沉积盆地异常高压形成机制综述

王江涛，李 育

（西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安 710065）

近年来，广泛的研究表明异常高压和许多油气田的形成有密切的关系。早在19 世纪，阿塞拜疆巴拉克哈尼油田就受到人们的重视，通过对其喷油泉研究分析了异常高压的存在，但未引起人们的重视。Dickinson以美国墨西哥湾新生界地层为例，研究了该异常高压分布及其特征[1]。当时由于对异常高压的认识不够，在钻井和完井过程中出现了很多问题，为了防止事故发生，解决这些问题，异常高压的研究才受到人们的高度重视，许多欧美研究人员开始分析研究异常高压特征。前苏联科学家在20 世纪中期进行过异常高压的研究浪潮，我国对异常高压的研究于70 年代后才开始[2,3]。

在全球范围的沉积盆地中，超压盆地广泛分布，据统计，在全球沉积盆地内有180 个具有超压地层系统，占总数的2/3，并且有160 个盆地的异常高压与油气分布有成因联系[4,5]。同样，在我国含油气盆地中有29 个为超压相关油气田，其中陆地21 个，海域8 个[3,6]。因此，对有关异常高压成因机制的研究成果进行系统总结，指明今后的研究方向，以求对今后有关异常高压的研究有所借鉴。这篇文章将从各异常高压成因机制出发，系统研究，以期对有关超压盆地的油气勘探、钻井和生产具有借鉴意义。

1 沉积盆地异常高压主要形成机制

有关异常压力研究，前人已经进行了大量分析，对异常高压形成机理从各个方面进行了大量工作。目前，异常高压形成机理的种类有10 多种，如不均衡压实作用、构造挤压作用、流体热增压作用、成岩作用、生烃作用、液态烃类的裂解作用、浮力作用、压力传递作用、水压头作用等，各种机理在形成异常高压时的重要性和作用对象则有所不同。前人研究认为，异常高压形成机制主要与不均衡压实、构造应力、烃类生成、流体热膨胀和成岩作用、超压传递等相关[7]，而不均衡压实和生烃作用与超压的形成最为密切（见图1）[8]。

针对超压的这些形成机制，国内外学者从不同的角度进行了分类。根据各异常高压形成机制的特点，我们在总结前人的基础上，进一步将其分类方案进行改进和完善，最终将其总结为与应力有关的增压作用、与流体体积增大有关的增压作用和与流体流动和浮力有关的增压作用3 种类型，并对其具体情况进行了综合分析。

图1 全球不同类型超压所占的比例

2 沉积盆地异常高压主要形成机制类型

2.1 与应力相关的增压作用

2.1.1 不均衡压实作用 不均衡压实作用是孔隙流体在沉积物快速沉积过程中，由于未能及时排出从而阻止沉积物被压实，进而引起岩石孔隙压力的增大。它主要是由泥页沉积物在压实过程中出现的欠压实现象引起的，这与泥页沉积物的快速沉积和低渗透性有关。不均衡压实作用是一种重要的异常高压形成机制，在多数超压盆地中都存在，如我国莺歌海盆地新生代、美国墨西哥湾盆地中新生界、文莱巴拉姆地区新近纪和渤海湾盆地中的东营凹陷、渤中坳陷等[9]。在快速沉降过程中，沉积物埋藏使上覆负荷急速增加，孔隙容积趋于快速减小，此时，孔隙流体排出受阻，造成压实作用受到抑制。当埋藏深度较大时，上覆地层负荷的增大会使孔隙流体承担部分负荷，岩石承担的有效应力将相对减小，在此条件下，孔隙流体压力大于静水压力出现超压现象。

在异常高压形成机制的研究过程中，不均衡压实作用早已在解释超压盆地中被提出。Dickinson 通过分析美国墨西哥湾岸盆地中新生界的地层压力数据，提出了碎屑层序中的超压是由于沉积物不完全脱水造成的[1]。大量的数据表明不均衡压实作用是厚层泥页岩在快速埋藏过程中形成的，是一种主要的异常高压形成机制[10]。因此，不均衡压实产生的超压主要出现于泥页岩地层或包裹于较大厚度泥岩的砂岩中，难以在大套砂岩地层形成。目前，该机理研究较为深入，其存在较为广泛，全球许多超压盆地中都具备该机理形成的条件。

