含油气盆地异常低压成因及低压油气藏形成机理

熊伟，陈冬霞，王翘楚，王福伟，安天下

(中石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东 东营 257015)(油气资源与探测国家重点实验室(中国石油大学(北京))，北京 102249)(中石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东 东营 257015)

目前，在世界上已发现的含油气盆地和地区中，绝大部分呈现为常压-超压的流体压力特征，压力系数为0.95～1.5[1]。但也有少数盆地或地区呈现为异常低压特征(压力系数<0.95)。根据前人统计，在已发现的180多个异常压力油气田中，仅有12个油气田呈现为异常低压特征[2]，但其中不乏大型的油气田或含油气区，如加拿大Alberta盆地、美国圣胡安盆地、美国Palo Duro盆地，都是典型的异常低压发育的沉积盆地。而在我国的鄂尔多斯盆地古生界、松辽盆地十屋断陷、百色盆地东部凹陷、吐哈盆地红南构造带、东营凹陷边缘凸起带、惠民凹陷临南洼陷中央隆起带等地区也都表现为不同程度、不同规模的异常低压[3～10]。

由于研究实例的缺乏，有关异常低压的研究十分薄弱。然而异常低压作为一种特殊的异常流体压力，其形成与演化必然与油气的生成和运移有着密切的关联，明确异常低压的地质成因以及异常低压油气藏的形成机理，不仅有利于从流体动力的角度阐明油气形成及运聚过程，有效指导勘探开发实践，同时也是对异常流体压力成因理论的丰富和补充。

笔者从引起异常低压的地质因素出发，系统全面地分析了含油气盆地异常低压形成的地质原因、研究现状以及最新进展，并结合具体实例阐述了异常低压油气藏的形成机理，以期对该类油气藏的勘探开发提供有力的理论支持。

1 异常低压地质成因

1.1 剥蚀卸载作用

当上覆地层由于构造运动抬升并遭受剥蚀时，岩石骨架受到的上覆压力降低，发生如弹性固体一般的反弹作用，导致岩石骨架的扩容，从而可能使流体压力降低。剥蚀卸载作用对储层压力影响可以定量计算[11]：

(1)

式中： Δp为储集层压力的变化，Pa；υ为岩石泊松比，1；Cr为岩石压缩系数，Pa-1；Cw为水的压缩系数,Pa-1；ρr为遭受剥蚀地层岩石的平均密度，g/cm3；g为重力加速度，9.8m/s2; Δh为构造抬升中的地层剥蚀厚度，m。

图1 加拿大Alberta盆地剥蚀卸载作用下的异常低压成因模式

一般而言，剥蚀卸载作用是否能够最终导致异常低压取决于2个因素。第一，岩石骨架的反弹幅度需大于骨架内部流体的反弹幅度。对于砂岩储层而言，前人测定的砂岩压缩系数为1×10-9Pa-1，水的压缩系数为3×10-10Pa-1[12]，说明在地层抬升剥蚀过程中，砂岩骨架的扩容程度远大于骨架内地层水的扩容程度。姜振学等[13]通过砂岩回弹物理模拟试验证明，在岩石弹性范围内，剥蚀卸载造成的砂岩体积回弹量可达2.5%以上。而对于泥页岩层，由于泥页岩的扩容率高于砂岩[14]，当发生上覆地层剥蚀时，砂岩层周围的泥页岩层中流体压力降低的幅度会更大，砂岩储层中的地层水会向周围泥页岩渗透，进一步降低砂岩层中的流体压力。第二，上覆地层剥蚀后，盆地的后续沉降过程和沉积层特征。后续的沉积过程决定了由于地层抬升剥蚀产生的异常低压能否有效地保存。若地层在遭受剥蚀后，盆地迅速沉降，厚层沉积物或巨厚泥岩层将低压系统封闭，阻隔低压系统与外界的流体交换，形成低压封存箱，使之得以保存。反之，若盆地遭受剥蚀后，沉降缓慢，粗碎屑大量供应和沉积，低压系统与外界存在物质交换和流体运移，则下伏地层中的低压难以保存。前人的研究结果表明，世界上多数的异常低压含油气盆地或地区都经历过强烈的地层抬升剥蚀过程，如加拿大Alberta盆地(见图1)[15～17]、美国阿巴拉契亚地区及北高加索地区[12,18]、我国的鄂尔多斯盆地等[4,11]。

