異常壓力類型及成因機(jī)制

曹文淵

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

1 異常壓力研究現(xiàn)狀

流體動力學(xué)一直是盆地流體地質(zhì)學(xué)的核心研究內(nèi)容［1］。據(jù)J.M Hunt不完全統(tǒng)計(jì)，在全球沉積盆地中約有180個(gè)存在異常高壓，其中約有160個(gè)沉積盆地的油氣分步受控于超壓，并且在個(gè)別地區(qū)會有低壓異常［2］。異常壓力的存在往往是油氣等流體的運(yùn)移性明顯的一重要因素。雖然在一些盆地內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的超壓現(xiàn)象，但不代表在該盆地演化史上沒有出現(xiàn)過異常壓力現(xiàn)象［3］。在改造強(qiáng)烈的盆地中，油氣的運(yùn)移方向與異常壓力在歷史上發(fā)生多次改變和調(diào)整相關(guān)，因而油氣的成藏和賦存有其獨(dú)特規(guī)律。為此，在流體動力的研究過程中異常流體壓力成因的研究變得至關(guān)重要。

2 異常壓力的成因機(jī)制

2.1 有效應(yīng)力增加引起的超壓

地層沉積演變過程中，顆粒間的孔隙相當(dāng)于封閉或半封閉的空間，孔隙流體由于上覆地層加重或側(cè)向壓力增加，但排出受阻而保持了一個(gè)相對較大的孔隙空間，此時(shí)超壓的形成機(jī)理主要來自于孔隙外部力的施加。

2.1.1 沉積型超壓

當(dāng)沉積物處于正常壓實(shí)狀態(tài)時(shí)，一般泥巖層邊部孔隙水快速排出，導(dǎo)致孔隙度快速下降，使中部流體排除受阻而是孔隙度保留，使孔隙流體承擔(dān)了部分骨架顆粒所應(yīng)承擔(dān)的有效應(yīng)力，而此時(shí)孔隙流體具有高于其相應(yīng)深度靜水壓力的壓力。針對這類超壓，繪制泥巖壓實(shí)曲線可以間接的體現(xiàn)出欠壓實(shí)作用與超壓形成的關(guān)系。由于測井聲波時(shí)差其本身除了對孔隙度的響應(yīng)之外，往往存在諸多因素的影響，如井徑，裂縫發(fā)育，孔隙流體本身屬性等。因此通過綜合壓實(shí)曲線對比法來解決這一問題，地層泥巖含量確定同一巖性段，從聲波時(shí)差、電阻率、密度、補(bǔ)償中子等多方向進(jìn)行綜合對比，觀察多條曲線的變化規(guī)律是否一致，相互印證，從而準(zhǔn)確的反映欠壓實(shí)作用與超壓形成的關(guān)系(圖1)。

圖1 綜合壓實(shí)曲線［4］

2.1.2 構(gòu)造擠壓型超壓

構(gòu)造擠壓產(chǎn)生超壓的機(jī)制與壓實(shí)作用大體一致，但是主應(yīng)力方向發(fā)生變化，由縱向上的擠壓轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向上的擠壓。如今越來越多的沉積盆地勘探表明，異常高孔隙壓力通常與水平應(yīng)力增加有關(guān)，特別是在前陸盆地中尤為普遍，構(gòu)造應(yīng)力甚至可作為超壓主要來源并大于沉積型超壓的貢獻(xiàn)。

2.2 流體體積增大引起的超壓

孔隙增大而引起的超壓是由于地下空隙內(nèi)部流體的物理化學(xué)反應(yīng)，烴源巖熱生烴轉(zhuǎn)化、包括黏土礦物脫水流體壓力傳遞，其中水壓頭增壓與浮力增壓都屬于一種流體壓力的傳遞，最終導(dǎo)致孔隙體積趨于增加，流體便分擔(dān)了部分骨架有效應(yīng)力。

2.2.1 生烴作用

引起地層孔隙體積增大而引起的增壓作用中生烴作用最為常見并且認(rèn)為其貢獻(xiàn)最高。有機(jī)質(zhì)熱演化生油氣時(shí)，孔隙流體會顯著增加，當(dāng)排烴不暢時(shí)會導(dǎo)致孔隙流體超壓［5］。前人研究表明固態(tài)干酪根轉(zhuǎn)化為油及殘余物副產(chǎn)品時(shí)，會伴有近似25%體積的膨脹，在相對封閉情況下足以產(chǎn)生超壓。同時(shí)，生烴增壓有穩(wěn)定的壓力來源，這也是其作為超壓主要成因的重要依據(jù)。除受地層封閉程度與埋深的影響外，烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度、類型等同樣有至關(guān)重要的作用。