2.1.2 构造应力作用 与地层压力相关的各种构造应力作用中，构造挤压倾向于形成超压[9]。构造运动的过程中，构造挤压作用以应力的形式侧向作用于岩石，此过程相当于在垂向上作用于岩石上覆负荷压力。当侧向挤压应力大于静岩压力时的侧向压力，岩层就会受到挤压作用，地层孔隙则倾向于减小[11]。前人研究认为，地下流体在完全封闭系统中时，岩石受构造挤压应力作用后，岩石受到的平均应力全部转化为孔隙压力，新增的构造应力将全部施加给流体[12,13]，从而引起异常高压。目前，大量的沉积盆地勘探表明，构造较为强烈地区的地层中异常高压流体的出现通常与构造挤压有关。此机理常发生于构造挤压环境的沉积盆地中，如晚第三纪以来的喜山晚期运动是塔里木盆地前陆盆地前缘逆冲构造挤压的重要构造运动[14,15]，典型的如塔里木盆地北缘库车坳陷克-依构造带中异常高压气藏的形成机制[16]。

此外，其他构造应力也可形成异常高压。在沉积盆地中如果存在倾斜的地层界面，在岩层界面静岩压力作用下，界面上覆地层可向下倾方向滑动，该地层下倾部位则会受到挤压作用，类似于构造挤压，可产生异常高压。在局部地区，底辟作用也可成为异常高压的形成机理。莺-琼盆地一些油气藏的超压是通过构造作用形成的断层传递形成[17]。因此，多种构造应力都可成为异常高压的成因机制，并且广泛存在于沉积盆地中[18]。由于各种构造应力所处的地质环境不同，因此，在进行异常高压分析时，应该首先了解研究区的具体地层和构造特征。

2.2 与流体体积增大相关的增压作用

2.2.1 流体热增压作用 随着埋藏深度的增加地层温度逐渐增大，岩层骨架及孔隙流体会发生膨胀作用，但流体膨胀系数较大，体积变化明显。一般地层中，地层水为其主要流体，但在烃源岩和油气藏范围内，油、气为其主要流体，各种流体都会随温度的增高发生膨胀作用。当水温度大于4 ℃时，水受热会发生膨胀，如果膨胀作用发生在一个较为封闭的体系内时，必然会引起流体压力的增加，从而形成异常高压。但绝对的封闭环境是一种理想条件，在地层中这种情况几乎不可能出现，任何岩层都会有渗透性。而且在低温梯度较小的地层中，由温度升高引起的流体压力增加会很小，通过渗透作用很容易消耗掉。因此，只有在地温梯度很高的地层中，异常高压才可以形成，理想的如岩浆活动地区或盆地底部热流体活动区。华保钦等利用Barker 的PVT 图得出，在封闭系统内埋藏深度每增加1 km，地温增加35 ℃时，压力将增加49.686 MPa，产生超压约40 MPa，水热增压仅为4 MPa[19]。因此，流体热增压可以形成异常高压，但其只有在特殊地质条件下才会起到主导作用，不是一种主要的异常高压形成机制。

2.2.2 成岩增压作用 一些矿物在成岩过程中，会发生层间水脱出和结晶水析出的现象，这种结果必然会引起地下流体数量的增加，当被限定在一个封闭性较好的空间内时，必然出现孔隙压力的升高，从而形成异常高压。与流体热增压相似，只有在特殊的地质条件下，成岩作用才会成为主要的异常高压形成机制。

蒙脱石向伊利石的转变，会出现结构水的大量排出，张启明等研究认为，蒙脱石向伊利石的转变过程中释放出的水可以达到原来孔隙体积的15 %[3]。蒙脱石是一种常见的碎屑矿物，在其晶体结构中含有大量的层间吸附水，而且其层间吸附水密度大于孔隙自由水，当吸附水被排出成为孔隙水时，自然会发生一定的膨胀作用。除此之外，蒙脱石转化形成的伊利石对孔隙吼道起一定的堵塞作用，增加了泥质岩层的非渗透性。

石膏向硬石膏的转化，是碳酸盐岩地层中一种异常高压的主要形成机制。石膏向硬石膏的转化过程中，受温度（40～60 ℃）控制会有39 %（体积）的束缚水释放出来，在1.0 km 深度地层中，反应的发生会使孔隙流体压力大大增加，具有超过上覆岩层负荷的潜力[20]，但在深部形成的异常高压基本与这种机制无关。当石膏转化为硬石膏的过程发生在一个封闭性较好的空间内时，产生的流体必然会增大孔隙压力，形成异常高压。

2.2.3 生烃作用 地层孔隙体积增大引起的增压作用中以生烃增压最为常见。烃类生成增压作用主要存在于较大深度的地层中，干酪根通过热催化、裂解等转化为液态石油、气体和副产品及不溶残余物时会发生体积增大，在地下一个封闭性较好的系统内，这种作用可产生超压。对莺琼盆地的研究也表明莺琼盆地异常高压形成与烃源岩热成熟期新生流体的产生有密切的关系[21]。郭小文等在对I 型干酪根生烃作用进行研究时，通过公式推导和物理模拟实验分析，得出烃源岩中的I型干酪根在生油过程中可以产生强超压[22]。