1.2 地层降温作用

地质历史的过程伴随着地层温度的不断变化，当地层的温度由于各类地质作用而降低时，岩石骨架和骨架内的流体必然发生体积的收缩，当骨架内流体的收缩幅度大于岩石骨架的收缩幅度时，就会导致流体压力的降低。根据Hodgman的研究数据，岩石的平均热膨胀系数为9×10-6K-1，而地层卤水的热膨胀系数为400×10-6K-1[19]，因而地层温度的降低会使地层流体体积相对于地层骨架空间缩小，形成异常低压[20]。其单位地层体积降压幅度可以由液体状态方程和帕斯卡定律联立计算[11]：

ΔV=Δt[awφ+ar(1-φ)]

(2)

V=V0[1-Cw(p-p0)]

(3)

Δp=p-p0

(4)

式中： ΔV为单位地层体积变化量,1;Δt为温度变化量，K；aw为地层卤水膨胀系数，10-6K-1；ar为岩石膨胀系数，10-6K-1；φ为孔隙度，%；V0为降温、降压作用前的单位地层体积,1；V为降温、降压作用后的单位地层体积,1；p0为降温、降压作用前的孔隙压力，MPa;p为降温、降压作用后的孔隙压力，MPa;Δp为降压幅度，MPa。

图2 惠民凹陷地温梯度演化

在地质历史过程中，温度的降低分为空间域和时间域上的降低。空间域的温度降低是指由于构造抬升地层埋深变浅，地层温度随之降低。该类降温作用常伴随剥蚀卸载作用一同发生。如我国鄂尔多斯盆地在早白垩世以来地层大规模抬升剥蚀导致的持续降温，降温量达到60～75℃，使其地层压力降低10～13MPa左右，对其异常低压的形成有重要的贡献[11]。时间域的温度降低是指随着地质历史时期的演变，盆地的地温梯度或热流值不断降低，从而引起同一沉积深度地层的温度随时间推移降低的过程。我国渤海湾盆地自新近纪以来地温梯度的不断下降[21～23](见图2)，是惠民凹陷临南洼陷形成异常低压的主要原因之一[10]。

1.3 成岩矿物转化

在沉积储层中，自生矿物的生成和转化过程往往伴随着地层流体体积和流体性质的变化，其中，长石的蚀变作用和黏土矿物的转化作用往往伴随着大量地层水的消耗，是储层流体体积减小的重要原因，也可能因此导致异常低压的形成。

钾长石蚀变为高岭石的化学反应方程式为：

钠长石蚀变为高岭石的化学反应方程式为：

高岭石绿泥石化的化学反应方程式为：

伊利石绿泥石化的化学反应方程式为：

Fe4Mg4Al6Si6O20(OH)16+K++H4SiO4+H+

根据张善文[24]的计算，理论上，1000g钾长石蚀变为高岭石需要耗水97.1g，1000g钠长石蚀变为高岭石需耗水103.1g，1000g蒙脱石的高岭石化、高岭石绿泥石化和伊利石绿泥石化分别需耗水62、209、195g。可见上述成岩矿物的转化会消耗大量的地层水，使得流体体积减小，流体压力降低。然而有学者[20]提出，该成因机制自身存在缺陷，该类矿物转化作用通常发生于浅层封闭性较差、地层水矿化度较低地区，与异常低压所需的相对封闭的保存条件是相悖的。因此，成岩矿物转化对异常低压的贡献大小仍有待商榷。

1.4 地下水稳态流动

某些盆地中存在由于地形高差引起的地下水注水区和泄水区，在地层分布均匀、物性不存在较大区域性差异的情况下，地层水由注水区流向泄水区，达到动态平衡，地层压力不存在异常。而当泄水区与注水区的地层中分布有渗透性差异较大的岩层时，则会发生区域性的地下水供给与流失的差异，造成地层流体体积的变化，进而导致异常压力的形成[14]。具体而言，北美的Denver盆地和Palo Duro盆地中，均存在一个区域，其与泄水区之间分布着高渗透性岩层，而与注水区之间分布着低渗透性岩层，地下水的供水量渐渐小于泄水量，最终导致了该地区的异常低压(见图3)[4,25]。

