黏土異常轉化與其意義
前言：本站為你精心整理了黏土異常轉化與其意義范文，希望能為你的創作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。
本文作者：孟凡晉1,2肖麗華1謝玉洪3王振峰3劉景環3童傳新4張伙蘭3高煜婷1孟元林1魏巍1趙曉慶5作者單位：1東北石油大學2UniversityofHouston3中國海洋石油總公司西部分公司4中國地質大學
區域地質概況
新生界自下而上依次發育始新統、漸新統的崖城組和陵水組，中新統的三亞組、梅山組和黃流組，上新統的鶯歌海組以及第四系樂東組，總厚度達17km［19，20］。鶯歌海盆地崖城組為陸相沉積，從陵水組開始發育海相沉積。從盆地邊部到中心，依次發育海岸平原、(扇)三角洲、濱海相、淺海相、半深海相，在盆地中央還發育盆底扇、滑塌體帶等。根據構造變形特征，將鶯歌海盆地劃分為鶯東斜坡、鶯西斜坡、中央坳陷三個一級構造單元(圖1)［21］。中央坳陷包括臨高凸起、底辟構造帶兩個正向構造單元。由于盆地基底快速沉降和細粒沉積物快速充填，鶯歌海盆地普遍發育超壓［20，22］。鶯歌海盆地超壓體系主要分布于盆地的中央坳陷。在中新世鶯歌海組沉積時期，中央坳陷三亞組和梅山組的半深海相泥質沉積物沿斷裂上沖，刺穿上覆地層，形成底辟構造，伴隨著底辟的發育，深部富含CO2的高溫熱流體沿斷層進入淺部地層，加速了有機質的熱演化。東方區和樂東區分別位于底辟構造帶的北部和南部(圖1)，具有高溫、超壓的特征，二者的DST實測地溫梯度平均值分別為44．2℃/km、40．6℃/km，實測壓力系數分別為1．95、1．80。中央坳陷東南部的LD30-1-1A井區及其周圍地區，在底辟構造帶之外，沒有熱流體活動，但由于發育巨厚的欠壓實泥巖，泥巖孔隙度高，熱導率低，超壓發育，地溫梯度很高，LD30-1-1A井實測地溫梯度為43．3℃/km，DST實測壓力系數最高可達2．4，這一地區一般稱為東南區。鶯東斜坡區位于盆地的東部，既不發育超壓，也沒有熱流體的活動，具有正常的溫度和壓力環境。而臨高凸起區也沒有熱流體活動，僅在3673m以下的泥巖中出現弱超壓，壓力系數平均為1．38。
1正常演化型
鶯歌海盆地的鶯東斜坡區具有正常的溫、壓特征。臨高凸起帶只有在3500m以深才發育超壓，因此，在3500m以淺，黏土礦物轉化屬于正常演化型(圖2)。隨埋深的增加，蒙皂石經I/S混層，轉化為伊利石，I/S混層中的S%逐漸減小，伊利石含量增加，這一過程可用下式表示［2］:3．93K++1．57KNaCa2Mg4Fe4Al14Si38O100(OH)20•H2O(蒙皂石)→K5．5Mg2Fe1．5Al22Si35O100(OH)20(伊利石)+1．57Na++3．14Ca2++4．28Mg2++4．78Fe3++24．6Si4++57O2－+11．4OH－+15．7H2O(1)此外，隨埋深和地溫的增加，黏土礦物中的高嶺石還逐漸發生伊利石化，因此高嶺石隨埋深的增加而減小，并最終消失(圖2)，高嶺石的伊利石化可用下式表示:3Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+2K+→K5．5Mg2Fe1．5Al22Si35O100(OH)20(伊利石)+2H++3H2O(2)由于隨埋深的增加，高嶺石的伊利石化和蒙皂石向伊利石的轉化程度增高，二者共同導致了伊利石隨埋深的增加而增加的趨勢(圖2)。
2快速演化型
