异常压力类型及成因机制

曹文渊

(西北大学 地质学系，陕西 西安 710069)

1 异常压力研究现状

流体动力学一直是盆地流体地质学的核心研究内容［1］。据J.M Hunt不完全统计，在全球沉积盆地中约有180个存在异常高压，其中约有160个沉积盆地的油气分步受控于超压，并且在个别地区会有低压异常［2］。异常压力的存在往往是油气等流体的运移性明显的一重要因素。虽然在一些盆地内未发现明显的超压现象，但不代表在该盆地演化史上没有出现过异常压力现象［3］。在改造强烈的盆地中，油气的运移方向与异常压力在历史上发生多次改变和调整相关，因而油气的成藏和赋存有其独特规律。为此，在流体动力的研究过程中异常流体压力成因的研究变得至关重要。

2 异常压力的成因机制

2.1 有效应力增加引起的超压

地层沉积演变过程中，颗粒间的孔隙相当于封闭或半封闭的空间，孔隙流体由于上覆地层加重或侧向压力增加，但排出受阻而保持了一个相对较大的孔隙空间，此时超压的形成机理主要来自于孔隙外部力的施加。

2.1.1 沉积型超压

当沉积物处于正常压实状态时，一般泥岩层边部孔隙水快速排出，导致孔隙度快速下降，使中部流体排除受阻而是孔隙度保留，使孔隙流体承担了部分骨架颗粒所应承担的有效应力，而此时孔隙流体具有高于其相应深度静水压力的压力。针对这类超压，绘制泥岩压实曲线可以间接的体现出欠压实作用与超压形成的关系。由于测井声波时差其本身除了对孔隙度的响应之外，往往存在诸多因素的影响，如井径，裂缝发育，孔隙流体本身属性等。因此通过综合压实曲线对比法来解决这一问题，地层泥岩含量确定同一岩性段，从声波时差、电阻率、密度、补偿中子等多方向进行综合对比，观察多条曲线的变化规律是否一致，相互印证，从而准确的反映欠压实作用与超压形成的关系(图1)。

图1 综合压实曲线［4］

2.1.2 构造挤压型超压

构造挤压产生超压的机制与压实作用大体一致，但是主应力方向发生变化，由纵向上的挤压转变为横向上的挤压。如今越来越多的沉积盆地勘探表明，异常高孔隙压力通常与水平应力增加有关，特别是在前陆盆地中尤为普遍，构造应力甚至可作为超压主要来源并大于沉积型超压的贡献。

2.2 流体体积增大引起的超压

孔隙增大而引起的超压是由于地下空隙内部流体的物理化学反应，烃源岩热生烃转化、包括黏土矿物脱水流体压力传递，其中水压头增压与浮力增压都属于一种流体压力的传递，最终导致孔隙体积趋于增加，流体便分担了部分骨架有效应力。

2.2.1 生烃作用

引起地层孔隙体积增大而引起的增压作用中生烃作用最为常见并且认为其贡献最高。有机质热演化生油气时，孔隙流体会显著增加，当排烃不畅时会导致孔隙流体超压［5］。前人研究表明固态干酪根转化为油及残余物副产品时，会伴有近似25%体积的膨胀，在相对封闭情况下足以产生超压。同时，生烃增压有稳定的压力来源，这也是其作为超压主要成因的重要依据。除受地层封闭程度与埋深的影响外，烃源岩有机质丰度、类型等同样有至关重要的作用。

2.2.2 黏土矿物脱水

蒙脱石的晶体结构中存在丰富的层间水，当它从层间被解析出来释放到孔隙中时，就会使流体体积増加，岩石密度减小而导致超压的形成。早期的研究大多关注的是蒙脱石向伊利石转化过程中水的释放，认为蒙脱石伊利石化对超压形成的贡献来自孔隙体积的减小和流体体积的增加。然而，目前多数研究认为蒙脱石脱水作用所引起的体积增大很小，但会极大程度的降低渗透率。阻碍孔隙流体排除对孔隙压力的保存有积极作用。

2.2.3 流体压力传递

孔隙异常压力的存在基于孔隙空间对流体的封锁，但地下完全封闭的空间是不存在的，压力的释放归咎于流体的运移。例如渗透地层中的异常高压一般来自于与其邻近异常高压泥质岩层的压力传递。渗透性地层内因有较好水动力，其传导能力使得内部不同部位原本差异较大的超压快速调整，最终在该地层内达到平衡，具相同的过剩压力［1，6］。连通性断层也会作为一种通道，连接超压层段与静水压力层段，使流体由高势区向低势区转移，造成原本保持正常压力环境的区域显示出超压特性。

2.2.4 水压头增压

水压头增压作用在于一定结构地层中，比如一些地区经常见到的自流井水的上涌实际就是水压头作用在下部地层中产生超压的结果。罗晓容等将此类超压机制称为高流体势承压。地下的渗透性地层以各种方式与地表水源连通，由于这些水源的水位高于盆地内观测点，因而形成水压头差异导致超压。

2.2.5 浮力增压

浮力增压作为一种的自源高压，指由于渗透性地层流体本身属性差异与物理，化学作用而在地层中形成的异常流体压力机制。这类压力成因机为油或气藏、气泡与水密度差较大，因而在渗透性地层中向上浮升、原油裂解生气、溶水气的解溶等。简单来说浮力增压就是由于两相或者多项流体共存时，相对低密度的流体会自发受到浮力的作用向上浮动。例如封闭的流体柱底部的气泡，因浮力而上升的过程中，流体柱底部的压力会随气泡的移动传递到气泡最终的位置。

在油气成藏过程中，由于石油、天然气与水之间因密度上的差异，当有油气聚集在处于静水压力状态的圈闭中，在油气柱中的任一点的油气不仅要承受孔隙水在该点产生的静水压力之外，而且还承受该点以下油气柱在水中所产生的浮力。

3 结论

(1)现将超压分为两种成因机制下的7种成因类型:1)有效应力增加机制:包括压实不均衡，侧向构造增压;2)孔隙体积增大引起的超压机制:包括生烃增压、黏土矿物转化、流体压力传递、水压头增压与浮力增压。

(2)效应力增加引起的超压包括纵向上沉积型超压与水平方向上由构造挤压引型超压，其在构成超压的本质机理是相同的。欠压实作用在大多数盆地中都或多或少的发育。构造挤压型超压可以看做是横向上发生的欠压实作用，在前陆盆地普遍存在。

(3)在异常压力研究早期生烃增压已经得到普遍认同。同时认为蒙脱石向伊利石转化所引起的流体体积变化并非流体压力增加的主要原因，其转化过程中渗透率的减少对孔隙流体的保存做出了积极地贡献。超压传递是流体流动的结果，其对异常压力的分配起到至关重要的作用。

(4)高的流体势承压与浮力同样在地下广泛存在。由于油、气、水因密度上的差异，在油气柱中的任一点的油气除了要承受孔隙水在该点产生的静水压力之外，还要承受该点以下油气柱在水中所产生的浮力。