图3 Palo Duro盆地地下水稳态流动下的异常低压形成模式

1.5 二氧化碳溶解作用

在美国，许多二氧化碳含量较高的储层内都发现了异常低压的现象，其中最为典型的是位于新墨西哥州的Bravo Dome气田。Daria 和Marc等[26]研究发现，由于二氧化碳大量溶解于地层卤水，可以缩小地层孔隙流体的体积，造成Bravo Dome气田储层流体压力下降1MPa左右，由于该类储层上覆有封闭性较强的膏岩层，阻隔了低压系统与外界的物质交换，异常低压得以保存(见图4)。

图4 Bravo Dome气田地层压力剖面

1.6 轻烃逸散作用

在油气生成的过程中，轻烃分子的扩散现象是普遍存在且持续发生的，一般认为，由气体浓度差导致的分子扩散作用能够驱使轻烃组分通过盖层，由此引发的储层内部流体体积和能量的损失会引发储层流体压力的下降，造成异常低压[1,27]。该类作用通常发生在上覆盖层封盖能力较差、埋深较浅的气藏储层中。渤海湾盆地济阳坳陷的东营凹陷边缘许多埋深较浅的气藏呈现出异常低压的特征，以及松辽盆地十屋断陷油气藏的异常低压即是轻烃逸散的典型实例[9,28]。

1.7 断裂及不整合面的泄压作用

图5 饱和天然气深埋作用地层压力模式图

一些学者[29]认为，发育在断陷盆地深部的异常低压可能是由于断层活动及不整合面传导，使得储层流体沿着该类优势运移通道快速大量运移，在没有流体增补的情况下，导致地层流体压力的不断降低，最终形成异常低压。另外，有学者[30]认为诸如渤海湾盆地的断裂系统，由于其内部的张性断裂-裂隙网络发育，并且由深而浅，断裂及裂隙的密度不断加大，导致地层深部流体有不断向浅部运移的趋势，最终导致近断层区域的深部地层呈现异常低压特征。

1.8 饱和天然气深埋作用

在一些区域地层倾斜的背景上，气藏位于储层下倾方向，上覆为含水层，该类气水倒置的气藏在致密储层中较为常见。由于天然气的密度小于地层水的密度，其压力梯度亦小于地层水压力梯度。当气藏深埋时，就会导致由于压力梯度差异而产生的测压异常低值(见图5)[1,21,31]。

2 低压油气藏形成机理

沉积盆地中的异常低压发育与油气成藏有着密切的关系。从成藏动力学的角度，异常低压区域通常流体势能较低，是油气运移的优势方向和潜在油气聚集区。然而流体相态、油气运聚过程与流体压力演化的差异，使得低压油气藏的类型、规模、分布及成藏过程等方面存在很大差别，并最终形成了如加拿大Alberta盆地Colorado群气藏、美国Amarillo隆起Keyes气田、美国阿拉巴契亚地区砂岩透镜体油藏、鄂尔多斯盆地苏里格气田、渤海湾盆地惠民凹陷临南洼陷沙河街组三段(以下简称“沙三段”)油藏等成因机理各异的低压油气藏。

2.1 低压气藏形成机理

在现今发现的异常低压油气田或油气藏中，多数为低压岩性气藏和深盆气藏，如加拿大Alberta盆地白垩系深盆气藏、北美落基山地区岩性气藏和鄂尔多斯上古生界气藏。该类含油气盆地大多经历过强烈的构造抬升剥蚀作用，导致气藏储层骨架的回弹，同时由于地层抬升，温度降低，储层流体收缩，烃源岩生烃作用减弱，导致压力下降。此外，轻烃通过扩散作用不断散失，最终形成了大规模的低压气藏[14,32，33]。

