（地球探测与信息技术专业论文）川西地区流体压力演化及与油气成藏的关系.pdf

摘要 5 0 余年的勘探实践证实，川西地区存在大面积、高幅度的异常流体压力。流体压力的分布与 油气藏有着密切的关系。在此背景下，对形成流体压力的主控因素和流体压力与油气藏之间关系 的研究就格外重要。这一研究不仅仅限于现今流体压力的成因及其与油气藏的关系，更具重要意 义的是：地质历史时期中，流体压力的形成、分布规律以及上述规律对油气成藏过程的影响和控 制作用。 本文以现今压力分布规律为基础，利用压实研究、包裹体测压为约束，使用盆地模拟技术恢 复了川西地区上三叠统流体压力的演化历程。着重分析了流体压力演化与生烃、疏导体及流体封 盖等成藏要素之间的时、空关系。建立了川西地区三种典型的成藏模式。 研究过程中获得以下主要认识： 现今，川西地区自蓬莱镇组至须家河组均可见异常流体压力，压力系数1 o 一2 2 ，可被分为 常压段、高压段和超高压段( 仅存在于川西北部) 三段；须家河组超压中心位于梓潼凹陷，压力 系数可达22 。 古近纪以前，川i 西地区超压主要由地层欠压实作用引起，烃类物质的生成也起到了积极作用。 新近纪至今，构造挤压作用使上三叠统流体压力再次升高。即，超压的演化经历了沉积型超压阶 段( j 2 - - e ) 和构造型超压阶段( n 以来) 两个主要阶段。沉积型超压的形成、演化过程中，川西 北部的流体压力在j 3 p 沉积末一k - 末发展到鼎盛阶段，之后调整消退；而川西南部，流体压力出 现j 3 p 沉积末一k l 末、k 2 末一e 二次鼎盛期。受沉积性质控制，沉积型流体压力中心长期位于j l i 西南部地区，向川西北、j i 中地区递减：而受构造活动强度影响，构造型流体压力以川西北的梓 潼坳陷地区最强，向川西南、川中地区减弱。两种类型的流体压力均在断裂和裂缝发育区得以释 放，降为低值。 川西地区流体压力与油气成藏的关系非常密切。作为流体从烃源岩内排出的动力，流体压力 相当充足：得到有效释放的压力体系有利于获得有效的成藏动力：流体压力演化与疏导体系发育 配合较好；异常压力层亦可作为压力封盖，阻止下伏天然气藏的散失。通过综合研究，建立了低 幅超压近源油气藏、低幅超压多级油气藏、盆内坳陷超高压近源油气藏三种典型成藏模式。 关键词：流体压力；演化：成藏：沉积型超压；构造型超压；川西地区 t h e d e v e l o p m e n t o ff l u i dp r e s s u r ea n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n p r e s s u r e d e v e l o p m e n t a n dp o o lf o r m i n gp r o c e s si nw e s t e r ns i c h u a nb a s i n a b s t r a e t t h e r ei sb r o a da n dh i g ha b n o r m a lf l u i dp r e s s u r ei nw e s t e r ns i c h u a nb a s i n i ti si n d i s p e n s a b l et h a t t h ei n v e s t i g a t i o no f m a i n l yc a u s e so f a b n o r m a lp r e s s u r ea n dr e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e s s u r ed e v e l o p m e n t a n d p o o lf o r m i n gp r o c e s s i ti se s s e n t i a lt or e s e a r c ht h a th o w t h ep r e s s u r ec a r r i ei n t ob e i n ga n dw h a td i d i ti n f l u e n c eo nt h ep o o li nt h ep e r i o do fg e e - h i s t o r y , n o tj u s to n l yt h es t u d yo fc a u s ea n dt h e i rr e l a t i o n n o w a d a y s o nt h eb a s i so fm e a s u r ed a t ai nt h ef o r m a t i o no fs i c h u a nb a s i n , t h ed e v e l o p m e n to fp r e s s u r ei s r e s t o r e db ym e a n so fb a s i ns i m u l a t i o n ，w i t ht h es c a l eo nt h es t u d yo fc o m p a c t i o na n dc a l c u l a t i o no f e n g e n d e rp r e s s u r eo ff