2.2.2 黏土礦物脫水

蒙脫石的晶體結(jié)構(gòu)中存在豐富的層間水，當(dāng)它從層間被解析出來釋放到孔隙中時(shí)，就會使流體體積増加，巖石密度減小而導(dǎo)致超壓的形成。早期的研究大多關(guān)注的是蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化過程中水的釋放，認(rèn)為蒙脫石伊利石化對超壓形成的貢獻(xiàn)來自孔隙體積的減小和流體體積的增加。然而，目前多數(shù)研究認(rèn)為蒙脫石脫水作用所引起的體積增大很小，但會極大程度的降低滲透率。阻礙孔隙流體排除對孔隙壓力的保存有積極作用。

2.2.3 流體壓力傳遞

孔隙異常壓力的存在基于孔隙空間對流體的封鎖，但地下完全封閉的空間是不存在的，壓力的釋放歸咎于流體的運(yùn)移。例如滲透地層中的異常高壓一般來自于與其鄰近異常高壓泥質(zhì)巖層的壓力傳遞。滲透性地層內(nèi)因有較好水動力，其傳導(dǎo)能力使得內(nèi)部不同部位原本差異較大的超壓快速調(diào)整，最終在該地層內(nèi)達(dá)到平衡，具相同的過剩壓力［1，6］。連通性斷層也會作為一種通道，連接超壓層段與靜水壓力層段，使流體由高勢區(qū)向低勢區(qū)轉(zhuǎn)移，造成原本保持正常壓力環(huán)境的區(qū)域顯示出超壓特性。

2.2.4 水壓頭增壓

水壓頭增壓作用在于一定結(jié)構(gòu)地層中，比如一些地區(qū)經(jīng)常見到的自流井水的上涌實(shí)際就是水壓頭作用在下部地層中產(chǎn)生超壓的結(jié)果。羅曉容等將此類超壓機(jī)制稱為高流體勢承壓。地下的滲透性地層以各種方式與地表水源連通，由于這些水源的水位高于盆地內(nèi)觀測點(diǎn)，因而形成水壓頭差異導(dǎo)致超壓。

2.2.5 浮力增壓

浮力增壓作為一種的自源高壓，指由于滲透性地層流體本身屬性差異與物理，化學(xué)作用而在地層中形成的異常流體壓力機(jī)制。這類壓力成因機(jī)為油或氣藏、氣泡與水密度差較大，因而在滲透性地層中向上浮升、原油裂解生氣、溶水氣的解溶等。簡單來說浮力增壓就是由于兩相或者多項(xiàng)流體共存時(shí)，相對低密度的流體會自發(fā)受到浮力的作用向上浮動。例如封閉的流體柱底部的氣泡，因浮力而上升的過程中，流體柱底部的壓力會隨氣泡的移動傳遞到氣泡最終的位置。

在油氣成藏過程中，由于石油、天然氣與水之間因密度上的差異，當(dāng)有油氣聚集在處于靜水壓力狀態(tài)的圈閉中，在油氣柱中的任一點(diǎn)的油氣不僅要承受孔隙水在該點(diǎn)產(chǎn)生的靜水壓力之外，而且還承受該點(diǎn)以下油氣柱在水中所產(chǎn)生的浮力。

3 結(jié)論

(1)現(xiàn)將超壓分為兩種成因機(jī)制下的7種成因類型:1)有效應(yīng)力增加機(jī)制:包括壓實(shí)不均衡，側(cè)向構(gòu)造增壓;2)孔隙體積增大引起的超壓機(jī)制:包括生烴增壓、黏土礦物轉(zhuǎn)化、流體壓力傳遞、水壓頭增壓與浮力增壓。

(2)效應(yīng)力增加引起的超壓包括縱向上沉積型超壓與水平方向上由構(gòu)造擠壓引型超壓，其在構(gòu)成超壓的本質(zhì)機(jī)理是相同的。欠壓實(shí)作用在大多數(shù)盆地中都或多或少的發(fā)育。構(gòu)造擠壓型超壓可以看做是橫向上發(fā)生的欠壓實(shí)作用，在前陸盆地普遍存在。

(3)在異常壓力研究早期生烴增壓已經(jīng)得到普遍認(rèn)同。同時(shí)認(rèn)為蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化所引起的流體體積變化并非流體壓力增加的主要原因，其轉(zhuǎn)化過程中滲透率的減少對孔隙流體的保存做出了積極地貢獻(xiàn)。超壓傳遞是流體流動的結(jié)果，其對異常壓力的分配起到至關(guān)重要的作用。

(4)高的流體勢承壓與浮力同樣在地下廣泛存在。由于油、氣、水因密度上的差異，在油氣柱中的任一點(diǎn)的油氣除了要承受孔隙水在該點(diǎn)產(chǎn)生的靜水壓力之外，還要承受該點(diǎn)以下油氣柱在水中所產(chǎn)生的浮力。