相结合，导致泥岩孔隙度显著降低。研究结果发现有效应力继续在成岩蚀变泥岩中起作用，尽管黏土矿物转化引起的黏土组构失稳会增加孔隙度损失（图1）。
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
根据不同压实过程中的主要因素及其强度可将泥岩压实分为三个阶段（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和弱定向的黏土组构。第二压实阶段对应于蒙脱石快速伊利石化，导致明显的孔隙度降低和强烈对齐的黏土组构，从而导致泥岩密度迅速增加。第三压实阶段对应于蒙脱石伊利石化的完成阶段，黏土颗粒定向排列增加缓慢，孔隙度继续缓慢减小。第二和第三阶段统称为化学强化机械压实阶段，因为孔隙度和黏土组构的变化受黏土矿物成岩作用和有效应力的共同影响。
图2泥岩压实过程演化模型及泥岩压实阶段划分
蒙脱石向伊利石转变的顶部深度与超压顶深一致，表明成岩蚀变泥岩中超压与黏土成岩作用同时发生。黏土成岩作用引起的泥岩孔隙度降低和密度增加，在一定程度上改变了超压测井响应，影响了压力预测结果的准确性。针对深层黏土矿物成岩引起的超压成因识别及孔隙压力预测的难题，提出了一种构建不同压实阶段的分段NCTs的方法以重新评价超压机制，并完善了综合压力预测思路（图3）。将测井响应-深度关系转化为测井响应-垂直有效应力关系，可以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。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压力预测结果，并且可以粗略获得不同超压机制的相对贡献。
图3适用于不同泥岩压实阶段的分段NCTs计算方法
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-深度曲线和密度-深度曲线（图4）。这些曲线与本研究建立的NCTs之间存在明显的差异，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。该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。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4研究建立的分段NCTs与已发布的泥岩正常压实曲线的对比
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研究成果分别发表国际学术期刊EngineeringGeology和MarineandPetroleumGeology。研究受中国科学院A类战略性先导科技专项（XDA）、国家自然科学基金（）、中科院地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-）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.Newunderstandingofoverpressureresponsesandporepressureprediction:Insightsfromtheeffectofclaymineraltransformationsonmudstone
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.ClaymineraltransformationsofMesozoicmudstonesinthecentralJunggarBasin,northwesternChina:Implicationsfor