生烃作用是干酪根生成烃类有机质，体积逐渐增大的一个过程。因此，生烃作用产生的甲烷及其他低分子量烃类，在较为封闭的系统内可以成为超压的重要来源，干酪根在催化、裂解等作用下生成石油、天然气和其他产物的转化过程中，总体积增大25 %[23]。Harwood 研究了生油母岩生成烃类和水过程中体积的变化，发现含有1 %有机碳的生油母岩生成液体的体积增量为44～50 m3/t，净增体积相当于孔隙度为10 %的泥页岩孔隙体积的4.5 %～5.0 %[24]，这种情况下泥页岩孔隙压力会大幅增加。尤其是生烃作用产生的气体，在地层水中达到饱和状态后会成游离状态存在，这些游离态的气体会堵塞孔隙通道并且在温度升高的情况下发生膨胀作用[25]。所以，烃源岩产生的新生流体是异常超压形成的重要原因，如果有机质缺乏，一般不存在超压现象。

Hunt 认为烃类气体的生成是墨西哥湾地区一些油气田异常高压的重要形成机制[26]。Meissner 在研究异常高压的形成机理时，以威利斯顿盆地的巴肯页岩为研究对象，结果表明烃源岩产生的新生流体是超压的重要成因，该巴肯页岩是主要的烃源岩，同时也是异常高压带[23]。因此，生烃增压作用的前提条件是厚层泥页岩中含有大量有机质，并且该有机质达到了成熟-过成熟的演化阶段，在储集层中一般不会引起异常超压。

2.2.4 液态烃类的热裂解作用 随着埋藏深度的增加，温度逐渐升高，在高温条件下，因受热催化作用、细菌作用和放射性衰变等，液态石油将逐渐转化裂解为轻质烃类组分直至甲烷。液态石油一般在120～140 ℃发生热裂解作用，完全裂解生成气态烃组分需要的温度则应大于180 ℃。研究表明，在标准温压条件一个体积的标准原油可转化裂解成为534.3 个体积的气体及少量的其他残留物[27]。在正常埋深条件（3.0～5.0 km）下，这一结果会小很多，但也可以形成超压。四川石油管理局研究院在研究石油裂解时，通过模拟实验表明，在4 km 埋深条件下，1 t 原油裂解生成气体时，其体积增大约2.4 倍，导致流体压力也增大2.4 倍[28]。因此，在封闭性能较好的地层系统内，液态石油裂解成天然气时，地层压力会大幅增加，形成异常高压。

2.3 与流体流动和浮力相关的增压作用

2.3.1 水压头增压作用 水压头增压作用在一定结构的盆地地层可以形成异常高压，例如一些特殊地区出现的自流井水体上涌现象就是水压头增压作用在地下岩层中产生的结果。在盆地深部储层和水层处于封闭性能较好地层覆盖条件下时，较高地势地区潜水面相对于地下地层将产生一个水柱压差，从而使地下流体压力升高，形成异常高压现象。这种机理能够形成的前提条件是地下封闭性能较好的地层之下储层物性较好，流体可以侧向长距离连通。Neuzil 在研究地层中异常高压大小和潜水面高程之间的关系时，把这种现象定义为“平缓超压”[29]。目前，这种异常高压形成机制在实际的含油气盆地研究中很少受到重视，但这种超压形成机制也可能是某一地区异常高压的重要形成机制。因此，在以后研究中，如果出现水压头增压形成的基本条件，应重视这种异常高压形成机制，并进行深入研究。

2.3.2 烃类产生的浮力 流体密度越小，其压力梯度越小。由于石油和天然气的密度较小，因而相对于地层水其压力梯度较小，因此油柱或气柱的存在，都会出现超压现象。这种超压机理一般只存在于油气藏范围，而且异常高压的大小随烃柱高度的增加而增加。王震亮等在研究克拉2 气藏气柱对异常高压贡献的大小时，发现其气柱浮力对异常高压的贡献不足10 %[41]。Sahagian 等在研究浮力增压作用时发现，烃类气体的上移在不可压缩流体中能产生较为明显的超压现象[30]，但Osborne 分析认为由于模型过于简单，上述的研究不足以说明问题，需要对流体、岩石和气体参数进行定量评价来检验这一机理[10]。Richard 等研究认为，欧洲北海盆地这种机制在油气藏中产生的超压最大仅为6.0 MPa，其它较低高度烃柱的油气藏因浮力作用而形成的超压多数小于1.0 MPa[31]，这种现象不能被称作“异常”。但在马来盆地的达比士油田，由于烃柱高度较大，产生了异常高压。由于在油气藏范围内，油气柱是广泛存在的，因此，由浮力增压作用产生的异常高压普遍存在，其大小和油、气柱的高度具有相关关系。但由浮力增压机理主要在油气藏范围内存在，因此，在烃柱高度较大的情况下，应该考虑由于烃柱本身而产生的超压，并且研究超压的分布情况。