l u i di n c l u s i o n i ti s b e e na n a l y z e dt h a tt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ed e v e l o p m e n to f f l u i dp r e s s u r ea n db a s i ce l e m e n t so fr e s e r v o i r s ，s u c ha sh i s t o r yo fh y d r o c a r b o n - p r o d u c t i o n ，g e n e r a t i o n a n dd i s t r i b u t i o no f f a u l ta n df r a c t u r ea n ds oo n f i n a l l y , t h r e et y p eo f r e s e r v o i r sm o d e l a r ee s t a b l i s h e d t h em a i nc o n c l u s i o n sb e l o wc a nb ed r a w n ， n o w a d a y s ，t h ec e n t e ro ff l u i dp r e s s u r ei n w e s t e r ns i c h u a nb a s i ni sl o c a t e dt h ed e p r e s s i o no f z i t o n g i nw h e r et h ec o e f f i c i e n t o fp r e s s u r ei sa b o v e2 2 a b o v et h ex u - j i a - h ef o r m a t i o n ( u p p e r t r i a s s i c ) ，t h e s e c t i o no fp r e s s u r ec o u l db ed i v e di n t ot h r e ep o r t i o n s ，w h i c ha r en a m e da f t e rn o r m a l p r e s s u r ep o r t i o n ，h i g hp r e s s u r ep o r t i o na n ds u p e r - h i g hp r e s s u r ep o r t i o n t h er a n g eo f c o e f f i c i e n to f p r e s s u r ei sf r o m1 0t o2 2i nt h e s e c t i o n ， t h e r ei sq u i t ed i f f e r e n c em a t t e r , w h i c hh a v em a d et h ea b n o r m a lf l u i d p r e s s u r e ，i nd i f f e r e n tr e g i o n a n de r a t h ed i s e q u i l i b r i u mc o m p a c t i o na n dt h eg e n e r a t i o no fh y d r o c a r b o na r et h em a i n l yr e a s o n st h a t h a v e c a u s e dt h eo v e r p r e s s u r eb e f o r ep a l e o g e n ep e r i o d f r o mn e o g e n et on o w a d a y s ，t h et e c t o n i c c o m p r e s s i o n b e c o m e s c h i e f l y m a t t e rt h a tc a u s e dt h e f l u i d p r e s s u r e a c c u m u l a t i o n a g a i n s o t h e d e v e l o p m e n to fa b n o r m a lp r e s s u r ei nw e s t e r ns i c h u a nb a s i nc a m et h r o u g ht w oe p o c h s ，n a m e l yt h e e p o c ho f d e p o s i to v e r p r e s s u r e ( j 2 - - e ) a n d t h ee p o c ho f t e c t o n i co v e r p r e s s u r e ( n r ) f r o m j 3 pt ok l ，t h ed e p o s i to v e r p r e s s u r ei st h em o s tp r o s p e r o u si nn o r t h w e s t e r ns i c h u a n