黏土异常转化与其意义
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本文作者：孟凡晋1,2肖丽华1谢玉洪3王振峰3刘景环3童传新4张伙兰3高煜婷1孟元林1魏巍1赵晓庆5作者单位：1东北石油大学2UniversityofHouston3中国海洋石油总公司西部分公司4中国地质大学
区域地质概况
新生界自下而上依次发育始新统、渐新统的崖城组和陵水组，中新统的三亚组、梅山组和黄流组，上新统的莺歌海组以及第四系乐东组，总厚度达17km［19，20］。莺歌海盆地崖城组为陆相沉积，从陵水组开始发育海相沉积。从盆地边部到中心，依次发育海岸平原、(扇)三角洲、滨海相、浅海相、半深海相，在盆地中央还发育盆底扇、滑塌体带等。根据构造变形特征，将莺歌海盆地划分为莺东斜坡、莺西斜坡、中央坳陷三个一级构造单元(图1)［21］。中央坳陷包括临高凸起、底辟构造带两个正向构造单元。由于盆地基底快速沉降和细粒沉积物快速充填，莺歌海盆地普遍发育超压［20，22］。莺歌海盆地超压体系主要分布于盆地的中央坳陷。在中新世莺歌海组沉积时期，中央坳陷三亚组和梅山组的半深海相泥质沉积物沿断裂上冲，刺穿上覆地层，形成底辟构造，伴随着底辟的发育，深部富含CO2的高温热流体沿断层进入浅部地层，加速了有机质的热演化。东方区和乐东区分别位于底辟构造带的北部和南部(图1)，具有高温、超压的特征，二者的DST实测地温梯度平均值分别为44．2℃/km、40．6℃/km，实测压力系数分别为1．95、1．80。中央坳陷东南部的LD30-1-1A井区及其周围地区，在底辟构造带之外，没有热流体活动，但由于发育巨厚的欠压实泥岩，泥岩孔隙度高，热导率低，超压发育，地温梯度很高，LD30-1-1A井实测地温梯度为43．3℃/km，DST实测压力系数最高可达2．4，这一地区一般称为东南区。莺东斜坡区位于盆地的东部，既不发育超压，也没有热流体的活动，具有正常的温度和压力环境。而临高凸起区也没有热流体活动，仅在3673m以下的泥岩中出现弱超压，压力系数平均为1．38。
1正常演化型
莺歌海盆地的莺东斜坡区具有正常的温、压特征。临高凸起带只有在3500m以深才发育超压，因此，在3500m以浅，黏土矿物转化属于正常演化型(图2)。随埋深的增加，蒙皂石经I/S混层，转化为伊利石，I/S混层中的S%逐渐减小，伊利石含量增加，这一过程可用下式表示［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，随埋深和地温的增加，黏土矿物中的高岭石还逐渐发生伊利石化，因此高岭石随埋深的增加而减小，并最终消失(图2)，高岭石的伊利石化可用下式表示:3Al2Si2O5(OH)4(高岭石)+2K+→K5．5Mg2Fe1．5Al22Si35O100(OH)20(伊利石)+2H++3H2O(2)由于随埋深的增加，高岭石的伊利石化和蒙皂石向伊利石的转化程度增高，二者共同导致了伊利石随埋深的增加而增加的趋势(图2)。
2快速演化型
在新近纪，莺歌海盆地发育了大规模的底辟作用和富含CO2高温热流体的活动［22］，并形成一系列底辟构造(图1)，DF1-1构造就是其中之一(图1，图3)［21，23］。在莺歌海期，该构造发育了一系列南北向张性断层，当热流体由深部超压带通过断裂向浅层和地表运移时，运移通道附近的地热场和孔隙流体的化学成分就会受到影响，例如:位于DF-1-1构造南北向断裂周围的DF1-1-2井，在1200m处，记录当时热流体温度的流体包裹体均一温度高达200℃［23］!高温热流体的强烈活动，势必影响到岩石的成岩作用和水—岩反应，使黏土矿物的转化出现异常(图4)。在正常情况下，蒙皂石向伊利石转化是渐变的，但在高温热流体作用下，黏土矿物的转化出现跃变，位于东方1-1构造南北向断裂周围的DF1-1-1井、DF1-1-2井、DF1-1-3井、DF1-1-7井(图3)，在1200～1500m深度范围内热流体活动强烈(图4)，储层中CO2的含量骤增至40%以上，I/S混层中的S%出现跃变，由R0带跳跃到R2、R3带，缺失R1带。莺歌海盆地热流体的活动不仅加速了黏土矿物的转化，而且改变了黏土矿物转化的方向。在大多数盆地中，随着埋深和地温的增加，地层中的高岭石经高岭石/绿泥石混层，逐渐向绿泥石转化，直至消失［17］，反应式如下:5CaMg(CO3)2+Al2Si2O5(OH)4(高岭石)+SiO2+H2O→5CaCO3+5CO2+Mg5Al2Si3O10(OH)8(绿泥石)(3)而在莺歌海盆地东方区，富含CO2的高温酸性热流体使得绿泥石变得极不稳定，向高岭石转化，并析出了过量的Mg2+和Fe2+，造成了在热流体活动段(1200～1500m)，绿泥石含量减少和高岭石含量增加的现象(图4)，反应式如下:Fe3．5Mg3．5Al6Si6O20(OH)16+14H+→3Al2Si2O5(OH)4(高岭石)+3．5Fe2++3．5Mg2++9H2O(4)上述两个反应在地下可能同时发生，但其难易程度不同，可以通过热力学中吉布斯自由能增量的计算结果加以研究。