2.3.3 渗透增压作用 渗透作用是两种矿化度不同的地层水沿渗透性砂体进行离子迁移时所产生的压力差引起的增压作用。Hanshaw 等研究认为，渗透作用是一种可能的有效异常高压形成机制[32]。Hitchon 研究认为，如果地层水中的离子被类似半透膜的黏土所滤出，在处于平衡状态时，位于流入一侧的孔隙压力一定较高[33]。同样，对于含盐度较高的储层与泥页岩接触处，具有半透膜的性质，能够出现较大的压力差。Marine 等研究认为渗透增压作用是墨西哥湾岸地区超压的主要形成机制之一[34]。但Richard 研究发现，多数泥页岩由于其孔隙度太高，从而阳离子交换能力较低，不能形成有效的隔膜，产生的超压会很小[31]。由于离子迁移，隔膜两侧的浓度不断地趋于相等，最终渗透势将随时间而趋于零。Dickey 等也通过研究欠压盆地认为，多数盆地流体广泛渗透流动所需的离子浓度差条件并不满足[35]。Bradley 也通过研究认为，渗透作用产生的浓度差流动不是影响地下压力系统的主要因素[36]。因此，渗透增压作用主要出现在局部岩性界面处，对于广泛的异常高压作用意义不大。

2.3.4 压力传递作用 Osborne 等将压力传递作用定义为地下剩余孔隙流体压力的重新分配，并认为即使在一些超压盆地中没有发现异常高压的原生机理，但可以确定压力传递对超压的重新分布起到主要的控制作用[10,16]。压力输导系统是指能够传递超压或输导超压流体的地质体，常见的有渗透性的砂岩层、断层、水力压裂裂隙、盐构造等[37]。压力传递作用在流体通过压力传导系统时，主要发生于垂向的断裂和侧向的渗透性砂体[38]。烃源岩内由于油气生成等原因异常压力逐渐增大，当异常高压达到岩石的破裂压力或由于地质构造作用，烃源岩发生破裂时，异常高压流体就会沿着微裂缝排出，排出烃源岩的高压流体运移至储层再通过侧向渗透性砂岩发生超压传递，从而形成储层的异常高压。

郭小文等利用密度资料、声波时差和电阻率结合砂岩实测压力研究了东营凹陷泥岩在纵向上的超压响应特征，结果表明，其储层中的异常高压是由于超压流体通过地质裂缝运移至储层而形成的[39]。另外，通过前人研究认为中国中西部前陆盆地储层强超压也与超压传递有关[7,40,42]。可见，压力传递增压作用是一种重要的异常高压形成机制，对沉积盆地异常高压的分布起到重要的控制作用。

3 结论

实际的异常高压形成机制多种多样，但其作用对象和范围有较大差别，对于特定含油气盆地，往往是某单一机制或几种机制共同起作用，而其它异常高压形成机制基本不起作用或作用效果不明显。因此，必须具体超压盆地具体分析。不均衡压实增压作用主要出现于泥页岩或大套包裹于泥岩的砂岩中，在沉积盆地中广泛分布，增压效果较为明显；构造挤压增压作用主要出现于封闭性能较好的地层中，是构造挤压产生的压性盆地中异常高压的主要成因，增压效果明显；流体热增压作用发生于特殊的地质条件下，缺乏普遍性；生烃作用产生的异常高压主要出现于成熟-高成熟的烃源岩地层中，作用范围广泛，增压效果较为明显；成岩作用不是一种主要的异常高压形成机制，仅是一种辅助的异常高压形成机制；液态烃类的热裂解作用是特殊地质条件下的一种超压形成机制，在封闭性能好的较大埋深地层中增压效果明显；浮力的增压作用主要出现于油气藏内，是产生局部异常高压的原因之一；水压头和压力传递对盆地的超压形成起一定作用，缺乏普遍性，对异常高压的形成意义不大；渗透作用产生的浓度差流动不是影响地下压力系统的主要因素，对异常高压形成意义不大。

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