b a s i n i n d i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e ，i te x i s tt w op e a k s ，d u r i n gt h ed e v e l o p m e n t o fd e p o s i to v e r p r e s s u r e i n s o u t h w e s t e r nr e g i o nt h ee a r l yo n ei sf r o mj 3 pt ok i ，t h el a t e r i sf r o mk 2t oe a n dt h e n ，t h ef l u i d p r e s s u r e w a sb e c o m i n gd i m i n i s h i n g c o n t r o l l e db ys e d i m e n t , t h ec e n t e ro fd e p o s i to v e r p r e s s u r e i s c h i e n vl o c a t e dt h es o u t h w e s t e r ns i c h u a nb a s i n ，a n d t h et e c t o n i eo v e r p r e s s u r e s l o c a t e di nt h e d e p r e s s i o no f z i t o n g i n n o r t h w e s t e r n o n t h e p o s i t i o n o f f a n l t sa n d f r a c t u r e s ，f l u i d p r e s s u r e f e n d o w n t o t h eh y d r o s t a t i cp r e s s u r en e a r l y t h e r ei sc l o s i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e no v e r p r e s s u r ea n dp o o lf o r m i n gp r o c e s s a st h em a i n l yd r i v e r e f l e e to fn u i dm o v e m e n t ，o v e r p r e s s u r ep r o v i d ee n o u 曲d y n a m i c a ld u r i n gt h ec o u r s eo fp o o lf o r m i n g t h eo v e r d r e s s u r eo f f e r e dt h ee f f e c t i v ed y n a m i c a lt om o v e m e n t t ot h eo i la n dg a sw h e ni t i sl e a k e d - s o t h er e l a t i o nb e t w e e no v e r p r e s s u r ea n dt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mo fh y d r o c a r b o n ，s u c ha sf a u l ta n d f r a c t u r e ， w a sa f f i n i t yd u r i n gt h ep r o c e s so fm i g r a t i o no fo i la n dg a s t h eh y d r o c a r b o nb e l o w t h eo v e r p r e s s a r e f o r m a t i o na l s oc o u l db es e a l e db yf l u i dp r e s s u r e i n t e g r a t i o nt h ed e v e l o p m e n to ff l u i dp r e s s u r ea n d c h a r a c t e r i s t i co fb a s i ce l e m e n t so fr e s e r v o i r s ，t h r e et y p i c a lm o d e lo fr e s e r v o i ra r ee s t a b l i s h e d ，i e h i g h p r e s s u r ea n d n e a rs o u r c er o c kr e s e r v o i r h i g hp r e s s u r ea n dm u l t i l a y e rr e s e r v o i ra n ds u p e r - h i g hp r e s s u r e a n dn e a rs o u r c er o c kr e s e r v o i r s u nm i n g l i a n g ( e a