在热力学研究中，化学反应的吉布斯自由能增量(ΔG)可作为热力学过程方向和限度的判据，以及过程不可逆性大小的量度。当ΔG＞0时，过程不可能自动发生;ΔG=0，过程平衡;ΔG＜0，过程自动发生(不可逆)。ΔG值越低，说明自动过程越易发生，而且反应越快。本文选用受热流体影响的DF1-1-3井的实测温、压数据，分别计算了高岭石绿泥石化(式3)和绿泥石高岭石化(式4)的自由能增量。结果表明，这两个反应的自由能增量均为负值，且在趋势上都随着深度和地温的增加而降低，说明这两个反应在地下均可发生，且均随温度的增加，反应越来越剧烈。然而，在数值上，反应(4)的自由能增量远远小于反应(3)(图5)，即在酸性条件下，绿泥石向高岭石转化的反应远比高岭石向绿泥石转化的反应易于发生。这一计算结果与实测数据完全吻合(图4)，在1200～1600m，热流体活动强烈，受热流体影响的DF1-1-1井、DF1-1-2井、DF1-1-3井和DF1-1-7井的绿泥石减少，高岭石增加，这是绿泥石向高岭石转化的结果。由式(1)～(4)可见，在黏土矿物转化的过程中，排出大量Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Si4+等阳离子，这些阳离子从泥岩进入砂岩后，沉淀下来，形成胶结物，例如:Si4+沉淀下来可形成自生石英，Na+可为砂岩的钠长石化提供物质来源。特别是与热流体活动伴生的CO2，从深处沿断裂上涌，进入储层后，转化成大量CO2－3，与阳离子结合后，形成大量菱铁矿、铁白云石和铁方解石(图6)。在同一深度下，DF1-1构造中有热流体活动的井段(DF1-1-3)和无热流体活动的井段(DF1-1-5)相比，储层天然气中的CO2含量增加，黏土矿物迅速转化，伊/蒙混层中蒙皂石层的含量S%急剧降低，菱铁矿、铁白云石、白云石和铁方解石大量出现。碳酸盐胶结物的大量形成势必影响储层的物性［24］。也就是说，热流体的活动加速了黏土矿物转化，使泥岩各种阳离子的排放量增加，可以导致砂岩胶结物的大量形成，不利于优质储层发育。
3缓慢演化型
莺歌海盆地多样的温、压特征孕育了特殊的黏土矿物转化规律。研究表明，东南区泥岩的黏土矿物转化明显慢于莺东斜坡区和临高构造带。随埋深和地温的增加，东南区LD30-1-1A井和莺东斜坡区LT33-1-1井I/S混层中蒙皂石层的含量S%均逐渐减小，但前者的转化速率明显低于后者。在2300m以深，在同一深度前者的伊/蒙混层中蒙皂石层的含量S%明显高于后者(图7)，例如:在2500m处，东南区LD30-1-1A井伊/蒙混层中S%为80%左右，而LT33-井只有50%左右。尽管LD30-1-1A井的地温梯度高达43．3℃/km，而LT33-1-1只有33．3℃/km，按照常理LD30-1-1A井的黏土矿物转化应该比LT33-1-1井更快，但实际情况并非如此，其原因是在2300m以下，LD30-1-1A井开始发育超压，压力系数＞1．2，而LT30-1-1A井仍为正常静水压力，压力系数≈1．0，超压不仅抵消了地温对黏土矿物转化的影响，而且还进一步抑制了东南区LT30-1-1A井黏土矿物的转化，使其黏土矿物转化变慢。超压对黏土矿物转化的抑制作用在世界上其他地区也有发现［4，9，25］，其机理可用LeChartlier定律解释［25］。当蒙皂石脱出高密度的层间水(密度约为1．16～1．46g/cm3)，进入岩石孔隙时，将发生膨胀，并导致流体压力增加［1］;另一方面，蒙皂石格架的破坏、Si4+的释放、硅质胶结物的沉淀、伊利石的重排，可以导致泥岩渗透率降低，阻止流体的排放，促使超压发育［26］。根据LeChartlier定律，流体压力增加的结果，将阻止蒙皂石的进一步脱水，抑制蒙皂石的转化。此外，由式(1)可见，蒙皂石向伊利石转化时，需要从介质中吸取K+等金属阳离子，而K+主要来源于有机酸对铝硅酸盐矿物和植物碎屑的溶解［14，27～29］，但超压对有机酸的生成、机械压实和压溶具有抑制作用［30～32］，这样必将导致环境介质中K+等金属阳离子浓度的减小，不利于超压背景下黏土矿由于超压抑制黏土矿物转化，所以在超压区黏土矿物转化过程中，泥岩中H+、层间水和各种阳离子的排放将被减缓，储层的溶蚀作用和胶结作用都被减弱，使次生孔隙发育带出现在深部更深的地层中，有利于深层优质储层的形成。这种情况在我国渤海湾盆地也曾出现［30，31］。在莺歌海盆地，由于超压对黏土矿物转化的抑制，尽管东南区的地温梯度高达43．3℃/km，而莺东斜坡区只有33．3℃/km，按照常理，东南区的胶结作用应该比莺东斜坡区更强，但实际情况并非如此。如图8所示，在3500m左右，莺东斜坡区胶结物含量要远远大于东南区的胶结物含量，这刚好与之前所述的两个地区黏土矿物转化程度的变化趋势相一致。
结论
在热流体活动区，黏土矿物转化加速，阳离子排放量增加，再加上来自深部的二氧化碳形成的CO2－3，可形成大量(含铁)碳酸盐胶结物，使储层的胶结作用增强。在超压区，黏土矿物转化较慢，泥岩中H+、层间水和各种金属阳离子的排放将被减缓，储层的溶蚀作用和胶结作用都被减弱，有利于深层优质储层的形成。