在新近紀，鶯歌海盆地發育了大規模的底辟作用和富含CO2高溫熱流體的活動［22］，并形成一系列底辟構造(圖1)，DF1-1構造就是其中之一(圖1，圖3)［21，23］。在鶯歌海期，該構造發育了一系列南北向張性斷層，當熱流體由深部超壓帶通過斷裂向淺層和地表運移時，運移通道附近的地熱場和孔隙流體的化學成分就會受到影響，例如:位于DF-1-1構造南北向斷裂周圍的DF1-1-2井，在1200m處，記錄當時熱流體溫度的流體包裹體均一溫度高達200℃［23］!高溫熱流體的強烈活動，勢必影響到巖石的成巖作用和水—巖反應，使黏土礦物的轉化出現異常(圖4)。在正常情況下，蒙皂石向伊利石轉化是漸變的，但在高溫熱流體作用下，黏土礦物的轉化出現躍變，位于東方1-1構造南北向斷裂周圍的DF1-1-1井、DF1-1-2井、DF1-1-3井、DF1-1-7井(圖3)，在1200～1500m深度范圍內熱流體活動強烈(圖4)，儲層中CO2的含量驟增至40%以上，I/S混層中的S%出現躍變，由R0帶跳躍到R2、R3帶，缺失R1帶。鶯歌海盆地熱流體的活動不僅加速了黏土礦物的轉化，而且改變了黏土礦物轉化的方向。在大多數盆地中，隨著埋深和地溫的增加，地層中的高嶺石經高嶺石/綠泥石混層，逐漸向綠泥石轉化，直至消失［17］，反應式如下:5CaMg(CO3)2+Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+SiO2+H2O→5CaCO3+5CO2+Mg5Al2Si3O10(OH)8(綠泥石)(3)而在鶯歌海盆地東方區，富含CO2的高溫酸性熱流體使得綠泥石變得極不穩定，向高嶺石轉化，并析出了過量的Mg2+和Fe2+，造成了在熱流體活動段(1200～1500m)，綠泥石含量減少和高嶺石含量增加的現象(圖4)，反應式如下:Fe3．5Mg3．5Al6Si6O20(OH)16+14H+→3Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+3．5Fe2++3．5Mg2++9H2O(4)上述兩個反應在地下可能同時發生，但其難易程度不同，可以通過熱力學中吉布斯自由能增量的計算結果加以研究。在熱力學研究中，化學反應的吉布斯自由能增量(ΔG)可作為熱力學過程方向和限度的判據，以及過程不可逆性大小的量度。當ΔG＞0時，過程不可能自動發生;ΔG=0，過程平衡;ΔG＜0，過程自動發生(不可逆)。ΔG值越低，說明自動過程越易發生，而且反應越快。本文選用受熱流體影響的DF1-1-3井的實測溫、壓數據，分別計算了高嶺石綠泥石化(式3)和綠泥石高嶺石化(式4)的自由能增量。結果表明，這兩個反應的自由能增量均為負值，且在趨勢上都隨著深度和地溫的增加而降低，說明這兩個反應在地下均可發生，且均隨溫度的增加，反應越來越劇烈。然而，在數值上，反應(4)的自由能增量遠遠小于反應(3)(圖5)，即在酸性條件下，綠泥石向高嶺石轉化的反應遠比高嶺石向綠泥石轉化的反應易于發生。這一計算結果與實測數據完全吻合(圖4)，在1200～1600m，熱流體活動強烈，受熱流體影響的DF1-1-1井、DF1-1-2井、DF1-1-3井和DF1-1-7井的綠泥石減少，高嶺石增加，這是綠泥石向高嶺石轉化的結果。由式(1)～(4)可見，在黏土礦物轉化的過程中，排出大量Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Si4+等陽離子，這些陽離子從泥巖進入砂巖后，沉淀下來，形成膠結物，例如:Si4+沉淀下來可形成自生石英，Na+可為砂巖的鈉長石化提供物質來源。特別是與熱流體活動伴生的CO2，從深處沿斷裂上涌，進入儲層后，轉化成大量CO2－3，與陽離子結合后，形成大量菱鐵礦、鐵白云石和鐵方解石(圖6)。