r t hs u r v e ya n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yw a n g z h e n l i a n g k e yw o r d s ：o v e r p r e s s u r e ；p r e s s u r ed e v e l o p m e n t ；p o o l f o r m i n g ；d e p o s i to v e r p r e s s u r e ； t e c t o n i co v e r p r e s s u r e ；w e s t e r ns i c h u a nb a s i n 前言 l 、选题依据 随着油气勘探工作的不断发展，越来越多的异常流体压力现象在世界各地为人们所发现。2 0 世纪中期出于油气勘探和钻井安全的角度，人们开始重视异常流体压力的形成、演化及分布特点。 a a p g ( 1 9 9 8 ) 公布的统计结果显示，全世界有1 5 0 个以上的沉积盆地存在异常流体压力，约 占世界沉积盆地总数的三分之二。北海盆地、墨西哥湾岸盆地、尼日尔三角洲等许多油气资源丰富 的盆地中均有异常流体压力发现。由此可见，异常流体压力不仅是沉积盆地中一种普遍的地质现象。 而且与油气分布有着密切的关系。因此，石油地质和勘探工作者不断探求异常流体压力形成机制、 演化过程和分布规律与油气分布、成藏之间的关系。 本论文选择的川西地区存在明显的异常流体压力现象。钻井已证实梓潼凹陷上三叠统压力系数 最高可达2 2 、而孝泉一新场地区也在2 0 以上。关于压力的成因，前人认为主要有生烃作用、粘 土矿物转化作用、水热增压作用，天然气的生成作用曾被认为是第一要素。至于异常高压与天然气 成藏的关系，目前研究尚不深入。“八五”科技攻关时曾指出，中、低幅度的异常高压有助于天然 气的成藏，但最近几年在超高压、常压地层中都有气流发现。 在此背景下，选取了川西地区为研究区域。研究中着力分析异常流体压力形成的主控因素，通 过多种方法联合追索异常流体压力的演化过程，最终剖析流体压力与油气成藏的关系。 2 、异常压力研究背景 在异常流体压力研究过程中，有效应力定律的发现最具理论意义。h u b b e r t 和r u b e y ( 1 9 5 9 ) 将t e r z a g h i 和p e c k ( 1 9 4 8 ) 的土壤固结试验模型应用于地下岩层。该模型认为，施加于某一深度 岩层上的上覆总负荷s 在理论上可分解成两部分，由岩石颗粒承担的有效应力6 与由孔隙内流体承 担的流体压力p f ，即： s = 6 + p ， 其中，6 促使岩石颗粒更紧密排列，p f l j 使流体从孔隙中排出。g r e t e n e r 曾高度评价了这一公式的 重要意义，认为它对石油地质学的意义不亚于扳块构造对整个地质学的冲击。 孔隙度的大小与作用于岩石固体颗粒上的有效应力直接相关。当流体压力p 褊大，即出现了异 常高压时，作用于岩石颗粒的有效应力6 相应减小。地层表现为高孔隙度、低密度等特点，这就是 欠压实现象。可见，在研究岩石和流体受力状态时，上述有效应力公式发挥了巨大作用。 关于异常压力的成因，前人曾经提出过以下一些机制：( 1 ) 压实与排水的不平衡作用；( 2 ) 水 热增压效应：( 3 ) 粘土矿物转化( 如蒙脱石一伊蒙混层一伊利石) 脱水：( 4 ) 承压条件；( 5 ) 烃 类的聚集；( 6 ) 渗析作用；( 7 ) 古压力；( 8 ) 胶结作用；( 9 ) 构造作用；( 1 0 ) 烃类( 特别是天然 气) 的生成：( 1 1 ) 深部流体通过断层向浅部的注入作用等。 不同性质地层中异常压力的分布规律不同，在砂、泥岩系列中，周孕育和维持超压的能力不同， 视纵、横向水力疏导能力的差异，泥岩中的超压幅度通常高于相邻的砂岩层这种分布样式为初次 运移提供了有效的动力来源，但在某些特别条件下，可能会出现相反的情况，这需要具体分析。 渗透性地层中。深凹陷部位的异常幅度通常高于凹陷边缘或隆起斜坡部位，这种分布样式十分 有利于流体( 包括油气) 由凹陷中心向凹陷边缘运移，并寻求适当圈闭聚集成藏。 可见，流体压力成因复杂，且与流体分布的关系相当密切。 关于异常压力的空间分布模式，人们曾经用水动力体系、压力封存箱、压力封隔体等概念来描 述，并形成了在不同概念下油气的运移、聚集模式。在此基础上，阐述异常压力与油气成藏的关系。 对异常压力与油气成藏的关系研究发现，异常压力不但是油气运移的一种重要动力，而且还可 以为初次运移创造通道微裂缝；异常压力层段还是一种十分有效的封盏，这对天然气藏的保存 尤其重要：实验研究证明异常高压可以抑制有机质降解生烃过程，这为油气的深层成藏提供了条件 等等。 综合近期对异常压力的研究发现， 现今监测到的异常流体压力往往具有比较复杂的成因，并非单一因素所致，但通常情况下某 一时期内存在一个主控因素。 异常流体压力的发展是一个动态过程，视增压机制的作用强度和地层封闭性能的有效性不 同，异常流体压力存在一个生成一发展一消亡历程，这一过程通常可跨越数个甚至数十个m a 。 由于流体压力发育的历史性，现今流体压力分布与古压力分布可能存在一定的联系，也可能 迥异，特别是对于中国中西部后期改造作用非常强烈的叠台盆地而言，更应如此。 