2.2 低压油藏形成机理

相较于低压气藏而言，低压油藏较为少见，较为典型的是阿巴拉契亚地区的砂岩透镜体油藏和渤海湾盆地惠民凹陷临南洼陷沙三段的低压油藏。上述2类低压油藏的形成机理存在一定的差异。对于阿巴拉契亚地区的砂岩透镜体油藏而言，其形成主要分为2个阶段。第1阶段为地层深埋过程，砂岩透镜体周围泥岩进入排烃门限并将生成的烃类流体排出到砂岩透镜体中，此时砂岩透镜体呈现为常压或异常高压。第2阶段为地层抬升剥蚀阶段，由于上覆岩层压力的降低，砂岩透镜体及周围泥岩均发生岩石骨架回弹，流体压力降低，而由于泥岩的回弹幅度大于砂岩，会导致砂岩透镜体周围泥岩的压力降幅大于砂岩透镜体内部，此时，砂岩透镜体内的地层水会排出至周围泥岩，最终形成含油饱和度较高、含水饱和度较低的异常低压砂岩透镜体油藏[14,18]。临南洼陷沙三段的低压油藏主要以构造油藏为主，分布于洼陷北部的中央隆起带及洼陷边缘地区，其形成也可分为2个阶段。第1阶段为地层抬升剥蚀，伴随着地温梯度以及地层温度的下降，地层内部流体压力降低，此时储层内部还未发生烃类充注和油气运移[10]。第2阶段为地层再次沉降，洼陷中心的烃源岩达到排烃门限，由于源储压差的驱动，油气进入低压储层，但充注的油气造成的增压并不足以抵消由于地层抬升剥蚀和温度降低造成的降压，最终形成低压油藏[34，35]。

3 异常低压研究存在的问题

随着勘探程度的加深和理论技术的发展，对于含油气盆地异常低压及异常低压油气藏的研究得到了不断地充实和完善。但对于目前的研究现状，仍有一些有待商榷的问题及有待进一步印证的观点：①虽然前人提出了多种造成地层或油气藏异常低压的成因，但诸如储层成岩作用、断层泄压作用等不仅在机理上过于简单，缺乏对实际复杂地质环境的综合考量，亦没有通过物理试验等方式进行验证，缺乏一定的说服力；②目前对于异常低压的分析多数建立在以地质条件和地球物理原理为基础的理论分析上，对于各类低压成因的定量判识方法较为缺乏，因而在实际研究中，各类低压成因对某一研究区的异常低压贡献值难以得出；③流体压力的形成经历了漫长地质历史时期的演化，而目前对于流体古压力演化史的恢复方法较为缺乏，因而异常低压的成因是否真正可靠往往缺乏时间域的印证，削弱了其说服力。

4 结论

1)含油气盆地的异常低压是一种特殊且重要的流体压力状态，其形成和演化可以反映油气生成和运移的过程。异常低压的地质成因解释较多，其中，地层抬升剥蚀导致的剥蚀卸载作用和降温作用是导致异常低压的最主要因素。

2)对应各个沉积盆地不同的沉积背景和构造过程，地下水稳态流动、轻烃逸散、断层及不整合面的压力释放及二氧化碳溶解作用也是导致局部地区异常低压的重要因素。此外，饱和天然气深埋作用是致密气藏或深盆气藏异常低压的主要成因之一。储层成岩作用转化导致异常低压在理论上存在压力系统封闭与成岩转化所需的开放环境之间的矛盾，因而是否能够造成异常低压有待商榷。

3)低压气藏的形成主要与地层抬升剥蚀、降温作用以及轻烃逸散作用有关。低压岩性油藏的形成过程主要依靠地层抬升剥蚀以及砂岩与泥岩降压幅度的差异，是一个先增压后降压的过程；而低压构造油藏的形成是通过地层抬升和降温先形成异常低压区域，而后油气充注，最终成藏，是先降压后增压的过程。不同的低压油气藏成因机制对应着不同的成藏过程，对于研究低压油气藏的分布及成藏特征有着重要的意义。

4)目前对于异常低压的研究仍然存在一些问题和提升的空间，主要表现在某些异常低压成因机制缺乏说服力，对于异常低压的研究缺乏定量判识的方法，以及由于古压力恢复的较大难度导致现有的异常低压成因机制缺乏时间域的印证等。