在同一深度下，DF1-1構造中有熱流體活動的井段(DF1-1-3)和無熱流體活動的井段(DF1-1-5)相比，儲層天然氣中的CO2含量增加，黏土礦物迅速轉化，伊/蒙混層中蒙皂石層的含量S%急劇降低，菱鐵礦、鐵白云石、白云石和鐵方解石大量出現。碳酸鹽膠結物的大量形成勢必影響儲層的物性［24］。也就是說，熱流體的活動加速了黏土礦物轉化，使泥巖各種陽離子的排放量增加，可以導致砂巖膠結物的大量形成，不利于優質儲層發育。
3緩慢演化型
鶯歌海盆地多樣的溫、壓特征孕育了特殊的黏土礦物轉化規律。研究表明，東南區泥巖的黏土礦物轉化明顯慢于鶯東斜坡區和臨高構造帶。隨埋深和地溫的增加，東南區LD30-1-1A井和鶯東斜坡區LT33-1-1井I/S混層中蒙皂石層的含量S%均逐漸減小，但前者的轉化速率明顯低于后者。在2300m以深，在同一深度前者的伊/蒙混層中蒙皂石層的含量S%明顯高于后者(圖7)，例如:在2500m處，東南區LD30-1-1A井伊/蒙混層中S%為80%左右，而LT33-井只有50%左右。盡管LD30-1-1A井的地溫梯度高達43．3℃/km，而LT33-1-1只有33．3℃/km，按照常理LD30-1-1A井的黏土礦物轉化應該比LT33-1-1井更快，但實際情況并非如此，其原因是在2300m以下，LD30-1-1A井開始發育超壓，壓力系數＞1．2，而LT30-1-1A井仍為正常靜水壓力，壓力系數≈1．0，超壓不僅抵消了地溫對黏土礦物轉化的影響，而且還進一步抑制了東南區LT30-1-1A井黏土礦物的轉化，使其黏土礦物轉化變慢。超壓對黏土礦物轉化的抑制作用在世界上其他地區也有發現［4，9，25］，其機理可用LeChartlier定律解釋［25］。當蒙皂石脫出高密度的層間水(密度約為1．16～1．46g/cm3)，進入巖石孔隙時，將發生膨脹，并導致流體壓力增加［1］;另一方面，蒙皂石格架的破壞、Si4+的釋放、硅質膠結物的沉淀、伊利石的重排，可以導致泥巖滲透率降低，阻止流體的排放，促使超壓發育［26］。根據LeChartlier定律，流體壓力增加的結果，將阻止蒙皂石的進一步脫水，抑制蒙皂石的轉化。此外，由式(1)可見，蒙皂石向伊利石轉化時，需要從介質中吸取K+等金屬陽離子，而K+主要來源于有機酸對鋁硅酸鹽礦物和植物碎屑的溶解［14，27～29］，但超壓對有機酸的生成、機械壓實和壓溶具有抑制作用［30～32］，這樣必將導致環境介質中K+等金屬陽離子濃度的減小，不利于超壓背景下黏土礦由于超壓抑制黏土礦物轉化，所以在超壓區黏土礦物轉化過程中，泥巖中H+、層間水和各種陽離子的排放將被減緩，儲層的溶蝕作用和膠結作用都被減弱，使次生孔隙發育帶出現在深部更深的地層中，有利于深層優質儲層的形成。這種情況在我國渤海灣盆地也曾出現［30，31］。在鶯歌海盆地，由于超壓對黏土礦物轉化的抑制，盡管東南區的地溫梯度高達43．3℃/km，而鶯東斜坡區只有33．3℃/km，按照常理，東南區的膠結作用應該比鶯東斜坡區更強，但實際情況并非如此。如圖8所示，在3500m左右，鶯東斜坡區膠結物含量要遠遠大于東南區的膠結物含量，這剛好與之前所述的兩個地區黏土礦物轉化程度的變化趨勢相一致。
結論
在熱流體活動區，黏土礦物轉化加速，陽離子排放量增加，再加上來自深部的二氧化碳形成的CO2－3，可形成大量(含鐵)碳酸鹽膠結物，使儲層的膠結作用增強。在超壓區，黏土礦物轉化較慢，泥巖中H+、層間水和各種金屬陽離子的排放將被減緩，儲層的溶蝕作用和膠結作用都被減弱，有利于深層優質儲層的形成。