异常流体压力与油气成藏之间存在千丝万缕的联系。异常流体压力在烃类物质生成、油气的 疏导、储集空间的保护及油气藏的保存等方面都发挥着重要作用。 由此可见，异常流体压力的演化及油气在异常流体压力作用下的成藏方式是极其复杂的，不宜 简单套用已有的成藏模式，须针对具体地区、客观地质条件建立相应的演化模型，总结适宜的成藏 模式。 3 、研究思路和技术路线 确定泥岩li 计算 ii 包裹体 ii 激光拉曼|l声炭射ii 构连座力 压实规律li 流体压力ii 冷热台删温ll 粗分测定li 应力测量li = i 番分析 嚣鸯：鬻5 紫l1 包裹体形成压力il 构造应力一流体压力关系 建立模型 连取参数 数值模拟卜_ 剖流体压力演化史卜一实测砂岩压力 成岩、成孔史il 埋藏史生烃史i1 断层、裂缝发 油气成藏规律 图1) b l 砸i 地区流体压力演化厦其与油气成藏关系研究思路框图( 王震亮婷，2 0 0 3 ) 异常流体压力作为一种较为普遍的地质现象，它的形成、发展、衰亡随着时间( 地质历史) 而 变化。据此，确定本论文的思路是在对现今压力进行分析的基础上，综合利用各种手段，恢复异常 压力的演化历史，重点分析超压背景下的天然气成藏规律。 研究中采用的具体技术路线为( 图1 ) ：在压力演化史的恢复中，以现今实测压力、最大埋深 时期的古压力、包裹体的形成压力等参数为约束，通过建立合适的数学模型，选择适合本地区的模 拟参数，模拟恢复不同时期的流体压力，总结沉积型超压的演化特点，再结合喜山期构造型超压的 分布，归纳流体压力的演化阶段及其特点。结合本地区实际，从异常压力与生烃历史、运移方式、 断层、裂缝形成等方面，分析异常压力与天然气成藏的关系，最终通过典型气藏和含气地区的解剖 建立异常流体压力背景下天然气的典型成藏模式。 4 、主要工作量 在完成论文的选题以及相关文献调研工作后。自2 0 0 2 年底起便开始了论文相关地质资料和数 据的收集和整理工作。曾赴成都月余，在项目组成员张立宽、施立志、管红、王晓梅等的共同努力 下，顺利完成了资料收集工作。至2 0 0 4 年初的一年半时间里。在导师的指导下完成论文相关内容 的研究工作，主要包括下述内容： ( 1 ) 收集、整理并消化前人资料共计1 5 0 余份( 其中内部资料4 3 份) ； ( 2 ) 读取声波、电阻率等测井资料4 8 口井，统计岩性资料5 0 余v i 井，收集实测压力8 3 口井、 1 1 6 个数据，物性分析资料3 2 口井、3 4 3 0 组数据； ( 3 ) 外送检测8 个砂岩包裹体样品，通过显微镜鉴定、冷热台测温和激光拉曼组分分析，获 取包裹体的形成温度和形成压力； ( 4 ) 建立切合研究区地层发展的地质模型； ( 5 ) 组织区内数值模拟使用井点的分层、岩性、剥蚀厚度等数据体。如对7 61 3 钻井和人工井 进行了统一的层位整理，恢复了各层的剥蚀厚度和原始沉积厚度； ( 6 ) 收集、整理研究区流体压力演化数值模拟所需的基本物理参数。如，地下密度、地温、 地热、地表岩石物性等： ( 7 ) 进行了2 个多月的室内数值模拟工作，折合5 0 0 个机时； ( 8 ) 用3 个多月时间进行了分析和总结工作，折合工作日1 0 0 多个； ( 9 ) 完成中间图件、成果图件2 0 0 余幅。 本论文来源于中国石油总公司西南油气田公司委托西北大学完成的川西地区须家河组异常高 压的分布、成因及与天然气成藏的关系课题( 王震亮等，2 0 0 2 - 2 0 0 3 ) 完成过程中使用了该报 告的部分研究成果和测试数据。 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得酉j 竖太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：扣、闻瑰签名日期：如矽簪年名月孕日 第一章流体压力形成机理及其与油气成藏的关系 流体压力是地下流体的一种重要的物理状态流体压力的分布，特别是地质历史时期中的分布样式将直接影 响流体( 油、气和水) 的空间分布。制约油气成藏的过程；同时异常流体压力还关系到钻井工程的安全，因此，对 于流体压力形成机理以反形成演亿对油气成葳过程的影响一直受到人们的关注 第一节流体压力的基本概念及分类 一、流体压力的概念 1 8 世纪末，人们在钻井过程中首次发现地层中存在异常于对应深度静水压力的流体压力。之 后，随着石油勘探工作的进程，人们逐渐认识到异常流体压力是沉积盆地中一种及其普遍的地质现 象。对于流体压力成因机制和综合预测的系统研究则始于2 0 世纪中叶。 流体压力( f l u i dp r e s s u r e ) ，又称地层压力( f o r m a t i o np r e s s u r e ) ：指地层孔隙中流体的压力。 地层压力的标准单位为p a 。地质研究中通常使用m p a 。 静水压力( h y d r o s t a t i cp r e s s u r e ) ：指地层流体与地表水系连通状态下的地层压力。 异常地层压力( a b n o r m a lp r e s s u r e ) ：指高于( 或低于) 对应深度静水压力的地层压力状态。 高于静水压力时被称为高压、超压或异常高压( o v e r p r a s s u r e ) ；低于静水压力时则称低压 ( u n d e r p r e s s u r e ) 。习惯上，异常地层压力特指异常高压。 二、流体压力的分类 在人们研究过程中，按不同的研究目的对异常地层压力进行了分类，如西方的e x x o n 公司，斯 伦贝谢公司，西方a t l a s 公司等。通常的分类依据为地层压力系数、钻井工程的安全程度等因素。 一般将地层压力分为低压、常压、高压和超高压几类。视适用条件、分类依据的差异，各种分类方 案划定的界限有所不同。 我国的研究人员也对异常流体压力进行了分类工作。通常是按照地层压力偏离静水压力的相对 幅度，使用压力系数界定的分类方案( 表1 1 ) ，该方案被我国石油地质界普遍使用。 衰1 1 地层压力的分类( 据：牡榴，1 9 9 ) 压力系数压力类型 15超高压 除此之外，过剩压力( 流体压力与静水压力的差值) 也是流体压力研究中广泛使用的概念之一。 第二节沉积盆地异常流体压力形成机制概述 异常压力产生的原因长期以来就是争论的焦点。归纳起来，基本的机制有以下三点：由于外 部应力的作用导致地层孔隙空间的减小；由于热力，成岩作用导致地层中流体密度的改交；由 于流体运动导致密度、水头变化形成的异常地层压力( o s b o r n e 和s w a r b r i c k ，1 9 9 7 1 。除上述三类 增压机制外，有效的封闭条件也是制约异常压力形成、发展的关键因素。 引起上述三种机制的地质作用有：沉积物的欠压实作用、构造应力、水热增压、粘土矿物脱水、 烃类物质生成、构造抬升等。在盆地发展的不同阶段，不尽相同的机制会导致地层压力的变化；不 同性质的岩石中，各种增压机制的作用效果也各有不同。以下对各地质作用进行简要叙述。 一、沉积物的欠压实作用 研究普遍认为，沉积物( 特别是泥岩层) 中发生的欠压实作用是导致地层大规模异常流体压力 的主要原因( m a g a r a ，1 9 7 8 ：c o r b e t ，1 9 9 2 ；l u o 和、瓠s e l i r ，1 9 9 2 ：1 9 9 5 等) ， 欠压实作用导致超压的机理是，厚层泥岩沉积后，随上覆负荷的不断加载，骨架颗粒受到的有 效应力逐渐增加，孔隙度相应减小，孔隙空间中的流体同时被排出。由于岩层边部的水总是首先被 排出，所以压实作用在岩层边部进行的要快于岩层内部，这就导致在压实作用进行一段时间后，岩 层边部的有效渗透率小于内部。当压实作用继续进行时，边部较小的渗透率就会阻碍内部流体向外 排出。此时，岩层内部出现流体滞留现象从而阻碍了内部岩层的迸一步压实。根据有效应力原理， “过剩的”地层水将承担一部分的上覆负荷，这就导致了流体压力增高的结果。 可见，不均衡的压实和排水速率是欠压实产生流体压力的关键。压实速率( 受沉积速率控制) 一旦高于对应的排水速率( 受渗透率控制) ，地层中就容易产生超压。除此之外，岩石性质也是影 响异常流体压力的重要因素。尽管，泥岩和砂岩具有相同的压实规律( 随有效应力的增大，孔隙度 按指数关系减小) ，但泥岩变化速率大于砂岩，这就导致在相同负荷加载速率下，泥质岩地层更容 易产生异常流体压力。通常，沉积速率越快，泥质岩层厚度越大，保持上述平衡所需的渗透率也要 求越大。因此，在巨厚泥岩层中，流体不易排出的中部常保持较大压力而向上、下两个边部地层 压力逐渐降低，直到接近相邻输导层的孔隙压力。可见，由欠压实作用形成异常地层压力需具备以 下两个条件： 剖面上存在厚度巨大的泥质岩层； 快速的上覆沉积物加载( 高沉积速率) ； 可以看出，外部应力导致孔隙空间的减小是欠压实作用产生流体压力的根本机制。在地层沉积 过程中，欠压实增压机制的条件均可能得以满足。所以，只要具备定的地层条件，欠压实作用就 可能在整个沉积过程中导致流体压力的增长，成为大面积异常流体压力的主导因素。 二、烃类物质的生成 据物质平衡原理，低密度物质的生成会导致体系体积的膨胀。一旦体系的体积保持不变体系 压力就会相应升高。地层达到生烃门限后( 温度达到7 0 z ：，生油母质值大于0 6 ，或生气母 质r o 大于0 7 ) ，沉积物中的有机质将会大量生成烃类物质。与生烃母质相比，生成的烃类物质 密度较小，故生成过程中必然伴随流体体积的变化。这种变化( 特别是气态烃类的生成) 被视为形 成异常地层压力的重要原因之( s p e n c e r ，1 9 8 7 | ：p r i c e 1 9 9 2 zm e l l o ，1 9 9 6 等) a 一2 一 h u n t ( 1 9 9 0 ) 指出，埋深大于3 0 0 0 m 的烃源岩中形成异常地层压力的基本因素有两个：一是 烃类生成，尤其是低分子烃类生成所造成的体积膨胀；二是生成物质和水混合在一起，单相流动变 为多相流动，从而降低了流体的有效渗透率，导致孔隙流体流动能力的减弱，排出速率的降低。 由此可见，大量烃类物质生成的时期，烃源岩内物质相态的变化将会导致地层压力的增高。此 时，生烃作用成为异常流体压力形成的一种重要机理。 除烃源岩内的相态变化导致地层压力升高外，原油裂解作用也会引起砂岩层中流体压力的变 化。早期形成的液态烃类在合适的圈闭( 砂岩) 中得以聚集。在温度、催化剂或者细菌的作用下， 液态烃类可分解为更低密度的气态烃类物质，砂岩储层中残存的焦沥青就是原油裂解的直接证据。 这过程中体积也可增加2 3 倍( b a r k e r ，1 9 9 0 ) 。这种流体体积的膨胀被视为封闭性较好的渗透 性地层中流体压力增加的重要机制。 事实上，烃类物质生成和欠压实作用所引起的压力变化是密不可分的( l a w 和d i c k i s o n ，1 9 8 5 ) 。 沉积岩在压实、烃类的生成及驱替、演化过程中相互作用，异常压力的演化往往经历以下过程： 沉积早期阶段 沉积物埋藏的早期阶段，机械压实作用导致地层孔隙度、渗透率正常递减，压实与排水处于均 衡状态下，封闭体系也未形成。此阶段地下温度小于9 0 1 2 ，仅有少量生物成因气生成。总体，地 层处于静水压力状态。 流体压力形成阶段 随着压实作用的进行，地层的孔隙度和渗透率加速递减。相对“致密”的岩层边部开始阻碍流 体的流动，形成封闭流体的低渗层，岩层内部出现流体滞留现象，流体压力升高。欠压实在增压的 同时还提供了封闭的地层环境。同期，在温度、水等介质环境的影响下，富含有机质的泥岩和煤层 中有大量的烃类物质生成。当地层水中饱和原油和天然气后，烃类物质析出并发生体积膨胀，以游 离相在烃源岩内富集。这时，欠压实形成的封闭体系限制了体积的扩张，体系压力进一步升高。 这一阶段中，欠压实和烃类物质膨胀将导致流体压力大幅升高，成为流体压力发育的高峰期。 流体压力破坏阶段 由于热流值改变、构造抬升或剥蚀卸载等地质作用发生，地层温度下降、天然气生成能力降低。 欠压实和烃类物质生成引起的压力增量不足以弥补流体散失所引起的压力降低，维系超压的动态平 衡被打破。在这种条件下，流体压力下降到静永压力水平，甚至更低。 从以上动态过程的分析来看，在快速沉降、高速堆积形成地含油气盆地中，烃源岩和与之毗邻 的储集层( 特别是以互层形式出现的生储组合) 里，异常流体压力的产生是欠压实作用和生烃作用 相互影响、相互制约地结果。 三、构造应力作用 与压实作用增压机制相似，构造应力也是首先导致孔隙空间的减小。进而引发流体压力的升高。 构造活动强烈的地区，特别是前陆盆地的山前部分( 如库车坳陷，川西北地区) ，巨大的构造 挤压力作用于岩体上，其表现形式有两种：以岩体的破裂强度为界，超过破裂极限时岩石( 体) 发 生刚性破裂和位移，形成褶皱、断裂、断层或裂缝系统等明显的构造现象：丽未达到岩石破裂强度 时，则岩石发生塑性的变形，岩石体积减小( 这种变形主要表现为孔隙体积的减小) ，应力转移加 载于流体上，产生异常流体压力。 可见，构造应力作用不仅本生不存在营造封闭体系的能力，而且对封闭体系存在相当的破坏。 一3 一 因此，该机制导致流体压力增高的条件更为苛刻。一方面，要具备相当的构造应力强度才能使流体 压力增高；另一方面。过高的构造应力会使封闭体系破裂流体压力散失。 综合分析认为，由构造应力引起的异常流体压力仅会在构造活动前锋带的稳定构造单元中出 现。丽在构造变形、变位强烈、岩石破裂严重的构造搀心部位，应力容易释放；盆地腹地内叉往往 出现构造应力的衰减应力强度难以达到增压效果，这两种情况下，构造应力都很难成为异常高压 的主要原因。 四、水热增压作用 据热力学方程可知，在定容体系内，温度升高会导致压力增长。由于孔隙流体的膨胀系数远远 大于岩石骨架颗粒，温度的升高将促使地层流体发生热膨胀，诱发流体的热对流。当流体热运动受 到封闭层隔挡雨无法正常进行对，孔隙流体压力必然升高。因此。从理论上游，臆着深度增加。她 温的升高会引起孔隙流体压力的增长。 但东热增压机理仅是理论上的设想。由于永热增压形成的体积膨胀量很小，例如：淡水从5 4 4 加热到9 3 3 c 时，水体积增加量仅为1 6 5 ，这样小的体积增加很快会被流体的流动所释放，即 使在那些渗透率很低的封闭岩石中也会如此( d a i r i e s ，1 9 8 2 ) ，况且水热增压要求有个“完全” 封闭的条件，而这种封闭几乎无法从实际地质体中找到。一旦升温过程停止微渗透作用会很诀将 水热作用产生的超压泄漏、散失。数值模拟( l u o 和v a s s e u r ，1 9 9 2 ：1 9 9 5 1 和岩石实验都证明 相对于欠压实作用和生烃作用来说，由水熟增压作用引起鹊异常流体压力在她厦历史对期中完全是 可以忽略的。 五、粘土矿物脱水作用 粘土矿物纵向分布规律证实了粘士矿物脱水可造成异常地层压力，这一现象在世界范围内的不 同盆地已被观捌到。在栈层低温条件下，粘土矿物主要以蒙脱石为主，向深处出现蒙蜕石和伊利石 的混层带，伊利石含量随深度的增加不断增加，在一定深度，伊利石占主导地位( p o w e r s 1 9 6 7 ； b u r s t ，1 9 6 9 ) 。通常混层带对应了异常压力层段。 成岩过程中，粘土矿物可从以下三个方面引起孔隙流体压力的增加( 杜栩，1 9 9 5 ) ，堵塞孔 隙喉道，增加泥质岩的 渗透性；脱出层闻水( 脱出的水体积可达原始孔腺体积的1 5 ) ：脱 出的层间水具较高密度( 最高可达1 4 9 e r a 2 ) 。 尽管糙土矿物脱水作用对异常地层压力的形成具有一定的贡献，但因其自身机理尚不完善，如 排水过程中离子交换地自抑制作用，即排水过程产生的大量阳离子( k + 、a l ”等) ，若无法及时排 出。则会抑带粘土矿物层间水的脱附作用。诸如此类因素的存在，使粘土矿物脱水作用增压机制难 以成为区域范围内( 盆地或坳陷) 地层压力形成的主要原园。 六、构造抬升作用 构造抬升作用对异常流体压力的形成有何影响尚有不同意见。有人认为构造抬升会引起地层流 体压力的升商( h u n t 1 9 9 5 1 ，也有入认为构造拾升会引起相反结果( b a r k e r ，1 9 8 7 ；l a w 和d i c k i s o n ， 1 9 8 5 ；l u o 和v a s s e t t r ，1 9 9 5 等) ，并使用这一机理解释古近纪以来，地层发生大幅抬升的地区( 库 车坳陷、川西北) 异常地层压力的形成原因。 增压观点的理论依据是，曾经深埋的、处于静水压力状态的施层，经历后期抬升作用后原有 一4 一 的地层压力水平被保持到浅处，若将原地层压力与此时的埋深相比，则压力明显偏高。但夏新宇 ( 2 0 0 0 、2 0 0 1 ) 发现，在上述认识中通常使用理想气体模型，而忽略了由于构造抬升引起的地层温 度降低和孔隙体积反弹导致得流体压力下降。在考虑温度因素后。利用真实气体模型对构造抬升引 起异常压力的大小进行理论推导和定量计算的结果显示，对于真实气体而亩，在地温梯度为2 5 1 0 0 m 、压力体系边界完全封闭的条件下，地层从1 0 0 0 0 m 抬升至4 0 0 0 m ，地层压力系数理论上可 从1 0 上升为15 左右。而实际上，地下很难发育完全封闭的压力体系，加之地层被抬升后，其温 度的降低和孔隙体积的反弹，构造抬升将倾向于产生异常低压而非异常高压。 由此可见，构造抬升并不能成为产生异常地层压力的主要原因。 七、地下流体密度差 浮力和气体上浮造成的对流( o s b o r n e 和s w a r b r i c k ，1 9 9 7 ) 均是由于地下流体( 气和水、气和 油) 在密度差异作用下形成的物理现象。上述两种作用导致的流体密度梯度变化都可以产生地层压 力的异常。但密度差异造成超压的幅度较小，且需要较高的封闭条件。因此该种机制对大规模的流 体压力异常的贡献有待斟酌。 事实上，除上述机理外，尚存多种机制导致流体压力变化，现总结如表1 2 所示， 表1 2 流体压力形成机理综合评价表 作用方式 增压机理增压时期增压长短增压部位重要性 孔隙减小流体膨胀流体流动 欠压实整个沉积期长泥、砂岩 生烃作用生烃门限内较长泥岩 原油裂解裂解气期较长泥、砂岩 构造挤压挤压期短泥、砂岩 粘土脱水浅埋藏长轱土质泥岩 石膏脱水浅埋藏短膏泥岩 矿物成岩长泥、砂岩 水热膨胀沉积期长泥岩 气体上浮短砂岩 水头串通短砂岩 渗析作用 短泥岩 构造抬升抬升期 短泥、砂岩 表中：重要；：不重要；? 不明 一5 一 综上所述，沉积盆地中形成异常压力的机制相当多，各自的作用方式也不尽相同，作用强度存 在差异，发挥效果的时期、作用的部位也有所不同。 对盆地大规模异常地层压力形成有决定作用的地质作用有两种，分别是欠压实作用和烃类生 成。特别是欠压实作用，可以在地层的整个沉积时期中，对泥岩以及封闭于泥岩中的孤立砂体发挥 效应，是现在公认最主要的超压形成机制。而构造挤压作用可在一定时期内，对在局部地区产生巨 大的增压效果，以致掩盖前期各类增压机制产生的结果。除以上三种机制外，一些原来认为重要的 增压机制作用效果并不突出，甚至在地质历史中可以忽略，如水热增压，粘土矿物转化及矿物的重 结晶作用等等。 第三节异常流体压力与油气成藏的关系 在世界范围内，随着油气勘探工作的不断进行，人们在许多具丰富油气资源的沉积盆地内部发 现异常程度很高( 压力系数大于1 8 ) 的超高压地层。如北海盆地、墨西哥湾盆地、西西伯利亚盆 地、以及我国的库车盆地、莺一琼盆地和川西盆地。这些盆地的地层压力分布往往十分复杂，为钻 井工程带来了很大困难。可见，地下流体压力的研究不但对于认识和了解与之相关的地下岩石力学 性质和构造现象( g r e t e n e r ，1 9 8 0 ) ，追索地下物质的迁移和沉积岩石的成岩过程( h u n t ，1 9 9 0 ) 有着重要意义，而且对分析石油和天然气的运移和聚集过程( m a g a r a ，1 9 7 8 ) 等具有实际意义。 研究同时发现，异常地层压力与油气生成、运移和聚集的关系复杂。过去的研究中常以现今异 常地层压力分布与油气的关系为研究核心，讨论各种压力情况下的油气分布、成藏。如流体封存箱 ( f l u i d c o m p a r t m e n t ) 理论认为，箱缘与过渡带地区是最有利的成藏部位，而箱内的超高压背景不 利于油气的运聚。但异常流体压力与油气产生、运移和分布之间的关系远非一种单一方式可以解释 的。异常压力的动态发展过程更加将其与油气成藏之间的关系复杂化。综合近期的研究发现异常地 层压力与油气成藏之间至少存在下述关系。 一、积极作用 主要表现在： l 、烃源岩中的异常地层压力既为生油岩初次排烃宦造了通道微裂缝，同时也为油气初次 运移提供动力：储层中的异常地层压力，与浮力、重力和地应力一起促使流体流动。 2 、相同的上覆负荷下，超压地层中的流体承担了比其正常情况下更多的上覆负荷，因此地层 残留原生孔隙度要比常压地层大。异常